Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной биологии и биотехнологии Красноярск, 2008

ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ Биологический факультет Направление «Биология» Специальность «Биология» Красноярск, 2008 Т. Г. Волова

УДК57.01 ББК30.16 В68 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Введение в биотехнологию» подготовлен в рамках реализации в 2007 г. программы развития ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» на 2007–2010 гг. по разделу «Модернизация образовательного процесса». Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин Волова, Т. Г. В68Введение в биотехнологию. Презентационные материалы. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : наглядное пособие / Т. Г. Волова. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, – (Введение в биотехнологию : УМКД / 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 ; 4 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше. ISBN (комплекса) ISBN (пособия) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» от г. (комплекса) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» от г. (пособия) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Введение в биотехнологию», включающего учебную программу, конспект лекций, методические указания по лабораторным работам, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Введение в биотехнологию. Банк тестовых заданий». Представлена презентация (в виде слайдов) теоретического курса «Введение в биотехнологию». Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров «Биология» укрупненной группы «Естественные науки». © Сибирский федеральный университет, 2008 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного 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 продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию Объем 4 Мб Красноярск: СФУ, , Красноярск, пр. Свободный, 79

4 Оглавление Модуль 1. Введение в дисциплину «Биотехнология» Модуль 1. Введение в дисциплину «Биотехнология» Модуль 2. Промышленная микробиология Модуль 2. Промышленная микробиология Модуль 3. Инженерная энзимология Модуль 3. Инженерная энзимология Модуль 4. Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья Модуль 4. Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья Модуль 5. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды Модуль 5. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды Модуль 6. Клеточная и генетическая инженерия Модуль 6. Клеточная и генетическая инженерия Модуль 7. Сельскохозяйственная биотехнология Модуль 7. Сельскохозяйственная биотехнология Модуль 8. Перспективы развития биотехнологии Модуль 8. Перспективы развития биотехнологии

5 Модуль 1. Модуль 1. Введение в дисциплину «Биотехнология»

6 План лекции Тема: «Научные основы биотехнологии» Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии. Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии. Техника и методы для культивирования микроорганизмов. Техника и методы для культивирования микроорганизмов. Типы ферментационных процессов. Типы ферментационных процессов. Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы). Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы). Субстраты. Субстраты. Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта. Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта. Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов. Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов. Критерии оценки эффективности биотехнологических процессов Критерии оценки эффективности биотехнологических процессов

Научные основы биотехнологии 7 Промышленная микробиология; Промышленная микробиология; медицинская биотехнология; медицинская биотехнология; технологическая биоэнергетика, технологическая биоэнергетика, сельскохозяйственная биотехнология; сельскохозяйственная биотехнология; биогидрометаллургия; биогидрометаллургия; инженерная энзимология; инженерная энзимология; клеточная и генетическая инженерия; клеточная и генетическая инженерия; экологическая биотехнология. экологическая биотехнология. Комплексность биотехнологии Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии

Научные основы биотехнологии 8 Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы). Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы). Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта. Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта. Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов. Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов. Продукт. Продукт. Элементы, слагающие биотехнологию Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии

Научные основы биотехнологии 9 Области науки, новейшие результаты которых важны для развития биотехнологии Генетическая инженерия Технология рекомбинантных ДНК Биокатализ Ферменты (выделение, иммобилизация). Целые микробные клетки (иммобилизация, стабилизация) Иммунология Моноклональные антитела Технология ферментации Производство продуктов. Переработка отходов Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии

Научные основы биотехнологии 10 Междисциплинарная природа биотехнологии Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии

Научные основы биотехнологии 11 Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов ( У. Э. Виестур и др., 1987) Техника и методы для культивирования микроорганизмов

Научные основы биотехнологии 12 Блоки технологической схемы 1 – реактор для приготовления сред; 1 – реактор для приготовления сред; 2 – вихревой насос; 2 – вихревой насос; 3 – аппарат для приготовления твердых сред; 3 – аппарат для приготовления твердых сред; 4 – паровая колонка для подогрева сред до температуры стерилизации; 4 – паровая колонка для подогрева сред до температуры стерилизации; 5 – выдерживатель сред при температуре стерилизации; 5 – выдерживатель сред при температуре стерилизации; 6 – теплообменник для охлаждения сред; 6 – теплообменник для охлаждения сред; 7 – мерник-сборник питательной среды; 7 – мерник-сборник питательной среды; 8 – дозатор; 8 – дозатор; 9 – анаэробный ферментер; 9 – анаэробный ферментер; 10 – глубинный аэробный ферментер; 10 – глубинный аэробный ферментер; 11 – биокаталитический реактор; 11 – биокаталитический реактор; 12 – ферментер для поверхностной твердофазной ферментации; 12 – ферментер для поверхностной твердофазной ферментации; 13 – то же для поверхностной жидкостной ферментации; 13 – то же для поверхностной жидкостной ферментации; 14 – экстрактор; 14 – экстрактор; Техника и методы для культивирования микроорганизмов

Научные основы биотехнологии – сепаратор для отделения биомассы; 15 – сепаратор для отделения биомассы; 16 – система локальной автоматики; 16 – система локальной автоматики; 17 – плазмолизатор биомассы; 17 – плазмолизатор биомассы; 18 – дезинтегратор биомассы; 18 – дезинтегратор биомассы; 19 – выпарная установка; 19 – выпарная установка; 20 – фракционирование дезинтегратов; 20 – фракционирование дезинтегратов; 21 – сушилка и другие аппараты для обезвоживания; 21 – сушилка и другие аппараты для обезвоживания; 22 – аппаратура для расфасовки продукта; 22 – аппаратура для расфасовки продукта; 23 – ионообменные колонны, аппараты для химических и мембранных методов выделения, центрифуги, фильтры, кристаллизаторы 23 – ионообменные колонны, аппараты для химических и мембранных методов выделения, центрифуги, фильтры, кристаллизаторы и др. устройства; и др. устройства; рН – раствор для коррекции рН, П – компоненты и среды для подпитки, Пос – посевной материал, В – сжатый воздух, ПАВ – пеногаситель, Ср – стерильная питательная среда, БА – биологический агент. рН – раствор для коррекции рН, П – компоненты и среды для подпитки, Пос – посевной материал, В – сжатый воздух, ПАВ – пеногаситель, Ср – стерильная питательная среда, БА – биологический агент. Техника и методы для культивирования микроорганизмов Блоки технологической схемы (продолжение)

Научные основы биотехнологии 14 Схема биореактора периодического действия Х – концентрация биомассы в культуре, г/л; S – текущая концентрация субстрата, г/л; P – концентрация продукта, г/л Типы ферментационных процессов

Научные основы биотехнологии 15 Схема тубулярного биореактора полного вытеснения Типы ферментационных процессов

Научные основы биотехнологии 16 Схемы биореакторов для проточного культивирования микроорганизмов А – хемостат; Б – турбидостат с автоматической регуляцией оптической плотности; 1 – поступление среды, 2 – мешалка, 3 – сток культуры, 4 – насос, 5 – фотоэлемент, 6 – источник света Типы ферментационных процессов

Научные основы биотехнологии 17 ОрганизмТипПродукт Saccharomyces cerevisiae Дрожжи Пекарские дрожжи, вино, эль, саке Streptococcus thermophilus Propionibacterium shermanii БактерииБактерииИогурт Швейцарский сыр Gluconobacterium suboxidans БактерииУксус Penicillium roquefortii Плесень Сыры типа рокфора Aspergillus oryzae ПлесеньСаке Saccharomyces cerevisiae ДрожжиЭтанол Clostridium acetobutylicum БактерииАцетон Xanthomonas campestris БактерииПолисахариды Corynebacterium glutamicum БактерииL-Лизин Candida utilis Дрожжи Микробный белок PropionibacteriumБактерии Витамин В 12 Aspergilus oryzae ПлесеньАмилаза Kluyveromyces fragilis ДрожжиЛактаза Saccharomycopsis lipolytica ДрожжиЛипаза BacillusБактерииПротеазы Типы ферментационных процессов Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов

Научные основы биотехнологии 18 ОрганизмТипПродукт Endothia parasitica Плесень Сычужный фермент Leocanostoc mesenteroides БактерииДекстран Xanthomonas campestris БактерииКсантан Penicillium chrysogenum ПлесеньПенициллины Chehalosporium acremonium ПлесеньЦефалоспирины Rhizopus nigricans Плесень Трансформация стероидов Гибридомы– Иммуноглобулины и моноклональные антитела Клеточные линии млекопитающих –Интерферон E. coli (рекомбинантные штаммы) Бактерии Инсулин, гормон роста, интерферон Blakeslea trispora Плесень -Каратин -Каратин Phaffia rhodozyma ДрожжиАстаксантин Bacillus thuringiensis БактерииБиоинсектициды Bacillus popilliae БактерииБиоинсектициды Биологические агенты Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов (продолжение)

Научные основы биотехнологии 19 Важнейшие группы субстратов, биологических агентов и образуемых в биотехнологических процессах продуктов (Виестур и др., 1987) Субстраты Биологические агенты Продукты Меласса, сок сахарного тростника, гидролизаты растительных полимеров Микроорганизмы, растительные и животные клетки, в том числе потической инженерии Биоудобрения и биоинсектициды, микробные биомассы, диагностикумы, вакцины Сахара, спирты, органические кислоты Парафины нефти Полупродукты, предшественники биотрансформации Природный газ, водород Отходы с/х и лесной промышленности Отходы промышленности, в том числе переработки фруктов и овощей Бытовые отходы, сточные воды Молочная сыворотка Картофель, зерно Зеленая биомасса растений Вирусы Компоненты клеток: мембраны, протопласты, митохондрии, ферменты Внеклеточные продукты: ферменты, коферменты Иммобилизованные клетки микроорганизмов, растений и животных, их компоненты и внеклеточные продукты Биогаз Чистые продукты, медикаменты, диагностикумы Гормоны и др. продукты биотрансформации Органические кислоты Полисахариды Белок одноклеточных Пищевые продукты Экстракты, гидролизаты Спирты, органические растворители АнтибиотикиАминокислоты Ферменты, витамины Металлы, неметаллы Моноклональные антитела Субстраты

Научные основы биотехнологии 20 Схема метановой установки Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта

Научные основы биотехнологии 21 а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 – коллектор; б) барботажный колонный: 1 – корпус, 2 – рубашка, 3 – воздухораспределитель; в) барботажно-эрлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор-теплообменник, 3 – воздухораспределитель; г) газлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор, 3 – диспергатор, 4 – воздухораспределитель, 5 – теплообменник; д) трубчатый: 1 – пеногаситель, 2 – емкость, 3 – диспергатор, 1 – пеногаситель, 2 – емкость, 3 – диспергатор, 4 – корпус, 5 – распределительная перегородка; е) с плавающей насадкой: 1 – рубашка, 2 – тарелка, 3 – насадка, 4 – корпус Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) (Виестур и др.,1986). Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта

Научные основы биотехнологии 22 а) с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контур-теплообменник; б) эжекционный: 1 – корпус, 2 – насос, 3 – эжектор; в) струйный с затопленной струей: 1 – эжектор, 2 – теплообменник, 3 – корпус, 4 – насос, 5 – рассекатель, 6 – труба с насадкой; г) струйный с плавающей струей: 1 – теплообменник, 2 – насос, 3 – корпус, 4 – эжектор Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ) (Виестур и др., 1986) Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта

Научные основы биотехнологии 23 Критерии оценки эффективности процессов Скорость роста продуцента dX /dt = X, Скорость роста продуцента dX /dt = X, где dX/dt – скорость роста, Х – биомасса, – коэффициент пропорциональности («удельная скорость роста»). – коэффициент пропорциональности («удельная скорость роста»). Продуктивность процесса П = q s Y p/s X [г/л · ч], Продуктивность процесса П = q s Y p/s X [г/л · ч], где q s – скорость потребления субстрата (метаболический коэффициент), Y p/s – выход продукта (экономический коэффициент), X – концентрация биомассы, р – продукт, s – субстрат. Выход продукта (Y) (экономический коэффициент) Выход продукта (Y) (экономический коэффициент) Y = X /S о – S, где S и S о – конечная и исходная концентрации субстрата. Непродуктивные затраты субстрата (h) – это затраты энергии субстрата, которые Непродуктивные затраты субстрата (h) – это затраты энергии субстрата, которые не проявляются в приросте продукта. h = Y экспериментальный /Y теоретический < 1. Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов

Научные основы биотехнологии 24 Величины и расчетные параметры, применяемые для управления биотехнологическими процесами Измеряемые параметры Расчеты на базе измерений Концентрация основных субстратов и продуктов в культуральной среде (сахара, спирты, органические кислоты и пр.) Концентрация основных субстратов и продуктов в культуральной среде (сахара, спирты, органические кислоты и пр.) Продуктивность (кг/м 3 ч) Продуктивность (кг/м 3 ч) Удельная скорость роста, (ч –1 ) Удельная скорость роста, (ч –1 ) Удельная скорость потребления субстрата, q s (кг/кг ч) Удельная скорость потребления субстрата, q s (кг/кг ч) Концентрации важнейших внутриклеточных компонентов (ферменты метаболизма углерода, ключевые метаболиты, АТФ, НАДФ и др.) Концентрации важнейших внутриклеточных компонентов (ферменты метаболизма углерода, ключевые метаболиты, АТФ, НАДФ и др.) Концентрация биомасс Концентрация биомасс Состав микрофлоры в культуре. Состав микрофлоры в культуре. Концентрация растворенных О 2 и СО 2 в культуральной среде Концентрация растворенных О 2 и СО 2 в культуральной среде Уровень и состояние пены Уровень и состояние пены Концентрация целевого продукта Концентрация целевого продукта Удельная скорость образования продукта, q p (кг/кг · ч) Удельная скорость образования продукта, q p (кг/кг · ч) Экономический коэффициент, Экономический коэффициент, Y p, Y x (кг/кг) Объемный коэффициент массопередачи по кислороду, K vp (ч – 1 ) Объемный коэффициент массопередачи по кислороду, K vp (ч – 1 ) Энергетический выход биосинтеза, Энергетический выход биосинтеза, Теплопродукция Теплопродукция Суммарный удельный расход сырья Суммарный удельный расход сырья Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими процессами. Моделирование и оптимизация процессов получения целевых продуктов

Научные основы биотехнологии 25 Библиографический список по теме Аиба, Ш. Биохимическая технология и аппаратура / Аиба, Ш. Биохимическая технология и аппаратура / Ш. Аиба, А. Хемфри, Н. Миллс. – М., Беккер, М. Е. Введение в биотехнологию / М. Е. Беккер. – М., Беккер, М. Е. Введение в биотехнологию / М. Е. Беккер. – М., Бернал, Дж. Наука в истории общества / Дж. Бернал. – М., Бернал, Дж. Наука в истории общества / Дж. Бернал. – М., Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М., Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М., Биотехнология : в 8 тт. / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Биотехнология : в 8 тт. / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Биотехнология – принципы и применение / ред. : И. Хиггинс, Д. Бест, Дж. Джонс. – М., Биотехнология – принципы и применение / ред. : И. Хиггинс, Д. Бест, Дж. Джонс. – М., Биотехнология микробного синтеза. – Рига, Биотехнология микробного синтеза. – Рига, Бирюков, В. В. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза / В. В. Бирюков, В. М. Кантере. – М., Бирюков, В. В. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза / В. В. Бирюков, В. М. Кантере. – М., Быков, В. А. Расчет процессов микробиологических производств / В. А. Быков, Ю. Ю. Винаров, В. В. Шерстобитников. – Киев, Быков, В. А. Расчет процессов микробиологических производств / В. А. Быков, Ю. Ю. Винаров, В. В. Шерстобитников. – Киев, Виестур, У. Э. Системы ферментации / У. Э. Виестур, А. М. Кузнецов, В. В. Савенков. – Рига, Виестур, У. Э. Системы ферментации / У. Э. Виестур, А. М. Кузнецов, В. В. Савенков. – Рига, Виестур, У. Э. Биотехнология – биологические агенты, технология, аппаратура / У. Э. Виестур, И. А. Шмите, А. В. Жилевич. – Рига, Виестур, У. Э. Биотехнология – биологические агенты, технология, аппаратура / У. Э. Виестур, И. А. Шмите, А. В. Жилевич. – Рига, Воробьева, Л. И. Техническая микробиогия / Л. И. Воробьева. – М., Воробьева, Л. И. Техническая микробиогия / Л. И. Воробьева. – М., Воробева, Л. И. Промышленная микробиология / Л. И. Воробева. – М., Воробева, Л. И. Промышленная микробиология / Л. И. Воробева. – М., 1989.

Научные основы биотехнологии 26 Готшалк, Г. Метаболизм бактерий / Г. Готшалк. – М., Готшалк, Г. Метаболизм бактерий / Г. Готшалк. – М., Деймен, А. Промышленная микробиология / А. Деймен, Н. Соломон. – М., Деймен, А. Промышленная микробиология / А. Деймен, Н. Соломон. – М., Заварзин, Г. А. Микробиология – двадцатому веку / Г. А. Заварзин. – М., Заварзин, Г. А. Микробиология – двадцатому веку / Г. А. Заварзин. – М., История биологии с древнейших времен до начала ХХ века / ред. С. Р. Микулинский. – М.,1972. История биологии с древнейших времен до начала ХХ века / ред. С. Р. Микулинский. – М.,1972. История биологии с начала ХХ в. до наших дней /ред. Л. Я. Бляхер. – М., История биологии с начала ХХ в. до наших дней /ред. Л. Я. Бляхер. – М., Лиепиныш, Г. К. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии / Г. К. Лиепиныш, М. Э Дунце. – Рига, Лиепиныш, Г. К. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии / Г. К. Лиепиныш, М. Э Дунце. – Рига, Мосичев, М. С. Общая технология микробиологических производств / М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. – М., Мосичев, М. С. Общая технология микробиологических производств / М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. – М., Перт, С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток / С. Дж. Перт. – М., Перт, С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток / С. Дж. Перт. – М., Плановский, А. Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А. Н. Плановский, П. И. Николаев. – М., Плановский, А. Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А. Н. Плановский, П. И. Николаев. – М., Попова, Т. Е. Развитие биотехнологии в СССР / Т. Е. Попова. – М., Попова, Т. Е. Развитие биотехнологии в СССР / Т. Е. Попова. – М., Промышленная микробиология / ред. Н. С. Егоров. – М., Промышленная микробиология / ред. Н. С. Егоров. – М., Работнова, И. Л. Хемостатное культивирование и ингибирование микрорганизмов / И. Л. Работнова, И. Н. Позмогова. – М., Работнова, И. Л. Хемостатное культивирование и ингибирование микрорганизмов / И. Л. Работнова, И. Н. Позмогова. – М., Сассон, А. Биотехнология: свершения и надежды / А. Сассон. – М., Сассон, А. Биотехнология: свершения и надежды / А. Сассон. – М., Biotechnology / Ed. by H.-J. Rehm, G. Reed. – Weinheim, Biotechnology / Ed. by H.-J. Rehm, G. Reed. – Weinheim, Библиографический список по теме

27 Модуль 2. Промышленная микробиология Модуль 2. Промышленная микробиология

28 Тема: «Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ» Промышленный биосинтез белковых веществ. Особенности возникновения отрасли, современное состояние и перспективы развития. Промышленный биосинтез белковых веществ. Особенности возникновения отрасли, современное состояние и перспективы развития. Субстраты 1-го поколения для получения белково-витаминных концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды. Особенности микробного роста на углеводородах и ферментации. Выход продукта и его состав. Субстраты III-го поколения: особенности получения белка одноклеточных на спиртах и природном газе. Субстраты 1-го поколения для получения белково-витаминных концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды. Особенности микробного роста на углеводородах и ферментации. Выход продукта и его состав. Субстраты III-го поколения: особенности получения белка одноклеточных на спиртах и природном газе. Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты. Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты. План лекции

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 29 Химический состав микробных биомасс и традиционных белковых продуктов (Waterworth, 1982) Состав, %Водоросли Нитчатые грибы ДрожжиБактерииСоя Рыбная мука Белок47–6331–5047–5672– Жиры7–202–82–61–319 Зола Лизин Метионин- Цистеин Нуклеи- новые кислоты 3–896–128–16Нет Промышленные биосинтез белковых веществ. Особенности возникновения отрасли, современное состояние и перспективы развития

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 30 Сопоставление продуктивности высших растений и Spirulina (А. Сассон, 1987) Продуцент Выход, т/га/год Вес (АСБ)Неочищенный белок Пшеница 40.5 Кукуруза 71.0 Соевые бобы 62.4 Spirulina Субстраты I-го поколения для получения белково-витаминных концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды. Особенности микробного роста на углеводородах и ферментации. Выход продукта и его состав. Субстраты III-го поколения: особенности получения белка одноклеточных на спиртах и природном газе

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 31 Основные показатели культуры Corynebacterium glutamaticum при синтезе глутаминовой кислоты (А. М. Безбородов, 1989) 1 – глюкоза; 2 – кетоглутаровая кислота; 3 – биомасса; 4 – глутаминовая кислота Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 32 Схема синтеза глутаминовой кислоты С. glutamaticum Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 33 Диаминопимелиновый путь синтеза лизина Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 34 Рост Aspergillus niger и образование лимонной кислоты (Прескот, Дэн, 1952) 1 – титруемая кислотность среды (в пересчете на лимонную кислоту); 2 – лимонная кислота; 3 – сахар в среде; 4 – масса мицелия; 5 – рН среды Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 35 Получение лимонной кислоты Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 36 Андрусенко, М. Я. Получение белка пищевого назначения на основе новых сырьевых источников / М. Я. Андрусенко, В. С. Минина, А. М. Безбородов и др. – М., Андрусенко, М. Я. Получение белка пищевого назначения на основе новых сырьевых источников / М. Я. Андрусенко, В. С. Минина, А. М. Безбородов и др. – М., Безбородов, А. М. Биохимические основы микробиологического синтеза / А. М. Безбородов. – М., Безбородов, А. М. Биохимические основы микробиологического синтеза / А. М. Безбородов. – М., Безбородов, А. М. Секреция ферментов у микроорганизмов / А. М. Безбородов, Н. И. Астапович. – М., Безбородов, А. М. Секреция ферментов у микроорганизмов / А. М. Безбородов, Н. И. Астапович. – М., Березовский, В. М. Химия витаминов / В. М. Березовский. – М., Березовский, В. М. Химия витаминов / В. М. Березовский. – М., Быков, В. А. Производство белковых веществ / В. А. Быков, М. Н. Манаков, В. И. Панфилов и др. // Биотехнология. Т. 5 / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Быков, В. А. Производство белковых веществ / В. А. Быков, М. Н. Манаков, В. И. Панфилов и др. // Биотехнология. Т. 5 / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Быков, В. А. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов / В. А. Быков, И. А. Крылов, М. Н. Манаков и др. // Биотехнология. Т. 6 / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Быков, В. А. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов / В. А. Быков, И. А. Крылов, М. Н. Манаков и др. // Биотехнология. Т. 6 / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Букин, В. Н. Микробиологический синтез витаминов / В. А. Быков, И. А. Крылов, М. Н. Манаков и др. – М., Букин, В. Н. Микробиологический синтез витаминов / В. А. Быков, И. А. Крылов, М. Н. Манаков и др. – М., Викторов, П. И. Опыт применения продуктов микробиологического синтеза в кормопроизводстве / П. И. Викторов – М., Викторов, П. И. Опыт применения продуктов микробиологического синтеза в кормопроизводстве / П. И. Викторов – М., Воробьева, Л. И. Промышленная микробиология / Л. И. Воробьева. – М., Воробьева, Л. И. Промышленная микробиология / Л. И. Воробьева. – М., Волова, Т. Г. Микробиологический синтез на водороде / Т. Г. Волова, И. А. Терсков, Ф. Я. Сидько. – Новосибирск, Волова, Т. Г. Микробиологический синтез на водороде / Т. Г. Волова, И. А. Терсков, Ф. Я. Сидько. – Новосибирск, Библиографический список по теме

Промышленная микробиология: процессы производства полезных веществ 37 Григорян, А. Н. Биосинтез на природном газе / А. Н. Григорян, Л. А. Горская. – М., Григорян, А. Н. Биосинтез на природном газе / А. Н. Григорян, Л. А. Горская. – М., Егоров, Н. С. Основы учения об антибиотиках / Н. С. Егоров. – М., Егоров, Н. С. Основы учения об антибиотиках / Н. С. Егоров. – М., Ермольева, З. В. Стимуляция неспецифической резистентности организмов и бактериальные полисахариды / З. В. Ермольева, Г. Е. Вайсберг. – М., Ермольева, З. В. Стимуляция неспецифической резистентности организмов и бактериальные полисахариды / З. В. Ермольева, Г. Е. Вайсберг. – М., Лобанок, А. Г. Микробиологический синтез белка на целлюлозе / А. Г. Лобанок, В. Г. Бабицкая. – Минск, Лобанок, А. Г. Микробиологический синтез белка на целлюлозе / А. Г. Лобанок, В. Г. Бабицкая. – Минск, Малашенко, Ю. Р. Метанокисляющие микроорганизмы / Ю. Р. Малашенко, В. А. Романовская, Ю. А. Троценко. – М., Малашенко, Ю. Р. Метанокисляющие микроорганизмы / Ю. Р. Малашенко, В. А. Романовская, Ю. А. Троценко. – М., Малков, М. А. Технология хлебопекарских и кормовых дрожжей / М. А. Малков. – М., Малков, М. А. Технология хлебопекарских и кормовых дрожжей / М. А. Малков. – М., Мосичев, М. С. Общая технология микробиологических производств / М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. – М., Мосичев, М. С. Общая технология микробиологических производств / М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. – М., Подгорский, В. С. Физиология и метаболизм метанол-усваивающих дрожжей / В. С. Подгорский. – Киев, Подгорский, В. С. Физиология и метаболизм метанол-усваивающих дрожжей / В. С. Подгорский. – Киев, Покровский, А. А. Роль биохимии в развитии науке о питании / А. А. Покровский. – М., Покровский, А. А. Роль биохимии в развитии науке о питании / А. А. Покровский. – М., Производство антибиотиков / ред. С. М. Навашин. – М., Производство антибиотиков / ред. С. М. Навашин. – М., Промышленная микробиология / ред. Н. С. Егоров. – М., Промышленная микробиология / ред. Н. С. Егоров. – М., Рубан, Е. А. Биосинтез аминокислот микроорганизмами / Е. А. Рубан. – М., Рубан, Е. А. Биосинтез аминокислот микроорганизмами / Е. А. Рубан. – М., Рубан, Е. А. Микробные липиды и липазы / Е. А. Рубан. – М., Рубан, Е. А. Микробные липиды и липазы / Е. А. Рубан. – М., Феофилова, Е. П. Пигменты микроорганизмов / Е. П. Феофилова. – М., Феофилова, Е. П. Пигменты микроорганизмов / Е. П. Феофилова. – М., Rehm, H. J. Industrielle Mikrobiolgie Berlin; Heiderbergerge; New York, Rehm, H. J. Industrielle Mikrobiolgie Berlin; Heiderbergerge; New York, Библиографический список по теме

38 Модуль 3. Модуль 3. Инженерная энзимология

39 Тема: «Инженерная энзимология» План лекции 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. 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. Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов. Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов. Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ. Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ.

Инженерная энзимология 40 Синтез протеолитических ферментов в глубинной культуре Actinomyces fradiae на средах с различными индукторами (Р. В. Фениксова, 1973) Синтез протеолитических ферментов в глубинной культуре Actinomyces fradiae на средах с различными индукторами (Р. В. Фениксова, 1973) Состав средыРост, ч Белок, мг/мл Активность, ед./мл Казе- иназа Элас- таза Керати- наза Соли, шерсть Соли, крахмал, шерсть, янтарная кислота Соли, крахмал, рог, янтарная кислота Соли, крахмал, соевая мука 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

Инженерная энзимология 41 Дерепрессия биосинтетических ферментов при ограниченном питании ауксотрофов факторами роста (Wang e.a., 1983) Дерепрессия биосинтетических ферментов при ограниченном питании ауксотрофов факторами роста (Wang e.a., 1983) Фактор ростаДерепрессированный фермент Увеличение активности Лейцин Синтетаза гидроксиуксусной кислоты В 40 раз Тиамин4 фермента тиаминового синтезаДо 1500 раз Биотин 7-окси-8-амино-пеларгонат аминотрансфераза В 400 раз 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

Инженерная энзимология 42 Состав средыАктивность, ед./100 мл Среда Чапека с 3 % сахарозы и 0.05 % азота20 Среда Чапека с 6 % крахмала и 0.15 % азота60 То же + 10 мл экстракта солодовых ростков250–300 То же + 40 мл экстракта солодовых ростков500–550 Концентрация компонентов (C, N, S, P) в 1.5 раза при оптимальной аэрации 1000–1100 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 Влияние состава среды на синтез -аминокислоты в глубинной культуре Aspergillus oryzae (Р. В. Фениксова, 1973)

Инженерная энзимология 43 Рост мицелия, образование -амилазы и потребление субстрата в глубинной культуре A. oryzae (Р. В. Фениксова, 1973) 1 – -амилаза; 2 – мицелий; 3 – сухие вещества среды 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

Инженерная энзимология 44 Основные методы иммобилизации ферментов а – абсорбция на крупнопористом носителе; б – ковалентное связывание; в – адсорбция; г – поперечная сшивка; д – включение в гель Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов а вг д б

Инженерная энзимология 45 Влияние метода иммобилизации с использованием комплекса TiCl4 на активность глюкозоамилазы (Дж. Вудворд, 1988) Комплекс, использованный для активации Активность фермента, ед./г TiCl 4 – акриламид1.03 TiCl 4 – мочевина0.36 TiCl 4 – лимонная кислота0.41 NiCl 4 – лактоза0.48 Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов

Инженерная энзимология 46 Операционная стабильность ферментов, иммобилизованных на носителях, активированных титаном (IV) (Дж. Вудворд, 1988) ФерментНосительТемпература, °С Время полуинактивации Глюкоамилаза Роговая обманка, пористое стекло ч 1 ч Инвертаза Роговая обманка, пористое стекло сут 8 сут Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов

Инженерная энзимология 47 Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ Иммобилизованный фермент Объемы выпуска, т/г Получаемый продукт Страна АминоацилазаМенее 5L-аминокислотыЯпония Аминоглюкозидаза1ГлюкозаАнглия Глюкозоизомераза1500–1750 Глюкозо-фруктозные сиропы Дания, Нидерланды, Япония ГидантоиназаМенее 1D-фенилглицин-Япония Лактаза5 Лактозные гидролизаты Япония Нитрилаза0.1АкриламидЯпония Пенициллин G-ацилаза 3–46 АПК Япония, Нидерланды Пенициллин V-ацилаза16 АПКАнглия, Австрия Иммобилизованные ферменты, используемые в промышленности (Poulsen, 1984)

Инженерная энзимология 48 Конструкция биореакторов на основе иммобилизованных ферментов (Дж. Вудворд, 1988) Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ

Инженерная энзимология 49 Типичные ферментные электроды и их параметры (Дж. Вудворд, 1988) Определяемое вещество ФерментДатчик Стабиль- ность Время реакции Чувствитель- ность, М/л МочевинаУреаза Катионный Газовый (NH 3 ) 3 недели 1 мес. 30–60 с 2–4 мин 10 –2 –5 10 –5 до 5 10 –4 ГлюкозаГлюкозооксидаза рН-электрод Газовый (О 2 ) 1 неделя 3 недели 5–10 мин 2–5 мин 10 –1 –10 – –4 L-аминокислоты Оксидаза L-аминокислот Pt(H 2 O 2 )4–6 мес.12 с10 –3 –10 –5 СпиртыАлкогольоксидазаPt(H 2 O 2 )1 неделя12 с0.5–100 мг/ % ПенициллинПенициллиназарН-электрод2 недели 0.5–2 мин 10 –2 –10 –4 Мочевая кислота УратоксидазаPt(H 2 O 2 )4 мес.30 с10 –2 –10 –4 НитратНитратредуктазаNH 4+ 2–3 мин–10 –2 –10 –4 НитритНитритредуктаза Газовый (NH 3 ) 3–4 мес.2–3 мин 5 10 –2 –5 10 –4 СульфатАкрилсульфатазаPt1 мес.1 мин10 –1 –10 –4 Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ

Инженерная энзимология 50 Изготовление ферментных электродов. Ферментный электрод для определения глюкозы (Н. Н. Угарова, 1987) Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов. Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические микроустройства. Типы ферментных электродов. Биолюминесцентный микроанализ

Инженерная энзимология 51 Биокатализ / ред. И. В. Березин. – М., Биокатализ / ред. И. В. Березин. – М., Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М., Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М., Введение в прикладную энзимологию / ред. И. В. Березин, К. Мартинек. – М., Введение в прикладную энзимологию / ред. И. В. Березин, К. Мартинек. – М., Грачева, И. М. Технология ферментных препаратов / И. М. Грачева. – М., Грачева, И. М. Технология ферментных препаратов / И. М. Грачева. – М., Иммобилизованные клетки и ферменты / ред. Дж. Вудворд. – М., Иммобилизованные клетки и ферменты / ред. Дж. Вудворд. – М., Иммобилизованные ферменты / ред. И. В. Березин и др. – М., Иммобилизованные ферменты / ред. И. В. Березин и др. – М., Инженерная энзимология / И. В. Березин, А. А. Клесов, В. К. Швядос и др. – М., Инженерная энзимология / И. В. Березин, А. А. Клесов, В. К. Швядос и др. – М., Биотехнология: в 8 тт. / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Биотехнология: в 8 тт. / ред. : Н. С. Егоров, В. Д. Самуилов. – М., Калунянц, К. А. Микробные ферментные препараты / К. А. Калунянц, Л. И. Голгер. – М., Калунянц, К. А. Микробные ферментные препараты / К. А. Калунянц, Л. И. Голгер. – М., Кощеенко, К. А. Иммобилизованные клетки / К. А. Кощеенко // Итоги науки и техники. Сер. «Микробиология». – М., Кощеенко, К. А. Иммобилизованные клетки / К. А. Кощеенко // Итоги науки и техники. Сер. «Микробиология». – М., Кулис, Ю. Ю. Аналитические системы на основе иммобилизированных ферментов / Ю. Ю. Кулис. – Вильнюс, Кулис, Ю. Ю. Аналитические системы на основе иммобилизированных ферментов / Ю. Ю. Кулис. – Вильнюс, Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э. Уэбб. – М., Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э. Уэбб. – М., Химическая энзимология / ред. И. В. Березин. – М., Химическая энзимология / ред. И. В. Березин. – М., Техническая биохимия / ред. В. Л. Кретович. – М Техническая биохимия / ред. В. Л. Кретович. – М Угарова, Н. Н. Биолюминесценция и биолюминесцентный анализ / Н. Н. Угарова, Л. Ю. Бровко. – М., Угарова, Н. Н. Биолюминесценция и биолюминесцентный анализ / Н. Н. Угарова, Л. Ю. Бровко. – М., Buchholz, K. Reaction engineering parameters for immobilized biocatalysis / K. Buchholz. Berlin, Buchholz, K. Reaction engineering parameters for immobilized biocatalysis / K. Buchholz. Berlin, Topics in enzyme and fermentation biotechnology / Ed. by A. Wiseman. – New York, Topics in enzyme and fermentation biotechnology / Ed. by A. Wiseman. – New York, Библиографический список по теме

52 Модуль 4. Модуль 4. Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья

53 Тема: «Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья» План лекции Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и сельскохозяйственных отходов. Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и сельскохозяйственных отходов. Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами. Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами. Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых. Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых.

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 54 Взаимосвязи между биомассой и биотехнологией ( Д. Холл и др., 1988) Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Новые разновидности биосистем Фиксация азота Солнечная энергия Сырье Биореактор Продукт Питательная среда Гидролитические ферменты Регуляторы роста Топливо Средства биологического контроля Сельское и лесное хозяйства

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 55 Процессы деструкции органических субстратов БИОПОЛИМЕРЫ (углеводы, липиды, белки) Органические кислоты, спирты, NH 3, CO 2, H 2 Ацетат, формиат, H 2, CO 2 CН 4 +СО 2 Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 56 Биологическое получение водорода Биотехнология в решении энергетических проблем. Получение биогаза, спирта из промышленных и с/х отходов Водород Кислород Вода Ферредоксин Гидрогеназа Медиатор АВ

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 57 Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами Модель бактериально-химического окисления арсенопирита Thiobacillus ferrooxidans (Г. И. Каравайко, 1984) А – анод; К – катод; Д – диффузионный слой

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 58 Схема бактериального выщелачивания меди из куч или отвалов руды (Ф. Д. Пули, 1990) Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 59 Схема выщелачивания урановой руды (J. Johnson, 1985) Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 60 Схема установки чанового выщелачивания металлов (Г. И. Каравайко, 1984) Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 61 Биосорбция металлов из растворов (К. Браейерли и др., 1988) Методы извлечения металлов (подземное, кучное, чановое). Использование микроорганизмов в процессах добычи полезных ископаемых

Технологическая биоэнергетика и биологические процессы переработки минерального сырья 62 Варфоломеев, С. Д. Конверсия энергии биокаталитическими системами / С. Д. Варфоломеев. – М., Варфоломеев, С. Д. Конверсия энергии биокаталитическими системами / С. Д. Варфоломеев. – М., Кондратьева, Е. Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов / Е. Н. Кондратьева, И. Н. Гоготов. – М.,1981. Кондратьева, Е. Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов / Е. Н. Кондратьева, И. Н. Гоготов. – М.,1981. Мальцев, П. М. Технология бродильных производств / П. М. Мальцев. – М., Мальцев, П. М. Технология бродильных производств / П. М. Мальцев. – М., Скулачев, В. П. Трансформация энергии в биомембранах / В. П. Скулачев. – М., Скулачев, В. П. Трансформация энергии в биомембранах / В. П. Скулачев. – М., Чан Динь Тоай. Биогенез метана / Чан Динь Тоай, М. С. Хлудова, Е. С. Панцхава // Итоги науки и техники. Сер. «Биотехнология». – М., Чан Динь Тоай. Биогенез метана / Чан Динь Тоай, М. С. Хлудова, Е. С. Панцхава // Итоги науки и техники. Сер. «Биотехнология». – М., Яровенко, В. Л. Моделирование и оптимизация микробиологических процессов спиртового производства / В. Л. Яровенко, Л. А. Ровинский. – М., Яровенко, В. Л. Моделирование и оптимизация микробиологических процессов спиртового производства / В. Л. Яровенко, Л. А. Ровинский. – М., Bioconversion systems / Ed. by D. L. Wise. – Boca Ration, Bioconversion systems / Ed. by D. L. Wise. – Boca Ration, Каравайко, Г. А. Микробиологические процессы выщелачивания металлов из руд / Г. А. Каравайко. – М., Каравайко, Г. А. Микробиологические процессы выщелачивания металлов из руд / Г. А. Каравайко. – М., Каравайко, Г. А. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд / Г. А. Каравайко, С. И. Кузнецов, А. И. Голомзик. – М., Каравайко, Г. А. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд / Г. А. Каравайко, С. И. Кузнецов, А. И. Голомзик. – М., Полькин, С. И. Технология бактериального выщелачивая цветных и редких металлов / С. И. Полькин, Э. В. Адамов, В. В. Панин. – М., Полькин, С. И. Технология бактериального выщелачивая цветных и редких металлов / С. И. Полькин, Э. В. Адамов, В. В. Панин. – М., Библиографический список по теме

63 Модуль 5. Модуль 5. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды

64 Тема: «Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды» Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработок отходов. Анаэробные методы переработки отходов сельскохозяйственных производств. Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработок отходов. Анаэробные методы переработки отходов сельскохозяйственных производств. Биотехнологические методы переработки городских стоков. Промышленные биофильтры и аэротенки. Биотехнологические методы переработки городских стоков. Промышленные биофильтры и аэротенки. Применение биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков Применение биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков План лекции

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 65 Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработок отходов Анаэробные методы переработки отходов сельскохозяйственных производств Двухкамерный септиктенк: 1 – регулятор, 2 – отражатель, 3 – напорный трубопровод, 4 – уклон 1:4 (К. Форстер, 1990)

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 66 Типы установок для очистки сточных вод пищевой промышленности: а – анаэробный биофильтр; б – установка с винтовым насосом для перемешивания; в – высокоскоростной реактор Коулзерда Принципы биологических методов аэробной и анаэробной переработки отходов (Дж. Бест и др., 1988) а б в

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 67 Биотехнологические методы переработки городских стоков Промышленные биофильтры и аэротенки Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего слоя биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему (К. Форстер, Д. Вейз, 1990)

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 68 Промышленные биофильтры и аэротенки Схема биофильтра (М. С. Мосичев, 1982) Биотехнологические методы переработки городских стоков

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 69 Свойства насадок, используемых в капельных биофильтрах (К. Форстер, Д. Вейз, 1990) Биотехнологические методы переработки городских стоков Тип насадки Удельная поверхность, м 2 /м 3 Пористость, % Минеральная: Шлак50–12050 Гранит24–110– Гравий86–101– Полимерная: Непластифицированны й поливинилхлорид Полипропилен12498

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 70 Биотехнологические методы переработки городских стоков Схемы аэротенков (Дж. Бест, 1988) Аэротенк вытеснения Аэротенк смешения Аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и регенерацией активного ила Активный ил Очищаемая вода воздух Иловая смесь Очищаемая вода Очищенная вода Воздух Избыточный активный ил Активный ил Очищаемая вода Воздух Иловая смесь

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 71 Зависимость качества входного потока от типа аэрации (К. Форстер, 1990) Тип аэрации Нагрузка по органическому веществу на ил, кг/кг сут Качество выходного потока Продленная0.05–0.02 Высокое: БПК 10 мг/л, полная нитрификация, аммонийный азот 5 мг/л Стандартная0.20–0.45 Различное: от полной нитрификации до ее отсутствия Быстрая0.50–5.00 Высокая скорость удаления БПК на единицу массы ила; качество может быть выше в 20–30 раз при достаточном уровне аэрации Биотехнологические методы переработки городских стоков

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 72 Применение биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков Классификация установок биологической очистки воздуха (И. Б. Уткин, 1989) Тип установки Рабочее тело Водный режим Основная стадия удаления примесей из воздуха Источник минеральных солей Биофильтр Фильтрующий слой – иммобилизованные на природных носителях микробные клетки Циркуляция воды отсутствует 1. Десорбция материалом фильтрующего слоя. 2. Деструкция микробными клетками Материал фильтрующего слоя БиоскрубберВода, активный ил Циркуляция воды 1. Абсорбция в абсорбере водой. 2. Деструкция в аэротенке активным илом Минеральные соли вносят в воду Биореактор с омываемым слоем Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки Циркуляция воды 1. Диффузия через водную пленку к микроорганизмам. 2. Деструкция в биологическом слое Минеральные соли вносят в воду

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 73 Параметры установок биоочистки воздуха на объектах интенсивного животноводства ФРГ (B. Brauer, 1984) Установка Рабочи й объем, м 3 Удельная производи- тельность, ч –1 Степень очистки, % Потери давления, Н/м 2 Расход воды, л/сут. Удельный расход воды в сутки Биофильтр с компостом –3 Биофильтр с волокнистым торфом – –3 Биоскруббер – Биореактор с омываваемым слоем – Применения биотехнологических методов для очистки газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков

Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды 74 Варежкин, Ю. М. Методы интенсификации процесса биологической очистки сточных вод / Ю. М. Варежкин, А. И. Михайлова, А. М Терентьев. – М., Голубовская, Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений / Э. К. Голубовская. – Л., Гюнтер, Л. И. Сбраживание осадков городских сточных вод в метанотенках / Л. И. Гюнтер, Р. Я. Аграноник, Л. Л. Гольдфарб. – М., Данилович, Д. Л. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод / Д. Л. Данилович, А. И. Монгайт. – М., Евилевич, М. А. Оптимизация биохимической очистки сточных вод / М. А. Евилевич, Л. Н. Брагинский. –Л., Кузьменкова, А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов / А. М. Кузьменкова. – М., Мельдер, Х. А. Малогабаритные канализационные очистные установки / Х. А. Мельдер, Л. Л. Пааль. – М., Очистка производственных сточных вод / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков, Ю. В. Воронов. – М., Ротмистров, М. Н. Микробиологическая очистка воды / М. Н. Ротмистров, П. И. Гвоздяк, С. С. Ставская. – Киев, Туровский, И. С. Обработка осадков сточных вод / Туровский И. С. – М., Экологическая биотехнология /ред. : К. Ферстер, Д. Вейз. –Л., Яковлев, С. В. Биологические фильтры / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов. – М., Bellmany, W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food / W. D. Bellmany. – London, Библиографический список по теме

Модуль 6. Модуль 6. Клеточная и генетическая инженерия 75

Генетическая инженерия: принципы, возможности. Области применения биологических агентов, полученных методами генетический инженерии. Генетическая инженерия: принципы, возможности. Области применения биологических агентов, полученных методами генетический инженерии. Технологии генетического конструирования организмов in 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. Технологии генетического конструирования организмов in 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. 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. 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. 76 Тема: «Клеточная и генетическая инженерия» План лекции

Клеточная и генетическая инженерия Генетическая инженерия: принципы, возможности 77 Суперштамм, полученный на основе последовательных скрещиваний четырех штаммов Pseudomonas putida (Д. Хопвуд)

Клеточная и генетическая инженерия Технологии генетического конструирования организмов in vitro 78 Введение гена в плазмиду E. coli и клонирование рекомбинантной ДНК в клетках (А. Сассон, 1987)

Клеточная и генетическая инженерия Технологии генетического конструирования организмов in vitro 79 Схема генной машины (Д. Хопвуд, 1984)

Клеточная и генетическая инженерия Генная инженерия промышленно-важных продуцентов инсулина, соматотропина, интерферонов а – карта плазмиды pBR322 c двумя генами – пенициллиназы и устойчивости к тетрациклину; б – карта, полученная при определении последовательности кДНК рекомбинантной плазмиды в продуцирующем инсулин клоне E. coli; в – гибридный белок; г – биологически активный инсулин после удаления пенициллиназы и сегмента проинсулина 80 Биосинтез инсулина крысы в сконструированных клетках E. Coli (Gilbert e.a., 1980) Pst Ген устойчивости к тетрациклину Ген устойчивости к тетрациклину Ген пенициллиназы Ген пенициллиназы Пенициллиназа Ген проинсулина Проинсулин Инсулин а б в г

Клеточная и генетическая инженерия Генная инженерия промышленно важных продуцентов инсулина, соматотропина, интерферонов 81 Схемаконструирования гена соматотропина комбинацией химического синтеза и выделенной мРНК (P. Newmark, 1979)

Клеточная и генетическая инженерия Клеточная инженерия Продукт Клетки или их источник Гормон роста Опухоль гипофиза КоллагенФибробласты Кортикостероиды Опухоль надпочечника Гистамин Опухоль из тучных клеток Меланин Меланома радужной оболочки сетчатки МукополисахаридыФибробласты Фактор роста нервной ткани Нейробластома 82 Возможность получения ряда веществ в культуре животных клеток

Клеточная и генетическая инженерия Получение и применение моноклональных антител 83 Схема продукции моноклональных антител гибридомой, образованной лимфоцитами и миеломнымиклетками (Г. Фафф, 1984)

Клеточная и генетическая инженерия Получение и применение моноклональных антител Область медицины Способ применения Анализ Структурные зонды для идентификации поверхностных особенностей клеток Диагностика Наборы реактивов для диагностики беременности; выявление эстрогенных рецепторов для диагностики рака молочной железы Иммунодиагностика Точное определение количества специфических антигенов Иммуноочистка Очистка антигенов (например интерферона) Терапия Направленный перенос токсинов в раковые клетки, инактивация ядов, пассивная иммунизация, лечение аутоиммунных болезней 84 Возможные области и способы применения антител (И. Хиггинс, 1988)

Клеточная и генетическая инженерия Актуальные проблемы молекулярной, клеточной и клинической иммунологии // Итоги науки и техники. Сер. «Иммунология» / ред. : Г. И. Марчук, Р. В. Петров. – М., Биотехнология / ред. А. А. Баев. – М., Биотехнология растений: культура клеток / ред. Р. Диксон. – М., Вахтин, Ю. В. Генетическая теория клеточных популяций / Ю. В. Вахтин. – Л., Генетическая инженерия // Итоги науки и техники. Сер. «Молекулярная биология» / ред. А. А. Баев. – М., Глеба, Ю. Ю. Слияние протопластов и генетическое конструирование высших растений / Ю. Ю. Глеба, К. М. Сытник. – Киев, Дебабов, В. Г. Генная инженерия в производстве биологически активных веществ / В. Г. Дебабов, И. О. Гордон, В. И. Серегин. – М., Катаева, Н. В. Клональное размножение растений / Н. В. Катаева, Р. Г. Бутенко. – М., Методы генетики соматических клеток / ред. Дж. Шей. – М., Петров, Р. В. Иммуногенетика и искусственные антитела / Р. В. Петров, Р. М. Хаитов, Р. И. Аталуханов. – М., Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии // Специальный выпуск журнала Scientific American. – М., Библиографический список по теме

Клеточная и генетическая инженерия Шамина, З. Б. Генетическая изменчивость растительных клеток in vitro / З. Б. Шамина. – Киев, Фролова, Л. В. Особенности популяции растительных клеток / Л. В. Фролова – М., Genetic Engineering: In 6 vol / Ed. by R. Williamson. – London, Maniatis, T. Molecular cloning: A laboratory manual / T. Maniatis, F. Fritsch, J. Sambrook. – New York, Rodricguez, R. Recombinant DNA techniques: As introduction / R. Rodricguez, R. Tait. – London, Библиографический список по теме

Модуль 7. Модуль 7. Сельскохозяйственная биотехнология 87

Технология получения биологических удобрений. Продуценты, среды, ферментационная техника. Особенности применения. Нитрагин. Азотобактерин. Технология получения биологических удобрений. Продуценты, среды, ферментационная техника. Особенности применения. Нитрагин. Азотобактерин. Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных. Технология получения биологических препаратов /бактериальных, грибных, вирусных/. Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных. Технология получения биологических препаратов /бактериальных, грибных, вирусных/. Биотехнология растений. Размножение и модификация растений in vitro. Биотехнология растений. Размножение и модификация растений in vitro. 88 Тема: «Сельскохозяйственная биотехнология» План лекции

Сельскохозяйственная биотехнология Технология получения биологических удобрений 89 Гены азотфиксации были встроены в геном дрожжей (У. Брилл, 1991). На первом этапе получают гибридные плазмиды слиянием плазмидиз E.coli и дрожжевой клетки. На втором – выделяют nif-гены из Klebsiella pneumoniae и встраивают их во вторую плазмиды из E.coli, которую внедряют в хромосому дрожжей

Сельскохозяйственная биотехнология Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных БактерииНасекомые Pseudomonas aeruginosa Саранчи Pseudomonas septica Жук-навозник, жук-древесинник Vibrio leonardia Огневка пчелиная большая, мотылек кукурузный Enterobacter aerogenes Бабочка-голубянка, бабочка-толстоголовка Proteus vulgaris Саранчи Salmonella enteritidis Огневка пчелиная большая Diplococcus spp. Майский хрущ, шелкопряд тутовый, шелкопряд непарный, шелкопряд дубовый походный Bacillus thuringiensis Различные бабочки, моли B. popilliae Жук-навозник B. sphaericus Комары B. moritai Мухи 90 Наиболее распространенные инсектопатогенные бактерии и инфицируемые ими насекомые (G. A. Hardy, 1986)

Сельскохозяйственная биотехнология Энтобактерин – на основе Bac. thuringiensis var. Dalleriae; эффективен против чешуекрылых насекомых. Энтобактерин – на основе Bac. thuringiensis var. Dalleriae; эффективен против чешуекрылых насекомых. Дендробациллин – препарат для защиты леса от сибирского шелкопряда на основе Bac. thuringiensis var. dendrolimus. Дендробациллин – препарат для защиты леса от сибирского шелкопряда на основе Bac. thuringiensis var. dendrolimus. Инсектин – предназначен для борьбы с сибирским шелкопрядом. Получен на основе Bac. thuringiensis var. insectus. Инсектин – предназначен для борьбы с сибирским шелкопрядом. Получен на основе Bac. thuringiensis var. insectus. БИП – на основе Bac. thuringiensis var. darmstadiensis; эффективен против вредителей плодовых (молей, пядениц, листоверток, шелкопрядов) и овощных культур (белянок, молей). БИП – на основе Bac. thuringiensis var. darmstadiensis; эффективен против вредителей плодовых (молей, пядениц, листоверток, шелкопрядов) и овощных культур (белянок, молей). Бактулоцид – бактерия, на основе которой выпускается данный препарат, выделена из водоема и отнесена к группе Bt H14. Бактулоцид – бактерия, на основе которой выпускается данный препарат, выделена из водоема и отнесена к группе Bt H Бактериальные препараты Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных

Сельскохозяйственная биотехнология Metarhizium anisopliae – наиболее известный энтомопатогенный гриб, описанный более 100 лет назад как зеленый мускаридный гриб. Metarhizium anisopliae – наиболее известный энтомопатогенный гриб, описанный более 100 лет назад как зеленый мускаридный гриб. Verticilium lecanii является единственным грибным энтомопатогеном, на основе которого на западе успешно выпускают препараты в промышленных масштабах. Verticilium lecanii является единственным грибным энтомопатогеном, на основе которого на западе успешно выпускают препараты в промышленных масштабах. Hirsutella thompsonii использовали некоторое время Hirsutella thompsonii использовали некоторое время в США для производства препарата «Микар» с целью контроля численности цитрусовых клещей. в США для производства препарата «Микар» с целью контроля численности цитрусовых клещей. Боверин является отечественным грибным препаратом, который изготавливают на основе конидиоспор Beauveria bassiana Vuill. Боверин является отечественным грибным препаратом, который изготавливают на основе конидиоспор Beauveria bassiana Vuill. 92 Грибные препараты Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных

Сельскохозяйственная биотехнология Биотехнология растений 93 Использование культуры тканей и клеток растений для регенерации растений (Х. Борман) Схема клонального размножения Catharantus roseus (Н. Оледзка)

Сельскохозяйственная биотехнология 94 Меристемные регенеранты гороха и клевера лугового на разных средах (со стимуляторами роста и без них) (H. Kallak) Биотехнология растений

Сельскохозяйственная биотехнология 95 Слияние протопластов растений под действием ПЭГ (I) и электрополя (II) ) (Х. Борман, 1991) Биотехнология растений

Сельскохозяйственная биотехнология Технология получения биологических удобрений 96 Клонирование nif-генов 1 этап получение гибридной плазмиды E.coli и Candida; 1 этап – получение гибридной плазмиды E.coli и Candida; 2 этап перенос nif-генов из Kleibsella во вторую плазмиду E.coli, которую внедряют в хромосому дрожжей (Н. Брилл) 2 этап – перенос nif-генов из Kleibsella во вторую плазмиду E.coli, которую внедряют в хромосому дрожжей (Н. Брилл)

Сельскохозяйственная биотехнология Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных «Вирин-ГЯП» (против гусеницы яблоневой плодожорки); «Вирин-ГЯП» (против гусеницы яблоневой плодожорки); «Вирин-КШ» (против кольчатого шелкопряда); «Вирин-КШ» (против кольчатого шелкопряда); «Вирин-ЭНШ» (против непарного шелкопряда); «Вирин-ЭНШ» (против непарного шелкопряда); «Вирин-ЭКС» (против капустной совки); «Вирин-ЭКС» (против капустной совки); В США усовершенствован процесс производства В США усовершенствован процесс производства нескольких вирусных препаратов для защиты лесов («ТМ-Биоконтрол» и «Циптек»). нескольких вирусных препаратов для защиты лесов («ТМ-Биоконтрол» и «Циптек»). 97 Вирусные препараты

Сельскохозяйственная биотехнология Африкян, Э. К. Энтомопатогенные бактерии и их значение / Э. К. Африкян – Ереван, Биология культивируемых клеток и биотехнология растений / ред. Р. Г. Бутенко. – М., Биотехнология сельскохозяйственных растений / ред. С. Мантель. – М., Биотехнология растений: культура клеток / ред. Дж. Диксон. – М., Вейзер, Я. Микробиологические методы борьбы с вредными насекомыми / Я. Вейзер. – М., Гулий, В. В. Микробиологическая борьба с вредными организмами / В. В. Гулий, Г. М. Иванов, М. В. Штерншис. – М., Дорогойченко, Н. И. Новые формы микробных инсектицидов и методы их применения / Н. И. Дорогойченко, В. Б. Фрейман. – М., Доронский, Л. М. Клубеньковые бактерии и нитрагин / Л. М. Доронский. – Л., Евлахова, А. А. Энтомопатогенные грибы / А. А. Евлахова. – Л., Ильичева, С. Н. Получение и применение грибных инсектицидов / С. Н. Ильичева, Э. В. Кононова. – М., Катаева, Н. В. Клональное микроразмножение растений / Н. В. Катаева, Р. Г. Бутенко. – М., Библиографический список по теме

Сельскохозяйственная биотехнология Культура клеток растений / ред. Р. Г. Бутенко. – М., Мишустин, Е. Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия / Е. Н. Мишустин. – М.,1972. Мишустин, Е. Н. Биологическая фиксация молекулярного азота / Е. Н. Мишустин, В. К. Шильников. – М., Орловская, Е. В. Вирусные препараты для борьбы с насекомыми-вредителями сельского хозяйства и леса / Е. В. Орловская, Т. А. Шумова. – М., Пирузян, Э. П. Основы генетической инженерии растений / Э. П. Пирузян. – М., Солдатова, А. В. Культура клеток насекомых и ее использование для получения вирусных и энтомопатогенных препаратов / А. В. Солдатова, Т. А. Шумова. – М., Тарасевич, Л. М. Вирусы насекомых служат человеку / Л. М. Тарасевич. – М., Хотянович, А. В. Эффективность различных методов инокуляции бобовых растений препаратами клубеньковых бактерий / А. В. Хотянович, В. М. Чиканова, В. В. Бочаров. – М., Шильникова, В. К. Микроорганизмы-азотонакопители на службе растений / В. К. Шильникова, Е. Я. Серова. – М., Библиографический список по теме