Шпаргалка по "Биотехнология"

внимание обращается на создание безотходных производств, когда

побочные продукты одного процесса служат питательными субстратами

для последующего.

 

 

37) 37. химические и нефтехимические субстраты , применяемые в качестве сырья для биотехнологии

Распространенным источником углерода и энергии являются

компоненты нефти и  газа. Наилучшим субстратом из компонентов  нефти

являются н-алканы (особенно жидкие) с числом углеродных атомов от 10

до 20. Их могут утилизировать  большинство бактерий и дрожжи. Однако

и нефть, и газ также  истощаются.

 

38. Промышленные ферменты ,продуцируемые   микроорганизмами.Растения как источник биологически активных веществ.

Несмотря  на  то  что многие  весьма  полезные  и ценные  ферменты

продуцируются  клетками  животных  и  растений,  все  же  предполагается,

что  большая  часть  промышленных  разработок  в  области  ферментной

технологии  будет  основываться  на  ферментах,  получаемых  из

микроорганизмов.  Использование  микроорганизмов в качестве источников производства

ферментов стимулируется  следующими основными факторами:

•  высокой  степенью  специфической  активности  в  пересчете  на единицу сухого веса продукта;

•  сезонными  колебаниями  количества  и  качества  сырьевых материалов  и  возможностью  их длительного  сохранения  в зависимости  от климатических изменений;

•  возможностью выбора нужного  фермента из широкого спектра микробных  катализаторов,  характеризующихся  различной степенью  устойчивости  к  повышенным  температурам  рН среды;

•  возможностями  промышленной  генетики  оптимизировать количества  выхода  ферментов  и  способов  селекции штаммов-продуцентов  путем  мутагенеза,  изменения  условий  культивирования,  а  также (в  последнее  время)  применения практически  неограниченных возможностей  методов  генетической инженерии. Приемы  селекции  различных  микроорганизмов  довольно  сложны  и включают  многие  факторы,  такие,  как  стоимость  культивирования, способность  секретировать фермент  во  внешнюю  среду или накапливать его внутри клетки, а  также способность противостоять неблагоприятным воздействиям  внешней  среды,  повреждающим  ферменты,  и  т. п.  В зависимости  от  происхождения  ферменты  существенно  различаются между  собой  по  термостабильности  и по  отношению к экстремальным значениям рН.  Так,  например,  протеазы Bac. subtilis  относительно стабильны при нагреваниях и активны в щелочной  среде,  в силу  чего считаются более подходящими для использования в качестве  добавок в стиральные  порошки и моющие  средства.  В противоположность этому, грибные амилазы, вследствие их высокой чувствительности к нагреванию, пригодны в хлебопечении и т. д. При селекции  продуцентов ферментов генетики  промышленных микроорганизмов стремятся улучшить  желаемые  их  свойства:  высокий

выход  фермента,  стабильность  фермента,  независимость  синтеза  фермента от индуктора, легкое его извлечение из среды и т. п., тогда как нежелательные  качества стараются устранить или  ингибировать. К числу последних  относятся  наличие  вредных  побочных  метаболитов, неприятный  запах,  нежелательный  цвет  препарата  и  т.  п.  Сложная генетическая  техника,  однако,  еще  не  нашла  широкого  применения  и большинство  производств  использует  главным  образом  приемы мутагенеза  в  сочетании  с  хорошо  отработанными селекционными

методами.  Общим  недостатком  большинства  промышленных микроорганизмов  является  их  малая  генетическая  изученность,  что, естественно,  снижает  возможности  улучшения  полезных  свойств продуцентов  ферментов  за  относительно  короткий  период  времени. Однако  технология  переноса  генов  вместе  с  белковой  инженерией способны  изменить  эту  ситуацию  и  обусловить  развитие  новых направлений в области ферментной технологии. Поскольку  микробные  ферменты  являются  малообъемными препаратами  относительно  невысокой  стоимости,  методы,  применяемые для  их производства,  обычно  осуществляются  с  использованием биореакторов (ферментеров),  аналогичных по  конструкции и функциях таковым,  которые применяются при производстве  антибиотиков.  Выбор культуральной  среды является  весьма  важным  моментом  в процессе производства,  так как она обеспечивает  растущий  микроорганизм энергией,  а также является  источником  необходимых элементов (углерода, азота и т. д.). Стоимость сырьевого материала непосредственно связана с ценой конечного продукта. В большинстве случаев ферменты  получаются  при  ферментации  с одноразовой  загрузкой,  длящейся  от 30  до 150  часов; процессы, основанные  на  непрерывном (проточном)  культивировании,  нашли  пока еще малое применение в промышленном производстве ферментов. В  процессе  выращивания  продуцентов  ферментов,  последние  могут накапливаться внутри клеток или же секретироваться во внешнюю среду. Коммерческие препараты ферментов могут выпускаться в продажу либо в жидкой,  либо  в  кристаллической  форме;  очищенными  или же  в виде "грубых"  препаратов.  Например,  в препаратах,  используемых  для гидролиза крахмала,  целлюлозы,  основным  критерием является  высокая активность  основного фермента  в препарате,  а наличие других активностей зачастую  не  принимают во  внимание.  В то  же  время в препаратах  ферментов,  используемых  в молекулярной  биологии, медицине,  основным  критерием качества  является  отсутствие дополнительных  ферментативных  активностей и просто  белковых загрязнений. Концентрирование и очистка ферментов зачастую представляет собой весьма  сложные процессы.  И естественно,  что стоимость препаратов ферментов зависит от всех перечисленных выше моментов. Ферментные  препараты,  предназначенные для использования в пищевой промышленности  или в медицинской практике,  подлежат строгому  контролю  на  токсичность для животных,  мутагенную активность,  тератогенность  и канцерогенность,  а также проверяются в различных фармакологических тестах. Ответственность за  безопасность  выпускаемых ферментных препаратов  ложится на  фирму,  их  производящую.  Практически, безопасный  ферментный  препарат  должен  обладать  низкими аллергическими свойствами и быть свободным от токсических веществ, а также вредоносных микроорганизмов.  

Растения  как источник БАВ

Растения отличаются от бактерий и особенно от животных поразительным многообразием синтетических процессов, конечными продуктами которых является множество соединений самого разного химического строения, многие из которых биологически активны. Известны тысячи представителей различных химических классов веществ, и каждый год благодаря прогрессу в методах выделения и физико-химического анализа число их увеличивается. Биологически активные растительные соединения могут воздействовать различным образом на микроорганизмы, животных и человека. Это послужило основой их использования в медицине и создания из них лекарственных средств. Несомненными преимуществами получения лекарств из растений являются широкий спектр их биологической активности и экологическая безопасность изготовления, что особенно ценно в наше время. Природные молекулы растительного происхождения служат и еше долго будут служить моделями для синтеза полезных человеку соединений. Примером такого соединения может быть салициловая кислота, выделенная из коры ивы и некоторых других растений. На ее основе было создано такое популярное лекарство, как аспирин (ацетилсалициловая кислота). В настоящее время, несмотря на огромные успехи химиков-синтетиков, из растений получают более трети лекарственных препаратов, структура многих из них настолько сложна (виибластии, сердечные гликозиды, кокаин, резерпин, хинин, колхицин, пилокарпин), что растения еще долго будут их единственным источником.

 

 

 

 

 

 

39) . Пенообразование и пеногашение

Серьезная проблема- пенообразование, связанное с необходимостью аэрирования содержимого. Слой пены сокращает полезный объем реактора  и способствует заражению культуры посторонней микрофлорой. Иногда пены полезны (увеличивают аэрацию).

Используются для борьбы с избыточным пенообразованием.

Способы пеногашения:

• Химические. Обычно используют поверхностно-активные вещества, вещества растительного происхождения: масла (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное) Могут служить дополнительным источником углерода и энергии. Синтетические пеногасители : силиконовые и т.д.
• Механические: сбивают пену : лопасти, диски, барабаны
• Акустические – с помощью ультразвука

Проблемы аэрирования, при различных ферментациях.

Системы аэрации зачастую бывают очень сложной конструкции, поскольку они должны обеспечить баланс между расходом О2 и его поступлением в нужных количествах, учитывая тот факт, что потребность в кислороде не одинакова на различных стадиях культивирования.

Крайне важным является обеспечение  должного уровня теплообмена в биореакторах, поскольку жизнедеятельность и метаболическая активность объектов зависит в значительной степени от колебаний температуры. Поддержание температуры в определенном узком диапазоне диктуется: 1) резким снижением активности ферментов по мере падения температуры и 2) необратимой инактивацией (денатурацией) макромолекул (в первую очередь белков) при ее повышении до критических значений. Температурный оптимум у каждого организма лежит в определенных пределах. Большинство биотехнологических процессов осуществляется в мезофильных условиях (30-50 °С). С одной стороны, это имеет преимущество, потому что лишь в редких случаях приходится обеспечивать повышенный подогрев реакторов. Однако, с другой стороны, возникает проблема удаления избыточного тепла, выделяющегося при интенсивном росте культивируемых клеток, поэтому биореактор должен быть оснащен эффективной системой охлаждения.

 Проблемы асептики, при различных ферментациях

Специфическим элементом  биореактора является система, обеспечивающая стерильность процесса (принцип асептики, выдвинут в 60-е годы XIX в. Луи Пастером). Стерилизация осуществляется на разных этапах процесса, как до его начала, так и при осуществлении и после окончания.

Устройства и режим  стерилизации определяется конструкцией биореактора, вспомогательного оборудования, используемых питательных сред и т. п. Наибольшее значение имеют термический метод стерилизации оборудования и сред и фильтрационный способ, применяемый для удаления микроорганизмов из подаваемого в ферменторы воздуха или другого газа.

Режимы термальных способов стерилизации определяются химическим составом питательных сред. При этом определяющим является состояние компонентов  среды после стерилизации; главное  сохранность ее питательных качеств.

40) Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим всю его сущность, является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты.

Основой большинства современных  биотехнологических производств до сих пор все еще является микробный  синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного  и животного происхождения в  силу ряда причин еще не нашли столь  широкого применения.

Мир микроорганизмов крайне разнообразен. В настоящее время  относительно хорошо охарактеризовано (или известно) более 100 тысяч различных  их видов. Это в первую очередь  прокариоты (бактерии, актиномицеты, риккетсии, цианобактерии) и часть эукариот (дрожжи, нитчатые грибы, некоторые простейшие и водоросли).

Во многих биотехнологических процессах используется ограниченное число микроорганизмов, которые  классифицируются как GRAS («generally recognized as safe» обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии.

В связи с расширением  производства и ассортимента выпускаемой  продукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все  новые и новые представители  мира микробов. Следует отдавать себе отчет, что в обозримом будущем  ни один из них не будет изучен в  той же степени, как E.coli и Bac.subtilis. И причина этого очень простая – колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований.

Преимущества:

 

•  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.

 

41) Основной целью продукции одноклеточного белка является его содержание в препарате. Однако следует иметь в виду, что помимо белка микроорганизмы содержат также и другие вещества: углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты и различные минеральные соединения, часть из которых может оказывать и неблагоприятное действие на организм, при использовании в пищу человека или животных. Так, вследствие ограниченной способности человека деградировать нуклеиновые кислоты,прежде чем использовать одноклеточный протеин в качестве пищевого продукта, он должен подвергаться специальной обработке. Он с успехом может применяться в так называемых водных культурах: например на фермах для разведения креветок, форели, семги и т. п. Преимущества микробного белка перед животным в отношении быстроты получения.Большое внимание уделяется проблемам безопасности, питательной ценности и применимости данного продукта. Природа сырьевого материала, используемого в производстве одноклеточного белка, представляет известную опасность: например, потенциальная канцерогенность углеводородов нефти и н-парафинов, наличие тяжелых металлов или других загрязняющих примесей в минеральных солях, присутствие остатков растворителей после экстракции продукта, а также токсинов (в частности, микотоксинов), образуемых некоторыми микроорганизмами (например, определенными грибами), и т. д. Поскольку организм-продуцент должен быть непатогенным и нетоксигенным, а его продукты метаболизма безвредными, строгий санитарный режим и различные процедуры контроля качества должны постоянно осуществляться в течение всего биотехнологического процесса в целях предотвращения порчи продукта, а также загрязнения его патогенными или токсигенными микроорганизмами. Применимость одноклеточного белка как пищевого продукта для человека зависит не только от его безвредности и питательной ценности,но также и от ряда других факторов. Помимо обычного нежелания людей потреблять вещества, получаемые из микробов, процесс питания характеризуется многими неуловимыми психологическими, социальными и религиозными аспектами. У различных культур существует достаточное число специфических ассоциаций с едой, общественным положением, а также символической значимостью различных видов пищи. Должны также учитываться более явные особенности, связанные с применимостью продукта: запах, цвет, вкус, консистенция и внешний вид. Так, например, одноклеточный белок может использоваться в качестве пищи для человека, по-видимому, лишь при относительно малом его количественном содержании в обычных традиционных продуктах. Поэтому в настоящее время он может служить преимущественно как источник питания для различных видов домашних животных, птиц или рыб. Примеры: