Биотехнология как научная дисциплина

Явившись прямым результатом научных разработок, биотехнология оказывается непосредственным единением науки и производства, еще одной ступенькой к единству познания и действования, еще одним шагом, приближающим человека к преодолению внешней и к постижению внутренней целесообразности». И все-таки она является только небольшим шагом. Поскольку, как заметил Б. Шоу, наука всегда ошибается. Она никогда не разрешает какой-то проблемы, не создав еще десять новых.

Биотехнология сама оказывается всего лишь крупной индустрией, соединением технических и биологических элементов и, естественно, наследует отрицательные свойства уже существующего индустриально-промышленного комплекса. Их действительное преодоление и решение проблемы человека предполагают выход человечества на новые, более совершенные ступени социально-культурного развития, основанного на новых способах познания и действования. Поэтому весьма существенное значение приобретает проблема выбора стратегии взаимодействия человека и природы: или это самонадеянное управление природой или же сознательное и целенаправленное приспособление всей жизнедеятельной деятельности, к существующему биотическому круговороту биосферы

2. Технология производства водорослей Spirulina рlatensis и Spirulina maxima

Спирулина (Spirulina platensis) – одноклеточная сине-зеленая водоросль, одно из древнейших на Земле растений. Возраст спирулины оценивают по-разному: от 700 млн. до 3,5млрд лет. Открытие уникальных свойств спирулины как всегда произошло случайно. В 1964 году бельгийский ботаник Ж. Леонар обнаружил в африканских лесах вблизи озера Чад небольшое племя аборигенов, уклад жизни которых не менялся на протяжении последних нескольких десятков, а может быть и сотен тысяч лет. Эти мирные люди не занимались ни охотой, ни земледелием. Все, что им было необходимо, они находили вокруг себя — эти дикие леса изобилуют фруктами, ягодами, кореньями и другой пищей. Современная цивилизация им была незнакома.

Свое шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки — население района озера Чад давно употребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Впервые галеты "текуитлатл" упомянуты испанцем Кастильо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев S.maxima. В 1964 году бельгийский ботаник Ж.Леонар обратил внимание на галеты сине-зеленого цвета, которые местное население изготовляло из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли собой высушенную массу спирулины. Анализ образцов Spirulina показал, что в ней содержится 65%белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается. Как озеро Тескоко, так и водоемы района озера Чад имеют в воде очень высокое содержание щелочей. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью доминирует и растет почти как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99% общего количества водорослей. Растет спирулина в щелочной среде при рН вплоть до 11. Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы водоросли в сутки, и эта продукция рассылается в США, Японию, Канаду. В других странах спирулину культивируют обычно в искусственных водоемах или специальных емкостях. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.

В процессе эволюции, проходя жесткие условия конкуренции, клетки Spirulina рlatensis и Spirulina maxima приобрели способность к делению при благоприятных условиях с огромнейшей скоростью – удвоение биомассы за пять часов. Этот факт можно проиллюстрировать так: при правильном культивировании Spirulina рlatensis и Spirulina maxima они растет настолько быстро, что может обеспечить в 20 раз больше протеинов с единицы культивационной площади, чем соя, и в 200 раз больше, чем говядина. Она не нуждается в черноземе, в то время как на получение 1 кг кукурузного протеина уходит 22 кг поверхностного почвенного слоя, а на получение 1 кг говяжьих протеинов — 45 кг зеленой массы. Благодаря своим ценным биологическим и физиологическим свойствам, биомасса Spirulina рlatensis и Spirulina maxima вот уже около полувека — является предметом бизнеса во многих странах мира. Так, годовое производство спирулины в 2005 г в Мексике составило 183 тонн, в Японии – 190 тонн, в Индии и Китае – по 170тонн. Поначалу сбор спирулины проводили непосредственно в природных щелочных водоемах Африки и Америки, в которых из-за их удобного географического положения и химического состава воды сложились благоприятные условия для роста Spirulina рlatensis и Spirulina maxima.

В дальнейшем потребность в спирулине стала возрастать, что привело к разработке новых технологий выращивания спирулины в искусственных водоемах. биотехнология клетка водоросль закваска

В последние годы появился ряд серьезных технологических разработок в области культивирования спирулины. Благодаря отдельным ноу-хау, техническим и технологическим решениям, продуктивность спирулины можно увеличить в 5-10 раз (!) по сравнению с известными аналогами. Причем, качественный состав ее в этом случае далеко превосходит состав биомассы, полученной в условиях тропиков или добытой в природе. Кроме того, эта спирулина отличается высокой чистотой и концентрацией биомассы.

Существует несколько различных технологий культивирования спирулины – массовая культура под открытым небом в бассейнах при искусственном освещении, интенсивное культивирование в стеклянных тубах, теплицах, а также в замкнутых аппаратах по типу современных микробиологических производств. Примером таких закрытых установок есть фотореакторы каскадного типа, позволяющие выращивать очень чистую спирулину с использованием как искусственного, так и естественного освещения.

Разработанный способ отбора клеток спирулины из питательного раствора, дает возможность отбирать наиболее зрелые клетки и не допускает перезревания культуры. Специальная сушка позволяет обеспечить свежесть и чистоту водоросли, сохранить ее биологическую активность, а возможность использования солнечного света дает экономию более 80% электроэнергии.

Каждый их этих способов имеет свои технологические различия, преимущества и несовершенства, но цель у всех одна – получениемаксимального выхода биомассы.

В 60-х годах XX ст. в различных лабораториях мира был разработан ряд установок и аппаратов высокоинтенсивного управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей в полностью контролируемых оптимальных условиях и автоматической регистрацией таких важных физиологических функций культуры, как скорость роста, интенсивность фотосинтеза, минеральное питание.

Наиболее совершенный из таких методов культивирования — проточное выращивание водорослей, при котором по сигналам, получаемым от самой культуры, осуществляется автоматический отбор прирастающих клеток (урожая), подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры.

Урожай в таких установках – примерно 30-40 г сухой биомассы с 1 литра суспензии в сутки, или 80-100 г с 1 м2 освещаемой поверхности.

Таким образом, в настоящее время можно считать достаточно детально разработанными физиологические основы культивирования микроскопических фотосинтезирующих водорослей и технологию их выращивания как в установках под открытым небом, так и закрытых аппаратах.