Презентации _раздел_2_Биотехнология целевых продуктов. Промышленный биосинтез белковых веществ. Субстраты I, ii и iii поколения. Технологии получения белкововитаминных концентратов
 Скачать 7.4 Mb.
|
|
амил - ориз - ин x Bacillus subtilis амил-о - субтил - ин x способ культивирования: •Г – глубинный , П – поверхностный и степень чистоты •2х – жидкий неочищенный концентрат исходной культуры; •3х – сухой ферментный препарат, полученный высушиванием распылением неочищенного раствора фермента (экстракта из поверхностной культуры или культуральной жидкости) •10х – сухие препараты, полученные осаждением ферментов органическими растворителями или методом высаливания; •15х, 18х, 20х – препараты, частично освобожденные не только от балластных веществ, но и от сопутствующих ферментов; выше 20х – высокоочищенные и даже гомогенные ферментные препараты. БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ Техническая биотехнология. Биоэнергетика наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА БИОМЕТАНОГЕНЕЗ 1 м 3 биогаза в быту ДВС ТЭЦ ассоциация облигатных и факультативных анаэробных организмов (Enterobacteriaceae, Lactobacil aceae, Sterptococcaceae, Clostridium, Butyrivibrio). метанообразующие бактерии (Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium) метановое «брожение» – это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту, которая восстанавливается до метана БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ Техническая биотехнология. Биоэнергетика наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА БИОМЕТАНОГЕНЕЗ Метаногены строгие анаэробы Мезофильные (30-40 °С) Термофильные (50-60 °С) Психрофильные (20 °С) гетеро- и автотрофы МЕТАНТЕНКИ v >2-3 раза реакторы для ферм ( до 500 м 3 ), реакторы для переработки стоков (спиртовой, сахарной промышленности) (500-10 000 м 3 ), реакторы для переработки ТКО (1 ..20 10 6 м 3 ). БИОМЕТАНОГЕНЕЗ БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Техническая биотехнология. Биоэнергетика наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ Высокая стоимость ПР; Токсичность продуктов Ox; Опасность ГВ производства БИОДИЗЕЛЬ •метанол / этанол/ ацетон • газохол (спирт+бензин) природно-растительный материал •крахмалсодержащие (зерно, картофель), •сахаросодержащие материалы (меласса, отходы деревообработки), •биомасса растений и водорослей. подготовка сырья брожение отгонка и очистка спирта денатурация, переработка кубовых остатков ПРОДУЦЕНТЫ: Дрожжи Saccharomyces cerevisiae Бактерии Zymomonas mobilis, Z. anaerobica, Sarcina ventriculi) Клостридии Clostridium thermocellum ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ↑ затраты ↑ расход S Y S = 0,48 Выход (C 2 H 5 OH) 1-2 г/дм 3 ч Длительная ферментация НЕПРЕРЫВНЫЙ Выход (C 2 H 5 OH) 10 г/дм 3 ч [C 2 H 5 OH]→12 % БИОМЕТАНОГЕНЕЗ БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Техническая биотехнология. Биоэнергетика наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА Aппapатурно-технологическая схема получения этанола из мелассы СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ 1 – дозаторы ПС, 2..4 - аппараты ЧК, 5 - стерилизатор, 6 - дрожже-генератор, 7 - насос, 8..9 -- бродильные аппараты [СВ] 8-12% rO 2 3-4 м3/(м 3 -ч) t = 28-30 °С рН = 4,2-4,5 [этанол] 2,8-3,5 % об., [дрожжи] - 2,5- 6,5 % СВ [СВ] 32-36% [СВ] 7,5-8,5% [СВ] 8,0-9,0% [СВ] 9,0-9,5% [СВ] 5,0-6,5% СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ БИОМЕТАНОГЕНЕЗ Техническая биотехнология. Биоэнергетика наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Анод Катод 2 Н 2 → 4Н + + 4 е - О 2 + 4 Н + + 4e - → 2 Н 2 О КПД → 80 % ПОДХОДЫ к созданию биотопливных элементов превращение H в э/х активные соединения генерация электрохимического потенциала в КЖ электрогенные м/о трансфер с топлива на электрод ферментами микробный топливный элемент МТЭ или MFC Microbial fuel cell e биоэлектрокатализ персективный ОСВ Техническая биотехнология. Биогеотехнология металлов извлечение Мт из руд, концентратов, горных пород и растворов под воздействием м/о при нормальном давлении и физиологической температуре (от 5 до 90 °С). БИО ГЕО ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ БИО ГИДРО металлургия (бактериальное выщелачивание) БИО сорбция металлов из растворов обогащение руд исчерпаемостью доступных ПР малоотходность добычи разработка небогатых месторождений трудноперерабатываемые месторождения переработка отходов возможность автоматизации из шахтных дренажных вод выделены м/о: Ox Fe (II) , Red S 1947 г. , США, Колмер и Хинкли Thiobacillus ferrooxydans растворимые формы Cu Thiobacillus ferrooxydans S 2- →S 0 | SO 3- →S 0 | Fe 2+ →Fe 3+ Leptospirillum ferrooxidans Fe 2+ →Fe 3+ Sulfobacillus thermosulfidooxidans S 2- →S 0 |Fe 2+ →Fe 3+ Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter и др. выделение Mn Мезофильные Факультативные термофилы Ацидофилы Ацидотермофилы источник W = Ox неорг. в-в источник C = CO 2 + H 2 O ДОСТОИНСТВА Техническая биотехнология. Биогеотехнология металлов БИОГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ Мт ПРЯМОЕ НЕПРЯМОЕ 4 FeS 2 + 15 O 2 + 2 H 2 O → (пирит) → 2 Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2 H 2 SO 4 ZnS + 2 O 2 → ZnSO 4 (сфалерит) Cu 2 S + 2 Fe 2 (SO 4 ) 3 → (халькоцит) → 2 CuSO 4 + 4 FeSO 4 + S 0 UO 2 + Fe 2 (SO 4 ) 3 → → U(SO 4 ) 2 + 2 FeSO 4 (уранит) экономичность и экологичность простота реализации самоподдержание процесса продукты реакции находятся в растворах отсутствие ГВ независимость от масштабов реализации ТРУДНОСТИ соблюдение opt параметров ↓ скорость процесса прямая связь скорости процесса с накоплением биомассы ПОВЕРХНОСТНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ КУЧ И ОТВАЛОВ [Мт] > 0,4 % τ ≈ 3-4 мес. [Мт] < 0,4 % τ ≈ 2-4 лет 1 – дренажный слой из песка; 2 – крупная фракции породы; 3 – обожженная отвальная порода; 4 – свежедобытая отвальная порода; 5 – продукционный желоб; 6 – технологический комплекс; 7 – основной трубопровод; 8 – насос; 9 – отвальный трубопровод; 10 – оросительные трубопроводы; 11 – насос; 12 – отстойник растворов Мт природные М/О Fe 3+ и р-р кислоты Thiobacillus ferrooxida аэрацией. активностью культуры, скоростью фильтрации выщелачивающего раствора, степенью дисперсности руды качеством руды осаждение электролиз Скорость извлечения определяется Техническая биотехнология. Биогеотехнология металлов 1 – контактный чан, 2 – панчук, 3, 9 – чаны для сбора оборотных растворов, 4 – обезвоживающий конус, 5 – чан для сбора остатка (после выщелачивания), 6 – отстойник, 7 – подача Ca(OH) 2 , 8 – чан-отстойник, 10 – нутч-фильтр (фильтр+нейтрализатор) ЧАНОВОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ U Au Ag Сu CuFeS 2 FeS 2 ZnS халькопирит пирит сфалерит FeAsS арсенопирит pH=2-2,2 Fe ↓, As↓ Ca(OH) 2 Техническая биотехнология. Биогеотехнология металлов БИОСОРБЦИЯ Pb, Hg, Cu, Ni, Cr, U Au, Ag, Pt, Se 100 % 90 % 14..30 % АСВ ОБОГАЩЕНИЕ Сульфатредуцирующие SO 3 2- → S 2- → Мт↓ CuCN Cu(CN) 2 д о 8 .5 г/ л 99 % ФЛОТАЦИЯ ОКИСЛЕННЫХ МИНЕРАЛОВ Pb Sn ↑20..25% Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Технология получения биоудобрений фиксация N ДИАЗОТРОФЫ микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот атмосферы СИМБИОТИЧЕСКИЕ СВОБОДНОЖИВУЩИЕ бактерии Rhizobium, Bradyrhizobium, Mezorhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium бактерии Azospirillum, Pseudomonas, Agrobacterium, Klebsiella, Bacillus, Enterobacter, Flavobacteri um Arthrobacter бактерии Clostridium, Azotobacter, Beijerinckia, азотфиксирующие фототрофные, цианобактерии ТРЕБОВАНИЯ к м/о вирулентность (способность проникать внутрь корня растений и вызывать образование клубенька) активность и эффективность специфичность конкурентоспособность технологичность (способность накапливать титр в стандартной и производственной среде) экономичность производства Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Технология получения биоудобрений Rhizobium lupini Lupinus Trifolium Клевер Rhizobium trifolii влажность 60-70% от полной влагоемкости почвы; оптимальная аэрация; температура 20-25 °C рН >7,5; углеводное питание; минеральные элементы: К, Ca, Mg, S, Fe, Mo, Co, Cu, B; вредители и паразиты (их отсутствие). ФАКТОРЫ, определяющие симбиотические взаимоотношения Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Технология получения биоудобрений Патент, Великобритания, 1896 г.: культивирование бактерий (агаризированные среды) суспендирование культуры в молоке обработка посевного материала высев семян ↓ производительность 30-е …70-е гг. XX в Инокулят на торфяной основе глубинное культивирование в стерильных условиях (10 8 -10 9 клеток/мл) смешение: торф : КЖ = 3 : 2 Нейтрализация торфа (pH 6,5-7,0, CaCO 3 ) созревание (2-3 сут) перемешивание, фасовка срок годности: 90 недель Препараты на основе Azotobacter получение посевного материала глубинное культивирование в стерильной среде (до начала стационарной фазы) выделение, очистка и сушка (<7 %) фасовка и хранение (15 °С) торфяные препараты срок хранения 2-3 месяца Торф Почвенный препарат суперфосфат (0,1 %) известь (1-2) фасовка по 0,5 л + H 2 O (до 40-60 %) стерилизация Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Технология получения биоудобрений Биоудобрения на основе азотфиксирующих микроорганизмов горшечная культура Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Технология получения биоудобрений биофосфорные симбиоз сосудистые растения микроскопические грибы PO 4 3- рост питание смесь корней + мицелия или спор растение- хозяин свободно от болезней инокуляция растений (леса, цитрусовые) не применимо для полевых растений фосфоробактерин споры Bacillus megaterium (phosphaticum) PO 4 3- H 2 PO 4 - HPO 4 2- нуклеиновые кислоты, нуклеопротеид ы доступная для растений форма не заменяет фосфорные удобрения и не действует без них ! тиамин, биотин (группа B), никотиновая и пантотеновая кислота, витамин В 12 стимулирование фосфорного и азотного питания глубинное культивирование (до спорообразования) строго стерильные условия выделение, очистка, сушка (65-75 °С, H 2 O 2-3 %) + каолин, фасовка (50-500 г) хранение при комнатной температуре Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Биопестициды и биогербициды •Энтобактерин (Bac. thuringiensis var. dalleriae; против чешуекрылых насекомых) •Дендробациллин (Bac. thuringiensis var. dendrolimus; → для защиты леса от сибирского шелкопряда) •Инсектин (Bac. thuringiensis var. insectus; → против сибирского шелкопряда) •БИП (Bac. thuringiensis var. darmstadiensis; →против вредителей плодовых (молей, пядениц, листоверток, шелкопрядов) и овощных культур (белянок, молей)). бактериальные препараты • Metarhizium anisopliae (энтомопатоген = поражающий насекомых). • Verticilium lecanii (энтомопатоген). • Hirsutella thompsonii (препарат «Микар» (США), контроль численности цитрусовых клещей). • Боверин (Beauveria bassiana Vuill). грибные препараты • «Вирин-ГЯП» (против гусеницы яблоневой плодожорки); • «Вирин-КШ» (против кольчатого шелкопряда); • «Вирин-ЭНШ» (против непарного шелкопряда); • «Вирин-ЭКС» (против капустной совки); • «ТМ-Биоконтрол» и «Циптек» (для защиты лесов ) вирусные препараты Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Биопестициды и биогербициды ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К БИОПЕСТИЦИДАМ селективность и высокая эффективность действия безопасность для человека и полезных представителей флоры и фауны длительная сохранность и удобство применения, хорошая смачиваемость и прилипаемость. бактериальные, грибные, вирусные Бактерии Насекомые Pseudomonas aeruginosa Саранча Pseudomonas septica Жук-навозник, жук-древесинник Vibrio leonardia Огневка пчелиная большая, мотылек кукурузный Enterobacter aerogenes Бабочка-голубянка, бабочка-толстоголовка Proteus vulgaris Саранчи Salmonella enteritidis Огневка пчелиная большая Diplococcus sp. Майский хрущ, шелкопряд тутовый, шелкопряд непарный, шелкопряд дубовый походный Bacillus thuringiensis Различные бабочки, моли Bacillus popilliae Жук-навозник Bacillus sphaericus Комары Bacillus moritai Мухи Наиболее распространенные инсектопатогенные бактерии и инфицируемые ими насекомые Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Биопестициды и биогербициды Механизм действия Bacillus thuringiensis насекомые B. thuringiensis септицемия (заражение крови) распад незаменимых фосфолипидов нарушение процессов синтеза РНК 400 видов насекомых вр еди тели по ле й, ле са, садо в и ви ног ра дник ов τ = 35-40 ч T = 28-30 °C rO 2 = 0,2 л O 2 /дм 3 ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ГОМОГЕННОЕ АЭРОБНОЕ ГЛУБИННОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ сепарирование спор, обезвоживание сухой порошок // стабилизированная паста карбоксиметилцеллюлоза сушка (<10 %), стабилизация каолином Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Биопестициды и биогербициды проникают в тело насекомого непосредственно через кутикулу ростовые трубки развиваются на поверхности и прорастают в тело, | образование токсина. если токсин слабо продуцируется, то мицелий быстро заполняет все тело заражение происходит на различных стадиях развития (в фазе куколки или имаго). ГРИБНЫЕ ПРЕПАРАТЫ возбудитель инфекции конидии ПОЛУЧЕНИЕ БИОПЕСТИЦИДОВ поверхностный глубинный τ = 3-4 сут T = 25-28 °C ПС: (%) корм. нелизированные дрожжи – 2, крахмал – 1, хлорид натрия - 0.2, хлорид марганца - 0.01, хлорид кальция - 0.05 аминный азот – 10-15 сепарирование КЖ (70-80 %) сушка (распылительная) формирование выпускной формы (+ каолин) сложность в ТЭ реализации ↑S, ↑ трудоемкость, ↓распространенность Ж: нестерильные // асептические условия Т : асептические условия τ = 12-15 сут сусло-агар, картофель, зерно пшеницы или кукурузы τ = 7-10 сут (споры) τ = 18-25 сут (спороносная пленка) , сушка, размол смешение с тальком или торфом листогрызушие садовые вредители, яблоневая плодожорка, леса, картофеля - личинок колорадского жука Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Биопестициды и биогербициды ВИРУСНЫЕ ПРЕПАРАТЫ хорошая сохранность вне организма-хозяина узкая специфичность безопасность для человека и биоты культивирование насекомых-хозяев получение вирусо- содержащего материала создание препаративной формы питательная среда личинка куколка имаго яйцо заражение личинки болезнь личинки гибель личинки очистка вируса контроль идентичности оценка биологической активности сырой массы сушка оценка препарата: •токсикологическая •биологической активности составление препаративной композиции Продуцент Сорняк-мишень Acremonium diospyri Деревья хурмы (Diospyros virginiana) Colletotrichum gloeosporioides f. sp. cuscutae Повилика (Cuscata spp.) как сорняк сои Phytophthora palmivora Morrenia odorata в цитрусовых садах Colletotrichum gloeosporioides f. sp. aeschynomene Северный копеечник (Aeschynomene virginica) в посевах риса и сои Alternaria cassiae Род кассия (Cassia spp.) в посевах сои и земляного ореха Puccinia canaliculata Сыть съедобная (Cyperus esculentus ) в посевах сои, сахарного тростника, кукурузы, картофеля и хлопка Colletotrichum gloeosporioides f. sp. malvae Круглолистная мальва (Malva pusilla) в посевах пшеницы, чечевицы и льна Cylindrobasidium leave Виды акации в насаждениях Chondrostereum purpureum Древесные сорняки, такие как Prunus serotina в лесном хозяйстве Xanthomonas campestris pv poae Мятлик однолетний (Poa annua) на гольф полях Colletotrichum acutatum Hakea gummosis и H. sericea в насаждениях Puccinia thlaspeos Вайда красильная (Isastis tinctoria) на фермах, пастбищах и на обочине дорог Chondrostereum purpureum Ольха, осина и другие деревья в лесу Chondrostereum purpureum Лиственные виды деревьев в насаждениях Alternaria destruens Виды повилики на сельскохозяйственных полях, сухих болотах и питомниках декоративных растений Sclerotinia minor Одуванчик (Taraxacum officinale) на газонах и лужайках Основы сельскохозяйственной биотехнологии. Биопестициды и биогербициды |