Vylepšování biologických objektů. Environmentální aspekty biotechnologické výroby
Odeslat svou dobrou práci do znalostní báze je jednoduché. Použijte níže uvedený formulář
Studenti, postgraduální studenti, mladí vědci, kteří využívají znalostní základnu ve svém studiu a práci, vám budou velmi vděční.
Zatím neexistuje žádná HTML verze díla.
Archiv díla si můžete stáhnout kliknutím na odkaz níže.
Podobné dokumenty
Charakteristika biotechnologického procesu v závislosti na získaném cílovém produktu, na mechanismu vzniku konečného produktu, na podmínkách procesu. Volba různých separačních metod v závislosti na lokalizaci cílového produktu.
kontrolní práce, přidáno 16.05.2015
Nauka o formách předků jako jedna z částí výběru. Řetězec evolučních změn. Učení Charlese Darwina. Centra původu pěstovaných rostlin v učení akademika N.I. Vavilov. Výhody genetické diverzity výchozího materiálu.
abstrakt, přidáno 21.01.2016
Etapy provádění experimentů na přenos genetického materiálu, využití technologií ke studiu procesů diferenciace, karcinogeneze. podmínky buněčné kultivace. Druhy a účel výběru. Přenos genů zprostředkovaný chromozomy a DNA.
tutoriál, přidáno 8.11.2009
Pojem mutace je jakákoliv dědičná změna, která není spojena se štěpením nebo s obvyklou rekombinací nezměněného genetického materiálu. Typy chromozomálních mutací. Aktivita muozomálních enzymů u různých patologických stavů.
test, přidáno 15.08.2013
Pojem dědičnost a proměnlivost. Obecné vzorce mutageneze. Vlastnosti působení fyzikálních a chemických mutagenů. Použití indukované mutageneze. Genetické důsledky znečištění životního prostředí.
abstrakt, přidáno 09.04.2007
Vlastnosti mutací jako spontánní změny genotypu. Modifikace molekuly DNA pod vlivem mutagenů. Charakterizace způsobů udržení genetické homeostázy na molekulárně-genetické, buněčné, organizmové a populačně-druhové úrovni.
abstrakt, přidáno 17.11.2015
Popisy změn v buněčné DNA, ke kterým dochází pod vlivem ultrafialového a rentgenového záření. Charakterizace znaků genových a chromozomálních mutací. Příčiny a přenos cytoplazmatických mutací. Studium mutací v rostlinných somatických buňkách.
Bioobjekt- jedná se o výrobce, který biosyntetizuje požadovaný produkt, nebo katalyzátor, enzym, který katalyzuje jeho vlastní reakci.
Požadavky na biologické objekty
Pro realizaci biotechnologických procesů jsou důležitými parametry biologických objektů: čistota, rychlost buněčné reprodukce a reprodukce virových částic, aktivita a stabilita biomolekul nebo biosystémů.
Je třeba mít na paměti, že když jsou vytvořeny příznivé podmínky pro vybraný biologický objekt biotechnologie, mohou se stejné podmínky ukázat jako příznivé například pro mikroby - kontaminanty nebo polutanty. Zástupci kontaminující mikroflóry jsou viry, bakterie a houby nacházející se v kulturách rostlinných nebo živočišných buněk. V těchto případech působí mikroby-kontaminanty jako škůdci produkce v biotechnologii. Při použití enzymů jako biokatalyzátorů je nutné je v izolovaném nebo imobilizovaném stavu chránit před zničením banální saprofytickou (nepatogenní) mikroflórou, která může díky nesterilitě systému pronikat do biotechnologického procesu zvenčí.
Aktivita a stabilita v aktivním stavu biologických objektů jsou jedním z nejdůležitějších ukazatelů jejich vhodnosti pro dlouhodobé využití v biotechnologiích.
Bez ohledu na systematickou polohu biologického objektu se tedy v praxi používají buď přirozené organizované částice (fágy, viry) a buňky s přirozenou genetickou informací, nebo buňky s uměle danou genetickou informací, to znamená v každém případě buňky. ať už jde o mikroorganismus, rostlinu, zvíře nebo člověka. Příkladem je proces získání viru obrny v kultuře buněk opičích ledvin za účelem vytvoření vakcíny proti němu. nebezpečná nemoc. Přestože nás zde zajímá akumulace viru, jeho rozmnožování probíhá v buňkách živočišného organismu. Dalším příkladem jsou enzymy pro použití v imobilizovaném stavu. Zdrojem enzymů jsou také izolované buňky nebo jejich specializované asociace ve formě tkání, ze kterých se izolují potřebné biokatalyzátory.
Klasifikace biologických objektů
1) Makromolekuly
Enzymy všech tříd (často hydrolázy a transferázy); počítaje v to v imobilizované formě (spojené s nosičem) poskytující vícenásobné použití a standardizaci opakujících se výrobních cyklů;
DNA a RNA - v izolované formě, jako součást cizích buněk.
2) Mikroorganismy
Viry (s oslabenou patogenitou se používají k výrobě vakcín);
Prokaryotické a eukaryotické buňky jsou producenty primárních metabolitů: aminokyselin, dusíkatých bází, koenzymů, mono- a disacharidů, enzymů pro substituční terapii atd.); -producenti sekundárních metabolitů: antibiotika, alkaloidy, steroidní hormony atd.;
Normoflora – biomasa určité typy mikroorganismy používané pro prevenci a léčbu dysbakteriózy;
Patogeny infekčních onemocnění - zdroje antigenů pro výrobu vakcín;
Transgenní m/o nebo buňky - producenti druhově specifických proteinových hormonů pro člověka, proteinových faktorů nespecifické imunity atd.
3) Makroorganismy
Vyšší rostliny jsou surovinou pro získávání biologicky aktivních látek;
Zvířata - savci, ptáci, plazi, obojživelníci, členovci, ryby, měkkýši, lidé;
transgenní organismy.
Jako biologické objekty či systémy, které biotechnologie využívá, je nutné jmenovat především jednobuněčné mikroorganismy, ale i živočišné a rostlinné buňky. Výběr těchto objektů je způsoben následujícími body:
1. Buňky jsou jakési „biotovárny“, které v průběhu života produkují různé cenné produkty: bílkoviny, tuky, sacharidy, vitamíny, nukleové kyseliny, aminokyseliny, antibiotika, hormony, protilátky, antigeny, enzymy, alkoholy atd. Mnohé z těchto produktů, které jsou v lidském životě nesmírně nezbytné, nejsou dosud dostupné pro získání "nebiotechnickými" metodami kvůli nedostatku nebo vysoké ceně surovin nebo složitosti technologických procesů.
2. Buňky se extrémně rychle rozmnožují. Bakteriální buňka se tedy dělí každých 20–60 minut, buňka kvasinek se dělí každých 1,5–2 hodiny, živočišná buňka se dělí každých 24 hodin, což umožňuje uměle pěstovat na relativně levných a nedostatkových živných půdách v průmyslovém měřítku. v relativně krátkém čase. obrovské množství biomasa mikrobiálních, živočišných nebo rostlinných buněk. Například v bioreaktoru o kapacitě 100 m 3 na 2-3 dny. Lze pěstovat 10 16 -10 18 mikrobiálních buněk. Během života buněk při jejich kultivaci okolí přijímá velký počet cenné produkty a samotné buňky jsou zásobárnami těchto produktů.
3. Biosyntéza komplexních látek jako jsou proteiny, antibiotika, antigeny, protilátky atd. je mnohem ekonomičtější a technologicky dostupnější než chemická syntéza. Současně je surovina pro biosyntézu zpravidla jednodušší a dostupnější než surovina pro jiné typy syntézy. Pro biosyntézu se využívají odpady ze zemědělství, rybářství, potravinářství, rostlinné suroviny, kvasnice, dřevo, melasa atd.).
4. Možnost provedení biotechnologického procesu v průmyslovém měřítku, tzn. dostupnost vhodného technologického vybavení, dostupnost surovin, technologie zpracování atd.
Popis prezentace Úvod do moderní biotechnologie BIOOBJECT „na diapozitivech nic není
Úvod do moderní biotechnologie BIOOBJECT „není nic praktičtějšího než dobrá teorie“ od jednoho z velkých fyziků Plancka nebo Einsteina. 2. místo z hlediska investiční atraktivity po informačních technologiích
Biotechnologie (BT) je vědeckou a praktickou prioritou postgenomických technologií 21. století: – genomika, proteomika, – bioinformatika, metabolomika, nanobiotechnologie. Antropogenomický projekt — vytvoření genetických pasů pro sportovce a další pilotní skupiny populace. projekty v oblasti biodiverzity, biologické bezpečnosti a biokatalýzy Medical BT - tvorba životně důležitých léčiv (hormony, cytokiny, biogenerika, terapeutické MAT, vakcíny nové generace), - vývoj technologií kmenových buněk. V zemědělství vývoj transgenních rostlinných a živočišných plodin. V oblasti potravin BT – vývoj pro funkční, vyváženou stravu, včetně samostatného projektu o biotechnologii mořských plodů. V environmentální BT - obnova zemědělské krajiny a vytváření ekologicky šetrného bydlení. Projekt Biočipy je vytvořením originálních biočipů pro výzkum v oblasti genomiky a proteomiky a diagnostiky.
Termín Karl Ereki 1917 - (proces průmyslového chovu prasat s využitím cukrové řepy jako krmiva). Biotechnologie jsou všechny druhy práce, při které se ze surovin za pomoci živých organismů vyrábějí určité produkty. popis průmyslových fermentačních procesů, obor nyní nazývaný ergonomie. Biotechnologie je směr vědeckého a technologického pokroku, který využívá biologické procesy a činitele k cílevědomému ovlivňování přírody i v zájmu průmyslové výroby produktů užitečných pro člověka, včetně léků.
Biotechnologické produkty 1. Vakcíny a séra 2. Antibiotika 3. Enzymy a antienzymy 4. Hormony a jejich antagonisté 5. Vitamíny (B12) 6. Aminokyseliny 7. Krevní náhražky 8. Alkaloidy 9. Imunomodulátory 10. Bioradioprotektory 11. Immunosenzorická diagnostika
Historie biotechnologie I Empirické období - ca. 6000 let před naším letopočtem a do poloviny X 1 X století. reprodukce přírodních procesů v umělých podmínkách: pečení chleba, úprava kůže, výroba lnu, přírodního hedvábí, siláž krmiva pro hospodářská zvířata, výroba kysaných mléčných výrobků, sýry, kysané zelí, Vinařství Pivovarnictví biotechnologické metody Farmacie a lékařství: Jedy zvířat a rostlin , Žluč a další biokapaliny, tinktura z kůry mochyně pro úlevu od horečnatých záchvatů u malárie, hirudoterapie, apiterapie, rostlinné opiáty a alkaloidy, prevence neštovic obsahem telecích pustul, pacienti s kravskými neštovicemi a mnoho dalších. ostatní jsou v srdci moderní preventivní a klinické medicíny.
II - Období vědecké a praktické (1856 -1933) L. Pasteur - zakladatel vědecké mikrobiologie a jejích oborů (průmyslová, lékařská, chemická a sanitární mikrobiologie). - prokázala mikrobiální povahu fermentačních procesů; de Bari - zakladatel mykologie, základ moderních klasifikačních schémat makro a mikromycetů. D. I. Ivanovsky - 1892 virus tabákové mozaiky, po objevení dalších virů = virologie Nejdůležitější úspěchy: byla prokázána druhová identita mikrobů Mikroorganismy izolované v čistých kulturách a množené a pěstované na živných půdách k reprodukci přirozených procesů (fermentace, oxidace atd.). ) zahájena výroba nutričního lisovaného droždí.Byly získány bakteriální metabolity (aceton, butanol, kyselina citrónová a mléčná). byla vytvořena bioinstalace pro mikrobiologické čištění odpadních vod.
III - Biotechnické období 1933 -1972 "Metody studia metabolismu plísňových hub" (A. Kluiver, L. Kh. Ts. Perkin) počátek průmyslové biotechnologie: podmínky. 2. metodické přístupy k hodnocení a interpretaci výsledků získaných při hloubkové kultivaci hub. 1939 -1945 vznik a rozvoj výroby antibiotik. Již 40 let se řeší hlavní úkoly navrhování, vytváření a uvádění do praxe průmyslové vybavení včetně bioreaktorů.
IV - období molekulárního nebo genetického inženýrství 1972 - první rekombinantní molekula DNA (P. Berg et al., USA). 1982 komerční geneticky upravený lidský inzulín. Další geneticky upravené léky: - interferony, - tumor nekrotizující faktor (TNF), - interleukin-2, - lidský růstový hormon.
Hlavní směry biotechnologie Biopalivové články přeměňují chemickou energii substrátů na jiné druhy energie, získávají zdroje energie - bioplyn, sacharidy. produkce vodíku pomocí chemotrofních a sinic, řas, některých prvoků Biosenzory jsou vysoce citlivé umělé prvky biologické povahy schopné rozpoznat mikrokvantity látek v jakémkoliv stavu agregace. biologické molekuly selektivně interagují s mikromnožstvími chemikálií, jejichž změny jsou zaznamenávány a vizualizovány elektronickým zařízením. senzory analytických přístrojů v průmyslu, zemědělství, medicíně, ochraně životního prostředí pro detekci sacharidů, močoviny, laktátu, kreatininu, etanolu, aminokyselin a dalších látek. Bioenergetická technologie
Kosmická biotechnologie - Beztíže - změna průběhu fyzikálních a chemických procesů: snížení konvekce, vyloučení sedimentace, síly povrchového napětí větší než gravitační, vyloučení blízkostěnných jevů (procesy bez nádob). snadněji vytvořit podmínky pro krystalizaci bílkovin v čistá forma pro různé účely a pro rentgenovou difrakční analýzu. je jednodušší zapouzdřit buňky do semipermeabilních membrán, jako jsou zvířecí buňky slinivky břišní, pro následnou implantaci u diabetických pacientů, kde budou syntetizovat inzulín, zapouzdřené jaterní buňky lze použít k vytvoření umělých orgánů pro čištění krve.
Inženýrská enzymologie je využití katalytických funkcí enzymů v izolovaném stavu nebo jako součásti buněk k získání různých produktů. Biogeotechnologie - využití mikroorganismů pro těžbu nerostů, výrobu kovů vzácných zemin, odstraňování metanu v dolech atd. Lékařská biotechnologie - tvorba prostředků a/nebo látek pro lékařské účely, krevních produktů, transplantací a bioprotéz. Biotechnologie léčiv - z více než 1000 druhů léčiv je minimálně třetina vyrobena nebo může být vyrobena biotechnologicky. Imunobiotechnologie - výroba vakcín, krevních imunoglobulinů, imunomodulátorů, monoklonálních protilátek atd.
Příležitosti 1. Přesná a včasná diagnostika, prevence a léčba infekčních a genetických onemocnění; 2. zvýšení produktivity zemědělství. plodiny vytvářením rostlin odolných vůči škůdcům, chorobám a nepříznivým podmínkám prostředí; 3. tvorba mikroorganismů produkujících různé BAS (antibiotika, polymery, aminokyseliny, enzymy); 4. vytváření plemen zemědělských zvířat se zlepšenými dědičnými znaky; 5. zpracování toxických odpadů - látky znečišťující životní prostředí - vliv geneticky upravených organismů na jiné organismy nebo životní prostředí; snížení přirozené genetické diverzity při vytváření rekombinantních organismů; Změna genetické podstaty člověka pomocí metod genetického inženýrství; porušování lidského práva na soukromí používáním nových diagnostických metod; dostupnost léčby pouze bohatým za účelem zisku; Překážky volné výměny myšlenek mezi vědci v boji o priority Problémy
Vztah technologie a živých technických modifikací, biomolekul s informační a funkční aktivitou. Technologie je reprodukce přírodních procesů v umělých podmínkách. biokatalytická biosyntetika v živých buňkách pro- a eukaryot. Průmyslová výroba Bioreaktor a inženýrské systémy bioobjekt podpory života - základ biotechnologie živočišného původu: Člověk (dárce) Savci, plazi, ptáci, ryby, hmyz, bezobratlí Mikroorganismy: Eukaryota: prvoci, houby, kvasinky Prokaryota: aktinomycety, eubakterie viry, fágy rostlinného původu: Divoké a pěstované rostliny Řasy Buněčné a tkáňové kultury
Bioobjekty: způsoby jejich tvorby a zlepšování. 1. 1 Pojem "Bioobject" BO Bioobject je ústřední a požadovaný prvek biotechnologická výroba, která určuje její specifičnost. Producent kompletní syntéza cílového produktu, včetně série sekvenčních enzymatických reakcí Biokatalyzátorová katalýza specifické enzymatické reakce (nebo kaskády), která má klíčový význam pro získání cílového produktu.
Klasifikační přístupy: Makrobiologické objekty živočišného původu: Člověk (dárce) Člověk (předmět imunizace, dárce) Savci, plazi, ptáci, ryby, hmyz, členovci, mořští bezobratlí Bioobjekty rostlinného původu: Rostliny (volně pěstované a pěstované na plantážích) Řasy Rostlinná buňka a tkáňové kultury Bioobjekty – Mikroorganismy: Eukaryota (prvoci, houby, kvasinky) Prokaryota (aktinomycety, eubakterie) viry,
Bioobjekty 1) Makromolekuly: enzymy všech tříd (často hydrolázy a transferázy); – včetně v imobilizované formě (spojené s nosičem) zajišťující mnohonásobné použití a standardizaci opakovaných produkčních cyklů DNA a RNA – v izolované formě, jako součást cizích buněk 2) Mikroorganismy: viry (se sníženou patogenitou se používají k získání vakcín); prokaryotické a eukaryotické buňky - producenti primárních metabolitů: aminokyseliny, dusíkaté báze, koenzymy, mono- a disacharidy, enzymy pro substituční terapii aj.); – producenti sekundárních metabolitů: antibiotika, alkaloidy, steroidní hormony atd. normoflora – biomasa určitých typů mikroorganismů používaná k prevenci a léčbě dysbakteriózy patogeny infekčních chorob – zdroje antigenů pro výrobu vakcín transgenní m/o nebo buňky – producenti druhově specifických proteinových hormonů pro člověka, proteinových faktorů nespecifické imunity atd. 3) Makroorganismy vyšších rostlin - suroviny pro produkci biologicky aktivních látek; Zvířata — savci, ptáci, plazi, obojživelníci, členovci, ryby, měkkýši, lidé Transgenní organismy
Cíle zlepšování BW: (ve vztahu k produkci) - zvýšení tvorby cílového produktu; — snížení náročnosti na složky živných médií; - změna metabolismu biologického objektu, například snížení viskozity kultivační tekutiny; – získávání biologických objektů odolných vůči fágům; - Mutace vedoucí k odstranění genů kódujících enzymy. Zvýšení aktivity biosyntézy lze očekávat: - pokud mutace vedla k duplikaci (zdvojení) strukturních genů zahrnutých v systému syntézy cílového produktu; — pokud mutace vedla k amplifikaci (multiplikaci) strukturních genů zahrnutých v systému syntézy cílového produktu; - pokud na náklady odlišné typy mutace potlačí funkce represorových genů, které regulují syntézu cílového produktu; - porušení systému retroinhibice; - změnou (v důsledku mutací) systému transportu prekurzorů cílového produktu do buňky; - sebevražedný účinek, někdy cílový produkt s prudkým nárůstem jeho tvorby negativně ovlivňuje životaschopnost vlastního výrobce (často nutné k získání superproducentů antibiotik).
Metody pro zlepšení BIOOBJEKTŮ Účel: zajistit nadsyntézu jednoho z metabolických produktů Úkol: změnit metabolický regulační systém Způsoby: - změna genetického programu - změna regulačních systémů metabolismu. Spontánní změny v genetické povaze organismu - producenta jsou založeny na procesech rekombinace genetického materiálu in vivo (amplifikace, konjugace, transdukce, transformace atd.). Selekce - řízená selekce z přirozených populací vysoce produktivních kmenů organismů s náhlou změnou genomu - "-" dlouhodobá (mutace zájmového genu by se měla zdvojnásobit 106-108krát.) - "+" slibná pro posouzení dopadu na objekty faktorů prostředí - ionty těžké kovy, kyseliny, alkálie atd. indukovaná mutageneze - působením řady chemických sloučenin (hydroxylamin, nitrosaminy, kyselina dusitá, bromuracil, 2-aminopurin, alkylační činidla atd.), RTG a ultrafialových paprsků. Dlouhodobá selekce kmenů-producentů penicilinu - 400násobné zvýšení specifické aktivity a/b v kultivačním médiu Kmeny Eremothecium ashbyii, do 1,8 mg riboflavinu v 1 ml média a kmeny Brevibacterium amoniegeny, až 1 g HSKo, byly získány mutagenezí a selekcí. A na 1 litr média.
Mutace je změna primární struktury DNA v určité oblasti, která vede ke změně fenotypu CP. Biosyntetická schopnost biologického objektu se mění v důsledku změny souboru enzymů nebo aktivity některých z nich. Mutace jsou primárním zdrojem variability organismů, vytvářejících základ pro evoluci Izolace cílového produktu od „divokého“ (přírodního organismu) je ekonomicky neúčelná nebo technicky obtížná. Změna BO příznivá pro jeho použití ve výrobě, která je dědičná, musí být způsobena mutací. Ve druhé polovině XIX století. pro mikroorganismy byl objeven další zdroj variability – přenos cizích genů – jakési „genetické inženýrství přírody“. Mutace: chromozomálně - jaderný cytoplazmatický plazmid 1. 2. Vylepšování biologických objektů mutagenezí a selekčními metodami Spontánní mutace jsou vzácné, rozšíření v závažnosti příznaků je malé. Selekce - selekce přirozených požadovaných odchylek způsobených mutagenezí vyvolanou mutacemi: rozšíření mutantů z hlediska závažnosti příznaků je větší. mutanti se objevují se sníženou schopností reverze, tj. se stabilně změněnou vlastností
Mutace mohou být způsobeny: přeskupením replikonu (změnou počtu a pořadí genů v něm); změny v rámci jednotlivého genu. spontánní mutace, které se vyskytují v populaci buněk bez zvláštního vlivu na ni. Podle závažnosti téměř jakéhokoli znaku jsou buňky v mikrobiální populaci variační série. Většina buněk má průměrnou závažnost znaku. Odchylky "+" a "-" od průměru se v populaci vyskytují méně často, čím větší je odchylka v jakémkoli směru. Variační série
Fyzikálně chemické mutageny - ultrafialové paprsky; - nitrosomethylmočovina; - paprsky gama; - nitrosoguanidin; - rentgenové záření; - akridinová barviva; - některé přírodní látky (DNA-tropní a/b se klinicky nepoužívá kvůli toxicitě) Mechanismus mutagenní aktivity je dán přímým působením na DNA (především na dusíkaté báze DNA, která se projevuje síťováním, dimerizací, alkylace dimerů, interkalace) . šlechtitelskou částí práce je výběr a vyhodnocení mutací Ošetřená kultura se disperguje na TPS a vypěstují se jednotlivé kolonie (klony) původní kolonie podle různých charakteristik: mutanti, kteří potřebují určitý vitamín nebo aminokyselinu; mutanty, syntetizující enzym, který rozkládá určitý substrát; mutanty antibiotické rezistence
Mutovaný genom prochází změnami vedoucími ke ztrátě určitého znaku, případně ke vzniku znaku nového. Charakter mutací: — duplikace (zdvojení) strukturních genů; — amplifikace (multiplikace) strukturních genů; - vymazání ("vymazání"), "ztráta" části genetického materiálu; - transpozice (vložení segmentu chromozomu na nové místo); - inverze (změna) pořadí genů v chromozomu; - "bodové" mutace, změny pouze v jednom genu (například delece nebo inzerce jedné nebo více bází): - transverze (když je purin nahrazen pyrimidinem); - přechod (záměna jednoho purinu za jiný purin nebo pyrimidinu za jiný pyrimidin). Jedním z nejskvělejších příkladů účinnosti mutageneze následované selekcí na základě zvýšení tvorby cílového produktu je historie vzniku moderních superproducentů penicilinu.
Problémy superproducentů: moderní průmyslová BW je superproducent, který se od přírodního kmene liší zpravidla v několika ohledech. vysoce produktivní kmeny jsou extrémně nestabilní kvůli skutečnosti, že četné umělé změny v genomu nejsou spojeny s životaschopností. mutantní kmeny vyžadují neustálé monitorování během skladování: buněčná populace je nasazena na pevné médium a kultury získané z jednotlivých kolonií jsou kontrolovány na produktivitu. Revertanty - kmeny se sníženou aktivitou jsou vyřazeny. Reverze nastává v souvislosti s reverzními spontánními mutacemi vedoucími k návratu místa genomu do jeho přirozeného stavu. Speciální enzymatické reparační systémy se podílejí na návratu k normě – v evolučním mechanismu pro udržení stálosti druhu. S ohledem na vyšší rostliny a živočichy jsou možnosti mutageneze a selekce pro zlepšení omezené, nikoli však vyloučené. Zejména pro rostliny tvořící sekundární metabolity.
1. 3. Vylepšování bioobjektů metodami buněčného inženýrství Buněčné inženýrství je „nucená“ výměna částí chromozomů u prokaryot nebo částí a dokonce celých chromozomů u eukaryot. Vznikají tak nepřirozené biologické objekty, mezi kterými lze vybírat producenty nových látek nebo organismy s prakticky cennými vlastnostmi. Pomocí buněčného inženýrství je možné získat mezidruhové a mezirodové hybridní kultury mikroorganismů a také hybridní buňky mezi evolučně vzdálenými mnohobuněčnými organismy.
Technika buněčného inženýrství (na příkladu prokaryotických mikroorganismů, s jedním chromozomem na buňku) I. Získání protoplastů (prokaryotických buněk bez buněčné stěny) pro výměnu fragmentů chromozomů. u prokaryot - eubakterie, aktinomycety - buněčnou stěnu tvoří peptidoglykan (udržuje tvar buňky a chrání CPM před rozdílem osmotického tlaku mezi vnější prostředí a cytoplazma) Lysozym štěpí polysacharidová vlákna peptidoglykanu. Penicilin inhibuje syntézu buněčné stěny G-bakterií, narušuje rovnováhu mezi syntetázami a hydrolázami.Je možné odstranit buněčnou stěnu a zachovat integritu membrány vyrovnáním osmotického tlaku uvnitř buňky a v prostředí. Protoplastické buňky (J. Lederberg) jsou ošetřeny enzymem v "hypertonickém" médiu s 20 % sacharózy nebo mannitolu nebo 10 % Na. Cl v závislosti na vlastnostech biologického objektu a sledovaných cílech. Transformace buněk na protoplasty se sleduje mikroskopií s fázovým kontrastem. U plísní a kvasinek je buněčná stěna tvořena chitinem, glukany, mannoproteiny (každý potřebuje svůj degradační enzym) - jsou ošetřeny komplexními enzymovými přípravky - hlemýžďovým enzymem (izolovaným z trávicího traktu šneka révového Helix pomatia).
II. Fúze (fúze) protoplastů se vznikem diploidů. Kombinace suspenzí dvou vzorků protoplastů patřících k různým kmenům (druhům, rodům). Frekvence fúze dvou protoplastů jiný původ, se zvyšuje, když se k nim přidá PEG (detergent). U prokaryot mají vzniklé protoplasty dvojitou sadu chromozomů (tj. jedná se o protoplasty se dvěma chromozomy), v hypertonickém prostředí si zachovávají svou celistvost. III. Výsledné diploidy jsou inkubovány po dobu několika hodin, aby se „rozbily“ a znovu spojily kruhové chromozomové řetězce v různých variantách.
IV. Na TPS se vysévá suspenze protoplastů, přičemž část diploidů se mění v haploidní buňky schopné reprodukce, které tvoří kolonie, resp. Jsou studovány a jsou vybírány kultury s novými kvalitami, které jsou zajímavé pro biotechnologa. Příkladem může být výroba „hybridních“ antibiotik: Pomocí buněčného inženýrství byli získáni výrobci takových antibiotik, ve kterých byl makrolidový aglykon erythromycinu spojen s sacharidovou částí odpovídající antracyklinům a naopak antracyklinový aglykon s cukry charakteristické pro erythromycin. Aby se zabránilo reverzi požadovaných mutací na původní parametry: I způsob: ošetření „plusových“ variant mutageny a selekce mutantů se sníženou schopností vrátit změněné úseky DNA do normálu. II způsob - inženýrská enzymologie: imobilizace buněk "plus" - varianty, tj. jejich navázání na nerozpustné nosiče a použití ve výrobě bez nutnosti přeočkování po určitou dobu (několik týdnů až několik měsíců).
1. 4. Tvorba biologických objektů metodami genetického inženýrství 1. 4. 1. Obecná charakteristika. Genetické inženýrství si lze představit jako kombinaci fragmentů DNA přírodního a syntetického původu nebo kombinaci in vitro s následným zavedením výsledných rekombinantních struktur do živé buňky tak, aby se zavedený fragment DNA po svém zařazení do chromozomu buď replikoval nebo se vyjadřuje autonomně. Následně se vnesený genetický materiál stává součástí buněčného genomu. Nezbytné součásti genetického inženýra: a) genetický materiál (hostitelská buňka); b) transportní zařízení– vektor, který přenáší genetický materiál do buňky; c) soubor specifických enzymů – „nástrojů“ genetického inženýrství. Principy a metody genetického inženýrství byly vypracovány především na mikroorganismech; bakterie - prokaryota a kvasinky - eukaryota. Účel: získání rekombinantních proteinů - řešení problému nedostatku surovin.
Strategickým cílem genetického inženýrství je vytvořit producenta s lidským genomem. potenciální producent musí být: 1. Nepatogenní a cílový geneticky upravený produkt izolovaný z CP nesmí obsahovat ani stopy mikrobiálních toxinů. 2. Vektorová DNA cizí pro producenta by neměla být štěpena endonukleázami hostitelské buňky. V tomto případě musí ribozomy producenta-hostitele vnímat a. RNA odpovídající cizímu materiálu. 3. Výsledný protein (cílový produkt) cizí pro výrobce-vlastníka by neměl být vystaven opravným systémům, které hydrolyzují cizí proteiny. 4. Je žádoucí odstranit cílový produkt z buňky do kultivačního média pro snadnou izolaci a čištění. Při výběru mikroorganismu produkujícího cizí protein (LP) je nutné: – co nejúplněji prostudovat genom a podrobně prostudovat metabolismus na úrovni druhu za účelem zjištění patogenity (nejlépe jeho nepřítomnosti); producent musí pěstovat v podmínkách velkovýroby na nedostatkových a ekonomicky dostupných médiích. Genetické inženýrství umožňuje: a) minimalizovat pravděpodobnost proteolýzy cizích proteinů; b) minimalizovat hydrolýzu cizích a. RNA; c) „vyloučit“ cizí geny z genomu.
Přípravné práce: - ke genu kódujícímu cílový protein je přidána nukleotidová sekvence kódující tzv.. vedoucí sekvence aminokyselin (hlavně hydrofobních). - cílový produkt syntetizovaný v buňce s hydrofobní vedoucí sekvencí aminokyselin prochází lipidovými vrstvami cytoplazmatické membrány z buňky ven. K tomu musí membrána produkční buňky obsahovat „signální proteázu“, která odštěpuje vedoucí sekvenci aminokyselin z genového produktu před jeho uvolněním do prostředí. - pro průnik vektoru s cizím genem do buňky, otvory o malém průměru ve stěně buněčné membrány, je ošetřen lithiovými nebo vápenatými solemi podle typu mikroorganismu. Takto ošetřené buňky se nazývají kompetentní: jsou schopny vnímat informace přenášené vektorem. -vektory používané při práci s mikroorganismy jsou konstruovány na bázi mírných fágů nebo plazmidů. (Plazmidy jsou preferovány, protože nedochází k buněčné lýze, která je možná při práci s temperovanými fágy).
Při vytváření nového rekombinantního producenta klíčový bod je vložení genu (shluku genů) do vektoru, přesněji do DNA molekuly vektoru, např. do plazmidu. To je možné, protože existuje velký soubor endonukleáz různé substrátové specifičnosti (restrikční enzymy, z anglického restrikce - řezání). restrikční enzymy se rozlišují na: a) štěpení jednoho ze dvou komplementárních řetězců DNA; b) řezání obou závitů najednou. Zajímavostí v 1. tahu jsou vysoce specifické restrikční enzymy, které katalyzují štěpení jednoho řetězce v sacharidovo-fosfátovém řetězci DNA, jelikož oba řetězce mohou mít stejnou sekvenci, druhý řetězec je také štěpen, ale střihy jsou na dálku. Vznikají jednořetězcové úseky – „lepivé konce". Další metodou je lemování genů syntetickými nukleotidovými sekvencemi, tj. získání lepivých konců s daným řádem nukleotidů pomocí metod bioorganické chemie.
Fáze 1 - "annealing", gen (nebo genový shluk) integrovaný do vektoru je v něm nejprve zachován díky vodíkovým můstkům mezi komplementárními lepivými konci. Fáze 2 - fixace genu kovalentními vazbami, pomocí ligáz (zesíťování), uzavření mezery v sacharidovo-fosfátové páteři DNA. 3. fáze - zavedení vektoru s pevně fixovaným genem do hostitelské buňky. Fáze 4 - naočkování na TPS, suspenze transformovaných buněk. Fáze 5 - detekce kultury syntetizující cílový produkt, k tomu se používá metoda předběžné selekce klonů obsahujících vektor pomocí „markerového genu“, který je vložen do vektoru Prokaryotické geny - strukturní gen - DNA , přepsáno na a. RNA, která se v pořadí uspořádání kodonů odráží v aminokyselinové sekvenci proteinu. Eukaryotické geny jsou diskrétní, obsahují střídající se exony a introny, které jsou přepisovány. Vznik zralých a. RNA, která se stává součástí systému ribozomální matrice – sestřihem, vyhazováním intronů z primárního transkriptu a „dokováním“ exonů jeden do druhého. Lidský protein v prokaryotických buňkách (protože prokaryota postrádají sestřih), zralé i je třeba přepsat. RNA lidského genu pomocí enzymu reverzní transkriptázy na DNA, pak lze takto zkrácenou DNA (bez intronů) použít pro inkluzi do vektoru.
1) Inzulin postrádá nevýhody zvířete, protože aminokyselinová sekvence obou řetězců je kódována lidskými geny. Při výrobě rekombinantního inzulínu dva zásadně soutěží různé technologie: - plazmid kódující proinzulin je zaveden do buněk producenta-hostitele (řetězce A do C-peptidu, řetězce B a poté do vedoucího peptidu a promotorové oblasti). Následně je C-peptid odštěpen. - oddělené získávání řetězce A a řetězce B ve dvou mikrobiálních kulturách, které jsou následně kombinovány. 2) Růstový hormon (somatotropin) – nezbytný pro růst kostí. Probíhají práce na zvýšení selektivity růstového hormonu (snížení jeho vazby na prolaktinový receptor). 3) Erytropoetin - druhově specifický glykoprotein nezbytný pro diferenciaci erytrocytoidních buněk, vzniká v ledvinách. Lidský gen pro erytropoetin je vložen do vajíček čínského křečka, kde je protein glykosylován (producentem je jednovrstvá kultura). 4) Peptidové tkáňové růstové faktory - (hormony tvořené mimo GVS) - četné bioregulátory jsou tkáňově a druhově specifické. 5) Rekombinantní proteinové faktory vrozené imunity: Interferony jsou faktory vrozené imunity produkované buňkami infikovanými viry. Vyvolávají lokální a systémové antivirové reakce v jiných buňkách a používají se jako antivirotika. 1. 4. 2. Rekombinantní proteiny jako léčiva
KLASIFIKACE BIOTECHNOLOGICKÝCH PRODUKTŮ Druhy produktů získaných BT metodami: - intaktní buňky - jednobuněčné organismy slouží k získávání biomasy - buňky (včetně imobilizovaných) pro biotransformaci. Biotransformace - reakce přeměny výchozích organických sloučenin (prekurzorů) na cílový produkt pomocí buněk živých organismů nebo enzymů z nich izolovaných. (produkce am-to-t, a/b, steroidů atd.) nízkomolekulární produkty metabolismu živých buněk: - Primární metabolity jsou nezbytné pro buněčný růst. (strukturní jednotky biopolymerů - aminokyseliny, nukleotidy, monosacharidy, vitamíny, koenzymy, organické kyseliny) - Sekundární metabolity (a/b, pigmenty, toxiny) - NMS, které nejsou nutné pro přežití buněk a tvoří se na konci své fáze růst. Dynamika změn biomasy a tvorby primárních (A) a sekundárních (B) metabolitů v procesu růstu organismu: 1 - biomasa; 2 - produkt
36 Komponenty biotechnologické výroby Hlavní znaky výroby BT: 1. dva aktivní a vzájemně provázaní zástupci výrobních prostředků - bioobjekt a "fermentor"; 2. čím vyšší je rychlost fungování biologického objektu, tím vyšší jsou požadavky na hardwarový návrh procesů; 3. Bioobjekt i zařízení biotechnologické výroby jsou podrobeny optimalizaci. Účely implementace biotechnologie: 1. hlavní etapa výroby léčiv - získávání biomasy (suroviny, léčiva); 2. jeden nebo více stupňů výroby léčiv (jako součást chemické nebo biologické syntézy) - biotransformace, separace racemátů atd.; 3. úplný proces výroby drogy - fungování biologického objektu ve všech fázích tvorby drogy. Podmínky pro implementaci biotechnologií při výrobě léčivých přípravků 1. Geneticky podmíněná schopnost bioobjektu syntézy nebo specifické transformace spojené s produkcí biologicky aktivních látek nebo léčiv; 2. Zabezpečení bioobjektu v biotechnologickém systému před vnitřními a vnějšími faktory; 3. Zajištění bioobjektů fungujících v biotechnologických systémech plastovým a energetickým materiálem v objemech a pořadí, které zaručují požadovaný směr a rychlost biotransformace.
V každé z variant stanoveného cíle operují s propojenými toky: 1. informační 2. energetický 3. technologický V tradičních biotechnologiích - využívajících tkáně makroobjektů jsou poslední dva toky spontánními procesy. V moderních biotechnologiích se za účelem urychlení zrání meristémových kultur a zkrácení mezistupňů syntézy výrazně modernizují technologické a energetické toky. - biologické objekty: výběr producentů, zdokonalování genového inženýrství, přechod k imobilizaci, supersyntéza atd. - komplikace zařízení, které poskytují energetickou a plastickou podporu elementové bázi biotechnologického procesu.
Fáze výroby BT 1. Příprava surovin (živné médium) substrátu s požadovanými vlastnostmi (pH, teplota, koncentrace) 2. Příprava biologického objektu: semenná kultura nebo enzym (včetně imobilizovaného). 3. Biosyntéza, biotransformace (fermentace) - tvorba cílového produktu v důsledku biologické přeměny složek živného média na biomasu, v případě potřeby pak na cílový metabolit. 4. Izolace a čištění cílového produktu. 5. Získání komoditní formy produktu 6. Zpracování a likvidace odpadů (biomasa, kultivační kapalina atd.) Hlavní typy biotechnologických procesů Biosimilární Produkce metabolitů - chemické produkty metabolické činnosti, primární - aminokyseliny, sekundární polysacharidy - alkaloidy , steroidy, antibiotika Vícesubstrátové konverze (čištění odpadních vod, likvidace lignocelulózového odpadu) Jednosubstrátové konverze (přeměna glukózy na fruktózu, D-sorbitolu na L-sorbózu při výrobě vit C) Biochemická produkce buněčných komponent (enzymů , nukleové kyseliny) Biologická produkce biomasy (jednobuněčný protein)
Fermentační metody Fermentace Hloubka Dávka Povrch pevné fáze Kontinuální buňky Suspendované buňky Imobilizované buňky Enzymy Imobilizované enzymy Enzymy v roztoku
objemově: - laboratorní 0,5 -100 l, - pilotní 100 l -10 m 3, - průmyslová 10 - 100 m 3 a více. kritéria pro výběr fermentoru: - výměna tepla, - rychlost růstu jednotlivé buňky, - typ dýchání biologického objektu, - způsob transportu a transformace substrátu v buňce - doba reprodukce jednotlivé buňky. Hardwarový návrh biotechnologického procesu - fermentory:
Biostat A plus je autoklávovatelný fermentor s výměnnými nádobami (pracovní objem 1, 2 a 5 l) pro kultivaci mikroorganismů a buněčných kultur a je plně škálovatelný na velké objemy. Jednoduchá skříň s integrovaným měřicím a regulačním zařízením, čerpadly, systémem regulace teploty, přívodem plynu a motorem nainstalovaný systém Windows kompatibilní software MFCS / DA pro řízení a dokumentaci fermentačních procesů Laboratoř (schéma)
biosyntéza obecně: výrobce — bioobjekt mikroúrovňové obecné technologie v navržených podmínkách: pomocné operace hlavní operace
Při porovnání struktur výroby různých směrů (na základě úkolů) jsou prvky prvního stupně všude stejné: bioobjekt, bioreaktor, aseptické systémy, - dodávka plastů a energetického materiálu, - separace fermentačních produktů atd. Hlavní rozdíly na druhém stupni hierarchie - čištění cílového produktu - odstraňování vedlejších produktů, zejména na úrovni organizace pomocných subsystémů (kontrola kvality). Hierarchie biotechnologických procesů Prvním krokem jsou bioobjekty ve spojení s řízenými bioreaktory. Druhou etapou je spojení vzájemně propojených technologických procesů a aparátů do jednoho technologického řetězce (dílny). Třetí etapou je poloprovoz nebo podnik s úplným cyklem, tj. hlavní a pomocné (obecné inženýrství) subsystémy.
1. Pomocné operace: 1. 1. Příprava osiva (inokula): naočkování zkumavek, třepačky (1-3 dny), inokulátor (2-3% 2-3 dny), secí stroj (2-3 dny) . Křivky kinetického růstu 1. indukční perioda (lag fáze) 2. exponenciální růstová fáze (akumulace biomasy a biosyntetických produktů). N / dt = N (N - počet buněk, t - čas, - koeficient proporcionality (specifická rychlost růstu) 3. lineární růstová fáze (rovnoměrný růst kultury) 4. fáze pomalého růstu 5. stacionární fáze (konstanta životaschopných jedinců 6 Kultivace fáze stárnutí (odumírání) N t 1 2 3 4 5 61. 2. Příprava živného média výběr a realizace složení média, sterilizace zaručující uchování plastových a energetických složek v původním množství a kvalitě O, C , N, P, H - prvky nezbytné pro energetický metabolismus a syntézu buněčných struktur.
Obsah živin v různých biologických objektech, v % Mikroorganismy prvek uhlík a dusík fosfor kyslík vodík bakterie 50,4 12,3 4,0 30,5 6,8 kvasinky 47,8 10,4 4,5 31, 1 6, 5 houby 47, 9 5, 2 3, 5 6, 40, 7 chemické prvky umožňuje provést popis pro každý biologický objekt ve formě výrazu: V kvasinkách = C 3,92 x. H 6,5 x. Asi 1,94 x N 0,7 x. P 0,14 (číselné koeficienty se získají vydělením hmotnostního podílu prvku v biomase atomovou hmotností tohoto prvku) Existuje kvantitativní vzorec vlivu koncentrace prvků živného média na rychlost růstu biomasy, as stejně jako vzájemný vliv stejných prvků na specifickou rychlost růstu bioobjektů CDN/d. T 1 2 3 C je koncentrace limitní složky DN / d. T je rychlost růstu mikroorganismů. 1 - oblast omezení, 2 - oblast optimálního růstu, 3 - oblast inhibice. Vliv kterékoli ze složek je vyjádřen graficky a ve formě rovnice: (c) \u003d b x C / (K s + C) Monodova rovnice. je koeficient úměrnosti, c je koncentrace konzumní složky média, b je limitní maximální specifická rychlost růstu bioobjektu K s je afinitní konstanta substrátu k bioobjektu.
1. 3. Sterilizace živného média, je nutné zcela eliminovat kontaminující flóru a zachovat biologickou využitelnost substrátů častěji autoklávováním, méně často chemickými a fyzikálními vlivy. Účinnost zvoleného sterilizačního režimu je hodnocena rychlostní konstantou úhynu mikroorganismů (převzato ze speciálních tabulek) násobenou délkou sterilizace. Kontrola sterilizace se provádí pomocí testovací kultury kmene Bacillus stearothermophilus 1518, má se za to, že absolutní sterility je dosaženo s kritériem sterilizace 80. V přítomnosti termolabilních složek je snaha zkrátit dobu zpracování, když teplota stoupne nad 140°C lze změny lability dosáhnout např. posunutím p. H pro glukózu 3, 0 pro sacharózu 8, 0. 1. 4. Příprava fermentoru Sterilizace zařízení ostrou párou. Těsnění s speciální pozornost do „slabých“ míst koncové armatury malého průměru, armatury snímačů řídicí a měřicí techniky. Výběr fermentoru se provádí s ohledem na kritéria pro dýchání biologického objektu, přenos tepla, transport a transformaci substrátu v buňce, rychlost růstu jedné buňky, dobu její reprodukce atd.
2. Hlavní operace: 2. 1. Etapa biosyntézy, kdy jsou v maximální míře využity možnosti bioobjektu k získání léčivého přípravku (akumulovaného uvnitř buňky nebo vylučovaného do kultivačního média). 2. 2. Stupeň koncentrace, současně určený k odstranění balastu. 2. 3. Purifikační stupeň, který realizuje zvýšení specifické specifické aktivity lékového produktu opakováním stejného typu operací nebo použitím souboru různých preparativních metod (ultrafiltrace, extrakce, sorpce, krystalizace atd.). 2. 4. Fáze získání konečného produktu (látky nebo hotové lékové formy) s následnými operacemi plnění a balení.
Živné médium Separace Tekutina kultury Buňky Koncentrace. Izolace a čištění metabolitů Dezintegrace odumřelých buněk Biomasa odumřelých buněk Stabilizace produktu. Biomasa živých buněk Dehydratace. Stabilizace produktu Aplikace Skladování Živý produkt. Suchý produkt Živý produkt. Suchý produkt Kultivace (fermentace) Příprava inokula Schéma biotechnologické výroby
Antropogenní vliv na biosféru je nedílnou součástí rozvoje civilizace. Orba půdy, odlesňování, „šlapání“ stepí neustále provází dějiny lidstva. Je vhodné připomenout ničení některých druhů zvířat a rostlin a přesídlování některých druhů z jejich původních stanovišť.
V souvislosti s konkrétní závažností problému vlivu průmyslu na biosféru se zamysleme nad tím, jak v tomto ohledu vypadá biotechnologická výroba. Především je to vědecky náročné a ve srovnání s chemicko-technologickou výrobou efektivnější, protože buňka výrobce (bioobjekt) je „vyvážený komplex biokatalyzátorů“, který pracuje produktivněji než systémy sekvenčních chemické reakce s anorganickými katalyzátory.
Spotřeba energetických zdrojů a vody biotechnologickým průmyslem představuje zlomek procenta spotřeby moderního chemického průmyslu. Emise plynných odpadů biotechnologických podniků do ovzduší nepřesahují ani desetinu procenta emisí z průmyslu jako celku. Právě biotechnologická výroba je v moderních podmínkách nejpřijatelnější, má však i specifické ekologické problémy, a proto je zdokonalována v následujících směrech:
Vytváření a využívání aktivnějších biologických objektů-výrobců (v důsledku toho bude méně odpadu na jednotku produkce!);
Výměna médií a činidel za méně vzácné;
Imobilizace biologických objektů (buňky i enzymy), jejich opakované použití ke snížení odpadu;
Implementace membránové technologie ve fázi izolace a čištění cílového produktu (snížení množství použitých organických rozpouštědel, aby se zabránilo agresivním podmínkám v některých fázích výrobního procesu);
Dodržování pravidel GMP.
Podívejme se stručně na problémy spojené s eliminací (využitím) či úpravou průmyslového odpadu tradičního biotechnologického podniku.
pevný odpad. Především se jedná o mycelium (biomasu) producenta po jeho oddělení od kultivační tekutiny a cílového produktu. Množství mycelia, které je třeba zpracovat, lze vizualizovat na základě skutečnosti, že objem výtlaku průmyslového fermentoru je 50-100 m 3 husté, viskózní (díky přítomnosti mycelia) kapaliny. Vzhledem k tomu, že podnik má řadu fermentorů a fermentační cyklus trvá asi týden, lze usuzovat, že tento druh tuhého odpadu v jednom (velkém) podniku dosahuje stovek tun ročně. Je třeba vzít v úvahu, že mycelium obsahuje také zbytková množství cílového produktu, a to jsou zpravidla biologicky vysoce aktivní látky.
V současné době se pevný odpad eliminuje zpracováním mycelia. Smíchá se se zeminou a uloží se do jam s betonovým substrátem. Každý takový otvor je ponechán uzavřený
již několik let. Během této doby jsou půdní mikroorganismy vystaveny organická hmota mycelium k enzymatickému štěpení, využívající je k budování „své“ biomasy. Ve skutečnosti vzniká kompost, zatímco organická část mycelia se rozkládá. betonový podklad v tomto druhu kompostovací jámy» je nutná k zamezení průniku dosud nerozložených rozpustných organických látek mycelia do podzemních a dešťových nádrží. Obvykle jsou na území podniku přiděleny speciální oblasti pro kompostovací jámy. Nutno podotknout, že vývoz sušeného mycelia (jeho hmota se zmenšuje 10-100x oproti originálu) na městské skládky je zakázán.
Pokusy o využití mycelia pro různé účely zatím nebyly obecně úspěšné, ale v laboratorních podmínkách již vznikla nízkoodpadová technologie. Celková lipidová frakce byla extrahována z mycelia aktinomycety výrobce tetracyklinu a použita jako odpěňovač v dalším produkčním cyklu při výrobě tetracyklinu vytvořeného výrobcem ze stejného kmene. V některých případech (s omezenými pastvinami) se sterilizovaná a mletá biomasa některých mikroorganismů používá jako přísada do krmiv pro hospodářská zvířata. Mycelium hub a aktinomycet (odpad při výrobě antibiotik) zlepšuje kvalitu některých stavebních materiálů (jílovité desky, cihly atd.) a zvyšuje jejich pevnost. Ale z ekonomických důvodů je výroba těchto materiálů nepraktická.
Tekutý odpad. V V případě biotechnologické výroby jsou kapalnými odpady výtoky a odpadní kapalina, převážně se jedná o kulturní kapalinu po oddělení mycelia a extrakci cílového produktu. Celkový roční objem kultivační kapaliny, kterou je nutné čistit, činí desítky tisíc metrů krychlových na jeden podnik. Stupeň čištění, řízený různými metodami, musí být takový, aby vyčištěná kapalina mohla být vypouštěna do otevřených vodních útvarů.
Existují různá schémata čištění. Téměř u všech hrají klíčovou roli mikroorganismy (biologická léčba). Uvádíme jedno z těchto schémat. První složkou čistícího systému je železobetonová jímka, kudy se dostává vyčerpaná kultura. Na dně jímky jsou položeny trubky, kterými se odsává sediment. V této fázi je z kultivační kapaliny odstraněno přibližně 40 % kontaminantů.
Další část čistícího systému se skládá z jednoho nebo více aerotanků umístěných za sebou - nádrže s trubkami procházejícími podél dna, ze kterých vychází vzduch ve formě bublin, procházejících celou tloušťkou kapaliny. je nasycený kyslíkem. Vzduch přispívá k intenzivnímu proudění oxidačních procesů. Klíčovou vlastností aerotanku je přítomnost v něm tzv. „aktivovaného kalu“ (umělá biocenóza – společenství mikroorganismů, které oxidují organické látky rozpuštěné v kapalině na CO 2 a H 2 O), který postupně vzniká během provoz podniku.
Druhové složení biocenózy aktivovaného kalu v různých podnicích se může mírně lišit, protože závisí na oxidovaných substrátech. Zpravidla v ní převažují zástupci rodu Pseudomonas (70 %). Následují mikroorganismy sdružené v rodu Bacterium (20 %). Zbývajících 10 % tvoří zástupci rodů Bacillus, Sarcina a dalších mikroorganismů. Při charakterizaci aktivovaného kalu jako biocenózy nebo jako nadorganizmového mezidruhového společenství ve vztahu k čištění odpadních vod z biotechnologické výroby je třeba upozornit na tři důležité okolnosti.
Za prvé, kmeny rodu Pseudomonas zde hrají zásadní roli. Tento rod by však neměl být redukován na Pseudomonas acruginosa, známého původce nebezpečných infekcí ran. V přírodních podmínkách je rod Pseudomonas zastoupen velkým množstvím druhů, které nejsou pro člověka nebezpečné. Právě nepatogenní kmeny jsou součástí aktivovaného kalu. Tyto mikroorganismy se vyznačují širokou škálou oxidačních enzymů. Přípravky sestávající z buněk Pseudomonas se používají při eliminaci znečištění způsobeného ropnými skvrnami. Obrazně řečeno, oxidaci procházejí i exotické substráty, jako jsou prstencové uhlovodíky. Skořápka saprofytických druhů Pseudomonas obsažených v aktivovaném kalu má navíc své vlastní charakteristiky na úrovni porinových kanálků, které usnadňují přístup substrátů k oxidačním enzymům.
Za druhé, transformace některých substrátů na CO 2 a H 2 O se provádí v důsledku postupného působení enzymů různých mikroorganismů na ně. Jinými slovy, jeden enzymový systém přeměňuje konkrétní sloučeninu na meziprodukty, zatímco jiný katalyzuje další degradaci těchto meziproduktů. To zdůrazňuje, že aktivovaný kal funguje jako komplex mikroorganismů.
Za třetí je třeba mít na paměti, že odpadní vody některých průmyslových odvětví (zejména podniků antibiotického průmyslu) mohou obsahovat zbytková množství antimikrobiálních látek. To znamená, že mikroorganismy v aerotancích jsou s nimi neustále v kontaktu, tzn. jsou vytvořeny podmínky pro výběr odolných forem. Existují však případy, kdy koncentrace antimikrobiálních látek ve zpracovávaném kapalném odpadu může být neobvykle vysoká a způsobit smrt buněk aktivovaného kalu.
To vyžaduje kontrolu nad stavem aktivovaného kalu. Po sekci s aerotankem nebo několika za sebou umístěnými aerotanky a sekundární usazovací nádrží je pro systém kapalných odpadů zásadně důležitá „jednotka dočištění“. V něm kulturní tekutina, ve které zůstává přibližně 10 % původního obsahu organických látek (zpravidla se jedná o těžko oxidovatelné látky), prochází biofiltry - filmy s imobilizovanými buňkami mikroorganismů s nejvyšší oxidací. aktivita. Poměrně často tyto buňky patří ke geneticky upraveným kmenům obsahujícím plazmidy nesoucí geny pro oxidační enzymy (destrukční enzymy). Takto cíleně získané „destrukční kmeny“ jsou schopny oxidovat těžko oxidovatelné látky a zničit zbývajících 10 % kontaminantů v upravované kapalině.
Imobilizace buněk takových kmenů v biofilmech je racionální s ohledem na skutečnost, že při volné reprodukci těchto buněk může dojít ke ztrátě uměle zvýšené oxidační aktivity v důsledku zpětných mutací nebo ztráty plazmidů. V tomto případě se zdá, že genetické inženýrství a inženýrská enzymologie jsou „kombinovány“ v „bloku po ošetření“. Následně přečištěná kapalina, která splňuje oficiální kritéria pro pitnou vodu (v tomto případě je jednou z akceptovaných metod kontroly toxicity potlačení životaschopnosti mikroskopických
korýš Daphnia magna), je chlorován a poté se dostává do otevřených vodních útvarů.
Pokud jde o provoz biologických systémů čištění odpadních vod v různých režimech, je třeba poznamenat, že při maximálním („šokovém“) zatížení mohou nastat různé potíže. Během těchto pracovních období jsou do aerotanků zaváděny vysoce aktivní destrukční kmeny („bakteriální spouštěče“), což umožňuje výrazně zvýšit výkon systému zpracování kapalných odpadů. Pro tento účel se doporučují speciální přípravky pro biotechnologické podniky různých profilů: "Phenobac" - pro využití uhlovodíků, "Thermobac" - pro oxidaci polysacharidů, "Polibac" - pro uvolňování ze syntetických detergentů atd. Přibližná dávka "bakteriálního startéru" z živých buněk je asi 100 mg na 1 m 3 odpadní tekutiny.
Na závěr upozorňujeme na možnou rozmanitost schémat biologického využití kapalného odpadu. Takže kromě aerobního čištění může schéma zahrnovat: stupeň anaerobního čištění, stupně využívající sorbenty (aktivní uhlí, zeolity atd.), stupně využívající elektrochemických metod (například elektrokoagulace).
Plynný odpad. Emise plynů se čistí od organických sloučenin při teplotách od 300 do 1 000 °C v kolonách s anorganickými katalyzátory. V tomto případě se těkavé „organické látky“ mění na CO 2 . V některých případech se používají biologické filtry na bázi mikroorganismů, které oxidují organické látky na CO 2 .