Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы биоинженерии. Учебно-методическое пособие
.pdf
Так как аппараты работают во взаимодействии, то нужна разработка специальной методики расчета. Моделирование является одним из наиболее значимых направлений при разработке биотехнологических процессов, так как с помощью моделирования, экспериментального и математического, исследуются и разрабатываются новые процессы, совершенствуются аппараты и технологические схемы
производств. При экспериментальном моделировании в лабораторных
и промышленных условиях применяются, как правило, модели объектов и процессов, отличающиеся масштабами. Экспериментальное моделирование позволяет исследовать и оптимизировать процессы, сущность которых мало изучена. Данный подход часто служит единственным средством для исследования биотехнологического процесса. Первым этапом экспериментального моделирования служит лабораторный уровень, в ходе которого при
сравнительно небольших затратах проводится изучение новых продуцентов и разработка новых процессов. Далее полученные
результаты переносят в опытные, полупромышленные и промышленные масштабы. На опытных установках отрабатываются все технологические детали будущего процесса, обучается персонал, создается оборудование, уточняются техникоэкономические показатели. Затем проводятся крупномасштабные дорогостоящие
промышленные эксперименты и испытания. Экспериментальное моделирование
имеет ряд особенностей: трудоемкость, сложность реализации новой модели процесса. Наиболее трудны при этом вопросы масштабирования технологии и оборудования. Развитие биологических агентов связано не только с поведением жидкости и реагентов в ферментере, но и с их собственным метаболизмом.
Поэтому масштабирование в биологии требует специальных решений, при
этом до
настоящего времени нет единого подхода к решению данной задачи. Для
оптимизации и управления биотехнологическими процессами, помимо экспериментального, необходимо также привлечение математического моделирования.
Эти два подхода, дополняя друг друга, позволяют более эффективно решать поставленные задачи. Экспериментальное моделирование часто предшествует математическому, являясь для него источником информации. Математические модели
– удобное
средство обобщения экспериментальных данных. Наличие математических моделей позволяет более обоснованно подходить к планированию экспериментов и обрабатывать данные, существенно сокращать объем экспериментальных работ. Для моделирования и расчета биотехнологических процессов в силу их
сложности применяют системный подход. Математическая модель сложной биосистемы должна включать описание различных по своей природе объектов
и явлений. Поэтому, анализируя биологическую систему в целом, применяют метод
декомпозиции, расчленяя исходную систему на ряд подсистем: строятся модели
массообмена, кинетики роста биообъекта и биохимических процессов. К настоящему времени разработано много моделей массообмена, кинетики потребления
субстрата и образования различных продуктов. Наиболее сложная задача – моделирование собственно биологических объектов,
так как они значительно сложнее
химических, физических и технических. Объекты биотехнологии способны к са-
11
морегулированию, их сложность усугубляется неоднородностью. Процессы, протекающие в биореакторе, зависят не только от сложных внутриклеточных факторов, но и от условий внешней среды; в свою очередь, внешние процессы в биологии связаны с внутренними, поэтому их разделить нельзя. Кроме этого, на данном
этапе уровня развития математической биологии отсутствует теория, адекватная
сущности биологических процессов. Пока не создан математический аппарат, способный описать природу биологических превращений во всем многообразии, то
есть необходимо развитие и совершенствование самого математического аппарата. Математическое описание биологических объектов дополнительно осложняется их недостаточной изученностью. Поэтому на данном этапе возможно достаточно упрощенное и приближенное математическое описание биологических
объек-
тов, это направление нуждается в существенном совершенствовании.
Оптимизация биотехнологических процессов осуществляется на основе сочетания экспериментального и математического моделирования и применения современных методов оптимизации (динамического и нелинейного программирования, вариационного исчисления). Однако в настоящее время для оценки оптимальности биотехнологических процессов трудно даже подобрать критерии. При
оптимизации в биотехнологии
необходимо учитывать ограничения, связанные с
экономическими и конструктивными условиями, возможностями контрольноизмерительной аппаратуры и средств управления, экологическими требованиями
и др. Моделирование и оптимизация биотехнологических процессов – задача
сложная и во многом еще не решенная. Однако именно разработка адекватных
моделей различных биотехнологических процессов и на их основе создание совершенных методов оптимизации
и управления – важнейшее направление биотех-
нологии, без которого невозможен прогресс.
5. Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти
технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных
биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ
и компонентов клеток. В
настоящее время разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в
деятельности практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии является одной их центральных задач в экономической политике развитых
стран. Лидерами биотехнологии являются сегодня США и Япония, накопившие
многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства, фармацевтической,
пищевой и химической
промышленности. Прочное положение в производстве
ферментных препаратов, аминокислот, белка, медикаментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Великобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным потенциалом новой техники и технологии, интенсивными
фундаментальными и прикладными исследованиями в различных областях биотехнологии. Использование научных достижений и практические успехи биотехно-
12
логии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуется на самом
высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим
образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического
профиля, но также и многих других.
Для реализации поставленных задач
, необходимо создание современной биотехнологической промышленности в Казахстане. Поэтому, на основании мировых
и отечественных тенденций, перспектив развития биотехнологической отрасли,
мировых требований и стандартов к технологическому уровню биотехнологического производства бакалавр – биотехнолог обязан знать методы проектирования
технологических процессов, что обеспечивает получение эффективных решений
при строительстве или реконструкции предприятий отрасли, позволяющих организовать рентабельное промышленное производство.
Вне зависимости от области своей деятельности (наука, проектирование, производство) бакалавр-биотехнолог обязан хорошо знать закономерности и кинетику
основных процессов, методы их расчета, главные принципы аппаратурного
оформления. Он должен уметь решать проблемы масштабирования и оптимизации.
Вопросы для самоподготовки
1. Классификация отраслей промышленности, использующих биотехнологические про-
цессы.
2. Особенности биотехнологических процессов в пищевой промышленности.
3. Особенности многотоннажных производств, связанных с получением больших коли-
честв биомассы МО.
4. Особенности малотоннажных производств тонкого биохимического синтеза.
5. Наиболее существенные особенности биологических процессов.
6. Задачи, возникающие при проектировании новых биотехнологических
7. Основные положения теории масштабирования и оптимизации по отношению к био-
технологическим системам.
8. Основные требования, предъявляемые к бакалавру-биотехнологу.
Тестовые задания для самопроверки
1. Для процесса биосинтеза микроорганизмов нехарактерны следующие положения:
а. высокая интенсивность
в. своеобразие реакций обмена у различных микроорганизмов
с. специфическая направленность действия ферментов
д. реакции
е. использование не дефицитного сырья
протекают при повышенных температурах и давлении
производств.
13
2. В пищевых и бродильных производствах, занятых переработкой сельскохозяйствен-
ного сырья, применение микроорганизмов:
а. ограниченно одной стадией технологического процесса
в. основная стадия технологического процесса
с. не влияет на технико-экономические показатели
д. не важно для всего процесса в целом
е. не обоснованно экономически и технологически
3. Многотоннажные производства, связанные с
получением больших количеств биомас-
сы микроорганизмов:
а. не требуют высокой степени асептики
в. требуют только асептических условий
с. осуществляются при рН 7
д. экономически не выгодны
е. связаны с сильным развитием посторонней микрофлоры
4. Дикие микроорганизмы не развиваются при реализации многотоннажных произ-
водств, связанных с получением больших количеств биомассы, потому что:
. рН поддерживают 6-7
а
в. температуру поддерживают 25-35
0
С
с. условия культивирования основного продуцента не соответствуют оптимальным
для дикой микрофлоры
д. процессы идут в строго асептических условиях
е. скорость роста у основного продуцента намного выше
5. Малотоннажные производства тонкого биохимического синтеза – это:
а. бродильные производства
в. получение кормового белка
с. очистка сточных вод
д. получение физиологически активных веществ
е. бактериальное выщелачивание руд
6. Малотоннажные производства тонкого биохимического синтеза требуют:
а. применение поверхностного культивирования
в. жесткую защиту от посторонней микрофлоры
с. высокую температуру и давление
д. поддержание рН 3-4
е. применение нестерильного воздуха
7. К наиболее существенным особенностям биологических процессов не относятся:
а. биологическим системам присуще свойство саморегулирования
процессы протекают и регулируются с участием ферментов
в. все
с. возможен перенос вещества через мембрану против градиента концентрации
д. создание специального оборудования
е. применение типового оборудования
14
8. Масштабирование при проектировании – это:
а. выбор самого выгодного варианта
в. расчет оборудования на основании данных, полученных в лабораторных условиях
с. выбор оптимального режима
д. создание специального оборудования
е. применение типового оборудования
9. Масштабирование и оптимизация возможны:
а. на основе математического моделирования
в. на стадии внедрения проекта
с. при проектировании и
управлении
д. на основе системы эмпирических зависимостей
е. на основе изучения кинетики процесса
15
Лекция 2.
Микробные клетки – основные объекты биотехнологии. Поступление
веществ в клетку и их метаболизм. Эффект Пастера. Конечные продукты
метаболизма. Регуляция метаболизма. Кинетика катализируемых фермента-
ми реакций. Фермент-субстратные комплексы и механизм действия
ферментов.
План лекции
1. Микробные клетки – основные объекты биотехнологии микроорганизмов.
2. Общая взаимосвязь процессов анаболизма и катаболизма. Эффект Пасте-
ра.
3. Трехстадийный распад молекул питательных веществ. Конечные продукты
метаболизма.
4. Общие сведения о ферментах.
5. Фермент-субстратные комплексы и механизм действия ферментов.
6. Регуляция ферментативной активности. Инактивация ферментов.
1. Все биотехнологические процессы в
вываются на функционировании микробных клеток, поэтому биотехнология начинается с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности. По своему строению микробные клетки бывают прокариотические
(бактерии сине-зелёные водоросли) и эукариотические (грибы, водоросли, простейшие). Живая клетка - сложный химический реактор, в котором протекает более 1000 независимых
логические системы подчиняются тем же основным законам сохранения вещества
и энергии и тем же принципам, что и процессы химической технологии. Микроорганизмы могут усваивать световую энергию (фототрофы) и химическую (хемотрофы). Гетеротрофы могут усваивать только органические вещества, а автотрофы
не органические вещества (например,
транспортируется внутри клетки в виде высокоэнергетических соединений типа
АТФ, а клетки используют энергию для выполнения 3-х функций: для роста, для
синтеза больших, сложных молекул; транспорта ионных и нейтральных соединений; механической работы, то есть деление и передвижение. Эффективность использования энергии в биосинтезе высокая, остальная энергия
пло.
Метаболизм – это совокупность всех химических превращений клетки.
Метаболизм складывается из катаболизма (распад веществ, разложение химических веществ для получения энергии), анаболизма (образования сложных веществ клетки из простых, с затратами энергии) и амфиболизма (все реакции промежуточного обмена).
реакций, катализируемых ферментами. Тем не менее, био-
биотехнологии микроорганизмов осно-
СО2) .Полученная энергия хранится и
превращается в те-
16
Микроорганизмы бывают аэробные (требуется О2 для дыхания) и анаэробные
(существуют без кислорода). При анаэробном расщеплении (брожении) органиче-
ские вещества не разлагаются до простых конечных, поэтому энергии высвобождается мало. При аэробном обмене (дыхании) получаются бедные энергией конечные продукты (СО
С
6Н12О6
и Н2О) и высвобождается много энергии.
2
Брожение (спиртовое):
С
6Н12О6
+ 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 6Н2О + 36АТФ + 36Н2О
+ 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С2Н5ОН + 2АТФ +2СО2
Дыхание:
Таким образом, из 1 моля глюкозы при дыхании образуется 36 моль АТФ и
2847 кДж, а при анаэробном процессе только 2 моль АТФ и 217 кДж, то есть в 18
раз меньше. Поэтому в аэробных условиях рост клеток более эффективен.
При дыхании водород, получаемый в результате гликолиза, транспортируется
к кислороду. В результате гликолиза из одной молекулы
две молекулы пирувата, АТФ и NADН
. Пируват подвергается окислительному
2
глюкозы образуется по
декарбоксилированию при участии мультиферментного комплекса и нескольких
коферментов. Один кофермент принимает отщеплённый водород, а другой кофермент А(СоА-Н) присоединяет оставшуюся ацетильную группу СоСН
. При
2
дыхании ацетильный остаток полностью расщепляется в цикле трикарбоновых
кислот (ЦТК) в результате окисления и отщепления Н, декарбоксилирования (отщепления СО
) и гидратации (присоединения Н2О). Основную энергию для синте-
2
за АТФ при дыхании клетка получает в результате окисления кислородом водорода, получаемого в результате гликолиза, окисления пирувата и реакции ЦТК. Последняя стадия катаболизма – окислительное фосфорилирование. В ходе этого
процесса высвобождается большая часть метаболической энергии, при этом молекулы NADH и FADН
молекуле О
. Фосфорилирование осуществляется в дыхательной цепи под воздей-
2
ствием фермента АТФ-синтетазы. В цепи дыхания при переносе Н от NAD H к О
переносят электроны от молекулы питательных веществ к
2
2
освобождается 218 кДж на 1-моль NAD H.
Ассимиляция – синтез собственных веществ тела из неорганических (СО
Н
О, NH3-автотрофная) или из органических соединений (гетеротрофная). По-
2
,
2
требность в энергии удовлетворяется либо за счет световой энергией в процессе
фотосинтеза, либо за счет окисления неорганических веществ (H
S,NH3 и др.) в
2
процессе хемосинтеза. Фотосинтез-преобразование энергии света в химическую,
которая накапливается в форме АТФ и водорода, связанного с коферментом
(NAD H). Он состоит из 2-х процессов: светового – преобразования энергии,
фотонов hv, и темнового - образования углеводов.
Восстановитель Н
образуется при разложении H2О при фотосинтезе:
2
О hv 12 Н2+6О2+АТФ
12Н
2
17
АТФ синтезируется при прохождении электронов по цепи транспорта
электронов
+12Н2 в темноте С6Н12О6+6Н2О.
6СО
2
Бактериальные и растительные клетки сами синтезируют все 20 аминокислот
входящих в состав белков (в зеленых клетках в хлоропластах). Гетеротрофная ассимиляция сводится в основном к процессам перестройки молекул, иногда организму достаточного только одного органического вещества, чтобы синтезировать
все необходимые соединения, другие же организмы должны получать совершено
определённые, незаменимые вещества,
например аминокислоты и витамины и др.
Механизмы регуляции возникли в процессе эволюции для обеспечения высокой экономичности биохимических процессов. ДНК дает информацию о необходимых ферментах для осуществления определённого метаболизма. Регуляция метаболизма – это управление скоростью биохимических процессов путём обратимого изменения количества белковых посредников, участвующих в этих процессах, или
их активности. Белковые посредники - это обычно ферменты – катализаторы химических реакций. Но некоторые процессы, например, транспорт многих
субстратов через биологические мембраны, осуществляется белками, которые не
катализируют каких-либо химических превращений, а обуславливают узнавание и
транслокацию субстратов. Поэтому надо рассматривать два основных уровня регуляции:
-уровень регуляции биосинтеза белковых посредников на
этапах репликации,
транскрипции и трансляции.
-уровень регуляции их активности в процессе функционирования.
Изменение количества синтезируемых ферментов в клетке идёт в результате
действия механизмов индукции и репрессии. Индукция-процесс увеличения
количества ферментов в клетке под влиянием субстрата (индуктора). Репрессия –
процесс уменьшения скорости биосинтеза какого – либо фермента при помощи
специальных веществ репрессоров
. Ими может быть конечный продукт реакций.
Факультативные анаэробы способны к активной жизни в анаэробных и
аэробных условиях (дрожжи). Эффект Пастера заключается в торможении
процесса брожения дыханием, если создать аэробные условия (в анаэробных
условиях идёт спиртовое брожение, а дрожжи почти не размножается или
размножаются слабо, а в аэробных условиях идёт процесс
дыхания и клеточная
биомасса быстро растёт). Химические реакции, которые идут с выделением
энергии называются экзоргоническими, а реакция с поглощением энергии эндоргоническими.
18
Конечные продукты метаболизма.
Стехиометрия клеточного роста и образования продуктов метаболизма. Клетки
выделяют в среду множество различных соединений. Метаболиты бывают первичными (несложные соединения, служащие в клетке материалом для построения
макромолекул, аминокислоты, нуклеотиды и т.д.) и вторичными - их наличие не
обязательно для роста микроорганизмов (антибиотики, токсины, алкалоиды, витамины).
Частичное окисление и его конечные продукты. У анаэробных микроорганизмов обычно конечные продукты - Н
О и СО2, при неполном окислении или в ано-
2
мальных условиях, органические вещества окисляются не полностью и в клетке
накапливаются продукты частичного окисления. Это используется в производстве:
можно получить лимонную, фумаровую, пропионовую, глюконовые кислоты, ацетон, и др., для этого надо создать соответствующие условия.
Синтез вторичных метаболитов. Во время быстрого роста клеток эти
вещества
в значительных количествах не образуются. Регуляторами путей биосинтеза вторичных метаболитов служат первичные метаболиты, энергетический заряд клетки
и средний уровень концентрации фосфатов.
Стехиометрия. Рост клеток подчиняется законом сохранения материи и энергии и общее количество каждого элемента, взятого из питательной среды, равно
количеству, включённому в клетку, а количество образующихся метаболитов
и
теплоты также пропорционально количеству потреблённого субстрата.
Субстрат Метаболиты
S 1 P 1
S 2 P 2
Система
(клетки)
S n P n
рост клеток Х
Свободная энергия образующихся веществ должна быть меньше свободной
энергии утилизированных субстратов. Поскольку для каждого промышленного
штамма известно содержание каждого элемента в клетке (например: Candida utilisCH1.82 N 0.19 O 0.47 , Aerobacter на глицерине- CH 1.78 N 0.24 O 0.33 и т.д.), то
можно рассчитать минимально необходимое общее
содержание элемента i в субстрате Ci=wi*Х, где wi -весовая доля элемента i в клетке , Х- общая масса клеток.
На практике эта формула усложняется, так как часть веществ уходит с метаболитами, возможно ингибирование и надо учитывать кинетику процесса. Поэтому
обычно для упрощения определяют стехиометрически только лимитирующие рост
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]