1. Етапи становлення біотехнології як науки та галузі виробництва

Біотехнологія (від грецького Ьіоз— життя, техно - мистецтво, майстерність і 1оgоs— слово, навчання)— це викорис­тання живих організмів і біологічних процесів у виробництві.

З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні процеси при хлібопечінні, приготуванні кисломолочних продук­тів, у виноробстві і т. д., але лише завдяки роботам Л. Пастера в середині XIX ст,, що довели зв'язок процесів шумування (бродін­ня) з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія одер­жала наукову основу, У 40—50-ті роки XX ст., коли був здійсне­ний біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синте­зу і створенню мікробіологічної промисловості. У 60—70-ті роки XX ст. почала бурхливо розвиватися клітинна Інженерія. ЗІ ство­ренням у 3972 групою П. Берга в США першої гібридної молеку­ли ДНК іп vitro формально пов'язане народження генетичної ін­женерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити необхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси. Ці два напря­ми визначили образ нової біотехнології, що майже не має нічого спільного з тією примітивною біотехнологією, яку людина вико­ристовувала протягом тисячоліть. Показово, що в 70-ті роки одер­жав поширення і самий термін "біотехнологія". З цього часу біо­технологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією. За стислий період свого розвитку {25—30 років) сучасна біо­технологія не тільки домоглася істотних успіхів, а І продемонстру­вала необмежені можливості використання організмів і біологіч­них процесів у різноманітних галузях виробництва.

2. Суть біотехнологічних процесів, їх відмінності, переваги і проблеми порівняно з традиційними технологічними процесами

Існує багато визначень поняття "біотехнологія", у чомусь схожих, але інколи суттєво відмінних.

Найбільш повне таке визначення: біотехнологія — це застосуван­ня наукових та інженерних принципів для переробки речовин органіч­ної і неорганічної природи біологічними агентами з метою одержання цінних продуктів та послуг. Біологічними агентами можуть бути будь-які природні біокаталізатори - клітини мікроорганізмів, рос­лин чи тварин або ферменти, що містяться в них.

Чому ж клітини можуть легко перетворювати речовини будь-якої природи і при цьому таким чином, що з ними не в змозі конкурувати навіть завод з най­сучаснішою могутньою апаратурою? Справа в таму, що будь-яка клітина містить набір різноманітних біокаталізаторів — ферментів.

Ферменти - це спеціалізовані макромо­лекули білку, здатні каталізувати перетворення різних речовин. Реакції, що про­ходять при фізичних і хімічних умовах, сумісних з біологічним життям, були б не­можливі без ферментів. Підрахували, що фермент здатний здійснити 100 тис. молекулярних перетворень за хвилину, ці ж реакції без ферменту тривали б 10 млрд років!

Мільйони років біологічної еволюції довели до досконалості унікальну білко­ву структуру ферменту. Насамперед біокоталізатори — це високоспецифічні системи. Кожен фермент є каталізатором хімічної реакції певного типу. Ця уні­кальна здатність приводить до того, що реакції, які каталізуються ферментами, йдуть з 100%-м виходом і без побічних продуктів, чого неймовірно важко досягти без біокаталізатора. Саме завдяки найтоншій специфічності цього процесу мо­жлива сувора координація та впорядкованість тисяч реакцій, здійснюваних у жи­вій клітині.

Друга істотна перевага ферментів — їх висока каталітична активність. Напри­клад, амілаза, що каталізує розщеплення крохмалю, здійснює гідроліз 1Г10 моле­кул субстрату за хвилину. Присутній в еритроцитах фермент карбоангідраза за цей же час встигає з'єднати воєдино 36 млн молекул вуглекислого газу і води. І при цьому така фантастична ефективність каталізу реалізується в дуже помір­них, з погляду хімії, зовнішніх умовах: невисока температура, фізіологічні значен­ня рН, нормальний атмосферний тиск.

Клітини мікроорганізмів мають унікальну властивість — здатність до швидкого росту і розмноження. Усього лише за 20—30 хв бактеріальна клітина збільшу­ється в розмірі вдвічі і поділяється навпіл. Клітина тваринного організму прохо­дить цей цикл за 24 години. Якщо зовнішні умови сприятливі для мікроорганізмів, розвиток клітини вступає у фазу інтенсивного розмноження і їхня чисельність зростає в геометричній прогресії. Якщо клітина цілиться через кожні 20 хв, за добу воно дасть потомство, що дорівнює 4,7 ' 10¹¹ клітинам. Через таку швид­кість росту обмін речовин бактеріальної клітини відрізняється високою інтен­сивністю. Для забезпечення своїх біосинтетичних потреб бактерія зацікавле­на в надходженні живильних речовин ззовні з такою швидкістю, що не буде лімітувати нарощування маси клітин. А швидкість надходження речовин у клі­тину регулюється тонкою оболонкою — клітинною мембраною. Чим більша поверхня мембрани і менший внутрішній об'єм клітини, тим більша можливість надходження до неї живильних речовин в одиницю часу. Закони математики свідчать, що відношення зовнішньої поверхні до об'єму для структур типу сфе­ри різко зменшується при збільшенні її діаметра. Тому саме є дрібних клітинах мікроорганізмів цей параметр найбільший. Він дорівнює 12 х 10⁶ м^-1 для бак­терії, діаметр клітин якої 0,5 мкм. У людини масою 90 кг цей параметр менше майже в мільйон разів. Ось чому нарощування мікробної біомаси йде темпа­ми, недоступними для тварин. Наприклад, корова, що важить 500 кг, за добу дає 0,5 кг білка. За такий же час 500 — кілограмова маса клітин дріжджів син­тезує 50 т білкових речовин, а бактерії накопичують білок ще швидше, ніж дрі­жджі.

Завдяки специфічним властивостям мікроорганізмів істотні пе­реваги біотехнологій порівняно з традиційними видами технологій приводять до наступного:

• біотехнологічні процеси мають низьку енергоємність;

• майже безвідходні та екологічно чисті;

• не залежать від кліматичних умов, можуть проводитись протя­гом цілого року;

• використовують незначні площі, що суттєво порівняно з сільськогосподарським виробництвом;

• використовують стандартне устаткування і препарати.

У той же час розвиток промислової біотехнології (БТ) створює ряд екологічних проблем, що також повинно прийматися до уваги.

Особливістю БТ виробництва є невелике утворення твердих від­ходів при одночасному використанні великої кількості води і пові­тря (в аеробних процесах).

На будь-якому БТ виробництві постійно вирішується два за­вдання:

• промислова асептика— усунення потрапляння сторонньої мікрофлори в середину біореактора;

• виключення потрапляння мікробів— продуцентів у повітряні чи водяні викиди, тобто охорона навколишнього середовища.

Хоча у БТ використовуються тільки непатогенні штами мікробів, потрапляння клітин у живому і навіть у вбитому вигляді в повітря­не середовище небажане, тому що може викликати алергічні реакції у населення. Для цього на підприємствах передбачено вологе очищення повітря, що виходить із всіх апаратів. Система водовикористання в БТ є більш складною, ніж навіть у хімічному виробництві, оскільки, крім оборотного водопостачання, необхідного для підтримки теплового режиму в біореакторах, по­трібна велика кількість технологічної води для приготування живильних середовищ з дотриманням вимог ДСТ, а також для проми­вання, елюірування та інше.