Elektyw 1: Podstawy biotechnologii przemysłowej

Zadaniem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zagadnieniami metabolizmu mikroorganizmów oraz różnymi hodowlami w aspekcie ich przemysłowego wykorzystania w procesach biotechnologicznych. Szczególna uwaga skierowana będzie na modelowe opisy bioprocesów, bioreaktorów oraz użytecznych rozwiązań technologicznych do produkcji wybranych bioproduktów. Przedmiotem zajęć będzie również charakterystyka technologiczna wybranych szczepów przemysłowych, ich doskonalenie i opisy kinetyczne procesów z udziałem drobnoustrojów.

Treść kształcenia

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).

Selekcja i różnicowanie szczepów syntetyzujących enzymy amylolityczne i proteolityczne, testy różnicujące bakterie z rodziny Enterobacteriaceae, selekcja drobnoustrojów opornych na substancję toksyczną (met. płytek gradientowych)

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 (etanol, kwas mlekowy, kwas cytrynowy) 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. Zakładanie hodowli tkankowej kwiatu kalafiora i liścia topoli.

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.

Literatura podstawowa

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

2. Chmiel A. Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne. PWN, Warszawa 1991.

3. Libudzisz Z., Kowal K. Mikrobiologia techniczna (tom I i II). PWN, Warszawa, 2007.

4. Malepszy S. Wprowadzenie do biotechnologii w genetyce i hodowli roślin. SGGW, Warszawa, 1990.

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

6. Tuszyński T., Tarko T. Procesy fermentacyjne – przewodnik do ćwiczeń. Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego, Kraków 2010

7. Praca zbiorowa pod red. Ratledge C., Kristiansen B.: Podstawy biotechnologii, PWN W-wa 2011

8. Praca zbiorowa pod red. M. Jankiewicza i Z. Kędziora. Metody pomiarów i kontroli jakości w przemyśle spożywczym. AR Poznań 2001.

Literatura uzupełniajaca:

1. Bulock J., Kristiansen B. Basic biotechnology. Academic Press, UK, 1997.

2. Mittal G. S. Food biotechnology. Techniques and Applicationss. Technomic Publishing Company Inc., USA, 1992.

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

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

5. Singleton P. Bakterie w biologii, biotechnologii i medycynie. PWN, Warszawa, 2000.

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

Wiedza

Definiuje 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.

Charakteryzuje 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.

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

Umiejętności

Potrafi praktycznie wykorzystać czyste kultury mikroorganizmów do prowadzenia procesów fermentacji, biosyntezy i biokonwersji.

Projektuje i wykonuje eksperymenty z praktycznym wykorzystaniem wolnych oraz immobilizowanych enzymów.

Wykonuje proste hodowle tkankowe i interpretuje wyniki i formułuje wnioski.

Kompetencje społeczne

Potrafi pracować indywidualnie i w grupie.

Ma świadomość ryzyka i społecznej odpowiedzialności związanej ze stosowaniem technik współczesnej bioinżynierii i biotechnologii.

Na ocenę 2

Nie definiuje podstawowych pojęć, nie zna historii rozwoju biotechnologii i jej osiągnięć w różnych dziedzinach, nie rozpoznaje zagrożeń i szans rozwoju biotechnologii oraz aspektów etycznych i ekologicznych.

Nie umie scharakteryzować przydatności drobnoustrojów w biotechnologii, nie zna wyróżników wzrostu drobnoustrojów, współczynników wydajności procesów, kinetyki i modelów wzrostu, metod hodowli i typów reakcji w bioreaktorach, nie zna etapów procesu w bioreaktorach.

Nie zna metod wydzielania i oczyszczania bioproduktów, wybranych procesów i urządzeń, nie potrafi opisać i szkicować bioreaktorów, procesów mieszania, odmieniania oraz zabezpieczenia sterylności.

Nie potrafi zaplanować, przeprowadzić i zinterpretować prostego doświadczenia z wykorzystaniem mikroorganizmów

Nie potrafi zaprojektować i wykonać eksperymentu z praktycznym wykorzystaniem wolnych oraz immobilizowanych enzymów.

Nie wykazuje się umiejętnością założenia hodowli tkankowej.

Nie potrafi pracować samodzielnie, wymaga stałego nadzoru.

Nie potrafi współpracować w grupie.

Nie ma świadomości ryzyka i społecznej odpowiedzialności związanej ze stosowaniem technik współczesnej bioinżynierii i biotechnologii.

Na ocenę 3

Definiuje podstawowe pojęcia biotechnologiczne, omawia historię rozwoju biotechnologii i jej osiągnięcia, rozpoznaje szanse i zagrożenia rozwoju biotechnologii, aspekty etyczne i ekologiczne.

Charakteryzuje przydatność szczepów biotechnologicznych, wyróżniki i współczynniki wzrostu drobnoustrojów, rozpoznaje modele wzrostu i kinetykę procesów, zna metody hodowli i typy reakcji w bioreaktorach oraz etapy procesów biosyntezy układy kontrolno-pomiarowe.

Zna ogólne zasady wydzielania i oczyszczania bioproduktów, wybrane procesy omawia bioreaktory, procesy mieszania, napowietrzania i odmieniania oraz zabezpieczania sterylności i projektowania technologicznego.

Potrafi zaplanować, przeprowadzić zinterpretować proste doświadczenie z wykorzystaniem mikroorganizmów pod kontrolą prowadzącego.

Potrafi zaprojektować i wykonać eksperyment z praktycznym wykorzystaniem wolnych oraz immobilizowanych enzymów pod kontrolą prowadzącego.

Potrafi założyć hodowlę tkankową pod kontrolą prowadzącego.

Nie potrafi pracować samodzielnie, wymaga stałego nadzoru.

Potrafi pracować w grupie pod kierunkiem silnego lidera, który go poprowadzi i skontroluje.

Jest świadomy, że uzyskana wiedza i umiejętności z czasem tracą na aktualności, jednak nie wykazuje inicjatywy by to zmienić.

Na ocenę 4

Omawia pojęcia biotechnologiczne i historię rozwoju w różnych dziedzinach biotechnologii białej, czerwonej, zielonej i niebieskiej, objaśnia szanse rozwoju i zagrożenia oraz aspekty etyczne i ekologiczne.

Charakteryzuje szczepy przemysłowe, ich przydatność do procesów, cechy użytkowe, zna wyróżniki wzrostu drobnoustrojów, współczynniki wydajności, dyskutuje kinetykę procesów modele wzrostu, opisuje metody hodowli i reakcje w bioreaktorze, zna i tłumaczy etapy procesów oraz układy kontrolno-pomiarowe.

Omawia dokładnie procesy w bioreaktorach, wydzielanie i oczyszczanie bioproduktów, zna modele bioreaktorów, omawia schematy, procesy mieszania, napowietrzania i odmieniania wraz z umiejętnością szkicowania, dyskutuje o układach zabezpieczających i projektowaniu.

Potrafi samodzielnie zaplanować i przeprowadzić proste doświadczenie związane z wykorzystaniem mikroorganizmów. W interpretacji wyników wymaga pomocy prowadzącego.

Potrafi samodzielnie zaprojektować i wykonać eksperyment z praktycznym wykorzystaniem wolnych oraz immobilizowanych enzymów. W interpretacji wyników wymaga pomocy prowadzącego.

Potrafi samodzielnie założyć hodowlę tkankową. W interpretacji wyników wymaga pomocy prowadzącego.

Potrafi pracować indywidualnie, wymagając co najwyżej nieznacznej pomocy.

Potrafi pracować w grupie przyjmując w niej różne role.

Jest świadomy, że uzyskana wiedza i umiejętności z czasem tracą na aktualności, stara się dokształcać, wykazuje inicjatywę.

Na ocenę 5

Omawia i objaśnia różne pojęcia biotechnologiczne opisuje szczegółowo historię rozwoju biotechnologii oraz jej osiągnięcia w różnych obszarach, objaśnia i dyskutuje szanse rozwoju i zagrożenia oraz aspekty etyczne i ekologiczne.

Szczegółowo charakteryzuje szczepy przemysłowe i ich cechy użytkowe, opisuje matematyczne modele kinetyczne i modele wzrostu oraz metody hodowli i reakcje w bioreaktorach, umie dyskutować o procesach biotechnologicznych i układach pomiarowych.

Omawia szczegółowo i szkicuje bioreaktory, zna procesy wydzielania i oczyszczania bioproduktów oraz modele i układy technologiczne, rysuje schematy, systemy napowietrzające, odmieniające i układy zabezpieczające sterylność, zna technologiczne wytyczne do projektowania bioreaktorów.

Potrafi samodzielnie zaplanować, przeprowadzić i zinterpretować doświadczenie związane z wykorzystaniem mikroorganizmów

Potrafi samodzielnie zaprojektować, wykonać i zinterpretować eksperyment z praktycznym wykorzystaniem wolnych oraz immobilizowanych enzymów.

Potrafi samodzielnie założyć hodowlę tkankową oraz zinterpretować uzyskane wyniki.

Potrafi pracować w grupie przyjmując w niej różne role. Potrafi planować i koordynować działaniami małej grupy, przyjmuje odpowiedzialność za swoje działania.

Potrafi pracować całkowicie indywidualnie, nie wymaga nadzoru, pomocy, naprowadzania. Samodzielnie planuje prace, wykonuje zadania i interpretuje wyniki.

Zdaje sobie sprawę z dezaktualizowania się uzyskanych umiejętności i wiedzy i ciągłej potrzeby doskonalenia. Wykazuje inicjatywę w kierunku dokształcania i doskonalenia zawodowego.