Вопрос №1. Что такое биотехнология

ЛЕКЦИЯ 1.

ПРЕДМЕТ БИОТЕХНОЛОГИИ (БТ)

Вопросы:

1. Что такое биотехнология?

2. Технологические основы БТ производств

3. Типовая схема и стадии БТ производств

4. Элементы БТ процесса

4.1. Биологический объект

4.2. Субстрат

4.3. Аппаратура

ВОПРОС №3. ТИПОВАЯ СХЕМА И СТАДИИ БТ ПРОИЗВОДСТВА

Продукты биотехнологии получают по индивидуальным схемам со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства и их технологическими режимами. Тем не менее можно представить себе обобщенную типовую схему биотехнологических производств. Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпевает определенные технологические воздействия и последовательно превращается во всё более сложные полупродукты и, наконец, в конечный продукт.

Подготовительные стадии

Подготовительные стадии служат для приготовления необходимого сырья биотехнологической стадии.

Приготовление среды, обычно жидкой, включающей необходимые компоненты питания для биотехнологической стадии.

Стерилизация среды – для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры.

Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходимых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечение требуемой температуры, очистке от присутствующих микроорганизмов, включая споры.

Подготовка посевного материала. Очевидно, для проведения микробиологического процесса или процесса культивирования изолированных клеток растений и животных необходимо подготовить и посевной материал – предварительно выращенное малое по сравнению с основной стадией количество биологического агента.

Подготовка биокатализатора. Для процессов биотрансформации или биокатализа необходимо подготовить биокатализатор – либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу, выращенную до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность.

Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает на производство в виде, непригодном для непосредственного использования в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают осахариванию, после чего осахаренное сусло на биотехнологической стадии ферментируется в этанол. Другой пример – использование древесины для получения дрожжей. Древесину измельчают, а затем подвергают нагреву до 200⁰С в кислой среде. В результате процесса кислотного гидролиза происходит превращение древесины в раствор глюкозы и лигнин. Раствор глюкозы (гидролизат) как раз и используется на биотехнологической стадии для получения кормовых дрожжей.

Биотехнологическая стадия

Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) происходит преобразование сырья с тот или иной целевой продукт. Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества. Однако биотехнологическая стадия включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов.

Ферментация – процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.

Биотрансформация – процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов и готовых ферментов. В этом процессе обычно не происходит накопление клеток, а химическая структура вещества меняется незначительно. Вещество на этой стадии уже почти готово, биотранформация осуществляет его модификацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, дегидрирует и т.п.

Биокатализ – химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов – ферментов.

Биоокисление – переработка загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или их ассоциации в аэробных условиях.

Метановое брожение – переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование – снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и увлажнения.

Биосорбция – сорбция вредных примесей из газов и жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.

Бактериальное выщелачивание – процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворимое состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация – деструкция вредных соединений под действием микроорганизмов-биодеструкторов.

Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один – жидкостной. В случае если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра, биокомпостирование отходов), выходом является поток переработанного твердого продукта.

Очистка продукта

На стадии выделения продукта главная задача - отделить основную часть продукта, пусть даже и с некоторыми примесями. На выходе получается продукт технически чистый. Поэтому, когда необходимо получить продукт более высокой чистоты вводят стадию очистки. Задача этой стадии – убрать примеси и сделать продукт максимально чистым. Эта задача решается с помощью разнообразных процессов, в числе которых многие из тех, что уже были рассмотрены ранее. Это экстракция и экстрагирование, адсорбция, ионный обмен, ультрафильтрация и обратный осмос, ректификация и ферментолиз. Но кроме того, существуют более сложные.

Хроматография – процесс, напоминающий адсорбцию. На твердом сорбенте собираются растворенные вещества, но не одно, а несколько, часто сходных по структуре. Например, смеси белков, нуклеотидов, сахаров, антибиотиков. При адсорбции они и десорбируются вместе, а вот при хроматографии они сходит с сорбента по очереди, что и позволяет их разделять и, значит, очищать друг от друга.

  Диализ – процесс, в котором через полупроницаемую мембрану осуществляется переход низкомолекулярных соединений, в то время как высокомолекулярные остаются с другой стороны мембраны. Путем диализа осуществляется очистка вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных примесей.

Кристаллизация. Этот процесс базируется на различной растворимости веществ при разных температурах. Медленное осаждение позволяет формировать кристаллы из растворов целевых продуктов, причем чистота их обычно очень высока. Вся грязь остается в маточном растворе. Таким образом, например, получают кристаллы пенициллина. Можно даже получить еще более чистый продукт, если кристаллы растворить в воде или растворителе, а потом снова кристаллизовать (т.е. провести процесс перекристаллизации).

Концентрирование продукта

После очистки продукта он часто остается в растворе с небольшими концентрациями примесей. Дальнейшая задача – обеспечение его концентрирования.

Для начала необходимо рассмотреть, как обычно меняется концентрация целевого продукта от биотехнологической стадии до готового продукта. На выходе с биотехнологической стадии суспензия содержит, как правило, 0,1 – 1% целевого продукта, после стадии отделения биомассы – 0,1 – 2%, стадия выделения доводит этот показатель до 1 – 10%, после стадии очистки – 50 – 80% и, наконец, стадия концентрирования дает 90 – 100%.

На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизация с фильтрацией кристаллов, ультрафильтрация и нанофильтрация, обеспечивающие удаление растворителя из раствора.

Очистка стоков и выбросов

Таким образом, мы рассмотрели схему основного биотехнологического производства, которое на некоторых стадиях, если не на всех, имеет определенные стоки и выбросы в атмосферу. Очистка этих стоков и выбросов – специальная задача, которая обязательно должна решаться. По существу, очистка стоков – это отдельное биотехнологическое производство, имеющее свои подготовительные стадии, стадию отстаивания биомассы активного ила и стадию дополнительной очистки стоков и переработки осадка. Очищенная вода иногда может быть возвращена в основное производство. Так, например, организована безотходная технология производства кормового белка из парафинов нефти.  

Биологический агент

Биологический агент является активным началом в БТ процессах и одним из наиболее ее элементов. Номенклатура биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени важнейшее место занимает традиционный объект – микробная клетка. Микробные клетки с различными химико-технологическими свойствами могут быть выделены из природных источников и далее с помощью традиционных (селекция, отбор) и новейших методов(клеточная и генетическая инженерия) существенно модифицированы и улучшены. При выборе биологического агента и постановке его на производство прежде всего следует соблюдать принцип технологичности штаммов. Это значит, что микробная клетка, популяция или сообщество особей должны сохранять свои основные физиолого-биохимические свойства в процессе длительного ведения ферментации. Промышленные продуценты также должны обладать устойчивостью к мутационным воздействиям, фагам, заражению посторонней микрофлорой (контаминации); характеризоваться безвредностью для людей и окружающей среды, не иметь при выращивании побочных токсичных продуктов обмена и отходов, иметь высокие выходы продукта и приемлемые технико-экономические показатели. В настоящее время многие промышленные микробные технологии базируются на использовании гетеротрофных организмов, а в будущем решающее место среди продуцентов займут автотрофные микроорганизмы, не нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах, а также экстремофилы - организмы, развивающиеся в экстремальных условиях среды (термофильные, алкало- и ацидофильные).

В последние годы расширяется применение смешанных  микробных культур и их природных ассоциаций. По сравнению с монокультурами, микробные ассоциации способны ассимилировать сложные, неоднородные по составу субстраты, минерализуют сложные органические соединения, имея повышенную способность к биотрансформации, имеют повышенную устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды и токсических веществ, а также повышенную продуктивность и возможность обмена генетической информацией между отдельными видами сообщества. Основные области применения смешанных культур – охрана окружающей среды, биодеградация и усвоение сложных субстратов.

Особая группа биологических агентов в биотехнологии - ферменты, так называемые катализаторы биологического происхождения. Ферменты находят все большее применение в различных биотехнологических процессах и отраслях хозяйствования. Как отдельную отрасль в создании и использовании новых биологических агентов следует выделить иммобилизованные ферменты, которые представляют собой гармонично функционирующую систему, действие которой определяется правильным выбором фермента, носителя и способа иммобилизации. Преимущество мобилизованных ферментов в сравнении с растворимыми заключается в следующем: стабильность и повышенная активность, удержание в объеме реактора, возможность полного и быстрого отделения целевых продуктов и организации непрерывных процессов ферментации с многократным использованием биологического агента. Иммобилизованные ферменты открывают новые возможности в создании биологических микроустройств для использования в аналитике, преобразовании энергии и биоэлектрокатализе.

К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития биотехнологии относят растительные и животные ткани, в том числе гибридомы, трансплантанты. Большое внимание в настоящее время уделяется получению новейших биологических агентов - трансгенных клеток микроорганизмов, растений, животных генно-инженерными методами. Развиты также новые методы, позволяющие получать искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов (мембраны с заданными свойствами, изотопы, магнитные материалы, антитела). Разрабатываются подходы к конструированию ферментов с заданными свойствами, имеющими повышенную реакционную активность и стабильность. В настоящее время реализован синтез полипептидов желаемой стереоконфигурации и пр.

Субстраты и среды

Субстраты и среды, используемые в биотехнологии, весьма разнообразны, и их спектр непрерывно расширяется. С развитием промышленных процессов происходит накопление новых видов отходов, которые могут быть обезврежены и конвертированы в полезные продукты методами биотехнологии. С одной стороны, развивающиеся бурными темпами биотехнологические промышленные направления сталкиваются с проблемой исчерпания традиционных видов сырья, поэтому возникает необходимость в расширении сырьевой базы, с другой, - увеличение объемов накапливающихся отходов делает необходимым разработку нетрадиционных, в том числе биотехнологических способов их переработки. В настоящее время наблюдается рост интереса биотехнологов к природным возобновляемым ресурсам - продуктам фотосинтеза, биоресурсам мирового океана. В состав сред для биотехнологических процессов входят источники углерода и энергии, а также минеральные элементы и ростовые факторы. В качестве источников углерода и энергии в биотехнологических процессах используют главным образом природные комплексные среды неопределенного состава (отходы различных производств, продукты переработки растительного сырья, компоненты сточных вод и пр.), в которых помимо углеродных соединений содержатся также минеральные элементы и ростовые факторы. Довольно широко включены в разряд биотехнологических субстратов целлюлоза, гидролизаты полисахаридов и древесины. Кислотный гидролиз древесины при 175 - 190°С обеспечивает выход в среду до 45 - 50 % редуцирующих веществ; при более жестких режимах гидролиза эта величина возрастает до 55 - 68 %. С большим успехом в последние годы стали применять гидролизаты торфа, это позволяет снизить стоимость, например, препаратов аминокислот в 4 - 5 раз. Минеральные элементы, необходимые для роста биологических агентов и входящие в состав питательных сред, подразделяются на макро- и микроэлементы. Среди макроэлементов на первом месте стоит азот, так как потребности в нем у биологических объектов на порядок превышают потребности в других элементах (фосфоре, сере, калии и магнии). Азот обычно используется микроорганизмами в восстановленной форме(моче-вина, аммоний или их соли). Часто азот вводится в комплексе с другими макроэлементами - фосфором, серой. Для этого в качестве их источников используют соли (сульфаты или фосфаты аммония). Для ряда отдельных продуцентов, однако, лучшими являются нитраты или органические со-единения азота. Существенное значение при обеспечении азотного питания продуцента имеет не только вид, но концентрация азота в среде, так как изменение соотношения C:N, воздействуя на скорость роста продуцента, метаболизм, вызывает сверхсинтез ряда целевых продуктов (аминокислот, полисахаридов и др.). Минеральные элементы необходимы для роста любого биологического агента, но их концентрация в среде в зависимости от биологии используемого биообъекта и задач биотехнологического процесса различна. Так, концентрация макроэлементов в среде (K, Mg, P, S) обычно составляет около 10^-3 - 10^-4 М. Потребности в микроэлементах невелики, и их концентрация в средах существенно ниже – 10^-6 – 10^-8 М. Поэтому микроэлементы часто специально не вносят в среде, так как их примеси в основных солях и воде обеспечивают потребности продуцентов. Отдельные продуценты в силу специфики метаболизма или питательных потребностей нуждаются для роста в наличие в среде ростовых факторов(отдельных аминокислот, витаминов и пр.). Помимо чистых индивидуальных веществ такой природы, на практике часто используют в качестве ростовых добавок кукурузный или дрожжевой экстракт, картофельный сок, экстракт проростков ячменя, зерновых отходов и отходов молочной промышленности. Стимулирующее действие данных ростовых факторов во многом зависит от индивидуальных свойств применяемого продуцента, состава основной среды, условий ферментации и др. Добавление ростовых факторов способно увеличить выход целевого продукта, например ферментов, в десятки раз.

Традиционно состав питательной среды, оптимальной для биотехнологического процесса, определяется методом длительного эмпирического подбора, в ходе которого на первых этапах определяется качественный и количественный состав среды. Было сделано много попыток обоснования состава сред с позиций физиологии и биохимии продуцента, но так как потребности в питательных веществах видо- и даже штаммоспецифичны, в каждом конкретном случае приходится подбирать оптимальный для конкретного продуцента состав среды. В последние 20 - 25 лет все шире используют математический метод планирования экспериментов, математическое моделирование биотехнологических процессов; это позволяет обоснованно подходить к конструированию питательных сред сделать их экономичными.

Аппаратура

Вопросами технического обеспечения биотехнологических процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации, а также для выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии. Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэробный глубинный стерильный и непрерывный(или с подпиткой субстратом). Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки. В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров). Многочисленность методов культивирование, чрезвычайное многообразие используемых биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктивных решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и среды, технологии и масштабов производства, а также целевого продукта и пр. Техническое оснащение биотехнологии базируется на общих положениях технической биохимии и пищевой технологии, однако имеет свою специфику. Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем:

- чувствительность биологических агентов к физико-механическим воздействиям;

- наличие межфазового переноса веществ(по типу «жидкость - клетки», «газ - жидкость - клетки»);

- требования условий асептики;

- низкие скорости протекания многих процессов в целом;

- нестабильность целевых продуктов;

- пенообразование;

- сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.

Рассмотрим некоторые типы ферментационных аппаратов.

Аппараты для анаэробных процессов достаточно просты и применяются в процессах конверсии растительного сырья, в том числе растительных отходов, а также различных промышленных отходов. При метановом брожении для получения биогаза, а также в ряде других процессов (получение ацетона, шампанских вин) используют ферментационные аппараты (метанотенки). Эти аппараты имеют различную конструкцию (от простой выгребной ямы до сложных металлических конструкций или железобетонных сооружений) и объемы (от нескольких до сотен кубометров). Метановые установки оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменах труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газовым колпаком и устройством переменного объема (газгольдер) для сбора образуемого биогаза. Конструкция аппаратов для аэробной ферментации определяется типом ферментации и сырья. Аппараты для аэробной поверхностной ферментации, широко применяемые для производства органических кислот и ферментов, достаточно просты по конструкции и, соответственно, подразделяются на жидкофазные и твердофазные. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную среду, высота слоя составляет 80 - 150 мм, затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днища штуцера и поступает на обработку. При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10 – 15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.

Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача, возникающая при их конструировании, – обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом(переносом) кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным показателем массообменных характеристик ферментера служит коэффициент массопередача кислорода, так как кислород является основным лимитирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход кислорода на образование 1 кг биомассы в зависимости от типа углеродсодержащего сырья и степени его восстановленности может составлять от 0,75 до 5 кг. Клетки способны утилизировать кислород только в растворенном виде, поэтому необходимо постоянно поддерживать его концентрацию в культуре на уровне, оптимальном для конкретного продуцента. При этом скорость поступления кислорода к клеткам должна превышать скорость его включения в клетки, и в околоклеточном пространстве не должно возникать так называемых «концентрационных ям». Кроме этого, концентрация клеток и растворенного субстрата должны быть равномерными по всему объему ферментера. Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. При интенсивном перемешивании пузырьки воздуха дробятся в аппарате и диспергируясь увеличивают площадь контакта фаз «среда - клетка». Однако чрезмерное перемешивание может вызвать механическое повреждение биологических объектов. К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств, и классифицировать их практически невозможно. Наиболее удачна попытка классификации ферментационных аппаратов для аэробной глубинной ферментации по подводу энергии. Согласно этой классификации, аппараты такого типа делятся на три группы по подводу энергии: к газовой фазе, к жидкой фазе, комбинированный подвод.

Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе (группа ФГ)

Их общий признак - подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м³). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов.

- Барботажные газораспределительные устройства обычно устанавливаются в нижней части аппарата. Подаваемый сверху через распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1 - 2 кг/м³ч;

- Барботажно-колонный тип. В нижней части корпуса такого аппарата устанавливается перфорированная пластина с диаметром отверстий 0,0005 м или сопловой эжектор с диаметром сопла 0,004 м;

- Барботажно-эрлифтный аппарат характеризуется наличием внутри одного или нескольких диффузоров («стаканов») или нескольких перегородок для принудительного раз-деления восходящих и нисходящих потоков циркулирующей жидкости. Эти элементы расположены равномерно по сечению аппарата или концентрично;

- Газлифтный колонный ферментер состоит из двух колонн разного диаметра, соединенных между собой; одна представляет собой барботажную колонну с восходящим потоком воздуха, другая– циркуляционная, с нисходящим потоком. Воздух вводится в нижнюю зону аппарата в барботажную колонну; камера, соединяющая колонны в верхней части аппарата, образует большую поверхность контакта фаз;

- Трубчатый аппарат сконструирован по типу теплообменных труб; взаимодействие газа в трубе при высоких скоростях продувки более интенсивное, чем в большом объеме, поэтому массообмен интенсивнее;

- Аппарат с плавающей насадкой позволяет интенсифицировать массообмен за счет увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости при работе с большими скоростями подачи газовой и жидкой фаз. В аппарат введены секционные элементы в виде решеток, оборудованных лопастной насадкой; в центре аппарата находится труба, через которую вводится воздух, а жидкая фаза поступает противотоком сверху. Газ, поступая на лопастную насадку, обычно из полиэтилена, вращает ее; это существенно увеличивает поверхность контакта газовой и жидкой фаз.

Ферментеры с подводом энергии с газовой и жидкой фазами (группа ФЖГ)

Основными их конструкционными элементами являются перемешивающие устройства всех известных типов, а также наличие в совокупности насосов и перемешивающих устройств. Это могут быть аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для перекачивания культуральной жидкости и другие сочетания перемешивающих и аэрирующих устройств. Коэффициент массопереноса кислорода в таких ферментерах может в принципе иметь любые из известных значения.

Перечисленные типы аппаратов возникли в основном в течение «эры» антибиотиков и белка одноклеточных и применяются, главным образом, в технической микробиологии. Прогресс в области получения клеточных и рекомбинантных культур выдвигает специальные требования к биореакторам. При этом на первый план выдвигаются такие показатели, как стабильность биологических агентов, повышенные требования к асептике, лимитация срезовых условий при перемешивании и др. Однако, многие из таких конструкций пока еще носят экспериментальный характер.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ

1. Что такое биотехнология. Основные отличия биотехнологии от растениеводства и животноводства. Привести примеры простых биотехнологических процессов;

2. Краткое описание основных стадий биотехнологического производства. На примере биотехнологического производства выделить основные стадии и описать процессы, проводимые на этих стадиях;

3. Краткое описание элементов биотехнологического производства. Привести примеры биологических объектов, субстратов на различных биотехнологических производствах;

4. Аппараты для аэробной и анаэробной ферментации и их различия. Принципиальная схема метановой установки, ферментера поверхностного жидкофазного и твердофазного культивирования;

5. Глубинная аэробная ферментация. Основные особенности процесса и аппаратурного оформления. Привести примеры процессов глубинной ферментации;

6. Ферментеры группы ФГ. Виды ферментеров и основные особенности конструкции;

7. Ферментеры групп ФЖ и ФЖГ. Виды ферментеров и основные особенности конструкции;

ЛЕКЦИЯ 1.

ПРЕДМЕТ БИОТЕХНОЛОГИИ (БТ)

Вопросы:

1. Что такое биотехнология?

2. Технологические основы БТ производств

3. Типовая схема и стадии БТ производств

4. Элементы БТ процесса

4.1. Биологический объект

4.2. Субстрат

4.3. Аппаратура

ВОПРОС №1. ЧТО ТАКОЕ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Биотехнология – это целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и различных областей человеческой деятельности продуктов, в процессе которого используется биохимическая деятельность микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов. Наиболее часто биотехнологию путают с растениеводством или животноводством.  Например, получение пшеницы из воды и удобрений на первый взгляд биотехнология. Однако здесь используется биохимическая деятельность не изолированных клеток, а целого растения, макроорганизма, относящегося к высшим многоклеточным организмам. Это не биотехнология, а растениеводство.

Точно так же получение лекарства из корня женьшеня – не биотехнология. А вот когда из этого корня берут отдельные клетки, отделяя их с помощью ферментов от многоклеточной растительной ткани, и разводят эти отдельные, изолированные клетки на специальном питательном растворе, как дрожжи, получая биомассу изолированных клеток женьшеня, из которых путем настаивания можно получить столь же ценное лекарство, как из целого корня – это уже биотехнология. Другой пример – производство молока. Молоко получают от коровы, овцы или другого макроорганизма. Значит это не биотехнология. А вот получение из молока кефира, йогурта или другого кисло-молочного продукта основано на биохимической деятельности молочно-кислых бактерий – это вполне себе легитимная биотехнология. Иными словами биотехнология обеспечивает управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности.

Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии является одной их центральных задач в экономической политике развитых стран. Лидерами биотехнологии являются сегодня США и Япония, накопившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства, фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное положение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка, медикаментов занимают страны Западной Европы(ФРГ, Франция, Великобритания), а также Россия.

 Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты, применяли ферментации для получения лекарственных веществ и переработки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая методы генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инженерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотехнологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранее недоступными способами разнообразные ценные продукты. В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных ряд разделов:

- Промышленная микробиология;

- Медицинская биотехнология;

- Технологическая биоэнергетика;

- Сельскохозяйственная биотехнология;

- Биогидрометаллургия;

- Инженерная энзимология;

- Клеточная и генетическая инженерия;

- Экологическая биотехнология.

В данном случае нас интересуют промышленная, сельскохозяйственная и экологическая биотехнологии.