Шпаргалка по "Биотехнология"

1)Методы дезинтеграции клеток.

Разрушение клеток проводится физическими, химическими и ферментативными  методами. Наибольшее промышленное значение имеют физические способы дезинтеграции: 1) ультразвуком; 2) лопаточными или вибрационными дезинтеграторами - метод, обычно используемый в пилотных и промышленных установках; 3) встряхиванием со стеклянными бусами; 4) продавливанием через узкие отверстия под высоким давлением; 5) раздавливанием замороженной массы; 6) растиранием в специальных ступках; 7) с помощью осмотического шока; 8) многократным замораживанием и оттаиванием; 9) сжатием клеточной взвеси с последующим резким снижением давления (декомпрессией).

Физические способы дезинтеграции  отличаются большей экономичностью в сравнении с другими методами, однако они характеризуются отсутствием  выраженной специфичности,  вследствие чего обработка может отрицательно влиять на качество получаемого целевого продукта. Мягкое и избирательное  разрушение клеточной стенки обеспечивается применением химических и ферментативных методов. Так, бактериальные клетки разрушаются лизоцимом в присутствии  ЭДТА (этилен-диаминтетрауксусной кислоты), а клеточные стенки дрожжей зимолиазой улитки или ферментами грибного либо актиномицетного происхождения. Клеточные стенки микроорганизмов могут быть разрушены путем обработки толуолом или бутанолом. Элективный лизис клеток вызывается воздействием ряда антибиотиков: полимиксин, новобиоцин, нистатин и др. Кроме того, к аналогичным результатам приводит обработка клеток некоторыми поверхностно-активными веществами.

После дезинтеграции клеток необходимо избавляться от их "обломков", для чего используют те же методы, что  и при сепарации, т.е. центрифугирование  или фильтрацию. Однако в связи  со структурой обрабатываемого материала  в данном случае приходится применять  более скоростные центрифуги и фильтры  с меньшим диаметром пор (в  большинстве случаев используются мембранные фильтры). Обычно в большинстве  биотехнологических процессов "обломки" клеток выбрасывают как отходы, но возможно и их специальное получение  в виде целевого продукта.

 

 

 

 

 

 

 

 

2)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. 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. 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

 приемы мутагенеза в сочетании с хорошо отработанными селекционными методами

 производства, обычно осуществляются с использованием биореакторов (ферментеров

 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  кристаллической форме; очищенными или же в виде "грубых" препаратов.  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.

. Практически,

безопасный ферментный препарат должен обладать низкими

аллергическими свойствами и быть свободным от токсических веществ, а

также вредоносных микроорганизмов.

На Западе понимание промышленного  значения ферментов складывалось в  процессе использования дрожжей  и солода с тех времен, когда  традиционное пивоварение и выпечка  хлеба занимало существенную долю производства. На Востоке аналогичными процессами были производство саке и разнообразные  пищевые ферментации, использующие нитевидные грибы в качестве источника  ферментативной активности.1896 г. считается  достоверным началом современной  микробной ферментной технологии с  получением первого коммерческого  продукта новой отрасли – такадиастазы, представляющей собой грубую(неочищенную) смесь гидролитического фермента, приготавливаемуюпутем выращивания гриба Aspergillus oryzae на отрубях ячменя.Быстрое развитие ферментной технологии началось с середины 50-хгодов на основе использования грибных (микробных) ферментов.

3) 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

внимание обращается на создание безотходных производств, когда

побочные продукты одного процесса служат питательными субстратами

для последующего.

 

 

 

4) 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.

 

 

 

 

 

 

5)Адсорбция сводится к связыванию выделяемого из жидкой или

газообразной фазы вещества поверхностью твердого тела.

Традиционными адсорбентами являются древесный уголь, пористые

глины и т. п.

Осаждение растворенных веществ  осуществляется физическими

(нагревание, разведение  или концентрирование, охлаждение  раствора) или

химическими воздействиями, переводящими растворенное вещество в

малорастворимое состояние.

 
Экстракция подразделяется на твердо-жидкофазную (при которой

продукт из твердой фазы переходит в жидкую) и жидко-жидкофазную

(когда обеспечивается  перевод продукта из одной  жидкой фазы в другую,

также жидкую фазу).

• Ионообменная хроматография, колонка наполняется гранулами

адсорбента, которые несут заряженные катионные (NH4) или

анионные (SO4) группы, способные  захватывать ионы

противоположного заряда. Данный метод используется для

выделения ионизированных веществ  из жидкости, а также для

очистки нейтральных соединений от примесей ионной природы.

Электрохим методы : электрофорез- смесь помещается в мощное

электрическое поле, обеспечивающее движение ионизированных

компонентов смеси. Различие в электрофоретической подвижности

позволяет пространственно  разделить входящие в ее состав компоненты.

 

Электрофокусировка- в этом методе раствор,

насыщающий гель, содержит соединение с кислотно-основными