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 processA

B

A+B P

PAB

temperatureflowrate

A

P

B

Reactor Separation

Šūna kā bioreaktors

Product : cellssmall moleculeenzymeA

PCD etc.

?

Reactor inside a reactor Separation

reactor

A

P

cell

B CD

E P

A

Biotehnoloģijas vēsture1. 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.

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 vēsture

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 m 1-5 m

Biotehnoloģiska produkta ražošanas princips

Procesa realizācijas

iekārtas

Barotne(substrāts)

Produkts

Mikroorganisms

Tehnoloģiskais režīms

Mikroorganismu kultivācijas fermentācijas secība

Galvenie biotehnoloģiskās ražošanas procesi

1. Sējmateriāla, barotņu un citu procesam svarīgu izejmateriālu sagatavošana;

2. Procesa ārējās vides nosacījumu nodrošināšana (ūdens, tvaiks, gaiss, atmosfēra, telpas);

3. Mikroorganismu kultivācijas fermentācija;4. Produktu izdalīšana un tīrīšana

(centrifugēšana, filtrācija, kristalizācija, dezintegrācija, u.c.).

Tipiska biotehnoloģiskā procesa shēma

Gaiss

Sējmateriāls Bioreaktors

Barotne

Atkritumi

Filtrācija

Centrifūga

Atkritumi

Hromotogrāfiskās kolonas

Atkritumi

Beigu produkts

Produkts

Uz iepakošanu

Augšana

Mikroorganismu augšana bioreaktorā

Mikroorganismu augšanas dažādu fermentācijas procesu veidi

Bioreaktora slēguma blokshēma

Laboratorijas bioreaktors

Biotehnoloģiskā ražotne 90. gadu sākumā

Biotehnoloģiskā ražotne šodien