СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Меркульева Ю. , Бт-32 р.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Биологический агент субстрат Аппаратура для осуществления процесса продукт Технология, режим Основные компоненты бт-системы, Виэстур У. Э. 1987 г.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. БИОЛОГИЧЕСКИЕ АГЕНТЫ. Компоненты клеток: протопласты, мембраны, мито хондрии, хлоропласты, внутри клеточные ферменты Вирусы, в том числе бактериофаги Клетки микроорганизмов, животных, растений, в том числе полученные методами клеточной и генной инженерии Внеклеточные продукты: ферменты, коферменты Биологические агенты Иммобилизированиы клетки микроорганизмов, животных, растений, их компоненты и внутрикл. продукты
ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. БИОЛОГИЧЕСКИЕ АГЕНТЫ. К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития биотехнологии относят растительные и животные ткани, в том числе гибридомы, трансплантанты. Большое внимание в настоящее время уделяется получению новейших биологических агентов – трансгенных клеток микроорганизмов, растений, животных генноинженерными методами. Развиты также новые методы, позволяющие получать искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов (мембраны с заданными свойствами, изотопы, магнитные материалы, антитела). Таким образом, в биотехнологических процессах возможно использование различных биологических агентов с различным уровнем организации - от клеточной до молекулярной.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. СУБСТРАТ Используемые субстраты и получаемые продукты в биотехнологии весьма разнообразны, ибо биотехнологии « по силам» любые превщения. Нередко продукт может стать субстратом для другого бт-процесса. Сахара, спирты, органические кислоты, отходы с/х и промышленных производств, нефть и нефтепродукты, среды культивирования клеток и т. д.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. АППАРАТУРА Вопросами технического обеспечения биотехнологических процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: • собственно для процесса ферментации • для выделения и получения готового продукта.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ТЕХНОЛОГИЯ И РЕЖИМ Одним из компонентов бт-системы является режим и услолвия получения продукта, которые варьируют в зависимости от процесса и технологии производства. При выборе метода следует руководствоваться технико-экономической оценкой альтернатив. В настоящее время следует ожидать развития промышленных методов, отвечающих следующим условиям:
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ макроэлеме нты • Свыше 0, 1 % массы микроэлеме нты ультрамикро элементы • 0, 001 % до 0, 000001 % массы тела живых существ • менее 0, 0000001 % в организмах живых существ
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ В наибольшем количестве в клетках содержатся макроэлементы: углерод, азот, водород и кислород. Их называют важнейшими элементами – органогенами и они используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов, липидов. В значительном количестве в клетке обнаруживаются фосфор и сера. В небольшом количестве – микроэлементы (Fe, Mg, Mn, Cu, K, Ca, Na, Zn и др. ) Все эти элементы в клетке находятся в различных соединениях. Большая их часть представлена органическими соединениями, входящими в состав «сухого вещества» , на долю которого приходится 15 – 20%. Но самым значительным компонентом клетки в количественном отношении является вода, которая составляет 75 – 85%. Концентрация ультрамикроэлементов в живом организме не превышает 0, 000001%, их физиологическая рольокончательно не определена. К этой группе относятся уран, радий, Лурум, Аргентум, Бериллий, цезий, Селен и многие другие.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки. . Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды. Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии. Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ Для развития микроорганизмов необходимы микроэлементы, содержащиеся в клетке в очень малых количествах. К ним относят кобальт, марганец, медь, хром, цинк, молибден и многие другие. Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых ферментов и активируют их. Соотношение отдельных химических элементов в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизма, состава питательной среды, характера обмена и условий существования во внешней среде.
СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ В настоящее время в различных процессах промышленной микробиологии получают около 200 соединений, обладающих коммерческой ценностью. Важнейшие среди них: алкалоиды, аминокислоты, антибиотики, антиметаболиты, антиоксиданты, белки, витамины, гербициды, инсектициды, коферменты, липиды, нуклеиновые Кислоты, органические кислоты, пигменты, ПАВ, полисахариды, полиоксиалканоаты, противоопухолевые агенты, растворители, сахара, стерины, ферменты, нуклеотиды, нуклеозиды, эмульгаторы.
Виэстур У. Э. 1987 г.
СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ Микроорганизмы способны усваивать различные углеродсодержащие субстраты: 1 -е поколение 2 -е поколение 3 поколение • углеводы; • жидкие углеводороды; • оксидаты углеводородов, газообразные углеводороды, углекислый газ, включая смеси с водородом
СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ Субстраты I-го поколения – углеводы. Идею использования биомассы микроорганизмов в качестве белковых компонентов питания с 1890 года начал пропагандировать Дельбрюк, который вместе с коллегами разработал первый технологический процесс выращивания пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae на мелассе. Полученную дрожжевую биомассу рекомендовали использовать в качестве белковой добавки в пищевые продукты. Во время Первой мировой войны мощность действующих в Германии установок по производству дрожжевого белка достигала 10 тыс. т в год. Saccharomyces cerevisiae
СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ Субстраты II-го поколения – жидкие углеводороды. Способность микроорганизмов использовать в качестве основного ростового субстрата углеводороды была доказана Таусоном в 1935 году. Интенсивные научные исследования углеводородов в качестве потенциального субстрата для получения белка одноклеточных были развернуты в 50– 60 -е годы ХХ столетия. Было установлено, что микроорганизмами могут усваиваться практически все классы углеводородов, включая прямогонные дизельные фракции, очищенные жидкие парафины, масляные дистилляты и другие нефтепродукты, содержащие n-парафины, но с наибольшими скоростями утилизируются углеводороды нормального строения с длиной углеродной цепи С 11–С 18, вскипающие при 200– 320 °С. В качестве штаммов-продуцентов белка одноклеточ ных на углеводородах наибольшее распространение получили дрож жи рода Candida: C. guilliermondii, C. maltosa, C. scottii. C. guilliermondii
СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ Субстраты III-го поколения – оксидады углеводородов, газообразные углеводороды, углекислота, водород. Перспективными видами сырья для крупнотоннажного получения микробного белка принято считать спирты, природный газ, водород. Масштабы производства, технологичность низших спиртов и качество получаемого микробного белка выдвинули метанол и этанол в разряд наиболее перспективных субстратов. Исследования процессов микробного синтеза на спиртах с середины 70 -х годов были развернуты всеми развитыми странами. Было показано, что способность усваивать метанол присуща как дрожжам (рода Hansenula, Candida), так и бактериям (Pseudomonas, Methylomonas). Pseudomonas Methylomonas Methanica Bacteria
СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ. СОВРЕМЕННЫЕ СУБСТРАТЫ Главной частью растительного сырья являются полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества) - 40 -75% и лигнин- от 15 до 60%. Основным источником этанола является нефтехимический синтез. В последние годы установлено, что уксусная кислота представляет собой очень перспективный субстрат для биотехнологии: на ней хорошо развиваются дрожжи как источник микробного белка, однако наиболее интересно применение уксусной кислоты в биосинтезе лизина. Меласса, содержит до 50% сахарозы, является отходом сахарного производства и очень широко используется в микробиологическом синтезе, так как многие продуценты белка и биологически активных веществ прекрасно утилизируют углеводы из мелассы.
СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ. СОВРЕМЕННЫЕ СУБСТРАТЫ 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. В США, Японии, Канаде, ФРГ, Великобритании разработаны технологические процессы получения белка на природном газе. Выход биомассы в этом случае может составлять 66% от массы субстрата. Наиболее перспективно получение белка с помощью водородоокисляющих бактерий, которые развиваются за счет окисления водорода кислородом воздуха. Энергия, высвобождающаяся в этом процессе, идет на усвоение углекислого газа. Для получения биомассы используются, как правило, бактерии рода Hydrogenomonas. Особого внимания заслуживают способы прямой биоконверсии продуктов фотосинтеза и их производных в белок с помощью грибов. Эти организмы благодаря наличию мощных ферментных систем способны утилизировать сложные растительные субстраты без предварительной обработки
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
Использованная литература: 1. «Введение в биотехнологию» , Беккеер В. Е. «Пищевая промышленность» 1978 г. 2. Виэстур У. Э. , Шмитте И. А. , « биотехнология. Биологические агенты, технология, аппаратура» , 1987 г. 3. Бирюков В. В. «Основы промышленной биотехнологии» , М. : «колос» , «химия» , 2004 г.
Скачать презентацию СУБСТРАТЫ И ПРОДУКТЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Меркульева Ю
обп.pptx