Волова Т.Г. Введение в биотехнологию. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ

ВБИОТЕХНОЛОГИЮ

Банк тестовых заданий в системе UniTest

Учебная программа дисциплины

Учебное пособие

Методические указания по лабораторным работам

Методические указания по самостоятельной работе

Красноярск

ИПК СФУ

2008

Электронный

учебно-методический комплекс

УДК 57.01

ББК 30.16

В68

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Введение в био-

технологию» подготовлен в рамках реализации в 2007 г. программы развития ФГОУ

ВПО «Сибирский федеральный университет» на 2007–2010 гг. по разделу «Модерни-

зация образовательного процесса».

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки;

Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дис-

циплин

Волова, Т. Г.

В68 Введение в биотехнологию. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : электрон.

учеб. пособие / Т. Г. Волова. – Электрон. дан. (2 Мб). – Красноярск : ИПК

СФУ, 2008. – (Введение в биотехнологию : УМКД № 143-2007 / рук. творч.

коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования :

Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ;

512 Мб оперативной памяти ; 2 Мб

свободного дискового пространства ; при-

вод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista

(32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов фор-

мата pdf).

ISBN 978-5-7638-1075-2 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1432-3 (пособия)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802394

от 01.01.0001 г. (комплекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического ком-

плекса по дисциплине «Введение в биотехнологию», включающего учебную про-

грамму, методические указания по лабораторным работам, методические указания по

самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Введение в биотех-

нологию. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «Введение в биотехнологию.

Презентационные материалы».

Изложены научные основы биотехнологии; рассмотрены вопросы промышленной

микробиологии и инженерной энзимологии; технологической биоэнергетики и био-

технологических процессов переработки минерального сырья; биотехнологии и про-

блем защиты окружающей среды; клеточной и генетической инженерии и сельскохо-

зяйственной биотехнологии; показаны перспективы развития биотехнологии.

Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 020200.62

«Биология» укрупненной группы 020000 «Естественные науки».

Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ

в качестве учебного пособия

Редактор И. А. Вейсиг

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий элек-

тронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке

мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного про-

дукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрирован-

ными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 22.09.2008

Объем 2 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-3-

1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ» ...... 6

1.1 Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие

биотехнологию ............................................................................................ 6

1.2 Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры

и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы,

трансгенные организмы) ......................................................................... 12

1.3 Аппаратура для реализации биотехнологических процессов

и получения конечного продукта. Типы ферментационных

аппаратов, применяемых в анаэробных и аэробных процессах

ферментации (поверхностное культивирование, глубинное,

гомогенное проточное и периодическое) ............................................ 16

1.4 Аппаратура для конечной стадии биотехнологических

производств и получения готового продукта ..................................... 20

1.5 Совокупность методов для контроля и управления

биотехнологическими процессами. Моделирование

и оптимизация процессов получения целевых продуктов ............. 23

1.6 Критерии оценки эффективности биотехнологических

процессов: скорость роста продуцента, выход продукта,

экономический коэффициент и непродуктивные затраты энергии,

энергозатраты и затраты и обезвреживание отходов.

Технологические факторы, влияющие на производительность

и экономику биотехнологических процессов ..................................... 26

2. ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ ................. 30

2.1 Промышленный биосинтез белковых веществ. Особенности

возникновения отрасли, современное состояние и перспективы

развития ...................................................................................................... 30

2.2 Субстраты I-го поколения для получения белково-витаминных

концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды.

Субстраты III-го поколения: особенности получения белка

одноклеточных на спиртах и природном газе ................................... 33

2.3 Микробиологическое получение целевых продуктов.

Аминокислоты. Субстраты и продуценты. Регуляторные

и ауксотрофные мутанты – продуценты аминокислот.

Особенности ферментации и контроля процесса получения

аминокислот. Техника выделения и очистки аминокислот ............. 43



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-4-

2.4 Органические кислоты. Среды и аппараты, применяемые для

получения органических кислот. Поверхностное и глубинное

культивирование, метод долива и пленок. Среды для получения

органических кислот. Получение конечного продукта ...................... 53

2.5 Промышленный синтез антибиотиков. Продуценты и среды.

Классификация антибиотиков. Особенности ферментации.

Стадийность процесса. Выделение и очистка конечного продукта.

Стандартизация антибиотиков ............................................................... 63

3. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ ............................ 69

3.1 Ферментные препараты, особенности получения, применения.

Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов

/твердофазное поверхностное и глубинное. Аппаратура.

Технологический цикл и стадийность процесса производства

ферментов. Методы выделения и очистки. Применение ................ 69

3.2 Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации

ферментов. Адсорбция, включение в гели, химическая сшивка и

присоединение. Характеристика применяемых подложек. Техника

иммобилизации. Свойства иммобилизованных ферментов .......... 76

3.3 Особенности процессов на основе иммобилизованных

ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения

целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов.

Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов.

Биолюминесцентный микроанализ ...................................................... 82

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА

И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ

МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ .......................................... 89

4.1 Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение

биогаза, спирта из промышленных и сельскохозяйственных

отходов ........................................................................................................ 89

4.2 Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов.

Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами

и горными породами .............................................................................. 107

4.3 Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое).

Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных

ископаемых .............................................................................................. 112

5. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ........................................... 118



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-5-

5.1 Принципы биологических методов аэробной и анаэробной

переработки отходов. Анаэробные методы переработки отходов

сельскохозяйственных производств ................................................. 118

5.2 Биотехнологические методы переработки городских стоков.

Промышленные биофильтры и аэротенки ....................................... 123

5.3 Применения биотехнологических методов для очистки газо-

воздушных выбросов и деградации ксенобиотиков ...................... 129

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ .. 140

6.1 Генетическая инженерия, принципы, возможности. Области

применения биологических агентов, полученных методами

генетической инженерии ....................................................................... 140

6.2 Технологии генетического конструирования организмов n vitro.

Источники ДНК для клонирования генов (рестрикция,

ферментный и химико-ферментный синтез генов). Методы

введения ДНК. Экспрессия генов в рекомбинантных ДНК. Генная

инженерия промышленно важных продуцентов инсулина,

соматотропина, интерферонов ............................................................ 147

6.3 Клеточная инженерия. Получение биологических агентов

методами клеточной инженерии in vivo. Мутагенез. Методы

получения и выделения мутантов. Гибридизация эукариотических

клеток. Плазмиды и коньюгация у бактерий. Фаги и трансдукция.

Техника слияния протопластов. Гибридомы. Получение и

применение моноклональных антител .............................................. 151

7. БИОТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ СЕЛЬСКОГО

ХОЗЯЙСТВА ............................................................. 156

7.1 Технология получения биологических удобрений. Продуценты,

среды, ферментационная техника. Особенности применения.

Нитрагин. Азотобактерин ....................................................................... 156

7.2 Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями

и болезнями сельскохозяйственных растений и животных.

Технология получения биологических препаратов

(бактериальных, грибных, вирусных) ................................................ 162

8. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ 174

8.1 Новые направления биотехнологии ................................................. 174

8.2 Выбор, распространение и применение биотехнологии

Предотвращение риска .......................................................................... 175

............................................. 179



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-6-

Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими

переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет.

Основу этих событий составили новые представления в области наслед-

ственности и методические усовершенствования, которые приблизили

человечество к познанию превращений ее материального субстрата и

проложили дорогу новейшим промышленным процессам. Помимо этого,

ряд важнейших открытий в других областях также повлиял на развитие

биотехнологии.

Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она бле-

стяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов.

Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным,

пока не столь значительны. Попытки применения приемов генетической инже-

нерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными трудностя-

ми, обусловленными как несовершенством наших знаний по генетике эукариот,

так и сложностью организации высших организмов.

Использование научных достижений и практические успехи биотехно-

логии обеспечиваются фундаментальными исследованиями и реализуется на

самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить

удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достиже-

ния теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук

биологического профиля, но также и многих других .

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управ-

ляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой

деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитиче-

ского потенциала различных биологических агентов и систем – микроор-

ганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также

внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разра-

ботка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности

практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии яв-

ляется одной их центральных задач в экономической политике развитых

стран. Лидерами биотехнологии считаются сегодня США и Япония, на-

копившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства,

фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное

положение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка,

медикаментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Вели-

кобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным по-

тенциалом новой техники и технологии, интенсивными фундаменталь-

1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»

1.1 Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие биотехнологию



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-7-

ными и прикладными исследованиями в различных областях биотехноло-

гии. Определить сегодня, что же такое биотехнология, весьма не просто.

Вместе с тем, само появление этого термина в нашем словаре глубоко

символично. Оно отражает мнение, что применение биотехнологических

материалов и принципов в ближайшие годы радикально изменит многие

отрасли промышленности и само человеческое общество. Интерес к этой

науке и темпы ее развития в последние годы растут очень быстро.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди за-

нимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты,

применяли ферментации для получения лекарственных веществ и перера-

ботки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая ме-

тоды генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными

ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого яв-

ляемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инже-

нерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотех-

нологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранее

недоступными способами разнообразные ценные продукты.

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется

революционными изменениями в биологии, которая становится лидером

естествознания. Биология вышла на молекулярный и субклеточный уро-

вень, в ней интенсивно применяются методы смежных наук (физики, хи-

мии, математики, кибернетики и др.), системные подходы. Бурное разви-

тие комплекса наук биологического профиля с расширением практиче-

ской сферы их применения обусловлено также социально-

экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы,

стоящие перед человечеством второй половины ХХ века, как дефицит

чистой воды и пищевых веществ (в особенности белковых), загрязнение

окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, не-

обходимость развития новых средств диагностики и лечения, не могут

быть решены традиционными методами. Поэтому возникла острая необ-

ходимость в разработке и внедрение принципиально новых методов и

технологий. Большая роль в решение комплекса этих проблем отводится

биотехнологии, в рамках которой осуществляется целевое применение

биологических систем и процессов в различных сферах человеческой дея-

тельности. В современной биотехнологии в соответствии со спецификой

сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных

разделов следующие:

- Промышленная микробиология.

- Медицинская биотехнология.

- Технологическая биоэнергетика.

- Сельскохозяйственная биотехнология.

- Биогидрометаллургия.

- Инженерная энзимология.

- Клеточная и генетическая инженерия.

1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»

1.1 Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие биотехнологию



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-8-

- Экологическая биотехнология.

Перспективность и эффективность применения биотехнологических

процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения

пищи и напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей

и новых материалов обусловлены их компактностью и одновременно круп-

номасштабностью, высоким уровнем механизации и производительности

труда. Эти процессы поддаются контролю, регулированию и автоматизации.

Биотехнологические процессы, в отличие от химических, реализуются в

«мягких» условиях, при нормальном давлении, активной реакции и невысо-

ких температурах среды; они в меньшей степени загрязняют окружающую

среду отходами и побочными продуктами, мало зависят от климатических и

погодных условий, не требуют больших земельных площадей, не нуждаются

в применении пестицидов, гербицидов и других чужеродных для окружаю-

щей среды агентов. Поэтому биотехнология в целом и ее отдельные разделы

находятся в ряду наиболее приоритетных направлений научно-технического

прогресса и являются ярким примером «высоких технологий», с которыми

связывают перспективы развития многих производств. Биологические техно-

логии находятся в настоящее время в фазе бурного развития, но уровень их

развития во многом определяется научно-техническим потенциалом страны.

Все высокоразвитые страны мира относят биотехнологию к одной из важ-

нейших современных отраслей, считая ее ключевым методом реконструкции

промышленности в соответствии с потребностями времени, и принимают

меры по стимулированию ее развития.

Биотехнологические процессы многолики по своим историческим кор-

ням и по своей структуре, они объединяют элементы фундаментальных наук, а

также ряда прикладных отраслей, таких как химическая технология, машино-

строение, экономика. Научная многоликость биотехнологии в целом и ее раз-

дела, имеющего целью решение природоохранных задач, удивительна: она

использует достижения наук биологического цикла, изучающих надорганиз-

менный уровень (экология), биологические организмы (микробиология, мико-

логия), суборганизменные структуры (молекулярная биология, генетика). Че-

рез биологию на биотехнологию влияют химия, физика, математика, киберне-

тика, механика. Современные биотехнологии также остро нуждаются в научно

обоснованной проработке технологии и аппаратурном оформлении. Поэтому

необходима органическая связь с техническими науками – машиностроением,

электроникой, автоматикой. Общественные и экономические науки также иг-

рают большую роль в развитии экологической биотехнологии, так как решае-

мые ею практические задачи имеют большое социально-экономическое значе-

ние для развития любого общества. К биотехнологии, как ни к одной любой

отрасли и области научных знаний, подходят знаменитые слова Луи Пастера:

«Нет, и еще тысячу раз нет, я не знаю такой науки, которую можно было бы

назвать прикладной. Есть наука и есть области ее применения, и они связаны

друг с другом, как плод с взрастившим его деревом».

1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»

1.1 Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие биотехнологию



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-9-

Важнейшей задачей любого биотехнологического процесса является

разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для

него. При организации биотехнологических производств частично был заим-

ствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако био-

технологические процессы имеют существенное отличие от химических в си-

лу того, что в биотехнологии используют более сложную организацию мате-

рии – биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.)

– это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических про-

цессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популя-

ций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков –

возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблаго-

приятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, час-

тота которых составляет от 10

-4

до 10

-8

. Гетерогенность также может быть обу-

словлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий

среды.

В общем виде любой биотехнологический процесс включает три ос-

новные стадии: предферментационную, ферментационную и постфермен-

тационную. Принципиальная схема реализации биотехнологических процес-

сов в общем виде может быть представлена блок-схемой, в которой сделана

попытка охватить все варианты ферментационных процессов .

На предферментационной стадии осуществляют хранение и подго-

товку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питатель-

ных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и ре-

циркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры

является очень важным моментом предферментационной стадии, так как

продуцент, его физиолого-биохимические характеристики и свойства опре-

деляют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении

чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и

обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята в количествах, требуе-

мых для начала процесса. При выращивании посевных доз инокулята приме-

няют принцип масштабирования, то есть проводят последовательное нара-

щивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии ферменте-

ров. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от

предыдущего обычно на порядок. Полученный инокулят по стерильной по-

севной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется фермен-

тационная стадия. Приготовление питательных сред осуществляется в специ-

альных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от раствори-

мости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные

реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в

их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологиче-

ских процессах применяются различные по происхождению и количествам

субстраты, поэтому процесс их приготовления варьирует. Дозирование пита-

тельных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каж-

дом производстве в соответствии с Технологическим регламентом конкрет-

ного процесса. В качестве дозирующего оборудования при этом применяют-

1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»

1.1 Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие биотехнологию



Введение в биотехнологию. Учеб. пособие

-10-

ся весовые и объемные устройства, используемые в пищевой и химической

промышленности. Транспорт веществ осуществляется насосами, ленточными

и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты подают в ферментеры с

помощью вакуумных насосов. Часто применяют принцип предварительных

смесей, то есть соли предварительно растворяют и затем транспортируют по

трубопроводам, дозируя их подачу по объему. В силу исключительного раз-

нообразия биотехнологических процессов и применяемых для их реализации

сред, методов и аппаратуры рассмотрение данных элементов далее будет свя-

зано с конкретными биотехнологическими производствами.

Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологиче-

ском процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с

субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродук-

тов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и

может быть организована в зависимости от особенностей используемого

продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными

способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и

без соблюдения правил стерильности (так называемая незащищенная фер-

ментация); на жидких и на твердых средах; анаэробно и аэробно. Аэробная

ферментация, в свою очередь, может протекать поверхностно или глубинно

(во всей толще питательной среды).

Культивирование биологических объектов может осуществляться в

периодическом и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой суб-

стратом. При периодическом способе культивирования ферментер заполня-

ется исходной питательной средой и инокулятом микроорганизмов (Х

+ S

на слайде). В течение определенного периода времени в аппарате происходит

взаимодействие микроорганизмов и субстрат, сопровождающееся образова-

нием в культуре продукта (Х + S → P).

Биохимические превращения в этом аппарате продолжаются от десят-

ков часов до нескольких суток. Регуляция условий внутри ферментера – важ-

нейшая задача периодического культивирования микроорганизмов. В ходе

периодической ферментации выращиваемая культура проходит ряд последо-

вательных стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, замедления роста, стацио-

нарную и отмирания. При этом происходят существенные изменения физио-

логического состояния биообъекта, а также ряда параметров среды. Целевые

продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты – фер-

менты, аминокислоты, витамины) и стационарной (вторичные метаболиты –

антибиотики) фазах, поэтому в зависимости от целей биотехнологического

процесса в современных промышленных процессах применяют принцип

дифференцированных режимов культивирования. В результате этого созда-

ются условия для максимальной продукции того или иного целевого продук-

та. Периодически ферментер опорожняют, производят выделение и очистку

продукта, и начинается новый цикл.

Непрерывный процесс культивирования микроорганизмов обладает

существенными преимуществами перед периодическим. Непрерывная фер-

ментация осуществляется в условиях установившегося режима, когда мик-