МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова
Промышленная биотехнология
Методические указания для самостоятельной работы студентов
по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология
Воронеж 2017
Брындина Л. В.
Промышленная биотехнология: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология [Текст] / Брындина Л.В.; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова», – Воронеж, 2017. – 40 с.
Цель курса «Промышленная биотехнология» – ознакомить студентов с основными этапами биотехнологических производств, включая:
-виды сырья;
-биообъекты – клетки и ферменты, биохимическая активность которых является основой биопроизводств;
-процессы, лежащие в основе этих производств;
-выделение, очистка и товарные формы конечных продуктов;
-показать уникальные возможности микроорганизмов и разнообразие ферментативных реакций, лежащих в основе биопроизводств;
-дать характеристику сырья, в том числе, недефицитных вторичных продуктов и отходов ряда производств;
-ознакомить с методами культивирования микроорганизмов;
-дать характеристику этапам получения конечных продуктов биотехнологических производств.
Самостоятельная работа студентов предусматривает детальную проработку отдельных вопросов по некоторым разделам дисциплины. Такая работа дает возможность студентам получить навыки работы с конспектом лекций, рекомендуемой литературой, а также анализировать полученные данные. Базовой основой теории являются лекции. На лекциях студенты должны обязательно записывать название темы и план лекции, которые даются преподавателем. Согласно плану рассматриваются отдельные вопросы, как теоретические, так и выносимые на лабораторные занятия. Следует фиксировать основные положения, отмечать не вполне ясный материал, чтобы поднять эти вопросы при обсуждении. Кроме того, студентам на лекциях следует обратить внимание на источники получения информации; они даются при изучении темы в виде методических учебных пособий, научных разработок, пособий, имеющихся в библиотеке и на кафедре. В конце лекций следует записывать вопросы, выносимые на обсуждение.
Тема 1. Основы биотехнологического производства.
Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса.
Существует 5 стадий биотехнологического производства. Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.
Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.
На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.
Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными.
Вопросы для самоконтроля
1.Какова технология приготовления питательных сред для биосинтеза?
2.Охарактеризуйте стадию получения засевной дозы.
3.Что представляет собой ферментация? Дайте описание устройства ферментера.
4.Охарактеризуйте общие принципы разделения веществ.
5.В каком случае применяются методы тонкой очистки веществ?
6.Что представляет собой стадия получения готовых товарных форм препаратов?
Тема 2. Биотехнологические производства, основанные на получении микробной биомассы
По данным ряда специалистов мировой дефицит белка к началу XXI в. оценивается в 30—35 млн. т. Основным путем снижения и ликвидации этого дефицита является производство биомассы с помощью микробного синтеза, имеющее следующие преимущества перед другими источниками белковых веществ: микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500—5000 раз выше, чем у растений или животных; микробные клетки способны накапливать очень большое количество белка (дрожжи — до 60%, бактерии — до 75% по массе); в микробиологическом производстве за счет высокой специфичности микроорганизмов отсутствует многостадийность; сам процесс биосинтеза протекает в мягких условиях при температуре 30—45°С, рН 3—6 и давлении ~0,1 МПа, он менее трудоемок по сравнению с получением сельскохозяйственной продукции и органическим синтезом белков.
Все эти преимущества и предопределили быстрое развитие технологии получения микробного белка, которое является самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии и открывает возможность промышленного производства с помощью микроорганизмов важнейших кормовых добавок для животноводства и птицеводства с высокой кормовой ценностью и в необходимом количестве.
Белки являются обязательными компонентами клеток любого живого организма, выполняющими жизненно важные функции: каталитические регуляторные, транспортные, биоэнергетические, защитные от инфекции и действия стрессовых факторов; структурные, запасные и др. В вегетативной массе растений на долю белков приходится 5—15 % сухого вещества, в зерне злаков — 8—18%, семенах масличных растений16—28 %, зерне зернобобовых культур — 20—40 %. В различных тканях организма человека и животных содержание белков обычно от 20 до 80 % их сухой массы.
Исходя из этого совершенно очевидно, что для образования клеток и тканей организма, а также поддержания его жизненных функций должен осуществляться постоянный синтез структурных и других форм белков. Для синтеза белковых молекул все живые организмы используют 18 ами-