ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ Ежегодный прирост рынка в

ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Ежегодный прирост рынка в мире - 7 %. Годовой объем продаж биотехнологических препаратов: пищевой промышленности и сельского хозяйства - 46 млрд. долл. ; семенной материал генномодифицированных растений - 30 млрд. долл. ; фармацевтических препаратов - 27 млрд. долл. ; ферментов для моющих средств - 21 млрд. долл. ; лечебно-косметических средств из растительного и животного сырья - около 40 млрд. долл. Более половины оборота современной мировой биоиндустрии приходится на долю США. Объем финансирования биотехнологии в США - 100 млрд. долл. , Китае - 1 млрд. долл, в России - 0, 04 млрд. долл.

США Биотехнологические фирмы : Biogen, Amgen, Calgene, Engenics, Genex, Cangene. Россия - свыше 1 500 биотехнологических компаний. Крупные международные химические и фармацевтические компании: Monsanto, Du. Pont, Upjohn, American Cyanamid, Eli Lilly, Smith. Kline Beecham, Merck, Novartis, Hoffman-La. Roche.

Преимущества биотехнологических производств возможность получения специфических и уникальных природных веществ; проведение процессов при относительно невысоких температурах и давлениях; высокие скорости роста и накопления биомассы; использование дешевого сырья; экологически чистые производства, близки к природным процессам; простота технологий и оборудования.

Биотехнологические объекты субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК); бактерии и цианеи; грибы; водоросли; простейшие; культуры клеток растений и животных; растения.

Бактерии и цианеи производство пищевых продуктов: уксус (Gluconobacter suboxidans), молочнокислые напитки (Lactobacillus, Leuconostoc); производство микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis); производство белка (Methylomonas); производство витаминов (Clostridium - рибофлавин); производство растворителей и органических кислот; производство биогаза и водорода.

Грибы антибиотики (пенициллы, цефалоспорины); гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис); каротиноиды (н-р, астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах); белок (Candida, Saccharomyces lipolitica); сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы); соевый соус (Aspergillus oryzae).

Простейшие в биотехнологии Компонент активного ила. Простейшие рубца жвачных животных - производство фермента целлюлазы. Trypanosoma - продуцентом противоопухолевого препарата круцина (трипанозы). Производство фосфолипидов и полиненасыщенных жирных кислот жгутиконосцами. Полисахариды простейших (парамилон эвгленовых обладает противоопухолевым эффектом, действуя через иммунную систему). Производство глюканов для медицины, пищевой и текстильной промышленности. Биомасса простейших содержит до 50% белка (содержит все незаменимые аминокислоты, причем со держание свободных аминокислот на порядок выше, чем в биомассе микроводорослей, бактерий и мясе).

Водоросли Получение белка (Chlorella и Scenedesmus). В пищу употребляют не менее 100 видов макрофитных водорослей. Витаминная добавка к кормам для сельскохозяйственных животных. Гидролизаты белка зеленой водоросли Scenedesmus используются в медицине и косметической промышленности. Применяют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Агар.

Альгинаты - смазки, медицинские и парфюмерные мази и кремы, синтетические волокна и пластики, стойкие лакокрасочные покрытия, не выцветающие ткани, шелк, клеящие вещества, строительные материалы, пищевые продукты — фруктовые соки, консервы, мороженое, стабилизаторы растворов, брикетирование топлива, литейное производство. Маннит применяют в пищевой промышленности, фармацевтике, производстве бумаги, красок, взрывчатки. Получение биогаза.

СИСТЕМА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Стадии биотехнологического процесса Подготовительная (обработка сырья и приготовление питательных сред); Биотехнологическая (ферментация и биотрансформация); Получение готовой продукции (очистка целевого продукта).

Подготовительная стадия приготовление среды; подготовка и стерилизация газов; подготовка посевного материала; подготовка биокатализатора (фермента, биомассы); предварительная обработка сырья.

Биотехнологическая стадия ферментация; биотрансформация; биокатализ; биоокисление; метановое брожение; биокомпостирование; биосорбция; бактериальное выщелачивание; биодеградация.

Получение готовой продукции отстаивание; фильтрация; сепарация, центрифугирование; микрофильтрация, ультрафильтрация; коагуляция; флотация.

Методы выделения целевого продукта экстракция; осаждение; адсорбция; ионный обмен; отгонка, ректификация; ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос; центрифугирование, ультрацентрифугирование.

Методы очистки Хроматография (разделение смеси нуклеотидов, антибиотиков, сахаров); Диализ (очистка вакцин, ферментов от солей); Кристаллизация (пенициллин).

Ферментеры (биореакторы)

Устройство ферментера

Типы ферментеров механические, аэрлифтные, газо-вихревые, аэробные (с подачей воздуха или газовых смесей с кислородом), анаэробные (без подачи кислорода), комбинированные - аэробно-анаэробные.

Периодические процессы стерилизация сред, биореактора и вспомогательного оборудования; загрузка аппарата питательной средой; внесение посевного материала; рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему; синтез целевого продукта; отделение и очистку готового продукта. Речь идет о временной последовательности этапов, по окончании последнего этапа проводится мойка биореактора и его подготовка к новому циклу

Непрерывные процессы питательная среда непрерывно подается в ферментер, в котором создают оптимальные условия для роста микроорганизмов, а из ферментера непрерывно вытекает культуральная жидкость вместе с микроорганизмами. В непрерывных процессах биообъект поддерживается в экспоненциальной фазе роста. При этом существует равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой. Метод глубинной ферментации. Процесс может быть гомогенно или гетерогенно-непрерывным. При гомогенно-непрерывном процессе в аппарате, где идет интенсивное перемешивание, все параметры постоянны во времени. В зависимости от метода, благодаря которому культура поддерживается в состоянии динамического равновесия, различают турбидостатный и хемостатный принципы.

При турбидостате скорость притока среды такова, что концентрация биомассы в системе постоянна; при хемостате в системе ограничивают рост культуры одним элементом питания (углерода, кислорода, соответствующего витамина и др. ) при нелимитируемых количествах остальных. Если целью является получение биомассы промышленного штамма в периодическом процессе, то время культивирования не превышает 24 ч. При производстве первичных метаболитов время биосинтеза составляет 48– 72 ч, а вторичных — 72– 144 ч. При культивировании различных микроорганизмов интервал рабочих температур варьирует в пределах 25– 60°С, значения р. Н — 2÷ 9.

Хемостатный режим культивирования в биореактор с постоянной контролируемой скоростью вливают питательную среду, один из компонентов которой поступает в количестве, не достаточном для обеспечения максимальной скорости роста культуры. В этом случае реактор с биообъектом приобретает свойства саморегулирующейся системы. Если первоначально скорость разбавления и вымывания биомассы превышает скорость роста клеток, то наступает разбавление культуры свежей средой. Это ведет к повышению концентрации компонента, ограничивающего рост, вследствие чего скорость роста культуры увеличивается. Увеличивающаяся популяция клеток все активнее «выедает» субстрат, его концентрация падает, что, в свою очередь, ведет к торможению роста культуры. Таким образом, после серии затухающих колебаний скорость роста культуры становится равной скорости ее разбавления.