ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Ορισμός Βιοτεχνολογίας: Κατά Karl Ereky: “Η παραγωγή χρήσιμων προϊόντων από ακατέργαστα υλικά με τη συμμετοχή των ζωντανών οργανισμών”. Ζωντανοί οργανισμοί Ακατέργαστα υλικά Χρήσιμα προϊόντα Πχ ζυμώσεις

Διαφορές της σύγχρονης από την παραδοσιακή Βιοτεχνολογία: Αναλυτικός ορισμός - Σύγχρονος Συνδυασμός Επιστήμης και Τεχνολογίας1 με στόχο την εφαρμογή των γνώσεων που έχουν αποκτηθεί από τη μελέτη των ζωντανών οργανισμών, για την παραγωγή χρήσιμων προϊόντων2 σε ευρεία κλίμακα3 Διαφορές της σύγχρονης από την παραδοσιακή Βιοτεχνολογία: Έχει ξεπεραστεί ο εμπειρισμός και εφαρμόζονται οι αποκτηθείσες γνώσεις (Επιστήμη). Τα προϊόντα δεν περιορίζονται στο χώρο των τροφίμων και ποτών (ψωμί, κρασί, μπίρα), της παραδοσιακής Βιοτεχνολογίας, αλλά αφορούν σε φάρμακα᫩ βιομηχανικά προϊόντα, γεωργικά και κτηνοτροφικά κλπ. Η παραγωγή γίνεται σε μαζική κλίμακα –βιομηχανική (ευρεία). Χρησιμοποιούνται σύγχρονες τεχνικές, όπως η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA και οι τεχνικές καλλιεργειών (το νέο δεν είναι οι ιδέες, αλλά οι τεχνικές).

Κυρία εφαρμόζει τις γνώσεις της Βιοτεχνολογίας Ευρύς ορισμός (και λίγο βλακώδης) «Η χρήση ζωντανών οργανισμών προς όφελος του ανθρώπου» Κυρία εφαρμόζει τις γνώσεις της Βιοτεχνολογίας

Διαίρεση προκαρυωτικού κυττάρου: Το DNA διπλασιάζεται (μία θέση έναρξης αντιγραφής –διπλασιασμός σε ιδανικές συνθήκες σε χρόνο < 30 min). Το κύτταρο αυξάνεται Σχηματισμός διαφράγματος Τα θυγατρικά κύτταρα διαχωρίζονται και καθένα παίρνει από ένα μόριο DNA. Παράγοντες που επηρεάζουν το χρόνο διαίρεσης: Χρόνος διαίρεσης = αντιστρόφως ανάλογος του ρυθμού ανάπτυξης της αποικίας Παράγοντες: Διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών pH Παρουσία ή απουσία Ο2 Θερμοκρασία

οργανική πηγή C (για ετερότροφους) πχ γλυκόζη, λακτόζη Όταν έχει επιτευχθεί ο ιδανικός συνδυασμός των παραπάνω παραγόντων, ο χρόνος διαίρεσης έχει ελαχιστοποιηθεί και ο ρυθμός ανάπτυξης έχει μεγιστοποιηθεί. Αυτός ο χρόνος εξαρτάται (καθορίζεται) από το είδος του μικροοργανισμού. Θρεπτικά συστατικά Η2Ο Μεταλλικά ιόντα Πηγή C Πηγή Ν CO2 (για αυτότροφους) οργανική πηγή C (για ετερότροφους) πχ γλυκόζη, λακτόζη Λειτουργία: συμμετοχή σε αντιδράσεις Δομικός ρόλος: συστατικά μακρομορίων Νιτρικά (ΝΟ3- ) Αμμωνιακά (ΝΗ4+)

Σχέση των μικροοργανισμών με το Ο2: Υποχρεωτικά αερόβιοι: δεν μπορούν να ζήσουν χωρίς οξυγόνο (π.χ. Mycobacterium) Προαιρετικά αερόβιοι: Ζουν είτε υπάρχει οξυγόνο είτε όχι. Όμως αναπτύσσονται ταχύτερα παρουσία οξυγόνου (οι αερόβιες καύσεις παράγουν μεγαλύτερα ποσά ενέργειας). Παράδειγμα οι ζύμες Saccharomyces της αρτοβιομηχανίας,. Υποχρεωτικά αναερόβιοι: Ζουν σε περιβάλλοντα που απουσιάζει το οξυγόνο (η παρουσία του είναι τοξική), πχ. βακτήρια Clostridium.

Χαρακτηρισμός ανάλογα με την ιδανική θερμοκρασία: pH Τα περισσότερα μικρόβια αναπτύσσονται σε pH 6-9 Εξαίρεση βακτήριο Lactobacillus:4-5 Χαρακτηρισμός ανάλογα με την ιδανική θερμοκρασία: Ψυχρόφιλα: ανάπτυξη σε θ < 20ο C Μεσόφιλα: ανάπτυξη σε θ μεταξύ 20 και 45οC. Παράδειγμα η Escherichia coli: 37ο C (παχύ έντερο ανθρώπου). Θερμόφιλα: ανάπτυξη σε θ > 45ο C, πχ σε θερμοπηγές (Thermus aquaticus). Σύμφωνα με τον πίνακα της σελ. 109, μπορούμε να διαιρέσουμε την κατηγορία αυτή σε επιμέρους, πχ από 40 –70, από 65 – 95 και από 80 – 110.

Είδη καλλιεργειών

Το πλεονέκτημα της χρήσης του άγαρ: Το άγαρ είναι πολυσακχαρίτης που εξάγεται από φύκη του Ειρηνικού, που σε θο κάτω από 45ο στερεός, μεταξύ 45ο και 100ο έχει ρευστή μορφή ζελέ (gel), και πάνω από 100ο είναι υγρός. Έτσι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μέσο καλλιεργειών μικροβίων που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες (θερμόφιλα), γιατί δεν επιτρέπει την πλήρη εξάτμιση του νερού που περιέχεται στο θρεπτικό υλικό (γιατί το νερό παγιδεύεται στο ζελέ).

Διαδικασία βιομηχανικής καλλιέργειας: Αποστείρωση του βιοαντιδραστήρα. Προετοιμασία του υγρού θρεπτικού υλικού (ως πηγή C χρησιμοποιείται η μελάσα, που είναι φθηνή). Εμβολιασμός με αρχική καλλιέργεια που έχει γίνει στο εργαστήριο. Ρύθμιση των συνθηκών (ο βιοαντιδραστήρας επιτρέπει ρύθμιση του pH, της θερμοκρασίας, κλπ). Ανάπτυξη των αποικιών (ζύμωση). Παραλαβή των προϊόντων: Α. τα ίδια τα κύτταρα = βιομάζα Β. τα προϊόντα των κυττάρων: πρωτεΐνες ή αντιβιοτικά.

Διαφορές κλειστής – συνεχούς καλλιέργειας: Κλειστή Δεν επεμβαίνουμε στη διαδικασία ανάπτυξης των μικροβίων Εμφανίζει 4 φάσεις: λανθάνουσα, εκθετική, στατική, θανάτου Σκοπός: η μελέτη των φάσεων ανάπτυξης των μικροβίων (η διάρκεια των οποίων διαφέρει από είδος σε είδος) Η κλειστή μπορεί να είναι εργαστηριακή ή βιομηχανική (στην πράξη όλες οι εργαστηριακές είναι κλειστές) Συνεχής Επεμβαίνουμε: α. προσθέτοντας συνεχώς θρεπτικό υλικό όποτε εξαντλείται β. απομακρύνοντας τοξικά προϊόντα τους γ. απομακρύνοντας κύτταρα για να αποφευχθεί ο υπερπληθυσμός Εμφανίζει 2 φάσεις: λανθάνουσα, εκθετική (από ένα σημείο και μετά βρίσκεται μόνιμα στην εκθετική φάση) Σκοπός: η μαζική παραγωγή κυττάρων και προϊόντων που τα μικρόβια εκκρίνουν κυρίως κατά την εκθετική φάση ή τη στατική φάση Η συνεχής μπορεί να είναι μόνο βιομηχανική

Κλειστή καλλιέργεια 1. Λανθάνουσα 2. Εκθετική 3. Στατική 4. Θανάτου 3 t Log N 2 3 4 1. Λανθάνουσα 2. Εκθετική 3. Στατική 4. Θανάτου

Κλειστή καλλιέργεια με δύο πηγές άνθρακα Log Ν Ν: πληθυσμός μικροοργανισμού Α Β Γ Δ Ε Ζ Η

Συνεχής με επέμβαση στο τέλος της εκθετικής φάσης Log N Στα σημεία που δείχνουν τα βέλη: Αφαίρεση κυττάρων και άχρηστων υλικών Προσθήκη θρεπτικών

Συνεχής με επέμβαση κατά τη διάρκεια της στατικής φάσης Log N Στα σημεία που δείχνει το βέλος: Αφαίρεση κυττάρων και άχρηστων υλικών Προσθήκη θρεπτικών

Διαχωρισμός υγρών από στερεά συστατικά (με διήθηση ή με φυγοκέντρηση) Παραλαβή προϊόντων Διαχωρισμός υγρών από στερεά συστατικά (με διήθηση ή με φυγοκέντρηση) Στερεά = κύτταρα μικροβίων (βιομάζα) και ενδοκυτταρικά προϊόντα Υγρά = εξωκυτταρικά προϊόντα μικροβίων (προϊόντα που εκκρίνονται) Καθαρισμός από προσμίξεις