Сырьевые ресурсы биотехнологии

Август 1, 2022

Главная
Биология
Сырьевые ресурсы биотехнологии

Содержание

2. Принципы организации биотехнологического процесса 1 Принцип экономической обоснованности Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые
3. 3 Принцип научной обоснованности Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима
4. Принципы подбора биотехнологических объектов Вид – основная таксономическая единица, представляет совокупность особей одного генотипа, обладающих хорошо
5. Выделение микроорганизмов 1 Отбираются пробы из мест, где обитание того или иного продуцента наиболее вероятно. Например,
6. 3 Выделение чистых культур Для этого используют плотные питательные среды. На которые засевают образцы проб из
7. Главный критерий при отборе продуцента – способность синтезировать целевой продукт Требования к продуценту: Высокая скорость роста
8. Перспективные направления при выборе биообъекта Фотосинтезирующие микроорганизмы Фототрофы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и различных
9. Основная цель биотехнологии: Промышленное использование биологических процессов и объектов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур
10. Основные задачи пред ферментационной стадии Приготовление питательной среды (субстрата) Стерилизация питательной среды Подготовка воздуха (для аэробный
11. Сырьевая база биотехнологии Эффективность биотехнологических процессов достигается двумя путями: разработка и выделение новых высокопродуктивных биообъектов применение
12. Питательные среды ТРЕБОВАНИЯ: Питательные вещества должны быть в легко усвояемой форме; Высокая буферная емкость ; Изотоничность;
13. Культивируемые биообъекты
14. В состав питательных сред для биотехнологических процессов входят:
15. Питательный субстрат (питательная среда) является сложной трехфазной системой, содержащей жидкие, твердые и газообразные компоненты. При выборе
16. Важнейшие группы субстратов (технических источников углерода и минеральных веществ), используемых в биотехнологических процессах
17. Традиционные источники углерода
18. Побочные продукты, используемые в биотехнологической промышленности в качестве основного сырья
19. Основные принципы, лежащие в основе конструирования питательных сред удовлетворение питательных потребностей микроорганизмов; выбор сырьевых источников для
20. Удовлетворение питательных потребностей микроорганизмов Основной принцип этого состоит в удовлетворении физиологических потребностей микроорганизмов. Эти потребности, оптимальные
21. Химический состав микроорганизмов, % сухого вещества
22. Вещества, избыток которых замедляет рост микроорганизмов
23. Принципы подбора количества компонентов ПС для проведения биотехнологического процесса Используют данные химического состава биомассы Если культура
24. Выбор сырьевых источников для конструирования питательных сред Сырье должно быть: полноценным (количественный и качественный состав сырья
25. Дифференциация питательных сред по целевому назначению По целевому назначению среды подразделяют: • на микробиологические (предназначенные для
26. По происхождению: естественные (натуральные, комплексные); полусинтетические; синтетические По набору питательных веществ выделяют: • минимальные среды, которые
27. Оптимизация многокомпонентного состава питательной среды Процессы культивирования микроорганизмов можно оптимизировать методами, которые разделяются на две группы.
28. Схема оптимизации ПС
29. Высоко объективным является метод балансировки состава ПС, в основу которого заложено использование уравнения ассимиляции микробной популяции,
31. Скачать презентацию

Слайд 2

Принципы организации биотехнологического процесса
1 Принцип экономической обоснованности
Биотехнология внедряется только в те

производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Например, аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это очень трудоемкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза
2 Принцип целесообразного уровня технологических разработок
Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации – все это должно определяться соображения экономической целесообразности, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса на готовый продукт.
Например, для получения препаратом медицинского назначения, потребность в которых составляет несколько килограммов в год, целесообразно получать в небольших биореакторах, крупномасштабное производство здесь себя не оправдывает.
В большинстве современных микробиологических производствах стремятся к использованию чистых культур микроорганизмов и к полной стерильности оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз). Получают без чистых культур, растущих в нестерильных условия.

Слайд 3

3 Принцип научной обоснованности
Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды,

конструкции биореактора и режима его работы
4 Принцип удешевления производства (максимальное снижении затрат)
Например, использование в биотехнологических процесса энергии солнца, естественных биореакторов – природных водоемов вместо специальных сооружений для получения биомассы водорослей
Двуедичная задача биотехнологии: создание оптимальных условий для синтеза целевого продукта с использованием биообъекта в максимально выгодном экономическом режиме - при минимальных производственных затратах

Слайд 4

Принципы подбора биотехнологических объектов
Вид – основная таксономическая единица, представляет совокупность особей

одного генотипа, обладающих хорошо выраженным фенотипическим сходством. Вид подразделяют на подвиды или варианты.
Штамм – более узкое понятие, чем вид. Это культуры одного вида. Выделенные из разных природных сред (почв, водоемов, организмов и др.). Разные штаммы одного вида могут отличаться по некоторым признакам, например, чувствительностью к антибиотикам, способностью синтезировать некоторые продуты метаболизма. Но эти различия меньше, чем видовые.
Клон – совокупность потомков, выращенных из одной микробной клетки.
Чистая культура – совокупность (популяция) микроорганизмов, состоящая из особей одного вида

Слайд 5

Выделение микроорганизмов
1 Отбираются пробы из мест, где обитание того или иного

продуцента наиболее вероятно.
Например, углеводородокисляющие микроорганизмы встречаются в почве бензоколонок, а винные дрожжи – на винограде.
2 Образцы проб вносят в жидкие питательные среды специального состава (элективные).
В элективных средах путем варьирования различных факторов создаются избирательные условия для преимущественного развития определенного продуцента.
Таким образом получают накопительные культуры микрорганизмов

Слайд 6

3 Выделение чистых культур
Для этого используют плотные питательные среды. На которые

засевают образцы проб из накопительных культур штрихом (для получения изолированный колоний)
Последующий пересев из изолированных колоний (после анализа).
Другой путь подбора микроорганизмов – из имеющихся коллекций микроорганизмов.

Слайд 7

Главный критерий при отборе продуцента – способность синтезировать целевой продукт
Требования к

продуценту:
Высокая скорость роста
Использование для жизнедеятельности дешевых непищевых субстратов
Устойчивость к заражению посторонней микрофлорой
Все это позволяет значительно снизить затраты на производство целевого продукта

Слайд 8

Перспективные направления при выборе биообъекта
Фотосинтезирующие микроорганизмы
Фототрофы перспективны как продуценты аммиака, водорода,

белка и различных биопрепаратов
Термофильные микроорганизмы (температура роста 60…80оС, 100оС и выше):
снижение затрат для предотвращения контаминации (на стерилизацию промышленного оборудования).
Скорость роста и метаболическая активность выше в 1,5…2 раза
Ценные продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода

Слайд 9

Основная цель биотехнологии:
Промышленное использование биологических процессов и объектов на основе получения

высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами, обеспечивающие получение целевого продукта

Слайд 10

Основные задачи пред ферментационной стадии
Приготовление питательной среды (субстрата)
Стерилизация питательной среды
Подготовка воздуха

(для аэробный процессов)
Подготовка биореактора
Получение посевного материала

Слайд 11

Сырьевая база биотехнологии
Эффективность биотехнологических процессов достигается двумя путями:
разработка и выделение

новых высокопродуктивных биообъектов
применение эффективных технологических режимов
С этой целью необходимо:
подобрать подходящий субстрат (сырьё),
разработать конструкцию аппарата,
обеспечить автоматический контроль за протеканием биотехнологического процесса,
разработать способ выделения и очистки готового целевого продукта.
Причём, надо не только создать оптимальные условия для синтеза целевого продукта, но и осуществлять производство в максимальном экономическом режиме.

Слайд 12

Питательные среды

ТРЕБОВАНИЯ:
Питательные вещества должны быть в легко усвояемой форме;

Высокая буферная емкость ;
Изотоничность;
Стерильность;
рН должна быть оптимальной для клеток;
Оптимальная влажность,
Вязкость,

Слайд 13

Культивируемые биообъекты

Слайд 14

В состав питательных сред для биотехнологических процессов входят:

Слайд 15

Питательный субстрат (питательная среда) является сложной трехфазной системой, содержащей жидкие, твердые

и газообразные компоненты.
При выборе сырья учитывают не только физиологические потребности выбранного продуцента, но и стоимость сырья

Слайд 16

Важнейшие группы субстратов (технических источников углерода и минеральных веществ), используемых в

биотехнологических процессах

Слайд 17

Традиционные источники углерода

Слайд 18

Побочные продукты, используемые в биотехнологической промышленности в качестве основного сырья

Слайд 19

Основные принципы, лежащие в основе конструирования питательных сред
удовлетворение питательных потребностей микроорганизмов;
выбор

сырьевых источников для конструирования ПС;
дифференциация ПС по целевому назначению;
оптимизация ПС;
стандартизация ПС.

Слайд 20

Удовлетворение питательных потребностей микроорганизмов
Основной принцип этого состоит в удовлетворении физиологических потребностей

микроорганизмов. Эти потребности, оптимальные значения рН и температуры указаны в специальных каталогах культур и определителях.
Количество необходимых азотосодержащих веществ определяют по содержанию азота в биомассе и предполагаемого ее урожая, при этом следует иметь в виду, что около 5% азота остается не использованным. Потребность в минеральном питании оценивают, культивируя микроорганизмы на строго синтетических средах.
Для ауксотрофных микроорганизмов необходимую концентрацию дефицитных факторов подсчитывают с учетом потребностей выращиваемой культуры.
В питательную среду необходимо вводить различные побочные ингредиенты, которые положительно влияют на процесс ферментации (белки, аминокислоты, органические кислоты, минеральные вещества и др.).
Необходимо учитывать содержание потенциально вредных примесей (ингибиторов). Рост дрожжей подавляется при концентрации (в %) щавелевой кислоты - 0,1; муравьиной - 0,2; уксусной - 0,2; масляной - 0,05; меди - 0,005; серебра - 0,000001; мышьяка - 0,0005.
Среда для выращивания клеток растений и животных, помимо многих указанных компонентов, должна содержать специфические стимуляторы роста. Для клеток растений - это индолуксусная кислота, кинетин и гиббереллиновая кислота. Клетки животных нуждаются в ростовых веществах и незаменимых аминокислотах.

Слайд 21

Химический состав микроорганизмов, % сухого вещества

Слайд 22

Вещества, избыток которых замедляет рост микроорганизмов

Слайд 23

Принципы подбора количества компонентов ПС для проведения биотехнологического процесса
Используют данные химического

состава биомассы
Если культура синтезирует и выделяет в среду какой-либо продукт (БАВ), следует учитывать и химический состав этого продукта.
Поскольку гетеротрофы используют органические вещества не только для построения своих клеточных структур, но и для энергетического обмена, то учитывают и энергетический расход компонентов ПС, который определяют по выходу АТФ.
Определяют концентрацию ЛИМИТИРУЮЩЕГО компонента - вещества, недостаток которого в ПС приводит к ограничению роста культуры (например, глюкозное голодание → ррGрр → апоптоз)
Остановка роста культуры м.б. как при недостатке, так и при избытке субстрата в ПС

Слайд 24

Выбор сырьевых источников для конструирования питательных сред
Сырье должно быть:
полноценным (количественный и

качественный состав сырья должен, в основном, удовлетворять питательным потребностям микроорганизмов и клеток, для которых разрабатываются ПС);
доступным (иметь достаточно обширную сырьевую базу);
технологичным (затраты на внедрение в производство должны осуществляться с использованием имеющегося оборудования или существующей технологии);
экономичным (затраты на внедрение технологии при переходе на новое сырье и его переработку не должны превосходить нормы затрат для получения целевого продукта);
стандартным (иметь длительные сроки хранения без изменения физико-химических свойств и питательной ценности).

Слайд 25

Дифференциация питательных сред по целевому назначению
По целевому назначению среды подразделяют:
• на

микробиологические (предназначенные для культивирования бактерий, дрожжей, грибов);
• среды для культур клеток, часть из которых относят также к вирусологическим средам.
По физическому состоянию ПС классифицируются на:
жидкие – используют для исследований, их составом проще управлять
жидкие концентрированные – для культивирования клеток в виде 10-, 50- и 100-кратных концентратов
полужидкие – добавляют 0,5 % агар – для культивирования анаэробных микроорганизмов или при диагностике вирусов в чувствительных тканевых культурах
твердые (плотные) – с использованием уплотняющих веществ (желатин, силикагель, агар, карбоксилметилцеллюлоза и др.). Более удобны в транспортировке. На них легче проводить микроскопическое изучение культур, легче выявить заражение посторонней микрофлорой и выделить чистую культуру из отдельных колоний, для хранения микроорганизмов.
сухие - стандартны, хорошо хранятся и транспортируются, быстро растворяются в воде при комнатной температуре. Их широко используют для получения диагностических ПС
По сложности:
Простые
сложные

Слайд 26

По происхождению:
естественные (натуральные, комплексные);
полусинтетические;
синтетические
По набору питательных веществ выделяют:
• минимальные среды,

которые содержат лишь источники питания, достаточные для роста;
• богатые среды, в состав которых входят многие дополнительные вещества.
В зависимости от назначения ПС различают:
• дифференциально-диагностические
• элективные
• селективные
• ингибиторные
• среды для поддержания культуры
• накопительные (насыщения, обогащения)
• консервирующие
• контрольные
По масштабам использования ПС подразделяются на:
производственные (технологические);
среды для научных исследований с ограниченным по объему применением

Слайд 27

Оптимизация многокомпонентного состава питательной среды
Процессы культивирования микроорганизмов можно оптимизировать методами, которые

разделяются на две группы.
К первой группе относятся методы оптимизации по экспериментальным данным. Они не требуют привлечения сложных математических расчетов, но связаны со значительными затратами времени, возникающими из-за необходимости проведения большого количества экспериментальных исследований.
Ко второй группе относятся методы с применением математических моделей. Являются более точными, но более трудоемкими.
Задача оптимизации управляемого периодического процесса культивирования по максимизации биомассы или целевого продукта в общем виде выглядит следующим образом: определяется наиболее рациональный состав исходной ПС, а затем профили изменения основных технологических параметров, обеспечивающих значение выбранного критерия эффективности при заданных ограничениях.
Важнейшим элементом оптимизации технологического процесса является выбор критерия эффективности. В качестве критериев используют такие показатели, как концентрация живых микробных клеток, съем целевого продукта с единицы объема среды и т.д.
Сложности оптимизации ПС:
Большое количество и взаимосвязь составляющих ПС ингредиентов

Слайд 28

Схема оптимизации ПС

Слайд 29

Высоко объективным является метод балансировки состава ПС, в основу которого заложено

использование уравнения ассимиляции микробной популяции, где учитываются такие показатели:
концентрация потребляемого субстрата;
время потребления;
концентрация биомассы;
коэффициент метаболизма;
константы скорости образования и отмирания микроорганизмов;
концентрация субстрата в начальный момент культивирования.
При подборе ПС для периодического культивирования возникает противоречие между необходимостью внесения в нее достаточно большого количества субстратов и ингибирующим влиянием высоких концентраций одного или нескольких элементов питания на рост микробной клетки и(или) биосинтез целевого продукта.
Снижение концентрации таких субстратов в исходной ПС с последующим их добавлением в биореактор, по определенной программе, позволяет исключить ингибирование процесса в начальной фазе роста и в то же время не допустить его лимитирования в последующий период размножения микробов.

Сырьевые ресурсы биотехнологии

Содержание

Принципы организации биотехнологического процесса1 Принцип экономической обоснованностиБиотехнология внедряется только в те

3 Принцип научной обоснованностиНаучные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды,

Принципы подбора биотехнологических объектовВид – основная таксономическая единица, представляет совокупность особей

Выделение микроорганизмов1 Отбираются пробы из мест, где обитание того или иного

3 Выделение чистых культурДля этого используют плотные питательные среды. На которые

Главный критерий при отборе продуцента – способность синтезировать целевой продуктТребования к

Перспективные направления при выборе биообъектаФотосинтезирующие микроорганизмыФототрофы перспективны как продуценты аммиака, водорода,

Основная цель биотехнологии:Промышленное использование биологических процессов и объектов на основе получения

Основные задачи пред ферментационной стадииПриготовление питательной среды (субстрата)Стерилизация питательной средыПодготовка воздуха

Сырьевая база биотехнологииЭффективность биотехнологических процессов достигается двумя путями: разработка и выделение

Питательные среды ТРЕБОВАНИЯ:Питательные вещества должны быть в легко усвояемой форме;