Основы проектирования и оборудование биотехнологических производств

сроку.
/Г.Флобер/
Рабочая программа курса
Цели дисциплины в рамках подготовки будущего

специалиста к активной творческой инженерной работе по созданию перспективных процессов и производств биотехнологического и химического синтеза БАВ являются:

вопросы
/Генри Форд//

596 российских производителей TOP10 компаний выпускают более 50%, а TOP25

выпускают около 80%
всех отечественных лекарственных препаратов

*Материалы Минпромторга России

1

до 2020 года
*Материалы Минпромторга России
1

труд
Биообъект (продуцент, фермент)
Процессы и аппараты
Биотехнология
Фармацевтические субстанции
Побочные продукты
Отходы
2

и при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них

ферментов (биологических катализаторов).

Систематизация биохимических процессов

По характеристике биообъекта

По общности и специфичности

По числу биообъектов

По условиям проведения процесса

По стадиям реализации биотехнолог. производства

По целевым продуктам

По типу механизма

По управлению процессом

Плазмиды, фаги, вирусы растений и млекопитающих
Клетки прокариот
Клетки эукариот
4. Биомолекулы (ферменты, нуклеиновые кислоты)

Гетерогенные, гомогенные, аэробные, анаэробные, стерильные, нестерильные, поверхностные, глубинные, периодические, полунепрерывные, непрерывные, одноступенчатые, многоступенчатые

Клеточная биомасса, первичные метаболиты, вторичные метаболиты

Простые, параллельные, последовательные, ступенчатые, сложные

2

стадию
полезные биотехнологические продукты продуцируются в микроорганизмах по тем же или

близким механизмам, что и в прочих живых организмах. Поэтому получающиеся побочные продукты являются «привычными», что снижает требования к чистоте конечного продукта.
в реакционной среде микробиологического синтеза удается получить концентрации полезных продуктов многократно превышающие их значения в природных растительных или животных материалах. При этом концентрация побочных продуктов мешающих получению чистых продуктов обычно бывает намного ниже, что облегчает процессы выделения,
микроорганизмы синтезируют собственные катализаторы (энзимы);
значительно более высокая избирательность, чем при химическом синтезе,
работа в основном с водными растворами и их суспензиями, что обуславливает их низкую коррозионную активность;
менее жесткие, чем при химическом синтезе условия проведения реакции – близкий к нейтральному рН, низкие (20-40град.) температуры, невысокое давление – уменьшающие металлоемкость аппаратуры и, следовательно, удельные капиталовложения.

2

многокомпонентная система);
одновременно с протеканием биохимической реакции изменяется масса микроорганизмов (обычно

возрастает), а образующиеся продукты отличаются нестабильностью;
собственно биохимическая реакция протекает медленно и имеет сложный механизм;
высокие санитарные требования, стерильность проведения процессов;
чувствительность к колебаниям параметров процесса (t, p), а также к физико-механическим воздействиям;
сопровождается пенообразованием, а также флотацией клеток биомассы

2

и структура,
уровни и иерархия, цель и целесообразное поведение,
функции и развитие,
область

существования системы (границы).

Любое промышленное предприятие обладает всеми типичными свойствами системы

Системный подход к проектированию Биотехнологическое предприятие как система

3.1

рассмотрении проектируемого объекта, как некоторого множества взаимосвязанных элементов.

Инструментом системного подхода

является системный анализ. Например: выявление в объекте некоторых свойств, на основании которых можно установить аналогию между ним и другим объектом.

Системный анализ, как правило, работает с моделями процессов, создает их. Модели могут быть формализованы. Тогда для их описания могут быть использованы математические соотношения (математические модели), а для их анализа – математические методы.

3.2

граница системы и определяется ее взаимодействие с окружающей средой.

2. Идентификация

структуры системы.
Определяются подсистемы – группы элементов, связанные между собой в большей степени и взаимосвязи между ними. Далее подсистемы структурируются вглубь, определяются составляющие их элементы и взаимосвязи между ними. Таким образом, создается модель системы.

3. Установление функций и динамики поведения.
Формализуются взаимодействия элементов между собой и с окружающей средой в виде уравнений динамики.

4. Определение направления развития системы и её целей.
Если система создается нами, мы должны, определив цели системы и направление её развития, обеспечить их выполнение подбором соответствующих элементов и их взаимодействия.

3.2

и очистки лекарственного средства
Энергетическое хозяйство
Цех водоснабжения и канализации
Складское хозяйство
Технологическая подсистема
Подсистема

энергоснабжения

Подсистема водоснабжения и водоотведения

Подсистема материального
обеспечения

ПРОИЗВОДСТВО

Материальные потоки
Энергетические потоки
Информационные потоки

Производственная
Программа
Перспективные планы

отражающая выполнение поставленной цели.
Критерий эффективности должен учитывать технологические особенности

функционирования БТС, ее технологию и взаимодействие с внешней средой.
Критерий оптимальности - признак, по которому вариант функционирования системы признается наилучшим из возможных.
Выбор критерия эффективности и оптимальности зависит от рассматриваемого уровня иерархии БТС.

3.3

иерархии БТС
Показатели эффективности
прибыль,
себестоимость целевого продукта,
фондоотдача,
материалоемкость
удельные энергозатраты
производительность по

продукту,
производительность оборудования

Элементы БТС

технологические

выход целевого продукта,
степень разделения и др.

Технологические
аппараты

Составляющие
технологических
аппаратов

показатели отдельных сторон
процесса:
кинетический,
массообменный,
гидродинамический и др.

коэффициент дыхания клеток,
удельный расход элемента питания
на единицу образованного в процессе
биосинтеза продукта,
степень утилизации субстрата;
коэффициент массопередачи
кислорода,
удельные энергозатраты на аэрацию,
удельная мощность на перемешивание

приближенный к исследуемому процессу вид имеет показатель эффективности.
На верхних

иерархических уровнях используют общие показатели, аналогичные показателям, применяемым в других производствах.

При проектировании предприятия как системы создают его графическую модель – проект. Работая с этой моделью можно определить его оптимальную, с точки реализации заданной цели, структуру и наиболее эффективные параметры работы.

отрасли, т.е. создание специализированных предприятий по выпуску ограниченного числа типов

продукции.
Специализация предприятий позволяет сконцентрировать внимание на разработке и внедрении в производство новейших достижений науки и практики и совершенствовать качество выпускаемой продукции.

3.4

представляет собой ряд технологических стадий последовательного превращения сырья в целевой

продукт. Каждая стадия сопровождается потерями сырья, выражаемыми в %, и обуславливает выход целевого продукта. Т.о. стремятся минимизировать количество стадий.

3.4

конечного продукта обуславливают энергоемкость и материалоемкость производства.
Кроме основного технологического

процесса всегда существуют процессы регенерации растворителя, а также утилизации отходов, а в биотехнологических процессах – стерилизация. Эти процессы сопоставимы по энергоемкости и материалоемкости с основными.

3.4

Включает несколько тысяч наименований продукции в небольших объемах. Объем производимой

продукции регулируется спросом. Это вынуждает предприятия иметь гибкие технологические схемы, пригодные как для быстрых изменений в пределах одной технологии, так и для производства нескольких видов продукции.

3.4

лежит широкое использование машин, аппаратов, поточных механизированных и автоматизированных линий.
3.4

и точное соответствие качества продукции требованиям фармакопеи (повышенное требование к

чистоте и подлинности, что достигается многократной тщательной очисткой не только конечного продукта, но иногда и промежуточных веществ, выполнению особых требований к материалу, к конструкции аппаратуры, обустройству помещений).
Отсутствие микробной загрязненности как сырья, так и готовой продукции, а в некоторых случаях и стерильности ГП и помещений.
Особые требования к помещениям и персоналу (правила GMP).

3.4

научно-технического прогресса при резком сокращении потребления ресурсов. Это достигается в

результате ускоренного обновления технологий, за счет поиска новых решений на стыке технологий.

2. Принципиальное увеличение значимости экологических задач. Это означает переход к технологиям, отличающимся высокой степенью инженерно-эколого-экономического 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

Догмы спокойного прошлого не будут действовать в бурном будущем. Раз мы взялись за новое дело, мы должны иначе думать и действовать. /Авраам Линкольн/

3.4