Шпаргалка по "Биотехнология"

• Прутин-животным;
• И все же уже теперь некоторые промышленные процессы направлены на изготовление микробных продуктов для человека:например, грибной белок фирмы Ranks Hovis McDougall/ICI.
• Pekilo-грибной белок для животных

 

 

 

42) 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.

 

43)Иммобилизированные клетки

ИК-сложные каталитические системы,имеющие более разнообразные возможности,чем изолированные ферменты.Проблемы при реализации биотехнологического потенциала иммобилизированных клеток связаны с достижением стабильного выхода продукта и его выведением из клетки в омывающий раствор.

 Иммобилизованные клетки имеют ряд преимуществ как перед иммобилизованными ферментами, так и перед свободными клетками:

• отсутствие затрат на выделение и очистку ферментов;
• снижение затрат на выделение и очистку продуктов реакции;
• более высокая активность и стабильность;
• возможность создания непрерывных и полунепрерывных автоматизированных процессов;
• способность к длительному функционированию полиферментных систем без экзогенных кофакторов.

Для иммобилизации могут  быть использованы клетки в различном  состоянии: живые и поврежденные в различной степени. Одностадийные  реакции могут осуществлять и  живые, и поврежденные клетки. Полиферментные реакции проводят с применением живых клеток, которые могут длительное время регенерировать АТФ и коферменты (НАДФ, НАД).

 

Биокаталитическая активность целых иммобилизованных клеток в настоящее время может быть использована в различных отраслях науки и техники:

• при биосинтезе и трансформации таких соединений, как аминокислоты, органические кислоты, антибиотики, стероиды углеводы, углеводороды, нуклеотиды и нуклеозиды;
• в пивоварении и виноделии;
• при очистке сточных и природных вод;
• при извлечении металлов из сточных вод;
• при ассимиляции солнечной энергии;
• при изготовлении водородных солнечных элементов;
• в азотфиксации;
• в аналитических целях при изготовлении электродов.

Например:

Клетки E.coli, включенные в армированный полиакриламидный гель, были с успехом использованы для получения аспарагиновой кислоты, период полужизни катализатора - 110 суток. Иммобилизовать можно не только клетки микроорганизмов, но и клетки растительных и животных тканей, используя их для синтеза физиологически активных соединений.

44. Твердофазные процессы в биотехнологии

Многие  биотехнологические  процессы  основаны  на  взаимодействии

трех  фаз:  твердой,  жидкой  и  газообразной.  Существуют  процессы,  в

которых роль жидкой фазы сведена  до минимума: она лишь используется

для  увлажнения  твердой  поверхности  или  воздуха (газа). В  зависимости 

от  превалирующей  фазы  процессы  и  соответствующие  им  аппараты

подразделяются на твердофазные и газофазные.

Твердофазные осуществляются, как правило, на основе растительного

сырья  и  используют  чаще  всего  мицелиальные  грибы и дрожжи  или их

комбинации. Различают три  типа твердофазных процессов:

•  Поверхностные,  когда  слой  субстрата  не  превышает 3–7 см

("тонкий  слой").  В  качестве "биореакторов"  используются

большие (до  нескольких  квадратных  метров)  подносы  или 

культуральные камеры.

•  Глубинные  процессы,  идущие  в  не  перемешиваемом  слое

("высокий  слой").  Биореакторы  представляют  собой глубокие

открытые  сосуды.  Для  аэробных  твердофазных  процессов 

разработаны  приспособления,  обеспечивающие  диффузионный  и

конвекционный газообмен.

•  Перемешиваемые  процессы,  протекающие  в  перемешиваемой  и

аэрируемой  массе  субстрата,  который  может  быть  гомогенным

(полужидкой  консистенции)  или  состоять  из  частиц  твердого

вещества,  взвешенных  в  жидкости (переходный  вариант  от

твердофазного  процесса  к  процессу  в  жидкой  фазе).  Для  этого 

обычно  используют  биореакторы  с низкоскоростным

перемешиванием. Интерес  к  твердофазным  процессам  обусловлен  их  некоторыми

преимуществами  по  сравнению  с  процессами,  осуществляющимися  в

жидкой фазе:

1)  они  требуют   меньших  затрат  на  оснащение   и  более  дешевые  в

эксплуатации;

2) характер субстрата  облегчает отделение и очистку  продукта;

3)  низкое  содержание  воды  препятствует  заражению   культуры 

продуцента посторонней  микрофлорой;

4)  твердофазные  процессы  не  связаны  со  сбросом   в  окружающую

среду больших количеств сточных вод.

Однако  и  здесь  существуют  свои  проблемы.  Вследствие  отсутствия

хорошего перемешивания  продуцент часто растет в виде колоний и лишь

постепенно  может  распространяться  по  субстрату;  при  этом  возникает 

локальная  недостача  питательных  веществ,  тогда  как  часть  субстрата 

вообще не используется (не колонизируется) продуцентом; недостаточно

эффективный контроль за аэрацией и др.

 

 

 

 

 

 

 

45) Биотехнология утилизации крахмала.

Молотое зерно пар

Желированный продукт охлаждение

  Ожиженный продукт альфа-амилаза

Глюкоизомераза                                      Осахаренный продукт глюкоамилаза

 дрожжи 

                                                    Фруктоза                                                          Ферментация

                                                                                                                                                этанол

Сельскохозяйственные  продукты,  включающие  различные  злаки,  такие, как  кукуруза,  рис,  пшеница,  картофель,  различные  корнеплоды,  сладкий картофель и маниока содержат крахмал, представляющий собой смесь полисахаридов,

основным компонентом которой является амилоза и амилопектин. 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.(этанол,фруктоза-пример)Основные ферменты,необходимые для гидролиза крахмала и дальнейших превращений ,-альфа-амилаза,глюкоамилаза и глюкоизомераза. Тем не менее в настоящее время с определенным  успехом разрабатываются перспективные биотехнологические  процессы,  основанные  на  использовании данного полисахарида. в препаратах, используемых для гидролиза крахмала, основным критерием является высокая

активность основного  фермента в препарате, а наличие  других активностей зачастую не принимают  во внимание.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

46) Биотехнология утилизации целлюлозы.

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.Лигноцеллюлозные материалы можно разделить на :

• сами растения,специально выращивыемые для получения целлюлозы,строительных материалов или корма для скота(хлопок,древесина,сено)
• растительные отходы,после сбора и переработки уражая и древесины(солома,шелуха,щепки,опилки)
• бытовые отходы(бумага,картон)

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. Именно это свойство и обусловливает долговечность деревьев и, естественно, построек из дерева, поскольку деревья состоят главным образом из лигноцеллюлозы. 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. В данный момент для того, чтобы сделать ее доступной для микробиологической деградации, необходимы весьма дорогие и энергоемкие процессы предварительной обработки. 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. Довольно точно подсчитано, что на Земле в год фиксируется приблизительно 3,3×1014 кг СО2 и примерно 6 % этого количества, т. е. 22 биллиона т в год приходится на долю целлюлозы. 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. Химический гидролиз ксилана приводит к накоплению токсичных для микроорганизмов соединений, поэтому в последнее время разрабатываются методы ферментативного гидролиз ксилана.