Биологические процессы, используемые в технологии

Биологические процессы, «подсмотренные» человеком в природе и реализованные в промышленном производстве, получили название биотехнологических.

Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.

Термин биотехнология возник еще в начале XX века, однако биотехнологические процессы человечество использует с глубокой древности. Можно выделить такие сферы практической деятельности человека, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, силосование кормов, которые базируются на биотехнологических принципах. Выделяют две группы отраслей, которые охватывает биотехнология:

• * отрасли, занятые производством промышленной продукции;
• * производство продовольствия, выращивание дрожжей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов; увеличение продуктивности сельского хозяйства; фармацевтическая промышленность, защита окружающей среды и уменьшение ее загрязненности (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста).

Биотехнология — это новый этап современных биологических знаний и технологического опыта.

Возникнув на стыке различных направлений — микробиологии, биохимии, биофизики, генетики и других наук, базируясь на достижениях фундаментальных исследований, биотехнология стала одним из важнейших факторов развития общественного производства. Она создает возможность получения с помощью легкодоступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей.

Биотехнология сегодня — это многопрофильная и комплексная отрасль производства. Она включает в себя:

• * традиционную биотехнологию, основанную на реализации процессов брожения;
• * современную биотехнологию, реализованную в процессах микробиологического синтеза, генетической и клеточной инженерии, инженерной энзимологии (белковой инженерии).

К достоинствам биологических процессов относится то, что они используют возобновляемое сырье (биомасса), протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, нормальном давлении), с меньшим числом технологических стадий (этапов), их отходы доступны последующей переработке.

Особенно выгодно применение биотехнологических процессов (экономически и технологически) в случае производства относительно дорогих, но малотоннажных продуктов.

Брожение (ферментация) — процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на более простые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Этот процесс может осуществляться как с участием кислорода (аэробный процесс), так и без участия кислорода (анаэробный процесс).

Известны различные типы брожения. Они классифицируются или по субстратам, которые подвергаются разложению (например, пектиновое брожение клетчатки и др.), или, чаще, по конечным продуктам: спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др., протекающие в основном анаэробно.

Как сказано выше, одним из основных субстратов многих типов брожения служат углеводы, многостадийно расщепляющиеся в анаэробных условиях под действием ферментов.

Спиртовое брожение осуществляется в основном с помощью дрожжей ряда Saccharomyces и бактерий ряда Zimomonas и завершается образованием этилового спирта.

Этот вид брожения протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этанола (в основном из зерна ржи) — для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.

В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается.

Видоизмененным типом спиртового брожения является глицериновое брожение.

Молочнокислое брожение вызывается бактериями Lactobacillus и Streptococcus. Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир, простокваша и др.), квашении овощей (например, капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве). Пропионово-кислое брожение протекает под действием пропионово-кислых бактерий. Оно используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.

Масляно-кислое брожение осуществляется бактерией ряда Clostridium и приводит к порче пищевых продуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно использовалось для получения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона.

Метановое брожение начинается с разложения сложных веществ, например целлюлозы, до одно — или двухуглеродных молекул (СО 2, НСООН, СН 3СООН и др.), которое осуществляют микроорганизмы, живущие в симбиозе (сожительство) с метанообразующими бактериями. Последние и синтезируют метан.

В природе метановое брожение встречается в заболоченных водоемах. Оно используется в промышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органических веществ сточных вод. Образующиеся при этом метан в смеси с углекислым газом используется в качестве топлива.

Под действием некоторых аэробных микроорганизмов протекает брожение, при котором углеродный скелет исходного вещества (субстрата) не подвергается изменениям. К одному из таких видов брожения относится образование уксусной кислоты из этанола (уксуснокислое брожение) под действием т. н. уксуснокислых бактерий.

Микробиологический синтез (промышленная микробиология) — наука, изучающая промышленное получение веществ с помощью микроорганизмов.

Одна из важнейших проблем современности — восполнение дефицита белка на Земле. Чтобы получить необходимое количество белка, необходимо повысить продуктивность растениеводства и животноводства, организовать производство питательных веществ путем микробиологического синтеза. Эти задачи успешно решает промышленная микробиология.

Возможности микробиологической промышленности широко используются в медицине. Одним из мощных современных средств борьбы с инфекциями являются вакцины, производимые путем микробиологического синтеза.

В последнее время в мировой сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяется биологическому методу защиты возделываемых культур от вредителей и болезней. Создаются новые бактериальные удобрения и безвредные для окружающей среды средства борьбы с насекомыми-вредителями.

Дальнейшее развитие промышленной микробиологии будет способствовать повышению эффективности общественного производства, и резервы у промышленной микробиологии есть: из 100 000 видов микроорганизмов, которые известны человечеству, используется в настоящее время не более ста.

Основные задачи, решаемые промышленной микробиологией:

• * обеспечение населения наиболее ценными продуктами питания;
• * избавление человечества от опасных заболеваний;
• * охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов;
• * интенсификация производственных процессов в промышленности и сельском хозяйстве;
• * разработка новых источников энергии.

Возможность использования микробиологических методов для решения проблем энергетики способствовало появлению и развитию такого направления как биоэнергетика. Уже в настоящее время микробиологическим путем удается получать необходимую энергию в виде газообразного топлива из биомассы (биогаз).

Все шире используются возможности промышленной микробиологии в горнорудной и металлургической промышленности. Наибольший практический опыт накоплен в области использования микроорганизмов для извлечения цветных металлов, урана и золота путем бактериального выщелачивания их из бедных или труднообогащаемых другими способами руд. Такой способ обеспечивает комплексное и более полное использование минерального сырья, повышает культуру производства, благоприятен для охраны окружающей среды.

Генетическая инженерия — принципиально новое научное направление биотехнологии, позволяющее создавать искусственные генетические структуры путем целенаправленного воздействия на материальные носители наследственности (молекулы ДНК). Применяя генно-инженерные методы, в принципе, возможно конструировать совершенно новые организмы по заранее заданному «чертежу» .

Прикладное использование генетической инженерии привело к возникновению так называемой индустрии ДНК, к примеру, производство физиологических активных веществ белковой природы для медицинских и сельскохозяйственных нужд.

Уже есть ряд уникальных достижений генетической инженерии — промышленное производство интерферона, инсулина, гормона роста человека и т. д.

Весьма перспективен синтез генно-инженерными методами специальных микроорганизмов, производящих в больших количествах такие важные вещества, как аминокислоты, ферменты, витамины, стимуляторы иммунитета. Методы генетической инженерии могут быть использованы при решении задач биологической фиксации азота, повышения эффективности биологических методов защиты растений, создания новых сортов растений и пород животных. С помощью методов генетической инженерии вполне можно исправлять наследственные заболевания у человека, создавать стимуляторы регенерации тканей, которые можно использовать при лечении ран, ожогов, переломов.

Клеточная инженерия. Благодаря методам клеточной инженерии, появилось возможность производить ценные продукты в искусственных условиях (вне организма).

Используя клеточную инженерию, ученым удается конструировать новые высокоурожайные и устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям среды ценные для народного хозяйства растения.

Выведены гибридные сорта картофеля, винограда, сахарной свеклы, томатов. Используя данную технологию, можно получать даже межвидовые гибриды: яблони с вишней, картофеля с томатом и т. д.

Не менее значительны успехи клеточной инженерии и в работе с животными клетками. Создаются банки замороженных эмбрионов высокопородистых животных с последующей их пересадкой обычным животным для последующего их выведения. Уже сейчас отработана технология получения за сезон до 15−20 высокопородистых телят от одной элитной коровы, вживляя на основе ее клеточного материала искусственные эмбрионы низкопородистым коровам.

Клеточная инженерия позволяет нарабатывать биологически активные вещества на основе крупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получать популяции клеток того или иного органа, которые можно использовать для пересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и даже клетки нервной системы.

В последнее время клеточная инженерия совершила поистине революционный прорыв в области иммунологии. Методами клеточной инженерии разработан метод, по которому клетки лимфоцитов (один из основных факторов иммунной защиты организма) соединяют с опухолевой клеткой. Создаются так называемые гибридомы, которые начинают производить противоопухолевые антитела.

По чувствительности и избирательности они не имеют себе равных. Гибридомная технология открывает новую эру в иммунологии.

Не менее значительны успехи клеточной инженерии и в работе с животными клетками. Клеточная инженерия позволяет нарабатывать биологически активные вещества на основе крупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получать популяции клеток того или иного органа, которые можно использовать для пересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и даже клетки нервной системы.

Инженерная энзимология — наука, разрабатывающая основы создания высокоэффективных ферментов для промышленного использования, позволяющих многократно интенсифицировать технологические процессы при снижении их энергоемкости и материалоемкости.

Энзимы (ферменты) являются универсальными белками-катализаторами, с помощью которых осуществляются все процессы в живой клетке. Они проявляют исключительно высокую каталитическую активность, значительно превосходящую активность катализаторов небиологического происхождения.

Ферменты наиболее широко используются при производстве сахара для диабетиков, некоторых гормональных препаратов, используемых в медицине. Весьма перспективны ферменты в химической промышленности, при получении тканей, кож, бумаги, других синтетических материалов.

При этом использование ферментов не только позволит качественно усовершенствовать технологию, но и будет способствовать решению проблемы очистки окружающей среды.

Ферменты успешно используются в технологических процессах пищевой промышленности, в частности, для получения глюкозно-фруктозного сиропа, глюкозы из крахмала, улучшения качества молока и ряде других производств.