ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Διδάσκων: Διονύσης Μαντζαβίνος (mantzavinos@chemeng.upatras.gr) Βοηθός: Αλέξης Πάντζιαρος (alexis_panji@hotmail.com) Διδασκαλία: Δευτέρα 09:15-12:00 (Αίθουσα ΧΜ3) Φροντιστήριο: Πέμπτη 09:15-11:00 (Αίθουσα ΧΜ3) Βιβλίο: Γ. Λυμπεράτος, Σ. Παύλου, Εισαγωγή στη Βιοχημική Μηχανική, Εκδόσεις Τζιόλα (2010)
Βιοτεχνολογία 1981: European Federation of Biotechnology όρισε την Βιοτεχνολογία ως: "την ολοκληρωμένη χρήση της Βιοχημείας, της Μικροβιολογίας και της Χημικής Μηχανικής για την τεχνολογική εφαρμογή των δυνατοτήτων των μικροβίων και των καλλιεργειών κυττάρων προερχομένων από ιστούς".
Βιοτεχνολογία 1984: το Αμερικανικό Κογκρέσο όρισε τη Βιοτεχνολογία ως «το σύνολο των εμπορικών τεχνικών που χρησιμοποιούν έμβιους οργανισμούς, ή ουσίες προερχόμενες από αυτούς, για την παραγωγή ή τροποποίηση κάποιου προϊόντος, συμπεριλαμβανομένων τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την βελτίωση των χαρακτηριστικών οικονομικά σημαντικών φυτών και ζώων, και για την ανάπτυξη μικροοργανισμών για επίδραση στο περιβάλλον" Η Βιοχημική Μηχανική αφορά τη χρήση των αρχών εκείνων της χημικής μηχανικής που απαιτούνται για το σχεδιασμό, τη λειτουργία και τη βελτιστοποίηση βιομηχανικών βιοδιεργασιών.
Η Βιοχημική Μηχανική βρίσκει εφαρμογή σε: βιομηχανία τροφίμων και ποτών που περιλαμβάνουν ζύμωση (π.χ. τυρί, ξύδι, γιαούρτι, αλκοολούχα ποτά) παραγωγή ενζύμων, αιθυλικής αλκοόλης και άλλων διαλυτών, κιτρικού οξέος, βιταμινών, μονοκυτταρικής πρωτεΐνης για ζωοτροφές, αντιβιοτικών και άλλων φαρμάκων παραγωγή ενέργειας από ανακυκλώσιμες ύλες (παραγωγή αιθανόλης ή/ και βιοαερίου από κυτταρινούχες πρώτες ύλες) βιολογικό καθαρισμό των υγρών και στερεών αποβλήτων εξόρυξη πετρελαίου και δέσμευση αζώτου Το κοινό σε όλες αυτές τις βιομηχανίες είναι ότι χρησιμοποιούν διεργασίες που περιλαμβάνουν τη δράση ενζύμων ή βιολογικών κυττάρων (βιοχημικές διεργασίες).
ΣΤΑΘΜΟΙ ΤΗΣ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ αρχαιότητα και μέχρι σήμερα: χρήση βιοτεχνολογικής παραγωγής τροφίμων, όπως κρασιού, ξυδιού, τυριού, ψωμιού και αργότερα μπύρας και γιαουρτιού. αρχές του 20ού αιώνα: χρησιμοποιούνται για πρώτη φορά βιοτεχνολογικές μέθοδοι παραγωγής οργανικών οξέων, διαλυτών και βιομάζας κάτω από μη άσηπτες συνθήκες, περίπου 1940: με την ανάπτυξη των μεθόδων αποστείρωσης παράγονται με βιοχημικές διεργασίες πολλά προϊόντα όπως αντιβιοτικά (πενικιλίνη, στρεπτομυκίνη, τετρακυκλίνη κ.α.), βιταμίνη Β12, αλκαλοειδή, γιβερελλίνες, κορτιζόνη, 5'-νουκλεοτίδια, δεξτράνες, ένζυμα κλπ. τα τελευταία 20 χρόνια: μεγάλη ώθηση στην Βιοτεχνολογία λόγω δύο νέων επιτευγμάτων: o Τεχνολογία ακινητοποιημένων ενζύμων και κυττάρων o Tεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA (γενετική μηχανική).
μικροβιακά κύτταρα: πολύπλοκα ανοικτά θερμοδυναμικά συστήματα, στα οποία εισρέουν θρεπτικά συστατικά και από τα οποία εκβάλλονται προϊόντα του μεταβολισμού. ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΟ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ Ιδιαιτερότητα: ανάπτυξη και αναπαραγωγή
Η ανάπτυξη τους εξαρτάται από: τα θρεπτικά συστατικά τη θερμοκρασία το ph την παρουσία ή απουσία οξυγόνου κ.ο.κ. οπότε ανάλογα παρουσιάζουν διαφορετικό ρυθμό: ανάπτυξης κατανάλωσης πρώτων υλών (υποστρωμάτων) παραγωγής μεταβολικών προϊόντων
Ο στόχος του βιοχημικού μηχανικού: η χρήση της ζώσας ύλης για την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση τεσσάρων τύπων διεργασιών: διεργασίες για την απομάκρυνση θρεπτικών συστατικών (π.χ. βιολογικός καθαρισμός). διεργασίες για την παραγωγή μεταβολικών προϊόντων (π.χ. αλκοολική ζύμωση). διεργασίες για την παραγωγή βιομάζας (φύκη, μονοκυτταρική πρωτεΐνη). διεργασίες βιομετατροπής, δηλ. χρήσης ως καταλύτη (π.χ. υδροξυλίωση αρωματικών).
O σχεδιασμός βιοχημικών διεργασιών προαπαιτεί γνώση: χημείας ενζύμων μικροβιολογίας κυτταρικής φυσιολογίας
Βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης και βέλτιστες συνθήκες βιοδιεργασίας π.χ. o Aspergillus Niger παράγει κιτρικό οξύ σε σημαντικές ποσότητες όταν το θρεπτικό μέσο παρουσιάζει έλλειμμα σε μαγγάνιο. Η ανάπτυξη του οργανισμού ωστόσο απαιτεί μαγγάνιο. Μία διεργασία παραγωγής κιτρικού οξέος που στηρίζεται στην χρήση αυτού του οργανισμού πρέπει να περιλαμβάνει δύο φάσεις: μία για την ανάπτυξη επαρκούς αριθμού κυττάρων μία για την παραγωγή κιτρικού οξέος.
Δομή μαθήματος ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΝΖΥΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΤΕΡΟΓΕΝΟΥΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΦΙΛΜ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΕΤΕΡΟΓΕΝΟΥΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ