Биотехнологические основы высоких технологий

Типы: технологии низкого и высокого уровня, экстенсивные и интенсивные, безотходные, безопасные, ресурсо- и энергосберегающие, трудоемкие, наукоемкие, прорывные. Современные биотехнологии различных направлений и различных уровней неразрывно связаны между собой в единую научно-производственную систему.

Технологии низкого уровня — это технологии традиционные, в известной мере устаревшие. К таковым относятся технологии биологической очистки сточных вод, получения биотоплива, некоторые виды микробиологического синтеза. Они характеризуются низкой наукоемкостью, т. е. базируются на использовании рабочих систем, полученных методами традиционной селекции. Такие технологии широко используются в традиционном сельскохозяйственном производстве, в частности в растениеводстве.

Технологии низкого уровня с минимальными затратами материальных ресурсов, энергии и человеческого труда называют экстенсивными (например, повышение плодородия почв путем вывоза на поля навоза и торфа, запашки пожнивных остатков и/или сидератов — специально выращенных бобовых растений

Более эффективны интенсивные технологии низкого уровня, и в первую очередь технологии внедрения новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Качество сортов (пород, штаммов) определяется их повышенной продуктивностью при увеличении затрат человеческого труда, сырьевых и энергетических ресурсов, все более активном внедрении средств механизации, автоматизации и химизации

Уже в 1970-е гг. стало ясно, что использование технологий низкого уровня — это тупиковый путь. Выходом из него стало использование прорывных технологий, базирующихся на самых современных достижениях науки и техники. В свое время таковыми стали технологии микробиологического синтеза (например, получение антибиотиков), технологии клеточной инженерии (например, гибридизация соматических клеток и клонирование организмов), технологии генетической инженерии (например, получение векторов переноса ДНК и создание трансгенных организмов).

Прорывные, принципиально новые технологии могут быть опасны для человека и окружающей среды, поскольку последствия их применения непредсказуемы. Внедрение прорывных технологий, как правило, сопровождается появлением новых видов продуктов и новых видов отходов. Любой новый пищевой или промышленный продукт должен проходить всестороннюю проверку на аллергенность, канцерогенность и мутагенность, на совместимость с другими продуктами, на безопасность для окружающей среды и т. д.

На основе прорывных технологий создаются биотехнологии высокого уровня (или просто высокие биотехнологии). В противоположность технологиям низкого уровня, высокие биотехнологии характеризуются высокой наукоемкостью, т. е. использованием систем, полученных самыми современными методами генетики, микробиологии, цитологии, экологии, молекулярной биологии. Материалы, применяемые в высоких биотехнологиях, часто нуждаются в специальной подготовке. Все это требует специального технологического оборудования и высококвалифицированных специалистов, а на современном этапе — автоматизации и компьютеризации производства. Такие технологии используют в сельскохозяйственном производстве, здравоохранении, в различных областях науки, при планировании и проведении природоохранных мероприятий.

Высокие биотехнологии также подразделяют на экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные высокие биотехнологии характеризуются относительно низкими затратами сырьевых и энергетических ресурсов. К технологиям подобного типа относится большинство микробиологических производств, технологических процессов по подготовке и переработке промышленного сырья, а также часть производства продукции на основе тканево-клеточных культур. Эти технологии частично интенсифицируются за счет компьютеризации производства.

Интенсивные высокие биотехнологии (в противоположность экстенсивным) реализуются с привлечением специалистов высочайшей квалификации, с использованием уникального оборудования и самых современных материалов. Эти биотехнологии применяют в медицине, а также для создания организмов с заранее заданными свойствами. Нужно отметить, что интенсификация высоких технологий, в отличие от интенсификации технологий низкого уровня, заключается в повышении качества ресурсного и информационного обеспечения.

Технологии разных уровней неразрывно связаны между собой: с одной стороны, высокие технологии базируются на технологиях низкого уровня, для их осуществления требуется определенный ресурсный, энергетический и информационный фундамент, с другой — достижения высоких технологий используются на низших уровнях биотехнологических производств.

Высокие технологии представляют собой величайшее достижение человеческого разума. Однако по ряду параметров они не только не превосходят технологии низкого уровня, но даже и уступают им. В частности, высокие технологии требуют все больших вложений всех видов ресурсов, они не решают проблемы получения экологически чистой продукции, а само биотехнологическое производство может представлять угрозу для человека и окружающей среды.

Вопрос № 2

Огромная масса продуктов, которые мы потребляем, — биопродукты, полученные с помощью микроорганизмов. Эти продукты (хлеб, сыр, простокваша, вино и т. д) еще и сегодня производят по технологии, разработанной нашими далекими предками и уходящей корнями в глубь тысячелетий, когда человек не осознавал природу этих процессов.

В настоящее время благодаря достижениям современной науки микроорганизмы используются осознанно и интенсивно: создаются новые их виды, превышающие по производительности своих природных аналогов в десятки и сотни раз; разрабатываются симбиотические композиции, состоящие из нескольких видов микроорганизмов; используются высокоорганизованные клетки растений и животных, способных работать в подобранных питательных средах вне организма.

Все препараты, получаемые микробиологическим синтезом, делятся на 3 группы:

-биопрепараты, содержащие в товарном продукте в качестве основного активного компонента жизнеспособные микроорганизмы (средства защиты растений, закваски, бактериальные удобрения и т.д.);

-биопрепараты, в состав которых входит инактивированная биомасса (кормовые дрожжи, грибной мицелий т. д.);

-биопрепараты, получаемые на основе очистки продуктов метаболизма микроорганизмов.

Для получения продуктов микробного синтеза в каждом отдельном случае используются модифицированные, специальные технологии, включающие особенности питательных сред, режимов культивирования, выделения и концентрирования продуктов.

Тем не менее все процессы биосинтеза имеют общую схему

В биотехнологии «производительная сила» — это штамм - продуцент, поэтому именно его свойства определяют характер промышленного производства того или иного продукта. Используются как природные штаммы, выделенные из естественных источников, так и мутантные. В процессе производства полезные свойства штамма должны быть не только сохранены, но и усилены. Недостаточная чистота культуры приводит к сни-жению скорости роста технологических и экономических показателей производства, ухудшению качества целевого продукта. Только применение чистых культур производственных микроорганизмов гарантирует получение продукции высокого качества.

Белок животного происхождения — наиболее дефицитный компонент пищи. Мировая потребность в нем в настоящее время удовлетворяется лишь на 40 %. В связи с эти необходим поиск (в том числе и методами промышленно биотехнологии) ресурсов белка для пищевых целей.

Одним из современных способов получения белковых веществ является микробиологический синтез, поскольку по скорости роста микроорганизмы превосходят сельскохозяйственные культуры в сотни, а животных — в тысяч раз. Кроме того, для микробиологического синтеза не требуется больших земельных площадей, он не зависит от по годных и климатических условий и не загрязняет окружающую среду ядохимикатами.

Микробные белки близки по составу к белкам животного происхождения, и их применение в кормопроизводств улучшает качество и усвояемость традиционных растительных кормов. Например, 1 т кормовых дрожжей обеспечивает экономию 5 т зерна и увеличивает продуктивность в животноводстве на 15-30 %. Современный средний завод по производству микробного белка мощностью 50 т/год, занимающий площадь 0,2 га, может обеспечить потребность белке до 10 млн человек. Сельскохозяйственные технологии для таких масштабов производства требуют либо наличия до 16 тыс. га земельных угодий, засеянных пшенице, либо содержания фермы, производящей 400 поросят в день.

В 1960-е гг. появился термин «белок одноклеточных организмов» (обычно употребляют его сокращенное название аббревиатуру БОО, от single cell protein — SCP), которым обозначают целые неживые высушенные клетки водор лей, дрожжей, бактерий или грибов, используемые в качестве белкового продукта для кормовых и пищевых целей. В отечественной литературе этот белок называют белково-витаминным концентратом или БОО. Все эти названия несколько условны, так как в биомассах, помимо белков, существенную долю занимают другие компоненты — сахара, липиды, нуклеиновые кислоты.

Белок одноклеточных организмов должен удовлетворять ряду специальных требований, главные из которых — питательность, перевариваемость, экономическая эффективность. Питательность этого белка, определяемая по химическому составу, близка питательности традиционных белковых продуктов.

Важнейшим условием при разработке новых технологий получения белка одноклеточных является доступность сырья. Это предполагает наличие различных резервных вариантов, позволяющих оперативно заменять и использовать различные источники сырья без существенного изменения качества получаемого продукта. В современных промышленных процессах используют как «чистое» сырье постоянного химического состава, так и комплексные соединения, включая отходы различных производств. Последнее наиболее выгодно экономически и имеет огромное значение для охраны окружающей среды.

Для синтеза белка микроорганизмы способны использовать различные углерод содержащие субстраты:

— углеводы;

— жидкие углеводороды;

— газообразные углеводороды;

— оксидаты углеводородов;

— углекислый газ, включая смеси с водородом.

Независимо от вида используемого сырья, типовая схема микробиологического производства белка включает получение и подготовку сырья, получение посевного материала, ферментацию, выделение, инактивацию, сгущение микробной биомассы, последующее высушивание и стандартизацию готового продукта.

Максимальные скорости синтеза белковых веществ микробными клетками реализуются при оптимальных условиях среды, когда удельная скорость роста близка к максимальной. Поэтому для получения белка одноклеточных биотехнологические процессы реализуют в проточном режиме который позволяет стабилизировать практически все параметры стадии ферментации на уровнях, оптимальных для размножения клеток со скоростями роста, близкими к максимальной, т. е. в режиме белковой направленности биосинтеза.

Микробная биомасса питательна, если ее компоненты перевариваются ферментами пищеварительного тракта высших животных или человека. Препятствием этому могут быть клеточные стенки отдельных продуцентов, которые предварительно приходится разрушать, а также высокий уровень нуклеиновых кислот. Последние не опасны для; высших животных, поскольку они метаболизируются в их организме и выводятся с уриной. Для человека же такой уровень нуклеиновых кислот неприемлем, так как в ходе их усвоения возможно нарушение обмена веществ и возникновение патологических состояний. Поэтому для пищевых целей микробную биомассу предварительно обрабатывают, используя различные методы разрушения и денуклеотизации.

Технология получения микробного белка является в настоящее время самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии, производящей важнейшие кормовые препараты, белковые добавки для животноводства, звероводства, птицеводства, рыбоводства, а также белок пищевого назначения с использованием разнообразного сырья и субстратов.

Промышленное получение белка с использованием микроорганизмов обычно осуществляется в ферментаторах, работающих по принципу хемостата. В среду с размножающимся микроорганизмом непрерывно подают водный раствор минеральных солей и органический субстрат, конкретный для осуществляемого процесса. Культуру перемешивают, аэрируют и охлаждают. Причем целесообразно использовать термотолерантные штаммы, что позволяет вести выращивание при максимально возможной температуре. С одной стороны, это снижает вероятность инфицирования, с другой — уменьшает затраты на охлаждение, так как расходы на эти цели тем ниже, чем больше разность температур между охлаждающим агентом и средой.

Поиск по сайту: