Министерство образования и науки Российской Федерации
Пензенский государственный университет
Кафедра "Общая биология и биохимия"
Направление подготовки - 06.03.01 Биология
Профиль подготовки - Биохимия
Реферат
по дисциплине "Введение в биотехнологию"
на тему: "Биотехнологический процесс"
Выполнил студент: Шишкина Мария Игоревна
Проверил: Д.б.н., профессор
Соловьёв Владимир Борисович
Пенза, 2017
Содержание
Введение
Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов, загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.
В широком смысле "биотехнология" - использование живых организмов и биологических процессов, а также способов их изменения для более полного удовлетворения человеческих потребностей.
Биотехнологии основаны на последних достижениях многих отраслей современной науки: биохимии и биофизики, вирусологии, физико-химии ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии антибиотиков, иммунологии и др.
Сам термин "биотехнология" новый: он получил распространение в 1970-е гг., но человек имел дело с биотехнологиями и в далеком прошлом. Некоторые биотехнологические процессы, основанные на применении микроорганизмов, человек использует еще с древнейших времен: в хлебопечении, в приготовлении вина и пива, уксуса, сыра, различных способах переработки кож, растительных волокон и т.д. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток, методах генной инженерии.
В сфере производства биотехнологические процессы резко отличаются от химических процессов.
В первую очередь отличие заключается в том, что в биотехнологии используют более сложную организацию материи - биологическую, в частности клетки микроорганизмов, тканевые культуры животных и растений, а так же ферменты и др. [3]
1. Биотехнологический процесс
Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений, и животных с заданными свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.
Биотехнологический процесс-это последовательность стадий работы с биообъектом, приводящая к получению конечного продукта.
Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.
Первым детально изученным процессом было брожение. Французский ученый Луи Пастер (1822 - 1895) первым показал, что брожение - это жизнь без свободного кислорода или анаэробное дыхание, происходящее при участии дрожжевых грибов.
Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.
1) Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.
2) Биотехнологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипного оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.
3) Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.
4) Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах.[4]
2. Принципы и классификация биотехнологических процессов
1. Принцип экономической обоснованности.
Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза.
2. Принцип целесообразного уровня технологических разработок.
Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства - все это должно прямо определяться соображениями экономической выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. В большинстве современных микробиологических производств стремятся к использованию чистых культур микроорганизмов и к полной стерильности оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз), может быть получен и без чистых культур, растущих в условиях не стерильности.
3. Принцип научной обоснованности биотехнологпческого процесса.
Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима его работ.
4. Принцип удешевления производства (максимальное снижение затрат).
Как пример - использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов - природных водоёмов - вместо рукотворных аппаратов, в частности, для получения биомассы одноклеточных водорослей.
Изложенные принципы говорят о двуединой задаче биотехнологии: создание оптимальных условий для синтеза целевого продукта клетками биообъекта и в то же время вести производство в максимально экономическом режиме, при минимальных производственных затратах.
По механизму образования конечного продукта БТ:
- биосинтез - конститутивное или адаптивное образование метаболитов (преметаболиты, первичные или вторичные) - этим способом получают основную массу БАВ;
- биотрансформация - видоизменения какой-либо молекулы, превращение одного продукта в другой. Такой процесс имеет место при получении стероидных гормонов, фитобиотехнологическом процессе получения дигоксина;
- мутасинтез - процесс образования полусинтетических метаболитов при включении в клеточный метаболизм аналогов предшественников. Подобный процесс находит свое применение при получении антибиотиков. Пример применения мутасинтеза при производстве антибиотиков.
По организации материальных потоков:
Периодический БТ процесс достаточно прост и довольно часто употребляем. Однако его нельзя считать оптимальным. При периодическом процессе единовременно загружают в реактор все компоненты питательной среды и посевной материал.
Затем совершается полный цикл ферментации. Таким образом какой-либо коррекции условий биосинтеза во время ферментационного цикла не выполняется: нет ни постоянного поддержания оптимального соотношения источников углерода, азота, фосфора, ни добавления в нужный момент предшественников целевого продукта, ни сохранения оптимального значения рН и т.п. Все это сказывается на продуктивности ферментации. Выход целевого продукта снижается.
Полупериодический (регулярный) процесс по сравнению с периодическим более прогрессивен. Улучшаются рост продуцента и биосинтез целевого продукта, появляются возможности коррекции процесса при его отклонениях от оптимальных условий.
Непрерывный процесс ферментации заключается в том, что из реактора непрерывно отбирают небольшие порции культуральной жидкости и одновременно в него же вносят такой же объем питательной среды. Система оказывается проточной. Использование непрерывного процесса целесообразно, например, в том случае, если целевым продуктом является непосредственно сама биомасса выращиваемого микроорганизма.
Отъемно-доливной БТ процесс является промежуточным между периодическим и непрерывным. Культуральная жидкость отбирается более крупными порциями, чем в непрерывном процессе.
Многоциклический процесс является еще одним вариантом периодической ферментации. По завершении ферментации при сливе культуральной жидкости в аппарате оставляют ее примерно 10%, затем в реактор вносят 90% свежей питательной среды, и начинается новый процесс ферментации. Для этого процесса не нужно выращивание нового посевного материала, подготовки и стерилизации реактора и трубопроводов.[5]
По характеру культивирования:
Поверхностный БТ процесс.
При поверхностной ферментации биообъект может расти на жидкой, твердой, сыпучей или пастообразной питательной среды. Рост биообъекта происходит на поверхности и в порах твердых частиц среды. Процесс культивирования требует больших площадей, также возникают трудности в создании асептических условий, поддержании постоянной температуры во всей ферментационной среде и в отводе тепла. Выход продукта биосинтеза невелик.
Глубинный БТ процесс.
Данный метод более совершенен, легко подвергается механизации и является основным промышленным методом культивирования или ферментации. Процесс культивирования осуществляется в жидкой питательной среде, в биореакторах объемом до 100м 3. Перед заполнением реактор-ферментатор стерилизуют горячим паром под давлением. Затем заполняют охлажденной питательной средой.
Посевной материал вносят в количестве от 5 до 20% от объема используемой среды. Это делает процесс высокоэффективным. Накапливается большое количество целевого продукта.
Одноступенчатые БТ процессы - это процессы, при проведении которых получают целевой продукт непосредственно из биообъекта.
Двухступенчатые БТ процессы - это постепенное наращивание биообъекта в возрастающем количестве на питательной среде и перенос его в другой биореактор для биосинтеза целевого продукта.
Многоступенчатые БТ процессы - это процессы генной инженерии (рДНК биотехнология), связанные с конструированием биообъекта и использованием его в дальнейшем как продуцента БАВ.[6]
3. Основные стадии биотехнологического процесса
В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную.
3.1 Предферментационная стадия.
На предферментационной стадии осуществляют хранение и подготовку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и рециркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии, так как продуцент, его физиолого-биохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса.
Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты.
Транспорт веществ осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты подают в ферментеры с помощью вакуумных насосов.
Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.
Основы приготовления питательных сред
Основу питательных сред для культивирования микроорганизмов составляют источники углерода. Кроме углерода клетки микроорганизмов в процессе роста испытывают потребность в азоте, фосфоре, макро- и микроэлементах. Все вещества этого рода находятся в питательных средах в виде солей, исключение составляют среды, где азот и фосфор могут усваиваться растущими культурами из органических источников, например, автолизатов или гидролизатов микробного или животного происхождения.