Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Биотехнология. Ключевые слова
Вирус парагриппа
Клетка Прокариот
Клетка Эукариот
Водоросль Каулерпа гроздевидная
Зелёный лишайник
Гриб Алеврия оранжевая
Пивной ферментёр
Мембранный биореактор
Блок-схема биотехнологического производства (на примере процесса по переработке зерна ржи на крахмал и спирт)

Основные объекты и характерные черты биотехнологического производства

Ключевые слова:  биообъекты, биотехнологическое производство, мнение, периодика, промышленная биотехнология, статья, технологии и оборудование биотехнологических процессов

Автор(ы): кандидат технических наук Б. С. Пайлеванян

Опубликовал(а):  Пайлеванян Бениамин Спиридонович

12 сентября 2011

Промышленная биотехнология, находящая применение в таких ключевых направлениях, как медицина и сельское хозяйство, производство химических веществ и пищевых продуктов, биоэнергетика и биоэлектроника, восстановление и защита окружающей среды, материаловедение, биогеотехнология и других, является универсальным инструментарием по борьбе со стихийным развитием цивилизации и обеспечению её управляемого устойчивого непрерывного прогрессирования.

Принимая во внимание исключительную прикладную ценность биотехнологии, представляется крайне важным проанализировать и систематизировать основные объекты и этапы биотехнологического процесса, комплексно рассмотреть базовые методы и подходы, имеющих место в промышленной биотехнологии, описать технологическое оборудование, схемы ведения работ и, соответственно, продукты, получаемые в результате биотехнологического производства.

Учитывая, что биобъекты — основополагающий элемент промышленной биотехнологии, видится целесообразным вначале коротко остановиться на их описании. В качестве биобъектов выступают одно- или многоклеточные живые организмы, функциональное предназначение которых — биосинтез необходимого продукта (продуценты) либо катализ ферментативной реакции (биокатализаторы). К биообъектам относятся макромолекулы, микро- и макроорганизмы, в частности:

  • вирусы — не имеющие клеточного строения и собственного энергоснабжения мельчайшие организмы, ведущие паразитический образ жизни;
  • бактерии — прокариотические (не обладающие ядром и другими мембранными органоидами) и эукариотические (содержащие в своём строении ядро и иные структуры) клетки;
  • водоросли (бурые, красные, зелёные, диатомовые, синезелёные и т. п.) — группа одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов, обитающих, в основном, в водной среде, но также в почве, на поверхности растений и в других местах;
  • лишайники — симбиотические ассоциации микроскопических грибов (микобионт) и зелёных микроводорослей и / или цианобактерий (фотобионт или фикобионт), образующие слоевища (талломы) определённой структуры;
  • грибы — лишённые хлорофилла (пигмента, участвующего в фотосинтезе) организмы, усваивающие минеральные вещества непосредственно из окружающей среды, а органические — только в готовом виде;
  • водные растения, пребывающие в солёной, пресной (большей частью) либо солоноватой водных средах;
  • культуры клеток животного происхождения, равно как и изолированные ткани, органы или цельные тела животных;
  • тотипотентные растительные клетки, сохраняющие генетическую информацию в процессе своего развития и способные, в случае наличия благоприятных условий, полностью восстановить организм.

При этом низшие растения (вирусы, бактерии, водоросли, миксомицеты, лишайники, грибы), в свою очередь, подразделяются на автотрофы (водоросли и лишайники), синтезирующие органические соединения из неорганических, и гетеротрофы (вирусы и бактерии, большинство миксомицетов и грибов), неспособные к фотосинтезу / хемосинтезу и использующие для питания органические вещества, произведённые другими организмами.

Рассмотрев объекты, которыми оперирует биотехнология, перейдём к исследованию производственного процесса (заметим, что в практической деятельности, для удобства, он часто иллюстрируется в виде последовательно составленной блок-схемы), предполагающего, в конечном счёте, получение внутри- или внеклеточного целевого продукта биосинтеза. Обычно, в классическом варианте, изучаемый процесс состоит из подготовительной, биотехнологической и заключительной стадий.

На начальной, подготовительной стадии осуществляется приготовление необходимого сырья с заданными свойствами, подразумевающее, в зависимости от целевой продукции, такие методы, как: заготовка специальной среды с нужными компонентами, стерилизация газов путём очистки от излишних веществ, подготовка посевного материала либо биокатализатора.

На основной, биотехнологической стадии, с помощью тех или иных перечисленных выше биообъектов, происходит преобразование исходного сырья в желаемый продукт. Данный этап включает в себя синтез новых органических соединений, а также процессы: биотрансформация, ферментация, биокатализ, биоокисление, метановое брожение, биокомпостирование, бактериальное выщелачивание, биосорбция, биодеградация.

На последней, заключительной стадии технологического процесса биотехнологического производства получается запроектированная готовая продукция. Однако, целевой продукт на текущем этапе изначально находится в биомассе либо жидкости. Для их разделения можно воспользоваться следующими методами: отстаивание, фильтрация (в том числе микро- и ультрафильтрация), сепарация / центрифугирование и др.

После указанных выше стадий, наступает время выделения целевого продукта. Это успешно делается экстракцией, осаждением, адсорбцией, ионным обменом и другими известными методами, характерными для внутриклеточных и внеклеточных формирований.

Полезно отметить, что, в случае необходимости удалить ненужные примеси, в производственный процесс, после стадии выделения, может быть включён этап очистки, который реализуется на основе хроматографии, диализа, кристаллизации, равно как и ректификации, ферментолиза, обратного осмоса и иных методов, приведённых для предыдущей стадии.

Завершая раздел, посвящённый хронологическим аспектам биотехнологического производственного процесса, стоит упомянуть и о возможности максимизировать выход целевого продукта (до 90—100 %) — это достигается путём его концентрирования (например, выпариванием, сушкой, нано- и гиперфильтрацией).

Касаемо оборудования, используемого в биотехнологической практике, следует сказать, что при лабораторных исследованиях, главным образом, применяют роллеры и качалки, предотвращающие посредством вращающей конструкции осаждение клеток и обеспечивающие оптимальное количество растворённого кислорода. Чтобы в периодическом и непрерывном режимах выращивать клеточные культуры и микроорганизмы в промышленных масштабах, больше подойдут ферментёры и биореакторы, где перемешивание клеток может происходить за счёт аэрирования воздуха (барботажный тип), создания направленных циркуляционных потоков (эрлифтный тип) или с помощью механических устройств.

В заключение, хотелось бы акцентировать внимание на том, что, согласно результатам проведённых автором изысканий и мнениям учёных по исследуемой тематике, перспективы промышленной биотехнологии весьма позитивны, поскольку она обладает исключительно важными преимуществами.

Вот лишь некоторые из них: широкий спектр получаемых продуктов (к примеру: газы — водород, биогаз, диоксид углерода; культуральные жидкости вместе с микроорганизмами — кефир, йогурт; твёрдые субстраты — сырная продукция, ферментированное с заквасками колбасное изделие; жидкости, полученные после отделения биомассы, — квас, вино; биопрепараты — бактериальные удобрения, эффективные средства защиты растений, пекарские дрожжи; различные биопродукты — этанол, антибиотики, аминокислоты и многое другое), экологичность и безопасность производственного процесса, умеренность стоимости подготовки и запуска биотехнологической линии, эвентуальность использования в качестве сырья низких по цене отходов сельского хозяйства и промышленности, а также, что особо ценно, возможность получать чрезвычайно востребованные вещества (белки, ДНК и т. д.), которые сложно либо, более того, вовсе не представляется реальным получить каким-то иным способом в достаточном для людских нужд объёме.

Прикрепленные файлы:
 

В статье использованы материалы: к. т. н. Пайлеваняна Б. С.


Средний балл: 8.8 (голосов 5)

 


Комментарии
Мдя...
Звучит то как:
"...является универсальным инструментарием по борьбе со стихийным развитием цивилизации..."

Экологичность биотехнологии, кстати, очень разная. Равно как и безотходность. По приведённым здесь материалам: что делать с бардой после отделения (большей части) спирта? CВ 8% - для практических целей мало. Но выбросить просто так нельзя, ибо загниёт и всё вокруг отравит.

Кстати, биотехнологические процессы, как правило, весьма энергоёмки.
Спасибо за комментарий.

Вы частично правы, что в некоторых случаях экологичность и малая отходность биотехнологии, равно как и энергоёмкость, на данном этапе её развития, не всегда однозначна - кстати, материалы статьи не конфликтуют с этой позицией.

Но здесь же, в дополнение к вашим словам, можно добавить, что и, например, многие важные лекарственные препараты, спасающие людям жизнь, далеко не лишены побочных эффектов.

Вместе с тем, не отрицая наличия ряда нерешённых вопросов в целом в биотехнологии по биобезопасности, а также, к примеру, биоэтике, стоит подчеркнуть, что есть все предпосылки, чтобы постепенно, шаг за шагом, минимизировать подобные негативные последствия с целью более ёмко, в будущем, раскрыть биотехнологический потенциал.
Бениамин, а что такое биоэтика? В чём состоит "биотехнологический потенциал" который надо раскрыть?

Вообще, биотехнология - это просто ещё один способ производства. Иногда он имеет преимущества перед химтехом, иногда нет. Соответственно, относится к нему надо как к рабочему инструменту, а не как к иконе.
Александр Ринатович, вопросы биоэтики связаны, например, с таким важным биотехнологическим инструментарием, как генетическая инженерия. Кстати, это исключительно актуальная дискуссионная проблематика в настоящее время.

Что касается биотехнологического потенциала, то он, в частности, имеет место не только в производстве, но и в таких ключевых прикладных сферах, как генодиагностика, генотерапия, нанобиотехнология и иных инновационных направлениях, на некоторые из которых, к слову, недавно обратило внимание руководство нашей страны.
Генетическая инженерия - это вполне рутинный рабочий инструмент молекулярного биотехнолога. Не заморачиваясь вопросами этики им пользуются уже лет, примерно, 25. Кстати, что такое биоэтика из Вашего комментария я так и не понял.

Генодиагностика, генотерапия не относятся к биотехнологическому производству. Первое - во многом рутинные операции ПЦР-диагностики, второе - слегка на грани фантастики и широко использовать это опасаются.

Нанобиотехнология (или всё-таки бионанотехнология?) - опять таки, что это за зверь? Цели, задачи, инструментарий.

Что касается приоритетных направлений развития, то они сформулированы настолько размыто, что туда можно подогнать что угодно.
Александр Ринатович,

благодарен за комментарии и вопросы - они окажутся полезными для определения тем последующих статей, в которых в достаточном объёме будут освещены в том числе интересующие Вас аспекты.

Желаю Вам успехов в науке и конструктивного общения.
Пастух Евфграфович, 16 сентября 2011 12:01 
Интересно, а могут ли биотехнологи (формулируем задачу) вживить лекарственное растение в человека? Эдакий "полезный растительный вампир". А почему бы и нет?
Гомункул помрёт в муках.
Почему вампир?
да уж, если бы эукариотическая клетка знала современные экономические тенденции - вместо митохондрий "приручала" бы хлоропласты. Пора, пора переходить на собственный фотосинтез :(
PS насколько я знаю, единственный пример симбиоза млекопитающего и растения (водоросли) - это ленивец, и то исключительно в целях мимикрии.
Ну, вообще-то, растения - это и есть "эукариотические клетки, приручившие хлоропласты". Только не вместо, а вместе с митохондриями (или, скорее, после митоходнрий). Короче, у них там целый зверинец.
конечно, имелось ввиду животная клетка :)
там ключевая фраза "собственный фотосинтез" - чтобы не зависеть от зарплаты, мировых цен на нефть и маразма политиков :)
Владимир Владимирович, 20 сентября 2011 15:44 
А может так и получилось, что клетки, приучившие хлоропласты сразу разленились - солнышко светит, никуда ползти не надо. А вот "животным" клеткам пришлось ой как поползать, чтоб выжить...
У меня вопросы по классификации биообъектов.
В тексте написано:

бактерии — прокариотические (не обладающие ядром и другими мембранными органоидами) и эукариотические (содержащие в своём строении ядро и иные структуры) клетки

Приведите, пожалуйста, несколько примеров эукариотических бактерий. Насколько мне известно, бактерии и археи относятся к царству прокариот и никак не могут иметь ядра (но, возможно, наука уже шагнула далеко вперед, а я все пропустила).

Еще смущает фраза:
низшие растения (вирусы, бактерии, водоросли, миксомицеты, лишайники, грибы)

Я, конечно, понимаю, что в курсе биологии есть раздел "низшие растения", куда наряду с водорослями и красными водорослями включены и грибы, и цианобактерии. Но это же просто учебный курс, а на самом деле грибы - вообще отдельное от растений царство, равно как и бактерии. А вирусы? По каким признакам эти организмы можно отнести к растениям (или хотя бы к нетаксономической группе "низшие растения")?
К автору: какое отношение все это имеет к порталу Нанометр?
Владимир Владимирович, 20 сентября 2011 15:47 
Каждой публикации найдется свое издание (на правах аксиомы научной публикации).

Мне очень понравился богатый и образный язык автора!
(Только, пожалуй, "аэрлифтный", а не "эрлифтный", если рядышком написано "аэрация"... )
Пастух Евфграфович, 20 сентября 2011 10:54 
"Интересно, а могут ли биотехнологи (формулируем задачу) вживить лекарственное растение в человека? Эдакий "полезный растительный вампир".

Ну Вот, по российскому TV - калужане решили попробывать на искусственной крови. Интересненько.
Ильинский Иван Игоревич, 22 декабря 2011 17:57 
очень полезно и интересно
Ильинский Иван Игоревич, 22 декабря 2011 17:57 
очень полезно и интересно
Ильинский Иван Игоревич, 22 декабря 2011 17:57 
очень полезно и интересно
Ильинский Иван Игоревич, 22 декабря 2011 17:57 
очень полезно и интересно
Ильинский Иван Игоревич, 22 декабря 2011 17:57 
очень полезно и интересно
Ильинский Иван Игоревич, 22 декабря 2011 17:57 
очень полезно и интересно
Ильинский Иван Игоревич, 22 декабря 2011 17:58 
очень полезно и интересно
спасибо за информацию

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

nano-Вулкан
nano-Вулкан

Приглашение на международную конференцию «Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс совместно с НИТУ «МИСиС» и компанией ICAPPIC рады пригласить Вас на международную школу-конференцию «Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем» 27-28 ноября 2019 года

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Заочный тур по комплексу предметов наноолимпиады открыт
Опубликованы задания заочного тура для школьников 7 - 11 классов по комплексу предметов "химия, физика, математика, биология" XIV Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!".

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.