biotechnologia.pdf

BIOTECHNOLOGIA

wykład 1

Biotechnologa to zintegrowane zastosowanie wiedzy i techniki w dziedzinach biochemii

mikrobiologii i nauk inżynierskich w celu technologicznego wykorzystania drobnoustrojów,

kultur tkankowych lub ich części oraz molekularnych analogów dla pozyskania produktów i

usług.

Biotechnologia to świadczenie dóbr i sług z zastosowaniem metod biologicznych.

Biotechnologia jest dyscypliną nauk technicznych wykorzystującą procesy biologiczne na

skalę przemysłowa.

Biotechnologia jest interdyscyplinarną dziedziną łączącą w sobie nauki techniczne i

przyrodnicze, obejmującą badanie,wytwarzanie i wykorzystanie DNA/RNA, białek /

enzymów, drobnoustrojów , kultur komórkowych w procesach modyfikacji genetycznej,

biosyntezy, biotransformacji, bioutylizacji a także wyodrębnianie i modyfikacje tak

otrzymywanych bioproduktów.

Wykład 2

W związku z pojawieniem się metod pozwalających na ingerowanie w naturalny materiał

genetyczny drobnoustrojów przyjęto powszechnie podział biotechnologii na

-tradycyjną -przebiegającą z użyciem drobnoustrojów i komórek organizmów wyższych nie

zawierających obcego materiału genetycznego

-nowoczesną gdzie stosowane są szczepy drobnoustrojów lub inne linie komórkowe

skonstruowane metodami inżynierii genetycznej

Podział biotechnologii

biała biotechnologia – biotechnologia przemysłowa wykorzystująca systemy biologiczne

w produkcji przemysłowej i ochronie środowiska

czerwona biotechnologia – wykorzystywana w ochronie zdrowia

zielona biotechnologia – związana z rolnictwem obejmująca stosowanie metod inżynierii

genetycznej w celu doskonalenia produkcji roślinnej i zwierzęcej.

Biotechnologia czerwona wykorzystuje systemy biologiczne w produkcji przemysłowej

Opiera się na biokatalizie i bioprocesach. Surowce odnawialne są tu przekształcane z

wykorzystaniem pleśni, drożdży, bakterii, enzymów w cenne chemikalia, leki, biopolimery,

czynniki energetyczne, funkcjonalne, składniki żywności.

Biotechnologia czerwona wykorzystywana w ochronie zdrowia i medycynie. Jest ważnym i

dynamicznie rozwijającym się obszarem biotechnologii, w szczególności w zakresie

produkcji nowych biofarmaceutyków, rozwoju diagnostyki genetycznej, geoterapii i

ksenotransplantologii.

Biotechnologia zielona związana jest z rolnictwem, obejmuje zastosowanie metod

inżynierii genetycznej w celu doskonalenia produkcji roślinnej i zwierzęcej . Ważnym

obszarem jest wprowadzanie transgenicznych roślin do produkcji szczepionek doustnych i

rekombinowanych białek a także wykorzystanie tychże roślin jako surowców odnawialnych

w biorafineriach.

HISTORIA BIOTECHNOLOGII

I okres przedpasteurowski (do połowy XIXw) procesy fermentacyjne produkcja piwa, wina,

octu, chleba, napojów mlecznych. Wprowadzenie procesu inokulacji – szczepienia

kolejnych cykli fermentacji częścią produktu finalnego lub ubocznego

II okres przejściowy (początki nowych technologii mikrobiologicznych. Naukowe poznanie

procesów mikrobiologicznych. W 1857r L Pateur wyjaśnił rolę drobnoustrojów w procesie

fermentacji. Zastosowanie złoża zraszanego w oczyszczaniu ścieków. Nowe metody

biotransformacji mikrobiologicznej orbitolu.

III okres Era nowoczesnej technologii

podokres : ZŁOTA ERA ANTYBIOTYKÓW nowe biotechnologie ok 100

antybiotyków w tym penicylina, a także wielu enzymów, aminokwasów, witamin

nukleotydów SCP (białko paszowe), katalizatory immobilizowane

podokres :WSPÓŁCZESNA BIOTECHNOLOGIA manipulacja genami poza

komórką Nastąpił rozwój metod rekombinacji DNA in vitro, in vivo. Mikrobiologiczna

produkcja insuliny, hormonu wzrostu, białek odpornościowych metody klonowania i

rozmnażania oślin in vivo.

Technologia mikrobiologiczna – obejmuje procesy uwarunkowane obecnością

drobnoustrojów. Pozwalają na wykorzystanie mikroorganizmów do wywołania

różnorodnych przemian chemicznych oraz do nadprodukcji wielorakich metabolitów w

ilościach znacznie przewyższających ich potrzeby. Wiąże się to z możliwością

ukierunkowanej transformacji genotypu drobnoustrojów oraz sterowania ich metabolizmem

poprzez dobór odpowiednich warunków środowiskowych. Obszar ten obejmuje procesy

mikrobiologicznej biosyntezy i biotransformacji

Fermentacja – z punktu widzenia biochemii drobnoustrojów pojęcie to wiąże się z

metabolizmem beztlenowym w którym energotwórcze procesy utleniania substratu

węglowego przebiegające z wydzieleniem CO 2 nie wymagają tlenu cząsteczkowego jako

końcowego akceptora elektronów.

W praktyce biotechnologicznej fermentacja służy do określenia przemian chemicznych w

wyniku aktywności metabolicznj drobnoustrojów czyli obejmuje zarówno fermentacje

beztlenowe (np fermentacja alkoholowa) jak również tlenowe (fermentacja octowa)

Technologia enzymów – obejmuje wszystkie zagadnienia związane z zastosowaniem

enzymów w procesach biotechnologicznych. Dział biotechnologii intensywnie rozwijający

się od II poł XX wieku. Szczególnie intensywnie rozwijają się techniki unieruchamiania

enzymów (immobilizacja) lub całych komórek. Dzięki immobilizacji zakres zastosowań

enzymów uległ znacznemu rozszerzeniu Powstał nowy dział biotechnologii – technologia

biokatalizatorów unieruchomionych

Inżynieria genetyczna – metody biologii molekularnej umożliwiające manipulacje

genetyczne poza komórką czyli rekombinowanie DNA in vitro

Inżynieria białka – zajmuje się problemami związanymi z przystosowaniem enzymów do

wykonywania odpowiednich procesów technologicznych – syntezy, transformacji lub

degradacji związków chemicznych, nie zawsze będących substancjami naturalnymi

Inżynieria cytogenetyczna – inżynieria genetyczna na poziomie komórkowym zajmująca

się głównie opracowaniem technik fuzji komórek (np fuzja komórek nowotworowych

szpiczaka i immunizowanych komórek pozwoliła na otrzymanie komórek mieszkańców

(hybrydoma) które zachowując cechy nowotworu szybko rosną i wydajnie produkują

przeciwciała

Zalety biotechnologii gwarantujące jej dynamiczny rozwój

- duża różnorodność bioprocesów

– łagodne warunki przebiegu bioprocesów

– procesy przyjazne dla środowiska

– bezpieczeństwo procesów biotechnologicznych

– wykorzystanie surowców,które są odpadami dla innych technologii

– przetwarzanie surowców odnawialnych

Tworzenie nowych biotechnologii

Program opracowania proces obejmujący

-fazę wstępną czyli analizę zapotrzebowania społecznego na określone produkty

-fazę badawczą mającą na celu opracowanie technologii kończącą się rachunkiem

ekonomicznym i podjęciem decyzji inwestycyjnych

-fazę wdrożenia czyli projektowanie oaz budowę linii technologicznej i uruchomienie

produkcji.

Procesem technologicznym przyjęto nazywać zapis wszystkich czynności występujących

po sobie w określonej kolejności, powodujących przemiany fizyczne, chemiczne,

biochemiczne surowców oraz materiałów i prowadzących do otrzymania pożądanego

produktu

Opracowanie procesu technologicznego wymaga wyszczególnienia procesów i operacji

jednostkowych, określenia substratów i materiałów pomocniczych, sposobu oczyszczania i

konfekcjonowania produktu jak również planu zagospodarowania bądź utylizacji odpadów

Proces jednostkowy – elementarny etap procesu produkcyjnego stosowany w przemyśle

chemicznym i pokrewnych. Rozróżnia się procesy podstawowe o charakterze

fizykochemicznym lub chemicznym , które dzieli się z uwagi na typ reakcji lub rodzaj faz

biorących udział lub warunków przebiegu procesu

Operacje jednostkowe – są to te czynności jednostkowe w których wyniku zachodzą

przemiany fizyczne.

Procesy biotechnologiczne mają zróżnicowany charakter, mogą być prowadzone wieloma

sposobami i wymagają różnych warunków technicznych Jest uzależnione od :

-rodzaju surowca

-produktu wytwarzanego

-rodzaju biologiczno-chemicznej natury czynnika katalitycznego

Większość bioprocesów wymaga użycia

-czystych kultur drobnoustrojów określonych linii komórkowych lub konkretnych enzymów

-zapewnienia warunków aseptycznych

-prowadzenia procesów w specjalnych bioreaktorach umożliwiających kontrolę warunków

procesu

Prowadzone są także procesy nie wymagające warunków aseptycznych i przebiegające z

udziałem mieszanej populacji organizmów (np biologiczne oczyszczanie ścieków)

Mogą być również prowadzone w innych warunkach np mikrobiologiczne ługowanie metali

Podział procesów biotechnologicznych:

-biosynteza

-biotransformacja

-biohydroliza

-fermentacja

-bioługowanie

-biodegradacja

PROGRAM OPRACOWANIA PROCESU BIOTECHNOLOGICZNEGO

-przygotowanie technologii na przykładzie procesu biosyntezy mikrobiologicznej

-proces obejmuje zarówno prace badawcze jak i prace wdrożeniowe Ogólnie można

wyróżnić 6 etapów opracowania procesu

1 pozyskiwanie odpowiednich drobnoustrojów (scrining)

2 wstępne ustalenie warunków hodowli

3 doskonalenie cech produkcyjnych szczepów

4 optymalizacja procesu

5 powiększenie skali procesu

6 uruchomienie produkcji

Wykład 3

1 Pozyskiwanie drobnoustrojów – poszukiwanie odpowiednich drobnoustrojów

prowadzących określony bioproces lub wytwarzających określony bioprodukt (izolacja,

ocena przydatności, warunki przechowywania) charakterystyka materiału biologicznego

(szybkość wzrostu, szybkość przyswajania substratu, szybkość tworzenia produktu,

szybkość oddychanai)

Znajomość: mikrobiologia, biochemia, biologia komórki

2 dobór warunków hodowli – stworzenie warunków zapewniających szczepom

maksymalną produkcję (skład podłoża, prekursory, pH, potencjał O 2 , potencjał redox,

następnie temperaturę, natlenienie sposób prowadzenia hodowli: powierzchniowy czy

wgłębny, okresowy czy ciągły) Na tym etapie ustala się również metody wyodrębniania i

oczyszczania bioproduktów, oraz warunki tych operacji: ciśnienie, temperatura, lepkość,

pobór mocy.

Znajomość: mikrobiologia biochemia, biologia komórki, inżynieria

3 doskonalenie cech produkcyjnych szczepu – zwiększenie potencjału genetycznego

szczepu w zakresie biosyntezy i biotransformacji, określonego substratu w ilości

przewyższającej potrzeby własne drobnoustrojów od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy

razy. Stosuje się następujące metody manipulacji genami: mutacje genetyczne, fuzję

protoplastów, rekombinację DNA in vitro. Ponadto dzięki inżynierii genetycznej można

konstruować szczepy, które syntezują bioprodukty, których drobnoustroje macierzyste

nigdy nie produkowały

Znajomość: genetyka, biologia molekularna

4 Optymalizacja bioprocesu – ostatni etap laboratoryjny. Jest konsekwencją

maksymalnego wykorzystania potencjału metabolicznego drobnoustrojów. Ustala się skład

podłoża, warunki jego mieszania i napowietrzania, kinetyki bioprocesu i in. Często ten etap

i następujące po nim są opracowywane przy użyciu techniki komputerowej

Znajomość: mikrobiologia, biochemia,biologia komórki, chemia,inżynieria oraz informatyka

5 powiększenie skali – przeniesienie opracowanej w laboratorium technologii do skali

półtechnicznej (fermentatory o poj. 20-1000L)

Znajomość inżynieria, informatyka, matematyka, fizyka, ekonomia, ekologia

6 uruchomienie produkcji przemysłowej – przeniesienie wyników doświadczeń

laboratoryjnych, półtechnicznych do warunków przemysłowych (fermentatory o poj.

10tys-200tys L)

Znajomość jak w 5

Problemy bezpieczeństwa w biotechnologii

Do głównych należą

-analiza patogenności stosowanych drobnoustrojów

-ocena zagrożeń wynikających z otrzymania i stosowania organizmów konstruowanych

metodami inżynierii genetycznej

Wśród drobnoustrojów stosowanych w biotechnologii przeważają gatunki całkowicie

bezpieczne dla człowieka (np. bakterie stosowane przy produkcji przetworów mlecznych)

Zastosowanie drobnoustrojów chorobotwórczych (przy produkcji szczepionek) wymaga

przestrzegania ścisłych przepisów i tworzone są bardzo precyzyjne mechanizmy kontroli

warunków technicznych bezpiecznego namnażania drobnoustrojów patogennych.

Zagadnieniem budzącym niepokój jest potencjalne niebezpieczeństwo związane z

rozwojem inżynierii genetycznej i biotechnologii z użyciem organizmów modyfikowanych

genetycznie. Dotyczy to szczególnie szczepów konstruowanych dla rolnictwa jak również

wykorzystywanych do utylizacji ścieków.

Proces biotechnologiczny

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: