Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | 3 | О.В.Мосин.
ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Общая принципиальная схема любого биотехнологического производства включает какой-либо биообъект (или их ассоциацию) и питательную среду (культуральную жидкость, растворы, подлежащие обработке). Целевым продуктом оказывается либо биомасса клеток (тканей), либо метаболит. Поэтому, в каждом производстве отходом могут быть эти же компоненты — клетки (ткани) и культуральные жидкости после извлечения из них нужных метаболитов.
Если условно принять скорость удвоения каждой генерации, например, микробной клетки весом 4 •10 -10 мг, в течение 20 минут, то за двое суток возникло бы 2144 клеток или, примерно, 8 • 10131 г, или 8 • 10125 т. Эта величина примерно в несколько тысяч раз превышает вес Земного шара. Но этого не происходит, поскольку в процессах биологической технологии на размножение биообъектов влияют многие факторы, ограничивающие такой безудержный прирост биомассы клеток. Однако в случаях с производством пенициллина расчеты подтверждают возможность получения 2 т сухого мицелия через ряд генераций пеницилла в течение 10—12 дней выращивания при первоначальном засеве 10 -5 г спор гриба с доведением объема влажной культуры до 100 м 3.
Даже при использовании биомолекул (например, ферментов) в иммобилизованном состоянии своеобразная двухкомпонентность системы сохраняется. Метаболиты будут в растворе, носитель с биомолекулами остается в твердом состоянии.
При наличии крупномасштабных биотехнологических производств возникают проблемы общего и частного характера. К ним можно отнести:
1) необходимость решения задач по экологическому выравниванию нагрузок, оказываемых производством на окружающую среду:
а) вследствие непомерного потребления природной воды и столь же непомерного количества выбросов во внешнюю среду; только в промышленности расходуется примерно следующее количество воды (в литрах): на 1 т нефти — 10, на одну банку овощных консервов — 40, на 1 кг бумаги — 100, на 1 кг шерстяной ткани — 600, на 1 т сухого цемента — 3500, на 1 т стали — 20000, на 1 т сухих дрожжей — более 100000 литров воды и более 10 т пара; в США ежегодно генерируется более 155 млн тонн городских сточных вод (данные на 1996 год), из них порядка 94 млн. т (65%) легко очищаемых биодеградацией; 23,2 млн. т (16%) — потенциально биодеградируемых и 27,6 млн. т (19%) — не поддающихся очистке с помощью биологических процессов (стекло, металлы, пр.);
б) вследствие подавления и, даже, гибели естественных экосистем вокруг биотехнологических предприятий или выраженно неадекватное популяционное давление одних видов живых существ на другие (например, разрастание цианобактерий в водохранилищах); в) вследствие стрессовых нагрузок на людей, проживающих вблизи крупных биотехнологических предприятий (выхлопные газы, шум, испарения, корпускулярные аллергены в атмосфере и пр.).
2) необходимость сохранения воды, поскольку жизнь связана с водой. К сожалению, даже океаны превращаются в крупнейшие сточные резервуары Земли. Для сравнения можно
назвать прежнее состояние вод и теперь в озерах Ладожском,
Байкале, в крупнейших реках нашей страны; сбросы с рыболовных
кораблей, загрязненные кишечной палочкой, достигают районов
Антарктиды;
3) борьбу с мусором и грязью, поскольку при их наличии восстанавливаются прерванные цепочки: мусор (грязь)-переносчики (крысы, мухи и др.) —инфекционные болезни (чума, кишечные заболевания и др.);
4) борьбу с загрязнением воздуха, в который от предприятий попадает тепло (равно как и в водоемы), жидкие, газообразные, твердые (пыль) отходы — изменяется местный климат, а накопление СО2 в атмосфере от биотехнологических производств вносит свой вклад в "тепловую копилку" в глобальном масштабе;
5) регулирование народонаселения в различных регионах планеты Земля. Биотехнологические производства прямо или косвенно нацелены на обеспечение здоровья людей. Тем не менее, ни с помощью биотехнологии, ни с помощью сельскохозяйственных наук до сих пор не удалось полностью решить проблему недостаточности питания (или даже голода) во многих странах мира. В то же время на Земле каждые две секунды рождается человек и через 20 лет ожидается возрастание народонаселения до 6 млрд. человек. Поэтому эффективность фитобиотехнологических производств, включая другие предприятия агропромышленных комплексов, должна существенно возрасти. При этом уже невозможно увеличить нагрузку на почву пестицидами в целях борьбы за урожайность сельскохозяйственных культур. По общему обороту
химической промышленности государства СНГ занимают второе место после США. В настоящее время в мире вырабатывается около 300 млн. т органических веществ, в том
числе 1,2 млн. т. пестицидов, которые вместе с другими реактогенными химическими веществами, попадающими в среду обитания человека, могут проявлять канцерогенное, мутагенное и токсическое действие. Так называемые "кислотные дожди", выпадающие в различных географических регионах, пагубно сказываются на всем живом.
Качество и количество отходов биотехнологических производств зависит от ряда причин, среди которых можно назвать: характер производства по номенклатуре выпускаемой продукции (например, производство микробного белка, антибиотиков, витаминов, аминокислот, полисахаридов, ферментов и др.); особенности технологии производства — аэробное или анаэробное культивирование биообъекта, в герметизированных или негерметизированных биореакторах, в периодическом, полунепрерывном или непрерывном режимах; объемы производства — малотоннажные (некоторые ферменты) и крупнотонажные (кормовые дрожжи); уровень профессиональной подготовки кадров, занятых в биотехнологических производствах; культуру производства.
Количества отходов всех биопроизводств в мире огромны. Подсчитано, что на одну тонну лимонной кислоты образуется 150—200 кг сухого мицелия Aspergillus niger и 7 м3 фильтрата. При выработке в мире порядка 30000 тонн в год антибиотиков плотные и жидкие отходы составляют исключительно большие величины. Так, с одного пятидесятикубового аппарата при производстве пенициллина может быть получено около 1 т мицелия в расчете на сухую массу. Применительно к комплексной биотехнологии (микробной на базе госпредприятий), в связи с микробной переработкой стоков свинооткормочных комплексов показано, что каждый животноводческий комплекс (54—108—216 тыс. голов скота) ежегодно производит соответственно 0,5—1—2 млн. м3 навозосодержащих стоков. Из 1,5 млрд. т отходов животноводства, получаемых каждый год в нашей стране, большая часть попадает в открытые водоемы, загрязняя окружающую среду. Вот почему бесспорным является утверждение о том, что от состояния окружающей среды во многом зависит выживание человечества. Наука о биологии окружающей среды называется экологией (от греч. oikos — дом, жилище, logos — учение). Она посвящается изучению биологических систем надорганизменного уровня; другими словами, экология — это совокупность или структура связей между организмами и их средой. Ее подразделяют на аутоэкологию и синэкологию. Первая изучает отдельные виды или организмы и их среду обитания, вторая — группы организмов в ассоциациях, составляющих определенные единства во внешней среде.
При общей взаимосвязи всего живого на земле биотехнолог обязан обеспечивать безотходность биотехнологических производств во имя поддержания нормальной экологической ситуации (в месте производства и на расстоянии). Неограниченное истощение водных ресурсов земли и ее непрекращающееся загрязнение могут привести человечество к трагическому концу. Поэтому в любом производстве, в том числе — биотехнологическом, должны использоваться экосистемные (целостные) подходы, девиз которых: "Получай, бери, но не вреди Природе, частью которой ты являешься!".
Неоправданно большие количества отходов в производстве — это значит большая потеря ресурсов, так как отходы нередко представляют собой ресурсы, оказавшиеся не на своём месте. Это приводит к ухудшению состояния здоровья людей (особенно в крупных промышленных центрах).
Обезвреживание отходов биотехнологических производств.
Отходы биотехнологических производств относятся, как правило, к типу разлагающихся в природных условиях под действием различных факторов (биологических — минерализация с участием микроорганизмов, химических — окисление, физико-химических благодаря комплексному воздействию, например, лучистой энергии и химических веществ).
Плотные отходыв биотехнологических производствах представляют собой: микробную массу, отделяемую от культурального фильтрата, поступающего на последующие стадии выделения целевого продукта; шламы (от нем. Schlamm — грязь); растительную биомассу после экстракции из нее действующих веществ (а в случае суспензионной культуры, продуцирующей метаболит в питательную среду, отходом являются клетки); остатки куриных эмбрионов при культивировании, например, вируса гриппа; некоторые тканевые культуры млекопитающих; осадки из сточных вод (ил). Подсчитано, что в коммунальных очистных сооружениях сточные воды от одного горожанина образуют за год около 500 литров ила со средней влажностью 5%. Если городское население в стране составляет 100 млн. человек, то за год накопится 47,5 млн. м3 такого ила. Если сюда приплюсовать почти такое же количество промышленных осадков, включая плотные отходы биотехнологических производств, то необходимо приложить большие усилия и средства для обезвреживания их или утилизации.
Хорошо освоенными биотехнологическими производствами во многих странах мира являются промышленные способы получения пива, дрожжей, вин и др. На примере лишь пивоварения можно указать, что плотными отходами здесь являются дрожжевые клетки (0,25—0,40 кг на 1 гл. пива), солодовая и хмелевая дробины, белковый осадок из сепараторов. Остатки хмеля (хмелевая дробина) и белка содержат горечи, из-за которых они не употребляются в качестве добавок к рационам кормов для животных. Поэтому такие остатки либо сжигаются (что нерентабельно), либо передаются на биологическое обезвреживание.
При оптимальных средах и аэрации биомасса клеток нитчатых грибов и дрожжей может составить 2,5% в пересчете на сухую массу, причем, около 50% в ней приходится на белки.
В спиртовом производстве отходом является барда, состав которой зависит от качества используемого сырья (зерно, картофель). Сугубо усредненные данные по основному составу зерно-картофельной барды представляются следующими: вода — 91— 93%, сухой остаток — 7—9%, в составе которого зольность составляет от 6 до 12%, общий азот 21—23%, липиды — 2—8%, целлюлоза— 9—10%, безазотистые экстрактивные вещества — 50—59%. Отжатая или высушенная барда используется в качестве добавок к корму для сельскохозяйственных животных.
В производстве этанола, пива, хлебного кваса используют солод — пророщенное зерно (ячмень, овес, просо, пшеница, рожь — на спиртовых заводах; ячмень — на пивоваренных заводах; рожь и ячмень — в производстве кваса). В процессах получения солода образуются отходы в форме очисток, сплава, солодовых ростков, которые с успехом используются в животноводстве, а также в целях получения ряда биологически активных веществ (прежде всего — ферментов из солодовых ростков).
Качество плотных отходов диктует выбор метода их обеззараживания. Так, патогенные микробы — продуценты сильных ядов (токсинов) должны быть обезврежены полностью, и, поэтому наиболее эффективный способ для этого — сжигание. Если отходом является биомасса клеток стрептомицетов, то их достаточно убить нагреванием с последующим вывозом на фермы, где она может добавляться в корм скоту (например, уплотненный отход в производстве тетрациклиновых антибиотиков, содержащий белки и витамин B12), вноситься в почву в качестве органического удобрения; можно передавать на общегородские очистные сооружения, а также на метановое брожение.
Если по технологической схеме плотные и жидкие отходы подаются в воду в виде смешанного стока, то вначале осуществляют грубое разделение первых от вторых, затем производят отжим влаги с последующей передачей уплотненной биомассы клеток на обезвреживание вышеуказанными путями.
Аналогичным образом подходят к плотным отходам растительного или животного происхождения — токсичные из них сжигают, не токсичные, по возможности, отправляют на утилизацию.
При обезвреживании плотных отходов в микробиологических производствах лишь убиванием необходимо иметь в виду антигенные особенности такой микробной биомассы (способность вызывать образование антител in vivo) — в любом случае необходимо исключить сенсибилизирующее (от лат. sensibilis — чувствительный) действие ее на макроорганизм во избежание возникновения аллергических заболеваний.
В аэротенках очистных сооружений, где происходит обезвреживание жидких отходов, лимитирующими факторами выступают главным образом качество и площадь биологической пленки, состоящей из микро- и макрофлоры, микро- и макрофауны. В этой связи необходимо быть убежденным, что привносимые плотные отходы, богатые органическими веществами, не приведут к ухудшению работы аэротенков.
При анаэробном метановом брожении практически любые органические вещества (за исключением лигнина) могут выступать субстратами, трансфррмирующимися до метана и диоксида углерода. Метан используют в качестве топлива, углекислоту — в пищевой промышленности в виде "сухого льда". Остающийся плотный остаток после метанового брожения (примерно 40% от первоначального количества) представляет собой гумус, который используют в качестве удобрения при возделывании сельскохозяйственных культур растений. По ориентировочным расчетам (Е. С. Панцхава, 1987; А. X. Авизов, Ю. В. Синяк, 1987), переработка органических отходов в нашей стране могла бы дать 37 млн. т условного топлива в год. На крупнейшей в стране Московской очистной станции ежесуточно перерабатывается 28 тыс. м3 активного ила с получением 700 тыс. м3 биогаза.
Pages: | 1 | 2 | 3 | Книги по разным темам