Surowce i materiały w biotechnologii

25.02.2008

Podstawowe składniki procesu biotechnologicznego

Czynnik biologiczny

Substrat aparatura do realizacji procesu produkt

Biotechnologia (warunki prowadzenia procesu)

Czynnikiem biologicznym mogą być drobnoustroje, które zużywają odnawialne surowce, np. skrobia, celuloza oraz surowce syntetyczne, a także enzymy, bakteriofagi, komórki roślinne i zwierzęce oraz wirusy.

Rodzaje bioprocesów przemysłowych:

• biosynteza- aminokwasów, antybiotyków; szczepionki, przeciwciała;

• biotransformacja- przekształcanie glukozy, otrzymywanie kwasu octowego;

• biohydroliza- mleko bezlaktozowe;

• fermentacja- produkcja kwasu mlekowego;

• bioługowanie- ługowanie minerałów, głównie uranu i miedzi;

• biodegradacja- oczyszczanie ścieków, produkcja biogazu, biomasy paszowej ze ścieków.

Produkty odpadowe stosowane jako substraty: melasa, hydrolizaty polimerów roślinnych, cukry, alkohole, produkty ropopochodne, gaz ziemny, odpady gospodarcze, przemysłowe, hodowlane, z przetwórstwa warzyw i owoców, serwatka, ziemniaki, zboża, zielone części roślin.

Czynniki biologiczne: mikroorganizmy, komórki roślinne i zwierzęce, wirusy, składniki komórek, enzymy, unieruchomione mikroorganizmy.

Przykłady produktów wytwarzanych przez drobnoustroje: drożdże piekarskie, preparaty paszowe, szczepionki, etanol, produkty fermentowane, antybiotyki.

Przemysł biotechnologiczny jest dość zróżnicowany. Dzielimy go na drobno- i wielkotowarowy. Przykładem jest produkcja kwasu giberelinowego, którego roczne spożycie w skali kraju wynosi nieco ponad 10 kg oraz produkcja kwasu cytrynowego, którego zużywa się ok. 10 tys. ton.

Zużycie surowców w przemysłowych fermentacjach na dużą skalę może wynosić setki tysięcy ton lub kilkanaście kilogramów. Strata surowca rzędu kilku procent przy produkcji wielkotowarowej może być bardzo duża.

W skali masowej stosowane są operacje praco- i energochłonne, które wymagają materiałów technicznych wspomagających, np. sorbentów.

Zapotrzebowanie na surowce, kontrola ich jakości, przechowywanie, transport, racjonalne wykorzystanie jest zróżnicowane, ale bardzo ważne.

Racjonalne wykorzystanie obejmuje: dostosowanie wsadu pożywki do potrzeb drobnoustrojów, standardową jakość składników (surowce stosowane w przemyśle są z natury niejednorodne).

Ustalenie pożądanych parametrów mierzonych różnymi metodami wg odpowiednich norm to bardzo ważna informacja o wielu właściwościach surowca (kwalifikowanie surowca do różnych klas jakości, zdyskwalifikowanie partii surowca).

Podłoża dzielimy na stałe i płynne.

Stałe stosowane są najczęściej do hodowli grzybów strzępkowych. Mogą to być: śruta rzepakowa, otręby, słoma, sieczka (pasze), łęty ziemniaczane, wysłodki buraczane, wycierka ziemniaczana (hodowla grzybów jadalnych).

Podłoża płynne najczęściej stosowane są do hodowli bakterii: serwatka (czyste kultury, kwas mlekowy, preparaty enzymatyczne). Na podłożu płynnym można także przeprowadzać hodowlę grzybów nitkowatych: serwatka (enzymy, biomasa), wywar melasowy, wytłoki z jabłek (kwas cytrynowy, etanol, biogaz) oraz drożdży: melasa, serwatka (biomasa, enzymy, fermentacja).

Racjonalna gospodarka surowcami obejmuje: wykorzystanie surowca, wykorzystanie składników surowca, minimalizację odpadów, usprawnianie technologii.

Wykorzystanie surowca zależy od składu chemicznego, dojrzałości oraz właściwości warunkujących technologię przetwarzania.

Zagospodarowanie odpadów: piekarnictwo i przemysł tłuszczowy- 2%, przemysł gorzelniczy i cukierniczy- 25%. Obejmuje: wykorzystanie produktów ubocznych, przerób na paszę, ekstrakcja np. barwników, witamin, destylatów ziołowych, zastosowanie enzymów do uzdatniania odpadów, wzbogacenie białka przez namnażanie biomasy, drożdżowanie wód dyfuzyjnych z cukrowni, ukwaszanie odpadów za pomocą bakterii fermentacji.

Ocena przydatności surowców:

- melasy wadliwe w przemyśle gorzelniczym i drożdżownictwie,

- odpowiednia jakość słodu z jęczmienia w przemyśle słodowniczym

- badanie obecności w komórkach drożdży węglowodorów aromatycznych (np. benzopiren jest substancją rakotwórczą, a norma jego stężenia wynosi 5 mg/ 1kg).

Wywar melasowy odzyskiwany w produkcji spirytusu ma skład: woda 81- 94%, białko 1,3- 1,4%, tłuszcz 0,4- 0,9%, błonnik 0,2- 0,6%, sole mineralne i związki organiczne 8- 10%.

Składniki surowców wykorzystywanych do produkcji podłóż

Kierunki wykorzystania odpadów jako surowców w przygotowaniu podłóż:

- pozyskiwanie określonych preparatów enzymatycznych

- bezpośrednia produkcja biomas bogatych w białko

- pozyskiwanie energii, np. biogaz, alkohole

Zasadność wykorzystania:

- duża zdolność mikroorganizmów do wykorzystania różnego typu surowców bezużytecznych w bezpośrednim żywieniu człowieka i zwierząt

- ilość produktów odpadowych bogatych w węgiel (koncentracja węglowodanów).

Poza tradycyjnymi metodami pozyskiwania białka opracowano metody niekonwencjonalne pozyskiwania białka mikrobiologicznie. Substratami w technologiach produkcji SCP są alkany C₁- C₁₀, metanol i etanol, ścieki i odpady przemysłowe. Ujemną cechą SCP jest potrzeba dokładnego oddzielenia biomasy od nieprzereagowanego produktu (koszty).

Surowce do produkcji biomasy: metan, metanol, etanol, kwas octowy, pentozy, heksozy, disacharydy, parafiny.

Odpady w fermentacji: wody sokowe ziemniaka.

Wykład 3 03.03.2008

Produkcja metabolitów pierwotnych: enzymy witaminy.

Produkcja metabolitów wtórnych: antybiotyki, toksyny, alkaloidy.

Transformacja związków organicznych za pomocą rozmnażających się komórek drobnoustrojów: hydroliza, np. dwu- lub trój sacharydów do cukrów prostych, utlenienie alkoholu do kwasu octowego, glukozy do kwasu glukonowego itp., redukcja kwasu jabłkowego do kwasu bursztynowego itp.

Rozwijające się technologie dążą do ulepszania szczepów, poszukiwania nowych genotypów oraz optymalizacji podłoża. Konieczne jest konstruowanie mikroorganizmów zdolnych do spełnienia określonych cech: rozkładanie szkodliwych substancji zawartych w żywności, nie mogą wytwarzać toksycznych metabolitów. Celem doskonalenia szczepów używanych w biotechnologii jest zwiększenie wydajności i produktywności procesów technologicznych, podniesienie jakości otrzymanego produktu.

W przemyśle wykorzystuje się np. drożdże ze zrekombinowanym DNA. Drożdże używane w piekarnictwie nie wytwarzają L- galaktozydazy.

Przydatność drobnoustrojów w biotechnologii oceniana wg:

1. wydajność i szybkość tworzenia produktu

2. czystość produktu fermentacji

3. niepatogenność i brak produktów toksycznych

4. szybkość wzrostu

5. stabilność genetyczną i fenotypową oraz fagooporność

6. wielkość zapotrzebowania na tlen oraz tolerancję na zmianę warunków natlenienia

7. wymagania w zakresie temperatury, odczynu oraz innych parametrów procesu, a także stopień wrażliwości na ich zmiany

8. łatwość wydzielania produktu

9. inne cechy technologiczne niepożądane, np. lepkość i pienistość hodowli lub cechy pożądane, np. zdolność do flokulacji

Zalety stosowania mieszanych kultur mikroorganizmów:

1. zdolność do utylizacji surowców złożonych o zmiennym składzie, często niemożliwe do rozkładu przez mikroorganizmy monokulturowe

2. zdolność do mineralizacji złożonych połączeń organicznych

3. zwiększona zdolność do biotransformacji substancji organicznych

Znanych jest ok. 100 tys. gatunków mikroorganizmów, a tylko kilkaset z nich to gatunki produkcyjne. Pozyskiwane z różnych źródeł ekologicznych, np. gleba, rośliny, woda. Biologiczny czynnik technologiczny przeznaczony do wielkotowarowych produkcji nie może być drogi.

Scharakteryzowane genetycznie mikroorganizmy są przechowywane w kolekcjach, które są odpowiedzialne za zachowanie cennego materiału genetycznego, odgrywają także ważną rolę w standaryzacji procesów biotechnologicznych. Celem przechowywania jest zabezpieczenie kultury przed utratą cech produktywności i zabezpieczenie czystości genetycznej.

Skrining drobnoustrojów lub produktów ich metabolizmu to kompleksowe postepowanie obejmujące zabiegi mające na celu wykrycie i izolację spośród dużej liczby drobnoustrojów tych, które są celem badania. Postępowanie składa się z: wyboru miejsca i pobrania próbek, zwiększenia liczebności poszukiwanych drobnoustrojów.

Organizmy stosowane w biotechnologii mają wybiórczo przepuszczalną błonę komórkową, materiał genetyczny zakodowany w DNA oraz zawierają RNA, a ich poszczególne komórki rzadko są większe niż 1 mm średnicy.

Produkty fermentacji pochodzące od drobnoustrojów: kwasy, aminokwasy, enzymy, antybiotyki, barwniki i polisacharydy, białko otrzymywane z komórek bakterii.

Eukariota wykorzystywane w biotechnologii: glony, pierwotniaki, grzyby.

Grzyby strzępkowe mogą powodować toksyczność żywności i pasz, choroby roślin i zwierząt, rozkład materii organicznej, ale także mogą być źródłem enzymów hodowlanych. Przykładem grzybów wykorzystywanych w biotechnologii mogą być drożdże stanowiące źródło białka jadalnego lub paszowego, wykorzystywane w produkcji fermentowanych napojów alkoholowych i w przemyśle piekarskim.

Wirusy są patogenami człowieka i zwierząt. Wprowadzają Oce geny do komórek, namnażają się wewnątrz komórek, do których wniknęły. Mogą powodować psucie zakwasów, wywołują różne choroby.

Zawartość wody w komórkach drobnoustrojów zapewnia równowagę dynamiczną ciśnienia osmotycznego w komórce, polegającą na stałym, wybiórczym wydzielaniu i pobieraniu związków osmotycznie czynnych.

typ a_w

bakterie normalny 0,91

drożdże normalne 0,88

osmofilne 0,60

pleśnie normalne 0,80

kserofilne 0,65

a_w- stosunek ciśnienia pary wodnej nad żywnością (p) do ciśnienia pary wodnej nad czystą wodą (p_w) w tej samej temperaturze

Substancje rozpuszczalne w wodzie obniżają jej aktywność.

Bakterie chorobotwórcze nie rozwijają się i nie tworzą toksyn w środowisku o a_w < 0,85.

Podstawowe znaczenie ma współczynnik aktywności wody, a nie jej zawartość.

Wykład 4 17.03.2008

Woda warunkuje rozwój mikroorganizmów, jest podstawowym składnikiem materii żywej, jest rozpuszczalnikiem większości związków oraz podstawowym surowcem lub surowcem pomocniczym.

W komórkach występuje woda związana z białkami, rozpuszczalnik koloidów i protoplazmy, kapilarna- krążąca w wolnych przestrzeniach żywej materii.

Woda w komórce rozpuszcza substancje i katalizuje reakcje.

Właściwości wody:

- jest dipolem (ma charakter polarny, tworzy wiązania wodorowe, słabo rozpuszcza związki hydrofobowe)

- ma stosunkowo dużą objętość molową, małe rozmiary cząsteczek

- duże ciepło właściwe i ciepło parowania

- umiarkowana lepkość

- duże napięcie powierzchniowe

- stanowi środek transportu i jest doskonałym regulatorem temperatury ciała zwierząt

- podstawa wszystkich podłóż płynnych.

Wymagania stawiane wodzie:

- nie może być źródłem zakażenia

- nie może mieć składników szkodliwych dla zdrowia

- bezbarwna, przezroczysta, nie może dawać osadów i zmętnień

- sucha pozostałość nie powinna przekraczać 500 mg/l

Twardość wody ocenia się w ° niemieckich- 10 mg CaO w 1 litrze wody. Wodę wg twardości klasyfikuje się od bardzo miękkiej (0- 4° niem.) do bardzo twardej (>30° niem.)

- brak obcego zapachu i smaku

- twardość nie większa niż 20° niem.

- ilość Fe nie większa niż 0,3 mg/l, ilość Mn nie większa niż 0,1 mg/l

- brak metali ciężkich

- chlorki pochodzenia geologicznego 300 mg/l chloru

- zawartość siarczanów nie większa niż 100 mg/l (jako SO₄)

- nie może zawierać bakterii chorobotwórczych i bakterii z grupy coli.

Woda używana w przemyśle fermentacyjnym do celów technologicznych musi spełniać wymagania dla wody pitnej.

Woda w biotechnologii

Przemysł drożdżowy- woda nie może zawierać azotanów i azotynów (hamują rozwój drożdży), żelaza i manganu (powodują ciemnienie produktu), nie może być zbyt miękka, ponieważ może powodować szybkie zwyrodnienie drożdży.

Przemysł piwowarski- pożądana znaczna twardość węglanowa, niekorzystna obecność azotanów i azotynów, amoniaku i siarkowodoru (zakłócają proces fermentacji)

Produkcja piwa- zasadowość wody ogólna niska (mniejsza od twardości wody), zasadowość alkaliczna= 0, niekorzystna obecność Ca i Mg w postaci kwaśnych węglanów, korzystna obecność Ca w postaci siarczanów i chlorków, obecność Mg powoduje zwiększanie goryczki, wzrost pH brzeczki powoduje trudniejsze scukrzanie słodu i gorsze filtrowanie. Typowe wody browarnicze: pilzneńska, monachijska, dortmundzka.

Przemysł spożywczy i farmaceutyczny- stosuje się wodę do picia, a w produkcji farmaceutyków czasem wykorzystuje się wodę odmineralizowaną.

Przemysł fermentacyjny- brak metali ciężkich (ołów, żelazo, magnez, miedź), które obniżają aktywność metaboliczną i pH roztworu.

Przemysł cukrowniczy- ekstrakcja; niska sucha pozostałość, niska zawartość CaSO₄, MgCl₂ i azotanów (utrudniają krystalizację).

Przemysł ziemniaczany- produkcja krochmalu; niska temperatura, mała twardość, mało soli mineralnych (wysoka zawartość zwiększa ilość popiołów w krochmalu), niekorzystna obecność związków żelaza i manganu (żółte zabarwienie krochmalu oraz powstawanie ciemnych plam).

Przemysł piekarski- rozpuszczalnik składników mąki; woda twarda poprawia właściwości glutenu, a odpowiednie pH wpływa na rozwój mikroflory.

Przemysł owocowo- warzywny- produkcja klarownych soków owocowych; twardość poniżej 20° niem. (produkcja konserw groszkowych), często prowadzi się utwardzanie wody solami wapnia.

Przemysł mleczarski- wymagania mikrobiologiczne, brak Fe, Mn i Cu (Fe daje specyficzny posmak i rdzawą barwę masła, Mg powoduje nieprzyjemny gorzki smak, ogólna twardość nie więcej niż 10° niem.

Woda ogólnoużytkowa- chłodzenie, mycie, zasilanie kotłów parowych (browary); powinna mieć jak najmniej osadów w stanie zimnym i gorącym, brak substancji organicznych i nieorganicznych, brak większych ilości połączeń magnezu i żelaza.

Woda do biopreparatów- polecany jest zmielony lód otrzymany z głębi lodowca grenlandzkiego, wodę tą przechowuje się w 80°C, co zapobiega rozwojowi szkodliwych drobnoustrojów.

Czynniki wpływające na wydajność procesu fermentacji:

1. niezbędne składniki odżywcze- rodzaj i stężenie źródła węgla, azotu, siarki i innych mikroelementów

2. inne chemiczne substancje- rep resory i induktory

3. produkty końcowe lub enzymy produkujące inhibitory

4. odpieniacze

5. czynniki fizyczne- temperatura, pH, mieszanie, wymiana tlenu, ciśnienie fazy gazowej

Żywieniowe wymagania drobnoustrojów

Dodatek substancji odżywczych- jest niezbędny w celu optymalnego wzrostu hodowli i maksymalnej wydajności przy jak najmniejszych kosztach.

Ok. 35- 40 pierwiastków jest niezbędne w odżywianiu drobnoustrojów.

Makroelementy- C, H, O, N, P, S, K, Mg; stanowią 98% suchej masy bakterii i grzybów.

C, H, O, N- główne składniki komórki; stanowią 90- 95% suchej masy.

W biotechnologii źródłem węgla bardzo często są produkty uboczne przemysłu rolnego i spożywczego.

Zapotrzebowanie na pierwiastki

C- > 10^-2 [mol/l] źródło energii, podstawowy składnik

N- > 10^-3 [mol/l] składnik kwasów nukleinowych, białek i koenzymów

H- pobierany z powietrza i ze źródeł węgla

O- pobierany z powietrza i ze źródeł węgla

S- 10^-4 [mol/l] składnik białek i niektórych koenzymów

P- od 10^-4 do 10^-3 [mol/l] składnik fosfolipidów, kwasów nukleinowych i niektórych koenzymów

K- od 10^-4 do 10^-3

Mg-

Kryteria doboru odpowiedniego podłoża

1. specyficzne substancje odżywcze wymagane przez bakterie oraz metoda hodowli

2. Skład substancji odżywczych, które mogą ulegać zmianom podczas przechowywania i przygotowywania do fermentacji

3. znajomość właściwości substancji odżywczych w czasie przechowywania i transportu oraz ich zachowanie się jako składników mieszaniny pożywki

4. koszt substancji odżywczych

Źródła węgla

1) węglowodany- monosacharydy, oligosacharydy, polisacharydy; najtańszymi węglowodanami stosowanymi w dużych ilościach są sacharoza i glukoza.

fruktoza- występuje w miodzie, owocach i sacharozie; jest słodsza od sacharozy, krystalizuje z trudnością i przeszkadza w krystalizowaniu innych cukrów; wytwarzana przez enzymatyczną hydrolizę skrobi, inuliny, sacharozy; z 2,1 kg sacharozy otrzymuje się 1 kg fruktozy; produkcja fruktozy jest znacznie droższa niż glukozy; zastosowanie w przemyśle fermentacyjnym (wina owocowe);

ksyloza- cukier drzewny; wykorzystywana w produkcji izomerazy glukozowej; jedyne źródło węgla w pożywce ze skrobią ziemniaczaną, kukurydzianą, glukozą lub glicerolem;

glukoza- cukier gronowy; najbardziej rozpowszechniony monocukier, łatwo przyswajalny przez drobnoustroje; wykorzystywana w produkcji kwasu masłowego, winowego, antybiotyków, steroidów, aminokwasów, enzymów litycznych drożdży, gumy ksantanowej,

sacharoza- stosowana do produkcji kwasu cytrynowego metodą wgłębną, kwasu mlekowego; występuje w melasie; melasa jest bardzo dobrym źródłem sacharozy, bardzo zagęszczona może zawierać nawet 70- 80% suchej masy, ma małe a_w i jest bardzo trwała; zawiera dużo potasu i mało fosforu (wzbogacanie przez dodatek kwasu fosforowego); w gorzelnictwie przemysłowym a przede wszystkim w drożdżownictwie istnieje problem melas wadliwych (mogą mieć niepożądany skład frakcji związków białkowych); melasa jest znacznie tańsza niż cukier (produkt odpadowy); konieczne jest określanie przydatności melasy i jej odpowiednie przygotowanie, np. usunięcie inhibitorów, neutralizacja przy użyciu CaCO₃ (do produkcji drożdży i etanolu); w zależności od metody ekstrakcji, ekstrahowane są różne związki, stąd też zawartość suchej substancji jest zróżnicowana; konsystencja i skład melasy zależy od technologii procesu ekstrakcji, cukru i od jakości zbioru (skład naturalnego buraka cukrowego, substancje pochodzące z agrotechniki- resztki pestycydów, substancje pozostające z naturalnego składu buraka w wyniku nieprawidłowych procesów przechowywania); melasa z trzciny cukrowej jest produkowana na zamówienia, głównie w Ameryce Południowej i na Kubie; jest stosowana w przemyśle farmaceutycznym jako melasa surowa lub oczyszczona; ma wysoką zawartość cukru inwertowanego i biotyny, zawiera niski % potasu oraz węglowodany, a także kwasy lotne, SO₃, azotyny i koloidy (niepożądane w fermentacji mikrobiologicznej); przygotowanie melasy polega na usunięciu koloidów, metali ciężkich przez klarowanie przy pomocy superfaktantu;

laktoza- występuje w serwatce; jest słabo rozpuszczalna, krystalizuje w temperaturze otoczenia przy stężeniu ok. 25%, jest trudno dostępna dla mikroflory, stosowana w przemyśle piwowarskim, gorzelniczym (przydatność laktozy do fermentacji zależy od predyspozycji drobnoustrojów wyposażonych w enzym β- galaktozydazę); laktoza jest najobficiej występującym składnikiem suchej masy serwatki; serwatkę stosuje się w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym oraz do produkcji galaktozy i laktozy.

Ograniczone zastosowanie z powodu nietolerancji laktozy przez niektórych ludzi, mała słodkość i słaba rozpuszczalność.

Wyróżniamy dwa rodzaje serwatki: podpuszczkowa (słodka, powstaje w trakcie produkcji serów podpuszczkowych) oraz twarogowa (kwaśna, powstaje w trakcie produkcji serów twarogowych)

Serwatka zawiera wysokowartościowe białka oraz cukier mlekowy, które przechodzą z mleka. Substancje, które przechodzą z mleka do serwatki to: sole mineralne, kwasy organiczne, LKT, gazy, enzymy, popiół (K₂O 25%, CaO 22%, Na₂O 8%, MgO 3%, P₂O₃, Cl, SO₃)

Wykład 5 31.03.2008

Przerób serwatki obejmuje: zagęszczanie i suszenie, ultrafiltrację (koncentrat białek serwatkowych), uzyskanie permeatu- odcieku (woda, laktoza, kwas mlekowy, sole mineralne, związki niebiałkowe).

Wykorzystanie serwatki:

1) syrop glukozowo- galaktoz owy- uzyskiwany w enzymatycznej hydrolizie laktozy w permeacie; skład: sucha masa 62,82%, w tym popiół 5,94%, laktoza 4,49%, glukoza 21,32%, galaktoza 21,32%, białko 9,45%; stosowany jest jako zamiennik tradycyjnych środków słodzących, jako źródło węgla w hodowli

2) serwatka podpuszczkowa jest stosowana jako dodatek do pasz (ograniczeniem jest wysoka zawartość laktozy- enzymy hydrolizujące ten dwucukier nie są wytwarzane w dostatecznych ilościach przez osobniki starsze), w piekarnictwie (przedłuża świeżość pieczywa, zwiększa zawartość wapnia, podnosi wartość biologiczną), dodatek do wędlin, utrwalenie i detoksykacja ziaren zbóż, produkcja koncentratów witaminy B₁₂, napoje fermentowane, zalewa kiszonkowa i konserwacyjna

maltoza- występuje w brzeczce, którą wykorzystuje się w produkcji piwa;

słód jęczmienny- ziarno jęczmienia wykiełkowane do pewnego stanu i wysuszone; produkcja: moczenie ziaren i intensywne napowietrzanie, kiełkowanie ziaren ( wytwarzanie enzymów α- i β- amylazy, które rozkładają skrobię do cukrów prostych i maltozy), polerowanie ziaren i suszenie; wysuszone ziarna mieli się i poddaje procesowi zacierania;

wyróżniamy słód browarny do produkcji piwa i słód gorzelniczy do produkcji spirytusu.

Brzeczka zawiera maltozę, dekstryny pośrednie i inne cukry. Skład brzeczki może być różny ze względu na różne metody zacierania (temperatura i czas).

Przeciętny skład brzeczki: maltoza 6,07%, dekstryny, azot ogółem 82%. Skład aminokwasowy zależy od jakości słodu.

Zastosowanie brzeczki jako podłoża jest ograniczone do przechowywania drożdży i grzybów strzępkowych.

skrobia- stosowana jest w postaci czystej; zawarta w ziemniakach, jęczmieniu, pszenicy, owsu, kukurydzy i życie; skrobię pochodzącą z różnych roślin można rozróżnić przez obserwację pod mikroskopem i porównanie wielkości i kształtu kuleczek skrobiowych; skrobia pęcznieje w ciepłej wodzie, jest całkowicie rozpuszczalna w wodzie w temperaturze 110°C w stosunku skrobia- woda 1:4; skrobia ulega że latynizacji w temperaturze zależnej od rodzaju rośliny w granicach 60- 80°C; hydrolizę skrobi przeprowadza się z użyciem enzymów; w wyniku tego procesu powstaje syrop glukozowy, syrop fruktoz owy i maltozowy;

inulina- substancja zapasowa cykorii, ma właściwości redukujące, składa się z cząsteczek glukozy i fruktozy, dobrze rozpuszcza się w wodzie;

celuloza- substancja krystaliczna, występuje w ścianach komórkowych komórek roślinnych z hemicelulozą i ligniną; najczystszą celulozą jest bawełna, len i konopie; czynnikiem decydującym w przerobie celulozy jest zniszczenie wiązań między celulozą a ligniną (mechaniczne rozdrabnianie i działanie parą, działanie ozonem, SO₂ lub NH₄OH, stosowanie roztworów alkalicznych, naświetlanie promieniowaniem γ a następnie zatężanie); celuloza ulega hydrolizie kwasowej- hydrolizat składa się głównie z monosacharydów pentozowych; produktem ubocznym przy przerobie celulozy są ługi posiarczynowe; powstają przy przerobie drewna, ich skład może się różnić w zależności od użytego drewna i technologii (zawierają substancje redukujące, pentozy, furfural, SO₂, lotne kwasy; zawierają także niewielkie ilości substancji przyswajalnych, których ilość można zwiększyć działając ozonem); ługi mogą być wzbogacane w autolizaty drożdży lub namok kukurydziany, a ich jakość określa się poprzez zawartość lotnych kwasów, SO₂ i furfuralu;

polisacharydy otrzymywane z wodorostów morskich- najczęściej algi morskie;

metanol i etanol- niewęglanowe źródła węgla, używane podłożach do mieszania amoniaku i metanolu; etanol może być użyty w podłożu do produkcji octu winnego; metanol jest produkowany z gazu naturalnego i nafty; używa się go w biosyntezie białek paszowych, witaminy B₁₂, L- seryny, waliny, L- leucyny; etanol cechuje się łatwością mieszania z wodą i nietoksycznością;

glicerol- źródło węgla w produkcji antybiotyków; jest to oleista, lepka, słodka ciecz; nie wszystkie drobnoustroje są zdolne wykorzystywać glicerol (konieczna synteza egzogennych enzymów lipolitycznych, dopiero produkty hydrolizy glicerydów stanowią przyswajalne źródło węgla)

węglowodory- metan (90- 92% gazu ziemnego), etan (1,5%), butan (1,2%), ślady CO₂, argonu i azotu; n- pentan jest stosowany jako dodatek w pozyskiwaniu biomasy; n- butan może być używany do syntezy SCP (single cell protein)

tłuszcze- używane do produkcji białka paszowego i metabolitów wtórnych, np. kwasu cytrynowego; mogą to być: tłuszcz drobiowy około żołądkowy, łój, tłuszcze kanałowe, utylizacyjne (paliwowe i inne); drobnoustroje mogą wykorzystywać kwasy tłuszczowe (trójglicerydy, węglowodory, wolne kwasy tłuszczowe); źródłem może być nieodtłuszczona mąka sojowa (olej 20- 22%, lecytyna2,2- 2,5%); oleje używane są do produkcji lipaz i proteaz oraz w syntezie antybiotyków i steroidów;

soapstoki- mydła powstające podczas odkwaszania oleju;

Źródła azotu- wymagane stężenie w podłożu wynosi 10³ mol/l; źródłem są mukopolisacharydy, lipo polisacharydy, kwasy nukleinowe i białka oraz źródła nieorganiczne- sole mineralne (azotowe i amonowe) stosowane do korekty pH.

Źródła organiczne: mąka (z ziaren bawełny, kukurydziana, rzepakowa, glutenowa z kukurydzy, mączka rybna), autoliza drożdży, mocznik (niestabilny podczas sterylizacji, dobre źródło azotu ze względu na właściwości buforujące), białka ziemniaka (ekstrakcja skrobi), namok kukurydziany (wadą są wahania w zawartości poszczególnych składników). Ze źródeł nieorganicznych najczęściej stosuje się amoniak uwodniony i siarczan amonu (jony amonu są niezbędne do syntezy penicyliny), chlorek amonowy i mineralne sole amonowe.

Fosfor- jest składnikiem ścian komórkowych, reguluje metabolizm węglowodanów i lipidów; jego stężęnie powinno wynosić 0,3- 300 mmol/l; źródła: PO₄^3-, fosforan glicerynowy

Siarka- jej źródła to siarczan sodu, amonu; aminokwasy siarkowe są zbyt drogie, aby używać ich na skalę masową w przemyśle;

Mikroelementy- Zn, Cu, Fe, Cl, Na, Se, Co; ich stężenie powinno wynosić 0,1- 100 µM/dm³.

Aminokwasy- niektóre mogą stanowić inhibitory pewnych procesów, otrzymuje się je przez fermentację; w wysokiej temperaturze mogą połączyć się z białkami lub cukrami stając się niedostępne dla drobnoustrojów; ich stężenie powinno wynosić 10^-6- 10^-3 mol/l

Puryny i pirymidyny- znajdują się w krwi i surowym mięsie; są niezbędne do syntezy kwasów nukleinowych

Wykład 6 06.04.2008

Substancje chelatujące

Na skutek mieszania następuje wytrącenie pierwiastków niezbędnych do rozwoju drobnoustrojów. Substancje chelatujące zapobiegają wytrącaniu się mikro- i makroelementów szczególnie alkalizujących. Zawierają ligandy, które łączą się z poszczególnymi metalami tworząc przejściowe rozpuszczone kompleksy (grupy COOH, NH₂, SH). Substancjami chelatującymi są np. polifosforany, kwas cytrynowy, peptydy, białka, niektóre aminokwasy (histydyna, tyrozyna, cysteina). W pożywkach chemicznych substancje chelatujące nie mogą być toksyczne i nie mogą być wykorzystywane w metabolizmie drobnoustrojów. Najczęściej stosowany jest kwas wersenianowy (EDTA). Wykorzystuje się także cytryniany, jednak nie dla tych drobnoustrojów, które mogą wykorzystywać cytryniany jako źródło węgla. Substancje chelatujące muszą być dodawane w określonych ilościach, ponieważ gdy jest ich zbyt dużo mogą wpływać na metabolizm drobnoustrojów (np. EDTA wytrąca także jony wapniowe).

W zależności od wartości pH powstają różne produkty fermentacji, dlatego utrzymanie stałego pH w podłożu jest bardzo ważne. pH można korygować za pomocą NaOH (tańsza niż KOH, jednak duża ilość sodu może wypierać potas z komórki), Ca(OH)₂ (przy wysokim pH sole wapnia mogą się wytrącać powodując niejednorodność podłoża), amoniaku (neutralizacja może spowodować, że może on być toksyczny, jednak jest bardzo tani), kwasu siarkowego (najlepszy), kwasu solnego (stosowanie ograniczone ze względu na problemy korozji fermentatora), kwas fosforowy (zbyt kosztowny), kwas mlekowy (tylko wtedy, gdy pełni rolę konserwantu)

Bufory- rozpuszcza się w nich biomasę, zapewniają przetrzymanie biomasy w stanie aktywnym; zastosowanie jest ograniczone wpływem inhibitującym lub toksycznym; przykładowo bufor fosforanowy nie wpływa na fizjologię, ale wpływa na metabolizm drobnoustrojów metabolizujących metan;

bufor fosforanowy- pH 5,8- 9,5 (Na₂HPO₄/ KH₂PO₄)

bufor tris- pH 7,2- 9,1 (tris/hydroksymetyl/aminometan:HCl)

bufor octowy- pH 3,6- 5,6 (octan/ kwas octowy)

Gęstość podłoża- wpływ na tą właściwość podłoża mają:

składniki ekstraktowe- ich dodatek powoduje wzrost lepkości pożywki, mogą też intensyfikować procesy fermentacji; np. agar, pulpa papierowa, azbest, kulki skrobiowe, agarowe, włókna celulozy;

produkcja neomycyny (naturalny antybiotyk)- agar, pulpa, azbest;

fermentacja kwasu cytrynowego- kuleczki skrobi, agaru, kara geniny, stężenie max. 0,5%

produkcja celulozy- włókna celulozy, adsorbujące drożdże, wyższa wydajność etanolu;

antyseptyki- formalina, sole sodowe lub potasowe, fura cyklina, chemiczne środki bakteriobójcze; substancje te są rzadko stosowane, np. w fermentacji kwasu cytrynowego na melasie buraczanej;

detergenty- dodawane jako substancje emulgujące, nierozpuszczalne w wodzie składniki odżywcze; ich zastosowanie powoduje podniesienie wydajności biomasy; ich dodatek jest niezbędny w pożywce zawierającej lipidy; emulgatory najczęściej występują w postaci płynnej, rzadko w postaci stałej, np. odtłuszczona lecytyna sojowa, mieszanina niejonowa mono- i dwustearynianu glicerolu;

pienienie- w hodowlach wgłębnych, tlenowych, w trakcie mieszania, w obecności mikroorganizmów jest niekorzystne, ponieważ zmniejsza objętość hodowli i powoduje straty produktu (unoszenie komórek drobnoustrojów), komplikacje technologiczne (konieczne obniżenie napowietrzania i dodawanie odpieniaczy), zmianę właściwości podłoża pod wpływem odpieniaczy; skład pożywki wpływa nie tylko na wydajność, lecz także na pienienie (czyste składniki chemiczne nie powodują pienienia); na pienienie wpływa także pośrednio temperatura sterylizacji i pH podłoża;

Odpienianie można przeprowadzać poprzez:

1. metody mechaniczne- montaż urządzeń w bioreaktorach rozbijających pianę; złożona konstrukcja stwarza trudności z myciem i wyjaławianiem;

2. metody chemiczne- dodatek substancji zawierających kwasy tłuszczowe i ich pochodne, najlepsze są oleje sylikonowe (bardzo drogie), najczęściej stosowane są oleje roślinne i odpieniacze powstałe z olejów mineralnych; oleje roślinne są wysokoenergetycznym źródłem węgla, więc mogą wywierać wpływ stymulujący na wzrost biomasy; jednak niektóre mogą oddziaływać toksycznie na mikroorganizmy; większość powoduje zmniejszenie szybkości wnikania tlenu do roztworu;

3. obniżenie pienienia poprzez selektywny dobór składników podłoża; np. podłoże oparte na melasie- należy odpowiednio dobrać warunki sterylizacji (temperatura), ilość wprowadzonego inokulum, dobór mutantów drobnoustrojów, hodowla mieszanych kultur.

Odpieniacze dodaje się w postaci emulsji lub płynu. Przed zastosowaniem należy zbadać ich wpływ na rozwój drobnoustrojów. Odpowiedni dobór odpieniacza jest bardzo ważny, ponieważ źle dobrany może spowodować całkowite zahamowanie fermentacji. Syntetyczne odpieniacze dodaje się w maksymalnym stężeniu 0,01% (detergenty, silikony, polimery), a naturalne- 0,5% (tłuszcze, woski).

Odpieniacze silikonowe i mieszaniny wyższych węglowodorów w płynie mogą być dozowane pod ciśnieniem.

Skuteczność odpieniacza to jego minimalna ilość potrzebna do rozbicia piany (E_d)

Nośniki w odpieniaczach: płynna parafina, woda, olej bobrowy.

W podłożach stosowane są także enzymy, np. hydrolazy cukrów, lipazy, oksydoreduktazy, proteazy.

W przemyśle masowym stosuje się częściej preparaty enzymatyczne (zawierają enzym główny i enzymy towarzyszące) niż czyste enzymy ze względu na koszty produkcji.

Najwięcej preparatów enzymatycznych w przemyśle jest produkowanych przez drobnoustroje (np. amylaza grzybowa, glukoamylaza, laktaza, proteinaza, lipaza drobnoustrojowa), rzadziej wykorzystuje się enzymy zwierzęce (rennina, lipaza, pankreatyna) i roślinne.

Wykorzystanie preparatów enzymatycznych: produkcja detergentów, skrobia w przemyśle ziemniaczanym, w mleczarstwie, piekarnictwie, przetwórstwie owocowo- warzywnym.

proteaza- koagulacja białek mleka serowarskiego, hydrolizat białek, podnoszenie wydatku ekstraktu do produkcji piwa;

W produkcji preparatów enzymatycznych istotny jest odpowiedni dobór szczepów, ponieważ jeden szczep może syntetyzować enzym działający w różnych temperaturach i w różnym pH. Niektóre enzymy mogą wpływać niekorzystnie na cechy produktu. Enzymy wykorzystuje się do usuwania niepożądanych produktów reakcji enzymatycznych w żywności.

Metodami inżynierii genetycznej można poprawiać aktywność enzymatyczną (np. odporność na kwasy i zasady, podniesienie termo stabilności).

Cechy enzymów:

1. specyficzność działania

2. działają w małych ilościach

3. wymagana katalityczna ilość

4. szybkie działanie

5. łatwość kontroli procesu i jego regulacji (określenie pH, stężenia enzymu, temperatury)

6. łagodne warunki działania

7. pochodzenie naturalne- nietoksyczne, nie zmieniają właściwości organoleptycznych

8. działanie łatwo przerwać

9. produkcja nie wymaga użycia trudnodostępnych surowców

10. łatwe w zastosowaniu.

Preparaty enzymatyczne mogą być stosowane w postaci płynnej lub stałej (proszek lub granulat bezpyłowy). Korzyści z ich stosowania to: obniżenie pracochłonności, zwiększenie wydajności surowców, wykorzystanie produktów ubocznych, przedłużają trwałość i polepszają jakość produktów.

Jakość zdrowotna- niedopuszczalna obecność bakterii chorobotwórczych, beztlenowych, mała liczba grzybów ( >50/g), brak mykotoksyn; konieczne jest sprawdzenie, czy enzymy lub ich produkty nie powodują alergii, istotna jest legalizacja.

Zalety preparatów im mobilizowanych: możliwość wielokrotnego użycia, przedłużona stabilność katalityczna, obniżenie kosztów technologicznych.

Metody unieruchamiania: na powierzchni nośnika, wewnątrz nośnika, flokulacja- bez użycia nośnika.

Ważny jest odpowiedni dobór nośnika, ponieważ nie ma nośnika uniwersalnego, który jest dobry dla każdego procesu. O wyborze nośnika decydują właściwości nośnika, warunki przeprowadzania procesu. Ważną właściwością jest regeneracja nośnika, która wpływa na koszty przeprowadzania procesów. Niezależnie od pochodzenia nośnika, jego powierzchnia wpływa na aktywność enzymu. Nośnik mający powierzchnię hydrofilną stosuje się dla enzymów reagujących z substratem hydrofilnym. Ważną właściwością jest trwałość i stabilność powierzchni nośnika. Nośnik nie może ulegać erozji. Oczyszczanie i modyfikacja powierzchni nośników prowadzi do zwiększenia aktywności preparatu im mobilizowanego. Najczęściej stosowaną metodą oczyszczania jest kondycjonowanie powierzchni nośnika.

Modyfikacja nośników nieorganicznych- pokrycie ich powierzchni niskocząsteczkowymi substancjami przez ich reakcje z grupami OH;

Modyfikacja nośników polisacharydowych- najczęściej stosuje się bromocyjan CNBr;

Modyfikacja nośników zawierających białka i aminokwasy-

Mechaniczne właściwości niektórych nośników można znacznie poprawić, np. wbudowywanie poliakrylamidu do sieci agaru.

Odporność nośników na ścieranie w dużym stopniu zależy od kształtu cząsteczek nośnika.

Właściwości dobrego nośnika:

1. tani

2. małe ograniczenia dyfuzyjne

3. prostota i łagodność unieruchamiania

4. stabilność operacyjna

5. obojętność w stosunku do zatrzymywanych drobnoustrojów

6. dobre właściwości mechaniczne, odporność chemiczna, właściwości termiczne

7. odpowiedni rozmiar i kształt cząsteczki nośnika

8. odpowiednia porowatość

Aktywność enzymu im mobilizowanego:

1. aktywność enzymu rozpuszczonego

2. stabilność na zmiany pH i temperatury

3. na aktywność wpływa wielkość powierzchni nośnika

4. czystość enzymu

5. interakcje enzym- nośnik

Nośniki przeznaczone do pracy w bioreaktorach:

1. fizycznie i chemicznie stabilne

2. odporne na drobnoustroje

3. tanie lub dające się regenerować

4. cząsteczki stabilne na ciśnienie

---