Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
ФГАОУ ВПО «Северо-восточный федеральный университет
им. М.К. Аммосова»
Медицинский институт
Кафедра фармакологии и фармации
Курсовая работа по биофармацевтической технологии
«Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности»
Выполнила: студентка V курса
группы ФАРМ-501/2 Афанасьева Е.К.
Проверила: доцент, к.ф.н., Абрамова Я.И.
Якутск, 2013г.
Введение
1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств
1.1 Роль биотехнологии в современной фармации
1.2 Определение понятия биотехнологии
1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире
1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)
2. Определения понятий GLP , GCP, GMP
3. Вклад биотехнологии в окружающую среду
3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии
3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод
3.3 Методы очистки сточных вод
3.4 Факторы определяющие биоценоз активного ила
3.5 Основные параметры биологической очистки
Заключение
Использованная литература
В ведение
Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты, увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека.
Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий и, конечно, при разработке различных схем очистки производственных стоков и твердых отходов.
Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Таких примеров можно привести много.
Поэтому, с целью обеспечения защиты жизни и здоровья граждан, животных, растений, а также охраны окружающей среды и обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия созданы и утверждены документы (стандарты GLP, GCP, GMP и GPP и пр.), регламентирующие деятельность предприятий фармацевтического профиля, в т.ч. микробиологических и биотехнологических, по проведению исследований, производству, хранению, перевозке, использованию, утилизации и уничтожении их продукции.
1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств
1.1 Роль биотехнологии в современной фармации
Номенклатура лекарственных препаратов, полученных на основе биообъектов в силу объективных причин имеет тенденцию к своему расширению. В категорию таких лекарственных препаратов входят:
1. лекарственные средства для лечения, в число которых входят аминокислоты и препараты на их основе, антибиотики, ферменты, коферменты, кровезаменители и плазмозаменители, гормоны стероидной и полипептидной природы, алкалоиды;
2. профилактические средства, в число которых входят вакцины, анатоксины, интерфероны, сыворотки, иммуномодуляторы, нормофлоры;
3. диагностические средства, в число которых входят ферментные и иммунные диагностикумы, препараты на основе моноклональных антител и иммобилизованных клеток.
Это далеко не полный перечень лекарственных препаратов, которые имеются в современной фармации, в основе производства которых используются биообъекты.
1.2 Определение понятия биотехнология
Что касается определения самого понятия биотехнологии, то оно следует из понятия самой технологии. Технология - это наука о развитии естественных процессов в искусственных условиях. Если эти процессы относятся к биосинтетическим или биокаталитическим, присущих клеткам прокариот и эукариот, когда в качестве элементной базы используются биообъекты для получения целевого (конечного) продукта, то такое производство называют биотехнологическим. Если же в роли целевого (конечного) продукта выступает лекарственное средство, то такая биотехнология называется «биотехнология лекарственных средств».
В настоящее время фармацию характеризует как минимум третья часть лекарственных средств от общего объема производимых лекарств, которая использует современные биотехнологии. Суммируя все позиции определения биотехнологии, указанные выше, можно сказать, что «Биотехнология - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также для промышленного получения полезных для человека продуктов, в том числе лекарственных средств».
Биотехнология - комплексная наука, это и наука и сфера производства со своим специфическим аппаратным оформлением. Биотехнология какьсфера производства - это наукоемкая технология.
Биообъект - это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.
Биотехнология использует либо продуценты - микроорганизмы, растения, высшие животные, либо использует изолированные индивидуальные ферменты. Фермент иммобилизируется (закрепляется) на нерастворимом носителе, что позволяет его использовать многократно.
Современная биотехнология использует такие достижения, как искусственные культуры клеток и тканей. Особое достижение биотехнологии - это генноинженерные продуценты, микроорганизмы,
имеющие рекомбинантные ДНК. Ген четко изолируется и вводится клеткам микроорганизма. Этот микроорганизм будет продуцировать вещество, структура которого закодирована во введенном гене.
1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире
В истории развития биотехнологии можно выделить три основных
1. эмпирическая биотехнология (тысячелетия). Самый первый
биотехнологический процесс, осуществленный человеком - получение
пива, был изобретен шумерами приблизительно 5 тысяч лет назад;
2. научная биотехнология (с Пастера);
3. современная биотехнология.
Биотехнологию можно условно разделить на три категории по получаемым продуктам:
1. природны е биотехнологические продукты, вырабатываемые
собственно микроорганизмами (например, антибиотики);
2. биотехнологические продукты второго поколения , полученные с помощью генноинженерных штаммов (например, человеческий инсулин);
3. биотехнологические продукты третьего поколения - продукция XXI века, основана на изучении взаимодействия биологически активных
веществ и рецепторов клеток и создании принципиально новых препаратов. Примером таких препаратов могут быть антисмысловые нуклеиновые кислоты . В клетке человека приблизительно 100 тысяч генов. Используя принцип комплементарности можно создать цепь нуклеиновых кислот, которые могут выключать тот или иной ген, что позволяет с помощью антисмысловых нуклеиновых кислот управлять генами, корректируя обмен.
Биотехнология в зарубежных странах .
Первое место в мире по выпуску биотехнологической продукции занимает США, которая ежегодно выделяет 3 млрд. долларов на поддержку фундаментальных исследований в области медицины, из которых 2,5 млрд. долларов относится к области биотехнологии. Второй страной по выпуску биотехнологической продукции является Япония, третье место за Израилем.
Современная биотехнология - это наука, которая на практике использует достижения современных фундаментальных наук, таких как:
1. молекулярная биология
2. молекулярная генетика
3. биоорганическая химия.
Начиная с первых шагов и до наших дней технология изготовления лекарственных средств предусматривает использование субстанций, получаемых из разных источников. Это:
Ткани животных или растений;
Неживая природа;
Химический синтез.
Первый путь (использование тканей животных или растений) предполагает сбор дикорастущих лекарственных растений. Это, прежде всего, плантационное культивирование растений. Это также выращивание каллусных и суспензионных культур. Это наиболее современные методы культивирования клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции, то есть генная инженерия.
Можно привести пример такого растения как женьшень при извлечении из него панаксозидов, как биологически активного вещества:
В естественных условиях, в дикорастущем виде, сбор такого растения может производится только на шестидесятом году его роста;
В условиях его выращивания на плантациях - на шестом году его
произрастания;
В каллусной культуре, то есть в культуре клеток растительной ткани панаксозиды можно извлекать в достаточном количестве, обеспечивая рентабельность производства уже на 15-25-тый день роста культуры ткани.
Второй и третий путь получения лекарственных субстанций из неживой природы или путем химического синтеза раньше рассматривали в качестве конкурентного пути для биотехнологии. Жизнь внесла коррективы в это положение. Например, если мы говорим о возможностях перевода сорбита в сорбозу, или ситостерина в 17-кетоандростаны, или фумаровой кислоты в аспарагиновую и т.д., то в этих случаях биотехнология успешно конкурирует с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственных средств, а в ряде случаев, например, при синтезе витаминав В12 биотехнология может обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6 диметилбензимидазола), в конечный продукт - цианокобаламин.
Конечно, в последнем случае, когда всю технологическую цепочку осуществляет биообъект, находящийся в искусственных условиях, то он должен иметь условия наибольшего (максимального) благоприятствования (комфорта), что в свою очередь, предполагает обеспечение биообъекта необходимыми источниками питания, защиту от внешних неблагоприятных воздействий. Не менее важную роль в работе биообъекта играет и инженерно-техническая база, то есть процессы и аппараты биотехнологических производств.
В заключение можно сказать, что современная биотехнология
функционирует с одной стороны на достижениях:
Биологии,
Генетики,
Физиологии,
Биохимии,
Иммунологии и, конечно, биоинженерии, а с другой стороны, на совершенствовании самой технологии получения лекарственных средств, имея в виду:
Способы подготовки сырья,
Способы стерилизации оборудования и всех потоков системы, обеспечивающий - процесс получения биологически активных веществ,
Способы оперативного контроля и управления биотехнологическими процессами.
Сегодня бизнес в области лекарственных средств, чтобы выстоять в конкуренции огромного числа производителей лекарственных средств,
предполагает знания специалиста в области не только применения, но и
получения медицинских препаратов на основе как тонкой химической
технологии, так и биотехнологии.
Сферой интересов специалиста, работающего на рынке лекарственных средств являются следующие разделы биотехнологии:
1. Общая биотехнология лекарственных средств
1.1.биообъекты как средства производства
1.2.особенности процессов биосинтеза
2. Основные процессы и аппараты биотехнологического производства.
3. Частная биотехнология лекарственных средств
3.1.получение наиболее распространенных групп лекарственных средств,
3.2.новейшие биотехнологии с использованием генной инженерии
4. Экономические, правовые и экологические аспекты биотехнологического производства лекарственных средств.
1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)
Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства.
1. Создание стерильных условий для биосинтеза
Биосинтез БАВ - это многостадийный процесс. Для успешного осуществления биосинтеза необходимо использовать простерилизованный воздух, стерильную питательную среду и оборудование.
> Стерильное оборудование
БИОСИНТЕЗ > Стерильная питательная среда
> Стерильный воздух
Биосинтез осуществляется с использованием жидкой питательной среды, т.е. используется глубинное культивирование.
Биосинтез микроорганизмов осуществляется в ферментерах различной емкости от 100 литров(1м. куб.) до 10000 литров (100 м. куб.).
Стерилизация воздуха осуществляется методом фильтрации, т.е. из воздушного потока удаляют микроорганизмы с помощью фильтров.
Стерилизация питательных сред осуществляется термическим способом прямо в ферментере или в отдельной емкости.
Продуцент может храниться разными способами, например, на скошенном агаре, с поверхности которого он переносится в колбы с жидкой питательной средой. После накопления биомассы и проверки культуры на чистоту 0,5-1% посевного материала переносится в инокулятор. В нем происходит рост и деление микроорганизмов. Из инокулятора 2-3% материала переносится в посевной аппарат. Из посевного аппарата 5-10% посевного материала переносится в ферментер.
2. Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические,
биологические)
1. Температура
Бактерии - 28°
Актиномицеты 4~-- 26-28°
Грибы -- 24°
2. Число оборотов мешалки (для каждого м/о (микроорганизмы) -- разное число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки).
3. Расход подаваемого на аэрацию воздуха.
4. Давление в ферментере
5. рН среды
6. Парциальное давление растворенного в воде кислорода (количество кислорода)
7. Концентрация углекислого газа при выходе из ферментера
8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ)
9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток м/о, т.е. надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о
10. Наличие посторонней микрофлоры
11. Определение в процессе ферментации биологической активности
Для проведения ферментации необходимо добавлять пеногасители -- жиры (рыбий жир, синтетические жиры. В процессе ферментации в результате метаболизма м/о образуется пена.
3. Виды процессов биосинтеза.
Процесс биосинтеза подразделяют на:
*. периодический,
*. полупериодический,
*. непрерывный,
*. многоциклический.
1. Периодический процесс - это такой процесс, когда в ферментер подается посевной материал, задаются определенные технологические параметры (температура, рН, обороты мешалки) и процесс проходит самостоятельно с образованием целевого продукта. Этот процесс экономически не выгоден, т.к. образуется мало целевого продукта.
2. Полупериодический процесс или регулируемая ферментация .
Отличается от периодического процесса тем, что в процессе ферментации в ферментер добавляются различные питательные вещества (источники углеводов, азота), регулируется рН в процессе ферментации, добавляется предшественник в определенный момент ферментации. Полупериодический процесс является экономически выгодным, имея большой выход продукции.
3. Непрерывный процесс
Сущность которого в том, что из ферментера в процессе биосинтеза берется определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость выполняет функции посевного материала. В ферментер, из которого взяли часть культуральной жидкости, добавляется такое же количество воды и процесс биосинтеза в нем продолжается. Эта операция постоянно повторяется. Используя необходимое количество ферментеров и постоянно перенося часть культуральной жидкости из одного ферментера в другой достигается замкнутый цикл. Преимущество непрерывного процесса в том, что сокращается стадия выращивания посевного материала.
4. Многоциклический процесс
Заключается в том, что в конце ферментации 90% культуральной жидкости сливается из ферментера, а оставшаяся часть выполняет роль посевного материала.
2. Определения понятий GLP , GCP, GMP
GLP - (Good Laboratory Practice) - хорошая лабораторная практика - правила организации лабораторных направлений.
GCP - (Good Сlinical Practice) - хорошая клиническая практика - правила организации клинических испытаний.
GMP - (Good Manufacturing Practice) - хорошая производственная практика - правила организации производства и контроля качества лекарственных средств, это единая система требований к производству и контролю.
Правила GMP - это руководящий, нормативный документ, которому и производство и фирма обязаны подчиняться.
Правила GMP обязательны для всех предприятий, выпускающих готовые лекарственные формы (ГЛФ), продукцию медицинского назначения, а также субстанции.
Самые жесткие требования предъявляются к инъекционным лекарственным препаратам.
В 1969 году около 100 государств в мире заключили многостороннее соглашения между собой. «Система удостоверения качеств фармацевтических препаратов в международной торговле». Система была введена под эгидой Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ). Эта система была введена для оказания помощи органам здравоохранения импортирующих стран в оценке технического уровня производства и качества закупаемых ими лекарственных препаратов. В последующие годы эта система многократно пересматривалась.
Система дает выгоды импортерам. Эта система дает преимущества и экспортерам (высокоразвитые страны), когда препараты идут на экспорт без лишних препятствий.
К экспортерам лекарственных средств предъявляются следующие требования:
1. В стране должна быть государственная регистрация лекарственных средств.
2. В стране должно быть государственное инспектирование фармацевтических предприятий.
3. В стране должны быть приняты правила GMP.
Подобно Фармакопеям правила GMP неоднородны. Имеются:
* Международные правила GMP , принимает и разрабатывает Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ),
* Региональные - страны европейского экономического сообщества (ЕЭС),
* Правила GMP ассоциации стран Юго-Восточной Азии,
* Национальные правила GMP приняты в 30 странах мира.
Международные правила GMP по строгости требований усреднены, в ряде стран правила более либеральные (в соответствии с техническим уровнем производства). В Японии национальные правила GMP строже международных.
Правила GMP имеют 8 разделов:
I Терминология
II. Обеспечение качества
III. Персонал
IV Здания и помещения
V Оборудование
VI Процесс производства
VII Отдел технического контроля (ОТК)
VIII Валидация (утверждение)
1-вый раздел: терминология состоит из 25 пунктов (определений).
Определения, что такое:
Фармацевтическое предприятие
Лекарственное вещество
Лекарственное средство
Карантин на сырье
Определение чистоты помещений, асептических условий и т.д.
2-ой раздел: обеспечение качества
Гарантию качества дает руководитель и квалифицированный персонал.
Условия обеспечения качества продукции на производстве:
Четкая регламентация всех производственных процессов
Квалифицированный персонал
Чистые помещения
Современное оборудование
Регистрация всех этапов производства и всех проводимых анализов
Соблюдение и регистрация порядка возврата неудачных серий
3-тий раздел: персонал
Руководящий персонал должен иметь профильное образование и практический опыт по производству лекарственных средств
Каждый специалист и руководящий работник на предприятии должен иметь строго определенные функции
Неруководящий персонал должен иметь график подготовки и переподготовки и график должен быть зарегистрирован
Требования соблюдения личной гигиены, гигиена и поведение
регламентируются
4-тый раздел: здания и помещения
Производство должно располагаться вне жилых зон
Требуется исключить пересечение технологических линий
Производство беталактамных антибиотиков должно осуществляться в отдельном помещении (для исключения аллергических реакций)
Классификация помещений по степени загрязненности механическими и микробными частицами
Помещения должны быть сухими
Помещения для производства и контроля качества должны иметь гладкие поверхности, доступные для мытья и дезинфекции, должны быть ультрафиолетовые установки (УФ), стационарные и переносные)
Для производства стерильных лекарственных средств соединения между стенами и потолками должны быть закругленными
Давление внутри помещений должно быть выше, чем снаружи на несколько мм ртутного столба
Должен быть минимум открытых коммуникаций
Не должно быть скользящих дверей, двери должны быть загерметизированы
Помещения для хранения сырья должны быть отделены от цехов производства.
5-ый раздел: оборудование
Оборудование должно быть адекватно технологическому процессу
Оборудование должно размещаться та, чтобы его можно было легко эксплуатировать
Все регистрирующие приборы должны быть откалиброваны
Поверхность оборудования должна быть гладкой, не коррозирующей, не должна реагировать с веществами, задействованными в производстве
Должно быть рациональное и продуманное размещение оборудования - у персонала не должно быть лишних переходов в процессе работы
Оборудование должно регулярно проходить профилактический осмотр, что регистрируется в журналах
Оборудование для производства беталактамных антибиотиков должно быть отдельным.
6-ой раздел: процесс производства
Должен быть сертификат качества на сырье
Перед отправлением на производство партия сырья проверяется
Выдача сырья регистрируется
Сырье подвергается проверке на микробную кантаминацию или стерильность
Производственный процесс должен быть так построен, чтобы все было согласовано и безаварийно
Постадийный контроль процесса производства и его регистрация в журналах (сырье -полупродукты - рабочее место - операции технологический режим и т.д.). Порядок регистрации регламентируется, все записи делаются сразу после контроля и результаты хранят не менее 1 года.
7-ой раздел: отдел контроля качества (ОТК) - обязательный для
фармацевтических предприятий
ОТК руководствуется государственными и отраслевыми документами, регламентирующими его деятельность
Задачи ОТК:
Не допускать выпуска брака
Укреплять производственную дисциплину
ОТК контролирует сырье и полупродукты, участвует в планировании и проведении постадийного контроля и хранит образцы каждой серии продукции не менее 3-х лет.
8-ой раздел: валидация
Валидация - это оценка и документальное подтверждение соответствия производственного процесса и качества продукции установленным требованиям.
Директор предприятия специальным приказом назначает руководящего сотрудника или специалиста со стороны для проверки качества работы какого- либо цеха, технологической линии и т.д.
Валидация может быть:
Периодическая, (проводится постоянно)
Внеплановая (при чрезвычайных происшествиях, при изменении технологии).
Валидация позволяет установить:
Соответствует ли технологический процесс регламенту
Соответствует ли качество готовой продукции требованиям нормативной технологической документации
Соответствует ли оборудование производственным целям
Каков предел возможности производственного процесса
Валидация оценивает:
Сам процесс
Предел возможных отклонений
При этом составляется отчет, если имеются какие либо не соответствия или нарушения - то производственный процесс прерывается.
На биотехнологическом производстве внеплановая валидация проводится если:
Производство меняет штамм продуцента
Изменена питательная среда (так как изменяется метаболизм продуцента и он может давать примеси).
GLP - правила организации лабораторных исследований
Новое лекарственное средство необходимо подвергнуть лабораторным испытаниям, прежде чем приступать к проведению клинических испытаний.
Лабораторные испытания (in vitro, in vivo) проводятся на клетках,
бесклеточных системах и животных.
При испытании на животных можно получить различные результаты, поэтому важна правильная организация исследований.
Животные должны быть гетерогенны (разные), корм должен быть постоянным, одинаковым; требуется определенная планировка вивария, чтобы исключить стресс у животных; животные должны быть жизнеспособны.
GCP - правила организации клинических испытаний
Лекарственное средство допускается к клиническим испытаниям только после проведения лабораторных испытаний.
В правилах GCP изложены права больных и добровольцев:
Испытуемые должны быть информированы о том, что им вводится новый лекарственный препарат и о его свойствах
Больные имеют право на финансовое вознаграждение
Должен быть контроль за ходом испытаний со стороны медиков.
В Европе, Соединенных Штатах Америки (США) и России введены общественные комитеты по контролю за клиническими испытаниями лекарственных препаратов. В эти комитеты входят священники, представители смилиции и прокуратуры, медицинской общественности, которые наблюдают за испытаниями лекарственных препаратов.
Цель клинических испытаний - получение достоверных результатов: лекарство лечит, оно безвредно и т.д.
3. Вклад биотехнологии в окружающую среду
3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии
Экологические проблемы промышленной биотехнологии связаны с огромными технологическими выбросами воды и воздуха
Экологическая опасность определяется присутствием в выбросах живых или убитых клеток микроорганизмов:
1. живые клетки продуцентов могут изменить структуру экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т.д. и как результат - нарушить сообщества микроорганизмов .
2. прямое или косвенное воздействие на человеческий организм , (обслуживающий персонал и окружающее население).
3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод
Под качеством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней примесей.
Общие показатели загрязненности - характеризуют общие свойства воды:
1. органолептические,
2. физико-химические, содержание нерастворимых примесей (взвешенных веществ или зольность),
3. концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей, «органический» углерод),
4. перманганатную и дихроматную окисляемость (химическое потребление кислорода - ХПК),
5. биохимическое потребление кислорода (БПК).
Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.
Определение органических загрязнений
Химическое потребление кислорода (ХПК). дихроматный способ Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25 % раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50 % (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор - сульфат серебра. Большинство органических соединений окисляются до воды и углекислого газа, (кроме: пиридина, бензола и его гомологов, нафталина).
Биохимическое потребление кислорода (БПК).
Измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует применения специальной аппаратуры.
Манометрический способ основан на измерении уменьшения давления в аппарате за счет потребления кислорода. Определение проводят в аппарате Варбурга или в специальном респираторе: в герметичный ферментер помещают аликвоту исследуемой сточной воды, засевают микроорганизмами, и в процессе культивирования регистрируют изменение количества кислорода (или кислорода воздуха), пошедшего на окисление присутствующих соединений.
Кулонометрический способ более сложен в аппаратурном оформлении, основан на компенсации объема кислорода, потребленного микроорганизмами, за счет электролиза соответствующего количество воды, при этом объем выделившегося кислорода определяется по затратам электричества.
Определение органических загрязнений
Для стандартизации условий проведения эксперимента:
в зависимости от длительности культивирования различают биохимическое потребление кислорода за 5, 20 сут и полное окисление (БПК5, БПК20, БПКп):
БПК5 - для стоков, содержащих легкоусвояемые загрязнения - углеводы, низшие спирты.
Для стоков химических производств БПКп.
Кислые и щелочные стоки перед определением БПК нейтрализуют.
Высококонцентрированные стоки перед анализом разбавляют, для предотвращения ингибирования
Для определения БПК оптимально использование микрофлоры из уже работающих биологических систем, адаптированной к данному спектру загрязнений. Количество соответствует ее концентрации в работающих очистных сооружениях.
Определение одного из показателей качества сточной воды (ХПК или БПК) не достаточно для оценки возможности ее биологической очистки.
3.3 Методы очистки сточных вод
Целью очистки сточных вод является удаление из них взвешенных и растворенных органических и неорганических соединений до концентраций, не превышающих регламентированные (ПДК).
В зависимости от характера загрязнений и их концентраций применяют различные способы очистки сточных вод:
1. механические (отстаивание, фильтрация);
2. механофизические (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием);
3. физико-химические (ионный обмен, сорбция);
4. Термические;
5. биохимические методы
Каждый из перечисленных способов имеет свои области применения, преимущества и недостатки, поэтому пользуются несколькими способами очистки.
Достоинства биохимической очистки сточных вод
1. Возможность удаления из сточной воды широкого спектра органических соединений;
2. Самоподстраиваемость системы к изменению спектра и концентраций органических загрязнений;
3. Простота аппаратурного оформления;
4. Относительно невысокие эксплуатационными затратами.
Недостатки биохимической очистки сточных вод
1. Высокие капитальные затраты идущие на сооружение очистных систем;
2. Необходимость строгого соблюдения технологических режимов очистки;
3. Токсичность некоторых органических соединений для штаммов-деструкторов и биоценозов;
4. Необходимость предварительно разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.
Способы биохимической очистки сточных вод
А) аэробные:
Экстенсивные (поля орошения, поля фильтрации, биопруды);
Интенсивные (активный ил, биопленка в специальных сооружениях).
Б) анаэробные.
Аэробные процессы биохимической очистки
1. экстенсивные основаны на использовании природных биоценозов водоемов и почвы;
2. интенсивные основанные на деятельности активного ила или биопленки , т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза - процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах - аэротенках или биофильтрах.
Биоценоз активного ила
Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров; содержит 70 % живых микроорганизмов и 30 % твердые неорганические частицы.
Живые организмы с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой.
зооглей формируется за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя
Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зооглейности kz .
Состав : Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Miсrоcoccus, Pseudomonаs, Sarcina и др.
Pseudomon а s - окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и другие соединения.
Bacterium (выделено более 30 видов) - осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот.
Bacillus - алифатические углеводороды.
Состав постоянен практически на протяжении всех очистных сооружений
В зависимости от состава очищаемой воды, та или иная группа бактерий может преобладать, а остальные становятся ее спутниками в составе биоценоза.
На взаимоотношения микроорганизмов ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможен не только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также и взаимодействие их по принципу аменсализма, комменсализма, нейтрализма.
Существенная роль в создании и функционировании биоценоза принадлежит простейшим. Функции простейших :
1. регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле (не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ),
2. способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов участвующих в деструкции загрязнений (поглощают большое количество бактерий).
В активных илах высокого качества на 1 млн. бактерий должно быть 10-15 простейших, это соотношение называется коэффициентом протозойности kp.
Скорость биохимического окисления растет с увеличением с увеличением коэффициентов зооглейности и протозойности.
Простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах небольших концентраций фенола и формальдегида которые угнетают их развитие.
3.4 Факторы , определяющие биоценоз активного ила
На формирование ценозов активного ила влияют:
1. сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период);
2. обеспеченность кислородом;
3. присутствие в сточных водах минеральных компонентов.
Роль всех этих параметров при формировании активного ила обуславливает сложным и практически невоспроизводимым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы активного ила
Биоценоз активной пленки
Биоценоз в биофильтре . На поверхности загрузочного материала биофильтра образуется биологическая пленка: микроорганизмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверхность.
На разных уровнях биофильтра создаются количественно и качественно различные биоценозы, поскольку по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет предыдущего ценоза меняется состав воды, попадающей на следующий уровень:
1. сначала потребляются более легкоусвояемые загрязнения, и развивается микрофлора, усваивающая эти соединения с большей скоростью сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности этого ценоза.
2. по мере продвижения воды происходит потребление все более трудно усвояемых веществ и развиваются другие микроорганизмы, способные их усваивать.
3. в нижней части биоценоза в большом количестве скапливаются простейшие, потребляющие биопленку, оторвавшуюся с носителя, такой биоценоз способен практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.
биотехнология загрязненность биоценоз
3.5 Основные параметры биологической очистки
1. температура,
3. концентрация растворенного О2,
4. уровень перемешивания,
5. концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила,
6. наличие в воде токсичных примесей.
Температура
Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытым небом и не предусматривают регулирования температуры.
Изменение температуры зависит от времени года и климата в диапазоне от 2-5 до 25-35 0С.
При понижением температуры до 10-15 0С
Преобладают психрофильные микроорганизмы,
Снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны
Уменьшается скорость очистки
Снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымыванию активного ила из систем вторичных отстойников.
Можно уменьшить аэрирование сточных вод
Необходимо повысить концентрацию активного ила в сточных водах, и увеличить время пребывания сточных вод в системе очистки.
При повышении температуры от 20 до 37 0С
Возрастает скорость и полнота очистки в 2-3 раза.
Преобладают мезофильные и термофильные микроорганизмы, возрастает очистки.
Снижается растворимость кислорода в воде, необходимо усилить аэрацию.
Оптимальный диапазон рН для систем биологической очистки от 5,5 до 8,5.
рН как правило не регулируется, поскольку:
1. объемы очищаемой воды очень большие;
Обычно используют сточные воды с различными значениями рН так, чтобы при смешении суммарное значение рН оказалось близкой к оптимуму.
оптимальное количество растворенного кислорода от 1 до 5 мг/л.
Скорость растворения кислорода в сточной воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами активного ила.
Это требование обусловлено тем, что для кислорода, как и для всякого субстрата, наблюдается влияние его концентрации на скорость роста микроорганизмов, описываемое зависимостью, аналогичной уравнению Моно.
Снижение концентрации растворенного кислорода приводит:
1. к снижению скорости роста ила и, следовательно, к снижению скорости очистки;
2. к ухудшению потребления органических загрязнений;
3. К накоплению продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;
4. к развитию нитчатых формы бактерий Sphaerotilus nataus, концентрация которых при нормальный работе очистных сооружений невелика
Конвекция (перемешивание)
Этот процесс обеспечивает поддержание активного ила во взвешенном состоянии, создает благоприятные условия для массопереноса компонентов питания и кислорода
Биогенные элементы
Кроме С микроорганизмам для нормального функционирования необходимы N и P , а такжеMg , K , Na
Недостаток N и P резко снижает эффективность процесса очистки и приводит к накоплению нитчатых форм бактерий. Количество их, необходимое микроорганизмам для нормального функционирования, определяется видом органических соединений, присутствующих в сточных водах, его можно рассчитать теоретически.
Mg , K , Na - как правило, присутствуют в сточных водах в достаточном количестве, при недостатке добавляют водорастворимые соли.
В качестве добавок биогенных элементов при очистке производственных стоков используют фекальные сточные воды, содержащие N и P в большом избытке, при этом снижается концентрация синтетических органических загрязнений.
Доза и возраст активного ила
В обычных очистных сооружениях типа аэротенка текущая концентрация активного ила не превышает 2--4 г/л.
Увеличение концентрации активного ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации.
Чем меньше возраст активного ила тем эффективнее очистка воды «молодой» активный ил более рыхлый, имеет хлопья меньшего размера, с низким содержанием простейших; одновременно с этим осаждаемость «молодого» активного ила в системах вторичных отстойников несколько лучше.
Возраст активного ила Т - время его рециркуляции в системе очистных сооружений, вычисляется формуле:
V - объем аэратенка, м3 ;
Хср - средняя концентрация активного ила, кг/м3 ;
Q ст - расход сточной воды, м3/ч ;
Wn - скорость прироста активного ила, кг/(м3ч).
Техническая реализация аэробных способов очистки
Аэробный способ очистки сточной воды основан на использовании системы аппаратов аэротенк -- вторичный отстойник.
Выбор конкретной схемы определяется:
1. расходом сточной воды,
2. составом и концентрацией загрязнений,
3. требованиями к качеству очищенной воды и т. п.
Аэротенк
Открытое железобетонное сооружение, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом.
В зависимости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемой водой и гидродинамического режима движения суспензии активного ила аэротенки делятся
Аэротенк-вытеснитель
Свежая порция активного ила и очищаемая вода одновременно подаются в аппарат и далее происходит движение суспензии активного ила по аппарату в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению.
Развитие микроорганизмов в этом объеме определяется законами периодического роста.
«+» полностью извлекаются все загрязнения.
«-« длительно, сточная вода с низкими концентрациями (ХПК не более 200-400 мг/л);
Аэротенк-смеситель
Активный ил и очищаемая сточная вода поступают по всей длине аппарата одновременно и в аппарате создается режим, близкий к полному смешению, одновременно из аппарата отводится суспензия активного ила.
Развитие популяции микроорганизмов происходит как в хемостате все микрооргнизмы в фазе лимитированного роста;
аэротенк сложного типа
на разных этапах очистки одновременно реализуются оба режима:
1. смешения на первой стадии,
2. вытеснения на второй.
Схема аэробной биологической очистки
А) усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойники);
Б) аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод (аэротенки, регенераторы активного ила, вторичные отстойники);
В) доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальные станции);
Г) обработка осадков (иловые площадки, сушилки, печи и т. д.).
Биофильтр
Биопленка представляет собой уникальны по качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от места его нахождения консорциум микроорганизмов, иммобилизованный поверхности пористого носителя.
Нельзя проконтролировать содержание кислорода на каждом уровне биофильтра, поэтому нельзя с определенностью говорить о строго аэробном способе очистки.
«+» формирование конкретного биоценоза на определенных этапах очистки приводит к полному удалению всех органических примесей.
1. нельзя использовать стоки с высоким содержанием органических примесей (начальное значение по ХПК не более 500--550 мг/л, т.к. можно уничтожить активную пленку);
2. необходимо равномерно орошать поверхность биофильтра сточными водами, с постоянной скоростью;
3. перед подачей на биофильтры сточные воды необходимо очистить от взвешенных частиц, т.к. забьются капиллярные каналы и произойдет заиливание.
Наполнитель биофильтра : керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью.
Биофильтры подразделяются в зависимости от способа и вида загрузочного материала и от режима подачи жидкости.
По режиму аэрации: с принудительной и естественной циркуляцией.
В обоих случаях в биофильтрах наблюдается режим противотока воды, которая поступает сверху вниз, и воздуха, который поступает снизу вверх.
Технологические схемы с использованием биофильтров мало отличаются от схем очистки с применением аэротенков, однако, оторвавшиеся частицы биопленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а отводятся на иловые площадки.
Принцип вытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроорганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу работы аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стеклоерши погружают в аэрируемую воду и на их поверхности происходит накопление биоценоза активного ила, который как и в биофильтре, развивается на каждом участке ершей неодинаково и изменяется по количественному и качественному составу.
«+» системы с иммобилизованными на стеклоершах клетками от биофильтров является возможность интенсификации аэрации.
Это позволяет получать в биологических системах очистки биоценозы микроорганизмов, адаптированные именно к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость очистки и ее эффективность резко возрастают.
Экстенсивные способы очистки сточных вод
Пруды с искусственной или естественной аэрацией также под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей.
Состав определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов: в верхних слоях - аэробные культуры, в придонных слоях - факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов.
Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus, эвгленовые, вольвоксовые - насыщают воду О2 за счет фотосинтеза; микро и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и другие организмы.
В биопрудах осуществляется:
1. доочистка стоков после очистных сооружений, когда остающиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод -это позволяет практически полностью удалять остаточные количества многих соединений.
2. полная очистка, качество очистки воды и в этом случае очень высоко; хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения из воды.
«-» полная неуправляемость процесса, низкая скорость окисления органических соединений, время пребывания воды в биологических прудах несколько суток, занимают огромные площади.
Поля фильтрации - служат только для целей очистки, на них подается максимально возможное количество жидкости.
Поля орошения - предназначены для выращивания сельскохозяйственных культур, и вода на них подается по мере необходимости.
Процесс самоочищения воды осуществляется за счет жизнедеятельности почвенных организмов -- бактерий, грибов, водорослей, простейших, червей и членистоногих;
Состав почвенного биоценоза определяется структурой почвы, т.к. на поверхности почвенных комочков образуется биопленка.
О2 проникает в почву на 20--30 см, поэтому самая интенсивная минерализация органики происходит в поверхностных слоях.
Существенную роль в процессах очистки сточных вод на полях фильтрации и орошения играют нитрифицирующие бактерии. В летний период на 1 га площади образуется до 70 кг нитратов, которые с током жидкости поступают в нижние горизонты, где господствуют анаэробные условия. Кислород нитратов у денитрифицирующих бактерий идет на окисление сохранившихся в воде органических соединений.
Анаэробные процессы переработки отходов
Анаэробные способы очистки применяются для сбраживания высококонцентрированных стоков и осадков, содержащих большое количество органических веществ.
Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах -- метантенках.
Процесс брожения состоит из двух стадий -- кислой и метановой. Каждая из этих стадий осуществляется определенной группой микроорганизмов:
Кислая -- органотрофами,
Метановая -- литотрофами.
Обе группы присутствуют в метантенке одновременно, поэтому кислото- и газообразование протекают параллельно. В нормально работающем метантенке появляющиеся при кислом брожении продукты успевают переработаться бактериями второй фазы, и в целом процесс протекает в щелочной среде.
Формирование микрофлоры происходит за счет микроорганизмов, попавших вместе со сточными водами или осадком.
Состав биоценозов метантенков беднее аэробных биоценозов
первую стадию (кислотообразования) осуществляют: Вас. cereus , Вас. megaterium . Вас. subtilis , Ps. aeruginosa , Sarcina . Наряду с облигатными анаэробами в метантенке могут встречаться и факультативные анаэробы. Общее количество бактерий в осадке колеблется от 1 до 15 мг/мл. Конечным продуктом процесса брожения этой группы микроорганизмов являются низшие жирные кислоты, СО2 , +NH4, H2S.
вторую стадию (метанообразования ) осуществляют строгие анаэробы метанобразующие бактерии - Methanococcus , Methanosarcina , Methanobacterium .
В результате жизнедеятельности биоценоза метантенка происходит снижение концентрации органических загрязнений в отходах или сточных водах с одновременным образованием биогаза. В состав биогаза входят СН4 и С02 .
при распаде 1 г жиров образуется 1200 мл газа (в %): СН4-68, С02-32.
при распаде 1 г углеводов образуется 800 мл газа (в %): СН4-50, СО2-50.
предел сбраживания: жиры - 70%, углеводы - 62,5%, дальнейшее разложение органического вещества не приводит к образованию биогаза.
Особенности процессов анаэробной очистки
Концентрация токсичных компонентов не должна ингибировать процессы брожения.
Конвекция - 3 - 5 об/мин.
Температура
мезофильный режим(30--35°С)
термофильный режимы (50--60°С) - скорость распада органических соединений увеличивается, возрастает доза суточной загрузки в метантенк.
1. как и всякий анаэробный процесс, практически неуправляем
2. низкая скорость,
3. расход энергии, потребляемой клеткой на биосинтез, практически постоянен как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
Метантенк - строго герметичный ферментер объемом до нескольких кубических метров с перемешиванием и рубашкой для обогрева, оборудован газоотделителями с противопламенными ловушками, работает в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка по мере завершения процесса.
С осадком из метантенка удаляется и часть имеющихся в нем микроорганизмов, что ведет к увеличению времени сбраживания следующей порции.
Обеспечение задержки клеток в объеме аппарата при его разгрузке позволяет значительно интенсифицировать процесс и увеличить выход газа.
назначение:
Для сбраживания осадков, избыточного активного ила,
В качестве первой ступени очистки высококонцентрированных стоков, с последующей их аэробной доочисткой.
В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов является, одним из наиболее перспективных путей совместного решения экологических и энергетических проблем, который позволяет, например, агропромышленным комплексам перейти на практически полностью самостоятельное энергоснабжение.
Заключение
Деятельность любого биотехнологического производства может привести к возникновению экологических проблем общего и частного характера:
1)истощению и гибели естественных экосистем вокруг биотехнологических предприятий или неадекватному популяционному давлению одних видов живых существ на другие (например, разрастание цианобактерий в водохранилищах);
2)возрастанию стрессовых нагрузок на людей, проживающих вблизи крупных биотехнологических предприятий (выхлопные газы, шум, испарения, корпускулярные аллергены в атмосфере и пр.);
...Подобные документы
Характеристика современной очистки сточных вод для удаления загрязнений, примесей и вредных веществ. Методы очистки сточных вод: механические, химические, физико-химические и биологические. Анализ процессов флотации, сорбции. Знакомство с цеолитами.
реферат , добавлен 21.11.2011
Мировая экологическая ситуация и роль биотехнологии в ее улучшении. Характеристика стоков перерабатывающей промышленности. Роль биотехнологии в защите и оздоровлении биосферы. Аэробные и анаэробные системы очистки стоков. Метановое сбраживание.
статья , добавлен 23.10.2006
Экологические проблемы Балтийского моря. Общая характеристика предприятия, социально-экологических аспектов функционирования. Деятельность терминала. Природоохранные технологии. Проблемы очистки сточных вод от соединений марганца и железа, пути решения.
дипломная работа , добавлен 02.05.2016
Организмы активного ила, биохимическое окисление загрязняющих веществ сточных вод как его функция. Типы активного ила, понятие его возраста. Индикаторные организмы активного ила. Массовые виды аэротенков в пробах. Индикаторы высокой степени очистки вод.
контрольная работа , добавлен 02.12.2014
Физико-химическая характеристика сточных вод. Механические и физико-химические методы очистки сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств. Обзор технологических схем биохимических установок для очистки сточных вод.
курсовая работа , добавлен 30.05.2014
Анализ экологической обстановки в крупнейших индустриальных центрах и крупных портовых городах Украины. Характеристика проблем загрязненности воздуха промышленными предприятиями, транспортом, состояния канализационного хозяйства и очистки сточных вод.
реферат , добавлен 25.03.2010
Характеристика экологических проблем и оценка их особенностей в выявлении критериев взаимодействия человека и окружающей среды. Факторы экологических проблем и периоды влияния общества на природу. Анализ взаимосвязи экологических и экономических проблем.
контрольная работа , добавлен 09.03.2011
Характеристика предприятия как источника образования загрязнённых сточных вод. Цех производства обувной кожи. Характеристика сточных вод, поступающих на локальную систему очистки от цехов производства кожи. Расчет концентраций загрязняющих веществ.
курсовая работа , добавлен 09.05.2012
Состав сточных вод. Характеристика сточных вод различного происхождения. Основные методы очистки сточных вод. Технологическая схема и компоновка оборудования. Механический расчет первичного и вторичного отстойников. Техническая характеристика фильтра.
дипломная работа , добавлен 16.09.2015
Загрязнение водных ресурсов сточными водами. Влияние выпуска сточных вод металлургических предприятий на санитарное и общеэкологическое состояние водоемов. Нормативно-правовая база в области очистки сточных вод. Методика оценки экологических аспектов.
Кафедра микробиологии и биохимии
Методические указания
К выполнению контрольной работы
по теме: «Применение методов генной инженерии в биотехнологии»
По дисциплине: Введение в биотехнологию
для направления 020200.62 «Биология
Форма обучения: очная
Мурманск
Составитель – Елена Викторовна Макаревич, канд. биолог. наук, профессор кафедры микробиологии и биохимии Мурманского государственного технического университета
Методические указания к выполнению контрольных работ рассмотрены и одобрены на заседании кафедры-разработчика «____»_________________2013 г., протокол № _____.
Рецензент – Ольга Юрьевна Богданова, канд. биол. наук, профессор кафедры микробиологии и биохимии Мурманского государственного технического университета
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.. 4
2. Методические указания к выполнению контрольной работы 5
3. Вопросы для самопроверки... 6
6. ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ…………………….………..22
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Контрольная работа представляет собой одну из форм текущего контроля знаний студентов, и его выполнение является обязательным для всех студентов. Если работа не зачтена, студент должен иметь возможность ее исправить, путем повторного выполнения контрольной работы. Студенты, не выполнившие контрольную работу, к экзамену не допускаются.
Целью выполнения контрольной работы является углубление и закрепление знаний студентов, полученных при теоретическом изучении дисциплины и позволяет студенту продемонстрировать знания и навыки, приобретенные за время обучения по теории, а также возможность их применения в практической деятельности.
Студенты выполняют контрольную работу в сроки, установленные графиком. Выполнение контрольной работы является завершающим этапом в изучении отдельных тем дисциплины «Введение в биотехнологию».
Методические указания к выполнению контрольной работы
на тему « Применение методов генной инженерии в биотехнологии» .
Для выполнения контрольной работы необходимо:
1. Изучить теоретические данные по курсу;
3. Ответить на вопросы по данной теме;
4. Решить предоставленные в методическом пособии тестовые задания;
Генетические основы совершенствования биообъектов.
Пути и методы, используемые при получении более продуктивных биообъектов и биообъектов с другими качествами, повышающими возможность их использования в промышленном производстве (устойчивость к инфекциям, рост на менее дефицитных средах, большее соответствий требованиям промышленной гигиены и т.д.).
Традиционные методы селекции. Вариационные ряды. отбор спонтанных мутаций. Мутагенез и селекция. Физические и химические мутагены и механизм их действия. Классификация мутаций. Проблемы генетической стабильности мутантов по признаку образования целевого биотехнологического продукта.
Клеточная инженерия и использование ее методов в создании микроорганизмов и клеток растений - новых продуцентов биологически активных (лекарственных) веществ. Протопластирование и слияние (фузия) протопластов микроорганизмов. Возможность межвидового и межродового слияния. Гибриды, получаемые после слияния протопластов и регенерации клеток. Слияние протопластов и получение новых гибридных молекул в качестве целевых продуктов. Протопластирование и активация "молчащих" генов. Возможности получения новых биологически активных веществ за счет активации "молчащих генов". Методы клеточной инженерии применительно к животным клеткам. Гибридомы. Значение гибридом для производства современных диагностических препаратов.
Генетическая инженерия и создание с помощью ее методов продуцентов новых лекарственных веществ. Основные принципы технологии рекомбинантной ДНК. Внехромосомные генетические элементы - плазмиды и их функции у микроорганизмов, используемых в биотехнологических процессах. Основные физико-химические характеристики плазмид. Взаимодействие плазмид с геномом хозяина. Роль плазмидной и фаговой ДНК в генетическом конструировании продуцентов биологически активных веществ. Транспозоны и их использование в конструировании продуцентов. Направленный мутагенез (ин витро) и его значение при конструировании продуцентов.
Понятие вектора в генетической инженерии. Векторные молекулы на основе плазмидной и фаговой ДНК. Химический синтез фрагментов ДНК. Методы секвенирования (определения последовательности нуклеотидов). Химический синтез гена.
Ферменты, используемые в генетической инженерии. Рестриктазы. Классификация и специфичность. Формирование "липких концов». Рестриктаза E.coli R1 и распознаваемая ею последовательность нуклеотидов. Лигазы и механизм их действия.
Последовательность операций при включении чужеродного гена в векторную молекулу. Перенос вектора с чужеродным геном в микробную клетку.
Генетические маркеры. Методы идентификации и изоляции клонов с рекомбинантной ДНК.
Проблемы экспрессии чужеродных генов в микроорганизмах. Гены животной клетки; экзоны, нитроны. Обеспечение возможности экспрессии генов млекопитающих в микробной клетке. Обратная транскриптаза.
Способы преодоления барьеров на пути экспрессии чужеродных генов. Стабилизация чужеродных белков (целевых продуктов) в клетке. Генетические методы, обеспечивающие выделение чужеродных белков в среду.
Микроорганизмы различных систематических групп: дрожжи, эубактерии, актиномицеты и др. как хозяева при экспрессии чужеродных генов. Специфические проблемы генетической инженерии при создании новых продуцентов белковых веществ, первичных метаболитов как целевых биотехнологических продуктов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
- Перечислите традиционные методы селекции.
- Расскажите об использовании методов клеточной инженерии в создании микроорганизмов и клеток растений.
- Каковы механизмы действия физических и химических мутагенов?
- Назовите возможности получения новых биологически активных веществ за счет активации "молчащих генов".
- Раскройте понятие гибридонов.
- Перечислите методы идентификации и изоляции клонов с рекомбинантной ДНК.
- В различие между экзонами и интронами?
- Что такое экспрессия чужеродных генов?
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
Выпишите правильный ответ:
1. Под термином «обратная генетика» понимают следующие манипуляции
1. ДНК - РНК - белок - модификация белка - клетка
2. белок - РНК - ДНК - модификация ДНК - клетка
3. РНК - модификация РНК - ДНК - белок
4. клетка - ДНК - РНК - белок - модификация белка
2. Трансгенные организмы получают путем ввода чужеродного гена в
1. соматическую клетку
2. яйцеклетку
3. сперматозоид
4. митохондрии
3. Акромегалия характерна для животных, содержащих чужеродный ген
1. инсулина
2. интерферона
3. соматостатина
4. соматотропина
4. Год, когда впервые показана роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной
информации
1. 1940
2. 1944
3. 1953
4. 1957
5. Год, когда была создана модель двойной спирали ДНК
1. 1940
2. 1944
3. 1953
4. 1957
6. Первым объектом генной инженерии стала
1. E.coli
2. S.cerevisae
3. B.subtilis
7. Первыми объектами генной инженерии стали вирусы и плазмиды
1. S.cerevisae
2. B.subtilis
3. E.coli
8. В качестве вектора для введения чужого гена в животную клетку используют
1. плазмиды агробактерий
2. плазмиды бактерий
4. вироиды
5. вирус SV-40
9. В качестве вектора для введения чужого гена в животную клетку используют
1. ретровирусы
2. плазмиды бактерий
3. ДНК хлоропластов и митохондрий
4. вироиды
10. В качестве вектора для введения чужого гена в животную клетку не используют
1. вирус SV-40
2. ретровирусы
3. ДНК митохондрий
4. транспозоны
5. вироиды
11. В качестве вектора для введения гена в растительную клетку используют
1. вирус SV-40
2. вирус саркомы Рауса
3. плазмиды
4. вироиды
12. В качестве вектора для введения гена в растительную клетку используют
1. вирус SV-40
2. вирус саркомы Рауса
3. плазмиды агробактерий
13. В качестве вектора для введения гена в растительную клетку не используют
1. транспозоны
2. ДНК хлоропластов
3. плазмиды бактерий
4. вироиды
14. В состав вектора на основе вируса не входят последовательности, отвечающие за
1. вирулентность
2. способность к репликации
3. маркерный признак
4. патогенность
15. В состав вектора на основе вируса входят последовательности, отвечающие за
1. способность к передаче в клетку хозяина
2. способность к амплификации
3. маркерный признак
4. все перечисленные последовательности
16. Вектор должен быть
1. большим
2. небольшим
3. верны оба утверждения
17. В основе использования ДНК митохондрий и хлоропластов в качестве вектора лежит
1. кольцеобразная форма
2. объем
3. наличие гомологичных участков с ядерным геномом
4. верны все утверждения
18. Количество нуклеотидов, составляющих вироиды
1. 200 - 250
2. 270 - 300
3. 320 - 370
4. около 1000
19. Вироиды имеют форму
1. прямолинейную
2. кольцевую
3. спиралевидную
20. Транспозоны имеют форму
1. прямолинейную
2. кольцевую
21. Транспозоны впервые были открыты в
1. 30 - х годах
2. конце 40 -х годов
3. 1971 году
22. Транспозоны открыл
1. Поль Берг
2. Барбара Мак-Клинток
3. Фредерик Сэнгер
23. Год открытия вироидов
1. 1968
2. 1971
3. 1973
4. 1977
24. Вироидам представляют собой
1. 1 цепочечную ДНК
2. 1 цепочечную РНК
3. 2 цепочечную ДНК
4. 2 цепочечную РНК
25. Нуклеиновая кислота вироидов с белком
1. связана
2. не связана
26. Транспозоны играют важную роль в эволюции вилов
1. да
2. нет
30. При рестриктазно-лигазном методе происходит сшивание концов ДНК
1. тупой-липкий
2. липкий-липкий
3. тупой-тупой
31. При коннекторном методе происходит сшивание концов ДНК
1. тупой-липкий
2. липкий-липкий
3. тупой-тупой
32. Применение линкеров имеет смысл в том стучае, если при разрушении 2 типов ДНК рестриктазами образуются концы
1. одноименные липкие
2. разноименные липкие
3. тупые
33. Применение линкеров имеет смысл в том стучае, если при разрушении 2 типов ДНК рестриктазами образуются концы
1. одноименные липкие
2. тупой и липкий
3. тупые
34. Линкеры не применяют, если при разрушении 2 типов ДНК рестриктазами образуются концы
1. одноименные липкие
2. разноименные липкие
3. тупые
4. тупой и липкий
35. Фермент концевая трансфераза применяется при сшивании концов
1. одноименных липких
2. разноименных липких
3. тупых
4. тупого и липкого
36. Для сшивания тупых концов ДНК применяют лигазу в концентрациях
1. недостаточных
2. стандартных
3. избыточных
37. Для денатурации ДНК требуется
1. щелочной рН
2. кислый рН
3. кислый рН и высокая температура
4. щелочной рН и высокая температура
38. Температура денатурации ДНК (оС)
1. 37
2. 65
3. 100
39. Температура ренатурации ДНК (оС)
1. 37
2. 65
3. 100
40. При гибридизации спариваются фрагменты ДНК
1. одноцепочечные
2. двуцепочечные
3. одно- и двуцепочечные
41. При гибридизации возможно спаривание
1. ДНК - ДНК
2. ДНК - РНК
3. РНК - РНК
4. все перечисленные сочетания
42. Гибридизацию исследуемой нуклеиновой кислоты с ДНК-зондом проводят
1. в растворе
2. в геле
3. на нитроцеллюлозе
43. Чужеродная ДНК, попавшая в клетки в природе, как правило, не проявляет активности, так как разрушается ферментом
1. лигазой
2. метилазой
3. рестриктазой
4. транскриптазой
44. Год рождения генной инженерии
1. 1971
2. 1972
3. 1973
4. 1974
45. Первая гибридная ДНК содержала фрагменты ДНК
1. вируса и бактерии
2. 2-х вирусов и бактерии
3. бактерии, дрожжевой клетки и вируса
4. бактерии, вируса и животной клетки
46. Первая выделенная из бактериальной клетки эндонуклеаза расщепляла молекулы ДНК
1. в месте узнавания
2. на определнном расстоянии от места узнавания
3. в произвольном месте от места узнавания
47. Первую рестриктазу, которая расщепляла строго определенную последовательность ДНК выделили
1. Мезельсон и Юань
2. Мезельсон и Вейгл
3. Смит и Вилькокс
48. В состав полимеразы входит функциональных доменов
1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
49. Фрагмент Кленова включает в себя
1. 5’-3’ полимеразу и 3’-5’ экзонуклеазу
2. 5’-3’ полимеразу и 3’-5’ полимеразу
3. 5’-3’ полимеразу и 5’-3’ экзонуклеазу
4. 3’-5’ экзонуклеазу и 5’-3’ экзонуклеазу
50. Диэфирную связь в неспаренных участках ДНК убирает
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза
51. Диэфирную связь в двойных участках ДНК убирает
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза
52. За удаление присоединенных во время репликации нуклеотидов отвечает
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза
53. В процессах репарации ДНК, вырезая олигонуклеотиды дляной 10 н.п., участвует
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза
54. Терминальная трансфераза катализирует присоединение нуклеотидов к концу
молекулы ДНК
1. 5’ - ОН
2. 3’ – ОН
55. Узнают и расщепляют молекулы ДНК в произвольных точках нуклеазы
1. 1 класса
2. 2 класса
3. 3 класса
4. 1 и 3 класса
5. 2 и 3 класса
56. Узнают и расщепляют молекулы ДНК строко в сайте узнавания или на фиксированном расстоянии от него нуклеазы
1. 1 класса
2. 2 класса
3. 3 класса
4. 1 и 3 класса
5. 2 и 3 класса
57. За рестриктазную и метилирующую активность отвечает 1 белок у эндонуклеаз рестрикции
1. 1 и 3 класса
2. 2 и 3 класса
3. 1 и 2 класса
4. 2 класса
5. 3 класса
58. За рестриктазную и метилирующую активность отвечают разные белки у эндонуклеаз рестрикции
1. 1 и 3 класса
2. 2 и 3 класса
3. 1 и 2 класса
4. 2 класса
5. 3 класса
59. Ложными изошизомерами являются
1. Hpa I и Eco RI
2. Hind III и Eco RI
3. Hpa I и Hind III
60. При разгоне ДНК в агарозном геле ближе к стартовой линии окажутся фрагменты
1. короткие
2. длинные
3. короткие
62. Для построения рестрикционной карты необходимо фрагменты ДНК последовательно обработать
1. 1 рестриктазой, затем 2 рестриктазой
2. 1 рестриктазой и смесью 1 и 2 рестриктаз
3. 1 рестриктазой, 2 рестриктазой и их смесью
63. Первая рестрикционная карта была получена для
1. бактериофага
2. плазмиды pBR 322
3. вируса саркомы Рауса
4. вируса SV-40
64. Рестрикционные карты позволяют определить
1. полную нуклеотидную последовательность
2. степень гомологии участков ДНК
3. нарушения в работе гена
4. структуру гена
65. Химический сиквенс ДНК основан на
1. синтезе комплементарного участка ДНК
2. разрушении 1 нуклеотида
3. разрушении одного из 4 нуклеотидов в каждой реакционной смеси
66. Химический сиквенс ДНК предложили
1. Сэнгер и Гилберт
2. Сэвидж и Максам
3. Максам и Гилберт
67. Ферментативный сиквенс ДНК предложил
1. Максам
2. Гилберт
3. Сэнгер
4. Сэвидж
68. При химическом сиквенсе ДНК метится
1. с одного конца
2. с обоих концов
3. по всей длине
69. Модификация нуклеотидов при ферментативном сиквенсе предполагает изменение концов
1. 3’-ОН
2. 5’-ОН
3. 3’-ОН и 5’-ОН
70. При ферментативном сиквенсе модифицированные нуклеотиды добавляют по сравнению с нормальными в
1. избытке
2. равном соотношении
3. недостатке
71. Для недорестрикции эндонуклеазы добавляют
1. в недостатке
2. избытке
72. Недорестрикция обычно применяется при использовании рестриктаз
1. крупнощепящих
2. мелкощепящих
3. 1 класса
4. 3 класса
73. Для необратимого связывания ДНК с нитроцеллюлозой необходима температура (оС)
1. 65
2. 70
3. 80
4. 100
74. Для необратимого связывания ДНК с нитроцеллюлозой необходимы высокая температура и
1. обычное давление
2. высокое давление
3. низкое давление
4. вакуум
75. Перенос ДНК на нитроцеллюлозный фильтр называется
1. Северный блоттинг
2. Южный блоттинг
3. Западный блоттинг
76. Перенос РНК на нитроцеллюлозный фильтр называется
1. Северный блоттинг
2. Южный блоттинг
3. Западный блоттинг
77. Перенос белка на нитроцеллюлозный фильтр называется
1. Северный блоттинг
2. Южный блоттинг
3. Западный блоттинг
78. Фильтровальная бумага при блоттинге обеспечивает ток буферного раствора в направлении
1. электрофореза
2. обратном электрофорезу
3. перпендикулярном электрофорезу
79. Название «метод дробовика» применяется по отношению к библиотекам
1. геномным
2. клоновой ДНК
80. С синтеза ДНК на матрице РНК начинается создание библиотек
1. геномных
2. клоновой ДНК
81. При создании геномной библиотеки геном представлен
1. целиком
2. фрагментарно
82. Создание геномной библиотеки можно считать амплификацией ДНК
1. in vitro
2. in vivo
83. Создание клоновой библиотеки можно считать амплификацией ДНК
1. in vitro
2. in vivo
84. Полимеразную цепную реакцию можно считать амплификацией ДНК
1. in vitro
2. in vivo
85. При получении животных белков с помощью бактериальной клетки лучше использовать библиотеку ДНК
1. клоновую
2. геномную
86. Метод бесклеточного молекулярного клонирования был разработан в
1. 1973 году
2. 1976 году
3. 1977 году
4. 1985 году
87. Полимеразную цепную реакцию разработал
1. Берг
2. Гилберт
3. Саузерн
4. Маллис
88. Методику переноса ДНК на нитроцеллюлозный фильтр разработал
1. Берг
2. Гилберт
3. Саузерн
4. Маллис
89. При полимеразной цепной реакции количество ДНК от цикла к циклу увеличивается
1. на несколько фрагментов
2. в арифметической прогрессии
3. в геометрической прогрессии
90. Цикл амплификации ДНК in vitro занимает (в минутах)
1. 5
2. 10
3. 15
4. 20
91. Для целей медицинской диагностики чаще всего используют амплификацию ДНК с помощью клонирования
1. в вирусе
2. в плазмиде
3. бесклеточного молекулярного
92. Промотор b-лактамазы
1. сильный регулируемый
2. слабый нерегулируемый
3. слабый регулируемый
4. сильный нерегулируемый
93. Промотор, полученный из бактериофага l
1. сильный регулируемый
2. слабый нерегулируемый
3. слабый регулируемый
4. сильный нерегулируемый
94. Промотор, полученный из бактериофага l регулируется
1. триптофановым голоданием
2. лактозой
3. температурой
95. Наличие интронов и экзонов не характерно для ДНК
1. дрожжей
2. растений
3. животных
4. бактерий
96. Только для эукариотической клетки характерно наличие
1. аттенуатора
2. последовательности Шайна-Дальнарно
3. модулятора
97. Только для эукариотической клетки характерно наличие
1. аттенуатора
2. промотора
3. усилителя
98. При трансфекции лигирование маркерного признака с вводимым геном
1. обязательно
2. необязательно
99. Эффективность вхождения ДНК в клетки
1. высока
2. невысока
100. Частота трансформации ДНК клетки при трансфекции
1. высока
2. невысока
101. Стабильную трансформацию претерпевает при трансфекции 1 из
1. 10 клеток
2. 100 клеток
3. 1000 клеток
102. Метод микроинъекций был разработан
1. Максамом и Гилбертом
2. Мезельсоном и Юанем
3. Андерсеном и Диакумакосом
103. Стабильная трансформация клеток выше при
1. трансфекции
2. микроинъекции
3. достаточно высока в обоих случаях
104. При микроинъекциях трансформируется клеток (%)
1. 1
2. 10
3. 30
4. 50
5. 100
105. Реплицирует рибосомные гены промотор
1. Pol I
2. Pol II
3. Pol III
106. Реплицирует структурные гены белков промотор
1. Pol I
2. Pol II
3. Pol III
107. Реплицирует гены, кодирующие небольшие РНК промотор
1. Pol I
2. Pol II
3. Pol III
108. Для экспрессии эукариотических генов в клетке прокариот необходимо ставить их под контроль регуляторных элементов
1. эукариот
2. прокариот
3. прокариот и эукариот
109. Аттенуаторы располагаются между
1. 1 и 2 структурным геном
2. в конце структурного гена
3. между промотором и 1-м структурным геном
4. между промотором и 2-м структурным геном
110. В качестве маркера для бактериальных клеток используют ген фермента
1. тимидинкиназы
2. лактозы
3. антибиотика
111. В качестве маркера для животной клетки используют ген
1. тимидинкиназы
2. лактозы
3. антибиотика
112. При коннектором методе с использование концевой трансферазы бессмысленные последовательности образовываться
1. могут
2. не могут
113. Метод, наиболее часто используемый при построении гибридных ДНК
1. рестриктазно-лигазный
2. коннекторный
3. с применение линкеров
114. При рестриктазно-лигазном методе бессмысленные последовательности образовываться
1. могут
2. не могут
115. Номенклатуру рестриктаз предложили
1. Смит и Натанс
2. Мезельсон и Юань
3. Смит и Вилькокс
116. Сайты узнавания рестриктазами относительно поворота на 180оС
1. симметричны
2. не симметричны
Закончить предложение:
117. На изменении проницаемости мембраны при пропускании высоковольных импульсов основан метод _____________.
118. Обрабатывая ультразвуком водные эмульсии фосфолипидов, получают _______.
119. На образовании пор в цитоплазматической мембране основан метод _________
120. Для защиты экзогенного генетического материала при введении его в клетку применяют __________
121. ДНК спермы лосося, добавленная к специфическому гену - _________
122. Введение ДНК с помощью преципитата кальция - ______________
123. Регуляторная последовательность, способная понизить уровень транскрипции даже при наличии сильного промотора ___________.
124. Двуцепочечный фрагмент ДНК, необходимый для начала работы полимеразы, называется ___________
125. Вектор, способный к репликации и в бактеральной, и животной клетке - _______
126. Последовательность из 6-8 нуклеотидов, отвечающая за связывание РНК с рибосомой - __________ _____________.
127. Регулируемый промотор называется ____________.
128. Последовательность ДНК, с которой начинается считывание информации - ________
129. Рестриктаза, выделенная из Streptomyces albus, называется _____
130. Рестриктаза, выделенная из Escherichia coli, называется _____
131. Рестриктаза, выделенная из Streptcoccus aureus, называется _____
132. Метилаза, выделенная из Streptomyces albus, называется _____
133. Метилаза, выделенная из Escherichia coli, называется _____
134. Метилаза, выделенная из Streptcoccus aureus, называется _____
135. Рестриктаза, выделенная из Haemophilus parahaemolyticus, называется _____
136. Ферментативный метод предполагает использование __________ ________
137. Фермент, отвечающий за миграцию определенных участков ДНК в пределах хромосомы - _______________.
138. В качестве вектора для введения генов в животную клетку используется ДНК-содержащий вирус ____________.
139. Генетические элементы клетки, способные к миграции в пределах хромосомы, называются _____________.
140. РНК-содержащие вирусы, способные менять геном клетки - __________.
141. Конструирование in vitro функциоонально активных генетических структур называется ________________ ____________.
142. Создание в пробирке рекомбинантных ДНК называется _______ ________.
143. Искусственные генетические структуры называются ______________.
144. Многократное удвоение плазмиды или фрагмента ДНК - ___________.
145. Удвоение гена в клетке или пробирке называется ____________.
146. Фермент, отвечающий за специфическое мечение ДНК в клетке - ________.
147. Фермент, отвечающий за восстановление фосфодиэфирной связи в молекуле ДНК - _____________.
148. Фермент, отвечающий за синтез комплементарной цепи ДНК - ____________.
149. Фермент, модифицирующий «тупые» концы ДНК - ______________.
150. Фермент, вносящий разрывы в двойную цепь ДНК - ____________.
151. За синтез ДНК на матрице РНК отвечает фермент __________ ____________.
152. Рестриктаза, выделенная из Bacillus subtilis, называется _____
153. Промотор, иниициирующий транскрипцию редко - ____________
154. Промотор, инициирующий транскрицию часто - _______________.
155. Небольшой олигонуклеотид, содержащий разноименные липкие концы называется ___________.
156. Белок, препятствующий связыванию полимеразы с ДНК - ____________
157. Этап полимеразной цепной реакции, когла образуются одноцепочечный фрагмент, связанный с праймером - _____________.
158. Введение ДНК в клетки с помощь. ДЭАЭ-декстрана - _______________.
159. Способ введения ДНК, основанныей на изменении проницаемости ЦПМ путем обработки электроимрульсами называется
п\п | Название учебников, учебных пособий и других источников | Авторы (под ред.) | Издательство | Год издания | ||
Основная: | ||||||
1. | Основы биотехнологии: учебное пособие | Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. А. Живухина | М.: Академия | |||
2. | Современная биотехнология | Елдышев Ю.Н. | М:Тайдекс Ко | |||
3. | Гидромикробиологический анализ сточных вод. Методические указания. | Макаревич Е.В. Литвинова М.Ю. | Мурманск МГТУ | |||
4. | Экология микроорганизмов | Нетрусов А.И. | М.: Академия | |||
Промышленная микробиология и биотехнология | Макаревич Е.В. | МГТУ | ||||
Основы промышленной биотехнологии: учеб. пособие для вузов | Бирюков, В. В. | М. : Колос | ||||
Молекулярная биотехнология: Принципы и применение / пер. с англ. Н. В. Баскаковой | Глик, Б. | М. : Мир | ||||
Теоретические основы биотехнологии и практические аспекты их использования при производстве ряда биологически активных веществ из сырья животного, водного и растительного происхождения в народном хозяйстве России и медицине. Ч.1,2 | Семенов, Б. Н. | КГТУ. - Калининград | ||||
Микроорганизмы заквасок кисломолочных продуктов. Методические указания. | Макаревич Е.В., Литвинова М.Ю. | Мурманск МГТУ | 2009. | |||
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Ведение в биотехнологию» | Литвинова М.Ю. | Мурманск МГТУ | ||||
Дополнительная: | ||||||
Введение в биотехнологию | Бекер М.Е. | М.: Пищевая пром | ||||
Определитель бактерий Берджи. В 2 т. | Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Смита и др. | М.: Мир | ||||
Промышленная микробиология. | Под ред. Егорова Н.С. | М.: Высшая школа | ||||
Техническая микробиология рыбных продуктов. | Дутова Е.Н. и др. . | М.: Пищевая пром | ||||
Микробиология пищевых производств. | Вербина Н.М., Каптерова Ю.В. | М.: Агропромиздат | ||||
Основные питательные среды для культивирования микроорганизмов. Приготовление питательных сред. Методические указания к выполнению лабораторной работы. | Богданова О.Ю., Макаревич Е.В. | Мурманск МГТУ | ||||
Микробиология продуктов животного происхождения | Мюнх Г.Д., Заупе Х., Шрайтер М.и др. | М.: Агропромиздат | ||||
Микробиология в пищевой промышленности. | Жвирблянская А.Ю., Бакушинская О.А. | М.: Пищевая пром-сть | ||||
ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ ЗАДАНИЙ
Предпос-ледняя цифра шифра | Последняя цифра шифра | |||||||||
1, 17, 29, 48, 134,80,127 | 2, 18, 31,49, 133,81,128 | 3, 19, 32,50, 132,82,129 | 4, 20, 33,51, 131,83,130 | 5, 21, 34,52, 130,84,131 | 6, 22, 35,53, 129,85,132 | 7, 23, 36,54, 128,86,133 | 8, 24, 37,55, 127,88,134 | 9, 25, 38,56, 126,89,135 | 10, 26, 30,57, 125,87,136 | |
11, 27, 40,52, 124,90 ,137 | 12, 28, 29,46, 123,91,138 | 13, 17, 31,45, 122,92,139 | 14, 18, 33,44, 121,93,140 | 15, 19, 40,43, 120,94,141 | 16, 20, 34,42, 119,95,142 | 1, 21, 39,41, 118,96,143 | 2, 22, 40,60, 117,97,144 | 3, 23, 30,59, 116,98,145 | 4, 24, 40,58, 115,99,146 | |
5, 25, 36,45, 114,70,147 | 6, 19, 26, 32, 113,71,148 | 7, 27, 29,51, 112,72,149 | 8, 28, 31,44, 111,73,150 | 9, 17, 37,58, 110,74,151 | 10, 18, 39,60, 109,75,152 | 11, 19, 34, 42, 108,76,153 | 12, 20, 30,50, 107,77,154 | 13, 21, 37,56, 106,78,155 | 14, 22, 38, 47, 105,79,156 | |
15, 23, 32,59, 135,43,157 | 16, 24, 38,49, 103,85,158 | 1, 25, 38,51, 102,72,159 | 2, 26, 58, 39, 101, 126,85 | 3, 27, 31,52, 100,94,127 | 4, 28, 37,44, 99,112,128 | 5, 17, 30, 56, 98,130,129 | 6, 18, 34, 55, 97,69,130 | 7, 19, 39,60, 96,123,131 | 8, 20, 33, 44, 95,110,132 | |
9, 21, 39,47, 94,127,133 | 10, 22, 40,51, 93,128,134 | 11, 23, 39, 47, 92,129,135 | 12, 25, 33, 44, 91,130,136 | 13, 26, 31,59, 90,131,137 | 14, 28, 30,58, 89,132,138 | 15, 27, 31,42, 88,133,139 | 16, 28, 36,45, 87,134,140 | 1, 17, 34, 56, 86,102,141 | 2, 18, 39,57, 85,103,142 | |
3, 19, 38,51, 84,104,143 | 4, 21, 38,53, 83,105,144 | 5, 20, 33,50, 82,106,145 | 6, 23, 29,57, 81,107,146 | 7, 22, 30,59, 80,108,147 | 8, 25, 29,60, 79,109,148 | 9, 24, 38,49, 78,110,149 | 10, 27, 31,54, 77,111,150 | 11, 25, 39,42, 76,112,151 | 12, 24, 34,52, 75,113,152 | |
13, 17, 32,41, 74,114,153 | 14, 18, 33,42, 73,115,154 | 15, 19, 40,59, 72,116,155 | 16, 20, 30,43, 71,117,156 | 1, 21, 30,44, 70,118,157 | 2, 22, 31,45, 69,119,158 | 3, 23, 29,46, 68,120,159 | 4, 24, 39,47, 67,121,127 | 5, 26, 31,60, 113,95,128 | 6, 27, 40,55, 66,122,129 | |
7, 28, 33,48, 65,123,130 | 8, 28, 32,49, 64,124,131 | 9, 17, 30,50, 73,125,132 | 10, 18, 38,51, 100,78,133 | 11, 19, 39,52, 101,77,134 | 12, 20, 32,52, 102,83,135 | 13, 21, 34,53, 103,84,136 | 14, 22, 29,54, 104,85,137 | 15, 28, 33,52, 105, 86,138 | 16, 23, 31,45, 106,87,139 | |
1, 27, 34, 55, 107,72,140 | 2, 26, 30,56, 108,74,141 | 3, 22, 40,57, 109,75,142 | 4, 25, 39,58, 110,76,143 | 5, 26, 40,59, 111,77,144 | 6, 17, 33,60, 112, 78,145 | 7, 18, 38,45, 113,79,146 | 8, 19, 35, 41, 114,90,147 | 9, 20,29,53, 115,134, | 10,21,38,56,116, 133,149 | |
11,22,30,42,150 117,132 | 12, 23, 37,43, 153 118,131 | 13, 24, 32,44,154 119,57 | 14, 27, 40,68,155 120,93 | 15, 23, 38,66,156 121,84 | 16, 23, 30,51,157 122, 74 | 1, 22, 40,78,158 123, 59 | 2, 17, 39,99,159 124,55 | 3, 18, 33,41,160 125,96 | 4, 19, 29,45,143 126,87 |
Похожая информация.
Схема последовательно реализуемых стадий превращения исходного сырья в лекарственное средство. Оптимизация биообъекта, процессов и аппаратов как единого целого в биотехнологическом производстве.
Подготовительные операции при использовании в производстве биообъектов микроуровня. Многоэтапность подготовки посевного материала. Инокуляторы. Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах. Связь скорости изменения количества микроорганизмов в экспоненциальной фазе роста с концентрацией клеток в системе.
Комплексные и синтетические питательные среды. Их компоненты. Концентрация отдельно расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта в техногенной нише. Уравнение Моно.
Методы стерилизации питательных сред. Критерий Дейндорфера - Хэмфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерилизации.
Стерилизация ферментационного оборудования. «Слабые точки» внутри стерилизуемых емкостей. Проблемы герметизации оборудования и коммуникаций.
Очистка и стерилизация технологического воздуха. Схема подготовки потока воздуха, подаваемого в ферментатор. Предварительная очистка. Стерилизующая фильтрация. Предел размера пропускаемых частиц. Эффективность работы фильтров. Коэффициент проскока.
Критерии подбора ферментаторов при реализации конкретных целей. Классификация биосинтеза по технологическим параметрам. Принципы организации материальных потоков: периодический, полупериодический, отъемно-доливной, непрерывный. Глубинная ферментация. Массообмен. Поверхностная ферментация.
Требования к ферментационному процессу в зависимости от физиологического значения целевых продуктов для продуцента, т. е. первичные метаболиты, вторичные метаболиты, высокомолекулярные вещества. Биомасса как целевой продукт. Требования к ферментационному процессу при использовании рекомбинантных штаммов, образующих чужеродные для биообъекта целевые продукты.
Выделение, концентрирование и очистка биотехнологических продуктов. Специфические особенности первых стадий. Седиментация биомассы. Уравнение скорости осаждения. Коагулянты. Флокулянты. Центрифугирование. Выделение из культуральной жидкости клеток высших растений, микроорганизмов. Отделение целевых продуктов, превращенных в твердую фазу. Сепарирование эмульсий. Фильтрование. Предварительная обработка культуральной жидкости для более полного разделения фаз. Кислотная коагуляция. Тепловая коагуляция. Внесение электролитов.
Методы извлечения внутриклеточных продуктов. Разрушение клеточной стенки биообъектов и экстрагирование целевых продуктов.
Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хроматография применительно к выделению ферментов. Мембранная технология. Классификация методов мембранного разделения. Общность методов очистки продуктов биосинтеза и оргсинтеза на конечных стадиях их получения (из концентратов). Сушка.
Стандартизация лекарственных средств, получаемых методами биотехнологии. Фасовка.
2.2. КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Основные параметры контроля и управления биотехнологическими процессами. Общие требования к методам и средствам контроля. Современное состояние методов и средств автоматического контроля в биотехнологии. Контроль состава технологических растворов и газов. Потенциометрические методы контроля рН и ионного состава. Датчики рН и ионоселективные электроды. Газочувствительные электроды. Стерилизация датчиков растворенных газов.
Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титриметрические методы. Оптические методы. Биохимические (ферментативные) методы контроля. Электроды и биосенсоры на основе иммобилизованных клеток. Высокоэффективная жидкостная хроматография при решении задач биотехнологического производства.
Основные теории автоматического регулирования. Статические и динамические харак-
теристики биотехнологических объектов. Классификация объектов управления в зависимости от динамических характеристик.
Применение ЭВМ при биотехнологическом производстве лекарственных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ. Структура исследований в области биотехнологии микробного синтеза. Применение ЭВМ на различных этапах производства и получения биотехнологических продуктов. Принципы и этапы анализа данных и математического моделирования биотехнологических систем. Планирование и оптимизация многофакторных экспериментов. Кинетические модели биосинтеза и биокатализа. Организация автоматизированных банков данных по биотехнологическим процессам и продуктам.
2.3. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Биотехнология как наукоемкая («высокая») технология и ее преимущества в экологическом аспекте перед традиционными технологиями. Направления дальнейшего совершенствования биотехнологических процессов применительно к проблемам охраны окружающей среды. Малоотходные технологии. Итоги и перспективы их внедрения на биотехнологических производствах. Особенности биотехнологических производств применительно к их отходам.
Рекомбинантные продуценты биологически активных веществ и проблемы объективной информации населения. Организация контроля за охраной окружающей среды в условиях биотехнологического производства.
Классификация отходов . Соотношение различных видов отходов. Очистка жидких отходов. Схемы очистки. Аэротенки. Активный ил и входящие в него микроорганизмы.
Создание методами генетической инженерии штаммов микроорганизмов-деструкторов со способностью к деструкции веществ, содержащихся в жидких отходах. Основные характеристики штаммов деструкторов. Их неустойчивость в природных условиях. Сохранение штаммов на предприятиях. Нормы внесения биомассы штаммов при пиковых нагрузках на очистные сооружения.
Уничтожение или утилизация твердых (мицелиальных) отходов. Биологические, физикохимические, термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Утилизация мицелиальных отходов в строительной промышленности. Использование отдельных фракций мицелиальных отходов в качестве пеногасителей и др.
Очистка выбросов в атмосферу. Биологические, термические, физико-химические и другие методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.
Единая система GLP, GCP и GMP при предклиническом, клиническом испытании лекарств и их производстве. Особенности требований GMP к биотехнологическому производству. Требования к условиям хранения сырья для комплексных питательных сред. Карантин. Правила GMP применительно к производству бета-лактамных антибиотиков.
Причины проведения валидации при замене штаммов-продуцентов и изменении составов ферментационных сред.
Вклад биотехнологии в решение общих экологических проблем. Замена традицион-
ных производств. Сохранение природных ресурсов источников биологического сырья. Разработка новых высокоспецифичных методов анализа. Биосенсоры.
Перспективы получения, модификации и использования в защите окружающей среды феромонов, кайромонов, алломонов как природных сигнальных и коммуникативных молекул в надорганизменных системах.
2.4. БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Определение понятия «биомедицинские технологии». Решение кардинальных проблем медицины на основе достижений биотехнологии. Международный проект «Геном человека» и его цели. Этические проблемы. Антисмысловые нуклеиновые кислоты, пептидные факторы роста тканей и другие биологические продукты новых поколений: молекулярные механизмы
их биологической активности и перспективы практического применения. Коррекция наследственных болезней на уровне генотипа (генотерапия) и фенотипа. Биопротезирование. Репродукция тканей. Трансплантация тканей и органов. Поддержание гомеостаза. Гемосорбция. Диализ. Оксигенация. Перспективы использования гормонов, продуцируемых вне эндокринной системы.
Состояние и направления развития биотехнологии лекарственных форм: традиционных и инновационных.
3. Частная биотехнология
Биотехнология белковых лекарственных веществ. Рекомбинантные белки, принадле-
жащие к различным группам физиологически активных веществ.
Инсулин. Источники получения. Видовая специфичность. Иммуногенные примеси. Перспективы имплантации клеток, продуцирующих инсулин.
Рекомбинантный инсулин человека . Конструирование плазмид. Выбор штамма микроорганизма. Выбор лидерной последовательности аминокислот. Отщепление лидерных последовательностей. Методы выделения и очистки полупродуктов. Сборка цепей. Контроль за правильным образованием дисульфидных связей. Ферментативный пиролиз проинсулина. Альтернативный путь получения рекомбинантного инсулина; синтез А- и В-цепей в разных культурах микробных клеток. Проблема освобождения рекомбинантного инсулина от эндотоксинов микроорганизмов-продуцентов. Биотехнологическое производство рекомбинантного инсулина. Экономические аспекты. Создание рекомбинантных белков «второго поколения» на примере инсулина.
Интерферон (интерфероны). Классификация, α-, β- и γ-интерфероны. Интерфероны при вирусных и онкологических заболеваниях. Видоспецифичность интерферонов. Ограниченные возможности получения α- и β-интерферонов из лейкоцитов и Т-лимфоцитов. Лимфобластоидный интерферон. Методы получения β-интерферона при культивировании фибробластов.
Индукторы интерферонов. Их природа. Механизм индукции. Промышленное производство интерферонов на основе природных источников.
Синтез различных классов интерферона человека в генетически сконструированных клетках микроорганизмов. Экспрессия генов, встроенных в плазмиду. Вариации в конформации синтезируемых в клетках микроорганизмов молекул интерферонов за счет неупорядоченного замыкания дисульфидных связей. Проблемы стандартизации. Производство рекомбинантных образцов интерферона и политика различных фирм на международном рынке.
Интерлейкины. Механизм биологической активности. Перспективы практического применения. Микробиологический синтез интерлейкинов. Получение продуцентов методами генетической инженерии. Перспективы биотехнологического производства.
Гормон роста человека . Механизм биологической активности и перспективы применения в медицинской практике. Микробиологический синтез. Конструирование продуцентов.
Производство ферментных препаратов . Ферменты, используемые как лекарственные средства. Протеолитические ферменты. Амилолитические, липолитические ферменты, L- аспарагиназа. Проблемы стандартизации целевых продуктов.
Ферментные препараты как блокатализаторы в фармацевтической промышленности. Ферменты трансформации β-лактамных антибиотиков. Ферментные препараты, используемые в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы п т. д.).
Биотехнология аминокислот . Микробиологический синтез. Продуценты. Преимущества микробиологического синтеза перед другими способами получения. Общие принципы конструирования штаммов микроорганизмов-продуцентов аминокислот как первичных метаболитов. Основные пути регуляции биосинтеза и его интенсификации. Механизмы биосинтеза глутаминовой кислоты, лизина, треонина. Конкретные подходы к регуляции каждого процесса.
Получение аминокислот с помощью иммобилизованных клеток и ферментов. Химикоэнзиматический синтез аминокислот. Получение оптических изомеров аминокислот путем использования амилаз микроорганизмов.
Биотехнология витаминов и коферментов . Биологическая роль витаминов. Традиционные методы получения (выделение из природных источников и химический синтез). Микробиологический синтез витаминов и конструирование штаммов-продуцентов методами генетической инженерии. Витамин В2 (рибофлавин). Основные продуценты. Схема биосинтеза и пути интенсификации процесса.
Микроорганизмы-прокариоты, т. е. продуценты витамина В12 (пропионовокислые бактерии и др.). Схема биосинтеза. Регуляция биосинтеза.
Микробиологический синтез пантотеновой кислоты, витамина РР.
Биотехнологическое производство аскорбиновой кислоты (витамина С). Микроорганиз- мы-продуценты. Различные схемы биосинтеза в промышленных условиях. Химический синтез аскорбиновой кислоты и стадия биоконверсии в производстве витамина С.
Эргостерин и витамины группы D. Продуценты и схема биосинтеза эргостерина. Среды и пути интенсификации биосинтеза. Получение витамина D из эргостерина.
Каротиноиды и их классификация. Схема биосинтеза. Среды для микроорганизмовпродуцентов и регуляция биосинтеза. Стимуляторы каротинообразования, β-каротин. Образование из β-каротина витамина А. Убихиноны (коферменты Q). Источник получения: дрожжи и др. Интенсификация биосинтеза.
Биотехнология стероидных гормонов. Традиционные источники получения стероидных гормонов. Проблемы трансформации стероидных структур. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Штаммы микроорганизмов, обладающие способностью к трансформации (биоконверсии) стероидов. Конкретные реакции биоконверсии стероидов, Подходы к решению селективности процессов биоконверсии. Микробиологический синтез гидрокортизона, получение из него путем биоконверсии преднизолона.
Культуры растительных клеток и получение лекарственных веществ. Разработка ме-
тодов культивирования растительных тканей и изолированных клеток как достижение биотехнологической науки. Биотехнологическое производство и ограниченность или малая доступность ряда видов растительного сырья как источника лекарственных веществ. Понятие тотипотентности растительных клеток. Каллусные и суспензионные культуры. Особенности роста растительных клеток в культурах. Среды. Фитогормоны. Проблемы стерильности. Особенности метаболизма растительных клеток in vitro. Биореакторы. Применение растительных клеток для трансформации лекарственных веществ. Получение дигоксина. Иммобилизация растительных клеток. Методы иммобилизации. Проблемы экскреции целевого продукта из иммобилизованных клеток.
Методы контроля и идентификации (цитофизиологические, химические, биохимические, биологические) биомассы и препаратов, полученных методом клеточной биотехнологии.
Лекарственные препараты, получаемые из культур клеток женьшеня, радиолы розовой, воробейника, стевии, наперстянки, табака и др.
Антибиотики как биотехнологические продукты. Методы скрининга продуцентов.
Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Происхождение антибиотиков и эволюция их функций. Возможность скрининга низкомолекулярных биорегуляторов при отборе по антибиотической функции (иммунодепрессантов, ингибиторов ферментов животного происхождения и др.).
Причины позднего накопления антибиотиков в ферментационной среде по сравнению с накоплением биомассы. Биосинтез антибиотиков. Мультиферментные комплексы. Сборка углеродного скелета молекул антибиотиков, принадлежащих к β-лактамам, аминогликозидам, тетрациклинам, макролидам. Роль фенилуксусной кислоты при биосинтезе пенициллина. Фактор А и биосинтез стрептомицина.
Пути создания высокоактивных продуцентов антибиотиков. Механизмы зашиты от собственных антибиотиков у их «суперпродуцентов». Плесневые грибы - продуценты антибиотиков. Особенности строения клетки и цикла развития при ферментации.
Актиномицеты - продуценты антибиотиков. Строение клетки. Антибиотики, образуемые актиномицетами.
Бактерии (эубактерии) - продуценты антибиотиков. Строение клетки. Антибиотики, образуемые бактериями.
Полусинтетические антибиотики . Биосинтез и оргсинтез в создании новых антибиотиков.
Механизмы резистентности бактерий к антибиотикам. Хромосомная и плазмидная резистентность. Транспозоны. Целенаправленная биотрансформация и химическая трансформация β-лактамных структур. Новые поколения цефалоспоринов и пенициллинов, эффективные в отношении резистентных микроорганизмов. Карбапенемы. Монобактамы. Комбинированные препараты: амоксиклав, уназин.
Иммунобиотехнология как один из разделов биотехнологии. Основные составляющие
и пути функционирования иммунной системы. Иммуномодулирующие агенты: иммуностимуляторы и иммуносупрессоры (иммунодепрессанты).
Усиление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Вакцины на основе рекомбинантных протективных антигенов или живых гибридных носителей. Антисыворотки к инфекционным агентам, к микробным токсинам. Технологическая схема производства вакцин
и сывороток.
Неспецифическое усиление иммунного ответа. Рекомбинантные интерлейкины, интерфероны и др. Механизмы биологической активности. Тимические факторы. Трансплантация костного мозга.
Подавление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Рекомбинантные антигены. IgЕ - связующие молекулы и созданные на их основе толерогены. Технология рекомбинантной ДНК и получение медиаторов иммунологических процессов.
Производство моноклональных антител и использование соматических гибридов животных клеток. Механизмы иммунного ответа на конкретный антиген. Разнообразие антигенных детерминантов. Гетерогенность (поликлональность) сыворотки. Преимущества при использовании моноклональных антител. Клоны клеток злокачественных новообразований. Слияние с клетками, образующими антитела. Гибридомы. Криоконсервирование. Банки гибридом. Технология производства моноклональных антител.
Области применения моноклональных антител. Методы анализа, основанные на использовании моноклональных (в отдельных случаях поликлональных) антител. Иммуноферментный анализ (ИФА). Метод твердофазного иммуноанализа (ELISA - enzyme linked immunosorbentassay). Радиоиммунный анализ (РИА). Преимущества перед традиционными методами при определении малых концентраций тестируемых веществ и наличии в пробах примесей с близкой структурой и сходной биологической активностью. ДНК- и РНК-зонды как альтернатива ИФА и РИА при скрининге продуцентов биологически активных веществ (обнаружение генов вместо продуктов экспрессии генов).
Моноклональные антитела в медицинской диагностике. Тестирование гормонов, антибиотиков, аллергенов и т. д. Лекарственный мониторинг. Ранняя диагностика онкологических заболеваний. Коммерческие диагностические наборы на международном рынке.
Моноклональные антитела в терапии и профилактике. Перспективы высокоспецифичных вакцин, иммунотоксинов. Включение моноклональных антител в оболочку липосом и повышение направленности транспорта лекарств. Типирование подлежащих пересадке тканей.
Обязательное тестирование препаратов моноклональных антител на отсутствие онкогенов. Моноклональные антитела как специфические сорбенты при выделении и очистке биотехнологических продуктов.
Нормофлоры (пробиотики, микробиотики, эубиотики) - это препараты на основе жи-
вых культур микроорганизмов, т. е. симбионтов. Общие проблемы микроэкологии человека. Понятие симбиоза. Различные виды симбиоза. Резидентная микрофлора желудочно-кишечного тракта. Причины дисбактериоза. Нормофлоры в борьбе с дисбактериозом. Бифидобактерии, молочно-кислые бактерии: непатогенные штаммы кишечной палочки, образующей бактериоцины как основа нормофлоров. Механизм антагонистического воздействия на гнилостные бактерии. Получение готовых форм нормофлоров. Монопрепараты и препараты на основе смешанных культур. Лекарственные фирмы бифидумбактерина, колибактерина, лактобактерина.
II. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Биотехнология. История развития. Биотехнология лекарственных средств
дать представление о биотехнологии как специфической области научной и практической деятельности человека, в основе которой лежит использование биообъектов. Познакомить с историей и основными путями развития биотехнологии.
Рассматриваемые вопросы:
Что такое биотехнология? История развития биотехнологии.
Основные достижения и перспективы развития биотехнологии в различных отраслях деятельности.
Главные проблемы биотехнологии и пути их решения на современном этапе развития науки.
Биологическая технология
Биотехнология как наука - это наука о методах и технологиях создания и использования природных и генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения, в том числе и лекарственных средств.
Биотехнология как сфера производства - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и объекты для целенаправленного воздействия на человека и окружающую среду, а также в интересах получения полезных человеку продуктов.
«Биотехнология - наука, изучающая методы получения полезных для жизни и благосостояния людей веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клетки биологические структуры».
Беккер , 1990 г.
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
Связь биотехнологии с другими науками:
История развития биотехнологии
Третий съезд Европейской ассоциации биотехнологов в Мюнхене (1984 г.) по предложению голландского ученого Хаувинка выделил 5 периодов развития биотехнологии.
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
Периоды развития биотехнологии
Название |
Наиболее существенные |
||||||||
достижения |
|||||||||
Допастеров- |
Использование спиртового броже- |
||||||||
ния в производстве пива и вина. |
|||||||||
Использование |
молочнокислого |
||||||||
брожения при переработке молока. |
|||||||||
Получение хлебопекарных и пив- |
|||||||||
ных дрожжей. |
|||||||||
Использование |
уксуснокислого |
||||||||
брожения в производстве уксусной |
|||||||||
Производство этанола. |
|||||||||
пастеровский |
Производство бутанола и ацетона. |
||||||||
Внедрение в практику вакцин, сы- |
|||||||||
Аэробная |
канализацион- |
||||||||
Производство |
кормовых дрожжей |
||||||||
на основе углеводов. |
|||||||||
Антибиотиков |
Производство |
пенициллина |
|||||||
антибиотиков. |
|||||||||
Культивирование |
растительных |
||||||||
Получение вирусных вакцин. |
|||||||||
Микробиологическая трансформа- |
|||||||||
ция стероидов. |
|||||||||
Управляемо- |
Производство аминокислот с по- |
||||||||
го биосинте- |
|||||||||
мощью микробных мутантов. |
|||||||||
Производство витаминов. |
|||||||||
Получение чистых ферментов. |
|||||||||
Промышленное |
использование |
||||||||
иммобилизованных |
ферментов |
||||||||
Анаэробная очистка сточных вод. |
|||||||||
Получение биогаза. |
|||||||||
Производство |
бактериальных |
||||||||
лисахаридов. |
|||||||||
Новой и но- |
Внедрение |
клеточной |
инженерии |
||||||
вейшей био- |
|||||||||
для получения целевых продуктов. |
|||||||||
технологии |
|||||||||
Получение гибридом и монокло- |
|||||||||
нальных антител. |
|||||||||
Использование |
инженерии |
||||||||
для производства белков. |
|||||||||
Трансплантация эмбрионов. |
|||||||||
________________________________ |
Биообъект -это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.
Требования, предъявляемые к биологическим объектам
Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.
Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов - контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.
Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов - одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.
Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.
Классификация биообъектов
1) Макромолекулы
Ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); в т.ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов;
ДНК и РНК - в изолированном виде, в составе чужеродных клеток.
2) Микроорганизмы
Вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин);
Клетки прокариоты и эукариоты - продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т.д.); -продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др.;
Нормофлоры - биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов;
Возбудители инфекционных заболеваний - источники антигенов для производства вакцин;
Трансгенные м/о или клетки - продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т.д.
3) Макроорганизмы
Высшие растения - сырье для получения БАВ;
Животные - млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек;
Трансгенные организмы.
В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего, необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетка. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:
1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимы в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехническими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов.
2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 минут, дрожжевая - через каждые 1,5-2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе емкостью 100 м 3 за 2-3-сут. можно вырастить 10 16 -10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов.
3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной, пищевой промышленности, растительное сырье, дрожжи, древесина, меласса и др.).
4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т.д.