Микробиологический синтез (промышленная микробиология) - наука, изучающая промышленное получение веществ с помощью микроорганизмов.
Одна из важнейших проблем современности - восполнение дефицита белка на Земле. Чтобы получить необходимое количество белка, необходимо повысить продуктивность растениеводства и животноводства, организовать производство питательных веществ путем микробиологического синтеза. Эти задачи успешно решает промышленная микробиология.
Возможности микробиологической промышленности широко используются в медицине. Одним из мощных современных средств борьбы с инфекциями являются вакцины, производимые путем микробиологического синтеза.
В последнее время в мировой сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяется биологическому методу защиты возделываемых культур от вредителей и болезней. Создаются новые бактериальные удобрения и безвредные для окружающей среды средства борьбы с насекомыми-вредителями.
Дальнейшее развитие промышленной микробиологии будет способствовать повышению эффективности общественного производства, и резервы у промышленной микробиологии есть: из 100000 видов микроорганизмов, которые известны человечеству, используется в настоящее время не более ста.
Основные задачи, решаемые промышленной микробиологией:
• обеспечение населения наиболее ценными продуктами питания;
• избавление человечества от опасных заболеваний;
• охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов;
• интенсификация производственных процессов в промышленности и сельском хозяйстве;
• разработка новых источников энергии.
Возможность использования микробиологических методов для решения проблем энергетики способствовало появлению и развитию такого направления как биоэнергетика. Уже в настоящее время микробиологическим путем удается получать необходимую энергию в виде газообразного топлива из биомассы (биогаз).
Все шире используются возможности промышленной микробиологии в горнорудной и металлургической промышленности. Наибольший практический опыт накоплен в области использования микроорганизмов для извлечения цветных металлов, урана и золота путем бактериального выщелачивания их из бедных или труднообогащаемых другими способами руд. Такой способ обеспечивает комплексное и более полное использование минерального сырья, повышает культуру производства, благоприятен для охраны окружающей среды.
Генетическая инженерия - принципиально новое научное направление биотехнологии, позволяющее создавать искусственные генетические структуры путем целенаправленного воздействия на материальные носители наследственности (молекулы ДНК). Применяя генно-инженерные методы, в принципе, возможно конструировать совершенно новые организмы по заранее заданному “чертежу".
Прикладное использование генетической инженерии привело к возникновению так называемой индустрии ДНК, к примеру, производство физиологических активных веществ белковой природы для медицинских и сельскохозяйственных нужд.
Уже есть ряд уникальных достижений генетической инженерии - промышленное производство интерферона, инсулина, гормона роста человека и т.д.
Весьма перспективен синтез генно-инженерными методами специальных микроорганизмов, производящих в больших количествах такие важные вещества, как аминокислоты, ферменты, витамины, стимуляторы иммунитета. Методы генетической инженерии могут быть использованы при решении задач биологической фиксации азота, повышения эффективности биологических методов защиты растений, создания новых сортов растений и пород животных. С помощью методов генетической инженерии вполне можно исправлять наследственные заболевания у человека, создавать стимуляторы регенерации тканей, которые можно использовать при лечении ран, ожогов, переломов.
Клеточная инженерия. Благодаря методам клеточной инженерии, появилось возможность производить ценные продукты в искусственных условиях (вне организма).
Используя клеточную инженерию, ученым удается конструировать новые высокоурожайные и устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям среды ценные для народного хозяйства растения.
Выведены гибридные сорта картофеля, винограда, сахарной свеклы, томатов. Используя данную технологию, можно получать даже межвидовые гибриды: яблони с вишней, картофеля с томатом и т.д.
Не менее значительны успехи клеточной инженерии и в работе с животными клетками. Создаются банки замороженных эмбрионов высокопородистых животных с последующей их пересадкой обычным животным для последующего их выведения. Уже сейчас отработана технология получения за сезон до 15-20 высокопородистых телят от одной элитной коровы, вживляя на основе ее клеточного материала искусственные эмбрионы низкопородистым коровам.
Клеточная инженерия позволяет нарабатывать биологически активные вещества на основе крупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получать популяции клеток того или иного органа, которые можно использовать для пересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и даже клетки нервной системы.
В последнее время клеточная инженерия совершила поистине революционный прорыв в области иммунологии. Методами клеточной инженерии разработан метод, по которому клетки лимфоцитов (один из основных факторов иммунной защиты организма) соединяют с опухолевой клеткой. Создаются так называемые гибридомы, которые начинают производить противоопухолевые антитела.
По чувствительности и избирательности они не имеют себе равных. Гибридомная технология открывает новую эру в иммунологии.
Не менее значительны успехи клеточной инженерии и в работе с животными клетками. Клеточная инженерия позволяет нарабатывать биологически активные вещества на основе крупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получать популяции клеток того или иного органа, которые можно использовать для пересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и даже клетки нервной системы.
Инженерная энзимология - наука, разрабатывающая основы создания высокоэффективных ферментов для промышленного использования, позволяющих многократно интенсифицировать технологические процессы при снижении их энергоемкости и материалоемкости.
Энзимы (ферменты) являются универсальными белками-катализаторами, с помощью которых осуществляются все процессы в живой клетке. Они проявляют исключительно высокую каталитическую активность, значительно превосходящую активность катализаторов небиологического происхождения.
Ферменты наиболее широко используются при производстве сахара для диабетиков, некоторых гормональных препаратов, используемых в медицине. Весьма перспективны ферменты в химической промышленности, при получении тканей, кож, бумаги, других синтетических материалов.
При этом использование ферментов не только позволит качественно усовершенствовать технологию, но и будет способствовать решению проблемы очистки окружающей среды.
Ферменты успешно используются в технологических процессах пищевой промышленности, в частности, для получения глюкозно-фруктозного сиропа, глюкозы из крахмала, улучшения качества молока и ряде других производств.
Равновесие в химико-технологическом процессе и оценка возможностей его смещения. Применение принципа Ле-Шателье и правила фаз для определения параметров технологического режима.
Теоретически все реакции обратимы и стремятся к равновесию, т.е. готовый продукт распадается на исходные вещества, поэтому необходимо сдвинуть равновесие вправо, в сторону образования продуктов. Это можно сделать, изменив температуру, давление, концентрации исходных веществ или продуктов, предпочтительнее откачка последних.
Скорость технологических процессов определяет производительность аппаратов и их количество. Скорость процесса можно увеличить за счет увеличения температуры, увеличения концентрации исходных веществ и давления, увеличением поверхности соприкосновения фаз и применения катализатора.
Гомогенные процессы протекают в однородной среде, но, практически, всегда есть примеси.
Гетерогенные процессы характеризуются наличием двух и более взаимодействующих фаз.
Абсорбция - поглощение газов жидкостями с образованием растворов (получение кислот, улавливание продуктов нефтепереработки), обратный процесс - десорбция.
Адсорбция - поглощение газов и жидкостей твердыми поглотителями - очистка газов, улавливание летучих растворителей.
Перегонка жидких смесей - дистилляция (простое разделение) и ректификация (многократный процесс) - основаны на испарении летучих жидкостей и конденсации. Разделение осуществляется за счет разных температур кипения компонентов смеси.
Широко применяется в нефтепереработке.
Пиролиз - термическая переработка горючих материалов для доступа воздуха (крекинга, коксование).
Полимеризация - химическое соединение молекул мономера в одну макромолекулу полимера.
Экстрагирование - избирательное растворение, применяется для очистки различных продуктов.
Диспергирование - рассеивание одного вещества в другом - производство паст.
Эмульгирование - получение эмульсий, т.е. систем, состоящих из двух несмешивающихся жидкостей.
Каталитические процессы повышают скорость в тысячи и миллионы раз, улучшают качество продукции. В качестве катализаторов применяется большинство элементов периодической системы и их соединений, для каждой реакции необходимо подбирать свои катализаторы. Суть ускоряющего действия катализаторов состоит в понижении энергии активизации химической реакции. Качество продукции повышается из-за селективного (избирательного) действия катализатора, ускоряющего основную реакцию и подавляющего побочные.
Контактные аппараты - реакторы, использующие катализатор (контактную массу).
Аппараты поверхностного контакта используют медь, серебро, платину в виде стружки, трубок, сеток. В аппаратах с фильтрующим (стационарным) слоем используют катализатор, способным длительное время не терять активность и не отравляться (платина).
В аппаратах с движущимся или кипящим слоем можно использовать более дешевый катализатор, который работает всего несколько минут (часов), но затем быстро восстанавливается (регенерируется). В таких аппаратах получают высокооктановые компоненты бензина, сырье для химической промышленности.
1. Лебедев Н.Н. Технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1988.
2. Хенрици-Оливэ Г., Оливэ С. Координация и катализ. М.: Мир, 1980.
3. Industrial Applications of Homogeneous Catalysis / Ed. A. Motreux, F. Petit. D. Reidel Publishing Co., 1988.
4. Sheldon R. A. // Chem. Tech. 1994. P.39-47.
5. Shvets V. F., Makarov M. G., Kustov A. V., Suchkov J. P. Selective Catalysts for Alkylene Oxide Hydration. Intern. Symp. Selectivity in Basic and Appl.org. Chem. Tel Aviv, 1995.