C7900 Lehká biotechnologie 02 – Obecné rysy fermentačních výrob Petr Zbořil

Osnova prezentace 2.2 Typy fermentací Proces konverze substrátu Vztah S – P , cesty a etapy

Fáze fermentačního procesu Zaočkování Zásobní kultura – uchování, způsoby Lyofilizáty – nejčastější Ochranná prostředí – tuhé půdy, převrstvení oleji (silikon) Zamražené kultury Skladování za chladu Fermentace Propagace – fáze Oživení kultury – zaočkování hl. tanku – objem, geometrie zařízení Media nemusí být stejná – preferované požadavky (růst x produkce, kvantita, kvalita produktu – limitace v hlavním tanku apod.) Opětovné užití Podmínky – T, p, aerace, míchání, pH …

Doby revitalizace mikroorganizmů Kultury rostou na kapalných nebo tuhých půdách Chlazené, 2 – 6 oC Zmražené, -18 – -196 oC Lyofilizované Bakterie 6 – 24 hod. 6 – 48 hod. 4 – 10 dní Aktinomycety 1 – 3 dny 1 – 5 dnů Houby 1 – 7 dnů

Typy procesů Periodický, vsádkový (batch) Kontinuální (průtokový) Smíchání všech komponent v celém objemu Časová změna parametrů v celém objemu Výsledné parametry – konec cyklu, odběr, nový cyklus Jednodušší vybavení, snadnější kontrola, více manuální obsluhy, méně efektivní Kontinuální (průtokový) Míchání komponent na počátku Všechny fáze přítomny současně, prostorově odlišné parametry Složitější vybavení, kontrolní body, automatická regulace, efektivnější Přítokový, „příkrmový“ Periodický (?) + přidání komponenty v určité fázi – najednou, přítokem Kombinace – podle uvažovaného rozsahu Dílčí etapa – sterilizace, konverze, zpracování Jako celek

Tvorba produktu Cesta od substrátu (suroviny) k produktu Přímočará, jednoduchá či složitější Větvená, paralelní cesty Fáze metabolizmu Souvislost s růstovou křivkou Zahrnuté metabolické dráhy – jejich poměr Efektivita procesu – znalost metabolických vztahů Využití suroviny pro tvorbu produktu Vedlejší cesty nezbytné a zbytné Růst, energetický metabolismus

Typy reakcí a fermentací Cesty od substrátu k produktu Metabolické vztahy – dráhy a jejich účast na produkci Technologicky významné vztahy mezi spotřebou substrátů (zdroje C a energie), růstem buněk a tvorbou produktu Reakce – souvislost s fermentacemi Fermentace Roztřídění – Elmer J. Garden, Jr.: Fermentation Process Kinetics. Biotechnology and Bioengineering, 1, (4) 413-429, 1959 Typ I – III, někdy obtížné zařadit – překryv typů

Typy reakcí Reakce jednoduché S P, méně nebo více složek, ale nemění se poměr Nehromadí se meziprodukty, stechiometrický vztah Reakce zdrojem energie i cestou syntézy Mléčné a etanolové kvašení, etanol – acetát, růst biomasy, konverze předem připravenou suspenzí mikroorganizmů – glukosa – glukonát (A. niger) apod.

Typy reakcí Souběžné reakce Několik produktů podle proměnlivých stechiometrických vztahů Relativní rychlosti se mění v závislosti na S Rhodotorula glutinis Biomasa Koncentrace Sacharid Tuk Bílkovina Čas

Typy reakcí Následné reakce Nahromadí se jeden nebo více meziproduktů Následně se z nich tvoří finální produkt Kys. glukonová, butanol-acetonové kvašení, metan, antibiotika Koncentrace Glukosa Kys. glukonová Glukonolakton Čas

Typy reakcí Postupné reakce Rychlosti reakcí jsou regulovány indukcí enzymů Medium se 2 substráty – diauxický růst, 2 lagfáze Induktorem je meziprodukt – projev podobný následným Typ reakce resp. průběh fermentace lze ovlivnit Přítokem Limitací N, kovy aj. Prekurzory

Typy fermentací Roztřídění – Elmer J. Garden, Jr.: Fermentation Process Kinetics. Biotechnology and Bioengineering, 1, (4) 413-429, 1959 Typ I – III, někdy obtížné zařadit – překryv

Typy fermentací Typ I, přímý vztah S – P, resp. S – A – B … – P Substrát slouží jako energetický zdroj Glukosa – laktát (etanol) Růst biomasy Spotřeba substrátu Tvorba produktu - Vše rychlost!

Typy fermentací Typ II Produkt tvořen primárním metabolismem Dráha paralelní k energetickému metabolismu S – A – B … S – M – N – … P Růst biomasy Spotřeba substrátu Tvorba produktu - Vše rychlost!

Typy fermentací Typ III Rozdílné cesty Produkt vzniká z nahromaděných metabolitů Sekundární metabolismus Růst biomasy Spotřeba substrátu Tvorba produktu - Vše rychlost!

Fáze fermentačního procesu Zpracování Extra- a intracelulární produkt Výhoda extracelulárního Dezintegrace, separace Koloidní mlýn, tlakové dezintegrátory, ultrazvuk Centrifugace, extrakce – též purifikační Purifikace, speciální úpravy Dle potřeby čistoty, požadavků na produkt Chromatografie, ultrafiltrace, destilace …

Příklady fermentačních výrob Rozdělení Podle typu produktů (org. kyseliny …) Podle účelu (rozpouštědla, léčiva, pesticidy …) Podle typických reakcí (ketonové kvašení) … Podle ekonomických hledisek – uplatnění na trhu Metabolické základy Předpoklad znalostí obecné biochemie Další speciální metabolismus

Ekonomický význam fermentačních výrob Jaký to má smysl – zpráva Fincentra 2003 - 03 Akciové fondy – nadprůměrné biotechnologie Průměrná hodnota pro všechny akciové fondy není zrovna nejpříznivější a vypovídá o tom, že akciové trhy zakončily měsíc mírně ve ztrátě. Z následující tabulky vyplývá, že alespoň jeden sektor byl v březnu úspěšný. Fondy zaměřené na sektor biotechnologií jsou totiž na prvních třech místech ve výkonnosti, s tím, že na ostatních předních místech figurují další biotechnologické fondy (např. Credit Suisse EF (LUX) Global Biotech, ABN Amro Funds Biotech Fund) a fondy zaměřené na farmaceutické společnosti (Erste Sparinvest Stock Pharma, Capital Invest Pharma Stock) a venture kapitálové firmy.

Technologické akcie - ano! Ale jen biotechnologie Akciové fondy Nejlepší Nejhorší název výkonnost ING (L) INVEST BIOTECHNOLOGY 10,95% Templeton Korea A -14,29 CI BIOTECH STOCK 10,53% CI Gold Stock -10,08 Franklin BIOTECH DISC BX ACC 10,12% PARVEST HOLLAND -8,49

Ekonomický význam fermentačních výrob V sektoru biotechnologií je viděn veliký potenciál. Podle McKinseyho by mohl v roce 2010 činit podíl biotechnologií na chemické výrobě celých dvacet procent, tedy přibližně 280 mld. dolarů. Ačkoli biotechnologie - rozlišujeme tři druhy biotechnologií: tzv. červenou – medicína, léky; zelenou – zemědělství a bílou – průmysl (plasty, paliva) - byly jedním ze sektorů, u nichž splaskla bublina z konce devadesátých let, současné výzkumy (např.: lidský genom, geneticky modifikované potraviny,…) dávají tušit výraznému rozvoji tohoto odvětví, které je kriticky závislé na investicích.