[Росдистант] Биотехнологии (Практические задания 1,2 для ВКС) Росдистант ТГУ

Вашему вниманию представлены 2 (два) практических задания (для ВКС) по учебному курсу "Биотехнологии" (Росдистант),

Задания были приняты преподавателем без замечаний

Практическое задание № 1 Составление типовой схемы биотехнологического производства.

Цель работы: Ознакомиться с основными стадиями биотехнологического производства. Изучить основные направления развития биотехнологии.

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

Современная биотехнология использует достижения наук биологического цикла, так как базируется на глубоком знании характеристик микроорганизмов, их строении, физиологии, биохимии, генетике, взаимоотношениях в ассоциациях.

На развитие биотехнологии непосредственно влияют химия, физика, математика, механика, которые связаны с кинетикой процессов, влиянием на процессы различных внешних факторов, массо- и энергопереносом. Успехи машиностроения, электроники, автоматики позволили создать новую аппаратуру и автоматизировать биотехнологические процессы.

Связь с экономическими науками обусловлена постоянной конкуренцией с альтернативными технологиями (химической, сельскохозяйственной).

Основные направления в биотехнологии:

1. Создание новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины.

Антибиотики – специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающие их рост или полностью подавляющие развитие. Всего известно около 5000 антибиотиков, но не все из них допущены для применения в медицине. Это связано с токсичностью существующих антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и др. Поэтому происходит поиск новых антибиотиков по средствам испытания новых продуцентов, химической модификации, клеточной и генетической инженерии.

Гормоны. Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Раньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека. Требовалось много материала для получения небольшого количества продукта. В настоящее время с применением генноинженерных штаммов получают гормон роста (соматотропин), инсулин (регулирует уровень глюкозы в крови), кортизон (гормон надпочечников) и другие гормоны. Это позволяет снизить стоимость препаратов и получать их в больших количествах.

Интерфероны – выделяются клетками человека и животных в ответ на инфицирование вирусами. Они обладают антивирусной активностью. До введения методов генной инженерии интерфероны получали из донорской крови – до 1 мкг неочищенного интерферона из 1 л крови, т.е. примерно одну дозу для инъекции. В настоящее время интерфероны успешно получают с применением генноинженерных штаммов Escherichia coli, дрожжей, культивируемых клеток насекомых и млекопитающих. Интерфероны используются для лечения болезней, вызываемых вирусами герпеса, гепатитов и др.

Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены. Вакцинация – один из основных способов борьбы с инфекционными заболеваниями. Путем всеобщей вакцинации ликвидирована натуральная оспа, ограничено распространение бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки. Большое экономическое значение имеет разработка вакцин против болезней сельскохозяйственных животных (нпр, ящура). Традиционные вакцинные препараты изготовляют на основе ослабленных или инактивированных возбудителей болезней. Современные биотехнологические разработки предусматривают создание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вакцины обоих типов основаны на генноинженерном подходе.

Ферменты медицинского назначения. Многообразно применение ферментных препаратов в медицине. Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний, освобождения организма от токсических веществ и др.

2.Создание микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений, новых высокопродуктивных сортов и гибридов сельскохозяйственных растений.

Биотехнологические пути защиты растений от болезней и вредителей включают:

- выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам;

- химические средства борьбы с сорняками, грызунами, насекомыми, фитопатогенными грибами, бактериями, вирусами;

- биологические средства борьбы с вредителями, использование их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.

Наряду с защитой растений ставится задача повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах.

3.Создание ценных кормовых добавок для повышения продуктивности животноводства.

Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Биотехнологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов – бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса микроорганизмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными.

Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко используются твердофазные процессы.

4.Создание новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для использования в пищевых и других отраслях промышленности.

Аминокислоты (цистеин, метионин, лизин, глутамат) – повышение питательной ценности пищи, усиление аромата мясных, рыбных, грибных изделий.

Олигопептиды (аспартам, тауматин, монеллин) – низкокалорийные, очень сладкие вещества.

Ферменты: 

• -Галактозидаза - производство безлактозного молока, освобождение молочной сыворотки от лактозы, приготовление мороженого;

• Микробные протеазы – сыроварение, ускорение созревания теста, производство крекеров;

• Фицин, трипсин, бромеланин – ускорение маринования рыбы, удаление мяса с костей;

• Липазы – придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшение качества взбитых яичных белков;

• Глюкозооксидаза в сочетании с каталазой – удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонеза, лимонных, апельсиновых и виноградных соков.

Витамины (А, В1, В2, В6, В12, С, D, Е) – повышение питательной ценности пищевых продуктов, антиоксиданты.

Органические кислоты (уксусная, бензойная, молочная, глюконовая, лимонная) – консерванты, ароматизаторы.

5. Создание эффективной технологии переработки и очистки промышленных и бытовых отходов.

Важной составной частью современной биотехнологии является очистка воды от загрязнений, а также утилизация различных промышленных и бытовых отходов. Методы такой очистки основаны на использовании специфических биологических сообществ, носящих название активного ила, для глубокой утилизации как органических, так и неорганических загрязнений, оставшихся в воде после других видов очистки.

Биотехнологические производства являются весьма перспективными, что обусловлено их компактностью, крупномасштабностью, высоким уровнем автоматизации и высокой производительностью труда.

Процессы биотехнологических производств разнообразны, но все они имеют пять общих основных стадий, которые различаются по целям и принципам их достижения. Общая биотехнологическая схема производства продуктов микробного синтеза приведена на рис. 1.

1) Получение посевного материала. Посевной материал представляет собой чистую культуру микроорганизмов-продуцентов, размноженную в лабораторных условиях при оптимальном составе питательной среды и режиме выращивания. Культуры микроорганизмов-продуцентов заводы получают из коллекций в пробирках на агаризованных питательных средах или в ампулах. Чистая культура микроорганизма может постоянно или по мере необходимости использоваться в производстве. Сначала культуру размножают в лаборатории, затем в цехе чистых культур и инокуляции, далее направляют на культивирование.

2) Приготовление питательной среды – включает смешивание компонентов и стерилизацию. Основу питательных сред для культивирования микроорганизмов составляют источники углерода. Существуют микроорганизмы, способные потреблять углерод только из высокомолекулярных соединений, например белков и пептидов, в то же время многие бактерии и дрожжи утилизируют простейшие углеродосодержащие соединения - метан, этанол, углекислоту. Кроме углерода клетки микроорганизмов нуждаются в источниках азота, фосфора, макро- и микроэлементов. Вещества этого рода находятся в питательных средах в виде солей, в некоторых случаях азот и фосфор могут усваиваться из органических источников, например автолизатов и гидролизатов микробного или животного происхождения. 

Смешивание питательных веществ проводится в реакторах с мешалкой. Растворимые компоненты среды предварительно растворяют в воде. Нерастворимые компоненты (например, кукурузную, соевую муку, мел) – суспензируют. Составление среды считается завершенным, если в результате произведено тщательное измельчение ее твердых компонентов.

Завершающий этап приготовления питательной среды – стерилизация. Наиболее широкое распространение получила термическая стерилизация. Важнейшей проблемой при этом является сохранение питательных свойств среды, так как большинство субстратов, особенно углеводы, оказываются термически нестабильными. Некоторые субстраты не требуют стерилизации, так как сами обладают асептическим действием: метанол, этанол, уксусная кислота и др.

 3) Ферментация (культивирование) - это вся совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и стерилизованную питательную среду инокулята (посевного материала) до завершения процессов роста и биосинтеза вследствие исчерпывания питательных веществ среды. Существует два типа ферментаций: получение биомассы микроорганизмов и получение ценных веществ, возникающих в ходе 

роста или на последующих стадиях развития культуры.

4) Выделение целевого продукта. Стадия выделения и очистки продукта существенно зависит от того, накапливается продукт в клетках или он выделяется в культуральную жидкость, или же продуктом является сама клеточная масса. Разделение биомассы и культуральной жидкости - сепарация - осуществляется несколькими методами (флотация, фильтрация, центрифугирование). Если целевой продукт содержится в самих клетках, то проводят разрушение клеток - дезинтеграцию - физическими, химическими и химико-ферментативными способами.

Выделение продукта из культуральной жидкости или гомогената разрушенных клеток проводят путем его осаждения, экстракции или адсорбции. Затем выделенный продукт концентрируют ультрафильтрацией, выпариванием или обратным осмосом. После стабилизации продукта в зависимости от того, каким должен быть конечный продукт: сухим или жидким, его обезвоживают или сразу упаковывают и отправляют на хранение и далее - потребителю.

Задание. 

1. Изучив теоретический материал, составьте схему: Многостадийная биотехнологическая схема производства продуктов микробного синтеза.

2. Ответьте письменно на вопросы

Контрольные вопросы

1. Что такое биотехнология?

2. В чем заключается взаимосвязь биотехнологии с другими науками? 

3. Каковы основные направления развития биотехнологии?

4. Перечислите основные стадии биотехнологического производства.

5. Что такое посевной материал?

6. Как готовят посевной материал в производственных условиях?

7. Какие компоненты входят в состав питательных сред?

8. Что такое ферментация?

9. Какими методами осуществляется разделение биомассы от культуральной жидкости?

10. В каком случае необходима дезинтеграция клеток?

11. Назовите способы концентрирования продукта.

Практическое занятие № 2. Задачи по расчету адсорбции

Пример 1. Вычислить коэффициент диффузии сероводорода в воде при 50 °С.

Пример 2. Определить коэффициент массопередачи в водяном скруббере при поглощении из газа диоксида углерода по следующим данным. В скруббер поступает 6000 м3/ч газовой смеси, счи¬тая при атмосферном давлении и при рабочей температуре. На скруббер подается 700 м3/ч чистой воды. Начальное содержание диоксида углерода в газе 30% (об.), конечное (в верху скруббера) 0,3% (об.). Давление в скр.уббере рабо = 20 кгс/см2. Температура 20 °С. В нижнюю часть скруббера загружено 4 т керамических колец 50x50X5 мм. Выше загружено 20 т колец 35x35x4 мм. Коэффициент смоченности считать равным единице.

Пример 3. Из критериального уравнения (6.45) вывести расчетную формулу для определения числа единицы переноса по газовой фазе.

Пример 4. Определить коэффициент массоотдачи для газо¬вой фазы в насадочном абсорбере, в котором производится поглощение диоксида серы из инертного газа (азота) под атмосфер¬ным давлением. Температура в абсорбере 22°С, он работает в пленочном режиме. Скорость газа в абсорбере (фиктивная) 0,5 м/с. Абсорбер заполнен кусками кокса ( м2/м3,  м3/м3)

1. По уравнению для Нуссельта

 где: - постоянная Рейнольдса,

 где г = 0,017710-6 Пас – вязкость воздуха (рис. VI)

 кг/м³ - плотность воздуха;

 - молярная масса азота кг/кмоль

 Коэффициент диффузии берем такой же, как в воздухе

 м2/с

Prг = Г / (гDг) = 0,017710-3/(1,1611,5710-6) = 1,32

Где Dг = 10,310-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях

 Определяем коэффициент массоотдачи в газовой фазе

 м/с

 - эквивалентный диаметр, мм.

 м

Пример 6.4. В массообменном аппарате, работающем под дав¬лением рабс = 4 кгс/см2, коэффициенты массоотдачи имеют следующие значения:

 , . Равновесные составы газовой и жидкой фаз характеризуются за¬коном Генри . Определить: а) коэффициенты массопередачи Ку и Кх; б) во сколько раз диффузионное сопротив¬ление жидкой фазы отличается от диффузионного сопротивления газовой фазы:

Пример 5. Воздух атмосферного давления при температуре 40 °С насыщен водяным паром. Определить парциальное давление воздуха, объемный и массовый % пара в воздушно-паровой смеси и его относительную массовую концентрацию, считая оба компо¬нента смеси идеальными газами. Атмосферное давление 750 мм рт. ст. Определить также плотность воздушно- паровой смеси, сравнить ее с плотностью сухого воздуха.

Пример 6. Жидкая смесь содержит 65% (мол.) толуола и 35% (мол.) четыреххлористого углерода (ч. х. у.). Определить относительную массовую концентрацию толуола  и его объемную массовую концентрацию , (в кг/м3).

Пример 7. В массообменном аппарате - абсорбере коэффициент массопередачи  Инертный газ (не переходящий в жидкость) - азот. Давление рабс в аппарате 750 мм рт. ст., температура 30 °С. Определить значения коэффициента массопередачи  в следующих единицах: 1) ; 2) ; 3) 

Пример 8. Определить теоретически минимальный расход жидкого поглотителя с мольной массой 260 кг/кмоль, необходи¬мый для полного извлечения пропана и бутана из 2000 м³/ч (счи¬тая при нормальных условиях) газовой смеси. Содержание пропана в газе 20% (об.), бутана 15% (об.). Температура в абсорбере 40°С, абсолютное давление 3 кгс/сма (294 кПа). Раствори¬мости бутана и пропана в поглотителе характеризуются законом Рауля.