Объекты биотехнологических производств

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ЕЕ УСВОЕНИЯ

Раздел 1.

Введение.

Биотехнология как наука и сфера производства. Краткая история развития биотехнологии. Биотехнология и фундаментальные дис­циплины.

Современная биотехнология как одно из основных направлений научно-технического прогресса. Биотехнологизация народного хозяйства. Биотехнология и энергетика. Биотехнология и природные ресурсы. При­менение биотехнологических методов в горнодобывающей, нефтедобы­вающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Химическая техно­логия и биотехнология. Комбинирование биосинтеза и оргсинтеза при многостадийном получении полупродуктов и целевых продуктов. Биотех­нология и новые методы анализа и контроля. Новые материалы (биополимеры и др.), получаемые биотехнологическими методами.

Биотехнология и интенсификация сельскохозяйственного произ­водства. Повышение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных. Новые виды кормов, удобрений. Создание трансгенных растений и животных.

Биотехнология и пищевая промышленность. Совершенствование путей переработки сельскохозяйственных продуктов. Новые разновидности пи­щевых продуктов.

Экологическая биотехнология. Переработка и утилизация промышленных отходов. Очистка промышленных стоков. Биодеградация ксенобиотиков.

Биотехнология и медицина. Получение биотехнологическими мето­дами лекарственных, профилактических и диагностических препаратов. Биотехнология и понимание основ патологии инфекционных, онкологиче­ских и наследственных заболеваний.

 

Раздел 2.

Объекты биотехнологических производств

Биообъекты как средство производства лекарственных, профилакти­ческих и диагностических препаратов. Классификация биообъектов.

Макробиообъекты животного происхождения. Человек как донор и объект иммунизации.

Млекопитающие, птицы, репти­лии, рыбы, насекомые, паукообразные, морские беспозвоночные. Культу­ры тканей человека и других млекопитающих. Основные группы получае­мых биологически активных веществ.

Биообъекты растительного происхождения. Дикорастущие, плантационные растения. Водоросли. Культуры растительных тканей. Основ­ные группы получаемых биологически активных веществ.

Биообъекты - микроорганизмы. Эукариоты (простейшие, грибы, дрожжи). Прокариоты (актиномицеты, эубактерии). Вирусы. Основные группы получаемых биологически активных соединений.

Биообъекты - макромолекулы с ферментативной активностью.

Промышленные биокатализаторы на основе индивидуальных ферментов и мультиферментных комплексов. Биоконверсия (биотрансформация) при получении гормонов, простаноидов, витаминов, антибиотиков и других биологически активных веществ.

Раздел 3.

Слагаемые биотехнологического производственного процесса

Биотехнологические системы производства. Условия, необходимые для работы биообъектов в биотехнологи­ческих системах производства лекарственных средств. Основные "ва­рианты" биотехнологий. Биотехнологический процесс как базовый этап, обеспечивающий сырье для получения лекарственных, профилактических или диагностических препаратов. Биотехнологический процесс как проме­жуточный или заключительный этап производства препарата. Биотехноло­гический процесс, обеспечивающий все стадии создания лечебного, про­филактического, диагностического препарата.

Общие основы экзогенной регуляции продуктивности макро- и мик­рообъектов. Жизнеобеспечение макроорганизмов - животных и высших растений как источника биомассы (различных тканей). Жизнеобеспечение микроорганизмов как источника биомассы. Защита от контаминации.

Предотвращение выброса в окружающую среду. Техногенная эколо­гическая ниша для существования микрообъектов в монокультуре.

Жизнеобеспечение культур клеток высших растений и животных. За­щита от контаминации. Ауксины. Цитокинины. Индукторы митотического цикла.

Проблемы лизогении и онкогенов при культивировании биообъектов. Обеспечение эффективной работы биообъектов, используемых как про­мышленные биокатализаторы. Подбор реакционных смесей. Инженерные решения.

Сочетание условий для поддержания жизнеобеспечения биообъекта и максимального синтеза целевого продукта при наиболее сложном варианте биотехнологического процесса. Направленная регуляция состава питатель­ной среды и воздействия физических факторов в течение ферментации. Предшественники целевого продукта и время их внесения в среду.

Слагаемые биотехнологического процесса производства лекарственных средств

Иерархическая структура биотехнологического производства. Первая ступень построения: подсистемы типа биообъект - биореакторы, биомасса - сепараторы, экстракторы и т.п. Вторая ступень построения: объединение подсистем в функционально единую цепь (участок, цех). Технологические основы создания блочно-модульных типовых решений. Третья ступень построения: последовательность блоков и модулей функциональных уча­стков. Опытно-промышленная установка, предприятие законченного цик­ла, основные и вспомогательные (общеинженерные) подсистемы.

Схема последовательно реализуемых стадий превращения исходного сырья в лекарственное средство. Оптимизация биообъекта, процессов и аппаратов как единого целого в биотехнологическом производстве.

Подготовительные операции при использовании в производстве биообъектов микроуровня. Многоэтапность подготовки посевного мате­риала. Инокуляторы. Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах. Связь скорости изменения количества микроорганиз­мов в экспоненциальной фазе роста с концентрацией клеток в системе.

Комплексные и синтетические питательные среды. Их компоненты. Концентрация отдельного расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта в техногенной нише. Уравнение Моно.

Методы стерилизации питательных сред. Критерий Дейндорфера -Хэмфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерили­зации.

Стерилизация ферментационного оборудования. "Слабые точки" внутри стерилизуемых емкостей. Проблемы герметизации оборудования и коммуникаций.

Очистка и стерилизация технологического воздуха. Схема подготовки потока воздуха, подаваемого в ферментатор. Предварительная очистка. Стерилизующая фильтрация. Предел размера пропускаемых частиц. Эффективность работы фильтров. Коэффициент проскока.

Критерии подбора ферментеров при реализации конкретных целей. Классификация биосинтеза по технологическим параметрам. Виды ферментеров. Принципы организации материальных потоков: периодический, полупериодический, отьемно-доливной, непрерывный. Глубинная ферментация. Массообмен. Поверхностная ферментация.

Требования к ферментационному процессу в зависимости от физио­логического значения целевых продуктов для продуцента - первичные метаболиты, вторичные метаболиты, высокомолекулярные вещества. Био­масса как целевой продукт. Типы культивирования. Требования к ферментационному процессу при использовании рекомбинантных штаммов, образующих чужеродные для биообъекта целевые продукты.

Выделение, концентрирование и очистка биотехнологических про­дуктов. Специфические особенности первых стадий. Седиментация био­массы. Уравнение скорости осаждения. Коагулянты. Флокулянты. Цент­рифугирование. Выделение из культуральной жидкости клеток высших растений, микроорганизмов. Отделение целевых продуктов, превращенных в твердую фазу. Сепарирование эмульсий. Фильтрование. Предварительная обработка культуральной жидкости для более полного разделения фаз. Кислотная коагуляция. Тепловая коагуляция. Внесение электролитов.

Методы извлечения внутриклеточных продуктов. Разрушение клеточ­ной стенки биообъектов и экстрагирование целевых продуктов.

Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хромато­графия применительно к выделению ферментов. Мембранная технология. Классификация методов мембранного разделения. Общность методов очи­стки продуктов биосинтеза и оргсинтеза на конечных стадиях их получе­ния (из концентратов). Сушка.

Стандартизация лекарственных средств, получаемых методами био­технологии. Фасовка.

Контроль и управление биотехнологическими процессами

Основные параметры контроля и управления биотехнологическими процессами. Общие требования к методам и средствам контроля. Совре­менное состояние методов и средств автоматического контроля в биотех­нологии. Контроль состава технологических растворов и газов. Потенцио-метрические методы контроля рН и ионного состава.

Датчики рН и ионоселективные электроды. Газочувствительные элек­троды. Стерилизуемые датчики растворенных газов.

Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титриметрические методы. Оптические методы. Биохимические (фермен­тативные) методы контроля. Электроды и биосенсоры на основе иммоби­лизованных клеток. Высокоэффективная жидкостная хроматография при решении задач биотехнологического производства.

Основные теории автоматического регулирования. Статические и динамические характеристики биотехнологических объектов. Классифика­ция объектов управления в зависимости от динамических характеристик. Компьютеризациябиотехнологического производстве лекарствен­ных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ. Структура исследований в области биотехнологии микробного синтеза. Применение компьютерной техники на различных этапах производства и получения биотхнологических продуктов. Принципы и этапы анализа дан­ных и математического моделирования биотехнологических систем. Пла­нирование и оптимизация многофакторных экспериментов. Кинетические модели биосинтеза и биокатализа. Организация автоматизированных бан­ков данных по биотехнологическим процессам и продуктам.

Единая система СLР, ССР и СМР при предклиническом, клиниче­ском испытании лекарств и их производстве. Особенности требований GМР к биотехнологическому производству. Требования к условиям хране­ния сырья для комплексных питательных сред. Карантин. Правила GМР применительно к производству беталактамных антибиотиков.

Причины проведения валидации при замене штаммов-продуцентов и изменении составов ферментационных сред.

Раздел 4.