Шпаргалка по "Биотехнология"

Биотехнологии в  пищевой промышленности

Источники энергии — жиры и углеводы в определенных пределах взаимозаменяемы, причем их можно заменить и белками, но белки нельзя заменить ничем. Проблема питания людей в конечном счете заключается в дефиците белка.

 

 

 

11)

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.

Немногочисленной, но глубоко  изученной группой микроорганизмов,

служащих модельными объектами  при исследованиях фундаментальных

жизненных процессов: кишечная палочка (E. coli), сенная

палочка (Bac. subtilis) и пекарские дрожжи (S. cerevisiae).

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.

Главным критерием при  выборе биотехнологического объекта

является способность

синтезировать целевой продукт. Однако помимо этого, в технологии

самого процесса могут  закладываться дополнительные требования,

которые порой бывают очень и очень важными, чтобы не сказать

решающими. В общих словах микроорганизмы должны:

• обладать высокой скоростью роста;

• утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые

субстраты;

• быть резистентными к посторонней микрофлоре, т. е. обладать

высокой конкурентоспособностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12) 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.

Основное требование к  биореакторам любого типа сводится к

обеспечению оптимальных  условий роста продуцента или  накоплению

синтезируемого им продукта. Для достижения указанных целей

необходимо разрабатывать  технологию, призванную оптимизировать

процесс, а именно: использовать подходящий источник энергии, набор

питательных веществ должен соответствовать питательным потребностям

организма-продуцента, из ростовой среды должны быть удалены

соединения, ингибирующие его  жизнедеятельность, должна быть

подобрана соответствующая  посевная доза и, наконец, обеспечены все

остальные требуемые физико-химические условия. Экономически

рентабельные процессы в  своей основе весьма сходны, независимо от

избранного продуцента, используемой среды и образуемого продукта.

Главная задача – получение  максимального количества клеток с

одинаковыми свойствами при  их выращивании в определенных

тщательно контролируемых условиях.

в

соответствии с основными принципами реализации биотехнологических

процессов современные биореакторы должны обладать следующими

системами:

• эффективного перемешивания и гомогенизации среды выращивания;

• обеспечения свободной и быстрой диффузии газообразных

компонентов системы (аэрирование в первую очередь);

• теплообмена, обеспечивающего поддержание оптимальной

температуры внутри реактора и ее контролируемые изменения;

• пеногашения;

• стерилизации сред, воздуха и самой аппаратуры;

• контроля и регулировки процесса и его отдельных этапов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13) Практические задачи биотехнологии

 

Биотехнологические направления  имеют своей целью создание и  практическое внедрение (т.е. практическое использование):

• новых ботех. активных в-в и лекарственных препаратов, кот. используются для диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний;
• биол. средств защиты с/х растений от возбудителей заболеваний и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений и животных; новых сортов растений, устойчивымх к разного рода неблагоприятным воздействием; новых пород животных с полезными свойствами (трансгенные животные);
• ценных кормовых добавок для повышения продуктивности с/х животных (кормового белка, аминокислот, витаминов, ферментов, способствующих повышению усвояемости кормов и т.п.);
• новых биоинженерных методов для получения высокоэффективных препаратов различного назначения, используемых в с/х и ветеринарии;
• новых технологий создания и получения хозяйственно-ценных продуктов для пищевой, химической и микробиологической промышленности);
• эффективных технологий переработки с/х промышленных и бытовых для получения продуктов, которые могут использоваться в других отраслях хозяйственной деятельности человека (например, биогаза, удобрений, топлива для автомобилей и т.п.).

 

исторические  этапы развития биотехнологии

1) эмпирический (опытный)–  с появления чел. и до середины  XIX века. Хлебопечение, виноделие, производство молочных продуктов– освоено опытным путем. 2 направления: традиционное и современное биотехнологическое.

2) научный этап. Постер  открыл роль микроорганизмов. 1880–производство  винного уксуса (методика иммобилизации  клеток, способных производить спирт). Нач. ХХ в.–технологический подход. 1917– Эреки (инженер в области с/х, откармливал свиней сахарной свеклой) ввел термин «биотехнология». 1917– начало производства белка одноклеточных организмов (дрожжевые колбасы). Производились изучения каким образом дрожжи производят С₂Н₅ОН из сахара. Производство взрывчатых веществ (основа глицерол)→ перевод спиртных заводов на производство глицерина. Получение белка одноклеточных на дизельном топливе.

3) медицинский (фармакологический)  этап. Получение пенициллина (Германия),1943–пенициллин  произведен в промышленном масштабе. Начало эры антибиотиков–1945. конструирование биохимических реакторов, генной селекции. К 1950 накоплено множество знаний.

4) экологический. С конца  50 гг. ХХ в. Создавались условия,  что бы не загрязнять окр. среду, но это носило отрицательное экономическое значение. 

5) генно-инженерный. Конец  70-80 гг. введение хороших сортов  растений, животных; клонирование.

1980–производство человеческого  инсулина с помощью бактерий (до  этого использовали свиной)

 

 

 

 

 

14) Периодическая ферментация

В ходе периодической ферментации  состав культуральной среды, концентрация микроорганизмов, химический состав клеток и количество белкового продукта или метаболита зависят от фазы роста клеточного метаболизма и наличия питательных веществ. Различают 6 основных фаз роста: лаг-фазу, фазу ускорения, логарифмическую или экспотенциальную фазу, фазу замедления, стационарную фазу и фазу отмирания.

Периодическая ферментация  с добавлением субстрата (полунепрерывная ферментация)

В этом случае в ферментер периодически добавляют субстрат, а конечный продукт собирают только по завершении процесса. Добавление субстрата приводит к удлинению экспотенциальной и стационарной фаз и к увеличению биомассы и количества метаболитов, синтезируемых во время стационарной фазы. Однако в стационарной фазе микроорганизмы часто синтезируют протеиназы, разрушающие все производимые ими белки.  Поэтому, если целью ферментации является получение белковых продуктов, нужно остановить процесс до его перехода в эту фазу. Ферментеры периодического действия с добавлением субстрата требуют постоянного и более тщательного контроля, чем простые ферментеры периодического действия, и поэтому используются реже. Периодическую ферментацию с добавлением субстрата можно использовать для культивирования не только микроорганизмов, но и клеток млекопитающих и насекомых:

• Такие культуры всё шире применяются для получения белковых продуктов, имеющих медицинское значение
• Без периодического добавления субстрата животные клетки не очень эффективно синтезируют чужеродные белки.

Непрерывная ферментация.

При непрерывной ферментации  стационарные условия, то есть условия, при которых dx\dt=0, обеспечиваются тем, что при постоянном объёме биореактора убыль числа клеток (удаление продукта) в точности уравновешивается их увеличением в результате деления. Непрерывная ферментиция применяется в промышленных целях не так уж и часто, прежде всего, потому  что учёные накопили наибольший опыт в работе с периодическими культурами, при этом стоимость получения данного количества биомассы в ферментере непрерывного действия гораздо ниже, чем в ферментере, работающем в периодическом режиме

15)Микробиологическая  промышленность  сегодня  использует  тысячи  штаммов  из  сотен  видов  микроорганизмов,  которые  первично  были  выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а  затем (в большинстве своем) улучшены с помощью различных методов.

Классический  подход  заключается  в  выделении  нужного  микроорганизма из природных условий.

Из  естественных  мест  обитания  предполагаемого  продуцента  отбирают образцы материала (берут пробы  материала) и производят посев  в  элективную  среду,  обеспечивающую  преимущественное  развитие  интересующего  микроорганизма,  т.  е.  получают  так  называемые  накопительные  культуры.

Следующим  этапом  является  выделение  чистой  культуры  с  дальнейшим  дифференциально-диагностическим  изучением  изолированного  микроорганизма  и,  в  случае  необходимости,  ориентировочным определением его  продукционной способности.

Существует и  другой путь подбора  микроорганизмов-продуцентов –  это  выбор  нужного  вида  из  имеющихся  коллекций  хорошо  изученных  и  досконально  охарактеризованных  микроорганизмов.  При  этом,  естественно,  устраняется  необходимость  выполнения  ряда  трудоемких  операций.

Главным  критерием  при  выборе  биотехнологического  объекта (в  нашем  случае  микроорганизма-продуцента)  является  способность  синтезировать  целевой  продукт.  Однако  помимо  этого,  в  технологии  самого  процесса  могут  закладываться  дополнительные  требования,  которые  порой  бывают  очень  и  очень  важными,  чтобы не  сказать  решающими. В общих словах микроорганизмы должны:

•  обладать высокой скоростью  роста;

•  утилизировать  необходимые  для  их  жизнедеятельности  дешевые 

субстраты;

•  быть  резистентными  к  посторонней  микрофлоре,  т.  е.  обладать

высокой конкурентоспособностью. 

Все вышеперечисленное обеспечивает значительное снижение затрат

на  производство  целевого  продукта.

Селекция.

генеральным  путем  селекции является сознательное конструирование  геномов  на каждом  этапе отбора  нужного  продуцента. В  развитии  микробных  технологий  в  свое  время сыграли (да и сейчас еще продолжают играть!) очень важную роль  методы, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих  измененных  вариантов,  характеризующихся  нужными  полезными  признаками.  При  таких  методах  обычно  используется  ступенчатая  селекция:  на  каждом  этапе  отбора  из  популяции  микроорганизмов  отбираются  наиболее  активные  варианты (спонтанные  мутанты),  из  которых  на  следующем  этапе  отбирают  новые,  более  эффективные  штаммы.  И  так  далее. Несмотря  на  явную  ограниченность  данного  метода (приема),  заключающуюся  в низкой частоте возникновения  мутантов, возможности  его рано считать полностью исчерпанными.  Процесс  селекции  наиболее  эффективных  продуцентов  значительно  ускоряется при использовании метода индуцированного  мутагенеза.  В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгеновское  и  гамма-излучения,  определенные  химические  вещества  и  др. Однако  и  этот прием также не лишен  недостатков, главным из которых  является его  трудоемкость  и  отсутствие  сведений  о  характере  изменений,  поскольку  экспериментатор  ведет  отбор  по  конечному  результату.  Например, устойчивость организма к ионам тяжелых  металлов может быть связана с  подавлением  системы  поглощения  данных  катионов  бактериальной  клеткой,  активацией  процесса  удаления  катионов  из  клетки  или   перестройкой  системы (систем),  которая  подвергается  ингибирующему  действию  катиона  в  клетке.

Таким  образом,  тенденцией  сегодняшнего  дня  является  сознательное  конструирование  штаммов  микроорганизмов  с

заданными  свойствами  на  основе  фундаментальных  знаний  о генетической организации и молекулярно-биологических  механизмах

осуществления  основных  функций  организма.

16) Все формы и виды ферментационных систем создаются, имея основной целью обеспечение одинаковых условий для всех компонентов содержимого реактора. В ферменторах биокатализаторы суспендированы

в жидкой среде, содержащей необходимые субстраты для обеспечения  роста организмов и образования  нужного целевого продукта. Для создания оптимальной биореакторной системы необходимо

точно придерживаться следующей  генеральной линии:

• Биореактор должен быть сконструирован так, чтобы исключить попадание загрязняющих микроорганизмов, а также обеспечить сохранения требуемой микрофлоры.