1 Лекция по БТ ПРЕДМЕТ БИОТЕХНОЛОГИЯ

ТЕХНОЛОГИИ

• ТЕХНОЛОГИЯ – совокупность способов, приёмов для получения из исходного материала (сырья) некоторого практически ценного продукта

• Название: ТЕХНОЛОГИЯ (получения) ПРОДУКТА

• Технологии получения и технологии применения продукта

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ТЕХНОЛОГИЙ

• ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ

• ХИМИЧЕСКИЕ

• БИОТЕХНОЛОГИИ ( разновидность химических)

ВАРИАНТЫ СТРУКТУРЫ ТЕХНОЛОГИЙ

• Обычно несколько видов сырья используется для получения одного продукта

• В одной технологии может быть 2 и более целевых продуктов

• Может быть несколько вариантов технологий для получения одного и того же продукта

• В многостадийных технологиях разные стадии могут относиться к разным классам технологий

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

• Исходный материал (сырьё) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет своего химического состава

• Примеры: Мебель из дерева, детали машин на металлообрабатывающих станках – изменение формы

• Пример: Гвозди – изменение и агрегатного состояния, и формы

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

• В процессе получения продукта сырьё претерпевает изменения химического состава

• Природный газ  полиэтилен

• Раствор NaCl  хлор

• Этилен  этанол

• Нефть  бензин

• Природный газ  метанол

БИОТЕХНОЛОГИЯ (ОПРЕДЕЛЕНИЕ)

ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУКТОВ, ценных для народного хозяйства и других областей человеческой деятельности, в процессе которого используется БИОХИМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ, ИЗОЛИРОВАННЫХ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ, ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА ИЛИ ИХ КОМПОНЕНТОВ.

НЕ ВСЁ ЖИВОЕ - БИОТЕХНОЛОГИЯ

• Если продукт получают с помощью мАкроорганизма (растения, животного, пчелы и т.п.) - это не биотехнология

• Примеры: получение зерна из почвы, воды и удобрений, молока из травы и корма, лекарства из корня женьшеня, мёда с помощью пчёл

• Примеры биотехнологий: йогурт из молока, культивирование изолированных клеток женьшеня, фруктоза из крахмалосодержащего сырья с использованием ферментов

ВИДЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

• 1.Наращивание клеточной массы

• 2.Биосинтез целевых продуктов

• 3.Потребление веществ из среды

• 4.Биокатализ (биотрансформация)

• 5.Выщелачивание веществ из твёрдых тел

• 6.Газообразование

БИОКАТАЛИЗ И БИОТРАНСФОРМАЦИЯ

• Процессы, в результате которых под действием микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного вещества

• При биокатализе – значительные

• При биотрансформации - небольшие

ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОСТЬ

• Самопроизвольные биохимические процессы – не биотехнология

• Должна быть организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение заданного продукта

• Примеры: биовосстановление загрязнённых нефтью почв; Образование торфа, угля, нефти из деревьев и трав; Выщелачивание металлов из руд

ПРЕИМУЩЕСТВА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

• Возможность получения специфичных и уникальных природных веществ

• Относительно невысокие температура и давление

• Микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста, чем растения или животные

• Для сырья можно использовать дешёвые отходы

• Более экологичны

• Более простые технологии и аппаратура

ГДЕ ИСПОЛЬЗУЮТ БИОТЕХНОЛОГИЮ

• Химическая промышленность

• Нефтедобыча

• Получение металлов

• Биоэлектроника

• Прочие отрасли народного хозяйства

• Медицинская промышленность

• Пищевая промышленность

• Сельское хозяйство

• Охрана окружающей среды

• Энергетика

МЕДИЦИНА

• Стероидные гормоны

• Ферменты

• Коферменты

• Аминокислоты

• Подсластители

• Биоразлагаемые полимеры

• Нейропептиды

• Вакцины

• Антибиотики

• Витамины

• Инсулин

• Гормоны роста

• Иммуномодуляторы

• Иммунодепрессанты

• Кровезаменители

ПИЩА

• Витамины

• Спирт

• Глюкозо-фруктозные сиропы

• Пищевой белок

• Ферменты

• Пищевые красители

• Консерванты

• Загустители

• Вино, пиво, квас

• Хлеб

• Кисломолочные продукты

• Уксус

• Лимонная кислота

• Другие орг. кислоты

• Глутамат

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

• Вакцины

• Антибиотики

• Кормовые витамины

• Ростовые гормоны

• Кормовой белок

• Кормовые аминокислоты

• Силосные закваски

• Пробиотики

• Энтомопатогенные препараты

• Бактериальные удобрения

• Безвирусная рассада

• Феромоны

• Корм для рыб

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

• Очистка стоков

• Биосорбция металлов

• Биокомпостирование твёрдых отходов

• Метановое брожение твёрдых отходов

• Биологическая очистка газовых выбросов

• Стиральные порошки с ферментами

• Биодеградация нефтезагрязнений

• Обессеривание угля

• Борьба с метаном

• Обогащение воздуха кислородом

• Биоразлагаемые полимеры

• Вермикультивирование и копрокультивирование

БИОЭНЕРГЕТИКА

• Если бы на 0,1% поверхности Земли собирали солнечную энергию и утилизировали её с к.п.д. 10% -- все потребности в энергии были бы удовлетворены

• Растения и микроводоросли способны запасать энергию Солнца с к.п.д. 1–2%

ПРИМЕРЫ ЭНЕРГОБИОТЕХНОЛОГИЙ

• Получение биогаза

• Получение биоэтанола

• Получение углеводородов микроорганизмами

• Получение водорода биофотолизом воды

ТИПОВАЯ СХЕМА И ОСНОВНЫЕ СТАДИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

• Подготовительные стадии

• Биотехнологические стадии

• Разделение жидкости и биомассы

• Выделение продуктов биосинтеза

• Очистка продуктов

• Концентрирование продуктов

• Изготовление готовой формы продуктов

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СТАДИИ

• Ферментация

• Биотрансформация

• Биокатализ

• Биоокисление

• Метановое брожение

• Биокомпостирование

• Биосорбция

• Бактериальное выщелачивание

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ СТАДИИ

• Приготовление среды

• Стерилизация среды

• Очистка и компримирование воздуха

• Подготовка посевного материала

• Подготовка биокатализатора

• Предварительная обработка сырья

РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ И БИОМАССЫ

• Отстаивание

• Коагуляция – осаждение с помощью реагентов

• Фильтрация тканевая

• Микро- и ультрафильтрация

• Сепарация и центрифугирование

• Флотация

ВЫДЕЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ БИОСИНТЕЗА

• Дезинтеграция клеток – разрушение клеточных оболочек при выделении внутриклеточных продуктов

• Гидролиз – разрушение клеточных оболочек под действием химических реагентов и температуры

• Ферментолиз – то же под действием ферментов

• Автолиз – то же под действием собственных ферментов микробных клеток

ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ПРОДУКТОВ

• Экстракция – перевод целевого продукта из водной фазы в органическую жидкость (экстрагент)

• Экстрагирование - то же из биомассы в жидкую фазу

• Осаждение – выделение целевого продукта путём добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворённым продуктом и переводящего его в твёрдую фазу

ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ПРОДУКТОВ

• Адсорбция – перевод растворённого в жидкости продукта в твёрдую фазу путём его сорбции на микропористых сорбентах

• Ионный обмен – то же, что и адсорбция, но не целых молекул, а ионов

• Отгонка, ректификация

• Ультра-, микро- и нанофильтрация

• Центрифугирование и ультрацентрифугирование

ОЧИСТКА ПРОДУКТА

• Цель – убрать примеси, сделать продукт максимально чистым

• Традиционные процессы – экстракция и экстрагирование, адсорбция, ионный обмен, ультрафильтрация и обратный осмос, ректификация и ферментолиз

• Хроматография – процесс десорбции с разделением близких по структуре веществ

• Диализ через полупроницаемую перегородку

• Кристаллизация и перекристаллизация

КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ПРОДУКТА

• Цель – увеличить концентрацию целевого вещества в продукте

• «Отжим» растворителя из раствора осуществляется с помощью процессов выпаривания, сушки, осаждения, кристаллизации, ультрафильтрации, нанофильтрации, обратного осмоса

• Концентрация целевого продукта после ферментации не превышает 1 – 5%, а на выходе стадии концентрирования – 90–100 %

ПОЛУЧЕНИЕ ГОТОВОЙ ФОРМЫ ПРОДУКТА

• На завершающей стадии производства продукт приобретает товарную форму за счёт процессов:

• Гранулирование

• Дражирование

• Таблетирование

• Ампулирование

• Розлив или фасовка

ОЧИСТКА СТОКОВ И ВЫБРОСОВ

• На некоторых стадиях производства имеются стоки и выбросы в атмосферу

• По существу очистка стоков – это отдельное биотехнологическое производство, включающее почти все типовые стадии.

• В некоторых случаях удаётся создать замкнутый цикл и использовать очищенную воду в основном производстве. Реже удаётся создать замкнутый цикл по воздуху.

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

• Газы со стадии ферментации

• Культуральная жидкость или твёрдый субстрат с микроорганизмами (кефир, сыр…)

• Концентрат культуральной жидкости (кормовые антибиотики, лизин…)

• Жидкость после отделения биомассы (пиво, вино, квас…)

• Концентраты этой жидкости

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

• Инактивированная биомасса (кормовые дрожжи…)

• Биопрепарат - жизнеспособная биомасса микроорганизмов (пекарские дрожжи, силосные закваски, биодеструкторы нефтяных загрязнений …)

• Ослабленная биомасса микроорганизмов (живые вакцины…)

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

• Внеклеточный биопродукт – легкокипящая жидкость (этанол…)

• Внеклеточный биопродукт, растворённый в водной фазе (антибиотики, аминокислоты…)

• Внутриклеточный продукт (витамины, антибиотики, нуклеотиды)

• Переработанная биомасса микроорганизмов (гидролизаты, ферментолизаты, сорбенты из клеточных оболочек …)

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

• Очищенная твёрдая фаза (от нефтяных загрязнений и т. п. ….)

• Очищенная жидкая среда (сточные воды и т. п. …)

• Жидкость с выщелоченной из твёрдой фазы компонентами (выщелачивание металлов из руд …).

• Увеличение объёма среды за счёт выделения газов (хлеб, сыр, пиво …)