Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологического производства» (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ  КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3  уровня	УМКД	УМКД 042–18-9.1.21/03 -2014
Учебно-методические материалы по дисциплине «Основы биотехнологического производства»	Редакция  № 2 от 01.01.2001 г. взамен редакции №1 от  18.09.2013 г

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ 

КОМПЛЕКС  ДИСЦИПЛИНЫ

«Основы биотехнологического производства»

для специальности 5В070100 - «Биотехнология»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Семей

2014

УМКД 042-18-9.1.22/03-2014

Редакция  № 2 от 01.01.2001 г. взамен редакции №  1 от  18.09.2013 г.

Страница 2 из 20

Содержание

1. Лекции

2. Практический занятия

3. Самостоятельная работа студентов

УМКД 042-18-9.1.22/03-2014

Редакция  № 2 от 01.01.2001 г. взамен редакции №  1 от  18.09.2013 г.

Страница 3 из 20

Лекция №1. ВВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

План:

Введение. История развития биотехнологии

1.Биотехнология ведет свое начало с древнейших времен. Уже в Ветхом завете Библии упоминаются вино и так называемый «квас­ной хлеб», при приготовлении которых применялась дрожжевая закваска (впрочем, без отчетливого знания микробиологического характера этого агента).

2. История становления биотехнологии может быть подразделена на пять основных этапов (периодов), которые вследствие их важ­ности для развития биотехнологии иногда не совсем строго назы­вают «эрами».

1.  Допастеровская эра (до 1865 г.). В этот период биотехноло­гическими методами получали пиво, вино, сыр, хлеб, йогурт, ке­фир, разного рода ферментированную пищу.

2.  Пастеровская эра (1865—1940 гг.)*Стали известны микроор­ганизмы-продуценты, и это позволило создать производства эта­нола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организовать процессы биологической очистки стоков аэробными микроорганизмами.

3.  Эра антибиотиков (1940—1960 гг.).  Были открыты пени­циллин, стрептомицин и многие другие антибиотики, разработа­на технология культивирования клеток животных и получение вирусных вакцин,  технология биотрансформации стероидных гормонов.

4.  Постантибиотическая эра (1960—1975 гг.). Созданы техно­логии аминокислот, микробиологического белка на парафинах

нефти, ферментов, используемых в стиральных порошках. Разра­ботана технология иммобилизации ферментов (закрепления их на носителях) для получения глюкозо-фруктозных сиропов. К аэроб­ной обработке стоков добавилась анаэробная обработка твердых отходов с получением биогаза. Открыт микробиологический спо­соб получения полисахаридов (начиная от ксантана для увеличе­ния вязкости раствора нефтяных скважин до жевательной резин­ки). В этот период стали серьезно говорить о газохоле и вообще о техническом спирте как топливе для автомобилей.

Созданы микробиологические технологии витаминов В2 и В!2, а также микопротеина — мицелиального микроскопического гри­ба, используемого как заменитель мяса. Ученые научились куль­тивировать изолированные растительные клетки, что положило начало биотехнологическому

УМКД 042-18-9.1.22/03-2014

Редакция  № 2 от 01.01.2001 г. взамен редакции №  1 от  18.09.2013 г.

Страница 4 из 20

производству многих ценных лекар­ственных веществ с использованием огромного потенциала лекар­ственных растений. К этому же периоду относится зарождение биометаллургии — бактериального выщелачивания меди и цинка из руд.

5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.). Характеризуется разработкой генной инженерии, которая позволяет целенаправ­ленно изменять геном микроорганизмов, переносить в него свойства, заимствованные из геномов растений и животных. Это позволило создать микробиологическую технологию человечес­кого инсулина, интерферона, соматотропного и ростовых гормо­нов и многого другого.

Создана гибридомная технология, позволяющая получать мо-ноклональные антитела, являющиеся основой для огромного раз­нообразия диагностических препаратов. Появились так называе­мые «трансгенные» растения и животные, в которых осуществля­лось целенаправленное конструирование генома.

Разработанные основы биотехнологических производств дают возможность уже сейчас получать большое число продуктов с по­мощью биотехнологии, и эта область стремительно расширяется.

УМКД 042-18-9.1.22/03-2014

Редакция  № 2 от 01.01.2001 г. взамен редакции №  1 от  18.09.2013 г.

Страница 5 из 20

Лекция № 2 ВИДЫ ТЕХНОЛОГИЙ.

План:

Лекция № 3 ТИПОВАЯ СХЕМА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

План:

1.Типовая схема биотехнологических производств.

Лекция № 4 ОСНОВНЫЕ СТАДИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

План:

1.Стадии биотехнологических производств.

1.1. Биотехнологическая стадия.

1.2. Подготовительные стадии.

1.3.Разделение жидкости и биомассы.

1.4. Выделение продуктов биосинтеза.

1.5. Очистка продукта.

1.6. Концентрирование продукта.

1.7.Получение готовой формы продукта.

1.8. Очистка стоков и выбросов.

1.Рассмотренные продукты биотехнологии получают по индиви­дуальным технологиям со своими биологическими агентами, сы­рьем, числом стадий производства и их технологическими режи­мами. Тем не менее можно представить себе обобщенную типо­вую схему биотехнологических производств.

Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпе­вает определенные технологические воздействия и последователь­но превращается во все более сложные полупродукты и, наконец, в конечный продукт. Общий вид такой типовой схемы представ­лен на рис. 3.1.

1.1. Биотехнологическая стадия

Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологичес­кого агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.

Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества.

Однако биотехнологическая стадия, как правило, включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов, перечисленных далее (см. рис. 3.1).

Ферментация — процесс, осуществляемый с помощью культи­вирования микроорганизмов.

Биотрансформация — процесс изменения химической структу­ры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов. В этом процессе обыч­но не происходит накопления клеток микроорганизмов, а хими­ческая структура вещества меняется незначительно. Вещество как бы уже в основном готово, биотрансформация осуществляет его химическую модификацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, дегидрирует и т. п.

Биокатализ — химические превращения вещества, протекаю­щие с использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помо­щью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.

Метановое брожение — переработка органических отходов с по­мощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование — снижение содержания вредных органи­ческих вешеств ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспе­чения доступа воздуха и равномерного увлажнения.

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

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

Биодеградация — деструкция вредных соединений под воздей­ствием микроорганизмов-биодеструкторов.

Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один — жидкостной. В случае, если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отхо­дов), выходом является поток переработанного твердого продукта.

1.2. Подготовительные стадии

Подготовительные стадии служат для приготовления и подго­товки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. На стадии подготовки могут быть использованы следующие

процессы.

Приготовление среды, обычно жидкой, включающей необходи­мые компоненты питания для биотехнологической стадии.

Стерилизация среды — для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры.

Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходи­мых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечении требуемой температуры и очистке от присутствую­щих в воздухе микроорганизмов, включая споры.