Создание новых биообъектов методами генетической инженерии. Экологические аспекты биотехнологического производства. Вопросы для самопроверки
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.
Суперпродуцент – это объект промышленного использования. Как можно получить его и какими свойствами должен он обладать в отличие от природного штамма?
Совершенствование биообъектов как источников ЛС включает несколько направлений. Определите эти направления в соответствии с целевыми задачами.
Современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, - это биологический организм-суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма по нескольким показателям.
1) безвредность для потребителя и обслуживающего персонала.
2) генетическая однородность и стабильность в отношении к субстратам и условиям культивирования.
3) высокий выход целевого продукта
4) способность расти на относительно дешевых питательных средах
5) благоприятные реологические свойства биомассы, обеспечивающие относительно несложное выделение продукта
6) устойчивость к фагам
7) благоприятные экологические показатели процесса (низкое спорообразование, запах и т.д.)
8) Отсутствие токсических веществ в целевом продукте и промышленных стоках.
Совершенствование биообъектов методами мутации и селекции
На биохимическом уровне мутация - изменение первичной структуры ДНК организма и, как следствие, изменение фенотипа биообъекта. Изменение биообъекта, благоприятное для его использования в производстве (мутация), должно передаваться по наследству.
Долгое время понятие мутации относили только к хромосомам у прокариот и хромосомам (ядру) у эукариот. В настоящее время кроме хромосомных мутаций появилось также понятие мутаций цитоплазматических (плазмидных - у прокариот, митохондриальных и плазмидных - у эукариот).
Спонтанные мутации встречаются, как правило, довольно редко. Совершенствование биообъектов путем мутаций и последующей селекции оказалось гораздо более действенным.
Мутагенез осуществляется при обработке биообъекта физическими или химическими мутагенами. В первом случае это ультрафиолетовые, гамма-, рентгеновские лучи; во втором - нитрозометилмочевина, нитрозогуанидин, акридиновые красители, антибиотики, специфично взаимодействующие с ДНК (их обычно не используют в терапии).
Механизм действия как физических, так и химических мутагенов связан с их непосредственным влиянием на ДНК (прежде всего на азотистые основания ДНК, что выражается в сшивках, димеризации, алкилировании последних, интеркаляции между ними). Повреждения не должны приводить к летальному исходу. Последующей задачей является отбор (селекция) нужных биотехнологу мутаций. Эта часть работы в целом весьма трудоемка.
В первую очередь биотехнолога интересуют мутантные культуры, обладающие повышенной способностью к образованию целевого продукта. Продуцент целевого вещества, наиболее перспективный в практическом отношении, может многократно обрабатываться разными мутагенами. Новые мутантные штаммы, получаемые в научных лабораториях разных стран мира, служат предметом обмена при творческом сотрудничестве, лицензионной продажи и т.п.
Одним из примеров эффективности мутагенеза с последующей селекцией по признаку увеличения образования целевого продукта является история создания современных суперпродуцентов пенициллина. Работа с исходными биообъектами - штаммами гриба Penicillium chrysogenum, выделенными из природных источников, велась с 1940-х гг. в течение нескольких десятилетий во многих лабораториях. Вначале проводили отбор в результате спонтанных мутаций. Затем перешли к индуцированию мутаций физическими и химическими мутагенами. В настоящее время активность штаммов сейчас в 100 тыс. раз выше, чем у обнаруженного А. Флемингом исходного штамма, с которого и началась история открытия пенициллина.
Производственные штаммы крайне нестабильны вследствие того, что многочисленные искусственные изменения в геноме клеток штамма сами по себе для жизнеспособности этих клеток положительного значения не имеют. Поэтому мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении.
Совершенствование биообъектов не исчерпывается только повышением их продуктивности. С экономической точки зрения весьма важно получение мутантов, способных использовать более дешевые и менее дефицитные питательные среды. Большое значение в отношении гарантии надежности производства приобретает получение фагоустойчивых биообъектов.
Таким образом, современный биообъект, используемый в биотехнологическом производстве, - это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма не по одному, а, как правило, по нескольким показателям.
В случае применения высших растений и животных в качестве биообъектов для получения лекарственных средств возможности использования мутагенеза и селекции для их совершенствования ограничены.
Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии
Клеточная инженерия - «насильственный» обмен участками хромосом у прокариот или участками и даже целыми хромосомами у эукариот. В результате создаются неприродные биообъекты, среди которых могут быть отобраны продуценты новых веществ или организмы с ценными в практическом отношении свойствами.
С помощью клеточной инженерии возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами. Культуры таких клеток обладают новыми свойствами. В качестве примера можно привести получение «гибридных» антибиотиков.
Известно, что среди актиномицетов есть принадлежащие к разным видам продуценты антибиотиков гликозидной структуры с варьирующими агликонами и сахарами. Так, антибиотик эритромицин имеет 14-членный макроциклический агликон и два сахара (дезозамин и кладинозу), присоединенных к нему гликозидной связью, а у антибиотиков - антрациклинов агликон состоит из четырех сконденсированных углеродных шестичленных колец, соединенных с аминосахаром.
С помощью клеточной инженерии были получены продуценты таких антибиотиков, у которых макролидный агликон эритромицина был связан с углеводной частью, соответствующей антрациклинам, и наоборот, антрациклиновый агликон с сахарами, свойственными эритромицину.
Создание биообъектов методами генетической инженерии
Генетическая инженерия – это методы получения рекомбинантных ДНК, объединяющих последовательности различного происхождения.
Гены, кодирующие белки человека, вводятся в геном одноклеточных (E. coli, Corynebacterium, Saccharomyces cerevisiae и др.). В результате микробные клетки синтезируют соединения, специфичные для человека - белковые гормоны, белковые факторы неспецифического иммунитета (инсулин, соматотропин, интерфероны, факторы свертывания крови, лактоферрин и т.д.)
Основные этапы генетической инженерии
1) Получение ДНК (химический синтез, из мРНК, обработка ДНК рестриктазой)
2) Линеаризация вектора для клонирования той же рестриктазой
3) Смешивание ДНК и разрезанного вектора
4) Трансформация сшитыми молекулами вектора клеток-хозяев
5) Размножение клеток-хозяев, амплификация рекомбинантной ДНК в трансформированных клетках
6) Получение белкового продукта
Таким образом, генетическая инженерия позволяет создавать биологически активные вещества человека вне его организма.
Микроорганизмы как объекты биотехнологии. Классификация. Характеристика.
Бактерии чрезвычайно разнообразны по условиям обитания, приспособляемости, типам питания и биоэнергообразования, по отношению к макроорганизмам - животным и растениям. Наиболее древние формы бактерий - архебактерии способны жить в экстремальных условиях (высокие температуры и давления, концентрированные растворы солей, кислые растворы). Эубактерии (типичные прокариоты, или бактерии) более чувствительны к условиям окружающей среды.
По типу питания бактерии делятся по источнику энергии:
· фототрофы, использующие энергию солнечного света;
· хемоавтотрофы, использующие энергию окисления неорганических веществ (соединений серы, метана, аммиака, нитритов, соединений двухвалентного железа и др.);
По типу окисления вещества:
· органотрофы, получающие энергию при разложении органических веществ до минеральных веществ; эти бактерии - основные участники круговорота углерода, к этой же группе относятся бактерии, использующие энергию брожения;
· литотрофы (неорганические вещества);
По типу источников углерода:
· гетеротрофные – используют органические вещества;
· афтотрофные – используют газ;
Для обозначения типа питания используется:
1. природа источника энергии фото- или хемо-;
2. Доноры электронов лито- или органо-;
3. Источники углерода афто- и гетеро-;
И заканчивается термин словами трофия. 8 различных типов питания.
Высшие животные и растение склоны к 2 типам питания:
1) Хемоорганогетеротрофия (животные)
2) Фотолитоафтотрофия (растения)
У микроорганизму представлены все типы питания при чем они могут переходить с одного на другой в зависимости от существования
Существует отдельный вид питания:
Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований. Наиболее изученной и широко применяемой в генно-инженерных исследованиях является кишечная палочка Escherichia coli (Е. coli), обитающая в кишечнике человека.
Организация и структура биотехнологических производств. Отличительные особенности биотехнологического производства от традиционных видов технологий. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с традиционными технологиями.
Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса.
Существует 5 стадий биотехнологического производства.
Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.
Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.
На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.
Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными.
Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.
Биотехнологический процесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.
Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.
Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.
1). Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.
2). Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.
3). Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.
4). Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми
5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.
К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся -создание и широкое освоение:
1)новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);
2)микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите
лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;
3)ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;
4)новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;
5)технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.
Традиционная (обычная) технология представляет собой разработки, отражающие средний уровень производства, достигнутый большинством производителей продукции в данной отрасли. Такая технология не обеспечивает ее покупателю значительных технико-экономических преимуществ и качество продукции по сравнению с аналогичной продукцией ведущих производителей, и рассчитывать на дополнительную (сверх средней) прибыль в данном случае не приходится. Ее преимуществами для покупателя являются сравнительно невысокая стоимость и возможность приобретения проверенной в производственных условиях технологии. Традиционная технология создается, как правило, в результате устаревания и широкомасштабного распространения прогрессивной технологии. Продажа такой технологии обычно осуществляется по ценам, компенсирующим продавцу издержки на ее подготовку и получение средней прибыли.
Преимущества биотехнологических процессов по сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие основные преимущества:
·возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;
·проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях;
·микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы
·в качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;
·биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;
·как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.
Биотехнологическая стадия
Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.
Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества.
Биотехнологическая стадия включает в себя:
Ферментация - процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.
Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов.
Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов.
Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.
Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.
Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.
Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.
Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов.
Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.
Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один - жидкостной. В случае, если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отходов), выходом является поток переработанного твердого продукта.
Подготовительные стадии
Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.
На стадии подготовки могут быть использованы следующие процессы.
Стерилизация среды - для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры.
Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходимых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечении требуемой температуры и очистке от присутствующих в воздухе микроорганизмов, включая споры.
Подготовка посевного материала. Очевидно, что для проведения микробиологического процесса или процесса культивирования изолированных клеток растений или животных необходимо подготовить и посевной материал - предварительно выращенное малое по сравнению с основной стадией количество биологического агента.
Подготовка биокатализатора. Для процессов биотрансформации или биокатализа необходимо предварительно подготовить биокатализатор - либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу микроорганизмов, выращенную предварительно до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность
Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает в производство в виде, непригодном для непосредственного использования в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают ферментативному процессу "осахаривания", после чего осахаренное сусло на биотехнологической стадии путем ферментации превращается в спирт.
Очистка продукта
Задача этой стадии - убрать примеси, сделать продукт максимально чистым.
Хроматография - процесс, напоминающий адсорбцию.
Диализ - процесс, в котором через полупроницаемую перегородку могут проходить низкомолекулярные вещества, а высокомолекулярные остаются.
Кристаллизация. Этот процесс базируется на различной растворимости веществ при разных температурах.
Концентрирование продукта
Дальнейшая задача - обеспечить его концентрирование.
На стадии концентрирования применяют такие процессы, как выпаривание, сушка, осаждение, кристаллизация с фильтрацией получившихся кристаллов, ультрафильтрация и гиперфильтрация или нанофильтрация, обеспечивающие как бы "отжим" растворителя из раствора.
Очистка стоков и выбросов
Очистка этих стоков и выбросов - специальная задача, которая обязательно должна решаться в наше экологически неблагополучное время. По существу очистка стоков - это отдельное биотехнологическое производство, имеющее свои подготовительные стадии, биотехнологическую стадию, стадию отстаивания биомассы активного ила и стадию дополнительной очистки стоков и переработки осадка.
Виды биологических объектов применяемых в биотехнологии, их классификация и характеристика. Биологические объекты животного происхождения. Биологические объекты растительного происхождения.
К объектам биотехнологии относятся: организованные внеклеточные частицы (вирусы), клетки бактерий, грибов, простейшие организмы, ткани грибов, растений, животных и человека, ферменты и ферментные компоненты, биогенные молекулы нуклеиновой кислоты, лектины, цитокинины, первичные и вторичные метаболиты.
В настоящее время большинство биообъектов биотехнологии представляется представителями 3-х надцарств:
1) Acoryotac – акориоты или безъядерные;
2) Procaryotac – прокариоты или предъядерные;
3) Eucaryotac – эукариоты или ядерные.
Представляются 5-ю царствами: к акариотам относят вирусы (неклеточная организованная частица); к прокариотам относят бактерии (морфологическая элементарная единица); к эукариотам относят грибы, растения и животные. Тип кодирование генетической информации ДНК (для вирусов ДНК или РНК).
Бактрии имеют клеточную организацию, но при этом материал ядра не отделен от цитоплазмы ни какими мембранами и не связан ни с какими белками. В основном бактерии одноклеточные их размер не превышает 10 микрометров. Все бактерии делятся на архиобактерии и эубактерии.
Грибы (Mycota) являются важными биотехнологическими объектами и продуцентами ряда важнейших соединений пищевых продуктов и добавок: антибиотики, растительные гормоны, красители, грибной белок, сыры различных типов. Микромицеты неформируют плодового тела, а макромицеты формируют. Имеют признаки животных и растений.
Растения (Plantae). Известно около 300 тысяч видов растений. Это дифференцированные органические растения, составные части которых ткани (мериместентные, покровные, проводимые, механические, основные и секреторные). К делению способны только мириместентные ткани. Любой вид растения при определенных условиях может давать неорганизованную клеточную массу делящихся клеток – каллус. Важнейшими биообъектами являются протопласты растительных клеток. Они лишены клеточной стенки. Используются в клеточной инженерии. Часто используют водоросли. Из них получают агар-агар и альгинаты (полисахариды, используемые для приготовления микробиологических сред).
Животные (Animalia). В биотехнологии широко применяются такие биообъекты как клетки различных животных. Кроме клеток высших животных используются клетки простейших животных. Клетки высших животных используются для получения рекомбинантной ДНК и для проведения токсикологических исследований.
Методы совершенствования биообъектов методом мутогенеза. Характеристика мутогенов.
Изменение биообъекта, благоприятное для его использования в производстве, должно передаваться по наследству и, соответственно, вызываться мутацией. На биохимическом уровне мутация - изменение первичной структуры ДНК в конкретном ее участке, что, в конечном счете, приводит к изменению фенотипабиообъекта.
Долгое время понятие мутации относили только к хромосомам у прокариот и хромосомам (ядру) у эукариот. В настоящее время кроме хромосомных мутаций появилось также понятие мутаций цитоплазматических (плазмидных - у прокариот, митохондриальных и плазмидных - у эукариот).
Спонтанные мутации встречаются, как правило, довольно редко. Разброс по степени выраженности признаков обычно невелик.Совершенствование биообъектов путем предварительного мутагенеза и последующей селекции оказалось гораздо более действенным.
Мутагенез осуществляется при обработке биообъекта физическими или химическими мутагенами. В первом случае, как правило, это ультрафиолетовые, гамма-, рентгеновские лучи; во втором - нитрозометилмочевина, нитрозогуанидин, акридиновые красители, некоторые природныевещества (например, из ДНК-тропных антибиотиков вследствие их токсичности не применяемых в клинике инфекционных заболеваний).
Механизма активности как физических, так и химических мутагенов связан с их непосредственным действием на ДНК (прежде всего на азотистые основания ДНК, что выражается в сшивках, димеризации, алкилировании последних, интеркаляции между ними).
Подразумевается,естественно, что повреждения не приводят к летальному исходу. Последующей задачей является отбор и оценка именно нужных биотехнологу мутаций. Эта селекционная часть работы в целом весьма трудоемка.
В первую очередь биотехнолога интересуют мутантные культуры, обладающие повышенной способностью к образованию целевого продукта. Потенциальные возможности мутагенеза (с последующей селекцией)обусловлены зависимостью биосинтеза целевого продукта от многих метаболических процессов в организме продуцента. Весьма эффективный путь увеличения образования целевого продукта - нарушение системы ретроингибирования.
Повысить активность продуцента можно также, изменив (за счет мутаций) систему транспорта предшественников целевого продукта в клетку.
Наконец, иногда целевой продукт прирезком увеличении его образования отрицательно влияет на жизнеспособность собственного продуцента (так называемый суицидный эффект). Повышение резистентности продуцента к образуемому им же веществу часто необходимо для получения, например, суперпродуцентов антибиотиков.
Одним из самых блестящих примеров эффективности мутагенеза с последующей селекцией по признаку увеличения образования целевогопродукта является история создания современных суперпродуцентов пенициллина. Работа с исходными биообъектами - штаммами (штамм - клоновая культура, однородность которой по определенным признакам поддерживается отбором) гриба Penicilliumchrysogenum, выделенными из природных источников, велась с 1940-х гг. в течение нескольких десятилетий во многих лабораториях. Вначале некоторый успех былдостигнут при отборе мутантов, появившихся в результате спонтанных мутаций. Затем перешли к индуцированию мутаций физическими и химическими мутагенами. В результате ряда удачных мутаций и ступенчатого отбора все более продуктивных мутантов активность штаммов сейчас в 100 тыс. раз выше, чем у обнаруженного А.Флемингом исходного штамма, с которого и началась история открытия пенициллина.
Производственныештаммы крайне нестабильны вследствие того, что многочисленные искусственные изменения в геноме клеток штамма сами по себе для жизнеспособности этих клеток положительного значения не имеют. Поэтому мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении:
Совершенствование биообъектов применительно к производству не исчерпывается только повышением...
Похожие статьи
Брокколи: состав, калорийность и особенности приготовления
Ингредиенты для блюда «Праздничный салат с красной рыбой и крабовыми палочками «Сердце»» Салат со слабосоленой рыбой и крабовыми палочками
Пирог с карамелизированной грушей: рецепт с фото
Черная смородина в собственном соку Рецепт смородины в собственном соку