Вопросы

к государственному экзамену для студентов

группы 5 БХТ 2013/2014 уч. г.

(дисциплина: Биохимия и биотехнология)

1. Основные принципы промышленного осуществления биотехнологических процессов. Требования к культурам микроорганизмов и клеточным линиям.

2. Белки как объекты биотехнологии. Основные продуценты пищевого белка. Получение биотехнологического белка и его применение.

3. Технология ферментных препаратов. Глубинный и поверхностный способы культивирования продуцентов. Ферментные биопрепараты микроскопических грибов и плесеней.

4. Иммобилизованные ферменты. Технология, применение в производстве, медицине, органическом синтезе. Способы иммобилизации.

5. Биопрепараты для сельского хозяйства (энтомопатогенные препараты; бактериальные удобрения; антибиотики).

6. Биотехнология в пищевой промышленности. Основные объекты и продукты переработки. Биотехнология молочных продуктов: основные процессы.

7. Технология биохимического производства этилового спирта. Основные параметры и процессы. Субстраты и продуценты этанола.

8. Биогеотехнология (повышение отдачи угля, нефтепродуктов, металлов). Основные группы микроорганизмов, применяемые в биогеотехнологии.

9. Биотехническое решение экологических проблем. Биодеградация органических веществ. Плазмиды бактерий как носители информации о ферментах биодеградации.

10. Аэробная и анаэробная системы очистки стоков. Активный ил. Современные установки для очистки и обеззараживания сточных вод с применением микроорганизмов и ферментов.

11. Генетическая инженерия: сущность и задачи. Введение и экспрессия чужеродных ДНК в клетках реципиентов. Значение в медицине и сельском хозяйстве.

12. Основные практические направления и перспективы генноинженерной биотехнологии животных. Трансгенные организмы и их значение.

Составитель: доц. Оразов О.Э.

Возможные ответы.

1. Основные принципы осуществления биотехнологических процессов

Существует 5 стадий биотехнологического производства.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. Они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Соблюдение стерильности в микробиологических лабораториях.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. Важно соблюдение режимов и регламента работы, стерильности ферментеров и аппаратов, в которых проводится наработка продукта.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Важны отработка наиболее дешевых и качественных процедур очистки с минимальной потерей наработанного продукта. Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так как должны быть стерильными. Ниже приводятся характеристики каждой из стадий промышленного микробиологического синтеза.

5.1. Технология приготовления питательных сред для биосинтеза

Предферментационная стадия

На предферментационной стадии осуществляют хранение и подготовку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологических и рециркулируемых воды и воздуха.

Поддержание и подготовка чистой культуры. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята в количествах, требуемых для начала процесса. При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, то есть проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментеров.

Приготовление питательных сред

Основу питательных сред для культивирования микроорганизмов составляют источники углерода. Кроме углерода клетки микроорганизмов в процессе роста испытывают потребность в азоте, фосфоре, макро- и микроэлементах. Все вещества этого рода находятся в питательных средах в виде солей.

Жидкие и твердые источники углерода обычно вводят в уже готовую питательную среду непосредственно перед ферментацией.

Важнейшим элементом приготовления питательных сред является соблюдение требований асептики. Это либо создание заданного значения рН, обеспечивающего подавление посторонних микроорганизмов, либо полная стерилизация всех подаваемых потоков и самого биореактора. Для стерилизации газовых потоков (в первую очередь воздуха) используют процесс фильтрации через специальные волокнистые фильтры.

Жидкостные потоки стерилизуют различными методами, из которых практический интерес представляют термический, радиационный, фильтрационный и отчасти химический. Термический - самый распространенный, при температурах порядка 120-150°С. Радиационный -излучение, применяется редко из-за трудностей создания и эксплуатации мощных источников этого излучения. В отдельных случаях применяют химические стерилизующие агенты (вещества с ярко выраженным асептическим действием).

5.2. Поддержание чистой культуры

В технологическом процессе используются полезные свойства штамма, следовательно, необходимо сохранять и, если возможно, улучшать его производственные качества. Поэтому в биотехнологическом производстве имеется отделение чистой культуры. Такое отделение проводит лабораторные операции по контролю и сохранению чистой культуры, а также маломасштабное культивирование для постоянной передачи штамма на стадию ферментации.

5.3. Ферментация

Стадия ферментации - центральная среди этапов промышленного производства. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и термостатированную среду инокулята до завершения процессов роста, биосинтеза или биотрансформации.

Ферментация проходит в специальных емкостях, называемых ферментерами или биореакторами. Основными элементами ферментера являются двойные стенки, промежуток между которыми заполняется охлаждающей или нагревающей жидкостью, входные отверстия для газовых и жидких потоков, система контроля за составом питательной среды и условиями внутри реактора.

Технологическое оформление процессов промышленной биотехнологии в значительной мере определяется отношением микроорганизма-продуцента к кислороду. В аэробных условиях микробиологический синтез протекает со значительным тепловыделением, что вызывает необходимость отвода тепла из аппаратов большого объема (сотни и тысячи кубометров). Наиболее приемлемый на практике способ теплоотвода - охлаждение водой через змеевики, рубашки и др. устройства.

Важно также поддерживать определенный состав питательной среды. В непрерывных процессах биосинтеза задача технолога сводится к поддержанию концентрации всех питательных веществ (и кислорода) и дозированному введению кислоты или щелочи для рН-статирования системы на заданном уровне.

5.4. Выделение и очистка продуктов

Продукты микробного синтеза поступают из биореактора в виде водных суспензий или растворов, при этом характерно невысокое содержание основного компонента и наличие многих примесных веществ. В большинстве промышленных производств на первом этапе переработки культуральной жидкости производят отделение массы продуцента от жидкой фазы.

Технологические приемы, используемые для отделения клеток от среды, зависят от природы продуцента. Например, сахаромицеты (хлебопекарные дрожжи) имеют относительно большие клетки и способны флотироваться, поэтому после сгущения биомассы флотацией их отделяют на обычных барабанных вакуум-фильтрах. В дальнейшем биомассу, снятую с фильтра, подвергают прессованию и получают продукт с высоким содержанием живых клеток, имеющих высокую хлебопекарную активность. Дрожжи же рода Candida, служащие источником кормового белка плохо флотируются и фильтруются. Поэтому дрожжи, растущие на углеводородах, а также бактерии-продуценты белка на основе метана и метанола, на первом этапе сепарируются, причем в несколько ступеней. Оставшаяся вода удаляется путем выпаривания, а все компоненты жидкой фазы остаются в конечном продукте.

Для выделения и очистки продуктов, находящихся внутри клеток продуцента (например, интерферонов, гормонов) вводится стадия разрушения клеточных оболочек (дезинтеграция биомассы); обычно для этого применяются механические, химические (растворители типа толуола) или комбинированные методы.

Продукты

Ассортимент продуктов, получаемых в биотехнологических процессах, чрезвычайно широк. По разнообразию и объемам производства на первом месте стоят продукты, получаемые в процессах, основанных на жизнедеятельности микроорганизмов. Эти продукты подразделяются на три основные группы:

1я группа — биомасса, которая является целевым продуктом (белок одноклеточных) или используется в качестве биологического агента (биометаногенез, бактериальное выщелачивание металлов);

2я группа — первичные метаболиты — это низкомолекулярные соединения, необходимые для роста микроорганизмов в качестве строительных блоков макромолекул, коферментов (аминокислоты, витамины, органические кислоты);

3я группа — вторичные метаболиты (идиолиты) — это соединения, не требующиеся для роста микроорганизмов и не связанные с их ростом (антибиотики, алкалоиды, гормоны роста и токсины).

Среди продуктов микробиологического синтеза — огромное количество различных биологически активных соединений, в том числе белковых и лекарственных веществ, ферментов, а также энергоносители (биогаз, спирты) и минеральные ресурсы (металлы), средства для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (биоинсектициды) и биоудобрения.

5.5. Получение товарных форм препаратов

Все товарные формы биопрепаратов с точки зрения технологии их получения можно разделить на три основные группы.

Биопрепараты, имеющие в товарном продукте в качестве основного компонента жизнеспособные микроорганизмы. К этой группе относятся средства защиты растений, бактериальные удобрения, закваски для силосования кормов, биодеграданты, другие активные средства биотрансформации.

Биопрепараты, в состав которых входит инактивированная биомасса клеток и продукты ее переработки. Это кормовые дрожжи, грибной мицелий и т.д.

Биопрепараты на основе очищенных продуктов метаболизма микроорганизмов. К ним относятся витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики, биолипиды, олигосахариды, продукты комплекс ной переработки микробных масс и метаболитов.

В зависимости от принятых на предыдущей стадии решения товарные формы представляют собой либо сложную смесь, содержащую некоторое количество основного вещества, либо высокоочищенный препарат, отвечающий ряду специальных требований. Продукт может выпускаться в жидком (например, жидкий концентрат лизина) или сухом виде (белково-витаминный концентрат, энтомопатогенные препараты, кормовой концентрат лизина).

Стадия фасовки рассмотренных комплексных препаратов заключается в помещении их в тару (мешки, барабаны и т.п.), размеры и тип которой определяются потребностями заказчика и свойствами продукта (его слеживаемостью, гигроскопичностью, стойкостью к загниванию и т.д.). Другие (более жесткие) требования предъявляются к медицинским препаратам и биохимическим реактивам.