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.

История возникновения и развития биотехнологии

История возникновения и развития биотехнологии включает три этапа.

1этап - зарождение биотехнологии с древних времен до конца XVIIIв. Археологические раскопки показывают, что ряд биотехнологических процессов зародились в древности. На территории древнейших очагов в Месопотамии, Египте сохранились остатки пекарен, пивоваренных заводов, сооруженных 4-6 тысячелетий назад. В 3 тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков сортов пива. В Древней Греции и Риме широкое распространение получили виноделие и изготовление сыра. В основе пивоварения и виноделия лежит деятельность дрожжевых грибков, сыроделия - молочнокислых бактерий, сычужного фермента Получение льняного волокна происходит с разрушением пектиновых веществ микроскопическими грибами и бактериями. Иными словами, зарождение биотехнологии тесно связано с сельским хозяйством, переработкой растениеводческой и животноводческой продукции.

2этап (XIX- первая половина XXв.) - становление биотехнологии как
науки. Этот этап связан с началом бурного развития биологических наук: генетики, микробиологии, вирусологии, цитологии, физиологии, эмбриологии. На рубеже XIXи XXвв. в ряде стран создаются первые биогазовые установки, в которых отходы животноводства и растениеводства под действием микроорганизмов превращались в биогаз (метан) и удобрение. В конце 40-х годов XX, века, с организацией крупномасштабного производства антибиотиков стала развиваться микробиологическая промышленность. Антибиотики нашли широкое применение не только в медицине, но и в сельском хозяйстве для лечения животных и растений, в качестве биодобавок в корма. Были созданы высокоэффективные формы с помощью мутаций. Возникли предприятия, на которых с помощью микроорганизмов производились аминокислоты, витамины, органические кислоты, ферменты. В конце 60-х годов получила развитие технология иммобилизованных ферментов.

3 этап (с середины 70-х годов XXвека) - ознаменовался развитием биотехнологии в различных направлениях с помощью методов генной и клеточной инженерии. Формальной датой рождения современной биотехнологии считается 1972г., когда была создана первая рекомбинативная (гибридная) ДНК, путем встраивания в нее чужеродных генов. До этого момента использовались, главным образом, физические и химические мутагены с целью создания форм микроорганизмов, синтезирующих ценные для человека вещества в 5 - 10 раз интенсивнее, по сравнению с исходными штаммами.

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.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒