BIOTECHNOLOGIA

1)Odżywcze składniki podłoży

W pożywce niezbędne są odpowiednie ilości substancji odżywczych do optymalnego wzrostu drobnoustrojów i uzyskania maksymalnej wydajności przy jak najmniejszym koszcie. Można to osiągnąć, gdy znane są potrzeby pokarmowe drobnoustrojów.

• Makroelementy – 98% ss bakterii i grzybów – C,O, H, N, P, S (NIEMETALE) ; K, Mg (METALE)

• Mikroelementy – Cu, Co, Mo, Ca, Na, Cl, Ni, Se, B, Al., Si, Cr, As, V, Sn, Be, F, Sc, Ti, Ga, Ge, Br, Zr, W, Li, I

2) Makroelementy i ich funkcje fizjologiczne.

1. Węgiel (C)

• Składnik organiczny komórki, źródło energii

1. Azot (N)

• Składnik białek, kwasów nukleinowych, koenzymów

1. Wodór (H)

• Składnik organiczny komórki i wody

1. Tlen (O)

• Składnik organiczny komórki i wody

1. Siarka (S)

• Składnik białek i niektórych koenzymów

1. Fosfor (P)

• Składnik kwasów nukleinowych, fosfolipidów, nukleotydów, niektórych koenzymów

1. Potas (K)

• Główny składnik nieorganiczny w komórce i kofaktor niektórych enzymów

1. Magnez (Mg)

• Kofaktor wielu enzymów, obecny w ścianach komórki i w membranach

3)Źródła węgla: sacharydy, polisacharydy, związki niewęglowodanowe.

1. monosacharydy:

- ksyloza

- glukoza

- fruktoza

Najczęściej stosowana jest glukoza.

Glukoza:

• sacharyd prosty

• wchodzi w skład sacharozy, laktozy, maltozy, skrobi, celulozy, glikogenu, dekstranu

• dobrze rozpuszcza się w wodzie

• łatwo przyswajalna przez większość drobnoustrojów

• jej stosowanie umożliwia otrzymanie bardzo czystego produktu z dużą wydajnością

• powstaje podczas enzymatycznej lub kwasowej hydrolizy skrobi ziemniaczanej lub kukurydzianej

• jako proszek, pastę lub w postaci syropu

1. disacharydy

- sacharoza

- laktoza

- maltoza

W postaci czystej lub w formie surowców je zawierających, np. melasa (sacharoza), serwatka (laktoza), brzeczka/ekstrakt słodowy/słód (maltoza)

Sacharoza:

• zbudowana z reszt glukozy i fruktozy

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

• trzcinowa lub buraczana

• w procesach, w których stanowi źródło węgla przygotowuje się ją przez częściowe usunięcie inhibitorów

Laktoza:

• zbudowana z D-glukozy i D-galaktozy

• występuje w mleku wszystkich ssaków

• otrzymuje się ją z serwatki

• jako źródło węgla stosuje się ją w nielicznych przypadkach i najczęściej w dużym stężeniu

• słabo przyswajana przez drobnoustroje, ale stosuje się ją często w produkcji antybiotyków, zwłaszcza penicyliny, w produkcji proteaz zasadowych z B.subtilis

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

Maltoza:

• Zbudowana z 2 cząsteczek glukozy

• Powstaje głównie po hydrolizie skrobii i glikogenu

• Obecna w słodzie, ekstrakcie słodowym i brzeczce piwnej

1. Polisacharydy

- skrobia

- inulina

- celuloza

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

• Ogrzana do temp 180 C ulega początkowo częściowej hydrolizie dając skrobię rozpuszczalną,

której roztwory mają stosunkowo małą lepkość.

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

• Niewielki dodatek kwasów nieorganicznych lub soli działa katalitycznie, przyspieszając

rozkład skrobi i jednocześnie modyfikując cechy gotowych produktów

Inulina:

• Substancja zapasowa m.in. cykorii i innych roślin złożonych

• To liniowy polimer D-fruktozy i D-glukozy

• Rozpuszczalna w wodzie

• Nie daje zabarwienia z jodem

• Ma właściwości redukujące

Celuloza

• W komórkach roślin jako substancja krystaliczna, razem z hemicelulozą i ligniną

• To długołańcuchowy polimer

• Zbudowana z reszt D-glukozy połączonych wiązaniem β-glikozydowym

• Odporna na hydrolizę

• W odpadach przemysłowych i rolnych po przerobie roślin

1. Związki nie węglowodanowe

- metanol

• Produkowany z gazu naturalnego i nafty

• Stosowany w biosyntezie białka paszowego i witaminy B₁₂ , L-lecytyny i waliny, maślanów poliwodorowych

• Jako źródło węgla w kombinacji z ksylozą w hodowli Hansenula polymorpha.

- etanol

• Bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu i palącym smaku

• W wyniku z surowców roślinnych otrzymuje się etanol używany do celów konsumpcyjnych oraz do przerobu na ocet spirytusowy lub winny

• Etanol syntetyczny otrzymuje się z etylenu lub z metanolu

• Syntetyczny przed zastosowaniem jako źródło węgla należy oczyścić z aldehydu krotonowego , który jest substancją toksyczną dla wielu drobnoustrojów

- kwasy karboksylowe

• Jako niedrogie źródło węgla stosuje się kwas octowy

• Kwas L-glutaminowy jest syntetyzowany w pożywce zaw tylko kwas octowy lub mieszaninę kwasy octowego z glukozą, melasą lub octanem amonu.

• L-izoleucyna i treonina są produkowane w pożywce z kwasu octowego

• Kwas olejowy jest stosowany jako źródło węgla w produkcji prodigiozyny przez Serratia marcescens

• Kwas bursztynowy stosuje się w syntezie pektazy przez P. digitatum

• Kwas fumarowy lub α-ketoglutarowy w przemysłowej produkcji iminohydrolazy kreatynowej

- tłuszcze

• Stosuje się często jako dodatkowe źródło węgla w połączeniu z sacharydami

• Są bezpośrednią substancją odżywczą w pożywce w formie triacylogliceroli lub jako oleje

• Można je stosować jako substancje rozbijające pianę

• Triacyloglicerole – w produkcji steroidów

• Oleje - w produkcji lipazy, amylazy, proteaz, synteza antybiotyków i steroidów

- węglowodory

• Metan – gaz naturalny, zanieczyszczony siarką, którą trzeba usunąć

• N-butan mogą syntetyzować różne drobnoustroje jako źródło węgla

• N-pentan jako źródło węgla w syntezie biomasy przez Corynebacterium hydrocarboclastus

• N-parafiny jako źródło węgla w syntezie biomasy drobnoustrojów, kwasów organicznych, aminokwasów

- substraty gazowe

• CO, CO₂, H₂

• W produkcji białka paszowego

4)Źródła azotu: mąki, hydrolizaty, namoki, żelatyna.

1. Mąki

• Sojowa

- białka zawierają wszystkie niezbędne do rozwoju drobnoustrojów aminokwasy

- najlepsze źródło azotu w syntezie streptomycyny przez Streptomyces griseus

- stosuje się też w produkcji innych antybiotyków, przemianie steroidów i w prod podpuszczki mikrobiologicznej

• z ziaren bawełny

- gossypol działa jako przeciwutleniacz, powoduje zwiększenie wydajności

- przygotowywanie pożywek, produkcja antybiotyków, witamin

• kukurydziana

- jako źródło azotu w biosyntezie chlorotetracykliny i biomycyny, amylazy glukozowej, proteaz, tetracykliny

• rzepakowa

- źródło azotu w procesach fermentacji po obróbce lub nieobrobioną

- jako składnik pożywki w przemianach steroidów

• glutenowa z kukurydzy

- używa się w połączeniu z mąką owsianą w biosyntezie antybiotyków

• mączka rybna

- zamiast namoku z kukurydzy w produkcji proteazy, a tę w przemyśle rybnym do zwiększania wydajności hydrolizatów rybnych

1. namok z kukurydzy

• produkt uboczny w procesie ekstrakcji skrobi kukurydzianej

• jako źródło azotu w niektórych pożywkach przemysłowych

• zawiera aminokwasy, witaminy i sole mineralne

• Wada to duże różnice w zawartości składników, co często zmusza do wyboru innego materiału jako źródła azotu

1. Hydrolizaty

• Najczęściej używa się kazeiny i białek soi

• Enzymatyczne i kwasowe – różny skład chemiczny

• Kazeina hydrolizowana trypsyną – 12,9% N

• Kazeina hydrolizowana kwasem – 8,3% N

• W produkcji antybiotyków, aminokwasów, L-asparaginazy, toksyn difterii

1. Żelatyna

• Ekstrahowana z kości i skór po usunięciu tłuszczu i zw mineralnych

• Jako źródło azotu stosuje się w produkcji kolagenazy i w biosyntezie żelatynazy

• Nie rozpuszcza się w zimnej wodzie, tylko pęcznieje

• W wodzie gorącej łatwo się rozpuszcza, tworząc po oziębieniu żel

• Zawiera dużo glicyny i alaniny.

5) Źródła fosforu, siarki, potasu, magnezu.

6)Mikroskładniki, stymulatory wzrostu- witaminy, aminokwasy.

7)Optymalizacja składu pożywek, współczynnik wydajności komórki, teoria Finka.