Биотехнологическое производство основано на использовании в качестве биологических объектов ферментов, клеток микроорганизмов, растительных и животных клеток и тканей
Тема 1 Введение в дисциплину «Основы биотехнологического производства»
План лекции:
1. Предмет и задачи курса "Основы биотехнологического производства";
2. Биотехнологическое производство как биоиндустрия, выпускающая широкий спектр биопродуктов на основе жизнедеятельности живых объектов или различных биохимических процессов;
3. Биотехнологическое производство основано на использовании в качестве биологических объектов ферментов, клеток микроорганизмов, растительных и животных клеток и тканей.
1 Предмет и задачи курса "Основы биотехнологического производства"
Учебный курс «Основы биотехнологических производств» является дисциплиной которая возникла на стыке технических (физика, теплотехника) и естественных (химия, биология, физиология) дисциплин, теоретические исследования и практические результаты которой широко применяются в различных областях деятельности человека.
Курс «Основы биотехнологических производств» основан на изучении жизнедеятельности микроорганизмов и биохимических процессов, осуществляемых ферментативными системами; основы процессов биокатализа и биотрансформации; особенности выделения продукта в биотехнологических производствах.
Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин "биотехнология" появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова "промышленная микробиология", "техническая биохимия" и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.
|
|
|
Термин "новая" биотехнология в противоположность "старой" биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы. Так, обычное производство спирта в процессе брожения - "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - "новая" биотехнология.
|
|
|
Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии: биотехнология пищевых продуктов, препаратов для сельского хозяйства, препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования, лекарственных препаратов, средств диагностики и реактивов, биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.
Биотехнологическое производство как биоиндустрия, выпускающая широкий спектр биопродуктов на основе жизнедеятельности живых объектов или различных биохимических процессов
Биотехнология— это целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и различных областей человеческой деятельности продуктов, в процессе которого используется биохимическая деятельность микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов.
К числу биологических процессов относят те, в которых применяют биологические объекты различной природы (микробной, растительной или животной). Биотехнология как наука формировалась и развивалась по мере развития человеческого общества.
|
|
|
Наиболее часто биотехнологию пугают с растениеводством или животноводством. Например, получение лекарства из корня женьшеня — не биотехнология. А вот когда из этого корня берут отдельные клетки, отделяя их с помощью ферментов от многоклеточной растительной ткани, и разводят эти отдельные, изолированные клеткина специальном питательном растворе, как дрожжи, получая биомассу изолированных клеток женьшеня, из которой путем настаивания можно получить столь же ценное лекарство, это – биотехнология.
Другой пример - производство молока. Молоко получают от коровы, овцы или другого млекопитающего животного, т. е. это работа макроорганизма.Значит, это не биотехнология. А вот получение из молока кефира, йогурта или другого кисломолочного продукта основано на биохимической деятельности молочно- кислых бактерий— это вполне легитимная биотехнология. В производстве глюкозы из крахмала есть процесс гидролиза: раствор крахмала подкисляют, нагревают до определенной температуры и выдерживают некоторое время. В результате крахмал распадается на глюкозу, получается гидролизат — грязноватый раствор глюкозы с примесями. Это — типичный химический процесс. Есть другой процесс — процесс ферментативного гидролиза крахмала. В этом случае к суспензии крахмала добавляют фермент, и под его действием также происходит расщепление крахмала до глюкозы, но в гораздо более мягких условиях и без образования нежелательных примесей, с меньшими потерями. Ферменты — это выделенные из клетки белковые вещества, компоненты клетки.Следовательно, по определению, этот процесс — биотехнология.
|
|
|
Иногда обращают внимание на другое: какое сырьеобрабатывается — химическое или биологическое. Например, очень часто производство мясных продуктов относят к биотехнологии, обосновывая это тем, что исходное сырье — туши забитых животных, сырое мясо и так далее - являются продуктами биологического происхождения. С этой точки зрения, например, приготовление котлет — это биотехнология, хотя рабочий процесс заключается в измельчении мяса и затем в его тепловой обработке, т. е. нет биохимической деятельности микроорганизмов или клеток, а значит, это не биотехнология. А вот обработка мясного фарша определенными заквасками и последующий режим созревания, используемый при приготовлении дорогих сортов колбас, — это, конечно, биотехнология.
На практике часто не делают столь строгих различий, и многие процессы переработки сырья биологического происхождения называют процессами биотехнологическями.
В дальнейшем мы увидим, что и строго биотехнологические производства, например микробиологическое получение спирта или антибиотиков, имеют в своем составе кроме биотехнологических также химико-технологические и физико-механические процессы. Поскольку сырьем для каждого из этих процессов служит полупродукт биотехнологического происхождения, эти процессы вполне законно также называют биотехнологическими — как часть многостадийной технологии производства.
Обратим внимание еще на одно важное слово в определении биотехнологии — «целенаправленно». Действительно, с точки зрения человека микроорганизмы работают в природе не всегда целенаправленно. Например, многие болезни вызываются действием микроорганизмов, и наоборот, многие микроорганизмы, населяющие человеческое тело (их масса достигает 2—3 кг), полезны. Вспомните, что после лечения антибиотиками, когда эти полезные микроорганизмы уничтожаются наряду с вредными, возникает такое заболевание, как дисбактериоз, которое приходится лечить введением в организм бактерий (например, бифидобактерий или молочно-кислых бактерий). Это не биотехнология, а медицина.
Биотехнологическое производство основано на использовании в качестве биологических объектов ферментов, клеток микроорганизмов, растительных и животных клеток и тканей
Биотехнология— это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта. Существует биогеохимическая деятельность бактерий, в результате чего происходит переработка растительности и деревьев в торф, уголь, нефть, выщелачивание металлов и многие другие глобальные процессы. Эти процессы нельзя называть биотехнологическими, потому что они нецеленаправленные. Или, например, можно заметить, как после загрязнения почвы нефтью происходит естественное (не организованное человеком, т. е. не целенаправленное) биовосстановление — через 5—10 лет под воздействием микроорганизмов почва самоочищается. А вот когда мы специально организовываем технологию очищения почвы, вводя в нее дополнительные микроорганизмы или усиливая питание естественных почвенных микроорганизмов, — это уже биотехнология, биотехнология очистки почвы от загрязнений.
Какие виды биохимической деятельности микрообъектов используют в биотехнологии, иначе говоря, какие цели преследуются при применении микроорганизмов? Перечислим их, не вдаваясь в подробности.
- Наращивание клеточной массы, которая и представляетсобой продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, многих вакцин.
- Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов— некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаяхпроизводство существует ради получения таких продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.
- Биотрансформация— процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов происходит изменение химического состава исходного химического вещества. Отличие от процесса биосинтеза состоит в том, что при этом обычно происходит изменение в химической структуре вещества, но оно не синтезируется заново из относительно более простых веществ. Кроме того, в процессе биотрансформации используют обычно уже готовый биологический агент — клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.
- Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ,которые являются нежелательными примесями (загрязнениями).
- Выщелачивание с помощью микроорганизмов,т.е. перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах. Примером является микробиологическое выщелачивание ценных металлов из руд — меди, цинка, урана и др.
- Использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газовиза счет этого создания, например, пористых материалов. Так, для этого используют дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского — также создать в среде высокую концентрацию растворенного диоксида углерода, чтобы вино или пиво хорошо пенилось.
Рассмотренные шесть основных направлений биохимической деятельности микроорганизмов являются основой для получения широкого класса продуктов биотехнологии.
По сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие основные преимущества:
- возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;
- проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях;
- микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы. Например, с помощью микроорганизмов в ферментере объемом 300 м3 за сутки можно выработать 1 т белка (365 т/год). Чтобы такое же количество белка в год выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо 30 000 голов. Если же использовать для получения такой скорости производства белка бобовые растения, например горох, то потребуется иметь поле гороха площадью 5400 га;
- в качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;
- биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;
- как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.
Контрольные задания для СРС
1. Биотехнологическое производство как место приложения научных достижений в микробиологии, биохимии, генетике, инженерной энзимологии, генной инженерии и химической технологии в современном обществе.
2. Перспективы биотехнологических производств.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 653; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!