Совершенствование биообъектов. Виды биологических объектов применяемых в биотехнологии, их классификация и характеристика. Биологические объекты животного происхождения. Биологические объекты растительного происхождения. Кафедра микробиологии и биохимии

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.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

    История, цели и основы генетической инженерии; биоэтические аспекты. Группы генетических заболеваний, их диагностика и лечение. Применение генетической инженерии в медицинской практике: генные вакцины, генотерапия, производство лекарственных препаратов.

    реферат , добавлен 26.10.2011

    Возникновение биотехнологии. Основные направления биотехнологии. Биоэнергетика как раздел биотехнологии. Практические достижения биотехнологии. История генетической инженерии. Цели, методы и ферменты генной инженерии. Достижения генетической инженерии.

    реферат , добавлен 23.07.2008

    презентация , добавлен 05.02.2014

    Ферменты генетической инженерии. Типы нуклеаз и их действия. Методы получения химер. Использование специфических термостабильных ДНК-полимераз. Ферментативная активность рестриктаз. Образование фосфодиэфирной связи между двумя основаниями одной цепи ДНК.

    контрольная работа , добавлен 21.04.2011

    Основы и техника клонирования ДНК. Этапы генной инженерии бактерий. Развитие генетической инженерии растений. Генетическая трансформация и улучшение растений с помощью агробактерий, источники генов. Безопасность генетически модифицированных растений.

    реферат , добавлен 11.11.2010

    Понятие генетической инженерии, ее основные цели и задачи, порядок применения при получении рекомбинантных белков. Биологическая природа и типы плазмид, их разновидности и отличительные черты. признаки присутствия плазмид в бактериальной клетке.

    реферат , добавлен 23.01.2010

    Последовательность приемов генетической инженерии, используемая при создании генетически модифицированных организмов. Классификация основных типов рестриктаз, используемых для фрагментации ДНК. Ферменты, синтезирующие ДНК на матрице ДНК или РНК.

    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.

    Биообъекты: способы их создания и совершенствования. 1.1 Понятие «Биообъект» БО Биообъект – центральный и обязательный элемент биотехнологического производства, определяющий его специфику. Продуцент полный синтез целевого продукта, включающий ряд последовательных ферментативных реакцийБиокатализатор катализ определенной ферментативной реакции (или каскада), которая имеет ключевое значение для полученияцелевого продукта катализ определенной ферментативной реакции (или каскада), которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта По производственным функциям:



    Биообъекты 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


    Цели совершенствования БО: (применительно к производству) - увеличение образования целевого продукта; - снижение требовательности к компонентам питательных сред; - изменение метаболизма биообъекта, например снижение вязкости культуральной жидкости; - получение фагоустойчивых биообъектов; - мутации, ведущие к удалению генов, кодирующих ферменты. Методы совершенствования БО: Селекция спонтанных (природных) мутаций Индуцированный мутагенез и селекция Клеточная инженерия Генетическая инженерия


    Селекция и мутагенез Спонтанные мутацииСпонтанные мутации –встречаются редко, –разброс по степени выраженности признаков невелик. индуцированный мутагенез: разброс мутантов по выраженности признаков больше. разброс мутантов по выраженности признаков больше. появляются мутанты с пониженной способностью к реверсии, т.е. со стабильно измененным признаком появляются мутанты с пониженной способностью к реверсии, т.е. со стабильно измененным признаком селекционная часть работы - отбор и оценка мутаций: Обработанную культуру рассеивают на ТПС и выращивают отдельные колонии (клоны) клоны сравнивают с исходной колонией по разным признакам: -мутанты, нуждающиеся в конкретном витамине, или аминокислоте; -мутантны, синтезирующие фермент расщепляющий определенный субстрат; -антибиотикорезистентные мутанты Проблемы суперпродуцентов: высоко продуктивные штаммы крайне нестабильны вследствие того, что многочисленные искусственные изменения в геноме не связаны с жизнеспособностью. мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении: популяцию клеток высеивают на твердую среду и полученные из отдельных колоний культуры проверяют на продуктивность.


    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. Возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами.


    Создание биообъектов методами генетической инженерии Генетическая инженерия –соединение фрагментов ДНК природного и синтетического происхождения или комбинацию in vitro с последующим введением полученных рекомбинантных структур в живую клетку для того, чтобы введенный фрагмент ДНК после включения его в хромосому либо реплицировался, либо автономно экспрессировался. Следовательно, вводимый генетический материал становится частью генома клетки. Необходимые составляющие генного инженера: а) генетический материал (клетку – хозяина); б) транспортное устройство – вектор, переносящий генетический материал в клетку; в) набор специфических ферментов - «инструментов» генной инженерии. Принципы и методы генной инженерии отработаны, прежде всего, на микроорганизмах; бактериях – прокариотах и дрожжах – эукариотах. Цель: получение рекомбинантных белков – решение проблемы дефицита сырья.


    8 Слагаемые биотехнологического производства Главные особенности БТ производства: 1.два активных и взаимосвязанных представителя средств производства – биообъект и «ферментер»; 2.чем выше темп функционирования биообъекта, тем более высокие требования предъявляются к аппаратурному оформлению процессов; 3.оптимизации подвергают и биообъект и аппараты биотехнологического производства Цели осуществления биотехнологии: 1.основной этап производства ЛС – получение биомассы (сырья, ЛВ); 2.один или несколько этапов производства ЛС (в составе химического или биологического синтеза) - биотрансформация, разделение рацематов и т.п.; 3.полный процесс производства ЛС – функционирование биообъекта на всех стадиях создания препарата. Условия осуществления биотехнологий при производстве ЛП 1.Генетически обусловленная способность био-объекта к синтезу или специфической трансформации связанной с получением БАВ или ЛС; 2.Защищенность био-объекта в биотехнологической системе от внутренних и внешних факторов; 3.Обеспечение функционирующих в биотехнологических системах био- объектов пластическим и энергетическим материалом в объемах и последовательности, гарантирующих нужную направленность и темп биотрансформации.




    КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОДУКТОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ типы продуктов получаемых БТ методами: –интактные клетки –одноклеточные организмы используют для получения биомассы –клетки (в т.ч. иммобилизованные) для биотрансформации. Биотрансформация - реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целевой продукт с помощью клеток живых организмов или ферментов, выделенных из них. (производство ам-к-т, а/б, стероидов и др.) низкомолекулярные продукты метаболизма живых клеток: –Первичные метаболиты необходимы для роста клеток. (структурные единицы биополимеров ам-к-ты, нуклеотиды, моносахариды, витамины, коферменты, органические к-ты) –Вторичные метаболиты (а/б, пигменты, токсины) НМС, не требующиеся для выживания клеток и образующиеся по завершении фазы их роста. Динамика изменения биомассы и образования первичных (А) и вторичных (Б) метаболитов в процессе роста организма: 1 биомасса; 2 продукт




    Стадии БТ производства 1.Подготовка сырья (питательной среды) субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) 2.Подготовка биообъекта: посевной культуры или фермента (в т.ч. иммобилизованного). 3.Биосинтез, биотрансформация (ферментация) - образование целевого продукта за счет биологического превращения компонентов питательной среды в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. 4.Выделение и очистка целевого продукта. 5.Получение товарной формы продукта 6.Переработка и утилизация отходов (биомассы, культуральной жидкости и т.п.) Основные типы биотехнологических процессов Биоаналогичные Производство метаболитов – химических продуктов метаболической активности, первичные - аминокислоты, полисахариды вторичные - алкалоиды, стероиды, антибиотики Многосубстратные конверсии (обработка сточных вод, утилизация лигноцеллюлозных отходов) Односубстратные конверсии (превращение глюкозы во фруктозу, D-сорбита в L- сорбозу при получении вит С) Биохимические производство клеточных компонентов (ферменты,нуклеиновые кислоты) Биологические Производство биомассы (белок одноклеточных)


    1.Вспомогательные операции: 1.1. Подготовка посевного материала (инокулята): засев пробирок, качалочных колб (1-3 сут), инокулятора (2-3 % 2-3 сут), посевного аппарата (2-3сут). Кинетические кривые роста 1.индукционный период (лаг-фаза) 2.фаза экспоненциального роста (накопление биомассы и продуктов биосинтеза) 3.фаза линейного роста (равномерный рост культуры) 4.фаза замедленного роста 5.стационарная фаза (постоянство жизнеспособных особей 6.Фаза старения культуры (отмирания) N t Подготовка питательной среды выбор и реализация рецептуры среды, стерилизация гарантирующая сохранность пластических и энергетических компонентов, в исходном количестве и качестве. Особенностью биообъектов является потребность в многокомпонентных энергетических и пластических субстратах, содержащих О, С, N, Р, Н – элементы необходимые для энергетического обмена и синтеза клеточных структур.


    Содержание биогенных элементов в различных биообъектах, в % Микро- организмы элемент углеродазотфосфоркислородводород бактерии50,412,34,030,56,8 дрожжи47,810,44,531,16,5 грибы47,95,23,540,46,7 Элементный состав биомассы по химическим элементам позволяет сделать для каждого биообъекта описание Существует количественная закономерность влияния концентрации элементов питательной среды на скорость роста биомассы, равно как и взаимовлияние тех же элементов на удельную скорость роста биообъектов С DN/ dT 123 C – концентрация лимитирующего компонента DN/dT – скорость роста микроорганизмов. 1 -область лимитирования, 2- область оптимального роста, 3 – область ингибирования.


    1.3. Стерилизация питательной среды необходимо полностью исключить контаминантную флору и сохранить биологическую полноценность субстратов чаще автоклавирование, реже химические и физические воздействия. Эффективность выбранного режима стерилизации оценивают по константе скорости гибели микроорганизмов (берется из специальных таблиц) умноженная на продолжительность стерилизации Подготовка ферментера Стерилизация оборудования острым паром. Герметизация с особым вниманием к «слабым» точкам тупиковые штуцера малого диаметра, штуцера датчиков контрольно-измерительной аппаратуры. Выбор ферментера осуществляется с учетом критериев дыхания биообъекта, теплообмена, транспорт и превращения субстрата в клетке, скорость роста единичной клетки, время ее размножения и т.п.


    Ферментация – основной этап биотехнологического процесса Ферментация – это вся совокупность операций от внесения микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продукта или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной установке – ферментере. Все биотехнологические процессы можно разделить на две большие группы - периодические и непрерывные. При периодическом способе производства простерилизованный ферментер заполняется питательной средой, часто уже содержащей нужные микроорганизмы. Биохимические процессы в этом ферментере продолжаются от нескольких часов до нескольких дней. При непрерывном способе подача равных объемов сырья (питательных веществ) и отвод культуральной жидкости, содержащей клетки продуцента и целевой продукт осуществляется одновременно. Такие ферментационные системы характеризуются как открытые.





    По объёму: –лабораторные 0, л, –пилотные 100л -10 м3, –промышленные м3 и более. критерии выбора ферментера: –теплообмен, –скорость роста единичной клетки, –Тип дыхания биообъекта, –Вид транспорта и превращения субстрата в клетке –время размножения отдельной клетке. Аппаратурное оформление биотехнологического процесса - ферментеры:





    Biostat A plus - автоклавируемый ферментер со сменными сосудами (рабочий объем 1,2 и 5 л) для культивирования микроорганизмов и культур клеток и является полностью масштабируемым при переходе к большим объемам. Единый корпус с интергрированным оборудованием измерения и управления, насосами, системой температурного контроля, подачи газа и мотором Ноутбук с заранее установленным Windows совместимым программным обеспечением MFCS / DA для управления процессами ферментации и их документирования Лабораторный (схема)


    Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические, биологические) 1. Температура 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 Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства


    2. Основные операции: 2.1. Стадия биосинтеза, где в максимальной степени используются возможности биообъекта для получения лекарственного продукта (накапливается внутри клетки или секретируется в культуральную среду) Стадия концентрирования, одновременно предназначена для удаления баласта Стадия очистки, реализующая за счет повтора однотипных операций или за счет набора различных препаративных приемов (ультрафильтрация, экстракция, сорбция, кристаллизация и т. п) повышение удельной специфической активности лекарственного продукта Стадия получения конечного продукта (субстанции или готовой лекарственной формы) с последующими операциями фасовки и упаковки.


    Питательная среда Разделение Культуральная жидкость Клетки Концентрирование Выделение и очистка метаболитов Дезинтеграция убитых клеток Биомасса убитых клеток Стабилизация продукта Биомасса живых клеток Обезвоживание Стабилизация продукта Применение Хранение Живой продуктСухой продукт Живой продукт Сухой продукт Живой продукт Сухой продукт Культивирование (ферментация) Подготовка инокулята Схема биотехнологического производства




    Фармацевтические препараты требуют высокой степени чистоты Стоимость очистки тем выше, чем ниже концентрация вещества в клетках. Этапы очистки: 1. Сепарация. 2. Разрушение клеточных оболочек (дезинтеграция биомассы) 3. Отделение клеточных стенок. 4. Отделение и очистка продукта. 5. Тонкая очистка и разделение препаратов. 27


    Этапы очистки Этап 1. СЕПАРАЦИЯ - отделение массы продуцента от жидкой фазы. Передвароительно для повышения эффективности может проводиться: изменение рН, нагревание, добавление коагулянтов белков или флокуллянтов. СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ 1. Флотация (буквально – плавание на поверхности воды) – разделение мелких частиц и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость – газ (очень редко: твердые частицы – жидкость). Основные виды флотации: пенная (культуральную жидкость с биомассой микроорганизмов непрерывно вспенивают воздухом, подаваемым снизу вверх под давлением, клетки и их агломераты «прилипают» к пузырькам тонкодиспергированного воздуха и всплывают вместе с ними, собираясь в специальном отстойнике) масляная пленочная. 28


    СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ 2. Фильтрация - используется принцип задержки биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Используются фильтры: однократного и многократного использования; периодического и непрерывного действия (с автоматическим удалением слоя биомассы, забивающего поры); барабанные, дисковые, ленточные, тарелочные, карусельные вакуум-фильтры, фильтры-прессы различной конструкции, мембранные фильтры. 29


    3. Физическое осаждение. Если биомасса содержит заметных количеств целевого продукта, она осаждается добавлением извести или других твердых компонентов, увлекающих клетки или мицелий на дно. 4. Центрифугирование. Осаждение взвешенных частиц происходит под действием центробежной силы с образованием 2 фракций: биомассы (твердая) и культуральной жидкости. «-»: необходимо дорогостоящее оборудование; «+»: позволяет максимально освободить культуральную жидкость от частиц; Цетрифугирование и фильтрация могут проходить одновременно в фильтрационных центрифугах. Высокоскоростное центрифугирование разделяет клеточные компоненты по размеру: более крупные частицы при центрифугировании движутся быстрее. 30 СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ


    Этап 2. РАЗРУШЕНИЕ КЛЕТОЧНЫХ ОБОЛОЧЕК (ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ БИОМАССЫ) Стадия используется, если искомые продукты находятся внутри клеток продуцента. МЕТОДЫ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ механические, химические комбинированные. Физические методы - обработка ультразвуком, вращение лопасти или вибратора, встряхивание со стеклянными бусами, продавливание через узкое отверстие под давлением, раздавливание замороженной клеточной массы, растирание в ступке, осмотический шок, замораживание- оттаивание, декомпрессия (сжатие с последующим резким снижением давления). «+»: экономичность методов. «-»: неизбирательность методов, обработка может снижать качество получаемого продукта. 31


    МЕТОДЫ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ Химические и химико-ферментативные методы - клетки могут быть разрушены толуолом или бутанолом, антибиотиками, ферментами. «+»: более высокая избирательность методов Примеры: -клетки грамотрицательных бактерий обрабатывают лизоцимом в присутствии этилендиаминтерауксусной кислоты или других детергентов, -клетки дрожжей – зимолиазой улитки, ферментами грибов, актиномицетов. 32


    ЭТАП 4. ОТДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПРОДУКТА Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или из гомогената разрушенных клеток проводят путем его осаждения, экстракции илииадсорбции. Осаждение: физическое (нагревание, охлаждение, разбавление, концентрирование); химическое (с помощью неорганических и органических веществ - этанол, метанол, ацетон, изопропанол). Механизм осаждения органическими веществами: снижение диэлектрической постоянной среды, разрушение гидратного слоя молекул. Высаливание: Механизм высаливания: гидратируются диссоциирующие ионы неорганических солей. Реагенты: сульфат аммония, сульфаты натрия, магния, фосфат калия. 33


    Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из твердых тел и растворов с помощью жидкого растворителя – экстрагента. Типы экстракции: Твердо-жидкостная (вещество из твердой фазы переходит в жидкую) - например, хлорофилл из спиртовой вытяжки переходит в бензин Жидко-жидкостная (вещество переходит из одной жидкости в другую (извлечение антибиотиков, витаминов, каротиноидов, липидов). Экстрагенты: фенол, бензиловый спирт, хлороформ, жидкий пропанили бутан и др. Способы повышения эффективности экстракции: повторная экстракция свежим экстрагентом; выбор оптимального растворителя; нагревание экстрагирующего агента или экстрагируемой жидкости; понижением давления в аппарате для экстракции. Для экстракции хлороформом в лабораторных условиях используется аппарат «Сокслет», что позволяет многократно использовать растворитель. 34


    ЭТАП 4. ОТДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПРОДУКТА (продолжение) Адсорбция – частный случай экстракции, когда экстрагирующий агент является твердым телом - идет по ионообменному механизму. Адсорбенты: иониты на основе целлюлозы: катионит – карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ); анионит – диэтиламиноэтилцеллюлоза (ДЭАЭ), сефадексы на основе декстрана и т.д. 35


    МЕТОДЫ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ПРЕПАРАТОВ Хроматография (от греч. chroma – цвет, краска и -графия) – физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Виды хроматографии по технике выполнения: колоночная - разделение веществ проводится в специальных колонках плоскостная: -тонкослойная (ТСХ) – разделение проводится в тонком слое сорбента; -бумажная – на специальной бумаге. 36


    Для крупномасштабного отделения и очистки продуктов биотехнологических процессов применимы: аффинная преципитация - лиганд прикрепляют к растворимому носителю, при добавлении смеси, содержащей соответствующий белок, образуется его комплекс с лигандом, который выпадает в осадок сразу после его формирования или после дополнения раствора электролитом. аффинное разделение - основано на применении системы, содержащей два водорастворимых полимера – наиболее высокоэффективный из аффинных методов очистки. Гидрофобная хроматография основана на связывании белка в результате взаимодействия между алифатической цепью адсорбента и соответствующим гидрофобным участком на поверхности белковой глобулы. Система аффинной очистки рекомбинтных белков Profinia. 37


    Электрофорез – метод разделения белков и нуклеиновых кислот в свободном водном растворе и пористом матриксе, в качестве которого можно использовать полисахариды, например, крахмал или агарозу. Модификацией метода является электрофорез в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН-ПААГ) 38 Gel electrophoresis is a common method for separating protein or DNA Гель-электрофорез - распространенняй метод разделения белков или ДНК

    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.

    20.5. Совершенствование биообъектов как источников ЛС включает несколько направлений. Определите эти направления в соответствии с целевыми задачами.

    Современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, - это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма по нескольким показателям.

      высокий выход целевого продукта

    2) способность расти на относительно дешевых питательных средах

    3) благоприятные реологические свойства биомассы, обеспечивающие относительно несложное выделение продукта

    4) устойчивость к фагам

    5) благоприятные экологические показатели процесса (низкое спорообразование, запах и т.д.)

    Методы совершенствования биообъектов

    Мутации . 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 фенотипа биообъекта.

    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 природные вещества (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 при резком 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 целевого продукта является история создания современных суперпродуцентов пенициллина. Работа с исходными биообъектами - штаммами (штамм - клоновая культура, однородность которой по определенным признакам поддерживается отбором) гриба Penicillium chrysogenum, выделенными из природных источников, велась с 1940-х гг. в течение нескольких десятилетий во многих лабораториях. Вначале некоторый успех был достигнут 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.

    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 применительно к производству 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.

    Из всего изложенного следует, что современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, - это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма не по одному, а, как правило, по нескольким показателям. Хранение таких штаммов-суперпродуцентов представляет серьезную самостоятельную проблему.

    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.

    Перспективы клеточной инженерии заключаются прежде всего в том, что с ее помощью возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами.

    Первый этап работы связан с удалением у микроорганизмов клеточной стенки.

    Пептидогликан клеточной стенки может быть расщеплен с помощью ферментов (гидролаз пептидогликана), из которых самым известным является лизоцим,

    При протопластировании: для получения протопластов клеточную стенку удаляют ферментативной обработкой в «гипертонической» среде с 20 % раствором сахарозы или маннита, иногда с 10 % раствором натрия хлорида в зависимости от определенных особенностей биообъекта и преследуемых целей.

    Если биообъект принадлежит к микроскопическим (плесневым и дрожжевым) грибам, то для получения протопластов используют, как правило, не лизоцим, а комплексный ферментный препарат, выделенный из пищеварительного тракта виноградной улитки. Связано это с тем, что состав клеточной стенки у грибов более сложен, чем у бактерий.

    Следующий этап работы состоит в объединении суспензий двух образцов протопластов, принадлежащих разным штаммам или разным видам, в более редких случаях - даже разным родам. Частота слияния резко повышается при добавлении к протопластам полиэтиленгликоля, обладающего свойствами детергента.

    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 гораздо конкретнее и точнее клеточной по характеристике используемых объектов и оперирует в основном с разными по форме и размерам фрагментами клетки.

    Генетическая инженерия - соединение фрагментов ДНК природного и синтетического происхождения или их комбинацию с последующим введением полученных рекомбинантных структур в живую клетку для того, чтобы введенный фрагмент ДНК после включения его в

    хромосому либо реплицировался, либо автономно экспрессировался.

    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) Амплификация рекомбинантной ДНК в трансформированных клетках

    6) Получение белкового продукта



Читайте также:
Параметры компьютера для 1с 8
Параметры компьютера для 1с 8
Пицца с ананасами и ветчиной Пицца с ананасами из готового теста
Пицца с ананасами и ветчиной Пицца с ананасами из готового теста
Вверх