from 01.01.1997 until now
Moscow, Moscow, Russian Federation
The article analyzes the textbook of A.V. Lukanin "Engineering Biotechnology: Fundamentals of technology of microbiological industries," shows the growing role of industrial biotechnology. With the help of biotechnological methods now it is received a wide range of products in various fields of the economy, from agriculture, industry and medicine, and ending with the production of modern medicines. The main biotechnological processes and equipment enabling these processes are considered.
biotechnology, fermentation, pure culture, sterilization, defoaming, filtration, drying, chromatography, reverse osmosis
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. Vyshelesskiy A.B., Krivoy B.A., Lukanin A.V., Sister V.G.Sposob polucheniya kormovoy belkovo-vitaminnoy dobavki: Patent na izobretenie RUS 2290831 30.11.2004
2. Vyshelesskiy A.B., Krivoy B.A., Lukanin A.V., Sister V.G. Sposob polucheniya kormovoy dobavki: Patent na izobretenie RUS 2295869 30.11.2004
3. Klyushenkova M.I., Lukanin A.V Zashchita okruzhayushchey sredy ot promyshlennykh gazovykh vybrosov [Tekst]: uchebnoe posobie / M. I. Klyushenkova, A. V. Lukanin. - M.: Federal´noe gos. byudzhetnoe obrazovatel´noe uchrezhdenie vyssh. prof. obrazovaniya Moskovskiy gos. un-t inzhenernoy ekologii. Moskva, 2012.
4. Lukanin A.V. Inzhenernaya biotekhnologiya: osnovy tekhnologii mikrobiologicheskikh proizvodstv [Elektronnyy resurs]: uchebnoe posobie / A.V. Lukanin. - M.: NITs INFRA-M, 2016. - URL: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=768026
5. Lukanin A.V. Razrabotka massoobmennykh apparatov dlya sistem proizvodstva mikrovodorosley, ikh gidravlicheskie i massoobmennye kharakteristiki [Tekst]: dis. kand. tekhn. / A.V. Lukanin. - M., 1984.
6. Lukanin A.V., Tarasova T.A. Ustanovka dlya ochistki i dezodoratsii gazovozdushnykh vybrosov fermenterov: Patent na izobretenie RUS 2060273
7. Lukanin A.V., Tarasova T.A., Zakharychev A.P. Apparat dlya vyrashchivaniya mikroorganizmov: Patent RF №2078807 ot 10.05.97.
8. Lukanin A.V. Novyy vysokoeffektivnyy promyshlennyy fermenter bol´shoy edinichnoy moshchnosti dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki [Tekst] / A.V. Lukanin //Nauka i promyshlennost´ Rossii, №2 - 3, (70 - 71), 2003 g., s. 61 - 66.
9. Lukanin A.V. Modernizatsiya promyshlennogo fermentera ADR - 900 - 76 dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki iz rastitel´nogo syr´ya [Tekst] / A.V. Lukanin. Biotekhnologiya, №6, 2003, s. 84 - 88.
10. Lukanin A.V., Solomakha G. Flow hydrodynanics and vass transfer in a bubbling liquid layer [Text]/ A.V. Lukanin. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 1988. T. 22. № 4. S. 435.
