КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Промышленная и экологическая биотехнология Задачи и

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Промышленная и экологическая биотехнология. Задачи и роль современной биологической промышленности. Технологические принципы охраны окружающей среды Профессор кафедры, доктор биологических наук ВОЛКОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ 1

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Введение 1. Основные направления промышленной биотехнологии: Стадии биотехнологического производства Производство белка микроорганизмов Производство микробных липидов Производство ферментов Производство аминокислот, органических кислот, витаминов Биотехнологии в пищевой промышленности Промышленная биотехнология для сельского хозяйства 2. Экологическая биотехнология Биоэнергетика Биотехнология обработки стоков и контроль загрязнения воды тяжелыми металлами Биогеотехнология Биоэлектроника Биотрансформация 3. Перспективы развития биотехнологии Заключение 2

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Учебник по биотехнологии Под редакцией академика РАСХН Е. С. Воронина Авторы: Тихонов И. В. Рубан Е. А. Грязнева Т. Н. Самуйленко А. Я. Гаврилов В. А. 3

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 1. Тихонов И. В. , Рубан Е. А. , Грязнева Т. Н. , Самуйленко А. Я. , Гаврилов В. А. Биотехнология. - Санкт-Петербург: Гиорд. 2005. -730 с. 2. Блинов Н. П. Основы биотехнологии. - Санкт-Петербург: Наука, 1995. 3. Самуйленко А. Я. , Рубан Е. В. Основы технологии производства ветеринарных биологических препаратов. М. : ВНИТИБП, 2000. - Т. I, Т. II. 4. Тутов И. К. , Ситьков В. И. Основы биотехнологии ветеринарных препаратов. - Ставрополь: ГСХА, 1997. 5. Шевелуха В. Е. , Воронин И. В. , Тихонов И. В. и др. Сельскохозяйственная биотехнология. - М. : Колос, 2003. 4

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Основные направления промышленной биотехнологии 1. Биотехнология пищевых производство спирта и пива). продуктов, (классическое 2. Биотехнология препаратов для сельского хозяйства, препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования. 3. Биотехнология лекарственных препаратов, средств диагностики и реактивов. 4. Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение 5 добычи нефти.

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Объекты биотехнологии Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации: а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК); б) бактерии и цианобактерии; в) грибы; г) водоросли; д) простейшие; е) культуры клеток растений и животных; ж) растения – низшие (анабенаазолла) и высшие – рясковые. 6

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Стадии биотехнологического производства Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы; получение продуктов метаболизма. 7

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 8

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Производство белка микроорганизмов 9

Продуценты белка КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Продуценты белка Candida Albicans на n-алканах (нормальных углеводородах) бактерии Methylophillus methylotrophus (метилофилус метилотрофус) на метаноле. 10

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Ученым удалось перепрограммировать генетические свойства дрожжевых грибков Pitchia pastoris таким образом, что получаемые на выходе сложные гликопротеины по своей структуре и свойствам полностью идентичны белкам, синтезирующимся в человеческих клетках. 11

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Следующая группа продуцентов белка - грибы 12

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Источниками белковых веществ могут служить и водоросли 13

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Lemna minor L. - Ряска маленькая. 14

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ В качестве источников вещества и энергии микроорганизмы используют самые разнообразные субстраты - нормальные парафины и дистилляты нефти, природный газ, спирты, растительные гидролизаты и отходы промышленных предприятий. Одним из перспективных источников углерода для культивирования продуцентов белка высокого качества считается метиловый спирт. Его можно получать методом микробного синтеза на таких субстратах, как древесина, солома, городские отходы. Продуцентами белка служат бактерии рода Methylomonas. Выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, выгодно, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. При росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи. Первая реакция окисления метанола у дрожжей катализируется оксидазой, а у метилотрофных прокариот - дегидрогеназой. Ведутся генно-инженерные работы по переносу гена метанолдегидрогеназы из бактерий в дрожжи. Это позволит объединить технологические преимущества дрожжей с эффективностью роста бактерий.

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Технология получения микробных липидов Под липидами подразумеваются все растворимые в неполярных растворителях клеточные компоненты микроорганизмов. Технологический процесс получения микробных липидов, в отличие от получения белковых веществ, обязательно включает стадию выделения липидов из клеточной массы методом экстракции в неполярном растворителе (бензине или эфире). При этом получают одновременно два готовых продукта: микробный жир (биожир) и обезжиренный белковый препарат (биошрот). Сырьем для этого процесса являются те же среды, что и для производства кормовой биомассы. 16

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Простые липиды - нейтральные жиры и воски. Нейтральные жиры (основные запасные компоненты клетки) - эфиры глицерина и жирных кислот, основная масса которых триацилглицериды (есть, впрочем ещё и моно- и диглицериды). Воски - эфиры жирных кислот или моноооксикислот и алифатических спиртов с длинной углеродной цепью. По структуре и свойствам близки к нейтральным липидам. Наибольшее количество нейтральных липидов синтезируют дрожжи и мицелиальные грибы. Простые липиды находят применение как технологические смазки в процессах холодной и тепловой обработки металлов. 17

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Сложные липиды делятся на две группы: фосфолипиды и гликолипиды. Фосфолипиды (фосфоглицериды и сфинголипиды) входят в состав различных клеточных мембран и принимают участие в переносе электронов. Их молекулы полярны и при р. Н 7, 0 фосфатная группа несет отрицательный заряд. Концентрат фосфолипидов находит применение в качестве антикоррозийной присадки к маслам и как добавка при флотации различных минералов. Гликолипиды в отличие от фосфолипидов не содержат молекулы фосфорной кислоты, но также являются сильнополярными соединениями за счет наличия в молекуле гидрофильных углеводных групп (остатков глюкозы, маннозы, галактозы и др. ). К производным липидов относят жирные кислоты, спирты, углеводороды, витамины Д, Е и К. Жирные кислоты представлены насыщенными и ненасыщенными с одной двойной связью кислотами нормального строения и четным числом углеродных атомов (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая). 18

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Процесс образования липидов у большинства дрожжей состоит из двух четко разграниченных стадий: - первая характеризуется быстрым образованием белка в условиях усиленного снабжения культуры азотом и сопровождается медленным накоплением липидов (в основном глицерофосфатов и нейтральных жиров); - вторая - прекращением роста дрожжей и усиленным накоплением липидов (в основном нейтральных). Типичными липидообразователями являются дрожжи Cryptococcus terricolus. Они могут синтезировать большое количество липидов (до 60% от сухой массы) в любых условиях, даже наиболее благоприятных для синтеза белка. Из других липидообразующих дрожжей промышленный интерес представляют дрожжи С. guilliermondii, утилизирующие алканы. Они синтезируют в основном фосфолипиды. 19

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Производство ферментов Основную часть ферментов, получаемых промышленным способом, составляют гидролазы. К ним относятся, в первую очередь амилолитические ферменты: α-амилаза, βамилаза, глюкоамилаза. Их основная функция - гидролиз крахмала и гликогена. Крахмал при гидролизе расщепляется на декстрины, а затем до глюкозы. Эти ферменты применяются в спиртовой промышленности, хлебопечении. 20

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Классификация ферментов основана на механизме их действия и включает 6 классов Активность ферментного препарата выражается в микромолях субстрата, прореагировавшего под действием 1 мл ферментного раствора или 1 грамма препарата в оптимальных условиях за 1 минуту. Если ферментный препарат не содержит балласта, то его активность выражается в тех же стандартных единицах на 1 мг фермента. Если же есть балласт, то активность считается на 1 мг белка в ферментном препарате. Активность выпускаемого препарата - важнейший нормируемый показатель качества. 21

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Протеолитические ферменты образуют класс пептидгидролаз. Их действие заключается в ускорении гидролиза пептидных связей в белках и пептидах. Важная их особенность - селективный характер действия на пептидные связи в белковой молекуле. Например, пепсин действует только на связь с ароматическими аминокислотами, трипсин - на связь между аргинином и лизином. В промышленности протеолитические ферменты классифицируют по способности проявлять активность в определенной области р. Н: р. Н 1. 5 - 3. 7 - кислые протеазы; р. Н 6. 5 - 7. 5 - протеазы; p. H > 8. 0 - щелочные протеазы. 22

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Для интенсификации процесса роста и синтеза ферментов добавляют различные факторы роста, например, аминокислоты, пуриновые основания и их производные, РНК и продукты её гидролиза. В качестве источника углерода используют крахмал, кукурузный экстракт, соевую муку, гидролизаты биомассы дрожжей. Микроорганизмы могут утилизировать и минеральные источники азота. В состав питательных сред входят и ионы MG, Mn, Zn, Fe, Cu и др. металлов. Механизм действия большинства из них неизвестен. Некоторые входят в состав фермента. Ионы Ca повышают устойчивость a-амилазы, ионы Fe и Mg активизируют и стабилизируют протеолитические ферменты. Оптимальный состав питательной среды для каждого продуцента может быть определен двумя способами: эмпирический и построение математической модели с использованием компьютера.

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Производство аминокислот, органических кислот, витаминов Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза, так как при биологическом синтезе используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной L-форме. 24

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Биотехнологии в пищевой промышленности Биотехнология молочных продуктов Производство сыра Производство спиртов и полиолов Производство пива 25

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Биотехнология молочных продуктов Получение молочных продуктов в пищевой промышленности построено на процессах ферментации. Основой биотехнологии молочных продуктов является молоко. Все технологические процессы производства продуктов из молока делятся на две части: 1) первичная переработка - уничтожение побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка. 26

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ При подборе культур для заквасок придерживаются следующих требований: состав заквасок зависит от конечного продукта (например, для получения ацидофилина используется ацидофильная палочка, для производства простокваши - молочнокислые стрептококки); штаммы должны отвечать определенным вкусовым требованиям; продукты должны иметь соответствующую консистенцию, от ломкой крупитчатой до вязкой, сметанообразной; определенная активность кислотообразования; фагорезистентность штаммов (устойчивость к бактериофагам); способность к синерезису (свойству сгустка отдавать влагу); образование ароматических веществ; сочетаемость штаммов (без антагонизма между культурами); наличие антибиотических свойств, т. е. бактериостатическое действие по отношению к патогенным микроорганизмам; устойчивость к высушиванию. 27

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Производство сыра, или сыроделие (сыроварение) - один из древнейших процессов, основанных на ферментации. Сыры бывают самые разнообразные - от мягких до твердых. Мягкие сыры содержат много воды, 50 -60%, а твердые - мало, 13 -34%. На первом этапе идет подготовка молока (первичная обработка). На втором - готовится культура молочнокислых бактерий. Микроорганизмы подбираются в определенной пропорции, обеспечивающей наилучшее качество. Набор бактерий также зависит от температуры термообработки. Третья стадия - стадия ферментации, - в сыроварении в некоторых случаях происходит в 2 этапа, до и после стадии выделения. Сначала молоко инокулируют определенными штаммами микроорганизмов, приводящими к образованию молочной кислоты, а также добавляют сычужный фермент реннин. Реннин ускоряет превращение жидкого молока в сгусток (створаживание) в несколько раз. Эта реакция активируется молочной кислотой, вырабатываемой бактериями. Функции реннина могут выполнять и другие протеиназы, но реннин также участвует в процессах протеолиза, происходящих в сыре при созревании. После образования сгустка сыворотку отделяют, а полученную творожистую массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созревание. 28

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Производство спиртов и полиолов В России большая часть этанола получается микробиологическим путем из растительного сырья. Сырьем могут быть гидролизаты древесины, меласса, крахмал, молочная сыворотка. Отходы производства этанола содержат белки, углеводы, рибофлавин и др. витамины, и могут использоваться как кормовая добавка. 29

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ При получении спирта из древесины перед гидролизом древесину размельчают до стружек толщиной 3 мм, шириной 10 - 70 мм и длиной 25 мм. Гидролиз идет в больших (до 50 кубометров) гидролизных аппаратах, которые наполняют стружкой, добавляют 0, 5%-ный раствор Н 2 SО 4 и вводят пар давлением 1 -1, 2 МПа. Варка идет 40— 50 мин. Выход сахара 45— 48% от сухой массы древесины. Реакция среды полученного гидролизата кислая, р. Н 1, 8— 2, 2, поэтому гидролизат нейтрализуют известковым молоком, в котором содержится 1, 1 — 1, 2 кг/л извести; в гидролизате сравнительно мало азота и фосфора, поэтому предварительно к каждому кубическому метру гидролизата добавляют 0, 3 кг суперфосфата и 0, 15 кг сульфата аммония. При температуре 85°С через гидролизат продувают воздух, р. Н среды 5 -6. Гипс осаждают, а прозрачную часть гидролизата после охлаждения используют для сбраживания. 30

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 31

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Промышленная биотехнология для сельского хозяйства Биологическая азотификация Бактериальные удобрения Микробные инсектициды Микробные пестициды Кормовые антибиотики, антибиотики биостимуляторы, пищевые консерванты против фитопатогенов, 32

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 33

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 2. Экологическая биотехнология Биоэнергетика 34

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Загрузка и выгрузка биомассы "Из китайского руководства по биогазу". 35

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Древние метанобактерии возникли на 700 миллионов лет раньше, чем считалось, и "подготовили" земной климат к появлению более высокоорганизованной жизни, утверждают японские геологи. Группа, возглавляемая Юичиро Уено из Токийского технологического института, обнаружила следы организмов, возраст которых равен 3, 46 миллиардам лет. 36

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 37

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Процесс получения биогаза 38

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 39

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ УСТАНОВКИ ПО ПОЛУЧЕНИЮ БИОГАЗА ИЗ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОТЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Система получения биогаза из городских свалок и муниципальных отходов. 40

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Луговской конный завод. Получение биогаза 1000 м 3/сутки. 41

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Производительность биогаза в зависимости от используемого сырья за период ферментации (Archea 2000 г, Германия). Сырье (субстрат) Куринный помет Конский навоз Навоз КРС (свежий) Овечий навоз Свиной навоз Биогаз (м 3 на м 3 субстрата) 53, 71 40, 60 32, 40 76, 69 162, 00 25, 52 42

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Botryococcus braunii 43

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Биотехнология обработки стоков и контроль загрязнения воды тяжелыми металлами 44

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых компонентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы. Бактерии рода Pseudomonas практически всеядны. Например, P. putida могут утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и др. соединения. Выделены чистые культуры микроорганизмов, способные разлагать специфические фенольные соединения, компоненты нефти в загрязненных водах и т. д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут утилизировать и необычные химические соединения - инсектициды, гербициды и другие ксенобиотики. Генетически сконструированные штаммы микроорганизмов в будущем смогут решить проблему очистки сточных вод и почв, загрязненных пестицидами и другими антропогенными веществами. 45

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Биогеотехнология - использование геохимической деятельности микроорганизмов в горнодобывающей промышленности. 46

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Биоэлектроника 47

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Биотрансформация Микроорганизмы способны осуществлять реакции трансформации (изменение отдельных участков в молекулах органических веществ), превращая те или другие соединения в новые продукты. Условия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологические трансформации предпочтительнее химических. Пример существующих крупномасштабных промышленных биоконверсий - производство уксуса из этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими липидами. Теперь с использованием биоконверсии получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов. Применение и совершенствование микробной технологии в сотни раз снижает себестоимость производства стероидов. 48

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ 3. Перспективы развития биотехнологии 49

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Учёные из Genomatica Inc. недавно объявили о разработке типа бактерии, способной производить пластик без использования нефти или природного газа. Рациональный процесс требует немногим больше, чем сахар и воду, чтобы производить бутандиол (BDO), который может быть переработан во что угодно от пластика и волокна до фармацевтических препаратов. Разработана бактерия, производящая пластик 50

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Ученые создали бактерию, превращающую СО 2 в топливо 51

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Бактерия кишечной палочки (Escherichia coli). Изображение получено с помощью сканирующего зондового микроскопа. Длина бактерии – 1, 9 мкм, ширина – 1 мкм. Толщина жгутиков и ресничек – 30 нм и 20 нм, соответственно. 52

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Rhodococcus fascians под микроскопом 53

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ Биотехнологию относят к числу приоритетных наук, где можно прогнозировать более быстрые и важнейшие достижения для социально-экономического прогресса общества. 54