Шпаргалка по "Биотехнология"

объектов  организмы,  ранее  называвшиеся  гетеротрофами,  которые  в

настоящее  время подразделяются на:  органо  автотрофы (употребляющие 

органические  вещества  как  источники  энергии),  литогетеротрофы

(использующие  органические  вещества  как  источники   углерода)  и 

органогетеротрофы (для которых органические  вещества  служат  и

источниками энергии, и источниками  углерода).

Питательные среды призваны обеспечивать жизнеспособность, рост и 

развитие  соответствующих  продуцентов,  а  также  синтез  целевого

продукта  с  максимальной  эффективностью.  Требования  к  питательным

средам,  используемым  в  биотехнологии,  ничем  не  отличаются  от

требований,  предъявляемым  к  питательным  средам,  применяемым  в

микробиологии для культивирования  тех или иных микроорганизмов. Для 

приготовления  питательных  сред  в  биотехнологии  используются разнообразные субстраты, которые  должны удовлетворять определенным

критериям. Субстрат представляет собой сырье для получения  целевого продукта

и  должен  быть  недефицитным,  дешевым,  по  возможности  легко 

доступным. Растительная  биомасса  и (в  меньшей  степени)  биомасса  животных

организмов  представляют  собой  достаточно  хорошо  утилизируемые

источники  углерода  для  биотехнологических  целей.  На  основе  этих

источников  основано  давно  существующее  производство  алкоголя  из

зерна и  сыра из молока. Растительные источники могут рассматриваться 

как  практически  неистощимые. Первичная  продукция фотосинтеза (рост

растений  за  счет  использования  солнечной  энергии)  на  земле 

обеспечивает 2×1011 т вещества (биомассы) в год в пересчете  на сухой вес!

Наибольшая  доля  биомассы (около 44 %)  образуется  в  виде

древесины. Вызывает удивление  факт, что продукция сельского  хозяйства 

составляет  лишь 6 %  первичной  продукции  за  счет  фотосинтеза,  хотя

именно из этого количества получается основная часть пищи для  людей и 

животных,  а  также  многие  необходимые  материалы (например,  для 

текстильной и бумажной промышленности).

В будущем значительная часть  традиционных сельскохозяйственных

продуктов  сможет  производиться  с  использованием  современной

биотехнологии.  В  частности,  новые  биотехнологические  подходы 

позволят обеспечить утилизацию большого количества отходов сельского 

хозяйства,  которые  в  настоящее  время  не  находят  применения,  и 

использовать их для приготовления  питательных продуктов.

Биомасса сельского и  лесного хозяйства в настоящее  время является

значительным  экономическим  потенциалом  во  многих  национальных

экономиках, в первую очередь в тропических и субтропических регионах.

 

 

 

32. Преимущества и недостатки  ферментных технологий

При  ферментационной  технологии  можно  использовать  цельные 

живые клетки (микробов, клетки животных и растений) или какие-нибудь

клеточные  компоненты (например,  ферменты)  с  целью  физических  или

химических преобразований органических веществ. Однако недостаточно

получать  требуемые  изменения  веществ,  метод  должен  иметь 

преимущества  перед  другими,  применяемыми  в  настоящее  время,

технологиями производства этих же самых продуктов.

Преимущества  производства  органических  продуктов

биотехнологическими  способами  перед  чисто  химическими  методами

достаточно многогранны:

•  многие  сложные  органические  молекулы,  такие,  как  белки  и 

антибиотики,  не  могут  практически  быть  синтезированы 

химическими способами;

•  биоконверсия  обеспечивает  значительно больший выход целевого

продукта;

•  биологические  системы  функционируют  при  более  низких

температурах, менее высоких  значениях рН (близких к нейтральному)

и т. п.;

•  каталитические  биологические  реакции  намного  специфичнее,  чем 

реакции химического катализа;

•  биологические  процессы  обеспечивают  почти  исключительно 

продукцию  чистых  изомеров  одного  типа,  а  не  их  смесей,  как  это 

часто бывает в реакциях химического синтеза.

Но вместе с тем биологические  способы в сравнении с химическими

методами обладают рядом  явных недостатков:

1. Биологические системы  могут легко быть загрязнены  посторонней 

нежелательной микрофлорой.

2.  Целевой  продукт,  синтезируемый  биологическим   способом,

присутствует  в  довольно  сложной  смеси,  что  обусловливает 

необходимость разделения его  от примеси ненужных веществ.

3.  Биотехнологические  производства  требуют  больших   количеств 

воды,  которую  в  итоге  необходимо  удалять,  сбрасывая  в

окружающую среду.

4. Биопроцессы обычно идут медленнее в сравнении со стандартными

химическими процессами.

Для каждого биотехнологического  процесса должна быть разработана 

подходящая  схема,  а  сам  процесс  должен  постоянно  наблюдаться  и 

тщательно  контролироваться.  Для  большинства  практических

биотехнологических  процессов  такими  системами  являются ферменторы

или  биореакторы,  которые обеспечивают  необходимые физические

условия,  способствующие  наилучшему  взаимодействию  катализатора  со

средой и поставляемым материалом. Биореакторы варьируют от простых

сосудов до весьма сложных  систем с различным уровнем компьютерного

оснащения.

 

 

 

 

 

33)Адсорбционная иммобилизация

Носителями могут быть как органические, так и неорганические вещества, которые  применяются а виде порошка, мелких гранул или шариков. Иммобилизация ферментов путем адсорбции на нерастворимых носителях отличается исключительной простотой и достигается путем обеспечения контакта водного раствора фермента с избранным для конкретной цели носителем.После отмывки неадсорбированного фермента препарат готов к

применению.Зависит от: удельная поверхность и пористость

носителя, значения рН среды, ионная сила раствора фермента, его

концентрация, а также температура  проведения адсорбции.

• Иммобилизация путем включения в гели состоит в том, что молекулы

фермента включаются в трехмерную сетку, образованную тесно

переплетающимися нитями (цепями), формирующими гель. Пространство

между полимерными цепями в геле заполнено водой, на долю которой

приходится обычно значительная часть  общего объема геля. Для

иммобилизации фермента в геле существует два основных способа:

• при одном из них фермент вводится в водный раствор мономера, а

затем уже проводят полимеризацию, в результате которой

формируется гель с включенными  в него молекулами фермента,

• второй способ состоит в том, что фермент вносится в раствор уже

готового полимера, который затем  каким-либо образом переводят в

требуемое состояние, гелеобразное состояние.

• Иммобилизация путем включения в полупроницаемые мембраны –

состоит в том, что водный раствор  фермента отделяется от водного

раствора субстрата полупроницаемой  мембраной, способной легко

пропускать небольшие молекулы субстрата, задерживая крупные

молекулы фермента. Существующие модификации  этого метода

различаются лишь способами получения  полупроницаемых мембран и их

природой.

- микрокапсулирование

- двойное эмульгирование

- включение в волокна

• Включение в липосомы

Иммобилизация ферментов с использованием систем двухфазного

типа сводится к тому, что ограничение  свободы перемещения фермента в

системе достигается не вследствие его фиксирования на жестком носителе, а в результате его способности  растворяться только в одной и  из фаз двухфазной системы.

• Химические методы иммобилизации

ферментовГлавным отличительным признаком химических методов иммобилизации является то, что вследствие химических взаимодействий в молекуле фермента возникают новые ковалентные связи, в частности между ним и носителем. Формирующаяся ковалентная связь между ферментом и носителем обеспечивает высокую:

1. прочность образующих конъюгатов.
2. химическую модификацию

ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств

(субстратной специфичности, каталитической  активности и стабильности).

Основные требования, предъявляемые  к материалам, которые могут

служить для иммобилизации ферментов, следующие:

• высокая химическая и биологическая стойкость;

• высокая механическая прочность;

• достаточная проницаемость для фермента и субстратов,

большая удельная поверхность, высокая  пористость;

• возможность получения трубок, листов и т.п.;

• легкая активация (переведение в реакционноспособную форму);

• высокая гидрофильность, позволяющая проводить реакции

связывания с ферментом в водной среде

 • невысокая стоимость

 

• 34) Небольшие размеры
• Вездесущны
• Разнообразные типы метаболизма
• Фототрофы
• Занимают небольшой объём(в 1 мл до 1 млрд. особей)
• Высокая скорость деления, быстрый рост
• Способны жить в различных условиях.

Фотосинтезирующие организмы  перспективны как продуценты аммиака,водорода,белка.

Термофильные микроорганизмы,растущие при 60-80 град.,это является надёжной защитой при загрязнении.Ферменты,синтезируемые термофилами ,характериз. Повышенной устойчивостью к нагреванию,но при этом они малоактивны при обычных температурах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

35) Открытые и  замкнутые ферментационные системы.Основные требовани,предъявляемые к биореакторам.

В практике современной индустриальной биотехнологии существует три  главных  типа  биореакторов  и две формы биокатализаторов. Биореакторы  могут функционировать на  основе  разовой (однократной), восполняемой (неполностью) и непрерывной (продолженной) загрузки. А в самих реакторах культуры  могут быть  статическими и перемешивающимися, находиться в присутствии кислорода (аэробы) или без него (анаэробы),  а также в водной  фазе  или условиях  низкого увлажнения.   Биокатализаторы (цельные клетки  или ферменты)  могут быть свободными или иммобилизованными путем прикрепления к поверхности биореактора  или к специальным устройствам.  Обычно  реакции, протекающие в ферменторах, осуществляются при умеренных значениях рН (около нейтрального)  и температуры (от 20 до 60 С).  При многих биотехнологических  процессах конечные  продукты  метаболизма (так называемые целевые продукты) накапливаются в низких концентрациях в растворимой фазе (в водной  среде)  и требуют сепарации,  прежде  чем будут направлены на реализацию. Биореакторные  системы для выращивания микрорганизмов  могут быть  классифицированы  как "замкнутые"  и "открытые".  Система рассматривается в качестве замкнутой, когда многие компоненты данной системы не могут быть из нее удалены или добавлены. Так, например, в традиционных однократных (т. е. замкнутых) ферментационных системах все питательные компоненты  добавляются в начале  ферментации и,  как результат этого,  скорость  роста,  находящегося  в таких условиях организма,  в конечном  счете  будет снижена до  нуля  вследствие уменьшения  количества  питательных веществ или накопления токсических продуктов отхода метаболизма. Системы, функционирующие в таких условиях,  называются  как batch-системы (замкнутые системы). Большинство современных биотехнологических  систем  функционируют как batch-процессы,  при которых однажды оптимизированные  условия обеспечивают максимальное накопление целевого (требуемого) продукта, например, приготовление пива, производство антибиотиков и ферментов и т. п. Модификацией  процесса  с разовой загрузкой является возобновляемая  ферментация (feеd batch – от feеd-насыщающий),  при которой количество питательного вещества может быть добавлено в ходе ферментации с целью восполнения частично израсходованного субстрата или для активации процесса.  Однако  в своей принципиальной  основе подобные  системы остаются  замкнутыми,  поскольку у них нет постоянного оттока содержимого. В противоположность этому,  ферментационная система, рассматривается как открытая, если ее компоненты ( микроорганизмы  и питательные  субстраты)  могут  постоянно  добавляться  и  удаляться  из биореактора. Такие ферментеры оснащены приспособлениями, постоянно подающими свежую питательную среду и удаляющими биомассу и другие продукты. В таких системах скорость конверсии субстрата в биомассу или в целевой продукт должна  быть  точно сбалансирована  со  скоростью   поступления вышеуказанных компонентов, что обеспечивает устойчивое состояние метаболических процессов в реакторе. Хотя  непрерывные процессы  приобрели широкое практическое применение в лабораторных условиях (масштабах), лишь немногие из них используются  в промышленности.  Однако  непрерывные процессы довольно  широко  практикуются  в производстве  одноклеточного  белка;

 

 

 

36)Области применения достижений биотехнологии

Медицина:

Ранняя диагностика

Профилактика

Лечение

В ранней диагностике применяют моноклональные антитела (к раковым опухолям), их применяют также и для лечения

Для профилактики: производство препаратов, повышающих иммунный статус организма (иммуностимуляторы и  иммуномодуляторы); производство различных  вакцин, производство соединений общеукрепляющего действия (витамины, антиоксиданты)

Для лечения: антибиотики (ок. 3000); инсулин, интерфероны

Энергетика

Получение биомассы и возобновляемых источников энергии. В биомассе аккумулируется 1-2% солнечной энергии. Если увеличить  КПД, можно увеличить запасание. Биомасса – возобновляемый источник энергии. Задачи биотехнологии: увеличение КПД (увеличение эффективности фотосинтеза  и получение сортов растений, биофотолиз) Проблемы: создание биореакторов и стабильных искусственных биофотосистем. Получение биогаза из отходов с/х-ва (свинокомплексы), энергоемких соединений метилового и этилового спирта; Более высокая отдача от месторождений нефти (обычно используют до 30% пласта, но можно больше через закачивание в скважины различных веществ).

Пищевая промышленность:

Сохранение традиц. Способов получения продукции с использованием микроорганизвов; Пищевые добавки, красители, белок 1-клеточных организмов

Преимущества: в физиологических  условиях, отходы не вредны для окруж. среды, дешевле. Недостаток: затраты на предварительные исследования

Получение материалов пластмасс, красителей, загустителей , эмульгаторов, защита существующих материалов от биодеградации

Биотехнология и  окружающая среда.

Биоочистка

Замена и создание новых  процессов, наиболее совместимых с  окружающей средой. Псевдомонас путида – универсальный деградатор, препарат путидол. Применяется при авариях при транспортировке нефти.

Сельское хозяйство

Растениеводство: создание сортов растений с новыми свойствами; защита растений от вредителей (насекомых), бактериальных и грибковых заболеваний.

Животноводство: новые методы селекции животных; ветпрепараты, вакцины, кормовые добавки, баостимуляторы

Преимущества: в физиологических  условиях, отходы не вредны для окруж. среды, дешевле. Недостаток: затраты на предварительные исследования

 

В качестве резюме следует  отметить, что биотехнология на

современном этапе своего развития преимущественно ориентируется  на

различные виды недорогого, легкодоступного и возобновляемого  сырья,

наиболее значимым из которого является растительная масса. При

конверсии субстратов в биотехнологических процессах основное