Тема 2.9. Біотехнології та їх застосування в народному господарстві
Перелік питань до самостійної роботи:
1. Характеристика основних сфер застосування біотехнологій.
Перелік питань до індивідуальної роботи:
1. Екологічні принципи біотехнологій.
2. Застосування біотехнологій у сільському господарстві.
3. Застосування біотехнологій для очищення стічних вод.
4. Застосування біотехнологій для одержання палива (біогазу).
Біотехнологіїґрунтуються на використанні живих організмів і біологічних процесів у виробництві. Особливістю БТ виробництва є невелике утворення твердих відходів при одночасному використанні великої кількості води і повітря (в аеробних процесах). За спрямованістю всі біотехнологічні виробництва можна умовно поділити на дві групи. Перша має на меті одержання максимально можливої кількості біомаси живих організмів, а друга – виходу продуктів їх життєдіяльності. Загальна схема біотехнологічного виробництва в обох випадках може бути представлена у вигляді таких стадій: підготовка живильного середовища для промислового культивування мікроорганізмів; одержання чистої культури продуцента; культивування продуцента та проведення основної ферментації; виділення та очищення кінцевого продукту; одержання товарних форм продукту.
Ефективність біотехнологічного виробництва визначається проведенням процесу основної ферментації.Ферментація – це сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлене і нагріте до необхідної температури живильне середовище посівного матеріалу і до завершення процесу росту клітин чи біосинтезу цільового продукту. Ферментацію здійснюють у ємнісних апаратах, що називаються ферментаторами, чи ферментерами, або біореакторами. По закінченню ферментації утворюється складна суміш, що складається з клітин продуцента, розчину неспожитих живильних компонентів і продуктів біосинтезу, що нагромадилися в середовищі. Таку суміш називають культуральною рідиною.
Для виділення й очищення продуктів ферментації використовують відомі в хімічній технології методи й апаратуру. Витрати на ці операції можуть перевищувати витрати на приготування живильних середовищ і на ферментацію на 30—50 %.
Стадія фасування препаратів кормового і технологічного призначення полягає в упакуванні їх у тару, розміри і тип якої визначаються потребами замовника і властивостями продукту. Препарати повинні мати високий ступінь чистоти і дуже часто абсолютну стерильність. Це змушує використовувати спеціальну технологію, що дозволяє стерилізувати речовини і підготовлену для них тару, і проводити наповнення й пакування в асептичних умовах.
Біотехнологія застосовується в харчовій промисловості (одержання хліба, квасу, спирту, кисломолочних продуктів, лимонної, молочної, оцтової та ряду інших кислот тощо); медицині (виробництво лікарських препаратів – антибіотиків, вітамінів, біологічно активних речовин тощо); сільському господарстві (виробництво стимуляторів росту рослин, засобів захисту рослин від хвороб і шкідників, добрив, застосування методів генетичної і клітинної інженерії для створення високопродуктивних і стійких до шкідників, хвороб, гербіцидів сорти сільськогосподарських рослин); виробництво кормової мікробної біомаси для тваринництва; технологіях очищення стічних вод,комплексного перероблення відходів, одержання альтернативних джерел енергії.
Етанол широко застосовується у багатьох галузях: хімічній, фармацевтичній, парфумерній та харчовій, де він є основою лікеро-горілчаних виробів та вин. Його використовують як паливо, антифриз чи дезінфікуючий засіб. Вимоги до його якості для таких багатогранних застосувань суттєво відрізняються, що, в свою чергу, визначає як можливості використання різної сировини, так і особливості та параметри технологічних схем її переробки. В технічних галузях (паливна, електротехнічна) використовують етанол, виготовлений із етилен вміщуючих газів, деревини, соломи та відходів сульфітно-целюлозного виробництва. В галузях харчової промисловості (консерви та вітаміни, вина та лікеро-горілчані вироби), а також у фармацевтичній та медичній використовують спирт, вироблений із харчової сировини: зерна, картоплі, меляси, буряків.
Основою мікробіологічних технологій виробництва етанолу із зброджуваних матеріалів є процес бродіння цукрів, суть найпоширенішого варіанту якого для гексоз полягає в анаеробному диханні за схемою: С6Н12О6= 2СО2+ 2С2Н5ОН + 118 кДж. Сировина, яка використовується для виробництва етанолу, ділиться на три великі групи: крохмальвміщуюча (зерно, картопля); цукровміщуюча (меляса, буряк, фрукти, виноград); клітковиновміщуюча (деревина, солома, відходи сульфіт-целюлозного виробництва).
Узагальнену схему всіх бродильних виробництв етанолу можна розділити на функціональні блоки: переробка сировини у зброджувані цукри та коригування сусла; перетворення сусла, зброджуванням за допомогою дріжджів або ферментних препаратів, у зрілу бражку; виділення із бражки спирту і його подальше очищення.
Ключовими для визначення якості і собівартості спиртової продукції є технологічні операції оцукрювання, зброджування та ректифікаційної перегонки і очищення. Зниження вмісту редукованих цукрів, придатних для зброджування, при неповному чи неправильному оцукрюванні та неповне зброджування редукованих цукрів у спирт знижують вихід етанолу. Збільшення кількості та вмісту домішок у зрілій бражці, крім зниження виходу спирту, ускладнює його ректифікаційне очищення та підвищує собівартість продукції.
Найпоширенішим та найефективнішим способом виділення спирту із бражки і його подальшого концентрування є ректифікація, заснована на процесі перегонки внаслідок різниці температури кипіння води та спирту, що призводить до більш швидкого випаровування спирту з водноспиртової суміші.
Суть ректифікації полягає у багаторазових масо – та теплообмінах між протилежно спрямованими потоками парових та рідинних сумішей компонентів з різною леткістю. Процес проводять у ректифікаційних колонах, обладнаних контактними пристроями у вигляді ситових, ковпачкових чи клапанних тарілок.
Контрольні питання
1. Які істотні переваги мають біотехнології у порівнянні з іншими видами технологій?
2. Як біотехнології застосовуються в сільському господарстві?
3. Означте застосування біотехнології в медицині, фармацевтиці та харчовій промисловості.
4. Дайте загальну характеристику біотехнологій і біотехнологічних процесів та їх ролі у різних галузях виробництва.
5. Яка типова схема біотехнологічного виробництва та її основні складові?
6. В чому полягає біологічне очищення стічних вод?
7. В чому полягають основи біотехнологічної енергетики?.
8. Як застосовуються біотехнології в харчовій промисловості?
9. Охарактеризуйте основні принципи технології виробництва етилового спирту.
Література: основна [2-4];
Додаткова [2, 4, 8, 11, 13].