CC BY
24
1. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных / А.П. Калашников [и др.]. М., 2003. 456 с.
2. Морозов НМ, Текучее И.К., Текучева М.С. Экономико-математическая модель производства молока. Подольск, 2003. 138 с.
Software of design machine technologies of milk
production
I.K. Tekuchev,
M.S. Tekucheva
УДК 573.6:636
In article the contents of the programs developed in VNIIMZH which allow to calculate efficiency of construction new farms or reconstruction of the already existing are briefly stated. Databases on technical means and construction designs allow the skilled designer-builder to develop quickly enough technological part of the project and the project ofafarm. Keywords: farm project, software product, databases.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА
ВНИИМЖ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК
Е.Б. Петров, канд. с.-х. наук, доцент, зав. отделом
Рассмотрены вопросы технологической структуры экономики и ключевые направления шестого технологического уклада, возможности России на мировых рынках наукоемкой продукции, инженерное обеспечение биотехнологических разработок. Ключевые слова: нанотехнологии, биотехнология, технологическая структура экономики, шестой технологический уклад, наукоемкая продукция, производство клеток мышечной ткани сельскохозяйственных животных in vitro, культуральное мясо, белок-содержащий продукт, инженерное обеспечение биотехнологических разработок.
Закончился ХХ век, названный веком научно-технического прогресса. Информационно-коммуникационные технологии стали неотъемлемым средством в науке, образовании и практически во всех областях деятельности человека. Графический интерфейс произвел революцию, сделавшую компьютер важнейшим дополнением к человеческому мозгу, потому что мир на экране компьютера стал похож на предметный мир, на работу с которым настроен наш мозг. Дальнейшее долгосрочное устойчивое развитие экономи-
ки большинство промышленно развитых стран связывают, прежде всего, с переходом на инновационный путь развития.
Исходя из представления технологической структуры экономики, ее динамика может быть описана как процесс развития и последовательной смены технологических укладов, изучение которых позволяет установить взаимодействие технологических изменений, выявить их роль в повышении социально-экономической эффективности производства, определить приоритеты технико-экономического развития и т. д. При этом каждый уклад характеризуется совокупностью сопряженных производств в виде базисных наукоемких отраслей, а процесс замещения низких технологических укладов более высокими обеспечивается научным и технико-технологическим прогрессом.
Сегодня мир движется в новый технологический уклад - шестой. Его контуры уже складываются в странах с эффективной экономикой, в первую очередь в США, Японии и КНР, и характеризуются нацеленностью на развитие и применение наукоемких технологий. Достаточно широко используются био-и нанотехнологии, генная инженерия, фото-
ника, микромеханика, мембранные, квантовые, биосенсорные, когнитивные технологии и др. Синтез достижений на этих направлениях, по мнению экспертов, должен привести к созданию, например, квантового компьютера, искусственного интеллекта и, в конечном счете, обеспечить выход на принципиально новый уровень в системах управления не только технологическими процессами, но и государством, обществом, экономикой.
Специалисты по прогнозам считают, что при сохранении нынешних темпов технико-экономического развития шестой технологический уклад оформится до 2020 г., а в фазу зрелости вступит в 2040-е годы. При этом в 2020-2025 годы произойдет новая научно-техническая и технологическая революция, основой которой станут разработки, синтезирующие достижения названных выше базовых направлений. Для подобных прогнозов есть основания. В США, например, доля производительных сил пятого технологического уклада составляет 60%, четвертого -20%. И около 5% уже приходится на шестой технологический уклад [3].
Преимущество данного уклада по сравнению с предыдущим по прогнозу будет состоять в резком снижении энергоемкости и материалоемкости производства, в конструировании материалов и организмов с заранее заданными свойствами. Ключевой фактор шестого технологического уклада - нанотех-нологии и клеточные технологии [7].
В 2006 г. Национальный научный фонд США совместно с министерством торговли США выпустил отчет, прогнозирующий развитие науки на 50 лет. Отчет был назван НБИК (КБ 1С) - аббревиатура из первых букв названий четырех мегатехнологий, определяющих наше ближайшее будущее: Н - нано-технологии, Б - биотехнологии, И - информационные, К - когнитивные технологии [4, 5].
Эти четыре направления технологий, определяющие лицо будущего, не могут эволюционировать по отдельности, они необходимы друг другу. В этом отношении характерен вектор Курчатовского института, в котором разворачиваются исследования, затра-
гивающие все четыре области, и создаются НБИК-технологии. В рамках института, создающего атомные подводные лодки и реакторы, создано гуманитарное отделение, в котором собираются специалисты «по одушевлению» - структурные лингвисты, социологи, психологи. «Мы с вами живем в революционный период, - утверждает директор Курчатовского института М.В. Ковальчук, -присутствуем при переходе к принципиально новому технологическому укладу, который будет основан на интеграции этих четырех прорывных технологий. Прорыв будет заключен именно в их синергии, когда они будут работать как части единого целого» [4].
Вице-президент Нанотехнологического общества России Г.Г. Малинецкий информирует, что в США организован Институт сингулярности. Основатель - Р. Курцвейль, 2009 год, спонсоры - «Google» и NASA. При непосредственном участии Департамента передовых разработок Пентагона (DARPA) читаются курсы по нано- и биотехнологиям, роботехнике и мехатронике, прогностике, новым финансам и предпринимательству. В стенах Института сингулярности проходят обучение высшие менеджеры государства и корпораций - они готовят свою элиту к реалиям шестого технологического уклада, понимая, что прежняя модель мирового технологического развития исчерпала свои возможности. Кроме того, в США действуют более тридцати футурологическо-прогноз-ных конференций - впереди переход в совершенно новый (шестой) технологический уклад [6]. По некоторым прогнозам, технологическая сингулярность нового уклада может наступить уже около 2030 года.
Для того, чтобы Россия не была вытеснена из рынка инновационных технологий, необходимо ориентироваться не на то, чтобы догонять развитые страны в технологиях пятого уклада, а на становление ключевых направлений шестого технологического уклада, на те заделы, которые она имеет в этой области. Одним из самых наукоемких и одновременно капиталоемких направлений, обеспечивающих тесную связь науки и производства, привлекающих не только круп-
ный, но также мелкий и средний бизнес, в мире становится биоиндустрия. В основе ее лежит сравнительно молодая наука, возникшая на стыке разнообразных технических, химических и биологических дисциплин -биотехнология.
Сам термин "биотехнология" предложен в 1917 году венгерским инженером Карлом Эреки в работе, посвященной выращиванию свиней с использованием сахарной свеклы. «Это все виды работ, при которых из сырьевых материалов (сахарная свекла) с помощью живых организмов производят те или иные продукты (свинина)» [1, 12]. Долгое время (до 1961 г.) термин «биотехнология» относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны его употребляли, говоря о промышленной ферментации, с другой - применительно к той области, которая сейчас называется эргономикой [12].
Сегодня биотехнология - это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для решения глобальных проблем человечества - преодоление дефицита продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и окружающей среды.
К настоящему времени в стране накоплен опыт обширных научных исследований по получению биогаза путем переработки животноводческих, промышленных и коммунальных отходов с помощью микроорганизмов. При этом остатки после переработки являются высокоэффективным органическим удобрением. Таким образом, этим путем решаются сразу несколько проблем: охрана окружающей среды от загрязнений, получение энергии и производство удобрений.
В ряде зарубежных стран создана отрасль «Биогаз». Промышленные установки по получению биогаза работают в разных странах, в том числе уже и в России. Биогаз не только доведен до качества природного, но и используется в энергосистемах. Также производятся высокоэффективные биогазовые установки, предназначенные для переработки любых видов биологических отходов в теп-
ловую и электрическую энергию, которая также используется в энергосистемах ряда стран.
Возможности биотехнологии практически безграничны. Она смело вторгается в самые разные сферы народного хозяйства. Методы биотехнологии позволяют полностью переработать отходы агропромышленного комплекса, и в ряде стран само понятие "отходы" для этого сектора уже перестает существовать [9]. В общем плане схема биотехнологии представлена на рисунке 1.
В начале XXI века благодаря совершенствованию компьютерной техники и появлению нового инструментария, развитию науки и практики культивирования клеток, клеточной и тканевой инженерии биотехнология вышла на новый уровень. Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуются на самом высоком уровне современной науки.
Стоит отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но и многих других.
Рис. 1. Схема биотехнологии в общем плане
За прошедшие 20 лет в мире созданы принципиально новые биотехнологии и продукты, а производство ранее известных существенно оптимизировано. Россия почти не участвует в этом процессе [9].
Одним из направлений развития биотех-
нологии является создание пищевых продуктов на основе культивируемой мышечной ткани сельскохозяйственных животных. Культуральное мясо (т. е. мясо, выращенное in vitro с использованием технологий клеточной инженерии, результатов исследований в области культур стволовых клеток, а также в связи со стремительным развитием нанотехнологий) было создано как новый подход для получения белоксодержащего продукта животного происхождения. На сегодняшний день это мясо не является альтернативой традиционному животноводству, оно создается как новое перспективное направление на стыке многих наук.
Современные исследования по получению мяса in vitro возникли из экспериментов NASA, в которых ученые пытались найти более совершенные способы долгосрочного питания для астронавтов в космосе [13].
Широкомасштабная комплексная работа по созданию культурального мяса ведется в Нидерландах при финансовой поддержке правительства. Работой над этой темой занимаются ведущие ученые страны: группа ученых из Амстердама разрабатывает оптимальную питательную среду [14]; в университете Утрехта ведутся работы с культурами клеток [17], в т. ч. стволовыми; а в университете Эйндхо-вена разрабатываются биореакторы для наращивания культурального мяса в больших масштабах [16].
Результаты исследований, проведенных по заказу ряда зарубежных организаций и фирм, показали, что в сравнении с традиционно выращиваемым мясом для производства 1000 кг культураль-ного мяса требуется 26-33 ГДж энергии (меньше на 712%), 367-521 м3 воды (меньше на 82-96%), 190-230 м3 земли (меньше на 99%), выбросы парниковых газов - 1900-2240 кг СО2-экв. (меньше на 78-96%) [18].
Таким образом, необходимый темп расширения объема производства белка может быть достигнут за счет одновременного использования как традиционных, так и качественно новых методов производства пищи. Биотехнология дает возможность реализации идеи выращивать отдельные части животных in vitro для употребления людьми в пищу, которую впервые высказал еще У. Черчилль в 1920 г. Он предсказал: «Через пятьдесят лет мы не будем абсурдно выращивать целого цыпленка, чтобы есть только грудки или крылышки, а будем выращивать эти части отдельно в специальной среде» [15].
Первые исследования, проведенные в России под руководством академика РАСХН И.А. Рогова, позволили предложить оригинальный способ накопления клеток мышечной ткани с использованием отечественных разработок [8]. Стоит особо отметить, что способ не включает генные модификации. Уже получены научные результаты и предложена технология производства культу-рального мяса как нового подхода для получения белоксодержащего продукта животного происхождения [2].
На рис. 2 представлена схема технологии «Получение мяса in vitro как перспективного источника полноценного белка».
Рис. 2. Схема технологии получения мяса in vitro
В настоящее время в российских лабораториях культуральное мясо получено лишь на поверхностных носителях. Для продвижения данной научной биотехнологической разработки сегодня требуется провести комплекс исследований. В частности, разработать рациональные параметры биореактора для получения мяса in vitro в культуральной среде, разработать системы контроля и управления технологиче-
скими процессами производства клеток мышечной ткани сельскохозяйственных животных in vitro как нового подхода для получения белоксодержащего продукта животного происхождения.
Научно-исследовательские работы в указанном направлении проводит ВНИИМЖ в сотрудничестве с научно-исследовательскими институтами РАН. Также необходимо решить ряд технических задач для того, чтобы довести производство культурального мяса до такого уровня, чтобы оно стало экономически выгодным. В частности, в «России полностью отсутствует система "масштабирования" научных биотехнологических разработок для целей промышленного производства и другие элементы биоэкономики, необходимые для преобразования научных знаний в коммерческие продукты. Таким образом, результаты научных исследований остаются невостребованными или превращаются в продукт, объем производства которого ограничен возможностями научной лаборатории» [9].
Учитывая нерешенность важных для страны вопросов, ВНИИМЖ в 2013 году создал отдел биотехнологий, задачей которого стало использование научно-технического потенциала института с целью создания инженерно-технологического оборудования для обеспечения современных биотехнологических разработок. Отдел разрабатывает технологические процессы (биореакторы), системы контроля и управления ими.
В представленной общей схеме биотехнологии (рис. 1) сферы деятельности отдела по созданию инженерно-технологического оборудования выделены жирным текстом.
Особенностью функционирования отдела являются исследования на стыке наук и разных направлений. Отдел биотехнологий тесно сотрудничает с научно-исследовательской лабораторией ГОСНИТИ «Современные эр-гатические системы сервиса сельскохозяйственных машин и оборудования» [10]. Нами совместно отрабатываются вопросы моделирования биологических систем, а также используются результаты исследований лаборатории в области создания интеллектуаль-
ных систем на основе переноса знаний и профессиональных навыков.
С целью развития научного направления, связанного с созданием новых эргатических систем, в лаборатории ГОСНИТИ работает научно-исследовательский сектор «Использование достижений наук о сознании для разработки сельхозмашин нового поколения». Исследования данного сектора - использование достижений наук о сознании для создания технологического оборудования нового поколения [11].
Наши исследования по разработке технологических процессов пролиферации стволовых клеток в биореакторах и системы контроля и управления ими, возможно, помогут подойти к решению поставленной задачи -разработке инженерно-технического обеспечения новых методов изучения деления и дифференцировки стволовых клеток in vitro, включая их направленную дифференцировку в нейроны, и получения функционального биоматериала в необходимом количестве для исследований.
Несомненно, что применяя аналоги научно-технических решений, можно получить механизмы и агрегаты, включающие управленческие биоблоки, использующие элементы сознания. Сейчас начинается осмысление возможности создания таких машин и механизмов, в которые закладываются не просто алгоритмы и программы действий, пусть даже опирающиеся на базы знаний и другие продвинутые технологии, а машины с, так сказать, элементами живого, некоторыми подобиями подсистем живого сознания, отвечающими за профессиональные умения и навыки человека [10]. В отделе биотехнологий ВНИИМЖ рассматривается это зарождающееся направление.
Развитие прикладных биотехнологий, гибких автоматизированных производственных систем и устройств и других, быстро развивающихся наукоемких отраслей, привело к дальнейшему усложнению разрабатываемых и эксплуатируемых технических устройств. Их экспериментальная отработка требует все больших затрат времени и материальных ресурсов, а в ряде случаев ее про-
ведение в полном объеме превратилось в проблему, не имеющую приемлемого решения. В этих условиях существенное значение имеют работы расчетно-теоретического анализа характеристик таких устройств, технологий и систем.
В отделе биотехнологий при создании инженерно-технологического оборудования для обеспечения современных биотехнологических разработок применяют возможности компьютерного моделирования сложных биотехнологических процессов и систем контроля за ними. Практическая реализация возможностей компьютерного моделирования существенно повышает эффективность инженерных разработок, особенно при создании принципиально новых, не имеющих прототипов технологических машин и приборов, материалов и технологий, что позволяет сократить затраты времени и средств на использование в технике и технологиях передовых достижений физики, химии, механики и других фундаментальных наук.
Изучая сложные технологические процессы и физико-химические явления, мы учитываем максимальное количество влияющих факторов. Выявляем наиболее характерные черты исследуемого объекта. В результате формируется математическая модель технологического процесса. Современный кибернетический подход к решению задач анализа и синтеза биотехнологических объектов и описание сложных биологических процессов и систем является перспективным направлением работы отдела.
Учитывая, что биотехнология активно развивается и структура ее окончательно не определилась, можно говорить лишь о тех видах биотехнологии, которые существуют в настоящее время. Россия обладает всеми необходимыми возможностями и ресурсами, чтобы войти в число стран, активно развивающих биотехнологии. Этому способствует высокий образовательный и научно-технологический потенциал, а также наличие соответствующих сырьевых ресурсов, которые в настоящее время используются не в полной мере.
Развитие биотехнологий стало одним из приоритетов государственной политики. В 2012 году утверждена «Комплексная Программа развития биотехнологий в России». В июле 2013 года утверждена дорожная карта «Развитие биотехнологий и генной инженерии». Наступило время открытий и создания центров исследований и технологических разработок, которые обеспечат переход человечества к новому шестому технологическому укладу. Сотрудники отдела убеждены - стране нельзя догонять. Нужно сделать резкий рывок в формировании технологической базы инноваций и, воспользовавшись собственными наработками и достижениями западных и восточных коллег, выйти на новый уровень рационального использования сельскохозяйственных ресурсов и создать научный задел, обеспечивающий научно-технологический прорыв по приоритетным направлениям развития страны.
Литература:
1. Биотехнология. URL:http://biotechnology.kiev.ua/
2. Волкова И.М. Разработка технологии получения мяса in vitro и перспективы его использования: дис. к. т. н. М., 2013.
3. Кабалов Е. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
4. Константинов А. Когнитивная революция. URL: http://i-iutuie.livejournal.com/449110.html
5. Константинов А., Тарасевич Г. Великая когнитивная революция. URL:http://rusrep.ru/article/2010/10/18/ cognit/
6. Малинецкий Г. Доклад о перспективах РФ. URL:http://spbs. rusphysics.ru
7. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике. М.: Тровант, 2009. 304 с.
8. Пат. 2314719 РФ. Способ получения мясного продукта / И.А. Рогов [и др.]. Заяв. 06.06.06; Опубл. 20.01.08, Бюл. №2.
9. ВП-П8-2322. Комплексная программа развития биотехнологий в РФ на период до 2020 года. М., 2012.
10. Соловьев СА. Современные интеллектуальные эргати-ческие системы // Прикладная математика, квантовая теория и программирование. 2013. Т. 11, в. 3. С. 20-24.
11. Черноиванов В.И. Ресурсосбережение и машины с элементами человеческого интеллекта - ответ на кризисные вызовы современности и будущего // Прикладная математика, квантовая теория и программирование. 2013. Т. 11, в. 3. С. 9.
12. Чубенко А. Научная биотехнология от Пастера до начала XXI века. URL: http://cbio.ru/page/47/id/1108/
13. Benjaminson MA. In vitro edible muscle protein production system // ActaAstronautica 2002. Vol. 51. №12. P. 879-889.
14. Boonen K.J. Essential environmental cues from the satellite cell niche // American Journal of Physiology. 2009. Vol. 296.
15. Churchill W.S. Thoughts and adventures. London, 1932. 18 p.
