BIOTECHNOLOGIA

1. Właściwości funkcjonalne pożywek

1. Lepkość

• zmienność lepkości wywołana jest:

- zużywaniem składników na potrzeby wzrostu mikroorganizmów (węgiel, skł. wzorstu)

- namnażaniem biomasy drobnoustrojów

- przemian składników w inne w wyniku ich aktywności enzymatycznej (fermentacja)

- pojawieniem się nowych składników - wynikających z metabolizmu drobnoustrojów

• poznanie lepkości pożywek i jej zmian decyduje o innych parametrach procesu biotechnologicznegonp. sposobu mieszania, przepompowywania, natleniania

1. Zdolność do pienienia się

• Powstawanie piany jest zjawiskiem niekorzystnym

• Zdolność pienienia - właściwość oceniająca predyspozycje do powstania piany wynika z obecności substancji obniżających napięcie pow.

• Związane jest z warunkami hydrodynamicznymi w płynnym podłożu, wprowadzaniem gazu oraz obecnością komórek drobnoustrojów

• Obecność mikroorganizmów w roztworze a także różnych substancji rozpuszczalnych i ich rozproszenie mają ogromny wpływ na tworzenie się i charakter piany

• Ważną rolę odgrywa ciśnienie w fermentorze i ciśnienie kapilarne w pęcherzykach piany określające pośrednio jej stabilność

• Zagrożenia wynikające z powstawania piany:

- wzrost heterogeniczności środowiska

- poprzez wynoszenie stałych części podłoża i komórek wraz z pianą

- osadzanie ich na ścianach lub innych elementach bioreaktora

- utrudnienie kontroli stężenia składu podłoża oraz objętości hodowli - preces ciągły

- zagrożenie wpienienia hodowli z bioreaktora

- możliwość zainfekowania obcą mikroflorą

- obniżenie pojemności użytkowej bioreaktora o 30-50%

- konieczność stosowania oprzyrządowania przeciwdziałającego pienieniu - wysokie koszty

- możliwość przechodzenia śladowych ilości sub. przeciwpianowych do .... (przeciwprądu????)

- możliwość nie korzystnego wpływu środków przeciwpianowych na morfologię i fizjologię drobnoustrojów

1. Właściwości buforujące i lipofilne

• Właściwości buforujące

- cecha podłóż hodowlanych określająca wrażliwość medium na zmiany kwasowości powodowane procesem biotech.

- wyraża się wartością pojemności buforowej β

- pomiar poj. buforowej pożywek przed i po procesie biotechnologicznym (np. hodowli) to informacja o:przebiegu i efektach procesu biotechnologicznego właściwościach powstających produktów i metabolitów

• Właściwości lipofilne

- niektóre skł podłóż posiadają zdolność do wiązania emulgatorów tłuszczu

- wyznacza się je za pomocą:

• zdolności emulgowania tj, ilość oleju który zostanie zaabsorbowany do pożywki przy ciągłym mieszaniu do momentu załamania emulsji

• aktywność emulgowania - zdolność pożywki do wytworzenia określonej ilości emulsji stała ilość oleju i pożywka jest emulgowana i po odwirowaniu (zmierzona???)

• stabilność emulsji - określa podatność na załamanie lub stratę homogeniczności którą ocenia się na pod. ilości oleju w dolnej warstwie układu po 24h odstaniu względem całości oleju w medium

1. Charakterystyka surowców biotechnologicznych

1. Serwatka

• To serum otrzymane z mleka podczas produkcji serów lub twarogów po usunięciu tłuszczu i kazeiny

• Serwatka słodka powstaje w produkcji serów

• Serwatka kwaśna - w produkcji twarogów, serków i kazeiny kwasowej

• Stosuje się głównie w produkcji drożdży paszowych i częściowo etanolu

1. Melasa

• To produkt odpadowy przy produkcji cukru

• W składzie przeważa sacharoza, cukry proste i inne substancje niecukrowe nie usunięte wraz z wysłodkami i szlamem

• Ciemnobrunatna ciecz o gęstości 1,35 g/cm³ o swoistym zapachu, słodka, o gorzkim posmaku

• Wykorzystanie:

- otrzymywanie drożdży piekarskich i paszowych

- fermentacja do alkoholu w gorzelnictwie przemysłowym

- biosynteza kwasów organicznych (cytrynowy, mlekowy)

- otrzymywanie butanolu, acetonu i innych substancji, np. witamin

1. Wywar gorzelniczy

• Ciecz wyczerpana po oddestylowaniu alkoholu z odfermentowanych zacierów gorzelniczych

• Zawiera składniki pokarmowe

• Odpad o wysokim obciążeniu ścieków

• Substancje tworzące się w trakcie fermentacji alkoholowej, np. gliceryna, kwasy organiczne

1. Brzeczka

• To wodny roztwór ekstraktu słodowego powstały ze słodu w trakcie zacierania a nast. Filtracji

• Ekstrakt słodowy - zagęszczona lub wysuszona brzeczka

1. Ługi posiarczynowe

• Powstają w przemyśle papierniczym na etapie usuwania z drewna hemiceluloz i ligniny

• Skład zależy od rodzaju drewna

• Metoda gotowania pulpy drzewnej z siarczynami (Ca, Mg, Na NH₄)

1. Skrobia

• Jest stosowana w postaci czystej jako bezpostaciowy proszek lub jako składnik ziemniaków, zboża, owsa, jęczmienia, sorga, kukurydzy, tapioki.

• Są to główne surowce stosowane w produkcji etanolu, acetonu, butanolu

• Jest najważniejszym zapasowym węglowodanem roślin i jest syntetyzowana w postaci małych granulek o typowej strukturze

• Granulki skrobi są nierozpuszczalne w wodzie i bardzo wolno rozkładane przez drobnoustroje

• W gorącej wodzie kuleczki skrobi pęcznieją, zaczynają żelować i tracą swoją postać (jędrność)

• W temp. 120-130 C skrobia rozkłada się całkowicie

• Upłynnioną skrobię można stosować jako źródło węgla dla rozwoju drobnoustrojów

• Do najważniejszych enzymów hydrolizujących skrobię należą α i β-amylaza oraz glukoamylaza

• Po odparowaniu wody skrobia rozpada się pod wpływem wysokiej temp na dekstryny

1. Woda sokowa

• Rozpuszczalnik związków niezbędnych do rozwoju mikroorganizmów

• Czynnik decydujący o przebiegu reakcji enzymatycznych

• Podstawowy składnik protoplazmy komórki

• Do celów bezpośrednich=woda do picia

- twardość ogólna nie większa niż 20°N

- nie może być źródłem zakażenia lub zatrucia

- wolna od składników lub domieszek szkodliwych dla zdrowia, o charakterze zanieczyszczeń, o ujemnym wpływie na smak i wygląd

- wolna od jonów metali ciężkich

• Do celów pośrednich

- chłodnicza

- do zasilania kotłów parowych

- do mycia

• Twardość wody

- węglanowa

- niewęglanowa

• O twardości wody decydują wymagania procesu

1. Materiały pomocnicze

1. Detergenty

• Są dodawane jako substancje, które emulgują nierozpuszczalne w wodzie składniki odżywcze w pożywce oraz takie substraty jak: n-alkany, oleje, surowce zawierające steroidy

• Ich zastosowanie wpływa na polepszenie wydajności biomasy z n-alkanów, aminokwasów i kwasów organicznych.

• Detergenty w pożywce zwiększają przepuszczalność membran komórki i aktywują różne enzymy komórkowe

• Np. Tween 40 i Tween 60

1. Odpieniacze

• Wiele substancji ma zdolność obniżania napięcia powierzchniowego na granicy faz roztwór/powietrze

• Właściwości dobrego odpieniacza:

- szybkie rozbicie istniejącej piany

- długotrwałe zabezpieczenie przed ponownym powstaniem piany

- aktywność w małym stężeniu

- nietoksyczność w stosunku do namnażanych drobnoustrojów

- nietoksyczność dla ludzi i zwierząt

- łatwość stosowania

- niepalność, nielotność, niewybuchowość i niska cena

• Najczęściej stosowane naturalne:

- olej słonecznikowy

- kwas olejowy

- tran

• Najczęściej stosowane sztuczne:

- silikony

- polipropyleny

- soapstocks

• Zazwyczaj dodaje się je w ilości 0,1% w stosunku do objętości pożywki

• Żaden odpieniacz nie ma uniwersalnych właściwości, a o jego wyborze odpieniacza decyduje jego skuteczność

SKUTECZNOŚĆ ODPIENIACZA – minimalna jego objętość niezbędna do rozbicia piany, przy maksymalnej wydajności produktu

1. Antyseptyki (środki bakteriobójcze)

• Dodatek do pożywki chemicznych środków bakteriobójczych jest rzadko stosowany

• Powierzchniową fermentację kwasu cytrynowego na melasie buraczanej poprzedza jej odkażenie formaliną lub furacykliną

1. Bufory

• Wiele środowisk hodowlanych jest buforowanych przez dodatek węglanu wapnia

Jeżeli pH obniża się węglan jest rozkładany, jeżeli rośnie – może następować zmiana pH wywołana produkcją kwasu przez drobnoustroje

• pH podłoża można też korygować przez dodanie roztworów wodorotlenków sodu lub amonu i roztworu kwasu siarkowego VI

• Substancje o właściwościach buforujących:

- białka

- peptydy

- aminokwasy

- cytryniany

Ilość tych substancji podczas hodowli ulega zmianie, co powoduje konieczność utrzymania pH na określonym poziomie przez dodanie odpowiedniego regulatora pH.

1. Rodzaje pożywek

1. Ze względu na stan skupienia

• Stałe, w postaci past

Np. plewy, rozdrobnione ziemniaki paszowe,

• Ciekłe

- roztwory rzeczywiste

- roztwory koloidalne

- zawiesiny

- emulsje

Np. serwatka, melasa, n-alkany, mleko, brzeczka

1. Ze względu na pochodzenie i skład chemiczny

• Organiczne (naturalne i syntetyczne)

• mineralne