Экскурс в мир био- и нанотехнологий

Справочный материал
БИОТЕХНОЛОГИИ
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики
Экскурс в мир био- и
нанотехнологий
Биотехнология - совокупность методов и приемов получения полезных
для человека продуктов и явлений с помощью биологических агентов.
В составе: генная, клеточная и экологическая инженерии
Красная:
Зеленая:
фармацевтическ. агробиобиотехнология технология
Белая:
биоиндустрия
Современная биотехнология – это наука о генноинженерных и клеточных методах и технологиях создания и
использования генетически трансформированных
биологических объектов для интенсификации производства
или получения новых видов продуктов различного
назначения. В молекулярной биологии использование
биотехнологических
методов
позволяет определить
структуру
генома, понять механизм
экспрессии генов, смоделировать
клеточные мембраны с целью
изучения их функций
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
2
Биотехнология – комплексная междисциплинарная сфера
деятельности, основывающаяся на использовании живых систем и
процессов с целью масштабного производства полезных для
человека продуктов. Приоритетное направление научно-технического
прогресса, использующее биопроцессы и биообъекты для получения
полезных человеку продуктов и улучшения качества его жизни
Биоэкономика – это экономика, основанная на широком
применении биотехнологии, использующая возобновляемые
ресурсы для производства ценных продуктов и энергии. Научная
основа – науки о живых системах и биотехнологии в сочетании с
другими технологиями: нанотехнологиями, химией,
информационными технологиями и др. Биоэкономика включает
все промышленные и экономические секторы, которые
производят и используют биоресурсы, в том числе биоотходы.
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
3
Сельское
хозяйство
Биокатализ
- генно-инженерные
растения
- генно-инженерные
животные
- биопестициды,
биоудобрения
- кормовые аминокислоты,
антибиотики, витамины,
ферменты
- добыча металлов
(гидрометаллургия)
- добыча нефти
(вторичная)
Добыча
полезных
ископаемых
- химическая
промышленность
- полупродукты для
фарминдустрии
Биотехнология
Медицина
- новые лекарства и
вакцины
- диагностикумы
(включая микрочипы)
- генодиагностика
- генотерапия
- индивидуальная
медицина
- регенеративная
медицина
(стволовые клетки)
- биодеградация поллютантов
Нанобио- - замена химических удобрений
технологии
и пестицидов на
биологические
Охрана
- биодеградируемые
- новые материалы
окружающей
пластики
- биосенсоры
- замена нефти на биомассу, среды
- биокомпьютеры
- сокращение выброса CO2
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
4
Сегменты мировой биотехнологической индустрии
«белая биотехнология»
биоэнергетика, биотопливо
«синяя биотехнология»
биохимическая продукция
инженерные процессы в морской
биологии
производство биотехнологических
препаратов для добывающих отраслей
«серая биотехнология»
«красная
биотехнология»
производство
биотехнологических
препаратов для защиты и
охраны окружающей среды
биофармацевтика
60%
«зеленая биотехнология»
12%
биотехнологии для
медицины
агробиотехнологии
инжиниринг растений,
ветеринария
генно-модифицированные
культуры
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
5
Биомасса – совокупная масса растительных и животных
организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент
наблюдения. Биомасса применятся для производства
тепла, электроэнергии, биотоплива, биогаза (метана,
водорода).
отходы
переработк
и древес.,
целлюл.
органичес
кие
отходы
животнов
одства
Виды биомассы
(второе поколение
биотоплива)
фуражное
зерно
рапс
биомасса
топинамбу
р
активный
ил
солома,
отходы
растениев
одства
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
6
Схема переработки
сельскохозяйственной продукции
в продукцию биоиндустрии и биоэнергию
Зерно
Крахмал
Солома
Гемицеллюлоза
Топливо (газ/
жидкое/твердое)
С1
С2
Целлюлоза
Сахара
С3
Зеленая
биомасса
Корнепроды
Лигнин
Лигнин
С4
Липиды, жиры
Липиды, жиры
С5
С6
Биомасса
Семечки
Белки
Белки
Ароматика
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
Полуфабрикаты
Платформы
Прямые
полимеры
Строительные
блоки
7
Биомасса в энергетике:

шестой по запасам из доступных на настоящий момент
источников энергии после горючих сланцев, урана, угля,
нефти и природного газа;

пятый по производительности возобновимый источник
энергии после прямой солнечной, ветровой, геотермальной
энергии (ежегодно на земле образуется около 170 млрд. т
первичной биологической массы и приблизительно тот же
объем разрушается);

крупнейший по использованию в мировом хозяйстве
возобновляемый ресурс (более 500 млн. т усл. топлива в год).
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
8
Растительная биомасса является первичным источником энергии на
Земле.
При образовании 1 кг сухой биомассы поглощается около 1,83 кг CO2
и столько же выделяется при ее разложении (окислении, горении). В
результате содержание углекислого газа в атмосфере остается
неизменным.
Использование биомассы для получения энергии экологически
безопаснее, чем, например, угля (при сжигании биомассы
выделяется менее 0,2 процента серы и 3–5 процентов золы (2–3 и 15
процентов соответственно)). Кроме того, зола может быть возвращена
обратно в почву, что обеспечивает замкнутость круговорота биогенных
элементов.
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
9
Биотопливо
Возрастают объемы производства энергии из
возобновляемых источников, увеличивается
доля вторичной энергии из биомассы (biomass
to liquids - биомасса в жидкость), синтетического
биотоплива с отличными качествами горения,
снижающегося выбросы парниковых газов до
90% и утилизирующего низкосортное
промышленное сырье.
Доля потребления биотоплива первого
поколения, такого, как этанол, биодизель и
другие, в странах Европейского Союза
должна вырасти с 3% в 2006 году до 12% к
2010 году. В 2010 году Европейский Союз
намерен использовать биотопливо в 5,75%
автомашин (в 2006 году доля моторного
биотоплива в странах Европейского Союза –
порядка 2%), к 2020 году - в 8%.
место в
энергетическом
балансе
2006
Согласно опубликованному в 2006 г. прогнозу
Международного Энергетического Агентства
(International Energy Agency) биотопливо внесет
значительный вклад в удовлетворение
потребностей в энергии на автотранспорте. В
2030 г. на долю биотоплива будет приходиться
7% от потребления автомобильного топлива
(ныне – 1%). В настоящее время для
производства биотоплива в мире используется
около 14 млн. га или 1% доступных пахотных
земель. К 2030 году эта доля увеличится до
3,5% (площадь необходимой для заправки
«спиртовых автомобилей» пахотной земли
превысит площадь Франции и Испании).
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
10
Производство биотоплива подразделяют на:
▲второе поколение – из непродовольственной биомассы:
древесины, соломы, биоотходов, энергоемких растений (структ.
схема 1);
▲третье поколение (начинает зарождаться, по мнению экспертов,
появится на мировом рынке к 2020 году) – генная модификация
примитивных, напоминающих растения организмов (водорослей), с
целью последующего использования их свойств по улавливанию
солнечной энергии для преобразования диоксида углерода в
топливо (молекулярная структура получаемого топлива схожа со
структурой нефтепродуктов, включая бензин, дизель и реактивное
топливо).
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
11
Практически все автопроизводители одобряют использование
смеси 90 процентов бензина и 10 процентов этанола без
переделки двигателя.
Этанол биоразлагаем и не загрязняет природные водные
системы, 10 процентов этанола в бензине снижает
токсичность выхлопа на 30 процентов.
При урожайности семян рапса 3 т/га можно получить 1 т
моторного топлива и 2 т высококачественных кормов.
Свойства моторного топлива, получаемого из семян рапса,
близки к свойствам дизельного топлива, однако вредные
выбросы при использовании биотоплива значительно
снижены
Министерство промышленности и энергетики
Чувашской Республики, 2010 г.
12