EDUCATION BASED ON SCIENCE. INDUSTRIAL BIOTECHNOLOGY

全文:

Введение. В настоящее время в стране наблюдается недостаток квалифицированных кадров, способных реализовать проекты технологической модернизации; дефицит технологической культуры, хотя согласно статистике (10-самых востребованных профессий будущего) в ближайшее время на лидирующие позиции выйдут инженерные специальности, связанные с промышленным производством. При этом наряду с глубокой фундаментальной подготовкой основополагающим принципом в ведущих технических вузах является «обучение на основе науки» [1]. Известно, что Химия (Биология) - это экспериментальная наука о веществах (биообъектах), их строении и превращениях. Так же и «Теоретическая химия» основана на результатах научных экспериментов. Экспериментальной является и наука «Химическая (биохимическая) технология» - наука о способах и средствах достижения цели получения полезных продуктов и о взаимном влиянии факторов, определяющих этот процесс. Научное исследование любой технологии предполагает не только освоение методик экспериментирования с конкретными объектами. При этом теоретической основой Химической технологии является Химия, но практический эксперимент имеет свои отличительные особенности. Существует также термин Инженерия, который объединяет практические приёмы экспериментирования, включая прикладные аспекты физико-химических законов. Экспериментальное исследование не является спонтанным и неорганизованным творческим процессом с заранее неопределённым итогом [2]. Особенностью исследования биотехнологических производств является то, что оно объединяет методы, присущие как всем вообще Химическим технологиям, так и Химии, так и Биологии и Микробиологии. Применительно к научной диссертации по исследованию биохимического или бродильного производства требование иметь изобретения по конкретному производству является строго обязательным. Изобретения нужны там, где обнаруживаются проблемы, которые обычными способами не разрешаются. Работа на уровне изобретения характеризуется уровнем риска значительно выше среднего. Для достижения успеха нужен большой опыт работы. Важен человеческий фактор - терпение, трудоспособность, внимательность, обоснованная вера в свои возможности. Что же касается упорядоченности творческого процесса с элементами неопределённости, нужно учесть, что, как и все технические науки, Химические технологии требуют дорогостоящей материальной базы и других затрат, и далеко не всегда финансовые средства потенциального исполнителя даже очень важной работы совпадают с его творческими качествами и даже трудовыми навыками. Научная специальность «Биотехнология» 03.01.06 включает, в том числе, изучение и разработку процессов и аппаратов микробиологического синтеза, который предполагает использование водных растворов. По специальности 05.18.07 также предусмотрена разработка новых процессов, технологий и оборудования для производства биологически безопасных пищевых продуктов. Действительно, все живые организмы функционируют (осуществляя химические метаболические превращения) только с участием и в присутствии воды - в водной среде. Поэтому приборы и оборудование, используемые математические модели и методы расчёта для Биотехнологии должны обеспечить эти практические технологические нужды - анализ непрерывных массовых и энергетических потоков в каждом аппарате технологической схемы и в целом по схеме с целью оптимизации деятельности, как отдельных узлов, так и аппаратурно-технологической схемы в целом [3]. Затем проводится технологическая оптимизация нужного процесса. Все экспериментальные расчёты выполняют с применением той или иной техники - от самой простой (калькуляторы) до вычислительной. Эта работа требует только внимательности и работоспособности. При достаточной практике производительность достаточна для проявления индивидуальных навыков и способностей. Это касается и проведения самого лабораторного эксперимента, на основе которого получают все необходимые расчётные коэффициенты о влиянии различных факторов на процессы массо- и энергообмена на всех стадиях производства. Отдельно остановимся на руководстве исследованиями, на общих непременных требованиях, которым должно удовлетворять исследование в области химической технологии вообще и биотехнологии - в частности. В требованиях к содержанию автореферата научной диссертации [3; 4] сформулированы те положения, которым должно отвечать исполнение работы, и выполнение которых автор диссертации обязан продемонстрировать содержанием своей работы. Но понятие научной работы не ограничивается готовой диссертацией. Оно подразумевает постановку работы в целом, которая отражается в публикациях о результатах эксперимента, включая отчеты, отдельные статьи конкретного и обзорного характера, различные тезисы, заметки, рекламные материалы и тому подобное и которая отражается как в формулировке темы, так и в подходах к её проработке. К постановке научного исследования предъявляются три основополагающих требования, которые, как «три кита» определяют ценность и востребованность химико-технологического исследования: А. Грамотность Б. Компетентность В. Профессионализм. А. Грамотность. Во всех случаях экспериментальную работу начинают с всестороннего изучения литературных сведений о данной научной проблеме: насколько она разработана теоретически, какие имеет практические применения и каковы условия для её осуществления. Существует ряд разработок по самостоятельному составлению и оформлению литературного поиска и патентного исследования [5]. Но в действительности такую работу целесообразно окончательно оформлять по её завершении. Дело в том, что в процессе исследования возникают очень существенные вопросы, без решения которых продвижение невозможно и которые необходимо дополнительно просмотреть по литературным сведениям. Поэтому представление литературного обзора как первого этапа работы является чисто методической условностью. Даже при успешном завершении работы возможны варианты, когда весь литературный поиск и патентное исследование можно переделать заново, поскольку в процессе эксперимента возникает новый взгляд на проблему в целом. В таком случае стратегию составления обзора, который обычно выполняют в календарной последовательности, можно уподобить процессу проектирования по циклической методике. Широко распространены также стратегии последовательного и параллельного (по разным вопросам) выполнения этапов работы [6; 7]. Заключение по выполненному литературному поиску и патентному исследованию содержит постановку задачи, и его можно считать проектом всего исследования в целом. Во-вторых, грамотно выполненное научное исследование должно быть всесторонне описано и обосновано количественно. В химической технологии любой научный эксперимент имеет количественное выражение результата - цифру. Отсутствие цифры, выражающей результат эксперимента, делает его неудавшимся, непригодным для дальнейшего продвижения в изучении объекта, так как делает невозможным проверку выполнения главного требования к результату исследования - требования воспроизводимости. Объективно можно сравнивать и убеждаться в получении адекватного научного результата только на основании цифры. Грамотный научный подход подразумевает, что любую технологическую закономерность обязательно выражают количественно [10; 11;13], с помощью уравнения, которое позволит с известной точностью рассчитать любой параметр в заданных условиях. Неколичественный, качественный подход категорически не одобряется и является общепризнанным критерием несерьёзности и ненаучности. Б. Компетентность. Компетентный подход заключается в правильной формулировке целей и задач исследования с учётом сложившейся экономической ситуации в биотехнологии, в биохимических и бродильных производствах региона [8]. В монографии проанализированы проблемы биотехнологий Самарского региона. Первая проблема заключается в необходимости расширения сырьевой базы с учётом соблюдения требований комплексного использования сырья при одновременной переработке и предотвра-щении образования отходов. Вторая проблема - это необходимость дальнейшего стимулирования биотехнологических процессов на всех этапах производства, как биохимическими методами, так и с использованием электрохимии. Большое значение имеет соблюдение требо-ваний к предмету исследования в соответствии с его ролью в правильно организованной био-технологии [9] по этапам: подготовка био-объектов и субстратов; собственно ферментация; заключительные операции выделения, очистки продукта и придания ему товарного вида. При выполнении квалификационных работ требо-вания к профессиональной компетентности её автора возрастают. В. Профессионализм. Химическая технология как профессия предполагает, прежде всего, исследования, направленные на оптимизацию технологического процесса - как отдельных стадий, так и всей аппаратурно-технологической схемы биотехнологического производства в целом [9, с. 88 - 91]. Практически это означает постановку экспериментов по исследованию влияния всех технологических факторов на оптимизируемый параметр процесса - выход какого-либо продукта или расход сырья или прирост биомассы. Наиболее рациональных на этой стадии разработки технологии является составление математических моделей детерминированного и недетерминированного характера, как однофакторных, так и многофакторных с применением метода математического планирования эксперимента [12]. Так, например, можно исследовать зависимость скорости брожения от температуры процесса, при поддержании постоянной концентрации активирующей добавки. А затем - зависимость от концентрации добавки при поддержании некой постоянной температуры. Сравниванием двух серий экспериментов (в виде таблиц или графиков), выбирают «на глаз» наилучшее сочетание двух факторов. Но количество опытов сокращается, если применить математическое планирование и провести опыты при разных сочетаниях экстремально возможных концентраций добавки и температуры. Далее легко получить моделирующее уравнение, которое связывает скорость с двумя указанными факторами. Затем анализируют уравнение известными способами из условия максимально желаемой скорости брожения, то есть находят аналитически оптимальное сочетание температуры и концентрации добавки. Модели необходимы, так как непрерывно меняющиеся свойства производственного массового и энергетического потоков требуют создания автоматических датчиков и исполнительных механизмов контроля и регулирования производства [14]. В квалификационных научных работах разного уровня профессиональные требования усложняются в три этапа. Методологически на первом этапе работы выделяют выпускную инженерную (магистерскую) работу. Затем, после дополнительной подготовки в аспирантуре выполняют кандидатскую диссертацию. И, наконец, наиболее опытные квалифицированные научные работники выполняют докторскую диссертацию, которая по объёму обычно включает не одну кандидатскую. В первом случае с использованием учебного лабораторного оборудования выполняют поисковую работу, позволяющую судить о возможности достижения положительного эффекта. Затем, путём исследования влияния различных факторов на протекание процесса получают материалы для заявки на изобретение технологического приёма, способа получения нового полезного продукта либо известного продукта, но со значительно улучшенными показателями - потребительскими, техноэкономическими, экологическими. Во втором случае обязательным требованием является - с использованием лабораторного оборудования создать лабораторную установку. Такая установка должна позволять осуществить новый технологический процесс или приём в натуре, получить все необходимые данные для оценки техноэкономических показателей процесса, в том числе, лабораторные химические и физико-химические анализы всех основных и побочных продуктов. В третьем случае создают проект, разрабатывают технологический регламент и выполняют в натуре укрупнённую лабораторную либо полупромышленную установку, позволяющую получить опытные партии продукта для испытаний его свойств. При защите диссертации предъявляют акты испытаний опытных образцов продукции и другие доказательства практической ценности выполненного исследования. Все три этапа предполагают соблюдение биотехнологических принципов масштабирования и моделирования. Вывод. Таким образом, в условиях сложной экономической ситуации, возможно, необходимо постоянно пересматривать и переоценивать систему планирования, стимулирования, непосредственной постановки исполнения и внедрения результатов прикладных научных исследований. В настоящее время степень направленности выполненной экспериментальной научной работы в прикладном технологическом (техническом) направлении определяется только экспертным путём. Поэтому данная статья является первой попыткой обобщить и сформулировать соответствующие требования на основе многолетнего опыта научно-педагогической работы автора в области химических технологий.

作者简介

Olga Chechina

Samara State Technical University

Email: chechinao@yandex.ru
doctor of chemistry sciences, professor of the Chair of Food Production Technology and Perfumery-Cosmetic Products

参考

补充文件