Biotechnologie

1. Biotechnologie • Jakákoliv technologie využívající biologický materiál • celé organismy (bakterie, plísně, rostliny…) • části organismů (izolované tkáně a pletiva) • biomakromolekuly(enzymy, protilátky…) • společenstva organismů

2. Biologický materiál • Přirozený • Upravený • Mutanty • Adaptované kultury • Geneticky modifikované organismy • Chemicky modifikované biomakromolekuly • Volný • Imobilizovaný (zasazený do matrice)

3. Imobilizace biologického materiálu • Imobilizace = znehybnění • Vytvoření materiálu, který pevně váže biologický materiál +jednodušší manipulace (izolace, dávkování…) +opakované použití +větší odolnost biologického materiálu - imobilizace může biomateriál poškodit -difúzní limitace -vyšší cena

5. Způsoby imobilizace • Podle matrice • bez matrice (např. kovalentní prokřížení enzymů glutaraldehydem) • organická matrice (polysacharidy – alginát…) • anorganická matrice (keramické materiály) • hybridní matrice (křemičitý gel – alginát…)

6. Způsoby imobilizace • Podle vazby materiálu na matrici • kovalentní • nekovalentní – vodíkové můstky, Van der Walsovy síly… • bez spojení – matrice materiál pevně obklopuje (enkapsulace)

7. Klasické biotechnologie • Živé mikroorganismy používal člověk už od pradávna (nevědomky) • výroba alkoholických nápojů • jiné potraviny (kvasnice, kysané mléko…) • tradiční nápoje (kombucha)

8. Moderní biotechnologie • Potravinářství • Produkce látek(aminokyseliny, antibiotika, vitamíny, meziprodukty metabolismu, ethanol…) • Produkce bílkovin(enzymy, hormony, protilátky…) • Chemické syntézy(farmacie) • Rozklad nežádoucích látek(čističky, ropné skvrny…) • Biosenzory • …

9. Způsoby velkoobjemové kultivace • Tři základní typy kultivace • Vsádková (batch) • Smíchání všech reaktantů v jednom reaktoru • Vypuštění produktů po zkončení reakce • Průtočná (kontinuální) • Nepřetržité připouštění reaktantů a vypouštění produktů • Reakce může probíhat prakticky nepřetržitě • Fed-batch („příkrmová“) • Vsádková kultivace s občasným přidáním některého substrátu

10. Vsádková kultivace • Tradiční metoda • Obvykle méně ekonomická • Pro některé procesy jediná možná

11. Průtočná kultivace • Modernější • Obvykle ekonomicky efektivnější • větší výkon na méně prostoru • Obtížnější regulace • Koncentrace složek i mikrobiálních buněk závisí na zřeďovací rychlostiD (rychlosti přítoku substrátů a odebírání produktů)

12. Regulace průtočných systémů • Mikrobiální buňky musí zůstat v reaktoru po celou dobu kultivace v cca konstantním množství • imobilizace • rozmnožování vyvážené odplavováním

13. Turbidistat • Neustálé měření koncentrace buněk (obvykle turbidimetricky = rozptyl světla) a regulace zřeďovací rychlosti • při přírůstku buněk zvýšení rychlosti • při úbytku buněk snížení rychlosti • Je možné dosáhnout maximální rychlosti růstu • Skutečná rychlost kolísá těsně pod maximální

14. Chemostat • Jedna z živin je v nedostatku – všechna se spotřebuje • nelze dosáhnout vyššího nárůstu než kolik určuje limitní živina • při odplavení části buněk zůstane více limitující živiny pro ostatní a rychlost růstu se zvýší • zřeďovací rychlost je neměnná

15. Produkce alkoholických nápojů • Nejčastěji kvasinky, zejména Saccharomyces cerevisiae (kvasinka pivní) • Kvašení cukr  alkohol + CO2 • Různé druhy kvašení • horní – méně používané, MO na hladině • spodní (submerzní) – MO na dně

16. Produkce alkoholických nápojů • Kvašením může vzniknoutmax. cca 15-20% alkoholu(cca vnitrobuněčná koncentrace ethanolu – zastavení kvašení = chemická rovnováha) • nápoje s vyšším obsahem alkoholu se buď destilují nebo míchají z čistého EtOH

17. Pivo • Slad • zdroj sacharidů pro kvašení • rmutování = postupné zahřívání sladu, štěpení škrobu amylázami na maltózu • Chmelové látky • zdroj hořké chuti • dnes přidáván obvykle chmelový extrakt • Voda • vliv na chuť • obvykle z pivovarských studní

18. Kvašení piva • 7-14 dní, 8-11°C • Maltóza je zkvašena na EtOH a CO2 • Vsádkové kvašení (kádě) • Kontinuální kvašení (trubky) • Oddělení kvasnic • Zrání piva (20-60 dnů) • dokvašování • chemické reakce s vlivem na chuť

19. Víno • Kvašený nápoj z vinného moštu • Kvašení sacharóza EtOH + CO2 • Saccharomyces cerevisiae • Podle cukernatosti hroznů zůstane část cukru nezkvašena – dělení vín na suchá až sladká • Barva závisí na odrůdě a technice lisování • Šumivá vína – CO2 se nenechá unikat • Perlivá vína – sycená CO2

20. Bioethanol • Potenciální náhrada benzínu • do 20% je možné neomezené přidávání do benzínu • přes 20% potřeba přeřídit motory • nižší výhřevnost – vyšší spotřeba • Produkce ze sacharidů • sacharóza – nejjednodušší kvašení, ale drahá, v Brazílii • škrob – jednoduché kvašení, ale drahý, v EU včetně ČR • celulóza – obtížné kvašení, levná a dostupná, nepropracované technologie

21. Sacharóza • V Brazílii se jezdí až na 100% EtOH • Levný řepný cukr • Vývoz EtOH • Vypalování pralesů kvůli plantážím třtiny

22. Škrob • Přebytky zemědělství (EU) • Jednoduchá technologie – rozklad, kvašení • Drahá surovina • zemědělství má vysokou spotřebu energie • příliš mnoho dopravy suroviny • potenciál genetických modifikací • Mnohdy až pasivní bilance energie (na litr EtOH se spotřebuje více nafty) • potřeba optimalizace • Zdražování potravin

23. Celulóza • Nejrozšířenější a nejlevnější (dřevo) • Možnost využít odpad (piliny, starý papír…) • Obtížná technologie • celulóza je krystalická– obtížný rozklad na monosacharidy • doprovázena ligninem a hemicelulózami – obtížné oddělení komplexu

24. Celulóza • Technologie dosud ve stádiích experimentů – potenciál zefektivnění • Rozklad dřeva napařováním, máčením v horké H2SO4.... • Biologický potenciál • dřevokazné houby– rozklad ligninu (ale konzumují celulózu) • některé bakterie mají celulolytické enzymy (ale neumí rozložit lignin) • konstrukce GMO

25. Produkce látek pomocí MO • Mikrobiální metabolismus má schopnost syntézy velkého množství zajímavých chemických látek • Metabolismus je obvykle ekonomicky regulován a nemá velké přebytky • Nutnost donutit organismus k přebytkům • změněná aktivita některého enzymu • poškozená regulace metabolismu • nefyziologické podmínky kultivace • odstraňování produktů – posun chemické rovnováhy

26. Výroba kyseliny citrónové • Aspergillus niger– plíseň • výchozí surovina melasa – odpad při výrobě cukru • aerobní proces, vyžaduje hodně kyslíku • mutovaná forma organismu s málo aktivní citrátizomerázou • hromadění citrónové kyseliny • nedostatek oxalátu – syntéza z pyruvátu a CO2 • výtěžek obvykle přes 100% vneseného cukru

27. Produkce aminokyselin • Krmivo • Potravinářská surovina (glutamát) • Doplněk stravy (růst svalů, podpora sexuálních funkcí…) • Výchozí surovina pro další chemické syntézy • Výhoda – biotechnologicky připravené aminokyseliny mají jen konfiguraci L • bakteriální syntéza – mutované kmeny s poškozenou regulací

28. Výroba octa • Ocet = cca 8% kyselina octová • Octové bakterie (Acetobacter aceti) • V ocetnicích • Tradiční aplikace imobilizovaných MO (na bukových pilinách) • Oxidace sacharidů na octovou kyselinu • přísně aerobní proces • musí se udržet vyšší koncentrace substrátu, jinak je oxidace úplná až na CO2 a H2O • Podle suroviny a mikroorganismů vznik minoritních dalších kyselin (propionová, mléčná, galaktouronová…) různé příchuti octa

29. Mikrobiální „bioplasty“ • Některé bakterie produkují zásobní látky na bázi polyhydroxyalkanových kyselin (PHA) • zásoba uhlíku • b-hydroxymáselná • b-hydroxyvalerová • … • Tyto polymery mají charakter plastických hmot = potenciální náhrada klasických ropných plastů • Nevýhoda = vysoká cena (10x – 100x vyšší než z ropy) – zatím jen speciální použití (lékařské implantáty apod.) • Výhoda = plně recyklovatelné

30. Mikrobiální „bioplasty“ • Zásobní látky jsou produkovány ve stacionární fázi růstu a při nevyváženém růstu (hodně C, málo N) • Složení polymeru závisí na kultivačních podmínkách a živinách – možnost ovlivnit • Možnost využít odpadních surovin

31. Mikrobiologická likvidace odpadů • MO dokáží rozložit velké množství chemických látek na neškodné • Využití i v likvidaci odpadů • Čištění odpadních vod – odstraňování organických látek, amoniaku, síranů… • Likvidace pevných odpadů - kompostování

32. Čištění odpadních vod • Stále stoupající požadavky na čistotu odpadních vod • organické znečištění • anorganické látky (amoniak, těžké kovy…) • speciální znečištění (perzistentní polutanty) • V přirozených vodách žije velké množství MO schopných rozkladu těchto látek • Samočisticí schopnost přirozené vody • V čističkách jsou tyto přirozené procesy urychlovány popř. selektivně regulovány

33. Samočištění vody • = Selfpurification • Soubor přirozených procesů vedoucích k odstranění znečištění vody • Faktory samočištění • Fyzikální – přestup kyslíku, sedimentace, odplavování… • Chemické – chemické reakce (redoxní, srážecí, neutralizační) • Biologické – potravní řetězce

34. Biologické samočištění vody • Organické látky • V potravních řetězcích dochází k přeměně nečistot na • biomasu • minerální látky – možné pokračování potravního řetězce autotrofními organismy • Mezi tvorbou biomasy a rozkladem existuje rovnováha • Oba procesy probíhají aerobně i anaerobně • v anaerobním prostředí neúplná mineralizace (org. kyseliny, methan…)

35. Biologické samočištění vody • Saprobní společenstva • Biologická rovnováha – odolnost k výchylkám • 3 fáze společenstva – dle znečištění • polysaprobní – převaha redukčních procesů (fermentace) • mezosaprobní – rovnáváha oxidačních a redukčních procesů • oligosaprobní – převaha oxidačních procesů

36. Autolýza • Samovolný rozklad těl uhynulých organismů pomocí vlastních enzymů • První stupeň rozkladu biomasy

37. Rozklad bílkovin • Proteázy – štěpení bílkovin na peptidy a aminokyseliny • Deaminázy – odštěpování aminoskupin na NH3 • Dekarboxylázy – odštěpování CO2 • Anaerobně vznikají nejrůznější páchnoucí látky (sulfan, merkaptany…) • Aerobně bez zápachu

38. Rozklad dusíkatých látek • Aerobně i anaerobně • Odštěpování amoniaku z organických látek (amonifikace) • Proteus, Micrococcus-aerobně • Clostridium–anaerobně • Nitrifikace – oxidace amoniaku – aerobní proces – zisk energie • NH4+ NO2-Nitrosomonas, Nitrococcus, Streptomyces, Nocardia… • NO2- NO3-Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira…

39. Rozklad sirných látek • Redukce síranů – produkce H2S – anaerobní proces • i další oxidované sloučeniny síry • sírany fungují jako terminální akceptory elektronů • Desulfovibrio, Desulfotomaculum • Oxidace sulfidů a sulfanu na síru nebo sírany • aerobně – Thiobacillus, Thiobacterium… • fotosynteticky anoxicky – purpurové bakterie (Rhodospirillum, Rhodomicrobium…)

40. Rozklad tuků • = lipolýza • extracelulární lipázy • Pseudomonas, Yarowia (kvasinka), Mucor, Aspergillus, Penicillium(plísně) • zejména aerobní proces • anaerobně vznik uhlovodíků

41. Rozklad sacharidů • polysacharidy monosacharidy  začlenění do metabolismu • Anaerobně • monosacharidy  ferm. produkty  methan • fermentace – enterobakterie, Clostridium… • methanogeneze – Methanococcus, Methanobacterium… • Aerobně – úplná oxidace na CO2 a vodu

42. Čištění odpadních vod • Odpadní vody průmyslové a splaškové • různé znečišťující látky • 3 fáze procesu • mechanická – sedimentace, filtrace • biologická – odbourávání organických látek • chemická – odstraňování chemických látek • Mnoho uspořádání • přirozené – kontrolovaný přirozený proces – nádrže, rybníčky… • aktivační – intenzifikace procesů – vznik a separace aktivovaného kalu

43. Aktivovaný kal • Směsná kultura mikroorganismů vzniklá dlouhodobým provzdušňováním odpadní vody • Pomnožení a koncentrace přirozené mikroflóry • bakterie • prvoci • kvasinky • vláknité houby • Vznik vloček (flokulí) • Správná flokulace poukazuje na kvalitu aktivovaného kalu

44. Kompostování • =Aerobní proces likvidace pevných odpadů • městské odpady, biologický odpad, aktivovaný kal, průmyslové odpady, dřevní hmota… • dochází i k rozkladu některých nebezpečných látek (výbušniny, pesticidy…) • Redukce objemu odpadu • Rozklad organických látek • Snížení obsahu vody • V průběhu procesu dochází ke zvýšení teploty -likvidace patogenních MO

45. Kompostování • MO jsou obvykle přítomny v likvidovaném materiálu • organotrofní bakterie • vláknité houby • prvoci • vyšší organismy (hmyz, členovci…) • V průběhu procesu dochází k zužování druhové pestrosti v důsledku zvyšování teploty • postupně mizí vyšší organismy, houby, aktinomycety a mezofilní bakterie • zůstávají termofilní bakterie

46. Kompostování • Pro aerobní procesy je třeba zajistit dostatečné množství kyslíku (5-10%) • přesto místy anaeorbní procesy – vznik organických kyselin – rozklad aerobními druhy • cirkulace vzduchu - trubky • obracení kompostu – nebezpečí vychladnutí

47. Kompostování • Velký odpar vody (až 0,8 g / 1 g organické hmoty) • nutná regulace (regulace teploty, udržování vlhkého prostředí, zkrápění…) • nedostatek vody zastavuje rozkladné procesy

48. Kompostování • Likvidace patogenních MO • většina patogenů má teplotní optimum cca 37°C • vyšší teploty je ničí • při kompostování se teplota zvyšuje až na 80°C – likvidace patogenů • někdy se jen udržuje nižší teplota (60°C) po delší dobu – také likvidace

49. Kompostování • Využití kompostu • hnojivo – nesmí obsahovat toxické látky (těžké kovy, nezreagované polutanty…) • spálení – nebezpečné komposty

50. Geneticky modifikované organismy • Organismy, jejichž genetická informace byla cíleně změněna • Za GMO není považován organismus vzniklý náhodnou mutagenezí, fúzí protoplastů, výměnou genetického materiálu přirozeným postupem ani šlechtěním. • Typické genetické modifikace • přidání genetického materiálu z jiného organismu • cílená mutace genetického materiálu • cílené odstranění části genetického materiálu