Общая характеристика биологических процессов, используемых в производственных технологиях

Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Подобные процессы были известны еще с древних времен: хлебопечение, приготовление вина, пива, сыра, уксуса, молочных продуктов, способы обработки кожи, растительных волокон и др. Научные же основы биотехнологии были заложены в ХIХ веке французским ученым А. Пастером (1822-1895), положившим начало микробиологии.

Биопромышленность, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые и пищевые белки, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, органические кислоты (например, лимонную, изолимонную, уксусную и др.), регуляторы роста растений, многие пестициды, лечебные и иммунные препараты для человека и животных. Новые направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине ХХ столетия, значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве при выведении, например, безвирусных растений, получении кормов и т.п.

Достоинства биологических процессов:

- используют возобновляемое сырье (биомассу),

- протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, нормальном давлении), с меньшим числом технологических этапов,\

- их отходы доступны последующей переработке.

Особенно выгодно (экономически и технологически) применение биотехнологических процессов в случае производства относительно дорогих, но малотоннажных продуктов. Они же лежат в основе пищевой промышленности.

Сегодня биотехнология рассматривается как наука, возникшая на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии и растениеводства. Она стремительно выдвигается и на передний край научно-технологического прогресса. Этому способствует два обстоятельства. С одной стороны, бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, позволило использовать потенциал живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. С другой стороны наблюдается острая практическая потребность в новых технологических процессах, призванных ликвидировать нехватку продовольствия, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охраны окружающей среды. Биотехнология практически уже вносит немалую лепту и, вероятно, внесет и в будущем решающий вклад в решение этих важнейших проблем человечества.

Основным процессом, используемым в традиционной биотехнологии, является брожение.

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

Известны различные типы брожения. Они классифицируются чаще всего по производимым конечным продуктам на: спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др., протекающие в основном анаэробно.

Спиртовое брожение протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этила (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.

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 используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.

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

Метановое брожение встречается в природе 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.

Основные процессы и направления развития современной биотехнологии будут рассмотрены отдельно.