XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

1. Производство лекарственных средств

Антибиотики

Определение:

Антибиотики — это вещества, продуцируемые определенными видами микроорганизмов (бактериями, грибами), обладающие способностью убивать другие микроорганизмы или препятствовать их росту.

Основные этапы производства:

1. Выделение штамма-продуцента: выбор конкретного вида микроорганизма, способного производить нужный антибиотик.

2. Культивирование: создание оптимальных условий для роста и размножения микроорганизма в специальной среде. Это может происходить в лабораторных условиях или промышленно масштабируемых реакторах.

3. Экстракция: выделение активного компонента (антибиотика) из культуральной среды или самого микроорганизма. Часто этот этап требует специальных физико-химических методов очистки.

4. Тестирование и стандартизация: контроль качества препарата, включая проверку активности, чистоты и стабильности.

Примером классического антибиотика является пенициллин, открытый Александром Флемингом в 1928 году. Пенициллин первоначально получали из плесени Penicillium notatum, позже перешли на другие штаммы, дающие больше продукции.

Гормоны

Определение:

Гормоны — это сигнальные молекулы, вырабатываемые организмом и влияющие на функционирование органов и систем. Многие важные гормоны, используемые в медицине, изначально были выделены из естественных источников, однако современные методы позволяют получать их синтетическим путём или с помощью биотехнологий.

Способы получения:

1. Натуральный источник: экстрагирование гормона непосредственно из животного материала (например, поджелудочная железа свиньи для инсулина). Этот метод постепенно уходит в прошлое из-за риска передачи вирусов и ограниченности ресурсов.

2. Генетическая инженерия: использование микроорганизмов (чаще всего Escherichia coli или Saccharomyces cerevisiae), генетически модифицированных таким образом, чтобы они могли синтезировать нужные человеческие гормоны. Такой подход позволяет массовое производство стандартных, качественных препаратов.

Пример успешного применения генетической инженерии — производство человеческого инсулина для диабетиков.

Вакцины

Определение:

Вакцина — это препарат, предназначенный для стимулирования специфического иммунного ответа организма против определенного возбудителя заболевания. Основные виды вакцин включают живую аттенуированную, убитую цельноклеточную, субъединичную и векторную формы.

Этапы разработки и производства:

1. Выбор патогена: определение цели вакцинации (бактериальная инфекция, вирус, паразиты и т.п.).

2. Создание антигена: разработка компонентов вакцины, будь то сам живой, ослабленный или мертвый патоген, отдельные его части (белки, полисахариды) или генетический материал (ДНК-вектор).

3. Массовое производство: размножение необходимого количества патогена или антигена в стерильных средах (часто используют культуры клеток млекопитающих или насекомых).

4. Обработка и очистка: удаление ненужных примесей, стабилизация состава, добавление консервантов и адъювантов (усилителей эффективности).

5. Контроль качества: тестирование безопасности, иммуногенности и длительности хранения каждой партии.

Современные вакцины активно разрабатываются методами биотехнологии, такие как мРНК-вакцины, использующие искусственно созданные матричные РНК для синтеза белков-антигенов внутри организма вакцинированного человека.

2. Биотопливо и энергетика

Биологическое производство альтернативных топлив и химикатов становится важным направлением развития современной энергетики и химической промышленности. Использование биологических процессов для получения топлива и материалов обеспечивает устойчивое развитие экономики и снижение зависимости от ископаемых углеводородов. Вот подробное описание каждого направления:

Биоэтанол

Биоэтанол — это спирт, получаемый из растительного сырья (сахара, крахмала, целлюлозы) путем ферментативного брожения с последующим процессом дистилляции.

Технология производства:

1. Сырье: наиболее распространённые растения — кукуруза, сахарный тростник, пшеница, картофель. Сейчас исследуются возможности переработки лигноцеллюлозных отходов (солома, древесина).

2. Ферментация: сырье подвергается воздействию микроорганизмов (обычно дрожжи), превращающих сахара в этанол и углекислый газ.

3. Отделка: очищенный биоэтанол концентрируется методом перегонки, часто применяется ректификационная колонна.

4. Использование: главным образом смешивается с бензином для снижения углеродного следа транспорта.

Преимущества биоэтанола включают возобновляемость ресурса, снижение выбросов парниковых газов и потенциал для местных рынков агропродукции.

Биодизель

Биодизель — это жидкое топливо, изготовляемое из растительных масел (рапсового масла, пальмового масла, соевого масла), жиров животного происхождения или даже отработанных кулинарных жиров.

Процесс производства:

1. Исходное сырьё: отбор подходящего жира или масла.

2. Трансэстерификация: жир взаимодействует с метанолом или этанолом в присутствии катализатора (щелочь), преобразуя триглицериды в моноалкиловые эфиры жирных кислот (метиловые или этиловые эфиры).

3. Очистка: отделяется глицерин, примеси удаляются фильтрацией.

4. Применение: готовый биодизель совместим с большинством дизельных двигателей и снижает выбросы вредных веществ.

Биодизель помогает сократить зависимость от нефти и способствует снижению экологического ущерба окружающей среде.

Водоросли (микроводоросли)

Определение:

Микроводоросли представляют собой одноклеточные организмы, способные эффективно накапливать жиры и углеводы благодаря фотосинтезу. Из водорослей можно извлекать масло для производства биотоплива, биопластиков и питательных добавок.

Методы выращивания и переработки:

1. Фотобиореакторы: закрытые системы, обеспечивающие оптимальный свет, питательные вещества и условия для быстрого роста водорослей.

2. Сбор урожая: механическое извлечение массы водорослей из жидкости.

3. Экстракция липидов: процесс выделения жиров из биомассы с последующей трансэстерификацией для получения биодизеля.

4. Переработка остаточной биомассы: остатки после удаления липидов могут использоваться для удобрений, корма животным или выработки электроэнергии.

Водорослевое производство отличается высоким КПД преобразования солнечной энергии в биомассу и потенциально неограниченным ресурсом воды и света.

3. Пищевая промышленность и добавки

Биотехнологические процессы давно применяются в пищевой промышленности для улучшения качества продукции, ускорения производственных циклов и расширения ассортимента товаров. В частности, использование специализированных ферментов играет важную роль в разных сегментах отрасли. Рассмотрим каждую отрасль отдельно:

Хлебопекарная промышленность

Цель применения ферментов:

Повышение качества хлеба, улучшение структуры теста, увеличение срока годности изделия.

Типичные ферменты:

- Альфа-амилаза: расщепляет крахмал муки, обеспечивая лучшее подъём теста и увеличивая объём готового хлеба.

- Протеазы: способствуют улучшению эластичности клейковины, делая тесто более мягким и легко обрабатываемым.

- Липазы: участвуют в формировании аромата и вкуса хлебобулочного изделия.

- Ксиланазы: улучшают структуру мякиша, увеличивают объем выпечки.

При добавлении в рецептуру специальные ферменты помогают регулировать свойства конечного продукта, ускоряют технологические операции и снижают себестоимость производства.

Молочная промышленность

Цель применения ферментов:

Обеспечение эффективного свертывания молока, улучшения вкусовых качеств и структуры молочных продуктов.

Типичный фермент:

- Реннин (химозин): основной фермент, используемый для приготовления сыров. Реннин ускоряет коагуляцию казеинового белка, формируя молочный сгусток.

Также широкое распространение получили ферменты класса лактазы, помогающие людям с непереносимостью лактозы потреблять молочные продукты.

Мясная промышленность

Цель применения ферментов:

Размягчение мясных волокон, улучшение консистенции мяса, облегчение обработки мясного сырья.

Типичные ферменты:

- Папаин: энзим, добываемый из плодов папайи, используется для маринования и размягчения жестких сортов мяса.

- Бромелин: аналогично папаину, используется для увеличения нежности и сочности мяса.

- Коллагеназа: разрушает коллагеновые волокна, позволяя быстрее обрабатывать мясо и улучшать его структурные характеристики.

Использование ферментов в мясоперерабатывающей промышленности повышает эффективность технологических операций, улучшает потребительские свойства готовой продукции и сокращает затраты на обработку сырья.

Все перечисленные отрасли выигрывают от применения биотехнологических решений, основанных на природных ферментах. Благодаря целенаправленному применению биотехнологий производители достигают стабильного качества продукции, расширяют ассортимент изделий и повышают конкурентоспособность своей продукции на рынке. Применение современных технологий открывает новые горизонты для пищевых предприятий, повышая стандарты качества и удовлетворяя потребности потребителей в здоровой и доступной пище.

Хлебопекарная промышленность: ферменты, такие как амилаза и глюкоамилаза, помогают расщеплять крахмал в муке до сахаров, что способствует улучшению подъема теста и текстуры хлеба.

Молочная промышленность: реннин (или хлористоводородная ферментация) используется для свертывания молока при производстве сыра. Лактаза помогает расщеплять лактозу, делая молочные продукты более подходящими для людей с непереносимостью.

Мясная промышленность: ферменты, такие как протеиназы, применяются для размягчения мяса, улучшая его текстуру и вкус.

4. Биополимеры и материалы

олучение полезных продуктов с использованием биологических процессов и агентов включает создание материалов и веществ, полученных естественным путем или посредством биотехнологических методов. Среди наиболее интересных направлений выделяются биополимеры и биоразлагаемые пластмассы, поскольку они являются экологически чистыми альтернативами традиционным материалам.

Биополимеры

Определение: Биополимеры представляют собой полимеры природного происхождения, образующиеся из органических соединений, синтезируемых живыми организмами, такими как растения, бактерии и грибы. Эти соединения включают полисахариды (например, целлюлоза, крахмал), белки (коллаген, шелк), нуклеиновые кислоты и липидные компоненты.

Примеры:

1. Структурные белки - Коллаген, эластин, шелк

2. Белковые энзимы - Каталаза, пепсин, амилаза

3. Полисахариды - Целлюлоза, хитин, гликоген

4. Нуклеиновые кислоты - ДНК, РНК

5. Хромопротеины - Гемоглобин, миоглобин

Применение:

- Медицину (биомедицинские имплантаты)

- Продукты питания (загустители, стабилизаторы)

- Косметику и парфюмерию

- Экологически чистые упаковочные материалы

Биодеградируемые пластики

Определение: Это виды пластмасс, способные подвергаться биологическому разложению микроорганизмами (бактериями, грибами) в условиях окружающей среды. Такие пластики имеют ограниченный срок службы и минимально влияют на окружающую среду.

Типы биопластиковых материалов:

1. Полилактат (PLA):

- Получают из кукурузного крахмала или сахарного тростника.

- Применяется в упаковке пищевых продуктов, медицинских изделиях.

2. Полигидроксиалканоаты (PHA):

- Производятся бактериями, ферментативно преобразующими сахар.

- Используются в медицине, производстве пленок и покрытий.

3. Крахмалосодержащие композиты:

- Смеси традиционных пластиков с крахмалом, способствующие ускоренному разложению.

Преимущества:

- Устойчивость к воздействию микроорганизмов

- Возможность компостирования

- Сокращение углеродного следа производства

- Уменьшение количества отходов

5. Экологические и сельскохозяйственные продукты

Биофертилизаторы — это удобрения, полученные из природных компонентов и производимых микробиологическими процессами. Они отличаются экологичностью и благоприятным воздействием на почву и растениеводство. Использование биофертилизаторов становится важным направлением в агротехнике благодаря своей способности улучшать плодородие почвы, снижать зависимость от синтетических удобрений и способствовать устойчивости сельского хозяйства.

Основные типы биофертилизаторов:

1. Органические удобрения:

- Компосты из растительных остатков, навоз животных, птичий помёт.

- Обладают высоким содержанием питательных элементов и гумуса, улучшая структуру почвы.

2. Микроорганизмы-пробиотики:

- Бактериальные препараты, содержащие полезные микроорганизмы (азотфиксирующие бактерии, фосфатмобилизующие бактерии).

- Улучшают доступность питательных веществ в почве, способствуют росту растений.

3. Фитохимические вещества:

- Фитоэкстракты, выделяемые растениями (флавоноиды, алкалоиды, фенолы).

- Стимулируют рост корней, защищают от болезней и вредителей.

4. Продукция микробных ферментов:

- Энзимы, вырабатываемые почвенными микроорганизмами (целлюлазы, протеазы, фосфатазы).

- Способствуют минерализации органических веществ, повышают эффективность усвоения питательных веществ растениями.

Механизм действия:

- Повышение доступности питательных элементов (NPK, микроэлементы).

- Разложение сложных органических соединений в доступные формы.

- Создание благоприятных условий для роста корневой системы.

- Укрепление иммунитета растений против патогенов и стресс-факторов.

Экономическое значение:

Использование биофертилизаторов способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур, улучшению качества продукции и снижению затрат на химически активные удобрения. Особенно актуально применение биофертилизаторов в условиях изменения климата и истощения земельных ресурсов.

Для подведения итогов стоит сказать, что биотехнология микроорганизмов играет важную роль в современном производстве полезных продуктов, обеспечивая эффективные и экологически безопасные решения в пищевой промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Использование биологических процессов позволяет создавать инновационные материалы, улучшать качество продуктов и способствовать устойчивому развитию. В дальнейшем развитие этой области обещает расширение возможностей для получения новых, более экологичных и полезных продуктов, что делает её ключевым направлением научных и промышленных исследований.

Литература

1. https://propionix.ru/f/vvedenie_v_biotehnologiyu_versiya_10_elektronnyj_resurs_elektron_ucheb_posobie_t_g_volova_elektron_dan_2_mb_krasnoyarsk_ipk_.pdf

2. https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/1417/

3. https://www.vavilovsar.ru/files/pages/23133/14721338356.pdf

4. https://propionix.ru/f/osnovy_pishchevoj_biotehnologii_uchebnoe_posobie_dlya_agrarnyh_vuzov_ufa_fgbou_vpo_bashkirskij_gau_2014_184_s.pdf

5. https://research-journal.org/media/articles/4022.pdf

6. https://elib.belstu.by/bitstream/123456789/14297/1/krutko_texnologiya-biorazlagaemyx-polimernyx-materialov.pdf

7. https://biopolymer.vn/en/news-events/biopolymer-biodegradable-plastic/

8. https://dspace.www1.vlsu.ru/bitstream/123456789/12090/1/02780.pdf

Код для цитирования: Скопировать