Introduktion til Bioteknologi og Fermenteringsteknologi

1. Introduktion til Bioteknologi og Fermenteringsteknologi Biotech Academy Camp 2008

2. Disposition Del 1 • Hvad er bioteknologi • Gensplejsning og cellefabrikker • 1. case-story: gær som cellefabrik • 2. case-story: penicillin produktion i svampe Del 2 • Fermentering –hvad er det? • Fermentoren –cellens fabrik! • Eksempler på komercielle fermenteringsprodukter • Hvad sker der under en fermentering • 3. case-story: fermenteringsøvelsen • Opsummering

3. Hvad er Bioteknologi? Anvendelse af levende organismer og teknologi til fremstilling af kommercielle produkter Mælkesyrebakterier Gær Skimmelsvampe Yoghurt, creme fraiche Øl, vin, brød Ost, penicillin

4. Gensplejsning • Med gensplejsning er det muligt at få en organisme til at lave produkter som den ikke ville lave naturligt • Hvis produktet laves i en organisme som også laver toxiner • Hvis organismen er svær at kultivere • Hvis produktet er syntetisk

5. Hvordan? Overførselaf den egenskabder giver korallen sin rødefarve efter før

6. Cellefabrikker Rå materialer Produkter Stamme Design

7. Gær i dagligdagen • Bagegær – Saccharomyces cerevisiae • Ølgær – Saccharomyces carlsbergensis

8. Gær i laboratoriet Saccharomyces cerevisiae Gær er: Eukaryot (ikke bakterie) Mikroskopisk Billig i drift Egnet til genetik og gensplejsning

9. 1. case-story Gær som cellefabrik

10. Regulering af blodsukker i kroppen Højt blodsukker Lavt blodsukker glukagon insulin insulin Optag sukker Frigiv sukker Normal blodsukker

11. Insulin

12. I gamle dage..... Insulin produktion

13. Insulin produktion Menneske celle • Nu..... Plasmid Enzym Insulin gen Gær Insulin Enzym

14. Produktion i stor skala 1. sal! Kalundborg

15. De filamentiøse svampe

16. De Gode Livet med svampe

17. De Onde Livet med svampe

18. De Grusomme Livet med svampe

19. 2. case-story Penicillin produktion

20. Opdagelsen af penicillin • Alexander Fleming opdagedei 1928 ved en tilfældighed en penicillinproducerendesvamp Bakteriekultur Penicillin- producerende svamp Penicillin

21. Hvorfor producerer svampe penicillin? Svamp 1 Svamp 2 Penicillin + Penicillin Bakterier Meget næring Lidt næring

22. Sådan virker penicillin Penicillin Bakterie- celle Normal bakteriecellevæg Penicillin binder til de enzymer, der sørger for at cellevæggen konstant fornyes Celledød Svagere celllevægge Celledød

23. sukker sukker Fra sukker til penicillin Løbende tilledning Næringsrigt medium Næringsbegrænset medium Udtag af fermenteringsvæske oprensning Populationen af celler øges Penicillin Penicillinproduktion

24. Fermenteringsteknologi Fabrikken i cellefabrik

25. Hvad er en fermentering? Fermentering er en kemisk proces som katalyseres af eller foregår pga. mikroorganismer og deres enzymer. Ved fermentering omdannes organisk materiale til enten andet organisk eller til uorganisk materiale eller en blanding.

26. pH meter giver online information om pH-værdien. Gas ud Er koblet til en kondensator så der ikke tabes væske undervejs . Mulighed for at måle CO2 og O2 Prøveudtag Herfra udtages prøver. Base- eller syretilsætning Mulighed for at kontrollere pH under foløbet Gas-ind Her tilføres steril luft, ren ilt, eller andre gas blandinger Omrører (rotor) er koblet til en motor. Hovedfunktionen er at holde blandingen homogen, så alle celler får ens forhold. Køleelement + varmeelement Mulighed for at kontrollere temepratur Termometer Mulighed for at følge temperatur online Fermentor

27. Feed Feed Waste Forskellige fermentortyper Mikrotiterplader Fed-batch kemostat Rystekolbe Batch • Meget lille skala • God til screening • lille til meget stor skala • God til fysiologistudier (lille skala) • Produktionstanke (stor skala)

28. Citronsyre C6H8O7 Også kendt som E330 Første gang isoleret i år 1784 Industriel produktion begyndte i 1860 ved ekstraktion fra citrusfrugter 1917: Aspergillus niger kan lave store mængder citronsyre 2008: størstedelen af citronsyre fremstilles ved fermentering af Aspergillus niger Hvorfor fermentering?

29. Andre eksempler • Enzymer til vaskepulver • Øl og vin • Antibiotika

30. Næringsstoffer • Hvad har organismen brug for –biomassesammensætning • Hvad skal bruges i store mængder • Hvad skal bruges i små mængder • Defineret vs. Kompleks medie • Begrænsende substrat –mulighed for kontrolleret kultivering kulstof- og energikilde + nitrogen kilde + O2 + mineraler, vitaminer  biomasse + CO2 + produkter + varme

31. Hvordan går det? Typiske parametre som måles • Biomasse • OD • Tørvægt • Udpladning • Mikroskopi/tællekammer • CO2 udvilking og iltforbrug fortæller noget om væksten • HPLC • Sukkerforbrug • Produktion af metabolitter ethanol, citronsyre)

32. Vækstfaser Stationær Dødsfase Eksponentiel Lagfase

33. Sammenhold af data

34. Fordoblingstid Definitioner –brug af målte paramtre Volumetrisk q g /L /h (Q) Specifik r g /g DW /h (q) rs specifik substrat optagelseshastighed rx =  specifik væksthastighed rp specifik produktionshastighed (re, ra, rgly) rco2 specifik CO2 udskillelseshastighed (CER) ro2 specifik oxygen optagelseshastighed (OUR) rco2 rO2 rs rp Cell rx rN

35. Hvordan måler vi hvor god vores proces er? Yij = rj / ri = 1 / Yji Fordeling af substrat til biomasse og produkter Ysx =  / rs = biomasse dannet/sukker forbrugt Ysp = rp / rs = produkt dannet/sukker forbrugt Yxs = rs /  Yxp = rp /  Yo2 / co2 = rco2 / ro2 = RQ rco2 ro2 rs rp Cell rx rN

36. 3. case-story Substrat optimering i gær

37. Galaktose Galaktose Galaktose Galaktose Galaktose Galaktose Galaktose Galaktose Galaktose Glukose Glukose Glukose Glukose Glukose Regulering af metabolisme i gær • Gær foretrækker glukose

38. Genregulering + galaktose - glukose

39. Genregulering + galaktose + glukose

40. S. cerevisiae DGI 342 Vildtype gær S. cerevisiae TH1 GMO Mangler generne MIG1 og GAL80 Glukose Glukose Galaktose Galaktose × DGI 342 De to stammer som bruges i øvelsen TH1

41. Opsummering • Gensplejsning giver mulighed for at lave lige det produkt man vil have • Naturlige produkter fra samme organisme eller fremmed • Forbedrede produkter (f.eks. Ændre enzym struktur for at øge effektivitet) • Inducible produkter (mulighed for at booste produktion når cellemasse er høj) • Ændre metabolisme (bedre udnyttelse af næringsstoffer, mere produkt) • Produkt intra- eller ekstracellulært • Fermenteringsteknologi giver mulighed for yderligere optimering • Mulighed for at studere hvordan cellefabrikken opfører sig under forskellige betingelser • pH • Temperatur • Aerob/anaerob • Mulighed for at kontrollere proces fuldstændig (næsten) ved at justere tilsætning af næringsstoffer og andre parametre