Биотехнология как межотраслевая область научнотехнического прогресса и раздел практических знаний, этапы ее развития
 Скачать 334.5 Kb.
|
|
Часть ПС – вода. В ней растворяются питательные вещества - истинные растворы (хорошо растворимые вещества) или коллоидные растворы (белки, липиды). Некоторые компоненты ПС могут быть в твердом агрегатном состоянии (равномерно распределяются по объему или выпадают в осадок). ПС могут иметь неопределенный состав и включать биогенные добавки (растительные, животные, :мясной субстрат, кукуруз и рыбная мука, отходы спиртовой и сахарной промышленности) – полноценные питательные среды. Синтетические ПС – те среды, состав которых четко известен (качественный и количественный) Обычно дороже, чем полноценные. Используются чистые хим соединения. Подбор сред определяется физиолого-биохимическими особенностями продуцента. Источник углерода и энергии (органич компанент) подбирается эмпирически. Чаще всего используется природное сырье. Оно должно быть: Дешевым Доступным Не содержать токсических соединений, способных накапливаться Для выращивания микроорганизмов часто используется: Меласса (побочный продукт производства сахара) Компоненты нефти (делается предварительная очистка или очистка уже полученного продукта) Древесная целлюлоза Кукурузная и др. солома Плюсы: то что это возобновляемое сырье и совместимо с окружающей средой и не является загрязнителем. 17. Классификация питательных сред и требования к их составу. Предложено несколько классификаций питательных сред микробиологического назначения, хотя не все питательные среды используются в биотехнологии. Тем не менее, целесообразно иметь полное представление о видах питательных сред. По составу питательные среды для культивирования микроорганизмов делятся на две группы: неопределенного химического состава с различными биогенными добавками (растительными, животными или микробными – мясным экстрактом, кукурузной мукой, морскими водорослями и т.п.); синтетические (из чистых химических соединений определенного состава); выделяют и полусинтетические среды, к которым относят среды, содержащие компоненты известного состава ‒ углеводы, нитраты, фосфаты и др. и в незначительных количествах соединения неопределенного состава ‒ гидролизат казеина, дрожжевой автолизат, кукурузный экстракт, добавляемые в качестве факторов роста. По происхождению: естественные (молоко, желатин, картофель и др.); искусственные (из специально подготовленных природных компонентов: пептона, аминопептида, дрожжевого экстракта и т.п.) – эти питательные среды, в свою очередь, можно разделить на: простые – мясопептонный агар, мясопептонный бульон, агар Хоттингера и др.; сложные – среды с добавлением дополнительного питательного компонента: сахарный бульон, желчный бульон, сывороточный агар, кровяной агар и др. синтетические – среды известного состава, из химически чистых соединений (солей, аминокислот, углеводов и т.д.). Для практических исследований широко используют среды, которые состоят из продуктов животного или растительного происхождения и имеют неопределенный химический состав. К таким средам относятся овощные или фруктовые соки, животные ткани, кровь, молоко, яйца, желчь, сыворотка крови, а также отвары и экстракты, полученные из различных природных субстратов ‒ мяса, различных частей растений, почвы. На подобных средах хорошо развиваются многие микроорганизмы, т.к. в таких средах имеются, как правило, все компоненты, необходимые для их роста и развития. Однако эти среды имеют сложный непостоянный химический состав и малопригодны для изучения физиологии, метаболических особенностей микроорганизмов, т.к. в значительной степени не позволяют учесть потребление компонентов среды и образование продуктов обмена по ходу развития. Эти среды используются, главным образом, для поддержания культур микроорганизмов, накопления их биомассы и диагностических целей. Примерами таких сред неопределенного состава, которые широко применяются в лабораторной практике, служат мясо-пептонный бульон и мясо-пептонный агар, картофельные среды и др. Питательные среды являются синтетическими, если содержат только химически чистые соединения в точно указанных концентрациях, т.е. состав их полностью известен. Достоинством таких сред являются стандартность и воспроизводимость с высокой степенью точности. Эти среды наиболее удобны для исследования обмена веществ микроорганизмов. Для разработки синтетических сред необходимо знать потребности микроорганизмов в источниках питания и основные особенности их обмена веществ. Существует большое количество синтетических сред, не уступающих по своим качествам натуральным средам неопределенного состава. Однако только для немногих патогенных бактерий имеются синтетические среды. Их применяют, главным образом, для экспериментального изучения метаболизма микроорганизмов, реже для аналитических целей, диагностики и хранения культур. По назначению различают питательные среды общего назначения (универсальные) и специальные питательные среды. Питательные среды общего назначения пригодны для выращивания многих видов микроорганизмов и могут применяться в качестве основы для приготовления специальных питательных сред. К ним относятся, например, мясо-пептонный бульон, мясо-пептонный агар, бульон Хоттингера, агар Хоттингера, сусло жидкое, сусло-агар и др. Специальные питательные среды предназначены для избирательного культивирования определенных видов микроорганизмов, изучения их свойств и хранения. Это специально приготовленные среды для получения тех бактерий, которые растут очень плохо или не растут на универсальных средах (кровяной агар, среда Левенштейна – Иенсена). К специальным питательным средам относят также элективные (избирательные), дифференциально-диагностические (индикаторные), консервирующие. Элективные среды применяются, главным образом, для выделения микроорганизмов из мест их естественного обитания или для получения накопительных культур. Эти среды обеспечивают преимущественное развитие одного вида или группы микроорганизмов. Избирательность питательной среды для определенных видов микроорганизмов достигается путем создания оптимальных для них условий (рН, Eh, концентрация солей, состав питательных веществ), т.е. положительной селекцией, или путем добавления в среду веществ, угнетающих другие микроорганизмы (желчь, азид натрия, теллурит калия, антибиотики и др.), т.е. отрицательной селекцией. Сопутствующие микроорганизмы или совсем не растут на таких средах, или развитие их в значительной степени задерживается. Дифференциально-диагностические – позволяющие отличать одни виды бактерий от других по их энзиматической активности или культуральным проявлениям (среды Эндо, Плоскирева, Гисса). Состав этих сред подбирают с таким расчетом, чтобы четко выявить наиболее характерные свойства определенного вида. Диффенцирующие свойства питательной среды создаются внесением субстрата, к которому определяется отношение микроорганизма (например, сахаров, аминокислот и др.), соответствующих индикаторов (например, рНиндикаторов – бромтимолблау, фуксин и др.; Eh-индикаторов). Дифференциально-селективные – сочетающие в себе свойства дифференциальных и селективных сред. Используются для ускорения обнаружения и идентификации бактерий. Консервирующие (транспортные) среды используются широко в клинической практике для сохранения жизнеспособности микроорганизмов в период от момента взятия биоматериала до посева. Основная цель их использования – сохранить жизнеспособность возбудителя и предотвратить размножение сопутствующей микрофлоры в период транспортировки образцов. По консистенции питательные среды бывают жидкие, полужидкие, плотные, сыпучие и сухие. Жидкие среды чаще применяют для изучения физиолого-биохимических особенностей микроорганизмов, для накопления биомассы или продуктов обмена, а также поддержания и хранения многих микроорганизмов, плохо развивающихся на плотных средах. Полужидкие среды обычно используют для хранения культур, реже – для накопления биомассы (например, анаэробов). Плотные среды используют для выделения чистых культур микроорганизмов, изучения морфологии колоний, диагностических целей, для хранения культур, количественного учета микроорганизмов, определения их антагонистических свойств и в ряде других случаев. Сыпучие среды обычно используют для хранения посевного материала, культур-продуцентов в микробиологической и биотехнологической промышленности. К ним относятся, например, разваренное пшено, отруби, кварцевый песок, пропитанные питательным раствором. Сухие питательные среды представляют собой порошки или гранулы с влажностью, не превышающей 10 % и легко растворимые в воде. Они выпускаются по соответствующим технологиям на производствах в различных масштабах, удобны для хранения, транспортировки и приготовления готовых к употреблению сред. 18. Природные сырьевые материалы растительного происхождения. Источником природного сырья являются сельское хозяйство и отрасли лесоводства. Получаемые в этих отраслях материалы представляют собой соединения различной химической сложности и включают сахара, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Из первичных сырьевых материалов в процессе производства тех или иных продуктов традиционными методами получается огромное число разнообразных побочных продуктов, которые в силу достаточно высокой питательной ценности могут использоваться в биотехнологических процессах. Наиболее подходящим субстратом является сырье, используемое в производстве сахара - сахарная свекла и сахарный тростник. Уже сейчас сахарный тростник используется в качестве субстрата для бразильской "топливной" программы (производство этанола как горючего для двигателей внутреннего сгорания). Крахмалосодержащие сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие, как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель и маниока. Некоторым недостатком крахмала является то, что до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем ферментативного переваривания или гидролиза. Целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода. Необходимым условием подготовки данного материала к использованию в качестве биотехнологического сырья является ее гидролиз до простых водорастворимых сахаров (глюкозы, целлобиозы). Как ни странно, но это до сих пор представляет довольно трудную задачу. Наибольшие сложности встречаются при попытках утилизации древесины, в которой целлюлоза находится в комплексе с гемицеллюлозой и лигнином. Лигноцеллюлозные комплексы характеризуются очень высокой степенью устойчивости к природным силам биодеградации. Именно это свойство и обусловливает долговечность деревьев и, естественно, построек из дерева, поскольку деревья состоят главным образом из лигноцеллюлозы. Чистая целлюлоза может быть довольно легко разрушена путем химического или ферментативного гидролиза до растворимых сахаров, которые затем легко подвергаются ферментации (сбраживанию) микроорганизмами с образованием этанола, бутанола, ацетона, одноклеточного белка (SCP), метана и многих других продуктов. Сам по себе лигнин также крайне устойчив к деградационным воздействиям как химического, так и биологического характера, вследствие чего представляет серьезную проблему как загрязнитель внешней среды при производстве бумаги. Причем проблема эта в настоящий момент далека от разрешения. Причина основная сводится к сложности пространственной организации молекул этого вещества -гемицеллюлозы, основным компонентом которой является второй по распространенности растительный биополимер ксилан, состоящий из остатков ксилозы, а также небольших количеств арабинозы и глюкуроновой кислоты. Он является не только отходом при гидролизе растительного сырья, но и сам по себе может служить биотехнологическим сырьем. Химический гидролиз ксилана приводит к накоплению токсичных для микроорганизмов соединений, поэтому в последнее время разрабатываются методы ферментативного гидролиза ксилана. 19. Отходы различных производств, как сырье для биотехнологических процессов. Гл. задача биотехнологии - максимальное использование огромных объемов органических отходов, обр-ся в мировом производстве. Биотехнологическая утилизация этих отходов обеспечит: 1)удаление источников загрязнения (например, сточных вод), 2)превращение этих отходов в полезные целевые продукты. Каждый загрязняющий материал должен быть оценен относительно его пригодности для биотехнологических процессов. когда продукт отхода имеется в больших количествах и образуется в течение длительного периода (т. е. при масштабном производстве), он может рассматриваться в качестве подходящегосырья для утилизации. Двумя широко распространенными видами отходов, в качестве сырья для ферментации, являются меласса(черная патока) и молочная сыворотка. Меласса -побочный продукт, появляющийся при производстве сахара, и содержит до 50 % сахаров. Меласса широко используется как питательный субстрат для ферментационных процессов в производстве антибиотиков, органических кислот и коммерческих дрожжей для хлебопечения; в чистом виде в качестве добавки в корма животным Сыворотка, получаемая при производстве сыра, также может быть использована в качестве питательного субстрата для ферментации. Более сложные продукты отхода, такие, как солома и жом (отход сахарного производства), Наибольшую часть продуктов отхода составляют отбросы животноводства (испражнения, моча), затем с/х отходы, отходы пищ. промышленности и отбросы домашнего хозяйства. Утилизация многих компонентов отходов, в частности животного происхождения, не представляет серьезной проблемы при традиционном ведении сельского хозяйства. 20. Химические и нефтехимические субстраты, применяемые в качестве сырья для биотехнологии. В качестве источников вещества и энергии микроорганизмы используют самые разнообразные субстраты - нормальные парафины и дистилляты нефти, природный газ, спирты, растительные гидролизаты и отходы промышленных предприятий. Для выращивания микроорганизмов с целью получения белка хорошо бы иметь богатый углеродом, но дешевый субстрат. Этому требованию вполне отвечают нормальные (неразветвленные) парафины нефти. Выход биомассы может достигать при их использовании до 100% от массы субстрата. Качество продукта зависит от степени чистоты парафинов. При использовании парафинов достаточной степени очистки, полученная дрожжевая масса может успешно применяться в качестве дополнительного источника белка в рационах животных. Первый в мире крупный завод кормовых дрожжей мощностью 70 000 т. в год. был пущен в 1973 г. в СССР. В качестве сырья на нем использовали выделенные из нефти н-алканы и несколько видов дрожжей, способных к быстрому росту на углеводородах: Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica. В дальнейшем именно отходы от переработки нефти служили главным сырьем для производства дрожжевого белка, которое быстро росло и к середине 80-х гг. превысило 1 млн. т. в год, причем в СССР кормового белка получали вдвое больше, чем во всех остальных странах мира, вместе взятых. Однако в последующем масштабы производства дрожжевого белка на углеводородах нефти резко сократились. Это произошло как в результате экономического кризиса 90-х гг., так и из-за целого ряда специфических проблем, с которыми связано это производство. Одна из них - необходимость очистки готового кормового продукта от остатков нефти, имеющих канцерогенные свойства. налажено крупнотоннажное производство кормовых дрожжей на n-парафинах. Действует несколько заводов мощностью от 70 до 240 тыс. тонн в год. Сырьем служат жидкие очищенные парафины. Химические и нефтехимические субстраты играют важную роль для производства одноклеточного белка (SCP) и других органических продуктов. Преимущество: большие количества и практически одинакового качества в различных странах мира. Например, природный газ или нефтяной газ, метанол и этанол. 21. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с химическими технологиями. Преимущества производства органических продуктов биотехнологическими способами перед чисто химическими методами достаточно многогранны: многие сложные органические молекулы, такие, как белки и антибиотики, не могут практически быть синтезированы химическими способами; биоконверсия обеспечивает значительно больший выход целевого продукта; биологические системы функционируют при более низких температурах, менее высоких значениях рН (близких к нейтральному) и т. п.; каталитические биологические реакции намного специфичнее, чем реакции химического катализа; биологические процессы обеспечивают почти исключительно продукцию чистых изомеров одного типа, а не их смесей, как это часто бывает в реакциях химического синтеза. 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 ферментаторе 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. Но вместе с тем биологические способы в сравнении с химическими методами обладают рядом явных недостатков: Биологические системы могут легко быть загрязнены посторонней нежелательной микрофлорой. Целевой продукт, синтезируемый биологическим способом, присутствует в довольно сложной смеси, что обусловливает необходимость разделения его от примеси ненужных веществ. Биотехнологические производства требуют больших количеств воды, которую в итоге необходимо удалять, сбрасывая в окружающую среду. Биопроцессы обычно идут медленнее в сравнении со стандартными химическими процессами. Для каждого биотехнологического процесса должна быть разработана подходящая схема, а сам процесс должен постоянно наблюдаться и тщательно контролироваться. Для большинства практических биотехнологических процессов такими системами являются ферменторы или биореакторы, которые обеспечивают необходимые физические условия, способствующие наилучшему взаимодействию катализатора со средой и поставляемым материалом. Биореакторы варьируют от простых сосудов до весьма сложных систем с различным уровнем компьютерного оснащения. |