Производство и технологический прогресс

Главной особенностью деятельности людей является превращение исходного сырья, многочисленные преобразования природных материалов и продуктов. Особенно резко, почти на два порядка, возросло потребление человечества за последние столетия – в период промышленной и сменившей её научно-технической революции. Многократный рост потребления происходил 1) как за счет роста потребления каждым отдельным человеком, так и 2) за счет быстрого прироста населения. Сегодня на каждого из 6 миллиардов людей добывается или выращивается более 20 тонн сырья в год, которое при расходе около 2500 кВтч энергии и 800 тонн Н2О перерабатывается в конечные продукты массой около 2 тонн, идущие на прямое потребление. Превращаются не только материалы и сырьё. Хозяйственной деятельностью охвачено и изменено более трети (60 миллионов км²)суши. Бесчисленные технологии обеспечивают все потребности людей, как в материалах, так и в услугах. Вся деятельность людей с самого начала предполагала превращения материалов и окружающей среды для обеспечения многообразных и непрерывно увеличивающихся потребностей. Человеческая цивилизация в полном смысле – технологическая цивилизация. Развитие человечества сталкивается всегда с основным противоречием между непрерывно растущими потребностями людей и ограниченностью ресурсов. Задача экономики заключается в поиске выхода из этого трудно разрешимого

противоречия, в поиске ответа:

1. Для удовлетворения каких именно потребностей должны использоваться эти ограниченнее ресурсы?

2. Кто и как должен решать вопрос об использовании ресурсов?

3. Какими средствами можно увеличить объём удовлетворяемых потребностей при использовании тех же самых ресурсов?

Все доступные ресурсы создаются, и все потребности удовлетворяются в результате применения различных технологий производства и обслуживания. Поэтому эффективность управления системой использования ресурсов и удовлетворения потребностей определяется тем, на сколько осознан потенциал соответствующих технологий, как учитывается характер взаимодействий комплекса взаимосвязанных технологий и последствия этих взаимодействий. Необходимо знать социальный и экономический потенциал страны или региона для развития определённого набора технологий.

Соотношение технологий, характер их развития с одной стороны и с другой стороны система экономических взаимоотношений, используемая система поощрений и санкций взаимно влияют друг на друга. Поэтому решение экономических задач тесно переплетено с неизбежной необходимостью одновременного и согласованного решения комплекса технологических, социальных и экологических задач. И коль скоро решение любой задачи требует определённых затрат, а именно технологии, как и используемые ими ресурсы являются единственным, в итоге, источником средств, то ни один вопрос не может быть решен без использования соответствующих комплексов технологических задач. В последние десятилетия с переходом к новой фазе научно- технической революции, когда технологии обеспечивают ускоренное обновление качества продукции и снижении издержек производства, принципиально меняется взаимосвязь технологий и экономики. Технический прогресс последних десятилетий, вместе с огромным масштабом производства, определил новые условия природопользования.

Из всех факторов долговременного развития решающим является состояние природных систем. Нельзя обеспечить устойчивый экономический рост, если продуктивность природных комплексов будет подорвана. Нельзя успешно решать социальные задачи, если среда обитания будет деградирована.

Новая парадигма (общая модель) экономического мышления покоится на отказе от ряда привычных мифов и решении трёх ключевых задач:

1.Увеличение темпов научно-технического прогресса при резком сокращении потребления ресурсов. Это достигается в результате ускоренного обновления технологий, за счет поиска новых решений на стыке технологий, за счет взаимопроникновения технологий и сочетания в каждой технологии методов и приёмов, характерных для различных технологий.

2.Принципиальное увеличение значимости экологических задач в любом виде деятельности. Это означает переход к технологиям, отличающимся высокой степенью совершенства, необходимости повышения культуры эксплуатации производств, к постоянному поиску новых решений.

3.Резкое увеличение значимости человеческого фактора, роли каждого человека в производстве и экономике. Это означает, что на уровне современных технологий эффективность их использования в решающей мере зависит от уровня подготовленности и ответственности персонала, от организации его обучения и психологической подготовки.

Этот круг вопросов определяет лицо современных технологий.

Рассматривая повышение роли технологии, связанной с влиянием НТР, следует отметить, что на базе новейших научных открытий возникли принципиально новые, более совершенные и производительные технологические про­цессы, резко увеличивающие производительность труда и повышающие качество продукции. К таким процессам следует, например, отнести процессы элионной техноло­гии, которые основаны на использовании сфокусиро­ванных лучей различных видов энергии.

Если сгруппировать по физическим принципам воз­действия процессы элионной технологии, то они будут выглядеть следующим образом: лазерные, ультразву­ковые, плазменные, электронно-лучевые, ионно-лучевые, электроискровые, световые и некоторые другие. Рассмо­трим некоторые из них более подробно. Так, с помощью воздействия луча лазера можно осуществить многие тех­нологические процессы; луч лазера может быть применен для выполнения уникальных медицинских операций, со­здания многоканальной линии связи; при использовании лазеров в голографии создаются стереоскопические теле­визоры с чрезвычайно большой четкостью изображения. Лазеры с большой эффективностью могут применяться как прецизионный инструмент для обработки материа­лов, включая локальные термохимические реакции (на­пример, локальное легирование и закалку штампов и ре­жущего инструмента для упрочнения их поверхности) и размерную обработку поверхности различных материалов. Луч лазера легко пронизывает самые твердые мате­риалы — алмазы, создавая в них точные калиброванные отверстия, необходимые при изготовлении фильер, при­меняемых для протяжки проволоки с высококачествен­ной точной полированной поверхностью. При этом про­изводительность труда возрастает от 12 до нескольких десятков раз.

Особое место начинает занимать энергия ультразву­ковых колебаний. Акустическая энергия используется сей­час в машино- и приборостроении, металлургии, в хими­ческой, легкой, пищевой и фармацевтической промыш­ленности, а также в медицине, биологии, сельском хозяйстве. Область применения ультразвука в различных технологических процессах непрерывно расширяется.

Новым направлением совершенствования технологии является разработка малооперационных, ресурсосберегающих и безотходных процессов. К их числу относится новый безкоксовый процесс получе­ния стали из железных окатышей, минуя доменный про­цесс производства чугуна.

Замечательную особенность химической промышленности — возможность совершен­но исключить отходы. Однако до последнего времени технологическая практика человечества отличалась неве­роятной расточительностью: 98% всего добываемого сы­рья современная промышленность превращает в отходы и лишь 2% превращает в полезную продукцию.

Технология в современном производстве оказывает значительное влияние на будущие экономические показа­тели еще в процессе конструирования изделия или разра­ботки нового продукта или материала, создавая высоко­технологичные конструкции и разработки. В настоящее время технологическая наука и практика располагают ко­личественными методами оценки технологичности кон­струкций и уровня технологии. Если раньше, сравнивая технологичность двух изделий, для выбора оптимального производственного варианта можно было дать недоста­точно точную качественную характеристику, то в настоя­щее время делается точная количественная оценка, позво­ляющая объективно сравнивать и рекомендовать запуск в производство новой и только оптимальной конструк­ции. При максимальной технологичности изделий и ма­териалов, умелом использовании унификации, стандарти­зации, четкой организации подготовки производства оказывается возможным резко сократить продолжитель­ность периода времени, который лежит между моментом получения первых результатов исследований или возник­новения идеи и промышленным производством.

Таким образом, в период научно-технической револю­ции в результате возросшей роли и возможностей техно­логии необычайно сокращаются сроки от возникновения идеи до ее реализации. Если в прошлом веке все они ох­ватывали несколько десятилетий (так, на реализацию идеи, на которой построена фотография, потребовалось более столетия, телефона — 50 лет, радио - 35 лет), то к середине нашего столетия сроки внедрения научных от­крытий в практику сократились до нескольких лет (тран­зисторы и лазер - 5 лет, интегральные схемы — 3 года). Можно с достаточным основанием предположить, что эта тенденция в дальнейшем будет также сохраняться.

Биотехнологии

Биотехнология является наукой о способах получения целевых продуктов с помощью биосинтеза,

управляемого параметрами среды или генно-инженерными манипуляциями, либо сочетанием этих воздействий. Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности

практически всех стран. Применение биотехнологических материалов и принципов в ближайшие годы радикально изменит многие отрасли промышленности и само человеческое общество. Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты, применяли ферментации для получения лекарственных веществ и переработки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая методы генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инженерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотехнологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранее недоступными способами разнообразные ценные продукты. Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области наследственности и методические усовершенствования, которые приблизили человечество к познанию превращений ее материального субстрата и проложили дорогу новейшим промышленным процессам. Помимо этого, ряд

важнейших открытий в других областях также повлиял на развитие биотехнологии (см. таблицу).

Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она блестяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов. Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным, пока не столь значительны. Попытки применения приемов генетической инженерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными трудностями, обусловленными как несовершенством наших знаний по генетике эукариот, так и сложностью организации высших организмов. Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуется на самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других (см. рисунок). Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние пози-

ции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появлению принципиально новых технологий и получению новых продуктов.

Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот и др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вакцин, гормонов, интерферонов и др. Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, являются: повышение продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных, создание новых

пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых процессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов. Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом обществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из Симпозиумов по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил следующее: «... ищите все, что пожелаете, у микроорганизмов, и они не подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетической инженерии, вмешательство в сложный и недостаточно изученный наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области применения существующих направлений биотехнологии и создадут

принципиально новые направления».

В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных ряд разделов следующие:

•Промышленная микробиология;

•Медицинская биотехнология;

•Технологическая биоэнергетика,

•Сельскохозяйственная биотехнология;

•Биогидрометаллургия;

•Инженерная энзимология;

•Клеточная и генетическая инженерия;

•Экологическая биотехнология.

Перспективность и эффективность применения биотехнологических процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения пищи и напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей и новых материалов обусловлена их компактностью и одновременно крупномасштабностью, высоким уровнем механизации и производительности труда. Биологические технологии находятся в настоящее время в фазе бурного развития, но уровень их развития во многом определяется научно-техническим потенциалом страны.

Важнейшей задачей любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для него. При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от химических в силу того, что в биотехнологии используют более сложную организацию материи – биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) – это автономная саморегулирующаяся система.

Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков – возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет от 10-4 до 10-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий среды. В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную.Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов в общем виде может быть представлена блок-схемой, в которой сделана попытка охватить все варианты ферментационных процессов.

На предферментационной стадииосуществляют хранение и подготовку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и рециркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии, так как продуцент, его физиолого-биохимические характеристики

и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята в количествах, требуемых для начала процесса. При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, то есть проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментеров. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный инокулят по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия. Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются различные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьирует. Поэтому дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каждом производстве в соответствии с Технологическим регламентом конкретного процесса. В качестве дозирующего оборудования при этом применяются весовые и объемные устройства, используемые в пищевой и химической промышленности. Транспорт веществ осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты подают в ферментеры с помощью вакуумных насосов. Часто применяют принцип предварительных смесей, то есть соли предварительно растворяют и затем транспортируют по трубопроводам, дозируя их подачу по объему. В силу исключительного разнообразия биотехнологических процессов и применяемых для их реализации сред, методов и аппаратуры рассмотрение данных элементов далее будет связано с конкретными биотехнологическими производствами.

Стадия ферментацииявляется основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродуктов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая «незащищенная» ферментация); на жидких и на твердых средах; анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация, в свою очередь, может протекать поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды). Культивирование биологических объектов может осуществляться в периодическоми проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой

субстратом. При периодическом способе культивирования ферментер заполняется исходной питательной средой и инокулятом микроорганизмов. В течение определенного периода времени в аппарате происходит взаимодействие микроорганизмов и субстрат сопровождающееся образованием в культуре продукта (Х + S → P). Биохимические превращения в этом аппарате продолжаются от десятков часов до нескольких суток. Регуляция условий внутри ферментера важнейшая задача периодического культивирования микроорганизмов. В ходе периодической ферментации выращиваемая культура проходит ряд последовательных стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, замедления роста,стационарную и отмирания. При этом происходят существенные изменения физиологического состояния биообъекта, а также ряда параметров среды. Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты – ферменты, аминокислоты, витамины) и стационарной (вторичные метаболиты – антибиотики) фазах, поэтому в зависимости от целей биотехнологического процесса в современных промышленных процессах применяют принцип дифференцированных режимов культивирования. В результате этого создаются условия для максимальной продукции того или иного целевого продукта. Периодически ферментер опорожняют, производят выделение и очистку продукта, и начинается новый цикл. Непрерывный процесскультивирования микроорганизмов обладает существенными преимуществами перед периодическим. Непрерывная ферментация осуществляется в условиях установившегося режима, когда микробная популяция и ее продукты наиболее однородны. Применение непрерывных процессов ферментации создает условия для эффективного регулирования и управления процессами биосинтеза. Системы непрерывной ферментации могут быть организованы по принципу полного вытеснения или полного смешения. Первый пример – так называемая тубулярная культура. Процесс ферментации осуществляется в длинной трубе, в которую с одного конца непрерывно поступают питательные компоненты и инокулят, а с другой с той же скоростью вытекает культуральная жидкость. Данная система проточной ферментации является гетерогенной. При непрерывной ферментации в ферментах полного смешения (гомогенно-проточный способ) во всей массе ферментационного аппарата создаются одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволяет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехнологическим процессом и стабилизировать продуцент в практически любом, требуемом экспериментатору или биотехнологу состоянии. Управление подобными установками осуществляется двумя способами . Турбидостатныйспособ базируется на измерении мутности выходящего потока. Измерение мутности микробной суспензии, вызванное ростом клеток, является мерой скорости роста, с которой микроорганизмы выходят из биореактора. Это позволяет регулировать скорость поступления в ферментер свежей питательной среды. Второй метод контроля, – хемостатный, проще. Управление процессом в хемостате осуществляется измерением не выходящего, а входящего потока. При этом концентрацию одного из компонентов питательной среды (углерод, кислород, азот), поступающего в ферментер, устанавливают на таком уровне, при котором другие питательные компоненты находятся в избытке, то есть лимитирующая концентрация задающегося биогенного элемента ограничивает скорость размножения клеток в культуре. Обеспечение процесса ферментации, с точки зрения инженерной реализации, сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков(инокулята, воздуха (или газовых смесей), питательных биогенов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта. В ходе ферментации образуются сложные смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладывает существенные ограничения на методы выделения и сушки биологических препаратов. Постферментационная стадияобеспечивает получение готовой товарной продукции и также, что не менее важно, обезвреживание отходов и

побочных продуктов. В зависимости от локализации конечного продукта(клетка или культуральная жидкость) и его природы на постферментационной стадии применяют различную аппаратуру и методы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках. Первым этапом постферментационной стадии является фракционирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы – биомассы. Наиболее распространенный для этих целей метод – сепарация, осуществляемая в специальных аппаратах – сепараторах, которые работают по различным схемам в зависимости от свойств обрабатываемой культуральной жидкости. Основные проблемы, возникают при необходимости выделения мелковзвешенных частиц с размером 0.5–1.0 мкм и менее (бактериальные клетки) и необходимостью переработки больших объемов жидкости (производство кормового белка, ряда аминокислот). Для повышения эффективности процесса сепарации применяют предварительную специальную обработку культуры – изменение рН, нагревание, добавление химических агентов. Для увеличения сроков годности биотехнологических продуктов производят их обезвоживание и стабилизацию. В зависимости от свойств продукта применяют различные методы высушивания. Сушка термостабильных препаратов осуществляется на подносах, ленточном конвейере, а также в кипящем слое. Особо чувствительные к нагреванию препараты высушивают в вакуум-сушильных шкафах при пониженном давлении и температуре и в распылительных сушилках. К стабилизации свойств биотехнологических продуктов ведет добавление в качестве наполнителей различных веществ. Для стабилизации кормового белка применяют пшеничные отруби, кукурузную муку, обладающие дополнительной питательной ценностью. Для стабилизации ферментных препаратов используют глицерин и углеводы, которые препятствуют денатурации ферментов, а также неорганические ионы кобальта, магния,натрия, антибиотики и др.