Основы биотехнологии

Основы  биотехнологии

Подготовила ученица 11А класса Конышева Алёна

В наследство будущему столетию XX век оставляет глобальную экологическую проблему - основательно исчерпанные невозобновимые природные ресурсы, деградированную и загрязненную биосферу, а также множество проблем, связанных с дефицитом продовольствия, ухудшением здоровья людей и качества жизни в целом. Но есть и другая сторона - это реальные пути и оригинальные подходы к решению глобальной экологической проблемы. Выработке стратегии и тактике этого решения мы также обязаны XX веку: во второй его половине стала успешно набирать темпы новая, наукоемкая, бурно развивающаяся отрасль народного хозяйства - биотехнология.

Биотехнология базируется как на традиционных научных дисциплинах (физиология, биохимия, микробиология, медицина, агробиология), так и на рожденных уходящим веком молекулярной биологии и генетике, клеточной и генетической инженерии, кибернетике и информатике. Биотехнология - область знания, позволяющая получать путем управляемого культивирования организмов и (или) их фрагментов (тканей, клеток) полезные для человека продукты - пищу, корма, медицинские препараты, разнообразное сырье, доступные растениям формы азота, средства защиты растений и животных, а также утилизировать (конверсировать) различные органические отходы (промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные).

Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса.

Биотехнология - это новая, сравнительно недавно получившая широкое развития наука о практическом использование различных биологических (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения антибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений новых сортов растений и животных, переработки сырья, промышленных и сельскохозяйственных отходов, очистки сточных вод и газовоздушных выбросов и так далее. Успехи, достигнутые в области биотехнологии, стали возможными благодаря бурному развитию таких наук, как биохимия, генетика, цитология, микробиология, молекулярная биология и другие.

Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свой­ствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс  включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.

 Во многих странах  мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.

1). Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.

2). Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.

3). Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.

4). Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах.

5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся создание и широкое освоение:

1)  новых биологически  активных веществ и лекарственных  препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

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

3)  ценных кормовых  добавок и биологически активных  веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;

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

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

 

Принципы биотехнологии

1. Принцип экономической обоснованности. Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза.

2. Принцип   целесообразного  уровня   технологических   разработок.

Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства - все это должно прямо определяться соображениями экономической выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. Для получения препаратов медицинского назначения, которые требуются в количестве нескольких сотен граммов в год, целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь себя не оправдывает. В большинстве современных микробиологических производств стремятся к использованию чистых культур микроорганизмов и к полной стерильности оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз), может быть получен и без чистых культур, растущих в условиях не стерильности.

3.  Принцип научной обоснованности биотехнологического процесса.

Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима его работ.

4. Принцип удешевления производства (максимальное снижение затрат). Как пример - использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов - природных водоёмов - вместо рукотворных аппаратов, в частности, для получения биомассы одноклеточных водорослей.

Изложенные принципы говорят о двуединой задаче биотехнологии: создание оптимальных условий для синтеза целевого продукта клетками биообъекта и в то же время вести производство в максимально экономическом режиме, при минимальных производственных затратах.

Источники опасности на биотехнологических производствах

Микробиологические и биотехнологические производства и их продукция могут оказывать на человека, животных и растительный мир следующие виды повреждающего действия:

- развитие инфекционных, паразитарных и других заболеваний; 
- токсическое действие 
- аллергенное действие 
- общее и местное неспецифическое (раздражающее) действие; 
- действие на генетический аппарат клеток; 
- воздействие на экологическую обстановку.

 

Это связано с особенностями биотехнологического производства:

1)использование  для изготовления иммунологических  препаратов микроорганизмов-продуцентов, выделенных из естественных источников  или новых, полученных искусственным  путем, генетически модифицированных  организмов, обладающих разной степенью  патогенности;

2)обеспечением  крупномасштабного культивирования  микроорганизмов для накопления  активного начала;

3)работой  с большими объемами посевного  материала;

4)получение  биологических препаратов с использованием  специальных технологий;

5)расфасовки, этикетирования и упаковки биопрепаратов;

6)контролем  физико-химических и биологических  свойств препаратов с использованием лабораторных животных.

Источниками биологической опасности могут быть патогенные и генно-модифицированные микроорганизмы, используемые в производстве, продукты их метаболизма, токсины, различные химические вещества, содержащиеся в отходах производства, вызывающие заболевания человека, животных, растений, разрушение материалов, резкое ухудшение качества окружающей среды.

Можно выделить следующие общие требования к биобезопасности микробиологических и биотехнологических производств и их продукции:

1)безопасность  означает отсутствие фактического  или прогнозируемого нежелательного  воздействия микроорганизмов, их  модифицированных вариантов, генно-инженерных  материалов, оборудования и лабораторных  животных, используемых в производстве  и контроле препаратов, на здоровье  человека и животных, а также  на окружающую среду.

2)необходимо  иметь полную информацию об  используемых в производстве  микроорганизмах, их генно-инженерных  вариантов, материалах, оборудовании  и животных;

3)для  определения безопасности микробиологической  и биотехнологической продукции  необходимо использовать информативные  лабораторные методы, позволяющие  получить данные, предположительно  коррелирующие с ее безопасностью  для людей и животных. Заключение  о безопасности микробиологической  и биотехнологической продукции  должно базироваться на комплексной  оценке повреждающего действия  продукции на организм человека  и животных, а также на окружающую  среду при кратковременном и  длительном воздействии;

4) производственный процесс должен  быть организован таким образом, чтобы обеспечить его безопасность  внутри и вне производственных  помещений и предусматривать  превентивные действия для недопущения  выпуска в окружающую среду  потенциально опасных микроорганизмов (токсинов), их генно-инженерных вариантов, а также материалов и веществ, используемых в производстве;

5)каждый  производитель должен обеспечивать  безопасность микробиологической  и биотехнологической продукции  и гарантировать ее соответствие  назначению и требованиям нормативной  документации и обязан обеспечивать  мониторинг безопасности продукции  после размещения ее на рынке. Аналогичные обязанности возлагаются  на уполномоченные органы исполнительной  власти в области здравоохранения.

6)для  контроля над соблюдением на  производстве режима безопасности  и анализа чрезвычайных случаев  нарушения безопасности должен  быть создан постоянно действующий  орган (комиссия) по режиму безопасности. На каждом производственном участке  должен быть сотрудник, ответственный за соблюдение безопасности.

В соответствии с возложенными на комиссию задачами она проводит следующий комплекс мероприятий:

1)осуществляет  плановый и периодически внеплановый  контроль за выполнением регламентированного порядка обеспечения биологической безопасности;

2)осуществляет  контроль за своевременной диспансеризацией персонала, контролирует регламентированный порядок иммунопрофилактики;

3)в  случае аварии при работе с  биологическим материалом разрабатывает  и представляет руководителю  учреждения план мероприятий  по ликвидации ее последствий;

4)проводит  анализ установленных нарушений  правил безопасности, предпосылок  к этому, причин аварий и представляет  руководителю план мероприятий  по повышению эффективности биологической  безопасности;

5)оформляет  необходимую документацию на  получение или продление решений  на проведение работы с патогенными  биологическими объектами (ПБА);

6)проводит  проверку знаний персонала по  вопросам обеспечения безопасности  персонала, работающего с ПБА.

За биотехнологическими производствами и их продукцией должен осуществляться санитарно-эпидемиологический надзор органами и учреждениями Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, а также Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технического регламента и нормативной документации по безопасности микробиологических и биотехнологических производств и их продукции.