Практическая работа. Пр.р. биотехнологии. Майорова М. М
 Скачать 24.8 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» Институт химии и энергетики (наименование института полностью) Кафедра /департамент /центр1 «Химическая технология и ресурсосбережение» ____________________________________________________________________ (наименование кафедры/департамента/центра полностью) 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии (код и наименование направления подготовки, специальности) «Рациональное природопользование, рециклинг и утилизация отходов» (направленность (профиль) / специализация) Практическое задание №___ по учебному курс «Биотехнологии» (наименование учебного курса) Вариант _12___ (при наличии)
Тольятти 2021 Несмотря на разнообразие микроорганизмов-продуцентов, а также синтезируемых ими метаболитов можно выделить общие для любого биотехнологического производства стадии: подготовки сырья и биологически действующего начала (предферментационная стадия); ферментации (на ней происходит синтез целевого продукта, эта стадия определяет предферментационные процедуры и следующие за ней стадии); выделения целевого продукта из культуры продуцента и его очистки; приготовления товарных форм продукта. Начальные стадии в инженерной энзимологии состоят из приготовления субстрата с заданными свойствами (рН, концентрация и температура) и подготовки ферментного препарата. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента — главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами. 1. Получение посевного материала: Посевный материал, или инокулят, называют чистую культуру микроорганизма, которую получают путем ее последовательного пересева из пробирки в колбу, а затем в аппараты увеличивающегося объема до количества, необходимого для промышленного производства. Сначала чистую культуру размножают в лаборатории, затем в цехе чистых культур и инокуляции, далее направляют на культивирование. Приготовление посевного материала состоит из следующих стадий: -Получение культуры микроорганизма в микробиологической лаборатории завода; -Выращивание микроорганизмов в малом посевном аппарате; -Выращивание микроорганизмов в большом посевном аппарате; -Накопление культуры микроорганизмов в малом ферментере Передачу чистых культур из одного аппарата в другой осуществляют в конце логарифмической фазы роста. Качество полученного посевного материала контролируют путем микроскопирования. 2. Приготовление питательной среды: Питательная среда представляет собой стерилизацию и смешивание компонентов. Углерод представляет собой основу для культивирования микроорганизмов. Так же клетки микроорганизмов нуждаются кроме углерода нуждаются в источниках азота, фосфора, микро- и макро-элементах. Питательные вещества смешиваются в реакторах с мешалкой. Нерастворимые компоненты проводят суспензию. Далее происходит завершающий этап – стерилизация. Наиболее важно на этом этапе является сохранение питательных свойств среды, т.к. углеводы остаются термически нестабильны. 3. Ферментация Ферметация – эта та стадия, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. Для культивирования микроорганизмов в промышленных масштабах применяют ферментеры (ферментаторы) — реакционные емкости, в которых при определенных условиях находятся микроорганизмы. Основное назначение ферментатора — своевременно обеспечить микробные клетки необходимыми питательными веществами и кислородом (при необходимости) и отвести продукты обмена веществ, создать однородный состав среды при условии слабого потока культуральной жидкости (при непрерывном культивировании). Для поддержания кислородного режима ферментатор снабжается устройством подвода воздуха, для лучшего перемешивания среды — мешалками различной конструкции. Для поддержания температуры среды предусмотрены системы охлаждения. 4. Выделение целевого продукта Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих помимо целевого большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции. Стадия выделения продукта существенно зависит от того, накапливается продукт в клетках или он выделяется в культуральную жидкость, или же продуктом является сама клеточная масса. Разделение биомассы и культуральной жидкости — сепарация — осуществляется несколькими методами. Если целевым продуктом является биомасса клеток, применяют следующие методы выделения: отстаивание, фильтрация, флотирование, сепарирование и т. д. (механические способы); выпаривание и сушка (физические способы). 5. Приготовление товарных форм продуктов Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки. Контрольные вопросы 1. Биотехнологии – это наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то организмы, животные или растительные клетки. По сути это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов. 2. Взаимосвязь заключается в том что может вести широкомасштабный синтез различных веществ, поэтому и имеет постоянную конкуренцию с другими технологиями. 3. Существуют 5 основных направлений развития биотехнологии: 1. Пищевая: - создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов. - применение пищевых добавок - использование белка, синтезируемого одноклеточными микроорганизмами - применение микроорганизмов в бродильных производствах 2. Сельское хозяйство: - получение новых штаммов микроорганизмов- продуцентов биомассы, используемой в качестве белковых и белково-витаминными концентратами - новые методы селекции растений и животных, получение генетически модифицированного сырья, клонирование. - использование антибиотиков для профилактики и лечения заболеваний сельскохозяйственных животных и птиц. - применение гормонов и других стимуляторов роста 3. Медицина: - синтез новых антибиотиков - использование микроорганизмов и ферментов при создании сложных лекарств 4. Производство химических веществ и соединений: - производство органических кислот; - получение витаминов, антибиотиков и других веществ; - использование ферментов в составе отбеливателей и моющих средств 5. Энергетика: - увеличение потребления биогаза- продукта жизнедеятельности микроорганизмов; - крупномасштабное производство этанола как жидкого топлива 4. Существуют 5 основных стадий биотехнологического производства: 1. Получение посевного материала 2. Приготовление питательной среды 3. Ферментация 4. Выделение целевого продукта 5. Приготовление товарных форм продукта 5. Посевной материал – это семена, используемые для посева, которые должны соответствовать нормативным требованиям. 6. Штаммы микроорганизмов для производства биологических препаратов поступают в ампулах, где они законсервированы в виде чистых культур. Каждая культура имеет паспорт с описанием питательных сред, морфологических, физиологических и других характеристик, условий для их поддержания, выращивания и срока хранения. Через определённое время, специфическое для каждого вида микроорганизмов и вида хранения, культуру пересеивают. Перед началом технологического процесса культуру размножают в стерильных условиях при оптимальном составе питательной среды и режиме выращивания, длительность стадии выращивания — 24 ч. 7. В состав питательной среды питательной среды входят такие компоненты, как вода, соединения углерода, азота, фосфора и других минеральных веществ, витамины. 8. Ферментация – это это процесс, в результате которого происходит брожение за счет воздействия собственных ферментов продукта. 9. Разделение биомассы и культуральной жидкости - сепарация - осуществляется несколькими методами (флотация, фильтрация, центрифугирование). Если целевой продукт содержится в самих клетках, то проводят разрушение клеток - дезинтеграцию - физическими, химическими и химико-ферментативными способами. 10. Под дезинтеграцией (деструкцией) клеток понимают процесс необратимого нарушения анатомической целостности клеток. С практической точки зрения необходимым и достаточным является разрыв клеточной оболочки, который может быть вызван различными повреждающими факторами - физическими, механическими, химическими, энзиматическими, биологическими. В природных условиях дезинтеграция клеток и клеточных систем вызывается внутриклеточными (внутренними) и внешними причинами. К внутренним причинам можно отнести факторы генетической природы. К различным внешним воздействиям можно отнести физические, физико-химические, химические и биологические факторы. Причем любой из этих факторов при достаточной интенсивности и продолжительности может стать дезинтегрирующим. В настоящее время можно определить три направления практического применения методов искусственной дезинтеграции клеточных систем: 1. Дезинтеграция биомассы (животной, растительной, микробной) для производства продуктов пищевого, кормового и технического назначения. 2. Дезинтеграция как способ стерилизации и инактивации живых систем. 3. Дезинтеграция как инструмент для направленного разрушения клеток и клеточных систем в научной деятельности. 11. Концентрирование – операция (процесс),в результате которой повышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонента. К концентрированию микрокомпонентов при их определении прибегают, прежде всего, в тех случаях, когда чувствительность методов прямого определения этих компонентов недостаточна. Главное достоинство концентрирования – снижение относительных, а иногда и абсолютных пределов обнаружения микрокомпонентов благодаря устранению или резкому уменьшению влияния макрокомпонентов на результаты определения. Концентрирование также необходимо, если компонент распределен в анализируемом образце негомогенно, оно позволяет работать с представительными пробами. Кроме того, концентрирование дает возможность обойтись без большого числа образцов сравнения, в том числе стандартных образцов, поскольку в результате концентрирования можно получать концентраты на единой основе, например на угольном порошке в случае атомно-эмиссионного анализа. В процессе концентрирования удобно также вводить так называемые внутренние стандарты, если они нужны. Однако концентрированию свойственны и недостатки: оно удлиняет и усложняет анализ, в ряде случаев возрастают потери и загрязнения, иногда уменьшается число определяемых компонентов. Различают абсолютное и относительное концентрирование. При абсолютном концентрировании микрокомпоненты переводят из большой массы образца в малую массу концентрата; при этом концентрация микрокомпонентов повышается. Примером абсолютного концентрирования может служить упаривание матрицы при анализе вод, растворов минеральных кислот, органических растворителей. Скажем, при упаривании 20 мл раствора свинца до 1 мл мы увеличиваем отношение массы определяемого компонента к общей массе пробы в 20 раз (при условии, что определяемый компонент полностью остался в растворе). Другими словами, мы сконцентрировали в 20 раз. В результате проведения относительного концентрирования происходит замена матрицы, по тем или иным причинам затрудняющей анализ, на иную органическую или неорганическую матрицу и возрастает соотношение между микро- и главными мешающими макрокомпонентами. В этом случае отношение масс исходной и конечной проб большого значения не имеет. Допустим, что в тех же 20 мл раствора свинца содержался еще и цинк, причем его было в 100 раз больше, чем свинца. Мы провели концентрирование свинца, например экстракцией, при этом количество цинка сократили в 20 раз, теперь его лишь в 5 раз больше, чем свинца. Мы можем получить концентрат того же объема в 20 мл, при этом концентрация свинца не изменилась, но зато изменилась концентрация цинка, причем те количества цинка, что остались в растворе, уже не будут мешать последующему определению свинца. На практике абсолютное и относительное концентрирование часто комбинируют; заменяют матричные элементы на иную органическую или неорганическую матрицу и «сжимают» концентрат микроэлементов до необходимой массы дополнительным воздействием, например простым упариванием. Практика химического анализа требует как индивидуального, так и группового концентрирования. Индивидуальное концентрирование – это операция, в результате которой из анализируемого объекта выделяют один микрокомпонент или последовательно несколько микрокомпонентов, тогда как при групповом концентрировании за один прием выделяют сразу несколько микрокомпонентов. Оба способа используют на практике. Выбор способа зависит от природы анализируемого объекта и используемого метода концентрирования. Групповое концентрирование обычно сочетают с последующим определением методами хроматографии, хромато-масс-спектрометрии, инверсионной вольтамперометрии, а индивидуальное – с такими одноэлементными методами анализа, как спектрофотометрия, атомно-абсорбционная спектрометрия, флуориметрия. Концентрирование можно осуществить двумя способами: удалением матрицы и выделением микроэлементов. Выбор способа зависит от характера анализируемого объекта. Если матрица простая (один два элемента) легче удалять именно матрицу. Если же основа многоэлементная (сложные минералы и сплавы, почвы), выделят микроэлементы. Выбор зависит и от используемого метода концентрирования. Например, соосаждение используют только для выделения микроэлементов, а выпаривание применяют для отделения матрицы сравнительно простых объектов: природных вод, кислот и органических растворителей. 1 Оставить нужное |