Гибрид кастрюли с вентилятором

Новосибирские инновации полетят в космос

Нина Пашкова, Сибкрай.ru

Лет десять назад Европейское космическое агентство выделило 25 миллионов евро на разработку биореактора, который бы мог работать в условиях невесомости. До сей поры в ЕКА с этой задачей не справились. Кольцовская компания «Центр Вихревых Технологий» придумала и создала прототип такого аппарата для российской космонавтики совершенно бесплатно, на чистом инновационном энтузиазме.

Авторы этой разработки в шутку говорят, что всего лишь «скрестили кастрюлю с вентилятором». Когда они рассказывают о своей технологии специалистам и коллегам из других регионов и стран – те не верят: этого не может быть, потому что не может быть никогда. Когда показывают – коллеги и специалисты удивляются: надо же, до чего просто, как мы сами до этого не додумались!

Вихревые технологии действительно на первый взгляд очень просты. А еще – очень дешевы и позволяют снизить энергозатраты на производство в пять-десять раз. При этом могут использоваться практически во всех отраслях, от нефтехимии до биомедицины, а сейчас еще к тому же готовятся полететь в космос. В общем, пожалуй, не будет преувеличением сказать, что компания «Центр вихревых технологий» из наукограда Кольцово действительно совершила своего рода переворот. Переворот в одном из самых важных и основополагающих процессов, без которого не может обойтись практически ни одно современное производство.

Как приручали торнадо

Юрий Рамазанов уверен, что, как рукописи не горят, так и хорошие разработки не пропадают. Многие его коллеги могли бы с этим поспорить – тем более что история дает нам тьму обратных примеров. Но собственный опыт директора ООО «Центр вихревых технологий» доказывает, что он все-таки прав.

Идея, которая легла в основу создания газо-вихревого биореактора, появилась еще лет двадцать назад. Ученые ГНЦ ВБ «Вектор» столкнулись с проблемой культивирования живых клеток. Их рост и размножение в ферментере происходят лишь в процессе перемешивания. Абсолютное большинство имеющихся аппаратов либо действуют по принципу миксера, либо используют продуваемый через жидкость воздух. И тот, и другой способы слишком травматичны для нежных клеток. Группа разработчиков «Вектора» предложила биологам принципиально иную технологию.

«Лучшие процессы уже придуманы природой, – поясняет Юрий Рамазанов. – Достаточно «подсмотреть» и использовать. Мы взяли на вооружение принцип торнадо. Это мощный вихрь, который обладает огромной энергией и уникальными свойствами – может поднимать корабли и сносить дома, а может мягко перемешивать. Мы тоже создаем управляемый вихрь над поверхностью жидкости – причем силу и скорость можем задавать любые».

Воспользоваться новым аппаратом ученым «Вектора» тогда так и не пришлось: исследования по этой тематике, как и по многим другим, практически прекратились. С верой в то, что рукописи не горят, а хорошие разработки не пропадают, авторы газо-вихревого биореактора решили забрать свою идею и создать частную компанию.

Шел 1994 год, один из самых тяжелых для российской науки. И сколько еще впереди таких лет, не знал никто. Рамазанов и его соратники выпускали свои аппараты на собственные средства и… раздавали их институтам, в основном московским. Правда, отдавали не насовсем, а так сказать, «поиграть». У исследователей денег не было, а поработать на новом оборудовании хотелось. Так что в течение нескольких лет частники в буквальном смысле слова спонсировали отечественную науку.

Впрочем, отдача от такого одностороннего сотрудничества все же была. Вихревые реакторы прошли испытания, что называется, «в полевых условиях» и постепенно обрели признание. Появились публикации в научных журналах, вышла монография. А ведь поначалу никто даже не верил, что воздухом всерьез можно что-то перемешивать…

Период от лабораторных испытаний до промышленного внедрения в инновационном бизнесе называется «долиной смерти»: девять из десяти проектов до внедрения просто не доживают. Эту «долину» разработчики газо-вихревого биореактора преодолевали почти десять лет. В 2003 году томское НПО «Вирион» заказало команде Рамазанова аппарат на 300 литров для производства вакцины против клещевого энцефалита.

Здесь, пожалуй, стоит сделать небольшое отступление, чтобы была понятна суть дела. В настоящий момент для изготовления многих вакцин используют роллеры – стеклянные бутыли объемом пять-семь литров. В стерильном помещении при специально поддерживаемой температуре роллеры – нет, не стоят, а постоянно движутся, вращаются, как на колесе обозрения, чтобы внутри происходил процесс перемешивания. В роллерах «зреют» клетки, которые потом будут заражены вирусом. Причем что именно там, в роллерах, выросло – надо еще проверить. Поэтому содержание каждой бутыли должно быть тщательно исследовано. Исследования проводятся на мышах…

В общем, процесс это долгий, сложный, кропотливый, и результат получается очень недешевый. Газо-вихревой биореактор позволяет работать с объемом не пять, а триста литров, и при этом необходимые для роста клеток условия поддерживать не хуже, а даже лучше, чем в роллерах. Стоимость препарата сразу снижается в несколько раз.
Поэтому неудивительно, что НПО «Вирион» ухватилось за эту технологию. И в принципе, оснастившись газо-вихревыми биореакторами, томское предприятие могло бы обеспечивать своей вакциной всю Сибирь и весь Дальний Восток. Тем более что отечественного препарата не хватает и приходится закупать его за рубежом. Но переоснащения не произошло, и проблема с отечественной противоклещевой вакциной осталась до сих пор.

Наш автомобиль против импортной телеги

Как бы то ни было, для компании сотрудничество с «Вирионом» стало первым настоящим успехом, первым опытом промышленного внедрения. А на рынке инноваций это самое главное.

«К кому из производственников ни обратишься – тебе говорят: покажите, где это у вас работает, – поясняет Рамазанов. – И их можно понять. Никто не хочет быть первым и рисковать. А вот если где-то уже попробовали и получили результат – тогда другое дело».

И еще один немаловажный момент: для производства вакцины на НПО «Вирион» использовались клетки фибробластов эмбрионов курицы, а это значит, что новосибирские инноваторы прикоснулись к новым, клеточным технологиям.

«Получилось так, что мы сразу вошли в прорывное направление, – говорит Юрий Рамазанов. – На наших аппаратах стали промышленно работать с эмбриональными клетками, пусть пока только птицы, а не человека».

Постепенно, один за другим у команды Рамазанова стали появляться заказчики – Армавирская биофабрика, питерское предприятие «Биотроф», ООО «Геленпол» в Обнинске, ООО «Агровет» в Белгороде. И наконец, новосибирской разработкой заинтересовались за рубежом.

Казалось бы, Беларусь – не бог весть какая заграница. А между тем маленькой новосибирской компании пришлось столкнуться с весьма жесткой конкуренцией со стороны зарубежных лидеров рынка.

«Это вообще эпопея была, как нас импортные ребята душили, – вспоминает Рамазанов. – Витебская биофабрика – одно из крупнейших биотехнологических предприятий в Европе. Нас туда пригласили, мы на наших аппаратах отработали их производственную программу – и сразу показали результаты куда лучше, чем фабрика получала до этого. К тому же беларусы были очень довольны, что вместо роллеров теперь можно использовать наши биореакторы. Но не тут-то было. Крупные зарубежные поставщики взялись во что бы то ни стало помешать нам выиграть тендер. То одни конкуренты пытались выдать свое оборудование за газо-вихревые биореакторы – хотя такие аппараты во всем мире выпускаем только мы. То другие присылали поддельные отзывы на фальшивых бланках – о якобы негативных результатах работы наших установок. Эта почти детективная история длилась два года. Но в итоге победа осталась за нами: несмотря на все внешнее противодействие, Витебская биофабрика была оснащена нашими аппаратами».

Столь нервная реакция на появление потенциальных конкурентов со стороны крупных зарубежных компаний вполне объяснима. Создание новых, более дешевых, экономичных и эффективных технологий существующие игроки воспринимают как угрозу. Ведь речь идет уже не об упущенной сиюминутной выгоде, не об одном неподписанном контракте, а в перспективе об утрате рынков сбыта.

«Наши аппараты реально на голову выше, чем у конкурентов. Выше по совокупности технических характеристик, по своим возможностям. Это просто другой класс, другой тип оборудования, – поясняет Рамазанов. – Все равно что сравнивать телегу и автомобиль: у нас – уже автомобиль, у них – все еще телега. Получается, что мы вышли на рынок, очень серьезный, очень тесный, давно поделенный рынок с принципиально новым продуктом. Газо-вихревой биореактор по всем параметрам бьет установки прежней конструкции. При этом наш аппарат еще и универсален – в нем одинаково успешно можно выращивать любые типы клеток и микроорганизмов. Другие конструкции промышленных биореакторов в основном специализированы для отдельных культур».

Коллекция сенсаций

Компания «Центр Вихревых Технологий» в январе этого года стала резидентом «Сколково». Могла бы стать дважды резидентом – но об этом чуть позже. А пока проект создания программно-аппаратного комплекса для препаративной наработки стволовых и других аутологических клеток человека уже прошел две экспертизы, и фонд «Сколково» готов его профинансировать, правда, только частично – по сколковским правилам проекту нужен соинвестор.

Да, тот самый первый, давний опыт работы компании с клеточными технологиями в конце концов выстрелил. Как-то раз на одной из выставок – а команда «Центра Вихревых Технологий» участвует во многих инновационных форумах, и в России, и за рубежом, – к новосибирским инноваторам обратились с вопросом: а стволовые клетки человека на вашем аппарате можно вырастить? «Почему бы и нет? У нас все растет! Еще не было такого, чтобы что-то не выросло», – с завидной самоуверенностью отвечал Юрий Рамазанов.

Вообще-то клеточные технологии – это сегодня передний край медицинской науки. Возможность лечить человека вместо химических препаратов, имеющих кучу противопоказаний и побочных эффектов, его собственными, родными клетками решает множество проблем. Клеточная терапия – одна из главных составных частей той персонализированной медицины, о которой все сегодня говорят. А кое-кто уже и занимается. Правда, стоят эти методы очень и очень дорого. Главным образом потому, что наработать нужные клетки в нужном количестве – задача чрезвычайно сложная. Сейчас их выращивают в крошечных флакончиках по 5-10 миллилитров. Для экспериментов этого, может быть, и достаточно, а вот для массового лечения людей требуются совсем другие объемы.

И вот московские биологи из Института общей генетики РАН, с которыми директор «Центра Вихревых Технологий» познакомился на той самой выставке, доктора наук Сергей Киселев и Мария Лагарькова, попробовали вырастить на газо-вихревом биореакторе стволовые клетки человека. Точнее – эмбриоидные тельца из культуры эмбриональных стволовых клеток линии hESM03. Результат превзошел все ожидания. Затем, уже на базе Клиники Мешалкина, была выращена на носителях мононуклеарная фракция – аутологические клетки костного мозга, взятые от донора. Любой специалист вам скажет, что это вообще высший пилотаж.

И хотя это были всего лишь эксперименты и выращенные клетки не могли быть использованы для лечения, но сама возможность стандартного получения человеческих стволовых клеток в препаративных количествах – уже без минут сенсация мирового масштаба.

А вот и сенсация номер два. И если вам кажется, что сенсаций в нашей истории избыток, то потерпите – это тот случай, когда из песни слова не выкинешь. Вспоминает Юрий Рамазанов: «Еще в 2002 году мы провели эксперимент: микродвижком мощностью 17 ватт попробовали перемешать 75 литров жидкости. И что удивительно – нам это удалось! Тогда мы эти цифры афишировать не стали – мало ли что может получиться в лабораторных условиях. Надо было повторить эксперимент на большем объеме. И вот этим летом мы сделали аппарат на 10 кубов. Совместно со специалистами НПО «Вектор» и независимым экспертом сняли показания затрат мощности. Оказалось, что для перемешивания десяти кубометров воды на газо-вихревом биореакторе достаточно двигателя мощностью всего один (!) киловатт».

Для тех, кто не знает: считается, что для механического перемешивания одного литра требуется около 1 ватта. Самые современные и энергоэффективные аппараты тратят 0,5 Вт. В любом случае получается, что газо-вихревые установки дают экономию электроэнергии в пять-десять раз. Не на проценты, не на десятки процентов (мечта любого производственника) – а на порядок! Какое удешевление себестоимости продукции, какое сбережение ресурсов и какое снижение нагрузки на экологию это может дать – пусть считают специалисты.

Билл Гейтс не догонит

Где могут применяться вихревые технологии? Везде, где есть процессы перемешивания. Проще сказать, где они не применяются. У новосибирских инноваторов просто руки не доходят, чтобы пробовать и предлагать свои установки в разных областях науки и техники. А ведь, к примеру, нефтяная промышленность или нефтехимия – это вообще Клондайк.

«Но, – улыбается Юрий Рамазанов, – еще Козьма Прутков говорил: нельзя объять необъятное. Нам бы закончить те проекты, за которые мы уже взялись».

А проектов действительно хватает. И некоторые, не хуже нефтянки, вполне могут стать новым Клондайком. Ну, например – промышленное выращивание микроводорослей. Тема, которая, как утверждает директор «Центра Вихревых Технологий», в недалеком будущем станет одной из ключевых в новой экономике. Тема, в которую сегодня вкладывают сотни миллионов долларов богатейшие компании мира – Boeing, De Beers, Nestle и сам Билл Гейтс. Потому что микроводоросли – это, во-первых, белок, то есть пища, а во-вторых – биотопливо, то есть энергия. Два кита, на которых держится современная цивилизация.

«У микроводорослей самая высокая скорость прироста биомассы, – рассказывает Рамазанов. – Причем все, что им нужно для размножения, – это углекислый газ, солнечный свет и вода, лучше даже загрязненная. То есть все ресурсы фактически бесплатные и неисчерпаемые. А выделяют микроводоросли чистый кислород – процесс фотосинтеза все мы помним из школьной программы. Ведь на самом деле «легкие планеты» – это не джунгли Амазонки, а мировой океан».

Понятно, что все мечтают выращивать микроводоросли отнюдь не ради кислорода. Хлорелла, спирулина и прочие виды фитопланктона – это сырье для получения огромного количества самых разных продуктов, от косметики до удобрений. Можно даже в колбасу добавлять в качестве растительного белка – что, кстати, гораздо полезнее генно-модифицированной сои. Сейчас мы ту же спирулину покупаем в аптеках в качестве биодобавки, а в скором будущем станем употреблять как компонент обычных пищевых продуктов.

Проблема в том, что пока никто – ни De Beers, ни Boeing, ни остальные – не создал достаточно дешевой промышленной технологии выращивания микроводорослей. В природе фитопланктон живет и размножается только на поверхности воды – ведь ему необходим солнечный свет. Слой микроводорослей не может превышать 4 сантиметров – глубже фотоны просто не проникают. Но нельзя же построить производство площадью с мировой океан. Значит, надо искать другие решения. До сих пор ни одна конструкция аппарата для выращивания микроводорослей справиться с этой проблемой не могла. А вот газо-вихревой биореактор справляется легко. Более того, эти аппараты можно делать плавающими и устанавливать в бухтах крупных городов, тогда затраты на производство вообще будут ничтожны.

В лабораторных условиях аппарат на 500 литров оправдал все ожидания. Теперь команда «Центра Вихревых Технологий» хочет опробовать большую установку – на 10 кубов, только пока не решила, где. Лучше всего, конечно, в Юго-Восточной Азии, там условия в смысле климата оптимальные. Переговоры об этом с Сингапуром уже ведутся. Впрочем, есть и другие варианты – поближе. Например, можно попытаться выращивать микроводоросли на новосибирских ТЭЦ, там есть и вода, и тепло, и свет – не хуже, чем в Сингапуре.

Еще одно направление для развития вихревых технологий – пусть не столь ослепительно-блестящее в будущем, зато уже применимое в настоящем, – глубокая переработка зерна.

«Мы гоним за границу сырое зерно точно так же, как гоним сырую нефть. А ведь куда выгоднее продавать продукцию с высокой добавленной стоимостью», – сетует Юрий Рамазанов.

Сегодня в России нет ни одного современного завода по глубокой переработке пшеницы. А между тем в основу такого производства могла бы лечь кавитационно-вихревая технология ферментативного гидролиза крахмала. Команда Рамазанова создавала ее совместно с кандидатом химических наук Владимиром Аксеновым и СибНИПТИП СО РАСХН. Эта технология позволяет получать из крахмала патоку, глюкозу, глюкозо-фруктозный сироп, вот только фруктозу пока не пробовали, но в принципе тоже можно.

«Причем у нас все процессы проходят значительно быстрее, технологичнее, а затраты энергии в разы меньше, чем на аналогичных производствах за рубежом», – говорит директор компании.

Дело в том, что в аппаратах с механическими приспособлениями по типу миксера перемешивание крахмальной суспензии идет постепенно, от центра к краям, фермент не успевает распределиться по всей емкости, и в какой-то момент крахмал может просто застыть и схватиться, как цемент. При использовании вихревых технологий такие неприятные казусы исключены: рукотворное «торнадо» захватывает сразу весь объем и перемешивание происходит быстро и равномерно.

Технология представляется настолько эффективной и экономичной, что ею заинтересовались в РОСНАНО. И даже готовы были наполовину профинансировать внедрение крупнотоннажной опытно-промышленной установки, если бы вторую половину взял на себя какой-нибудь крупный зернопереработчик.

Сейчас небольшие аппараты – на 200 литров – действуют в Новосибирской области на племзаводе «Ирмень». Чуть покрупнее – на 2,5 кубометра – в прошлом году установлен на мини-заводе по производству кормовой патоки в Республике Татарстан.

«Но чтобы предприятие было с хорошей экономикой, ему нужно иметь модули объемом по крайней мере 20-25 кубов и выпускать 130-150 тонн готовой продукции в сутки. Меньше – просто неинтересно», – считает Юрий Рамазанов.

Правда, пока производителей, готовых установить и испытать у себя такой модуль, не нашлось.

Пиво для космонавтов

Сколько у ООО «Центр вихревых технологий» наград, медалей и побед во всяких инновационных конкурсах – наверное, даже в самой компании вам навскидку не скажут. Но есть среди них такие, которыми не грех и похвастаться. В прошлом году, к примеру, получили золотую медаль и диплом «За лучшую инновацию» на Международной выставке изобретений «GENEVA» в Женеве. Это один из самых авторитетных и представительных инновационных салонов в Европе. В ноябре планируют представить свой проект комплекса для наработки стволовых клеток на Первом Международном форуме технологического развития «ТЕХНОПРОМ–2013» в Новосибирске.

Между прочим, участие в подобных мероприятиях приносит компании не только призы, но и полезные контакты, и деловые предложения, и новые интересные идеи. Например, идею поработать для… российского космоса.

А дело было так. На одной из выставок «Мир биотехнологий» в Москве к нашим инноваторам подошли сотрудники Института медико-биологических проблем – того самого, что работает с Центром подготовки космонавтов. «Скажите, а ваш аппарат может работать в условиях невесомости?» – «Надо подумать…»

Думали недолго. Буквально через неделю главный конструктор компании Андрей Репков уже предложил остроумное решение. Для начала новую конструкцию проверили на земле. Москвичам понравилось…

На вопрос, для чего могут быть нужны вихревые технологии в космосе, авторы разработки отвечают – для всего. Для жизни. Для работы. Для научных экспериментов.

Хотите пример? Пожалуйста. Из области чисто бытовых проблем. Космонавты на станции в целях гигиены применяют бумажные и марлевые салфетки. И куда использованные салфетки потом девать? Сейчас их за неимением лучшего просто отстреливают на орбиту. А можно – разлагать, микробиологически перерабатывать, получая из целлюлозы разные, в том числе пищевые продукты. И здесь реакторы, способные перемешивать жидкость в невесомости, просто незаменимы.

Из области проблем медицинских. Космонавты за время работы на станции начинают страдать дисбактериозом: воздух – стерильный, пища – стерильная, откуда взяться микроорганизмам? И у врачей появилась идея, что вообще-то от дисбактериоза могло бы неплохо помочь… свежее пиво. Понятно, что с земли его захватить не удастся, придется варить прямо на орбите. От идеи с пивом, правда, все-таки решили отказаться, а вот вариант с квасом оказался вполне приемлемым. И здесь не обойтись без процессов перемешивания.

Да, собственно, и выращивание микроводорослей как источника кислорода и белка – тоже для космоса весьма актуальная задача. А что касается космических научных исследований, тут для использования вихревых технологий уже просто нет границ.

Прототип космического реактора новосибирские инноваторы создали бесплатно, на чистом энтузиазме, а в дальнейших работах финансовую поддержку им оказали ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг» и руководство Республики Татарстан. И между прочим, именно с этой разработкой «Центр Вихревых Технологий» едва не стал второй раз резидентом «Сколково». В космическом кластере очень заинтересовались аппаратом для работы в невесомости. Но команде Юрий Рамазанова пришлось отказаться от лестного приглашения – они уже выбрали биомедицинское направление.

Месяц назад новый космический реактор отправили в Центр подготовки космонавтов для проведения полетных испытаний.

«Нас спросили – будете сопровождать свою установку на борту? Мы сгоряча ответили – да! Но жены не пустили, – признается Юрий Рамазанов. – Мол, нечего вам делать в небе…»

И жены, пожалуй, правы. Разработчикам газо-вихревого биореактора есть чем заняться и на земле. Еще остается столько отраслей, предприятий, регионов, где могут быть внедрены и принести свою пользу, производственный результат и экономический эффект вихревые технологии. И не исключено, что когда-нибудь «гибриду кастрюли с вентилятором» предстоит изменить мир…

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
25.10.2013