ЭЛЕМЕНТЫ, СЛАГАЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОТЕХНОЛОГИИ Лектор: доцент каф. БИОХ Тимощенко Л. В.
ЭЛЕМЕНТЫ, СЛАГАЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОТЕХНОЛОГИИ биологический агент; субстрат; аппаратура; продукт. 2
Важнейшие группы биологических агентов, используемых в биотехнологических процессах: - Микроорганизмы, растительные и животные клетки - Вирусы - Компоненты клеток: мембраны, протопласты, митохондрии, ферменты - Внеклеточные продукты: ферменты, коферменты - Иммобилизованные клетки микроорганизмов, растений и животных; их компоненты и внеклеточные продукты 3
Клетки 1. Прокариоты 2. Эукариоты 3. Акариоты 4
АКАРИОТЫ Вирусы Фаги 5
ВАЖНЕЙШИЕ ТИПЫ КЛЕТОК Биологические агенты, используемые в биотехнологии, относятся к царству протистов, к которому относятся все живые существа с очень простой биологической классификацией по сравнению с растениями и животными. К царству протистов принадлежат все одноклеточные, а также многоклеточные организмы, построенные из клеток одного типа. В таблице показано деление царства протистов на таксоны (Таксономия – искусство биологической классификации). Таксоны различаются источником и способом получения питательных веществ, скоростями роста, способами воспроизводства и способностью к передвижению. 6
7
1. Биологический агент является активным началом в биологических процессах и одним из наиболее важных из элементов. 1. Микробная клетка – традиционный объект в номенклатуре биологических агентов. При выборе биологического агента и постановке его на производство следует соблюдать принцип технологичности штаммов, т. е. микробная клетка, популяция или сообщество особей должны сохранять свои основные физиолого-биохимические свойства в процессе длительного ведения ферментации. Промышленные продуценты должны также обладать устойчивостью к мутациям, фагам, заражению посторонней микрофлорой, быть безвредными 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 промышленные биотехнологии базируются на использовании гетеротрофных организмов, а в будущем решающее место займут: • автотрофные микроорганизмы – организмы, не нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах; • экстремофилы – организмы, развивающиеся в экстремальных условиях (термофильные, алкало- и ацидофильные); 8
• смешанные микробные культуры и их природных ассоциации, где между микроорганизмами устанавливаются определенные взаимоотношения, основанные на экологических принципах взаимодействия в смешанных популяциях. Типы взаимодействия: нейтрализм мутуализм комменсализм аменсализм симбиоз 9
Смешанные микробные культуры и их природных ассоциации: потребляют сложные, неоднородные по составу субстраты; минерализуют сложные органические соединения; имеют повышенную устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды и токсических веществ; имеют повышенную продуктивность и возможность обмена генетической информацией между отдельными видами сообщества. • • Применение смешанных культур: • • • производство пищевых продуктов; охрана окружающей среды; биодеградация и усвоение сложных субстратов нетрадиционные биологические агенты - растительные и животные ткани, в том числе гибридомы, трансплантанты; новейшие биологические агенты – трансгенные клетки микроорганизмов, растений и животных, полученные с помощью генной инженерии. 10
Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов Организм Saccharomyces cerevisiae Тип Продукт Дрожжи Streptococcus thermophilus Propionibacterium shermanii Gluconobacterium suboxidans Пекарские дрожжи, вино, эль, саке Бактерии Иогурт Швейцарский сыр Penicillium roquefortii Бактерии Уксус Плесень Сыры типа рокфора Плесень Саке Дрожжи Этанол Бактерии Ацетон Бактерии Полисахариды Бактерии L-Лизин Дрожжи Микробный белок Бактерии Витамин В 12 Плесень Амилаза Дрожжи Лактаза Дрожжи Липаза Бактерии Протеазы Aspergillus oryzae Saccharomyces cerevisiae Clostridium acetobutylicum Xanthomonas campestris Corynebacterium glutamicum Candida utilis Propionibacterium Aspergilus oryzae Kluyveromyces fragilis Saccharomycopsis lipolytica Bacillus 11
Биологические агенты Организм Тип Продукт Endothia parasitica Плесень Сычужный фермент Leocanostoc mesenteroides Бактерии Декстран Xanthomonas campestris Бактерии Ксантан Penicillium chrysogenum Плесень Пенициллины Chehalosporium acremonium Плесень Цефалоспорины 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 12
Молочнокислые бактерии 13
2. Субстраты и среды В состав сред для биотехнологических процессов входят: Источники углерода и энергии • Углеводы: чистые и углеводсодержащее сырье • Спирты; • Органические кислоты; • Углеводороды Ростовые факторы Минеральные элементы • Макроэлементы: (N, P, Ca, K, Na и др. ) • Микроэлементы: (Mo, V, W, Cs и др. ) • Биохимические (аминокислоты, витамины и др. ; кукурузный или дрожжевой экстракт; картофельный сок; экстракт проростков ячменя и т. д. ) • Биофизические температура культивирования(~37 о. С); интенсивность перемешивания, обеспечивающая необходимый массообмен в культуре 55
Важнейшие группы субстратов (технических источников углерода и минеральных веществ), используемых в биотехнологических процессах Чистые источники углерода и азота Технические источники углерода и азота Сахара Спирты Органические кислоты Парафины нефти Природный газ водород Меласса, Сок сахарного тростника, Гидролизаты растительных полимеров (патока, крахмал) Барда (продукт переработки спирта) Полупродукты предшественники биотрансформации (соки растений) Отходы с/х и лесной промышленности (целлюлоза) Отходы промышленности, в том числе переработки фруктов и овощей Бытовые отходы, сточные воды Молочная сыворотка Картофель, зерно Зеленая биомасса растений 56
Конструирование питательных сред для выращивания микроорганизмов Многие нетребовательные микроорганизмы, хорошо растут на среде очень простого состава. Такая среда называется минимальной (синтетической). Для многих почвенных бактерий используют смесь витаминов, которые добавляют в количестве 2– 3 мл на 1000 мл минимальной среды – такая среда будет называться сложной (комплексной). 49
Технология приготовления питательных сред Питательная среда для культивирования микроорганизмов должна удовлетворять двум основным требованиям: • она должна содержать все необходимые для роста компоненты; • не должна содержать примесей каких-либо микроорганизмов, т. е. должна быть стерильной. Методы стерилизации 1. Термическая стерилизация – прогревание среды при высоких температурах, когда большинство микроорганизмов погибают. Для большинства микроорганизмов достаточным оказывается кипячение среды (~100 о. С). Обычно среду прогревают при более высокой температуре, для чего нагревание проводят при повышенном давлении (3– 5 атм). Пастеризация как вариант термической стерилизации. Используют для уничтожения спорообразующих микроорганизмов. 50
51
Методы стерилизации 2. Стерилизация фильтрацией - щадящие методы стерилизации. Часто в качестве фильтров используют: неглазурованные фарфоровые фильтры (свечи Шамберлана); фильтр Беркефельда (из прессованного кизельгура); асбестовые пластины; стеклянные фильтры; Мембранные фильтры Стерилизация фильтрацией является одним из процессов так называемой мембранной технологии, которая используется не только для стерилизации, но и для фракционирования сложных смесей. • • • Недостатки способа: адгезия частиц к мембранам; неоднородность пор по диаметру; удержание части стерилизуемой дорогостоящей жидкости на мембране при фильтрации малых объемов ее; возможная селективная адсорбция ионов из небольших объемов растворов; недостаточная или плохая смачиваемость мембран водой. 52
3. Лучевая стерилизация - облучение УФ-светом, рентгеновскими и -лучами. 4. Химическая стерилизация - обработка -пропиолактоном, окисью этилена , смесью ОБ (смесь оксида этилена и бромистого метила и др. ) 53
3. Аппаратура Для различных типов 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. Типы ферментационных аппаратов Аппараты для анаэробных процессов • Применяются в процессах конверсии растительного сырья, в том числе растительных отходов, а также различных других отходов. Данные аппараты оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменных труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газовым колпаком и устройством переменного объема (газгольдером) для сбора образуемого биогаза.
Ферментаторы Лабораторный ферментатор 3 л Промышленный ферментатор 25 000 л 55
Аппараты для аэробной поверхностной ферментации • широко применяются для производства органических кислот (жидкофазные) и ферментов (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 порами продуцента. Аппараты для аэробной глубинной ферментации • наиболее сложны как конструктивно, так и с точки зрения их эксплуатации. 56
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. Кроме этого, концентрации клеток и растворенного субстрата должны быть равномерными по всему объему ферментатора. Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. Классификации ферментационных аппаратов для аэробной глубинной ферментации по подводу энергии для перемешивания (Виестур и др. , 1986). Согласно этой классификации аппараты такого типа делятся на три группы по подводу энергии: 1– к газовой фазе (ФГ), 2 – к жидкой фазе (ФЖ), 3 – комбинированный подвод (ФЖГ). 57
Классификация ферментаторов по способу ввода энергии для перемешивания 58
59 Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой • Общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. • Ферментаторы характеризуются достаточно простой конструкцией, высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики. Ферментаторы с подводом энергии жидкой фазой • • Ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами. Они наиболее сложны по конструкции и энергоемки Ферментаторы с подводом энергии газовой и жидкой фазы • Основные элементы- это перемешивающие устройства всех известных типов, а также наличие в совокупности насосов и перемешивающих устройств. Например, аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для перекачивания культуральной жидкости. Применяются с 1944 г.
Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) 60 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
Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ) а) с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контуртеплообменник; 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 61
4. ПРОДУКТЫ ОСНОВНОЙ БОИТЕХНОЛОГИИ ПРОДУКТЫ ТОНКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ 62
• Продукты основной биотехнологии – это крупнотоннажные производства с невысокой степенью очистки. – технические ферментные препараты: • протеазы • амилазы • пектиназы – пищевые добавки или сырье для их приготовления (белок одноклеточных организмов); – микробиологические средства защиты растений, часто представляющих собой высушенную культуру микроорганизмов, патогенных для насекомых-вредителей с/х; – метаболиты для использования в пище и кормах: • • первичные метаболиты – аминокислоты, витамины, кислоты (лимонная кислота), спирты, растворители; вторичные метаболиты – антибиотики для медицины 63 и ветеринарии.
Продукты основной биотехнологии Биогаз (метан) Биоудобрения Биоинсектициды Микробная биомасса Белок одноклеточных организмов Газохол (смесь этанола и бензина) Органические кислоты Полисахариды Пищевые продукты Экстракты Ферментные препараты Спирты Органические растворители Металлы, неметаллы 65
Продукты тонкой биотехнологии – 64 это комплекс процессов и производств, ориентированный на получение высокоочищенных продуктов. - высокоочищенные ферментные препараты, используемые в медицине в качестве лекарственных средств, при обработке пищевых продуктов, в качестве аналитических реагентов в клинической лабораторной диагностике и производстве - действующие основы лекарственных средств (инсулин)
Продукты тонкой биотехнологии Интерфероны человека Высокоочищенные ферменты Рекомбинантные белки (соматотропин, ДНК-аза, антигемофильный фактор и др. ) Антибиотики Аминокислоты Витамины Диагностикумы Вакцины Моноклональные антитела Гормоны и др. продукты биотрансформации 65
Спасибо за внимание
Скачать презентацию ЭЛЕМЕНТЫ СЛАГАЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОТЕХНОЛОГИИ Лектор доцент
элементы, слагающие биотехнологии.ppt