Biopreparaty w ochronie srodowiska wykłady.doc

WYKŁAD 1 à wszelkie uwagi proszę kierować do autora- PaulinyJ

Podział biotechnologii:

- biotechnologia w ochronie zdrowia- „czerwona”;

-biotechnologia w rolnictwie- „zielona”;

-biotechnologia przemysłowa- „biała”;

Przetwarzanie i produkcja chemikaliów, materiałów i paliw.

              Wykorzystywane są w niej enzymy i mikroorganizmy do wykonania produktów w produkcjach, takich jak: przemysł spożywczy,  farmaceutyczny, paszowy, włókienniczy, energetyczny w ochronie środowiska.

Korzyści ekologiczne:             

-nie powoduje wzrostu efektu cieplarnianego;

-wykorzystuje odnawialne surowce roślinne;

-wytwarza produkty biodegradowalne;

-zmniejsza ilość odpadów chemicznych i zużycie toksycznych chemikaliów.

Główne kierunki badań w biotechnologii przemysłowej:

-nowe enzymy i mikroorganizmy;

-genomika mikroorganizmów i bioinformatyka;

-inżynieria i modelowanie szlaków metabolicznych;

-funkcje i optymalizacja biokatalizatorów;

-projektowanie procesów wykorzystujących biokatalizatory;

-inżynieria bioprocesowa;

-izolacja i oczyszczanie bioproduktów.

Kierunki rozwoju biotechnologii przemysłowej w Polsce:

- biopaliwa;

-bioetanol;

-biodiesel;

-biokatalizatory- proces biokatalizy;

-biomateriały, biopolimery;

-biofarmaceutyki;

-bioprocesy w ochronie środowiska.

(olejà hydrolizujemyà kwasy tłuszczoweà etanol)

Główne kierunki badań w biotechnologii przemysłowej:

-nowe enzymy i mikroorganizmy;

-genomika mikroorganizmów i bioinformatyka;

-inżynieria i modelowanie szlaków metabolicznych;

-funkcje i optymalizacja biokatalizatorów;

-projektowanie procesów wykorzystujących biokatalizatory;

-inżynieria bioprocesowa;

-izolacja i oczyszczanie bioproduktów.

Ogólny zakres zastosowań enzymów (mikroorganizmów):

I.                    Produkcja żywności

·         przemysł spożywczy

   1) tradycyjne procesy fermentacyjne (pieczywo, mleko, napoje alkoholowe)

   2) aminokwasy, witaminy, kwasy organiczne

   3) białko jednokomórkowców

·         rolnictwo

   1) produkcja pasz (preparaty białkowe, witaminowe, aminokwasy)

   2) ochrona roślin, antybiotyki, pestycydy

II.                 Ochrona zdrowia- antybiotyki, witaminy, polisacharydy, hormony, enzymy

III.              Przemysł chemiczny

    1)Surowce: kwasy, alkohole, polimery

    2)obróbka surowca naturalnego (skóry, wełna, bawełna)

IV.              Ochrona środowiska

    1)oczyszczanie ścieków

    2)bioutylizacja odpadów.

Mikroorganizmy wykorzystane do produkcji enzymów na skalę przemysłową:

α-amylaza- Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus amylolignefaciens, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae.

Celulaza- Aspergillus niger,Trichoderma viride, Cellulomonas, Chaetorium, Fusarium

Glukoamylaza- Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus awamovi

Prokazy- Bakterie rodzaju Bacillus, Grzyby: Mucor, Aspergillus, Penicillium

Lipazy- Grzyby rodzaju Aspergillus, Mucor, Candida; Bakterie: Pseudomonas

Pektynazy: Aspergillus Niger, Aspergillus wenti.

Degradacja węglowodorów przez mikroorganizmy:

-drożdże: rodzaju Candida;

-bakterie: Arthrobacter, Brevibacterium, Pseudomonas.

Firma “Novo”- Novdisk

Preparaty do wytwarzania:             

Protolityczne: Alcalase, Esferase, Savlrase, Everlase

Lipolityczne: Lipolase, Lipolase ultra, Lipoprime

Amylolityczne: Termamyl, BAN, Duramyl. 

Preparaty dla przemysłu spożywczego:

-w przemyśle skrobiowym:             

              Upłynniająceà Termamyl, BAN;

              Scukrzające    à Dekstrazyne, Promozyne;

              Hydrolizujące białkoà Alcalase, Protamex, Neutrase;

              Degradujące polisacharydyà

              Pektynolityczneà Ultrazym, Vinozym, Pectinex;

              Hydrolizujące laktazy i białko mlekaà Lactozym, Alcalase, Pancreatic, Tripsim, Novo (PTN).

Wykaz enzymów przemysłowych z mikroorganizmów modyfikowanych:

α-amylaza- Bacillus subtilis;             

β-glukanaza- Bacillus amylolignefaciens, Trichoderma;

Izomeraza glukozowaà oksydaza glukozowaà hemiceluloza, Lipaza, Proteaza, Ksylanaza, Pullulanaza.

Enzymy proteolityczne stanowią połowę zastosowań wszystkich enzymów.

Podział enzymów amylolitycznych:

1)     W zależności od wiązania, które hydrolizują:

Ø      Hydrolizujące wiązania α-1-4- glikozydowe:

- β-amylazy;

- α-amylazy;

-egzo- α-amylazy.

Ø      Hydrolizujące wiązania β-1-6- glikozydowe:

-izoamylazy;

-pulullanazy.

Ø      Hydrolizujące wiązanie α-1-4- β-1-6:

-glukoamylazy- γ-amylaza;

-niektóre pulullanazy.

2)     Od miejsca ataku cząsteczki skrobii:

Endoamylazy- α-amylaza, amylazy znoszące rozgałęzienia;

Egzoamylazy- glukoamylazy, β-amylazy, egzo- α-amylazy.

3)     W zależności od zachodzących procesów:

Upłynniające (działające w środku)- α-amylaza, izoamylazy, pulullanazy;

Scukrzające- β-amylazy, glukoamylazy.

4)     W zalężności od źródła pochodzenia:

-zwierzęce, roślinne, grzybowe, bakteryjne.

5)     W zależności od formy anomerycznej produktu:

α àα-amylazy, enzymy znoszące rozgałęzienia, egzo-α-amylazy.

Βà β- amylaza, glukoamylazy (powstaje β-D- glukoza, β-D-maltoza)

Preparaty amylolityczne dające się przekształcić do hydrolizy skrobi w zbożach:

-Amylogal CS, Amylopol P, Glukoamylaza, Termamyl, SAN 150 (grzyby), Fungamyl, LW CLPR.

WYKŁAD 2à wszelkie uwagi proszę kierować do autora- KamiliJ

Niektóre potencjalne, rolno- przemysłowe odpady celulozowe

                                                          Odpady

Płody rolne                Słoma ryżowa, jęczmienna, łodygi kukurydzy, łupinki                                                              bananów, orzeszków kokosowych, nasiona bawełny, otręby  zbożowe,

Rolno-przemysłowe

Przemysł ryżowy                          otręby ryżowe, łuski ryżowe

Przemysł cukierniczy                    melas, wysłodki, bogassa

Przemiał oczyszczania bawełny    łuski nasienne, bawełny, odpady z oczyszczania bawełny,  

                                                       Lintery

Przemysł jutowy                             bawełny, odpady z przemian juty, byczki i jutowe

Przemysł tartaczny                         trociny, wióry ( 8-10%), kora 3-4%

Przemysł orzechów kokosowych    łuski orzechów, skorupy i odpadowa część owocu

Ilość odpadów stałych w USA

Rodzaj odpadu:                                          Ilość *106 (ton/rok)

Odpady rolnicze i żywnościowe                 400

Obornik                                                       200

Odpadki miejskie                                        150

Odpady leśne i inne drzewne                      60

Odpady przemysłowe                                  45

Części stałe ścieków miejskich                     15

Różne odpady organiczne                            70

                                                               Suma 940

Celuloza, fragment łańcucha celulozy

Wiązania wodorowe

Siły Van der Waalsa

Celubioza – 2 cząsteczki glukozy połączone wiązaniem β1,4

Mikrofibryla, makrofibryla, fibryla elementowa ( 100 łańcuchów, 3μm)

Lignina – trudno ulega degradacji

Metody wstępnej obróbki

1)     Fizyczne- mielenie

2)     Fizyko-chemiczne- parowo- eksplozyjne (180-205°C, ciśnienie 4 MPa, gwałtowne rozprężenie)

3)     Chemiczne- roztwory kwasów mineralnych ( H2 SO4,  HCl ) ługów, alkoholi H2O2 i inne

4)     Biologiczne ( drobnoustroje)

Zabiegi rozluźnienia, usunięcia lignin i hemiceluloz

Kwasy mineralne

+  roztwór SO2                       Namaczanie               biomasa

Para wodna 170-220°C         Parowanie

Para wodna                        detoksykacja            furfural, kwas azotowy    

                            Hydroliza celulozy i hemiceluloz    

         Hydrolizat sacharydów          Stała pozostałość

Warstwowe ułożenie łańcuchów polisacharydowych

Występują 2 rejony (ładnie ułożone) i amorficzne (pogniecione). przez przestrzenie amorficzne łatwiej się dostać enzymowi.

Endoglukonaza – tnie wewnątrz cząsteczki celulozy

Egzoglukonaza, celobioza

Celobiohydrolaza – odczepia celobiozy

Niektóre mikroorganizmy o uzdolnieniach celulolitycznych

Niektóre  preparaty celulolityczne i ich uzdolnienia w degradacji celulozy

Melcelase CEP – 290 ( jap) Treesel Rut C-30, Econanase CE 25 (fiński) Celleclast 1,5 L     (duński) Cellulose CP (angielskie) Treesei K 177

Preparaty celulolityczne handlowe:

Nagase ( Japonia)

Rapiolase (Francja)

Sevva ( Niemcy)

Sigma ( USA)

Na piankach poliuretonowych  hoduje się drobnoustroje.

Preparaty celulolityczne ( np. w proszkach) jest stabilny do temp. ok. 50°C

Jedynie celuloza bakteryjna ( najwięcej celulozy α) jest czysta, pozbawiona hemiceluloz. 

Hemiceluloza

Reszty ksylopiranazy, rozgałęzienia kwas 4-o-meltylkoglukonazy, rozgałęzienia w drzewach

Degradacja hemicelulozy (ksylon) należy użyć:

1)     – β- ksylozy doza-degraduje ksyloligosacharydy do ksylazy

2)     –α- L arabinozofuranozydaza- odczepia arabinozę

3)     α- glukuronidaza-odczepia kwas 4-o-metyloglukuranowy

4)     Acetyloesteraza- odczepia grupy acetylowe

WYKŁAD 3à wszelkie uwagi proszę kierować do autora- JustynyJ

Hemicelulozy c.d.

Protopektyna przechodzi w pektynę podczas gotowania, tzn. owoce i warzywa po gotowaniu stają się miękkie.

Pektyna

Enzym poligalakzonaza rozkłada kwas galakturonowy.

...