МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Д.В.Філімоненко

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з дисципліни «Загальна біотехнологія»

для студентів денної та заочної форм навчання

напряму 6.051401 «Біотехнологія»

Затверджено

редакційно-видавничою секцією

науково-методичної ради ДДТУ

________________, протокол № __

Дніпродзержинськ

2011

Розповсюдження і тиражування без офіційного дозволу Дніпродзержинського державного технічного університету заборонено

Конспект лекцій з дисципліни „Загальна біотехнологія” для студентів денної та заочної форм навчання напряму 6.051401 „Біотехнологія”/ Укл.: старший викладач Філімоненко Д.В. – Дніпродзержинськ, ДДТУ, 2011. – 157 с.

Укладачі: ст. викладач Філімоненко Д.В.

Відповідальний за випуск: д.х.н., професор Кузнєцов О.О.

Рецензент: к.т.н., доцент кафедри ПБЗХ Маховський В.О.

Затверджено на засіданні кафедри

промислової біотехнології та загальної хімії,

протокол № __ від ____________ р.

Коротка анотація видання. Конспект лекцій складений з урахуванням робочої програми з дисципліни «Загальна біотехнологія», в якому наведені теми, які викладаються на лекційних заняттях.

Зміст

Вступ …………………………………………………………………..	4
Тема Т1. Предмет та значення біотехнологічної галузі. ……………	5
Тема Т4. Основні закономірності культивування мікроорганізмів та отримання продуктів мікробного синтезу ………………………..	9
Тема Т5. Біологічні агенти біотехнології …………………………….	16
Тема Т6. Поживні середовища в біотехнології ………………………	19
Тема Т8. Значення асептики в біотехнологічних процесах …………	38
Тема Т9. Теоретичні основи стерилізації ……………………………	46
Тема Т10. Стерилізація поживних середовищ ………………….	53
Тема Т11. Стерилізація апаратури й комунікацій ……………….	61
Тема Т12. Очищення та стерилізація повітря ……………………….	63
Тема Т13. Виробниче культивування мікроорганізмів. Поверхневе та глибинне культивування ………………………………	77
Тема Т14. Одержання посівного матеріалу ………………………….	94
Тема Т15. Технологічні схеми одержання культур мікроорганізмів …	105
Тема Т17. Екстрагування БАР із поверхневих культур ……………..	112
Тема Т18. Концентрування БАР методом вакуум-випарювання …..	116
Тема Т19. Мембранні методи очищення розчинів БАР …………...	119
Тема Т20. Процес ферментації ………………………………………	134
Тема Т21. Основні технологічні прийоми регуляції процесів мікробіологічного синтезу ………………………………..	142
Перелік посилань ……………………………………………………..	157

Вступ

Дисципліна “Загальна біотехнологія” є дисципліною бакалаврської підготовки фахівців-біотехнологів, належить до циклу професійної та практичної підготовки, що призначена надати базові знання з технологічного втілення процесів біосинтезу та отримання цінних речовин з використанням мікроорганізмів та інших біологічних об'єктів.

Дана дисципліна є одною з найбільш визначальних у підготовці майбутнього біотехнолога, що допомагає інтегрувати знання, отримані при вивченні таких дисциплін як «Загальна мікробіологія та вірусологія», «Біологія клітини», «Загальна біохімія», «Процеси і апарати біотехнологічних виробництв» та втілити їх у практичній діяльності.

Предметом дисципліни є вивчення технологій виробництва біологічно активних речовин або мікробних мас за допомогою біологічних агентів із застосуванням наукових та інженерних методів, опанування основ кінетики фізіологічних перетворень, вивчення методів моделювання клітинних популяцій. В рамках дисципліни розглядаються базові технологiї, якi застосовуються у різноманiтних напрямках біотехнології та медицини.

Метою дисципліни є вивчення умов і особливостей культивування біологічних агентів (БА) - продуцентів біологічно-активних речовин (БАР), процесів біосинтезу цільового продукту, методів керування процесами біосинтезу, способів та прийомів промислової реалізації біотехнологічного процесу, а також ознайомлення студентів із принципами розробки біотехнологій.

Тема т1. Предмет та значення біотехнологічної галузі

Біотехнологія (від грецької. bios - життя, techne - мистецтво, майстерність і logos - слово, навчання), використання живих організмів і біологічних процесів у виробництві. Біотехнологія - міждисциплінарна галузь, що виникнла на стику біологічних, хімічних і технічних наук. С розвитком біотехнології пов'язують вирішення глобальних проблем людства - ліквідацію недостачі продовольства, енергії, мінеральних ресурсів, поліпшення стана охорони здоров'я і якості навколишнього середовища.

Біотехнологія - це комплекс фундаментальних і прикладних наук, технічних засобів, спрямованих на одержання і використання клітин мікроорганізмів, тварин і рослин, а також продуктів їх життєдіяльності: ферментів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків та ін.

Біотехнологія, яка включає промислову мікробіологію, базується на використанні знань і методів біохімії, мікробіології, генетики і хімічної технології, що дає змогу діставати користь у технологічних процесах із властивостей мікроорганізмів та клітинних культур. Що стосується більш сучасних біотехнологічних процесів, то вони базуються на методахрекомбінантних ДНК, а також на використанні іммобілізованих ферментів, клітин і клітинних органел.

Основні напрямки досліджень:

• Розроблення наукових основ створення нових біотехнологій за допомогою методів молекулярної біології, генетичної та клітинної інженерії.

• Одержання й використання біомаси мікроорганізмів і продуктів мікробіологічного синтезу.

• Вивчення фізико-хімічних та біохімічних основ біотехнологічних процесів.

• Використання вірусів для створення нових біотехнологій.

Біотехнологія застосовується навколо нас у багатьох предметах щоденного вжитку - від одягу, який ми носимо, до сиру, який ми споживаємо.

Протягом століть фермери,пекарі та пивовари використовували традиційні технології для зміни та модифікації рослин та продуктів харчування - пшениця може слугувати давнім прикладом, а нектарин - одним з останніх прикладів цього. Сьогодні біотехнологія використовує сучасні наукові методи, які дозволяють покращити чи модифікувати рослини, тварини, мікроорганізми з більшою точністю та передбачуваністю.

Споживачі повинні мати можливість вибору з якомога ширшого переліку безпечних продуктів. Біотехнологія може надати споживачам можливість такого вибору - не лише в сільському господарстві, але також в медицині та паливних ресурсах. Біотехнологія пропонує величезні потенційні переваги. Розвинуті країни та країни, що розвиваються, повинні бути прямо зацікавлені у підтримці подальших досліджень, спрямованих на те, щоб біотехнологія могла повністю реалізувати свій потенціал. Біотехнологія допомагає довкіллю. Дозволяючи фермерам зменшити кількість пестицидів та гербіцидів, біотехнологічні продукти першого покоління призвели до зменшення їх використання в сільськогосподарській практиці, а майбутні продукти біотехнологій повинні принести ще більше переваг. Зменшення пестицидного і гербіцидного навантаження означає менший ризик токсичного забруднення ґрунтів та ґрунтових вод. Окрім того, гербіциди, які застосовуються в поєднанні з генетично модифікованими рослинами, часто є більш безпечними для довкілля, аніж гербіциди попереднього покоління, на зміну яким вони приходять. Культури, виведені методами біоінженерії, також ведуть до ширшого застосування безвідвальної обробки ґрунту, що в кінцевому рахунку призводить до зменшення втрат родючості ґрунту.

Величезний потенціал біотехнологія має і в боротьбі з голодом. Розвиток біотехнологій пропонує значні потенційні переваги для країн, що розвиваються, де понад мільярд жителів планети живуть в бідності та страждають від хронічного голоду. Через зростання врожайності та виведення культур, стійких до хвороб та посухи, біотехнологія може зменшити брак їжі для населення планети, яке станом на 2025 рік складатиме понад 8 мільярдів чоловік, що на 30% більше ніж сьогодні. Вчені створюють сільськогосподарські культури з новими властивостями, які допомагають їм виживати у несприятливих умовах посух та повеней.

Біотехнологія допомагає боротися з хворобами. Розвиваючи та покращуючи медицину, вона дає нові інструменти у боротьбі з ними. Саме біотехнологія дала нам медичні методи лікування кардіологічних хвороб: склерозу, гемофілії, гепатиту, та СНІДу. Сьогодні створюються біотехнологічні продукти харчування, які зроблять дешевими та доступними для найбіднішої частини населення планети життєво необхідні вітаміни та вакцини.

Внесок біотехнології в сільськогосподарське виробництво полягає в полегшенні традиційних методів селекції рослин і тварин і розробці нових технологій, що дозволяють підвищити ефективність сільського господарства. У багатьох країнах методами генетичної і клітинної інженерії створені високопродуктивні і стійкі до шкідників, хворобам, гербіцидам сорту сільськогосподарських рослин. Розроблена техніка оздоровлення рослин від накопичених інфекцій, що особливо важливо для вегетативно що розмножуються культур (картопля й ез.). Як одна з найважливіших проблем біотехнології у усьому світі широко досліджується можливість керування процесом азотфіксації, у тому числі можливість уведення генів азотфіксації в геном корисних рослин, а також процесом фотосинтезу. Ведуться дослідження з поліпшення амінокислотного складу рослинних білків. Розробляються нові регулятори росту рослин, мікробіологічні засоби захисту рослин від хвороб і шкідників, бактеріальні добрива. Геноінженерні вакцини, сироватки, моноклональні антитіла використовують для профілактики, діагностики і терапії основних хвороб сільськогосподарських тварин. У створенні більш ефективних технологій племінної справи застосовують геноінженерний гормон росту, а також техніку трансплантації і мікроманіпуляцій на ембріонах домашніх тварин. Для підвищення продуктивності тварин використовують кормовий білок, отриманий мікробіологічним синтезом.

Біотехнологічні процеси з використанням мікроорганізмів і ферментів уже на сучасному технічному рівні широко застосовуються у харчовій промисловості. Промислове вирощування мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин використовують для одержання багатьох цінних сполук – ферментів, гормонів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків,метанолу, органічних кислот (оцтової, лимонної, молочної) і т. д. За допомогою мікроорганізмів проводять біотрансформацію одних органічних сполук в інші (наприклад, сорбітау фруктозу). Широке застосування в різноманітних виробництвах одержали іммобілізовані ферменти. Для виділення біологічно активних речовин зі складних сумішей використовують моноклональні антитіла. А. С. Спіріним у 1985—1988 розроблені принципи ез клітинного синтезу білка, коли замість клітин застосовуються спеціальні біореактори, що містять необхідний набір очищених клітинних компонентів. Цей метод дозволяє одержувати різні типи білків і може бути ефективним у виробництві. Багато промислових технологій заміняються технологіями, що використовують ферменти і мікроорганізми. Такі біотехнологічні методи переробки сільськогосподарських, промислових і побутових відходів, очищення і використання стічних вод для одержання біогазу і добрив. У ряді країн за допомогою мікроорганізмів одержують етиловий спирт, що використовують як пальне для автомобілів (у Бразилії, де паливний спирт широко застосовується, його одержують із цукрового очерету й інших рослин). На спроможності різноманітних бактерій перекладати метали в розчинні сполуки або накопичувати їх у собі заснований витяг багатьох металів із бідних руд або стічних вод.

Контрольні питання до теми Т1:

1. Що вивчає біотехнологія?

2. Основні напрями досліджень біотехнології.

3. Сфери використання продуктів біотехнології.