Шпаргалка по "Биотехнология"

В  будущем  многие  традиционные  ферментные  процессы  могут  быть  заменены  использованием  многоферментных  реакторов,  которые способны  обеспечить

высокоэффективную  утилизацию  субстратов,  обусловить  более  высокий  выход  и  намного  лучшую  однородность  получаемых  продуктов.  Индустриальный рынок  ферментов до 1965 г. был сравнительно  небольшим, когда ферменты начали широко использоваться для  изготовления различного рода детергентов. В последующие  несколько лет промышленное производство ферментов резко  возросло. Естественно, увеличивается и мощность производств,  выпускающих ферменты и для других целей, например гидролиза  крахмала, изомеризации глюкозы во фруктозу, изготовления  молочных продуктов (в  том числе сыров) (табл. 2, рис. 5). Многие  ферменты, такие, как протеазы, амилазы, глюкозоизомеразы, производятся десятками тонн, на сумму около 1 млрд. долларов.  Новые технологии, такие, как технология рекомбинантных ДНК, а также улучшение методов ферментации и последующей обработки целевых продуктов ("процессинга"), несомненно значительно снизят  затраты производства (и в первую очередь стоимость ферментных

препаратов), сделав их более конкурентоспособными в сравнении с химическими  препаратами.

Среди  многих  новых  областей  и  возможностей  ферментной  технологии  существенное  место  отводится  утилизации  лигноцеллюлозы  (или просто  древесных материалов).  Это "обильное" (с избытком имеющееся в природе) сырье должно использоваться человеком, и многие исследовательские разработки  направлены  на  создание  эффективных способов  деструкции  данного сложного  органического соединения. Если  это удастся осуществить, то биотехнологию ожидает блестящее будущее.

Некоторые ферменты и области их применения :

а-Амилаза - Пивоварение, производство спирта ,Аминоацилаза - Получение L-аминокислот

Бромелаин-  Размягчение мяса, осветление соков ,Каталаза - Антиоксидант в готовых к

употреблению пищевых продуктах ,Целлюлаза-  Получение спирта и глюкозы

Фицин - Размягчение мяса, осветление соков ,Глюкоамилаза - Пивоварение, производство спирта

Глюкозоизомераза - Производство сиропов с высоким содержанием фруктозы

Глюкозооксидаза-  Антиоксидант в готовых к употреблению пищевых продуктах

Инвертаза - Инверсия сахарозы ,Лактаза-  Утилизация сыворотки, гидролиз  лактозы

Липаза-  Сыроварение, получение ароматизаторов ,Папанн - Размягчение мяса, осветление соков

Пектиназа-  Осветление соков, производство спирта ,Протеаза Детергент, производство спирта

Реннин- Сыроварение

 

 

 

 

 

 

23) носитители, используемые для иммобилизации ферментов:

природные и синтетические органические носители. Типы неорганических носителей.

Для получения иммобилизованных ферментов используется ограниченное число как органических, так и  неорганических носителей. К носителям  предъявляются следующие требования

• высокая химическая и биологическая стойкость;
• высокая химическая прочность;
• достаточная проницаемость для фермента и субстратов, пористость, большая удельная поверхность;
• возможность получения в виде удобных в технологическом отношении форм (гранул, мембран);
• легкая активация;
• высокая гидрофильность;
• невысокая стоимость.

 

Следует отметить, что органические могут быть природного или синтетического происхождения. Природные полимерные органические носители делят в соответствии с их биохимической классификацией на 3 группы: полисахаридные, белковые и липидные.

Синтетические полимеры также  можно разделить на группы в связи  с химическим строением основной цепи макромолекул: полиметиленовые, полиамидные, полиэфирные.

Для иммобилизации ферментов  наиболее широко используются природные  полисахариды и синтетические носители полиметильного типа, Большое значение природных полимеров в качестве носителей для иммобилизации объясняется их доступностью и наличием реакционно-способных функциональных групп, легко вступающих в химические реакции. Характерной особенностью этой группы носителей также является их высокая гидрофильность. Недостаток природных полимеров - неустойчивость к воздействию микроорганизмов и довольно высокая стоимость.

Наиболее часто для  иммобилизации используются такие  полисахариды, как целлюлоза, декстран, агароза и их производные. Широко распространены носители на основе декстрана, выпускаемые под названием Хорошим носителем считается агар

Белки в качестве носителей !

Синтетические полимерные носители применяются для ковалентной  и сорбционной иммобилизации  ферментов, для получения гелей, микрокапсул

Широкое распространение  получил метод включения ферментов  и клеток в полиакриламидный гель, имеющий жесткую пространственную сетчатую структуру.

 

 

 

 

 

24)

24. основные факторы  обуславливающие развитие биотехнологии

  Основой,  обеспечивающей благоприятную   ситуацию  для  бурного  развития  биотехнологии,  явились революционизирующие  открытия и разработки:

•  доказательства  роли  нуклеиновых  кислот  в  хранении  и  передаче

наследственной  информации  в  биологических  системах (имеются  в 

виду  индивидуальные  клетки  и  отдельные  организмы,  а  не  их

популяции);

•  расшифровка  универсального  для всех  живых организмов

генетического кода;

•  раскрытие  механизмов  регуляции  функционирования   генов  в

процессе жизни одного поколения организмов;

•  совершенствование существовавших и разработка новых  технологий

культивирования микроорганизмов, клеток растений и  животных;

•  как  логическое  следствие  из  вышесказанного,  явилось  создание

(возникновение)  и  бурное  развитие  методов   генетической  и

клеточной  инженерии,  с  помощью  которых  искусственно  создаются 

новые  высокопродуктивные  формы  организмов,  пригодные  для

использования в промышленных масштабах.

Абсолютно  новым  направлением  является  так  называемая

инженерная  энзимология,  возникшая  вследствие  развития  современных

методов  изучения  структуры  и  синтеза  белков-ферментов  и  выяснения 

механизмов  функционирования и регуляции активности этих соединений

(важных  элементов  клетки).  Достижения  в  этой  области  позволяют 

направленно  модифицировать  белки  различной  сложности  и 

специфичности  функционирования,  разрабатывать  создание  мощных

катализаторов  промышленно  ценных  реакций  с  помощью  высоко

стабилизированных иммобилизованных ферментов.

Все  эти  достижения  вывели  биотехнологию  на  новый  уровень  ее

развития,  позволяющий  сознательно и целенаправленно управлять

сложными  клеточными процессами. Данная новая  область биологических

знаний  и  ее  последние  достижения  уже  стали  крайне  важными  для

здоровья  и благополучия человека.

И  все  же,  что  ожидает  биотехнологию,  в  случае  реализации  всех

надежд,  которые  на  нее  возлагаются?  И  наконец,  что  же  такое 

биотехнология и каковы ее направления деятельности?

Термин  «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером 

Карлом  Эреки при описании процесса  крупномасштабного выращивания

свиней  с  использованием  в  качестве  корма  сахарной  свеклы.  По

определению  Эреки,  биотехнология – это «все  виды  работ,  при

которых  из  сырьевых  материалов  с  помощью  живых  организмов

производятся  те  или  иные  продукты». 

 

 

 

 

 

 

25) Природные сырьевые материалы растительного происхождения. Отходы различных производств, как сырье для биотехнологических процессов.

Источником  природного  сырья  являются  сельское  хозяйство  и отрасли  лесоводства.  Получаемые  в  этих  отраслях  материалы  представляют  собой  соединения  различной  химической  сложности  и включают  сахара,  крахмал,  целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.  Существенную  значимость  представляют  крахмалосодержащие сельскохозяйственные  продукты,  включающие  различные  злаки,  такие, как  кукуруза,  рис,  пшеница,  картофель,  различные  корнеплоды,  сладкий картофель и маниока. Некоторым недостатком крахмала является то, что до  использования  в  качестве  питательного  субстрата  он  обычно  должен быть  разрушен  до  моносахаридов  или  олигосахаридов  путем ферментативного переваривания или гидролиза. Тем не менее в настоящее время с определенным  успехом разрабатываются перспективные биотехнологические  процессы,  основанные  на  использовании данного полисахарида. Половину  высушенной  растительной  массы как сельскохозяйственного,  так и "лесного"  происхождения составляет  один из  самых распространенных  биополимеров – полисахарнд  целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода. Почти не вызывает ни  у кого  сомнения,  что целлюлоза должна  рассматриваться в качестве основного питательного  сырья для биотехнологических  процессов.

Однако  необходимым  условием  подготовки  данного  материала  к использованию  в  качестве  биотехнологического  сырья  является  ее гидролиз  до  простых  водорастворимых  сахаров (глюкозы,  целлобиозы). Как ни странно, но это до сих пор представляет довольно трудную задачу. Наибольшие  сложности встречаются при попытках  утилизации древесины,  в которой целлюлоза находится в комплексе с гемицеллюлозой  и лигнином.  Лигноцеллюлозные  комплексы характеризуются очень высокой степенью  устойчивости  к природным силам биодеградации.  Лигноцеллюлоза  является  наиболее  распространенным  и возобновляемым природным сырьем, доступным человеку практически во всех  странах мира.  Однако  должны  быть  преодолены  огромнейшие технологические трудности,  прежде  чем окажется  экономически выгодным  использование этого энергетически богатого  соединения.   Чистая  целлюлоза может быть  довольно  легко разрушена путем химического или ферментативного гидролиза до  растворимых сахаров, которые затем легко подвергаются  ферментации (сбраживанию) микроорганизмами  с образованием  этанола,  бутанола,  ацетона, одноклеточного белка (SCP), метана и многих других продуктов. В этом плане разительные успехи достигнуты в США, Швеции, Британии и дело только во времени, чтобы преодолеть вышеперечисленные трудности. В мировом масштабе земные растения продуцируют 24  т целлюлозы на  человека  в год. И все было  бы  уже давно сделано,  если  бы  целлюлоза была  без примеси лигнина.  Лигнин  препятствует  химическому и ферментативному разрушению  целлюлозы,  мешая  доступу  к  ней  реагентов  и  активно адсорбируя гидролитические ферменты, выводя их из строя. Сам  по  себе  лигнин  также  крайне  устойчив  к  деградационным воздействиям  как химического,  так и биологического  характера, вследствие  чего  представляет  серьезную проблему  как загрязнитель внешней среды при производстве  бумаги.  Причем  проблема  эта в настоящий момент  далека  от  разрешения. Причина основная  сводится  к сложности пространственной  организации молекул этого вещества –

гемицеллюлозы,  основным  компонентом  которой  является  второй  по распространенности растительный  биополимер  ксилан,  состоящий из остатков  ксилозы,  а также небольших количеств арабинозы и глюкуроновой  кислоты.  Он  является  не  только  отходом при гидролизе растительного сырья,  но  и сам по  себе  может служить биотехнологическим  сырьем.  Побочные продукты-биотехнологическое сырье Одной  из  главных  задач  биотехнологии  является  максимальное использование  огромных  объемов  органических  отходов,  повсеместно образующихся  в мировом  производстве. Биотехнологическая  утилизация этих  отходов,  во-первых,  обеспечит  удаление  источников  загрязнения (например,  сточных  вод),  а  во-вторых,  обусловит  превращение  этих отходов в полезные целевые продукты. Продукты отходов играют важную роль  в  экономике  и  в  состоянии  окружающей  среды.  Двумя широко  распространенными  видами  отходов,  которые  нашли уже сейчас применение в биотехнологических процессах в качестве сырья для  ферментации,  являются  меласса (черная  патока)  и  молочная сыворотка.  Меласса  представляет  собой  побочный  продукт, появляющийся  при  производстве  сахара,  и  содержит  до 50%  сахаров. Меласса  широко  используется  как  питательный  субстрат  для ферментационных процессов в производстве антибиотиков, органических кислот  и  коммерческих  дрожжей  для  хлебопечения;  помимо  этого,  она используется  в  чистом  виде  в  качестве  добавки  в  корма  животным. Сыворотка,  получаемая  при производстве  сыра,  также  может  быть  использована  в  качестве питательного субстрата для ферментации. Более  сложные  продукты  отхода,  такие,  как  солома  и  жом,  также имеющиеся  в больших количествах и  во многих  местах,  по  мере  улучшения  процессов  расщепления лигноцеллюлозных  соединений  все  больше  находят  применение  в биотехнологических производствах. Наибольшую  часть  продуктов отхода  составляют  отбросы животноводства (испражнения,  моча),  затем  сельскохозяйственные отходы,  отходы  пищевой  промышленности  и,  наконец,  отбросы домашнего  хозяйства

 

 

 

 

26. Принципиальные подходы к  улучшению штаммов промышленных  микроорганизмов

 

 

Промышленный биотехнологический процесс, в котором для производства коммерческих продуктов используются микроорганизмы, обычно состоит из 3 ключевых этапов:

• Исходная обработка: обработка сырья таким образом, чтобы его можно было использовать, как источник питательных веществ для микроорганизма-мишени
• Ферментация и биотрансформация: рост микроорганизма-мишени в большом (обычно более 100 литров) биореакторе с последующим образованием нужного метаболита, например, антибиотика, аминокислоты или белка.
• Конечная обработка: очистка нужного вещества от компонентов культуральной среды или от клеточной массы.