Биотехнология вчера и сегодня

Биотехнология
вчера и сегодня
Др. инж. наук Юрис Ванагс
Латвийская биотехнологическая ассоциация
Что такое биотехнология?
Биотехнология - относительно новая отрасль
науки. Решение её проблем влияет на важные
сферы человеческой жизни.
Слово
"Biotehnoloģija",
образовалось
из
следующих греческих слов:
“bios” – жизнь
“teken” – мастерство
“logos” – наука
Дефиниция биотехнологии
Биотехнология - наука о применении технологий. Например, в
конгрессе основаном Европейской Биотехнологической федерацией
было дано следующеее определение термину биотехнология:
" Биотехнология - наука, которая базируясь на знаниях в
микробиологии, биохимии, генетике, инженерии генов, иммунологии,
химической технологии и машиностроении, использует биологические
объекты (микроорганизмы, клетки животных и растительных тканей) и
молекулы (нуклеиновые кислоты, белковые вещества, ферменты,
углеводороды и т.д.), для промышленного производства необходимых
человеку и животным веществ и продуктов".
Проще говоря:
"Биотехнология - отрасль, которая занимается производством
продуктов, веществ и технологий, используя микроорганизмы".
Кто работает в биотехнологии?
Биотехнолог не то же самое, что биолог. Для
освоения биотехнологии необходимы довольно
глубокие знания биологии, химии, физики, математики
и техники (процессы и аппараты). Характерно то, что в
биотехнологических проектах работают специалисты
все возможных направлений - биотехнологи, химики,
инженеры, программисты.
Биотехнологические проекты требуют синтеза
естественных и технических наук. Для этого
необходимо сотрудничество специалистов разных
отраслей. Осуществление этих проектов будет
успешным
только
при
создании
общей
коммуникационной базы.
Инженерия биопроцессов.
Инженерия
биопроцессов
занимается
реализацией
биотехнологических процессов. Что требует соответствующих
технологий, оборудований и практических методов, которые
обеспечат необходимый ход процессов и получение конкретных
продуктов. Так же для реализации биотехнологических
процессов необходимы соответствующие условия. Например:
вода, воздух, пар, приготовление реагентов и их подведение,
переработка сточных вод, образовавшихся в ходе процесса, а
так же обеспечение стерильности. В наши дни характерно, что
персоналу
биотехнологических производств необходимы
знания стандарта GMP (Goodmanufacturingpractise). Сегодня
такие процессы часто надо валидировать, что требует слияния
инженерных и технологических знаний с современным
менеджментом качества.
Специфичность биопроцессов
*
Клетки микроорганизмов - живые микроорганизмы, которым
необходимы специальные условия для роста и биосинтеза;
*
Клетки растут в питательнойсреде, которая так же может
способствовать
размножению
клеток
других
нежелательных
микроорганизмов, что проявляется как инфекция или контаминация.
Поэтому в таких процессах особое внимание обращают на стерильность
условий;
•
Клетки чувствительные к условиям среды (T, pH, O2), могут легко
погибнуть если они не соблюдены;
•
В биосинтезе образовавшиеся продукты обычно рассеяны в
культивационной среде;
•
В процессе могут появиться побочные продукты, которые обычно
отделяют на стадии очистки целевого продукта;
•
Техническое
оборудование
для
биопроцессов
является
специфическим и более дорогим чем, например, в химической
технологии;
•
Работающему в биотехнологическом производстве персоналу
требуются специфические знания, которые требуют дополнительного
изучения.
Преимущества биопроцессов:
*С
помощью
клеток
микроорганизмов
можно
осуществлять реакции, которые сложно реализовать
химическими
методами
(например,
получение
пенициллина);
*Микроорганизмы могут перерабатывать биомассу
(например, отходы сельского хозяйства) в ценные
продукты;
• Постоянно
увеличивается
спектр
получаемых
продуктов;
• Клетки могут быть модифицированы для получения
конкретных продуктов;
• Продукты
полученные биотехническими методами
имеют большую добавочную стоимость.
История биотехнолигии.
1. Эмпирический период.
Этот период длился примерно 8000 лет. Древние народы интуитивно
использовали приемы для выпекания хлеба и получения пива ни чего, не зная
про микроорганизмы. Тысячи лет назад уже было известно как добыть уксусную
кислоту. Первая дистилляция в виноделии была реализована в 12 столетии.
Водку из браги впервые получили в 16 столетии. О производстве шампанского
известно с 18 столетия.
2. Этиологический период (185 -1933)
Название связано с греческим словом – «aitia» - причина. Этот период
связан с исследованиями выдающегося французкого ученого Л. Пастера (1822 1856). Л. Пастер сформулировал микробиологическую природу брожения,
доказал возможность безкислородного размножения живых клеток, создал и
научно обосновал принципы вакцинации для профилактики болезней
(вирусов).В 1859 году Л. Пастер изготовил жидкую питательную среду. В 1881
году Р. Кох продемонстрировал бактериальную культивацию, т.е., размножение,
при помощи жидкой питательной среды. Так была показана возможность
размножения микроорганизмов для реализации определенных процессов
(брожения, скисания и т.д.). В этот период было запущенно производство
прессованных дрожжей.
История биотехнолигии.
3. Биотехнический период
Основателями биотехнологии можно считать А. Клюйвера и Л.
Перкина, которые в 1933.г. опубликовали исследовательскую работу
«Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов", в которых
изложены приёмы глубинного культивирования микроорганизмов.
Существенным толчком в промышленном развитии биотехнологии
было начало крупномасштабного производства антибиотиков,
начавшегося во время второй мировой войны, т.к. надо было
обеспечить раненных противомикробными препаратами.
Как самые значимые достижения в этом периоде можно отметить:
•
•
•
Принципы конструкций биореактора;
Теория электрофореза;
Расшифровка структуры ДНК.
История биотехнолигии.
4. Период генетической техники.
Началом этого периуда можно считать 1972.г. когда П. Берг
создал первую молекулу рекомбинантного ДНК, тем самым,
показывая возможность манипуляцый с бактериальным
генетическим материалом.
В качестве других достижений этого периода следует
упоминуть:
1. Начато
применение в диагностике моноклониальных
антител;
2. Начато производство человеческого инсулина;
3. Клонирование.
Сферы применения биотехнологии
Разнообразие биотехнологии
Биотехнология вошла в наш быт больше чем вы могли бы представить. Она нашла
применение в различных отраслях:
1.
В пищевой промышленности – получение лимонной кислоты, аминокислот и др. пищевых
добавок;
2.
В сельском хозяйстве – средства для защиты растений, геномодифицированные
продукты;
3.
В медицине – производство антибиотиков, интерферона, витаминов, вакцин и др.
препараты;
4.
В фармацевтике – постоянно увеличивается количество медикаментов, получаемых
биотехнологическими методами;
5.
Защита окружающей среды – применение веществ и процессов для устранения
загрязнений;
6.
В энергетике – получение биогаза, этанола и др. источники энергии;
7.
В химической промышленности – получение этилена, ацетона, бутанола и др. вещества.
Это далеко не все виды применения биотехнологии. Есть исследования и наработки,
которые дают возможность культивировать все более сложные виды живых клеток.
Биотехнология всегда развивается и сложно спрогнозировать направление ее развития.
Вид биотехнологии в зависимости от ее применения принято обозначать определенным
цветом:
o
Белый – промышленность
o
Зеленый - защита окружающей среды;
o
Красный - медицина;
o
Синий - морская;
o
Серый - вирусология
Микроорганизмы под
микроскопам
Escherichia coli
Lamproderma
(Friut body)
Saacharmyces cerevisiae
Принципы производства
биотехнологических продуктов
Микроорганизмы
Подпитка
(субстрат)
Оборудование
для реализации
биопроцесса
Технологический режим
Продукт
Последовательность культивирования
микроорганизмов
Стандартная схема
биотехнологического процесса
Воздух
Подпитка
Культура
Посевной материал
Биореактор
Отходы
Продукт
Центрифуга
Хромотографические
колонки
Отходы
или
Фильтрация
Конечный продукт
Отходы
Упаковка
Биомасса
Рост микроорганизмов в биореакторе
Время ферментации
Принципы реализации процессов
культивирования
Закрытая блоксхема биореактора
Лабораторный биореактор
Биотехнологическое
производство начала 90х г.г.
Биотехнологическое
производство сегодня