Доктор сельскохозяйственных наук, профессор УГАВМ.

Стр 1 из 12Следующая ⇒

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО

«Уральская государственная академия ветеринарной медицины»

А.А. Белооков

Базовые лекции по курсу

«Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции»

Троицк, 2006

УДК 631. 147 (075)

ББК 65. 9 (2)

Б 44

Рецензенты:

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор УГАВМ.

А.М. Монастырев

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Башкирского научно-исследовательского института с.-х.

А.Г. Фенченко

Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Уральской государственной сельскохозяйственной академии.

С.А. Сафронов

Белооков, А.А.

Б44 Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции. Учебное пособие для с.-х. вузов/ А.А. Белооков – Троицк: УГАВМ, 2006.- 112с.

ISBN – 5901987-65-9

Базовые лекции рекомендованы Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по агрономическому образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 110305 “Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции”.

Курс лекций включает в себя обобщенный материал по изучаемому предмету «Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции» и рекомендован в качестве учебного пособия для студентов технологических специальностей.

ISBN – 5901987-65-9

ветеринарной медицины, 2006 г.

Оглавление

Тема 1. Введение …………………………………………………………… 5

1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса. …………………… 6

2. Принципы биотехнологии. ………………………………………...10

Тема 2. Микробиотехнология …………………………………………... 11

1. Биологические объекты биотехнологии …………………………. 12

2. Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами ……..13

3. Методы биотехнологии ………………………………………….…15

Тема 3. Способы и системы культивирования микроорганизмов. …18

1. Способы культивирования микроорганизмов ……………………18

2. Системы культивирования микроорганизмов ……………………21

3. Методы, используемые в биотехнологическом производстве …. 23

Тема 4. Охрана окружающей среды на предприятиях микробиологической промышленности ………………………………...29

1. Очистка сточных вод ……………………………………………….29

2. Очистка газовоздушных выбросов ………………………………. 37

Тема 5. Производство и промышленное использование ферментов. .38

1. Значение ферментов, источники их получения …………………...39

2. Промышленные ферментные препараты …………………………..40

3. Факторы, влияющие на биосинтез ферментов …………………….42

4. Применение ферментативных препаратов ………………………...45

Тема 6. Генная инженерия бактерий, высших растений и области её применения ………………………………………………………………… 51

1. Нуклеиновые кислоты и факторы наследственности у животных организмов………………………………………………………….. 51

2. Генная инженерия бактерий………………………………………. 53

3. Генная инженерия растений………………………………………. 56

4. Получение трансгенных растений………………………………... 57

5. Получение трансгенных животных………………………………. 58

Тема 7. Области применения трансгенных растений ……………….. 60

1. Получение трансгенных растений, устойчивых к вредным насекомым …………………………………………………………. 60

2. Перспективы и ограничения в использовании трансгенных растений ……………………………………………………………..61

3. Экологические проблемы, связанные с использованием трансгенных растений ………………………………………………64

Тема 8. Биотехнология производства продуктов питания и напитков…………………………………………………………………….. 75

1. Функциональные пищевые продукты …………………………...75

2. Ферментация овощей ……………………………………………...79

3. Биотехнологии в производстве чая, кофе ………………………..80

4. Производство сыра ……………………………………………….. 82

Тема 9. Технология производства алкогольных напитков, сахарозаменителей …………………………………………………………85

1. Технология производства алкогольных напитков …………… 85

2. Технология производства сахарозаменителей ………………… 91

Тема 10. Вторичное сырье, используемое в биотехнологическом производстве ………………………………………………………………..94

1. Растительное сырьё …………………………………………… 95

2. Промышленные отходы ……………………………………….. 98

3. Отходы животноводства ……………………………………... 104

Приложение ………………………………………………………………..106

Тема 1. Введение

1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса.

2. Принципы биотехнологии.

В наследство будущему столетию XXвек оставляет глобальную экологическую проблему - основательно исчерпанные невозобновимые природные ресурсы, деградированную и загрязненную биосферу, а также множество проблем, связанных с дефицитом продовольствия, ухудшением здоровья людей и качества жизни в целом. Но есть и другая сторона - это реальные пути и оригинальные подходы к решению глобальной экологической проблемы. Выработке стратегии и тактике этого решения мы также обязаны XXвеку: во второй его половине стала успешно набирать темпы новая, наукоемкая, бурно развивающаяся отрасль народного хозяйства - биотехнология.

Биотехнология базируется как на традиционных научных дисциплинах (физиология, биохимия, микробиология, медицина, агробиология), так и на рожденных уходящим веком молекулярной биологии и генетике, клеточной и генетической инженерии, кибернетике и информатике. Биотехнология - область знания, позволяющая получать путем управляемого культивирования организмов и (или) их фрагментов (тканей, клеток) полезные для человека продукты - пищу, корма, медицинские препараты, разнообразное сырье, доступные растениям формы азота, средства защиты растений и животных, а также утилизировать (конверсировать) различные органические отходы (промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные).

1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса

Биотехнология - это новая, сравнительно недавно получившая широкое развития наука о практическом использование различных биологических (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения антибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений новых сортов растений и животных, переработки сырья, промышленных и сельскохозяйственных отходов, очистки сточных вод и газовоздушных выбросов и так далее. Успехи, достигнутые в области биотехнологии, стали возможными благодаря бурному развитию таких наук, как биохимия, генетика, цитология, микробиология, молекулярная биология и другие.

Биотехнологический процесс

Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологическийпроцесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

Первым детально изученным процессом было брожение. Французский ученый Луи Пастср (1822 - 1895) первым показал, что брожение - это жизнь без свободного кислорода или анаэробное дыхание, происходящее при участии дрожжевых грибов. По вопросам бродильного производства - виноделию, пивоварению и получению уксуса - он опубликовал 3 монографии.

Биотехнологическиепроцессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.

Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.

1). Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.

2). Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.

3). Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.

4). Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах.

5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся -создание и широкое освоение:

1)новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

2)микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите
лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

3)ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;

4)новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

5)технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

Принципы биотехнологии

1. Принцип экономической обоснованности. Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза.

2. Принцип целесообразного уровня технологических разработок.
Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства - все это должно прямо определяться соображениями экономической выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. Для получения препаратов медицинского назначения, которые требуются в количестве нескольких сотен граммов в год, целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь себя не оправдывает. В большинстве современных микробиологических производств стремятся к использованию чистых культур микроорганизмов и к полной стерильности
оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз), может быть получен и без чистых культур, растущих в условиях не стерильности.

3. Принцип научной обоснованности биотехнологпческого процесса.
Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима его работ.

4. Принцип удешевления производства (максимальное снижение затрат). Как пример - использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов - природных водоёмов - вместо рукотворных аппаратов, в частности, для получения биомассы одноклеточных водорослей.

Изложенные принципы говорят о двуединой задаче биотехнологии: создание оптимальных условий для синтеза целевого продукта клетками биообъекта и в то же время вести производство в максимально экономическом режиме, при минимальных производственных затратах.

Вопросы для самопроверки

1. Какие основные цели и задачи биотехнологии?

2. Какова история развития науки?

3. Что такое биотехнологический процесс?

4. Какие выделяют принципы биотехнологии?

Тема 2. Микробиотехнология

1. Биологические объекты биотехнологии.

2. Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами.

3. Методы биотехнологии.

Методыбиотехнологии

В биотехнологии выделяют 2 метода: 1) Селекция; 2) Генная инженерия. Для получения высокоактивных продуктов используют методы селекции. С помощью селекции получены промышленные штаммы микроорганизмов, синтетическая активность которых превышает активность исходных штаммов в десятки и сотни раз.

Селекция

Селекция - направленный отбор мутантов (организмов, наследственность которых претерпела скачкообразное изменение). Генеральный путь селекции -переход от простого отбора продуцентов к сознательному конструированию их геномов. На каждом из этапов из популяции микроорганизмов отбираются наиболее высокоэффективные клоны. Таким путем за длительное время были отобраны штаммы пивных, винных, пекарских, уксуснокислых дрожжей, пропионовокислых бактерий и др. Применяется ступенчатый отбор: на каждом из этапов из популяции микроорганизмов отбираются наиболее высокоэффективные клоны. Ограниченность метода селекции, основанного на спонтанных мутациях, связана с их низкой частотой, что значительно затрудняет интенсификацию процесса. Изменения в структуре ДНК происходят редко. Ген должен удвоиться в среднем 10⁶-10⁸ раз, чтобы возникла мутация. Примером отбора наиболее продуктивных мутантов при культивировании в непрерывном режиме является отбор дрожжей по признаку устойчивости к этанолу, продукту жизнедеятельности дрожжей. К значительному ускорению селекции ведет индуцированный мутагенез - резкое увеличение частоты мутаций биообъекта при искусственном повреждении генома. Мутагенным действием обладают ультрафиолетовое, рентгеновское или у-излучение, некоторые химические соединения, вызывающие изменения первичной структуры ДНК. К числу наиболее известных и используемых мутагенов относятся азотистая кислота, алкилирующие агенты и т.д.

Проводят тотальную проверку (скрининг) полученных клонов. Отобрав наиболее продуктивные клоны, повторяют обработку тем же или другим мутагеном, вновь отбирают наиболее продуктивный вариант и т.д., т.е. речь идет о ступенчатом отборе по интересующему признаку.

Трудоемкость - основной недостаток метода индуцированного мутагенеза и последующего ступенчатого отбора. Недостатком метода является также отсутствие сведений о характере мутаций, исследователь проводит отбор по конечному результату.

Генетическая инженерия

Генетическая инженерия – направленная модификация биообъектов в результате введения искусственно созданных генетических программ. Уровни генетической инженерии:

1) генная – прямое манипулирование рекомбинантными ДНК, включающими отдельные гены;

2) хромосомная – манипулирование с группами генов или отдельными хромосомами;

3) геномная (клеточная) – перенос всего или большей части генетичекого материала от одной клетки к другой (клеточная инженерия). В современном понимании генетическая инженерия включает технологию рекомбинантных ДНК.

Работа в области генетической инженерии включает 4 этапа: 1) получение нужного гена; 2) встраивание его в вектор, способный к репликации; 3) введение гена с помощью вектора в организм; 4) питание и селекция клеток, которые приобрели желаемый ген.

Генетическая инженерия высших растений осуществляется на клеточном, тканевом и организменном уровне.

Основой клеточной инженерии является гибридизация соматических клеток – слияние неполовых клеток с образованием единого целого. Слияние клеток может быть полным или с введением их отдельных частей (митохондрий, хлоропластов и т.д.).

Соматическая гибридизация позволяет скрещивать генетически отдаленные организмы. Растительные, грибные и бактериальные клетки перед слиянием освобождают от клеточной стенки и получают протопласты. Затем проводят деполяризацию наружных цитоплазматических мембран переменным электрическим или магнитным полем, используют катионы Са⁺. Клеточную стенку подвергают ферментативному гидролизу.

Вопросы для самопроверки

1. Что является объектом биотехнологии?

2. Какие существуют типы клеточного строения?

3. Какие выделяют этапы роста культуры?

4. Что такое селекция и генная инженерия?

Очистка сточных вод

В процессе получения продуктов микробиологического синтеза потребляется большое количество воды, которая загрязняется вредными микроорганизмами, минеральными и органическими компонентами. Загрязняющие вещества находятся в растворенном и нерастворенном состояниях. С целью предотвращения вредного влияния сточных вод на состояние водоемов в нашей стране действуют «Правила охраны поверхностных вод». Очищенные сточные воды не должны содержать возбудителей заболеваний, а также запахов и привкусов, способных передаться рыбе. В сточных водах ограничивается содержание окисляемых микроорганизмами токсических веществ и взвешенных частиц.

Из общего количества органических веществ, содержащихся в исходных, питательных средах, в процессе производства используется 75-80%, остальное уходит с отработанными сточными водами.

1.1. Промышленные стоки. В производственных процессах получения белковых препаратов аминокислот, липидов и биотоплива промышленные стоки делятся на условно чистые и загрязненные.

К условно чистым относятся воды, прошедшие теплообменные аппараты, в них не происходит изменения состава, а только температуры. Остальные производственные стоки относятся к загрязненным. Загрязненные промышленные стоки характеризуются присутствием органических и неорганических веществ.

Загрязненность промышленных стоков и расход кислорода на процесс бактериального окисления органических веществ характеризуются биологическим потреблением кислорода (БПК), выражаемым в миллиграммах О2 на 1 л анализируемой жидкости: БПК; (при выдерживании пробы в течение пяти суток), БПК₂о (при выдерживании пробы в течение 20 суток; БПК_2П часто называют полным).

Зная количество содержащихся веществ и их характеристики по БПК, можно вычислить БПК смеси. Но когда в смеси присутствует большое количество веществ или точно не известен ее состав, определить БПК невозможно. Поэтому обычно проводят аналитическое определение БПК, дающее суммарное его значение, и тогда не требуется уточнения химического состава смеси.

В большинстве случаев на заводах по производству кормовых дрожжей, аминокислот, липидов и биотоплива количество загрязнений по БПК₅ и взвешенным веществам в 1, 5-2 раза превышает нормально допустимые величины. Качественный состав и загрязненность сточных вод. Основным загрязнителем при производстве кормовых дрожжей и липидов является культуральная жидкость после отделения дрожжей. На нее приходится 30-35% общего объема стоков завода и 70-90% общего количества загрязнений. Качественный состав сточных вод изменяется в зависимости от перерабатываемого сырья, вида вырабатываемой продукции, технологических режимов работы, расхода свежей воды.

Сточные воды гидролизно-дрожжевых заводов имеют коричневый цвет, обусловленный присутствием в них гуминоволигниновых веществ. Эти стоки отличаются большим содержанием органических веществ, часть которых составляют сахара и органические кислоты, в основном пентозы (ксилоза и арабиноза) и уксусная кислота. В стоках присутствуют и ядовитые примеси - фурфурол, оксиметилфурфурол, формальдегид, гуминово-лигниновые коллоидные вещества, терпены. Помимо них в стоках находятся в небольшом количестве азотистые и фосфорные соединения, а также продукты обмена веществ микроорганизмов - аминокислоты, янтарная, молочная и другие кислоты. Значительная загрязненность, повышенная кислотность и токсичность, высокое биохимическое потребление кислорода характерны для гидролизно-дрожжевых и дрожжевых заводов.

Сточные воды заводов по производству кормовых дрожжей на углеводородах нефти содержат остаточное количество н-парафинов. При работе по технологической схеме с рециркуляцией в них содержатся также повышенные количества ароматических углеводородов, накапливаемых при возврате отработанной культуральной жидкости в ферментер.

Объем и загрязненность сточных вод. Общее количество загрязненных промышленных стоков для дрожжевых заводов производительностью 80 тыс. т дрожжей в год составляет в среднем в зависимости от времени года 45-55 тыс. м³ в сутки. Основное количество загрязненных стоков составляет отработанная культуральная жидкость - 120-140 м³ на 1 т сухой массы дрожжей, объем общих стоков - 170-220 м³ на такую же массу дрожжей. Но в сбрасываемой культуральной жидкости содержатся основные загрязнения: по взвешенным веществам - до 75%, по БПК₅ - до 93-94%.

Количество взвешенных веществ в промышленных сточных водах обычно составляет 100-125 кг на 1 т сухой биомассы, из них только 25 кг приходится на долю минеральных веществ. Основное количество минеральных веществ приходится на гипс, органических - на лигнин.

Шламосодержащие стоки удаляют с территории завода на специально отведенные для этой цели площадки (шламоотвалы), горючие фракции подлежат сжиганию.

Снижения количества загрязнений можно достигнуть при внедрении новых технологических приемов и процессов, например при введении циклов повторного использования сточных вод, в частности использования отработанной культуральной жидкости на разбавление сусла перед выращиванием дрожжей с рециркуляцией на процесс гидролиза, на приготовление растворов питательных солей и известкового молока. В результате количество отработанной культуральной жидкости уменьшается вдвое.

1.2. Способы очистки сточных вод. После сброса очищенных сточных вод содержание взвешенных веществ в водоеме не должно увеличиваться более чем на 0, 25-0, 75 г/м³, а содержание органических веществ (по БПК₂о) не должно превышать 3-6 г/м³ в водоемах для питьевого и культурно-бытового водопользования и 2 г/м³ в водоемах рыбохозяйственного значения, в которых, кроме того, содержание растворенного кислорода не должно падать ниже 4-6 мг/л.

Способы очистки сточных вод разделяются на механические, физико-химические, биохимические, термические (тепловые).

Механическую очистку осуществляют в песколовках, отстойниках, центрифугах, флотаторах и фильтрах.

Физико-химические методы (коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция и сорбция) применяют для очистки сточных вод от коллоидных и растворенных соединений, количество которых в воде после сооружений механической очистки остается практически неизменным.

В качестве коагулянтов наиболее широко используются сульфат алюминия и хлорид железа. При введении коагулянтов в воду они обволакивают взвешенные частицы, полностью меняя их поверхностные свойства и нейтрализуя заряд. Коагулянты вызывают укрупнение частиц загрязнений и образуют хлопья.

В настоящее время минеральные коагулянты заменяют высокомолекулярными флокулянтами органического и неорганического происхождения. Сущность флокуляции заключается в агрегации частиц, при которой контакт частиц происходит через молекулы адсорбированного флокулянта.

Электрохимические методы очистки обладают рядом существенных преимуществ перед реагентными: не увеличивается солевой состав сточных вод, образуется меньшее количество осадка, упрощается технологическая схема очистки, обеспечивается автоматизация производственных установок, для размещения установок требуются незначительные производственные площади. Недостаток метода - высокие капитальные и эксплуатационные затраты на электродные системы и, образование отложений на них и возникновение взрывоопасных смесей газов. Электрокоагуляцию применяют для удаления из сточных вод тонко диспергированных примесей, для удаления истинно растворенных веществ этот метод не используется.

Очистка с помощью сорбентов. Сорбция - это процесс поглощения твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. В очистке сточных вод чаще используется ее разновидность - адсорбция - поглощение вещества из воды на поверхности или в объеме твердых тел (сорбентов). Сорбентами могут быть частицы углей, почвы и остатки растений. Если солесодержащие сточные воды не допускается выпускать в водоем, то их подвергают термическому обезвреживанию. Но термическое обезвреживание осуществляется на установках, работающих под давлением или вакуумом. Получаемый конденсат направляют в системы производственного водоснабжения, а солевые отходы вывозят для захоронения.

Биохимическая очистка является одним из основных методов очистки сточных вод заводов микробиологической промышленности как перед сбросом их в водоем, так и перед повторным использованием в системах оборотного водоснабжения. Считается, что микроорганизмы способны окислять все органические вещества, за исключением тех искусственно синтезированных, которым нет аналогов в природе. Наименее доступными источниками углерода являются вещества, не содержащие атомов кислорода - углеводороды, но они также расщепляются микроорганизмами активного ила. В том числе - входящие в состав ила.

Токсичными для микроорганизмов активного ила могут оказаться ионы тяжелых металлов и некоторые органические вещества. В концентрациях ниже ПДК последние могут усваиваться бактериями и служить источником углерода и энергии. Биологическую очистку проводят в аэротенках или в биоокислителях с интенсивной аэрацией среды. При этом снижается ВПК, за счет окисления органических веществ и нарастает биомасса микроорганизмов. Очищенные и осветленные сточные воды поступают в водоем и на рециркуляцию в производство, а активный ил, например, производства БВК, являясь источником белка и витаминов, упаковывается в бумажные мешки и направляется к потребителю.

1.3. Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод. Наиболее распространенная схема включает первичную и вторичную очистку. Первичная очистка заключается в механическом отделении загрязнений. Вторичная очистка предусматривает очистку сточных вод в системе очистных сооружений (биоокислителях), либо очистку сточных вод в естественных условиях на полях орошения.

Для повышения эффективности действия и снижения ВПК сточных вод вводится биокоагуляция (предварительная аэрация с добавлением ила из вторичных отстойников). Конструктивно предаэратор представляет собой аэротенк- резервуар прямоугольной формы, в котором временно пребывает сточная вода (10-20 минут). При их использовании снижается количество органических веществ в стоках, поступающих на аэротенки, до 15%. Первичные отстойники устанавливаются перед аэротенками, где вода пребывает 1-2 часа. В них накапливается избыточный активный ил, который потом извлекается насосами и подсушивается на иловых площадках до влажности 70-80%. Далее вода поступает в аэротенки..

Аэротенки предназначены для биологической очистки сточных вод, которые попадают в них после первичных отстойников. Работа аэротенков основана на использовании биохимического окисления органических веществ аэробными микроорганизмами, колонии которых образуют так называемый активный ил.

Аэротенк-смеситель представляет собой прямоугольный железобетонный резервуар, состоящий из одной или нескольких секций, с рабочей глубиной от 3 до 6 м. Секции разделены на коридоры, по которым проходит сточная вода. Время пребывания сточных вод в аэротенке зависит от скорости окисления и составляет 8-20 часов.

Вторичные радиальные отстойники служат для осаждения и осветления сточных вод после биологической очистки. Далее воду хлорируют.

Ершовый смеситель предназначен для интенсивного перемешивания воды, прошедшей очистку, с хлорной водой, которая поступает из хлораторной.

Для сгущения активного ила, поступающего со вторичных отстойников, используют гравитационные илоуплотнители. За 10-20 часов активный ил с влажностью 99-99, 2% уплотняется до влажности около 97%. Вследствие длительного уплотнения часть ила может загнивать, всплывать и уноситься в водоемы. Необходимо соблюдать режим илоуплотнения.

Сушка уплотненного ила с получением товарного продукта является конечным этапом очистки сточных вод. Для сушки активного ила могут быть использованы барабанные, вальцовые, ленточные и распылительные сушилки.

Для снижения загрязнений в стоках, оставшихся после аэротенков и вторичных отстойников, служат биологические пруды. Продолжительность пребывания в них сточных вод может превышать 10 суток. Глубина прудов составляет 2-3 м. Они занимают большие площади. В биологических прудах развиваются одноклеточные водоросли, которые выделяют метаболиты, обладающие бактерицидным действием по отношению к патогенной микрофлоре. Аналогичные метаболиты выделяются и высшей водной растительностью. Поэтому летом вода, выходящая из биопрудов, не требует хлорирования.

Степень очистки сточных вод в биологических прудах по БПК, изменяется в пределах 78, 9%.

Утилизация последрожжевой бражки. 1 кг отработанных культуральных сред содержит 0, 3-0, 6 кг ценных кормовых дрожжей и других продуктов (в пересчете на СВ). Проводится предварительная биологическая утилизация отработанных кулыуральных сред до их смешения с общими отходами, что увеличивает на 10% основную производительность предприятий.

Генная инженерия бактерий

Генетическая рекомбинация заключается в обмене генами между двумя хромосомами. Обмен генами и введение в клетку гена, принадлежащего другому виду, можно осуществить посредством генетической рекомбинации. Этот подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной палочке, в клетки которой вводили гены животных, человека и добивались их репликации (размножения). Выделение фрагментов ДНК в хромосомах, несущих гены с необходимыми свойствами, производят с помощью вырабатываемых клетками бактерий ферментов рестрикции (рестриктаз). В клетках кишечной палочки и других бактерий были обнаружены ферменты, разрезающие на куски ДНК вирусов и других фагов (там где расположены специфические последовательности нуклеотидов), и тем самым защищающие клетку от разрушения.

Рестриктазы распознают в ДНК специфичные для них участки длиной в 4-6 пар нуклеотидов и разрезают обе цепи ДНК посередине этих участков или с некоторым смещением. В первом случае образуются обрывки с ровными (тупыми) концами, во втором - стороны оборванных цепочек ДНК чуть-чуть заходят одна за другую. Такие концы называются липкими, они могут слипаться между собой в силу комплиментарности.

Скрепить липкие концы помогает ДНК-лигаза, сшивающая фосфодиэфирные связи.

Для кодирования среднего белка из 400 аминокислот нужен участок ДНК длиной 1200 пар нуклеотидов. В России и за рубежом из различных бактерий выделено несколько сотен рестриктаз, разрезающих ДНК в строго определенных местах, там, где фермент прикреплялся. При этом было установлено, что концы фрагментов ДНК, полученные с помощью обработки хромосом одной и той же рестриктазой, способны слипаться между собой в силу комплиментарности. Две совершенно не схожие между собой последовательности ДНК (например, слона и лягушки) образуют одинаковые липкие концы, если эти ДНК обработать одной и той же рестриктазой. В настоящее время известно более 500 рестриктаз, способных рубить ДНК в120 различных последовательностях. Это дало возможность получать фрагменты ДНК, содержащие желаемые гены. Участки ДНК, разрезаемые рестриктазами, несложно разделить с помощью электрофореза. ДНК, обработанную рестриктазой, вводят в гель агарозы, помещенной в электрическое поле. Под действием электрического поля фрагменты ДНК начинают перемещаться в пористом геле. Короткие фрагменты движутся быстрее, чем длинные, они отделяются друг от друга, не повреждаются и не утрачивают биологических свойств. Скрепить сцепившиеся липкие концы фрагментов разных ДНК помогает фермент ДНК-лигаза. Она сшивает фрагменты с образованием полной структуры двойной спирали ДНК.

Следующей задачей было создание функционально активных, способных реплицироваться гибридных ДНК. С этой целью интересующий фрагмент ДНК включают в состав вектора, с помощью которого он может быть размножен. Вектор - это молекула ДНК, способная переносить в клетку чужеродную ДНК любого происхождения и обеспечивать там ее размножение. Клетки, в которые вектор переносит вшитый в него ген, получили название реципиентов.

В качестве векторов чаще всего используют плазмиды бактерий. Главное свойство плазмид состоит в их способности реплицироваться независимо от хромосомы. По размеру ДНК плазмиды в 100 раз меньше ДНК бактериальной хромосомы. В плазмиде таких размеров все же может разместиться до сотни генов.

Плазмиды повышают устойчивость бактерий к внешним факторам, защищают их от неблагоприятных воздействий.

Выяснилось, что многие мелкие плазмиды содержат по одному участку для нескольких рестриктаз. Каждая такая рестриктаза не разорвет плазмиду на несколько мелких кусков, а лишь разрежет кольцо плазмидной ДНК и переведет ее в линейное состояние. Первая такая плазмида была открыта английским ученым Стэнли Коуэном в 1974 г., которую он назвал своим именем.Она самостоятельно размножается. Концы ее способны слипаться между собой или с любыми фрагментами другой ДНК, получаемыми под действием той же рестриктазы. Несет ген устойчивости к тетрациклину и легко обнаруживается при выращивании на среде с антибиотиком.

Следующая проблема - заставить клетку воспринять рекомбинантную ДНК. Объектом первых опытов по генной инженерии была избрана кишечная палочка Е.сoli. Клетки кишечной палочки выдерживают на холоде в растворе кальция, затем подвергают «тепловому шоку». После этого клеточная мембрана становится проницаемой для поступления извне молекул ДНК. В плазмиду была включена группа генов из хромосомы Е.сoli, ответственных за синтез аминокислоты триптофана. Когда в клетки Е.сoli ввели гибридную ДНК, они стали вырабатывать столько ферментов, участвующих в биосинтезе этой аминокислоты, что бактерии превратились в фабрику по производству триптофана.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒