Техническое и методическое обеспечение образовательного процесса на базе лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии»

М. Ф. Шавалиев, Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев ТЕХНИЧЕСКОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА БАЗЕ ЛАБОРАТОРИИ «ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОТЕХНОЛОГИИ»

Ключевые слова: проектное образование, научное оборудование.

Рассмотрена тематика исследовательских работ аспирантов и студентов в рамках проектного образования по проблеме комплексной переработки растительного сырья. Показана необходимость разработки и создания нестандартного лабораторного оборудования при участии студентов.

Keywords: problem education, research equipment

We have presented subjects of research work for students and postgraduate students within the framework ofproblem education on the problem of complex processing of vegetable raw materials. We have shown the necessity of designing and creating custom laboratory equipment, with participation of students.

Комплексная научно-учебная лаборатория «Инженерные проблемы биотехнологии» была создана первоначально как отраслевая лаборатория Глав-микробиопрома СССР. В современных условиях лаборатория действует совместно с малыми предприятиями ООО «Биотехпродукция» и ООО «Биотехкон-салтинг», соучредителями которых являются ФГБОУ ВПО «КНИТУ» и сотрудники кафедры химической кибернетики. Лаборатория выполнила ряд научноисследовательских работ прикладного и фундаментального значения по грантам фондов РФ и РТ и Минобразования и науки РФ. К выполнению исследовательских работ подключались аспиранты и студенты специализаций «Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов», «Биотехнология», «Инженерная защита окружающей среды». Фактически участие студентов до 2011 года осуществлялось только на стадии преддипломной практики. Выполнение дипломных работ в период 2009-2010 г.г. показало, что значительное время студентами тратится на освоение методик, безопасных методов работы и др. При этом удается на практике освоить относительно небольшой сектор биотехнологических разработок. В то же время задачи биотехнологии весьма разнообразны, требуют комплексного подхода и эрудиции в смежных областях знания. Поэтому, при планировании работ по теме комплексной переработки растительного сырья, было принято решение о формировании специальной группы проектного образования в рамках часов, отводимых на СРС и производственную практику. Первоначально данный подход был опробован в рамках факультета дополнительного образования. Были сформированы группы применительно к конкретным темам аспирантских работ, включающие магистрантов и студентов 3 - 5 курсов (табл.1). Состав рабочих групп приведен на период 2011/12 учебного года. Тематика работ определялась предполагаемой схемой комплексного использования отходов зернового хозяйства и зернопереработки.

К 2012 году завершился первый этап аппаратурного оснащения лаборатории. Это оснащение включало не только закупку готового оборудования и приборов, но и создание специализированных установок силами самих студентов и аспирантов.

Таблица 1 - Тематика выполняемых работ исследовательскими группами проектного образования

Состав группы Кол. чел. Тематика исследований

Аспир. 1 Разработка и исследование колон-

Магистр. 1 ных инокуляторов непрерывного

Студенты: действия с мембранным устройством

5 курс 1 подвода и стерилизации газового

4 курс 1 питания, осевым и спиральным дви-

3 курс 1 жением потока. Энергоматериальный баланс процесса роста сахаромицетов в переменных условиях снабжения клеток кислородом. Регламент на культивирование дрожжей на гидролизных средах

Аспир. 1 Интенсификация биореакторных

Магистр. 1 процессов с применением диско-

Студенты: вых перфорированных диспергато-

5 курс - ров газа. Система гидродинамиче-

4 курс 2 ского пеногашения с осветлением

3 курс - и обезгаживанием КЖ в центробежном поле.

Аспир. 1 Оптимизация питательных сред на

Магистр. 2 основе ферментолизатов и гидро-

Студенты: лизатов растительных отходов (со-

5 курс З лома, отруби). Оценка энергоза-

4 курс З трат в процессах гидролиза и фер-

3 курс З ментолиза соломы. Идентификация модели кинетики процесса гидролиза соломы. Разработка регламента на приготовление сред для культивирования сахаромицетов.

Аспир. 1 Стимулирование роста сахаромице-

Магистр. - тов и кормовых дрожжей. Оценка

Студенты: влияния стимуляторов на ассоциации

5 курс З микроорганизмов, предназначенные

4 курс - для производства кормовых добавок

3 курс - на основе барды, обогащенной гидролизатами соломы и отрубей

Аспир. 2 Автоматизация научных исследо-

Магистр. 1 ваний в биотехнологии

Естественно, в перспективе тематика работ студентов и аспирантов будет расширяться. Плани-

1З5

руется выполнение НИОКР в области интенсификации процессов вакуумного и абсорбционного спиртового брожения, разработки бродильных аппаратов интенсивного действия, переработки вторичной барды с применением микроводорослей, замыкания материальных потоков на основе системы водоподго-товки производства биоспиртов второго поколения, сопряжения производств биоэтанола и биодизеля, поиска сопутствующих производств наукоемкой малотоннажной продукции с целью снизить себестоимость топливных спиртов и др.

Частично оснащение лаборатории под выполняемые в период 2009-2011 г.г. и планируемые работы финансировались из грантов Минобразования и науки РФ. В итоге были разработаны и созданы [1]:

1) Установка реализации вакуумного брожения и измерения бродильной активности дрожжей;

2) Установка исследования массообменных процессов в биологических реакторах с механическими устройствами перемешивания и диспергации газов с измерением энергозатрат (оценка энергетических характеристик биореакторов);

3) Биореактор-инокулятор с мембранным устройством распределенного подвода газового питания и винтовым движением потока;

4) Установка исследования кинетики процессов высокотемпературного химического гидролиза растительного сырья.

5) Универсальная установка очистки сточных

вод.

Были закуплены и введены в эксплуатацию:

6) Трех реакторная технологическая линия микробиологического синтеза с установкой непрерывной стерилизации питательных сред (биотехнологический комплекс).

7) Установка низкотемпературного химического гидролиза растительного сырья.

8) Установка ферментолиза растительного

сырья;

9) Биологический термостат с шейкером для культивирования микроорганизмов в качалочных колбах.

10) Двух реакторная установка микробиологического синтеза для лабораторных практикумов.

Кроме этого лаборатория была оснащена микроскопом, фотоэлектрокалориметром, УФ- и ИК-спектрофотометрами, анализатором азота, газоанали-

затором кислорода и углекислого газа, анализатором влажности, анализатором глюкозы, рН-метрами, аппаратом для измерения БПК, анаэростатом, автоклавом, установками подготовки деионизированной воды, лабораторными мельницами, устройствами связи с управляющими компьютерами.

Для всех технологических установок применительно к задачам и тематике работы лаборатории разработаны инструкции по эксплуатации и методические пособия.

Однако, отсутствие в составе лаборатории средств анализа индивидуальных сахаров, аминокислот, органических кислот, а также СНМО-анализатора состава органических соединений не позволяет пока решать проблемы, связанные с расчетом энерго-материального баланса процессов микробиологического синтеза в рамках лабораторных учебно-исследовательских работ студентов. Выход видится в кооперации с другими подразделениями университета и институтами Казанского филиала РАН.

Созданное аппаратурное оснащение обеспечило достаточно высокий уровень выполнения исследовательских работ студентов в 2010-2012 г.г. Более трети студентов к моменту защиты дипломов имели публикации статей и тезисов докладов, один из студентов оформил патент на изобретение мобильной установки с биореактором-трансформером (патентодержатель - КНИТУ). При участии студентов по тематике лаборатории за этот период в рамках перспективных направлений работы университета подготовлена 41 научная публикация.

Задачей лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» является вовлечение студентов в научно-исследовательскую и конструкторскую деятельность уже со 2 - 3 курсов. С 2013 года до 80% студентов предполагается включать в состав проектных групп. К завершению своего образования каждый студент, проходящий практику в лаборатории, должен будет иметь научные публикации.

Литература

1. С. Г. Мухачев, М. Ф. Шавалиев, Р. Т. Елчуев, Р. М. Нур-тдинов, А. М. Буйлин, А. А. Степанова, Б. В. Кузнецов, Р. Т. Валеева, Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию: материалы науч.-практ. конф. (Казань, 12-13 марта 2009, ТГГПУ). Казань, 2009. С. 241-244.

© М. Ф. Шавалиев - асп., мл. науч. сотр. каф. хим. кибернетики КНИТУ; Р. Т. Валеева - канд.техн. наук, доц. той же кафедры, valrt2008@rambler.ru; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, зав. лаб. «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» КНИТУ.