Аппарат тесла в биотехнологии используют для
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 05.10.2024
Tesla вместе с немцами разрабатывает «принтер» для синтеза РНК. Это облегчит создание вакцин, в том числе от COVID-19
В Твиттере глава компании Tesla Илон Маск (Elon Musk) подтвердил, что его компания разрабатывает и производит «принтер» или, как выражается сам Маск, биореактор для синтеза молекул РНК. Над установкой Tesla работает с прошлого года вместе с немецкой компанией CureVac. Работы начались до эпидемии коронавируса COVID-19. Компании подали совместный патент на принтер для изготовления лекарств и вакцин. С этой стороны о Tesla мы ещё не слышали.
Установка CureVac для синтеза РНК
Впрочем, Маск заявил, что его компания не будет иметь значительных выручки и прибыли от производства биореакторов РНК. В то же время подобные установки станут «важным продуктом для мира». Компания собирается содействовать распространению биореакторов и скорейшему появлению важных для выживания человечества лекарств и вакцин.
Tesla makes the RNA Bioreactor that can make vaccines / cures. CureVac has version 2 in use. Version 3 is under development.
В настоящее время компания CureVac использует вторую версию принтера РНК Tesla, а производитель разрабатывает третью версию. При посещении Германии Илон Маск не забывает лично заниматься этими проектами. Так что он решает там не только вопросы, связанные со строительством автомобильного завода, но, как выяснилось, также держит руку на пульсе сотрудничества с CureVac.
Идея сотрудничества CureVac с Tesla заключается в том, что разработчик вакцин и лекарств не готов заниматься выпуском биореакторов в промышленных масштабах. Tesla же имеет богатый опыт быстрого наращивания новейшего производства и готова обеспечить биореакторами для «печати» РНК всех заинтересованных и пользующихся доверием. Ведь наверняка на таком «принтере» можно напечатать что-то крайне опасное?
Импульсные аппараты и перспектива их использования в биотехнологии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»
Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Сычёв А. Е., Сычёв В. А., Воробьёва Г. И., Заикина А. И., Рогачева Р. А.
Биореакторы ( ферментёры ) составляют основу микробиологического производства различных продуктов. Разработана и предлагается к использованию конструкция импульсного аппарата , характеризующегося интенсивным массообменом и невысоким расходом электроэнергии.
Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Сычёв А. Е., Сычёв В. А., Воробьёва Г. И., Заикина А. И., Рогачева Р. А.
PULSE DEVICES AND PROSPECTS OF THEIR USE IN BIOTECHNOLOGY
Bioreactors (fermenters) form the basis of microbiological production of various products. The design of the pulse device characterized by intensive mass transfer and low power consumption is developed and proposed for use.
Текст научной работы на тему «Импульсные аппараты и перспектива их использования в биотехнологии»
ИМПУЛЬСНЫЕ АППАРАТЫ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БИОТЕХНОЛОГИИ*
А.Е. СЫЧЁВ, В.А. СЫЧЁВ, Г.И. ВОРОБЬЁВА, А.И. ЗАИКИНА, Р.А. РОГАЧЕВА
ОАО «ГосНИИсинтезбелок», г. Москва svorobieva@uandex.ru
Биореакторы (ферментёры) составляют основу микробиологического производства различных продуктов. Разработана и предлагается к использованию конструкция импульсного аппарата, характеризующегося интенсивным мас-сообменом и невысоким расходом электроэнергии.
Ключевые слова: ферментёр, импульсный аппарат, массообмен, энергозатраты, кормовые дрожжи
A.E.SYCHEV, V.A.SYCHEV, G.I.VOROBYOVA, A.I.ZAIKINA, R.A.ROGA-CHEVA. PULSE DEVICES AND PROSPECTS OF THEIR USE IN BIOTECHNOLOGY
Bioreactors (fermenters) form the basis of microbiological production of various products. The design of the pulse device characterized by intensive mass transfer and low power consumption is developed and proposed for use.
Key words: fermenter, switching apparatus, mass transfer, power consumption, feed yeast
Интенсификация и эффективность производственных процессов в значительной степени определяются уровнем оснащения современным оборудованием. В областях биотехнологии, химии, экологии первостепенное значение имеет ферментационное оборудование, в частности аппараты. Правильный выбор или разработка конструкции новых аппаратов приобретает большое значение, поскольку они определяют мощность всего производства и себестоимость готового продукта.
В конструкциях ферментёров важными элементами являются: хорошее диспергирование воздуха, равномерная и эффективная циркуляция (распределение) диспергированной массы внутри аппарата, а также отвод тепла. Известны следующие основные типы аппаратов отечественного производства: барботажный (трубчатый и коробчатый), эрлифтный (типовой), эрлифтно-периферийный, эрлифтно-многозонный, многозонной конструкции, колонный, горизонтальный с самовсасывающими мешалками, эжекционный, дрожжерастильный АДР-1250, АДР-900-76, АДР-200, Б-50 и другие [1, с. 9, 35]. Из зарубежных моделей известны аппараты фирм «Леф-
рансуа» (Франция), «Хепос» (Чехия) и «Уде-Хекс» (ФРГ), аппараты конструкции «УкрНИИСП» (Украина), концернов «1С1» и «БП» (Великобритания), колонный аппарат фирм «Мицубиси» (Япония) и «Лик-вихимик биосинтез» (Италия), струйный аппарат «ИЦ» (Германия), аппарат системы «Фогельбуша» (Австрия), шаровой аппарат фирмы «Хемап» (Швейцария) и другие 2.
Несмотря на большое разнообразие промышленных биореакторов, создаваемых различными фирмами, их можно подразделить на три основные группы в зависимости от системы перемешивания: аппараты с механическим, барботажным и эрлифтным перемешиванием. Биореакторы с механическим перемешиванием характеризуются тем, что воздух подают под давлением через распределитель, представляющий собой кольцо с множеством маленьких отверстий. При этом образуются мелкие пузырьки воздуха и за счёт механического перемешивания обеспечивается их равномерное распределение внутри аппарата. Для этой же цели используются мешалки, которые, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору.
*Журнал «Известия Коми научного центра УрО РАН» не нацелен на публикацию статей по разработке новой техники и аппаратуры. В статье А.Е. Сычёва с соавторами редколлегия обратила внимание не столько на новизну технического решения, сколько на тот революционный прорыв, который эти аппараты могут сделать в развитии отечественной биотехнологической промышленности. В связи с имеющимся большим потенциалом и перспективами развития биотехнологии в Республике Коми публикация данной статьи представляется актуальной и своевременной. В последующих номерах журнала будут опубликованы результаты научных исследований с использованием описанного в статье импульсного аппарата.
Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа её оборотов и физикохимических свойств используемой среды. При интенсивном перемешивании часто имеет место вспенивание, поэтому рабочий объём биореакторов такого типа не превышает 55%.
Биореакторы с барботажной системой возду-хораспределения отличаются тем, что перемешивание в них осуществляется восходящими потоками воздуха, который подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора через барботёры, которые представляют собой воздушные трубы с отверстиями диаметром 0,1 -0,2 мм. Подача воздуха под большим давлением приводит к сильному пенообра-зованию, поэтому рабочий объём биореакторов такого типа также не превышает 55%.
Биореакторы с эрлифтной системой воздухо-распределения характеризуются тем, что воздух подают через центральную трубу, которая обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости за счёт внешней системы циркуляции, которая осуществляется также с помощью труб, установленных снаружи аппарата.
Перечисленные типы аппаратов являются дорогостоящими, энергоёмкими и имеют недостаточную производительность. Исключение составляют аппараты АДР-1250 , АДР-900-76, АДР-200, Б-50 с высоким массообменом и удельной производительностью 2-2,5 кг/мз/час. Конструкция этих аппаратов была специально разработана для организации крупнотоннажного производства кормового белка на основе очищенных жидких углеводородов. Например, аппарат Б-50 представляет собой цилиндрическую ёмкость объёмом 900 м3, разделённую на 12 секций. В каждой секции установлено перемешивающее и аэрирующее устройство, работающее по принципу эжекционной турбины, всасывающей воздух из атмосферы и при движении (вращении) её происходит перемешивание воздуха с жидкостью. При вращении турбины жидкость на выходе, обладая большой энергией, создаёт разрежение. В разреженную зону подсасывается воздух из атмосферы по трубопроводу, соединённому с ёмкостью аппарата. В этой зоне происходит интенсивное смешение и насыщение кислородом. Мощность электродвигателя, установленного для привода каждой турбины, составляла 315 кВт.
Внедрение этих аппаратов в промышленное производство позволило получать на восьми действовавших в СССР крупнотоннажных заводах БВК (белково-витаминный концентрат) более 1 млн. т в год кормовых дрожжей для животноводства.
Однако в современных условиях при переходе на свободные цены на энергоносители, конструкция данных аппаратов оказалась неконкурентоспособной из-за большого потребления электроэнергии: затраты электроэнергии составили 10 кВт на 1 м3 жидкости или в пересчёте на 1 т белкового продукта 2800-3000 кВт. Таким образом, микробиологические производства на сегодняшний день не обеспечены экономически целесообразными промышленными аппаратами.
В связи с изложенным, большое практическое значение приобретают импульсные аппараты, имеющие принципиально иное конструирование,
обеспечивающее низкие энергозатраты при сохранении технологических показателей. Первые работы по импульсным аппаратам были выполнены А.А.Долинским с соавторами [1], которые сконструировали ферментёр, работавший на импульсной подаче воздуха в аппарат. Существенное отличие импульсного аппарата от всех известных заключается в резкой интенсификации взаимодействия поверхности контакта фаз (вода-воздух), что позволило существенно увеличить перенос газа в жидкую фазу. Это достигается периодической подачей из импульсатора в массообменный аппарат газожидкостной эмульсии. Управление интенсивностью массо-обмена осуществляется изменением частоты впуска и выпуска воздуха (цикличности) и его давлением. Частота пульсаций составляет 40-200 мин-1, скорость движения газожидкостной эмульсии - 3-7 м/с.
Результаты и обсуждение
В основе настоящих разработок была использована идея импульсного перемешивания, однако в отличие от описанного выше аппарата, взаимодействие газожидкостных фаз (вода - воздух) было обратным. То есть, известные импульсные ферментёры использовали движение жидкой фазы под давлением воздуха. В наших разработках, наоборот, процесс перемешивания протекает за счет передвижения самой жидкой фазы. Импульсный аппарат предлагаемой конструкции включает две одинаковые по объёму горизонтально расположенные герметические ёмкости, снабженные патрубками для подачи и отвода жидкой фазы, а также барботёрами для постоянной подачи сжатого воздуха. Перемешивание жидкой фазы из одной ёмкости в другую по переливным трубам осуществляется посредством устройства для поочередного отвода отработанного воздуха. Устройство содержит электромагнитные клапаны, управляемые посредством реле времени или другим устройством, например, датчиком уровня жидкости в аппарате. Через заданное время реле подаёт сигнал на открытие электромагнитного клапана и отработанный воздух отводится в атмосферу из одной ёмкости аппарата, в котором давление выше. При этом давление в этой ёмкости аппарата снижается и жидкая фаза перетекает из неё в другую ёмкость, после чего электромагнитный клапан закрывается. Далее этот же процесс протекает в другой ёмкости, и таким образом за счёт движения (перетекания) жидкостной фазы из одной ёмкости в другую происходит перемешивание.
В качестве примера на рис. 1-4 представлена принципиальная схема наиболее совершенной конструкции импульсного аппарата для выращивания микроорганизмов:
- рис. 1 - фронтальный вид аппарата;
- рис. 2 - вид аппарата сверху по А-А (см. рис. 1);
- рис. 3 - разрез аппарата по Б-Б (см. рис. 1);
- рис. 4 - разрез аппарата по В-В (см. рис. 1).
Аппарат работает следующим образом. Через патрубок (5) в ёмкости (1) и (2) подаются питательная среда и засевная культура, через барботё-ры (16) и (17) - воздух. Ёмкости (1) и (2) разделены
Кафедра биотехнологии, биоинженерии и биохимии
Кафедра биотехнологии, биоинженерии и биохимии образовалась путем слияния двух кафедр – биотехнологии и биохимии 21.06.2014 г. (приказ №01/281). Возглавляет ее декан факультета биотехнологии и биологии, доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации Ревин Виктор Васильевич.
Ревин Виктор Васильевич – д.б.н, профессор, заведующий кафедрой биотехнологии, биоинженерии и биохимии
Сотрудники кафедры биотехнологии, биоинженерии и биохимии
История кафедры биотехнологии, биоинженерии и биохимии имеет глубокие корни. Все начиналось с кафедры биохимии, которая была организована в декабре 1965 г. на химико-биологическом факультете Мордовского государственного университета. Основателем ее и первым заведующим стала доктор биологических наук, профессор, а в последствии заслуженный деятель науки МАССР СапожниковаЕкатерина Васильевна. Среди первых сотрудников новой кафедры были старший преподаватель Дорофеева Л.С. (училась в Ленинградском технологическом институте и имела стаж работы в должности технолога на Ромодановском сахарном заводе), Барнашова Г.С. (работала с 1953 г. после окончания химико-биологического факультета Мордовского государственного педагогического института им. А.И. Полежаева учителем в школе, а с 1957 г. – в должности препаратора кафедры химии). В состав новой кафедры вошли младший научный сотрудник Тищенко В.П., лаборант Кирлянова Р.А., Савченко Г.Н. и группа аспирантов – Альба Н.В., Матвеева Л.Н., Живечков С.М. и др.
Сапожникова Е.В. создала научный коллектив, сразу же активно включившийся в работу по исследованию пектиновых веществ и пектолитических ферментов плодовых, овощных культур и дикорастущих растений. Эта работа имела огромное значение для народного хозяйства МАССР, нуждающегося в научных рекомендациях по проблеме ускорения созревания плодов и овощей, технологии хранения и переработки готовой продукции.
Кафедра имела широкие научные связи с Институтом биохимии им. А.Н. Баха и МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва), ГГУ им. Лобачевского (г. Горький), Молдавской Академией наук (г. Кишинев), Бакинским НИИ садоводства, виноградства и субтропических культур. Также на кафедре были созданы предпосылки для развития новой специализации.
Курс биотехнологии начала читать Дорофеева Л.С, а затем Котов А.А., приглашенный с завода «Биохимик»; биохимию мяса и молока читали Киселева Р.Е. и Дорофеева Л.С.; БАВ и технологию переработки сельскохозяйственной продукции – Альба Н.В., энзимологию – Барнашова Г.С. Так зарождалась на биологическом факультете новая специальность «Биотехнология».
В 1987 г. на базе двух подразделений: межфакультетской лаборатории биофизики и лаборатории промышленной микробиологии была основана кафедра биотехнологии. Активную помощь в организации новой кафедры оказал ректор университета профессор СухаревА.И. Первым заведующим кафедрой биотехнологии был кандидат технических наук КотовА.И., имевший большой опыт практической и руководящей работы на предприятиях микробиологической промышленности.
К этому времени на кафедре сформировались и проводились исследования по трем основным направлениям: изучение биоповреждений материалов и изделий, вызываемых микроoрганизмами (по заказу Министерства обороны, руководитель Котов А.И.); поиск природных продуцентов пенициллиназы и изучение их устойчивости и изменчивости (по заказу Саранского завода медицинских препаратов, руководитель Прыткова Т.Н.); влияние липидной фазы на функционирование ионтранспортныхсистем биологических мембран (по заказу Государственного комитета по делам науки и образования, руководитель Ревин В.В.).
После избрания в 1992 г. Ревина В.В. на должность заведующего кафедрой биотехнологии получили новое развитие не только научно-исследовательские работы, но и методическая и материальная база для подготовки специалистов на вновь открытой специальности «Биотехнология». Несмотря на небольшой промежуток времени, кафедра биотехнологии сформировала профессиональный профессорско-преподавательский состав, современный научно-технический потенциал. Об этом свидетельствуют научные и технические достижения в разработке современных технологий.
В учебный процесс постоянно внедрялись современные методы исследования: культивирование объектов в биореакторах с программным управлением, микроскопия с системой цифровой визуализации и компьютерной системой анализа, методы аналитического контроля с использованием современного хроматографического и электрофоретического оборудования с компьютерной обработкой данных.
На базе кафедры регулярно проводились международные конференции с участием ведущих ученых из России, Белоруссии, Канады, Литвы и Румынии, региональная конференция молодых ученых.
За время существования кафедры биотехнологии подготовлено более 1000 инженеров-биотехнологов. Области деятельности выпускников кафедры: производственно-технологическая (инженер, технолог в пищевой, фармацевтической, микробиологической отраслях); проектно-конструкторская (инженер); научно-исследовательская (младший научный персонал); организационно-управленческая деятельность.
Выпускники кафедры работают на ОАО «Сыродельный комбинат «Ичалковский»», ООО «Сыродельный комбинат «Сармич»», ОАО «Мордовспирт», ОАО «Хлебозавод», ОАО «Саранская пивоваренная компания», ОАО «Биохимик», ОАО «Молочный комбинат «Саранский»», ОАО «Биосинтез», ОАО «Мордовия-холод», ОАО «Талина» и других перерабатывающих предприятиях Мордовии и России, в ведущих научных центрах России, Европы и Америки.
В 2006 г. на базе кафедры был открыт Биотехнологический центр, в котором функционируют два научно-образовательных центра – «Нанобиотехнология» и «ДНК-диагностика и геномные исследования».
В состав кафедры входили несколько лабораторий – фундаментальной биотехнологии, микробных полисахаридов, биокомпозиционных материалов, физико-химических методов анализа, бродильных биотехнологий, биопрепаратов, биофизики.
На базе кафедры было организовано региональное отделение Российского общества биотехнологов и общество МОИП. В 2005 г. была сформированаведущая научная школа «Биотехнологии и биоэнергетика».
В настоящее время на объединенной кафедре биотехнологии, биоинженерии и биохимии работают 19 сотрудников профессорско-преподавательского состава, из них 3 доктора наук и 12 сотрудников учебно-вспомогательного состава.
На кафедре проводятся научные исследования по ПНР 1 «Энергосбережение и новые материалы».Основными направлениями научной деятельности кафедры являются: биотехнология композиционных материалов, биотехнология биопрепаратов для сельского хозяйства, биотехнология биоэтанола из наноструктурированного сырья, биодеструкцияксенобиотиков в окружающей среде, технология пищевых продуктов лечебно-профилактической направленности, биотехнология микробных полисахаридов, получение кормовых и пробиотических препаратов, физико-химические и молекулярные механизмы апоптоза; изучение молекулярных и клеточных механизмов возбуждения, дегенерации и регенерации возбудимых образований; исследование механизмов регуляции кислородтранспортной функции эритроцитов.
Разработаны технологии получения экологически безопасных композиционных материалов из отходов растительного сырья и отходов промышленности. Образцы полученных изделий выставлялись на Всероссийских и Республиканских выставках и включены в реестр лучших изобретений. Некоторые проекты кафедры внедрены в производство: молочнокислый напиток «Здоровье», мягкий сыр «Айболит», «Октябрьский», сметанный соус и плавленый сыр с добавлением модифилана. Кроме того, кафедра активно работает в области экологии и безотходных технологий: биодеградация и нейтрализация ксенобиотиков, очистка стоков и почвы, утилизация послеспиртовой барды.
Сотрудниками кафедры издано большое количество учебно-методической литературы: учебник и учебные пособия с грифом УМО – «Биофизика», «Лабораторный практикум по биотехнологии», «Биофизика и физиология возбудимых мембран», «Введение в биотехнологию: от пробирки до биореактора», «Биотехнология этанола», «Биотехнология бактериальных экзополисахаридов», «Лабораторный практикум по биофизике и физиологии человека и животных», «Практикум по физиологии человека и животных», монографии «Роль липидов в функционировании возбудимых биологических мембран»,«Фундаментальные и прикладные основы биотехнологии экологически безопасных композиционных материалов», «Роль биогенных аминов в процессах срыва адаптации при патологии легких», а также методические пособия и рабочие программы по спецкурсам.
Ежегодно на базе кафедры проходят Республиканская конференция молодых ученых, Огаревские чтения, на которых активно выступают как студенты, так и аспиранты кафедры, ежегодно проводятся секционные заседания Республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия». Тематики научных исследований кафедры охватывают многие направления, ориентированы на удовлетворения нужд не только Республики Мордовия, но и всего региона.
В сентябре 2015 г. на базе кафедры биотехнологии, биоинженерии и биохимии была проведена Всероссийская научная конференция с международным участием «Перспективы развития химических и биологических технологий в 21-м веке».
На кафедре усилилась публикационная активность. Научные достижения кафедры признаны на Международном и Российском уровнях. Об этом свидетельствует количество грантов, выигранных за последние годы: гранты РФФИ, Министерства образования, по программе «Университеты России». Выигран конкурс 2015 г. «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с привлечением молодых исследователей», проект «Исследование механизмов регуляции кислородтранспотной функции гемоглобина эритроцитов». В настоящее время на кафедре проводятся исследования по научным грантам, общий объем финансирования которых составляет более 20 млн. рублей в год.
Для повышения эффективности подготовки кадров, разработки совместных новых технологий кафедрой заключены долгосрочные договоры с ведущими предприятиями РМ – ОАО «Мордовспирт», ОАО «Молочный комбинат «Саранский»», ОАО «Сыродельный комбинат «Ичалковский»» и др. На этих предприятиях функционируют филиалы кафедры, где студенты проходят специальные курсы и практики.
Оборудование для биотехнологического производства
Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем:
– чувствительность биологических агентов к физико-механическим
– наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость – клетки», «газ – жидкость – клетки»);
– требования условий асептики;
– низкие скорости протекания многих процессов в целом;
– нестабильность целевых продуктов;
– сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.
3. Классификация реакторов по конструктивным признакам и по организации перемешивания
Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача, возникающая при их конструировании, – обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом (переносом) кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным показателем массообменных характеристик ферментера служит коэффи-циент массопередачи кислорода, так как кислород является основным лимитирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход кислорода на образование 1 кг биомассы в зависимости от типа углеродсодержащего сырья и степени его восстановленности может составлять от 0.75 до 5.00 кг. Клетки способны утилизировать кислород только в растворенном виде, поэтому необходимо постоянно поддерживать его концентрацию в культуре на уровне, оптимальном для конкретного продуцента. При этом скорость поступления кислорода к клеткам должна превышать скорость его включения в клетки, и в околоклеточном пространстве не должно возникать так называемых «концентрационных ям». Кроме этого, концентрация клеток и растворенного субстрата должны быть равномерными по всему объему ферментера. Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. При интенсивном перемешивании пузырьки воздуха дробятся в аппарате и диспергируясь увеличивают площадь контакта фаз «среда-клетка». Однако чрезмерное перемешивание может вызвать механическое повреждение биологических объектов.
К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств, и классифицировать их практически невозможно.
4. Характеристика аппаратов с подводом энергии через газовую фазу
Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе (группа ФГ). Их общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м 3 ) (рис. 1). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов.
Барботажные газораспределительные устройства обычно устанавливаются в нижней части аппарата. Подаваемый сверху через распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1–2 кг/м 3 ч;
Рис. 1,6 Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) (Виестур и др., 1986). а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 коллектор.
5. Общая характеристика реакторов с подводом энергии через жидкость
Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ) наиболее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают наиболее высокие по сравнению с группой ферментеров ГФ значения коэффициента массопередачи кислорода, свыше 6 кг/м 3 ч. В данных аппаратах ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппараты также можно подразделит на ряд типов (рис. 1.7): ферментеры с самовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных машин, так как поступление в них воздуха происходит в результате разрежения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки; в эжекционных ферментерах возможна рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, однако требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержащей культуральной среды. Применение эжекционного ввода газовых субстратов в ферментер может интенсифицировать массообмен на порядок; струйные ферментеры (с затопленной или падающей струей) оборудуются мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из нижней части аппарата и через напорный трубопровод подводят поток к аэрирующему устройству (по типу шахтного перепада или напорно-струйные). Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает аэрируемую жидкость до дна аппарата. Происходят интенсивные турбулизация и перемешивание жидкости. Внизу жидкость вновь засасывается насосом и снова подается вверх аппарата, то есть возникает замкнутый контур циркуляции. Недостатком данных аппаратов являются потери энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы струйных и эжекционных устройств.
Рис. 1.7. Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ) (Виестур и др. 1986).
а) – с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контур-теплообменник,
б) – эжекционный: 1 – корпус, 2 – насос, 3 – эжектор, в) – струйный с затопленной струей: 1 – эжектор, 2 – теплообменник, 3 – корпус, 4 – насос, 5 – рассекатель, 6 – труба с насадкой, г) – струйный с плавающей струей: 1 – теплообменник, 2 – насос, 3 – корпус, 4 – эжектор.
«Профессия биотехнолог»: все о биотехнологиях в магистратуре Университета ИТМО
Химическая биотехнология вошла в список направлений, выпускники которых чаще всего работают по специальности. И это не случайно. ООН в ежегодном докладе указывает, что 820 миллионов человек не имеют доступа к достаточному количеству продовольствия, и с каждым годом это число растет. С другой стороны, становится все больше людей, страдающих ожирением. Именно поэтому производители продовольствия по всему миру стремятся повысить качество и количество продукции, при этом сделав ее доступной. Такими задачами занимаются специалисты в области биотехнологий — специальности, которую можно получить в Университете ИТМО. Сегодня более половины работодателей в пищевой промышленности в России готовы платить новым сотрудникам от пятидесяти тысяч рублей. В этом материале разбираемся, где работают биотехнологи и как получить эту профессию в магистратуре Университета ИТМО.
Биотехнология как наука изучает использование живых микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, в том числе при производстве продуктов. Она базируется на стыке биологии, химии, физики и инженерных наук. Благодаря такой междисциплинарности заниматься изучением биотехнологии могут все, кто имеет базовые знания в области химии и биологии, а также те, кто интересуется медициной, бионикой, наночастицами и даже фотоникой. В процессе обучения можно выбрать более узкую траекторию: от белковых продуктов до пивоварения, либо углубиться в фундаментальные исследования.
«На наши программы приходят учиться выпускники химико-технологических, фармацевтических, аграрных, технических университетов, крайне редко — экономических. Экономистам бывает трудно, но для непрофильных выпускников у нас есть система предподготовки и дополнительной подготовки в процессе обучения. Наши студенты выполняют междисциплинарные научные исследования вместе со студентами других направлений», — рассказывает Ольга Волкова, декан факультета пищевых биотехнологий и инженерии Университета ИТМО.
Университет ИТМО
Что может биотехнолог?
- Проектировать и создавать растительные и белковые продукты и контролировать качество их производства;
- Разрабатывать технологии производства и хранения продуктов с использованием сырья, полученного путем микробиологического синтеза, биокатализа, генной инженерии и нанотехнологий;
- Создавать новые ресурсосберегающие технологии и функциональные продукты для питания различных групп населения;
- Разрабатывать и внедрять технологии и оборудование для переработки вторичного пищевого сырья и новых сырьевых ресурсов;
- Влиять на то, насколько качественная, вкусная и полезная пища у нас будет в будущем.
«Функциональные продукты стали новым трендом в изучении пищевых биотехнологий, — говорит Надежда Баракова, руководитель образовательной программы «Пищевая Биотехнология». — Наукой доказано влияние пищи на экспрессию генов. Новые продукты питания, учитывающие индивидуальные особенности человека, помогают в лечении тяжелых заболеваний: диабета, болезней сердца и сосудов, новообразований. Разработчики функциональных продуктов работают вместе с медиками. Таким образом, поступающие на программы по биотехнологиям должны иметь желание помогать человеку быть здоровым»
Университет ИТМО
Где нужны биотехнологи?
Выпускники магистратуры по биотехнологии работают в Danone, Heineken, Fazer, на Пивоваренной компании «Балтика» и в других пищевых компаниях по всей стране.
«Наше производство основано на процессе ферментации и брожения. Биотехнология может показаться новым направлением, но на самом деле эти процессы человечество использует давно, и благодаря им оно выжило. Они помогают сохранить пищу и сделать ее полезной, — рассказывает Светлана Давыденко, руководитель направления развития биотехнологических процессов пивоваренной компании «Балтика». — У нас приветствуются специалисты с широким кругозором. Чем больше знаний, тем легче найти неочевидное решение, а это главное преимущество ученого. В компании «Балтика» есть программа стажировки — «Звезды Балтики», где студенты могут поработать на производстве. При наличии вакансий мы нанимаем стажеров на постоянную работу. У нас хорошие отношения с ИТМО, мы проводим дни открытых дверей и экскурсии на завод. Наш музей пивоварения открыт для посещения».
Но многие выпускники начинают и свой бизнес. В рамках образовательных программ магистратуры Университета ИТМО учат тому, как открыть собственное производство.
«В 2001 году я окончила аспирантуру на кафедре Общей холодильной технологии, — вспоминает Татьяна Шкотова, генеральный директор ООО «Русская Еда». — Я изучала хранение ягод и получение из них полезных продуктов. Тогда на отечественном рынке не было качественных и вкусных наполнителей для йогурта, мороженого, хлебобулочных изделий, и мы решили занять этот сегмент. Надо всегда действовать, полагаться на знания, интересоваться изменениями в мире и быть коммуникабельным. Это тяжелый труд, ведь предпочтения потребителей постоянно меняются. Мы стали одними из первых в России, кто начал выпускать низкокалорийные продукты без сахара: джемы, конфитюры, сиропы, соусы. Профессия технолога увлекательна. Надо быть фанатиком, чтобы создавать что-то новое. Когда понимаешь, что твой продукт может принести пользу — это самая большая награда. Пищевая промышленность всегда будет востребована, а число направлений в ней огромно».
Университет ИТМО
Какие программы по биотехнологиям есть в магистратуре Университета ИТМО?
Здесь преподаются основы разработки новых продуктов растительного происхождения.
Программа включает изучение процессов биотрансформации продовольственного сырья, использование био- и нанотехнологий при создании продуктов функционального и специального назначения для профилактики заболеваний, сохранения здоровья и активного долголетия человека.
Программа акцентирует исследования на продуктах питания из растительного и биомодифицированного сырья.
Здесь проходит подготовка специалистов по контролю качества и безопасности сырья, санитарно-гигиеническому контролю производства и управлению качеством пищевой продукции.
Программа специализируется на белковых продуктах, их производстве и ресурсосберегающих технологиях для создания функциональных добавок, в том числе для медицинских целей.
Программа сфокусирована на разработке экологически безопасных технологий глубокой переработки биологического сырья для создания новых продуктов.
Здесь изучают методы переработки сырья и разработку нового биотехнологического оборудования.
Университет ИТМО
На факультет пищевых биотехнологий и инженерии Университета ИТМО поступают не только вчерашние бакалавры, но и те, кто уже работает в сфере биотехнологий и у кого есть собственные пищевые предприятия.
Добавим, что прием заявлений в магистратуру открыт с 1 февраля. Подробнее ознакомиться со списком программам магистратуры ИТМО можно по ссылке.
Также здесь можно подать онлайн заявление на прием, а здесь — узнать больше о шагах для поступления.
Органическая биоэлектроника: как электропроводящие полимеры помогают совмещать электронику и живые ткани
Обзор
Органический полимерный дисплей, вживленный в лист живой розы. Для удобства визуализации электрических полей, созданных в листе, цвета изменены при обработке изображения. Черные области соответствуют обычной зеленой окраске листа, зеленые — синей окраске, появляющейся с приложением к листу внешнего электрического напряжения.
Автор
Редакторы
- Бионика
- Нано(био)технологии
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Ученые давно мечтают превратить животных и растения в киборгов, управляемых электрическими сигналами, и пробуют сделать это самыми разными способами. Так, около 10 лет назад появилась новая научная область — органическая биоэлектроника, — в которой посредниками между живыми существами и компьютерами выступают электропроводящие полимеры. Дистанционное управление цветом листьев розы, искусственный нейрон и точечное лечение боли — первые результаты этого тройственного союза уже впечатляют.
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Бионанотехнология» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Спонсор публикации этой статьи — Андрей Александрович Киселёв.
Все живые организмы суть немного роботы или компьютеры. Только вместо привычного электричества — электронов, бегущих по проводам в розетку и обратно, — нами управляют нервные импульсы, потоки заряженных молекул, называемых ионами. А на «кнопки» в живых электрических схемах нажимают не пальцы, а особые вещества — нейромедиаторы. Когда их концентрация превышает определенный предел, в клеточных мембранах нейронов начинается цепочка биохимических реакций, которая заканчивается возбуждением нервного импульса.
Сейчас ученые стараются «поженить» компьютеры внутри нас с привычными кремниевыми микросхемами: интерфейсы «мозг-компьютер» уже умеют распознавать активность нервных клеток и преобразовывать их в осмысленные команды для электроники [1]. Так, используя силу мысли, можно играть в простенькие игры, двигать роботизированным протезом руки или даже управлять квадрокоптером. Однако все эти устройства пока еще грешат ошибками и неточностями — скрестить в одном устройстве электронные и ионные токи непросто.
«Переводчиками» с языка живого на язык микросхем могут стать электропроводящие полимеры, которые проводят одновременно оба типа тока (рис. 1). Открытые в 70-х годах прошлого века, эти материалы активно исследовались многими учеными: на их основе делали транзисторы, солнечные батареи, органические светоизлучающие диоды (OLED) и другие устройства органической электроники.
Рисунок 1. Схематическое представление органических (справа) и неорганических (слева) полупроводников в контакте с электролитом. Размеры заряженных ионов значительно больше расстояний между атомами в неорганических полупроводниках и потому ионная проводимость в этих материалах невозможна. Одновременно с этим характерные размеры пустот между цепочками макромолекул сопряженных полимеров сопоставимы с размерами гидратированных ионов и потому ионная проводимость в этом классе соединений возможна.
Теперь преимущества электропроводящих полимеров — гибкость, простоту и вариативность синтеза, а также биосовместимость и ионную проводимость — пробует использовать органическая биоэлектроника — совсем молодая область материаловедения, которой уже есть, чем похвалиться [2].
Диагностика изнутри
Работа многих интерфейсов «мозг-компьютер» завязана на снятии ЭЭГ: на голове у человека закрепляют шапочку с электродами, в которых под действием ионных токов, протекающих в головном мозге, возникают свои собственные электронные токи. В работе 2013 года ученые из Франции предложили для тех же целей использовать органические электрохимические транзисторы [3].
Обычные полупроводниковые транзисторы — это основные компоненты всех электрических логических схем, своеобразные электронные кнопки с тремя контактами. Сравнительно большим током, протекающим в них от одного контакта к другому, можно управлять с помощью небольшого сигнала (значительно меньшего тока или напряжения в случае полевого транзистора), который подается на третий контакт. Собирая много транзисторов в одной схеме, можно усиливать, ослаблять и преобразовывать любые электрические сигналы или, говоря другими словами, обрабатывать информацию.
Похожим образом работают и органические транзисторы, с помощью которых исследователи записывали эпилептическую активность у живых лабораторных мышей. Третий управляющий контакт в этом транзисторе был сделан из проводящего полимера и введен прямо в мозг грызунов. Полимер менял свою структуру (и, как следствие, проводимость) вместе с колебаниями электрической активности нервных клеток и в результате даже небольшие характерные изменения ионных токов в мозгу «киборга» приводили к заметным перепадам тока, текущего от входного контакта транзистора к выходному (рис. 2).
Рисунок 2. In vivo регистрация электрической активности мозга с помощью органических транзисторов. Розовым цветом дана зависимость, снятая с помощью органического электрохимического транзистора, синим — пластикового электрода, черным — металлического электрода. Обращаем внимание, что последние два электрода регистрируют электрический сигнал по скачкам потенциала, а транзистор — по скачкам тока в электропроводящем канале.
В своем эксперименте французы показали, что органические транзисторы позволяют фиксировать электрическую активность мозга заметно точнее их современных неорганических аналогов. В экспериментах других научных групп органические транзисторы успешно используют для снятия ЭКГ [4] или, например, определения концентрации молочной кислоты [5], глюкозы [6] и других биомолекул.
Пластиковые нейроны
Сегодня неврологические и психиатрические заболевания лечат, в основном, с помощью лекарств, но подобрать их дозировку, точечно доставить препарат в определенные клетки и одновременно учесть его побочное действие на самые разные процессы в организме бывает очень сложно. Большой коллектив шведских ученых из нескольких институтов предложил решать эти проблемы с помощью все тех же электропроводящих полимеров, а точнее, с помощью еще одного устройства органической биоэлектроники — органического электронного ионного насоса, способного перекачивать ионы из одной среды в другую [7].
В своей работе исследователи изучали лабораторных крыс, у которых они сначала вызывали нейропатическую боль (ее причина — не внешний раздражитель, а нарушенная работа самих нейронов), а потом лечили ее с помощью точечного введения нейромедиатора ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), который снижает раздражение центральной нервной системы [8]. Миниатюрный органический насос (около 12 см в длину и диаметром 6 мм) вводили в спинной мозг крыс, а его резервуар был наполнен ГАМК (рис. 3). С подачей внешнего электрического напряжения молекулы ГАМК начинали выходить по четырем ионпроводящим полимерным каналам в межклеточное пространство (видео 1).
Рисунок 3. Имплантируемый органический электрохимический насос. A — фотография устройства, B — схематическое представление устройства, слева — электрический контакт, по центру — резервуар с ГАМК, справа — выводящие каналы. Общая длина устройства составляет 120 мм, диаметр резервуара — 6 мм. С — четыре выхода органического электрохимического расположены в тех точках, где ветви седалищного нерва входят в спинной мозг.
Видео 1. Органоэлектронный ионный насос
В результате у крыс пропадала боль (это проверяли с помощью тактильного теста: к лапам крыс подводили эластичные нити различной жесткости и следили, начиная с какого давления животное отдернет лапу), и не наблюдалось никаких побочных эффектов. С использованием всех остальных методов лечения нейропатической боли при помощи ГАМК препарат вводится в спинной мозг в большой дозе, которая распределяется по нервной системе и помимо подавления боли приводит к нарушениям ходьбы, заторможенности и другим побочным действиям.
Параллельно с этой работой та же группа исследователей сделала первый искусственный нейрон на основе полимеров [9]. В нем ионный насос совместили с биосенсорами, чувствительными к глутаминовой кислоте (самому распространенному возбуждающему нейромедиатору [10]) и ацетилхолину (нейромедиатору, передающему сигнал от нейронов к мышечной ткани [11]). К примеру, в одном из экспериментов «пластиковый» нейрон следил за уровнем глутамата в чашке Петри, и при превышении определенного порога в нем возбуждался ток, который открывал резервуар ионного насоса, выпускающего в окружающую среду ацетилхолин.
Работа искусственного нейрона очень похожа на то, как функционируют настоящие: нервный импульс возбуждается в одном из них и бежит через всю клетку к месту контакта с другим нейроном, там выделяется глутаминовая кислота, которая как бы нажимает кнопку и возбуждает следующий нейрон (рис. 4). Так, по цепочке нейронов, импульс добегает до мышечной клетки, которая уже возбуждается не глутаминовой кислотой, а ацетилхолином. Созданный шведами пластиковый нейрон вполне может повторять эти действия и передавать сигналы другим клеткам. В эксперименте это были клетки нейробластомы SH-SY5Y, активацию которых отслеживали по характерным увеличениям концентрации ионов при связывании ацетилхолиновых рецепторов.
Рисунок 4. Схема преобразования химического сигнала в электрический и обратно в искусственном полимерном нейроне идентична схеме работы живого нейрона. Биосенсор (представлен зеленым) реагирует на повышение концентрации одного нейромедиатора (оранжевые точки), что генерирует поток электронов, возбуждающий органический электрохимический насос (представлен синим), выделяющий другой нейромедиатор (синие точки).
От электронных роз до самой зеленой энергии
Исследования на мышах, крысах и других лабораторных зверях нужно согласовывать с комиссиями по этике, а потому самые смелые эксперименты в органической биоэлектронике легче ставить на растениях. Так, в конце 2015 года все та же шведская группа сделала первую розу-киборга [12]. Правда, ничего зрелищного она пока не умеет — ни раскрываться по нажатию кнопки на пульте управления, ни менять свой цвет в зависимости от влажности среды, ни захватывать мир, но кое-что интересное у исследователей все-таки получилось.
В первом эксперименте срезанную розу ставили в воду с растворенным электропроводящим полимером, который поднимался по черенку и формировал в розе проводящий канал. Дальше ученые подводили к концам канала электрические контакты и вводили в черенок управляющий электрод — золотую проволоку, покрытую проводящим полимером. Так внутри розы собирался своеобразный органический транзистор. При этом к одному каналу можно было подвести сразу несколько управляющих электродов и сделать простейшую логическую схему, по которой ток течет только при подаче определенных управляющих напряжений на обе золотые проволоки.
Во втором опыте в листья розы при помощи шприца накачивали водный раствор уже другого электропроводящего полимера, который умеет менять цвет при подаче внешнего напряжения. К листу подводили электроды, включали ток и — вуаля: прожилки листочка обретали синевато-зеленый оттенок. Это закачанный в них полимер превращался из бесцветного в голубой (видео 2). При этом, когда напряжение снимали, лист снова становился здорового зеленого цвета.
Видео 2. Изменение цвета листа «электронной» розы.
Так ученые показали, что с помощью несложной техники внутри растений можно создать простые электронные схемы. В перспективе это позволит управлять их физиологией и, например, добиваться повышения урожайности без генных модификаций или даже делать крошечные электростанции на энергии фотосинтеза. Конечно, пока это звучит слишком дорого, но зато когда-нибудь технологии органической биоэлектроники позволят точечно контролировать каждое растение, а не сразу всю популяцию.
Биоэлектронное будущее
Первые эксперименты показали, что устройства органической биоэлектроники вполне могут принимать, передавать и обрабатывать биоэлектрические сигналы. Что дальше? Сейчас полимерные материалы научились делать биосовместимыми и биодеградируемыми, а потому чипами на их основе можно буквально напичкать любой живой организм [13]. Останется только научить их беспроводной передаче информации, и внутри человеческого тела можно будет создать локальную сеть сенсоров, постоянно следящих за различными медицинскими показателями вроде уровня глюкозы, сердечного ритма и электрической активности избранных нейронов, а потом передающими свои сигналы имплантированным медицинским роботам на основе тех же ионных насосов, чтобы они начинали бороться с проблемой.
Если же мысль стать таким киборгом вам совсем не по душе, можно будет просто проглотить таблетку со встроенной гибкой микросхемой — по кислотности, температуре и концентрации разных веществ она точно вычислит, где выпустить лекарство, и, сделав доброе дело, просто переварится у нас внутри как какой-нибудь кусочек сахара.
Читайте также: