Unapređenje bioloških objekata. Ekološki aspekti biotehnološke proizvodnje
Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod
Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.
Još ne postoji HTML verzija rada.
Arhivu radova možete preuzeti klikom na link ispod.
Slični dokumenti
Karakteristike biotehnološkog procesa u zavisnosti od dobijenog ciljanog proizvoda, od mehanizma nastanka konačnog proizvoda, od uslova procesa. Izbor različitih metoda separacije u zavisnosti od lokalizacije ciljnog proizvoda.
kontrolni rad, dodano 16.05.2015
Doktrina o oblicima predaka kao jedan od dijelova selekcije. Lanac evolucijskih promjena. Učenje Čarlsa Darvina. Centri porijekla gajenih biljaka u učenju akademika N.I. Vavilov. Prednosti genetske raznolikosti izvornog materijala.
sažetak, dodan 21.01.2016
Faze izvođenja eksperimenata na prijenosu genetskog materijala, korištenje tehnologija za proučavanje procesa diferencijacije, karcinogeneza. uslovi kulture ćelija. Vrste i svrha selekcije. Prijenos gena posredovan hromozomima i DNK.
tutorial, dodano 08.11.2009
Koncept mutacije je svaka nasljedna promjena koja nije povezana s cijepanjem ili uobičajenom rekombinacijom nepromijenjenog genetskog materijala. Vrste hromozomskih mutacija. Aktivnost muozomalnih enzima u različitim patološkim stanjima.
test, dodano 15.08.2013
Koncept nasljednosti i varijabilnosti. Opći obrasci mutageneze. Osobine djelovanja fizičkih i kemijskih mutagena. Upotreba indukovane mutageneze. Genetske posljedice zagađenja životne sredine.
sažetak, dodan 04.09.2007
Svojstva mutacija kao spontanih promjena u genotipu. Modifikacije molekula DNK pod uticajem mutagena. Karakterizacija načina održavanja genetske homeostaze na molekularno-genetskom, ćelijskom, organizmu i nivou populacijske vrste.
sažetak, dodan 17.11.2015
Opisi promena u DNK ćelije koje nastaju pod uticajem ultraljubičastih i rendgenskih zraka. Karakterizacija karakteristika genskih i hromozomskih mutacija. Uzroci i prijenos citoplazmatskih mutacija. Proučavanje mutacija u biljnim somatskim stanicama.
Bioobjekat- ovo je proizvođač koji biosintetizira željeni proizvod, ili katalizator, enzim koji katalizuje njegovu inherentnu reakciju.
Zahtjevi za biološke objekte
Za realizaciju biotehnoloških procesa važni parametri bioloških objekata su: čistoća, brzina ćelijske reprodukcije i reprodukcije virusnih čestica, aktivnost i stabilnost biomolekula ili biosistema.
Treba imati na umu da kada se stvore povoljni uvjeti za odabrani biološki objekt biotehnologije, isti uvjeti mogu biti povoljni, na primjer, za mikrobe - kontaminante ili zagađivače. Predstavnici kontaminirajuće mikroflore su virusi, bakterije i gljive koje se nalaze u kulturama biljnih ili životinjskih stanica. U tim slučajevima mikrobi-zagađivači djeluju kao štetnici proizvodnje u biotehnologiji. Kada se enzimi koriste kao biokatalizatori, potrebno ih je u izoliranom ili imobiliziranom stanju zaštititi od uništenja banalnom saprofitnom (ne patogenom) mikroflorom, koja zbog nesterilnosti sistema može prodrijeti u biotehnološki proces izvana.
Aktivnost i stabilnost u aktivnom stanju bioloških objekata jedan su od najvažnijih pokazatelja njihove pogodnosti za dugotrajnu upotrebu u biotehnologiji.
Dakle, bez obzira na sistematski položaj biološkog objekta, u praksi se koriste ili prirodno organizovane čestice (fagi, virusi) i ćelije sa prirodnom genetskom informacijom, ili ćelije sa veštački datim genetskim informacijama, odnosno u svakom slučaju se koriste ćelije. , bilo da je u pitanju mikroorganizam, biljka, životinja ili osoba. Na primjer, možemo nazvati proces dobivanja polio virusa na kulturi stanica bubrega majmuna kako bi se stvorila vakcina protiv ove opasne bolesti. Iako nas ovdje zanima nakupljanje virusa, njegova reprodukcija se odvija u stanicama životinjskog organizma. Drugi primjer je sa enzimima koji se koriste u imobiliziranom stanju. Izvor enzima su i izolirane ćelije ili njihove specijalizirane asocijacije u obliku tkiva iz kojih se izoluju potrebni biokatalizatori.
Klasifikacija bioloških objekata
1) Makromolekule
Enzimi svih klasa (često hidrolaze i transferaze); uključujući u imobiliziranom obliku (povezanom s nosačem) koji omogućava višestruku upotrebu i standardizaciju ciklusa proizvodnje koji se ponavlja;
DNK i RNK - u izolovanom obliku, kao dio stranih ćelija.
2) Mikroorganizmi
Virusi (sa oslabljenom patogenošću se koriste za proizvodnju vakcina);
Prokariotske i eukariotske stanice su proizvođači primarnih metabolita: aminokiselina, dušičnih baza, koenzima, mono- i disaharida, enzima za zamjensku terapiju itd.); -proizvođači sekundarnih metabolita: antibiotika, alkaloida, steroidnih hormona itd.;
Normoflora - biomasa određene vrste mikroorganizmi koji se koriste za prevenciju i liječenje disbakterioze;
Patogeni zaraznih bolesti - izvori antigena za proizvodnju vakcina;
Transgene m/o ili ćelije - proizvođači vrsta specifičnih proteinskih hormona za ljude, proteinskih faktora nespecifičnog imuniteta itd.
3) Makroorganizmi
Više biljke su sirovine za dobijanje biološki aktivnih supstanci;
Životinje - sisari, ptice, gmizavci, vodozemci, člankonošci, ribe, mekušci, ljudi;
transgenih organizama.
Kao biološke objekte ili sisteme koje koristi biotehnologija, prije svega, potrebno je navesti jednoćelijske mikroorganizme, kao i životinjske i biljne ćelije. Izbor ovih objekata je zbog sljedećih tačaka:
1. Ćelije su svojevrsne "biofabrike" koje u toku života proizvode razne vrijedne proizvode: proteine, masti, ugljikohidrate, vitamine, nukleinske kiseline, aminokiseline, antibiotike, hormone, antitijela, antigene, enzime, alkohole itd. Mnogi od ovih proizvoda, koji su izuzetno neophodni u ljudskom životu, još nisu dostupni za dobijanje "nebiotehničkim" metodama zbog oskudice ili visoke cene sirovina ili složenosti tehnoloških procesa.
2. Ćelije se izuzetno brzo razmnožavaju. Tako se bakterijska stanica dijeli svakih 20-60 minuta, stanica kvasca dijeli se svakih 1,5-2 sata, životinjska se dijeli svaka 24 sata, što omogućava umjetni uzgoj ogromnih količina biomase na relativno jeftinoj i nedeficitarnoj hranjivoj tvari. medija u industrijskim razmjerima u relativno kratkom vremenu mikrobne, životinjske ili biljne ćelije. Na primjer, u bioreaktoru kapaciteta 100 m 3 2-3 dana. 10 16 -10 18 mikrobne ćelije se mogu uzgajati. Tokom života ćelija tokom njihovog uzgoja, okolina prima veliki broj vrijedne proizvode, a same ćelije su ostave ovih proizvoda.
3. Biosinteza složenih supstanci kao što su proteini, antibiotici, antigeni, antitela itd. je mnogo ekonomičnija i tehnološki pristupačnija od hemijske sinteze. Istovremeno, sirovina za biosintezu je u pravilu jednostavnija i pristupačnija od sirovine za druge vrste sinteze. Za biosintezu se koristi otpad iz poljoprivredne, ribarske, prehrambene industrije, biljne sirovine, kvasac, drvo, melasa itd.).
4. Mogućnost izvođenja biotehnološkog procesa u industrijskom obimu, tj. dostupnost odgovarajuće tehnološke opreme, dostupnost sirovina, tehnologije obrade itd.
Opis prezentacije Uvod u savremenu biotehnologiju BIOOBJEKT „na slajdovima nema ništa
Uvod u modernu biotehnologiju BIOOBJEKT "nema ništa praktičnije od dobre teorije" jednog od velikih fizičara Planka ili Ajnštajna. 2. mjesto po investicijskoj atraktivnosti nakon informacionih tehnologija
Biotehnologija (BT) je naučni i praktični prioritet postgenomskih tehnologija 21. veka: – genomika, proteomika, – bioinformatika, metabolomika, nanobiotehnologija. Antropogenomski projekat — izrada genetskih pasoša za sportiste i druge pilot grupe stanovništva. projekti o biodiverzitetu, biološkoj sigurnosti i biokatalizi Medical BT - stvaranje vitalnih lijekova (hormoni, citokini, biogenerici, terapeutski MAT, vakcine nove generacije), - razvoj tehnologija matičnih ćelija. U poljoprivredi razvoj transgenih biljnih i životinjskih kultura. U hrani BT - razvoj za funkcionalnu, uravnoteženu ishranu, uključujući poseban projekat o biotehnologiji morskih plodova. U ekološkom BT - obnova poljoprivrednih krajolika i stvaranje ekološki prihvatljivog stanovanja. Projekt Biochips je stvaranje originalnih biočipova za istraživanje u genomici i proteomici i dijagnostici.
Pojam Karl Ereki 1917 - (proces industrijskog uzgoja svinja koristeći šećernu repu kao hranu). Biotehnologija je sve vrste rada u kojima se određeni proizvodi proizvode od sirovina uz pomoć živih organizama. opis procesa industrijske fermentacije, polje koje se danas zove ergonomija. Biotehnologija je pravac naučnog i tehnološkog napretka koji koristi biološke procese i agense za namjeran uticaj na prirodu, kao i u interesu industrijske proizvodnje proizvoda korisnih za ljude, uključujući lijekove.
Biotehnološki proizvodi 1. Vakcine i serumi 2. Antibiotici 3. Enzimi i antienzimi 4. Hormoni i njihovi antagonisti 5. Vitamini (B12) 6. Aminokiseline 7. Krvne zamjene 8. Alkaloidi 9. Imunomodulatori 10. Biomuradioproduktori 10. Biomuradio1.
Istorija biotehnologije I Empirijski period - cca. 6000 godina prije nove ere i do sredine X 1 X vijeka. reprodukcija prirodnih procesa u veštačkim uslovima: pečenje hleba, dorada kože, proizvodnja lana, prirodne svile, silaža stočne hrane, proizvodnja fermentisanih mlečnih proizvoda, sireva, kiselog kupusa, Vinarstvo Biotehnološke metode pivarstva Farmacija i medicina: Otrovi životinja i biljaka , žuč i druge biotečnosti, tinktura kore cinhona za ublažavanje febrilnih napada kod malarije, hirudoterapija, apiterapija, biljni opijati i alkaloidi, prevencija velikih boginja sadržajem telećih pustula, obolelih od kravljih boginja i mnogi drugi. drugi u srcu moderne preventivne i kliničke medicine.
II - Naučni i praktični period (1856 -1933) L. Pasteur - osnivač naučne mikrobiologije i njenih disciplina (industrijska, medicinska, hemijska i sanitarna mikrobiologija). - utvrđena mikrobna priroda procesa fermentacije; de Bari - osnivač mikologije, osnova modernih klasifikacionih šema makro i mikromiceta. D. I. Ivanovsky - 1892 virus mozaika duhana, nakon što su otkriveni i drugi virusi = virologija Najvažnija dostignuća: dokazan je specijski identitet mikroba Mikroorganizmi izolirani u čistim kulturama i razmnoženi i uzgajani na hranjivim podlogama za reprodukciju prirodnih procesa (fermentacija, oksidacija itd.). ) pokrenuta proizvodnja nutritivnog presovanog kvasca, dobijeni su metaboliti bakterija (aceton, butanol, limunska i mlečna kiselina). stvorene su bioinstalacije za mikrobiološki tretman otpadnih voda.
III - Biotehnički period 1933 -1972 "Metode za proučavanje metabolizma plesni" (A. Kluiver, L. Kh. Ts. Perkin) početak industrijske biotehnologije: uslovi. 2. metodološki pristupi evaluaciji i interpretaciji rezultata dobijenih u dubokoj kultivaciji gljiva. 1939 -1945 formiranje i razvoj proizvodnje antibiotika. Već 40 godina rješavaju se glavni zadaci projektovanja, kreiranja i primjene u praksi industrijska oprema uključujući bioreaktore.
IV - period molekularnog ili genetskog inženjeringa 1972. - prvi rekombinantni molekul DNK (P. Berg et al., SAD). 1982. komercijalni genetski modificirani ljudski inzulin. Ostali genetski modifikovani lekovi: - interferoni, - faktor nekroze tumora (TNF), - interleukin-2, - ljudski hormon rasta.
Glavni pravci biotehnologije Biogorivne ćelije pretvaraju hemijsku energiju supstrata u druge vrste energije, dobijajući izvore energije - biogas, ugljene hidrate. proizvodnja vodonika uz pomoć kemotrofnih i cijanobakterija, algi, nekih protozoa Biosenzori su visoko osjetljivi umjetni elementi biološke prirode koji mogu prepoznati mikrokoličine tvari u bilo kojem agregacijskom stanju. biološki molekuli selektivno stupaju u interakciju sa mikro-količinama hemikalija, čije se promjene bilježe i vizualiziraju elektronskom opremom. senzori analitičkih instrumenata u industriji, poljoprivredi, medicini, zaštiti životne sredine za detekciju ugljenih hidrata, uree, laktata, kreatinina, etanola, aminokiselina i drugih supstanci. Bioenergetska tehnologija
Svemirska biotehnologija - Betežinski - promjena toka fizičko-hemijskih procesa: smanjenje konvekcije, isključenje sedimentacije, sile površinskog napona veće od gravitacijskih, isključenje pojava uz zid (procesi bez kontejnera). lakše je stvoriti uslove za kristalizaciju proteina u čistom obliku za različite svrhe i za analizu difrakcije rendgenskih zraka. lakše je inkapsulirati ćelije u polupropusne membrane, kao što su životinjske ćelije pankreasa, za naknadnu implantaciju kod dijabetičara, gde će sintetisati insulin, inkapsulirane ćelije jetre mogu se koristiti za stvaranje veštačkih organa za pročišćavanje krvi.
Inženjerska enzimologija je upotreba katalitičkih funkcija enzima u izoliranom stanju ili kao dio ćelija za dobivanje različitih proizvoda. Biogeotehnologija - upotreba mikroorganizama za ekstrakciju minerala, proizvodnju rijetkih zemnih metala, uklanjanje metana u rudnicima itd. Medicinska biotehnologija - stvaranje sredstava i/ili supstanci u medicinske svrhe, krvnih produkata, transplantata i bioproteza. Biotehnologija lijekova - od više od 1000 vrsta lijekova, najmanje trećina se proizvodi ili može biti proizvedena biotehnološkim putem. Imunobiotehnologija - proizvodnja vakcina, imunoglobulina krvi, imunomodulatora, monoklonskih antitela itd.
Mogućnosti 1. Tačna i rana dijagnoza, prevencija i liječenje zaraznih i genetskih bolesti; 2. povećanje poljoprivredne produktivnosti. useva stvaranjem biljaka otpornih na štetočine, bolesti i nepovoljne uslove životne sredine; 3. stvaranje mikroorganizama koji proizvode različite BAS (antibiotike, polimera, aminokiselina, enzima); 4. stvaranje rasa poljoprivrednih životinja sa poboljšanim nasljednim osobinama; 5. prerada toksičnog otpada - zagađivači životne sredine - uticaj genetski modifikovanih organizama na druge organizme ili životnu sredinu; smanjenje prirodne genetske raznolikosti pri stvaranju rekombinantnih organizama; Promjena genetske prirode osobe uz pomoć metoda genetskog inženjeringa; kršenje ljudskog prava na privatnost upotrebom novih dijagnostičkih metoda; dostupnost liječenja samo bogatima radi zarade; Prepreke slobodnoj razmjeni mišljenja između naučnika u borbi za prioritet Problemi
Odnos tehnologije i modifikacija živog inženjerstva, biomolekula sa informacijskom i funkcionalnom aktivnošću. Tehnologija je reprodukcija prirodnih procesa u veštačkim uslovima. biokatalitički biosintetik u živim ćelijama pro- i eukariota. Industrijska proizvodnja Bioreaktor i inženjerski sistemi bioobjekt za održavanje života - osnova biotehnologije životinjskog porijekla: ljudi (donatori) sisari, gmizavci, ptice, ribe, insekti, beskičmenjaci Mikroorganizmi: eukarioti: protozoe, gljive, kvasac Prokarioti: aktinomiceti, virusi eubakterije, fagi biljnog porijekla: divlji i kultivisane biljke Alge Ćelijske kulture i kulture tkiva
Bioobjekti: načini njihovog stvaranja i poboljšanja. 1. 1 Koncept "bioobjekta" BO Bioobjekat je centralni i obavezan element biotehnološke proizvodnje, koji određuje njegovu specifičnost. Proizvođač kompletna sinteza ciljnog proizvoda, uključujući niz uzastopnih enzimskih reakcija Biokatalizator katalize specifične enzimske reakcije (ili kaskade), koja je od ključnog značaja za dobijanje ciljnog proizvoda Po proizvodnim funkcijama:
Pristupi klasifikacije: Makrobiološki objekti životinjskog porijekla: Čovjek (donator) Čovjek (objekat imunizacije, donor) Sisavci, gmizavci, ptice, ribe, insekti, člankonošci, morski beskičmenjaci Bioobjekti biljnog porijekla: Biljke (divlje i plantažno uzgajane) Alge Biljna ćelija i kulture tkiva Bioobjekti – Mikroorganizmi: Eukarioti (protozoe, gljive, kvasac) Prokarioti (aktinomicete, eubakterije) virusi,
Bioobjekti 1) Makromolekule: enzimi svih klasa (često hidrolaze i transferaze); – uključujući u imobilizovanom obliku (povezano sa nosačem) obezbeđujući višestruku upotrebu i standardizaciju ponovljenih ciklusa proizvodnje DNK i RNK – u izolovanom obliku, kao deo stranih ćelija 2) Mikroorganizmi: virusi (sa smanjenom patogenošću se koriste za dobijanje vakcina); prokariotske i eukariotske stanice - proizvođači primarnih metabolita: aminokiseline, dušične baze, koenzimi, mono- i disaharidi, enzimi za zamjensku terapiju itd.); – proizvođači sekundarnih metabolita: antibiotika, alkaloida, steroidnih hormona i dr. normoflora – biomasa određenih vrsta mikroorganizama koji se koriste za prevenciju i liječenje disbakterioze uzročnika zaraznih bolesti – izvori antigena za proizvodnju vakcina transgenih m/o ili stanica – proizvođači vrsta specifičnih proteinskih hormona za čoveka, proteinskih faktora nespecifičnog imuniteta i dr. 3) Makroorganizmi viših biljaka - sirovine za proizvodnju biološki aktivnih supstanci; Životinje — sisari, ptice, gmizavci, vodozemci, člankonošci, ribe, mekušci, ljudi Transgeni organizmi
Ciljevi poboljšanja BW: (u odnosu na proizvodnju) - povećanje formiranja ciljnog proizvoda; — smanjenje zahtjevnosti prema komponentama hranljivih podloga; - promjena u metabolizmu biološkog objekta, na primjer, smanjenje viskoznosti tečnosti kulture; – dobijanje bioloških objekata otpornih na fage; - Mutacije koje dovode do uklanjanja gena koji kodiraju enzime. Povećanje aktivnosti biosinteze može se očekivati: - ako je mutacija dovela do dupliciranja (udvostručavanja) strukturnih gena uključenih u sistem sinteze ciljnog proizvoda; — ako je mutacija dovela do amplifikacije (množenja) strukturnih gena uključenih u sistem sinteze ciljnog proizvoda; - ako o trošku različite vrste mutacije će potisnuti funkcije gena represora koji reguliraju sintezu ciljnog proizvoda; - kršenje sistema retroinhibicije; - promjenom (zbog mutacija) sistema transporta prekursora ciljnog proizvoda u ćeliju; - samoubilački učinak, ponekad ciljni proizvod, s naglim povećanjem njegovog stvaranja, negativno utječe na održivost vlastitog proizvođača (često je potrebno za dobivanje superproizvođača antibiotika).
Metode poboljšanja BIOOBJEKATA Svrha: obezbediti prekomernu sintezu jednog od metaboličkih proizvoda Zadatak: promeniti sistem metaboličke regulacije Načini: - promena genetskog programa - promena regulatornih sistema metabolizma. Spontane promjene u genetskoj prirodi organizma - proizvođača zasnivaju se na procesima rekombinacije genetskog materijala in vivo (amplifikacija, konjugacija, transdukcija, transformacija itd.). Selekcija - usmjerena selekcija iz prirodnih populacija visokoproduktivnih sojeva organizama sa naglom promjenom genoma - "-" dugoročno (mutacija gena od interesa bi se trebala udvostručiti 106-108 puta.) - "+" su obećavajuće za procjenu uticaj na objekte faktora okoline - jona teških metala, kiselina, alkalija i drugih indukovanih mutageneza - pod dejstvom niza hemijskih jedinjenja (hidroksilamin, nitrozamini, azotna kiselina, bromouracil, 2-aminopurin, alkilirajući agensi itd.) , rendgenske i ultraljubičaste zrake. Dugotrajna selekcija sojeva-proizvođača penicilina - povećanje specifične aktivnosti a/b u mediju kulture za 400 puta Sojevi Eremothecium ashbyii, do 1,8 mg riboflavina u 1 ml podloge i sojevi Brevibacterium amonijegeni, do 1 g HSKO, dobijeni su mutagenezom i metodama selekcije. A na 1 litar medija.
Mutacija je promjena primarne strukture DNK u određenoj regiji, što dovodi do promjene fenotipa CP. Biosintetička sposobnost biološkog objekta mijenja se zbog promjene skupa enzima ili aktivnosti nekih od njih. Mutacije su primarni izvor varijabilnosti u organizmima, stvaraju osnovu za evoluciju.Izolacija ciljnog proizvoda od "divljeg" (prirodnog organizma) je ekonomski nesvrsishodna ili tehnički teška. Promjena BO koja je povoljna za njegovu upotrebu u proizvodnji, koja je naslijeđena, mora biti uzrokovana mutacijom. U drugoj polovini XIX veka. za mikroorganizme je otkriven još jedan izvor varijabilnosti - transfer stranih gena - svojevrsni "genetski inženjering prirode". Mutacije: hromozomski - nuklearni citoplazmatski plazmid 1. 2. Poboljšanje bioloških objekata mutagenezom i metodama selekcije Spontane mutacije su rijetke, širenje u težini znakova je malo. Selekcija - odabir prirodnih željenih odstupanja uzrokovanih mutagenezom izazvanom mutacijama: širenje mutanata u smislu ozbiljnosti znakova je veće. pojavljuju se mutanti sa smanjenom sposobnošću povratka, odnosno sa stabilno promijenjenim svojstvom
Mutacije mogu biti uzrokovane: preuređivanjem replikona (promjenom broja i redoslijeda gena u njemu); promjene unutar pojedinačnog gena. spontane mutacije koje se javljaju u populaciji ćelija bez posebnog uticaja na nju. Prema ozbiljnosti gotovo bilo koje osobine, ćelije u mikrobnoj populaciji su varijantne serije. Većina ćelija ima prosječnu težinu ove osobine. Odstupanja "+" i "-" od srednje vrijednosti se u populaciji rjeđe nalaze, što je veće odstupanje u bilo kojem smjeru. Varijacijska serija
Fizički hemijski mutageni - ultraljubičasti zraci; - nitrozometilurea; - gama zraci; - nitrozogvanidin; - X-zrake; - akridinske boje; - neke prirodne supstance (DNK-tropic a/b se ne koristi u klinici zbog toksičnosti) Mehanizam delovanja mutagena je posledica direktnog dejstva na DNK (prvenstveno na azotne baze DNK, što se izražava u umrežavanju, dimerizaciji, alkilacija dimera, interkalacija) . Oplemenjivački dio posla je selekcija i evaluacija mutacija Tretirana kultura se raspršuje na TPS i uzgajaju se pojedinačne kolonije (klonovi) originalna kolonija prema različitim karakteristikama: mutanti kojima je potreban određeni vitamin ili aminokiselina; mutanti, koji sintetiziraju enzim koji razgrađuje određeni supstrat; mutanti otpornosti na antibiotike
Mutantni genom prolazi kroz promjene koje dovode do gubitka određene osobine ili do pojave nove osobine. Karakter mutacija: — dupliciranje (udvostručavanje) strukturnih gena; — amplifikacija (množenje) strukturnih gena; - brisanje („brisanje“), „gubitak“ dijela genetskog materijala; - transpozicija (umetanje segmenta hromozoma na novo mesto); - inverzija (promena) redosleda gena u hromozomu; - "tačkaste" mutacije, promjene unutar samo jednog gena (na primjer, brisanje ili umetanje jedne ili više baza): - transverzija (kada je purin zamijenjen pirimidinom); - tranzicija (zamjena jednog purina za drugi purin ili pirimidina za drugi pirimidin). Jedan od najsjajnijih primjera djelotvornosti mutageneze praćene selekcijom na temelju povećanja formiranja ciljnog proizvoda je povijest stvaranja modernih superproizvođača penicilina.
Problemi superproizvođača: moderni industrijski BW je superproizvođač koji se po pravilu razlikuje od prirodnog soja u nekoliko aspekata. visokoproduktivni sojevi su izuzetno nestabilni zbog činjenice da brojne umjetne promjene u genomu nisu povezane s održivošću. mutantni sojevi zahtevaju stalno praćenje tokom skladištenja: ćelijska populacija se zaseje na čvrstu podlogu, a kulture dobijene iz pojedinačnih kolonija se proveravaju na produktivnost. Revertanti - sojevi sa smanjenom aktivnošću se odbacuju. Reverzija se javlja u vezi sa obrnutim spontanim mutacijama koje dovode do vraćanja mjesta genoma u njegovo prirodno stanje. Specijalni enzimski sistemi za popravku uključeni su u vraćanje normi - u evolutivni mehanizam za održavanje postojanosti vrste. Što se tiče viših biljaka i životinja, mogućnosti mutageneze i selekcije za poboljšanje su ograničene, ali ne i isključene. Posebno za biljke koje stvaraju sekundarne metabolite.
1. 3. Poboljšanje bio-objekata metodama ćelijskog inženjeringa Ćelijski inženjering je “prisilna” izmjena dijelova hromozoma kod prokariota ili dijelova, pa čak i cijelih hromozoma kod eukariota. Kao rezultat, nastaju neprirodni biološki objekti, među kojima se mogu odabrati proizvođači novih supstanci ili organizama s praktički vrijednim svojstvima. Uz pomoć staničnog inženjeringa moguće je dobiti interspecifične i intergeneričke hibridne kulture mikroorganizama, kao i hibridne ćelije između evolucijski udaljenih višećelijskih organizama.
Tehnika ćelijskog inženjeringa (na primjeru prokariotskih mikroorganizama, sa jednim hromozomom po ćeliji) I. Dobijanje protoplasta (prokariotske ćelije bez ćelijske stijenke) za razmjenu fragmenata hromozoma. kod prokariota – eubakterije, aktinomiceta – ćelijski zid se sastoji od peptidoglikana (podržava oblik ćelije i štiti CPM od razlike u osmotskom pritisku između okoline i citoplazme).Lizozim cijepa polisaharidne niti peptidoglikana. Penicilin inhibira sintezu ćelijskog zida G-bakterija, narušavajući ravnotežu između sintetaza i hidrolaza.Moguće je ukloniti ćelijski zid i sačuvati integritet membrane izjednačavanjem osmotskog pritiska unutar ćelije i okoline. Ćelije protoplastike (J. Lederberg) tretiraju se enzimom u "hipertoničnom" mediju sa 20% saharoze ili manitola, odnosno 10% Na. Cl u zavisnosti od karakteristika biološkog objekta i ciljeva kojima se teži. Transformacija ćelija u protoplaste prati se faznokontrastnom mikroskopijom. Kod plijesni i kvasca, stanični zid se sastoji od hitina, glukana, manoproteina (svakom je potreban svoj enzim za razgradnju) - tretiraju se kompleksnim enzimskim preparatima - enzim puževa (izolovan iz probavnog trakta grožđanog puža Helix pomatia).
II. Fuzija (fuzija) protoplasta sa formiranjem diploida. Kombinacija suspenzija dvaju uzoraka protoplasta koji pripadaju različitim sojevima (vrstama, rodovima). Frekvencija fuzije dva protoplasta različitog porekla, povećava se kada im se doda PEG (deterdžent). Kod prokariota, rezultirajući protoplasti imaju dvostruki skup hromozoma (tj., to su protoplasti sa dva hromozoma), oni zadržavaju svoj integritet u hipertoničnom okruženju. III. Rezultirajući diploidi se inkubiraju nekoliko sati kako bi se "razbili" i ponovno spojili kružni lanci hromozoma u različitim varijantama.
IV. Na TPS se sije suspenzija protoplasta, dok se dio diploida pretvara u haploidne stanice koje su sposobne za reprodukciju, koje formiraju kolonije, respektivno. Oni se proučavaju i odabiru kulture sa novim kvalitetima koji su zanimljivi za biotehnologa. Primjer bi bila proizvodnja "hibridnih" antibiotika: uz pomoć staničnog inženjeringa dobijeni su proizvođači takvih antibiotika u kojima je makrolidni aglikon eritromicina bio povezan s ugljikohidratnim dijelom koji odgovara antraciklinima, i obrnuto, antraciklinski aglikon sa šećeri karakteristični za eritromicin. Da bi se spriječilo vraćanje željenih mutacija na originalne parametre: I način: tretman "plus" varijanti mutagenima i selekcija mutanata sa smanjenom sposobnošću vraćanja izmijenjenih dijelova DNK u normalu. II način - inženjerska enzimologija: imobilizacija ćelija "plus" - varijante, tj. vezivanje na nerastvorljive nosače i upotreba u proizvodnji bez pribegavanja ponovnom zasejavanju određeno vreme (od nekoliko nedelja do nekoliko meseci).
1. 4. Stvaranje bioloških objekata metodama genetskog inženjeringa 1. 4. 1. Opće karakteristike. Genetski inženjering se može zamisliti kao kombinacija fragmenata DNK prirodnog i sintetičkog porijekla ili kombinacija in vitro uz naknadno uvođenje nastalih rekombinantnih struktura u živu ćeliju tako da se uneseni fragment DNK, nakon njegovog uključivanja u kromosom, ili replicira. ili se izražava autonomno. Posljedično, uneseni genetski materijal postaje dio genoma ćelije. Neophodne komponente genetskog inženjera: a) genetski materijal (ćelija domaćin); b) transportni uređaj– vektor koji prenosi genetski materijal u ćeliju; c) skup specifičnih enzima - "alata" genetskog inženjeringa. Principi i metode genetskog inženjeringa razrađeni su, prije svega, na mikroorganizmima; bakterije - prokarioti i kvasci - eukarioti. Svrha: dobijanje rekombinantnih proteina - rešavanje problema nestašice sirovina.
Strateški cilj genetskog inženjeringa je stvaranje proizvođača sa ljudskim genomom. potencijalni proizvođač mora biti: 1. Nije patogen, a ciljni genetski modifikovani proizvod izolovan od CP ne smije sadržavati čak ni tragove mikrobnih toksina. 2. Endonukleaze ćelije domaćina ne bi trebalo da cepaju vektorsku DNK koja je strana proizvođaču. U ovom slučaju ribozomi proizvođača-domaćina moraju percipirati i. RNA koja odgovara stranom materijalu. 3. Dobijeni protein (ciljani proizvod) stran proizvođaču-vlasniku ne bi trebalo da bude izložen sistemima za popravku koji hidrolizuju strane proteine. 4. Poželjno je ukloniti ciljni proizvod iz ćelije u medijum kulture, radi lakše izolacije i prečišćavanja. Prilikom odabira mikroorganizma koji proizvodi strani protein (LP), potrebno je: — što potpunije proučiti genom i detaljno proučiti metabolizam na nivou vrste kako bi se utvrdila patogenost (po mogućnosti njegov odsutnost); proizvođač mora rasti u uslovima velike proizvodnje na nedeficitarnim i ekonomski dostupnim medijima. Genetski inženjering omogućava: a) da se minimizira vjerovatnoća proteolize stranih proteina; b) minimizirati hidrolizu stranih i. RNA; c) "isključuje" strane gene iz genoma.
Preliminarni rad: - genu koji kodira ciljni protein dodaje se nukleotidna sekvenca koja kodira tzv. vodeća sekvenca aminokiselina (uglavnom hidrofobna). - ciljni proizvod sintetiziran u ćeliji sa hidrofobnom vodećom sekvencom aminokiselina prolazi kroz lipidne slojeve citoplazmatske membrane iz ćelije prema van. Da bi se to postiglo, membrana ćelije proizvođača mora sadržavati "signalnu proteazu", koja odcjepljuje vodeću sekvencu aminokiselina iz genskog proizvoda prije nego što se oslobodi u okoliš. - za prodiranje vektora sa stranim genom u ćeliju, kroz rupe malog prečnika u zidu ćelijske membrane, tretira se litijumskim ili kalcijumovim solima, zavisno od vrste mikroorganizma. Ćelije tretirane na ovaj način nazivaju se kompetentnim: one su u stanju da percipiraju informacije koje nosi vektor. -vektori koji se koriste u radu sa mikroorganizmima konstruisani su na bazi umerenih faga ili plazmida. (Plazmidi su poželjniji jer nema lize ćelija koja je moguća kada se radi sa umerenim fagima).
Prilikom stvaranja novog rekombinantnog proizvođača ključna je tačka umetanje gena (klastera gena) u vektor, tačnije u DNK vektorske molekule, na primjer, u plazmid. To je moguće, budući da postoji veliki skup endonukleaza različite specifičnosti supstrata (restrikcijski enzimi, od engleskog restrikcija - rezanje). restrikcijski enzimi se diferenciraju na: a) rezanje jednog od dva komplementarna lanca DNK; b) sečenje oba konca odjednom. Za prvi krug od interesa su visoko specifični restrikcijski enzimi koji kataliziraju presecanje jednog lanca u ugljikohidratno-fosfatnom DNK lancu, budući da oba lanca mogu imati isti niz, drugi lanac je također podijeljen, ali su rezovi na udaljenosti. Formiraju se jednolančane sekcije - "ljepljivi krajevi". Druga metoda je flankiranje gena sintetičkim nukleotidnim sekvencama, tj. dobivanje ljepljivih krajeva sa datim redoslijedom nukleotida metodom bioorganske hemije.
Faza 1 - "žarenje", gen (ili genski klaster) integriran u vektor se u početku zadržava u njemu zbog vodoničnih veza između komplementarnih ljepljivih krajeva. Faza 2 - fiksiranje gena kovalentnim vezama, uz pomoć ligaza (poprečno povezivanje), zatvaranje jaza u ugljikohidratno-fosfatnoj kičmi DNK. Faza 3 - uvođenje vektora sa čvrsto fiksiranim genom u ćeliju domaćina. Faza 4 - sijanje na TPS, suspenzije transformiranih ćelija. Faza 5 - otkrivanje kulture koja sintetiše ciljni proizvod, za to se koristi metoda preliminarne selekcije klonova koji sadrže vektor uz pomoć "marker gena", koji se ubacuje u vektor. Prokariotski geni - strukturni gen - DNK , prepisan na i. RNK, koja se, prema rasporedu kodona, odražava u aminokiselinskoj sekvenci proteina. Eukariotski geni su diskretni, sadrže naizmjenične egzone i introne koji se prepisuju. Pojava zrelih i. RNK, koja postaje komponenta ribosomskog matriksnog sistema - spajanje, izbacivanjem introna iz primarnog transkripta i "pristajanjem" eksona jedan s drugim. Ljudski protein u prokariotskim ćelijama (pošto prokarioti nemaju spajanje), zrelo i treba ponovo napisati. RNK ljudskog gena koristeći enzim reverzne transkriptaze na DNK, onda se tako skraćena DNK (bez introna) može koristiti za uključivanje u vektor.
1) Inzulin je lišen mana životinje, jer je sekvenca aminokiselina oba lanca kodirana ljudskim genima. U proizvodnji rekombinantnog inzulina nadmeću se dvije fundamentalno različite tehnologije: - plazmid koji kodira proinzulin se uvodi u stanice proizvođača-domaćina (lanci A do C-peptida, lanci B, a zatim do vodećeg peptida i promotorske regije) . Nakon toga, C-peptid se cijepa. - odvojeno dobijanje lanca A i lanca B u dve mikrobne kulture, koje se potom kombinuju. 2) Hormon rasta (somatotropin) - neophodan za rast kostiju. U toku je rad na povećanju selektivnosti hormona rasta (smanjenje njegovog vezivanja za receptor prolaktina). 3) U bubrezima se formira eritropoetin – vrsta specifičan glikoprotein neophodan za diferencijaciju eritrocitoidnih ćelija. Gen za ljudski eritropoetin se ubacuje u jaja kineskog hrčka, gdje se protein glikozilira (proizvođač je jednoslojna kultura). 4) Peptidni faktori rasta tkiva - (hormoni formirani izvan GVS) - brojni bioregulatori su specifični za tkivo i vrstu. 5) Rekombinantni proteinski faktori urođenog imuniteta: Interferoni su faktori urođenog imuniteta koje proizvode ćelije inficirane virusima. Oni izazivaju lokalne i sistemske antivirusne reakcije u drugim ćelijama i koriste se kao antivirusni lekovi. 1. 4. 2. Rekombinantni proteini kao lijekovi
KLASIFIKACIJA BIOTEHNOLOŠKIH PROIZVODA Vrste proizvoda dobijenih BT metodama: - intaktne ćelije - jednoćelijski organizmi se koriste za dobijanje biomase - ćelije (uključujući i imobilizovane) za biotransformaciju. Biotransformacija - reakcije transformacije početnih organskih spojeva (prekursora) u ciljni proizvod pomoću ćelija živih organizama ili enzima izolovanih iz njih. (proizvodnja am-to-t, a/b, steroida, itd.) niskomolekularni proizvodi metabolizma živih ćelija: - Primarni metaboliti su neophodni za rast ćelije. (strukturne jedinice biopolimera - aminokiseline, nukleotidi, monosaharidi, vitamini, koenzimi, organske kiseline) - Sekundarni metaboliti (a/b, pigmenti, toksini) - NMS koji nisu potrebni za opstanak ćelije i formiraju se na kraju njihove faze rast. Dinamika promjena biomase i formiranja primarnih (A) i sekundarnih (B) metabolita u procesu rasta organizma: 1 - biomasa; 2 - proizvod
36 Komponente biotehnološke proizvodnje Glavne karakteristike BT proizvodnje: 1. dva aktivna i međusobno povezana predstavnika sredstava proizvodnje - bio-objekat i "fermentor"; 2. što je veća stopa funkcionisanja biološkog objekta, to su veći zahtevi za hardversko projektovanje procesa; 3. I bioobjekat i uređaji biotehnološke proizvodnje su podvrgnuti optimizaciji. Svrhe implementacije biotehnologije: 1. glavna faza proizvodnje lijekova - dobijanje biomase (sirovine, lijekovi); 2. jedna ili više faza proizvodnje lijeka (kao dio hemijske ili biološke sinteze) - biotransformacija, odvajanje racemata itd.; 3. puni proces proizvodnje lijeka - funkcioniranje biološkog objekta u svim fazama stvaranja lijeka. Uslovi za primenu biotehnologija u proizvodnji lekova 1. Genetski određena sposobnost bio-objekta za sintezu ili specifičnu transformaciju u vezi sa proizvodnjom biološki aktivnih supstanci ili lekova; 2. Sigurnost bio-objekta u biotehnološkom sistemu od unutrašnjih i eksternih faktora; 3. Obezbjeđivanje bio-objekata koji funkcionišu u biotehnološkim sistemima plastičnim i energetskim materijalom u količinama i redoslijedu koji garantuju potreban smjer i brzinu biotransformacije.
U svakoj od varijanti postavljenog cilja djeluju međusobno povezanim tokovima: 1. informacionim 2. energetskim 3. tehnološkim. U modernim biotehnologijama, kako bi se ubrzalo sazrijevanje meristemskih kultura i skratile međufaze sinteze, tehnološki i energetski tokovi su značajno modernizirani. - biološki objekti: odabir proizvođača, poboljšanje genetskog inženjeringa, prelazak na imobilizaciju, supersintezu itd. - komplikacije uređaja koji pružaju energetsku i plastičnu podršku elementarnoj bazi biotehnološkog procesa.
Faze proizvodnje BT 1. Priprema sirovina (hranjivog medija) supstrata sa željenim svojstvima (pH, temperatura, koncentracija) 2. Priprema biološkog objekta: sjemenske kulture ili enzima (uključujući imobilizirane). 3. Biosinteza, biotransformacija (fermentacija) - formiranje ciljnog proizvoda usled biološke transformacije komponenti hranljivog medijuma u biomasu, zatim, ako je potrebno, u ciljni metabolit. 4. Izolacija i prečišćavanje ciljnog proizvoda. 5. Dobijanje robnog oblika proizvoda 6. Prerada i odlaganje otpada (biomasa, tečnost kulture itd.) Glavne vrste biotehnoloških procesa Bioslični Proizvodnja metabolita - hemijski produkti metaboličke aktivnosti, primarni - aminokiseline, sekundarni polisaharidi - alkaloidi , steroidi, antibiotici Multi-supstratne konverzije (pročišćavanje otpadnih voda, odlaganje lignoceluloznog otpada) Jednosupstratne konverzije (pretvaranje glukoze u fruktozu, D-sorbitola u L-sorbozu u proizvodnji vit C) Biohemijska proizvodnja ćelijskih komponenti (enzima , nukleinske kiseline) Biološka proizvodnja biomase (jednoćelijski protein)
Metode fermentacije Dubina fermentacije Šarža Površina u čvrstoj fazi Kontinuirane ćelije Suspendirane ćelije Imobilizirane ćelije Enzimi Imobilizirani enzimi Enzimi u otopini
po zapremini: - laboratorijski 0,5 -100 l, - pilot 100 l -10 m 3, - industrijski 10 - 100 m 3 i više. Kriterijumi za izbor fermentora: - izmjena toplote, - brzina rasta jedne ćelije, - tip disanja biološkog objekta, - način transporta i transformacije supstrata u ćeliji - vrijeme reprodukcije jedne ćelije. Hardversko projektovanje biotehnološkog procesa - fermentori:
Biostat A plus je autoklavibilni fermentor sa izmjenjivim posudama (radni volumen 1, 2 i 5 L) za uzgoj mikroorganizama i ćelijskih kultura i potpuno je prilagodljiv na velike količine. Jedno kućište sa integrisanom opremom za merenje i kontrolu, pumpama, sistemom za kontrolu temperature, snabdevanjem gasom i motorom Laptop sa unapred instaliranim Windows kompatibilnim MFCS/DA softverom za upravljanje i dokumentovanje procesa fermentacije Laboratorija (dijagram)
biosinteza u opštem smislu: proizvođač — bioobjekat opšte tehnologije mikronivoa u predloženim uslovima: pomoćne operacije glavne operacije
Upoređujući strukture proizvodnje različitih pravaca (na osnovu zadataka), elementi prve faze su svuda isti: bioobjekat, bioreaktor, aseptični sistemi, - snabdevanje plastičnim i energetskim materijalom, - odvajanje proizvoda fermentacije itd. Glavne razlike u drugoj fazi hijerarhije - prečišćavanje ciljnog proizvoda - uklanjanje nusproizvoda, posebno na nivou organizacije pomoćnih podsistema (kontrola kvaliteta). Hijerarhija biotehnoloških procesa Prvi korak su bioobjekti u sprezi sa kontrolisanim bioreaktorima. Druga faza je spajanje međusobno povezanih tehnoloških procesa i aparata u jedinstveni tehnološki lanac (radionicu). Treća faza je pilot postrojenje ili preduzeće kompletnog ciklusa, odnosno glavni i pomoćni (opšti inženjering) podsistemi.
1. Pomoćne radnje: 1. 1. Priprema sjemena (inokuluma): inokulacija epruveta, tikvica za mućkanje (1-3 dana), inokulator (2-3% 2-3 dana), mašina za sjetvu (2-3 dana) . Kinetičke krivulje rasta 1. period indukcije (lag faza) 2. faza eksponencijalnog rasta (akumulacija biomase i biosintetskih proizvoda) d. N / dt = N (N - broj ćelija, t - vrijeme, - koeficijent proporcionalnosti (specifična stopa rasta) 3. linearna faza rasta (ujednačen rast kulture) 4. faza sporog rasta 5. stacionarna faza (stalnost održivih jedinki 6 .Faza starenja kulture (odumiranje) N t 1 2 3 4 5 61. 2. Priprema hranljivog podloge odabir i implementacija formulacije podloge, sterilizacija koja garantuje očuvanje plastičnih i energetskih komponenti u originalnoj količini i kvalitetu O, C , N, P, H - elementi neophodni za energetski metabolizam i sintezu ćelijskih struktura.
Sadržaj nutrijenata u različitim biološkim objektima, u % Mikroorganizmi element ugljik i dušik fosfor kisik vodonik bakterije 50,4 12,3 4,0 30,5 6,8 kvasac 47,8 10,4 4,5 31, 1 6, 5 gljivica 47 , 93, 5 7 hemijski elementi omogućava vam da napravite opis za svaki biološki objekat u obliku izraza: U kvascu = C 3,92 x. H 6,5 x. Oko 1,94 x N 0,7 x. P 0,14 (numerički koeficijenti se dobijaju dijeljenjem masenog udjela elementa u biomasi sa atomskom masom ovog elementa) Postoji kvantitativni obrazac uticaja koncentracije elemenata hranljivog medija na brzinu rasta biomase, kao kao i međusobni uticaj istih elemenata na specifičnu brzinu rasta bioobjekata CDN/d. T 1 2 3 C je koncentracija granične komponente DN / d. T je stopa rasta mikroorganizama. 1 - regija ograničenja, 2 - regija optimalnog rasta, 3 - regija inhibicije. Utjecaj bilo koje komponente se izražava grafički iu obliku jednadžbe: (c) \u003d b x C / (K s + C) Monodova jednadžba. je koeficijent proporcionalnosti, c je koncentracija potrošne komponente medija, b je granična maksimalna specifična stopa rasta bioobjekta K s je konstanta afiniteta supstrata prema bioobjektu.
1. 3. Sterilizacijom hranljive podloge potrebno je potpuno eliminisati kontaminirajuću floru i sačuvati biološku korisnost supstrata češće autoklaviranjem, rjeđe hemijskim i fizičkim uticajima. Efikasnost odabranog načina sterilizacije procjenjuje se konstantom brzine odumiranja mikroorganizama (preuzeto iz posebnih tabela) pomnoženom sa trajanjem sterilizacije. Kontrola sterilizacije se vrši pomoću test kulture Bacillus stearothermophilus soja 1518, smatra se da se apsolutna sterilnost postiže sa kriterijumom sterilizacije 80. U prisustvu termolabilnih komponenti nastoji se smanjiti vreme obrade kada temperatura poraste iznad 140 ° C, promjena labilnosti se može postići, na primjer, pomicanjem p. H za glukozu 3, 0 za saharozu 8, 0. 1. 4. Priprema fermentora Sterilizacija opreme živom parom. Zaptivanje sa posebnom pažnjom na "slabe" tačke slepih priključaka malog prečnika, okova merača kontrolne i merne opreme. Odabir fermentora vrši se uzimajući u obzir kriterije za disanje biološkog objekta, prijenos topline, transport i transformaciju supstrata u ćeliji, brzinu rasta jedne ćelije, vrijeme njene reprodukcije itd.
2. Glavne operacije: 2. 1. Faza biosinteze, u kojoj se maksimalno koriste mogućnosti bioobjekta za dobijanje lijeka (akumuliranog unutar ćelije ili izlučenog u medijum kulture). 2. 2. Faza koncentracije, istovremeno dizajnirana za uklanjanje balasta. 2. 3. Faza prečišćavanja, kojom se ostvaruje povećanje specifične specifične aktivnosti lijeka ponavljanjem iste vrste operacija ili korištenjem skupa različitih preparativnih metoda (ultrafiltracija, ekstrakcija, sorpcija, kristalizacija itd.). 2. 4. Faza dobijanja finalnog proizvoda (supstance ili gotovog doznog oblika) sa naknadnim operacijama punjenja i pakovanja.
Hranljivi medij Odvajanje Kultura tečnost Koncentracija ćelija. Izolacija i prečišćavanje metabolita Dezintegracija mrtvih ćelija Biomasa mrtvih ćelija Stabilizacija proizvoda. Biomasa živih ćelija Dehidracija. Stabilizacija proizvoda Skladištenje aplikacija Živi proizvod. Suhi proizvod Živi proizvod. Suhi proizvod Kultivacija (fermentacija) Priprema inokuluma Biotehnološka proizvodna shema
Antropogeni uticaj na biosferu je sastavni deo razvoja civilizacije. Oranje zemlje, krčenje šuma, "gaženje" stepa neprestano prate istoriju čovečanstva. Prikladno je podsjetiti na uništavanje određenih vrsta životinja i biljaka i preseljavanje nekih vrsta iz njihovih izvornih staništa.
U vezi sa posebnom aktuelnošću problema uticaja industrije na biosferu, razmotrimo kako u tom pogledu izgleda biotehnološka proizvodnja. Prije svega, znanstveno je intenzivan i, u poređenju sa hemijsko-tehnološkom proizvodnjom, efikasniji, budući da je ćelija proizvođača (bio-objekt) „uravnoteženi kompleks biokatalizatora“ koji radi produktivnije od sistema sekvencijalnih hemijske reakcije sa neorganskim katalizatorima.
Potrošnja energetskih resursa i vode u biotehnološkoj industriji je samo djelić procenta od one koju troši moderna kemijska industrija. Emisija gasovitog otpada biotehnoloških preduzeća u atmosferu ne prelazi ni desetinu procenta emisija iz industrije u cjelini. Upravo je biotehnološka proizvodnja najprihvatljivija u savremenim uslovima, međutim, ona ima i specifične ekološke probleme pa se shodno tome unapređuje u sledećim pravcima:
Stvaranje i korištenje aktivnijih bioloških objekata-proizvođača (kao rezultat toga, biće manje otpada po jedinici proizvodnje!);
Zamjena medija i reagensa manje oskudnim;
Imobilizacija bioloških objekata (i ćelija i enzima), njihova ponovljena upotreba za smanjenje otpada;
Implementacija membranske tehnologije u fazi izolacije i prečišćavanja ciljnog proizvoda (smanjenje količine organskih rastvarača koji se koriste kako bi se izbjegli agresivni uvjeti u pojedinim fazama proizvodnog procesa);
Usklađenost sa GMP pravilima.
Razmotrimo ukratko probleme u vezi sa eliminacijom (iskorišćenjem) ili tretmanom industrijskog otpada tradicionalnog biotehnološkog preduzeća.
čvrsti otpad. Prije svega, to uključuje micelij (biomasu) proizvođača nakon njegovog odvajanja od tečnosti kulture i ciljnog proizvoda. Količina micelija s kojom se treba nositi može se vizualizirati na osnovu činjenice da je zapremina ispuštanja industrijskog fermentora 50-100 m 3 guste, viskozne (zbog prisustva micelija) tekućine. S obzirom da preduzeće ima veliki broj fermentora, a ciklus fermentacije traje oko nedelju dana, može se zaključiti da ova vrsta čvrstog otpada na jednom (velikom) preduzeću iznosi više stotina tona godišnje. Treba imati u vidu da micelij sadrži i zaostale količine ciljnog produkta, a to su, po pravilu, biološki visoko aktivne supstance.
Trenutno se čvrsti otpad eliminiše preradom micelija. Meša se sa zemljom i postavlja u jame sa betonskim podlogama. Svaka takva rupa ostaje zatvorena
nekoliko godina. Za to vrijeme, mikroorganizmi u tlu su izloženi organska materija micelija do enzimskog cijepanja, koristeći ih za izgradnju "svoje" biomase. Zapravo nastaje kompost, dok se organski dio micelija razgrađuje. Betonska podloga u ovoj vrsti " kompostne jame» neophodan je kako bi se spriječilo prodiranje još neraspadnutih rastvorljivih organskih materija micelija u rezervoare podzemne i kišnice. Obično se na teritoriji preduzeća izdvajaju posebne površine za kompostne jame. Treba napomenuti da je izvoz osušenog micelija (njegova masa se smanjuje 10-100 puta u odnosu na original) na gradske deponije zabranjen.
Pokušaji korištenja micelija u različite svrhe općenito još nisu bili uspješni, ali je u laboratorijskim uvjetima već stvorena tehnologija s malo otpada. Ukupna lipidna frakcija ekstrahirana je iz micelija aktinomiceta proizvođača tetraciklina i korištena kao sredstvo protiv pjene u sljedećem proizvodnom ciklusu u proizvodnji tetraciklina koji je formirao proizvođač koji pripada istom soju. U nekim slučajevima (sa ograničenim pašnjacima) sterilizirana i mljevena biomasa nekih mikroorganizama koristi se kao dodatak u ishrani domaćih životinja. Micelij gljivica i aktinomiceta (otpad u proizvodnji antibiotika) poboljšava kvalitet nekih građevinskih materijala (ploče od gline, cigle i dr.), povećavajući njihovu čvrstoću. Ali iz ekonomskih razloga, nepraktično je proizvoditi ove materijale.
Tečni otpad. IN U slučaju biotehnološke proizvodnje, tečni otpad su efluenti i otpadna tečnost, uglavnom je to kulturna tečnost nakon što se od nje odvoji micelij i ekstrahuje ciljni proizvod. Ukupna godišnja zapremina tečnosti kulture koja se mora prečistiti je desetine hiljada kubnih metara za jedno preduzeće. Stepen prečišćavanja, kontrolisan različitim metodama, mora biti takav da se pročišćena tečnost može ispuštati u otvorena vodna tijela.
Postoje različite šeme čišćenja. U gotovo svim njima ključnu ulogu imaju mikroorganizmi (biološki tretman). Predstavljamo jednu od ovih šema. Prva komponenta sistema za prečišćavanje je armiranobetonska jama u koju ulazi istrošena tečnost kulture. Na dno jame su položene cijevi kroz koje se isisava talog. U ovoj fazi, približno 40% kontaminanata se uklanja iz tečnosti kulture.
Sljedeći dio sistema za pročišćavanje sastoji se od jednog ili više aerotankova koji se nalaze jedan za drugim - rezervoara s cijevima koje prolaze duž dna, iz kojih zrak izlazi u obliku mjehurića, prolazeći kroz cijelu debljinu tekućine, kao rezultat zasićen je kiseonikom. Vazduh doprinosi intenzivnom toku oksidativnih procesa. Ključna karakteristika aerotanka je prisustvo u njemu takozvanog "aktivnog mulja" (vještačka biocenoza - zajednica mikroorganizama koji oksidiraju organske tvari otopljene u tekućini do CO 2 i H 2 O), koji se postepeno formira tokom rad preduzeća.
Sastav vrsta biocenoze aktivnog mulja u različitim preduzećima može neznatno varirati, budući da potonji zavisi od oksidisanih supstrata. U pravilu dominiraju predstavnici roda Pseudomonas (70%). Slijede mikroorganizmi ujedinjeni u rod Bacterium (20%). Preostalih 10% su predstavnici rodova Bacillus, Sarcina i drugih mikroorganizama. Prilikom karakterizacije aktivnog mulja kao biocenoze ili kao supraorganizmske interspecifične zajednice u odnosu na tretman otpadnih voda iz biotehnološke proizvodnje, treba istaći tri važne okolnosti.
Prvo, sojevi roda Pseudomonas ovdje igraju osnovnu ulogu. Međutim, ovaj rod ne treba svesti na Pseudomonas acruginosa, poznatog uzročnika opasnih infekcija rana. U prirodnim uslovima, rod Pseudomonas predstavlja veliki broj vrsta koje nisu opasne za ljude. To su nepatogeni sojevi koji su dio aktivnog mulja. Ove mikroorganizme karakterizira širok spektar oksidativnih enzima. Preparati koji se sastoje od ćelija Pseudomonas koriste se za otklanjanje zagađenja izazvanog izlivanjem nafte. Slikovito rečeno, egzotični supstrati, kao što su prstenasti ugljovodonici, takođe prolaze kroz oksidaciju. Osim toga, ljuska saprofitnih vrsta Pseudomonas uključenih u aktivni mulj ima svoje karakteristike na nivou porinskih kanala, što olakšava pristup supstrata oksidativnim enzimima.
Drugo, transformacija nekih supstrata u CO 2 i H 2 O vrši se zbog sekvencijalnog djelovanja enzima različitih mikroorganizama na njih. Drugim riječima, jedan enzimski sistem pretvara određeno jedinjenje u intermedijere, dok drugi katalizira dalju degradaciju ovih intermedijera. Time se naglašava da aktivni mulj funkcionira kao kompleks mikroorganizama.
Treće, treba imati na umu da otpadne vode nekih industrija (posebno preduzeća antibiotske industrije) mogu sadržavati preostale količine antimikrobnih supstanci. To znači da su mikroorganizmi u aerotankovima stalno u kontaktu sa njima, tj. stvaraju se uslovi za izbor otpornih oblika. Ali postoje slučajevi kada koncentracija antimikrobnih supstanci u tretiranom tekućem otpadu može biti neobično visoka i uzrokovati smrt ćelija aktivnog mulja.
To zahtijeva kontrolu nad stanjem aktivnog mulja. Nakon sekcije sa aerotankom ili nekoliko uzastopno lociranih aerotankova i sekundarnog taložnika, „jedinica za naknadnu obradu“ je fundamentalno važna za sistem tekućeg otpada. U njemu se kulturalna tekućina, u kojoj ostaje otprilike 10% izvornog sadržaja organskih tvari (u pravilu su to tvari koje se teško oksidiraju), prolazi kroz biofiltere - filmove s imobiliziranim stanicama mikroorganizama s najvećom oksidacijom. aktivnost. Često ove ćelije pripadaju genetski modifikovanim sojevima koji sadrže plazmide koji nose gene za oksidativne enzime (enzime za uništavanje). Takvi namjenski dobiveni "destruktori sojevi" sposobni su da oksidiraju tvari koje je teško oksidirati i uništiti preostalih 10% kontaminanata u tretiranoj tekućini.
Imobilizacija ćelija ovakvih sojeva u biofilmima je racionalna s obzirom na činjenicu da se tokom slobodne reprodukcije ovih ćelija može izgubiti veštački povećana oksidativna aktivnost usled povratnih mutacija ili gubitka plazmida. U ovom slučaju, čini se da su genetski inženjering i inženjerska enzimologija „kombinovani“ u „bloku posle tretmana“. Post-pročišćena tečnost koja ispunjava zvanične kriterijume za vodu za piće (jedna od prihvaćenih metoda za kontrolu toksičnosti u ovom slučaju je suzbijanje vitalnosti mikroskopskih
rakova Daphnia magna), hloriše se i zatim ulazi u otvorena vodena tijela.
Što se tiče rada sistema biološkog tretmana otpadnih voda u različitim režimima, treba napomenuti da pri maksimalnim („udarnim“) opterećenjima mogu nastati različite poteškoće. U takvim radnim periodima u aerotankove se unose visokoaktivni destruktori („bakterijski starteri“), što omogućava značajno povećanje propusnosti sistema za tretman tečnog otpada. U tu svrhu preporučuju se specijalni preparati za biotehnološka preduzeća različitih profila: "Phenobac" - za iskorištavanje ugljovodonika, "Thermobac" - za oksidaciju polisaharida, "Polibac" - za oslobađanje od sintetičkih deterdženata itd. Približna doza "bakterijskog startera" iz živih ćelija je oko 100 mg po 1 m 3 otpadne tečnosti.
U zaključku, napominjemo moguću raznolikost shema za biološko korištenje tekućeg otpada. Dakle, pored aerobnog tretmana, shema može uključivati: fazu anaerobnog tretmana, faze pomoću sorbenata (aktivni ugljen, zeoliti, itd.), faze koje koriste elektrohemijske metode (na primjer, elektrokoagulaciju).
Gasni otpad. Emisije gasova se prečišćavaju od organskih jedinjenja na temperaturama od 300 do 1.000 °C u kolonama sa neorganskim katalizatorima. U ovom slučaju, hlapljiva "organska" se pretvara u CO 2 . U nekim slučajevima se koriste biološki filteri na bazi mikroorganizama koji oksidiraju organske tvari do CO 2.