Биотехнология

Биотехнология – область биологической науки и производства , использующая биологические объекты ( микроорганизмы , клетки , ткани ) и процессы для получения разнообразных билогических соединений , необходимых человеку

• Исторически биотехнология возникла на основе традиционных микробиологических ( большей частью бродильных ) производств ; многие биотехнологические технологии неосознанно применялись в древности при получении хлеба , вина , пива , кисломолочных продуктов ( простокваши , сыра )

• Биотехнология возникла на стыке наук с 70-х годов прошлого столетия , неразрывно связана и опирается на достижения молекулярной биологии , биохимии , микробиологии , генетики , селекции , экологии и др

• Является приоритетной наукой XXI века и уже сейчас играет определяющую роль в научно-техническом прогрессе , от успехов которой в значительной степени зависит будущее человечества

Задачи биотехноглгии

1. Получение кормового и пищевого белка из дешового природного сырья и отходов промышленности ( основа решения продовольственной проблемы )

2. Получение достаточного количесства и ассортимента антибиотиков для лечения человека , животных и борьбы с болезнями растений

3. Производство ферментов , необходимых для получения многих продуктов питания , медицинских препаратов , промышленных продуктов

4. Создание организмов с новыми заданными наследственными свойствами ( трансгенных )

5. Получения широкого спектра органических соединений ( витаминов , ферментов , аминокислот , биоактивных веществ , новых лекарств , средств защиты растений , стимуляторов роста и т . д . ) ; получение новых материалов , ранее не известных человеку

6. Охрана окружающей среды , биологическая очистка промышленных стоков , воды , воздуха , утилизация бытовых и промышленных отходов , создание безотходных производств

7. Биологическая защита растений

8. Создание альтернативных возобновляемых источников энергии , энерго- и ресурсосберегающих производств

9. Создание новых технологий получения репродуктивного материала в сельском хозяйстве

10. Познание фундаментальных основ молекулярной биологии и других биологических феноменов

11. Клонирование организмов , получение иммуннокомпетентного трансплантационного материала

12. Создание новых видов одноклеточных организмов и их использование для нужд производства

Отрасли современной биотехнологии

• Микробиологический синтез

• Генная инженерия

• Клеточная инженерия

• Инженерная энзимология

• Экологическая биотехнология

• Биоконверсия

• Биогеотехнология

Микробиологический синтез

Микробиологический синтез – синтез органических соединений на основе выращивания микроорганизмов на различных питательных средах

• Объектами , используемыми в микробиологическом синтезе являются бактерии , плесневые грибы , актиномицеты , дрожжи

Продукция микробиологического синтеза

• Кормовой и пищевой белок

• Ферменты ( широко применяются в пищевой , спиртовой , пивоваренной , винодельческой , мясной , рыбной , кожевенной , текстильной и др . промышленностях , производстве ткани , бумаги , в медицине при лабораторной диагностике и лечении болезней , в том числе и наследственных )

• Медицинские и ветеринарные антибиотики ( выделено более 3000 тыс. )

• Витамины ( более 20 видов различных витаминоподобных веществ : В₂ , В₁₂ )

• Лекарства ( до 20 % всех лекарственных препаратов )

• Гормоны ( инсулин , соматотропин )

• Стимуляторы роста животных и растений

• Средства защиты растений

• Органические кислоты ( лимонная , молочная , уксусная , янтарная и др. )

• Поверхностноактивные вещества - ПАВ , синтетические моющие средства , стиральные порошки

• Бактериальные удобрения

• Спирт

• Цитохром С

• Незаменимые аминокислоты ( лизин , триптофан , треонин )

• Вакцины ( против полиомиелита )

• Иммуноглобулины

• Интерферон

• Целюллоза

• Жидкие кристаллы для микроэлектроники

• Для жизни , роста , размножения и осуществления синтеза органических соединений микроорганизмами им необходимы определённые условия и питательная среда

Питательная среда

• В качестве питательной среды используют дешёвое , недифицитное сырьё , включающее все необходимые для жизни организмов вещества (клетки находятся в суспензии во взвешенном состоянии )

Состав питательной среды :

• Стимуляторы роста – вещества , активизирующие рост

• Источники углерода - углеводы , спирты , органические кислоты , отходы производства : гидрол , маласса – отходы сахарной промышленности , кукурузная мука , зелёная патока парафины , молочная сыворотка и др .

• Источники азота – белки , аминокислоты , соли аммония , нитраты , атмосферный азот

• Источники фосфора - фосфаты

Этапы технологического процесса микробиологического синтеза

I этап – получение чистой культуры микроорганизмов , содержащей лишь организмы одного вида или штамма

• Каждый вид хранится в отдельной пробирке и поступает на производство из научно-исследовательского института , где он и был произведён

• В заводской лаборатории происходит размножение полученного вида ; для этого из чистой культуры отбирается одна клетка и помещается на питательную среду , где она растёти размножается ; выращеннуя культуру перед тем как отдать в промышленное производство ещё раз проверяют на чистоту т . е . на содержание в культуре организмов одного вида ; после этого посевной материал поступает в цех чистой культуры , где производится основная ферментация и микробиологический синтез

II этап – ферментация ( культивирование микроорганизмов и синтеза органических соединений )

• Производится в т . н . ферментаторах – стерильных баках из нержавеющей стали , различного объёма ( до 100 тыс . литров ) , в корпусе которых вмонтированы приборы , информирующий о происходящих процессах

• В стерильный ферментатор посевной материал ( вид микроорганизма ) вводится с помощью стерильного воздуха ; температура и рН среды регулируется автоматически по заданому режиму , производится аэрация – насыщение кислородом

• Процесс ферментации продолжается 5 – 6 дней и разделяется на два основных этапа :

• I этап – интенсивное размножение культуры микроорганизмов за счёт питательной среды ( сырья ) в ферментаторе

• II этап – распад органических веществ питательной среды и синтез нужных органических соединений под влиянием ферментов микроорганизмов ; ферментацию заканчивают , когда в среде накапливается максимальное количество полезного продукта , что определяется по падению скорости размножения микроорганизмов в пробе и морфологическому старению их клеток

• После ферментации выработанная питательная среда с микроорганизмами поступает в в цех химической очистки , где из неё извлекаются синтезированные органические соединения ( витамины , ферменты , антибиотики , гормоны и др . )

• Для выделения неоходимого продукта из общего объёма питательной среды используют сепараторы вакуумные фильтры или отстойники , сушат и получают нужный продукт ; в ряде случаев , например при получении бактериальных удобрений всю образующуюся массу можно использовать как готовый продукт в жидком виде

• После окончания процесса ферментатор тщательно стерилизуют , подготавливая к следующему циклу

• Количество готовой продукции определяется объёмом и количеством ферментаторов ( например , на заводах по производству кормовых дрожжей производительность одного ферментатора равна 30 тонн биомассы в сутки и от 15 до 80 тонн белка )

• Для получения кормового белка путём микробиологического синтеза используют в качестве сырья парфины нефти и газа ( основной источник сырья в настоящее время ) , метиловый и этиловый спирт отходы лесной , химической и пищевой промышленности и даже углекилый газ

• При непрерывном процессе в ферментаторе поддерживаются заданные физико-химические условия , непрерывным потоком подаётся стерильная питательная среда , а из ферментатора постоянно вытекает готовая биомасса ; при этом методе достигается равновесие , когда клетки размножаются со скоростью , соответствующей притоку питательных веществ среды ( в перспективе возможно создание безотходной не загрязняющей среды технологии )

Схема этапов технологического процесса

Хранение культуры Доставка и хранение сырья

Размножение посевного материала в Приготовление питательной среды

Стерильный лаборатории

воздух

Цех чистой культуры Стерилизация питательной среды ( сырья )

Основная ферментация Дозировка среды

Выделение и концентрация продукта

Побочные продукты Упаковка , хранение и реализация

• К преимуществам производства продукции методом микробиологического синтеза относятся её высокое качество , относительная безвредность технологии для окружающей среды и дешевизна ( высокотехнологичное наукоёмкое производство – основа промышленной микробиологии )

• Методами микробиологического синтеза возможно получени продуктов , ранее не известных человеку , например полимерные вещества

• Определённые бактерии могут продуцировать из сахара качественный полимер , содержание которого в клетках достигает 80% собственной массы ( образуемый полимер служит клеткам в качестве запасного материала ) ; нити из « биопласта » применяются для наложения швов на послеоперационные раны , причём через некоторое время они разлагаются биологичесикм путём до безвредных продуктов

• Другие микроорганизмы образуют из крахмала полимер пуллулан , из которого изготавливают тонкие плёнки для герметичной упаковки и сохранения свежести пищевых продуктов , причём продукты вместе с упаковкой можноварить , поскольку пуллулан съедобен и растворяется в горячей воде ( подобно крахмалу )

• Возможно получение ткани и бумаги , сотканой из нитей , изготовленными бактериями из сахара

• Бактерии способны производит новые материалы для электроники , например жидкие кристаллы цифровых индикаторов электронных часов , микрокалькуляторов и особоплоских телевизионных экранов