Инжиниринг биотехнологических процессов и систем

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Л. Ю. Кошкина, А. С. Понкратов, С. А. Понкратова

ИНЖИНИРИНГ 

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 663.1:007(075)
ББК 35.115:22.1я7

К76

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

проф., д-р техн. наук Л. А. Николаева

зам. ген. директора ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг»

д-р техн. наук И. А. Якушев

К76

Кошкина Л. Ю.
Инжиниринг биотехнологических процессов и систем : учебное пособие / Л. Ю. Кошкина, А. С. Понкратов, С. А. Понкратова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во
КНИТУ, 2019. – 104 с.

ISBN 978-5-7882-2583-8

Рассмотрены основные инструменты поддержки развития биотехноло
гий в Российской Федерации, инжиниринговый подход для осуществления 
информационно-технической поддержки современных биотехнологических 
производств, дана характеристика программных комплексов поддержки инжиниринговых проектов.

Предназначено для магистров, обучающихся по направлению подго
товки 19.04.01 «Биотехнология» по магистерским программам «Экобиотехнология», «Технология, оборудование и автоматизация биотехнологических 
производств», «Энергосберегающие технологии производства топлива из 
возобновляемого сырья», «Биополимеры и перспективные материалы на их 
основе» и «Управление институтами устойчивого развития и внедрения энергоресурсосберегающих технологий».

Подготовлено на кафедре химической кибернетики.

ISBN 978-5-7882-2583-8
© Кошкина Л. Ю., Понкратов А. С., 

Понкратова С. А., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 663.1:007(075)
ББК 35.115:22.1я7

ВВЕДЕНИЕ

Современные темпы развития производства и внедрения новых 

разработок, технических решений и продуктов ставят перед системой 
образования задачу формирования у специалистов способностей и потребностей в постоянном обновлении профессиональных знаний и 
умений, в творческом саморазвитии, в направленности на достижение 
высот профессионализма.

Для подготовки конкурентоспособного выпускника, который 

обладал бы отличительными навыками и умениями на рынке труда,
необходимо становление профессиональных способностей в совокупности с высокой эффективностью применения современных информационных технологий. В настоящее время требуется все больше специалистов, связанных с гибкими, краткосрочными проектами, обладающих различными компетенциями, в частности знаниями новых технологий и материалов, умением работать в команде, принимать решения
в условиях ограниченного объема информации, пониманием соответствующих отраслевых направлений (энергоэффективные технологии, 
возобновляемая энергетика и т.п.). Вместо выполнения шаблонных 
заданий требуется решать многокритериальные проблемы [1].

С этой целью в образовательную программу подготовки маги
стров по направлению 19.04.01 «Биотехнология» включена дисциплина «Инжиниринг биотехнологических процессов и систем», обеспечивающая получение знаний, умений и навыков в области инжиниринговой деятельности в отрасли. Целью курса является формирование 
профессиональной компетентности будущего специалиста на основе 
теоретических и методологических знаний, специальных умений в области инжиниринга и их использования в профессиональной деятельности и в смежных областях.

1. ИНСТРУМЕНТЫ ПОДДЕРЖКИ РАЗВИТИЯ 

БИОТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ

С 2012 г. в России реализуется комплексная программа разви
тия биотехнологий, одной из целей которой является выход нашей 
страны на лидирующие позиции в области разработки биотехнологий 
и создание глобального конкурентоспособного сектора биоэкономики, 
который должен стать одной из основ модернизации экономики России [2].

Как указано в Комплексной программе развития биотехноло
гий Российской Федерации на период до 2020 г., «для инновационного 
развития современной экономики ключевыми являются три направления развития технологий: информационные технологии, нанотехнологии и биотехнологии. Внедрение современных информационных технологий в России осуществляется в течение последних 20 лет. За относительно короткий срок удалось создать современные системы связи, внедрить в промышленность передовые информационные технологии, сделать массово доступным Интернет и мобильную связь. Наноиндустрия находится в стадии активного формирования в течение последних 5 лет. Сфера биотехнологий, при всей ее перспективности и 
огромных потенциальных размерах новых рынков, пока не получила 
достаточного импульса для развития в России (за исключением биофармацевтики)» [3].

Биотехнология – это широкое и комплексное понятие, вклю
чающее в себя набор технологий, общим для которых является использование клеток и молекул живых организмов в процессе производства товаров или услуг, связанных с такими областями, как биология, химия, медицина, сельское хозяйство, информатика (биоинформатика) и др. Биоиндустрия имеет различные приложения в жизненно 
важных сферах, например в здравоохранении, сельском хозяйстве и 
пищевой промышленности, охране окружающей среды, производстве
новых материалов, создании новых источников энергии. В основе получаемого продукта лежат научные знания, обусловившие создание 
жесткой системы регулирования прав интеллектуальной собственности [4].

По данным Организации экономического сотрудничества и 

развития, к 2030 г. с помощью биотехнологий будет выпускаться до 
35 % продукции в химической промышленности, 80 % медицинских 
препаратов и половина сельскохозяйственных продуктов. Весь мир 

идет в направлении развития биоиндустрии. Сейчас такие проекты 
активно продвигаются в Китае, Индии, Бразилии, Японии. Развитию 
отрасли биотехнологий в немалой степени способствует сформулированная в государственных программах и планах развития государственная политика стимулирования этой сферы через предоставление 
налоговых, финансовых и трудовых льгот.

К сожалению, объемы потребления биотехнологической про
дукции в России остаются несопоставимо низкими по сравнению с 
развитыми и развивающимися странами. Текущее состояние биотехнологии в Российской Федерации характеризуется, с одной стороны, 
отставанием объемов производства от уровня и темпов роста стран, 
являющихся технологическими лидерами в этой области, а с другой –
возрастающим спросом на биотехнологическую продукцию со стороны потребителей.

Результатом является высокая импортозависимость по важ
нейшим традиционным биотехнологическим продуктам – лекарственным препаратам и кормовым добавкам. Выпуск биотехнологической 
продукции осуществляется малыми партиями, для этой цели используется лабораторное, а не промышленное оборудование. Результаты 
исследований, проводимых университетами, не коммерциализируются, поскольку малым предприятиям сложно конкурировать с ведущими мировыми компаниями.

Сегодня на долю России приходится менее 0,2 % оборота ми
рового биорынка, причем развиваются в основном биотехнологии, 
связанные с фармацевтикой, а по другим направлениям результаты 
довольно скромные.

Рынок биотехнологической продукции России представлен в 

настоящее время следующими направлениями: 

−
фармацевтические препараты;

−
ферменты и ферментные препараты;

−
живые культуры микроорганизмов;

−
дрожжи;

−
биопрепараты для добывающих отраслей промышленности;

−
препараты для сельского хозяйства;

−
препараты для защиты окружающей среды  [5].
Общераспространенной и удобной в использовании является 

международная классификация биотехнологии по цветам в соответствии с объектами деятельности [6]:

1) красная биотехнология (биофармацевтика, медицинская био
технология);

2) белая биотехнология (промышленная биотехнология, биоин
женерия, также иногда включает молекулярную и клеточную промышленную биотехнологию);

3) зеленая биотехнология (сельскохозяйственная биотехнология, 

агробиотехнология, также иногда включает экологическую биотехнологию, биоэнергетику);

4) желтая биотехнология (пищевая биотехнология);
5) серая биотехнология (техническая, промышленная биотехно
логия, процессы ферментации, также иногда включает экологическую 
биотехнологию);

6) золотая биотехнология (биоинформатика, нанобиотехнология);
7) синяя биотехнология (аквабиотехнология);
8) коричневая биотехнология (биотехнология пустынь и засуш
ливых зон);

9) фиолетовая (пурпурная) биотехнология (патенты, публикации, 

открытия, права на интеллектуальную собственность);

10) черная биотехнология (биотерроризм, биологическое оружие, 

биопреступления, противоурожайные действия).

Такое разделение довольно условно, поскольку на практике не 

всегда отражает специфику областей биотехнологии.

Основными инструментами поддержки развития биотехноло
гий в России названы [3]:

−
стимулирование спроса на биотехнологическую продукцию;

−
содействие повышению конкурентоспособности биотехноло
гических предприятий;

−
развитие образования в сфере биотехнологий;

−
развитие науки в сфере биотехнологий;

−
развитие экспериментальной производственной базы, в частно
сти создание пилотных и опытно-промышленных предприятий, центров прототипирования, инжиниринговых центров, специализированных центров отработки технологий применения биотехнологической 
продукции;

−
поддержка и развитие биоколлекций, одно из направлений –

проведение инвентаризации действующих  биологических коллекций 
(микроорганизмов, грибов, растений, животных);

−
улучшение взаимодействия бизнеса, науки и образования, ос
новным инструментом являются технологические платформы, в том 
числе «Биоэнергетика» (http://www.tp-bioenergy.ru), «Биоиндустрия и 
биоресурсы - БиоТех2030» (http://biotech2030.ru), «Медицина будущего» (http://tp-medfuture.ru);

−
поддержка биотехнологий в регионах;

−
развитие международного сотрудничества, в частности созда
ние на территории России международных научно-технических центров и корпоративных центров исследований и разработок;

−
создание информационно-аналитической инфраструктуры био
технологий.

Инновационные процессы в области биотехнологии имеют ряд 

особенностей, к которым относятся: междисциплинарный характер 
исследований и разработок и, как следствие, привлечение к их выполнению специалистов разных научно-технологических направлений; 
высокая степень коммерциализации фундаментальной науки, что проявляется в расширении масштабов инвестирования инновационных 
проектов на самой ранней стадии их реализации – стадии теоретических исследований; высокая степень комплексности и завершенности 
инновационных проектов, часто выполняемых разработчиками технологий в сотрудничестве с их потребителями.

Современная биотехнология для реализации своего потенциа
ла требует значительных материальных и людских затрат. Развитие 
биотехнологии, налаживание производств для выпуска высокотехнологичной продукции невозможны без высоких капиталовложений и 
наличия грамотных специалистов.

2. ИНЖИНИРИНГ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 

Любая область теории и практики базируется на строгом поня
тийном аппарате. Для инжиниринга также первостепенное значение 
имеет формирование более полного перечня терминов, их определение 
и интерпретация, с тем чтобы обеспечивалось однозначное понимание 
каждого из них.

Различные представления об инжиниринге, о содержании ис
тинно инжиниринговой деятельности формируются в различных сферах инжиниринга – системной, процессной, строительной, программной, технологической, био- и нанотехнологической. Поэтому и среди 
специалистов из отдельных сфер деятельности, связанной с инжинирингом, существуют различные, часто несовместимые точки зрения и 
на содержание инжиниринговой деятельности, и на само понятие 
«инжиниринг». В одних случаях под «инжинирингом» понимают любую инженерную деятельность (инженерию), в других отождествляют 
понятия «инжиниринг» и «проектирование». Именно в силу необъятного содержания деятельности, так или иначе относимой к инжинирингу, в настоящее время однозначное стандартизованное определение термина «инжиниринг» отсутствует [7].

Все фактически существующие в настоящее время представле
ния об инжиниринговой деятельности дает ГОСТ Р 57306-2016 Инжиниринг. Рассмотрим терминологию и основные понятия в области инжиниринга.

Инжиниринг – вид интеллектуальной деятельности, который 

предполагает в том числе решение творческих задач. Однако чаще 
всего задача инжиниринга сведена не столько к придумыванию (изобретению) новых объектов, процессов, систем, сколько к творческой 
компиляции наилучших практик, позволяющей решить конкретную 
бизнес-задачу с наименьшими затратами ресурсов и с минимальным 
риском неудачи. В этом заключается привлекательность инжиниринга 
для бизнеса – гарантированное сокращение издержек на реализацию и 
запуск бизнес-процесса, даже с учетом затрат на инжиниринговые 
услуги.

Инжиниринг – это не просто инженерия, содержанием которой 

является проектирование, конструирование, расчетно-графические 
работы. Содержание инженерии – это в конечном итоге создание новой интеллектуальной сущности, а также информации. При этом, с 
точки зрения потребителя, инжиниринг не столько создает новую ин

формацию, сколько уменьшает неопределенность (энтропию), связанную с реализацией замысла проектировщика (конструктора).

Предметом инжиниринга является не сам объект (материаль
ный объект, производственный процесс, бизнес-процесс, техническая, 
организационная или социальная система, программный продукт или 
др.), а интеллектуальная деятельность по созданию этого объекта, организация взаимодействия сторон, участвующих в создании объекта. 
При этом не исключается и участие инжиниринговой компании в разработке (непосредственном проектировании) отдельных элементов 
самого создаваемого объекта. Центр тяжести инжиниринговой деятельности находится в сфере организации проектирования, конструирования, строительства, программирования. При этом в содержание 
инжиниринга всегда входит и проектирование, но не столько проектирование объектов, систем и процессов, передаваемых заказчику (эта 
работа может быть выполнена третьими лицами – специализированными проектными организациями), сколько проектирование процессов и систем инжиниринга, необходимых для реализации требований 
заказчика.

Инжиниринг – это не отдельная особая сфера деятельности, а 

особое сочетание известных видов деятельности, позволяющее получить новый, синергетический результат, недоступный для простой последовательности отдельных изолированных процессов исследования 
(изыскания), проектирования, организации и всестороннего обеспечения, собственно создания и промышленной реализации объекта (системы, процесса).

Невозможно говорить и об отдельной профессиональной дея
тельности в области инжиниринга, ввиду того что эта деятельность 
включает в себя знание технических дисциплин (теория механизмов и 
машин, теория надежности, технологий, системотехники), дисциплин 
менеджмента (проектный менеджмент, менеджмент качества, экологии и безопасности, менеджмент человеческих ресурсов), правовых и 
экономических дисциплин. Из чего следует, что инжиниринговые задачи могут квалифицированно решаться только коллективами профессионалов, специализирующихся в указанных видах профессиональной 
деятельности.

Инжиниринг как вид экономической деятельности представля
ет собой прежде всего оказание услуг. Отличительными свойствами 
услуги являются обязательное участие потребителя (заказчика) в процессе оказания услуги и потребление услуги в процессе ее оказания. 

Услуга не предполагает передачи результата деятельности заказчику 
единовременно в момент завершения работ. Тем не менее поскольку 
конкретный контракт в сфере инжиниринга может охватывать различные этапы жизненного цикла создаваемого объекта, то выполнение 
контракта может предполагать и передачу заказчику определенных 
активов, имеющих собственную ценность. В этом случае речь может 
идти и о выполнении работ. Более того, признано нецелесообразным 
ограничивать инжиниринговую деятельность только оказанием услуг 
или производством работ по контракту (в интересах второй стороны). 
Вполне возможно выполнение инжиниринговых проектов в рамках 
одной организации, собственными силами для собственных нужд.

В ГОСТ Р 57306-2016 [7] выделены две основные группы тер
минов в сфере инжиниринга: 

1) термины, формирующие терминосистему понятия «инжи
ниринг»;

2) термины, формирующие терминосистему сферы инжини
ринговых услуг.

Понятия терминологической системы «инжиниринг»:

✓ инжиниринг (engineering) – инженерно-консультационная дея
тельность, содержанием которой является решение инженерных задач, 
связанных с созданием или совершенствованием продукции, систем 
и(или) процессов;

✓ задача (в области инжиниринга) (task) – требуемое, рекомен
дуемое или допустимое действие, призванное внести вклад в достижение одного или нескольких результатов процесса или деятельности;

✓ информация (в области инжиниринга) (information) – докумен
тированные и логически организованные знания, данные и сведения, 
отображающие явления и законы природы, общества и мышления, получаемые и применяемые в области инжиниринга;

✓ качество (quality) – степень соответствия совокупности при
сущих характеристик объекта требованиям;

✓ назначение (продукта, системы или процесса) (purpose) – ожи
даемый результат функционирования объекта (системы, элемента системы) или выход процесса, определяемый через измеримые параметры их функционирования;

✓ продукция
(product)
–
конечный результат деятельности, 

направленной на создание материальных объектов (продуктов), пред