biotechno pytania 2013.docx

1.       Wymień i opisz źródła węgla w pożywce.

SACHARYDY Najpowszechniej jako źródło węgla są stosowane monosacharydy, disacharydy i polisacharydy. Ich roczne zużycie jako składnika podłoży fermentacyjnych wynosi 30 mln ton.

-monosacharydy: ksyloza, glukoza i fruktoza. najczęściej jest stosowana glukoza(Wchodzi w skład sacharozy, laktozy, maltozy i takich polisacharydów, jak: skrobia, celuloza, glikogen i dekstran.)

Glukoza dobrze rozpuszcza się w wodzie i jest łatwo przyswajalna przez większość drobnoustrojów. Jej stosowanie umożliwia otrzymanie bardzo czystego produktu z dużą wydajnością.

-disacharydy: stosowane przede wszystkim sacharoza i laktoza i to zarówno w postaci czystej, jak i w formie surowców zawierających te sacharydy, np. melasy (sacharoza), serwatki (laktoza); używa się także maltozy.

Sacharoza zbudowana z reszt glukozy i fruktozy. W przemyśle fermentacyjnym jako źródła sacharozy używa się przede wszystkim melasy. Jest ona produktem odpadowym w produkcji cukru z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej i jest nazywana melasą buraczaną lub trzcinową.

Laktoza znana też pod nazwą cukier mlekowy.Laktoza występuje w mleku wszystkich ssaków. Otrzymuje się ją z serwatki. Jako źródło węgla w podłożu laktozę stosuje się tylko w nielicznych przypadkach i najczęściej w dużych stężeniach. Pomimo słabego przyswajania przez drobnoustroje co wpływa na przedłużanie się fermentacji, laktozę często stosuje się w produkcji antybiotyków, zwłaszcza penicyliny

Maltoza – cukier słodowy – jest zbudowana z dwóch cząsteczek glukozy. Powstaje głównie po hydrolizie skrobi i glikogenu. Występuje w różnych produktach spożywczych. Maltoza jest obecna w słodzie, ekstrakcie słodowym i brzeczce piwnej.

Celobioza jest produktem enzymatycznej hydrolizy celulozy. Podobnie jak maltoza jest zbudowana z dwóch cząsteczek D-glukozy. Różnica między maltozą a celobiozą polega na tym, że w maltozie występuje wiązanie alfa-glikozydowe, a w celobiozie beta-glikozydowe. Obydwa sacharydy mają właściwości redukujące i ulegają mutarotacji.

-polisacharydy: Najczęściej stosowanym w przemyśle fermentacyjnym polisacharydem jest skrobia

Skrobia jest stosowana w postaci czystej jako bezpostaciowy proszek lub jako składnik ziemniaków, zboża, owsa, jęczmienia, sorga, kukurydzy, tapioki .

Inulina.

Celuloza.

NIESACHARYDOWE ŹRÓDŁA

-Metanol jest produkowany z gazu naturalnego i nafty, a jego czystość przekracza 99,8%. Jest stosowany w biosyntezie białka paszowego

-Etanol jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym zapachu i palącym smaku. W wyniku fermentacji z surowców roślinnych otrzymuje się etanol używany do celów konsumpcyjnych oraz do przerobu na tzw ocet spirytusowy lub winny

-polialkohole:  najczęściej stosuje się glicerol. Glicerol jest oleistą, lepką, bezbarwną i bezwonną cieczą o słodkim smaku. Zaletą glicerolu jest jego nietoksyczność i łatwe mieszanie się z wodą. Wyróżnia się glicerol naturalny, otrzymywany w wyniku hydrolizy tłuszczów lub fermentacji alkoholowej, oraz glicerol syntetyczny, otrzymywany na bazie propylenu pochodzącego z przerobu ropy naftowej.W biotechnologii glicerol jest stosowany również do utrwalania czystych kultur drobnoustrojów oraz preparatów enzymatycznych.

-Kwasy karboksylowe. Jako niedrogie źródło węgla stosuje się kwas octowy.

-Tłuszcze. Tłuszcze roślinne i zwierzęce często stosuje się jako dodatkowe źródło węgla w połączeniu z sacharydami. Są one także bezpośrednią substancją odżywczą w pożywce, dodawaną w formie triacylogliceroli lub jako oleje; można je również stosować jako substancje rozbijające pianę.

-Węglowodory. Najprostszym węglowodorem jest metan – gaz naturalny, zawierający 90-92% czystego metanu oraz 1% etanu, 1-2% butanu, ślady CO2, argonu i azotu. Metan jest zanieczyszczony siarką, którą należy usunąć przed zastosowaniem w procesach mikrobiologicznych

-Substraty gazowe. Takie substraty gazowe, jak CO2, CO2 i H2 zajmują specjalną pozycję w technologii mikrobiologicznej. Stosuje się je w produkcji białka paszowego, np. przez bakterie Hydrogenomonas. Kilka kultur beztlenowych Clostridium wykorzystuje CO2, CO2 i H2 w produkcji różnych kwasów organicznych.

2.       Scharakteryzuj materiały pomocnicze stosowane w biotechnologii.

Materiały pomocnicze:
- detergenty – dodawane jako substancje, które emulgują nierozpuszczalne w wodzie składniki odżywcze w pożywce. Zastosowanie detergentów wpływa na polepszenie wydajności biomasy Detergenty znajdujące się w pożywce zwiększają przepuszczalność membran komórki i aktywują różne enzymy komórkowe.
- odpieniacze – naturalne (olej słonecznikowy, kwas olejowy, olej z wielorybów (tran).) i syntetyczne (silikony, polipropyleny i produkty uboczne otrzymywane w syntezie kwasów tłuszczowych)

Powstawanie piany w procesach biotechnologicznych jest zjawiskiem niekorzystnym

Pożądane właściwości dobrego odpieniacza to przede wszystkim

- Szybkie rozbicie istniejącej piany

- Długotrwałe zabezpieczenie przed ponownym powstaniem piany

- Aktywność w małym stężeniu

- Nietoksyczność w stosunku do namnażanych drobnoustrojów

- Nietoksyczność dla ludzi i zwierząt

- Łatwość stosowania

- Niepalność, nielotność, niewybuchowość

- Niska cena
- substancje stałe – śruta rzepakowa otręby przenne, słoma, sieczka, wytłoki jabłkowe, często zroszone serwatką lub melasą jako podłoże do rozwoju grzybów mikroskopowych, które syntetyzują biomasę zawierającą około 30-40% białek i w ten sposób polepszają wartość żywieniową komponentów podłoża, stosowanych następnie w żywieniu zwierząt. Niekiedy na podłożach z komponentów stałych namnaża się grzyby strzępkowe. Również grzyby jadalne.

-antyseptyki i antybiotyki – w przemyśle spirytusowym w celu wyeliminowania zakłóceń w produkcie
- subst.buforujące – ciałka, peptydy, aminokwasy. Kontrola odczynu (pH) pożywki ma ogromne znaczenie w produkcji określonych substancji syntetyzowanych przez drobnoustroje, ponieważ często od kwasowości zależy, co drobnoustroje syntetyzują

Wiele substancji stosowanych jako źródło substancji odżywczych, a więc węgla (serwatka, melasa, brzeczka) i azotu (namok kukurydziany, ekstrakty i hydrolizaty drożdżowe) zawiera substancje o właściwościach buforujących, takie jak: białka, peptydy, aminokwasy, cytryniany. Ilość tych substancji podczas hodowli ulega zmianie, co powoduje konieczność utrzymania pH na określonym poziomie przez dodanie odpowiedniego regulatora pH. Wiele środowisk hodowlanych jest buforowanych przez dodatek węglanu wapnia. Jeżeli pH obniża się – węglan jest rozkładany, jeżeli rośnie – może następować zmiana pH wywołana produkcją kwasu przez drobnoustroje, jak ma to miejsce w produkcji kwasu mlekowego.

pH podłoża można również korygować przez dodanie roztworów wodorotlenków sodu lub amonu i roztworu kwasu siarkowego (VI
- subst.chelatujące – Na skutek mieszania składników pożywki trudno rozpuszczalnych następuje wytrącanie substancji

Składniki w stanie wytrąconym nie są dostępne dla drobnoustrojów. Właściwe stężenie substancji śladowych można zapewnić przez chelatowanie, które utrzymuje stan, podaż fizjologicznego stężenia niezbędnego dla hodowanych drobnoustrojów. Substancje chelatujące zawierają grupy  kompleksujące – ligandy, które związane odwracalnie z jonami tworzą

- prekursory- pomagają regulować syntezę produktu, nie wpływając na wzrost mikroorganizmów. są bezpośrednio wbudowywane do żądanego produktu, podnoszą wydajność produkcji. Np. kwas fenylooctowy, glicyna

- inhibitory- zwiększają przepuszczalność ścian komórki i ułatwiają uwalnianie metabolitów, podnosząc w ten sposób wydajność syntezy. Niektóre inhibitory powodują akumulację metabolitu pośredniego, który bez dodatku inhibitora jest metabolizowany. Przykładowym inhibitorem jest penicylina

3.       Omów podział technik hodowli drobnoustrojów ze względu na stan fizyczny pożywki.

Klasyfikacja technik hodowli drobnoustrojów ze względu na stan fizyczny pożywki

- hodowle w podłożach ciekłych – HPC

o        Zawiesina mikroorganizmów w ciekłej pożywce – hodowle wgłębne

o        Hodowle z unieruchomionym materiałem biologicznym na powierzchni nośnika lub zamknięcie w jego wnętrzu

o        Wzrost grzybów strzępkowych w postaci kożucha na powierzchni ciekłej pożywki – hodowle powierzchniowe

- hodowle w podłożach stałych – HPS

o        Stosowane do hodowli grzybów strzępkowych w ziarnie zbóż, otrębach pszennych, odpadach celulozowych

4.       Hodowla ciągła – warunki, zastosowanie.
- hodowla ciągła prowadzona jest w bioreaktorze przepływowym zasilanym pożywką. Z aparatu w sposób ciągły odprowadzany jest płyn pofermentacyjny z biomasą.

- stężenie biomasy i substratu w strumieniu odpływającym z bioreaktora są takie same jak w całej jego objętości. Natężenie odbioru płynu ze zbiornia jest równe natężeniu dopływu pożywki.

- hodowle ciągłe są stosowane w procesach, w których konieczna jest kontrola stężenia substratu. W hodowli ciągłej preferowane są komórki szybko rosnące. Proces ten jest odpowiedni do otrzymywania biomasy oraz metabolitów pierwotnych.

- trudności w hodowli ciągłej:

o        Niehomogeniczność zawiesiny w bioreaktorze

o        Utrzymanie jałowości

o        Utrzymanie stabilności hodowli

5.       Wymień procesy stosowane do wydzielania i oczyszczania produktów biosyntezy w zależności od ich zasadniczej funkcji.
- separacja produktów nierozpuszczonych i cząstek stałych (rozdzielanie zawiesin: filtracja i wirowanie)
- wydzielanie i koncentracja produktu – ekstrakcja rozpuszczalnikowa, adsorpcja, procesy membranowe
- oczyszczalnie produktu – techniki chromatograficzne, elektroforeza, precypitacja
- końcową obróbkę – krystalizacja i suszenie

6.       Przedstaw ogólną charakterystykę metod membranowych.

membrany służą do zatrzymywania biomasy drb (↑ st.drb) co zwiększa szybkość procesów biochem.i przeciwdziała wymywaniu biomasy (↑ produkcyjności)

7.       Opisz liofilizację kultur drobnoustrojów (warunki, zastosowanie).

Metoda utrwalania bioproduktów. W biotechnologii najbardziej rozpowszechnioną metodą dehydratacji jest sublimacja (liofilizacja), która jest korzystna dla bioproduktów, jeżeli przebiega w niskiej temperaturze i w krótkim czasie dzięki zastosowaniu podciśnienia. Zalety suszenia sublimacyjnego to: możliwość zachowania struktury materiału suszonego, zachowanie substancji lotnych oraz możliwość otrzymania sterylnego produktu bezpośrednio w opakowaniach jednostkowych.

Warunki procesu suszenia sublimacyjnego powinny być ustalone eksperymentalnie dla każdego materiału suszonego, w zależności od jego właściwości fizycznych. Optymalizacja dotyczy zastosowanego podciśnienia oraz temperatury suszenia. Należy przy tym pamiętać, że podczas sublimacji temperatura warstwy zewnętrznej materiału suszonego jest wyższa od temperatury jego wnętrza.

Właściwy proces suszenia, tj. sublimację, poprzedza zamrożenie materiału suszonego. Może się to odbywać na zasadzie wstępnego zamrażania, stosowanego dla substancji o dużej wilgotności początkowej i łatwo pieniących się, lub samozamrażania, które prowadzi się przy bardzo szybkim ochłodzeniu materiału przy obniżonym ciśnieniu.

8.       Suszenie rozpyłowe – wady i zalety, zastosowanie.

-        metodę stosuje się w utrwalaniu biomas bakterii, drożdży, preparatów enzymatycznych i antybiotyków

-        przy dużym stopniu dyspersji roztworów, odparowanie wody następuje praktycznie momentalnie, dzięki czemu czynnik suszący o wysokiej temperaturze nie powoduje dużych strat ich aktywności

Zalety suszenia rozpyłowego

-        wysoka jakość gotowego produktu (biopreparatów z niewielką stratą aktywności biologicznej)

-        duża intensywność wymiany ciepła między rozpylanych roztworem a ogrzanym czynnikiem suszącym, zależna od temperatury i wilgotności czynnika suszącego oraz dyspersji roztworu (wielkości kropel)

-        możliwość automatycznego sterowania procesem

-        odwadniania roztworów systemem ciągłym

Wady tej metody

-        mała wydajność odparowania wilgoci w jednostce objętości komory suszenia, co wymusza projektowanie dużych rozmiarów komór

-        relatywnie duże jednostkowe zapotrzebowanie na energię

-        duże koszty inwestycyjne

9.       Omów otrzymywanie ksantanu.

W technologii ksantanu syntetyzowanego są wyodrębnione dwa zasadnicze procesy jednostkowe

- Biosynteza ksantanu, uwzględniająca przygotowanie inokulum i fermentację w bioreaktorze. Proces jest prowadzony metodą okresową w pożywce z glukozą lub sacharozą, azotem  i mikroelementami, w 25-34oC w czasie 40-144h. Bakterie są namnażane w środowisku o pH 7,0. Pożywka jest mieszana z szybkością 200-400 obrotów/min i napowietrzana. W drugiej fazie znacznie zwiększa się lepkość cieczy pofermentacyjnej, utrudniając transport tlenu, co wymusza zwiększenie szybkości mieszania do 1000 obr/min celem utrzymania stężenia tlenu powyżej 10% wartości nasycenia.

- Wydzielenie biopolimeru. Wydzielenie ksantanu z cieczy pofermentacyjnej, zawierającej 10-30g*dm-3 ksantanu, 1-10g*dm-3 komórek, 3-10g*dm-3 niewykorzystanych składników odżywczych i innych metabolitów, jest trudnym i kosztownym procesem poprzedzonym pasteryzacją lub sterylizacją w celu inaktywacji komórek i zwiększenia wydajności biopolimeru. Zbyt wysokie temperatury pasteryzacji są często przyczyną termicznej degradacji ksantanu. Ogrzewanie cieczy pofermentacyjnej w odpowiednich warunkach (80-130oC, pH 6,3-6,9, 10-20min) zmniejsza jej lepkość, a zwiększa rozpuszczalność ksantanu. Ze względu na dużą lepkość cieczy jest ona rozcieńczana wodą, rozpuszczalnikami organicznymi (np. alkoholami, ketonami) lub roztworami alkoholu o małym stężeniu bądź ogrzewana i filtrowana przez filtr o wielkości porów 0,45μm lub wirowana. Ksantan jest wydzielany ze środowiska w wyniku zmniejszenia rozpuszczalności polimeru metodą odparowania lub przy użyciu rozpuszczalników organicznych mieszających się z wodą,

Po odfiltrowaniu polimeru lub oddestylowaniu rozpuszczalników ksantan jest przemywany mieszaniną izopropanolu i wody, suszony do zawartości 10% wody w procesie okresowym lub ciągłym w warunkach zmniejszonego ciśnienia lub w środowisku gazu obojętnego, mielony i pakowany w opakowania nieprzepuszczające wody.

10.   Scharakteryzuj klasyfikację biosensorów.

Podstawowa klasyfikacja bioczujników: