Понятие типовая биотехнологическая система биосинтеза продуктов, характеристика ее основных стадий

Основной в этой схеме является биотехнологическая стадия, главная задача которой - получение определённого органического вещества. Она включает в себя ряд следующих биологических процессов:
1. Ферментация - особый класс химических превращений вещества, состоящий из серии взаимосвязанных реакций синтеза и разложения, протекающих в органических веществах под воздействием ферментов. Ферменты, таким образом, представляют собой универсальные биологические катализаторы, имеющие сложный состав.
2. Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментов или ферментативной активности клеток микроорганизмов.
3. Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов - ферментов.
4. Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.
5. Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.
6. Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твёрдых отходах, которым придана специальная взрыхлённая структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.
7. Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закреплёнными на специальных твёрдых носителях.
8. Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворённое состояние под действием специальных микроорганизмов.
9. Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.
Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. Здесь используют следующие процессы: приготовление среды, её стерилизацию, подготовку посевного материала и биокатализатора, предварительную обработку сырья.

Разделение жидкости и биомассы в зависимости от их свойств осуществляют различными способами, отличающимися движущей силой процесса:

· отстаивание - разделение под действием сил гравитации (при очистке сточных вод);

· фильтрация - пропускание суспензии через фильтрующий материал под действием разности давлений с целью задержки биомассы на поверхности материала. С помощью микро- или ультрафильтрации получают раствор, свободный от взвешенных клеток биомассы;

· сепарация или центрифугирование - разделение под действием центробежных сил. Таким способом отделяют, например, дрожжи при получении кормовой биомассы;

· флотация - выделение биомассы из её пенной фракции;

· коагуляция - отделение твёрдых веществ от жидкости путем их осаждения в виде крупных агломератов и последующего их отстаивания.

Выделение продуктов биосинтеза, очистка и концентрирование продукта являются вспомогательными процессами для получения продукта в готовой форме. Некоторые отличия имеются только на стадии выделения продуктов биосинтеза для внутри- и внеклеточных продуктов. Так, для внутриклеточных продуктов необходимо разрушить клеточную оболочку одним из методов- дезинтеграцией клеток, гидролизом, ферментолизом, автолизом и т. д.
1. Дезинтеграция клеток осуществляется физическими (ультразвук замораживание, декомпрессия и т. п.), химическими и биотехнологическими методами.
2. Гидролиз - разрушение клеточных оболочек под действием химических реагентов и температуры.
3. Ферментолиз - разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре.
4. Автолиз - разновидность ферментолиза, когда используются собственные ферментные клетки.
5. Экстракция - переход целевого продукта из водной фазы в несмешивающуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Экстракция прямо из твердой фазы, в том числе и биомассы организмов, называется экстрагированием.
6.Осаждение - выделение целевого продукта путём добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворённым продуктом и переводящего его в твердую фазу.
7. Адсорбция - перевод растворенного в жидкости продукта в твёрдую фазу путём его поглощения твёрдым носителем - сорбентом.
8. Ионный обмен сходен с адсорбцией, но в этом случае в твёрдую фазу переходят ионы (катионы или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси.
9. Отгонка, ректификация используются для выделения растворённых в культуральной жидкости легкокипящих продуктов, например, этилового спирта.
10. Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полипептидов, полинук-леотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделить даже небольшие по размеру молекулы.
Очистка продукта осуществляется с использованием разнообразных процессов, в числе которых экстракция, хроматография, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос. На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизацию, ультра-, гипер- или нанофильтрацию, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.

1. Хроматография используется для разделения смесей веществ, часто очень близких по строению. Процесс проводят в специальных хроматографических колонках, заполненных твердым сорбентом. Все вещества сначала адсорбируются на этом сорбенте. Десорбция же разных по молекулярной массе соединений проходит с разной скоростью, что позволяет разделять и очищать их друг от друга, используя подходящий растворитель.

2. Диализ используется для разделения смесей низко- и высокомолекулярных соединений. Процесс основан на способности низкомолекулярных веществ проходить через мембрану, являющуюся непроницаемой для высокомолекулярных соединений. Таким путём осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.

3. Кристаллизация - процесс, основанный на различной растворимости веществ при разных температурах. Как правило, в ходе этого процесса выделяют твердые целевые продукты, а примеси остаются в маточном растворе. Так, например, получают кристаллы пенициллина.

7. Продуценты биотехнологических процессов: прокариоты, эукариоты, ферментные препараты, культуры клеток и тканей растений и животных.

В настоящее время в биотехнологии в качестве продуцентов используются одноклеточные и многоклеточные организмы, построенные из клеток одного типа (бактерии, грибы, водоросли), а также клетки и ткани высших растений и животных. Объектами биотехнологии являются ферменты, нуклеиновые кислоты, простагландины, лектины, нейропептиды и различные БАВ (биологически активные вещества). В промышленной биотехнологии применяют 3 вида штаммов:

1) природные штаммы, улучшенные естественным и искусственным отбором (при производстве микробной биомассы);

2) штаммы, полученные в результате индуцированного мутагенеза;

3) генно-инженерные штаммы (обладают самой высокой генетической нестабильностью).

Промышленные штаммы должны удовлетворять следующим требованиям: 1. Безвредность для потребителя и обслуживающего персонала.

2. Высокая скорость роста биомассы и целевого продукта (БАВ) при экономичном потреблении питательной среды.

3. Направленная биосинтетическая активность при минимальном образовании побочных продуктов.

4. Генетические однородность и стабильность в отношении к субстратам и условиям культивирования.

5. Отсутствие токсических веществ в целевом продукте и промышленных стоках.

6. Устойчивость к фагам и другой посторонней микрофлоре.

7. Способность расти на дешевых и доступных субстратах, отходах пищевой и химической промышленности при высокой плотности клеток.

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 (анабена-азолла) и высшие – рясковые.

8. Использование продуцентов прокариот для получения микробных биомасс: вакцин, пробиотиков и пищевых продуктов.

В природе существует огромное число микроорганизмов. Все они способны синтезировать продукты или осуществлять реакции, которые могут быть полезны для биотехнологии. Однако практическое применение нашли не более 100 видов микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи, вирусы, водоросли), так как остальные мало изучены. Дрожжи широко используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток. Из 500 известных видов дрожжей используется только несколько видов. Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlsbergencis, Saccharomyces uwarum. Среди бактерий чаще всего применяют в биотехнологии представителей следующих родов: Acetobacter, которые превращают этанол в уксусную кислоту и уксусную кислоту в углекислый газ и воду; Bacillus. для получения ферментов (В. subtilis), средств защиты растений (В. thuringiensis); Clostridium. для сбраживания Сахаров в ацетон, этанол, бутанол; молочнокислые бактерии (Lactobacillus, Leuconostoc, Streptococcus); псевдомонады. например P. denitrificans. для получения витамина В|2, Corynebacterium glutamatum. Для получения аминокислот и др. Для получения разнообразных антибиотиков в биотехнологии применяют актиномицеты (род Streptomyces), грибы Penicillium chrysogenum, Cephalosporium acremonium и др. Многие микроорганизмы. бактерии, дрожжи, вирусы. используют в качестве реципиентов чужеродного генетического материала с целью получения рекомбинантных штаммов. продуцентов биотехнологической продукции. Получены рекомбинантные штаммы Е. coli, продуцирующие интерфероны, инсулин, гормон роста, антигены вируса СПИДа; штаммы В. subtilis, вырабатывающие интерферон; штаммы дрожжей, продуцирующих интерлейкин-2, антиген вируса гепатита В; рекомбинантные вирусы осповакцины, синтезирующие антигены гепатита В, вируса бешенства, клещевого энцефалита и др. Для получения вакцин и диагностических препаратов используют также патогенные микроорганизмы (брюшного тифа, коклюша, дифтерии, столбняка и др.).

9. Понятие культуры микроорганизмов: накопительные, чистые культуры. Элективные методы получения культур продуцентов в биотехнологии. Чистые культуры микроорганизмов: методы получения штаммов, клонов, слайд культуры.

Выращивание микроорганизмов на питательных средах называется культивированием, а развившиеся в таких средах микроорганизмы – культурой.

Чистой культурой микроорганизма называют культуру, которая представлена потомством одной клетки.

Естественным путем получить чистую культуру почти невозможно, поэтому ее получают искусственно. Для выделения чистой культуры используют плотные питательные среды, на которых каждая клетка вырастает в виде изолированной колонии – популяции микроорганизмов одного вида.
Перед выделением чистой культуры из какого-либо пищевого продукта или природного субстрата (например: почвы, воды), в котором данный микроорганизм находится в небольших количествах, вначале получают накопительные культуры, проводя культивирование в элективных условиях.
Накопительные культуры состоят преимущественно из клеток микроорганизмов одного вида. Элективные (накопительные) условия – условия, способствующие развитию одной культуры и ограничивающие развитие сопутствующих микроорганизмов. Создать накопительные условия можно путем использования накопительных сред. Примером элективных условий может быть повышенная температура (для выделения термоустойчивых форм бактерий), повышенная кислотность, повышенная концентрация соли и т.д.
Инкубация – культивирование микроорганизмов при определенной температуре.

ШТАММ – объединяет микроорганизмы одного и того же вида, но выделенные из различных источников или даже из одного и того же источника, но в разное время. Штаммы одного вида могут быть абсолютно идентичными или различаться по отдельным признакам, нпр., по способности ферментировать к.-л. сахар, по устойчивости к к.-л. антибиотику и т.д.

КЛОН – это культура микроорганизмов, полученная из единичной клетки, которая размножилась и дала начало целой популяции.

ЧИСТАЯ КУЛЬТУРА – популяция микробов. состоящая из особей одного вида.