Научно-образовательный комплекс по кредитной технологии обучения

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ  КАЗАХСТАН

 

ИННОВАЦИОННЫЙ ЕВРАЗИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

Научно-образовательный  комплекс

по кредитной технологии обучения

 

 

 

 

 

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОИЗВОДСТВА

ОПОРНЫЕ  КОНСПЕКТЫ  ЛЕКЦИЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПАВЛОДАР  2009 год

 

 

«УТВЕРЖДЕНО»  Директор Инженерной Академии Док. вет. наук, проф. ______________Е.Б. Никитин «____»________________2009г.
Составител:   Старший  преподаватель	______________    В.Ш.  Ахметова

 

 

 

Кафедра « Прикладная биотехнология»

 

Опорные конспекты лекций

по дисциплине «Основы биотехнологического производства»

для студентов специальности  050701 - Биотехнология 

для очной формы обучения на базе  общего среднего образования

 

 

 

Опорные конспекты лекций разработаны  на основании Государственного общеобязательного стандарта высшего образования РК специальности 050701 – «Биотехнология», ГОСО РК 3.08.327-2006,  «Образование высшее профессиональное. Бакалавриат», г. Астана, 2006 г. и на основании рабочей учебной программы дисциплины.

 

 

 

Опорные конспекты лекций рассмотрены на заседании кафедры   «Прикладная биотехнология»

Протокол  № ____  от _________200    г.

 

Зам. зав. кафедрой  «Прикладная  биотехнология»    ________    М.С. Омаров

 

 

Опорные конспекты лекций утверждены на заседании научно-методического совета Инженерной Академии  и рекомендованы к изданию                                                     

Протокол  № ____  от __________200   г.

 

 

Председатель НМС Инженерной Академии  

Канд. техн. наук, проф. ______________              Е.К. Ордабаев

 

 

Согласовано:

Начальник ИМО 

к.п.н., проф.                  ________________             Н.М. Ушакова

 

 

сдано в     __________________

 

 

 

 

 

 

 

ТЕМАТИЧЕСКИЙ  ПЛАН ЛЕКЦИЙ

 

№	Темы лекций	Кол-во часов
	Модуль 1
1	Введение в биотехнологию	2
2	Стадии биотехнологических производств	2
3	Блок-схемы биотехнологических производств.	2
4	Процессы ферментации. Классификация процессов ферментации.	2
	Модуль 2
5	Сырьё для  процессов ферментации.	2
6	Основные технологические  параметры в процессе ферментации.	2
7	Биокатализ и биотрансформация. Отделение биомассы от культуральной  жидкости.	2
8	Отделение биомассы от культуральной  жидкости	1
Итого:		15

1. ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ. 
ЧТО ТАКОЕ БИОТЕХНОЛОГИЯ

       Биотехнология — это целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и  различных  областей человеческой деятельности  продуктов, в процессе которого используется биохимическая  деятельность микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов.  
            Наиболее часто биотехнологию пугают с растениеводством или животноводством.  
Например, получение пшеницы из воды и удобрений на первый взгляд — биотехнология. Однако здесь используется биохимическая деятельность не изолированных клеток, а целого растения, макроорганизма, относящегося к высшим, многоклеточным организмам.  Это — не биотехнология, а растениеводство. Точно так же получение лекарства из корня женьшеня — не биотехнология. А вот когда из этого корня берут отдельные клетки, отделяя их с помощью ферментов от многоклеточной растительной ткани, и разводят эти отдельные, изолированные клетки на специальном питательном растворе, как дрожжи, получая биомассу изолированных клеток женьшеня, из которой путем настаивания можно получить столь же ценное лекарство,  это-   биотехнология.  
           Другой пример - производство молока. Молоко получают от коровы, овцы или другого млекопитающего животного, т. е. это  
работа макроорганизма. Значит, это не биотехнология. А вот получение из молока кефира, йогурта или другого кисломолочного продукта основано на биохимической деятельности молочно- кислых  бактерий — это вполне легитимная биотехнология. В производстве глюкозы из крахмала есть процесс гидролиза:  раствор крахмала подкисляют, нагревают до определенной температуры и выдерживают некоторое время. В результате крахмал распадается на глюкозу, получается гидролизат — грязноватый раствор глюкозы с примесями. Это — типичный химический процесс. Есть другой процесс — процесс ферментативного гидролиза крахмала. В этом случае к суспензии крахмала добавляют фермент, и под его действием также происходит расщепление крахмала до глюкозы, но в гораздо более мягких условиях и без образования нежелательных примесей, с меньшими потерями. Ферменты — это выделенные из клетки белковые вещества, компоненты клетки. Следовательно, по определению, этот процесс — биотехнология.    
          Во всех приведенных примерах в качестве основания для отнесения процесса к биотехнологии или к химической технологии мы рассматривали то, посредством каких воздействий осуществляется  обработка продукта.  
         Иногда обращают внимание на другое: какое сырье обрабатывается — химическое или биологическое. Например, очень часто производство мясных продуктов относят к биотехнологии, обосновывая это тем, что исходное сырье — туши забитых животных, сырое мясо и так далее - являются продуктами биологического происхождения.  
С этой точки зрения, например, приготовление котлет — это биотехнология, хотя рабочий процесс заключается в измельчении мяса и затем в его тепловой обработке, т. е. нет биохимической деятельности микроорганизмов или клеток, а значит, это не биотехнология. А вот обработка мясного фарша определенными заквасками и последующий режим созревания, используемый при приготовлении дорогих сортов колбас, — это, конечно, био- технология.  
         На практике часто не делают столь строгих различий, и многие процессы переработки сырья биологического происхождения называют процессами биотехнологическями.  
        В дальнейшем мы увидим, что и строго биотехнологических  производства, например микробиологическое получение спирта или антибиотиков, имеют в своем составе кроме биотехнологических также химико-технологические и физико-механические процессы.  
Поскольку сырьем для каждого из этих процессов служит полупродукт биотехнологического происхождения, эти процессы вполне законно также называют биотехнологическими — как часть многостадийной технологии производства.  
Обратим внимание еще на одно важное слово в определении биотехнологии — «целенаправленно». Действительно, с точки зрения человека микроорганизмы работают в природе не всегда целенаправленно. 

Биотехнология — это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта.  
Существует биогеохимическая деятельность бактерий, в результате чего происходит переработка растительности и деревьев в торф, уголь, нефть, выщелачивание металлов и многие другие глобальные процессы. Эти процессы нельзя называть биотехнологическими, потому что они нецеленаправленные. Или, например, можно заметить, как после загрязнения почвы нефтью происходит естественное (не организованное человеком, т. е. не целенаправленное) биовосстановление — через 5—10 лет под воздействием микроорганизмов почва самоочищается. А вот когда мы специально организовываем технологию очищения почвы, вводя в нее дополнительные микроорганизмы или усиливая питание естественных почвенных микроорганизмов, — это уже биотехнология, биотехнология очистки почвы от загрязнений.  
Какие виды биохимической деятельности микрообъектов используют в биотехнологии, иначе говоря, какие цели преследуются при применении микроорганизмов?  
Перечислим их, не вдаваясь в подробности.  
       1. Наращивание клеточной массы, которая и представляет собой продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, многих вакцин.  
       2. Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов — некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует ради получения таких продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.  
        З. Биотрансформация — процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или)  в происходит изменение химического состава исходного химического вещества. Отличие от рассмотренного процесса биосинтеза состоит в том, что при этом обычно происходят относительно отличие изменения в химической структуре вещества, оно не синтезируется  заново из относительно более простых веществ. Кроме того, в процессе биотрансформации используют обычно уже готовый биологический агент — клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.

Пример процесса биотрансформации — превращение глюкозы  во фруктозу под воздействием фермента глюкозоизомеразы. Оба сахара имеют одну формулу  С6Н1206, но различную пространственную структуру молекулы.  
Интересно, что подобный процесс в природе осуществляют пчелы (если кормить их глюкозой). Но поскольку здесь в операции принимает участие макроорганизмы — пчела, мы не можем данный процесс назвать биотехнологическим.  
             4. Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются нежелательными примесями (загрязнениями). Здесь биомасса микроорганизмов служит промежуточным агентом, по окончании процесса она становится ненужной. Такие процессы применяют при биологической очистке сточньюх вод. Продуктом здесь является очищенная вода, а биомасса активного ила, которая потребляет загрязнения, все время отводится от системы и затем обезврежявается или перерабатывается для получения из нее других полезных продуктов.  
          5. Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах. Примером является микробиологическое выщелачивание ценных металлов из руд — меди, цинка, урана и др.  
         6. использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов и за счет этого создания, например, пористых материалов. Так, для этого используют дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского — также создать в среде высокую концентрацию растворенного диоксида углерода, чтобы вино или пиво хорошо пенилось.  
Рассмотренные шесть основных направлений биохимической деятельности микроорганизмов являются основой для получения широкого класса продуктов биотехнологии.

Биотехнология — это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта.  
Существует биогеохимическая деятельность бактерий, в результате чего происходит переработка растительности и деревьев в торф, уголь, нефть, выщелачивание металлов и многие другие глобальные процессы. Эти процессы нельзя называть биотехнологическими, потому что они нецеленаправленные. Или, например, можно заметить, как после загрязнения почвы нефтью происходит естественное (не организованное человеком, т. е. не целенаправленное) биовосстановление — через 5—10 лет под воздействием микроорганизмов почва самоочищается. А вот когда мы специально организовываем технологию очищения почвы, вводя в нее дополнительные микроорганизмы или усиливая питание естественных почвенных микроорганизмов, — это уже биотехнология, биотехнология очистки почвы от загрязнений.  
Какие виды биохимической деятельности микрообъектов используют в биотехнологии, иначе говоря, какие цели преследуются при применении микроорганизмов?  
Перечислим их, не вдаваясь в подробности.  
       1. Наращивание клеточной массы, которая и представляет собой продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, многих вакцин.  
       2. Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов — некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует ради получения таких продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.  
        З. Биотрансформация — процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или)  в происходит изменение химического состава исходного химического вещества. Отличие от рассмотренного процесса биосинтеза состоит в том, что при этом обычно происходят относительно отличие изменения в химической структуре вещества, оно не синтезируется  заново из относительно более простых веществ. Кроме того, в процессе биотрансформации используют обычно уже готовый биологический агент — клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.

Пример процесса биотрансформации — превращение глюкозы  во фруктозу под воздействием фермента глюкозоизомеразы. Оба сахара имеют одну формулу С6Н1206, но различную пространственную структуру молекулы.  
Интересно, что подобный процесс в природе осуществляют пчелы (если кормить их глюкозой). Но поскольку здесь в операции принимает участие макроорганизмы — пчела, мы не можем данный процесс назвать биотехнологическим.  
             4. Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются нежелательными примесями (загрязнениями). Здесь биомасса микроорганизмов служит промежуточным агентом, по окончании процесса она становится ненужной. Такие процессы применяют при биологической очистке сточньюх вод. Продуктом здесь является очищенная вода, а биомасса активного ила, которая потребляет загрязнения, все время отводится от системы и затем обезврежявается или перерабатывается для получения из нее других полезных продуктов.  
          5. Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах. Примером является микробиологическое выщелачивание ценных металлов из руд — меди, цинка, урана и др.  
         6. использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов и за счет этого создания, например, пористых материалов. Так, для этого используют дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского — также создать в среде высокую концентрацию растворенного диоксида углерода, чтобы вино или пиво хорошо пенилось.  
Рассмотренные шесть основных направлений биохимической деятельности микроорганизмов являются основой для получения широкого класса продуктов биотехнологии.

2. СТАДИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ПРОИЗВОДСТВ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СТАДИЯ

Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой  с использованием того или иного биологического агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.  
Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества.  
Однако биотехнологическая стадия, как правило, включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов, перечисленных ранее. 
        Ферментация— процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.  
        Биотрансформация - процесс изменения химической структуы вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов. В этом процессе обычно не происходит накопления клеток микроорганизмов, а химическая структура вещества меняется незначительно. Вещество как бы уже в основном готово, биотрансформация осуществляет его химическую модификацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, дегидрирует и т. п.  
        Биокатализ химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.  
           Метановое брожение — переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробньгх условиях.  
           Биокомттостирование — снижение содержания вредных органи- ческих веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.

 

Биосорбция – сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.

Бактериальное выщелачивание – процесс перевода нерастворимых в воде соединений  металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация – деструкция вредных соединений под воздействие микроорганизмов – деструкторов.  Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной потоки один газовый, иногда только один - жидкостной.

           1. Подготовительные  стадии:

1. Приготовление среды
2. Стерилизация среды
3. Подготовка и стерилизация газов (воздуха)
4. Подготовка посевного материала
5. Приготовление биокатализатора
6. Предварительная обработка сырья.