Tehnologija vrenja
PREDAVANJE 1
OPĆENITO O BIOTEHNOLOŠKIM PROCESIMA
 Biotehnologija je povezivanje prirodnih i inženjerskih nauka u
cjelinu, što omogućuje primjenu organizama, stanica, njihovih
dijelova i molekulskih analoga u proizvodnji i uslužnim
djelatnostima (EFB, Generalna skupština 1989 god.).
 Jednostavnije rečeno
“biotehnologija je proizvodnja s primjenom bioloških katalizatora”.
 Biotehnologija dolazi od latinskih riječi :
Bios + tehne + logos (živo + vještina + znanje).
 Biotehnlološki procesi predstavljaju logičan slijed postupaka
dobivanja nekog proizvoda djelovanjem mikroorganizama i
enzima.
 Biotehnološki procesi se dijele na:
 tradicionalne, “stare”, i
 moderne, “nove”, procese.
Općenito o bioprocesima
Osnovna terminologija
Bioproces – glavni dio biotehnološkog postupka u kojem se sirovina s
pomoću biokatalizatora transformira u proizvod (JAP - alkoholna
fermentacija)
Biohemijski reaktor (fermentor) je posuda u kojoj se provodi
bioproces
Cjepivo (inokulum) – nacjepljivanje (inokulacija) – početna količina
mikroorganizma (biokatalizatora, radnog mikroorganizma) potrebna
za početak bioprocesa (JAP- alkoholna fermentacija - KVASCI)
Hranjiva podloga (medij), supstrat – suspenzija u vodi otopljenih
svih hranjivih sastojaka potrebnih za rast i biohemijsku aktivnost
radnog mikroorganizma (npr. grožđana komina - vinjak, komina od
šljive – šljivovica)
BIOTEHNOLOŠKI PROCESI
 Biotehnološki procesi predstavljaju niz operacija koje se
obavljaju u cilju dobivanja konačnog biotehnološkog prozvoda.
 Slika . Opšta shema biotehnološkog procesa
Koja su to 3 dijela
BIOPROCESA
2
1
3
 Podjela biotehnoloških procesa:
 Prema biohemijskim reakcijama
 Prema vrsti biokatalizatora
Prema biohemijskim reakcijama
 U pravilu, biotehnološki proizvodi nastaju kao rezultat
jedne od četiri tipa reakcija:
Jednostavna oksidoredukcija:
Glukoza+O2→Glukonska kiselina
Složene oksidoredukcije:
glukoza→piruvat→etanol
Biotehnološki
proizvodi
Polimerizacija: glukoza→dekstran
Biosinteza: glukoza→mikrobna
biomasa, antibiotici, vitamin,
enzimi, itd.
 Na osnovu biohemijskih reakcija, očito je da se glukoza, tzv.
osnovni supstrat, uz primjenu različitih biokatalizatora može
pretvoriti u različite biotehnološke proizvode.
 U mikrobnim su procesima i u kulturi stanica, osim glukoze,
što sadrži biogeni hemijski element ugljik (C), potrebni i
drugi biogeni elementi (N, O, P, S, itd.), jer su to gradivni
sastojci stanica što rastu, a bez njih nebi mogli nastati ni
brojni biosintetički proizvodi.
 Tip biotehnološkog proizvoda određuju:
 Osnovna sirovina, odnosno hranjivi medij pripremljen iz te




sirovine,
upotrebljene stanice (mikrobne, biljne ili životinjske),
njihov genetski potencijal,
uvjeti procesa
mjesto nakupljanja metabolita
Sirovine
Sirovine
Sirovine
Sirovine
Sirovine
…Bioproces…
…Bioproces…
…Bioproces…
…Bioproces…
…Bioproces…
Kefir (sadrži i Etanol) …1%…
Pivo (sadrži i Etanol)
…5%…
Vino (sadrži i Etanol) …12%…
JAP (sadrži i Etanol) …40%…
Etanol (industrijski)
…96-100%
Bioprocesi prema vrsti biokatalizatora
 Ovisno o vrsti primijenjenih biokatalizatora, razlikujemo tri
tipa procesa odnosno tehnologija:
1. Mikrobne procese odnosno mikrobnu tehnologiju
2. Enzimske procese odnosno enzimsku tehnologiju
3. Procese odnosno tehnologiju biljnih i životinjskih stanica
Mikroorganizmi -- hranjiva podloga/supstrat- prozvod (glavni, sporedni)
kod enzimske katalize supstrat transformiše u proizvod bez sporednih proizvoda, jer je katalizator strogo
specifičan
kod katalize ćelijama, pored glavnog, nastaje i sporedni proizvod, jer ćelije deluju kaosloženi sistemi u kojima se
odvija bezbroj bioprocesa nazvanih metabolizam
Primjeri:
Mikrobni bioprocesi – kvasci, plijesni
Mikrobni bioprocesi sa bakterijama
Primjeri:
• U enzimskim procesima biokatalizator je enzim koji može biti slobodan (otopljen/suspendiran u vodenom
mediju) ili imobiliziran (vezan na neki čvrsti nosač)
• Bioreaktori u enzimskim procesima imaju svoje specifičnosti pa ih uobičajeno nazivamo enzimskim reaktorima
• Za razliku od mikrobnih procesa u upstreamu se ne priređuje hranjiva podloga nego reakcijska otopina koja
sadrži supstrat tj. reaktant(e) enzimske reakcije s potrebnim dodacima koji služe za aktivaciju i/ili stabilizaciju
enzima te puferiranje reakcijske otopine
Primjer enzimskog procesa
 Škrob (ugljikohidrat - polisaharid) zauzima najveći udio u
masi brašna, oko 70 %.
 sadržaj škroba u brašnu
 veličina škrobnih zrna
 stepen oštećenosti škrobnih zrna
 sitnija kao i oštećena škrobna zrna, mogu da apsorbuju više vode.
 Škrob je izgrađen od jedinica (molekula) glukoze povezanih
u dvije makromolekulske komponente:
 nerazgranati, linearni polimer - amiloza (oko 25%) i
 razgranati polimer - amilopektin (75%).
Amiloza – linearni (ravni), nerazgranati, polimer
• Izgrađena od molekule glukoze (C6H12O6) povezanih
α‐1,4 glikozidnim vezama
Amilopektin ‐ razgranati, polimer
• molekule glukoze osim α‐1,4‐vezama u strukturi ravnog lanca,
vezane i α‐1,6 glikozidnim vezama na mjestima grananja
glukoza
Razgradnja škroba
•
•
•
Škrob, u vodi je nerastvorljiv, i ne može da bude asimiliran kroz ćelijsku opnu
kvasne ćelije,
Razgradnjom se enzimima prevodi se u vodi rastvorljive niže šećere (glukoza,
maltoza, dekstrini) i ovi niži šećeri prolaze kroz ćelijsku opnu i osnovna su
hrana kvasca.
Ragradnja α‐1,4 i α‐1,6 veza u lancu djelovanjem enzima (α‐amilaza i β‐amilaza)
dekstrini
Produkti enzimske
razgradnje škroba:
Maltoza
(glukoza+glukoza)
Enzimi
α‐amilaza i
β‐amilaza
Glukoza
Fermentacija uz djelovanje kvasaca:
(Glukoza) C6H12O6
2 CO2 + 2 C2H5OH
Škrob (amiloza + amilopektin)
pH i temperatura održavaju se u
granicama optimalnim za djelovanje
glukoza izomeraze (55-60°C, pH 7.58.0)
Primjeri: Biotehnološki proces sa kulturom stanica
Biotehnološki proces sa kulturom stanica u tehničkom smislu je vrlo sličan
mikrobnom procesu. Tehnološka shema cjelokupnog procesa kao i izgled
postrojenja su gotovo identični. Jedina bitna razlika je što se umjesto
mikrobnih koriste stanice (stanične linije) višestaničnih organizama (ljudi,
sisavaca, crva, kukaca, biljaka).
• Procesi u kulturi stanica najviše se koriste za proizvodnju terapeutskih humanih
proteina (EPO, hormon rasta itd.) te za proizvodnju specifičnih protutijela u
dijagnostičke ili terapeutske svrhe.
• Proizvodnja monoklonskih protutijela (tzv. Tehnologija hibridoma) jedno je od otkrića
koje je pored tehnologije rDNA označilo stvaranje Nove (HiTech) Biotehnologije.
• Ostvarena je i proizvodnja biljnih sastojaka pomoću kulture biljnih stanica (vanilija,
alkaloidi).
BIOTEHNOLOŠK PROCES
1. Procesi prije bioreaktora
’’Upstream’’
2. Procesi u bioreaktoru
3. Procesi posije bioreaktora
’’Downstream’’
Općenito o bioprocesima
‘’Procesi prije bioreaktora”
• Priprema podloge/supstrata
- proračun sirovina, odnosno materijalna bilanca
(ugljik, dušik, fosfor, kisik i dr.), predobrada sirovina
(usitnjavanje,prešanje, odvajanje koštica), ukomljavanje,
sterilizacija…
• Priprema bioreaktora
- pranje, sterilizacija ili dezinfekcija
• Priprema cjepiva (inokuluma):
a) prirodno prisutna mikroflora na plodu npr. voća (spontana
fermentacija)
b) čista kultura (u laboratorijima - kosi agar, starter),
umnaža se i koristi kao cjepivo za bioproces (kontrolirana
fermentacija)
Općenito o bioprocesima
Hranjive podloge za mikrobne procese
 HEMIJSKI DEFINIRANE - Točno poznatog hem. sastava
(jednostavne, sintetske) - pripremaju se iz čistih hemijskih
spojeva po određenim recepturama čije komponente mogu
biti organskog ili anorganskog sastava
 PRIRODNE PODLOGE
- Djelomično poznatog sastava
(složene, “pokrivene”) - točan hemijski sastav takvih podloga
nije poznat, a priređuju se od produkata biljnog porijekla
(plodovi, sokovi) ili životinjskog (mlijeko, laktoza) porijekla
 Mikrobni procesi se odvijaju uz pomoć mikrobnih stanica
što rastu ili su imobilizirane (u mirovanju).
 Sirovina koja se prevodi u mikrobni proizvod u hranjivom
je mediju ili tzv. supstratu, odnosno mikrobnoj podlozi
što sadrži u vodi otopljene i sve ostale hranjive sastojke
potrebne za rast odnosno biohemijsku aktivnost
mikroorganizama.
 Kada se hranjivi sastojci potroše,
mikrobni se proces zaustavlja, a iz
podloge se izdvajaju mikrobne stanice
i/ili proizvodi njihovog metabolizma.
Priprema i obrada supstrata (hranjive podloge)
 Smjesa tvari koja u biotehnološkim procesima služi za rast i razvoj
mikroorganizama, odnosno sadrži reaktante biohemijskih reakcija
naziva se supstrat ili hranjiva podloga.
 Definicija hranjive podloge ili supstrata:
Suspenzija u vodi otopljenih svih
hranjivih sastojaka potrebnih za
rast i biohemijsku aktivnost
radnog mikroorganizma.
 Biohemijske reakcije u kulturi stanica, odvijaju se uz
pomoć živih, fizioloških djelatnih stanica, za rast i
aktivnost, kod kojih su potrebni ne samo biogeni, nego i
brojni drugi hemijski elementi.
 Proizvodnja uz pomoć biljnih i životinjskih stanica
najčešće se odvija u hranjivim medijima.
 Glavni sastojci mikrobnih stanica (ćelija) su: protein, nukleinske
kiseline, ugljikohidrati, lipidi, građeni od: aminokiselina, šećera,
masnih kiselina, fosfata (C, H, O, N, P, S).
voda
nukleinske
kiseline
protein
ugljikohidrati
ćelija ili
stanica
Slika . Sastav ćelije ili stanice
lipidi
Općenito o bioprocesima
Hranjive podloge za mikrobne procese
- uvijek sadrže slijedeće sastojke:
1. vodu
2. izvor biogenih elemenata (C, H, O, N, P, S)
3. mineralne soli – izvor ostalih elemenata
4. faktore rasta - vitamini, aminokiseline
5. ostale sastojke – sredstva protiv pjenjenja,
regulaciju pH..
•
Sastav hranjive podloge
Razlog – hemijski sastav mikrobnih stanica:
• Glavni sastojci mikrobnih stanica:
proteini, nukleinske kiseline,
ugljikohidrati, lipidi, građeni od:
• aminokiselina, šećera, masnih
kiselina, fosfata (C, H, O, N, P, S)
Voda u hranjivim podlogama
 Aktivitet vode, aw,
pokazatelj slobodne
vode kojom
mikroorganizam
raspolaže u toku
metabolizma.
 Dodatkom soli ili
šećera, aktivitet vode
se smanjuje.
 Aktivitet vode kod
podloge se kreće od
0,63‐0,99
(plijesni<kvasci<bakterije)
Sve biohemijske
reakcije se
odvijaju u
vodenoj otopini a
sudjeluje i kao
reaktant.
U aerobnim
procesima, pogodan
medij za otapanje
kisika.
U vodi se otapaju
svi hranjivi sastojci.
VODA
Voda je pogodan
medij za regulaciju
temperature.
U vodu izlaze
sintetizirani
ekstracelularni
metaboliti.
Izvori biogenih elemenata (C, H, O, N, P, S)
primarne
sirovine biljnog
porijekla
sekundarne
tercijarne
izvori ugljika i
energije
primarne
sirovine
životinjskog
porijekla
sekundarne
tercijarne
 Sirovine biljnog porijekla:
 Primarne: monosahridi, oligosaharidi, polisaharidi
 Sekundarne: melasa, hidrol, CSL, uljne pogače, sladne klice
 Tercijarne (otpadne): lignocelulozne, iz prerade voća i povrća
 Sirovine životinjskog porijekla:
 Primarne: laktoza, životnjska mast
 Sekundarne: sirutka, pepton, kazein
 Tercijarne (otpadne): hitin, kućni otpad
Izvori ugljika i energije
 Primarne sirovine:
a) Monosaharidi
 Glukoza i fruktoza ‐ sastojci svakog voća. Primjenjuje se u proizvodnji antibiotika,
steroida, aminokiselina, maslačne, itakonske i vinske kiseline.
 Glukozni sirup - 70-75% suhe tvari (99% glukoza)
 D-ksiloza (pentozni šećer)-sastojak hemiceluloze (sulfitna lužina), obnovljiv izvor energije.
b) Disaharidi (maltoza, laktoza, saharoza)
 Maltoza-disaharid sastavljen od dvije D-glukoze, prisutna u svim šećernim sirupima i
hranjivim podlogama koje uključuju hidrolizu škroba
 Saharoza (D-glukoza i D-fruktoza)-Proizvod industrijske prerade šećerne repe i šećerne
trske, različite čistoće (sirovi, rafinirani šećer ili melasa).
 Laktoza -(D-glukoza i D-galaktoza)-prirodni sastojak mlijeka, izdvaja se kristalizacijom iz
sirutke u vakumskom isparivaču nakon uklanjanja grušta i masti (BMK, Kluyveromyces,
Pencillium).
c) Polisaharidni izvori ugljika
 Škrob (glukoza) ‐ u proizvodnji amilolitičkih enzima (Bacillus
subtilis, Aspergillus oryzae); najvažniji rez. ugljikohidrat (žitarice,
kukuruz, krumpir).

Za mikrobne procese: kiselinska ili enzimska hidroliza. Škrob je polisaharid sastavljen od
velikog broja molekula glukoze.

Čine ga dvije podjedinice amiloza i amilopektin, koje se međusobno razlikuju po dužini i
razgranatosti lanaca.

Amiloza ima dug ravan, a amilopektin razgranat lanac,
 Dekstrini ‐ hidrolizom škroba pomoću α‐amilaze
 Inulin ‐ povezivanje fruktoznih jedinica, (80% fruktoze + 20%
glukoze)
 Celuloza – glavni sastojak drva i biljnih vlakana, sastavljena od
jedinica D‐glukoze (β‐vezom), obnovljivi izvor, razlaže se
hidrolizom. Hemiceluloza, Lignin
 Sekundarne sirovine:
 Melasa
 Nus‐proizvod šećerne industrije, sastav joj ovisi o
porijeklu, ima dobar puferski kapacitet.
 U nepoželjne sastojke melase spadaju: betain (povećava
se sadržaj stajanjem repe), hlapive organske kiseline,
teški metali, pesticidi, mikroorganizmi. A od poželjnih
sastojaka melase su aminokiseline i saharoza.
 Sirutka
 Sekundarna sirovina životinjskog porijekla. Koristi se
za proizvodnju proteinskih krmiva i etanola.
 TERCIJERNE SIROVINE:
 Otpadni izvori ugljika
 Dobijaju se iz otpadnih voda prehrambene industrije
(krmna biomasa ili etanol),
 iz pogona prerade krompira,
 prerade povrća,
 odpadni sok zelene lucerke,
 melasna džibra (otpadna voda kod proizvodnje alkohola).
Najvažnije industrijske hranjive podloge
Najvažnije
industrijske
podloge
• Melasa
• Hidrol
• Sirutka
• Sulfitna lužina
• Kukurzni ekstrakt (C.S.L.)
 Hidrol je nusprodukt proizvodnje glukoze iz skroba
(“žitna melasa”). U njegov sastav ulazi 40% vode i
60% suhe tvari (oko 77% invertnog šećera i 4%
pepela).
 Sulfitna lužina je nusprodukt sulfitnog postupka
prerade drveta. Sastav ovisi o vrsti drveta koje se
prerađuje. Sadrži 2‐3% šećera.
 C.S.L.‐fermentirana uparena voda koja zaostaje pri
proizvodnji skroba iz kukuruza. Bogat je izvor dušika
i faktora rasta.
ENZIMI
 Za enzime je karakteristično da pored visoke aktivnosti, tj.
sposobnosti da prisutni i u veoma malim količinama
dejstvuju snažno katalitički, dejstvuju samo na reakcije
određene vrste, po pravilu čak samo kad u tim reakcijama
učestvuju određeni spojevi.
 Dejstvo im je specifično jer jedna vrsta enzima dejstvuje
samo na tvari sličnog sastava time što katalitički ubrzavaju
određene reakcije ovih tvari.
 Katalitička aktivnost enzima može se regulirati, što je
nemoguće kod jednostavnih hemijskih katalizatora.
 Aktivnost enzima zavisi od više faktora, a u najvećoj mjeri o:
 koncentraciji vodikovih iona (pH),
 promjeni temprerature i
 promjeni prirode supstrata.
 Za većinu enzima pH‐optimum je u neutralnom ili slabo kiselom
području.
 Kao i svim hemijskim reakcijama, tako i enzimskim brzina reakcije
raste s porastom temperature uslijed porasta kinetičke energije
molekula koje reaguju.
Industrijski najvažniji mikroorganizmi
 Mikroorganizmi moraju zadovoljiti :
 tehnološke,
 fiziološke i
 genetičke karakteristike.
 Od tehnoloških karakteristika traži se da su prikladni za proizvodni
proces, lako izdvajanje iz proizvoda, samozaštita od kontaminacije i
moraju se lako održavati.
 Fiziološke karakteristike: mora biti čista kultura, mora brzo rasti i brzo
se razmnožavati, mora proizvoditi željene metabolite što brže, mora
podnositi velike koncentracije supstrata i produkta, ne smije biti
patogen niti proizvoditi toksine.
 Od genetičkih karakteristika, najvažnije je da postoji stabilnost
osnovnih svojstava.
 Najvažnije bakterije i proizvodi koji nastaju njihovim djelovanjem
Bakterije
Proizvodi
Acetobacter sp.
Ocat
Bacillus sp. (Subtilis)
Vitamin, enzimi: amilaze, protease, lipaze
Clostridium sp.
Aceton, Butanol
Corynebacterium glutamicum
Aminokiseline
Bakterije mliječne kiseline
(Lactobacillus sp., Streptococcus sp.)
Fermentirani mliječni proizvodi, Sirevi,
Fermentirano voće i povrće, Kruh i peciva
Streptomyces sp.
Vitamin B12, Antibiotici
Najvažniji kvasci i proizvodi koji nastaju njihovim djelovanjem
Kvasci
Proizvodi
Saccharomyces cerevisiae
Etanol, vino, pekarski kvasac, prehrambeni
kvasac, kisela tijesta, jaka alkoholna pića,
inzulin
Saccharomyces uvarum
Kluyveromyces sp
(K. Marxianus, K. Lactis)
Candida sp. (C. Utilis)
C. milleri, C. crusei
Pichia sp.
P. stipitis
P. pastoris
P. angusta (H. Poymorpha)
Yarrowia lipolytica
Pivo
Etanol i biomasa (fermentacija laktoze),
enzimi
Mikrobna (stočna) biomasa
Kisela tijesta
Etanol
Rekombinantni proteini
Limunska kiselina
 Najvažnije plijesni i proizvodi koji nastaju
njihovim djelovanjem
Plijesni
Proizvodi
Aspergillus sp.
Limunska kiselina
A. niger
α‐amilaza
A. oryzae
Penicilium sp.
Penicilinski antibiotici
P. chrysogenum
UREĐAJI ZA PROVOĐENJE FERMENTACIJE
(BIOREAKTORI ILI FERMENTORI)
 Bioreaktori predstavljaju glavni dio svakog
biotehnološkog postupka.
 Mora biti konstruiran tako da omogućava rast
mikroorganizama i stvaranje željenih produkata, što se
postiže:



Optimalnim miješanjem,
Optimalnom temperaturom,
Optimalnom pH
 Postoje dvije izvedbe bioreaktora za provođenje osnovne faze
procesa:
 bioreaktori laboratorijskog tipa i
 bioreaktori industrijskog tipa.
 Laboratorijski bioreaktori predstavljaju posude valjkastog
oblika sa odnosom prečnika i visine R:h=1:2 do 3.
 U industrijskom mjerilu, bioreaktori su različitog volumena i
konstrukcije što prvenstveno ovisi o svojstvima proizvodnog
mikroorganizma (aerobni ili anaerobni), sastavu hranjive
podloge, svojstvima konačnog proizvoda i o ekonomici
procesa.
 S obzirom na princip rada, bioreaktori se dijele na kotlaste i
cijevne.
 KOTLASTI bioreaktori mogu biti:
 šaržni,
 protočni kotlasti (kontinuirani)‐kemostat,
 pH‐stat,
 turbidostat,
 kotlasti reaktor s prihranjivanjem.
Kotlasti reaktor s miješanjem
• Mehaničkim miješanjem vrši se distribucija topline i materijala (npr. Kisik i supstrat)
reaktorski tornjevi s miješanjem pomoću mjehurića zraka
• Sadržaj reaktora miješa se pomoću mjehurića zraka
Reaktor sa zračnim liftom
• U unutrašnjosti sadrži pomičnu cijev koja poboljšava protok i prenos kisika te ujednačava smične sile u
reaktoru.
Reaktor sa fluidiziranim slojem
• Stanice su imobilizirane na malim česticama koje se kreću u fluidu.
• Na ovaj način povečava se djelotvorna površina i omogućava velika brzina prenosa kisika i hranjivih tvari
do stanica.
Reaktor s nepomičnim slojem
• Stanice su imobilizirane na velikim česticama i nepomične su u odnosu na fluid. Lako se konstruira, ali
dolazi do blokada i loše cirkulacije kisika.
Reaktor s flokuliranim česticama
• Mikroorganizmi se zadržavaju u masi flokulacijom.
• Ovakvi reaktori koriste se pri obradi otpadnih voda.
Industrijski važniji biorekatori ili fermentori
 Za fermentaciju u industrijskom mjerilu fermentori su različitog volumena i
konstrukcije što prvenstveno ovisi o svojstvima proizvodnog mikroorganizma
(aerobni ili anaerobni), sastvu hranjive podloge, svojstvima konačnog
proizvoda i o ekonomici procesa.
1)
•
Waldhof‐Mannheim fermentor‐valjkastog je oblika s mješalicom ispod koje
se nalazi raspršivač zraka u obliku prstenaste izbušene cijevi.
Iznad mješalice se nalazi cijev
(cilindar) koja djeluje poput
mamut sisaljke što pospješuje
aeraciju.
2) Lefranҫois fermentor‐takođe ima centralno postavljeni cilindar koji ima
istu ulogu kao i kod Walhof‐Mannheim fermentora.
•
Zrak u fermentor dolazi centralnom cijevi, miješa se s podlogom koja dolazi u
fermentor kroz koncentrično postavljenu cijev.
• Kod nekih tipova Lefrancois fermentora dovodna cijev za zrak i raspršivač
rotiraju što pospješuje aeraciju.
3) Vogelbusch fermentor je uobičajena valjkasta posuda s
ugrađenim posebnim vrlo efikasnim rotirajućim raspršivačem za
zrak.
• Zrak se u fermentor dovodi pod pritiskom kroz osovinu
mješalice i raspršuje kroz fini uzdužni prorez na lopaticama
mješalice koja rotira, što omogućava vrlo dobru aeraciju.
Zahtjevi za materijale od kojih se prave bioreaktori
 Svi konstrukcijski materijali koji dolaze u dodir s reakcijskim
komponentama, moraju biti otporni na koroziju.
 Moraju biti neotrovni da ne usporavaju rast mikroorganizama.
 Moraju biti otporni na višestruku sterilizaciju vodenom
parom pod pritiskom.
 Mješalice i ventili moraju biti dovoljno čvrsti da podnesu
mehanička naprezanja. Po mogućnosti koristiti transparentne
materijale jer je vizuelna kontrola bitna.
 Bioreaktori mogu biti izgrađeni od čelika ili stakla, a najčešće
se ova dva materijala kombiniraju.
 Važno je da se mogu dobro mehanički čistiti i prati, da su
otporni prema kiselinama i bazama.
BIOTEHNOLOŠKI PROIZVODI
 Ovisno o upotrebljenim sirovinama za pripremu odgovarajuće
hranjive podloge, vrsti stanica, postupku vođenja biotehnološkog
procesa, tipu biohemijskih reakcija i nastalih produkata,
biotehnološke proizvode se može razvrstati u sedam osnovnih
skupina:
 Mikrobno promijenjena hranjiva podloga zajedno s mikrobnim
stanicama
 Odmikrobljena, izbistrena mikrobno promjenjiva hranjiva podloga
 Mikrobne biomase
 Proizvodi metabolizma akumulirani u hranjivoj podlozi ili u mikrobnoj
biomasi
 Proizvodi biotransformacije
 Proizvodi genetički modificiranih proizvoda
 Proizvodi kultura životinjskih i biljnih stanica
Mikrobno promijenjena hranjiva podloga zajedno
s mikrobnim stanicama (ćelijama)
 U ovaj tip proizvoda mogu se uvrstiti uglavnom
fermentirana pića i hrana.
 Tu spadaju uglavnom tradicionalna dobra iz kućne
radinosti, ali i neki proizvodi savremene mljekarske i
mesne industrije; npr. kvas, boza, mlado vino, nefiltrirano
pivo iz gostioničarskih pivovara, kefir, jogurt, kiselo
mlijeko, acidofil, bioaktiv, sirevi, trajne salame, kiseli kupus
itd.
Etanol
Mikrobne
stanice
Mikrobno
promijenjena
hranjiva podloga
zajedno s
mikrobnim
stanicama
(ćelijama)
Nusproizvodi
alkoholnog
odnosno
mliječnog
vrenja
Mliječna
kiselina
Odmikrobljena, izbistrena mikrobno
promijenjena hranjiva podloga
 To su dozrela i dorađena, znači pročišćena alkoholna
pića iz kojih je filtriranjem uklonjen kvasac da bi im se
povećalo trajnost i stabilizirala organoleptička svojstva.
 U ove se proizvode može ubrojati savremena,
industrijski proizvedena alkoholna pića (pivo, vino) i
ocat.
Mikrobne biomase
 Mikrobne biomase su važan biotehnološki proizvod.
 Dobijaju se kao proizvod ili nusproizvod iz mikrobnih
kultura odgovarajućim postupkom izdvajanja (taloženje,
centrifugiranje, filtriranje), neovisno je li mikrobni proces
vođen samo radi:
 umnožavanja odabranih mikroorganizama (npr. pekarski
kvasac) ili
 dobijanja nekog metatabolita (npr. etanol).
 Razlika je samo u tome što se mikrobnu masu u prvom
slučaju smatra proizvodom, a u drugom nusproizvodom.
Proizvodi metabolizma akumulirani u
hranjivoj podlozi ili u mikrobnoj biomasi
 Tokom
mikrobnog rasta nastaju brojni proizvodi
mikrobnog metabolizma, kakvi su stanici potrebni
(primarni metaboliti) ili nepotrebni (sekundarni
metaboliti) za rast.
 Mnoge od njih izlučuju stanice u okoliš (hranjivu podlogu),
odakle ih se izdvaja kao vrlo korisne biotehnološke
proizvode:
 AMINOKISELINE: α‐glutaminska, α‐histidin, α‐lizin, α‐metionin, α‐triptofan.
 ANTIBIOTICI: bacitracin, cikloserin, eritromicin, gramicidin, kanamicin, hloramfenikol,
neomicin, nistatin, oleandomicin, penicilin, streptomicin, tetraciklini, tirotricin itd.
 ENZIMI: amilaze, celulaze, glukozna izomeraza, aktalaza, kimozin, kolagenaza, lipaza,
glukozna oksidaza, pektinaza, proteaza.
 GORIVA: etanol, metan, vodik.
 ORGANSKE KISELINE: glukonska, itakonska, jabučna, limunska, mliječna, ocetna.
 ORGANSKA OTAPALA: aceton, butanol, butandiol, dihidroksiaceton, etanol, glicerol.
 POLIMERI: dekstrani, pululani.
 VITAMINI I FAKTORI RASTA: tiamin (B1), riboflavin (B2), ciankobalamin (B12),
giberelinska kiselina.
 OSTALI PROIZVODI: nukleotidi i nukleozini, alkaloidi, vakcine, insekticidi.
Proizvodi biotransformacije
 Ovoj skupini pripadaju brojni proizvodi što nastaju kao rezultat
jednostavnih oksidoredukcija.
 Riječ je o biokonverziji ili biotransformaciji odabranih supstrata
u posve određene proizvode.
 Biokonverziju se može izvesti primjenom mikrobnih spora,
vegetativinih mikrobnih, biljnih i životinjskih stanica što rastu ili
miruju, te primjenom enzima izdvojenih iz neotm uzgojenih
stanica ili primjenom komercijalnih enzimskih pripravaka.
 Odabrani biohemijski katalizator može se rabiti u
suspendiranom ili vezanom obliku za transformacije odabranih
supstrata u specifične proizvode.
SUPSTRAT
BIOKATALIZATOR
PRIMJENA
glukoza
Aspergillus niger
Glukonska kiselina
glukoza
Pseudomonas fragi
2‐ketoglukonska kiselina
glukoza
Glukozna izomeraza
saharoza
invertaza
D‐fenilalanin
Pseudomonas migamiza
Glukoza/fruktoza≈60:40,
izosirup
Glukoza/fruktoza≈50:50,
Invertni šećer
L‐fenilalanin
glicerol
Acetobacter xylinum
dihidroksiaceton
Glukonska kiselina
Acetobacter suboxydans
5‐ketoglukonska kiselina
izopropanol
Acetobacter gluconicum
aceton
kortizon
Corynebacterium spp.
prednison
Maleinska kiselina
Alcaligenes faecalis
Fumarna kiselina
manitol
Gluconobacter suboxydans
fruktoza
naftalen
Corynebacterium nov. sp.
Salicilna kiselina
Penicilin G
Penicilin acilaza
Feniloctena kiselina
Peniicilin G
Penicilinaza (β‐laktamaza)
Benzpenicilinska kiselina
progesteron
Aspergillus ochraceus
11‐α hidroksiprogesteron
D‐sorbitol
Acetobacter suboxydans
L‐sorboza
Tabela 7. Proizvodi biotransformacije
Enzimski bioprocesi
Visoka
specifičnost
Manje
nusproizvoda i
otpadne vode
Prednosti
enzimske
tehnologije
Odsutnost
balastnih
sastojaka
Povećana
učinkovitost i
jednostavnost
postupka
Mogućnost
ponovne
upotrebe
biokatalizatora
 Zato se enzimska tehnologija primjenjuje osobito u
proizvodnji tzv. finih hemikalija, sa znatno višim
pojedinačnim cijenama, a znatno manjom proizvedenom
masom nego u baznih hemikalija.
 Enzimsku tehnologiju primjenjuje se i za dobijanje nekih
baznih biotehnoloških proizvoda što imaju široku primjenu
kao industrijske sirovine u biotehnološkoj i drugim
proizvodnjama.
 Dobar je primjer enzimska hidroliza skroba do glukoze ili
inverzija glukoze u fruktozu.
 Enzimski postupci u različitim tehnološkim procesima sve
više zamjenjuju mehaničke i hemijske.
PREDNOSTI, RIZICI I ZNAČAJ BIOTEHNOLOGIJE
 Brojne rasprave vode se o razvoju i upotrebi moderne
biotehnologije, a posebno o sigurnosti genetički
modifikovane hrane.
 Prednosti za ljudsko zdravlje, jednako kao i rizici, mogu
se podijeliti u četiri kategorije.
Povećanje
sigurnosti
hrane
Smanjenje
nekih
hroničnih
bolesti vezanih
uz prehranu
PREDNOSTI
Hrana s još
više
zdravstvenih
dobrobiti
Poboljšanje
nutritivnog
sastava
namirnica
Alergije
Smanjena
raznolikost
hrane
RIZICI
Neravnoteža
nutrijenata
Toksičnost