Технологические процессы и технологические системы и их характеристика

2. Наличие необходимых  технологий (элементов), а также возможно  сочетание в системе.

3. Определение возможных  вариантов развития системы технологий.

4. Определение требований  к системе управления и определения  возможностей ее удовлетворения.

Создание принципиально  новых технологий в АПК

Изменение производственных отношений в Украине обуславливает  необходимость расширения, применения прогрессивных и базовых для  каждой области технологий.

Внедрение принципиально  новых технологий должно базироваться на фундаментальных исследованиях.

В АПК первоочередная задача - увеличить производительность труда  в перерабатывающей отрасли (мясная, молочная) не менее чем в 1,5 раза, и уменьшить потери на производство за счет интенсификации производства. Повышение качества продукции связано, в основном, с селекцией, технологией  производства и переработкой продукции.

Основой НТП является создание новых орудий труда, системы машин, определяющие прогресс в других отраслях народного хозяйства. Принципиально  новая техника составляет основу ресурсосберегающих безотходных и  других прогрессивных технологий.

Наряду с этим, как показала практика, технология может быть причиной глобальных экологических проблем. Сегодня уже выявлено более 10 тыс. токсичных соединений, примерно 1/5 из них вызывает различные опухоли, включая злокачественные, что способствует снижению производительности и качества продукции животноводства и растениеводства. Это связано с нарушением технологии применения пестицидов, минеральных удобрений. Проблема нитратов, радионуклидов и пестицидов - следствие грубого администрирования, не компетенции некоторых специалистов соответствующих отраслей народного хозяйства.

Для повышения эффективности  сельскохозяйственного производства и перерабатывающей промышленности в АПК необходимо решить ряд важных народнохозяйственных проблем

1. Создание технологий, при  которых затраты сельскохозяйственного  сырья будут минимальными (включая  безотходные технологии).

2. Повышение эффективности  технологий, в связи с чем должна  вырасти отдача на капитальные  вложения в сельскохозяйственное  производство.

3. Создание технологий, соответствуют  природным, климатическим, национальным  и другим региональным особенностям.

4. Определения в системах  технологий наиболее важных параметров  для контроля их эффективности  применительно к конкретным условиям  их применения.

2.5. Основы биотехнологии.  Продукты биотехнологии. Вегетативная  гибридизация. Энергетические биоресурсы. Высокобелковые биотехнологические продукты.

Биотехнология - (от греческого bio - жизнь, techne - искусство, мастерство) использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Срок биотехнология получил широкое распространение в середине 70-х годов ХХ века, хотя такие области биотехнологии как хлебопечение, виноделие, пивоварение, сыроварения, сосредоточены на применении микроорганизмов, известны с далеких веков.

Современная биотехнология  характеризуется использованием биологических  методов для борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка  сточных вод), для защиты растений от вредителей и болезней, производство ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов и др.)., Таблица 1.

На основе микробиологического  синтеза разработаны промышленные методы получения белков, аминокислот, используемых в качестве добавок  к кормам. Развитие клеточной и  генетической инженерии позволяет  целенаправленно получать ранее  недоступные препараты для лечения  людей (инсулин, интерферон, гормоны  роста людей), создавать новые  полезные виды микроорганизмов, сорта  растений, породы животных. В новейшей биотехнологии можно отнести  также применение иммобилизованных ферментов, получения синтетических  вакцин, использование клеточной  технологии в племенном деле животных.

В конце XIX века благодаря  трудам Пастера были созданы условия  для дальнейшего развития прикладной (технической) микробиологии и биотехнологии. Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения и показал, что в создании отдельных  продуктов принимают участие  различные их виды. Его исследования послужили основой развития в  конце XIX начале ХХ века бродильного  производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола, изопропанола) и других химических веществ, где использовались различные виды микроорганизмов. Во всех этих процессах микробы в без кислородной среде осуществляют преобразование углеводов растений в ценные продукты.

Продукты биотехнологии

В настоящее время с  помощью микроорганизмов осуществляется переработка бытовых и технологических  стоков. Микробиологический процесс  протекает в анаэробных условиях в результате которого образуется биогаз, который состоит из метана и СО2. Такая переработка энергетически высокоэффективная, так как позволяет сохранять и концентрировать энергию, которая помещается в разных компонентахстокив (со временем регенерируется более 80% свободной энергии).

Микробиологическая переработка  стоков и бытовых отходов для  получения биогаза широко используется в Китае и Индии. Биогаз можно получать из навоза, который после переработки используется как органическое удобрение.

Продуктом биотехнологии  является также белково витаминный концентрат (БВК). Этот продукт состоит в основном из клеток микроорганизмов. Производство его связано с крупномасштабным выращиванием соответствующих микроорганизмов, которые собирают и перерабатывают в пищевые продукты. В основе получения БВК лежит технология ферментации - ветвь бродильной промышленности и производства антибиотиков. Для того, чтобы более полно перерабатывать субстрат в биомассу микробов нужен многосторонний подход.

Выращивания микробов в пищевых  целях вызывает интерес по двум причинам.

Во-первых, они растут несколько  быстрее чем растения или животного, время удвоения их численности измеряется часами. Это сокращает сроки производства необходимого количества пищи.

Во-вторых, в зависимости  от вирощуемих микроорганизмов субстратом используются различные виды сырья.

Можно перерабатывать низкокачественные  отходы или продукты, содержащие легкодоступные углеводы и получать за счет их микробную  биомассу, которая содержит высококачественный белок.

Еще одним продуктом биотехнологии  является грибной белок (микопротеин) - это пищевой продукт, состоящий в основном из мицелия гриба. При йог производстве используется штамм Fusarium graminearum, выделенный из почвы. Если сопоставить производство микропротеин с процессом синтеза белков животных, то можно выявить ряд его преимуществ.

 

 

Таблица 1 Некоторые новые  направления, развивающиеся на основе биотехнологии

Отрасль Продукты

Сельское хозяйство Получение  новых штаммов, новых методов  селекции растений и животных (включая  клонирование).

 

Производство химических веществ Получение органических кислот (лимонная,

И таконова), использование ферментов в составе моющих веществ

Энергетика Увеличение использования  биогаза, крупномасштабное производство этанола и жидкого топлива.

Контроль за состоянием окружающей среды Улучшение методов тестирования и мониторинга, прогнозирования  преобразования ксенобиотиков благодаря более глубокому пониманию биохимии микроорганизмов усовершенствования методов переработки отходов, особенно промышленных

Пищевая промышленность Создание новых методов переработки и  хранения пищевых продуктов, получения  пищевых добавок, использование  белка, который синтезируется одноклеточными организмами и ферментов при  переработке пищевого сырья

Материаловедение Вилугування руд, дальнейшее изучение и контроль биорозкладу

Медицина Применение ферментов  для усовершенствования диагностики, создания датчиков на основе ферментов, использование микроорганизмов  и ферментов при производстве сложных лекарств (например, стероиды), синтез новых антибиотиков, применение ферментов в терапии

Помимо большей скорости роста, превращение субстрата в  белок проходит эффективнее при  усвоении пищи животными. Не лишним также  напомнить, что корма для животных должны содержать некоторое количество белка (до 15-20%) в зависимости от вида животных и способа их содержание. Средний состав микропротеин и сравнение его с составом говядины приведены в таблице

С помощью биотехнологии  и, в первую очередь, за счет использования  различных микроорганизмов, мы получаем съедобные добавки и ингредиенты, в том числе:

1. Лимонную кислоту. Ранее  ее получали из лимонов, теперь - с помощью

грибу Aspergilius niger путем сбраживания патоки и гидролизаты, содержащие глюкозу.

2. Аминокислоты. Сегодня их  производится более 200 тыс. тонн  в год. Их используют главным  образом как добавки к кормам  и пищевых продуктов.

 

Таблица 2 Средний состав микопротеину и сравнение его с составом говядины

Компоненты Состав,% на сухой вес

простой сырой бифштекс

Белки 47

Жиры 14

Съедобные волокна 25

Углеводы 10

Зола 3

Рибонуклеиновая кислота 68

микопротеины 30

Основную часть аминокислот  получают методом ферментации. Главным  продуктом ферментации является глутаминовая кислота (продуцент Corynebacterium glutamicum) и лизин (Bacillus flavum).

3. Витамины - B-каротин, рибофлавин.

4. Усиливающие вкус. Главным  является натриевая соль глутаминовой кислоты. ЕЕ

получают с помощью  Micrococcus glutamicus.

5. Жиры и масла.

6. Растительные клеи.

Консервирование фруктов  и овощей.

При этом следует заметить, что затраты на организацию многотоннажных биотехнологических производств очень большие и под силу только богатым фирмам. Главное преимущество новых технологий состоит в том, что выход продукции с ферментера или биореактора намного выше чем от растений или животных поэтому производство предметов потребления таким образом всегда является более выгодным.

Некоторые из новых направлений, таких как генетическая инженерия, которая способна превратить человека в творца мира и захватила представления  многих ученых и вызвала большую  их заинтересованность. Передача генетического  материала различными организмами, такими как бактерии, растения, животные и человек породила большие надежды, причем некоторые из них стали  реальностью. Например, получение человеческого  инсулина с помощью бактерий.

Первым большим достижением  биотехнологии в области сельского  хозяйства является зеленая революция - это исследование селекции высокоурожайных  сортов зерновых. Благодаря чему Индия, Бангладеш и некоторые другие развивающиеся страны смогли обеспечить себя продовольствием. За последние 30 лет урожай кукурузы увеличился с 12 до 62 ц / га, а урожай пшеницы, в среднем, рос за год на 1 ц.

Целью селекции, кроме повышения  урожая, является выведение сортов устойчивых к паразитам, бактериальных  и вирусных болезней. Метод селекционного  отбора позволяет скрещивать отдельные  виды растений в тех случаях, когда  естественное воспроизведение невозможно.

Вегетативная гибридизация Большие успехи были достигнуты с  помощью вегетативной гибридизации проростков зерновых культур. Этот метод  заключается в скрещивании растений путем устранения самоопыленных. Он прост, особенно в перехреснозапилюваних растений, таких как кукуруза, в которых мужские органы отделены от женских и их можно легко удалить до начала опыления.

Сложнее с самозапилюючимы растениями, такими как пшеница, томаты, соя, люпин. У них мужские и женские органы размещены в непосредственной близости в середине цветка. Сегодня это препятствие устраняется благодаря открытию химических соединений, которые стерилизуют пыльцу. Гибридные растения сегодня, особенно кукуруза, выращиваются на больших площадях.

Другие методы тоже перспективные - это вегетативное размножение in vitro с помощью культуры меристемы. Меристема - это поверхностная ткань стебля, которая содержит эмбриональные клетки. Культивируется в асептических условиях в твердом питательной среде. Эти клетки размножаются и образуют Калюс, который может быть разделен и многократно репродуцийований.

Калюс-это толстая кожа, ткань, которая образуется на месте  повреждения и помогает заживлению. При обработке гормонами растений (ауксины, гиббереллины) недифференцированные каллуса дифференцируются на отдельные  растения имеющие свойства исходного  растения.

 

Апикальной меристемы - это  скопление клеток, расположенных  на верхнем конце стебля. Она играет важную роль в размножении растений, поскольку остается в здоровом состоянии  даже в том случае, когда другая часть растения поражена вирусом. Культивирование  in vitro меристемы больного экземпляра дает возможность получить новую здоровую растение и ускорить производство свободного от вируса посадочного материала.

. Энергетические биоресурсы  Важным вкладом биотехнологии  является создание новых энергетических  ресурсов. Это, прежде всего, производство  жидкого топлива-этанола. Для  его получения методом ферментации  можно использовать различные  сельскохозяйственное сырье, в  т.ч. сахароза сахарной растения, сахарной свеклы, патоку, крахмал  зерновых культур, маниока, инулин  топинамбура. Пивные дрожжи и  некоторые анаэробные бактерии (Zimonomas mobilus) перерабатывают сахар в этанол со средним выходом по весу 47%.

В Бразилии этанол используется как топливо в широком масштабе. В настоящее время его производство составляет 8,4 млн. т, что соответствует 5,6 млн. т бензина или 4,7 тыс. га сахарного  тростника. Стоимость этанола выше на 380 $ за тонну бензина. Однако, экономическим  стимулом Бразилии является стремление улучшить платежный баланс путем  сокращения импорта бензина и  обеспечения сбыта продукции  сахарной промышленности, сильно пострадавшей от падения мировых цен на сахар.