bio7денисенко

Вариант № 7

Вопрос № 1

Коньюнктура продуктов биотехнологии на мировом рынке и в России, объем производства и капитальные вложения в развитие биотехнологии.

Основные направления развития биотехнологии

Основа биотехнологии – это генетическая (клеточная) инженерия и биохимия. Развитие клеточной инженерии считается на данный момент одним из самых перспективных направлений.

Ученые проводят культивирование клеток микроорганизмов, растений и животных, осуществляются такие манипуляции, как слияние клеток либо пересадка органоидов.

Основными направлениями развития биотехнологии считаются:

создание новых видов продуктов питания и животных кормов, производство их;

выведение новых штаммов полезных микроорганизмов;

создание новых пород животных;

выведение новых сортов растений;

создание и применение препаратов по защите растений от болезней и вредителей;

применение новых биотехнологических методов по защите окружающей среды.

Кроме этого, активно развивается направление биологически активных соединений с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток. Сюда входят ферменты, витамины, а также гормоны и антибиотики.

Значение биохимии для биотехнологии

Биотехнология как наука на современном этапе является синтезом разделов биохимии в соединении с генной инженерией. Например, на данный момент ведутся активные исследования в области экологической биотехнологии, но самая большая роль биохимии в развитии биотехнологий – создание новых методов производства продуктов питания.

Дело в том, что почти любая технология по производству пищевых продуктов основана на биохимических процессах.

Поэтому изучение процесса обмена веществ в живой клетке – актуальный вопрос для развития биотехнологии. Это имеет большое значение не только для животноводства и растениеводства или переработки промышленным способом сельскохозяйственного сырья, но и для медицины, а также экологии.

Состояние и перспективы развития биотехнологии в современном мире

Современная биотехнология привлекает внимание инвесторов не только в нашей стране, но и во всем мире. Эксперты и аналитики прогнозируют, что биотехнологии станут самым динамично развивающимся и самым прибыльным бизнесом нынешнего, XXI века.

Быстрыми темпами развиваются такие отрасли, как современные биологические методы защиты культурных растений, биоэнергетика и биодеградируемые полимеры, а также природоохранные биотехнологии. Ведутся научные работы по созданию новых биополимеров, в будущем они могут заменить ныне популярные ныне пластмассы.

Биополимеры имеют большое преимущество в сравнении с пластмассами, так как они нетоксичны и могут разлагаться после их применения, не загрязняя при этом окружающее пространство.

Конструирование необходимых генов даст возможность управлять жизнедеятельностью не только растений, но и животных, создавать новые организмы с иными свойствами.

Развитие биотехнологии в России

Когда говорят о развитии биотехнологий в России, приходится учитывать длительный период упадка и деградации научных учреждений. Сейчас, после нескольких лет интенсивного роста, российские биотехнологии представлены на мировом рынке в количестве 0,1%, а в 1885 году СССР имел долю 5% на рынке продукции, относимой к биотехнологиям. Это медицинские препараты, ферменты, гормональные препараты, чистые линии микроорганизмов, используемых в научных исследованиях, сельскохозяйственном производстве и очистке окружающей среды от вредных отходов.

При помощи бактерий очищают территорию на предприятиях от мазута и других нефтепродуктов. Трудно переоценить пользу от этих микроорганизмов – ведь нефтяная пленка в двадцатом веке грозила погубить моря и океаны.

Производство белковой продукции из нефти не было поставлено на поток, но польза от данной биотехнологии несомненна.

В 2012 году российское правительство значительно увеличило государственное финансирование научных исследований в этой отрасли.

Интересно, что ряд проектов осуществляется на общественные пожертвования. К таким проектам относится исследование микрофлоры кишечника и на основе результатов - научно разработанные рекомендации по питанию, физическим нагрузкам, образу жизни. Эта тема популярна в России и в мире.

Вопрос № 2

Санитарно-токсикологическая характеристика биотехнологических процессов и продуктов, техника безопасности и экологическая оценка биотехнологических процессов.

Основным условием обеспечения безопасности производства является строгое соблюдение технологического регламента, в котором изложены технологические прописи, перечень необходимого оборудования и систем контроля, правила безопасных способов ведения технологического процесса и обращения с опасными веществами. Подавляющее большинство аварий связано с нарушением технологического регламента, прежде всего его раздела «Основные правила безопасного ведения процесса».

Оборудование биотехнологических предприятий включает типовую аппаратуру, применяемую в химической и пищевой промышленности, и значительное количество нестандартного оборудования, специально разработанного для данного производства. Инструкции по безопасному обслуживанию оборудования разрабатываются для каждого аппарата и вывешиваются у рабочего места.

В целях безопасности предусматривается опознавательная окраска трубопроводов (10 групп транспортируемых веществ): вода – зеленый цвет, пар – красный, воздух – синий, кислоты – оранжевый, щелочи – фиолетовый, водные полупродукты – серый, газы горючие и негорючие – желтый. В красный цвет должны быть окрашены противопожарные трубопроводы.

Тепловая аппаратура и коммуникации для предотвращения ожогов и уменьшения тепловыделений теплоизолируются. При этом температура поверхности аппаратов и трубопроводов не должна превышать 45°С.

Биотехнологические производства характеризуются наличием следующих факторов опасности:

1. применение ядовитых, пожаро- и взрывоопасных материалов, сырья и химикатов (аммиак, кислоты, щелочи, метанол, этанол, метан и др.);

2. наличие биологических загрязнений в виде жизнеспособных микроорганизмов, относящихся к условно патогенным штаммам, и продуктов их жизнедеятельности;

3. производство продуктов, относящихся к пожаро- и взрывоопасным веществам, а также обладающих выраженным аллергическим действием;

4. использование оборудования, работающего под давлением (установки для стерилизации питательных сред, варочные колонны, ректификационные колонны, биореакторы и др.);

5. возникновение статического электричества при транспорте взрывоопасных жидкостей, газов и порошкообразных материалов по трубопроводам.

Характерными неблагоприятными факторами микробиологических производств, воздействующими на человека, являются живые и мертвые микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Подавляющее большинство микроорганизмов, используемых в качестве продуцентов в микробиологических производствах, не обладают свойством патогенности (т. е. способностью вызывать заболевания). Но многие из микроорганизмов относятся к так называемым условно патогенным видам, которые способны при определенных условиях оказывать неблагоприятное воздействие на человека. Например, по степени патогенности дрожжи рода Candida образуют следующий ряд:

C. albicans > C. krusei > C. tropicalis > C. guilliermondii > C. scottii.

Ряд микроорганизмов обладает способностью вызывать различного рода аллергические реакции, а в отдельных случаях оказывают болезнетворное действие. Широко применяемые для получения различных продуктов плесневые грибы могут вызывать микозы, обусловленные размножением плесневых грибов в организме, и аллергические заболевания. Неблагоприятное воздействие на организм работников могут оказывать продукты микробного синтеза – биологически активные вещества: ферменты, антибиотики, белки, витамины и др. У многих людей наблюдается повышенная чувствительность к продуктам жизнедеятельности микроорганизмов, проявления которой разнообразны (реакция верхних дыхательных путей, отеки, кожные высыпания, расстройство кишечника и т. д.). У лиц, постоянно контактирующих с пылью антибиотиков или спорами грибапродуцента, чаще встречаются аллергические дерматиты, экземы, ларингиты, дисбактериоз. Сильным аллергическим действием обладает микробный белок: допустимая концентрация дрожжевой пыли по белку в воздухе населенных пунктов составляет 0,003 мг/м 3 .

Принципиально представляет опасность интродукция (преднамеренное массированное введение) генетически измененных микроорганизмов в окружающую среду. В этом случае вызывающими опасение факторами риска могут быть:

1. возможность превращения безопасных микроорганизмов в патогенные в результате трансформации чужеродной ДНК и образования новых комбинаций генов;

2. бурное размножение и пространственная экспансия нового микроорганизма в окружающей среде.

Согласно классификации, предложенной Европейской федерацией биотехнологии, различают четыре класса микроорганизмов по степени патогенности:

1) микроорганизмы, не вызывающие заболеваний у людей и не представляющие угрозы для окружающей среды;

2) микроорганизмы, способные вызывать заболевания у людей, но распространение их в окружающей среде маловероятно. Профилактические мероприятия разработаны, лечение эффективно;

3) микроорганизмы, представляющие серьезную угрозу для работников микробиологических производств, но для населения опасность их сравнительно невелика;

4) микроорганизмы, вызывающие тяжелые заболеваний у людей, представляющие опасность как для работников микробиологических производств, так и для всего населения. Профилактические меры не разработаны и нет эффективных способов лечения.

В особую группу Е объединены микроорганизмы, не представляющие опасности для человека, но способные оказывать воздействие на окружающую среду.

Безопасность при культивировании микроорганизмов, содержащих рекомбинантные ДНК, обеспечивается сочетанием биологических и физических мер ограничения распространения их в окружающей среде. Биологические меры ограничения позволяют снизить опасность распространения рекомбинантных штаммов за счет использования мутантов, не способных к выживанию в природных условиях и не имеющих экологической ниши у человека, животных и растений. Физические меры ограничения (уровни Р1–Р4) обеспечивают изоляцию микроорганизмов от внешней среды и предотвращают утечку их из системы.

Уровень физического ограничения Р1 предусматривает проведение всех операций с культурами в замкнутой системе, инактивирование культуры до удаления из системы, отбор проб и ввод добавок без нарушения герметичности системы. Отходящие газы стерилизуются. Оборудование стерилизуется до открывания системы.

Уровень физического ограничения Р2 включает все требования уровня Р1 и дополнительные требования: предотвращение утечки жизнеспособных микроорганизмов из-за негерметичности оборудования и в результате образования аэрозоля. Требуется периодическая проверка герметичности системы, на оборудовании должен стоять знак, предупреждающий о биологической опасности.

Уровень физического ограничения Р3 включает все требования уровней Р1 и Р2 и дополнительные требования: в пространстве над культурой в системе должно быть максимально возможное низкое давление; замкнутые системы располагают в контролируемой зоне – помещении, имеющем специальные инженерные конструкции и защитное оборудование. Контролируемая зона должна иметь тамбур, вход в зону ограничен.

Правила культивирования микроорганизмов для уровня физического ограничения Р4 пока не разработаны.

В настоящее время в качестве основных реципиентов чужеродных генов используются хорошо изученные и безопасные для человека микроорганизмы Escheriсhia coli, Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae. Их относят к первому классу и культивируют в соответствии с требованиями уровня физической защиты Р1.

В производственной практике для безопасного проведения технологического процесса предусматривают выполнение следующих требований:

– автоматизация производственных процессов;

– дистанционное управление наиболее опасными технологическими операциями;

– герметизация оборудования;

– защита от статического электричества;

– применение эффективных систем очистки газовых выбросов;

– изолирование наиболее опасных участков производства;

– использование автоматических газоанализаторов, сблокированных со световой и звуковой сигнализацией и вентиляционными установками, для контроля за содержанием взрывоопасных и токсичных веществ в воздухе производственных помещений;

– опознавательная окраска трубопроводов;

– строгое соблюдение правил обслуживания аппаратов, работающих под давлением, и емкостной аппаратуры;

– использование средств индивидуальной защиты.

Работающие под давлением аппараты должны быть оборудованы манометрами и предохранительными клапанами. На аппаратах устанавливают таблички, в которых указывается регистрационный номер аппарата, рабочее и допустимое давление, дата проведенных контрольных испытаний и дата следующих испытаний. Исправность предохранительных клапанов проверяется ежесменно «подрывом». Для ряда микробиологических производств характерна возможность образования взрывоопасных смесей паров горючих жидкостей, газов и пыли с воздухом. Взрывоопасные концентрации чаще всего могут образовываться внутри производственных помещений, аппаратов и емкостей. Огнеопасные жидкости хранят, как правило, в изолированных цистернах, чаще всего подземных. Большую опасность представляют свободные аппараты, емкости из-под горючих жидкостей, если они длительное время не использовались. В них может образоваться взрывоопасная газовая смесь. Для передавливания горючих жидкостей из аппарата в аппарат необходимо использовать не воздух, а инертный газ, уменьшающий вероятность образования взрывоопасных концентраций газовоздушной смеси. При необходимости выполнения работ внутри емкости ее промывают водой (емкости из-под горючих жидкостей полностью заполняют водой), проветривают через открытые люки, отключают привод перемешивающих устройств, устанавливают заглушки на коммуникациях, проверяют содержание кислорода в воздушной среде емкости и проводят внутренние работы в присутствии страхующего. Инициировать взрыв и воспламенение пыле- и газовоздушных смесей может статическое электричество, которое возникает при передвижении веществ-диэлектриков (этанола, метанола, аммиака, порошкообразной микробной массы и др.) по коммуникациям и аппаратам, в частности:

– при транспортировке огне- и взрывоопасных жидкостей и газов по трубам и резиновым шлангам;

– при сливе жидкости из цистерн и аппаратов (и при наполнении их);

– в процессе пневмотранспорта, измельчения и просеивания продуктов;

– при движении пылевоздушных смесей в трубопроводах и аппаратах.

Чем выше скорость движения жидкостей, газов и твердых материалов по трубам, тем больше величина заряда. Основной способ защиты от статического электричества – заземление аппаратов, воздуховодов, трубопроводов. Для предотвращения разрушения аппаратов в результате взрыва устанавливаются (на распылительных сушилках, трубопроводах пневмотранспорта) разрывные мембраны из тонких листов металла. Во фланцевых соединениях трубопроводов, аппаратов, корпусов с крышками должна быть создана единая проводящая цепь (запрещается применение шайб из диэлектрических материалов и окрашенных неэлектропроводными красками).

Наиболее опасные места производства: емкости для хранения метанола, этанола, углеводородов, аммиака и трубопроводы для их подачи (загазованность в результате испарения при недостаточной герметичности; предусматривается подвод азота ко всем резервуарам); отделение сепарации, компрессорные, воздуходувные (сильный шум; предусматриваются звукоизолированные комнаты отдыха, в которых располагаются основные приборы управления); распылительные сушильные установки (загорание, взрыв; предусматриваются автоматические системы сигнализации и пожаротушения).

Вопрос № 3

Производство бутанола и ацетона, области применения.

Ацетон и бутанол - единственные важные химические вещества, которые в больших количествах получают путем бактериального брожения.

Ацетонобутиловое брожение.

Ацетонобутиловое брожение вызывают анаэробы, спорообразующие клостридии, их постоянное местообитание — почва, они образуют споры по клостридиальному типу залегания. Так же, различают бациллярный и плектродиальный вид залегания спор. Спорообразующие клостридии проводят маслянокислое ацетонобутиловое брожение. Вначале, клетки образуют кислоты, а во вторую фазу брожения, они преобразуют кислоты в нейтральные продукты (ацетон, этанол, бутанол) — ацетонбутанол-этанольное (АБЭ) брожение, поскольку нейтральные и конечные продукты брожения — спирты. Это свойство используется людьми для получения ацетона и этанола в промышленных процессах. Ещё одним важны продуктом этого брожения является водород, на этапе образования пировиноградной кислоты при действии феррродоксинзависимой дегидрогеназы образуется пировиноградная кислота и ацетилкофермент А. Поэтому, это брожение сопровождается образование смеси водорода и углекислого газа. Из смеси выделяют водород, который идет в химическую промышленность в качестве восстановителя. Схема ацетонобутилового брожения начинается с глюкозы. В промышленности процессы ведутся не на чистой глюкозе, а на крахмалах. Это может быть гидролизованный крахмал (раствор глюкозы), либо крахмал, который добавляется в ферментеры, который расщепляется клостридиями до глюкозы, которая используется в качестве субстрата процесса брожения. Из глюкозы под действием гликолиза образуется две молекулы пировиноградной кислоты. Под действием ферридоксинзависимая пируватдегидрогеназа, образуется восстановленный ферридоксин, из которого образуется 2 молекулы водорода. Из 2 пировиноградных молекул образуется 2 молекулы ацетилкофермента А и СО2. 2 молекулы ацетилкофермента А идет на образование ацетоацетилкофермент А, который превращается в бутирилкофермент А. Бутирилкофермент А присоединяет неорганический фосфор, превращается в бутирилфосфат (макроэргическое соединение). Из акта субстратного фосфорилирования образуется АТФ и бутират (масляная кислота). С другой стороны, ацетоацетил А может идти на образование ацетилфосфата с отщеплением кофермента А. Ацетилфосфат превращается в ацетат. Под действием субстратного фосфорилирования (АДФ в АТФ) образуется в ацетат. Так же, возможно образование небольшого количества лактата при помощи лактатдегидрогеназы из пирувата. Данные превращения происходят в первой фазе, когда клетка выделяет окисленные продукты. Происходит снижения рН до значения 5. При рН=5, в клетке начинает работать ген, который выделяет ацетатдекарбоксилазу — фермент, который работает на второй стадии процесса при котором образуются нейтральные продукты. На втором этапе, ацетат обменивается с ацетоацетилкоферментом и превращается в ацетоацетилкофермент. Ацетоацетилкофермент А обменивается с коферментом А и получается ацетоацетат. Из ацетоацетата образуется ацетон + СО2 (нейтральный продукт). Под действием восстановленного пиридиннуклеотида, ацетон может превратиться в изопропанат (нейтральный продукт). Бутират обменивается с ацетоацетилкоферментом А и превращается в бутирилкофермент А, который превращается в бутират (бутилальдегид). Который восстанавливается в бутанол под действием бутирилнуклеотида. Ацетилкофермент А восстанавливается до ацетальдегида, который восстанавливается в этанол (нейтральный продукт) под действием восстановленного пиридиннуклеотида. Кислые продукты уходят н восстановление и рН вновь повышается. Существует обмен: фермент ацетоацетатдекарбоксилаза активируется при рН меньше или равным 5. С его помощью начинается процесс перехода из ацетона в ацетоацетат, путем декарбоксилирования. Далее, образуется ацетоацетаткофермент А, который может идти на образование бутанола или этанола. Суть процесса — ацетат уходит из среды на образование нейтральных продуктов. Аналогично, бутират обменивается с ацетоацетилкоферментом А, получается бутирилкофермент А, который уходит на образование бутанола. Таким образом, образуется саморегулирующая система, образующая такие продукты как ацетон (идет на производство кардита), бутанол (производство искусственной резины — синтетический каучук.

Топливный этанол и бутанол рассматривают как перспективный, возобновляемый вид топлива для двигателей внутреннего сгорания. Данным процессом занимается множество лабораторий по миру, занимающихся разработкой топлива для автомобилей. Так же, рассматривается идея использования в качестве субстрата пищевых продуктов для получения топлива, энергии, поддержания жизни людей. Поэтому, рассматриваются источники возобновляемого сырья — целлюлоза. Целлюлозу гидролизуют до глюкозы и уже после используют раствор глюкозы для производства различных веществ.