- •1. Введение
- •1. Допастеровская эра (до 1865 г.).
- •2. Послепастеровская эра (1866 – 1940 гг.).
- •3. Эра антибиотиков (1941-1960 гг.).
- •4. Эра управляемого биосинтеза (1961 – 1975 гг.).
- •5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.).
- •Вопросы для самоконтроля
- •2. Живая клетка – основа биологических систем
- •Эндоплазматический ретикулум (эр)
- •Аппарат Гольджи
- •Цитоплазматический матрикс
- •Клеточные органеллы
- •Хлоропласты
- •Клеточная стенка
- •3. Общая характеристика организмов – объектов биотехнологии
- •Эукариоты. Водоросли
- •Принципы подбора биотехнологических объектов
- •Вопросы для самоконтроля
- •4. Основы генетики микроорганизмов
- •Репликация
- •Синтез белка
- •Регуляция генной активности
- •Изменчивость
- •Генетическая рекомбинация
- •Плазмиды
- •Вопросы для самоконтроля
- •5. Метаболизм и принципы его регуляции
- •Анаболизм и катаболизм
- •Углеводы как источник энергии
- •Анаэробное дыхание
- •Брожение
- •Молочнокислое брожение
- •Спиртовое брожение
- •Маслянокислое брожение
- •Аминокислоты как источник энергии
- •Липиды как источники энергии
- •Двууглеродные соединения как источники энергии
- •Рост микроорганизмов на углеводных средах, спиртах, органических кислотах, углеводородах, с1-соединениях
- •Вопросы для самоконтроля
- •6. Ассимиляция у автотрофных и гетеротрофных организмов
- •Биосинтез углеводов
- •Поглощение света и возбуждение пигментов.
- •Биосинтез нуклеиновых кислот
- •Синтез пуриновых нуклеотидов:
- •Регуляция метаболизма
- •Первичные метаболиты
- •Производство аминокислот.
- •Производство органических кислот.
- •Производство спиртов.
- •Производство витаминов.
- •Вторичные метаболиты
- •Антибиотики.
- •Вопросы для самоконтроля
- •7. Питание микроорганизмов
- •Механизм поступления веществ в клетку
- •1) Пассивная диффузия.
- •4) Перенос (транслокация) групп.
- •1.Фотолитотрофия.
- •2. Фотоорганотрофия.
- •3. Хемолитотрофия.
- •4. Хемоорганотрофия.
- •Потребности микроорганизмов в дополнительных питательных веществах
- •Минеральные элементы.
- •Ростовые вещества.
- •Вопросы для самоконтроля
- •8. Рост, размножение и культивирование микроорганизмов
- •Рост бактериальной клетки
- •Размножение бактерий
- •Размножение бактериальной популяции
- •Непрерывные культуры
- •Синхронные культуры
- •Вопросы для самоконтроля
- •9. Подготовка биологических объектов для биотехнологического процесса
- •Гибридизация микроорганизмов
- •1. Получение генов.
- •2. Введение гена в вектор.
- •3. Перенос генов в клетки организма-реципиента.
- •4. Идентификация клеток-реципиентов, которые приобрели желаемый ген (гены).
- •Генетическая инженерия и конструирование новых организмов
- •Улучшение продуцентов, используемых в производстве, методами генетической инженерии
- •Клеточная инженерия
- •Получение гибридных клеток
- •Возможности клеточной инженерии
- •Культуры тканей и клеток высших растений
- •Культуры клеток животных и человека
- •Трансплантация эмбрионов
- •Гибридомная технология
- •Вопросы для самоконтроля
- •10. Культивирование биологических объектов
- •Принципы действия и конструкции биореакторов
- •Системы перемешивания и аэрации
- •1. Аппараты с механическим перемешиванием.
- •2. Аппараты с пневматическим перемешиванием.
- •3. Аппараты с циркуляционным перемешиванием.
- •Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы: проблемы масштабирования
- •Биотехнологические процессы и аппараты периодического и непрерывного действия
- •Периодические процессы.
- •Специализированные типы биотехнологических процессов и аппаратов Анаэробные процессы.
- •Твердофазные и газофазные процессы.
- •Поверхностные процессы.
- •Вопросы для самоконтроля
- •11. Словарь терминов
- •12.Список использованной литературы
Специализированные типы биотехнологических процессов и аппаратов Анаэробные процессы.
Реакторы для анаэробных процессов не имеют приспособлений для аэрирования среды. Однако некоторые из этих процессов протекают с потреблением газообразных субстратов – водорода, метана. В этом случае применяют барботер и другие приспособления для подачи газа в жидкость. Перемешивание среды в ходе анаэробных процессов осуществляется низкоскоростной механической мешалкой или созданием тока жидкости по циркуляционному контуру. Важным условием является предохранение среды культивирования от контакта с кислородом.
В некоторых случаях более выгодно отказаться от аэробных процессов в пользу анаэробных. Например, в результате аэробного расщепления органических субстратов образуется СО2и Н2О, а в анаэробных условиях микроорганизмы образуют ценные низкомолекулярные продукты – спирты, ацетон, органические кислоты.
Твердофазные и газофазные процессы.
Многие биотехнологические процессы основаны на взаимодействии трех фаз – твердой, жидкой и газообразной. Существуют процессы, где роль жидкой фазы минимальна (например, она увлажняет твердую поверхность, воздух или газ).
В зависимости от преобладающей фазы процессы и соответствующие им аппараты классифицируют:
1) твердофазные: используют растительное сырье, микроорганизмы могут быть различными, но обычно – мицелиальные грибы и дрожжи (рис.52).
Рис.52. Ферментер для твердофазной ферментации
Различают три типа твердофазных процессов:
- поверхностные процессы:в качестве биореакторов используют подносы из алюминия или культивационные камеры, площадью несколько м2; «тонкий слой» субстрата – 3-7 см (например, солома) (Рис.53);
- глубинные процессы:биореакторами являются глубокие открытые сосуды; используют «высокий» неперемешиваемый слой субстрата, а также приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвективный газообмен;
- процессы в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата:масса может быть гомогенной, например, полужидкий навоз или состоять из частиц твердого субстрата, взвешенных в жидкости. Используют биореакторы с низкоскоростными мешалками. Однако перемешивание при обилии твердой фазы травмирует биообъект (нежелательно для мицелиальных грибов). Для мягкого перемешивания используют винтовые мешалки или биореактор в виде вращающегося барабана.
Преимущества твердофазных процессов:
1) требуют меньших затрат на оборудование и эксплуатацию;
2) облегчены отделение и очистка продукта (благодаря характеру субстрата);
3) вероятность заражения культуры продуцента посторонней микрофлорой не высокая (из-за низкого содержания воды в субстрате);
4) сброс в окружающую среду сточных вод минимален.
Недостатки твердофазных процессов:
1) из-за недостаточного перемешивания, рост микроорганизмов происходит по принципу колонизации, при этом отдельные зоны в толще субстрата избыточно населяются клетками и возникает локальная нехватка питательных веществ, хотя значительная часть субстрата остается незатронутой.
Для решения этой проблемы необходимо:
- внесение большего количества посевного материала и распределение его по всему объему субстрата;
- периодическое культивирование с многократным отъемом части субстрата с биомассой и внесение эквивалентного количества перемешиваемого свежего субстрата.
2) проблематичен контроль за эффективностью аэрации различных участков субстрата, температурой и уровнем влажности из-за неоднородности условий в толще твердого субстрата.
Для решения этой проблемы разрабатывают малотравматичные режимы механического перемешивания и другие методы усиления массопередачи и теплообмена.
2) газофазные процессы:протекают в аппаратах с твердым наполнителем, через который пропускают ток газа. Например, получение спирта на основе дрожжей: мелкие агрегаты дрожжевых клеток, предварительно увлажненные концентрированной питательной средой, «парят» в биореакторе в мощном потоке газа, поступающего из сопла в днище аппарата. Газ, уходящий из аппарата несет летучие продукты жизнедеятельности дрожжей, в т.ч. спирт, конденсируемый в холодильнике. Агрегаты дрожжевых клеток играют одновременно роль и биообъекта, и твердого наполнителя (рис.54).
Рис. 54. Биореактор для газофазного культивирования:
1 – змеевик;
2 – сопло для подачи газа-носителя.