ЗАНЯТИЕ 1

План.

Вступление.

Биотехнологическое предприятие, как система.

Процесс постановки биотехнологической продукции на производство.

Порядок разработки, согласования и утверждения проектной документации.

Вступление.

Сегодня мы начинаем с Вами знакомиться с предметом, который в известным смысле подводит итог всему тому, что Вы узнали в этих стенах за последние 4 года.

Получив диплом инженера Вы будете дальше работать в одном из трех направлений – проектирование, производство или исследовательская работа.

В конце концов, любая человеческая деятельность направлена на производство полезных для человечества продуктов: сначала человек придумывает что-то новое, затем создает предприятие для его изготовления и, далее, производит это и распространяет.

Сегодня мы с Вами начнем разговор о том, как создаются новые предприятия. При этом предполагается, что Вы располагаете всеми необходимыми знаниями в области химии, физики, микробиологии, технологии, процессов и аппаратов. По ходу дела я буду Вам кое-что напоминать, но Вам часто придется обращаться к своим конспектам прежних лет и к учебникам.

Я Вам расскажу о том, какая работа предшествует принятию решения о начале строительства нового объекта, как организуется проектирование и какие подготавливаются при этом документы, что входит в состав проекта и как он узаконивается.

Далее несколько слов о порядке работы: лекции, семинары, консультации, курсовой проект, зачет (экзамен).

Биотехнологическое предприятие, как система.

Для правильного понимания процесса проектирования важно постоянно помнить, что предприятие – это система и использовать системный подход. Теперь давайте вспомним некоторые основные положения.

Сущность системного подхода заключается в рассмотрении изучаемого явления, как некоторого множества взаимосвязанных элементов.

Основные понятия системного подхода:

Система - это ограниченное многообразие взаимодействующих элементов.

Признаки системы:

• целостность и взаимосвязь,

• организация и структура,

• уровни и иерархия, цель и целесообразное поведение,

• функции и развитие,

• область существования системы (границы).

Системный анализ – это инструмент системного подхода. Пример: выявление в объекте некоторых свойств, на основании которых можно установить аналогию между ним и другим объектом.

Задачи системного анализа:

• выявление границ системы,

• идентификация структуры системы,

• установление функций и динамики поведения,

• определение направления развития системы и её целей.

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.

Рассмотрим подробнее этапы системного анализа.

1. Выявление границ системы.

На этом этапе выделяются элементы, входящие в систему и определяется их взаимодействие с окружающей средой.

1. Идентификация структуры системы.

При этом определяются взаимосвязи между элементами. Если в системе есть группы элементов, связанных между собой в большей степени, то они могут рассматриваться в качестве отдельных элементов, образуя подсистемы. Таким образом, создается модель системы.

1. Установление функций и динамики поведения.

Формализуются взаимодействия элементов между собой и с окружающей средой в виде уравнений динамики.

1. 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.

В обратном случае цели системы и направления её развития определяются путем анализа пп. 2 и 3.

Любое промышленное предприятие обладает всеми типичными свойствами системы.

Элементами этой системы являются разнообразные рабочие места, обслуживаемые персоналом и оснащенные необходимым оборудованием.

Эти элементы взаимосвязаны в соответствии с реализуемой технологией производства. Кроме того, число их конечно и, следовательно, ограничено.

В соответствии с технологическим процессом некоторые элементы системы связаны в большей степени и объединяются в подразделения и технологические участки. В сложных производствах, когда группа участков связана между собой и реализует самостоятельный технологический процесс (стадию), создаются цеха, а из цехов – производства. Таким образом, предприятие структурируется, в нем создаются подсистемы. Эти подсистемы имеют направление подчиненности – иерархию. Они связанны между собой материальными, энергетическими и информационными потоками.

Любое предприятие имеет цель – это выполнение производственной программы, которая определяет номенклатуру и объём производства. Целесообразное поведение системы задается производственным регламентом.

Регламент, наряду с другими нормативными документами также определяет и функции, выполняемые этой системой для реализации своих целей.

Эффективно действующее предприятие, если это динамическая система, имеет перспективные планы, которые определяют его развитие.

Поскольку предприятие есть система, при его проектировании необходимо к нему всегда надо подходить как к системе, т.е. вначале создать его графическую модель – проект. Работая с этой моделью можно определить его оптимальную, с точки реализации заданной цели, структуру и наиболее эффективные параметры работы.

Структура предприятия задается технологической схемой реализуемого процесса, которая представляет собой систему взаимосвязанных технологических операций в ходе которых происходят превращения исходных и промежуточных веществ. Например: растворение, биосинтез, упаривание, экстракция и т.д. технологическая операция реализуется технологическим оператором (ТО) – аппаратом. Иногда в одном аппарате может осуществляться несколько технологических операций. Например в кристаллизаторе: нагревание, охлаждение, перемешивание, иногда фильтрация и сушка.

Несколько технологических операций могут быть объединены в технологическую стадию.

Обычно предприятие получает энергоносители и воду от внешних источников. Однако, иногда электроэнергия и пар вырабатываются внутри предприятия. Полученные энергоносители и воду далее необходимо распределить между аппаратами. Поэтому наряду с технологической подсистемой предприятие имеет подсистему энерго- и водоснабжения, а также подсистему канализации и вентиляции.

Внутри каждого предприятия должна также существовать система обеспечения экологической безопасности.

Подбор оборудования для каждой технологической стадии определяется материальными и энергетическими потоками, связывающими отдельные аппараты. Для определения этих потоков оставляются для каждого аппарата материально-энергетические балансы.

Таким образом, говоря о биотехнологическом предприятии, мы должны рассматривать его как систему, причем, поскольку оно имеет свои специфические особенности, мы будем называть его биотехнологической системой (БТС). Ближайшим аналогом БТС является химико-технологическая система (ХТС), которая решает задачу по получению продуктов в результате осуществления одной или нескольких химических реакций, реализуемых в химических реакторах.

БТС по сравнению с ХТС имеет специфическую подсистему культивирования микроорганизмов (СКМ), которая имеет свои особенности:

• асептические условия,

• высокая строгость поддержания технологических параметров.

Несмотря на большое разнообразие биотехнологических продуктов, выпускающие их БТС имеют много общих свойств:

• работа с водными растворами и их суспензиями,

• отсутствие высоких давлений и температур (в СКМ),

• низкая коррозионная активность рабочих жидкостей,

• высокие санитарные требования,

• значительная часть продукции используется в пищевых и лечебных целях, что предопределяет жесткие требования к её чистоте и качеству,

Поэтому для создания БТС можно использовать ограниченное число ТО с близкими параметрами.

Можно определить набор основных типовых ТО:

• смесители,

• дезинтеграторы,

• установки непрерывной стерилизации (термической),

• осветлители питательных сред (в том числе стерилизующие микрофильтры),

• биореакторы,

• системы очистки, стерилизации и компремирования технологического воздуха,

• осветлители культуральной жидкости,

• мембранные установки (ультра-, нано- и гиперфильтрации),

• выпарные установки,

• ионообменные и хроматографические установки,

• кристаллизаторы,

• фильтры,

• центробежные сепараторы,

• сушилки,

• дозирующие и фасующие устройства.
  
  

Сегодня, в условиях резкого снижения платежеспособного спроса, крупнотоннажные производства оказались, по ряду причин, нежизнеспособными и не в состоянии удовлетворять резко уменьшившиеся потребности по конкурентноспособной цене.

Поэтому, в качестве основной цели проведенной работы было принято создание модульной биотехнологической линии (МБТЛ) малой мощности для выпуска различной биопродукции, необходимой конкретно отдельному региону.

Важной особенностью биотехнологических процессов является то, что ключевая технологическая операция - микробиологический синтез – осуществляется в водном растворе при практически нейтральном (или слабокислом) рН и невысоких температурах. Это обстоятельство предопределяет схожесть процессов приготовления питательных сред для микроорганизмов, проведения биосинтеза и выделения целевых продуктов: растворение, термическая обработка (стерилизация), аэрация, коагуляция биомассы, фильтрация (сепарирование), ионный обмен, обезвоживание (упаривание и сушка), кристаллизация и мембранное разделение (микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос).

Следует отметить также, что для подавляющего большинства микроорганизмов глюкоза является источником углеродного питания, требующим минимальных затрат энергии при ассимиляции. Использование глюкозы в качестве универсального компонента питательных сред для микроорганизмов позволяет добиться высокой степени унификации оборудования.

Была разработана простая технология разделения низкосортного фуражного зерна на крахмал и протеиновую кормовую добавку с содержанием сырого протеина 22-24%. Крахмал в мягких условиях легко гидролизуется с образованием глюкозного сиропа, который далее используется для приготовления питательной среды. Полученная питательная среда не содержит взвесей, что серьезно упрощает дальнейшие операции по выделению целевого продукта.

Переход на новую питательную среду, безусловно, потребует проведения дополнительных исследований по модификации ранее разработанных технологических процессов с целью определения их оптимальных параметров.

Таким образом, возможно создание универсальной установки, позволяющей осуществлять без серьезной переналадки большое количество биотехнологических процессов, производящих ценные кормовые и пищевые продукты. Такая установка должна состоять из стандартных модулей, реализующих типовые биотехнологических операции.

Конкурентоспособность предлагаемых МБТЛ по сравнению с установками, проектируемыми конкретно для заданного технологического процесса, определяется тем, что в МБТЛ заранее заложена возможность быстрой замены технологий в широком диапазоне, в зависимости от меняющихся потребностей рынка.

Это сокращает вынужденный простой установки и, связанные с ним, нерациональные накладные расходы.

Использование модульного принципа позволяет добиться высокой степени заводской готовности оборудования и снижает затраты на его изготовление и монтаж. Модульный принцип также предусматривает разработку и использование типовых алгоритмов и программ оптимального управления оборудованием модулей с использованием микропроцессоров, а также пакета программ оптимального управления выбранными технологическими процессами с применением типовых модулей. Использование возобновляемого сырья с одновременным производством ценного кормового препарата существенно снижает себестоимость получаемого продукта, что также повышает конкурентоспособность МБТЛ.

Малая мощность МБТЛ также облегчает обеспечение ее экологической безопасности. Кроме того, предлагаемое сырье и процесс его подготовки предусматривают полную утилизацию твердых отходов, концентрирование и использование стоков, и возврат конденсата от упаривания стоков в технологический процесс.

МБТЛ имеют определенные перспективы для выхода на международный рынок, поскольку имеется достаточное количество средних и малых стран, испытывающих потребность в биотехнологических препаратах, но не имеющих достаточных средств для создания крупных предприятий. МБТЛ, при наличии протекционистской политики правительства этих государств, могут освободить их от зависимости от международных монополистов производства биотехнологических препаратов и способствовать поднятию сельского хозяйства на более высокий уровень.

Однотипность МБТЛ позволяет объединять их в сети. В таких сетях отдельные функции МБТЛ могут быть сосредоточены в специализированных подразделениях. Например: хранение и ведение штаммов, получение посевного материала в маточных колбах, диагностика неполадок, ремонт оборудования. Биотехнологическая сеть может сконцентрировать в одном месте – например региональном центре – высококвалифицированных специалистов для выполнения этих функций.