Современные биотехнологии

Московский  Государственный Вечерний Металлургический

институт 
 
 

Курсовая  работа

по дисциплине общая химическая технология

на тему: «Современная биотехнология» 
 
 
 

             Студент: Жеребина Н.С.            Преподаватель: доцент, кандидат 

               хим. наук Кругликова Е.С.

                           Группа: МЭ-07 
 
 
 
 

Москва 2010 

Оглавление:

Введение;

  1. Понятие биотехнологии;
  2. Этапы развития биотехнологии;
  3. История развития биотехнологии (даты, события);
  4. Биотехнология на службе народного хозяйства, медицины и науке:
  1. Биотехнология и сельское хозяйство. Биотехнология и растениеводство;
  1. Биотехнология и животноводство;
  2. Технологическая биоэнергетика;
  3. Биотехнология и медицина;
  4. Биотехнология и пищевая промышленность;
  5. Биогеотехнология;
  6. Биотехнология охраны окружающей среды;
  7. Биоэлектроника.

Заключение;

Список литературы. 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Понятие биотехнологий, несмотря на его научную принадлежность, сегодня широко используется в лексиконе современных людей. Оно звучит с экранов телевизоров, об этом пишут в газетах, интернет полон статей по проблематике биотехнологий, с этим понятием знакомы даже школьники. Это обусловлено активным развитием и замечательными перспективами использования биотехнологий, их ролью в жизни широких масс населения. Помимо очевидной научной ценности, биотехнологии стали занимать значительную нишу в экономике развитых стран, в том числе и в России. Развитие биотехнологий наше государство обоснованно считает важнейшей задачей как с точки зрения развития наукоемких и конкурентных отраслей экономики, так и с точки зрения безопасности. Развитие биотехнологий поддерживается в рамках реализуемой в настоящее время Федеральной целевой программы «Научно-технологическая база России» на 2007—2012 годы.

 

  1. Понятие биотехнологии.
 

Впервые термин "биотехнология" применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Биотехнология - это интеграция естественных и инже-нерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Биотехнология - это производство, основанное на последних достижениях современной науки: генной инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии, химии антибиотиков, комбинаторной химии. [2, с.3] Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решение проблем в области энергетики, охране окружающей среды. Современные биотехнологии защиты окружающей среды, основаны на применении биопрепаратов, в состав которых входят разнообразные бактерии (микроорганизмы), способные разлагать различные органические вещества, в том числе и те, которые загрязняют окружающую среду. Микроорганизмы - это удивительные создания природы, обладающие уникальными свойствами. Они - самые многочисленные обитатели нашей планеты. Среда обитания микроорганизмов охватывает весьма широкие зоны биосферы, зачастую с экстремальными условиями обитания, где не могут развиваться ни рас-тения, ни животные. Их повсеместное распространение обусловлено не-большими размерами, позволяющими легко переноситься с потоками воды и воздуха, а также высокой устойчивостью к экстремальным фак-торам среды. Обладая высокой химической активностью, они способны к разложению органических веществ как природного, так и антропогенного происхождения. Именно на этих уникальных свойствах микроорганизмов базируется применение биотехнологии, как эффективного способа защиты и восстановления окружающей среды.

  1. Этапы развития биотехнологии.

В развитии биотехнологии выделяют следующие  периоды:

  • эмпирический,
  • научный,
  • современный (молекулярный).

Последний специально отделяется от предыдущего, так как биотехнологии уже могут создавать и использовать в производстве неприродные организмы, полученные генно-инженерными методами.

Эмпирическая  биотехнология неотделима от цивилизации, преимущественно как сфера производства (с древнейших времен – при-готовление теста, получение молочнокислых продуктов, виноделие, пивоварение, ферментация табака и чая, выделка кож и обработка рас-тительных волокон). В течение тысячелетий человек применял в своих целях ферментативные процессы, не имея понятия ни о ферментах, ни о клетках с их видовой специфичностью и, тем более, генетическим ап-паратом. Причем прогресс точных наук долгое время не влиял на технологические приемы, используемые в эмпирической биотехнологии.

Быстрое развитие биотехнологии как научной дисциплины с середины XIX в. было инициировано работами Луи Пастера (1822 – 1895). Именно Пастер ввел понятие биообъекта, не прибегая, впрочем, к такому термину, доказал «живую природу» брожений: каждое осуществлявшееся в произ-водственных условиях брожение (спиртовое, уксусное, молочнокислое и т.д.) вызывается своим микроорганизмом, а срыв производственного процесса обусловлен несоблюдением чистоты культуры микроорганизма, являющегося в данном случае биообъектом. Практическое значение этих исследований Пастера сводится к требованию поддержания чистоты культуры, т.е. к проведению производственного процесса с инди-видуальным, имеющим точные характеристики биообъектом. Ослаб-ленный патоген и животное, в организм которого он введен, могут рас-сматриваться как своеобразный биообъект, а получаемая вакцина - как биотехнологический препарат. Пастер создал строго научные основы по-лучения вакцин, тогда как замечательные достижения Э. Дженнера в борьбе с оспой были результатом освоения эмпирического опыта индийской медицины.

Современная биотехнология, основанная на достижениях молекулярной биологии, молекулярной генетики и биоорганической химии (на прак-тическом воплощении этих достижений), выросла из биотехнологии Пастера и, являясь также строго научной, отличается от последней, прежде всего тем, что способна создавать и использовать в производстве не-природные биообъекты, что отражается как на производственном про-цессе в целом, так и на свойствах новых биотехнологических продуктов.

  1. История развития биотехнологии (даты, события)

1917 г. – введен термин биотехнология

- произведен  в промышленном масштабе пенициллин;

- показано, что генетический материал представляет  собой ДНК;

1953 г. – установлена структура инсулина, расшифрована структура ДНК;

1961 г. –  учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»;

1961-1966 гг. – расшифрован генетический код, оказавшийся универсальным для всех организмов;

1953-1976 гг. – расшифрована структура ДНК, ее функции в сохранении и передаче организмом наследственной информации, способность ДНК организовываться в гены;

1963 г. – осуществлён синтез биополимеров по установленной структуре;

1970 г.  – выделена первая рестрикционная эндонуклеаза;

- осуществлён  синтез ДНК;

1972 г. – синтезирован полноразмерный ген транспортной РНК;

1975 г.  – получены моноклональные антитела;

1976 г. – разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК;

1978 г. – фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е. соli;

- синтезированы  фрагменты нуклеиновых кислот;

- разрешена  к применению в Европе первая  вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК;

1983 г.  – гибридные Ti-плазмиды применены для трансформации растений;

1990 г.  – официально начаты работы над проектом «геном человека»;

1994-1995 гг. – опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека;

1996 г. – ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов;

1997 г. – клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки;

2003 г. – расшифрован геном (набор генов, присущий организму) человека, содержащий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв» молекул ДНК. 

  1. Биотехнология на службе народного  хозяйства, медицины и науке.

Биотехнологические  разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.

 Для удовлетворения  пищевых потребностей необходимо  увеличить эф-фективность растениеводства и животноводства. Именно на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, грибов и водорослей.

Во-вторых, повышение цен на традиционные источники  энергии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запасов побудили челове-чество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотех-нология может дать ценные возобновляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводороды, водород. Эти экологически чистые ви-ды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышлен-ного и сельскохозяйственного производства.

В-третьих, уже в наши дни биотехнология  оказывает реальную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свертывания крови и иммунной системы, тромболитических ферментов, изготовленных биотехнологи-ческим путем. Помимо получения лечебных средств, биотехнология позво-ляет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злока-чественных новообразований на основе применения препаратов анти-генов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вак-цинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масштабы за-грязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами автомобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены на создание безотходных технологий, на получение легко разрушаемых полимеров (в частности, биогенного происхождения: поли-b-оксибутирата, поли-амилозы) и поиск новых активных микроорганизмов-разрушителей поли-меров (полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила). Усилия биотехно-логов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями — следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.

Биотехнологические  разработки играют важную роль в добыче и пере-работке полезных ископаемых, получении различных препаратов и созда-нии новой аппаратуры для аналитических целей.

  1. Биотехнология и сельское хозяйство. Биотехнология и растениеводство.

Культурные  растения страдают от сорняков, грызунов, насекомых-вреди-телей, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных по-годных и климатических условий. Перечисленные факторы наряду с поч-венной эрозией и градом значительно снижают урожайность сельско-хозяйственных растений. Известно, какие разрушительные последствия в картофелеводстве вызывает колорадский жук, а также гриб Phytophtora — возбудитель ранней гнили (фитофтороза) картофеля.

В последние  годы большое внимание уделяют вирусным заболеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими видимые следы на куль-турных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие урожайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырождению.

Биотехнологические  пути защиты растений от рассмотренных  вредо-носных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к не-благоприятным факторам; 2) химические средства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсе-ктициды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, вирусами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, использование их естес-твенных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.

Наряду с  защитой растений ставится задача повышения  продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Разработки нацелены на повышение энер-гетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от поглощения кванта света и кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.

Выведение новых сортов растений. Традиционные подходы к выведению новых  сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спон-танных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отда-ленного будущего включают генетическую и клеточную инженерию.

С клонированием  клеток связывают надежды на устранение вирусных за-болеваний растений. Разработаны методы, позволяющие получать реге-неранты из тканей верхушечных почек растений. В дальнейшем среди ре-генерированных растений проводят отбор особей, выращенных из неза-раженных клеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление ви-русного заболевания, необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществлено методами иммунодиагностики, с использованием мо-ноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов соответствующих виру-сов или их структурных компонентов. Клонирование клеток — перспек-тивный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важ-ных продуктов. При правильном подборе условий культивирования, в час-тности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация рас-тительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их син-тетической активности.

Таким образом,  биотехнология открывает широкие  перспективы в облас-ти выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений, отличающихся высокой продуктивностью.

  1. Биотехнология и животноводство.

Большое значение в связи с интенсификацией  животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных живот-ных с применением рекомбинантных живых вакцин и генно-инженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью мо-ноклональных антител и ДНК/РНК-проб.

Для повышения  продуктивности животных нужен полноценный  корм. Ми-кробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффекти-вностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормо-вых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна. Это имеет большое народно-хозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

Одноклеточные организмы характеризуются высоким  содержанием белка — от 40 до 80% и более. Белок одноклеточных  богат лизином, незаме-нимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недостаточным по лизину растительным кор-мам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком биомассы одноклеточных является нехватка серосодер-жащих аминокислот, в первую очередь метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток при-сущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питатель-ная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повыше-на добавкой синтетического метионина.

Производство  кормового белка на основе одноклеточных — процесс, не-требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погод-ных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизи-рованном режиме.

В нашей  стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использовании углеводородов как суб-стратов для крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов. Важнейшими альтернативными субстратами служит метанол, этанол, углеводы растительного происхождения, в перспективе водород.

Очищенный этанол на мировом рынке стоит  почти вдвое дороже мета-нола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 г дрожжевой массы, а из 1 кг мета-нола-до 440 г. Биомасса из этанола особенно богата лизином — до 7%.

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

Перспективными  источниками белка представляются фототрофные микро-организмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одно-клеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus. Наряду с обыч-ными аппаратами для их выращивания используют искусственные водое-мы. Добавление к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволя-ет резко повысить эффективность усвоения белков животными.

Таким образом, существуют разнообразные источники  сырья для полу-чения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь высококачественный белок, что он может быть рекомендован в пищу. Цианобактерии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Цент-ральной Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.

  1. Технологическая биоэнергетика.

Технологическая биоэнергетика — одно из направлений  биотехнологии, связанное с эффективным  использованием энергии, запасаемой при  фото-синтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, на-копленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топ-ливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации са-мого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с макси-мальной эффективностью используется на образование водорода или дру-гого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и синтеза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосред-ственного преобразования энергии Солнца в электрическую (био-фотоэлектрические преобразователи энергии).

Получение этанола как топлива.

Этанол —  экологически чистое топливо, дающее при  сгорании СО2 и Н2О. Он используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75% ав-томобилей работали на 95%-ном этаноле, а остальные — на газохоле. В США предполагают заменить на этанол 10% потребляемого бензина. Ши-рокое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяй-ственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработ-ки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает пробле-ма, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилем-мой: продовольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта приходится 12-14 л сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.

Получение метана и других углеводородов.

Получение метана — важный путь утилизации сельскохозяйственных отхо-дов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присутствие СО2 ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в зависимости от соотношения СН4/СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Со-держание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая  группа мик-роорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность метан-образующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Суб-стратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2). Поскольку биогаз практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образова-ния применяют многокомпонентные микробные ассоциации.

Наряду с  метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций вхо-дят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая ме-тан при разложении биомассы водорослей.

Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90—95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом используют для очистки сточных вод от орга-нических загрязнений с одновременным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потребленного углерода превращается в биомассу, которая также находит применение. Используют как жидко-, так и твердо-фазные процессы получения биогаза (биогазификации).

Наряду с  биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты, например витамин В12. После переработки органического суб-страта в биогаз остается материал, представляющий собой ценное мине-ральное (азотное и фосфорное) удобрение.

Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Ин-дии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вмес-тимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических пот-ребностей семьи из пяти человек.

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов — продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микро-водоросли — Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются в значительных количествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной пло-щадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углево-дородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию.

Получение водорода как топлива  будущего.

Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых раз-работок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэко-номичны, поэтому заманчиво использование микроорганизмов, способ-ных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэро-бные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бакте-рии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Про-цесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

  1. Биотехнология и медицина.

Нет такого экспериментального подхода или  исследовательского направ-ления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гу-манной из всех наук.

Антибиотики.

Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обла-дающие высокой физиологической активностью по отношению к опреде-ленным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, из-бирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих разви-тие. Далеко не все из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для применения в медицине.

Важной задачей  является повышение эффективности  биосинтеза из-вестных антибиотиков. Значительных результатов удалось добиться за де-сятилетия селекции штаммов-продуцентов с применением инду-цированного мутагенеза и ступенчатого отбора. Например, продук-тивность штаммов Penicillium по синтезу пенициллина увеличена в 300—350 раз. Определенные перспективы открываются в связи с возможностью клонирования генов «узких мест» биосинтеза антибиотика или в случае, если все биосинтетические ферменты кодируются единым опероном.

Вместо антибиотика  в организм человека может вводиться  его продуцент, антагонист возбудителя заболевания. Этот подход берет начало с работ И. И.Мечникова о подавлении гнилостной микрофлоры в толстом кишечнике человека посредством молочнокислых бактерий. Важную роль в возник-новении кариеса зубов играет обитающая во рту бактерия Streptococcus mutans, которая выделяет кислоты, разрушающие зубную эмаль и дентин. Получен мутант Strept. mutans, который при введении в ротовую полость почти не образует коррозивных кислот, вытесняет дикий патогенный штамм и выделяет летальный для него белковый продукт.

Гормоны.

Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли  в пос-ледние годы в направлении синтеза пептидных гормонов.

Раньше гормоны  получали из органов и тканей животных и человека (кро-ви доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Тре-бовалось много материала для получения небольшого количества продук-та. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться нес-колько лет. С применением генно-инженерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низ-корослостью — более слабой степенью дефицита соматотропина.  Сома-тотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с кальцитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са2+ в костной ткани.

Современные биотехнологии 📙 Реферат → 🆔 253813

Современные биотехнологии 📙 Реферат → 🆔 253813

Современные биотехнологии