Кафедра биотехнологии и микробиологии

Факультет естественных наук

(наименование факультета)

Кафедра биотехнологии и микробиологии

(наименование кафедры)

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Декан

факультета

Естественных наук

РГП ПХВ «Евразийский

национальный университет

Им. Л.Н. Гумилева»

_____________ Шапекова Н.Л.

(подпись)

___________________ 20 14 г.

МП

 

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

ДИСЦИПЛИНЫ

 

BIOT 22030 Процессы и аппараты в биотехнологии

_______________________________________________

(шифр и наименование модуля)

 

По дисциплине PAB 3301 Процессы и аппараты в биотехнологии __________________ _____________________________________________

(код и полное наименование дисциплины по рабочему учебному плану)

 

 

для обучающихся специальности (ей) _5В 070100 Биотехнология

 

Астана

Силлабус

1. Алтайулы Сагымбек, д.т,н., и.о. проф. кафедры «Биотехнологии и микробиологии» ЕНУ им. Л.Н. Гумилева.

Контактный телефон: 70-95-00 коммутатор, вн.33231, 8-701-436-08-27; [e-mail].

Научные интересы: Пищевая биотехнология, основы биотехнологического производства, процессы и аппараты пищевых и биотехнологических производств.

Научная школа: Докторантура и аспирантура Воронежского государственного университета инженерных технологий.

2. Пищевая биотехнология. Код дисциплины: PAB 3301. Количество кредитов -2.

3. Время и место проведения: 5 семестр; согласно расписанию.

Распределение часов по учебному плану

Виды занятий	Общее количество часов	Осенний семестр	Весенний семестр
В неделю	Всего	В неделю	Всего
Лекции					-
Практическое занятие	-	-		-	-
Семинарское занятие	-	-		-	-
Лабораторное занятие				-	-
Студийное занятие
СРС				-	-

4. Пререквизиты учебной дисциплины

Для эффективного усвоения содержания «Процессы и аппараты в биотехнологии» необходимо знание матиматики, физики, микробиологии, объекты биотехнологии, биотехнологии микроорганизмов, основы биотехнологического производства.

Постреквизиты: После изучения дисциплины «Процессы и аппараты в биотехнологии», полученные знания могут быть использованы для освоения следующих предметов: пищевая биотехнология, экологическая биотехнология.

5. Характеристика учебной дисциплины: Дисциплина «Процессы и аппараты в биотехнологии» направлен на формирование способности использовать основные процессы биотехнологии в профессиональной деятельности, обосновывать принятие конкретного технического решения при разработке технологических процессов, планировать и проводить биотехнологические эксперименты, проводить обработку их результатов и оценивать погрешности, использовать знание свойств биологических объектов, веществ на их основе для решения задач профессиональной деятельности.

5.1 Цель изучения дисциплины: состоит в формировании у студентов знаний и умений в решении профессиональных задач по организации и эфективному осуществлению контроля в вопросах построения технологических процессов и кинетике поэтапного их протекания в области биотехнологии, производственно- технологической и организационно-управленческой деятельности.

5.2 Задачи курса: Задачи преподавания дисциплины: "Процессов и аппаратов биотехнологии" является системообразующим в инженерной подготовке биотехнологов и имеет своей целью связывать воедино общенаучную (химическую и физико-математическую), общеинженерную и профилирующую подготовку биотехнологов. В курсе процессов и аппаратов даются понимание глубокой физической общности процессов биотехнологии, основы гидромеханики, тепло- и массопередачи, теория и практика базовых процессов, с акцентом на основные закономерности и общие принципы анализа, моделирования, расчета и оптимизации этих процессов, их энергообеспечение и аппаратурное оформление. Все это необходимо при подготовке биотехнологов широкого профиля для научно-исследовательской, проектной и практической работы на предприятиях.

5.3. Компетенции изучаемой дисциплины:

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать

- биохимические, химические и физико-химические процессы, протекающие в биореакторах и на стадиях переработки, связанных с выделением и очисткой целевого продукта.

- важнейшие производства промышленной, медицинской, сельскохозяйственной, экологической биотехнологии;

Уметь

- читать чертеж, изготовить, эскиз, технической документации;

- выбрать рациональную схему биотехнологического производства заданного продукта, оценивать технологическую эффективность производства;

- выбирать ферментационное и вспомогательное оборудование, производить его расчет, выбрать режим его стерилизации

5.4. План изучения учебной дисциплины

 

№	Тема лекции	Лекция	Практическое (семинар)	Лабораторное	Студийное	СРС	Задание для СРС (Форма контролья)
	1.Введение в дисциплину.						1.Основные компоненты питательной среды и их стехиометрические зависимости. (Решение индивидуальных задач по данной теме) 2. Ферментеры и ферментационные установки для культивирования микроорганизмов. (Тренинг)
	Процессы биотехнологического производства.						1.Промышленные биореакторы. (Подготовить презентацию) 2. Методы расчета процессов культивирования микроорганизмов. (Решение индивидуальных задач по данной теме)
	.Типовые аппаратурно- технологические схемы.						1.Проектирования процессов в биореакторах. (Решение индивидуальных задач по данной теме) 2. Расчет процессов концентрирования и сушки. (Решение индивидуальных задач по данной теме)
	Аппараты биотехнологического производства: культивирование						1. Расчет процесса центрифугирования. (Подготовить презентацию) 2. Методы расчета усреднителей и отстойников. (Решение индивидуальных задач по данной теме)
	Аппараты биотехнологического производства: амплификация гена in vitro.						1. Методы расчета процессов биохимической очистки в аэротенках. (Решение индивидуальных задач по данной теме) 2. Процессы и аппараты производства аминокислот. (Подготовить презентацию)
	Требование к оборудованию процессов в биотехнологии и методы их усовершенствования						1. Биотехнология приготовление противобактериальных вакцин. (Подготовить презентацию) 2. Биотехнология приготовление противовирусных вакцин. (Подготовить презентацию)
	Применение биотехнологических процессов для решения проблем окружающей среды						1. Биотехнологический процесс в пищевой промышленности. (Тренинг) 2. Процессы биотехнологии в медицине. (Подготовить презентацию)

Учебно-методическая обеспеченность дисциплины

№№	Автор, наименование, год издания	Носитель информации	Имеется в наличии (шт.)
В библиотеке	На кафедре
Основная литература
	Воронин Е. С., Тихонов И.В., Грязнева Т.Н. и др. Основы биотехнологических процессов. Ч.І.Асептика в биотехнологии. //Учебно-методическое пособие по биотехнологии.-М.: МГАВМиБ, 2000.	Электронный ресурс		-
	Тихонов И.В., Рубан Е.А., Грязнева Т.Н. и др. Биотехнология: Учебник / Под.ред. акад. Воронина Е.С. – СПб.: ГИОРД, 2005. 792 с.	Электронный ресурс		-
	Егорова Т.А. Основы биотехнологии: Учеб.пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2003. 208 с.	Электронный ресурс		-
	Биотехнология Учеб.пособие для вузов /Под. Ред. Егорова Н.С. М.: Высшая школа, 1987. 159 с.		-	-
	Касаткин А.Г. Основы процессов и аппаратов химической технологии – М.:Химия, 1973.	Электронный ресурс		-
Дополнительная литература
	Бекер М.Е. Введение в биотехнологию М.: Пищпром,1978.232 с.	Электронный ресурс	-	-
	Асаубеков М.А. Елигбаева Г.Ж. Основы биотехнологии. Учеб. пособие. – Алматы: КазНТУ, 2004. 57 с.	Электронный ресурс		-
	Машины и аппараты микробиологических производств. – Минск.: Высшэйш.шк. 1982 – 288 с.	Электронный ресурс	-	-
	Аткинсон Б. Биохимические реакторы. – М.: Пищ.пром-сть, 1979.281 с.	Электронный ресурс	-	-
	Саруханов. А.В., Быков В.А. Оборудование микробиологических производств. – М.: Колос, 1993.	Электронный ресурс		-
	Виестур У.Э., Шмите И.А., Жилевич А.В. Биотехнология: Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. – Рига: Зинатне, 1987. 263 с.	Электронный ресурс	-	-

Глоссарий

Авторофы – микроорганизмы, синтезирующие вещества своей протоплазмы из простых неорганических соединений.

Аэрация – обспечение аэробных микроорганизмов молекулярным кислородом при глубинном культивировании путем продувания воздуха через питательную среду при постоянном ее перемешивании.

Белок (протеин) – макромолекулярное вещество, состоящей из цепей α – аминокислот, соединенных пептидной связью, образующейся между аминогруппой и карбоксильной группой.

Биогаз - газ, образованный в результате брожения биотехнологических и бытовых отходов и представляющий собой смесь газов, главными компонентами которого являются метан (65%), диоксид углерода (30%) и сероводород (1%). Биодеградация – разрушение загрязняющих веществ, попавших в окружающую среду, с помощью микроорганизмов.

Биомасса – клеточная масса, образующаяся в результате жизнедеятельности живых организмов.

Биореактор (ферментер, аппарат-культиватор) – устройство (аппарат), предназначенное для промышленного культивирования микроорганизмов, в котором протекают биохимические реакции при участии живых микроорганизмов, клеточных экстрактов или ферментов.

Биотехнология – наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения использует биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.

Витамины – низкомолекулярные органические соединения, присутствующие в живых клетках в низких концентрациях и являющиеся компонентами энзиматических систем (ферментов), ответственных за различные биохимические реакции, а также являющиеся продуктами метаболизма (микробного синтеза) некоторых микроорганизмов. Высушивание – метод стабилизации свойств продуктов биологического происхождения, основанный на обезвоживании и позволяющий сохранить данные продукты в обычных условиях в длительное время.

Ген – структурная единица ДНК (участок ДНК), способный кодировать синтез клеточных белков. Генетическая инженерия – область современной биотехнологии, которая обладает методами создания (конструирования) новых генотипов.

Генная инженерия – область современной биотехнологии, использующая методы целенаправленного изменения наследственности при помощи манипуляций на генном уровне и дающая возможность конструировать функционально активные генетические структуры in vitro в форме рекомбинантных (искусственных) ДНК.

Генотип – конкретный набор генов особи (генетическая конструкция организма).

Глубинное культивирование – культивирование микроорганизмов в жидкой питательной среде.

Гибридомная технология – слияние in vitro (под действием полиэтиленгликоля) лимфоцитов селезенки предварительно иммунизированных определенным антигеном животных (сенсибилизированные В-лимфоциты селезенки мышей) с миеломными клетками (злокачественно перерожденные В-лимфоциты), способными к бесконечной пролиферации (делению) и синету моноклональных антитель.

Клонирование – метод получения идентичных потомков при помощи бесполого размножения (или процесс изготовления генетически идентичных копий отдельных клетки в организме).

Коагулянты – электролиты, переводящие взвешенные частицы в агрегатно- неустойчивое состояние.

Конвективный метод высушивания (высушивания методом распыления) – такой метод высушивания препаратов, при котором в качестве сушильного агента используется нагретый воздух, топочные газы или перегретый пар, подающиеся в распылительную сушильную камеру.

Контактный метод высушивания - такой метод высушивания препаратов, при котором тепло материалу передается при соприкосновении с горячей поверхностью – греющим теплоносителем.

Кофермент – вещество, необходимое для выполнения ферментом его функции или усиливающее его действие.

Коферментация – одновременный рост двух микроорганизмов в одном биореакторе. Кристаллизация – метод выделения из растворов твердой фазы (продуктов микробного синтеза) в виде кристаллов: основан на резком резком уменьшении их растворимости в результате изменения температуры раствора или перевода из в другую плохо растворимую химическую форму.

Ксенобиотик – соединение, полученное искусственным путем, (а не синтезировано живым организмом).

Культивирование микроорганизмов – процесс выращивание микроорганизмов в (на) питательной среде, в результате которого происходит размножение и накопление биомассы микроорганизмов и продуктов метаболизма (продуктов микробного синтеза) микроорганизмов.

Культура – популяция клеток или микроорганизмов, выращиваемых в контролируемых условиях in vitro.

Культуральная жидкость – смесь, полученная в процессе глубинного культивирования микроорганизмов, включающая микроорганизмы (биомассу), растворимые продукты метаболизма, компоненты питательной среды и внутриклеточные продукты биогсинтеза.

Мезофильные микроорганизмы – микроорганизмы, которые способны расти при температуре от 200 до 5000С (оптимальная температура 3700С).

Материальный баланс – соотношение между количеством исходных материалов, готового продукта, отходов и потерь.

Метаболизм – совокупность физических и химических процессов, протекающих в организме и обеспечивающих его существование.

Мутагенез – процесс, вызванной вставкой нового генетического материала в нормальный ген с помощью физических или химических агентов.

Мутагены – факторы, увеличивающиечстоту возникновения мутацй, вызывая изменния ДНК.

Мутация – внезапно возникающее наследуемое изменение в генетическом материале клетки (спонтанное или индуцированное изменение структуры гена).

Осаждение – процесс расслоение дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка.

Отжиг – процесс образования двухцепочечных молекул (ДНК-ДНК или ДНК-РНК) из одиночных полинуклеотидных комплементарных цепей.

Пеногашение – способ предотвращения образования пены при глубинном культивировании аэробных микроорганизмов, при котором в исходную питательную среду и (или) в культурную жидкость по ходу ферментации добавляют специальные вещества- пеногасители.

Пенообразование – явление, встречающееся при глубинном культивировании аэробных микроорганизмов и осложняющее ведение процесса (в результате уменьшения коэффициента заполнения биореактора, увеличения потерь из-за уноса культуральной жидкости, выхода из строя фильтров для очистки аэрирующего воздуха, ухудшения условий снабжения микроорганизмов кислородом, питательными веществами и отвода продуктов метаболизма).

Среды для анаэробов – питательные среды, содержащие в своем составе редуцирующие или адсорбирующие кислород субстанции.

Среды жидкие – питательные среды; применяются для выяснения физиоло- биохимических особенностей микроорганизмов, накопления биомассы или продуктов метаболизма, а также для поддержания и хранения многих микроорганизмов, плохо развивающихся на плотных средах.

Среды питательные – субстанции, содержащие различные вещества, необходимые для размножения и роста микроорганизмов и культур клеток.

Субстрат – вещество, превращение которого катализируется специфическим ферментом.

Суспензия – жидкая лекарственная форма, представляющая собой дисперсную систему, содержащую одно или нескольких твердых лекарственных веществ, суспендированных в соответствующей жидкости и применяемая внутрь, наружно, а также для инъекции.

Сыворотка крови – плазма крови, из которой удален белок фибриноген.

Трансгенез – перенос генов в клетки организмы многоклеточных организмов. Ультрафильтрация – гидродинамический процесс, применяемый для отделения клеток, вирусов и молекул, при котором используют мембраны с диаметром пор от 0,001 до 0,1 мкм.

Упаривание – процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя испарением при нагревании жидкости.

Флокуляция – агрегация частиц (белков) под влиянием поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые гидрофобизируют поверхность твердой фазы.

Штамм – культура генетически однородных микроорганизмов.

Экстракция – процесс разделения смеси твердых и жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).

Эрлифтный биореактор – цилиндрический биореактор, в котором перемешивание осуществляется потоком газа, подаваемого снизу.

 

Конспект лекционных занятий

Лекция №1.

Введение в дисциплину. Процессы и аппараты биотехнологического производства: предмет изучения, направления. История развития. Задачи биотехнологических процессов. Биосистемы. Биообъект, его подготовка и культивирование. Субстраты для культивирования биообъекта.

Биотехнологические процессы широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Успехи биологических и инженерных наук позволяют создать высокопроизводительные, основанные на промышленных методах управляемые процессы биотехнологического производства ряда пищевых и кормовых продуктов, медикаментов, органических веществ.

В биотехнологии применяются многие методы химической технологии, особенно на конечных этапах, производственного процесса, при выделении веществ из культуральной жидкости или из биомассы микроорганизмов. Чтобы получить какое-либо вещество микробиологическим путем, необходима соответствующая культура микроорганизмов. Надо знать физиологию этой культуры, т.е. комплекс процессов, протекающих в клетке, и условий определяющие их протекание в желательном направлении. В состав клеток микроорганизмов входят белки, ферменты, аминокислоты, витамины, липиды и другие органические вещества, которые можно выделить из биомассы клеток, применяя методы химической технологии.

Провести микробиологический синтез на практике означает культивировать избранную культуру микроорганизмов в питательной среде определенного состава, строго соблюдать технологию и исключить нежелательную микрофлору. Из сравнительно простых веществ-субстратов питательной среды с помощью микроорганизмов синтезируются сложные органические вещества. Отбирая особые культуры микроорганизмов, можно провести самые различные химические реакции – окисление и восстановление, аминирование, специфический гидролиз и множество других, проведение которых химическим путем очень трудно, а иногда невозможно.

В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Так алкогольные напитки, вина, шампанские, пиво, коньяки, ликеро-водочные изделия и другие продукты брожения получают при помощью дрожжей. Немаловажную роль в народном хозяйстве играют также органические кислоты, такие как лимонная, уксусная, итаконовая и другие, получаемые микробиологическим путем. Молочная промышленность производить сметану, кефир, простоквашу и сыры.

Магистральным направлением биотехнологии является всемерная интенсификация производственных процессов. Это достигается не только на основе внедрения новых высокопродуктивных биообъектов, но и путем широкого применения эффективных технологических режимов. Необходимо подобрать подходящий субстрат, разработать конструкцию аппарата, оптимизировать условия культивирования биообъекта, обеспечить автоматический контроль за протеканием биотехнологического процесса, разработать способ выделения и очистки готового целевого продукта.

Современное биотехнологическое производство представляет собой сложные технологические системы, включающие большое количество аппаратов, где в определенной последовательности осуществляются периодические и непрерывные процессы, направленные на получение продуктов микробиологического синтеза. Системный подход к анализу такого производства – «биотехнологической системы» (БТС) – позволяет установить подчиненность функционирования отдельных составляющих системы, общей целевой задаче, взаимосвязь их между собой, а также целенаправленно использовать данные о количественных характеристиках отдельных составляющих системы для анализа и оптимизации системы в целом.

Структура и особенности биотехнологии могут охватывать отдельные операции или процесс в целом. Состав любой технологической системы: биотехнологический агент, субстрат, технологический режим, аппаратура для осуществления процесса, продукт.

Биологическим агентом биотехнологической системы может быть клетка (прокариот, эукариот) или вирусная частица. Субстратом является питательная среда для культивирования клеток, продуктом – биомасса клеток, вирусов или синтезируемое клетками вещество, которому при соответствующей обработке придается товарный вид. Одним из основных элементов аппаратурного обеспечения биотехнологического процесса является биореактор (аппарат-культиватор, ферментер). При определенных параметрах и режимах культивирования в биореакторах можно выращивать практически любые клетки.

Характеристика основных питательных сред. В зависимости от состава и назначения питательные среды подразделяют на ряд групп по консистенции: жидкие, полужидкие и плотные (твердые). К последним обычно относят агаризованные среды, хотя в качестве уплотняющих веществ можно использовать и другие вещества (желатин, селикагель, карбоксиметилцеллюлоза идр.). К плотным средам относятся также свернутая сыворотка, свернутый яичный белок и т.п.

Плотные среды в пробирках, колбах и других емкостях можно переносить не опасаясь замочить ватные пробки или повредить структуру колоний (например, пленку гриба или некоторых бактериальных культур). На плотных средах легче проводить микроскопическое изучение культур, легче выявить заражение посторонней микрофлорой и выделить чистую культуру из отдельных колоний. Для хранения микроорганизмов в производственных условиях, как правило, применяются плотные среды.

Однако, поскольку плотные среды получают, главным образом, включением в их состав агара, представляющего собой смесь двух полисахаридов, то этого иногда бывает достаточно для проявления роста некоторых культур (имеются данные о росте микроорганизмов на агаре, приготовленном только на одной воде, без добавления питательных веществ). Жидкие среды лучше обогащать кислородом, в них легче изучать влияние на культуру различных факторов, определять бактериальную массу, образование веществ и побочных продуктов. Жидкие среды используют для проведения более точных исследований, их составом проще варьировать.

По строению и сложности питательные среды подразделяют на простые или обычные (пептонная вода, питательная желатина и др. их иногда называют универсальными), и сложные, политропные, или специальные (кровяной агар, асцитический агар (бульон), свернутая сыворотка).

По назначению питательные среды разделяют на дифференциально-диагностические, элективные, накопительные (среды обогащения, насыщения) ингибиторные, селективные, индикаторные, среды для консервирования. По составу выделяют натуральные, синтетические и полусинтетические.

Такое разделение сред во многих случаях условно и не всегда строго обосновано.

Приготовление жидких питательных сред. Жидкие питательные среды приготавливаются в реакторах с мешалкой. В зависимости от совместимости и растворимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы и их системы. Если в состав сред входят нерастворимые компоненты (мука, мел и др), технология средоварения усложняется (разваривание муки и т.п.), однако аппаратурная схема сохраняется. Реакторы выбираются с якорными или другого вида мешалками для взвесей. Для транспорта таких сред применяются специальные, допускающие наличие в среде взвесей насосы.

В конкретных технологиях могут быть применены специальные более сложные схемы и аппаратура для получения сред. Так, например, при производстве хлебопекарных дрожжей мелассные среды для получения нужного качества продукта специально осветляются. При производстве пива и этанола процесс средоварение включает осахаривание крахмала. Мучные среды могут быть подвергнуты дезинтеграции. Нередко в состав сред входят экстракты или гидролизаты каких-либо продуктов, получение которых также относится к процессу средоварения. Если в рецептуру входят слаборастворимые ингредиенты, процесс эмульгирование также относится к средоварению.

Весьма сложно и специфично приготовление сред для объектов нетрадиционной биотехнологии – гибридом, клеток костно-мозгового происхождения и других тканевых культур. Исключительно большое значение в этом случае имеет материал поверхностей, соприкасающихся с данными питательными жидкостями. Однако большинство этих процессов пока осуществляется в лабораторных масштабах, что значительно облегчает их реализацию.

Стерилизация питательных сред. В настоящее время доминирует термический метод стерилизации питательных сред. Холодная стерилизация (фильтрация) применяется для термолабильных компонентов. Эти среды не должны содержать нерастворимых веществ.

Наиболее часто применяемая принципиальная схема стерилизации включает подогрев среды острым паром (в стерилизационной колонке) с последующим ее выдерживанием при нужной температуре и охлаждением. Такая схема проста и эффективна, однако ее эксплуатация связана со сравнительно большим расходом тепла. Для экономии тепловой энергии линии стерилизации комплектуют из теплообменника для подогрева питательной среды до 80-900С охлаждаемой стерильной средой, парового енжектора (паровой колонки) для повышение температуры стерилизации острым паром, выдерживателя, расширителя, в котором происходит быстрый сброс температуры среды до 90 – 950С, теплообменников для конденсации пара из расширителя и окончательного охлаждения питательной среды до температуры ферментации. Применяют также упрощенные варианты этой схемы, в том числе объемные выдерживатели без расширителя.

Время стерилизации среды (выдержку) регулируют путем изменения длины трубы или количества теплообменников, температуру – подачей пара на подогрев. Для сред, содержащих термолабильные компоненты, необходимое время выдержки составляет иногда 18-20 мин при сравнительно низкой температуре, что трудно реализовать в проточных выдерживателях.

Контрольно-измерительная и управляющая аппаратура линии стерилизации размещена на отдельном пульте управления или на общем пульте цеха ферментации.

Посевные питательные среды рекомендуется стерилизовать, а также приготавливать непосредственно в посевных ферментаторах. Последнее упрощает аппаратуру и уменьшает вероятность получения нестерильной культуры.

Субстраты для культивирования биообъекта. Традиционные методы поддержания культур микроорганизмов сводятся у их выращиванию на богатых питательных средах с частыми пересевами. Питательная среда обеспечивает жизнедеятельность, рост и развитие биообъектов, эффективный синтез целевого продукта. Неотъемлемой частью питательной среды служит вода, все процессы жизнедеятельности протекают только в водной среде. Питательные вещества образуют в среде истинные (минеральные соли, сахара, аминокислоты, карбоновые кислоты, спирты и альдегиды и т.д.) или коллоидные (белки, липиды, неорганические соединения типа гидроксида железа) растворы. Отдельные компоненты питательной среды могут находиться в твердом агрегатном состоянии, они могут всплывать на поверхность раствора (частицы угля, серы) равномерно распределяться по всему объему в виде взвеси или образовывать придонный осадок. Жидкие углеводороды при внесении в воду формируют особую несмешивающуюся фазу. При твердофазном культивировании вода только увлажняет твердую поверхность субстрата. Вещества, необходимые для культивирования, могут представлять собой газы, растворимые в воде.

Питательные среды могут иметь определенный состав и включать биогенные (растительные, животные, микробные) добавки, такие как мясной экстракт, кукурузную муку, морские водоросли и т.д. Подобные среды обычно готовят на водопроводной воде. Применяют также среды, приготовленные из чистых химических соединений в заранее определенных соотношениях, так называемые синтетические среды. Смесь веществ, как правило, вносят в дистиллированную воду.

С экономически точкой зрения наиболее целесообразно употребление природного, более дешевого сырья, а не смеси веществ, полученных в чистым виде. Однако применение сред строго определенного состава позволяет точно регистрировать и регулировать протекающие в биореакторе процессы, добиваться их оптимизации.

Компонентный состав среды зависит от пищевых потребностей биообъекта. Автотрофные организмы синтезируют органические вещества клеток из СО2 и Н2О с утилизацией энергии света (фотоавтотрофы) или химических реакций окисления (хемоавтотрофы), поэтому питательные среды для таких биообъектов могут не содержать органических соединений. Несложен рецепт приготовления среды для хемоавтоторфных организмов, вызывающих окисление металлов в рудах и тем самым переводящих их в растворимое состояние (выщелачивание металлов из руд). Породу, из которой требуется извлечь остаточные количества ценного металла, обливают водой, а соответствующие микроорганизмы развиваются в породе без каких-либо дальнейших добавок.

Во многих разработках используют биообъекты, требующие органические источники углерода и (или) энергии.

С технико-экономической точки зрения субстрат представляет собой сырье для получения целевого продукта. Сырье должно быть недефицитным, недорогим, по возможности легко доступным. Хорошим примером недефицитного и дешевого сырья служит меласса, побочный продукт производства сахара. Распространнными источниками углерода и энергии являются компоненты нефти и природного газа. Большое внимание уделяют различным видам растительной массы: плодам, сокам, клубням, травяной массе, древесине. Применяют отходы сельскохозяйственной и бумажной промышленности, что позволяет реализовать с помощи биотехнологии принцип безотходного производства. На отходах, остающихся при микробиологическом получении этанола, можно выращивать кормовые дрожжи. Разработан способ получения биомассы, при котором на гидролизатах растворимого сырья выращивают дрожжи, а фильтрат культуральной жидкости затем идет на синтез грибного белка. Предполагают использовать биомассу одного вида организма на субстрат культивирования другого.

Используемые в биотехнологии субстраты и получаемые продукты многообразны и предназначены для специфического применения.

Выделение и очистка продукта. Одних из важных стадий биотехнологического процесса является выделение целевого продукта. Это стадия существенно различается в зависимости от того, накапливается ли продукт в клетке, выделяется в культуральную жидкость или же продуктом является сама клеточная масса. Технология выделения и очистки зависит от природы целевого продукта. Ферменты выделяют путем осаждения органическими растворителями или сульфатом аммония. Имеется возможность обойтись без их полной очистки, поскольку в народном хозяйстве широко используются смешанные ферментные препараты, содержащие несколько белков, близких по физико-химическим свойствам.

Литература:

Основная – 2 [3-65, 80-92].

Дополнительная – 2 [5-20].

Контрольные вопросы:

1.Назовите цель и задачи биотехнологии как науки.

2.Какие биосистемы и объекты используют в биотехнологии?

3.Характерные особенности биотехнологических процессов.

4.Основные компоненты биотехнологических систем.

Лекция №2.

Лекция №3.

Лекция №4.

Лекция №5.

Лекция №6.

Требование к оборудованию процессов в биотехнологии и методы их усовершенствования.

Число используемых процессов в биотехнологии достаточно велика. В зависимости от вида процесса, применяемых сырья и культуры микроорганизмов используется различные оборудование (исходя из предъявляемых требований к аппаратуре). Для проведения анаэробных биотехнологических процессов (производство этанола, органических кислот, некоторых вакцин и др) не требуется подачи воздуха в аппарат, обычно не надо интенсивно перемешивать среду, а ряде случаев отпадает необходимость соблюдать асептические условия культивирования (культивирование дрожжей).

Для осуществления аэробных процессов производств а биологически активных веществ (антибиотиков, аминокислот, ферментов, антигенов, некоторых вакцинных препаратов), напротив, необходимо обеспечить интенсивную аэрацию и перемешивание культуральной жидкости, соблюдать строго асептические условия, решить сложные вопросы пеногашения и т.д. Поэтому возникает стерилизовать поступающий на биопредприятие и в аппаратуру воздух, зонировать помещения, стерилизовать приборы и аппараты.

Чтобы процесс культивирование микроорганизмов проходил продуктивно, необходимо соблюдать следующие правила: