Типовая схема и основные стадии

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ................................... 50

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОКАТАЛИЗА И53

БИОТРАНСФОРМАЦИИ .............................................................. 53

4.1 Основные группы биотрансформаций ............................... 56

4.2 Основные виды реакций биокатализа ................................ 57

4.3 Классификация ферментов ................................................ 57

4.4 Преимущества и недостатки биокаталитических процессов………………………………………………………………………… 58

4.5 Основные понятия иммобилизации ферментов ............... 58

4.6 Методы иммобилизации ферментов ................................. 60

4.7 Оценка качества иммобилизованных ферментов и

метода иммобилизации............................................................. 63

4.8 Примеры использования ферментов.................................. 64

5 ФЕРМЕНТАЦИЯ....................................................................... 65

5.1 Классификация процессов ферментации .......................... 65

5.2 Основные параметры периодической ферментации........ 66

5.3 Понятие скорости роста........................................................ 67

5.4 Фазы периодической ферментации ................................... 67

5.5 Преимущества и недостатки периодической фермнтации……………………………………………………………………………. 69

6 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ........................... 69

6.1 Биотехнологические процессы в решении

экологических задач ................................................................... 70

6.2 Примеры блок‐схем микробиологической очистки

стоков и почвы ............................................................................ 74

6.3 Биохимические методы очистки воды ............................... 76

6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия методов биохимической очистки воды ..........................................................76

6.3.2 Очистка воды в аэротенках .....................................................80

6.3.3 Очистка воды в биофильтрах ..................................................82

6.3.4 Комбинированные сооружения аэробной биохимической очистки воды .....................................................................................83

6.3.5 Процессы нитрификации и денитрификации ........................84

6.3.6 Методы обработки осадка .......................................................88

6.3.7 Аэробная стабилизация осадка ...............................................90

6.3.8 Метановое брожение (биометаногенез) ................................91

6.3.8.1 Этапы метанового брожения ..........................................92

6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения .......................93

6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза ......................93

6.3.8.4 Сырье биометаногенеза...................................................94

6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное

оформление процесса метанового брожения ............................94

6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов ........ 98

6.5 Применение биотехнологии в медицине......................... 101

6.5.1Антибиотики............................................................................101

6.5.2. Гормоны .................................................................................103

6.5.3 Вакцины, иммунные сыворотки и иммуноглобулины........105

6.5.4 Ферменты ................................................................................106

6.5.5 Биодатчики в медицине .........................................................109

6.6 Применение биотехнологии в энергетике ....................... 110

6.6.1 Законы биоэнергетики ...........................................................112

6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии ..113

6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника

энергии .............................................................................................113

6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение .........114

6.7 Производство пищевых продуктов и напитков................ 120

6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном производстве....................................................................................124

6.7.2 Биотехнология приготовления пива ....................................131

6.7.3 Производство вина и спиртсодержащих продуктов ...........136

6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных

продуктов и сметаны ......................................................................141

6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии .......................143

6.7.6 Биотехнология приготовления маргарина ...........................144

6.8 Химическая промышленность и биотехнология .............. 146

6.9 Сельское хозяйство и биотехнология................................ 151

6.10 Биогеотехнология ............................................................. 152

6.10.1 Биогидрометаллургия ..........................................................154

6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов............................................156

6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ ................................158

6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов

в аппаратах.......................................................................................158

6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота..............159

6.10.6 Биосорбция металлов из растворов ...................................160

6.10.7 Обогащение руд....................................................................160

6.10.8 Извлечение нефти ................................................................161

6.11 Безопасность биотехнологических процессов ............... 162

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ...................................................... 163

ГЛОССАРИЙ............................................................................... 166

ЛИТЕРТУРА ............................................................................... 172

ВВЕДЕНИЕ

Микроорганизмы самые древние существа на нашей планете. С момента их появления (приблизительно 3,6 млрд. лет тому назад) ми- неральная история Земли идет параллельно и взаимосвязано с эволю- цией живого. Именно в результате геохимической деятельности ми- кроорганизмов в окружающей среде произошло накопление опреде- ленных минералов, появились необходимые условия для возникнове- ния и развития растений и животных, а также, в конечном счете, сфор- мировалась биосфера планеты. Основную роль в поддержании биосфе- ры в более или менее устойчивом состоянии путем осуществления кру- говорота необходимых для жизни элементов продолжают выполнять микроорганизмы и в наши дни.

Человек, постоянно находясь в окружении микробов, издавна ощущал проявления их жизнедеятельности, а некоторые из них ис- пользовал в своей практике. Уже в 5-6-м тысячелетии до н. э. человек

пользовался плодами деятельности микроорганизмов, не зная об их су-

ществовании. С давних времен люди занимаются виноделием, пивова- рением, выпечкой хлеба, вымачиванием льна и некоторыми другими производствами, в основе которых лежат микробиологические процес- сы. Повсеместно в окружающей среде человека происходило и в на- стоящее время происходит разложение различных веществ. И, нако- нец, во все времена человечество страдало от микроорганизмов, вызы- вающих инфекционные заболевания. Тем не менее, о мире микробов люди узнали сравнительно недавно, что объясняется, в первую оче- редь, ограниченностью наших органов чувств. Глаз человека имеет разрешающую способность примерно 100 мкм, а размеры подавляю- щего большинства клеток бактерий составляют 2-5 мкм. Попытки преодолеть созданный природой барьер и расширить возможности ор- ганов зрения человека были предприняты еще в Древнем Вавилоне, где изготовлялись увеличивающие линзы. Можно считать, что с изготов- лением этих линз человек сделал первый шаг на пути в микромир и стал осознано использовать микробов в своей хозяйственной деятель- ности.

Биотехнология - одна из самых старых и одновременно одна из самых молодых наук и отраслей промышленности. Биотехнология - это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направлен- ная на получение определенного продукта. В настоящее время биотех- нология является одним из приоритетных направлений науки, с кото- рым связывают благосостояние всего человечества в обозримом буду-

щем. При этом содержание, которое вкладывается в этот термин, зача- стую существенно различается. Например, многие под биотехнологией понимают использование растениеводства и животноводства для на- родного хозяйства - то, что обычно называют сельскохозяйственным производством. Другое направление, также определяемое термином

«биотехнология», - применение различных генетических манипуляций для получения трансформированных геномов любых живых объектов - от вирусов до человека. От этого направления ожидают революционн-

ых изменений в качестве жизни человечества, и эти надежды вполне

обоснованны.

Однако достижения биотехнологии становятся реальной помо- щью народному хозяйству и отдельным людям лишь тогда, когда на их основе создаются промышленные производства, функционирование которых направлено на разработку практически ценных продуктов в заметных, а не микроскопических количествах. Именно эта сторона деятельности человека охватывается дисциплиной «Промышленная биотехнология». Знания по этой дисциплине нужны не только непо- средственно инженерам-биотехнологам, но также и инженерам-меха- никам, имеющим дело с оборудованием биотехнологических произ- водств, и инженерам-экологам при работе с этими производствами.

Изучение биотехнологических процессов невозможно без знаний основ микробиологии, а именно морфологии и систематики микроор- ганизмов.

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ

Микробиология прошла длинный путь развития, исчисляющийся многими тысячелетиями. Микробиология зародилась задолго до нашей эры, в своем развитии она прошла несколько этапов, не столько связан- ных хронологически, сколько обусловленных основными достижения- ми и открытиями. Историю развития микробиологии можно разделить на пять этапов: эвристический, морфологический, физиологический, иммунологический и молекулярно-генетический.

Эвристический период, 4-3 тыс. лет до н. э. – XVI в. н. э., связан скорее с логическими и методическими приемами нахождения истины,

чем с какими-либо доказательствами и экспериментами.

С изобретением микроскопа Антони Ван Левенгуком начинается следующий этап в развитии микробиологии, получивший название морфологический. В 1695 году была издана книга «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком». Этот период длится до второй поло- вины XIX века.

XIX век, особенно его вторую половину, принято называть фи- зиологическим периодом развития микробиологии. На этом этапе проходят исследования по изучению жизнедеятельности микробов. Этот период связан с именами Луи Пастера, Роберта Коха и Александ- ра Флеминга.

Работы Луи Пастера по вакцинации открыли новый этап в разви- тии микробиологии, получившего название иммунологического. В этот период в 1901 году создает фагоцитарную теорию иммунитета

И.И. Мечников, за которую ученый был удостоен Нобелевской пре-

мии.

С 50-х годов ХХ века начался молекулярно-генетический пери- од развития микробиологии. Он связан с открытием новых антигенов, например, опухолевых (Л.А. Зильбер), с расшифровкой строения анти- тел – иммуноглобулинов, с получением вакцин (вакцина гепатита В, малярии и др.), с разработкой принципиально новых способов диагно- стики инфекционных и неинфекционных болезней, созданием на осно- ве этих способов тест-систем для идентификации микроорганизмов.