История биотехнологии.

Раньше вместо термина Биотехнология использовали термины прикладная промышленная микробиология, прикладная генетика и др.

В 1517 г. впервые появился термин Биотехнология. Он был предложен К. Эреки. В его понимании это было выращивание свиней в крупных масштабах на отходах переработки свеклы.

В 20-х гг. ХХ в. термин Биотехнология был узаконен и появился журнал «Биотехнология и биоинженерия».

По объему биотехнология суммирует знания многих дисциплин, но возникла на основе микробиологии бродильных производств. Это изменило многие технологические условия: появилась возможность биотрансформации веществ, развития технологий утилизации промышленных отходов, получения лекарственных средств.

В настоящее время биотехнология реализуется на различных уровнях организации биологических систем:

• Надорганизменный (экология);

• Исследования на клеточном уровне (микология, микробиология);

• Исследования субклеточных структур (молекулярная биотехнология, исследования по генной инженерии);

Т. к. биотехнология технологическая наука, она использует машиностроение, электронику, автоматизацию.

На 3-й Европейской Ассоциации Биотехнологов в 1984 г. было предложено разделить историю развития биотехнологии на 5 периодов.

1. До Пастеровский – сер. XIX в. – получение ферментированных продуктов (спирт, уксус); использование молочнокислого брожения, в хлебопечении, пивоварении и др.

2. После Пастеровский – 40-е гг. ХХ в. – продолжилось получение органических кислот, глицерина, спиртов брожением. Получили развитие анаэробные способы очистки сточных вод. Рост дрожжей для корма скоту.

Т. о. был использован инженерный или конструкторский подход к изменению физиологии биологических объектов.

Дрожжи использовались как кормовая добавка. Род Sacharomices выращивали на растительных отходах и использовали как добавку в субпродукты. Так, ок. 60 % импорта продуктов заменили кормовыми дрожжами. Затем стали использовать дрожжи рода Candida.

3. Антибиотиковый – до 60-х гг. ХХ в. – разработаны технологии глубинного культивирования биологических объектов (в жидкой среде). Разработаны методы культивирования растительных клеток, вирусных вакцин, микробиологической трансформации в-в. ферменты многих м/о высокоспецифичные и они способны вводить различные заместители в химически сложные молекулы достаточно точно. Т. о. была разработана технология стероидного получения препаратов. До открытия возможности микробиологической трансформации такие гормоны как преднизолон и гидрокортизон получали химическим синтезом в 37 стадий. КПД составлял 0,02% от исходного сырья. При новой технологии стало 11 стадий, цена на препараты упала в 200 раз. Промышленное получение антибиотиков.

4. Управляемый биосинтез – стали получать аминокислоты посредством мутантных м/о. Широко используется иммобилизация (закрепление на носителях) клеток и ферментов для проведения различных реакций. В это время начаты исследования о возможности получения биогаза – смесь СО₂ и СН₄, получаемый при утилизации промышленных отходов. получают аминокислоты – глутамат Na (глутаминовая кислота) – 150 тыс. т. в год; лизин – 15 тыс. т. в год – пищевые добавки.

5. Новой или новейшей биотехнологии – с середины 70-х гг. – возможности получения моноклональных антител, трансплантация эмбрионов, трансгены.

Технологии могут быть:

• Физико-механические – субстрат не меняет химический состав, а только агрегатное состояние.

• Химические – изменяется химическое состояние исходного сырья (полимеры из газообразных процессов).

• Биотехнологии.

Биотехнология в переводе с греческого: bios – жизнь;

logos – наука;

tehnos – мастерство. И представляет собой науку об использовании живых организмов и биологических процессов в производстве и охране окружающей среды.

Задачи: изучение, разработка, проектирование, создание, осуществление процессов в результате которых получаются продукты качественно превосходящие исходное сырье.

Требования к биотехнологии:

• Наличие спроса на продукт;

• Значительный экономический эффект от использования биотехнологических производств;

• Биотехнологические производства должны быть основаны на знании физиологии и генетики биологического объекта в большей степени, чем на технологии работы с ними.

Классификация продуктов биотехнологии.

1. В зависимости от количества.

1. Продукты тонкого биологического синтеза – от 100 кг до 1000 т в год – вакцины, витамины, антибиотики для медицины. основная стоимость связана с очисткой и анализом.

2. Продукты маломасштабного биосинтеза – до 20 тыс. тонн в год – аминокислоты для пищевой промышленности, напитки, продукты получаемые ферментацией, антибиотики для с/х.

3. Крупномасштабный биологический синтез – сточные воды после биологической очистки, биополимеры для отдельных отраслей промышленности – полисахариды для извлечения остатков нефти, выщелачивания Ме из руд. Основное условие - дешевизна. Более 20 тыс. тонн в год.

2. По товарным формам.

1. Биопрепараты – основной компонент – жизнеспособные клетки м/о или др. организмы закваски, бактериальные удобрения.

2. Инактивированная биомасса м/о – белок одноклеточных организмов.

3. Биопрепараты на основе очищенных метаболитов – ферменты, витамины, гормоны, антибиотики.

3. Образование биотехнологических продуктов в зависимости от стадии роста биологических объектов.

1. Первичные метаболиты.

2. Вторичные метаболиты.

Биотехнология наиболее развита в Японии (аминокислоты), США (1-я крупная биотехнологическая компания). В XXI в. ок. 20% продуктов станут продукцией биотехнологии. В РБ биотехнология отнесена к новым высоким технологиям. Это связано с ограниченностью ресурсов, никой энерго- и материалоемкостью биотехнологических производств. Возможностью использования местного сырья, экологичность биотехнологических проектов на фоне радиационного и химического загрязнения.

Основные потребители биотехнологической продукции:

• Сельское хозяйство (ветеринария);

• Пищевая промышленность;

• Химическая промышленность.

Для развития ветеринарии требуется ок. 500 препаратов, ок. 100 получат методами биотехнологии.

Схема биотехнологического производства

Исходное сырье культивирование конечный продукт постеферментативная стадия

↑ (ферментация) (целевой) (конечному продукту придается товарный вид,

(предферментация) ↓ утилизируются отходы производства)

(подогрев, размельчение аппаратура биологические объекты сырья и др.).

Характеристика биологических объектов биотехнологии

• Клетки м/о – прокариоты и одноклеточные эукариоты (дрожжи, простейшие, водоросли);

• Высшие растения;

• Животные;

• Вирусы;

• Трансгены;

• Многокомпонентные системы, представленные клетками или определенными компонентами клеток.

Источники получения биологических объектов:

• Коллекции культур;

• Образцы природного материала. В этом случае необходимо получить чистую культуру м/о.

Этапы очистки микроорганизмов

в естественных условиях обитания чистые культуры м/о встречаются довольно редко. Поэтому для работы необходимо искусственное выделение чистых культур. Для этого обычно требуется не более 2-3 суток. Но для некоторых м/о микобактерии туберкулеза) этот процесс может затянуться на 4-6 недель.

Чистые культуры м/о – популяция бактерий одного вида, представляющая потомство одной клетки.

Выделение чистой культуры делят на 3 этапа.