Transcript Biotehnoloģija šodien un vakar - Latvijas Biotehnoloģijas asociācija

Biotehnoloģijas
attīstības tendences
Dr.sc.eng. Juris Vanags
Latvijas Biotehnoloģijas asociācija
Kas ir biotehnoloģija?
Biotehnoloģija ir samērā jauna zinātnes nozare. Tās
risinājumi aizvien vairāk ietekmē cilvēcei svarīgas sfēras.
Nosaukums
“Biotehnoloģija”,
veidojusies
no
sekojošiem grieķu vārdiem:
“bios” – dzīvība
“teken” – māksla
“logos” – vārds, mācības, zinātne
Biotehnoloģijas definīcija
Biotehnoloģija ir tehnoloģiju pielietojumu zinātne. Piemēram, Eiropas
Biotehnoloģijas federācijas dibināšanas kongresā tika noteikta šāda
biotehnoloģijas definīcija:
“Biotehnoloģija ir zinātne, kura bāzējoties uz zināšanām
mikrobioloģijā, bioķīmijā, ģenētikā, gēnu inženierijā, imunoloģijā,
ķīmiskajā tehnoloģijā, imunoloģijā, ķīmiskajā tehnoloģijā, iekārtu un
mašīnbūvē, izmanto bioloģisku objektus (mikroorganismus,
dzīvnieku un augu audu šūnas) un molekulas (nukleīnskābes,
olbaltumvielas, fermentus, ogļūdeņražus un citus), lai rūpnieciski
ražotu cilvēkam un dzīvniekiem nepieciešamās vielas un
produktus”.
Vienkāršāk šo definīciju var pārveidot, piemēram, šādi:
“ Biotehnoloģija ir nozare, kura nodarbojas ar cilvēkam vajadzīgu
produktu, vielu un procesu iegūšanu”.
Kas strādā biotehnoloģijā?
Biotehnologs pēc būtības nav tas pats, kas biologs.
Biotehnoloģijas apguvei ir nepieciešamas pietiekošas
pamatzināšanas bioloģijā, ķīmijā, fizikā, matemātikā un
tehnikā (iekārtas, procesi un aparāti). Raksturīgi ir tas,
ka pie biotehnoloģijas projektu realizācijas strādā
dažādu virzienu speciālisti – biotehnologi, ķīmiķi,
inženieri, programmētāji.
Biotehnoloģijas projekti prasa sintezēt dzīvības
zinātņu un tehnisko zinātņu atziņas. Šādā gadījumā
nepieciešama dažādu speciālistu sadarbība. Tā var būt
sekmīga tikai tad, ja savstarpēji izveidojas uz atbilstošām
zināšanām komunikatīva bāze.
Bioprocesu inženērija
Bioprocesu inženērija nodarbojas ar to, lai varētu nodrošināt
biotehnoloģisko procesu realizāciju. Tas apskata tehnoloģijas,
iekārtas un praktiskas metodes, kas nodrošina konkrētu produktu
ieguvi un procesu norisi. Tā apskata arī biotehnoloģiskā procesa
realizācijai nepieciešamos apstākļus: Piemēram, ūdens, gaisa,
tvaika, substanču sagatavošanu un pievadīšanu, procesa radušos
notekūdeņu pārstrādi, kā arī ražošanas telpu tīrības nosacījumu
nodrošināšanu. Mūsdienās raksturīgi, ka biotehnoloģiskajās
ražotnēs personālam procesa zināšanas jāsaista ar labas
ražošanas prakses (Good manufacturing practise) nosacījumiem.
Šodien šādus procesus bieži vajag validēt, kur saplūst procesu
inženērijas un tehnoloģiskās zināšanas ar mūsdienīgu kvalitātes
menedžmentu.
Bioprocesu specifiskums
*
*
•
•
•
•
•
Mikroorganismu šūnas ir dzīvi mikroorganismi, kuriem ir nepiešami speciāli apstākļi
augšanai un biosintēzei;
Šūnas aug kultūrvidē (t.i. barotnē), kas tikpat labi var arī veicināt citu-nevēlamu šūnu
vairošanos, kas izpaūžas ka infekcija, kontaminācija, nesterilitāte, vai slikti aseptiskie
apstākļi. Līdz ar to šādos procesos īpašu uzmanību jāpievērš sterilu apstākļu
ievērošanai;
Šūnas ir jūtīgas pret ārējiem apstākļiem (T, pH, O2) un var tikt viegli bojātas, ja šie un
citi nosacījumi (piemēram, maisīšana, aerācija) netiek ievēroti;
Biosintēzē izveidojušies produkti produkti parasti ir izkliedēti kultivācijas vidē;
Procesā var rasties daudzi blakusprodukti, kurus parasti atdala no pārējas vides
produkta izdalīšanas stadijās;
Bioprocesu tehniskais aprīkojums ir specifisks un relatīvi dārgāks nekā piemēram
ķīmijas tehnoloģiskajos procesos;
Biotehnoloģiskajā ražošanā nodarbinātajam personālam vajadzīgas specifiskas
zināšanas, kuras nevar tikt pārnestas no citām ražošanas sfērām bez papildus
apmācības.
Bioprocesu priekšrocības
* Ar mikroorganismu šūnu palīdzību var veikt reakcijas,
kuras ir grūti realizēt ar ķīmiskajām metodēm (piemēram,
penicilīns);
* Šūnas var pārveidot dabīgos biomasu (piemēram,
lauksaimniecības atkritumus) vērtīgos produktos;
• Liela, un aizvien progresējoša daudzveidība produktu
ieguvē, izmantojot mikroorganismu šūnas;
• Šūnas var tikt modificētas noteiktu produktu ieguvei;
• Ar biotehnoloģiskajām metodēm iegūtie produkti parasti
ir ar augstu pievienoto vērtību;
Tipisks ķīmiskais process
A
P
B
A
temperature
flowrate
A+B
P
P
A
B
B
Reactor
Separation
Šūna kā bioreaktors
reactor
A
A
E
B
P
C
D
cell
P
Reactor inside a reactor
?
A
P
C
D etc.
Product :
cells
small molecule
enzyme
Separation
Biotehnoloģijas vēsture
1. Empīriskais periods.
Tas ilga apmēram 8000 gadu. Senās tautas intuitīvi izmantoja
paņēmienus maizes un alus iegūšanai neko nezinot par
mikroorganismiem. Dažus tūkstošus gadus atpakaļ ir zināma
etiķskābes iegūšana. Pirmā destilācija vīna ieguvē tika realizēta 12.
gs. Degvīnu pirmoreiz no maizes brāgas ieguva 16 gs. Šampanieša
ieguve ir zināma no 18 gs.
2. Etioloģiskais periods (1856 – 1933)
Nosaukums saistīts ar grieķu vārdu – aitia. Šis periods ir saistīts ar
izcilā franču zinātnieka L. Pastera (1822 – 1856) pētījumiem
mikrobioloģijā. L. Pasters formulēja rūgšanas mikrobioloģisko dabu,
pierādīja dzīvu šūnu vairošanās iespēju bezskābekļa apstākļos,
radīja vakcīnas profilakses zinātniskos pamatus. 1859. gadā L.
Pasters pagatavoja šķidru barotni. 1881.gadā R. Kohs demonstrēja
baktēriju kultivāciju, t.i., vairošanos, izmantojot šķidru barotni. Tādā
veidā parādīja mikroorganismu vairošanās iespēju ar mērķi realizēt
noteiktu procesu (rūgšanu, skābšanu u.c.). Šajā periodā tika uzsākta
presētā rauga ražošana.
Biotehnoloģijas vēsture
3. Biotehniskais periods
Lielā mērā tam pamats bija A. Kljunera un A. Perkina 1933.g.
nopublicētais darbs “Vielu apmaiņas metožu pētīšana ar
miceliālām
sēnēm”,
kur
tik
izklāstīti
mikroorganismu
dziļumkultivācijas paņēmieni.
Būtisks grūdiens rūpnieciskās biotehnoloģijas attīstībā bija
antibiotiku lielmēroga ražošanas uzsākšana, sākoties otrajam
pasaules karam, jo vajadzēja nodrošināt karā ievainotos ar
pretmikrobu preparātu.
Kā nozīmīgākie sasniegumi šajā periodā minami:
1. Bioreaktora konstrukcijas principi;
2. Elektroforēzes teorija;
3. DNS struktūras atšifrēšana.
Biotehnoloģijas vēsture
4. Ģenētiskās tehnikas periods.
Tas sākās 1972.g. ar to, ka P. Bergs radīja pirmo rekombinēto DNS
molekulu, tādā veidā parādot iespēju mērķtiecīgi manipulēt ar
baktēriju ģenētisko materiālu.
Kā citi galvenie šī pēdējā perioda sasniegumi minami:
1.
Tiek uzsākta monokloniālo antiķermeņu pielietošana
diagnostikā;
2.
Tiek uzsākta cilvēka insulīna ražošana;
3.
Klonēšana.
Biotehnoloģijas pielietojumu
daudzveidība (1)
Biotehnoloģijas daudzveidība (2)
Biotehnoloģija ir iespiedusies mūsu sadzīvē vairāk nekā mēs parasti iedomājamies. Tā ir
radusi pielietojumu dažādu nozaru vajadzībām:
1.
Pārtikas rūpniecības vajadzībām – citronskābi, aminoskābi un citas pārtikas
piedevas;
2.
Lauksaimniecībai – augu aizsardzības līdzekļus, modificēto pārtiku;
3.
Medicīnai – antibiotikas, interferonu, vitamīnus, vakcīnas un citus preparātus;
4.
Farmācija – aizvien pieaug to medikamentu skaits, kas tiek ražoti, izmantojot
biotehnoloģiskās metodes;
5.
Vides aizsardzībai – piesārņojumu noārdošas vielas un procesus;
6.
Enerģētikā – biogāzi, etanolu un citus enerģijas avotus;
7.
Ķīmiskajai rūpniecībai – etilēnu, acetonu, butanolu un citas vielas.
Tie nebūt nav visi pielietojumu veidi. Ir pētījumi un iestrādes, kas dod iespējas pavairot
aizvien komplicētākas dzīvās šūnas. Biotehnoloģija aizvien attīstās un neviens
neriskēs prognozēt tās attīstības iespējas.
Biotehnoloģiju atkarībā no tās pielietojuma veida mēdz apzīmēt ar noteiktu krāsu:
Balts – rūpnieciskā;
Zaļš – vides aizsardzības;
Sarkans – medicīniskā;
Zils – jūras;
Pelēks – virusoloģija.
Galvenie biotehnoloģijas nākotnes virzieni
1. Cilvēka eksistencei nepieciešamās pārtikas
komponenšu attīstības intensifikācija, sakarā ar to, ka
aizvien grūtāk ir nodrošināt cilvēci ar dzīvnieku
izcelsmes olbaltumumvielām;
2. Atkrituma pārstrādes intensifikācija sakarā ar
rūpniecības attīstību Āzijas valstīs;
3. Mērķtiecīga jaunu dabā neeksistējošu bioloģisku objektu
radīšanu, izmantojot gēnu inženērijas metodes.
Tādi izskatās mikroorganismi
elektromikroskopā.
Escherichia coli
Lamproderma
(Friut body)
Saacharmyces cerevisiae
Šūnu un fermentu attēlojumi
10-20 mm
1-5 mm
Biotehnoloģiska produkta ražošanas
princips
Mikroorganisms
Barotne
(substrāts)
Procesa
realizācijas
iekārtas
Tehnoloģiskais režīms
Produkts
Mikroorganismu kultivācijas
fermentācijas secība
Galvenie biotehnoloģiskās ražošanas procesi
1.
2.
3.
4.
Sējmateriāla, barotņu un citu procesam
svarīgu izejmateriālu sagatavošana;
Procesa ārējās vides nosacījumu
nodrošināšana (ūdens, tvaiks, gaiss,
atmosfēra, telpas);
Mikroorganismu kultivācijas fermentācija;
Produktu izdalīšana un tīrīšana
(centrifugēšana, filtrācija, kristalizācija,
dezintegrācija, u.c.).
Tipiska biotehnoloģiskā procesa shēma
Gaiss
Barotne
Augšana
Sējmateriāls
Bioreaktors
Filtrācija
Centrifūga
Atkritumi
Atkritumi
Produkts
Uz iepakošanu
Atkritumi
Beigu produkts
Hromotogrāfiskās kolonas
Mikroorganismu augšana bioreaktorā
Mikroorganismu augšanas dažādu
fermentācijas procesu veidi
Bioreaktora slēguma blokshēma
Laboratorijas bioreaktors
Biotehnoloģiskā ražotne
90. gadu sākumā
Biotehnoloģiskā ražotne šodien