Направления промышленной биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Кафедра биохимии, биотехнологии и микробиологии

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Введение в биотехнологию»

на тему: «Промышленная биотехнология»

Выполнила:

Студентка, гр. Б8308а

Огнева З.В.

Проверил:

Профессор Челомина Г. Н.

г. Владивосток 2014 г.

Оглавление

• Введение
• 1. Технологическая биоэнергетика
• 1.1 Получение этанола как топлива
• 1.2 Получение метана и других углеводородов
• 1.3 Получение водорода как топлива будущего
• 1.4 Пути повышения эффективности фотосинтетических систем
• 1.5 Биотопливные элементы
• Заключение
• Список используемой литературы

Введение

Развитие промышленности ведет к образованию большого количества отходов, в том числе отходов, содержащих новые антропогенные компоненты. Методами биотехнологии эти отходы могут быть переработаны в полезные или безвредные продукты.

Сточные воды обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых компонентов различной природы и концентрации. Бытовые отходы, как правило, содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные микроорганизмы.

Сточные воды сахарных, крахмальных, пивных и дрожжевых заводов, мясокомбинатов содержат в больших количествах углеводы, белки и жиры, являющиеся источниками питательных веществ и энергии.

Стоки химических и металлургических производств могут содержать значительное количество токсических и даже взрывчатых веществ. Серьезное загрязнение возникает при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо, медь, олово и др.

Генетически сконструированные штаммы микроорганизмов в будущем смогут решить проблему очистки сточных вод и почв, загрязненных пестицидами и другими антропогенными веществами. Пестициды поступают в окружающую среду после обработки сельскохозяйственных культур. Большинство из них расщепляются бактериями и грибами. Лучше всего биодеградация пестицидов удается, если микроорганизмы действуют сообща, в химических реакциях сопряженного метаболизма. Биологические методы также применимы для очистки сточных вод нефтяной промышленности. Для этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти микробное сообщество.

1. Технологическая биоэнергетика

Технологическая биоэнергетика -- одно из направлений биотехнологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топливо -- метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и синтеза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солнца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии). Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса -- не только возобновляемый и почти даровой источник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.

1.1 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% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а остальные -- на газохоле. В США предполагают заменить на этанол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: 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.

Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи имеют ряд недостатков.

1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО2 и Н2О. Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию.

2. Чувствительность к этанолу, которая снижает выход целевого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.

3. Отсутствие ферментов, катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответствующей гидролитической активностью.

Бактерия Zymomonas molilis, применявшаяся центральноамериканскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу достигается добавлением в среду инкубации Mg2+ и ряда нуклеотидных компонентов.

Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризуются высокой скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum -- целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утилизирует продукты деградации целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Перспективно применение экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентов спирта. Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных волокнах.

1.2 Получение метана и других углеводородов

Получение метана -- важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. 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. Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%. Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами 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-образования применяют многокомпонентные микробные ассоциации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан 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 органических загрязнений с одновременным получением высококалорийного топлива. До 5--10% потребленного углерода превращается в биомассу, которая также находит применение. Используют как жидко-, так и твердофазные процессы получения биогаза (биогазификации).

Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты, например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение. Получение биогаза -- процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Индии, 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 вместимостью 10--15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек. Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов -- продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли -- 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 площадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию

1.3 Получение водорода как топлива будущего

Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью -- 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы. Гидрогеназа -- фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию

2Н+ + 2е- = Н2

Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щих систем. Сложной проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией. Иммобилизация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом. Предложено много вариантов модельных систем, катализирующих образование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые системы наряду с водородом образуют кислород: в этом случае речь идет о биофотолизе воды. Примером может служить система хлоропласт -- ферредоксин -- гидрогеназа.

Ферредоксин служит промежуточным переносчиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к добавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддержание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммобилизованной в агарозном геле, с которым прочно связан полимерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла. Водород получают также с применением целых клеток микроорганизмов, стабильность которых возрастает при их иммобилизации. Высокоэффективными продуцентами Н2 являются пурпурные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до 180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла

. Важное направление работ -- поиск продуцентов Н2 с устойчивой к О2 гидрогеназой. Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина). Основной функцией нитрогеназы является восстановление молекулярного азота:

N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота

В отсутствие основного субстрата (N2) нитрогеназа катализирует энергозависимое восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения -- получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утилизирующей азот. В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуществляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как продуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования).

Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2, то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования биообъекта.

Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.

1.4 Пути повышения эффективности фотосинтетических систем

Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктивные культурные растения запасают не более 1,5--2% энергии падающего света. Актуальная проблема технологической биоэнергетики -- повышение эффективности фотосинтеза у культурных растений.

Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы:

1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4--5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования;

2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза -- сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов;

3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности;

4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа;

5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, например, цитохромами;

6) увеличение скорости переноса электронов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.

Радикальным способом максимизации эффективности фотосинтеза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.

1.5 Биотопливные элементы

На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посредником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на электрод:

1) с участием медиатора и

2) непосредственный транспорт электронов на электрод

Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фруктозы и глюконовой кислоты. Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологических датчиков -- биосенсоров, широко применяемых в химической промышленности, медицине, при контроле за биотехнологическими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствительный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина.

Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения концентрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitrosomonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде -- биосенсор на NH4+. На биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2 Nitrobacter NO3 Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.

Заключение

биоэнергетика топливо фотосинтетический

Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки. Повышение цен на традиционные источники энергии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запасов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобновляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводороды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.

Список используемой литературы