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 úplný soubor postupů pro průmyslovou výrobu nějakého produktu 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 pH 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 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/ 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 (NH4)2SO4 rozpustný ve vodě, levný chlorid amonný NH4Cl fosforečnan amonný (NH4)3PO4 Amoniak: také pro úpravu pH fermentačního média Močovina: (NH4)2CO 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 (NH4)3PO4 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

Typy fermentorů dle fází jednofázové (obsahují kapalný substrát s rozpuštěným enzymem) dvoufázové (kapalina x částice; kapalina x mikroorganizmy) třífázové (plyn x kapalina x mikroorganizmy) čtyřfázové (tuhý substrát x plyn x kapalina x mikroorganizmy) 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 uchycenné) mikrobní (volné, imobilizované) biotechnologie-úvod

Získání produktu Biomasa (pekařské droždí) oddělení buněk sedimentací, odstřeďováním nebo filtrací Prokvašené médium (pivo, víno, ocet) odstranění buněk a zákalů, případná úprava produktu Extracelulární produkt (kyselina citronová, ethanol) oddělení podle charakteru produktu – destilace, srážení. krystalizace Intracelulární produkt ( karotenoidy, vitamín D ) šetrné rozbití buněk produkčního mikroorganismu (ultrazvuk, teplotní šok, povrchově aktivní látky, drcení s brusnými materiály) izolace produktu různými separačními metodami biotechnologie-úvod