4. Задачи биотехнологии в решении энергетических проблем: перспективы получения экологически чистых источников энергии.
БТ позволяет получать более удобные для использования виды энергии различными способами.
Получение биогаза из органических отходов – процесс метанового брожения с получением содержащего метан биогаза.
Получение водорода биофотолизом воды. Существуют фототрофные бактерии, способные выделять водород под действием света. Водород – идеальное топливо с точки зрения экологов, имеющее высокую теплотворную способность.
Биосинтез углеводородов микроорганизмами – получение жидких и твердых УВ с помощью микроводорослей (например, Botriococcus braunii под действием света накапливает до 75% УВ от сухой массы клеток)
Моторное топливо. В Бразилии используется сахарный тростник для производства спирта, как источника топлива, в США крахмалосодержащие продукты (кукуруза, маниок). В России разрабатывается технология биоконверсии древесины в этанол.
В настоящее время УВ-моторное топливо при любых вариантах замены получается дешевле, но вполне возможно, что цены на нефть будут расти, а возобновляемое сырье для производства спирта станет относительно дешевле.
5. Отличия биотехнологических процессов от химических и агротехнических.
Чувствительность биологических агентов к физико-механическим воздействиям (мягкие условия)
Наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость-клетки», «газ-жидкость-клетки»)
Стерилизация питательных сред, микрофлоры воздуха, оборудования и материалов
Низкие скорости протекания многих процессов в целом
Нестабильность целевых продуктов (зависит от типов клеток, сложные процессы)
Пенообразование (имеется много БАВ с гидрофобными и гидрофильными концами)
Сложность механизмов роста биосинтеза
6. Понятие типовая биотехнологическая система биосинтеза продуктов, характеристика ее основных стадий.
Основной в этой схеме является биотехнологическая стадия, главная задача которой - получение определённого органического вещества. Она включает в себя ряд следующих биологических процессов: 1. Ферментация - особый класс химических превращений вещества, состоящий из серии взаимосвязанных реакций синтеза и разложения, протекающих в органических веществах под воздействием ферментов. Ферменты, таким образом, представляют собой универсальные биологические катализаторы, имеющие сложный состав. 2. Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментов или ферментативной активности клеток микроорганизмов. 3. Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов - ферментов. 4. Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях. 5. Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях. 6. Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твёрдых отходах, которым придана специальная взрыхлённая структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения. 7. Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закреплёнными на специальных твёрдых носителях. 8. Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворённое состояние под действием специальных микроорганизмов. 9. Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов. Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. Здесь используют следующие процессы: приготовление среды, её стерилизацию, подготовку посевного материала и биокатализатора, предварительную обработку сырья.
Разделение жидкости и биомассы в зависимости от их свойств осуществляют различными способами, отличающимися движущей силой процесса:
отстаивание - разделение под действием сил гравитации (при очистке сточных вод);
фильтрация - пропускание суспензии через фильтрующий материал под действием разности давлений с целью задержки биомассы на поверхности материала. С помощью микро- или ультрафильтрации получают раствор, свободный от взвешенных клеток биомассы;
сепарация или центрифугирование - разделение под действием центробежных сил. Таким способом отделяют, например, дрожжи при получении кормовой биомассы;
флотация - выделение биомассы из её пенной фракции;
коагуляция - отделение твёрдых веществ от жидкости путем их осаждения в виде крупных агломератов и последующего их отстаивания.
Выделение продуктов биосинтеза, очистка и концентрирование продукта являются вспомогательными процессами для получения продукта в готовой форме. Некоторые отличия имеются только на стадии выделения продуктов биосинтеза для внутри- и внеклеточных продуктов. Так, для внутриклеточных продуктов необходимо разрушить клеточную оболочку одним из методов- дезинтеграцией клеток, гидролизом, ферментолизом, автолизом и т. д. 1. Дезинтеграция клеток осуществляется физическими (ультразвук замораживание, декомпрессия и т. п.), химическими и биотехнологическими методами. 2. Гидролиз - разрушение клеточных оболочек под действием химических реагентов и температуры. 3. Ферментолиз - разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре. 4. Автолиз - разновидность ферментолиза, когда используются собственные ферментные клетки. 5. Экстракция - переход целевого продукта из водной фазы в несмешивающуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Экстракция прямо из твердой фазы, в том числе и биомассы организмов, называется экстрагированием. 6.Осаждение - выделение целевого продукта путём добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворённым продуктом и переводящего его в твердую фазу. 7. Адсорбция - перевод растворенного в жидкости продукта в твёрдую фазу путём его поглощения твёрдым носителем - сорбентом. 8. Ионный обмен сходен с адсорбцией, но в этом случае в твёрдую фазу переходят ионы (катионы или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси. 9. Отгонка, ректификация используются для выделения растворённых в культуральной жидкости легкокипящих продуктов, например, этилового спирта. 10. Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полипептидов, полинук-леотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделить даже небольшие по размеру молекулы. Очистка продукта осуществляется с использованием разнообразных процессов, в числе которых экстракция, хроматография, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос. На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизацию, ультра-, гипер- или нанофильтрацию, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.
1. Хроматография используется для разделения смесей веществ, часто очень близких по строению. Процесс проводят в специальных хроматографических колонках, заполненных твердым сорбентом. Все вещества сначала адсорбируются на этом сорбенте. Десорбция же разных по молекулярной массе соединений проходит с разной скоростью, что позволяет разделять и очищать их друг от друга, используя подходящий растворитель.
2. Диализ используется для разделения смесей низко- и высокомолекулярных соединений. Процесс основан на способности низкомолекулярных веществ проходить через мембрану, являющуюся непроницаемой для высокомолекулярных соединений. Таким путём осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.
3. Кристаллизация - процесс, основанный на различной растворимости веществ при разных температурах. Как правило, в ходе этого процесса выделяют твердые целевые продукты, а примеси остаются в маточном растворе. Так, например, получают кристаллы пенициллина.