Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Алтайский государственный аграрный университет Инженерный факультет Кафедра: «Кафедра механизации производства и переработки сельскохозяйственной продукции» Дисциплина: «Современные проблемы науки и производства в агроинженерии» РЕФЕРАТ Тема: «Биотехнологии и их роль в АПК» Выполнил: магистрант 2 курса Группа 230 Жданов Данил Алексеевич Проверил: д.т.н., профессор Федоренко И. Я Барнаул 2024 Содержание Введение……………………………………………………………………3 1. Понятие о биотехнологии, цели, задачи, принципы биотехнологии……………………………………………………………………4 2. История возникновения и развития биотехнологии………………….7 3. Объекты и методы биотехнологии…………………………………….8 4. Современная промышленная биотехнология…………………….......10 5. Биотехнология в животноводстве…………………………………….18 6. Биотехнология в растениеводстве…………………………………….21 7. Биотехнология и пищевая промышленность…………………………22 8. Оборудование для биотехнологического производства…….………25 Заключение………………………………………………………………..34 Библиографический список………………………………………………35 2 Введение Биотехнология – это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Это название одной из древнейших сфер нашей жизни: выпечка хлеба, производство сыра, уксуса, переработка продуктов, изготовление лекарственных препаратов, переработка отходов - вот неполный перечень приемов биотехнологии, используемых человечеством с давних времен. Термин «биотехнология» становится общепринятым примерно с конца 70-х годов двадцатого столетия, а до этого разнообразные технологии, связанные с биотехнологией, называли прикладными. Это относится к микробиологии, генетике, биохимии и энзимологии. Мощный импульс биотехнология получила после расшифровки Уотсоном и Криком (1953) структуры ДНК, а также способов ее модификации и переноса из одних организмов в другие. Так появились новые направления биологии генетическая и клеточная инженерия [4]. Современные специалисты, работающие в сельском хозяйстве, в сфере АПК и других отраслях народного хозяйства должны в совершенстве владеть методами биотехнологии, уметь использовать их для увеличения производства сельскохозяйственной продукции, улучшения ее качества, защиты природы от загрязнения и повышения устойчивости всего агропромышленного производства [3]. Биотехнология наряду с информатизацией стала одним из главных научно-практических направлений ХХ1 века, определяющих уровень мировой цивилизации. В связи с этим развитие биотехнологии является стратегической задачей России, необходимой для обеспечения её статуса великой державы [4]. 3 1. Понятие о биотехнологии, цели, задачи, принципы биотехнологии Название науки «Биотехнология» происходит от греческих слов «bios» – жизнь, «teken» – искусство, «logos» – слово, учение, наука. Термин «биотехнология» вошел в широкий обиход в 70-е годы ХХ века, хотя многие ее методы использовались испокон веков. Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Европейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 году. Биотехнология – это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, иммунологии, биохимии, химической генетики, технологии, генной приборов инженерии, машиностроения использует биотехнологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов [2]. Основная биологических цель биотехнологии процессов и – промышленное использование агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами [5]. Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической. Например: 1. Низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С. 2. Биотехнологическое использовании стандартного производство однотипного чаще базируется оборудования. на Однотипные ферментеры применяются для производства аминокислот, витаминов, ферментов, антибиотиков. 4 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 экологически наиболее биотехнологических биотехнологических чистыми. производств производств Экологическая определяется делает их целесообразность также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах. 5. Исследования в области биотехнологии 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 вредителей, 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 5 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 икроорганизмов 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 биотехнологического 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, одноклеточных водорослей [5]. 6 для получения биомассы Рис. 1. Междисциплинарная природа биотехнологии 2. История возникновения и развития биотехнологии Вопрос о формировании биотехнологии трактуется неоднозначно: по мнению одних, считается правомерным отнести к сфере биотехнологии древние процессы брожения, включая получение спирта, силосование; по мнению других, условной датой появления биотехнологии можно считать присуждение компании «Мерк Кемикал Компани» за достижения в области биохимической технологии в 1947 г. премии Мак-Гро – Хилла и, наконец, есть мнение, что биотехнологии следует отнести к 70-м годам ХХ столетия зарождения правомерно генетической инженерии. Видимо, начало к моменту отнести возникновение современной биотехнологии, начавшей свое формирование на базе существующих отраслей микробиологической промышленности, к началу 50-х годов нынешнего века, а весь предшествующий данному периоду этап называть предысторией формирования ведущей корни из древнейших цивилизаций. 7 биотехнологии, На III съезде Европейской ассоциации биотехнологов (Мюнхен, 1984 год) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю биотехнологии на 5 эр. I. Допастеровская эра (до 1865 года) – использование спиртового и молочнокислого брожения при получении пива, вина, сыра, хлеба. Получение ферментированных продуктов и уксуса. II. Послепастеровская эра (1866–1940 годы) – производство этанола, бутанола, ацетона, глицерина, органических кислот, вакцин. Аэробная очистка канализационных вод. Производство кормовых дрожжей из углеводов. III. Эра антибиотиков (1941–1960 годы) – производство пенициллина и других антибиотиков путем глубинной ферментации. Культивирование растительных клеток и вирусных вакцин. IV. Эра управляемого биосинтеза (1961–1975 годы) – производство аминокислот с помощью микробных мутантов. Получение чистых ферментов. Анаэробная очистка сточных вод. V. Эра новой биотехнологии (после 1975 год) – использование генной и клеточной инженерии в целях получения агентов биосинтеза, получение гибридов, моноклональных антител, трансплантация эмбрионов [2]. 3. Объекты и методы биотехнологии В качестве биологических объектов, или систем, которые использует биотехнология, прежде всего, необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами: 1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, необходимые в жизни человека, пока недоступны для получения 8 «небиотехнологическими» способами из-за дефицитности, высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов; 2. Клетки быстро воспроизводятся; 3. Биосинтез сложных веществ, таких, как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырье для других видов синтеза; 4. Возможность промышленных проведения масштабах, технологического биотехнологического т. оборудования, е. наличие доступность процесса в соответствующего сырья, технологии переработки и т. д. Таким образом, природа дала в руки исследователям живую систему, содержащую и синтезирующую уникальные компоненты и, в первую очередь, нуклеиновые кислоты, с открытием которых и начали бурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом. Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы. Методы, применяемые в биотехнологии, определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. В первом случае дело имеют с бактериальными клетками (для получения вакцинных антибиотиков), препаратов), микромицетами актиномицетами (при получении (при получении лимонной кислоты), животными клетками (при изготовлении противовирусных вакцин), клеток человека (при изготовлении интерферона) и др. Во втором случае дело имеют с молекулами, например, с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный. 9 Генная инженерия — это отрасль молекулярной биологии и генетики, задачей которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой. Во многих случаях это сводится к переносу необходимых генов от одного вида живых организмов к другому, зачастую очень далекому по происхождению. Клеточная инженерия — метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования на питательной среде, гибридизации и реконструкции. При этом в клетки вводят новые хромосомы, ядра и другие клеточные структуры. Клонирование — это получение многочисленных копий гена, белка, клетки или организма. Клонирование генов чаще всего осуществляется с помощью бактерий и вирусов, поскольку, например, одна вирусная частица бактериофага, в которой содержится нужный ген, за один день может образовать более 1012 идентичных копий себя и этой молекулы. 4. Современная промышленная биотехнология Современные биотехнологии являются одной из самых динамично развивающихся и инвестиционно-привлекательных отраслей мировой экономики. По оценкам ведущих экспертов отрасли экспертов к 2030 г. биотехнология обеспечит 2.7% ВВП развитых стран. Для развивающихся стран вклад биотехнологии будет еще больше. К 2030 г. биотехнология обеспечит 80% промышленности медицинских и 50% препаратов, 35% сельскохозяйственного химической производства. Биотехнология как интегральная инновационная отрасль может стать базой для еще более успешного выполнения приоритетных национальных проектов. При реализации биотехнологических проектов можно рассчитывать в целом на: 1. Получение жизненно важных медицинских препаратов. 10 2. Обеспечение населения новыми качественными продуктами питания. 3. Прорыв в решении экологических проблем. 4. Развитие альтернативных источников энергии и сырья на основе возобновляемых биоресурсов. 5. Существенное продвижение всей экономики по инновационному пути развития, создание новых рабочих мест и подъем экономически депрессивных регионов. 6. Создание надежной системы противодействия биотерроризму и обеспечения биобезопасности. Учитывая особенности определения биотехнологий, можно проводить систематизацию этих технологий по двум направлениям: научно-обобщающему и отраслевому. При «отраслевом» подходе к классификации биотехнологий можно говорить: - сельскохозяйственных биотехнологиях (генетическая модификация растений и животных для получения желаемых свойств и характеристик: устойчивости бактериям и к гербицидам, грибам, вредителям, болезнетворным вирусам, неблагоприятным климатическим условиям, повышенного или пониженного содержания тех или иных питательных веществ, улучшенных вкусовых качеств и т. д.); - медицинских биотехнологиях (генная диагностика, генная терапия, трансплантация зародышевых клеток и тканей, ксенотрансплантация, клонирование, получение моноклональных антител, нейрофармакологические разработки и т. д); - экологических биотехнологиях (применение специально модифицированных бактерий для расщепления разлитой нефти, химических отходов и т. д.); 11 - промышленных биотехнологиях (применение микроорганизмов для отделения металла от рудной массы, получение электроэнергии из биомассы и т. д.). Поскольку биотехнология используется в различных отраслях промышленности и затрагивает многие сферы жизни человека, в мире принята следующая "цветовая" классификация биотехнологии: "красная" биотехнология – биотехнология, связанная с обеспечением здоровья человека и потенциальной коррекцией его генома, а также с производством биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител); "зеленая" биотехнология – направлена на разработку и создание генетически модифицированных (ГМ) растений, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам, определяет современные методы ведения сельского и лесного хозяйства; "белая" биотехнология объединяющая производство – промышленная биотоплива, биотехнологии биотехнология, в пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности; "серая" биотехнология – связана с природоохранной деятельностью, биоремедиацией; "синяя" биотехнология – связана организмов и сырьевых ресурсов. 12 с использованием морских Рис. 2. Возможности использования биотехнологии Наиболее бурно развивающейся отраслью биотехнологии является медицинская биотехнология; в России на неё приходится около 70% объёма биотехнологической продукции. Номенклатура фармацевтических препаратов, получаемых с помощью биотехнологии, в России значительно уже мировой и представлена следующими препаратами: антибиотики, витамины, ферменты, иммунобиологические препараты, биотехнологические препараты крови, генно - инженерные лекарственные препараты. 13 Наиболее высококачественную и конкурентноспособную продукцию производят ВНИИ Казанский ветеринарный защиты животных институт, Институт (п. Юрьев), полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П.Чумакова. Крупнейшими производителями иммунобиологических препаратов являются ФГУП НПО «Микроген», ОАО «Биомед», ООО «Диагностические системы» и др. Генно – инженерные лекарственных препарата препараты и 1 (4 генно- генно- инженерных инженерная вакцина) производятся предприятиями, созданными на базе ГНЦ ВБ «Вектор» (г. Новосибирск), ГУ НИИ ОЧБП (Санкт- Петербург), Институт биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН. Стратегическим направлением российской медицинской биотехнологии является производство отечественного генно-инженерного инсулина и других биотехнологических дженериков. Биологически активные вещества, биологически активные добавки и другие продукты растительного происхождения относятся к заметной части биоиндустрии. Число зарегистрированных БАД в России в настоящее время приближается к 1000, число компаний, производящих эту продукцию превышает 200, объем рынка свыше $800 млн. Отечественное производство закрывает 70% потребности в натуральном выражении и около 25% в стоимости. Диагностические средства ин витро – наиболее динамично развивающийся сегмент биотехнологического рынка с общим объемомоколо $ 100 млн. и ежегодным ростом более 10%; основные виды продукции – иммуноферментные тест- системы и ДНК- диагностикумы. Производством этой продукции занимаются около 40 малых и средних компаний, на долю которых приходится до 305 рынка.(остальное – импорт). Новое перспективное направление биологические микрочипы, разработка которых ведется в ряде НИИ. 14 – Сельскохозяйственная биотехнология характеризуется следующими показателями. Препараты для животноводства (ветеринарные препараты и кормовые добавки). На ветеринарном рынке успешно работают около 30 отечественных производителей, продукция которых не уступает по эффективности зарубежным аналогам. Они выпускают кормовой микробиологический белок , премиксы (белково- витаминные добавки к кормам). Ключевой незаменимой аминокислотой, без которой невозможно широкомасштабное птицеводство и животноводство, лизин – биотехнологической продукции для $ отечественного практически не производится в России. Общий объем животноводства рынка РФ для составляет 137 млн. (доля производства - $ 105 млн.). Препараты для растениеводства – среди них основными являются биологические средства защиты растений. Объем производства этих препаратов в последние годы увеличился на 90%, причем импорт данной продукции отсутствует. В настоящее время получает развитие производство биоудобрений, которые разрабатываются и выпускаются рядом НИИ и предприятий агробиотехнологического профиля. Трансгенные растения широко применяются в мире (до 20% от общего объема биоиндустрии). В России производства отечественных в настоящее время нет трансгенных растений. В Центре «Биоинженерия» РАН создан сорт трансгенного картофеля, но он не получил широкого распространения в производстве. Производство ферментов и ферментных препаратов для получения детергентов, используемых в текстильной и химической промышленности, для различных переработки отраслей углеводородного пищевой промышленности 15 сырья, и для производства комбикормов составляет $ 12 млн, на долю импорта приходится $20 млн. Крупнейшие производители ферментов – ОАО «Восток» (Кировская область) и ОАО «Сиббиофарм» (Новосибирская область). Производство дрожжей и живых культур микроорганизмов представляет собой стабильный, развивающийся сегмент отечественной промышленной биотехнологии. Это касается дрожжей, объем которых составляет $58 млн при импорте в $ 16 млн. на долю отечественного производства живых культур микроорганизмов приходится $ 0,05 млн, а импорт составляет $5,2 млн. Производство биотехнологических препаратов для добывающих отраслей промышленности, в первую очередь нефтедобывающей и горнорудной, где рынок составляет $ 5 млн. Это очень перспективное направление. ЗАО «Полюс» получает прибыль за счет внедрения метода биогидрометаллургического производства – технологии биовыщелачивания упорных сульфидных руд с целью добычи золота. Сегмент гидролизной промышленности представлен Ассоциацией предприятий гидролизной промышленности России Объем производства этилового спирта на предприятиях данной отрасли превысил 6000 тыс. дал., фурфурола настоящее – время более 800 подготовлены предложения т. о В развертывании производства топливного этанола, что позволит решить энергетические и экологические проблемы государства. Производство биотехнологических препаратов для защиты окружающей среды. Речь идет о бактериальных препаратах для ликвидации нефтяных загрязнений, биосорбентах для очистки воды и донных отложений и др. На данном рынке доминирует отечественное производство продукции в размере $ 8 млн. На долю импорта приходится $ 0,8 млн. Анализируя отраслевую сегментацию, можно отметить, что на биофармацевтику («красные» биотехнологии), приходится около 60% 16 объема мирового рынка, на промышленные биотехнологии («белые», в т. ч. биоэнергетика) – около 35%, агробиотехнологии («зеленые») и на природоохранные («серые») биотехнологии – оставшиеся 5% объема мирового рынка. Крупнейшим биотехнологическим производителем в мире являются США, где создается половина мирового объема биотехнологической продукции. Вторым по размерам рынком является Азиатско- Тихоокеанский регион, где наиболее динамично развивают биотехнологии Австралия, Китай, Индия и Япония. Замыкает тройку лидеров Европа. На долю биорынка, России причем у приходится нас в менее основном 0,2% оборота развиваются мирового биотехнологии, связанные с фармацевтикой, а по другим направлениям результаты довольно скромные. Объем российского рынка биотехнологической продукции оценивается в 1,6 млрд. долл. со среднегодовым приростом в 11%. В структуре этого рынка преобладает фармацевтическая продукция, ее удельный вес — 65%, на долю агробиологии приходится 20% и промышленную, пищевую и лесную биотехнологии — всего лишь 15%. При этом доля импорта биотехнологической продукции составляет в среднем 85%, но в тех сегментах, промышленной биотехнологии международные компании. аминокислот для ферментных препаратов, где относительно Импортируется сельского хозяйства более 50% потребление продуктов развито, преобладают до 100% кормовых (лизин), 80% кормовых кормовых и ветеринарных антибиотиков и т. д. Разработаны Стратегии развития этих отраслей экономики до 2020 г., а также соответствующая ФЦП. Однако до последнего времени отсутствовали подобного рода документы, регламентирующие развитие биотехнологий и определяющие цели и задачи построения биоэкономики в России. 17 По решению Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям от 1 апреля 2011 г. была разработана Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 г., утвержденная Председателем Правительства РФ 24 апреля 2012 г., №1853п-П8. Программа призвана заложить системные основы развития биоэкономики в России, обеспечить создание новых подотраслей, нацеленных на выпуск инновационных биотехнологических продуктов, создать базу для индустриального развития биоэнергетики, а также дополнить существующую систему мер поддержки медицины и фармацевтики. С учетом имеющихся научных заделов и тенденций, текущего состояния, потенциала развития рынков и социальноэкономического эффекта выделяются следующие приоритеты: Биофармацевтика — лекарственные препараты, жизненно вакцины необходимые нового поколения, и важнейшие антибиотики и бактериофаги. Биомедицина медицина, — диагностикумы инвитро, персонализированная клеточные биомедицинские технологии, биосовместимые материалы, системная медицина и биоинформатика, банки биообразцов, исследования на животных. Промышленная биотехнология — производство ферментов, аминокислот, глюкозно-фруктовых сиропов, полисахаридов, субстанций антибиотиков, биодеградируемые полимеры, комплексы по переработке древесной биомассы и др. Биоэнергетика — производство электрической энергии и тепла из биомассы; поглощение (утилизация) эмиссии парниковых газов, образуемых в энергетических производственных циклах, промышленных и коммунальных биомассы; стоков для предотвращение антропогенного воздействия интенсификации производства непищевой и ликвидация последствий на окружающую среду энергетической 18 вредного отраслью методами биоконверсии; биоэнергетическое машиностроение; производство биотоплива и его компонентов из биомассы с заданными химмотологическими свойствами; промышленное производство непищевой биомассы для получения топливно-энергетических ресурсов, включая технологии селекции и методы биоинженерии и пр. Сельскохозяйственная — биологическая защита растений; сорта растений, созданные с использованием методов биотехнологии; технологии молекулярной селекции животных и птицы; трансгенные и клонированные животные; биотехнология почв и биоудобрения; биопрепараты для животноводства; кормовой белок и др. Пищевая биотехнология — пищевой белок; ферментные препараты; пребиотики, пробиотики, синбиотики; функциональные пищевые продукты, включая лечебные, профилактические и детские; пищевые ингредиенты, включая витамины и функциональные смеси и т. д. Лесная биотехнология — применение биотехнологий для управления лесонасаждениями, для сохранения и воспроизводства лесных генетических ресурсов; создание биотехнологических форм деревьев с заданными признаками; биологические средства защиты леса и др. Природоохранная (экологическая) биотехнология — биоремедиация; экологически чистое жилье; биологические коллекции и биоресурсные центры. Морская биотехнология — создание сети аквабиоцентров; глубокая переработка промысловых гидробионтов и продукции аквакультур; специализированные корма для аквакультур [1]. 5. Биотехнология в животноводстве Достижения и огромный объем исследований в области молекулярной биологии открыли животноводства. новые Возникла перспективы новая отрасль 19 в совершенствовании биологии биотехнология. Главными направлениями биотехнологии является клеточная и генетическая инженерия. К успехам клеточной инженерии в животноводстве следует отнести разработку метода трансплантации эмбрионов сельскохозяйственных животных, прежде всего крупного рогатого скота. В настоящее время этот метод широко используется в практике животноводства. С развитием искусственного осеменения была решена проблема ускорения распространения генетического потенциала мужских особей, что позволило на порядок повысить темпы селекции. Была поставлена и решена проблема дозревания ооцитов, оплодотворения и раннего эмбрионального развития сельскохозяйственных животных in vitro. Это позволило использовать значительное число женских генеративных клеток от животных с ценным генотипом уже после того, когда данные особи закончили жизненный цикл. Кроме того, реализация данного метода способствовала получению идентичных по генотипу пар животных, которые широко используются в исследованиях влияния факторов внешней среды на животный организм. Являясь идеальными аналогами, эти особи позволяют повысить и достоверность исследований при меньшем числе животных в группах. Микроманипуляции с эмбрионами, их разделение и агрегация позволяют получить химерных сельскохозяйственных животных. Они не представляют интереса для селекционеров, но являются объектами для изучения взаимодействий фенотипа и генотипа. Одним из направлений по клонированию животных является применение метода введения ядра соматической клетки в энуклеированную зиготу. С применением этой методики стало возможным создание стада стандартизированных высокопродуктивных животных. Важнейшим аспектом исследований в области клеточной инженерии являются работы по созданию линий стволовых тотипотентных клеток сельскохозяйственных животных. 20 Существенным достижением биотехнологии в животноводстве является использование стимуляторов, полученных трасгенными микробамипродуцентами. Примером может служить технология производства бычьего и свиного соматотропинов. Важнейшим направлением биотехнологии в сельском хозяйстве являются конструирование генов и интеграция их в геном. Одним из направлений исследований является получение трасгенных животных. Получены трасгенные мыши, которые могут служить модельными системами для изучения болезней человека и тест-системами для исследования возможности синтеза продуктов, представляющих интерес для медицины. Используя целых животных, можно моделировать и возникновение патологии, ее развитие. Трансгенных мышей использовали в качестве модельных систем для изучения экспрессии генов, кодирующих трансгенные продукты, которые секретируются в молоко. Получен трансгенный крупный рогатый скот. Одна из целей трансгеноза крупного рогатого скота – изменение содержания в молоке различных компонентов. Другая важная задача – создание устойчивых к заболеваниям животных. Опыты по трансгенозу овец и коз в основном направлены на превращение молочных желез этих животных в своеобразные биореакторы для получения белковых продуктов, использующихся в медицине. Созданы трансгенные овцы и козы, в молоко которых секретировались белки человека. Были созданы трансгенные овцы с повышенной скоростью роста шерсти. Положительные результаты были получены в ходе экспериментов с трасгенными свиньями. Например, созданы трансгенные свиньи, в геноме которых присутствовала следующая генетическая конструкция: регуляторная область гена β-глобина человека, два гена α1-глобина человека и один ген βА-глобина человека. В результате ее экспрессии в клетках крови свиней 21 синтезировался человеческий гемоглобин. Человеческий гемоглобин, продуцируемый трансгенными свиньями, обладал такими же химическими свойствами, что и природный человеческий. Его можно очистить от гемоглобина свиней обычной хроматографией. Получены трансгенные цыплята, которых можно использовать для улучшения генотипа уже существующих пород – для придания им устойчивости к вирусным инфекциям и заболеваниям, вызываемым кокцидиями, повышения эффективности усвоения пищи, снижения уровня жира и холестерола в яйцах, повышения качества мяса. По мере истощения природных рыбных запасов все большую роль будет приобретать разведение рыбы в искусственных условиях. Основная цель исследований в этой области – создание рекомбинантных рыб путем трансгеноза. Получены трансгенные виды рыб – карпа, лосося, зубатки, форели и т. д. Трансгенные лососи крупнее и быстрее прибавляют в весе. Но оказалось, что этот лосось может вытеснить обычную рыбу. Самцы нормального лосося перестали обращать внимание на более мелких «натуральных» самок. К тому же мясо модифицированного лосося имеет не слишком приятный цвет и вкус. 6. Биотехнология в растениеводстве Важнейшее место биотехнологии и биоинженерии принадлежит в современной селекции растений на устойчивость и качество продукции, создание нового поколения сортовых ресурсов страны и мира. Основные исследования биотехнологов направлены на создание принципиально новых генотипов улучшенных и сельскохозяйственных растений, обладающих единичной, групповой или комплексной устойчивостью к биотическим или абиотическим стрессовым факторам среды при сохранении и повышении их продуктивности и качества. Учёные создают не только высокоурожайные сорта растений, устойчивые к неблагоприятным факторам, 22 но и разрабатывают биотехнологические пути защиты растений. На промышленную основу поставлен выпуск биологических средств борьбы с вредителями на основе использования их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемыми живыми организмами. Важное место в повышении урожайности растений отводится биологическим удобрениям, включающих в себя различные бактерии. Например, применение азотфиксирующих бактерий для обогащения почвы азотом. Кроме того, они способны экскретировать фунгицидные вещества, тем самым угнетается развитие в ризосфере растений микроскопических грибов, многие из которых тормозят развитие растений. Всё большее распространение получает использование биогумусавысокоэффективного естественного органического удобрения. Это продукт переработки органических червями и бактериями с отходов участием сельского других хозяйства дождевыми организмов (насекомые, грибы и т. д.). Применение этого удобрения улучшает агрохимические свойства почвы, сельскохозяйственной повышает качество и улучшает урожай продукции, быстро восстанавливает естественное плодородие почвы, улучшает её структуру и здоровье, обеспечивает стабильный высокий экологически чистый урожай. 7. Биотехнология и пищевая промышленность Пищевая биотехнология – это отраслевая наука, которая на основании знаний микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии использует микроорганизмы и другие бактерии для производства молочнокислых пищевых продуктов и их сертификацию. Задачи пищевой биотехнологии: 1. Получение пищевых и технологических добавок. 2. Использование биологического потенциала сырья животного происхождения с целью получения новых пищевых компонентов. 3. Получение новых пищевых продуктов белкового происхождения. 23 4. Широкое использование молочно-кислых продуцентов в пищевой биоиндустрии. 5. Использование генно-модифицированного сырья для производства новых ферментных препаратов пищевого происхождения. 6. Использование для пищевых целей продуктов микробного синтеза. 7. Получение высококачественных продуктов в процессах брожения и ферментации. 8. Создание продуктивных штаммов, микроорганизмов и внедрение новых методов в пищевой биотехнологии. Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут дать пищевые добавки, выгодно отличающиеся своей «натуральностью» от синтетических продуктов, преобладающих в настоящее время. В будущем кулинар сможет добавить в изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты — продукты, образуемые в биореакторах с растительными клетками. Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аснартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli, недавно клонирован также ген тауматина. Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляют фруктовые соки, производят безлактозное (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышения питательной ценности представляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением 24 методов генетической инженерии. Так, генноинженерный штамм E. coli синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования. Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов. Биомасса одноклеточных в перспективе может употребляться как пищевая добавка. 8. Оборудование для биотехнологического производства Принципиальное отличие биотехнологических процессов заключается в следующем: – чувствительность биологических агентов к физико-механическим воздействиям; – наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость – клетки», «газ – жидкость – клетки»); – требования условий асептики; – низкие скорости протекания многих процессов в целом; – нестабильность целевых продуктов; – пенообразование; – сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза. Классификация реакторов по конструктивным признакам и по организации перемешивания Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача, возникающая при их конструировании, – обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом (переносом) кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным показателем массообменных характеристик ферментера служит коэффициент массопередачи кислорода, так как кислород является основным лимитирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход 25 кислорода на образование 1 кг биомассы в зависимости от типа углеродсодержащего сырья и степени его восстановленности может составлять от 0.75 до 5.00 кг. Клетки способны утилизировать кислород только в растворенном виде, поэтому необходимо постоянно поддерживать его концентрацию в культуре на уровне, оптимальном для конкретного продуцента. При этом скорость поступления кислорода к клеткам должна превышать скорость его включения в клетки, и в околоклеточном пространстве не должно возникать так называемых «концентрационных ям». Кроме этого, концентрация клеток и растворенного субстрата должны быть равномерными по всему объему ферментера. Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. При интенсивном перемешивании пузырьки воздуха дробятся в аппарате и диспергируясь увеличивают площадь контакта фаз «среда-клетка». Однако чрезмерное перемешивание может вызвать механическое повреждение биологических объектов. К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств [6]. Характеристика аппаратов с подводом энергии через газовую фазу Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе (группа ФГ). Их общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м3 ). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов. Барботажные газораспределительные устройства обычно устанавливаются в нижней части аппарата. Подаваемый сверху через 26 распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1–2 кг/м3 ч. Рис. 3. Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ), а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 коллектор. Общая характеристика реакторов с подводом энергии через жидкость Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ ) наиболее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают наиболее высокие по сравнению с группой ферментеров ГФ значения коэффициента массопередачи кислорода, свыше 6 кг/м3 ч. В данных аппаратах ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппараты также можно подразделит на ряд типов: ферментеры с самовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных машин, так как поступление в них воздуха происходит в результате разрежения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки; в эжекционных ферментерах возможна 27 рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, однако требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержащей культуральной среды. Применение эжекционного ввода газовых субстратов в ферментер может интенсифицировать массообмен на порядок; струйные ферментеры (с затопленной или падающей струей) оборудуются мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из нижней части аппарата и через напорный трубопровод подводят поток к аэрирующему устройству (по типу шахтного перепада или напорно-струйные). Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает аэрируемую жидкость до дна аппарата. Происходят интенсивные турбулизация и перемешивание жидкости. Внизу жидкость вновь засасывается насосом и снова подается вверх аппарата, то есть возникает замкнутый контур циркуляции. Недостатком данных аппаратов являются потери энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы струйных и эжекционных устройств. Рис. 4 . Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ): а) – с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контур-теплообменник, 28 б) – эжекционный: 1 – корпус, 2 – насос, 3 – эжектор, в) – струйный с затопленной струей: 1 – эжектор, 2 – теплообменник, 3 – корпус, 4 – насос, 5 – рассекатель, 6 – труба с насадкой, г) – струйный с плавающей струей: 1 – теплообменник, 2 – насос, 3 – корпус, 4 – эжектор. Возможности аппаратов колонного типа по выбору и оптимизации режимов ферментации Барботажно-колонный – в нижней части корпуса такого аппарата устанавливается перфорированная пластина с диаметром отверстий 0.0005 м или сопловой эжектор с диаметром сопла 0.004 м; барботажно-эрлифтный аппарат характеризуется наличием внутри одного или нескольких диффуров («стаканов») или нескольких перегородок для принудительного разделения восходящих и нисходящих потоков циркулирующей жидкости; эти элементы расположены равномерно по сечению аппарата или концентрично: Рис. 5. Барбатажно-колонный: 1 – корпус, 2 – рубашка, 3 – воздухораспределитель, в) барботажно-эрлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор-теплообменник, 3 – воздухораспределитель. Характеристика секционных колонных аппаратов Если в аппарат введены секционные элементы в виде решеток, оборудованных лопастной насадкой; в центре аппарата находится труба, через которую вводится воздух, а жидкая фаза поступает противотоком сверху. Газ, поступая на лопастную насадку, обычно из полиэтилена, 29 вращает ее; это существенно увеличивает поверхность контакта газовой и жидкой фаз. Рис. 6. Секционный колонный аппарат: 1 – пеногаситель, 2 – емкость, 3 – диспергатор, 4 – корпус, 5 – распределительная перегородка. Газлифтный реактор трубчатого типа Газлифтный колонный ферментер состоит из двух колонн разного диаметра, соединенных между собой; одна представляет собой барботажную колонну с восходящим потоком воздуха, другая – циркуляционная, с нисходящим потоком. Воздух вводится в нижнюю зону аппарата в барботажную колонну; камера, соединяющая колонны в верхней части аппарата, образует большую поверхность контакта фаз; трубчатый аппарат сконструирован по типу теплообменных труб; взаимодействие газа в трубе при высоких скоростях продувки более интенсивное, чем в большом объеме, поэтому массообмен интенсивнее; аппарат с плавающей насадкой позволяет интенсифицировать массообмен за счет увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости при работе с большими скоростями подачи газовой и жидкой фаз. 30 Рис. 7. Газлифтный реактор трубчатого типа: 1 – корпус, 2 – диффузор, 3 – диспергатор, 4 – воздухораспределитель, 5 – теплообменник. Биофильтры В этих сооружениях биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются в аэробных условиях популяций гетеротрофных факультативных бактерий, образующих биологическую пленку на поверхности насадки (загрузочного материала, субстрата). Для орошения насадки вода с загрязнениями периодически или непрерывно подается в верхнюю часть сооружения через неподвижные разбрызгиватели (спринклеры) или реактивные вращающиеся водораспределители. Активная часть биопленки распространяется на глубину 70…100 мкм. В слоях пленки, прилегающих к насадке, создаются анаэробные условия, образуются органические кислоты (и газы СН4 и H2 S), величина рН снижается, происходит частичное отмирание клеток. Под воздействием гидравлической нагрузки такие части пленки отрываются от субстрата и выносятся с водой. Пропускная способность биофильтра определяется площадью поверхности, занятой биопленкой, и возможностью свободного доступа кислорода воздуха к ней. Чем больше площадь поверхности биопленки (при 31 одинаковой массе) и чем легче к ней доступ кислорода, тем выше пропускная способность биофильтра. Важнейшая составная часть биофильтра — загрузочный материал. По типу загрузочного материала все биофильтры делят на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой. Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные с малой пропускной способностью 0,9…9 м3 /(м2. сут), высоконагружаемые с большой пропускной способностью 9…40 м3 /(м2. сут) (рис. 5.8) и башенные. Рис. 8. Рис. 5.7. Капельный биофильтр: 1 — дозирующие баки сточной воды; 2 — спринклеры: 3 — железобетонная стенка; 4— загрузка биофильтра; 5 — подача сточной воды; 6 — отводящий лоток. Рис. 9. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем 32 Биофильтры с плоскостной загрузкой делятся на категории по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой. Рис. 10. Биофильтр с пластмассовой загрузкой производительностью 1400 м3 /сут: I — корпус из стеклопластика по металлическому каркасу; II — пластмассовая загрузка; III — решетка; IV — бетонные столбовые опоры; V — подводящий трубопровод; VI— реактивный ороситель; VII — отводящие лотки; а и б — раскладка блоков соответственно в четных и нечетных рядах. 33 Заключение Применение современных биотехнологических методов в сельском хозяйстве предвосхищает будущую сельскохозяйственную революцию, которая будет стабилизировать способна, как прогнозируют сельскохозяйственное многие производство. специалисты, Считается, что сельскохозяйственная биотехнология позволит решить продовольственную проблему для растущего населения планеты, получить продукты питания улучшенного качества и большей экологической чистоты. Биотехнология предоставляет возможность получить новые виды сельскохозяйственных культур устойчивые к болезням, с высокой урожайностью, а также новые специальные продукты, которые рынок может запросить в самом ближайшем будущем. Таким образом, биотехнология стала весомым и перспективным фактором развития производства. Новые прогрессивные методы, прежде всего в биотехнологии, позволили фермерам ряда промышленно развитых стран, в первую очередь США и Канаде, упрочить свои лидирующие позиции в производстве и реализации сельскохозяйственной продукции. На сегодняшний день стало очевидно, что для усиления конкурентоспособности сельского хозяйства на мировом рынке необходимо усиление научных и технологических разработок в аграрном секторе. Внедрение достижений и продуктов биотехнологии позволяет решить многие проблемы энерго-, ресурсо- и финансовоёмкого производства продукции сельского хозяйства, поэтому сегодня это направление научных и практических исследований для сельскохозяйственных нужд развивается в промышленных странах особенно быстрыми темпами. 34 Библиографический список 1. Биотехнологические процессы в промышленности и АПК. – Текст : электронный // ЭБС Лань : [Электронный ресурс]. – URL: https://e.lanbook.com/book/177589 (дата обращения: 14.11.2021) 2. Биотехнология. – Текст : электронный // Красноярский ГАУ : – [Электронный ресурс]. – http://kgau.ru/sveden/2017/ipbivm/metod_360302_2.pdf URL: (дата обращения: 12.12.2022) 3. Основы биотехнологии. – Текст : электронный // ЭБС Лань : [Электронный ресурс]. – URL: https://e.lanbook.com/book/159406 (дата обращения: 12.12.2022) 4. Основы биотехнологии. – Текст : электронный // ЭБС Лань : [Электронный ресурс]. – URL: https://e.lanbook.com/book/71482 (дата обращения: 12.12.2022) 5. Современные методы биотехнологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции. – Текст : электронный // Образовательная социальная сеть : [Электронный ресурс]. – URL: https://nsportal.ru/vuz/selskokhozyaistvennye-nauki/library/2017/02/20/kurslektsiy-sovremennye-metody-biotehnologii-v (дата обращения: 12.12.2022) 6. Оборудование для биотехнологического производства . – Текст : электронный // Bestreferat : [Электронный ресурс]. – URL: https://www.bestreferat.ru/referat-196654.html (дата обращения: 12.12.2022) 35
