- •О. Ю. Сартакова
- •Учебное пособие
- •Содержание
- •1 Основы микробиологии ................................................... 7
- •2 Основы биотехнологии ................................................... 42
- •3 Типовая схема и основные стадии
- •4 Основные понятия биокатализа и53
- •5 Ферментация....................................................................... 65
- •6 Области применения биотехнологии........................... 69
- •Введение
- •1 Основы микробиологии
- •1.1 Общие сведения о микроорганизмах
- •1.2 Распространение микроорганизмов в природе
- •1.3 Морфологическая характеристика отдельных групп микроорганизмов
- •1.3.1 Структура эукариотической клетки
- •Ской мембраны
- •1.3.2 Структура прокариотической клетки
- •1.3.3 Ультрамикробы
- •1.3.4 Бактерии
- •1.3.4.1 Спорообразование у бактерий
- •1.3.4.2 Движение бактерий
- •1.3.4.3 Размножение бактерий
- •1.3.4.4 Питание бактерий
- •1.3.4.5 Типы питания
- •1.3.4.6 Систематика бактерий
- •1.3.5 Актиномицеты
- •1.3.6 Грибы
- •1.3.7 Водоросли
- •1.3.8 Простейшие
- •1.3.9 Коловратки
- •2 Основы биотехнологии
- •2.1 Объекты биотехнологии
- •2.2 Прошлое и настоящее биотехнологии
- •2.3 Перспективы развития биотехнологии
- •2.4 Основные виды биотехнологической деятельности микроорганизмов
- •2.5 Преимущества биотехнологических процессов
- •3 Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств
- •4 Основные понятия биокатализа и биотрансформации
- •4.1 Основные группы биотрансформаций
- •4.2 Основные виды реакций биокатализа
- •4.3 Классификация ферментов
- •4.4 Преимущества и недостатки биокаталитических процессов
- •4.5 Основные понятия иммобилизации ферментов
- •4.6 Методы иммобилизации ферментов
- •Го связывания с носителем
- •«Сшивки»
- •4.7 Оценка качества иммобилизованных ферментов и метода иммобилизации
- •4.8 Примеры использования ферментов
- •5 Ферментация
- •5.1 Классификация процессов ферментации
- •Ферментация бывает:
- •5.2 Основные параметры периодической ферментации
- •5.3 Понятие скорости роста
- •5.4 Фазы периодической ферментации
- •5.5 Преимущества и недостатки периодической ферментации
- •6 Области применения биотехнологии
- •6.1 Биотехнологические процессы в решении экологических задач
- •6.2 Примеры блок-схем микробиологической очистки стоков
- •6.3 Биохимические методы очистки воды
- •6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия ме-
- •6.3.2 Очистка воды в аэротенках
- •6.3.3 Очистка воды в биофильтрах
- •6.3.4 Комбинированные сооружения аэробной биохимической очистки воды
- •6.3.5 Процессы нитрификации и денитрификации
- •6.3.6 Методы обработки осадка
- •6.3.7 Аэробная стабилизация осадка
- •6.3.8 Метановое брожение (биометаногенез)
- •6.3.8.1 Этапы метанового брожения
- •Биогаз (сн4, co2 )
- •6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения
- •6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза
- •6.3.8.4 Сырье биометаногенеза
- •6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление процесса метанового брожения
- •6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов
- •6.5 Применение биотехнологии в медицине
- •6.5.1Антибиотики
- •6.5.2. Гормоны
- •6.5.3 Вакцины, иммунные сыворотки и иммуноглобулины
- •6.5.4 Ферменты
- •6.5.5 Биодатчики в медицине
- •6.6 Применение биотехнологии в энергетике
- •6.6.1 Законы биоэнергетики
- •6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии
- •6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника энергии
- •6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение
- •6.7 Производство пищевых продуктов и напитков
- •6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном производстве
- •6.7.2 Биотехнология приготовления пива
- •6.7.3 Производство вина и спиртсодержащих продуктов
- •6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных продуктов и сметаны
- •6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии
- •6.7.6 Биотехнология приготовления маргарина
- •6.8 Химическая промышленность и биотехнология
- •6.9 Сельское хозяйство и биотехнология
- •6.10 Биогеотехнология
- •6.10.1Биогидрометаллургия
- •6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов
- •6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ
- •6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов
- •6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота
- •6.10.6 Биосорбция металлов из растворов
- •6.10.7 Обогащение руд
- •6.10.8 Извлечение нефти
- •6.11 Безопасность биотехнологических процессов
- •Глава 1
- •Главы 2, 3
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Глава 6
6.3.8.1 Этапы метанового брожения
Этапы анаэробного метанового брожения можно схематически представить следующим образом
Биополимеры (углеводы, липиды, белки)
Органические кислоты, спирты, NH3, CO2,
H2
Ацетат, формиат, CO2, H2
Биогаз (сн4, co2 )
92
6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения
Химизм процесса метанового брожения состоит из следующих реакций
1. Брожение органических кислот:
4Н−СООН = СН4 + ЗСО2 + 2Н2О;
СН3 − СООН = СН4 + СО2 .
2. Брожение спиртов:
4СН3−ОН = 3СН4 + СО2 + 2Н2О;
2СН3−СН2−ОН + СО2 = СН4 + 2СН3СООН .
3. Восстановление оксидов углерода
СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О;
4СО + 2Н2О = СН4 +3СО2 .
6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза
В сложных процессах деструкции органических субстратов и об- разования метана участвует микробная ассоциация различных ми- кроорганизмов. В ассоциации присутствуют следующие группы ми- кроорганизмов: деструкторы, вызывающие гидролиз сложной органи- ческой массы с образованием органических кислот (масляной, пропио- новой, молочной), а также низших спиртов, аммиака, водорода; ацето- гены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и ок- сиды углерода; метаногены – микроорганизмы, восстанавливающие водородом кислоты, спирты и оксиды углерода в метан.
С биохимической точки зрения метановое «брожение» – это про- цесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавлива- ется до метана (при истинном брожении конечным акцептором элек- тронов служит молекула органического вещества, являющегося конеч- ным продуктом брожения). Донором электронов для метаногенов яв- ляется водород, а также уксусная кислота.
93
«Венцом» метанового сообщества являются собственно метано- генные или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирую- щие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Суб- стратами для реализации этих реакций являются водород и углекисло- та, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.
Несмотря на то, что метанобразующие бактерии выделены и опи- саны совсем недавно, в середине 80-х гг., их возникновение относят к архею и возраст оценивают в 3,0-3,5 млрд. лет. Эти микроорганизмы
достаточно широко распространены в природе в анаэробных зонах и
вместе с другими микроорганизмами активно участвуют в деструкции органических веществ, с образованием биогаза в морских осадках, бо- лотах, речных и озерных илах.
К настоящему времени выделены в чистой культуре и описаны около 30 метанообразующих бактерий; список этот непрерывно попол- няется. Наиболее изученными являются следующие: Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter rumin- antium. Все метаногены – строгие анаэробы, среди них встречаются как мезофильные, так и термофильные формы, гетеротрофы и автотрофы. Особенностью метанобразующих бактерий является также способ- ность активно развиваться в тесном симбиозе с другими группами ми- кроорганизмов, обеспечивающими метаногенов условиями и суб- стратами для образования метана.