Скачать презентацию Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение Скачать презентацию Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение

301cd8fba359a0f10e49c1e1eb17d9d4.ppt

  • Количество слайдов: 99

Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной биологии и биотехнологии Красноярск, 2008

Т. Г. Волова ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ Биологический факультет Направление «Биология» Специальность «Биология» Красноярск, 2008 Т. Г. Волова ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ Биологический факультет Направление «Биология» Специальность «Биология» Красноярск, 2008

УДК ББК 57. 01 30. 16 В 68 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Введение УДК ББК 57. 01 30. 16 В 68 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Введение в биотехнологию» подготовлен в рамках реализации в 2007 г. программы развития ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» на 2007– 2010 гг. по разделу «Модернизация образовательного процесса» . Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин Волова, Т. Г. В 68 Введение в биотехнологию. Презентационные материалы. Версия 1. 0 [Электронный ресурс] : наглядное пособие / Т. Г. Волова. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Введение в биотехнологию : УМКД № 143 -2007 / рук. творч. коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 4 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft Power. Point 2003 или выше. ISBN 978 -5 -7638 -1075 -2 (комплекса) ISBN 978 -5 -7638 -0960 -2 (пособия) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802394 от 27. 11. 2008 г. (комплекса) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802417 от 24. 11. 2008 г. (пособия) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Введение в биотехнологию» , включающего учебную программу, конспект лекций, методические указания по лабораторным работам, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Введение в биотехнологию. Банк тестовых заданий» . Представлена презентация (в виде слайдов) теоретического курса «Введение в биотехнологию» . Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 020200. 62 «Биология» укрупненной группы 020000 «Естественные науки» . © Сибирский федеральный университет, 2008 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при Кр. ЦНИТ Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию 22. 09. 2008 Объем 4 Мб Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Оглавление n n n Модуль 1. Введение в дисциплину «Биотехнология» Модуль 2. Промышленная микробиология Оглавление n n n Модуль 1. Введение в дисциплину «Биотехнология» Модуль 2. Промышленная микробиология Модуль 3. Инженерная энзимология Модуль 4. Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья Модуль 5. Биотехнология и проблемы защиты окружающей n среды Модуль 6. Клеточная и генетическая инженерия n Модуль 7. Сельскохозяйственная биотехнология n Модуль 8. Перспективы развития биотехнологии 4

Модуль 1. Введение в дисциплину «Биотехнология» n 5 Модуль 1. Введение в дисциплину «Биотехнология» n 5

Тема: «Научные основы биотехнологии» План лекции n n n n Научные основы биотехнологии. Элементы Тема: «Научные основы биотехнологии» План лекции n n n n Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии. Техника и методы для культивирования микроорганизмов. Типы ферментационных процессов. Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы). Субстраты. Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта. Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов. Критерии оценки эффективности биотехнологических процессов 6

Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Комплексность биотехнологии n n n n Промышленная микробиология; медицинская Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Комплексность биотехнологии n n n n Промышленная микробиология; медицинская биотехнология; технологическая биоэнергетика, сельскохозяйственная биотехнология; биогидрометаллургия; инженерная энзимология; клеточная и генетическая инженерия; экологическая биотехнология. Научные основы биотехнологии 7

Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Элементы, слагающие биотехнологию n n Биологические агенты (клетки, микробные Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Элементы, слагающие биотехнологию n n Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы). Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта. Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов. Продукт. Научные основы биотехнологии 8

Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Области науки, новейшие результаты которых важны для развития биотехнологии Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Области науки, новейшие результаты которых важны для развития биотехнологии Генетическая инженерия Технология рекомбинантных ДНК Биокатализ Ферменты (выделение, иммобилизация). Целые микробные клетки (иммобилизация, стабилизация) Иммунология Моноклональные антитела Технология ферментации Производство продуктов. Переработка отходов Научные основы биотехнологии 9

Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Междисциплинарная природа биотехнологии Научные основы биотехнологии 10 Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии Междисциплинарная природа биотехнологии Научные основы биотехнологии 10

Техника и методы для культивирования микроорганизмов Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов ( У. Э. Техника и методы для культивирования микроорганизмов Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов ( У. Э. Виестур и др. , 1987) Научные основы биотехнологии 11

Техника и методы для культивирования микроорганизмов Блоки технологической схемы n n n n 1 Техника и методы для культивирования микроорганизмов Блоки технологической схемы n n n n 1 – реактор для приготовления сред; 2 – вихревой насос; 3 – аппарат для приготовления твердых сред; 4 – паровая колонка для подогрева сред до температуры стерилизации; 5 – выдерживатель сред при температуре стерилизации; 6 – теплообменник для охлаждения сред; 7 – мерник-сборник питательной среды; 8 – дозатор; 9 – анаэробный ферментер; 10 – глубинный аэробный ферментер; 11 – биокаталитический реактор; 12 – ферментер для поверхностной твердофазной ферментации; 13 – то же для поверхностной жидкостной ферментации; 14 – экстрактор; Научные основы биотехнологии 12

Техника и методы для культивирования микроорганизмов Блоки технологической схемы (продолжение) 15 – сепаратор для Техника и методы для культивирования микроорганизмов Блоки технологической схемы (продолжение) 15 – сепаратор для отделения биомассы; n 16 – система локальной автоматики; n 17 – плазмолизатор биомассы; n 18 – дезинтегратор биомассы; n 19 – выпарная установка; n 20 – фракционирование дезинтегратов; n 21 – сушилка и другие аппараты для обезвоживания; n 22 – аппаратура для расфасовки продукта; n 23 – ионообменные колонны, аппараты для химических и мембранных методов выделения, центрифуги, фильтры, кристаллизаторы и др. устройства; n р. Н – раствор для коррекции р. Н, П – компоненты и среды для подпитки, Пос – посевной материал, В – сжатый воздух, ПАВ – пеногаситель, Ср – стерильная питательная среда, БА – биологический агент. n Научные основы биотехнологии 13

Типы ферментационных процессов Схема биореактора периодического действия Х – концентрация биомассы в культуре, г/л; Типы ферментационных процессов Схема биореактора периодического действия Х – концентрация биомассы в культуре, г/л; S – текущая концентрация субстрата, г/л; P – концентрация продукта, г/л Научные основы биотехнологии 14

Типы ферментационных процессов Схема тубулярного биореактора полного вытеснения Научные основы биотехнологии 15 Типы ферментационных процессов Схема тубулярного биореактора полного вытеснения Научные основы биотехнологии 15

Типы ферментационных процессов Схемы биореакторов для проточного культивирования микроорганизмов А – хемостат; Б – Типы ферментационных процессов Схемы биореакторов для проточного культивирования микроорганизмов А – хемостат; Б – турбидостат с автоматической регуляцией оптической плотности; 1 – поступление среды, 2 – мешалка, 3 – сток культуры, 4 – насос, 5 – фотоэлемент, 6 – источник света Научные основы биотехнологии 16

Типы ферментационных процессов Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов Организм Тип Продукт Типы ферментационных процессов Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов Организм Тип Продукт Saccharomyces cerevisiae Дрожжи Пекарские дрожжи, вино, эль, саке Бактерии Иогурт Швейцарский сыр Gluconobacterium suboxidans Бактерии Уксус Penicillium roquefortii Плесень Сыры типа рокфора Aspergillus oryzae Плесень Саке Saccharomyces cerevisiae Дрожжи Этанол Clostridium acetobutylicum Бактерии Ацетон Xanthomonas campestris Бактерии Полисахариды Corynebacterium glutamicum Бактерии L-Лизин Candida utilis Дрожжи Микробный белок Propionibacterium Бактерии Витамин В 12 Aspergilus oryzae Плесень Амилаза Kluyveromyces fragilis Дрожжи Лактаза Saccharomycopsis lipolytica Дрожжи Липаза Bacillus Бактерии Протеазы Streptococcus thermophilus Propionibacterium shermanii Научные основы биотехнологии 17

Биологические агенты Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов (продолжение) Организм Тип Продукт Биологические агенты Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов (продолжение) Организм Тип Продукт Endothia parasitica Плесень Сычужный фермент Leocanostoc mesenteroides Бактерии Декстран Xanthomonas campestris Бактерии Ксантан Penicillium chrysogenum Плесень Пенициллины Chehalosporium acremonium Плесень Цефалоспирины Rhizopus nigricans Плесень Трансформация стероидов Гибридомы – Иммуноглобулины и моноклональные антитела Клеточные линии млекопитающих – Интерферон E. coli (рекомбинантные штаммы) Бактерии Инсулин, гормон роста, интерферон Blakeslea trispora Плесень -Каратин Phaffia rhodozyma Дрожжи Астаксантин Bacillus thuringiensis Бактерии Биоинсектициды Bacillus popilliae Бактерии Биоинсектициды Научные основы биотехнологии 18

Субстраты Важнейшие группы субстратов, биологических агентов и образуемых в биотехнологических процессах продуктов (Виестур и Субстраты Важнейшие группы субстратов, биологических агентов и образуемых в биотехнологических процессах продуктов (Виестур и др. , 1987) Субстраты Биологические агенты Продукты Меласса, сок сахарного тростника, гидролизаты растительных полимеров Микроорганизмы, растительные и Биоудобрения и биоинсектициды, животные клетки, в том числе микробные биомассы, потической инженерии диагностикумы, вакцины Сахара, спирты, органические кислоты Парафины нефти Полупродукты, предшественники биотрансформации Природный газ, водород Отходы с/х и лесной промышленности Отходы промышленности, в том числе переработки фруктов и овощей Бытовые отходы, сточные воды Молочная сыворотка Картофель, зерно Зеленая биомасса растений Вирусы Биогаз Компоненты клеток: Чистые продукты, мембраны, протопласты, медикаменты, диагностикумы митохондрии, ферменты Гормоны и др. продукты Внеклеточные продукты: биотрансформации ферменты, коферменты Органические кислоты Иммобилизованные клетки Полисахариды микроорганизмов, растений Белок одноклеточных и животных, их компоненты Пищевые продукты и внеклеточные продукты Экстракты, гидролизаты Спирты, органические растворители Антибиотики Аминокислоты Ферменты, витамины Металлы, неметаллы Моноклональные антитела Научные основы биотехнологии 19

Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта Схема метановой установки Научные основы Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта Схема метановой установки Научные основы биотехнологии 20

Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта Ферментеры с подводом энергии газовой Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) (Виестур и др. , 1986). а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 – коллектор; б) барботажный колонный: 1 – корпус, 2 – рубашка, 3 – воздухораспределитель; в) барботажно-эрлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор-теплообменник, 3 – воздухораспределитель; г) газлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор, 3 – диспергатор, 4 – воздухораспределитель, 5 – теплообменник; д) трубчатый: 1 – пеногаситель, 2 – емкость, 3 – диспергатор, 4 – корпус, 5 – распределительная перегородка; е) с плавающей насадкой: 1 – рубашка, 2 – тарелка, 3 – насадка, 4 – корпус Научные основы биотехнологии 21

Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта Ферментеры с вводом энергии жидкой Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ) (Виестур и др. , 1986) а) с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контур-теплообменник; б) эжекционный: 1 – корпус, 2 – насос, 3 – эжектор; в) струйный с затопленной струей: 1 – эжектор, 2 – теплообменник, 3 – корпус, 4 – насос, 5 – рассекатель, 6 – труба с насадкой; г) струйный с плавающей струей: 1 – теплообменник, 2 – насос, 3 – корпус, 4 – эжектор Научные основы биотехнологии 22

Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов Критерии оценки эффективности процессов Скорость роста продуцента d. X /dt = X, где d. X/dt – скорость роста, Х – биомасса, – коэффициент пропорциональности ( «удельная скорость роста» ). Продуктивность процесса П = qs Yp/s X [г/л·ч], где qs – скорость потребления субстрата (метаболический коэффициент), Yp/s – выход продукта (экономический коэффициент), X – концентрация биомассы, р – продукт, s – субстрат. Выход продукта (Y) (экономический коэффициент) Y = X /Sо – S, S и Sо – конечная и исходная концентрации субстрата. Непродуктивные затраты субстрата (h) – это затраты энергии субстрата, которые где не проявляются в приросте продукта. h = Y экспериментальный /Y теоретический < 1. Научные основы биотехнологии 23

Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов Величины и расчетные параметры, применяемые для управления биотехнологическими процесами Измеряемые параметры Концентрация основных субстратов и продуктов в культуральной среде (сахара, спирты, органические кислоты и пр. ) Расчеты на базе измерений Продуктивность (кг/м 3 ч) Удельная скорость роста, (ч– 1) Удельная скорость потребления субстрата, qs (кг/кг∙ч) Концентрации важнейших Удельная скорость образования продукта, qp (кг/кг·ч) внутриклеточных компонентов (ферменты метаболизма углерода, Экономический коэффициент, ключевые метаболиты, АТФ, НАДФ и Yp, Yx (кг/кг) др. ) Объемный коэффициент массопередачи Концентрация биомасс по кислороду, Kvp (ч – 1) Энергетический выход биосинтеза, Состав микрофлоры в культуре. Концентрация растворенных О 2 и СО 2 Теплопродукция в культуральной среде Суммарный удельный расход сырья Уровень и состояние пены Концентрация целевого продукта Научные основы биотехнологии 24

Библиографический список по теме n n n n Аиба, Ш. Биохимическая технология и аппаратура Библиографический список по теме n n n n Аиба, Ш. Биохимическая технология и аппаратура / Ш. Аиба, А. Хемфри, Н. Миллс. – М. , 1967. Беккер, М. Е. Введение в биотехнологию / М. Е. Беккер. – М. , 1978. Бернал, Дж. Наука в истории общества / Дж. Бернал. – М. , 1956. Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М. , 1984. Биотехнология : в 8 тт. / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М. , 1987. Биотехнология – принципы и применение / ред. : И. Хиггинс, Д. Бест, Дж. Джонс. – М. , 1988. Биотехнология микробного синтеза. – Рига, 1980. Бирюков, В. В. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза / В. В. Бирюков, В. М. Кантере. – М. , 1985. Быков, В. А. Расчет процессов микробиологических производств / В. А. Быков, Ю. Ю. Винаров, В. В. Шерстобитников. – Киев, 1985. Виестур, У. Э. Системы ферментации / У. Э. Виестур, А. М. Кузнецов, В. В. Савенков. – Рига, 1986. Виестур, У. Э. Биотехнология – биологические агенты, технология, аппаратура / У. Э. Виестур, И. А. Шмите, А. В. Жилевич. – Рига, 1987. Воробьева, Л. И. Техническая микробиогия / Л. И. Воробьева. – М. , 1987. Воробева, Л. И. Промышленная микробиология / Л. И. Воробева. – М. , 1989. Научные основы биотехнологии 25

Библиографический список по теме n n n n Готшалк, Г. Метаболизм бактерий / Г. Библиографический список по теме n n n n Готшалк, Г. Метаболизм бактерий / Г. Готшалк. – М. , 1982. Деймен, А. Промышленная микробиология / А. Деймен, Н. Соломон. – М. , 1984. Заварзин, Г. А. Микробиология – двадцатому веку / Г. А. Заварзин. – М. , 1981. История биологии с древнейших времен до начала ХХ века / ред. С. Р. Микулинский. – М. , 1972. История биологии с начала ХХ в. до наших дней /ред. Л. Я. Бляхер. – М. , 1975. Лиепиныш, Г. К. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии / Г. К. Лиепиныш, М. Э Дунце. – Рига, 1986. Мосичев, М. С. Общая технология микробиологических производств / М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. – М. , 1982. Перт, С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток / С. Дж. Перт. – М. , 1978. Плановский, А. Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А. Н. Плановский, П. И. Николаев. – М. , 1985. Попова, Т. Е. Развитие биотехнологии в СССР / Т. Е. Попова. – М. , 1988. Промышленная микробиология / ред. Н. С. Егоров. – М. , 1989. Работнова, И. Л. Хемостатное культивирование и ингибирование микрорганизмов / И. Л. Работнова, И. Н. Позмогова. – М. , 1979. Сассон, А. Биотехнология: свершения и надежды / А. Сассон. – М. , 1987. Biotechnology / Ed. by H. -J. Rehm, G. Reed. – Weinheim, 1983. Научные основы биотехнологии 26

n Модуль 2. Промышленная микробиология 27 n Модуль 2. Промышленная микробиология 27

Тема: «Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ» План лекции n n n Промышленный биосинтез Тема: «Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ» План лекции n n n Промышленный биосинтез белковых веществ. Особенности возникновения отрасли, современное состояние и перспективы развития. Субстраты 1 -го поколения для получения белково-витаминных концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды. Особенности микробного роста на углеводородах и ферментации. Выход продукта и его состав. Субстраты III-го поколения: особенности получения белка одноклеточных на спиртах и природном газе. Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты. 28

Промышленные биосинтез белковых веществ. Особенности возникновения отрасли, современное состояние и перспективы развития Химический состав Промышленные биосинтез белковых веществ. Особенности возникновения отрасли, современное состояние и перспективы развития Химический состав микробных биомасс и традиционных белковых продуктов (Waterworth, 1982) Нитчатые Дрожжи Бактерии грибы Соя Рыбная мука 72– 83 45 64 2– 6 1– 3 1 9 2 6 8 6 18 2. 4 1. 5 4. 2 4. 1 2. 8 4. 0 Метионин. Цистеин 1. 7 0. 8 1. 7 2. 3 1. 3 2. 8 Нуклеиновые кислоты 3– 8 9 6– 12 8– 16 Нет Состав, % Водоросли Белок 47– 63 31– 50 47– 56 Жиры 7– 20 2– 8 Зола 7 Лизин Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 29

Субстраты I-го поколения для получения белково-витаминных концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды. Особенности микробного роста Субстраты I-го поколения для получения белково-витаминных концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды. Особенности микробного роста на углеводородах и ферментации. Выход продукта и его состав. Субстраты III-го поколения: особенности получения белка одноклеточных на спиртах и природном газе Сопоставление продуктивности высших растений и Spirulina (А. Сассон, 1987) Продуцент Выход, т/га/год Вес (АСБ) Неочищенный белок Пшеница 4 0. 5 Кукуруза 7 1. 0 Соевые бобы 6 2. 4 Spirulina 50 35. 0 Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 30

Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Основные показатели культуры Corynebacterium glutamaticum при синтезе глутаминовой кислоты Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Основные показатели культуры Corynebacterium glutamaticum при синтезе глутаминовой кислоты (А. М. Безбородов, 1989) 1 – глюкоза; 2 – кетоглутаровая кислота; 3 – биомасса; 4 – глутаминовая кислота Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 31

Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Схема синтеза глутаминовой кислоты С. glutamaticum Промышленная микробиология: процессы Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Схема синтеза глутаминовой кислоты С. glutamaticum Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 32

Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Диаминопимелиновый путь синтеза лизина Промышленная микробиология: процессы производства полезных Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Диаминопимелиновый путь синтеза лизина Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 33

Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Рост Aspergillus niger и образование лимонной кислоты (Прескот, Дэн, Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Рост Aspergillus niger и образование лимонной кислоты (Прескот, Дэн, 1952) 1 – титруемая кислотность среды (в пересчете на лимонную кислоту); 2 – лимонная кислота; 3 – сахар в среде; 4 – масса мицелия; 5 – р. Н среды Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 34

Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Получение лимонной кислоты Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты Получение лимонной кислоты Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 35

Библиографический список по теме n n n n n Андрусенко, М. Я. Получение белка Библиографический список по теме n n n n n Андрусенко, М. Я. Получение белка пищевого назначения на основе новых сырьевых источников / М. Я. Андрусенко, В. С. Минина, А. М. Безбородов и др. – М. , 1979. Безбородов, А. М. Биохимические основы микробиологического синтеза / А. М. Безбородов. – М. , 1984. Безбородов, А. М. Секреция ферментов у микроорганизмов / А. М. Безбородов, Н. И. Астапович. – М. , 1982. Березовский, В. М. Химия витаминов / В. М. Березовский. – М. , 1973. Быков, В. А. Производство белковых веществ / В. А. Быков, М. Н. Манаков, В. И. Панфилов и др. // Биотехнология. Т. 5 / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М. , 1987. Быков, В. А. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов / В. А. Быков, И. А. Крылов, М. Н. Манаков и др. // Биотехнология. Т. 6 / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М. , 1987. Букин, В. Н. Микробиологический синтез витаминов / В. А. Быков, И. А. Крылов, М. Н. Манаков и др. – М. , 1972. Викторов, П. И. Опыт применения продуктов микробиологического синтеза в кормопроизводстве / П. И. Викторов – М. , 1979. Воробьева, Л. И. Промышленная микробиология / Л. И. Воробьева. – М. , 1989. Волова, Т. Г. Микробиологический синтез на водороде / Т. Г. Волова, И. А. Терсков, Ф. Я. Сидько. – Новосибирск, 1985. Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 36

Библиографический список по теме n n n n Григорян, А. Н. Биосинтез на природном Библиографический список по теме n n n n Григорян, А. Н. Биосинтез на природном газе / А. Н. Григорян, Л. А. Горская. – М. , 1975. Егоров, Н. С. Основы учения об антибиотиках / Н. С. Егоров. – М. , 1986. Ермольева, З. В. Стимуляция неспецифической резистентности организмов и бактериальные полисахариды / З. В. Ермольева, Г. Е. Вайсберг. – М. , 1976. Лобанок, А. Г. Микробиологический синтез белка на целлюлозе / А. Г. Лобанок, В. Г. Бабицкая. – Минск, 1986. Малашенко, Ю. Р. Метанокисляющие микроорганизмы / Ю. Р. Малашенко, В. А. Романовская, Ю. А. Троценко. – М. , 1978. Малков, М. А. Технология хлебопекарских и кормовых дрожжей / М. А. Малков. – М. , 1962. Мосичев, М. С. Общая технология микробиологических производств / М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. – М. , 1982. Подгорский, В. С. Физиология и метаболизм метанол-усваивающих дрожжей / В. С. Подгорский. – Киев, 1982. Покровский, А. А. Роль биохимии в развитии науке о питании / А. А. Покровский. – М. , 1974. Производство антибиотиков / ред. С. М. Навашин. – М. , 1970. Промышленная микробиология / ред. Н. С. Егоров. – М. , 1989. Рубан, Е. А. Биосинтез аминокислот микроорганизмами / Е. А. Рубан. – М. , 1968. Рубан, Е. А. Микробные липиды и липазы / Е. А. Рубан. – М. , 1977. Феофилова, Е. П. Пигменты микроорганизмов / Е. П. Феофилова. – М. , 1978. Rehm, H. J. Industrielle Mikrobiolgie Berlin; Heiderbergerge; New York, 1980. Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 37

Модуль 3. Инженерная энзимология n 38 Модуль 3. Инженерная энзимология n 38

Тема: «Инженерная энзимология» План лекции n n n Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты Тема: «Инженерная энзимология» План лекции n n n Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и глубинное/. Аппаратура. Технологический цикл и стадийность процесса производства ферментов. Методы выделения и очистки. Применение. Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов. Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ. 39

Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и глубинное/. Аппаратура. Технологический цикл и стадийность процесса производства ферментов. Методы выделения и очистки. Применение Синтез протеолитических ферментов в глубинной культуре Actinomyces fradiae на средах с различными индукторами (Р. В. Фениксова, 1973) Активность, ед. /мл Состав среды Рост, ч Белок, мг/мл Соли, шерсть 72 0. 5 0. 1 0. 2 Соли, крахмал, шерсть, янтарная кислота 72 0. 9 1. 5 2. 9 3. 4 Соли, крахмал, рог, янтарная кислота 72 1. 1 2. 3 5. 3 6. 0 Соли, крахмал, соевая мука 96 1. 7 4. 8 9. 9 8. 9 Инженерная энзимология Казе- Эласиназа таза Кератиназа 40

Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и глубинное/. Аппаратура. Технологический цикл и стадийность процесса производства ферментов. Методы выделения и очистки. Применение Дерепрессия биосинтетических ферментов при ограниченном питании ауксотрофов факторами роста (Wang e. a. , 1983) Фактор роста Дерепрессированный фермент Увеличение активности Лейцин Синтетаза гидроксиуксусной кислоты В 40 раз Тиамин 4 фермента тиаминового синтеза До 1500 раз Биотин 7 -окси-8 -амино-пеларгонат аминотрансфераза В 400 раз Инженерная энзимология 41

Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и глубинное/. Аппаратура. Технологический цикл и стадийность процесса производства ферментов. Методы выделения и очистки. Применение Влияние состава среды на синтез -аминокислоты в глубинной культуре Aspergillus oryzae (Р. В. Фениксова, 1973) Состав среды Активность, ед. /100 мл Среда Чапека с 3 % сахарозы и 0. 05 % азота 20 Среда Чапека с 6 % крахмала и 0. 15 % азота 60 То же + 10 мл экстракта солодовых ростков 250– 300 То же + 40 мл экстракта солодовых ростков 500– 550 Концентрация компонентов (C, N, S, P) 1000– 1100 в 1. 5 раза при оптимальной аэрации Инженерная энзимология 42

Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и Ферментные препараты, особенности получения, применения. Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов /твердофазное поверхностное и глубинное/. Аппаратура. Технологический цикл и стадийность процесса производства ферментов. Методы выделения и очистки. Применение Рост мицелия, образование -амилазы и потребление субстрата в глубинной культуре A. oryzae (Р. В. Фениксова, 1973) 1 – -амилаза; 2 – мицелий; 3 – сухие вещества среды Инженерная энзимология 43

Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов Основные методы иммобилизации ферментов а б д в г Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов Основные методы иммобилизации ферментов а б д в г а – абсорбция на крупнопористом носителе; б – ковалентное связывание; в – адсорбция; г – поперечная сшивка; д – включение в гель Инженерная энзимология 44

 Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов Влияние метода иммобилизации с использованием комплекса Ti. Cl Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов Влияние метода иммобилизации с использованием комплекса Ti. Cl 4 на активность глюкозоамилазы (Дж. Вудворд, 1988) Комплекс, использованный Активность фермента, ед. /г для активации Ti. Cl 4 – акриламид 1. 03 Ti. Cl 4 – мочевина 0. 36 Ti. Cl 4 – лимонная кислота 0. 41 Ni. Cl 4 – лактоза 0. 48 Инженерная энзимология 45

Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов Операционная стабильность ферментов, иммобилизованных на носителях, активированных титаном (IV) Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов Операционная стабильность ферментов, иммобилизованных на носителях, активированных титаном (IV) (Дж. Вудворд, 1988) Фермент Носитель Глюкоамилаза Роговая обманка, пористое стекло Инвертаза Роговая обманка, пористое стекло Температура, °С Время полуинактивации 50 10 ч 45 1 ч 25 54 сут 18 8 сут Инженерная энзимология 46

Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ Иммобилизованные ферменты, используемые в промышленности (Poulsen, 1984) Иммобилизованный фермент Объемы выпуска, т/г Получаемый продукт Страна Аминоацилаза Менее 5 L-аминокислоты Япония Аминоглюкозидаза 1 Глюкоза Англия Глюкозоизомераза 1500– 1750 Глюкозо-фруктозные сиропы Дания, Нидерланды, Япония Гидантоиназа Менее 1 D-фенилглицин- Япония Лактаза 5 Лактозные гидролизаты Япония Нитрилаза 0. 1 Акриламид Япония Пенициллин G-ацилаза 3– 4 6 АПК Япония, Нидерланды Пенициллин V-ацилаза 1 6 АПК Англия, Австрия Инженерная энзимология 47

Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ Конструкция биореакторов на основе иммобилизованных ферментов (Дж. Вудворд, 1988) Инженерная энзимология 48

Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ Типичные ферментные электроды и их параметры (Дж. Вудворд, 1988) Определяемое вещество Фермент Датчик Стабильность Время реакции Чувствительность, М/л Мочевина Уреаза Катионный Газовый (NH 3) 3 недели 1 мес. 30– 60 с 2– 4 мин 10– 2– 5 10– 5 до 5 10– 4 Глюкоза Глюкозооксидаза р. Н-электрод Газовый (О 2) 1 неделя 3 недели 5– 10 мин 2– 5 мин 10– 1– 10– 3 2 10– 4 L-аминокислоты Оксидаза L-аминокислот Pt(H 2 O 2) 4– 6 мес. 12 с 10– 3– 10– 5 Спирты Алкогольоксидаза Pt(H 2 O 2) 1 неделя 12 с 0. 5– 100 мг/ % Пенициллиназа р. Н-электрод 2 недели 0. 5– 2 мин 10– 2– 10– 4 Мочевая кислота Уратоксидаза Pt(H 2 O 2) 4 мес. 30 с 10– 2– 10– 4 Нитратредуктаза NH 4+ 2– 3 мин – 10– 2– 10– 4 Нитритредуктаза Газовый (NH 3) 3– 4 мес. 2– 3 мин 5 10– 2 – 5 10– 4 Сульфат Акрилсульфатаза Pt 1 мес. 1 мин 10– 1– 10– 4 Инженерная энзимология 49

Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ Изготовление ферментных электродов. Ферментный электрод для определения глюкозы (Н. Н. Угарова, 1987) Инженерная энзимология 50

Библиографический список по теме n n n n n Биокатализ / ред. И. В. Библиографический список по теме n n n n n Биокатализ / ред. И. В. Березин. – М. , 1984. Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М. , 1984. Введение в прикладную энзимологию / ред. И. В. Березин, К. Мартинек. – М. , 1982. Грачева, И. М. Технология ферментных препаратов / И. М. Грачева. – М. , 1975. Иммобилизованные клетки и ферменты / ред. Дж. Вудворд. – М. , 1988. Иммобилизованные ферменты / ред. И. В. Березин и др. – М. , 1976. Инженерная энзимология / И. В. Березин, А. А. Клесов, В. К. Швядос и др. – М. , 1987. Биотехнология: в 8 тт. / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М. , 1987. Калунянц, К. А. Микробные ферментные препараты / К. А. Калунянц, Л. И. Голгер. – М. , 1979. Кощеенко, К. А. Иммобилизованные клетки / К. А. Кощеенко // Итоги науки и техники. Сер. «Микробиология» . – М. , 1981. Кулис, Ю. Ю. Аналитические системы на основе иммобилизированных ферментов / Ю. Ю. Кулис. – Вильнюс, 1981. Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э. Уэбб. – М. , 1966. Химическая энзимология / ред. И. В. Березин. – М. , 1980. Техническая биохимия / ред. В. Л. Кретович. – М. 1973. Угарова, Н. Н. Биолюминесценция и биолюминесцентный анализ / Н. Н. Угарова, Л. Ю. Бровко. – М. , 1981. Buchholz, K. Reaction engineering parameters for immobilized biocatalysis / K. Buchholz. Berlin, 1983. Topics in enzyme and fermentation biotechnology / Ed. by A. Wiseman. – New York, 1982. Инженерная энзимология 51

Модуль 4. Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья n 52 Модуль 4. Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья n 52

Тема: «Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья» План лекции n n n Тема: «Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья» План лекции n n n Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и сельскохозяйственных отходов. Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами. Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых. 53

Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Взаимосвязи Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Взаимосвязи между биомассой и биотехнологией ( Д. Холл и др. , 1988) Новые разновидности биосистем Средства биологического контроля Фиксация азота Регуляторы роста Топливо Гидролитические ферменты Сельское и лесное хозяйства Солнечная энергия Сырье Питательная среда Биореактор Продукт Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 54

Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Процессы Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Процессы деструкции органических субстратов БИОПОЛИМЕРЫ (углеводы, липиды, белки) Органические кислоты, спирты, NH 3, CO 2, H 2 Ацетат, формиат, H 2, CO 2 CН 4+СО 2 Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 55

Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Биологическое Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Биологическое получение водорода А Гидрогеназа Ферредоксин Водород Вода Гидрогеназа В Медиатор Кислород Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 56

Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами Модель бактериально-химического окисления арсенопирита Thiobacillus ferrooxidans (Г. И. Каравайко, 1984) А – анод; К – катод; Д – диффузионный слой Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 57

Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами Схема бактериального выщелачивания меди из куч или отвалов руды (Ф. Д. Пули, 1990) Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 58

Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами Схема выщелачивания урановой руды (J. Johnson, 1985) Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 59

Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых Схема Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых Схема установки чанового выщелачивания металлов (Г. И. Каравайко, 1984) Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 60

Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых Биосорбция Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых Биосорбция металлов из растворов (К. Браейерли и др. , 1988) Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 61

Библиографический список по теме n n n n n Варфоломеев, С. Д. Конверсия энергии Библиографический список по теме n n n n n Варфоломеев, С. Д. Конверсия энергии биокаталитическими системами / С. Д. Варфоломеев. – М. , 1981. Кондратьева, Е. Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов / Е. Н. Кондратьева, И. Н. Гоготов. – М. , 1981. Мальцев, П. М. Технология бродильных производств / П. М. Мальцев. – М. , 1980. Скулачев, В. П. Трансформация энергии в биомембранах / В. П. Скулачев. – М. , 1972. Чан Динь Тоай. Биогенез метана / Чан Динь Тоай, М. С. Хлудова, Е. С. Панцхава // Итоги науки и техники. Сер. «Биотехнология» . – М. , 1983. Яровенко, В. Л. Моделирование и оптимизация микробиологических процессов спиртового производства / В. Л. Яровенко, Л. А. Ровинский. – М. , 1978. Bioconversion systems / Ed. by D. L. Wise. – Boca Ration, 1984. Каравайко, Г. А. Микробиологические процессы выщелачивания металлов из руд / Г. А. Каравайко. – М. , 1984. Каравайко, Г. А. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд / Г. А. Каравайко, С. И. Кузнецов, А. И. Голомзик. – М. , 1972. Полькин, С. И. Технология бактериального выщелачивая цветных и редких металлов / С. И. Полькин, Э. В. Адамов, В. В. Панин. – М. , 1982. Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 62

Модуль 5. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды n 63 Модуль 5. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды n 63

Тема: «Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды» План лекции n n n Принципы биологических Тема: «Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды» План лекции n n n Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработок отходов. Анаэробные методы переработки отходов сельскохозяйственных производств. Биотехнологические методы переработки городских стоков. Промышленные биофильтры и аэротенки. Применение биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков 64

Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработок отходов Анаэробные методы переработки отходов сельскохозяйственных производств Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработок отходов Анаэробные методы переработки отходов сельскохозяйственных производств Двухкамерный септиктенк: 1 – регулятор, 2 – отражатель, 3 – напорный трубопровод, 4 – уклон 1: 4 (К. Форстер, 1990) Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 65

Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработки отходов Типы установок для очистки сточных вод Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработки отходов Типы установок для очистки сточных вод пищевой промышленности: а – анаэробный биофильтр; б – установка с винтовым насосом для перемешивания; в – высокоскоростной реактор Коулзерда Газ Выход К теплообменнику Вход б а Углекислый газ Биогаз Вход жидкости Выход теплоносителя Радиальная опорная балка Емкость из полимерной пленки Изолирующая панель Стальная сетка (Дж. Бест и др. , 1988) Арматура Бетонный кольцевой фундамент в Изолирующая пленка Теплообменник Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 66

Биотехнологические методы переработки городских стоков Промышленные биофильтры и аэротенки Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего Биотехнологические методы переработки городских стоков Промышленные биофильтры и аэротенки Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего слоя биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему (К. Форстер, Д. Вейз, 1990) Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 67

Биотехнологические методы переработки городских стоков Промышленные биофильтры и аэротенки Схема биофильтра (М. С. Мосичев, Биотехнологические методы переработки городских стоков Промышленные биофильтры и аэротенки Схема биофильтра (М. С. Мосичев, 1982) Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 68

Биотехнологические методы переработки городских стоков Свойства насадок, используемых в капельных биофильтрах (К. Форстер, Д. Биотехнологические методы переработки городских стоков Свойства насадок, используемых в капельных биофильтрах (К. Форстер, Д. Вейз, 1990) Удельная поверхность, м 2/м 3 Пористость, % Шлак 50– 120 50 Гранит 24– 110 – Гравий 86– 101 – Непластифицированны й поливинилхлорид 240 95 Полипропилен 124 98 Тип насадки Минеральная: Полимерная: Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 69

Биотехнологические методы переработки городских стоков Схемы аэротенков (Дж. Бест, 1988) Активный ил Очищаемая вода Биотехнологические методы переработки городских стоков Схемы аэротенков (Дж. Бест, 1988) Активный ил Очищаемая вода Иловая смесь воздух Аэротенк вытеснения Очищаемая вода Аэротенк смешения Очищенная вода Избыточный активный ил Воздух Очищаемая вода Активный ил Иловая смесь Аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и регенерацией активного ила Воздух Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 70

Биотехнологические методы переработки городских стоков Зависимость качества входного потока от типа аэрации (К. Форстер, Биотехнологические методы переработки городских стоков Зависимость качества входного потока от типа аэрации (К. Форстер, 1990) Тип аэрации Продленная Стандартная Быстрая Нагрузка по органическому Качество выходного потока веществу на ил, кг/кг сут 0. 05– 0. 02 Высокое: БПК 10 мг/л, полная нитрификация, аммонийный азот 5 мг/л 0. 20– 0. 45 Различное: от полной нитрификации до ее отсутствия 0. 50– 5. 00 Высокая скорость удаления БПК на единицу массы ила; качество может быть выше в 20– 30 раз при достаточном уровне аэрации Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 71

Применение биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков Классификация установок биологической очистки Применение биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков Классификация установок биологической очистки воздуха (И. Б. Уткин, 1989) Тип установки Биофильтр Рабочее тело Фильтрующий слой – иммобилизованные на природных носителях микробные клетки Биоскруббер Вода, активный ил Биореактор с омываемым слоем Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки Водный режим Основная стадия удаления примесей из воздуха Источник минеральных солей Циркуляция воды отсутствует 1. Десорбция материалом фильтрующего слоя. 2. Деструкция микробными клетками Материал фильтрующего слоя Циркуляция воды 1. Абсорбция в абсорбере водой. 2. Деструкция в аэротенке активным илом Минеральные соли вносят в воду Циркуляция воды 1. Диффузия через водную пленку к микроорганизмам. 2. Деструкция в биологическом слое Минеральные соли вносят в воду Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 72

Применения биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков Параметры установок биоочистки воздуха Применения биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков Параметры установок биоочистки воздуха на объектах интенсивного животноводства ФРГ (B. Brauer, 1984) Рабочи й объем, м 3 Удельная производительность, ч– 1 Степень очистки, % Потери давления, Н/м 2 Расход воды, л/сут. Удельный расход воды в сутки Биофильтр с компостом 228 88 92 1700 510 1. 8 10– 3 Биофильтр с волокнистым торфом 19. 5 564 66– 90 55 48 2. 5 10– 3 Биоскруббер 44. 4 900 97. 5– 99. 7 1200 9600 0. 2 Биореактор с омываваемым слоем 1. 5 5000 60– 90 170 48000 23 Установка Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 73

Библиографический список по теме n n n n Варежкин, Ю. М. Методы интенсификации процесса Библиографический список по теме n n n n Варежкин, Ю. М. Методы интенсификации процесса биологической очистки сточных вод / Ю. М. Варежкин, А. И. Михайлова, А. М Терентьев. – М. , 1987. Голубовская, Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений / Э. К. Голубовская. – Л. , 1975. Гюнтер, Л. И. Сбраживание осадков городских сточных вод в метанотенках / Л. И. Гюнтер, Р. Я. Аграноник, Л. Л. Гольдфарб. – М. , 1986. Данилович, Д. Л. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод / Д. Л. Данилович, А. И. Монгайт. – М. , 1989. Евилевич, М. А. Оптимизация биохимической очистки сточных вод / М. А. Евилевич, Л. Н. Брагинский. –Л. , 1979. Кузьменкова, А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов / А. М. Кузьменкова. – М. , 1976. Мельдер, Х. А. Малогабаритные канализационные очистные установки / Х. А. Мельдер, Л. Л. Пааль. – М. , 1987. Очистка производственных сточных вод / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков, Ю. В. Воронов. – М. , 1979. Ротмистров, М. Н. Микробиологическая очистка воды / М. Н. Ротмистров, П. И. Гвоздяк, С. С. Ставская. – Киев, 1978. Туровский, И. С. Обработка осадков сточных вод / Туровский И. С. – М. , 1988. Экологическая биотехнология /ред. : К. Ферстер, Д. Вейз. –Л. , 1990. Яковлев, С. В. Биологические фильтры / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов. – М. , 1982. Bellmany, W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food / W. D. Bellmany. – London, 1983. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 74

Модуль 6. Клеточная и генетическая инженерия n 75 Модуль 6. Клеточная и генетическая инженерия n 75

Тема: «Клеточная и генетическая инженерия» План лекции n n n Генетическая инженерия: принципы, возможности. Тема: «Клеточная и генетическая инженерия» План лекции n n n Генетическая инженерия: принципы, возможности. Области применения биологических агентов, полученных методами генетический инженерии. Технологии генетического конструирования организмов in vitro. Источники ДНК для клонирования генов / рестрикция, ферментный и химико-ферментный синтез генов/. Методы введения ДНК. Экспрессия генов в рекомбинантных ДНК. Генная инженерия промышленно-важных продуцентов инсулина, соматотропина, интерферонов. Клеточная инженерия. Получение биологических агентов методами клеточной инженерии in vivo. Мутагенез. Методы получения и выделения мутантов. Гибридизация эукариотических клеток. Плазмиды и коньюгация у бактерий. Фаги и трансдукция. Техника слияния протопластов. Гибридомы. Получение и применение моноклональных антител. 76

Генетическая инженерия: принципы, возможности Суперштамм, полученный на основе последовательных скрещиваний четырех штаммов Pseudomonas putida Генетическая инженерия: принципы, возможности Суперштамм, полученный на основе последовательных скрещиваний четырех штаммов Pseudomonas putida (Д. Хопвуд) Клеточная и генетическая инженерия 77

Технологии генетического конструирования организмов in vitro Введение гена в плазмиду E. coli и клонирование Технологии генетического конструирования организмов in vitro Введение гена в плазмиду E. coli и клонирование рекомбинантной ДНК в клетках (А. Сассон, 1987) Клеточная и генетическая инженерия 78

Технологии генетического конструирования организмов in vitro Схема генной машины (Д. Хопвуд, 1984) Клеточная и Технологии генетического конструирования организмов in vitro Схема генной машины (Д. Хопвуд, 1984) Клеточная и генетическая инженерия 79

Генная инженерия промышленно-важных продуцентов инсулина, соматотропина, интерферонов Биосинтез инсулина крысы в сконструированных клетках E. Генная инженерия промышленно-важных продуцентов инсулина, соматотропина, интерферонов Биосинтез инсулина крысы в сконструированных клетках E. Coli (Gilbert e. a. , 1980) Ген устойчивости к тетрациклину Pst а Ген пенициллиназы а – карта плазмиды p. BR 322 c двумя генами – пенициллиназы и устойчивости Ген устойчивости к тетрациклину; Pst к тетрациклину Pst б – карта, полученная при определении б последовательности к. ДНК Ген пенициллиназы проинсулина рекомбинантной плазмиды в продуцирующем Пенициллиназа инсулин клоне E. coli; в в – гибридный белок; г – биологически активный инсулин после удаления пенициллиназы и сегмента проинсулина Клеточная и генетическая инженерия Проинсулин Инсулин г 80

Генная инженерия промышленно важных продуцентов инсулина, соматотропина, интерферонов Схема конструирования гена соматотропина комбинацией химического Генная инженерия промышленно важных продуцентов инсулина, соматотропина, интерферонов Схема конструирования гена соматотропина комбинацией химического синтеза и выделенной м. РНК (P. Newmark, 1979) Клеточная и генетическая инженерия 81

Клеточная инженерия Возможность получения ряда веществ в культуре животных клеток Продукт Клетки или их Клеточная инженерия Возможность получения ряда веществ в культуре животных клеток Продукт Клетки или их источник Гормон роста Опухоль гипофиза Коллаген Фибробласты Кортикостероиды Опухоль надпочечника Гистамин Опухоль из тучных клеток Меланин Меланома радужной оболочки сетчатки Мукополисахариды Фибробласты Фактор роста нервной ткани Нейробластома Клеточная и генетическая инженерия 82

Получение и применение моноклональных антител Схема продукции моноклональных антител гибридомой, образованной лимфоцитами и миеломными Получение и применение моноклональных антител Схема продукции моноклональных антител гибридомой, образованной лимфоцитами и миеломными клетками (Г. Фафф, 1984) Клеточная и генетическая инженерия 83

Получение и применение моноклональных антител Возможные области и способы применения антител (И. Хиггинс, 1988) Получение и применение моноклональных антител Возможные области и способы применения антител (И. Хиггинс, 1988) Область медицины Способ применения Анализ Структурные зонды для идентификации поверхностных особенностей клеток Диагностика Наборы реактивов для диагностики беременности; выявление эстрогенных рецепторов для диагностики рака молочной железы Иммунодиагностика Точное определение количества специфических антигенов Иммуноочистка Очистка антигенов (например интерферона) Терапия Направленный перенос токсинов в раковые клетки, инактивация ядов, пассивная иммунизация, лечение аутоиммунных болезней Клеточная и генетическая инженерия 84

Библиографический список по теме n n n Актуальные проблемы молекулярной, клеточной и клинической иммунологии Библиографический список по теме n n n Актуальные проблемы молекулярной, клеточной и клинической иммунологии // Итоги науки и техники. Сер. «Иммунология» / ред. : Г. И. Марчук, Р. В. Петров. – М. , 1983. Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М. , 1984. Биотехнология растений: культура клеток / ред. Р. Диксон. – М. , 1989. Вахтин, Ю. В. Генетическая теория клеточных популяций / Ю. В. Вахтин. – Л. , 1980. Генетическая инженерия // Итоги науки и техники. Сер. «Молекулярная биология» / ред. А. А. Баев. – М. , 1985. Глеба, Ю. Ю. Слияние протопластов и генетическое конструирование высших растений / Ю. Ю. Глеба, К. М. Сытник. – Киев, 1982. Дебабов, В. Г. Генная инженерия в производстве биологически активных веществ / В. Г. Дебабов, И. О. Гордон, В. И. Серегин. – М. , 1982. Катаева, Н. В. Клональное размножение растений / Н. В. Катаева, Р. Г. Бутенко. – М. , 1983. Методы генетики соматических клеток / ред. Дж. Шей. – М. , 1985. Петров, Р. В. Иммуногенетика и искусственные антитела / Р. В. Петров, Р. М. Хаитов, Р. И. Аталуханов. – М. , 1983. Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии // Специальный выпуск журнала Scientific American. – М. , 1984. Клеточная и генетическая инженерия 85

Библиографический список по теме n n n Шамина, З. Б. Генетическая изменчивость растительных клеток Библиографический список по теме n n n Шамина, З. Б. Генетическая изменчивость растительных клеток in vitro / З. Б. Шамина. – Киев, 1978. Фролова, Л. В. Особенности популяции растительных клеток / Л. В. Фролова – М. , 1981. Genetic Engineering: In 6 vol / Ed. by R. Williamson. – London, 1981. Maniatis, T. Molecular cloning: A laboratory manual / T. Maniatis, F. Fritsch, J. Sambrook. – New York, 1982. Rodricguez, R. Recombinant DNA techniques: As introduction / R. Rodricguez, R. Tait. – London, 1983. Клеточная и генетическая инженерия 86

Модуль 7. Сельскохозяйственная биотехнология n 87 Модуль 7. Сельскохозяйственная биотехнология n 87

Тема: «Сельскохозяйственная биотехнология» План лекции n n n Технология получения биологических удобрений. Продуценты, среды, Тема: «Сельскохозяйственная биотехнология» План лекции n n n Технология получения биологических удобрений. Продуценты, среды, ферментационная техника. Особенности применения. Нитрагин. Азотобактерин. Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных. Технология получения биологических препаратов /бактериальных, грибных, вирусных/. Биотехнология растений. Размножение и модификация растений in vitro. 88

Технология получения биологических удобрений Гены азотфиксации были встроены в геном дрожжей (У. Брилл, 1991). Технология получения биологических удобрений Гены азотфиксации были встроены в геном дрожжей (У. Брилл, 1991). На первом этапе получают гибридные плазмиды слиянием плазмидиз E. coli и дрожжевой клетки. На втором – выделяют nif-гены из Klebsiella pneumoniae и встраивают их во вторую плазмиды из E. coli, которую внедряют в хромосому дрожжей Сельскохозяйственная биотехнология 89

Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Наиболее распространенные инсектопатогенные бактерии и инфицируемые ими насекомые (G. A. Hardy, 1986) Бактерии Насекомые Pseudomonas aeruginosa Саранчи Pseudomonas septica Жук-навозник, жук-древесинник Vibrio leonardia Огневка пчелиная большая, мотылек кукурузный Enterobacter aerogenes Бабочка-голубянка, бабочка-толстоголовка Proteus vulgaris Саранчи Salmonella enteritidis Огневка пчелиная большая Diplococcus spp. Майский хрущ, шелкопряд тутовый, шелкопряд непарный, шелкопряд дубовый походный Bacillus thuringiensis Различные бабочки, моли B. popilliae Жук-навозник B. sphaericus Комары B. moritai Мухи Сельскохозяйственная биотехнология 90

Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Бактериальные препараты n Энтобактерин – на основе Bac. thuringiensis var. Dalleriae; эффективен против чешуекрылых насекомых. n Дендробациллин – препарат для защиты леса от сибирского шелкопряда на основе Bac. thuringiensis var. dendrolimus. n Инсектин – предназначен для борьбы с сибирским шелкопрядом. Получен на основе Bac. thuringiensis var. insectus. n n БИП – на основе Bac. thuringiensis var. darmstadiensis; эффективен против вредителей плодовых (молей, пядениц, листоверток, шелкопрядов) и овощных культур (белянок, молей). Бактулоцид – бактерия, на основе которой выпускается данный препарат, выделена из водоема и отнесена к группе Bt H 14. Сельскохозяйственная биотехнология 91

Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Грибные препараты n n Metarhizium anisopliae – наиболее известный энтомопатогенный гриб, описанный более 100 лет назад как зеленый мускаридный гриб. Verticilium lecanii является единственным грибным энтомопатогеном, на основе которого на западе успешно выпускают препараты в промышленных масштабах. Hirsutella thompsonii использовали некоторое время в США для производства препарата «Микар» с целью контроля численности цитрусовых клещей. n n Боверин является отечественным грибным препаратом, который изготавливают на основе конидиоспор Beauveria bassiana Vuill. Сельскохозяйственная биотехнология 92

Биотехнология растений Использование культуры тканей и клеток растений для регенерации растений (Х. Борман) Схема Биотехнология растений Использование культуры тканей и клеток растений для регенерации растений (Х. Борман) Схема клонального размножения Catharantus roseus (Н. Оледзка) Сельскохозяйственная биотехнология 93

Биотехнология растений Меристемные регенеранты гороха и клевера лугового на разных средах (со стимуляторами роста Биотехнология растений Меристемные регенеранты гороха и клевера лугового на разных средах (со стимуляторами роста и без них) (H. Kallak) Сельскохозяйственная биотехнология 94

Биотехнология растений Слияние протопластов растений под действием ПЭГ (I) и электрополя (II) ) (Х. Биотехнология растений Слияние протопластов растений под действием ПЭГ (I) и электрополя (II) ) (Х. Борман, 1991) Сельскохозяйственная биотехнология 95

Технология получения биологических удобрений Клонирование nif-генов 1 этап – получение гибридной 1 этап плазмиды Технология получения биологических удобрений Клонирование nif-генов 1 этап – получение гибридной 1 этап плазмиды E. coli и Candida; 2 этап – перенос nif-генов из 2 этап Kleibsella во вторую плазмиду E. coli, которую внедряют в хромосому дрожжей (Н. Брилл) Сельскохозяйственная биотехнология 96

Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных Вирусные препараты n «Вирин-ГЯП» (против гусеницы яблоневой плодожорки); n «Вирин-КШ» (против кольчатого шелкопряда); n «Вирин-ЭНШ» (против непарного шелкопряда); n «Вирин-ЭКС» (против капустной совки); В США усовершенствован процесс производства нескольких вирусных препаратов для защиты лесов ( «ТМ-Биоконтрол» и «Циптек» ). n Сельскохозяйственная биотехнология 97

Библиографический список по теме n n n Африкян, Э. К. Энтомопатогенные бактерии и их Библиографический список по теме n n n Африкян, Э. К. Энтомопатогенные бактерии и их значение / Э. К. Африкян – Ереван, 1973. Биология культивируемых клеток и биотехнология растений / ред. Р. Г. Бутенко. – М. , 1991. Биотехнология сельскохозяйственных растений / ред. С. Мантель. – М. , 1987. Биотехнология растений: культура клеток / ред. Дж. Диксон. – М. , 1989. Вейзер, Я. Микробиологические методы борьбы с вредными насекомыми / Я. Вейзер. – М. , 1972. Гулий, В. В. Микробиологическая борьба с вредными организмами / В. В. Гулий, Г. М. Иванов, М. В. Штерншис. – М. , 1982. Дорогойченко, Н. И. Новые формы микробных инсектицидов и методы их применения / Н. И. Дорогойченко, В. Б. Фрейман. – М. , 1982. Доронский, Л. М. Клубеньковые бактерии и нитрагин / Л. М. Доронский. – Л. , 1970. Евлахова, А. А. Энтомопатогенные грибы / А. А. Евлахова. – Л. , 1974. Ильичева, С. Н. Получение и применение грибных инсектицидов / С. Н. Ильичева, Э. В. Кононова. – М. , 1984. Катаева, Н. В. Клональное микроразмножение растений / Н. В. Катаева, Р. Г. Бутенко. – М. , 1983. Сельскохозяйственная биотехнология 98

Библиографический список по теме n n n n n Культура клеток растений / ред. Библиографический список по теме n n n n n Культура клеток растений / ред. Р. Г. Бутенко. – М. , 1986. Мишустин, Е. Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия / Е. Н. Мишустин. – М. , 1972. Мишустин, Е. Н. Биологическая фиксация молекулярного азота / Е. Н. Мишустин, В. К. Шильников. – М. , 1968. Орловская, Е. В. Вирусные препараты для борьбы с насекомыми-вредителями сельского хозяйства и леса / Е. В. Орловская, Т. А. Шумова. – М. , 1980. Пирузян, Э. П. Основы генетической инженерии растений / Э. П. Пирузян. – М. , 1988. Солдатова, А. В. Культура клеток насекомых и ее использование для получения вирусных и энтомопатогенных препаратов / А. В. Солдатова, Т. А. Шумова. – М. , 1983. Тарасевич, Л. М. Вирусы насекомых служат человеку / Л. М. Тарасевич. – М. , 1985. Хотянович, А. В. Эффективность различных методов инокуляции бобовых растений препаратами клубеньковых бактерий / А. В. Хотянович, В. М. Чиканова, В. В. Бочаров. – М. , 1982. Шильникова, В. К. Микроорганизмы-азотонакопители на службе растений / В. К. Шильникова, Е. Я. Серова. – М. , 1983. Сельскохозяйственная биотехнология 99