Основні тенденції розвитку сучасної біотехнології
Технологія - це сукупність способів, прийомів для отримання з вихідного матеріалу (сировини) практично цінного продукту.
БІОТЕХНОЛОГІЯ (від грец. Bios - життя, techne - мистецтво, майстерність і logos - слово, вчення), використання живих організмів і біологічних процесів у виробництві. Біотехнологія - міждисциплінарна область, що виникла на стику біологічних, хімічних і технічних наук. З розвитком біотехнології пов'язують вирішення глобальних проблем людства - ліквідацію недостачі продовольства, енергії, мінеральних ресурсів, поліпшення стану охорони здоров'я і якості навколишнього середовища.
В останні десятиліття постійно зростає потреба у вивченні та практичному застосуванні мікробіологічних процесів, багато хто з них давно використовуються в великомасштабних виробництвах. (Виробництві кормового білка, етанолу, антибіотиків, вітамінів, амінокислот і органічних кислот).
Потреби людей в тваринному білку задовольняється лише на 40%, синтез рослинного білка протікає з відносно низькою ефективністю, тому на одиницю площі зберігається невисокий рівень продуктивності в сільському господарстві, причому на Землі - лише 10% суші обробляється для посівів. Решта - незручні гори, пустелі, тундра, кам'янисті грунти. Очевидні труднощі в сільському господарстві пов'язані також з потребою у воді, до певного рівня температури, необхідністю захисту рослин від шкідливих комах, хвороб, внесення азотних і інших видів добрив, тому що рослини забирають ці елементи з грунту.
Для культивування мікроорганізмів не потрібні великі площі і перераховані вище умови. Вартість білкових мікробних препаратів не залежить від погоди. Швидкість зростання мікроорганізмів значно перевищує зростання інших живих організмів при створенні їм сприятливих умов. При цьому мікроорганізми мають мобільні ферментативні системи, що дозволяють їм використовувати для отримання енергії і власного зростання практично будь-які органічні і багато неорганічних субстрати, утворюючи при цьому продукти, які важко або неможливо отримати звичайними технологіями.
У світі відбувається зникнення традиційних видів палива - нафти і природного газу, а за допомогою мікроорганізмів можна отримувати додаткові джерела енергії у вигляді біогазу, етанолу, водню за рахунок використання ними відходів промисловості і сільського господарства, а також сонячної енергії.
Використання наукових досягнень і практичні успіхи біотехнології забезпечуються фундаментальними дослідженнями і реалізується на найвищому рівні сучасної науки. У цьому плані не можна не відзначити дивовижну наукову багатоликість біотехнології: її розвиток і досягнення найтіснішим чином пов'язані і залежать від комплексу знань не тільки наук біологічного профілю, але також і багатьох інших. Біотехнологія пов'язана з молекулярною біологією, генетикою, генною інженерією, біохімічної, мікробіологічної, фізико-хімічної, електрохімічної, хімічної технологією, біохімією, мікробіологією, фізичної хімією, електрохімією. Ці технології базуються на використанні каталітичного потенціалу різних біологічних агентів і систем - мікроорганізмів, вірусів, рослинних і тваринних клітин і тканин, а також позаклітинних речовин і компонентів клітин.
Розвиток і перетворення біотехнології обумовлено глибокими змінами, які відбулися в біології протягом останніх 25-30 років. Основу цих подій склали нові уявлення в області спадковості і методичні удосконалення, які наблизили людство до пізнання перетворень її матеріального субстрату і проклали дорогу новітнім промисловим процесам.
Генетична інженерія існує трохи більше 20 років. Вона блискуче розкрила свої можливості в області прокаріотів. Однак нові технології, що застосовуються до вищих рослин і тварин, поки не такі значні. Спроби застосування прийомів генетичної інженерії до вищих рослин і тварин стикаються з величезними труднощами, зумовленими як недосконалістю наших знань з генетики еукаріот, так і складністю організації вищих організмів.
Лідерами біотехнології вважаються сьогодні США і Японія, які накопичили багаторічний досвід біотехнологій для сільського господарства, фармацевтичної, харчової та хімічної промисловості. Міцне становище у виробництві ферментних препаратів, амінокислот, білка, медикаментів займають країни Західної Європи (ФРН, Франція, Великобританія), а також Росія. Ці країни характеризуються потужним потенціалом нової техніки і технології, інтенсивними фундаментальними і прикладними дослідженнями в різних областях біотехнології. Інтерес до цієї науки і темпи її розвитку в останні роки зростають дуже швидко.
Людина використовував біотехнологію багато тисяч років: люди займалися пивоварінням, пекли хліб, отримували кисломолочні продукти, застосовували ферментації для отримання лікарських речовин і переробки відходів. Але тільки новітні методи біотехнології, включаючи методи генетичної інженерії, засновані на роботі з рекомбінантними ДНК, привели до «біотехнологічному буму», свідками якого є ми в даний час. Новітні технології генетичної інженерії дозволяють істотно вдосконалити традиційні біотехнологічні процеси, а також отримувати принципово нові, раніше недоступними способами різноманітні цінні продукти.
Сучасний етап науково-технічного прогресу характеризується революційними змінами в біології, яка стає лідером природознавства. Біологія вийшла на молекулярний та субклітинний рівень, в ній інтенсивно застосовуються методи суміжних наук (фізики, хімії, математики, кібернетики та ін.), Системні підходи. Велика роль у вирішення комплексу цих проблем відводиться біотехнології, в рамках якої здійснюється цільове використання біологічних систем і процесів в різних сферах людської діяльності. У сучасній біотехнології відповідно до специфіки сфер її застосування доцільно виділити в якості самостійних розділів наступні:
- Клітинна і генетична інженерія.
Перспективність і ефективність застосування біотехнологічних процесів в різних сферах людської діяльності, від отримання їжі і напоїв до відтворення екологічно чистих енергоносіїв і нових матеріалів обумовлені їх компактністю і одночасно крупномасштабностью, високим рівнем механізації і продуктивності праці. Ці процеси піддаються контролю, регулювання та автоматизації.
Біотехнологічні процеси, на відміну від хімічних, реалізуються в «м'яких» умовах, при нормальному тиску, активної реакції і невисоких температурах середовища; вони в меншій мірі забруднюють навколишнє середовище відходами та побічними продуктами, мало залежать від кліматичних і погодних умов, не вимагають великих земельних площ, не потребують застосування пестицидів, гербіцидів та інших чужорідних для навколишнього середовища агентів. Тому біотехнологія в цілому і її окремі розділи знаходяться в ряду найбільш пріоритетних напрямків науково-технічного прогресу і є яскравим прикладом «високих технологій», з якими пов'язують перспективи розвитку багатьох виробництв.
Всі високорозвинені країни світу відносять біотехнологію до однієї з найважливіших сучасних галузей, вважаючи її ключовим методом реконструкції промисловості відповідно до потреб часу, і вживають заходів щодо стимулювання її розвитку.
Мікробіологічні виробництва можуть працювати як безвідходні, зберігати чистоту навколишнього середовища, а також трансформувати і піддавати детоксикації отруйні відходи інших виробництв, необхідно тільки підібрати умови і технологічні рішення для конкретних випадків.
За допомогою мікроорганізмів, що володіють лігнолітіческімі і целюлозолітіческімі ферментами можливо перетворення цих речовин в білкові продукти, біоетанол, метан з одночасним очищенням довкілля, так як целюлоза складає основну частину промислових і побутових відходів.
Роботи ведуться і в напрямку біологічної деструкції нафти і нафтопродуктів, як найбільш частого забруднювача природи, за допомогою штучно створених спільнот (ценозів) мікроорганізмів, здатних у природних умовах розкладати нафту на більш низькомолекулярні речовини і утилізувати їх до включення в природний оборот речовин.
Біотехнологія в порівнянні з хімічною технологією має ряд переваг:
можливість отримувати речовини, не синтезуються хімічним шляхом (ферменти, білки, гормони, ДНК, деякі амінокислоти);
всі біотехнологічні процеси завдають меншої шкоди навколишньому середовищу, так як вони близькі до природних процесів;
мікроорганізми мають високу швидкість росту і накопичення клітинної маси, в порівнянні з іншими організмами;
в якості сировини для виробництва можна використовувати дешеві відходи сільського господарства або промисловості;
технологія і устаткування біологічних виробництв більш прості.
Однак біотехнологічні процеси мають істотну відмінність від хімічних в силу того, що в біотехнології використовують складнішу організацію матерії - біологічну. Кожен біологічний об'єкт (клітка, фермент і т. Д.) - це автономна саморегулююча система.
Природа біологічних процесів складна і далеко не з'ясована остаточно. Для мікробних популяцій, наприклад, характерна істотна гетерогенність по ряду ознак - вік, фізіологічна активність, стійкість до впливу несприятливих факторів середовища. Вони також схильні до випадкових мутацій, частота яких становить від 10 -4 до 10 -8. Гетерогенність також може бути обумовлена наявністю поверхонь розділу фаз і неоднорідністю умов середовища.
Принципова відмінність біотехнологічних процесів від чисто хімічних полягає в наступному:
- чутливість біологічних агентів до фізико-механічних впливів;
- наявність міжфазного переносу речовин (по типу «рідина - клітини», «газ - рідина - клітини»);
- вимоги умов асептики;
- низькі швидкості протікання багатьох процесів в цілому;
- нестабільність цільових продуктів;
- складність механізмів регуляції росту і біосинтезу.
Багатогранність біотехнології в цілому і її розділу, що має на меті вирішення природоохоронних завдань, дивна: вона використовує досягнення наук біологічного циклу, які вивчають надорганізменних рівень (екологія), біологічні організми (мікробіологія, мікологія), суборганізменному структури (молекулярна біологія, генетика). Через біологію на біотехнологію впливають хімія, фізика, математика, кібернетика, механіка.
Сучасні біотехнології також гостро потребують науково обґрунтованої опрацювання технології та аппаратурном оформленні. Тому необхідна органічний зв'язок з технічними науками - машинобудуванням, електронікою, автоматикою.
Найважливішим завданням будь-якого біотехнологічного процесу є розробка і оптимізація науково-обгрунтованої технології та апаратури для нього. При організації біотехнологічних виробництв частково був запозичений досвід розвиненою на той час хімічної технології.
Основними компонентами біологічного процесу є: біологічний агент, субстрат, цільової продукт, апаратура і сумісність методів для управління процесом.
Субстрат → Апаратура для здійснення процесу ← продукт
У наш час біотехнологія розглядається як пріоритетний напрямок, що визначає технічний прогрес, розвиток суспільства.
Біотехнологія широко застосовується в харчовій промисловості, сільському господарстві, охороні здоров'я, нафтохімії.
За допомогою трьох видів ферментів можна виробляти окислення етилену і пропилену при нормальній температурі і тиску.
Перспективу розвитку має витяг елементів з руд під дією мікроорганізмів - ця галузь називається мікробіологія гідрометалургії.
Методи біотехнології використовуються в целюлозно-паперовій промисловості в процесі звільнення целюлози від супутніх сполук, при процесі відбілювання, тим самим, збільшуючи якість паперу.
За допомогою біотехнологічних методів отримано велику кількість біологічно активних речовин, гормонів, білків крові, іммунорегуляторов - інтерферонів, вакцин. Отримала розвиток імунна біотехнологія, виробництво антибіотиків.
Подальше збільшення антропогенний вплив на навколишнє середовище викликає необхідність створення методів по знешкодженню відходів.