Биотехнологией называют промышленную технологию получения ценных продуктов из исходного сырья с помощью микроорганизмов. Биотехнологические процессы известны с древних времен; хлебопечение, приготовление вина и пива, сыра, уксуса, молочнокислых продуктов, биоочистка воды и борьба с вредителями растительного и животного мира, обработка кожи, растительных волокон и многое другое, В современном понимании в сферу биотехнологии включают генетическую и клеточную инженерию, цель которых - изменение наследственных механизмов функционирования организмов для управления деятельностью живых существ. Биотехнология тесно связана с технической микробиологией и биохимией. В ней также применяются многие методы химических технологии, особенно на конечных этапах производственного процесса, при выделении веществ, например, из биомассы микроорганизмов.
В основе биотехнологии лежит микробиологический синтез, т. е. культивирование выбранных микроорганизмов в питательной среде определенного состава. Мир микроорганизмов - мельчайших, преимущественно одноклеточных организмов (бактерии, микроскопические грибы, водоросли и др.) - чрезвычайно обширен и разнообразен. Размножаются они чаще всего простым делением клеток, иногда почкованием или другими бесполыми способами.
Микроорганизмы характеризуются самыми разнообразными физиологическими и биохимическими свойствами. Для некоторых из них, так называемых анаэробов, не нужен кислород воздуха, другие отлично растут на дне океана в сульфидных источниках при температуре 250 0С, третьи выбрали себе в качестве среды обитания ядерные реакторы.
Есть микроорганизмы, сохраняющие жизнеспособность в глубоком вакууме, а есть и такие, которым нипочем давление в 1000-1400 атм. Необычайная устойчивость микроорганизмов позволяет им занимать крайние границы биосферы: их обнаруживают в грунте океана на глубине 11 км, в атмосфере на высоте более 20 км. Микроорганизмы широко распространены в природе, в грамме почвы их может содержаться до 2-3 млрд. В микроорганизмах многие процессы биосинтеза и энергетического обмена, например, транспорт электронов и синтез белка, протекают аналогично тем же процессам, что в клетках высших растений и животных.
Однако микроорганизмам присущи и специфические ферментные и биохимические реакции, на которых основана их способность разлагать целлюлозу, лигнин, углеводороды нефти, воск и другие вещества. Существуют микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот, синтезировать белок, вырабатывать множество биологически активных веществ (антибиотики, ферменты, витамины и др.). На этом основано применение микроорганизмов для получения самых разнообразных продуктов. Причем в современной биотехнологии все активнее применяются не целые организмы, а их составляющие: живые клетки, различного рода структуры, яатяющиеся их частями, и биологические молекулы.
Сейчас с помощью биотехнологий получают антибиотики, витамины, аминокислоты, белки, спирты, кормовые добавки для животных, кисломолочную продукцию и многое другое. Интерес к использованию биотехнологий постоянно возрастает в различных отраслях деятельности человека: в энергетике, пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве, химической промышленности и т. д. Это объясняется в первую очередь возможностью применения в качестве сырья возобновляемых ресурсов (биомассы), а также экономией энергии. Например, такие вещества, как аммиак, глицерин, метанол, фенол, производить выгоднее биотехнологией, чем химическими способами.
Перспективным направлением развития биотехнологии является разработка и внедрение в практику микробиологических способов получения различных металлов. Как известно, микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ в природе.
Установлено, что они причастны к процессу образования рудных ископаемых. Так, в начале XX в. на одном старом отработанном медном руднике было обнаружено в откачанном из шахты водном растворе огромное количество меди, которая была произведена бактериями из сернистых соединений меди. Окисляя не растворимые в воде сульфиды меди, бактерии превращают их в легкорастворимые соединения, причем процесс протекает очень быстро. Микроорганизмы способны перерабатывать не только медные соединения, но и другие, извлекать из них железо, цинк, никель, кобальт, титан, алюминий, свинец, висьмут, уран, золото, германий, рений и др. Особенно эффективно использование бактерий на завершающей стадии эксплуатации рудников, при переработки отвалов. Внедрение геомикробиологической технологии позволит вовлечь в промышленное использование труднодоступные, глубинные залежи полезных ископаемых. После соответствующих подготовительных работ достаточно будет погрузить на нужную глубину трубы и подвести по ним к рудной породе биораствор. Проходя через породу, раствор обогатится теми или иными металлами и, поднятый на поверхность, вынесет необходимые природные ископаемые. Отпадет необходимость строительства дорогостоящих шахт, уменьшится нежелательная нагрузка на экологическую ситуацию, высвободятся большие площади земли, занимаемые шахтами, отвалами и обогатительными предприятиями, сократятся расходы на очистку атмосферы и сточных вод, значительно снизится себестоимость добытых полезных ископаемых.
Интенсивное развитие и расширение применения биотехнологических процессов при производстве медпрспаратов, белков и кормов, органических удобрений, продуктов питания на основе брожения, горючих газов и жидкостей, микроорганизмов для очистки жидкой и воздушной среды обитания живого мира является весьма актуальной и высокоэффективной задачей экономики Республики Беларусь.
Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча и большой концентрацией энергии.
Источником лазерного луча является оптический квантовый генератор (ОКГ), работа которого основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Рабочим элементом ОКГ является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия, активированного 0,05 % Сг. Источником света для возбуждения атомов хрома служит импульсная лампа с температурой излучения около 4000 0С. Свет лампы с помощью отражателя фокусируется на рубиновый стержень, в результате чего атомы хрома приходят в возбужденное состояние. Из этого состояния они могут возвратиться в нормальное, излучая фотоны. Вся запасенная в стержне рубина энергия высвобождается почти одновременно в миллионные доли секунды в виде луча диаметром около 0,01 мм. Системой оптических линз луч фокусируется на поверхность обрабатываемой заготовки. Температура луча - около 6000 - 8000 °С
Лазеры нашли широкое применение и, в частности, используются в промышленности для различных видов обработки материалов. Среди множества принципиально новых технологических процессов лазерная технология является одной из самых перспективных. Благодаря направленности и высокой концентрации лазерного луча удается реализовать технологические операции, невыполняемые каким-либо другим способом. С помощью лазера можно вырезать из любого материала детали сложнейшей конфигурации, причем с точностью до сотых долей миллиметра, раскраивать композиционные и керамические материалы, тугоплавкие сплавы, которые вообще не поддаются резке другими способоми. Лазерный инструмент все чаще применяют вместо алмазного, он дешевле и во многих случаях может заменять алмаз.
Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют маломощные лазеры (до 1 кВт). Это небольшие газрвые лазеры импульспо-периодического действия и твердотельные лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима, С помощью этой группы лазеров разработаны технологические процессы выполнил тонких отверстий (диаметром 1 -10 мкм и глубиной до 10-100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности, изготовления волок для протяжки тонкой проволоки, обработки фильер прсссформ.
Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с созданием измерительных систем и приборов, записью и воспроизведением информации, с медицинскими обследованиями и лечением пациентов, резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности. В последние годы в олной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяют на лазерные. Это дает возможность получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15-0,2 мкм. Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (0,01-0,001 мкм), оказывается просто фантастическим.
Лазерные системы широко применяются для измерения шероховатости поверхности, размеров и формы обрабатываемых поверхностей, что повлекло за собой принципиально качественные изменения как в самом технологическом процессе обработки заготовок, так и в конструкции оборудования и средств автоматизации производства.