Основы гибкой автоматизированной технологии

 

В рамках биотехнологии можно выделить:

1. Промышленную биотехнологию, где рассматриваются общие принципы осуществления биотехнологических процессов, происходит знакомство с основными объектами и сферами применения биотехнологии, рядом крупномасштабных промышленных биотехнологических производств, использующих микроорганизмы.

2. Клеточная инженерия. Основная цель этого раздела – изучение методами ведения культур клеток и практическим использованием этих объектов. В рамках этого раздела выделяют культивирование растительных клеток и методы культивирования животных клеток, так как подходы к культивированию этих объектов различаются в силу их принципиальных биологических различий. Клеточная биотехнология обеспечила ускоренное получение новых важных форм и линий растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, получение ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения

3. Генная инженерия. Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и прежде всего в идентификации генов, создании их банков клонирования, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, обеспечении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем. Уже сегодня во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, получившие коммерческое признание.

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии: биотехнология пищевых продуктов, препаратов для сельского хозяйства, препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования, лекарственных препаратов, средств диагностики и реактивов, биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.

 

6 Основы мембранной технологии

 

   Основой мембранной технологии разделения газов является мембрана, с помощью которой происходит разделение газов. Современная газоразделительная мембрана представляет собой отнюдь не плоскую пластину или плёнку, а полое волокно.

Для технологий мембранного разделения газов применяется современная половолоконная мембрана, состоящая из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Пористое волокно имеет сложную асимметричную структуру, плотность полимера возрастает по мере приближения к внешней поверхности волокна. Применение пористых подложек с асимметричной структурой позволяет разделять газы при высоких давлениях (до 6,5 MПа).

Толщина газоразделительного слоя волокна не превышает 0,1 мкм, что обеспечивает высокую удельную проницаемость газов через полимерную мембрану. Существующий уровень развития технологии позволяет производить полимеры, которые обладают высокой селективностью при разделении различных газов, что, соответственно, обеспечивает высокую чистоту газообразных продуктов. Современный мембранный модуль, используемый для технологии мембранного разделения газов, состоит из сменного мембранного картриджа и корпуса. Плотность упаковки волокон в картридже достигает значений 500–700 квадратных метров волокна на один кубический метр картриджа, что позволяет минимизировать размеры газоразделительных установок.

 

Схематическое изображение газоразделительного картриджа

 

 

Корпус модуля имеет один патрубок для входа исходной смеси газов и два патрубка для выхода разделенных компонентов.

Разделение смеси с помощью мембранной технологии происходит за счет разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях половолоконной мембраны. Газы, «быстро» проникающие через полимерную мембрану (например, H2, CO2, O2, пары воды, высшие углеводороды), поступают внутрь волокон и выходят из мембранного картриджа через один из выходных патрубков. Газы, «медленно» проникающие через мембрану (например, CO, N2, CH4), выходят из мембранного модуля через второй выходной патрубок.

Применение мембранных технологий обосновано при необходимости получения газов относительно невысокой чистоты. Мембранная технология обеспечивает экономичный и надежный путь производства или очистки газов.

Основным принципом работы мембранных систем является селективная проницаемость. Сердцем процесса являются пучки, состоящие из нескольких сотен тысяч полых полимерных волокон толщиной с волос. «Быстрые» газы с более высокой проницаемостью проходят через мембрану и образуют поток пермеата. «Медленные» газы практически не проникают через мембрану и образуют поток остаточного газа.

В этом процессе быстрые газы, такие как водород, могут быть отделены от медленных газов, таких как азот, окись углерода, метан или другие углеводороды.

Мембранные системы используются в различных процессах нефтепереработки и нефтехимии. Мембранные системы для производства азота применяются при бурении скважин для добычи нефти и газа, для создания контролируемой атмосферы, на морском транспорте, для инертизации среды в различных областях промышленности, для накачки шин и в лабораторных целях. Мембранные системы для извлечения водорода применяются на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах для извлечения водорода, регулирования соотношения водорода/окиси углерода и извлечения олефина. Мембраны для удаления двуокиси углерода перерабатывают природный газ (дезодорирующая сероочистка), биогаз/газ из органических отходов и синтетический газ для увеличения ценности питающего газа.

Любой живой организм из различных газовых и жидких смесей умеет выбрать нужный компонент и получить его в чистом виде. Природа изобрела свой способ разделять атомы и молекулы по ничтожным различиям в массе, размере, химических и физических свойствах. Это полупроницаемая мембрана, которая является не только механической защитной оболочкой, но и «умным барьером», определяющим, что пропустить внутрь, а что нет.

Человек представляет собой живой мембранный аппарат, площадь мембран в котором исчисляется гектарами. Клеточные оболочки, слизистые и кожа – это все полупроницаемые мембраны. Когда они выходят из строя – человек заболевает. Тогда на помощь организму приходят искусственные аппараты, созданные инженерами мембраной технологии: искусственная почка (гемодиализ), искусственная печень (мембранный плазмоферез), искусственное легкое.

Сегодня человек многое узнал о принципах функционирования и устройстве биологических мембран, но говорить об абсолютной полноте наших знаний рано. Впереди новые открытия, позволящие создать новые «точечные» лекарства, которые будут доставляться адресно к поврежденной клетке, дадут возможность конструировать компактные и полноценные внутренние органы на основе искусственных мембран.

Но даже то, что известно сегодня, открыло перед мембранной технологией поразительно широкий спектр применений.

Первым практически значимым открытием стало получение воды – обессоленной, питьевой, сверхчистой, апирогенной. Проблема получить сколь угодно чистую воду из любого грязного источника решается только умением правильно подобрать мембраны. Целые страны сегодня обеспечиваются «мембранной» пресной водой из моря.

Далее пришел черед пищевой промышленности. Ведь получить чистое масло, красивое вино, вкусные соки, пиво, молочные продукты гораздо проще используя мембраны, чем посредством таких сложных процессов, как дистилляция, сорбция или экстракция.

Удивительные перспективы открывает мембранное разделение газовых смесей. Из воздуха можно получить азот или обедненный кислородом воздух и использовать его для создания условий высокогорья в тренировочных комплексах, в хранилищах овощей и фруктов, на АЗС, в топливных баках самолетов. Также легко получить и обогащенный кислородом воздух, который необходим в реанимационных палатах, в водоемах для выращивания рыбы, в металлургии и т.д.

Мембранные технологии также незаменимы для предотвращения загрязнений окружающей среды промышленными и коммунальными отходами. В результате не только образуются чистые вода и воздух, но и множество ценных компонентов уничтожаются или используются заново после переработки.

Решающее место обещают занять мембранные процессы разделения в альтернативной энергетике, которая не связана с добычей и списанием полезных ископаемых.

Таким образом, можно выделить следующие основные области применения и направления развития мембранной техники и мембранных технологических процессов:

Водоподготовка:

• получение питьевой воды путем опреснения морских вод;
• повышение качества питьевой воды;
• получение особо чистой воды;

Пищевая промышленность:

• получение очищенной воды для технологических процессов;
• концентрирование соков;
• очистка вина, пива, слабоалкогольных напитков;
• переработка молочных продуктов;
• создание условий для длительного хранения овощей и фруктов;

Биотехнология:

• стерилизация технологических сред;
• извлечение целевых компонентов (ферментов, витаминов и пр.);
• концентрирование продуктов биотехнологических процессов;
• организация непрерывных биотехнологических процессов, в которых происходит непрерывное извлечение целевых компонентов из биореактора (мембранный реактор)

Медицина:

• получение очищенной, стерильной, апирогенной воды для приготовления вакцин, медицинских препаратов, промывки ампул;
• очистка крови методом диализа (аппарат искусственная почка);
• выделение, очистка и концентрирование лекарственных препаратов в процессах получения лекарственных средств;
• физиотерапия (аппарат «Горный воздух»);

Топливно-энергетический комплекс:

• очистка и осушка попутного нефтяного газа;
• разделение компонентов нефтехимических производств;
• разделение биогаза;

Электроника:

• получение особо чистой воды;

Очистка сточных вод:

• очистка сточных вод целлюлозно-бумажных, текстильных, гальванических и др. производств
• очистка бытовых сточных вод
• переработка жидких радиоактивных отходов

Это лишь краткий список применения мембранной технологии. В любом процессе, где требуется извлечь целевой компонент, провести концентрирование, разделение, очистку газовых и жидких сред может применяться мембранная технология. И практически во всех случаях она будет конкурентоспособна и более выгодна по сравнению с традиционными методами очистки, разделения и концентрирования. Рынок мембран ежегодно увеличивается на 15-20%. Мембранная технология – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности.