BIOTECHNOLOGIA ŻYWNOŚCI

BIOTECHNOLOGIA - integracja nauk przyrodniczych i technicznych w celu osiągnięcia zastosowania organizmów, komórek, ich części i molekularnych analogów do otrzymywania produktów i wykonywania usług.

BIOTECHNOLOGIA dotyczy świata istot żywych, głownie drobnoustrojów, cecha charakterystyczna - bardzo duża szybkość wzrostu.

• Bardzo szybki rozwój, programy rządowe - USA, Japonia, Europa

• Przemysł biotechnologiczny - należy do wiodących

• Duże nakłady - szybki rozwój , np. penicylina

EUROPEJSKA FEDERACJA BIOTECHNOLOGII stawia cele:

• Rozwój biotechnologii do powszechnego użytku

• Podnoszenia na wyższy poziom świadomości, komunikacji i współpracy na polach biotechnologii

• Dostarczenia celom rządowym i ponadnarodowym informacji i kompetentnych opinii na temat biotechnologii

• Podnoszenia na wyższy poziom powszechnego zrozumienia
  
  

DYSCYPLINY NAUKOWE TWORZĄCE BIOTECHNOLOGIĘ:

• Biologia komórki

• Biochemia

• Mikrobiologia

• Inżyniera (bio) procesowa

• Genetyka molekularna

• Biologia molekularna

GŁÓWNE OBSZARY ZASTOSOWAŃ BIOTECHNOLOGII (podać przykłady):

• Przemysł farmaceutyczny

• Przemysł chemiczny

• Przemysł żywnościowy i paszowy

• Przemysł fermentacyjny

• Środowisko i energia

• Diagnostyka medyczna

• Rolnictwo i ogrodnictwo

GŁÓWNE GRUPY PRODUKTÓW OTZRYMYWANYCH W WYNIKU HODOWLI DROBNOUSTROJÓW:

1. biomasa (np. drożdże piekarskie, szczepionki)

2. produkty przemian metabolicznych (np. etanol, kwas mlekowy)

3. podstawowe produkty syntez komórkowych - związki makrocząsteczkowe (np. aminokwasy, nukleotydy)

4. produkty specyficzne tzw. metabolity wtórne np. antybiotyki

5. produkty biotransformacji (np. steroidy)

6. enzymy i inne wielkocząsteczkowe produkty komórkowe

KLASYFIKACJA BIOTECHNOLOGII W UE:

• Zielona biotechnologia (green biotechnology) głównie dla „rolnictwa” - m.in. GMO, enzymy i inne produkty otrzymywane przez biotechnologię.

• Czerwona biotechnologia ( red biotechnology) w ochronie zdrowia (antybiotyki, testy diagnostyczne, testy DNA)

• Biała biotechnologia (white biotechnology) biotechnologia przemysłowa i w ochronie środowiska np. otrzymywanie enzymów, opiera się głównie na bioanalizie i bioprocesach.

ETAPY PRAC BADAWCZYCH I WDROŻENIOWYCH W BIOTECHNOLOGII:

- opracowanie procesów

1. „screening” drobnoustrojów (izolacja, ocena przydatności, warunki przechowywania itp.). Aby opracować taki proces trzeba posiadać te drobnoustroje - należy je znaleźć albo kupić prawie gotowy szczep.

2. Określenie wstępnych warunków hodowli, (skład pasożyta, pH, temperatura, czas i sposób hodowli) wstępne prace izolowania produktu.

3. Ulepszenie szczepu przez mutacje lub genetycznie (proces równoległy z określaniem warunków) trzeba „zmusić” szczepy do zwiększonej produkcji. Uszkadza się te szczepy w taki sposób aby wytwarzały w nadmiarze pożądany produkt. Lub: Można przeszczepiać geny z jednego do drugiego szczepu w celu utworzenia nowej cechy i wzrostu wydajności szczepu kilkadziesiąt razy.

4. Optymalizacja warunków procesu (technologia laboratoryjna) ostatni etap laboratoryjny, stworzenie warunków i dobranie ich w taki sposób, aby szczep miał jak najlepsze warunki rozwoju.

5. Powiększenie skali - m.in. przez próby w tzw. skali pilotowej ( skala pośrednia między laboratoryjną a przemysłową)

6. Uruchomienie produkcji przemysłowej :

Główne problemy:

• Natlenienie środowiska

• Utrzymanie czystości mikrobiologicznej (jałowość) - aby nie było zakażeń innych drobnoustrojów

• Zmienność szczepów - szczepy ulepszone mogą samoistnie wracać do poprzednich gorszych warunków

• Wdrożenie

ETAPY PROCESU BIOTECHNOLOGICZNEGO (GOTOWEGO):

1. Etap przygotowawczy - przygotowanie aparatury i podłoża - sterylizacja (121*C- termiczne zabicie wszystkich drobnoustrojów w pożywce)

2. Namnożenie materiału posiewowego - tworzenie inokulum (materiał posiewowy, zaszczepka)

UWAGA! : ETAP 1 I 2 WYSTĘPUJĄ RÓWNOCZEŚNIE .

3. Proces hodowli produkcyjnej i biosyntezy - namnażanie komórek CENTRALNY ETAP !!!

4. Wydzielanie produktu - po zakończeniu hodowli za pomocą różnych metod operacji

5. Produkcja, konfekcjonowanie gotowych produktów (pakowanie, porcjowanie) - do formy handlowej

+ ogólny schemat technologiczny procesu biosyntezy (procesu biotechnologicznego)

STERYLNOŚĆ (jałowość) procesu biotechnologicznego jest jedną z naczelnych zasad.

Jedynie inokulum nie jest sterylizowane, musi być czyste mikrobiologicznie tzn. wprowadzamy tylko nasz szczep.

METODY HODOWLI DROBNOUSTROJÓW PRZEMYSŁOWYCH:

1. hodowle powierzchniowe

1. na ciekłych podłożach

2. na stałych podłożach

2. hodowle wgłębne

1. okresowe

2. ciągłe

3. kombinowane/półciągłe

3. SSF - Solid State Fermentation - hodowle w stałym wilgotnym podłożu tzw. gruba warstwa.

Ad.1)

• Najstarsze

• Prosta aparatura

• Tanio

• Mało wydajna (żadna z komórek nie jest wystarczająco zaopatrzona do życia - albo brakuje pożywki albo tlenu, nie ma wykorzystania potencjalnych możliwości komórek)

Na tacach rozkłada się cienką warstwę pożywki. Wprowadza się -rozsiewa inokulum na całej powierzchni.

Ad.2)

• Zawsze w pożywkach ciekłych, wgłębnych

• W bioreaktorach

• Jednakowe stężenie wszystkich składników

• Duża wydajność

• Droższa aparatura

• Droższa energia

• Jednorodność dla wszystkich komórek

Ad.3)

Wykorzystanie dodatnich cech hodowli powierzchniowej i wgłębnej pożywki rosną w głębi

BIOREAKTORY I GŁÓWNE PARAMETRY TECHNICZNE:

Podstawowe parametry technologiczne w procesie:

1. drobnoustroje/drobne organizmy muszą mieć pożywienie (pożywka hodowlana), musi dostarczać energię, węgiel, azot itd. Podłoże musi być tanie, najlepiej z surowców odpadowych.

2. temperatura dla drobnoustrojów jest bardzo ważna

3. pH (inne dla każdego organizmu)

4. napowietrzanie (dostarczanie tlenu sterylnego)

5. szybkość mieszania (daje jednorodność środowiska)

GŁÓWNE OPERACJE W PROCESIE PO HODOWLI:

1. Usuwanie osadu (biomasy - wirowanie, filtracja)

2. może być konieczne oczyszczanie gdy produkt jest wykorzystywany chemicznie, farmaceutycznie.

3. zagęszczanie (zatężanie) - termiczne, usuwanie wody

4. suszenie (rozpyłowe) - najczęstszy i najprostszy sposób

KRYTERIA EKONOMICZNE DOBORU FERMENTORA:

• mały koszt

• trwałość, prostota mechaniczna

• łatwość w obsłudze

• odpowiednie walory dla wymagań procesu („bez przesady”)

• stabilność pracy aparatu (nawet przy wahaniach, zmianach warunków)

• małe zapotrzebowanie mocy

GŁÓWNE KRYTERIA DOBORU WIELKOŚCI BIOREAKTORA:

• planowana zdolność produkcyjna

• wrażliwość hodowli na zakażenia

• kultura techniczna załogi

• możliwości transportu (mniejsze bioreaktory są łatwiejsze do przewożenia)

Temat: BIOKATALIZATORY - enzymy , substancje biologicznie czynne.

Enzym to białko

Katalizowanie - przyśpieszanie reakcji

PRZEWYŻSZAJĄ KATALIZATORY CHEMICZNE:

• Wysoką specyficznością

• Wysoką aktywnością katalizatorów

• Łagodniejszymi warunkami procesów (pH, temperatura, ciśnienie) tańsza aparatura, szybciej

• Przeprowadzaniem reakcji i niewykonalnych na innej drodze

W technologii enzymy wykorzystywane są głównie w fazie przygotowanie i produkcji żywności (nie w gotowym produkcie).

ENZYMY WYODRĘBNIANE SĄ:

• Z tkanek zwierząt

• Z roślin

• Drobnoustrojowe (100-1000 razy tańsze)

GŁÓWNE PARAMETRY TECHNOLOGICZNE DZIAŁANIA ENZYMÓW:

• Temperatura działania - temperatura procesu, temperatura w jakiej zachodzi reakcja

• pH działania

• termostabilność („odporność” na temperaturę, jak długo może wytrzymać w wysokiej temperaturze bez utraty właściwości, zdolności)

• aktywatory i inhibitory

• stężenie substratu (substrat - to na co ten enzym działa)

W PRZEMYŚLE ENZYMY W TYPACH:

- rozpuszczone - można podzielić na bardzo oczyszczone, mniej oczyszczone, czyste - bardzo rzadko.

- unieruchomione

Preparat enzymatyczny to substancja różna od naturalnej substancji pokarmowej lub żywego organizmu, zawierająca enzym w takiej ilości, aby mógł on spełniać technologiczne funkcje (w przetwórstwie żywności lub innym procesie).

PRODUKCJA ENZYMÓW W ŚWIECIE:

1. proteinazy (enzym rozkładający białko, w proszku do prania, z Bacillus)

2. amyloglukozydazy

3. α-amylazy (z Bacillus)

4. lipazy (rozkładają tłuszcze, w proszkach)

5. izomerazy glukozowe (przetwarza glukozę do fruktozy)

Enzymy wytwarza się głównie w hodowlach wgłębnych, okresowych. CECHY PROCESÓW:

• szczepienie 3-10%

• podłoża z wykorzystaniem surowców odpadowych czasem tzw. „dolewowe

• główne kryterium procesu - wydajność

• duża wrażliwość fermentacji enzymatycznych na zakażenia (bardzo łatwo zarazić, pH bliskie naturalnemu, temperatura i warunki, w których może się wytworzyć wiele bakterii)

• czas hodowli 30-150h , koniec między czasem maksymalnym produktywności i aktywności (maks. Ilość enzymów w mm cieczy po hodowli, trzeba zbadać, czy przedłużenie hodowli jest opłacalne)

ZASTOSOWANIE α-AMYLAZY:

• przemysł spożywczy (browarnictwo, gorzelnictwo, przemysł piekarniczy, cukierniczy, glukozowy)

• przemysł farmaceutyczny (antybiotyki)

• do wiercenia otworów głębinowych

• przemysł włókienniczy (jeansy)

INŻYNIERIA

BIOLOGIA

CHEMIA

BIOCHEMIA

INŻYNIERIA CHEMICZNA

BIOINŻYNIERIA

BIOTECHNOLOGIA

---