Без имени (стр. 1 )

Модуль 1. Физические и биофизические методы, используемые в биотехнологии.

ЛЕКЦИЯ № 1. ВВЕДЕНИЕ

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, клетки растений, животных и человека, биогенные вещества. Диапазоны распространяются от вирусов до человека. Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистка, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул. Следует учитывать, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными и для микробов-контаминтантов  или  загрязнений.  Представителями  контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии, грибы, которые находятся в культурах растительных и животных клеток. Здесь микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. Так при использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном состоянии от сапрофитной микрофлоры, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне,  следствие негерметичности. Независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией.

В биотехнологии существуют свои специфические методы:

• крупномасштабное  глубинное культивирование  биообъектов  в периодическом непрерывном режиме.

• выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях.

Биотехнологические методы культивирования биообъектов выполняются в специальных оборудованиях-ферментаторах.

Биотехнологические процессы отличаются от химических процессов: во-первых, главными компонентами являются какой-либо биообъект (вирус, бактерии, грибы). Такие объекты отсутствуют в хим. технологии. Высокие температуры неприемлемы в биотехнологии, давление. Биотехнологические процессы подразделяются на биологические, биохимические, биоаналогичные. К первым относят те из них, которые основываются на использовании акариот, прокариот, вторые - на использовании ферментов, третьи - на химическом синтезе.

Многие процессы биологической технологии являются общими (показательно на аппаратурном направлении, на выборе биореакторов).

Специальные - которые имеют свои специфические особенности (т. к. выращивание пеницилина, культивирование вирусов гриппа на куриных эмбрионах). С учетом этого все биотехнологические процессы делятся на микробиологические, фито - зообиотехнология.

Биотехнологические процессы условно подразделяются на биологические, биохимические, биоаналогичные.

К биологическим относят те, которые основываются на использовании прокариот и эукариот, акориоты (аблигатные паразиты, которые развиваются лишь в живых клетках и тканях - бактериофаги, вирусы растений, млекопитающих).

Вторые - на использовании ферментов.

Третьи - на химическом синтезе или полусинтезе веществ, которые функционально близки к процессам живых организмов (получение пеницилина, нуклеиновых кислот).

По условиям проведения процесса различают нестерильные (крупнотонажное производство кормовых дрожжей) и стерильные (получение антибиотиков, витаминов): аэробные и анаэробные.

Процессы проводят в одном из 3 режимов:

• периодическое

• полунепрерывное;

• непрерывное.

При периодическом режиме процесс проводят от начала до конца по регламенту, после завершения всех операций его повторяют.

При полунепрерывном режиме осуществляется отливно-доливной процесс, когда на пике биосинтеза какого-либо антибиотика отбирают 30-70% культуральной жидкости и одновременно (однократно) добавляют свежей питательной среды.

При непрерывном режиме процессы рассчитаны на непрерывный отбор культуральной жидкости и непрерывное добавление свежей питательной среды. Применительно к фазовому состоянию ингридиентов на биотехнологических производствах различают твердофазные процессы (получение грубых кормов или производство сыра из белков молока) и газофазные процессы, которые основаны на использовании газа (метана для получения микробного белка).

По условиям проведения процессов выделяют:

1) одноступенчатые;

2) двухступенчатые:

3) многоступенчатые.

Одноступенчатые процессы базируются на использовании клеток, находящихся в одном фазном состоянии.

Двухфазном - в разном фазном состояниях.

Многоступенчатые - присуще генетической инженерии.

Биотехнология базируется на протекающих в этих живых системах физико-химических, биохимических, физиологических процессах, в результате которых происходят выделение энергии, синтез и деградация продуктов, формирование организованных структур. Из этого ясно, что в биотехнологии для решения насущных научных и производственных задач имеется в готовом виде обширная материальная база. Ограничивают использование этой базы несовершенство знаний о живых объектах и протекающих в них процессах, отсутствие техники и методов оперирования ими и жесткие требования к уровню рентабельности используемых биотехнологий. Поэтому разные виды и группы живых организмов и их клетки вовлекают в сферу биотехнологии постепенно, но мере преодоления этих ограничивающих факторов.

Биотехнология решает не только конкретные задача науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача - она расширяет и ускоряет с помощью достижений научно-технического прогресса масштабы воздействии человека на живую природу, я способствует приспособлению живых систем к условиям существования человека (ноосфере), выступая в роли нового мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции. В прошлом влияние человека на живые организмы было ограничено главным образом искусственным отбором. В настоящее время искусственный отбор входит в формирующуюся биотехнологию как одна из ее исторических предпосылок. Этот глобальный (общебиологический) и конкретный (научно производственных взаимоотношений биотехнологии с живой природой тесно смыкаются и стимулируют друг друга. Они представляют собой единую систему, которая на верхнем уровне смыкается с эволюцией, а на нижнем все больше “сращивает” живую природу с социальной и производственной сферами жизни человека.

По своим потенциям биотехнология экологически достаточно чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный производитель разнообразной продукции и поэтому все больше будет вытеснять несовершенные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные химические технологии. Однако для большего прогресса биотехнология нуждается в успехах фундаментальных наук и в более совершенных методах оперирования живыми системами.

ЛЕКЦИЯ № 2. Методы изучения  и использования мембранных структур в биотехнологии.

К мембранным методам разделения относятся:

1. Диализ и электродиализ.

2. Обратный осмос.

3. Микрофильтрация.

4. Ультрафильтрация.

В основе этих методов лежит явление осмоса - диффузии растворенных веществ через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану с большим количеством (до 1010 – 1011 на 1 м2) мелких отверстий - пор, диаметр которых не превышает 0,5 мкм.

Под мембраной обычно принято понимать высокопористую или беспористую плоскую или трубчатую перегородку, оформленную из полимерных или неорганических материалов и способную эффективно разделять частицы различных видов (ионы, молекулы, макромолекулы и коллоидные частицы), находящиеся в смеси или растворе. Использование мембран позволяет создавать экономически высокоэффективные и малоотходные технологии.

Среди мембранных процессов особенно интенсивно развиваются баромембранные. Если обратный осмос изучен достаточно полно, то существенно в меньшей мере это касается микрофильтрации и тем более ультрафильтрации, несмотря на ее очевидную перспективность. Границы баромембранных методов разделения четко не определены, что, по видимому, принципиально невозможно, поскольку микро - и ультрафильтрация и обратный осмос в широких пределах перекрываются как в отношении их физико-химического описания, так и решаемых задач. Следовательно, приведенная классификация барометрических методов разделения в значительной мере условна. Тем не менее, каждый из указанных методов имеет свои характерные особенности, на основании которых предложено несколько их классификаций.

Микрофильтрация, в основном, является гидродинамическим процессом, близким к обычной фильтрации. Специфическая особенность микрофильтрации - использование мембран с диаметром пор от 0,1 до 10 мкм для отделения мелких частиц твердой фазы, в том числе микроорганизмов, в этом случае ее называют стерилизующей фильтрацией. Поэтому в отличие от процесса фильтрации при микрофильтрации явления диффузии (особенно при небольших размерах пор от 0,1 до 0,5 мкм) также играют определенную роль.

В основе ультрафильтрации лежит использование мембран с диаметром пор от 0,001 до 0,1 мкм. Ультрафильтрация применяется для разделения клеток и молекул.

Мембранные методы разделения, применительно к биологическим суспензиям, обладают рядом преимуществ.

1. Концентрирование и очистка осуществляются без изменения агрегатного состояния и фазовых превращений.

2. Перерабатываемый продукт не подвергается тепловым и химическим воздействиям.

3. Механическое и аэродинамическое воздействие на биологический материал незначительно.

4. Легко обеспечиваются герметичность и асептические условия.

5. Аппаратурное оформление компактно по конструкции, отсутствуют движущиеся детали.

6. Процесс не обладает высокой энергоемкостью, в большинстве случаев энергия затрачивается только на перекачивание растворов.

Механизм переноса атомов, молекул или ионов различных веществ через полупроницаемые мембраны может быть объяснен одной из следующих теорий.

Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мембране существуют поры, размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для того, чтобы пропускать молекулы или ионы растворенных веществ.

Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой растворимости и на различии коэффициента диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах. Теория капиллярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора в объеме.