Основные точки соприкосновения между химической технологи­ей и биотехнологией лежат в области изучения, разработки, проектирования, создания и осуществления процессов микро­биологического производства продуктов, качественно превосхо­дящих сырье, из которого они получены. Как и всякая другая технология, биотехнология впитала в себя достижения целого ряда наук, и круг решаемых с ее помощью задач определяется относительным вкладом в нее отдельных дисциплин. Сегодня основная проблема во взаимосвязях между биотехнологией и химической технологией — это четкое определение сфер прило­жения. В случае микробиологических процессов мы видим две возможности: подход, основанный на биохимической технологии, и подход, основанный на физиологии микроорганизмов. Привер­женцы химической технологии часто отдавали предпочтение первому из них, но надо сказать, что за последние 25 лет таким путем не удалось разработать способы коренного улучшения микробиологических процессов, которые принесли бы такой же успех, какой был достигнут химическим производством в целом или в нефтеперерабатывающей промышленности на основе прин­ципов химической технологии. Разумеется, по крайней мере частично это можно объяснить консерватизмом ряда произ­водств, основанных на микробиологических процессах, а также несогласованностью и непоследовательностью в их развитии. Основной же причиной является относительно небольшой мас­штаб упомянутых процессов. Чтобы получить право на незави­симое существование, биохимическая инженерия должна раз­работать гораздо более эффективные методы решения проблем, связанных с осуществлением микробиологических процессов и переработкой, что в свою очередь должно выразиться в значи­тельном экономическом эффекте. Из самой сути биотехнологии, опирающейся главным образом на физиологию микроорганиз­мов, следует, что оптимизацией процессов микробиологического производства должны заниматься узкие специалисты, т. е. мик­робиологи, изучающие именно данный процесс, и инженеры-хи­мики. При этом последние не обязательно должны детально разбираться в микробиологической стороне проблемы. Такой подход означает, что микробиолог или биотехнолог, помимо глубоких знаний физиологических проблем, связанных с исполь­зованием различных микроорганизмов, и навыков их решения, должен обладать опытом сотрудничества с химиками-техноло­гами. Можно надеяться, что благодаря плодотворному союзу между биологами-исследователями и химиками-технологами в ближайшее десятилетие будут созданы предпосылки как для технологических нововведений, так и для экономического про­гресса в области производств, основанных на микробиологиче­ских процессах. Главная цель этой главы — способствовать раз­витию более эффективных взаимосвязей между биологами и хи­миками-технологами, и следовательно, повышению экономич­ности как уже существующих, так и новых биотехнологических производств.

Многие из биотехнологических производств по природе своей строго традиционны и служат человечеству уже много столетий. К их числу относятся производство спиртных напитков, фермен­тированных молочных, соевых и рыбных продуктов. В этих от­раслях промышленности качество и ценность продукта чаще оцениваются по тонким различиям во вкусе и запахе, чем по какому-либо иному легче поддающемуся определению критерию. Для многих традиционных продуктов подобные критерии каче­ства останутся важными и в будущем, однако маловероятно, чтобы так же оценивались и новые продукты. Спрос на какой- либо продукт будет зависеть главным образом от его функцио­нальных качеств, общей стоимости его производства и ее воз­можных неконтролируемых колебаний (например, из-за изме­нений стоимости сырья и энергии).

Обычно расширение сферы применения биотехнологии про­исходит в ответ на неотложные запросы практики, а не в ре­зультате открытия нового способа синтеза некоего нового со­единения при участии какого-то вновь выделенного микроорга­низма. Вот ряд проблем, необходимость решения которых привела к развитию исследований основных микробиологиче­ских процессов и к созданию программ технических разработок.

1. Начиная с конца 60-х гг. Европа и Америка столкнулись бы с катастрофическим уменьшением содержания белковых ком­понентов в кормах для животных, если бы не были найдены альтернативные способы их получения.
2. Начиная с середины 70-х гг. истощение запасов или сокра­щение добычи жидкого ископаемого топлива привели к повы­шению цен на него. Эти цены так возросли, что в большинстве развитых и развивающихся стран пришлось получать жидкое топливо из альтернативных местных источников.
3. В будущем возможность максимального извлечения нефти из разведанных месторождений сырой нефти будет зависеть от синтеза новых химических соединений, позволяющих увеличить нефтедобычу.

Попытки решения тех проблем, которые указаны в первом примере, привели к интенсивному развитию исследований и раз­работке методов получения белка одноклеточных организмов. Для решения второй задачи потребовалось создание эффектив­ных способов превращения возобновляемых местных источников биомассы в этанол и/или метан. Для решения третьей из упо­мянутых проблем сначала попытались использовать синтетиче­ские полимеры, но не получили желаемого результата; тогда основные усилия были направлены на поиски и производство биополимеров, по своим свойствам пригодных для повышения нефтедобычи.

Экономический эффект любой из этих программ определялся и продолжает определяться тем, как долго будет существовать спрос на тот или иной продукт, а также тем, не изменится ли политическая ситуация и, следовательно, те предпосылки, кото­рые использовались для оценки спроса.

Приведем три примера микробиологических производств, по­явившихся в результате открытия нового пути синтеза новых продуктов и никак не связанных с проблемами спроса. Речь идет о предложениях по использованию для производства пласт­масс поли-р-гидроксимасляной кислоты, синтезируемой Alcaligenes eutrophus о получении эмульгаторов при участии многих бактерий, окисляющих углеводороды; об инсектицидах, проду­цируемых Bacillus Ihuringiensis.

Взаимоотношения между биотехнологами и химиками-техно­логами лучше всего прослеживаются на примере производства основных продуктов промышленных микробиологических про­цессов. В химической промышленности различают продукты тонкого химического синтеза, продукты маломасштабного и ва­лового синтеза. При создании производственных установок для получения продуктов, относящихся к каждой из этих трех ка­тегорий, используются совершенно разные подходы. Продукты тонкого химического синтеза получают обычно в реакторах пе­риодического действия, используемых также и для производ­ства многих сходных веществ. Чаще всего производительность одной установки лежит в интервале 100 кг/г.— 100 т/г. Значи­тельную часть стоимости продукта составляют затраты на очистку и анализы, направленные на то, чтобы по своему ка­честву продукт соответствовал предъявляемым к нему требо­ваниям. Согласно принятой классификации, к продуктам тон­кого химического синтеза микробного происхождения относятся вакцины, витамины, б'-нуклеотиды, некоторые аминокислоты, антибиотики и ряд ферментов, предназначенных для использо­вания в медицине. Химические продукты маломасштабного син­теза обычно производятся в количестве 100 т/г. — 20 000 т/г. Ча­ще всего к их качеству предъявляются менее строгие требова­ния, чем к качеству продуктов тонкого химического синтеза. Обычно их получают на установках, предназначенных толька для данного продукта, однако непрерывный процесс при этом используется не всегда. К продуктам данной категории, произ­водимым микробиологическим способом, относятся глутамино­вая кислота, широко использующаяся как усилитель вкуса, ан­тибиотики, применяющиеся для защиты сельскохозяйственных культур, ферменты, предназначенные для использования в про­мышленности, органические кислоты, в частности лимонная, мо­лочная и глюконовая; раньше сюда же относили такие раство­рители, как ацетон и бутанол. В эту же категорию можно вклю­чить многие пищевые продукты и напитки, полученные путем ферментации. И наконец, продукты третьей категории произво­дят обычно на установках непрерывного действия, производи­тельность которых превышает 20 000 т/г. В этом случае рыноч­ная стоимость продукта определяется простотой его получения и общей производительностью установки, а не жесткими тре­бованиями к качеству. К этой категории продуктов микробного происхождения принадлежат БОО, различные виды топлива, например биогаз (метан), спирт, использующийся как горючее (этанол), и биополимеры, применяющиеся для более полного извлечения нефти. Кроме того, валовым продуктом можно, ко­нечно, считать и воду, сбрасываемую из установок для биоло­гической очистки сточных вод и отходов, где идут самые круп­номасштабные непрерывные микробиологические процессы. В этих случаях конечный продукт не имеет обычно прямой экономической ценности, но крайне важен для благополучия и процветания общества. C увеличением масштабов производ­ства расширяются и взаимосвязи между биотехнологией и хи­мической технологией. Однако даже при получении продуктов тонкого химического синтеза эти взаимосвязи должны стать еще более глубокими, если мы хотим разработать особо эффек­тивные технологии.

Основная задача практической химической технологии со­стоит в создании производственных систем, с помощью которых, используя достижения науки и техники, из сырья и материалов можно экономичным путем получать продукты, пользующиеся спросом. В биотехнологических процессах применяется специ­альное оборудование для превращения сырья в готовую продук­цию с помощью биохимических реакций, фазовых переходов, агломерации, разделения, экстракции, высушивания и т. д.

Предприниматель, вкладывая капитал в какую-либо отрасль, ставит своей целью получить максимальную прибыль. Если для производства какого-то продукта предполагается использовать микробиологический процесс, то прежде всего необходимо срав­нить его с альтернативными процессами, а в некоторых случа­ях— ис другими источниками получения этого продукта (на­пример, если речь идет о белковых ингредиентах кормов, то это может быть сельское хозяйство).

Экономическая оценка промышленного производства и про­изводственных взаимосвязей, имеющая важнейшее значение, со­пряжена со многими трудностями. Методика при этом, как пра­вило, такова, что оценки занижаются по сравнению с требова­ниями, выдвигаемыми лицами, которые желают оценить то или иное производство или каналы перемещения капиталов. Однако излишняя жесткость в оценке перспективности нового производ­ства может привести к тому, что эта сфера деятельности пере­станет представлять для конкурентов коммерческий интерес.

В зависимости от степени финансового риска общую сумму капиталовложений в любое производство можно разделить на три части: 1) основной капитал в сфере непосредственной обра­ботки сырья, т. е. капиталовложения внутри отрасли; 2) капи­таловложения во вспомогательные подразделения, т. е. инвести­ции за пределами отрасли; 3) оборотный капитал.

Взятые вместе, эти капиталовложения составляют сумму, которой рискует предприниматель, осваивающий новую сферу производства. Наибольшая степень риска соответствует основ­ному капиталу, наименьшая — оборотному.

Накладными расходами называются затраты, связанные с бесперебойным функционированием производственного процес­са. Их тоже можно разделить на три части: 1) расходы, про­порциональные основным капиталовложениям, т. е. затраты на эксплуатацию, страхование и управление; они не зависят от производительности труда и могут быть выражены в процентах от основного капитала; 2) расходы на сырье, коммунальные службы, химические реактивы и прочие материалы; расходы, связанные с контролем за качеством, финансовыми операциями, покупкой патентов, лицензий и технологий; эти затраты зависят от производительности; 3) прямые затраты на содержание управленческого персонала, включающие помимо выплаты жа­лования административные накладные расходы и расходы на надзор.

Валовая прибыль, получаемая в результате функционирова­ния конкретного предприятия, исчисляется как разность между чистым годовым доходом (за вычетом издержек обращения, премий и издержек сбыта продукции) и годовой суммой себе­стоимости. Чистая прибыль — это ожидаемая выручка за год за вычетом амортизации и налогов. Амортизационный регла­мент порой очень сложен, его условия оговариваются государ­ственными инстанциями и зависят от местоположения пред­приятия; зачастую налоговые стимулы требуют оптимизации разрешенного амортизационного регламента.

Оценивая возможность увеличения рентабельности производ­ства путем интеграции и оптимизации производственного про­цесса, необходимо отчетливо понимать, какие технологические факторы наиболее важны с точки зрения экономики. В случае микробиологического производства это могут быть либо соб­ственно микробиологические, либо производственно-технологиче­ские факторы. Прежде чем мы перейдем к их рассмотрению, попытаемся вначале пояснить, что понимается под интеграцией производства.

В рамках традиционной практики проектирования производ­ства при разработке путей оптимизации отдельных процессов почти не уделяется внимание их интеграции в единое производ­ство. За последнее десятилетие во многих странах несколько раз резко повышались цены на сырую нефть — главный источ­ник энергии для промышленности —и нефтепродукты. До этих акций — в значительной степени политических — в основе стра­тегии нефтеперерабатывающей промышленности лежала пред­посылка, согласно которой стоимость продукта должна снижать­ся с увеличением масштабов производства. Рост цен на топливо и сырье, а также связанное с этим удорожание строительства предприятий привели к тому, что этот принцип едва не рухнул; становилась все более очевидной необходимость интеграции производства для снижения капиталовложений и экономии энер­гии и сырья. Интеграция производства может охватывать как выпуск изделий в рамках внутриотраслевой технологии, так и взаимосвязь между производствами внутри отрасли и вне ее. Мы остановимся подробнее на первом варианте. Однако вна­чале сделаем несколько замечаний по поводу взаимосвязей вто­рого типа, особенно характерных для промышленного микро­биологического производства: в чем трудность развития таких взаимосвязей на предприятиях, первоначально созданных для валового химического производства, на основе обычной техно­логии?

Промышленные микробиологические процессы протекают в основном при низких температурах, обычно ниже 40 °C. Для этого необходимо много воды (как в качестве хладагента, так и в качестве высокочистого рабочего тела), а также значитель­ные количества высокочистого рабочего пара и воздуха. Сырье и готовые продукты должны храниться в условиях, при которых их загрязнение было бы минимальным. На предприятиях мик­робиологической промышленности предъявляются повышенные требования к гигиене производства. Необходимо особым спосо­бом перерабатывать отходы и осуществлять серьезный контроль за качеством продуктов. Все эти условия очень трудно выпол­нить на типовых предприятиях для валового химического син­теза, в частности на нефтехимических заводах. Для этого при­ходится— в основном в пределах отрасли — проводить сущест­венную перестройку производства, что требует новых капитало­вложений и приводит к увеличению финансового риска. В целом экономика микробиологического производства явно улучшается, когда несколько таких производств обслуживаются централи­зованными мощностями, должным образом оптимизированными и ориентированными не. только на узкие внутриотраслевые нужды.

Наиболее важными для промышленного микробиологическо­го производства являются следующие микробиологические фак­торы: 1) коэффициенты выхода продукта или продуктов; 2) ско­рости роста и/или скорости получения конечного продукта; 3) сродство культуры-продуцента к углеродным энергетическим субстратам; 4) стабильность и неприхотливость культуры про­дуцента.

К наиболее важным технологическим факторам относятся: 1) конверсия сырья и степень конверсии; 2) производительность; 3) концентрации продукта.

В высокотехнологичных и рентабельных процессах эти мик­робиологические технологические факторы тесно взаимосвя­заны.

Принципы и методология изучения рентабельности химиче­ских предприятий обсуждались Раддом и Уотсоном (Rudd, Wat­son, 1968).