Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии» (стр. 2 )

По приблизительной оценке, общемировая рыночная стоимость растениеводческой продукции, полученной на основании ДНК-технологий, достигнет к 2010 г. 30–40 млрд. долларов. Мировой рынок биотехнологической продукции составляет ежегодно около 150 млрд. долл.

Во многих странах мира приняты национальные программы по биотехнологии. Так, например, в США ежегодные затраты на биотехнологию составляют 2-3 млрд. долл. В Германии на 2001 год выделено около 2 млрд. марок на новую программу по биотехнологии. В табл. 1 приведены основные факты, характеризующие развитие биотехнологии.

Биотехнология применяет методы, заимствованные из химии, микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок, развития и оптимального использования процессов, в которых каталитические реакции играют фундаментальную и незаменимую роль.

Ни для кого уже не является секретом, что ископаемое топливо (хотя и добываемое в настоящее время с большим избытком), а также другие не восполняемые ресурсы, в один прекрасный день станут крайне ограниченными. И совершенно естественно, что данное обстоятельство уже сейчас заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем. В этой ситуации страны с климатом, позволяющим ежегодно производить большие количества биомассы, будут находиться в более выгодных условиях по сравнению со странами с менее благоприятными климатическими условиями. В частности, тропические области земного шара в этом отношении имеют существенное преимущество над другими регионами.

Следующим фактором, способствующим росту интереса к биотехнологии, является современный мировой спад в химических и инженерных направлениях, обусловленный частичным истощением источников энергии. В силу этого биотехнология рассматривается в качестве одного из важнейших средств рестимуляции (обновления) экономики на основе новых методов, новой технологии и новых сырьевых материалов.

Существенным моментом первого компонента биотехнологии является селекция и улучшение объекта с помощью различных генетических методов, а в последнее время с использованием высокоэффективных приемов молекулярной биологии, которые, как уже упоминалось, способны обеспечить конструирование организмов с новыми биохимическими возможностями.

Второй компонент биотехнологии связан с изготовлением систем, обеспечивающих оптимальное функционирование организмов-продуцентов или чистых ферментов. Сюда относятся специальные знания о химии процессов, а также сведения об инженерном обеспечении конструирования и изготовления этих систем.

Наконец, третий компонент представляет собой довольно сложную и дорогую процедуру биотехнологического процесса - выделение и очистку целевого продукта. Этот компонент существенно увеличивает стоимость всего процесса и может составлять до 70% стоимости готового коммерческого препарата.

Многоэтапность биотехнологических процессов определяет необходимость привлечения к их осуществлению специалистов самого различного профиля: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и т. п.

Лекция № 2  Подготовка и стерилизация питательных сред для биотехнологических производств.

Характеристика и выбор сырья для производства. Стерилизация питательной среды  и ее виды. Подготовка воздуха для биотехнологических  производств

В статьях расходов на  производство продуктов микробного синтеза одно из первых мест занимает сырье. При производстве 1*109 ЕД пенициллина, например, необходимо израсходовать примерно 6,5 кг углеводсодержащего сырья.

Для проведения ферментационных процессов, наряду с очень дорогим пищевым сырьем, таким как мука кукурузная, соевая, пшеничная, крахмал, пищевой сахар, глюкоза, лактоза, растительные масла, применяют и значительно более дешевые, являющиеся отходами пищевой промышленности - гидрол, меласса, зеленая патока, молочная сыворотка, кукурузный экстракт, рыбно-костная мука, гидролизаты кукурузных кочерыжек, соломы, подсолнечной мезги, а также специально получаемые продукты - гидролизаты древесины и торфа, парафины нефти, метан, этанол и др.

Выбор сырья  определяется обычно двумя основными  факторами:

1.Особенностями культивирования  того или иного продуцента. Например, дрожжи прекрасно растут на питательной среде содержащей один основной компонент (углевод, углеводород, спирт) и минимальное количество ростовых факторов (витамины, микроэлементы). Культуры растительных и животных клеток, некоторые микроорганизмы требуют наличия в питательной среде десятков, а иногда и сотен компонентов, часто весьма экзотических (экстракты из эмбрионов животных, компоненты кровяной плазмы и т. д.).

2. Потребительской стоимостью и себестоимостью целевого продукта. Если

речь идет о ценном лекарственном препарате со стоимостью в десятки долларов за грамм и выше, остро необходимом, то стоимость сырья не имеет решающего значения. Если речь идет о крупнотоннажном производстве дешевых продуктов (этанол, глицерин, органические кислоты, витамины и др.), то стоимость сырья играет зачастую решающую роль в рентабельность того или иного производства. Так в начале 50-ых годов ХХ века во всех странах были закрыты предприятия по микробиологическому производству глицерина, ацетона и бутанола т. к. они не смогли конкурировать с производством аналогичных продуктов из нефтяного сырья химическим путем. Единственной страной, где эти производства функционировали до конца 80-ых годов ХХ века была ЮАР, которая имела высокоразвитое сельское хозяйство, но не имела собственных месторождений нефти и не могла покупать нефть на мировом рынке из-за режима санкций, которые были наложены на нее по решению ООН. 

Растительная биомасса представляет собой достаточно хорошо утилизируемые источники углерода для биотехнологических целей. На основе этих источников основано давно существующее производство алкоголя из зерна и крахмалсодержащих корнеплодов. Растительные источники могут рассматриваться как практически неистощимые. Первичная продукция фотосинтеза (рост растений за счет использования солнечной энергии) на земле обеспечивает 2?1011 т вещества (биомассы) в год в пересчете на сухой вес!  Наибольшая доля биомассы (около 44 %) образуется в виде древесины. Вызывает удивление факт, что продукция сельского хозяйства составляет лишь 6 % первичной продукции за счет фотосинтеза, хотя именно из этого количества получается основная часть пищи для людей и животных, а также многие необходимые материалы (например, для текстильной и бумажной промышленности).

Наиболее подходящим и доступным, чтобы служить питательным субстратом для биотехнологических процессов, является сырье, используемое в производстве сахара – сахарная свекла и сахарный тростник. Однако в настоящее время в мире традиционное использование сахара постепенно снижается, и он заменяется более эффективными подсластителями. Складывающаяся ситуация на мировом сахарном рынке будет способствовать поискам его нового применения, так как многие страны тропических областей испытают существенные экономические трудности, если исчезнет сахарный рынок. Уже сейчас сахарный тростник используется в качестве субстрата для бразильской «топливной» программы (производство этанола как горючего для двигателей внутреннего сгорания и в первую очередь для автомобилей, поскольку они меньше загрязняют атмосферу). Бразильский пример быстро убеждает многие другие страны в перспективности такой новой технологии.

Существенную значимость представляют  крахмалосодержащие сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие, как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель и маниока. Некоторым недостатком крахмала является то, что до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем ферментативного или химического гидролиза. Тем не менее, в настоящее время с определенным успехом разрабатываются перспективные биотехнологические процессы, основанные на использовании данного полисахарида.

Половину сухой растительной биомассы как сельскохозяйственного, так и «лесного» происхождения составляет один из самых распространенных биополимеров – полисахарид целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода. Почти не вызывает ни у кого сомнения, что целлюлоза должна рассматриваться в качестве основного питательного сырья для биотехнологических процессов.  Однако необходимым условием подготовки данного материала к использованию в качестве биотехнологического сырья является ее гидролиз до простых водорастворимых сахаров (глюкозы, целлобиозы).  Как ни странно, но это до сих пор представляет довольно трудную задачу.

Дело в том, что сама чистая целлюлоза может быть довольно легко разрушена путем химического или ферментативного гидролиза до растворимых сахаров, которые затем легко подвергаются ферментации (сбраживанию) микроорганизмами с образованием этанола, бутанола, ацетона, одноклеточного белка (SCP), метана и многих других  продуктов. За год в процессе фотосинтеза на Земле образуется 22 миллиарда тонн  целлюлозы, или 24 тонны на человека. Таким образом, целлюлоза может служить неисчерпаемым источником технической глюкозы. Однако практически во всех растениях целлюлоза находится в виде комплекса с гемицеллюлозой и лигнином, что и обеспечивает твердость древесины. Если гемицеллюлоза, состоящая в основном из моносахарида ксилозы с примесью арабинозы и глюкоуроновой кислоты легко подвергается гидролизу и то же может служить источником моносахаридов (отходы целлюлозно-бумажной промышленности), то лигнин, представляющий собой биополимер нерегулярного, трудно определяемого состава, состоящий из молекул многоосновных фенолов с неорганическими включениями, практически не подвержен гидролизу в тех же условиях. Смолообразные продукты, содержащие лигнин и продукты его частичного разложения, загрязняют аппаратуру, забивают трубопроводы, обволакивая частицы целлюлозы тормозят их гидролиз, отравляют растворы моносахаридов. Проблемой очистки от лигнина и его переработки ученые разных стран занимаются  уже более ста лет, однако проблема по-прежнему далека от решения.  Поэтому растворы моносахаридов, получаемые гидролизом целлюлозосодержащего растительного сырья, даже после сложной, многоступенчатой очистки используют обычно для получения непищевых, технических продуктов (этиловый спирт”гидролизный”-“гидрашка”, кормовые дрожжи, органические кислоты).