BIOPROCESY: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, ZALETY I ETAPY - BIOLOGIA - 2025

Biologiczny jest określone metodologie, które żyją zastosowania komórek, albo innych jego składników (enzymy, organelli, między innymi), w celu uzyskania z uzyskaniem pożądanego produktu w przemyśle lub dla korzyści człowieka. Bioproces pozwala na otrzymanie znanych już produktów, w optymalnych warunkach środowiskowych, o wyższej jakości niż tradycyjny sposób ich wytwarzania.

W ten sam sposób bioprocesy pozwalają na otrzymywanie organizmów modyfikowanych genetycznie, które mogą być wykorzystane w celu poprawy wydajności określonych procesów (enzymów lub białek do wykorzystania w lecznictwie, np. Insulina) lub bezpośrednio przez człowieka. człowiek.

Źródło: pixabay.com

Społeczeństwo i technologia mogą wykorzystywać bioprocesy w różnych obszarach, aby prowadzić do lepszych i nowych technik. Ma zastosowanie w różnych obszarach, takich jak produkcja żywności, wprowadzając ulepszenia w tych dziedzinach, tworząc leki, kontrolując różnego rodzaju zanieczyszczenia, a także kontrolując globalne ocieplenie.

Obecnie różne bioprocesy w branży wywarły pozytywny wpływ i zainwestowano miliony dolarów, aby promować jej rozwój.

cechy

W naukach biotechnologicznych bioproces to proces wykorzystujący określoną jednostkę biologiczną, która jako produkt wytwarza substancję o określonej wartości dodanej.

Oznacza to, że użycie komórki, mikroorganizmu lub części komórki generuje pożądany przez badacza produkt, który może mieć zastosowanie w jakimś obszarze.

Ponadto istnieje inżynieria bioprzetwarzania, która ma na celu projektowanie i rozwój urządzeń do wytwarzania szerokiej gamy produktów, związanych z rolnictwem, wytwarzaniem żywności i medycyny, wytwarzaniem m.in. chemikaliów, zaczynając od materiałów biologicznych.

Dzięki istnieniu inżynierii bioprocesowej biotechnologia może przełożyć się na korzyści dla społeczeństwa.

Cele bioprocesów

Biolodzy i inżynierowie, którzy uczestniczą w rozwoju bioprocesów, starają się promować wdrażanie tej technologii, ponieważ umożliwia ona:

- Dzięki bioprocesom można wytwarzać chemikalia o znacznej wartości. Jednak ilości, które są generalnie produkowane, są dość małe.

-Bioprocesy pozwalają na syntezę lub modyfikację produktów już otrzymanych tradycyjną drogą z wykorzystaniem aktywności wcześniej wyizolowanych mikroorganizmów. Mogą to być między innymi aminokwasy lub inne materiały organiczne, żywność.

-Transformacja substancji w znacznych ilościach, takich jak alkohole. Procedury te często obejmują substancje o niewielkiej wartości.

- Dzięki wykorzystaniu organizmów lub ich części, pozostałości i toksyczne odpady mogą zostać zdegradowane, aby przekształcić je w substancje, które można łatwo poddać recyklingowi. Procesy te mają również znaczenie w przemyśle wydobywczym, przy koncentracji metali i eksploatacji pierwotnych kopalń.

Zalety i wady stosowania bioprocesów

-Korzyść

Istnienie bioprocesów zapewnia szereg wyjątkowych korzyści, w tym oszczędność energii przy przetwarzaniu substancji, jak następuje:

Przyjazne warunki dla pracowników

Większość bioprocesów wykorzystuje enzymy, które z natury są katalizatorami białek. Pracują one w temperaturze, poziomie kwasowości i ciśnieniu zbliżonym do tych, którym opierają się organizmy żywe, dlatego procesy zachodzą w „przyjaznych” warunkach.

W przeciwieństwie do ekstremalnych temperatur i ciśnień, w jakich działają katalizatory chemiczne stosowane w tradycyjnych procesach. Oprócz oszczędzania energii, praca w warunkach przyjaznych człowiekowi sprawia, że ​​zabieg jest bezpieczniejszy i łatwiejszy.

Inną konsekwencją tego faktu jest zmniejszenie wpływu na środowisko, ponieważ produkty reakcji enzymatycznych nie są odpadami toksycznymi. W przeciwieństwie do odpadów wytwarzanych według standardowych metod.

Kompleksy produkcyjne są mniejsze, prostsze i dość elastyczne, więc nie ma potrzeby dokonywania dużych inwestycji kapitałowych.

-Niedogodności

Chociaż bioprocesy mają wiele zalet, w stosowanych metodologiach nadal istnieją słabe punkty, takie jak:

Zanieczyszczenie

Jedną z najważniejszych jest nieodłączna konsekwencja pracy z systemami biologicznymi: podatność na skażenie. Z tego powodu musi pracować w bardzo kontrolowanych warunkach aseptycznych.

W przypadku zanieczyszczenia upraw mikroorganizmy, katalizatory lub otrzymane produkty mogą ulec zniszczeniu lub utracić swoją funkcjonalność, powodując znaczne straty dla przemysłu.

Generuj plony na dużą skalę

Inny problem związany jest z manipulacją organizmami porodowymi. Generalnie laboratoria genetyki i biologii molekularnej pracują z mikroorganizmami na małą skalę, gdzie ich hodowla i optymalny rozwój są łatwiejsze.

Jednak ekstrapolacja tego procesu na masową hodowlę mikroorganizmów stwarza szereg przeszkód.

Z metodologicznego punktu widzenia produkcja mikroorganizmów na dużą skalę jest skomplikowana i jeśli nie jest prowadzona we właściwy sposób, może prowadzić do niestabilności genetycznej systemu i niejednorodności rosnących organizmów.

Producenci dążą do jednorodnej uprawy, aby zmaksymalizować produkcję danej substancji. Jednak kontrolowanie zmienności, którą znajdujemy we wszystkich systemach biologicznych, jest problemem na dużą skalę.

Podsumowując, produkcja mikroorganizmów do użytku przemysłowego nie polega po prostu na zwiększeniu produkcji prowadzonej w laboratorium, ponieważ ta zmiana skali ma szereg wad.

Rodzaje

Wykorzystanie mikroorganizmów lub innych jednostek biologicznych do produkcji interesujących ludzi substancji jest bardzo zróżnicowane. W produkcji związki odpadowe można wyizolować z mikroorganizmu, który ma być oczyszczony i wykorzystany.

Podobnie organizm można zmodyfikować, stosując narzędzia inżynierii genetycznej do bezpośredniej produkcji. Ta metodologia otwiera szereg możliwości produktów, które można uzyskać.

W innych przypadkach może to być organizm zmodyfikowany genetycznie (a nie to, co można z nim wyprodukować).

Etapy bioprocesu

Ponieważ termin „bioproces” obejmuje bardzo niejednorodny i zróżnicowany zestaw technik, trudno jest objąć jego etapy.

- Etap produkcji insuliny

Jeśli pracujesz ze zmodyfikowanymi organizmami w laboratorium, pierwszym krokiem jest modyfikacja. Aby opisać konkretną metodologię, opiszemy wytwarzanie typowego rekombinowanego DNA produktu, takiego jak insulina, hormon wzrostu lub inny powszechny produkt.

Manipulacja genetyczna

Aby wprowadzić produkt na rynek, organizm żywiciela musi zostać poddany manipulacji genetycznej. W tym przypadku organizmem jest zwykle Escherichia coli, a sklonowane DNA będzie DNA zwierzęcym. W tym kontekście „sklonowane” DNA nie oznacza, że ​​chcemy sklonować cały organizm, jest to po prostu fragment interesującego nas genu.

Jeśli chcemy produkować insulinę, musimy zidentyfikować segment DNA, który ma niezbędne informacje do produkcji tego białka.

Po identyfikacji interesujący segment jest cięty i wstawiany do bakterii E. coli. Oznacza to, że bakteria służy jako mała fabryka, a badacz przekazuje jej „instrukcje” poprzez wstawienie genu.

Jest to etap inżynierii genetycznej prowadzony na małą skalę przez biologa molekularnego lub wyspecjalizowanego biochemika. Na tym etapie wymagany jest podstawowy sprzęt laboratoryjny, taki jak mikropipety, mikrowirówki, enzymy restrykcyjne i sprzęt do wytwarzania żeli do elektroforezy.

Aby zrozumieć bioproces, nie jest wymagane zrozumienie wszystkich szczegółów związanych z klonowaniem, ważne jest, aby zrozumieć, że poziomy ekspresji pożądanego produktu muszą być optymalne, a stabilność produktu również musi być odpowiednia.

Określić ilościowo

Następnym krokiem po procesie klonowania jest pomiar wzrostu i właściwości zrekombinowanych komórek z poprzedniego etapu. Aby to zrobić, musisz mieć umiejętności z zakresu mikrobiologii i kinetyki.

Należy wziąć pod uwagę, że wszystkie zmienne środowiskowe, takie jak temperatura, skład pożywki i pH, są optymalne, aby zapewnić maksymalną produkcję. Na tym etapie określa się ilościowo niektóre parametry, takie jak szybkość wzrostu komórek, wydajność właściwa i produkt.

Wzrost skali

Po ustandaryzowaniu metodologii wytwarzania pożądanej substancji zwiększa się skalę produkcji i przygotowuje 1 lub 2 litry kultury w bioreaktorze.

W tym przypadku należy nadal utrzymywać temperaturę i pH. Należy zwrócić szczególną uwagę na stężenie tlenu wymagane przez kulturę.

Następnie badacze coraz bardziej zwiększają skalę produkcji, dochodząc nawet do 1000 litrów (ilość zależy również od pożądanego produktu).

-Fazy fermentacji

Jak wspomnieliśmy, bioprocesy są bardzo szerokie i nie wszystkie obejmują etapy opisane w poprzedniej sekcji. Na przykład fermentacja w betonie i klasyczny przykład bioprocesu. W tym wykorzystuje się mikroorganizmy, takie jak grzyby i bakterie.

Mikroorganizmy rosną w pożywce zawierającej węglowodany, których będą używać do wzrostu. W ten sposób produkty odpadowe, które wytwarzają, mają wartość przemysłową. Wśród nich mamy m.in. alkohol, kwas mlekowy.

Po wytworzeniu przez mikroorganizm interesującej substancji jest ona zagęszczana i oczyszczana. W tym bioprocesie powstają niekończące się produkty spożywcze (chleb, jogurt) i napoje (m.in. piwa, wina) cenne do spożycia przez ludzi.

Bibliografia

1. Cragnolini, A. (1987). Zagadnienia polityki naukowej i technologicznej: materiały i sesje z drugiego iberoamerykańskiego seminarium Jorge Sabato na temat polityki naukowej i technologicznej, Madryt, 2-6 czerwca 1986. Redakcja CSIC-CSIC Press.
2. Duque, JP (2010). Biotechnologia Netbiblo.
3. Doran, PM (1995). Zasady inżynierii bioprocesowej. Elsevier.
4. National Research Council. (1992). Zastosowanie biotechnologii: inżynieria bioprocesowa. National Academies Press.
5. Najafpour, G. (2015). Inżynieria biochemiczna i biotechnologia. Elsevier.