с 01.01.1997 по настоящее время
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
В статье, анализирующей учебное пособие А.В. Луканина «Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств», показана возрастающая роль промышленной биотехнологии. С помощью биотехнологических методов в настоящее время получают широкий спектр продуктов в различных областях народного хозяйства, начиная с сельского хозяйства, промышленности и заканчивая медициной и производством современных лекарственных средств. Рассмотрены основные биотехнологические процессы и оборудование, обеспечивающее эти процессы.
биотехнология, ферментация, чистая культура, стерилизация, пеногашение, фильтрация, сушка, хроматография, обратный осмос
Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. Хлебопечение, виноделие, приготовление кисломолочных продуктов и т.д. – известные с древних времен отдельные биотехнологические процессы, используемые в практической деятельности человека. К сожалению, биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь Л. Пастером в XIX в. В первой половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка. В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались для освоения производств антибиотиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов. Разработаны технологии по получению новых источников энергии биотехнологическим путем – технологическая биоэнергетика.
Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области биохимии, биоорганической химии и молекулярной биологии, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития биотехнологии в вопросах выяснения роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации, расшифровке генетического кода, раскрытии механизма индукции и репрессии генов, совершенствовании технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных. Новые технологии позволили разработать методы генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно создавать новые формы высокопродуктивных организмов. Генетическая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением атома, преодолением земного притяжения и созданием средств электроники.
Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности ферментов открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в различных отраслях промышленности. Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами.
Новое учебное пособие Луканина А.В. по инженерной биотехнологии учитывает все новейшие достижения в инженерной биотехнологии, отвечает новым образовательным требованиям, обобщает большой практический материал по технологии получения продуктов микробиологического синтеза для пищевой, микробиологической, медицинской, химико-фармацевтической и других отраслей промышленности. В пособии рассмотрены типовые схемы и основные стадии биотехнологического производства при поверхностном и глубинном культивировании, а также процессы получения стерильного сжатого воздуха, стерилизации питательных сред, аэрации, перемешивания, пенообразования, пеногашения. Дана классификация и описание применяемых аппаратов, приборов, материалов с практическими рекомендациями их эффективного использования, а также методы оценки работы и расчета аппаратов. Учебное пособие соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения. Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работников, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и работающих в области промышленной биотехнологии [4]. Вопросы, упомянутые в учебном пособии, ранее были опубликованы автором в различных изданиях [1–3, 5–11].
Автором рассмотрен биотехнологический процесс, включающий ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов. Многоэтапность процесса, по мнению А.В. Луканина, обусловливает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и кле¬точных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов био¬технологического оборудования и др. [4, c.4].
В качестве основных задач биотехнологии в пособии определены создание [там же]:
- новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины, позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний – сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;
- микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;
- кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных;
- новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;
- технологий переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.
В первой главе дано введение в микробиологию, описаны свойства некоторых микроорганизмов, их химический состав, питание, дыхание. Рассмотрены вопросы и методы селекции, подбор и сохранение промышленных штаммов микроорганизмов.
Во второй и третьей главах рассмотрена роль продуктов биотехнологии в медицине и других областях. Показано значение антибиотиков, аминокислот, витаминов, вакцин, ферментов и др. Даны основные понятия иммобилизации ферментов и технологические схемы процессов биотрансформации. Рассмотрена типовая схема биотехнологического производства и подробно описаны все ступени технологии как вспомогательные, так и основные. Приведены примеры блок – схем некоторых производств.
В четвёртой и пятой главах подробно рассмотрены материалы, посвященные вопросам ферментации, рассмотрены методы культивирования, рост и размножение микроорганизмов в периодическом и непрерывном режимах. Описаны виды сырья для микробиологических процессов и основные источники биогенных элементов.
Как основная стадия биотехнологического производства описан процесс ферментации, дана классификация этого процесса. Описаны особенности процесса ферментации при производстве микробной биомассы и различных продуктов метаболизма.
Подробно описана аппаратура для культивирования микроорганизмов. Отмечено, что существуют два основных класса ферментёров – поверхностного и глубинного культивирования. Рассмотрены конструкции и приведена классификация ферментёров, указаны их недостатки и достоинства. Приведен обширный список ферментёров глубинного культивирования с разделением их на аппараты с подводом энергии с газовой и жидкой фазой, а так же ферментёры со смешанным способом ввода энергии.
В главе шестой отражены вопросы асептики процессов микробиологического синтеза. Отмечено, что подавляющее большинство продуктов метаболизма получают в стерильных условиях и поэтому асептика чрезвычайно важна. Рассмотрены основные методы обеспечения асептических условий – термическую стерилизацию и стерилизующую фильтрацию газожидкостных потоков. Отдельно рассмотрены вопросы герметизации оборудования и коммуникаций.
Глава седьмая посвящена вопросам пенообразования и пеногашения при ферментации. Приведена характеристика пен и изучено влияние состава питательной среды и свойств культуры клеток на пенообразование. Обсуждены вопросы технологического значения пен, достоинства и недостатки. Описаны различные способы пеногашения – химические, механические, смешанные.
Таким образом, в учебном пособии подробно отражены вопросы создания различных биотехнологических производств: их достоинства и недостатки. Достаточно подробно рассмотрены вопросы ферментации и конструкции различных ферментеров. Большое внимание уделено вопросам асептики и пеногашения. Учебное пособие будет полезно для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работников, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и работающих в области промышленной биотехнологии.
1. Вышелесский А.Б., Кривой Б.А., Луканин А.В., Систер В.Г.Способ получения кормовой белково-витаминной добавки: Патент на изобретение RUS 2290831 30.11.2004
2. Вышелесский А.Б., Кривой Б.А., Луканин А.В., Систер В.Г. Способ получения кормовой добавки: Патент на изобретение RUS 2295869 30.11.2004
3. Клюшенкова М.И., Луканин А.В Защита окружающей среды от промышленных газовых выбросов [Текст]: учебное пособие / М. И. Клюшенкова, А. В. Луканин. - М.: Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования Московский гос. ун-т инженерной экологии. Москва, 2012.
4. Луканин А.В. Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств [Электронный ресурс]: учебное пособие / А.В. Луканин. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2016. - URL: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=768026
5. Луканин А.В. Разработка массообменных аппаратов для систем производства микроводорослей, их гидравлические и массообменные характеристики [Текст]: дис. канд. техн. / А.В. Луканин. - М., 1984.
6. Луканин А.В., Тарасова Т.А. Установка для очистки и дезодорации газовоздушных выбросов ферментеров: Патент на изобретение RUS 2060273
7. Луканин А.В., Тарасова Т.А., Захарычев А.П. Аппарат для выращивания микроорганизмов: Патент РФ №2078807 от 10.05.97.
8. Луканин А.В. Новый высокоэффективный промышленный ферментёр большой единичной мощности для производства белковой кормовой добавки [Текст] / А.В. Луканин //Наука и промышленность России, №2 - 3, (70 - 71), 2003 г., с. 61 - 66.
9. Луканин А.В. Модернизация промышленного ферментёра АДР - 900 - 76 для производства белковой кормовой добавки из растительного сырья [Текст] / А.В. Луканин // Биотехнология, №6, 2003, с. 84 - 88.
10. Lukanin A.V., Solomakha G. Flow hydrodynanics and vass transfer in a bubbling liquid layer [Text]/ A.V. Lukanin // Теоретические основы химической технологии. 1988. Т. 22. № 4. С. 435.
