Ebook Przemysłowe wykorzystanie mikroorganizmów Mieczysław Kazimierz Błaszczyk, Agata Goryluk-Salmonowicz

Spis treści ebooka Przemysłowe wykorzystanie mikroorganizmów

1. Krótka historia mikrobiologii przemysłowej 13
1.1. Wprowadzenie 13
1.2. Ery rozwoju mikrobiologii przemysłowej 14
1.2.1. Era przedpasteurowska (przed 1865 r.) 14
1.2.2. Era Pasteura (lata 1850–1890) 14
1.2.3. Era rozwoju biochemii i nowych produktów (lata 1890–1940) 15
1.2.4. Era antybiotyków (lata 1940–1960) 16
1.2.5. Era postantybiotykowa (lata 1960–1975) 18
1.2.6. Era nowej biotechnologii (po 1975 r.) 19
1.3. Główne procesy w mikrobiologii przemysłowej 24
1.3.1. Upstream processes 24
1.3.2. Procesy fermentacji 25
1.3.3. Downstream processes 25
1.3.4. Skale hodowli mikroorganizmów 25
1.3.5. Skala produkcji przemysłowej zależna od parametrów fermentacji 26
1.4. Bioaktywne związki pozyskiwane z organizmów 27
Literatura rekomendowana 31
2. Ulepszanie mikroorganizmów przemysłowych 33
2.1. Wprowadzenie 33
2.2. Metabolity produkowane przez mikroorganizmy 34
2.2.1. Metabolity pierwotne 34
2.2.2. Metabolity wtórne 37
2.3. Mikroorganizmy stosowane w mikrobiologii przemysłowej 39
2.3.1. Bakterie 39
2.3.2. Drożdże 40
2.3.3. Grzyby strzępkowe 41
2.4. Izolacja mikroorganizmów przemysłowych 42
2.5. Ważniejsze kolekcje szczepów 44
2.6. Cechy szczepów przemysłowych 47
2.7. Manipulacje genetyczne mikroorganizmów 48
2.7.1. Mutacje 49
2.7.2. Fuzja protoplastów 49
2.7.3. Klonowanie genów 50
2.7.4. Protokół pozyskania szczepu przemysłowego 51
2.7.5. Rekombinacja genetyczna 51
2.7.6. Metoda CRISPR/Cas 52
2.7.7. Inżynieria metaboliczna 54
2.8. Przechowywanie szczepów przemysłowych 58
2.8.1. Skosy/słupki agarowe 58
2.8.2. Przechowywanie szczepów w temperaturach ujemnych 58
2.8.3. Przechowywanie szczepów w szklanych kulkach 59
2.8.4. Szczepy liofilizowane 59
Literatura rekomendowana 59
3. Hodowle mikroorganizmów przemysłowych 61
3.1. Wprowadzenie 61
3.2. Hodowle okresowe 61
3.3. Hodowle okresowe z zasilaniem 64
3.4. Hodowle (fermentacje) ciągłe 66
3.5. Hodowle ciągłe z recyklingiem biomasy 67
3.6. Fermentacje 68
3.6.1. Fermentacja powierzchniowa w podłożu stałym (SSF) 69
3.6.2. Substraty stałe 72
3.6.3. Bioreaktory SSF 73
3.7. Fermentacja wgłębna (SmF) 80
3.7.1. Bioreaktory SmF 80
3.8. Wydajności w procesie fermentacji 86
3.8.1. Produktywność 86
3.8.2. Intensyfikacja fermentacji 87
3.8.3. Naturalne fermentacje zbóż 89
Literatura rekomendowana 90
4. Bakterie „workhorse” stosowane w mikrobiologii przemysłowej 91
4.1. Wprowadzenie 91
4.2. Escherichia coli 92
4.3. Corynebacterium glutamicum 96
4.4. Bacillus subtilis 102
4.5. Bacillus licheniformis 104
4.6. Pseudomonas putida 106
4.7. Vibrio natriegens 112
Literatura rekomendowana 112
5. Drożdże „workhorse” w mikrobiologii przemysłowej 115
5.1. Wprowadzenie 115
5.2. Enzymy spożywcze i paszowe produkowane przez drożdże 120
5.3. Metabolity produkowane przez drożdże 122
5.4. Katalityczne właściwości drożdży 124
5.5. Biofarmaceutyki produkowane przez drożdże 125
5.6. Inżynieria metaboliczna w Saccharomyces cerevisiae 127
5.7. Drożdże kumulujące oleje 128
5.8. Drożdże w strefie klimatu okołobiegunowego 129
5.9. Zastosowanie drożdży w przechowalniach płodów rolnych 130
5.10. Zastosowanie drożdży w środowisku 135
5.11. Saccharomyces cerevisiae 137
5.11.1. Produkcja chemikaliów 139
5.11.2. Kwas bursztynowy 139
5.11.3. Kwas itakonowy 140
5.11.4. Kwas 3-hydroksypropionowy 140
5.11.5. Kwas mlekowy 141
5.11.6. Produkcja wysokowartościowych związków chemicznych 142
5.12. Kluyveromyces lactis 143
5.13. Yarrowia lipolytica 146
5.14. Pichia pastoris 152
5.15. Hansenula polymorpha 156
5.16. Podsumowanie 162
Literatura rekomendowana 163
6. Grzyby strzępkowe jako „workhorse” w mikrobiologii przemysłowej 167
6.1. Wprowadzenie 167
6.2. Przykłady „workhorse” wśród grzybów strzępkowych 174
6.2.1. Aspergillus niger 174
6.2.2. Aspergillus oryzae 179
6.2.3. Aspergillus terreus 180
6.2.4. Aspergillus flavus 181
6.2.5. Aspergillus carbonarius 181
6.2.6. Penicillium chrysogenum 182
6.2.7. Trichoderma reesei 183
6.3. Znaczenie grzybów strzępkowych 188
Literatura rekomendowana 190
7. Enzymy produkowane w skali przemysłowej przez mikroorganizmy 191
7.1. Wprowadzenie 191
7.2. Enzymy produkowane przez mikroorganizmy o znaczeniu przemysłowym 193
7.2.1. Oksydoreduktazy (EC1) 193
7.2.2. Hydrolazy (EC3) 194
7.2.3. Izomerazy 203
7.2.4. Liaza 204
7.3. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych 204
7.3.1. Przemysł piekarniczy 204
7.3.2. Przemysł mleczarski 205
7.3.3. Produkcja napojów 206
7.3.4. Przemysł spożywczy 207
7.3.5. Przemysł paszowy 208
7.3.6. Przemysł farmaceutyczny i analityczny 210
7.3.7. Przemysł polimerowy 211
7.3.8. Przemysł papierniczy i celulozowy 211
7.3.9. Przemysł skórzany 212
7.3.10. Przemysł włókienniczy 212
7.3.11. Enzymy w kosmetykach 213
7.3.12. Enzymy w detergentach 213
7.3.13. Przemysł syntezy organicznej 214
7.3.14. Enzymy w oczyszczaniu ścieków 214
7.3.15. Inne gałęzie przemysłu 215
7.4. Podsumowanie 215
Literatura rekomendowana 217
8. Mikrobiologiczna produkcja napojów alkoholowych 219
8.1. Wprowadzenie 219
8.2. Związki organiczne obecne w napojach alkoholowych 220
8.3. Zanieczyszczenia w napojach alkoholowych 221
8.4. Produkcja piwa 222
8.4.1. Wprowadzenie 222
8.4.2. Rodzaje piwa 225
8.4.3. Szczepy stosowane do produkcji piwa 226
8.4.4. Jakościowy skład chemiczny piwa 226
8.5. Produkcja wina 228
8.5.1. Wprowadzenie 228
8.5.2. Szampan i wina musujące 229
8.5.3. Wina korzenne (wermuty), słodkie likiery i miody pitne 230
8.5.4. Fermentacja wina 231
8.6. Alkohole spirytusowe 234
8.6.1. Whisky 234
8.6.2. Rum 235
8.6.3. Winiaki 237
8.6.4. Pisco 240
8.6.5. Cachaça 241
8.6.6. Tequila 245
8.7. Wódki 249
8.8. Inne alkohole 249
8.9. Związki chemiczne w alkoholach 249
8.10. Niekonwencjonalna produkcja wyrobów alkoholowych 253
Literatura rekomendowana 257
9. Mikrobiologiczna produkcja rozpuszczalników 259
9.1. Wprowadzenie 259
9.2. Globalna produkcja etanolu 260
9.2.1. Biochemia fermentacji alkoholowej 261
9.2.2. Fermentacja alkoholowa prowadzona przez Saccharomyces cerevisiae 263
9.2.3. Fermentacja etanolowa prowadzona przez bakterie 264
9.2.4. Czynniki wpływające na produkcję etanolu 267
9.2.5. Surowce stosowane do mikrobiologicznej produkcji alkoholi 270
9.3. Mikrobiologiczna produkcja glicerolu 279
9.4. Fermentacja aceton–butanol–etanol (ABE) 281
9.4.1. Szlak produkcji 1-butanolu i izobutanolu 284
9.4.2. Produkcja 1-butanolu z biomasy celulozowej 288
Literatura rekomendowana 289
10. Mikrobiologiczna produkcja kwasów organicznych 291
10.1. Wprowadzenie 291
10.2. Kwas cytrynowy (C6H8O7) 291
10.2.1. Podstawy fermentacji kwasu cytrynowego 293
10.2.2. Natywne mikroorganizmy zdolne do produkcji kwasu cytrynowego 294
10.2.3. Surowce stosowane w fermentacji kwasu cytrynowego 295
10.2.4. Produkcja kwasu cytrynowego w hodowlach Aspergillus niger 295
10.2.5. Produkcja kwasu cytrynowego z zastosowaniem drożdży 298
10.2.6. Odzyskiwanie produktu fermentacji 299
10.2.7. Zastosowanie kwasu cytrynowego 300
10.3. Kwas mlekowy 300
10.3.1. Inżynieria genetyczna mikroorganizmów produkujących kwas mlekowy 301
10.3.2. Warunki produkcji kwasu mlekowego w procesie fermentacji 302
10.3.3. Rola hodowli bakteryjnych w produkcji kwasu mlekowego 302
10.3.4. Optymalizacja procesu fermentacji mlekowej 303
10.3.5. Oczyszczanie kwasu mlekowego 304
10.4. Kwas itakonowy (IA) 304
10.4.1. Inżynieria metaboliczna kwasu itakonowego Aspergillus terreus i Aspergillus niger 306
10.4.2. Zoptymalizowane warunki hodowli Aspergillus terreus DSM 23081 307
10.4.3. Zastosowanie kwasu itakonowego 307
10.5. Kwas octowy 308
10.5.1. Systemy produkcji kwasu octowego 308
10.5.2. Bakterie kwasu octowego 310
10.5.3. Skład chemiczny i jakość octu 311
10.5.4. Procesy starzenia octu 312
10.5.5. Ocena jakości produkowanego octu 312
10.6. Kwas glukonowy (GA) 313
10.7. Kwas bursztynowy 314
10.8. Inne kwasy organiczne 315
Literatura rekomendowana 315
11. Mikrobiologiczna produkcja aminokwasów 317
11.1. Wprowadzenie 317
11.2. Metody pozyskiwania aminokwasów 318
11.2.1. Ekstrakcja aminokwasów z hydrolizatów białkowych 318
11.2.2. Chemiczna synteza aminokwasów 320
11.2.3. Mikrobiologiczna produkcja aminokwasów 320
11.3. Procesy fermentacji związane z produkcją aminokwasów 323
11.3.1 Bakterie produkujące aminokwasy 323
11.3.2. Corynebacterium – „workhorse” w mikrobiologii przemysłowej 325
11.3.3. Pozyskiwanie i wykorzystanie substratu węglowego 326
11.3.4. Metabolizm azotu 327
11.3.5. Metabolizm fosforu 328
11.3.6. Metabolizm siarki 328
11.3.7. Przemysłowa produkcja L-lizyny w aspekcie historycznym 329
11.3.8. Genomy szczepów Corynebacterium glutamicum 330
11.3.9. Szlak syntezy L-lizyny przez Corynebacterium glutamicum 331
11.3.10. Maksymalna wydajność produkcji lizyny w hodowlach Corynebacterium glutamicum 333
11.3.11. Inżynieria metaboliczna w Corynebacterium glutamicum 335
11.3.12. Inżynieria metaboliczna w produkcji NADPH 337
11.3.13. Kwas glutaminowy produkowany przez Corynebacterium glutamicum 340
11.3.14. Biosynteza kwasu glutaminowego przez Corynebacterium glutamicum 341
11.3.15. Produkcja przemysłowa kwasu glutaminowego 342
11.3.16. Zastosowanie przemysłowe i rola terapeutyczna kwasu glutaminowego 343
Literatura rekomendowana 344
12. Mikrobiologiczna produkcja antybiotyków 347
12.1. Wprowadzenie 347
12.2. Podstawowa lista dziesięciu typów antybiotyków 352
12.2.1. Penicyliny 353
12.2.2. Tetracykliny 355
12.2.3. Cefalosporyny 356
12.2.4. Chinolony 356
12.2.5. Linkomycyny 359
12.2.6. Makrolidy 359
12.2.7. Sulfonamidy 360
12.2.8. Glikopeptydy 361
12.2.9. Aminoglikozydy 362
12.2.10. Karbapenemy 362
12.3. Przemysłowa produkcja penicylin, cefalosporyn i cefamycyny 363
12.3.1. Przemysłowa produkcja penicyliny 363
12.3.2. Półsyntetyczne β-laktamy 367
12.4. Streptomycyna 368
12.4.1. Mechanizm działania streptomycyny 368
12.4.2. Produkcja streptomycyny 369
12.4.3. Odzyskiwanie streptomycyny 370
Literatura rekomendowana 371
13. Mikrobiologiczna produkcja witamin i prowitamin 373
13.1. Wprowadzenie 373
13.2. Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach 376
13.2.1. Witamina A i prowitamina A 376
13.2.2. Witamina D 377
13.2.3. Witamina E 377
13.2.4. Witamina K 378
13.3. Witaminy rozpuszczalne w wodzie 378
13.3.1. Witamina B1 378
13.3.2. Witamina B2 378
13.3.3. Witamina B3 379
13.3.4. Witamina B5 380
13.3.5. Witamina B6 381
13.3.6. Witamina B7 382
13.3.7. Witamina B9 384
13.3.8. Witamina B12 384
13.4. Kwas askorbinowy 390
13.4.1. Szlaki syntezy kwasu askorbinowego 392
Literatura rekomendowana 396
14. Pigmenty produkowane przez mikroorganizmy 397
14.1. Wprowadzenie 397
14.2. Barwniki syntetyczne a naturalne pigmenty 398
14.3. Pozyskiwanie mikroorganizmów produkujących pigmenty 399
14.4. Nowatorskie strategie wzmacniające produkcję pigmentów bakteryjnych 400
14.5. Rodzaje pigmentów produkowanych przez mikroorganizmy 401
14.5.1. Pigmenty bakteryjne 404
14.5.2. Pigmenty grzybicze 404
14.6. Cechy pigmentów produkowanych przez mikroorganizmy 406
14.6.1. Pigmenty stosowane w przemyśle farmaceutycznym 407
14.6.2. Pigmenty jako barwniki stosowane w przemyśle włókienniczym 409
14.6.3. Pigmenty jako barwniki spożywcze 411
14.7. Lista pigmentów spożywczych 412
14.7.1. Pigmenty spożywcze bezpieczne dla zdrowia 412
14.7.2. Pigmenty spożywcze niebezpieczne dla zdrowia 416
14.7.3. Barwniki spożywcze o zalecanej ostrożności 421
14.7.4. Barwniki spożywcze podejrzane 421
14.8. Pigmenty powszechnie produkowane na drodze mikrobiologicznej w skali przemysłowej 422
14.8.1. Karotenoidy 422
14.8.2. Melaniny 423
14.8.3. Prodigiozyna 423
14.8.4. Wiolaceina 423
14.8.5. Ryboflawina 423
14.8.6. Piocyjanina 424
14.9. Mikrobiologiczna produkcja karotenoidów na skalę przemysłową 424
14.9.1. Główne szlaki biosyntezy karotenoidów 425
14.9.2. Naturalne źródła karotenoidów 425
14.9.3. Pozyskiwanie pigmentów karotenoidowych po fermentacji 425
14.9.4. Przykłady pigmentów karotenoidowych, ich zastosowanie oraz aktywność biologiczna 427
14.10. Podsumowanie 427
Literatura rekomendowana 428
15. Polimery produkowane przez mikroorganizmy i ich zastosowanie 431
15.1. Wprowadzenie 431
15.2. Poliestry 432
15.2.1. Mikroorganizmy produkujące PHA 433
15.2.2. Genetyczna regulacja produkcji PHA 434
15.2.3. Produkcja PHA przez Cupriavidus necator 435
15.2.4. Produkcja PHA przez rekombinant Escherichia coli 435
15.2.5. Zastosowanie PHA 435
15.3. Poliamidy 436
15.3.1. Biosynteza mikrobiologiczna γ‑PGA 438
15.3.2. Produkcja γ‑PGA 439
15.4. Polisacharydy bakteryjne 440
15.4.1. Ksantan 444
15.4.2. Lewan 450
15.4.3. Pullulan 453
15.4.4. Dekstran 459
Literatura rekomendowana 466

Szczegóły ebooka Przemysłowe wykorzystanie mikroorganizmów