Wykład 1
Mikrobiologia przemysłowa
Wprowadzenie
1
Zagadnienia omawiane na wykładach
v� Mikrobiologia przemysłowa  zagadnienia podstawowe
v� Mikroorganizmy stosowane w procesach przemysłowych
" bakterie
" promieniowce
" drożdże
" grzyby strzępkowe
v� Pozyskiwanie szczepów mikroorganizmów o znaczeniu przemysłowym
" pobranie próby ze środowiska naturalnego
" hodowla wzbogacająca
" testy selekcyjne
" testy fermentacyjne
" identyfikacja gatunkowa wybranego mikroorganizmu
2
1
Wykład 1
Zagadnienia omawiane na wykładach
v� Doskonalenie cech produkcyjnych mikroorganizmów o znaczeniu
przemysłowym
" mutageneza indukowana in vivo
" fuzja protoplastów
" konstrukcja rekombinantowych szczepów mikroorganizmów o znaczeniu
biotechnologicznym
v� Przechowywanie szczepów mikroorganizmów i kultury starterowe
3
Zagadnienia omawiane na wykładach
v� Wzrost mikroorganizmów hodowlanych, ich wymagania odżywcze oraz dobór
optymalnych parametrów wzrostu
v� Typy hodowli mikroorganizmów przemysłowych
" hodowla stacjonarna (okresowa)
" hodowla zasilana (dolewowa)
" hodowla ciągła
" hodowla ciągła z retencją komórek
" hodowla z zastosowaniem dializy
v� Hodowla mikroorganizmów w bioreaktorze
v� Sterowanie metabolizmem drobnoustrojów
" Procesy wydzielania i oczyszczania produktów pochodzenia mikrobiologicznego
4
2
Wykład 1
Zagadnienia omawiane na wykładach
v� Biokatalizatory unieruchomione
" typy biokatalizatorów unieruchomionych
" metody unieruchamiania enzymów
" matryce do unieruchamiania enzymów
" odczynniki wiążące stosowane w metodach unieruchamiania enzymów
" charakterystyka technologiczna enzymów unieruchomionych
5
Zagadnienia omawiane na wykładach
v� Zastosowanie mikroorganizmów w przemyśle
v� w przemyśle spożywczym
v� w ochronie środowiska
v� w przemyśle farmaceutycznym
v� w przemyśle chemicznym
v� diagnostyka mikrobiologiczna w ujęciu mikrobiologii przemysłowej
6
3
Wykład 1
Literatura
Spis literatury wywieszony jest w gablocie Katedry Mikrobiologii.
}� Podstawy biotechnologii. red. Nauk. C. Ratledge, B. Kristiansen. 2011. Wyd. PWN
}� Z. Libudzisz, K. Kowal 2007. Mikrobiologia techniczna. T1. Wyd. PWN
}� Z. Libudzisz, K. Kowal, Żakowska Z. 2008. Mikrobiologia techniczna. T2. Wyd. PWN
}� A. Chmiel. 1998. Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, Wyd. PWN
}� S. Ledakowicz. 2012. Inżynieria biochemiczna. Wyd. WNT
}� P. Singleton. 2000. Bakterie w biologii, biotechnologii i medycynie. Wyd. PWN
}� H. Cieśliński, P. Filipkowski, J. Kur, A. Lass, M. Wanarska. 2007. Podstawy mikrobiologii
przemysłowej. Ćwiczenia laboratoryjne, Wyd. Politechniki Gdańskiej
7
Literatura
}� A. Chmiel, S. Grudziński. 1998. Biotechnologia i chemia antybiotyków. Wyd.PWN
}� E. Klimiuk, M. A
ebkowska. 2003. Biotechnologia w ochronie środowiska. Wyd. PWN
}� Biotechnologia roślin. red. S. Malepszy. 2001. Wyd.PWN
}� W. Kunicki  Goldfinger. 1998. Życie bakterii. Wyd. PWN
}� J. Nicklin, K. Graeme  Cook, R. Killington. 2004. Krótkie wykłady  mikrobiologia. Wyd. PWN
}� A. A. Salyers, D. D. Whitt. 2003. Mikrobiologia. Różnorodność, chorobotwórczość i środowisko.
Wyd. PWN
8
4
Wykład 1
Sposób zaliczenia zajęć
:&Egzamin  materiał z wykładów i ćwiczeń
9
 Nie ma nauk stosowanych &
są tylko zastosowania nauki & 
Ludwik Pasteur
Mikrobiologia Przemysłowa
Wykład 1. Geneza, teraz
niejszość i perspektywy rozwoju.
Zagadnienia podstawowe
10
5
Wykład 1
Mikrobiologia
nauka zajmująca się zagadnieniami związanymi z mikroorganizmami
z gr. mikros  mały, bios  życie, logos - nauka
Prokariota Eukariota Wirusy*
- bakterie - grzyby (z wyłączeniem
grzybów kapeluszowa tych)
- archeony - glony jednokomórkowe i kolonijne
(z wyłączeniem glonów plechowych)
- pierwotniaki
11
MIKROBIOLOGIA
Mikrobiologia
Mikrobiologia
przemysłowa
ogólna
Mikrobiologia
Mikrobiologia
rolnicza
weterynaryjna
Mikrobiologia Mikrobiologia
lekarska sanitarna
12
6
Wykład 1
Mikrobiologia ogólna
zajmuje się charakterystyką ogólnych pojęć z dziedziny
mikrobiologii
}� budową i kształtem mikroorganizmów
}� czynnościami życiowymi
}� środowiskiem życia drobnoustrojów
}� wpływem drobnoustrojów na środowisko i
Escherichia coli
inne organizmy
13
Mikrobiologia rolnicza
}� zajmuje się mikroorganizmami
chorobotwórczymi dla roślin
}� drobnoustrojami mającymi znaczenie
w procesach krążenia pierwiastków w
przyrodzie
}� bada procesy mikrobiologiczne
zachodzące w glebie
Agrobacterium tumefaciens
14
7
Wykład 1
Mikrobiologia lekarska
zajmuje się mikroorganizmami chorobotwórczymi dla człowieka
}� diagnostyką
}� profilaktyką
}� walką z drobnoustrojami chorobotwórczymi
}� zjawiskami zachodzącymi w ustroju po
infekcji
Clostridium tetani
15
Mikrobiologia sanitarna
}� bada zagadnienia czystości wody, powietrza, pomieszczeń
produkcyjnych, urządzeń i opakowań
}� zajmuje się problemami oczyszczania ścieków metodą biologiczną
}� zajmuje się higieną osobistą pracowników przemysłu spożywczego
oraz sposobami zapobiegania zatruciom pokarmowym
16
8
Wykład 1
Mikrobiologia weterynaryjna
zajmuje się mikroorganizmami chorobotwórczymi dla zwierząt
}� diagnostyką
}� profilaktyką
}� walką z drobnoustrojami chorobotwórczymi
Bacillus anthracis
}� zjawiskami zachodzącymi w ustroju po infekcji
}� kontrolą sanitarną produktów pochodzenia
zwierzęcego
17
Mikrobiologia przemysłowa
Mikrobiologia przemysłowa (biotechnologia mikrobiologiczna)  zajmuje się
zastosowaniem wiedzy mikrobiologicznej i inżynieryjnej w procesach przemysłowych
z zastosowaniem mikroorganizmów (takich jak bakterie, grzyby, glony, pierwotniaki i
wirusy) lub komórek roślin i zwierząt do produkcji użytecznych dóbr konsumpcyjnych
lub półproduktów procesowych.
Definicja Amerykańskiego Towarzystwa Mikrobiologii Przemysłowej, SIM
Mikrobiologia przemysłowa - zajmuje się wykorzystaniem określonych gatunków
mikroorganizmów w różnorakich branżach przemysłu z jednoczesnym
monitorowaniem mikroflory szkodliwej.
Microbial Biotechnology: Fundamentals of Applied Microbiology by Alexander
N. Glazer, Hiroshi Nikaido.
18
9
Wykład 1
Przemysł
Produkcja
chemiczny
preparatów
enzymatycznych
Ochrona
środowiska
Rolnictwo
MIKROBIOLOGIA
PRZEMYSA
OWA
Przemysł Przemysł
spożywczy farmaceutyczny
Przemysłowa
diagnostyka
mikrobiologiczna
19
Mikrobiologia przemysłowa
w przemyśle spożywczym
Produkcja żywności w oparciu o prowadzone przez mikroorganizmy
procesy fermentacji beztlenowej i/lub tlenowej:
v� produkcja wina, piwa i spirytusu spożywczego
v� produkcja octu oraz kwasu cytrynowego i mlekowego do celów spożywczych
v� produkcja serów i fermentowanych napojów mlecznych np. jogurty, kefiry
v� produkcja chleba i ciast w oparciu o drożdże piekarnicze
v� produkcja kiszonek np. kiszona kapusta lub ogórki
v� produkcja kakao
v� produkcja herbaty
Utrwalanie żywności
v� oksydaza glukozowa - przeciwutleniacz
v� niazyna - antybiotyk
20
10
Wykład 1
Mikrobiologia przemysłowa
w rolnictwie
}� Ochrona roślin
}� Biopestycydy
}� Bioinsekcydy
}� Antybiotyki
}� Lecznictwo zwierząt
}� Antybiotyki
}� Szczepionki
}� Produkcja pasz
}� Preparaty białkowe, witaminowe, aminokwasowe, antybiotyczne, stymulatory
wzrostu, kiszonki roślinne
21
Mikrobiologia przemysłowa
w przemyśle farmaceutycznym
�� Wyselekcjonowane szczepy mikroorganizmów stosowane są do produkcji:
}� antybiotyków
}� leków steroidowych
}� witamin
}� aminokwasów
}� enzymów i inhibitorów enzymów
}� alkaloidów
}� dekstranu
�� Wyselekcjonowane kultury bakterii i drożdży stosowane są do produkcji
prebiotyków  preparatów farmaceutycznych przywracających naturalną
mikroflorę układu pokarmowego
�� Hodowle komórkowe i tkankowe wykorzystywane są przy produkcji:
}� szczepionek np. szczepionki przeciwko HBV (wirusowe zapalenie wątroby typu B), polio
(choroba Heinego-Medina)
}� przeciwciał monoklonalnych stosowanych w diagnostyce medycznej i badaniach naukowych
�� Rekombinantowe szczepy mikroorganizmów stosowane są przy produkcji:
}� szczepionek np. szczepionka przeciwko HBV
}� insuliny
}� hormonu wzrostu
}� antygenów
22
11
Wykład 1
Mikrobiologia przemysłowa
w przemyśle chemicznym
Produkcja:
�� alkoholi: etanol, butanol, izopropanol, glikol etylenowy, glikol propylenowy, glicerol
�� aminokwasów: L-lizyny, L-cysteiny, kwasu L-glutaminowego i kwasu L-
asparaginowego
�� rozpuszczalników: acetonu
�� kwasów: glukonowego, itakonowego, octowego,
�� paliw: bioetanol, metan, potencjalnie wodór
Biotechnologiczna obróbka surowców naturalnych:
�� roszenie roślin włókienniczych,
�� hydroliza skrobii,
�� odwłasianie i wytrawianie skór,
�� fermentacja tytoniu
23
Mikrobiologia przemysłowa
w ochronie środowiska
�� Pozyskiwanie cennych pierwiastków z użyciem technologii  przyjaznych dla
środowiska naturalnego
}� mikrobiologiczne ługowanie metali, np. uranu z zastosowaniem bakterii Thiobacillus
ferrooxidans i Thiobacillus thiooxidans
}� mikrobiologiczne zatężanie metali z wód kopalnianych lub wody morskiej np. złota, miedzi,
srebra, plutonu, uranu z zastosowaniem biosorbentów z żywymi kulturami mikroorganizmów
�� Oczyszczanie ścieków, gazów i bioremediacja gleby
}� bioremediacja gleb skażonych produktami ropopochodnymi z zastosowaniem wybranych
szczepów bakterii glebowych np. z rodzaju Acinetobacter lub Pseudomonas
}� Stosowanie  stopnia biologicznego w oczyszczalniach ścieków powiązanego z produkcją
biogazu
}� Utylizacja odpadów i osadów ściekowych
}� Uzdatnianie wody
24
12
Wykład 1
Diagnostyka mikrobiologiczna w ujęciu
mikrobiologii przemysłowej
�� Produkcja odczynników, testów diagnostycznych i aparatury do diagnostyki
mikrobiologicznej w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym i
weterynarii
�� Opracowanie zasad kontroli czystości mikrobiologicznej dla poszczególnych
procesów technologicznych np. w przemyśle spożywczym, zapewniających ochronę
produktów przed psuciem i/lub zakażeniem mikroorganizmami szkodliwymi i/lub
patogennymi
25
Produkcja preparatów enzymatycznych
Izolacja enzymu z hodowli jego naturalnego producenta
Produkcja enzymu z wykorzystaniem mikroorganizmu rekombinantowego
26
13
Wykład 1
Wykorzystanie preparatów enzymatycznych
Branża przemysłu Rodzaj enzymu
Detergenty Proteaza, amylaza, lipaza, celulaza, mannanaza
Skrobia i biopaliwa amylazay, pullulanaza, izomeraza glukozowa, glikozylotransferaza cyklodekstryny,
ksylanaza, proteaza
Przemysł spożywczy Proteaza, lipaza, �-galaktozydaza, metyloesteraza pektynianowa, pektynaza,
transglutaminaza
Piekarnictwo Amylaza, ksylanaza, lipaza, fosfolipaza, oksydaza glukozowa, lipoksygenaza,
proteaza, transglutaminaza
Przemysł paszowy Fitazy, ksylanaza, �-glukanaza
Produkcja napojów Pektynaza, amylaza, �-glukanaza, dekarboksylaza octanomleczanu, lakkaza
Przemysł tekstylny Celulaza, amylaza, liaza pektynianowa, katalaza, lakkaza, peroksydaza
Przemysł celulozowo-papierniczy Lipaza, proteaza, amylaza, ksylanaza, celulaza
Przemysł tłuszczowy Lipaza, fosfolipaza
Synteza organiczna Lipaza, acylaza, nitrylaza
Przemysł garbarski Proteaza, lipaza
Higiena osobista Amyloglukozydaza, oksydaza glukozowa, peroksydaza
Biotechnologia 2006, 3, 139-140
27
Proces biotechnologiczny
28
14
Wykład 1
Proces biotechnologiczny
proces produkcji dóbr konsumpcyjnych oparty o wykorzystanie
właściwości produkcyjnych wybranych gatunków mikroorganizmów
29
Fazy opracowania procesu biotechnologicznego
}� Faza wstępna
analiza zapotrzebowania społecznego na produkt i możliwości
biotechnologicznego ich pozyskania
}� Faza badawcza
opracowanie technologii
}� Faza wdrożeniowa
projektowanie, budowa linii technologicznej i uruchomienie produkcji
30
15
Wykład 1
Projektowanie procesu biotechnologicznego
obejmuje:
}� Pomysł  co chcemy i jesteśmy w stanie produkować
}� Analiza marketingowa  ocena opłacalności produkcji
}� Poszukiwanie organizmu producenckiego
}� Dobór warunków hodowli i doskonalenie szczepu
}� Opracowanie biotechnologii
}� Analiza ekonomiczna produkcji
}�  Ochrona Patentowa oraz  Wdrożenie Produkcyjne
31
Pomysł i jego ocena
produkcja etanolu z celulozy
pochodzącej z odpadów
przemysłu drzewnego
32
16
Wykład 1
Co tak naprawdę chcemy zrobić?
ok.10% drewna przerabianego w tartakach dodatek do paliwa
33
Analiza marketingowa
W tym celu należy:
ż� Ustalić wielkość zapotrzebowania na bioetanol na rynku krajowym i/lub
zagranicznym np. jako dodatek do paliw
ż� Ocenić koszt produkcji bioetanolu na tej drodze w odniesieniu do kosztów
produkcji dla istniejących rozwiązań ekonomicznych
ż� Ocenić obecny stan wiedzy w literaturze
przedmiotu, szczególnie istniejące patenty
ż� Ustalić czy istnieją przesłanki
pozaekonomiczne do produkcji bioetanolu w
oparciu o wspomniane z
ródło np. społeczne
lub/i związane z ochroną środowiska
34
17
Wykład 1
Poszukiwanie organizmu producenckiego
Znalezienie mikroorganizmu przeprowadzającego nasz proces
biotechnologiczny
znalezienie mikroorganizmu prowadzącego biokonwersję celulozy
do etanolu
35
Poszukiwanie organizmu producenckiego
Mikroorganizmu tego możemy poszukiwać na drodze:
a. Screeningu  np. poprzez izolację szczepów grzybów lub bakterii ze żwaczy
zwierząt roślinożernych, producentów zespołów enzymów celulolitycznych
zwanych  celulosomami
b. Przeszukania dostępnych kolekcji mikroorganizmów, pod kątem mikroorganizmów
celulolitycznych
c. Wykorzystanie mikroorganizmów z punktów a) i b) jako z
ródeł genów enzymów
celulolitycznych wykorzystanych przy konstrukcji rekombinowanego
szczepu mikroorganizmu celulolitycznego  drogę tę wybieramy w przypadku,
gdy mikroorganizmy z grupy a) i b) nie spełniają w stopniu wystarczającym
wymagań tzw.  idealnego mikroorganizmu producenckiego
36
18
Wykład 1
Poszukiwanie organizmu producenckiego
Screening  w celu pozyskania czystych kultur mikroorganizmów celulolitycznych
z wybranego z
ródła stosujemy klasyczne techniki mikrobiologiczne.
Czyste kultury mikroorganizmów celulolitycznych uzyskanych podczas badań
przesiewowych muszą zostać zidentyfikowane, co najmniej na poziomie
rodzaju (przynależność taksonomiczna).
37
Poszukiwanie organizmu producenckiego
Wymagania, które spełnia  idealny mikroorganizm producencki
�� Mikroorganizm ten musi produkować interesujący nas produkt tak szybko,
jak to możliwe i jak najprościej (tania pożywka, unikanie kosztownych
rozwiązań technologicznych)
�� Musi być łatwo dostępny w postaci czystej kultury, a co za tym idzie łatwy w
przechowywaniu przez długie okresy czasu
�� Genetycznie stabilny i jednocześnie łatwo ulegający manipulacjom
genetycznym
�� A
atwy w hodowli na dużą skalę na łatwo dostępnych podłożach
przemysłowych
�� Nie może być organizmem patogennym !!!
38
19
Wykład 1
Dobór warunków hodowli i doskonalenie
szczepu
}� Dostosowanie optymalnych warunków do hodowli mikroorganizmu producenckiego,
czyli odpowiedniego doboru podłoży, temperatury, napowietrzenia itp.
}� W celu polepszenia cech mikroorganizmu i zwiększenia jego potencjału
produkcyjnego przeprowadza się mutagenizację, w wyniku której uzyskuje się
mikroorganizm produkujący określony metabolit w ilości przewyższającej potrzeby
własne drobnoustroju lub syntetyzujące produkty, których mikroorganizmy
macierzyste nie produkowały.
39
 Idealny mikroorganizm producencki
Wymagania te spełnia np. Saccharomyces cerevisiae  jednakże nie znamy w
naturze szczepów drożdży tego gatunku o właściwościach celulolitycznych, ale
mikroorganizm ten może być wykorzystany jako gospodarz dla genów enzymów
celulolitycznych z innych z
ródeł
Szczep  dziki lub zakupiony z kolekcji może zostać ulepszony na drodze
manipulacji genetycznych, dzięki którym np.: jego metabolizm zostanie
ukierunkowany na produkcję etanolu z celulozy
40
20
Wykład 1
Opracowanie technologii
Po wyborze mikroorganizmu producenckiego lub konstrukcji mikroorganizmu
rekombinowanego, należy przeprowadzić żmudny proces optymalizacji i zwiększania
skali procesu technologicznego  często okazuje się, że optymalne warunki
prowadzenia procesu produkcyjnego na skalę laboratoryjną nie mają prostego
przełożenia na skalę przemysłową. W celu rozwiązania zaistniałych problemów, należy
stopniowo optymalizować proces przechodząc przez produkcję na skalę ćwierć i
półtechniczną.
Istotne jest opisanie kinetyki bioprocesu.
41
Opracowanie technologii
Badania te pozwalają na opracowanie procesu technologicznego zawierającego
drogę prowadzącą od pojedynczej komórki szczepu producenckiego do
biomasy dochodzącej do rzędu ton.
W mikrobiologii przemysłowej wskazane jest okresowe przeprowadzanie
powyższego szeregu czynności. Wynika to z faktu nieuniknionych samoistnych
mutacji w komórkach potomnych szczepu producenckiego, powstałych podczas
wzrostu biomasy w bioreaktorze, co prowadzi do obniżenia wydajności procesu
produkcji np. etanolu
42
21
Wykład 1
Analiza ekonomiczna produkcji
Po zakończeniu etapu opracowania technologii
należy dokonać oszacowania ekonomicznych
kosztów prowadzenia procesu według
zaproponowanej technologii, które nie mogą być
większe niż wyliczone  maksymalne koszty
opłacalności ekonomicznej procesu podczas
początkowego oszacowania opłacalności
projektu.
43
Ochrona własności intelektualnej
Prawo własności intelektualnej pozwala na zapewnienie sobie wyłączności w
zakresie niematerialnych składników przedsiębiorstwa. Obejmuje m.in.
}� Patenty
}� Prawa ochronne obejmujące wzory przemysłowe i znaki towarowe
(własność przemysłowa)
}� Prawa autorskie i prawa pokrewne
Prawo własności może być o zasięgu krajowym lub
międzynarodowym.
Warto skalkulować wydatek związany zabezpieczeniem
naszej własności intelektualnej nie tylko pod kątem
ofensywnym, ale również defensywnym
44
22
Wykład 1
Mikrobiologia przemysłowa
zastosowanie nauki do rozwiązywania problemów ważnych z
punktu widzenia społecznego
�� walka z chorobami
�� walka z głodem
�� walka o zachowanie naturalnego środowiska życia człowieka
�� dążenie do dobrobytu
45
23