Производство
Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод — анаэробное сбраживание в метантенках.
Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части:
Емкость гомогенизации
Загрузчик твердого (жидкого)сырья
Реактор
Мешалки
Газгольдер
Система смешивания воды и отопления
Газовая система
Насосная станция
Сепаратор
Приборы контроля
КИПиА с визуализацией
Система безопасности
Принцип работы установки
Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.
Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.
Факторы, влияющие на процесс брожения
Температура
Влажность среды
Уровень рН
Соотношение C : N : P
Площадь поверхности частиц сырья
Частота подачи субстрата
Замедляющие вещества
Стимулирующие добавки
Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильноготоплива.
В России агрокомплекс ежегодно производит 773 миллиона тонн отходов, из которых можно получить 66 миллиардов м3биогаза, или около 110 миллиардов кВт•ч электроэнергии. Общая потребность России в биогазовых заводах оценивается в 20 тысяч предприятий.
ЛЕКЦИЯ 9
А) нанобиотехнологии.
Нанобиотехнология занимается биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и способствует решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства и национальной безопасности.
В рамках этой отрасли науки на основе биологических наноструктур создаются нановещества, среди которых особенно интересны примеры образования нановещества в белковых телах.
Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул
Генная инженерия
Методы введения биоматериалов в живые клетки
Моделирование наноструктур с использованием молекул нуклеиновых кислот
В настоящее время нанобиотехнология имеет три сформировавшихся направления, развитие которых сейчас идет усиленным темпом. Это: наномедицина, биомиметика и разработка методов и способов привнесения искусственных наноразмерных частиц, различных материалов и интерфейсов в живые системы. Каждое из этих направлений заслуживает отдельного рассмотрения.
С развитием нанобиотехнологии тесно связано качественно новое направление медицинской науки –молекулярная наномедицина. Основные исследования этой области заключаются в изучении и создании следующего: лабораторий на чипе, адресной доставки лекарств к пораженным клеткам, новых бактерицидных и противовирусных средств и диагностики заболеваний с помощью квантовых точек.
НАНОТЕХНОЛО́ГИЯ — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки итехники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
В силу того, что нанотехнология — междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).
Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.
ДНК-нанотехнологии — используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.
Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).
Терапия
Создание нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия).
Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, размер которых в 70 раз меньше, чем красные кровяные тельца, переносятся с током крови к определенному органу, где происходит пролонгированное (постепенное) выделение препарата.
Для достижения эффективности лекарства необходимо, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты – в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, противоопухолевые препараты – в опухоль и т.д. Способность молекул вещества поступать в теле пациента туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью. Биологическая усвояемость – камень преткновения всей современной фармацевтики.
Борьба с онкологическими заболеваниями
Однослойные углеродные нанотрубки с адсорбированными антителами для обнаружения клеток рака
Иммунонаносферы для избирательной фототермической терапии рака и обнаружения опухолей
Лечение рака груди с помощью комбинации люлиберина, цитотоксического белка и наночастиц оксида железа
Опухоль-ориентированные системы доставки
Лечение раковых метастаз
Б) Задачей нанопротеомики является идентификация белковых молекул в ультранизких концентрациях <...>, именно среди них разумно искать биомаркеры заболеваний
Одним из приоритетных направлений в биомедицине является создание наноустройств для клинической протеомики. Основной целью клинической протеомики является обнаружение, идентификация белков и их комплексов, анализ белок-белкового взаимодействия для создания новых систем диагностики заболеваний и их лечения. Актуальность протеомного анализа обусловлена более высокой информативностью анализа на основе белковых маркеров по сравнению с РНК- и ДНК-маркерами, для выявления которых используют методы полимеразной цепной реакции или другие методы амплификации. Проблема чувствительности особенно актуально для диагностики рака на ранней стадии – это связано с тем, что на ранней стадии опухолевого роста в плазме присутствуют специфичные белки в чрезвычайно низких, вплоть до субфемтомолярных, концентрациях, которые не могут быть амплифицированы методикой, подобной ПЦР. К сожалению, современные методы клинической протеомики основаны прежде всего на использовании масс-спектрометрии и ее комбинации с диэлектрофорезом, хроматографией или магнитными биошариками (biobeads) и имеют концентрационный барьер чувствительности не более 10-9 М. Применение нанотехнологий в клинической медицине позволяет существенно повысить концентрационную чувствительность, а также быстродействие аналитических систем измерения при снижении их стоимости. Одно из направлений развития нанобиотехнологий, успех которых необходим для развития медицины:
Аналитическая нанопротеомика (АСМ для медицинской протеомики и диагностики инфекционных заболеваний и рака)
Нанопротеомика: атомно-силовая микроскопия для медицинской протеомики и диагностики инфекционных заболеваний
Основная проблема протеомики заключается в низком концентрационном пределе обнаружения и идентификации белков в биологическом материале традиционными методами – на уровне не ниже 10-12 М существующими традиционными методами. Необходимость повышения концентрационной чувствительности на несколько порядков связана с тем, что подавляющее количество типов функциональных белков, которые могут быть в том числе и маркерами заболеваний, присутствуют в плазме крови, согласно оценкам, в концентрациях гораздо более низких, вплоть до нескольких молекул. Существует альтернативный подход для регистрации белков в таком диапазоне. Он основан на использовании молекулярных детекторов – т.е. детекторов, не измеряющих концентрации белков, а подсчитывающих единичные молекулы, совмещенные с системой биоспецифического мечения. К молекулярным детекторам относятся нанодетекторы на базе атомно-силовых микроскопов (АСМ). Совмещение атомно-силовых детекторов с системой биоспецифического мечения позволяет сконцентрировать специфические молекулы на малой площади и подсчитать их количество – тем самым создается возможность приблизиться к концентрационной чувствительности на уровне единичных молекул. Схема регистрации единичных белковых молекул и их комплексов с помощью атомно-силового микроскопа основана на измерении сил взаимодействия между иглой АСМ и поверхностью макромолекул. AСМ позволяет визуализировать широкий спектр не только водорастворимых белков и их комплексов, но также и структуру и Новые протеомные технологии позволяют решить важную прикладную проблему медицинской диагностики – ускорить создание атласа белков органов и тканей. золированных мембранных белков и их комплексов.
Наиболее перспективными для использования в протеомике являются биочипы, изготовленные в виде АСМ-нанополя, на котором нанесены различные макромолекулярные зонды (антитела или антигены) на разные заболевания. Это позволяет осуществлять диагностику сразу несколько сотен заболеваний с помощью одного биочипа.
Г) В России биотехнология признана приоритетным направлением развития инновационной экономики. Это отмечено, в частности, в Концепции долгосрочного социально-экономического развития РФ до 2020г. Между тем, пока вклад РФ в мировую биотехнологию составляет десятые доли процента. От уровня развития биотехнологий напрямую зависит развитие медицины, обеспечение граждан страны современной медицинской помощью и лекарственными препаратами. В результате развития современной биотехнологической промышленности стал возможен огромный прорыв в лечении редких заболеваний.
На сегодняшний день методами биотехнологии разработано более 200 препаратов и вакцин, которые принесли пользу миллионам людей во всем мире. Роль биотехнологий существенно выше в области редких заболеваний, поскольку возникновение большинства из них (до 80%) обусловлено наследственными факторами. Современной науке известно более 5 тыс. редких заболеваний, т.е. около 10 % от общего количества болезней человека. При этом их число постоянно увеличивается и в мире каждую неделю описывается 5 новых патологических состояний.
До появления биотехнологии как промышленности, разработка терапии для редких заболеваний была существенно обеднена вследствие ограниченности понимания механизмов, лежащих в основе их возникновения. Результаты программы «Геном Человека» а также новые биотехнологические подходы и методы разработки лекарственных препаратов уже сегодня позволят создавать новые лекарственные препараты, в первую очередь, для лечения редких генетических заболеваний. Ярким примером является разработки американской биотехнологической компании Genzyme.
В частности, для создания лекарственного препарата для лечения болезни Гоше, редкого генетического заболевания, характеризующегося отсутствием в организме фермента расщепляющего жир, необходимо было экстрагировать активное действующее вещество из тысяч человеческих плацент для удовлетворения нужд лечения одного пациента ежегодно. С возникновением генно-инженерных технологий был синтезирован фермент имиглюцераза. В 1991 г. имиглюцераза была одобрена в качестве терапии для болезни Гоше в США, а в 1994 г. – в Европейском Союзе.
Российское представительство Genzyme также вносит существенный вклад в лечение редких заболеваний у российских пациентов. «На сегодняшний день работа ведется в двух направлениях: вывод на российский рынок препаратов для лечения редких заболеваний, которые уже зарегистрированы в других странах мира, а также клинические исследования новых лекарственных препаратов для лечения болезней Гоше и рассеянного склероза.
В этом направлении Genzyme тесно взаимодействует с Гематологическим научным центром РАМН, где под руководством профессора Елены Лукиной проходят клинические исследования нового лекарственного препарата для лечения болезни Гоше», – рассказал Д-р Джеффри МакДонах, президент Genzyme Europe во время своего делового визита в Москву в октябре.
На данный момент в лабораториях Гематологического Центра проводятся клинические исследования препарата элиглюстат. Новая таблетированная форма препарата позволит существенно повысить качество жизни пациента вне зависимости от места проживания, т.к. периодического посещения медицинского центра для внутривенных инфузий больше не потребуется.
Важный шаг в развитии инновационного портфеля препаратов Genzyme это разработка препарата нового поколения для лечения рассеянного склероза, вывод на рынок которого планируется в 2013 году. Сейчас для терапии рассеянного склероза необходимы еженедельные инъекции препаратов интерферонового ряда, в то время как разработка Genzyme, принципиально новый подход к лечению болезни моноклональными антителами, позволит снизить частоту инъекций до одного курса терапии в год.
В планах компании в ближайшее время зарегистрировать в России те препараты, которые успешно зарекомендовали себя в других странах, например для лечения болезни Помпе и некоторых других редких заболеваний.
Сейчас в нашей стране происходит модернизация системы здравоохранения, направленная, прежде всего, на улучшение состояния здоровья и качества жизни граждан. Genzyme, как мировой лидер в биотехнологическом секторе, видит себя партнером государства в решении вопросов, направленных на развитие исследований и лечение редких генетических заболеваний, а также рассматривает разные формы локального присутствия.
«Для того, чтобы наладить биотехнологическое производство, требуется 2-3 года. Биотехнологическое производство существенно отличается от линии по производству других фармацевтических препаратов, которую можно наладить за гораздо более короткое время, - отмечает д-р МакДоннах, - такое производство необходимо особенно тщательно контролировать, проводится многоэтапная валидация процессов в данной области, также необходим мониторинг результатов лечения».
Сегодня в нашей стране реализуется стратегия создания инновационного высокотехнологичного социально-экономического пространства. В этой связи можно смело утверждать, что «за биотехнологиями – будущее фармацевтики и человечества», - отметил Игорь Рукавишников, глава российского представительства Genzyme.
Концепция стратегии развития биотехнологической отрасли промышленности в России на 2008-2020 гг.
Биотехнология наряду с информатизацией стала одним из главных научно-практических направлений XXI века, определяющих уровень мировой цивилизации. В связи с этим развитие биотехнологии является стратегической задачей России, необходимой для обеспечения ее статуса великой державы. Продукция, получаемая с помощью методов промышленной биотехнологии, имеет выход практически во все отрасли народного хозяйства: медицину (антибиотики, гормоны, вакцины, ферменты, диагностические системы), сельское хозяйство (кормовой белок, аминокислоты, средства защиты растений и животных), пищевую промышленность (дрожжи, спирт, глюкозные сиропы), химическое производство (полисахариды, биодеградируемые полимеры, биокатализ), энергетику биоэтанол, биогаз, биодизель), экологию (биоремедиация, сохранение биоразнообразия). Помимо решения существующих и краткосрочных задач биотехнология имеет значение как средство решения долгосрочных проблем, а именно: переход от использования невозобновляемых ресурсов к возобновляемому сырью. Это сама по себе глобальная геополитическая задача в связи с истощением минеральных природных запасов, изменением климата планеты и ростом народонаселения, которую должно решать человечество в целом и отдельные государства, в частности. Ведущие страны мира (США, ЕС, Китай, Индия и др.) уже приняли на этот счет соответствующие программы. Россия пока ее не имеет. Следует отметить, что мировые финансовые круги, руководители государств, авторитетные ученые и эксперты, общественность уже давно осознали ключевую роль биотехнологии в наступившем столетии. Об этом свидетельствуют капиталовложения в данную отрасль, рост рынка биотехнологической продукции, совершенствование законодательной базы и т.д. Появился даже термин «биоэкономика», то есть экономика, основанная на биологии и промышленной биотехнологии («bio-based economy»). К сожалению, Россия по всем формальным показателям занимает аутсайдерскую позицию в указанном вопросе. Доля Российской Федерации в мировом объеме производства биотехнологической продукции в настоящее время составляет менее 0,2%, хотя четверть века назад была цифра 5%. При этом отмечается парадоксальный факт – сохранилась материальная база, кадры, научные работники отрасли, в те временаявлявшейся самой передовой в нашей стране. В последние годы такая ситуация стала адекватно оцениваться руководством государства, обществом и представителями бизнеса. В результате активности в данном направлении часть биотехнологической продукции становится импортозамещающей (иммунобиологические препараты, препараты для ветеринарии). Тем не менее в целом по всему спектру биотехнологических продуктов констатируется крайне неблагоприятное для России положение, когда существует почти 100%-ная зависимость от импорта (инсулин, антибиотики, аминокислоты и др.). Со стороны научного сообщества и министерств и ведомств, курирующих науки о жизни, в том числе биотехнологию, отмечается стабильный интерес и поддержка (имеются проекты в ФЦП, гранты, целевое бюджетное финансирование и др.), однако эффективность вкладываемых средств незначительна и не соответствует уровню стоящих перед отраслью задач.