Biotechnologie surovinov zkladna Josef Trgl Modernizace vuky technickch

Biotechnologie – surovinová základna Josef Trögl Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí 1

Podstata života odpadní teplo energie metobolismus živiny funkce odpad biomasa

Co organismy potřebují • Speciální (esenciální) organické látky – – Vitamíny, mastné kyseliny, aminokyseliny… auxotrofie = neschopnost syntézy některé látky • auxuliarius = dodatečný, užitečný • „Vrchol evoluce“ člověk je mnohonásobný auxotrof – 8(9) aminokyselin, vícenenasycené MK, vitamíny • Většina bakterií umí syntetizovat všechny aminokyseliny

Získávání energie 1. Dýchání (respirace) – oxidace jedné látky jinou látkou za uvolnění energie C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O 2. Kvašení (fermentace) – rozklad jedné látky na energeticky chudší látky C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 3. Fototrofie – využití světelné energie • • Fotosyntéza = využití světla k syntéze organických látek Kombinace získávání uhlíku a energie

Dýchání (respirace) Substrát + oxidovadlo odpad + energie • • • Organické látky (sacharidy, tuky, bílkoviny, uhlovodíky …) Anorganické látky (Fe 2+, H 2 S, NH 4+, NO 2 - H 2 atd. ) Kyslík O 2 (aerobní respirace) SO 42 -, NO 3 -, CO 2, halogenované etheny… (anaerobní respirace) aerobní odpad CO 2 + H 2 O anaerobní odpad CO 2 + CH 4, N 2, H 2 S …

Kvašení (fermentace) Substrát odpad + energie • • • Sacharidy Aminokyseliny Puriny Organické kyseliny … Odpad CO 2, ethanol, k. mléčná, k. propionová, aceton, butanol …

Surovinová základna biotechnologií • Klasické chemické technologie = převážně fosilní (neobnovitelné) zdroje Biotechnologie = převážně obnovitelné zdroje biologického původu (biomasa) • – • Často rostlinné a živočišné odpady Někdy použitelné i průmyslové nebo komunální odpady – – odpadní organické látky odpadní voda Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Základní potřeby organismů • • • Voda Energie Uhlík Redukční činidla pro anabolické reakce Další prvky (N, P, S, minerální látky …) Další látky (vitamíny, aminokyseliny atd. ) Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Biotické prvky • Chemické prvky, které jsou součástí organismu a jeho metabolismu • Makrobiotické – C O H N • Mikrobiotické – S Na K Ca Fe Cu Cl Zn … Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Požadavky na surovinové zdroje • • snadnost biologického zpracování - malá (celulosa, pektin) - střední (škrob, laktosa) - dobrá (melasa, sacharosa, etanol) koncentrace využitelných látek - vysoká (sběrový papír, melasa) - nízká (syrovátka) - nutné zahuštění - velmi nízká (odpadní vody) Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Požadavky na surovinové zdroje • • kvalita z hlediska rovnoměrného a definovaného složení - dobrá (syrovátka) - dostatečná (melasa) - variabilní (městské odpady) kontinuální dostupnost - místně rozptýlená (sláma) - sezonní (sláma) - celoroční (syrovátka) Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Složení surovin • Zdroj uhlíku – • Zdroj dusíku – – • organický (aminokyseliny…) anorganický (amoniak, dusičnany…) Další minerální látky – • sacharidy (glukóza), aminokyseliny, peptidy, lipidy, organické látky… fosfor, síra, biogenní kovy (železo, měď, zinek…) Ideální poměr C: N: P pro růst biomasy je cca 100: 1 Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Složení surovin • Sacharidy – nejdůležitější – – • zdroj C a energie podobný poměr C: H: O jako v organismech jednodušší sacharidy – snadno odbouratelné – • glukóza, fruktóza, sacharóza, laktóza… polysacharidy – hůře odbouratelné – – – škrob – dobře rozložitelný hemicelulózy – dobře rozložitelné celulóza – obtížně rozložitelná Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Složení surovin • Bílkoviny – důležité – • • zdroj C, N globulární (=kulaté) – snadněji odbouratelné fibrilární (=vláknité) – hůře odbouratelné – • keratin snadnější využití – – denaturované částečně hydrolyzované Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Složení surovin • Lipidy – méně důležité pro biotechnologie – – – špatná rozpustnost ve vodě horší příjem mikrobiální buňkou řada organismů neumí lipidy využít pro syntézu sacharidů Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Složení surovin • Uhlovodíky – mnohé mikroorganismy umí využít jako zdroj C a energie: – – – alifatické aromatické halogenované nitrované … Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Média • Většina mikrobních biotechnologií vyžaduje kultivaci MO Živná média • – – – • přirozená (mléko, krev, listí…) syntetická (definované živiny) polosyntetická (některé živiny přesně definované, jiné přirozené) Podle skupenství – – tekutá – v provozu častější pevná (ztužená) – v laboratoři Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Média • Podle bohatosti – – • bohatá (všechny živiny v nadbytku) limitovaná (některá živina v nedostatku) Podle selektivity – – obecná (pro kultivaci velké skupiny organismů) selektivní (pro kultivaci jen omezené skupiny MO) Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Složení médií • Selektivní činidla – • Speciální látky pro auxotrofy – • • aminokyseliny, vitamíny… Voda Vhodné p. H – • • antibiotika pufr Vhodná iontová síla Ztužovadlo Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Bohatá média • • Pepton, Trypton = bílkovinný hydrolyzát (zdroj C i N) Kvasničný extrakt (yeast extract) = zdroj minerálů, lipidů, N, C … přírodní živiny • – maso, krev, listí… Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Selektivní média • Negativní selekce – přídavek látek, které brzdí růst jiných mikroorganismů – – • antibiotika barviva Pozitivní selekce – živiny využitelné jen menšinou organismů (neobvyklé) – – – zdroj uhlíku (uhlovodíky, polysacharidy, CO 2…) zdroj dusíku (dusičnany, plynný dusík…) ostatní Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Selektivita médií • Negativní selektivita = nežádoucí MO jsou inhibovány vhodným způsobem – – inhibiční látka (antibiotika, toxiny) osmotická hladina extrémnější podmínky (p. H, teplota) … Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Selektivita médií Živina C N S Většinový substrát glukóza NH 4+, aminokyseliny org. síra, sírany Selektivní substrát polysacharidy, uhlovodíky, org. kyseliny… dusičnany, dusitany, N 2… sulfidy, thiosírany, síra, siřičitany… Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Sterilace médií • Živná média je nutno zbavit všech nežádoucích MO = sterilace autoklávování – mokré teplo pod tlakem • – • • filtrování – pro média citlivá na teplo přídavek mikrobicidních látek – • • obvykle 100 -120°C, 0, 1 -0, 2 MPa, 15 -120 min antibiotika, ethanol… použitá metoda podstatně závisí na objemu produkce při velkoobjemových výrobách snaha o aseptické prostředí – větší důraz na čistotu prostředí, nižší nároky na sterilaci Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Oblíbené odpadní suroviny • Melasa – odpad z výroby cukru – – – • vysoký obsah sacharózy snadno využitelná Kvalitní zdroj C Syrovátka – odpad z mléčných výrob (sýry, tvaroh) – – – vyšší obsah laktózy (25% sušiny) a mléčných bílkovin (13%) vysoký obsah vitamínů (Bx, C, E) vysoký obsah minerálních látek (Mg, Ca, P, K, Na, Zn…) komplexní kvalitní zdroj C, P, N, S… nutné zahuštění Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Oblíbené odpadní suroviny • Sulfitové výluhy – odpad z výroby papíru (oddělení ligninu od celulózy obvykle v kys. sírové) – – vysoký obsah sacharidů (celulóza) kvalitní zdroj S Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Oblíbené odpadní suroviny • Kukuřičná máčecí voda (corn steep liquor) – odpad z výroby kukuřičného škrobu – – – vysoký obsah sacharidů (škrob) vysoký obsah volných aminokyselin (5 -11%) stopové prvky Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Oblíbené odpadní suroviny • Rostlinné mouky – odpad ze zpracování olejnin – – vysoký obsah bílkovin (až 50%) „sójové maso“ Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Oblíbené odpadní suroviny • Kvasničný autolyzát (extrakt) – vznik termickou autolýzou odpadních kvasinek – komplexní zdroj živin Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Oblíbené odpadní suroviny • Dřevo = směs různých polymerů – – – • celulóza – 40 -50% lignin – 20 -30% hemicelulózy – 20 -30% další organické látky (1 -3%) další anorganické látky (0, 1 -0, 5%) voda Různá dřeva se složením liší, např. tropická dřeva mají mnohem více organických látek Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí

Lignin • • • nepravidelná polymerní struktura základem fenoly různě substituované zejména alkyly nerozpustný ve vodě dřevu dodává pevnost v tlaku a hydrofobicitu s celulózou tvoří obtížně oddělitelný lignocelulózový komplex Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí