Βιολογία - Βιβλίο Μαθητή old
Κεφάλαιο 9: Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στη γεωργία και την κτηνοτροφία Κεφάλαιο 11: Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίαςστην προσταοία του περιβάλλοντος Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος

Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στη βιομηχανία

Εικόνα

Βιοαντιδραστήρες χωρητικότητας 240 m3
για την παραγωγή αμινοξέων

κεφάλαιο

10

κεφάλαιο 10

10. Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στη βιομηχανία

Οι μικροοργανισμοί βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή στη βιομηχανία όπου χρησιμοποιούνται σε ευρεία κλίμακα για να παράγουν προϊόντα εμπορικής αξίας. Στις παλαιότερες εφαρμογές περιλαμβάνεται η παραγωγή μπίρας και κρασιού με αλκοολική ζύμωση. Ακολούθησε η παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων, αντιβιοτικών, ενζύμων και άλλων χημικών ουσιών. Σε όλες αυτές τις διαδικασίες γινόταν προσπάθεια να παραχθεί το προϊόν που ενδιαφέρει σε μεγάλη ποσότητα, δηλαδή να υπάρχει υψηλή απόδοση.

Αυτό γινόταν με δύο μεθόδους:

  • Τη γενετική βελτίωση των οργανισμών με παραδοσιακό τρόπο (επιλογή στελεχών με υψηλή απόδοση και διασταυρώσεις).
  • Τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας που ακολουθείται για την παραγωγή του προϊόντος.

Σήμερα η Βιοτεχνολογία έρχεται να συμβάλει στις παραδοσιακές μεθόδους. Έτσι με την τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA δημιουργήθηκαν γενετικά τροποποιημένοι μικροοργανισμοί που παράγουν προϊόντα με βελτιωμένες ιδιότητες.

Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την παραγωγή βιοτεχνολογικών προϊόντων επειδή παρουσιάζουν

σειρά πλεονεκτημάτων, δηλαδή:

  • Έχουν ταχύτατο ρυθμό ανάπτυξης.
  • Μπορούν να αναπτυχθούν σε ποικιλία θρεπτικών υποστρωμάτων και συνθηκών καλλιέργειας.
  • Εμφανίζουν τεράστια ποικιλία στα μεταβολικά μονοπάτια και κατά συνέπεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή πολλών ειδών προϊόντων.
  • Παράγουν, όταν καλλιεργηθούν στις κατάλληλες συνθήκες, μεγάλες ποσότητες προϊόντων.
  • Τα προϊόντα που παράγουν απομονώνονται και «καθαρίζονται» σχετικά εύκολα, επειδή τα περισσότερα από αυτά είναι εξωκυπαρικά, δηλαδή εκκρίνονται στο θρεπτικό υλικό.

Στο κεφάλαιο αυτό θα αναφερθούμε στις εφαρμογές των μικροοργανισμών στη βιομηχανική παραγωγή.

Η Βιομάζα είναι ένα από τα προϊόντα των μικροβιακών ζυμώσεων

Η μικροβιακή βιομάζα αποτελείται από μεγάλο αριθμό κυττάρων των μικροοργανισμών που έχουν παραχθεί σε βιοαντιδραστήρες.

Εικόνα 10.1 α. Στάδια παραγωγής ζύμης. β. Φωτογραφία προϊόντων ζύμης: μαγιά αρτοποιίας, συμπλήρωμα διατροφής, ξηρή μαγιά.

Εικόνα 10.1

Η βιομάζα περιέχει μεγάλη ποσότητα πρωτεϊνών και άλλων θρεπτικών συστατικών και χρησιμοποιείται ως τροφή από τον άνθρωπο ή τα ζώα.

Η παραγωγή βιομάζας παρουσιάζει πλεονεκτήματα όπως χαμηλό κόστος, προστασία του περιβάλλοντος, υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη, γρήγορη και ελεγχόμενη παραγωγή και απαίτηση σχετικά μικρού χώρου για την παραγωγή της.

Η παραγωγή μαγιάς αρτοποιίας (ζυμομυκήτων) αποτελεί την παλαιότερη εφαρμογή παραγωγής βιομάζας. Η μαγιά παράγεται σε βιομηχανική κλίμακα από τις αρχές του 20ού αιώνα.

Ζύμες (ζυμομύκητες)

Οι ζύμες είναι μία ομάδα μονοκύτταρων μυκήτων. Πολλαπλασιάζονται ταχύτατα κάτω από αερόβιες συνθήκες, ενώ απουσία Ο2 μετατρέπουν τη γλυκόζη σε αιθυλική αλκοόλη. Αποτελούν την πιο σημαντική και ευρύτερα χρησιμοποιούμενη κατηγορία μικροοργανισμών στη βιομηχανία. Καλλιεργούνται με σκοπό την παραγωγή ζύμης αρτοποιίας (μαγιά),τη χρήση τους στις αντιδράσεις αλκοολικής ζύμωσης και την παραγωγή διάφορων προϊόντων όπως οι βιταμίνες C και D. Η ζύμη αρτοποιίας παράγεται ύστερα από ανάπτυξη αρχικής καλλιέργειας μυκήτων σε βιοαντιδραστήρες και χρησιμοποιείται κυρίως για την παρασκευή του ψωμιού (Εικόνα 10.1).

Η πρώτη ύλη για την παρασκευή ψωμιού είναι το αλεύρι, που περιέχει σε μεγάλες ποσότητες άμυλο. Στους κόκκους του σιταριού περιέχονται ένζυμα, τα οποία διασπούν το άμυλο σε μαλτόζη (δισακχαρίτης) και γλυκόζη. Στη συνέχεια προστίθενται μύκητες, που διασπούν αναερόβια τη γλυκόζη σε αιθανόλη και απελευθερώνουν CΟ2 (βλ. αλκοολική ζύμωση). Το παραγόμενο CΟ2 διογκώνει τη ζύμη, η οποία φουσκώνει. Η αιθανόλη που παράγεται κατά την αλκοολική ζύμωση εξατμίζεται στο ψήσιμο του ψωμιού. Για τη διάσπαση της γλυκόζης χρησιμοποιούνται κυρίως μύκητες του είδους Saccharomyces cerevisae, επειδή παράγουν μεγάλες ποσότητες CΟ2.

Η Βιοτεχνολογία με αριθμούς

Ένα γραμμάριο μαγιάς περιέχει περίπου 2x1010 κύτταρα ζυμομύκητα.

Εικόνα 10.2

Εικόνα 10.2 Στάδια παραγωγής α. λευκού και β. ερυθρού οίνου

Η αλκοολική ζύμωση είναι μία αντίδραση που χρησιμοποιείται για την παραγωγή κρασιού και μπίρας

Η αλκοολική ζύμωση είναι η διαδικασία παραγωγής αιθυλικής αλκοόλης και διοξειδίου του άνθρακα από τη διάσπαση σακχάρων, όπως η γλυκόζη, σύμφωνα με την αντίδραση:

C6H12O6->2C2H5ΟH + 2CO2

Τη σειρά αυτή των βιοχημικών αντιδράσεων την πραγματοποιούν ορισμένα είδη ζυμών όπως ο Saccharomyces cerevisae. Η αλκοολική ζύμωση έχει εφαρμογή τόσο στη βιομηχανική παραγωγή αλκοόλης όσο και στην παραγωγή των αλκοολούχων ποτών. Στη Βραζιλία και στις ΗΠΑ χρησιμοποιούνται φθηνές πρώτες ύλες, όπως μελάσα, υποπροϊόν παραγωγής ζάχαρης που περιέχει γλυκόζη και

κεφάλαιο 10

Εικόνα 10.3

Εικόνα 10.3 Παραγωγή μπίρας, α.β. Το εκχύλισμα αναμιγνύεται με σακχαρούχο λυκίσκο και βράζει, γ. Το υγρό μεταφέρεται σε μεγάλα δοχεία ζύμωσης όπου η γλυκόζη μετατρέπεται σε αλκοόλη και CΟ2- δ. Το προϊόν της ζύμωσης αποθηκεύεται για μία εβδομάδα για να κατακαθίσουν τα στερεά κατάλοιπα της ζύμωσης. Η μπίρα φιλτράρεται και αποθηκεύεται.

φρουκτόζη, ή άμυλο από αραβόσιτο, οι οποίες μετατρέπονται παρουσία του μύκητα Saccharomyces cerevisae σε αιθανόλη. Η αιθανόλη που παράγεται με αυτό τον τρόπο χρησιμοποιείται σε μείγμα με βενζίνη ως καύσιμο αυτοκινήτων. Η σημαντικότερη όμως εφαρμογή της αλκοολικής ζύμωσης είναι η παραγωγή αλκοολούχων ποτών. Τα πιο σημαντικά από αυτά είναι το κρασί, το οποίο παράγεται με ζύμωση των σακχάρων του σταφυλιού, και η μπίρα, η οποία παράγεται με ζύμωση των σακχάρων που περιέχονται στους σπόρους διάφορων σιτηρών.

Στην Ευρώπη για την παραγωγή κρασιού χρησιμοποιούνται ποικιλίες αμπέλου που ανήκουν στο είδος Vitis vinifera

Τα σταφύλια συλλέγονται όταν ωριμάσουν, οπότε και η συγκέντρωση των σακχάρων είναι αρκετά υψηλή. Στη συνέχεια συνθλίβονται με μηχανικό τρόπο και παράγεται ο μούστος, που είναι πλούσιος σε σάκχαρα. Η ζύμωση του μούστου γίνεται σε δύο στάδια. Στο αρχικό στάδιο ο μύκητας αναπτύσσεται κάτω από αερόβιες συνθήκες. Όταν εξαντληθεί το οξυγόνο που περιέχεται στο μούστο, αναστέλλεται η ανάπτυξη του μύκητα και αρχίζει η αναερόβια μετατροπή των σακχάρων σε αιθυλική αλκοόλη. Οι ζύμες όμως δεν μπορούν να επιβιώσουν σε συγκέντρωση αλκοόλης μεγαλύτερη από 14%, έτσι με την αύξηση της συγκέντρωσης της αλκοόλης στο μούστο ολοκληρώνεται η ζύμωση.

Η διαδικασία της ζύμωσης πραγματοποιείται σε θερμοκρασία 21-24°C, διότι οι ζύμες αδρανοποιούνται σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Η ζύμωση πραγματοποιείται είτε από μύκητες φυσικού τύπου, που υπάρχουν στα σταφύλια όταν αυτά συλλέγονται, είτε από ειδικούς μύκητες που αναπτύσσονται σε εργαστηριακή καλλιέργεια. Οι τελευταίοι μπορούν και αναπτύσσονται σε μεγαλύτερη συγκέντρωση αλκοόλης από τους φυσικούς. Η ποιότητα του κρασιού που παράγεται εξαρτάται από την ποικιλία της αμπέλου που χρησιμοποιείται, από το συγκεκριμένο είδος του ζυμομύκητα που πραγματοποίησε την αλκοολική ζύμωση και από τις συνθήκες ζύμωσης. Γενικά, τα κόκκινα κρασιά έχουν υψηλότερη συγκέντρωση αλκοόλης και περισσότερο άρωμα από τα λευκά (Εικόνα 10.2).

Η πρώτη ύλη για την παραγωγή μπίρας είναι οι σπόροι κριθαριού και σε μερικές περιπτώσεις σιταριού. Οι σπόροι

Αφρώδης οίνος

ΕικόναΣύμφωνα με την παράδοση ο πρώτος που παρασκεύασε αυτό τον τύπο κρασιού ήταν ο Βενεδικτίνος μοναχός Dom Perignon. Για την παραγωγή αφρώδους οίνου χρησιμοποιούνται συγκεκριμένες ποικιλίες αμπέλου: λευκό Chardonnay, Pinot Noir και Pinot Meunier. Η διαδικασία παραγωγής περιλαμβάνει δύο διαδοχικές ζυμώσεις. Στην πρώτη ο μούστος μετατρέπεται σε κρασί. Μόλις ολοκληρωθεί η πρώτη ζύμωση, προστίθεται μία μικρή ποσότητα κρασιού, ζάχαρης και ζυμομήκητα (liqueur de tirage) και η φιάλη σφραγίζεται. Το μείγμα αυτό ξεκινάει μία δεύτερη ζύμωση κατά την οποία παράγεται CΟ2, το οποίο, επειδή δεν μπορεί να διαφύγει, παραμένει στο μπουκάλι. Στη συνέχεια η φιάλη τοποθετείται υπό γωνία με το λαιμό προς τα κάτω. Με αυτό τον τρόπο συσσωρεύονται στο λαιμό της φιάλης οι μύκητες και τα υπόλοιπα στερεά κατάλοιπα της ζύμωσης (κατακάθι). Για να απομακρυνθεί το κατακάθι, ψύχεται ο λαιμός και ανοίγεται το πώμα. Τέλος η φιάλη σφραγίζεται, για να ολοκληρωθεί η ζύμωση. Η ονομασία του αφρώδους οίνου έχει συνδεθεί με την περιοχή Champagne της νοτιοανατολικής Γαλλίας, όπου άρχισε να παράγεται σε σημαντικές ποσότητες στα τέλη του 17ου αιώνα. Για τους αφρώδεις οίνους που παράγονται σε άλλες χώρες εκτός της Γαλλίας, δεν επιτρέπεται η χρήση της εμπορικής ονομασίας Champagne. Έτσι, για παράδειγμα, ο αφρώδης οίνος στην Ιταλία έχει την εμπορική ονομασία Spumante και στη Γερμανία Sekt.

Εικόνα 10.4

Εικόνα 9.7 Στάδια παραγωγής φαρμακευτικών πρωτεϊνών στο γάλα διαγονιδιακών ζώων.

επωάζονται σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας που ευνοούν τη μερική βλάστηση, οπότε το άμυλο το οποίο περιέχουν μετατρέπεται σε σάκχαρα όπως η μαλτόζη. Η διαδικασία της βλάστησης τερματίζεται με θέρμανση στους 80°C. Οι σπόροι στη συνέχεια σπάνε μηχανικά και τα σάκχαρα εκχυλίζονται με ζεστό νερό. Στο εκχύλισμα προστίθεται λυκίσκος, βότανο με αντιμικροβιακές ιδιότητες, που προσδίδει άρωμα στο ποτό, και στη συνέχεια συμπυκνώνεται με βρασμό. Η ζύμωση των σακχάρων που περιέχονται στο εκχύλισμα πραγματοποιείται με τη βοήθεια μυκήτων. Τα προϊόντα της αναερόβιας ζύμωσης είναι η αιθανόλη, που φτάνει σε τελική συγκέντρωση 3.5-8% και το CΟ2 (εικόνα 10.3).

Τα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι προϊόντα ζυμώσεων

Η ζύμωση των σακχάρων του γάλακτος παράγει μεγάλη ποικιλία προϊόντων. Τα διαφορετικά είδη προϊόντων εξαρτώνται από τη σύνθεση του γάλακτος (πλήρες ή ημιαποβουτυρωμένο, από αιγοπρόβατα ή βοοειδή κτλ.), από το είδος των μικροοργανισμών, από τις συνθήκες ζύμωσης και από τα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται. Η χαρακτηριστική αντίδραση ζύμωσης αφορά τη μετατροπή των σακχάρων, όπως της γλυκόζης, που περιέχονται στο γάλα σε γαλακτικό οξύ.

C6H12Ο6 - 2CH3CHOHCOOH

Η παραγωγή του γαλακτικού οξέος μειώνει το pH του προϊόντος δίνοντας τη δυνατότητα συντήρησης του για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Γιαούρτι

Το γιαούρτι είναι προϊόν ζύμωσης του γάλακτος (Εικόνα 10.4). Για την παρασκευή του μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι γάλακτος όπως το πλήρες, το ημιαποβουτυρωμένο κτλ. Το γάλα που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή γιαουρτιού αρχικά παστεριώνεται (στους 72°C για 15 λεπτά), για να καταστραφούν οι παθογόνοι μικροοργανισμοί που περιέχονται σε αυτό. Στη συνέχεια προστίθεται καλλιέργεια μικροοργανισμών, όπως του γένους Lactobacillus και Streptococcus, που μετατρέπουν τη λακτόζη (δισακχαρίτης) του γάλακτος σε γαλακτικό οξύ, μειώνοντας το pH του γάλακτος σε 5,5 και προσδίδουν στο γιαούρτι τη χαρακτηριστική κρεμώδη υφή. Οι μικροοργανισμοί αυτοί παράγουν επίσης αιθανάλη (ακεταλδεΰδη), που προσδίδει χαρακτηριστικό άρωμα στο γιαούρτι. Για την πραγματοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων το γάλα επωάζεται για 12 ώρες στους 32°C.

Εκτός από τη θρεπτική αξία του, το γιαούρτι προσφέρει τη δυνατότητα αξιοποίησης των πλεονασμάτων γάλακτος, αφού είναι ένα προϊόν με υψηλή θρεπτική αξία, που μπορεί να διατηρηθεί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ότι το γάλα.

Παραγωγή τυριού

Η παραδοσιακή παραγωγή τυριών περιελάμβανε τη χρήση μικροοργανισμών, που μετέτρεπαν τη λακτόζη και τα υπόλοιπα σάκχαρα του γάλακτος σε γαλακτικό οξύ με επακόλουθη μείωοη του pH, καθώς και την προσθήκη πυτιάς, που περιέχει ένα ένζυμο, τη ρεννίνη, από το στομάχι μόσχου. Η ρεννίνη υδρολύει την καζεΐνη (πρωτείνη του γάλακτος). Με αυτό τον τρόπο σχηματίζονται «συσσωματώματα» πλούσια σε πρωτεΐνη και λίπος (τυρόπηγμα) (Εικόνα 10.5). Στις σύγχρονες τυροκομικές μονάδες χρησιμοποιείται παστεριωμένο γάλα, στο οποίο προστίθεται καλλιέργεια βακτηρίων γαλακτικού οξέος και ρεννίνη, που έχει

κεφάλαιο 10

Τυρί με τρύπες

Όπως και στον Obelix μπορεί και σε εμάς να φαίνεται παράξενο ότι σε μερικούς τύπους τυριών, όπως στο τυρί Emental, υπάρχουν στην τυρομάζα τρύπες. Στο τυρί Emental οι «τρύπες» δημιουργούνται από το C02, που απελευθερώνεται και δεν μπορεί να διαφύγει από την τυρομάζα κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. To CΟ2, μαζί με το προπιονικό οξύ, που προσδίδει χαρακτηριστικό άρωμα στο τυρί, είναι προϊόν μεταβολισμού του μικροοργανισμού Propionbacterium shermanii.

Εικόνα

Εικόνα 10.6 Βιομηχανική παραγωγή προϊόντων από μικροοργανισμούς.

Εικόνα 10.6

Εικόνα 10.5

Εικόνα 10.5 Παρασκευή τυριού.

παραχθεί από βακτήρια. Η παρασκευή των διάφορων ειδών τυριού οφείλεται στη χρησιμοποίηση διαφορετικών μικροοργανισμών.

Άλλα προϊόντα μικροβιακών ζυμώσεων

Εκτός από την παραγωγή βιομάζας, τροφίμων και αιθανόλης, οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται για την παραγωγή και άλλων προϊόντων, όπως ενζύμων, αντιβιοτικών, προσθέτων τροφίμων κτλ., τα οποία έχουν εφαρμογές στη βιομηχανία των τροφίμων, στην Ιατρική, στην Αναλυτική Χημεία, στην έρευνα (Εικόνα 10.6),

Τα προϊόντα αυτά τα οποία παράγονται κατά τη ζύμωση εξαρτώνται από:

  • Το συγκεκριμένο οργανισμό.
  • Τις συνθήκες της ζύμωσης (θρεπτικό υλικό, θερμοκρασία, pH, Ο2).
  • Τη φάση ανάπτυξης της καλλιέργειας.

Το σύνολο των προϊόντων που παράγονται από τους οργανισμούς φυσικού τύπου είναι σε μικρές συνήθως ποσότητες που όμως επαρκούν για να καλύψουν τις μεταβολικές ανάγκες τους. Είναι όμως προφανές ότι για να είναι πρακτικά χρήσιμος ένας μικροοργανισμός, πρέπει να παράγει προϊόντα, όπως ένζυμα ή αντιβιοτικά, σε μεγάλες ποσότητες. Αυτό επιτυγχάνεται με δύο κυρίως τρόπους: με τη ρύθμιση των συνθηκών της καλλιέργειας και με τη γενετική τροποποίηση των οργανισμών.

Παραγωγή ενζύμων

Εκτός από μικρό αριθμό ενζύμων που παράγονται από ζωικά και φυτικά κύτταρα τα περισσότερα ένζυμα παράγονται από μικροοργανισμούς. Οι μικροοργανισμοί έχουν τη δυνατότητα παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων ενζύμων.

Η Βιοτεχνολογία με αριθμούς

1000 L καλλιέργειας Bacillus subtilis παράγουν σε 12 ώρες 20 Kg ενζύμου.

Τα ένζυμα και οι χυμοί φρούτων

Αν σας λέγανε τα διαλέξετε κάποιο φρούτο που είναι αποδοτικό σε παραγωγή χυμού μάλλον θα διαλέγατε το πορτοκάλι, ίσως το λεμόνι αλλά σε καμία περίπτωση το μήλο. Πώς όμως βλέπουμε στις προθήκες των καταστημάτων πλήθος εμπορικών συσκευασιών με χυμό μήλου, αν η απόδοση των μήλων σε χυμό είναι πολύ μικρή: Την απάντηση τη δίνουν οι μικροοργανισμοί και τα ένζυμα που παράγουν. Θα έχετε παρατηρήσει ότι τα υπερώριμα ή «χαλασμένα» μήλα είναι πολύ μαλακά. Αυτό οφείλεται στη δράση του ενζύμου πεκτινάση, το οποίο παράγεται από μικροοργανισμούς που βρίσκονται στο μήλο. Το ένζυμο αυτό διασπά την πηκτίνη, που είναι συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των φυτικών κυττάρων, διευκολύνοντας την έξοδο του χυμού από το κύτταρο. Επιπρόσθετα, η πηκτίνη συγκρατεί σαν είδος κόλλας τα κύτταρα μεταξύ τους. Η πεκτινάση που παράγεται με μεθόδους βιοτεχνολογίας χρησιμοποιείται για να ξεχωρίζει τα κύτταρα και να διασπά το τοίχωμά τους. Με αυτό τον τρόπο απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα χυμού από τα κύτταρα του μήλου.

Οι μεταλλάξεις βοηθούν
στη βελτίωση των απορρυπαντικών

Η σουπτιλισίνη είναι μια πρωτεάση που παράγεται από βακτήρια του γένους Bacillus και χρησιμοποιείται ως ένζυμο στις σκόνες πλυσίματος ρούχων. Στα αρχικά στάδια της χρησιμοποίησής της παρατηρήθηκε αναστολή δράσης του ενζύμου παρουσία λευκαντικών. Βρέθηκε ότι το 02 που απελευθερωνόταν από τα λευκαντικά οξείδωνε το αμινοξύ μεθειονίνη στη θέση 222 της πολυπεπτιδικής αλυσίδας του ενζύμου. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την παρεμπόδιση δέσμευσης του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο του ενζύμου και συνεπώς την αδρανοποίησή του. Με τοποκατευθυνόμενη μετάλλαξη (τεχνική δημιουργίας μεταλλάξεων σε συγκεκριμένο σημείο του γονιδίου) δημιουργήθηκαν 19 τροποποιημένα γονίδια για την παραγωγή σουπτιλισίνης. Στην περίπτωση που η μεθειονίνη στη θέση 222 είχε αντικατασταθεί από κυστεΐνη το ένζυμο ήταν περισσότερο δραστικό, 138% σε σχέση με το αρχικό, αλλά η δράση του αναστελλόταν από τα λευκαντικά. Στην περίπτωση που στη θέση της μεθειονίνης υπήρχε αλανίνη ή σερίνη παρατηρήθηκε μείωση της δραστικότητας του ενζύμου, 53% και 35% αντίστοιχα σε σχέση με το αρχικό, αλλά εξακολουθούσε να είναι δραστικό παρουσία λευκαντικών. Με αντίστοιχη μεθοδολογία έγινε δυνατό να «προστεθούν» στο μόριο του ενζύμου δύο -S-S- δεσμοί, που αυξάνουν τη θερμοσταθερότητά του. Το ένζυμο λοιπόν που παράγεται σήμερα είναι δραστικό σε υψηλή θερμοκρασία παρουσία λευκαντικών.

Jeans κα Escherichia coli

ΕικόναΔιάφορα ασιατικά είδη του φυτού γένους Indigo περιέχουν το γλυκοζίδιο ινδικάνη. Όταν αυτή η ένωση οξειδωθεί, παράγει τη βαφική ύλη ινδικό (λουλάκι), που χρησιμοποιείται σήμερα κυρίως στη βαφή των υφασμάτων jean. Το ινδικό, το οποίο έχει βαθύ κυανό χρώμα που διαρκεί, χρησιμοποιήθηκε στην αρχαιότητα από τους Αιγυπτίους και τους Ρωμαίους για τη βαφή των ενδυμάτων. Στην Ευρώπη χρησιμοποιήθηκε ευρέως τον 16ο αιώνα. Η ανακάλυψη της χημικής δομής του ινδικού το 1883 έδωσε τη δυνατότητα σύνθεσης της βαφικής ύλης με χημικές μεθόδους. Το 1993 επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η Escherichia coli μπορεί να μετατρέψει τη γλυκόζη αρχικά στο αμινοξύ τρυπτοφάνη και στη συνέχεια σε ινδόλη, ουσία πρόδρομη του ινδικού. Με την ενσωμάτωση στο γενετικό υλικό της Escherichia coli γονιδίων από άλλα βακτήρια έγινε δυνατή η παραγωγή ινδικού από γλυκόζη. Ο τρόπος αυτός παραγωγής βοηθά στο να αποφευχθούν τα προβλήματα από τη συνθετική παρασκευή του ινδικού.

κεφάλαιο 10

Τα περισσότερα από τα ένζυμα που παράγουν οι μικροοργανισμοί είναι εξωκυτταρικά, δηλαδή εκκρίνονται έξω από το κύτταρο. Το γεγονός αυτό είναι σημαντικό, γιατί απλοποιεί τη διαδικασία και μειώνει κατά συνέπεια το κόστος απομόνωσης και καθαρισμού των ενζύμων. Επιπρόσθετα, επειδή οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται σε ποικιλία περιβαλλοντικών συνθηκών, είναι δυνατή η παραγωγή ενζύμων που παραμένουν λειτουργικά σε ακραίες συνθήκες, όπως σε υψηλή θερμοκρασία.

Ένζυμα και απορρυπαντικό

Η πρώτη «βιολογική» σκόνη πλυσίματος παρασκευάστηκε το 1913. Τα εμπορικά προϊόντα που κυκλοφορούν σήμερα περιέχουν μικρά ποσά ενζύμων (2-3% σε σύνολο 10% πρωτεΐνης). Τα ένζυμα που περιέχονται, κατά κανόνα πρωτεάσες και λιπάσες, χρησιμεύουν για τη διάσπαση πρωτεϊνικών (π.χ. αίμα) ή λιπαρών (π.χ. λάδι) λεκέδων αντίστοιχα. Η αγορά των απορρυπαντικών απορροφά ένα μεγάλο ποσοστό των παραγόμενων ενζύμων γενικής δράσης.

Ένζυμα όπως κυτταρινάση και αμυλάση χρησιμοποιούνται για το «πετροπλύσιμο» των jeans με αποτέλεσμα τα τελευταία να ξεβάφουν και να μαλακώνουν. Βιομεταλλουργία

Τα μέταλλα εξορύσσονται από τα μεταλλεύματα με τη χρήση ειδικών φυσικών και χημικών μεθόδων. Η εκμετάλλευση ενός μεταλλεύματος είναι αποδοτική, εάν το μετάλλευμα περιέχει σε μεγάλη συγκέντρωση το μέταλλο που παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον και η διαδικασία εξόρυξης και απομόνωσης του μετάλλου είναι οικονομικά συμφέρουσα.

Υπάρχουν βακτήρια που χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν την αποδοτικότητα της εκμετάλλευσης ορυκτών τα οποία έχουν χαμηλή συγκέντρωση μετάλλου.

0 Thiobacillus ferooxidans, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται για την εξαγωγή χαλκού από μεταλλεύματα όπως ο χαλκοπυρίτης (CuFeS2). Μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται επίσης και για την εξαγωγή άλλων μετάλλων όπως του ουρανίου, του κοβαλτίου και του μολύβδου (Εικόνα 10.8).

Η χρησιμοποίηση βακτηρίων για την εξόρυξη μετάλλων προσφέρει μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως:

  • Επιτρέπει την εκμετάλλευση μεταλλευμάτων με χαμηλή περιεκτικότητα σε μέταλλα.

Εικόνα 10.8 Έκπλυση μεταλλευμάτων χαμηλής περιεκτικότητας σε Cu με τη χρήση του βακτηρίου Thiobacillus ferooxidans. Από την κορυφή του σωρού διοχετεύεται νερό με H2S04 που ξεπλένει το μετάλλευμα. Στο τέλος της διαδρομής το διάλυμα είναι πλούσιο σε Cu.

Εικόνα 10.7

Εικόνα 10.7 Σκόνη απορρυπαντικού.

  • Αποφεύγεται η εξόρυξη σε βάθος, διότι γίνεται δυνατή η έκπλυση των μετάλλων από επιφανειακά στρώματα του κοιτάσματος.
  • Συνεισφέρει στην προστασία του περιβάλλοντος επειδή γίνεται σημαντική οικονομία σε ενέργεια. Δίχως τους μικροοργανισμούς είναι απαραίτητη η θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία του ορυκτού και συνεπώς η αύξηση της εκπομπής ρύπων στην ατμόσφαιρα.

Εικόνα 10.8

Περίληψη

Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία με σκοπό την παραγωγή βιομάζας και σειράς προϊόντων όπως ενζύμων και αντιβιοτικών. Βιομάζα είναι τα κύτταρα των μικροοργανισμών που παράγονται ύστερα από τη ζύμωση σε βιοαντιδραστήρες. Η βιομάζα χρησιμοποιείται κυρίως ως τροφή για τα ζώα, λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς της σε πρωτεΐνες και άλλα συστατικά. Οι ζυμομύκητες είναι μονοκύτταροι μύκητες που μετατρέπουν, κάτω από αναερόβιες συνθήκες, μονοσακχαρίτες σε αιθανόλη και C02. Στην αντίδραση αυτή βασίζεται τόσο το φούσκωμα της ζύμης για την παραγωγή ψωμιού όσο και η παραγωγή αλκοολούχων ποτών. Το κρασί παράγεται όταν τα σάκχαρα που περιέχονται στο μούστο μετατρέπονται σε αιθανόλη. Η μπίρα παράγεται από τη μετατροπή σακχάρων, που περιέχονται σε σπόρους δημητριακών, σε αιθανόλη. Τα γαλακτοκομικά προϊόντα παράγονται από τη μετατροπή, με τη βοήθεια συγκεκριμένων οργανισμών, όπως του Lactobacillus και Streptococcus, των σακχάρων που περιέχονται στο γάλα, κυρίως σε γαλακτικό οξύ. Οι διαφορές ανάμεσα στα είδη τυριών που παράγονται οφείλονται στα διάφορα είδη μικροοργανισμών που χρησιμοποιούνται. Οι μικροοργανισμοί παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα για την παραγωγή ενζύμων. Παράγουν σε σύντομο χρονικό διάστημα μεγάλες ποσότητες ενζύμων, τα περισσότερα από τα οποία είναι εξωκυτταρικά, γεγονός που διευκολύνει τον καθαρισμό τους. Η πλειονότητα των παραγόμενων ενζύμων ανήκει στην κατηγορία των υδρολυτικών ενζύμων όπως οι αμυλάσες, οι πρωτεάσες και οι λιπάσες. Το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγωγής ενζύμων διοχετεύεται στη βιομηχανία παραγωγής απορρυπαντικών.

Ερωτήσεις

1. Η αλκοολική και η γαλακτική ζύμωση, οι οποίες πραγματοποιούνται με τη βοήθεια μικροοργανισμών, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μιας σειράς προϊόντων.Να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα αναφέροντας δύο προϊόντα για κάθε τύπο ζύμωσης, καθώς και την πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τους.

Εικόνα

2. Αναφέρετε τρία συγκριτικά πλεονεκτήματα χρησιμοποίησης μικροοργανισμών για την παραγωγή ενζύμων.

3. Ονομάστε τρεις μικροοργανισμούς που χρησιμοποιούνται σε ζυμώσεις και αναφέρετε τα προϊόντα τους.

4. Η παρακάτω καμπύλη αναπαριστά την ταχύτητα αντίδρασης του ενζύμου πρωτεάση σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Χρησιμοποιώντας την καμπύλη αυτή

Εικόνα

προσδιορίστε την άριστη θερμοκρασία για ένα απορρυπαντικό που περιέχει πρωτεάση. Υπολογίστε σε ποιο ποσοστό θα μειωθεί η αποτελεσματικότητά του απορρυπαντικού, εάν χρησιμοποιηθεί σε θερμοκρασία 10 °C μικρότερη από την άριστη.

5. Εντοπίστε ποιες από τις παρακάτω εφαρμογές των μικροοργανισμών περιλαμβάνουν αερόβιες και ποιες αναερόβιες διαδικασίες:

α. Παρασκευή μπίρας

β. Εξαγωγή μετάλλων από μετάλλευμα χαμηλής περιεκτικότητας

γ. Παραγωγή γιαουρτιού

δ. Παραγωγή κρασιού.

6. Να συμπληρώσετε με τις κατάλληλες λέξεις τα κενά:
Η πρώτη εφαρμογή παραγωγής βιομάζας αφορά την παραγωγή ..................... Η ....................... χρησιμοποιείται κυρίως στην αρτοποιία για την παραγωγή ............................. Οι ......................... διασπούν τη γλυκόζη που περιέχεται στο αλεύρι και απελευθερώνουν αιθυλική αλκοόλη και ............................. Το τελευταίο βοηθά στο ......................... του ψωμιού.

7. Πού χρησιμοποιείται η αλκοολική ζύμωση;

α. Για την παραγωγή ψωμιού

β. Για την παραγωγή κρασιού

γ. Για τη βιομηχανική παραγωγή αλκοόλης

δ. Για την παραγωγή μπίρας

ε. Όλα τα παραπάνω.

8. Ποιες είναι οι διαφορές ανάμεσα στον παραδοσιακό τρόπο παραγωγής τυριού και σε αυτόν που χρησιμοποιεί μεθόδους Βιοτεχνολογίας;

κεφάλαιο 10

Εργασίες - Δραστηριότητες

Οργανώστε επίσκεψη σε εργοστάσιο παραγωγής γαλακτοκομικών προϊόντων. Ύστερα από την ολοκλήρωση της επίσκεψης ετοιμάστε και παρουσιάστε διάγραμμα ροής, που θα περιγράφει τα στάδια παραγωγής γιαουρτιού. Οργανώστε επίσκεψη σε οινοποιείο ή σε εργοστάσιο παραγωγής μπίρας. Συγκεντρώστε πληροφορίες για τον τρόπο παραγωγής τους. Ύστερα από την ολοκλήρωση της επίσκεψης ετοιμάστε και παρουσιάστε ένα διάγραμμα ροής, που θα περιγράφει τα στάδια παραγωγής κρασιού ή μπίρας.