BIOTECHNOLOGIE kad technologie kter vyuv iv organismy nebo

BIOTECHNOLOGIE každá technologie, která využívá živé organismy nebo jejich součásti k výrobě nebo modifikaci nějakého produktu představuje integrované požití biochemie, mikrobiologie a inženýrských disciplín pro výrobu nebo modifikaci produktu podle definice technologie je to úplný soubor postupů pro průmyslovou výrobu nějakého produktu s využitím buněk živého organismu biotechnologie - úvod

Biotechnologie x chemická technologie Rozdíly: je potřebná aseptičnost (sterilita) surovin a zařízení vzhledem k využívání živých organismů používání odlišných izolačních a čistících postupů produkty jsou choulostivé na změny teploty a p. H čistota musí být vysoká (farmaceutické výrobky) náklady na separaci a čistění mohou tvořit až 50% celkových výrobních nákladů Společné rysy: používání podobných až shodných postupů a zařízení, rozdíly jsou dány specifitou postupu (použití živých organismů) biotechnologie - úvod

Vývoj biotechnologií 1) Počáteční období – do pol. 19. století nejstarší postupy s empirickým využíváním divokých kultur mikroorganismů klasické fermentační technologie (pivo, víno, ocet, sýry, kyselé zelí, …) 2) Období Pasteura – 2. pol. 19. stol – 30. léta 20. stol. Louis Pasteur (1822 -1895) – otec mikrobiologie za rozkladné procesy jsou odpovědné mikroorganismy výroba ethanolu, acetonu, kyseliny octové a mléčné, biologické čištění odpadních vod biotechnologie - úvod

Vývoj biotechnologií 3) Období penicilínové – 1928 – pol. 20. století Alexandr Fleming – objev antibiotické aktivity produktů některých plísní (Penilillium) fermentační výroba antibiotik 4) Období průmyslové mikrobiologie - 2. pol 20. stol. průmyslová biotechnologická výroba aminokyselin, enzymů, vitamínů, polysacharidů, alkaloidů, ethanolu do benzínu, bioplynu 5) Období genového inženýrství – konec 20. stol – dosud využívání mikroorganismů s upravenou genetickou informací biotechnologie - úvod

Význam biotechnologií 1) Výroba potravin a nápojů: tradiční oblast uplatnění biotechnologií, 75% všech biotechnologicky vyrobených produktů 2) Výroba přírodních látek: ty látky, u kterých je chemická syntéza drahá nebo není možná a izolace z přírodních materiálů nevýhodná 3) Zužitkování biologických odpadů: náhrada fosilních paliv, výroba krmných kvasnic 4) Čištění životního prostředí: likvidace biomasy, komunálních a průmyslových odpadů, sanace kontaminace biotechnologie - úvod

Základní pojmy Prokaryota/Eukaryota: baktérie/kvasinky Rod/druh/kmen: Saccharomyces/ S. cerevisiae var. Pragensis – kvasinka tolerantní k vyššímu obsahu alkoholu (25%) Kultivační médium: podle nároků mikroorganismu Inokulum: kultura mikroorganismů určená k zaočkování média Aerobní/anaerobní organismus: podle nároků na kyslík Autotrofní/heterotrofní organismus: podle nároků na výživu Fototrofní/chemotrofní organismus: podle zdroje energie Auxotrofní organismus/růstová látka: k růstu je třeba vybraná látka, kterou daný organismus neumí syntetizovat Limitace: omezení růstu nedostatkem některého prvku či látky Sterilita (aseptičnost): stav bez životaschopných organismů biotechnologie - úvod

Obecné schéma biotechnologického procesu Příprava surovin Příprava kultivačního média Příprava očkovacího materiálu Vlastní proces fermentace Získání produktu biotechnologie - úvod

Příprava surovin Zdroje uhlíku pro mikroorganismus jsou obvykle také hlavním zdrojem energie sacharidy: sacharóza, glukóza, fruktóza, laktóza, surový řepný cukr, škrob, celulóza sacharidická média: melasa, sladká syrovátka, celulózové substráty, sulfitové výluhy oleje a tuky: sójový, slunečnicový, palmový, řepkový, bavlníkový, sádlo petrochemické zdroje: uhlovodíky z ropy, syntetické alkoholy, organické kyseliny biotechnologie - úvod

Příprava surovin Zdroje dusíku Amonné soli: síran amonný (NH 4)2 SO 4 rozpustný ve vodě, levný chlorid amonný NH 4 Cl fosforečnan amonný (NH 4)3 PO 4 Amoniak: také pro úpravu p. H fermentačního média Močovina: (NH 2)2 CO Čisté aminokyseliny: často se používají také jako růstové látky Komplexní zdroje: kukuřičný výluh – odpad při výrobě kukuřičného škrobu šroty a mouky – odpady při výrobě olejů sušená syrovátka kvasničný autolyzát pro speciální účely nebo laboratorní práci, jsou drahé biotechnologie - úvod

Příprava surovin Zdroje fosforu fosfor je klíčový prvek v energetickém metabolismu a je tímto limitující pro růst Fosforečnany: fosforečnan amonný (NH 4)3 PO 4 je také zdroj dusíku Komplexní zdroje kukuřičný výluh mouky a šroty masové, masokostní a rybí moučky Ostatní prvky a růstové látky Stopové prvky: anorganické soli Auxotrofie: potřeba různých složitějších organických sloučenin jako růstových látek (neschopnost jejich biosyntézy) biotechnologie - úvod

Příprava kultivačního média Obsahy jednotlivých složek kultivačního média jsou navrženy podle požadavků používaného mikroorganismu. Přesné složení média je sestaveno podle výsledků laboratorních pokusů a poloprovozních zkoušek. Médium je namícháno z vody a jednotlivých složek podle příslušné receptury (součást technologického reglementu). Před vlastní fermentací se fermentační médium a veškeré zařízení musí zbavit nežádoucích mikroorganismů. Sterilace: teplem – nejčastěji filtrací – vzduch chemicky nebo zářením – jen výjimečně biotechnologie - úvod

Příprava očkovacího materiálu Výběr vhodného produkčního kmene: na základě laboratorního výzkumu Šlechtění nebo genetická manipulace: k získání optimálních produkčních vlastností Inokulum: očkovací materiál biotechnologie - úvod

Vlastnosti průmyslového mikroorganismu: 1) Stabilita: existuje v čisté kultuře, je geneticky stabilní, má známé vlastnosti 2) Schopnost kultivace: je schopen rychlého růstu ve velkém měřítku, produkuje dostatečně životaschopné reprodukční jednotky 3) Bezpečnost: není patogenní pro lidi, zvířata ani rostliny, neprodukuje nežádoucí toxické produkty 4) Ekonomika: roste v levných médiích, nemá přehnané požadavky na růstové látky, produkuje požadovaný produkt v krátkém čase, vedlejší produkty tvoří jen omezeně nebo vůbec, lehce se odstraňuje z kultivačního média, produkt je lehce izolovatelný 5) Modifikovatelnost: schopný genetické manipulace, jeho metabolismus je dobře prozkoumaný biotechnologie - úvod

Způsoby získávání nových průmyslových mikroorganismů: 1) Screening – sběr z nejrůznějšího prostředí, izolace individuálních druhů, testování vhodnosti 2) Mutace již využívaných mikroorganismů - klasické metody: záření, chemická činidla vedou k změnám genetické informace v menším rozsahu 3) Genové manipulace: rozsáhlé změny genomu vnesením cizí genetické informace (i mezidruhově) vedoucí k podstatným změnám ve spektru produkovaných látek GRAS: generally recognised as safe – mikroorganismy považované za bezpečné, není třeba testovat jejich bezpečnost při standardním způsobu kultivace biotechnologie - úvod

Vlastní proces fermentace Bioreaktor – fermentor technické zařízení, ve kterém probíhá proces fermentace. Technické řešení zajišťuje biochemické inženýrství – spojuje konstrukční a chemické inženýrství s poznatky z mikrobiologie a biochemie. Konstrukce je podobná některým reaktorům používaným v chemické technologii. Velikost: jednotky litrů (laboratorní fermentory) až metry krychlové (čistírny odpadních vod) Materiál: sklo, nerezová ocel biotechnologie - úvod

Typy fermentorů • dle fází – jednofázové (obsahují kapalný substrát s rozpuštěným enzymem) – dvoufázové (kapalina x mikroorganismy) – třífázové (plyn x kapalina x mikroorganismy) – čtyřfázové (tuhý substrát x plyn x kapalina x mikroorganismy) • dle doplňování živin – vsádkové - jedno naplnění – semikontinuální – kontinuální - průběžné doplňování v průběhu fermentace • dle aerace – aerobní – anaerobní • dle aktivní složky – enzymové (mohou být volné nebo imobilizované, tedy uchycené) – mikrobní (volné, imobilizované) biotechnologie - úvod

Druhy produktů Biomasa nakultivované mikrobiální buňky Médium Kapalné médium modifikované činností mikroorganismů během fermentace Extracelulární produkt látka přirozeně produkovaná mikroorganismem a vyloučená vně buněk Intracelulární produkt mikrobiálního metabolismu zůstávající po vzniku uvnitř buněk biotechnologie-úvod

Získání produktu Biomasa vypěstované buňky mikroorganismu (baktérie, řasy, kvasinky) Příklad: Saccharomyces cerevisiae: pekařské droždí, živé kvasinky pro další použití (výroba kvasného ethanolu, biotransformace) Kultivace: za podmínek ideálních pro dělení a růst buněk Oddělení buněk: sedimentace odstřeďování filtrace Další použití: v nativním stavu nebo po vysušení (krmné droždí, přídavek do krmiva) biotechnologie - úvod

Získání produktu Prokvašené médium Produktem je fermentovaná kapalina – původní kapalné médium Součásti média jsou pozměněné činností mikroorganismů, které v něm byly kultivovány a médium obsahuje produkty činnosti mikroorganismů. Příklad: výroba piva a vína – původní kapalný substrát (mladina, mošt) obsahuje ethanol vytvořený činností kvasinek Úprava: odstranění buněk mikroorganismu a nežádoucích zákalů (filtrace), případná úprava produktu (pasterace), stáčení do obalů biotechnologie - úvod

Získání produktu Extracelulární produkt Sloučenina, kterou mikroorganismus vytvoří ze složek média a vyloučí mimo svou buňku. Produkovaná látka je normální složkou metabolismu buňky, u produkčních kmenů je někdy produkována v mnohem větším množství (následek mutace, genetické manipulace). Produkt je z fermentovaného média izolován vhodnou metodou podle jeho vlastností (destilace, krystalizace, srážení). Příklad: kyselina citronová – plíseň Aspergillus niger, izolace srážením ve formě vápenaté soli kvasný ethanol – kvasinka Saccharomyces cerevisiae, izolace destilací biotechnologie - úvod

Získání produktu Intracelulární produkt Produkovaná látka zůstává v buňkách produkčního mikroorganismu. Izolaci látky musí předcházet šetrné rozbití buněk produkčního mikroorganismu (ultrazvuk, teplotní šok, povrchově aktivní látky, drcení s brusnými materiály). Vlastní izolace produktu dále probíhá různými separačními metodami – srážení, afinitní chromatografie. Izolační metoda nesmí poškodit vlastnosti izolované látky! Důležité zejména u bioaktivních látek (léčiva). Příklad: výroba karotenoidů, vitamínu D biotechnologie - úvod