BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK és labor
Környezetmérnök -MSc
BIM KMsc 2009
A BIOTECHNOLÓGIA a BIOKÉMIA, MIKROBIOLÓGIA és a MÉRNÖKI TUDOMÁNYOK integrált alkalmazása mikroorganizmusok állati és növényi sejtek/szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimeinek) technológiai felhasználása céljából.
EREKY KÁROLY 1919
“Biotechnológia - (EREKY Károly, 1917) minden munka, amellyel alapanyagokból termékeket állítunk elő élő organizmusok segítségével.”
1
informatika
mérnöki tudományok bioengineebioenginee ring
vegyészmérnöki tudományok
biotechnológia
kémia
biológia biokémia
2
20. AND NOAH BEGAN TO BE A HUSBANDMAN, AND HE PLANTED VINEYARD. 21. AND HE DRANK OF VINE, AND WAS DRUNKEN, AND HE WAS UNCOVERED WITHIN HIS TENT (Genesis 9,20-21.)
20. ÉS NOÉ MEGHÁZASODOTT ÉS SZŐLŐT ÜLTETETT, 21. ÉS IVÉK A BORBÓL ÉS LERÉSZEGEDÉK ÉS MEZTELEN VALA SÁTRÁNAK KÖZEPÉN
SÖRFŐZÉS ÉS SÖRÁLDOZAT NIN-HARRA ISTENNŐNEK
Momument Blau Kr.e. 2500 Mezopotámia: URUK, Gilgames Sumérek Babilónia Hammurápi (Kr.e 1727-1686) Egyiptom
3
4
A BIOTECHNOLÓGIA TÖRTÉNETE
A magyar bioiparok kezdeti lépései Év
Hely
1720 1787 1790 1790 1797 1804 1808 1825 1844 1845 1853 1862 1872 1882 1887 1912 1923 1924 1927
Szentgyörgy Pozsony Pest Kisma rton Fiume Ujlak Ercsi Pozsonv Budapest Temesvár Budapest Budapest Rohonc Szombathely F űzfő Budapest Budapest Budapest Tiszavasvári
technológia/termék habzóbor Ecet nyövényolaj termelés bor pincészet (1) cigaretta,szivar,burnót brandy (2) répacukor pezsg ő (3) sörgyár (4) állami dohánymonopólium éleszt ő szalámi (5) konzervgyár szövetkezeti tejüzem keményít ő oltóanyag/vakcina tejsav aceton-butanol alkaloid (morphine) mákgubóból glicerin
1941
Kisperkáta
1946 1951 1953 1965 1969 1971
Budapest penicillin Debrecen neomycin, oxytetracycline, tobramycin Budapest Vitamin B 12 (6) Ács levélfehérje (VEPEX) Sopron enzimes sörfőzés Szabadegyháza kukoricaalapú HFRS, alkohol
(1) 1857: ELSŐ MAGYARORSZÁGI BORVERSENY (2) 1850: nagyobb szeszüzemek száma: 5671 ( 17 hl –nél több napi) (3) 1898: 17 pezsgő üzem (4) 1851: 773 sörgyár (5) 1890: 13 szalámi üzem (6) 1950 -es évek: 20% -a a Vitamin B12 világtermelésének
5
A BIOTECHNOLÓGIA KORSZAKAI ŐSI KORSZAK NEM TUDATOS BIOTECHNOLÓGIA
NEM STERIL KORSZAK Aceton, butanol, glicerin,citromsav
STERIL KORSZAK
PRE-ANTIBIOTIKUM ÉRA
ANTIBIOTIKUM ÉRA
ANTIBIOTIKUMOK UTÁNI KORSZAK MODERN BIOTECHNOLÓGIA
Folytatódnak!!!!!!!
TERMÉK
ALAPAN YAG
alkoholos italok szőlő
FERMENTÁLT ÉLELMISZERIPARI TERMÉKEK-1
MIKROORGAN IZMUS
Saccharomyces cerevisiae alma,...(gyümölcsök) maláta burgonya,ganonafélék
nem alkoholos élelmiszerek ecet, bor, maláta,etanol ecet savanyúkáposzta
fejeskáposzta
olivabogyó savanyú kovász
oliva rozs és búzaliszt
sütőipari termékek élvezeti termékek kakaó
......liszt kakaóbab
kávé
kávébab
tea, dohány szójaszósz
rizs,liszt,szója
Acetobacter aceti, A.pasteurianum, A.hansenii Gluconobacter oxydans Leuconostoc mesenteroides Lactobacillus plantarum Lactobacillus brevis Pediococcus, Lactobacillus Lactobacillus sanfranzisko Lactobacillus brevis, L.plantarum L.fructivorans, L.fermentum Torulopsis holmii, S.cerevisiae Pichia saitoi, Candida crusei Saccharomyces cerevisiae
élesztők, tejsavas baktériumok, ecetsavas baktériumok, bacillusok Enterobacter, tejsavbaktériumok, élesztők (endogén enzimek) Pediococcus sp. Aspergillus orizae, Lactobacillus, Torulopsis sp. Zygosaccharomyces rouxii,
6
FERMENTÁLT ÉLELMISZERIPARI TERMÉKEK-2
tejtermékek tejföl
tej
joghurt
tej
kefír
tej
"lágy sajtok"
tej
"kemény sajtok"
tej
húsáruk kolbászfélék
hús
Lactobacillus spp, Staphylococcus spp, Micrococcus varians disznóhús Vibrio costicola, Staphylococcus spp
sonkafélék
termék
BIOTECH TERMÉKEK AZ ÉLELMISZERIPARBAN-1
Streptococcus lactis ssp cremoris, Str.lactis ssp diacetylactis, Leuconostoc mesenteroides ssp cremoris Streptococcus salivarius ssp thermophilus Lactobacillus delbrueckii ssp bulgaricus Candida kefir, Lactobacillus kefir, Lactobacillus acidophilus,Streptococcus lactis Penicillium caseicolum, P.camemberti, Penicillium roquefortii Streptococcus salivarius ssp thermophilus Lactobacillus helveticus Propionibacterium freudenreichii
felhasználás
termel ő mikroorganizmus (forrás)
gyümölcssavak citromsav E330-333 italok, dzsemek,szörpök tejtermékek itakonsav margarin glükonsav süt őpor,kolbász fémtisztítás fumársav desszert,tejtermékek húskészítmények almasav italok, dzsemek, zselék, E350-352 cukorkák, olajok, kenyérkész.
Aspergillus niger Candida lipolytica Aspergillus terreus Aspergillus niger Penicillium chrysogenum Rhizopus, Mucor
Aspergillus niger, Pen. brevicompactum éleszt ők E335-337 italok, desszertek,zselék bork ősav Penicillium notatum Aspergillus griseus borostyák ősav ízesít ő, K-,Ca-,Mg-sók mint NaCl helyettesít ők Rhizopus,Mucor,Fusarium tejsav gyümölcslé, majonéz,desszertek, Lactobacillus süt őipar, tejtermékek és húsdelbrueckii készítmények aminosavak Glu
izer ősítő, ízesítő
E620
Lys Trp
étel-kiegészítés antioxidáns
vitaminok kobalamin (B12 ) riboflavin (B2 ) E101
élelm. kiegészítés "
β-karotin aszkorbinsav
E300
" "
izesít ő anyagok inozinsav (IMP) E630 ízkiemel ő, levesporok, konzervek...
Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Propionibacterium shermanii Ashbya gossipii Eremothecium ashbii Blakeslea trispora biotranszformáció (pl.Gluconobacter)
Brevibacterium ammoniagenes Corynebacterium glutamicum
7
gélesítő anyagok alginát
E400
BIOTECH xantán E415 TERMÉKEK AZ pektin E440 ÉLELMISZERIenzimek glükóz izomeráz PARBAN-2 β -glukanáz β -glükozidáz β -galaktozidáz fragilis α-amiláz glükoamiláz pektináz kataláz glükózoxidáz rennin proteázok
lipázok antocianáz lyzozim
fagylalt,puding,habok italok,ömlesztett sajt, krémsajt, pudding,dresszingek, emulzióstabilizálás jamok,fagylalt, sajt,majonéz
alma,citrusfélék
fruktóz szirup, izocukor lészűrés " tejcukor eltávolítás
Arthrobacter sp, B.coagulans B.circulans, A.niger... Trichoderma harzianum A..oryzae, Kluyveromyces
keményítőbontás
B.licheniformis, A.niger A.niger, Rhizopus oryzae A.niger, A. oryzae, Penicillium simplicissimum Micrococcus lysodeicticus
" gyümölcslé szűrés, borklarifikálás H2O2 felesleg eltávolítás pl. tejből O2 eltávolítás konzervekből tejalvasztás sajtgyártás tésztagyártás, italgyártás, sajtgyártás, húskészítmények szójakészítmények
A.niger borjúgyomor, Bacillus spp. Bacillus cereus, B.subtilis, B.licheniformis, A.orizae
sajtízesítés, fehérjék zsírmentesí- Candida lipolytica, tése, zsírsavak, zsírok és olajok Aspergillus niger észterezése Mucor javanicus borok színtelenítése növényi eredetű késői sajtfelfúvódás tojás megakadályozása
α-amiláz
Nagy mennyiségben termelt mikrobiális enzimek
Acetobacter vinelandii Pseudomonas aeruginosa Xantomonas campestris
pektinészteráz savas proteináz
Bacillus amyloliquefaciens, Thermobacterium sp. B. polymyxa Aspergillus niger Trichoderma reesei Streptomyces oligochromogenes B. coagulans A.niger A. niger A. niger Candida cylindraceae Geotrychum candidum Rhizopus arrhizus, Mucor sp. A.orizae A. saitoi
alkalikus proteináz neutrális proteiáz pullulanáz poligalakturonáz penicillin aciláz
A.orizae B.amyloliquefaciens Bacillus stearothermophylus Aerobacter aerogenes A. niger E. coli
β -amiláz amyloglükozidáz cellulázok glükóz-izomeráz glükóz-oxidáz α-D-glükozidáz lipázok
8
ENZIMEK A VILÁGPIACON (Cellulázok nélkül)
ALKALIKUS PROTEÁZOK
25%
EGYÉB PROTEÁZOK
20
RENNIN
10
TRIPSZIN
3
58%
AMILÁZOK
18
GLÜKÓZ IZOMERÁZ
6
PEKTINÁZOK
3
LAKTÁZ
1
LIPÁZOK
3
Gyógyszer és analitika
10
Mikroba termék aminosavak és a termelő mikroorganizmusok D,L-alanin L-arginin L-citrullin L-glutaminsav L-hisztidin L-izoleucin L-leucin L-lizin L-metionin L-ornitin L-fenilalanin L-prolin L-treonin L-triptofán L-tyrozin L-valin L-szerin
Brevibacterium flavum Brevibacterium flavum Bacillus subtilis Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Microbacterium ammoniaphilum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium hydrocarboclastus
9
Mikroba termelte nemfehérje polimerek és termelő mikrobák alginát cellulóz curdlan dextrán foszfomannán poli- β -hidroxibutirát szkleroglukán xantán
Azotobacter vinelandii Acetobacter sp. Agrobacterium sp. Leuconostoc mesenteroides Hansenula capsulata Alcaligenes eutrophus Sclerotium glucanicum Xantomonas campestris
Mikrobák termelte szerves savak és a termelő mikrobák ecetsav D-arabino-aszkorbinsav citromsav eritorbinsav fumársav glükonsav itakonsav 2-keto-glükonsav α-keto-glutársav 2-keto-L-gulonsav tejsav L-almasav
Illatanyagok
Acetobacter aceti Penicillium notatum Aspergillus niger Penicillium cyaneofulvum Rhizopus delemar Aspergillus niger Aspergillus terreus Serratia marcescens Candida hydrocarbofumarica Gluconobacter melanogenus Lactobacillus lactis,… Brevibacterium ammoniagenes
(scents,fragrance)
ánizsaldehid benzaldehid benzil-alkohol citronellol γ -dekalakton diacetil
ánizs mandula gyümölcs rózsa barack vaj
p-metil-benzil-alkohol Me-p-metoxi-fenilacetát Me-fenilacetát 6-pentil-α-piron tetrametil-pirazinok
jácint,gardenia ánizs méz kókusz dió
Trametes sauvolens Trametes sauvolens Phellinus igniarius Ceratocystis varispora Sporobolomyces odorus Streptococcus diacetylactus Mycoacia uda Trametes ordorata Trametes ordorata Trichoderma viride Corynebacterium glutamicum
Egyéb, vegyes mikroba-termelte vegyületek antipain proteáz-inhibitor karotenoidok pigmentek,provitaminok emulzán emulgeálószer Giberellinek herbicidin indigo inosin lizergsav B12
növényi hormonok herbicid pigment izfokozó(ételizesitő) ergotalkaloid származékok vitamin
sikonin
gyógyszer,színezék
Streptomyces sp. Dunaliella bardawil(alga) Acinetobacter calcoaceticus Giberella fujikuroi Streptomyces saganonensis Escherichia coli Bacillus subtilis Clariceps paspali Propionibacterium shermanii Lithospermium sp.
10
Antibiotikumok Antibiotikum
Bacitracin CefalosporinC Klórtetraciklin Griseofulvin Gentamicinek Streptomicin Nistatin Oleandomicin PenicillinG Tirocidin Vankomicin
Típus
Termelõ törzs
polipeptid polipeptid spirociklohexén aminoglikozid aminoglikozid tetraén makrolid laktám ciklikus polipeptid glikopeptid
Bacillus licheniformis Cephalosporium acremonium Streptomyces aureofaciens Penicillium griseofulvum Micromonospora purpurea Streptomyces griseus Streptomyces aureus Streptomyces antibioticus Penicillium chrysogenum Bacillus brevis Streptomyces orientalis
rDNS termékek TERMÉK FELHASZNÁLÁS Humán inzulin cukorbaj Humán interferonok ( α-,β-,χ-IFN) antivírus/antitumor terápia HGH (emberi növekedési hormon) törpenövekedés Hepatitisz B vírusprotein vakcina elôállítás Urokináz trombolitikus hatás L-fenil-alanin az aszpartám édesítôszer elôanyaga keményítôhidrolizálás (maltózszirup) α-amiláz Állati növekedési hormonok tej/hústermelés fokozása Száj-és körömfájás vírusprotein állatgyógyászati vakcina E.coli K-88 és K-99 protein vakcina a borjú és malacneveléshez (toxikus hasmenés) L-triptofán takarmánykiegészítô L-treonin takarmánykiegészítô Véralvadás VIII és IX faktora hemofilia Eritropoietin (EPO) anémia, krónikus vese elégtelenség esetén Humán szérumalbumin vérkiegészítô anyag Humán gonadotrop anyagok (hCG,HMG) terméketlenség A herpesz, a malária és az influenza fehérjeantigénjei vakcina Immunglobulinok monoklonális antitestek Limfokinek, elsôsorba interleukin-2 az immunrendszer serkentése (baktérium /vírusfertôzések,antitumor-terápia Szöveti Plasminogen Aktivator (TPA) trombolitikus hatás Tumor Nekrosis Faktor (TNF) Borjúoltó (rennin)
antitumor-terápia sajtgyártás
11
Ma: ~5%
Bioeljárások részaránya a kémiai iparokban Előrejelzés 2010 -re (12%) % 60 10-15 10-15 50 10
Finomkémiai iparok Polimerek Tömegtermékek `bulk` Specialitások Műanyag adalékok 2020: 2020 18% 2030: 2030 25%
SEJTTÖMEG TERMELÉS pékélesztő, SCP SEJTKOMPONENSEK ELŐÁLLÍTÁSA
- intracelluláris
enzimek, nukleinsavak, poliszaharidok,rDNS termékek,…
A modern fermentációs ipar céljai-lehetőségei
METABOLIT TERMELÉS PRIMER: etanol, tejsav,….. SZEKUNDER:antibiotikumok
glükóz
EGYSZERŰ SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ : → fruktóz
penicillin →
6-NH2-penicillánsav
MULTI-SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ
: biológiai szennyviztisztitás
12
FERMENTÁCIÓS FOLYAMAT
(BIOSZINTÉZIS)
SZAPORODÓ Σ TERMÉKEK SEJTEK
Σ TÁPANYAGOK
BIOTRANSZFORMÁCIÓ / BIOKONVERZIÓ SEJT SEJTALKOTÓRÉSZ
A ANYAG
B
ANYAG
ENZIM
De novo FERMENTÁCIÓK Σ Si + X
Σ Pj
(X+ ∆X)
+
mikroorganizmus növényi sejttenyészet állati szövettenyészet
BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁSOK BIOTRANSZFORMÁCIÓK S
+ X sejt(alkotórész)
S +
E enzim
P
+
P +
X E
13
HOL HASZNÁLJUNK BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁST? ≅ KOMPLEX MOLEKULÁK FELÉPÍTÉSEKOR, AMIKORIS NINCS MÁS ALTERNATÍVA: ANTIBIOTIKUMOK, FEHÉRJÉK, MONOKLONÁLIS ANTITESTEK ELŐÁLLÍTÁSA # IZO MEREK EGYIKÉNEK EXKLUZÍV ELŐ ÁLLÍTÁSAKO R
(pl.D, L…..)
# AMIKO R A TENYÉSZET KÉPES TÖ BB(SO K) KO NSZEKUTÍV REAKC IÓ
VÉGREHAJTÁSÁRA
# AMIKO R A SEJTEK(ENZIMEK) NAGYO BB HO ZAMMAL ALAKÍTANAK
ÁT.
BIO -ELJÁRÁSO K ELŐ NYEI A KO NVENC INÁLIS KÉMIAI MÓ DSZEREKKEL SZEMBEN
RENYHE REAKCIÓ KÖ RÜLMÉNYEK (pH, nyomás, hőmé rsé kle t…) RMEGÚJULÓ ALAPANYAGO K FELHASZNÁLHATÓ SÁGA (mind a C-váz mind az e ne rgia forrás te kinte té be n) : C UKO R← KEMÉNYÍTŐ , CUKO R← CELLULÓ Z RO LCSÓ BB ÉS NAGY MENNYISÉGBEN HO ZZÁFÉRHETŐ ALAPANYAGO K (cukrok, ásványi sók)
RKEVÉSBÉ VESZÉLYES REAKCIÓ KÖ RÜLMÉNYEK ÉS KISEBB KÖ RNYEZETI ÁRTALO M
RA BIO KATALIZÁTO R (SEJT, ENZIM) NAGYO BB SPEC IFIKUSSÁGA (szubsztrát-, csoport-,ré gio-, sz te re o-specifikusság)
& KEVÉSBÉ KOMPLEX KÉSZÜLÉKEK: KISEBB BERUHÁZÁSI KÖLTSÉG. RNAGYOBB HOZAM, RENDSZERINT KISEBB ENERGIA IGÉNY RrDNS TECHNO LÓ GIÁK BELÁTHATATLAN LEHETŐ SÉGEI (IDEGEN FEHÉRJÉK, BIO KATALIZÁTO R TERVEZÉS…)
14
A BIO-ELJÁRÁSOK LEHETSÉGES HÁTRÁNYAI KOMPLEX TERMÉKEK BONYOLULT ÉS DRÁGA
KINYERÉSE
ÉS
TISZTÍTÁSA
HÍG OLDATOKAT KELL FELDOLGOZNI NAGYMENNYISÉGŰ ÉS NAGY BOD TARTALMÚ SZENNYVÍZ KELETKEZIK(amely azonban általában könnyen tisztítható) FERTŐZŐDÉS VESZÉLY IDEGEN MIKROORGANIZMUSOK vagy VÍRUSOK ÁLTAL és FERTŐZÉS VESZÉLY SZIGORÚ ELŐÍRÁSOK, HOGY A KÖRNYEZET NE FERTŐZŐDHESSÉK, KÜLÖNÖSEN SZIGORÚ FELTÉTELEK rDNS TECHNOLÓGIÁKNÁL KÉT OLDALI VÁLTOZÉKONYSÁG: ALAPANYAGOK MINŐSÉGE ÉS MIKROBÁK TÁRSADALMI IDEGENKEDÉS, ELUTASÍTÁS
B I O T Á R S A D A L O M Vörös biotech
egészségügyi felhasználású termékek
Fehér biotech
ipari felhasználású termékek
Zöld biotech mezőgazdasági, élelmiszer és környezeti felhasználású biotechológia
IPAR VEGYIPAR
ENERGIA
EGÉSZSÉG ÚJ GYÓGYSZEREK GÉNTERÁPIA DIAGNOSZTIKA ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY
BIO-
BIOETANOL METÁN BIOGÁZ
ALAPANYAG ENERGIA TECHNOLÓGIA
ÉLELMISZERIPAR
KÖRNYEZET KÖRNYEZETVÉDELEM
MEZ ÕGAZDASÁG REZISZTENS NÖVÉNYEK TRANSZGÉNIKUS ÁLLATOK
15
