Перспективы организации инновационных биотехнологий Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.4

Перспективы организации инновационных

биотехнологий

Развитие инновационных биотехнологий, как, кстати, и любых других аграрно-пищевых технологий, осуществляется с учетом стратегических, диалектических, системных и иных известных принципов организации [1]. Тем не менее, биотехнологии, в силу своих специфических отличий, обладают и дополнительными организационными особенностями развития, которые кратко рассмотрены в настоящей статье.

Организация инновационных биотехнологий на основе расширения видов применяемых биологических объектов и исходного сырья. Одной из общих специфических особенностей биотехнологий является их универсальность, т. е. с их помощью могут быть переработаны любые соединения органического происхождения. Однако до сих пор этого не происходит, поскольку в промышленном масштабе применяют лишь немногие штаммы микроорганизмов, ферментов и прочих биологических объектов, что объясняется, прежде всего, недостаточной изученностью их свойств и технологических возможностей.

При этом очевидно, что дальнейшее развитие биотехнологий будет связано с появлением новых штаммов культур микроорганизмов, выявлением новых ферментов, созданием новых генно-модифицированных биологических структур и т. д., способных активно воздействовать на неиспользуемые до сих пор виды органических материалов и трансформировать их в продукты с полезными потребительскими свойствами. Благодаря этому будет не только расширяться номенклатура биологических продуктов, но и решаться задача по улучшению экологии за счет более полной переработки отходов человеческой деятельности.

Таким образом, применение новых видов биологических объектов и органического сырья может потребовать и принципиально иной организации биотехнологий.

Л.А. Оганесянц, академик РАН, д-р техн. наук, профессор ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств

Организация инновационных биотехнологий на основе принципа дифференцированных режимов. В настоящее время культивирование биологических объектов осуществляют при постоянных условиях, в то время как в зависимости от фазы роста физиологические процессы в объектах культивирования протекают неодинаково. Так например, в экспоненциальную фазу обычно синтезируются так называемые первичные метаболиты (витамины, многие ферменты), а в стационарную фазу - так называемые вторичные метаболиты (антибиотики, красящие вещества и т. п.). Исходя из этого, процессом культивирования можно целенаправленно управлять, применяя принцип дифференцированных режимов.

В соответствии с этим принципом каждый этап периодического процесса культивирования биологических объектов экономически целесообразно осуществлять при различных (оптимальных) условиях, варьируя такие параметры, как температура, рН, степень аэрации и интенсивность перемешивания и т. п.

Этот принцип возможен и при организации непрерывного культивирования в батарее последовательно соединенных биореакторов, когда в каждом из них, в зависимости от физиологического состояния культуры, поддерживают наиболее благоприятные условия для ее развития.

Таким образом, принцип дифференцированных режимов культивирования биологических агентов будет доминировать при организации инновационных биотехнологий.

Организация инновационных биотехнологий на основе расширенного применения мембранных процессов. Производства пищевой биотехнологии выделяют

в две основные группы, организованные различным способом в соответствии с их функциональной направленностью. В основе производств одной из групп лежит биосинтез, а другой -биокатализ.

На рисунке показаны обобщенные структурные схемы организации биотехнологических производств на основе биосинтеза и биокатализа.

Биотехнологические производства обеих групп при общности применяемых в них процессов в большинстве случаев существенно различаются между собой как технологией, так и аппаратурным оформлением, что обусловлено многообразием перерабатываемого органического сырья, обширным выбором применяемых биологических агентов и богатым ассортиментом получаемых продуктов. Однако все они имеют общую особенность - в каждом из них организован и функционирует непрерывный биотехнологический поток преобразования исходного сырья в целевой продукт с заданными потребительскими свойствами.

Биотехнологический поток производства на основе биосинтеза независимо от получаемых целевых продуктов включает технологические операции по приготовлению питательной среды, посевного материала и воздуха; культивированию микроорганизмов - продуцентов целевого продукта, связанного с отделением биомассы, очисткой, концентрированием, сушкой целевого продукта, и финишные операции.

Биотехнологический поток биокаталитического производства включает технологические операции по приготовлению органического сырья и ферментного раствора, ферментативную обработку сырья, выделение продуктов биокатализа и их концентрирование.

Очищенные газы

Чистая культура

Компоненты питательной среды

►

Воздух

Приготовление посевного материала

Ï

Приготовление питательной среды

Подготовка воздуха

У

Щг

"Я 4У

Очистка газовых выбросов

Ферментация

Отбор проб

▼

Пробы

Выделение ^ целевого продукта

Очистка и кон цептри рова i me

Сушка целевого продукта

H

Финишные операции

Целевой

продукт - ►

Утилизация

Утилизация

жидких стоков

X-t

Побочный продукт Очищенные стоки Побочный продукт

Вода

Ферменты Сырьё .

I |риготовленис ферментных рас i воров

11риготовленне органического сырья

У

Ежокаталнз

Выделение продуктов

Целевой

Концентрирование продукт ^ продуктов ^

биокатализа

I кпрогндро.тиювлиные Жидкие отходы остатки сырья

Принципиальные структурные схемы организации биотехнологических производств: а) - на основе биосинтеза; б) - на основе биокатализа

а

б

Сопоставление свойств биотехнологических сред с техническими особенностями и технологическими возможностями мембранных процессов

Основные свойства биотехнологических сред Возможности и особенности мембранных процессов

Низкое содержание целевых продуктов, как правило, 0,1... 0,5% и лишь иногда 1... 3% и выше Возможность глубокого концентрирования целевых продуктов - в 10. 20 и более раз

Наличие низко- и высокомолекулярных балластных примесей и побочных продуктов Возможность полной очистки целевых продуктов как от низко-, так и от высокомолекулярных соединений

Высокая термолабильность Возможность разделения при пониженных температурах

Чувствительность к изменению агрегатного состояния Отсутствие фазовых переходов и межфазных переносов

Стабильность в узком диапазоне рН, как правило, в области близкой к нейтральному значению Неизменность рН

Нестабильность в присутствии химических реагентов Безреагентность

Нестабильность в присутствии посторонней микрофлоры Возможность бактериальной очистки и осуществления процессов в асептических условиях

Чувствительность к окислению функциональных групп белков Возможность осуществления процессов в герметичных условиях без контакта разделяемых сред с воздухом

Анализ структурных схем этих потоков позволил выявить общие технологические признаки биосинтетических и биокаталитических технологий, с учетом которых может быть выработан единый подход к их развитию за счет совершенствования организации производства, интенсификации основных операций и модерни-

зации оборудования для их осуществления.

Во-первых, в этих биотехнологических потоках превалируют процессы разделения жидких смесей.

Во-вторых, эти разделяемые смеси представляют собой сложные, многокомпонентные, гетерогенные или гомогенные биотехнологические среды, содержащие в качестве

одного или нескольких компонентов весьма чувствительные к внешним воздействиям биологические объекты - живые организмы или выделенные из них биологически активные соединения.

В-третьих, основные потери активного начала биологических объектов приходятся на стадии разделения жидких смесей, осуществляемых с целью выделения, очистки и концентрирования промежуточных или целевых биологических продуктов.

В-четвертых, наличие таких объектов, обладающих рядом общих специфических свойств, обусловливает целесообразность выделения этих жидких смесей в особую группу технологических сред, при переработке которых необходимо руководствоваться общими требованиями к организации производства, использовать специальные технологические приемы и специализированное оборудование, обеспечивающие высокую эффективность при организации щадящих режимов обработки.

Одними из наиболее «мягких» способов разделения биотехнологических сред являются мем-

бранные процессы. Сопоставление технических особенностей и технологических возможностей мембранных процессов со специфическими свойствами биотехнологических сред (таблица) показывает, что они весьма органично, почти идеально, сочетаются между собой [2].

Это сопоставление, а также результаты экспериментальных и теоретических исследований, позволяют прогнозировать развитие биотехнологических производств и предсказать, что в будущем доминирующая роль в них будет отведена мембранным системам разделения смесей, поскольку они могут быть эффективно использованы на большинстве стадий при получении и применении продуктов микробиологического синтеза.

Перспективы мембранных процессов в промышленной биотехнологии необычайно широки и не ограничиваются только разделением биотехнологических сред. Например, с их помощью могут быть эффективно решены следующие технологические задачи:

• стерилизация жидких веществ -компонентов питательных сред, титрующих агентов, промежуточных и конечных продуктов;

• бактериальная очистка технологического воздуха;

• обогащение технологического воздуха кислородом;

• беспузырьковая аэрация ферментационных сред;

• отбор проб из биореактора без нарушения асептики;

• создание мембранных биодатчиков и контрольно-измерительных приборов на их основе;

• автоматизированный мониторинг ферментационных процессов;

• мембранная экстракция биологических продуктов;

• выделение, очистка и концентрирование биологических или побочных продуктов;

• фракционирование биологических продуктов;

• очистка газовых ферментационных выбросов;

• регенерация ферментов в процессах биокатализа;

• концентрирование ферменто-лизатов;

• создание биосенсоров на основе ферментов и мембран;

• иммобилизация ферментов на мембранах;

• деминерализация технологической воды;

• утилизация отходов биотехнологических производств;

• очистка сточных вод биотехнологических производств;

• создание малоотходных и безотходных биотехнологий и др.

Таким образом, при организации инновационных биотехнологий существенную (а зачастую доминирующую) роль будут играть мембранные процессы разделения.

Организация инновационных биотехнологий на основе совмещения биологических и мембранных процессов в одной технологической операции. Как биологические, так и мембранные процессы, применяемые в современной биотехнологии, заимствованы человеком из живой природы. Причем в природе они неотделимы друг от друга и осуществляются совместно. Биологические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, протекают при непосредственном участии естественных (биологических) полупроницаемых мембран, представляющих собой двойной слой липидов с белковыми включениями и обладающих уникальными свойствами - способностью избирательно пропускать через себя одни вещества и задерживать другие. Типичным примером биологической мембраны является оболочка живой клетки, благодаря которой в ней (в клетке) осуществляется обмен веществ, дыхание, синтез белка и другие жизненно важные процессы. Таким образом, в клетке как сложноорганизованной, саморегулирующейся живой системе биологические и мембранные процессы взаимосвязаны и функционируют совместно.

Эта, подсказанная самой природой идея совмещения биологических и мембранных процессов в единой технологической операции, положена в основу нового научно-технического направления -биомембранной технологии [3].

Так, например, совмещение биологических и мембранных процессов в одной биотехнической системе (мембранном биореакторе) позволяет интенсифицировать процессы биосинтеза и биокатализа за счет непрерывного удаления из реакционного пространства, в первом случае, образующиеся

продукты метаболизма, а во втором, - продукты ферментативной переработки, накопление которых в системе негативно сказывается на скорости процессов и, соответственно, продуктивности биореакторов. Благодаря этому прогрессивному техническому решению существенно повышается эффективность и улучшается экономичность не только традиционных биотехнологий, но и появляется возможность осуществления принципиально новых биотехнологий на основе бесклеточного синтеза белка [3].

Таким образом, организация инновационных биосинтетических и биокаталитических технологий будет базироваться на принципиально новых прогрессивных методах совмещения в одной технологической операции биологических и мембранных процессов.

Заключение

Специфические особенности и возможности биотехнологий предопределяют новые дополнительные направления их развития. Отсюда следует, что организация инновационных биотехнологий, отличающихся от традиционных специфическими особенностями, помимо общих организационных принципов развития, будет осуществляться также с учетом дополнительных специальных возможностей. среди которых, например, расширение видов применяемых биологических объектов и исходного сырья, принцип дифференцированных режимов, расширенное применение мембранных процессов и совмещение биологических и мембранных процессов в одной технологической операции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Панфилов, В. А. Теория технологического потока/ 2-е изд., исправл. и доп./В.А. Панфилов. - М.: КолосС, 2007. - 319 с.

2. Федоренко, Б. Н. Промышленная биоинженерия/ Б. Н. Федоренко. -СПб.: Профессия, 2014. - 516 с.

3. Федоренко, Б. Н. Адаптация биотехники к наномолекулярным биомембранным технологиям. Материалы международной конференции «Биология - наука XXI века»/ Б. Н. Фе-доренко. - М.: МАКС Пресс, 2012. -1125 с.

Перспективы организации инновационных биотехнологий Ключевые слова

биотехнология; биосинтез; биокатализ; мембранные процессы; биомембранная технология; организация; развитие

Реферат

Выявлены и охарактеризованы перспективные направления организации инновационных биотехнологий, которые помимо стратегических, диалектических, системных и иных известных организационных принципов, основаны на специфических особенностях биотехнологических производств. Расширение номенклатуры применяемых биологических объектов и применение новых видов органического сырья может потребовать и принципиально иной организации биотехнологий. Интенсификация культивирования биологических объектов за счет применения принципа дифференцированных режимов будет доминировать при организации инновационных биотехнологий. При организации инновационных биотехнологий существенную (а зачастую доминирующую) роль будут играть мембранные процессы разделения, поскольку показано, что возможности мембранных процессов почти идеально сочетаются со специфическими свойствами биотехнологических сред, благодаря чему повышается эффективность и экономичность биотехнологических производств. Биологические и мембранные процессы, применяемые в современной биотехнологии, заимствованы человеком из живой природы. Причем в природе они неотделимы и осуществляются совместно. Эта, подсказанная самой природой, идея совмещения биологических и мембранных процессов в единой технологической операции положена в основу нового научно-технического направления - биомембранной технологии. Совмещение биологических и мембранных процессов в одной биотехнической системе (мембранном биореакторе) позволяет интенсифицировать процессы биосинтеза и биокатализа.

Авторы

Оганесянц Лев Арсенович, академик РАН, д-р техн. наук, профессор Всероссийский НИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности, 119021, Москва, ул. Россолимо, 7. institute@vniinapitkov.ru

Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11. borisfedorenko@gmail.com

Prospects for the Organization of Innovative Biotechnology Key words

biotechnology; biosynthesis; biocatalysis; membrane processes; biomembrane technology; organization; development

Abstracts

Identified and characterized a promising new method for innovative biotechnologies that in addition to strategic, dialectical, system and other well-known organizational principles based on the specifics of biotechnological productions. The extension of the range of applied biological objects and the use of new types of organic materials and may require a fundamentally different organization of biotechnology. Intensification of cultivation of biological objects through the application of the principle of differentiated modes will dominate in the organization of innovative biotechnology.

When organizing for innovative biotechnology substantial (and often dominant) role will play a membrane separation processes, since it is shown that the potential of membrane processes almost perfectly with specific properties of biotechnological environments, thus improving the effectiveness and efficiency of biotechnological productions.Biological and membrane processes used in modern biotechnology, borrowed by man from nature. Moreover, in nature they are inseparable and implemented jointly. This is prompted by nature, the idea of combining biological and membrane processes into a single process operation is based on new scientific and technical directions - biomembrane technology. The combination of biological and membrane processes in a biotechnical system (membrane bioreactor) allows to intensify the processes of biosynthesis and Biocatalysis.

Authors

Oganesyants Lev Arsenovich, Academician of RAS, Doctor of Technical Science, Professor

All-Russian Research Institute of Brewing, Nonalcoholic and Wine Industry,

7, Rossolimo St., Moscow, 119021

institute@vniinapitkov.ru

Fedorenko Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor Moscow State University of Food Production, 11, Volokolamskoye Shosse, Moscow, 125080.

borisfedorenko@gmail.com @gmail.com

События и факты

ГК «ЭФКО» на рынке туалетного мыла

ЗЦЛК.О паний «ЭФКО» объявляет о выходе на рынок туалетного мыла и запуске детской торговой марки туалетного мыла «Малио». В планах компании — в ближайшие несколько лет стать лидером рынка туалетного мыла в России, емкость которого в 2014 г. составила 15,6 млрд руб.

Твердое туалетное мыло является самым популярным средством гигиены в России. Емкость российского рынка этого продукта по итогам 2014 г. составила более 100 тыс. т в натуральном и более 15,6 млрд руб. в денежном выражении. При этом доля импорта в этом сегменте до сих достигает более 30 %. Среди основных стран экспортеров: Турция, Украина, Польша.

В рамках реализации долгосрочной стратегии компании, направленной на прибыльный органический рост за счет выпуска продуктов с высокой добавленной стоимостью и развития программы импортозамещения логическим продолжением проекта стал выход ГК «ЭФКО» на рынок туалетного мыла.

В 2013 г. ГК «ЭФКО» приступила к реализации проекта безотходной переработки возобновляемых природных ресурсов и производству в г. Алексеевке Белгородской области мыльной стружки и хозяйственного мыла из высококачественных растительных масел и продуктов их переработки на новейшем итальянском оборудовании.

Выпуск брендовой мыловаренной продукции «ЭФКО» будет осуществляться на контрактной основе на мощностях российских мыловаренных предприятиях под контролем сотрудников французской компании SINEF Cosmetiques и ученых Инновационного Центра «Бирюч» (входит в ГК «ЭФКО»).

Все мыло будет изготавливаться из растительных масел на базе стружки твердого туалетного мыла компании с добавлением эфирных масел и других компонентов. В отличие от большинства представленных на рынке образцов, мыло ГК «ЭФКО» не содержат Sodium Tallowate (талловат натрия) - смеси натриевых солей жирных кислот, получаемых при переработке свиного, говяжьего и других технических животных жиров.

Детское крем-мыло «Малио» - это нежное туалетное мыло с натуральными эфирными маслами и растительными экстрактами, позволяющее обеспечить нежной коже ребенка надежный уход и защиту, в которых она так нуждается. Вся линейка средств «Малио» гипоаллергенна, не содержит па-рабенов и искусственных красителей, поэтому подходит для использования с первых дней жизни ребенка. На сегодняшний день детское туалетное мыло «Малио» представлено 4 БКи: с лавандой, календулой, ромашкой и алое-вера. Продукция уже доступна в сетевых магазинах России.

Евгений Ляшенко, генеральный директор ГК «ЭФКО»: «В течение последних нескольких лет мы кропотливо занимались и продолжаем заниматься созданием эффективных драйверов роста. И выход на рынок туалетного мыла, где мы планируем стать лидерами, является одним из них. С одной стороны, это близкий для нас сегмент брендовой продукции, который позволяет использовать привычные для нас каналы сбыта, продвижения и коммуникаций. С другой - это еще один шаг в сторону реализации нашего инновационного проекта развития олеохимии».