История развития биотехнологических процессов

Выделяют 4 этапа:

- Эмпирический – самый продолжит-й, доисторич., около 10000 лет назад, из которых 2000 лет н.э. – (1-е культурные растения и домаш. живот. выращивание картофеля в пищу- 8000 до н.э; 4000 до н.э. - 1-е испол-е заквасок для теста и пивоварения с испол-м дрожжей- Египет, Месопотамия; производство сыра и вина- Китай Египет; 500 до н.э - Китай 1-й антибиотик, соев. творог для лечения ожогов; 100 н.э - Китай 1-й инсектицид, 12 век - первая дистилляция вина, 15 век получение аблосют.этанола)

- Этиологический (охватывает 2 половину 19 и 1/3 20 вв) с 1857 по таблице.

- Биотехнологический (2/3 20 века) с 1940 по таблице

- Генетехнический с 1972 по таблице

2. Вопрос. Объект и метода биотехнологии. Специфика использования биологического объекта.

Главный объект- клетка и её компоненты. По Овчинникову, «клетка»- это уникал. хим. завод, работающий с колласальной точностью и производительностью. Используют все 4 царства живой природы, а также вирусы

Биотехнология использует микроорганизмы и вирусы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным пу­тем необходимые нам вещества - витамины, ферменты, аминокис­лоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологи­чески активные соединения.

На практике применяются штаммы четырех групп микроорганизмов:

– дрожжи;

– мицелиальные грибы (плесени);

– бактерии;

– аскомицеты.

В настоящее время м/о используются, в основном, в трех видах биотехнологических процессах:

- для производства биомассы;

- для получения продуктов метаболизма (напр. этанола, ан­тибиотиков, органических кислот и др.);

- для переработки органич. и неорган. соед-ий как природного, так и антропогенного происхождения.

Главная задача первого вида процессов, которую сегодня призва­но решать биотехнологическое производство - ликвидация белково­го дефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицит аминокис­лот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.

Основным направлением второй группы биотехнологических про­цессов в настоящее время является получение продуктов микробно­го синтеза с использованием отходов различных производств, вклю­чая пищевую, нефте- и деревоперерабатывающую промышленности и т.д.

Биотехнологическая переработка различных химических соеди­нений направлена, главным образом, на обеспечение экологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человече­ства и максимальное снижение негативного антропогенного воздей­ствия на природу.

Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов - бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов и т.п., и имеют ряд ха­рактерных особенностей:

1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью мно­гостадийного производства, причем целевой продукт стадии биосин­теза часто не является товарным и подлежит дальнейшей переработ­ке.

2. При культивировании микроорганизмов обычно необходимо под­держивать асептические условия, что требует стерилизации оборудо­вания, коммуникаций, сырья и др.

3. Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетероген­ных системах, физико-химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться.

4. Технологический процесс характеризуется высокой вариабель­ностью из-за наличия в системе биологического объекта, т.е. популя­ции микроорганизмов.

5. Сложность и многофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма.

6. Сложность и в большинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составе производственных питатель­ных сред.

7. Относительно низкие концентрации целевых продуктов.

8. Способность процесса к саморегулированию.

9. Условия, оптимальные для роста микроорганизмов и для био­синтеза целевых продуктов, не всегда совпадают.

Методы биотехнологии:

- глубинное культивирование биообъектов в периодич, непрерыв, и полунепрерыв режиме; выращивание клеток растит. и живот. тканей;

- методы др.наук (микробиол., биохим., биоинжен);

- методы клеточ и ген. Инженерии (в экстремальных условиях можно создать клетки с заведомо известными свойствами, а т.ж. методы белков. и метаболич. инженерии).

3. Вопрос. Задачи современной биотехнологии, тенденции и перспективы её развития.

В качестве первоочередных задач биотехнологии определены создание и широкое народно-хозяйственное освоение:

• новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных антител и т.д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний – сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;

• микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

• ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных;

• новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

• технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

В России, исходя из этих задач, разработаны дорожные карты развития биотехнологии.

4. Вопрос. Классификация биотехнологических процессов.

Классификация (лекции)

-какой биообъект выступает главным: фито-, зоо-, микроб.;

- по общности и специфичности (биообъект): сцецифич. или специал. (фито-, зоо-, микроб-); общие- под действием многих м/о;

- по условию проведения процесса: нестерил/стерильн (биохимик); период. (спирт.завод), полунепрерыв, непрерыв, с поверхностным и глубинным культивирование (кефир,ряженка, пиво, квас хлебный); твердо-, газо-, жидкофаз-, смешанное.

- по получение целевого продукта (получение биомассы; получение первич. метаболитов, получение вторич. метаболитов)

- по типу ферментации: *с одним типом ферментации, когда из субстрата через промежуточные получают конечные продукты (получение первич. метаболитов),при этом скорость потребления субстата, нарастание биомассы, получение продукта- совпадают; *когда субстрат + питат. среда, тратится на образование продукта и образования др. веществ- строительных материалов (вторич. метаболиты) – в 1-ю фазу потребление субстрата, рост биомассы, только потом синтез целевого продукта; *синтез целевого продукта и синтез 1-х метаболитов не взаимосвязан. Продукт образуется из в-в предшественников, к-е спец. добавляют в пит. среду.