Периодическое культивирование с добавлением субстрата.

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Периодическое культивирование с добавлением субстрата.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПГТА 3.240901.65.04ПЗ

Выполнил: студент группы 09БТ1зи Ермакова Л.И.

Руководитель: Черкасова Г.Н.

Работа защищена с оценкой:__________________

Пенза, 2010

Утверждаю: Зав. каф. БиТБ д.т.н., профессор Таранцева К.Р. «…...»…..…………2010 г.

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Теоретические основы биотехнологии»

студенту Ермаковой Л.И. группы 09БТ1зи

Тема работы:

Периодическое культивирование с добавлением субстрата.

1. Введение (Цели и задачи биотехнологии).

2. Общая характеристика различных методов культивирования продуцентов.

3. Принципы составления питательных сред. Основные источники питания, используемые для культивирования микроорганизмов – продуцентов. Методы оптимизации питательных сред.

4. Образование продуктов при культивировании микроорганизмов. Первичные и вторичные метаболиты. Двухфазность процесса обмена веществ у микроорганизмов.

5. Основное понятие об образовании целевого продукта в периодической культуре с добавлением источников питания. Привести примеры промышленного применения технологии периодической ферментации с добавлением источников питания, включая описания данного процесса.

6. Преимущества и недостатки периодического процесса ферментации с добавлением субстрата, по сравнению с традиционным периодическим культивированием.

Руководитель Черкасова Г.Н.

Задание получил «15» февраля 2010 г.

Студент Ермакова Л.И.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………….4

1Общая характеристика различных методов культивирования продуцентов ………………………………… ………………………………………………………7

1.1 Классификация способов культивирования …………………………………….9

1.2 Биореактор………………………………………………………………............12

2 Питательные среды……………………………………………………………..14

2.1 Принципы составления питательных сред …………………………………….14

2.2 Основные источники питания, используемые для культивирования микроорганизмов-продуцентов…………………………………………………….17

2.3 Методы оптимизации питательных сред…………………………………........20

3 Образование продуктов при культивировании микроорганизмов…….....21

3.1 Первичные и вторичные метаболиты…………………………………………..21

3.2 Двухфазность процесса обмена веществ у микроорганизмов …………........22

4 Основные понятия об образовании целевого продукта в периодической культуре с добавлением источников питания……….............................................23

4.1 Производство антибиотика пенициллина………………………………………25

5 Преимущества и недостатки периодического процесса ферментации с добавлением субстрата, по сравнению с традиционным периодическим культивированием……………………………………………………………........29

Заключение………………………………………………………………………….31

Литература…………………………………………………………………............32

ВВЕДЕНИЕ

Биотехнология - это наука, разрабатывающая способы производства практически важных веществ и продуктов питания с использованием живых организмов и методы конструирования новых организмов с заданными свойствами. Биотехнология – междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнология на самом деле не что иное, как название, данное набору технических приемов (подходов) и процессов, основанных на использовании для этих целей биологических объектов. Термин биотехнология включает составляющие «биос», «техне», «логос» греческого происхождения (от греч. «биос» – жизнь, «техне» – искусство, мастерство, умение и «логос» – понятие, учение). Таким образом, как это явствует из приведенных определений, биотехнология по существу сводится к использованию микроорганизмов, животных и растительных клеток или же их ферментов для синтеза, разрушения или трансформации (превращения) различных материалов с целью получения полезных продуктов для различных нужд человека.

Во-первых, в процессе жизнедеятельности клетками выделяются различные важные вещества, такие как белки, жиры, углеводы, аминокислоты, ферменты, и пр. Получение этих веществ, к сожалению, пока возможно исключительно биотехнологическим путем, так как небиотехнологические методы требуют больших затрат и сложных рабочих механизмов.

Во-вторых, деление клеток происходит крайне быстро, а это означает возможность использовать весьма недорогие и несложные механизмы питания для производства биомассы даже в производственных масштабах.

Третий, но не менее важный нюанс заключается в том, что биологический синтез сложных веществ получается гораздо более доступным в плане технологий, а соответственно – значительно дешевле, нежели химический.

Также следует учитывать то, что проведение биосинтеза в промышленных масштабах представляется возможным за счет доступности оборудования, сырья и технологий переработки, что, опять же, делает биосинтез куда более выгодным в экономическом плане.

Клетки микроорганизмов, а также растительные и животные клетки в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают вещества, владеющие различными свойствами, называются эти вещества – метаболиты. Как правило, выделяют четыре группы продуктов жизнедеятельности одноклеточных микроорганизмов:

• Непосредственно сами клетки, как то: выращивание бактерий для выделения вакцины, дрожжи в качестве основы гидролизатов, либо просто в качестве кормового белка.
• Продукты синтеза клеток в процессе развития – крупные молекулы: токсины, антитела, ферменты и пр.
• Первичные метаболиты – крайне важны в процессе роста клеток: витамины, органические кислоты и т.д.
• Вторичные метаболиты – соединения, по природе своей низкомолекулярные, не играют роли в процессе развития клеток: токсины, алкалоиды, гормоны.

Биотехнология является механизмом, который, используя вышеназванные продукты жизнедеятельности в качестве сырья, помогает получать огромное количество очень важных веществ, а именно:

• В области медицины: витамины, аминокислоты, ферменты, вакцины, антибиотики, антитела, иммуномодуляторы, и другие не менее важные вещества.
• В области ветеринарии и сельского хозяйства: инсектициды, вакцины, гормоны, липиды, спирты и пр.
• В химической промышленности: бутанол, ацетон.
• В энергетической промышленности: этанол, биогаз.

Из этого можно сделать заключение, что главной целью биотехнологии является разработка и производство лечебный, профилактических и диагностических препаратов. Кроме того, важными задачами выступают такие, как: обеспечение всевозможных технологических механизмов в разных отраслях промышленности; возрастающее участие в экологических мероприятиях; решение различных вопросов продовольствия.

Исходя из множества выполняемых биотехнологией функций, её подразделяют на несколько направлений: медицинское (фармацевтическая, иммунобиологическая), сельскохозяйственное (ветеринарная, растительная) и промышленное (легкая промышленность, энергетическая, пищевая и т.п.)

Кроме этого, существует разделение биотехнологии на старую и новую. Новая появилась благодаря развитию генной инженерии, хотя, следует заметить, что до сих пор ведутся споры о том, является биотехнология наукой или видом производства.

Если дать биотехнологии наиболее точное определение, то можно сказать, что это сфера деятельности, целью которой является изучение процессов жизнедеятельности живых организмов, посредством которого происходит производство полезных веществ и новых биоэффектов, неизвестных в природе. Так что становится очевидным, что биотехнология есть не что иное, как совокупность научных и производственных процессов.

Роль промышленного производства в биотехнологии включает в себя следующие принципы: брожение, биоконверсия, культивирование клеток, вирусов и бактерий, а также различные генетические процессы. Так как подобные вещи требуют особого оборудования, на данный момент на благо биотехнологической промышленности служат различные специализированные учреждения, заводы, исследовательские институты.

Несмотря на то, что благодаря биотехнологии ежегодно вырабатывается огромное количество антибиотиков, ферментов, кормового белка, аминокислот и многого другого, потребности в биотехнологической продукции постоянно растут. Поэтому биотехнология заслуженно получает огромное внимание к себе и хорошие ресурсы для дальнейшего развития. Важной составной частью современной биотехнологии является очистка воды от загрязнений, а также утилизация различных промышленных и бытовых отходов. Методы такой очистки основаны на использовании специфических биологических сообществ, носящих название активного ила, для глубокой утилизации как органических, так и неорганических загрязнений, оставшихся в воде после других видов очистки.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ПРОДУЦЕНТОВ

Для достижения любого биотехнологического процесса микробного синтеза необходимы культура микроорганизмов, питательная среда, аппаратура для выращивания и проведения вспомогательных операций, средства контроля и управления.

Культивированием называют выращивание микроорганизмов на питательных средах в определенных условиях, а развивающийся при этом организм - культурой.

В процессе культивирования происходят рост и размножение культуры. Строго говоря, рост - это физиологический процесс, в ходе которого увеличиваются размеры и масса одной популяции. После размножения увеличивается число особей. Однако обычно под ростом культуры подразумевают не только рост одной клетки, но и общее увеличение числа клеток - биомассы, в результате размножения, то есть рост культуры микроорганизмов.

Культивирование является основной стадией технологического процесса и во многом определяет количественные и качественные характеристики производства биопрепаратов.

На стадии культивирования осуществляется накопление как самой биомассы, так и продуктов метаболизма (жизнедеятельности) микроорганизмов.

Иногда (например, при производстве бактериальных препаратов) целевым продуктом является сама биомасса, в других случаях – продукты, синтезируемые клеткой (антибиотики, ферменты, аминокислоты и др.). При этом синтезируемый продукт может накапливаться как внутри клеток, так и выделяться в культуральную жидкость.

Для получения продукции в максимальных количествах активный штамм-продуцент выращивают на оптимальной питательной среде в оптимальных условиях культивирования (посевная доза, температура, рН, окислительно-восстановительный потенциал, аэрация, массообменные характеристики, питательные и ростовые добавки, сроки культивирования). Выращивание проводят в ферментаторах (культиваторах), вместимость которых может варьировать от 2 л до 100—400 м³ в зависимости от потребности в продукте. Для получения культур животных клеток объем ферментаторов пока не превышает 3м³. В настоящее время биотехнологическая промышленность оснащена ферментаторами, позволяющими вести процесс в автоматическом режиме с программным управлением. Процесс культивирования ведется в асептических условиях, чтобы получить чистые культуры целевых микроорганизмов или культуры клеток.

При культивировании исходным сырьем служат разнообразные источники углерода (природные углеводороды, органические отходы), минеральные соли и атмосферный азот. В качестве микроорганизмов используются прокариоты (бактерии, актиномицеты) и грибы. Обычно культивирование проводят по следующей технологии. Чистые культуры микроорганизмов предварительно размножают на питательной среде. Затем их вносят в специальные ёмкости–ферментаторы с подготовленным и простерилизованным сырьем. Обработка сырья – ферментация – протекает при определенной температуре, определенной кислотности, в аэробных или анаэробных условиях. Процесс ферментации обычно продолжается несколько дней. После этого производится очистка требуемого продукта от примесей (например, при производстве лекарственных препаратов).

На рисунке 1 представлена технологическая схема стадии культивирования микроорганизмов, отделения, концентрирования биомассы.

Рисунок 1 – Обобщенная технологическая схема микробиологического процесса

Дата добавления: 2015-10-24