Podstawy biotechnologii przemysłowej

Zadaniem przedmiotu jest zapoznanie studentów z wybranymi zagadnieniami metabolizmu mikroorganizmów i ich hodowli w bioreaktorach w aspekcie ich przemysłowego wykorzystania. Szczególna uwaga ukierunkowana jest na modelowy opis i charakterystykę bioprocesów przy udziale specyficznych preparatów i wyróżników wzrostu mikroorganizmów oraz biosyntezy przykładowych produktów.

Tematyka wykładów:

- Ogólna charakterystyka przedmiotu, historia rozwoju biotechnologii, główne pojęcia biotechnologiczne, rodzaje biotechnologii, wykorzystanie biotechnologii w rolnictwie, gospodarce żywnościowej, farmacji, medycynie i innych dziedzinach, szanse i zagrożenia, aspekty etyczne i ekologiczne.

- Przydatność drobnoustrojów w biotechnologii, pozyskiwanie czystych kultur, wyróżniki charakteryzujące wzrost drobnoustrojów, współczynnik wydajności biomasy, wzrost ograniczony i nieograniczony, właściwa szybkość wzrostu, modele wzrostu ilościowego, kinetyka wzrostu, podstawy bilansu wzrostu.

- Metody hodowli drobnoustrojów, hodowla okresowa i ciągła, zalety i wady, hodowla w chemostacie, hodowle tlenowe i beztlenowe, typy reakcji w bioreaktorach.

- Warunki prowadzenia procesów biotechnologicznych, etapy procesu, przygotowanie pożywek, zapewnienie sterylności, materiał posiewowy, schematy technologiczne procesów biosyntezy, kontrola parametrów bioprocesu, układy pomiarowo – regulacyjne.

- Wydzielanie i oczyszczanie bioproduktów zewnątrz – i wewnątrzkomórkowych, schematy technologiczne, wybrane procesy i urządzenia.

- Bioreaktory i ich charakterystyka technologiczna, bioreaktory laboratoryjne i przemysłowe, moc mieszania, zapotrzebowanie mocy, liczba mocy, napowietrzanie i mieszanie, napowietrzanie pęcherzykowe, systemy napowietrzania w bioreaktorach.

- Podstawowe modele bioreaktorów i sposoby prowadzenia bioprocesów, systemy inokulacji, zabezpieczenie sterylności, systemy odpieniające i inne układy w bioreaktorach. Zasady projektowania aparatury do pracy w warunkach sterylnych.

- Ogólne zasady biosyntezy drożdży, antybiotyków, witamin i enzymów. Biotechnologia w diagnostyce laboratoryjnej (biosensory).

Ćwiczenia:

- Selekcja i różnicowanie szczepów syntetyzujących enzymy amylolityczne i proteolityczne, testy różnicujące bakterie z rodziny Enterobacteriaceae, selekcja drobnoustrojów opornych na substancję toksyczną.

- Przygotowanie materiału posiewowego – charakterystyka ilościowa i jakościowa (ilość, objętość, aktywność, czystość mikrobiologiczna). Oznaczanie liczy komórek metodą mikroskopową przy użyciu komory Thoma.

- Wpływ warunków fizyko-chemicznych (pH, temperatura, skład pożywki hodowlanej i natlenienia) na rozwój mikroorganizmów. Określenie toksycznego oddziaływania niektórych produktów metabolizmu na drobnoustroje.

- Produkcja kwasów organicznych. Przykładowa fermentacja tlenowa (kwas octowy i cytrynowy) i beztlenowa (kwas mlekowy). Przygotowanie pożywek, zaszczepianie, modyfikacja parametrów hodowli. Kolorymetryczne oznaczanie zawartości kwasu mlekowego i cytrynowego.

- Immobilizacja enzymów. Otrzymywanie mleka pozbawionego laktozy – produkt dla ludzi i zwierząt nie tolerujących laktozy.

- Zastosowanie preparatów enzymatycznych w przetwórstwie owocowym. Oznaczanie klarowności soków jabłkowych. Ocena działania pektynazy. Enzymatyczny peeling owoców cytrusowych.

- Otrzymywanie protoplastów z liści sałaty.

- Oznaczanie mocy antybiotyku metodą mikrobiologiczną (test pasmowy, płytkowo-dyfuzyjny lub z użyciem bakterii wskaźnikowych). Wpływ fitoncydów na mikroorganizmy.

- Biodegradacja i biodeterioracja. Mikrobiologiczny rozkład celulozy, tkanin i skór. Wpływ czynników środowiskowych (wilgotność, temperatura, intensywność światła) na przebieg procesu. Analiza zmian powierzchniowych i strukturalnych.

Podstawowa:

Ratledge C., Kristiansen B.: Podstawy biotechnologii. PWN, Warszawa, 2011.

Stahl U., Donalies U. E. B., Nevoigt E.: Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology - Food Biotechnology, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 2008.

Praca zbiorowa pod red. Bednarskiego W. i Fiedurka J.: Podstawy biotechnologii przemysłowej. WNT, Warszawa, 2007.

Uzupełniająca:

Bednarski W., Reps A. Biotechnologia żywności, WNT, Warszawa 2003.

Mukhopadhyay S. N. Advances process biotechnology. Anshan Ltd., UK, 2006.

Satyanarayana T., Kunze G. Yeast Biotechnology: Diversity and Applications, Springer, USA, 2009.

WIEDZA - absolwent zna i rozumie:

- podstawowe pojęcia biotechnologiczne, zna historię rozwoju biotechnologii i jej osiągnięcia w rolnictwie, gospodarce żywnościowej, medycynie i innych dziedzinach, zna szanse i zagrożenia wynikające z rozwoju biotechnologii, aspekty etyczne i ekologiczne.

- przydatność drobnoustrojów w biotechnologii, wyróżniki wzrostu drobnoustrojów, zna współczynniki wydajności biomasy, kinetykę i modele wzrostu, metody hodowli i typy reakcji w bioreaktorach, objaśnia etapy procesów biosyntezy oraz kontrolę parametrów i układy pomiarowo-regulacyjne.

- metody wydzielania i oczyszczania bioproduktów, wybrane procesy i urządzenia, charakteryzuje bioreaktory, procesy mieszania i napowietrzania, zna metody zabezpieczania sterylności, systemy odmieniające i zasady projektowania bioreaktorów. Charakteryzuje procesy biosyntezy wybranych metabolitów.

UMIEJĘTNOŚCI - absolwent potrafi:

- zaplanować, wykonać i zinterpretować proste doświadczenie z wykorzystaniem mikroorganizmów

- zaprojektować i wykonać eksperymenty z praktycznym wykorzystaniem wolnych oraz immobilizowanych enzymów

- zinterpretować wyniki wykonanych analiz

KOMPETENCJE SPOŁECZNE - absolwent jest gotów do:

- współpracy w ramach małego zespołu

Wykłady: Egzamin pisemny ograniczony czasowo (50%)

Ćwiczenia: test jednokrotnego/wielokrotnego wyboru, zaliczenie grupowego sprawozdania z prac laboratoryjnych (50%)