КАЛИНИИ
ЮРИЙ ТИХОНОВИЧ
Первый заместитель началь-
ника Главного управления
микробиологической промыш-
ленности при Совете
Министров СССР
ПРИМЕНЕНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ
микропроцессорная техника
в биотехнологии
Одной из важнейших задач со-
циально-экономического развития на-
шей страны в одиннадцатой и двенад-
цатой пятилетках является 'выполне-
ние принятой майским (1982 г.) Пле-
нумом ЦК КПСС Продовольствен-
ной программы СССР. Ее выполне-
нием в числе других отраслей агро-
промышленного комплекса занята и
микробиологическая промышленность,
более 80% продукции которой пред-
назначено для сельского хозяйства и
пищевой промышленности.
Со времени основания микробио-
логической промышленности как са-
мостоятельной отрасли среднегодовые
{за три пятилетки) темпы роста про-
мышленного производства убеди-
тельно характеризуют высокую эф-
фективность микробиологических
производств. Отрасль развивается
главным образом за счет факторов
интенсификации производства — по-
вышения продуктивности промышлен-
ных штаммов микроорганизмов, оп-
тимизации режимов технологических
процессов, повышения культуры про-
изводства и качества продукции.
Промышленная микробиология-
народному хозяйству
' На перспективу перед отраслью
поставлена задача: увеличить объем
производства кормового белка, лизи-
на, витамина В2, премиксов, органи-
зовать промышленный выпуск новых
кормовых аминокислот, антибиотиков
и ферментных препаратов. За счет
улучшения использования имеющих-
ся мощностей, строительства новых,
расширения, реконструкции и техни-
ческого перевооружения действующих
предприятий необходимо обеспечить
выпуск микробиологического белка,
аминокислот, а также ферментных
препаратов, микроэлементов, отдель-
ных видов антибиотиков и витаминов
в количествах, полностью удовлетво-
ряющих потребности сельского хозяй-
ства. Решение этой задачи позволит
только за счет использования в кор-
мопроизводстве белка и лизина для
балансирования кормов высвободить
десятки миллионов тонн зерна и
получить дополнительно миллионы
Растениеводство получит высоко-
эффективные и экологически без-
опасные средства защиты растений.
Увеличится выпуск ферментов и
мультиэнзимных композиций для мяс-
ной и рыбной, спиртовой и крахма-
лопаточной промышленности, виноде-
лия и пивоварения, хлебопечения и
сыроварения — практически для всех
отраслей пищевой промышленности.
Их номенклатура расширится за счет
новых научных разработок. Будут
разработаны процессы с использова-
нием ферментов в кожевенной, мехо-
вой, парфюмерной промышленности,
в льнопереработке, в производстве
моющих средств.
Созданная в последние годы но-
вая научно-техническая подотрасль —
биотехнология, основанная на совре-
менных достижениях в области мо-
лекулярной биологии и генетики, сде-
лает микробиологическое производст-
во еще более массовым.
Несмотря на различия в сущест-
вующих оценках потенциальных воз-
можностей генной инженерии и сов-
ременной биотехнологии, развиваемой
на ее основе, влияние ее на экономи-
ку развитых стран неуклонно растет.
По новой технологии будут произво-
диться такие продукты, как амино-
кислоты, витамины, ферменты, сте-
роидйые и пептидные гормоны, вак-
цины, различные белки, антибиотики,
пестициды.
С помощью методов генной инже-
нерии уже сейчас добиваются повы-
ОТ РЕДАКЦИИ. Микропроцессоры, робототехника и биотехнология —
три важнейшие направления научно-технического прогресса в 80-х годах.
В 1-м номере «МП» мы начали серию статей о применении микропроцес-
соров в робототехнике и ГАП. В этом номере предлагаем вниманию читате-
лей цикл работ по применению микроЭВМ в биотехнологии.
Биотехнологические процессы относятся к числу сложных производствен-
ных процессов, поэтому есть основания предполагать, что значительная часть
технических и программных средств, созданных для решения конкретных
задач управления этими процессами, найдут применение и за пределами рас-
сматриваемой проблемной области.
Для читателей, которых заинтересует возможность использования пред-
ложенных ниже систем или отдельных технических решений, кратко пояс-
ним особенности применения микроЭВМ в системах управления биотехно-
логическими процессами.
Основой лабораторной или промышленной установки микробиологиче-
ского синтеза является биореактор (ферментер) — сосуд, в кото-
ром в строго определенных условиях выращиваются микроорганизмы. Ре-
зультатом биотехнологического процесса является получение конкретно задан-
ных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов — метаболитов.
Для контроля процессов биосинтеза, а также для поддержания заданных
специфических условий в ферментерах требуются специальные датчики: кис-
лотности (рН), парциального давления кислорода (р02), температуры, расхо-
да компонентов питательных сред и т. д. Управление ферментативным про-
цессом в ходе микробиологического синтеза обеспечивают исполнительные
устройства, управляющие расходом питательных сред, режимами аэрации,
температурой, титрантами рН и другими параметрами биотехнологических
процессов.
Управление биотехнологическим процессом оказывается более эффек-
тивным при использовании микроЭВМ, которые обеспечивают автоматизиро-
ванный сбор данных от датчиков параметров процесса, обработку этих дан-
ных в реальном масштабе времени и выдачу управляющих сигналов на ис-
люлнительные устройства биореактора.
яшения урожайности культур, сниже-
ния потребления удобрений, ускоре-
ния роста скота, сокращения падежа
молодняка и взрослых животных,
-осуществляется клональное (выращи-
вание из одной клетки) размножение
и оздоровление растений (картофеля,
■сахарной свеклы, люцерны и цветоч-
но-декоративных растений), разраба-
тываются методы клеточной селек-
ции растений (картофель, рис, ячмень,
кормовые травы, табак), способы
производства простогландинов и их
аналогов, способ получения моно-
клональных антител для диагностики
заболеваний (гепатита А и В, ин-
фаркта миокарда и др.), на основе
иммобилизованных ферментов отра-
батывается технология получения
Сахаров из целлюлозосодержащих
отходов. К настоящему времени в
СССР методами генной инженерии
■получены штаммы-продуценты ин-
терферона (АН СССР и Главмикро-
биопром) и штаммы-продуценты ви-
тамина В2, аминокислот (треонина
и гомосерина). Штамм-продуцент
треонина защищен патентами в
США и других странах. Синтезиро-
ван ген проинсулина человека, по-
. лучен ген фнбробластного интер-
ферона. Эти достижения явились
-своего рода катализатором широкого
развития инструментального обеспе-
-чения биоинженерных исследований,
включая разработку принципиально
нового автоматизированного оборудо-
вания и комплексных установок,
-контрольно-измерительной техники,
.а также автоматизированных систем
научных исследований (АСНИ).
Наиболее актуальными проблема-
ми АСНИ микробиологических про-
цессов в микробиологии являются:
— оптимизация процессов микро-
биологического синтеза с целью полу-
чения максимального выхода целево-
го продукта;
— изучение динамики популяций
микроорганизмов;
— исследование кинетики микро-
биологических процессов;
— изучение вопросов масштабиро-
вания процессов;
— получение новых высокопродук-
тивных штаммов микроорганизмов.
Для решения этих задач необхо-
димо оснастить исследовательские
.лаборатории автоматизированными
комплексами на базе микроЭВМ и
.микропроцессоров.
Микропроцессорные средства —
ключ к решению проблем
автоматизации биотехнологи-
ческих процессов
Дальнейшее развитие физико-хи-
мической биологии, биоорганической
химии, иммунологии, энзимологии,
генной инженерии и гибридомной
-технологии потребует радикально из-
менить многие традиционные техноло-
гические процессы и аппаратурное
оформление. Эти направления будут
базироваться на автоматизированных
системах управления научными ис-
следованиями (АСНИ) и технологи-
ческими процессами (АСУ ТП). Для
ускорения их внедрения ученые мик-
робиологической промышленности ус-
тановили творческие связи с учреж-
дениями и специалистами Академии
наук СССР, Академий наук союзных
республик, ВАСХНИЛ и институтов
Минприбора, Минвуза, Минхиммаша
и других министерств и ведомств
СССР. Запланированы совместные
работы по созданию и внедрению ав-
томатизированных систем управле-
ния технологическими процессами с
применением ЭВМ и микропроцессо-
ров. При разработке АСУ ТП прежде
всего учитываются особенности мик-
робиологического производства.
Как правило, типовая структура
такого производства содержит сле-
дующие стадии: приготовление пита-
тельной среды, микробиологический
синтез (ферментация), концентриро-
вание и очистка культуральной жид-
кости, сушка, стандартизация и упа-
ковка продукции. В свою очередь
каждая стадия этого многозвенного
процесса включает в себя комплекс
операций, требующих строгого кон-
троля за их осуществлением. Напри-
мер, на стадии приготовления пита-
тельных сред,. необходимо оценивать
качество сырья, порядок подачи его
в аппарат, оптимизировать режим
средоприготовления; на стадии фер-
ментации — подготовку аппаратуры
к приему питательной среды, прием
питательной среды, посев культуры,
ведение режима биосинтеза в соот-
ветствии с параметрами, заложенны-
ми в регламенте и т. д.
Следует отметить, • что в настоя-
щее время особенно актуальным яв-
ляется уже не просто аппаратурное
обеспечение сбора, регистрации и пе-
реработки биотехнологической ин-
формации, а непосредственное управ-
ление процессами с помощью ЭВМ.
Утверждены программы работ по
созданию АСУ ТП на базе микро-
процессорной техники на предприя-
тиях микробиологической промыш-
ленности, а также по разработке и
выпуску специализированных прибо-
ров и средств автоматизации, необхо-
димых для комплектации АСУ ТП.
На ряде заводов отрасли уже
функционируют опытные образцы
специализированных управляющих
комплексов на'стадии ферментации
(«Биоцикл») и концентрирования
(УПС — управление процессом сепа-
рирования). Оба комплекса реализо-
ваны на базе технических средств
для локальных информационно-управ-
ляющих систем КТС ЛИУС-2 и обес-
печивают выполнение функций АСУ
ТП нижнего и среднего уровня. Это
позволяет применять их для автома-
тизации практически любых извест-
ных аппаратов-ферментеров и сепара-
торов. Опытно-промышленные испыта-
ния образцов комплексов «Биоцикл»
и УПС были успешно проведены на
Бердском химическом заводе. Экс-
плуатация комплексов на примере
одного цеха показала, что реализа-
ция их только на одном заводе поз-
волит получить годовой экономичес-
кий эффект в 800 тыс. руб.
Следует отметить, что широкое
внедрение АСУ ТП на базе микро-
ЭВМ и микропроцессоров в практику
микробиологических производств
сдерживается , отсутствием датчиков
контроля технологических процессов.
В работе по их созданию участвует
большое число научных учреждений и
опытно-конструкторских бюро ряда
министерств и ведомств, однако пока
еще без достаточной централизации.
В настоящее время Научно-техни-
ческим советом Главмикробиопрома
и Академией наук СССР при-
нято решение о создании единой ком-
плексной программы, которая скоор-
динирует усилия разработчиков в
этом направлении. Большая роль в
ней будет отведена созданному в
1983 г. в г. Горьком научно-исследо-
вательскому центру по автоматиза-
ции исследований в области физико-
химической биологии (НИЦ «Биоав-
томатика»).
Первая статья предлагаемого ни-
же цикла посвящена итогам разра-
ботки управляющего комплекса «Аль-
фа-60», созданного в Научном центре
биологических исследований АН
СССР в г. Пущино коллективом со-
трудников Института биохимии и фи-
зиологии микроорганизмов АН СССР
и Научно-исследовательского вычис-
лительного центра АН СССР.
Вторая статья посвящена резуль-
татам разработки коллективом со-
трудников учреждений Министерства
здравоохранения СССР и Главмикро-
биопрома системы автоматизации
ферментационных процессов «Авто-
ферм».
Это первые в нашей стране систе-
мы управления (соответственно ис-
следовательским и промышленным)
биотехнологическими процессами, на
которых отрабатываются принципы
микропроцессорного управления уста-
новками биосинтеза.
Публикуемые результаты научных
достижений НИВЦ АН СССР,
ИБФМ АН СССР и НИЦ «Биоавто-
матика» Главмикробиопрома по
созданию автоматизированных си-
стем для упрг-зляемого культивирова-
ния микроорганизмов являются хо-
рошими примерами применения мик-
ропроцессорной техники для оптими-
зации технологических процессов
микробиологических производств и
раскрывают положительную перспек-
тиву на дальнейшее развитие биотех-
нологии по пути интенсификации.
УДК 681.326.015—181.48
