Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

Жидкие отходы в биотехнологических производствах достаточно разнообразны по своему составу. Это объясняется неполным использованием биообъектами компонентов, входящих в состав питательных сред; наличием веществ (кроме целевых метаболитов), секретируемых клетками; присутствием растворителей, используемых, например, для экстракции конечных продуктов, и т. д. Например, сульфитные щелока, образующиеся на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности в результате гидролиза древесины и используемые для выращивания кормовых дрожжей. Они содержат в среднем 50—60% суль-фоната лигнина, 7—8% сахарных сульфокислот, около 18% различных сахаров, 10% диоксида серы, 8% солей кальция. После значительного удаления сульфита и подготовки щелока (разбавление, внесение некоторых питательных ингредиентов) его используют для выращивания адаптированной расы дрожжевых организмов. Образующаяся клеточная масса здесь является целевым продуктом, а отходом — культуральная среда после отделения дрожжей.

Жидкие отходы дрожжевых заводов, где производят дрожжи на мелассном сусле, содержат органические и минеральные вещества (мг/л): этанол — 0,45, углеводы (в том числе — сбраживаемые) — 1,0, общий азот — 0,8, азот неорганический — 0,13, зольные элементы — 5,4. ВПК таких отходов составляет около 20000 частей О2 на 1 млн., то есть примерно столько, сколько и ВПК для канализационных вод. Отходы, образующиеся от 1000 т мелассы, соответствуют бытовым стокам города с населением около 0,5 млн. жителей. Подобные жидкие отходы подвергают микробиологической обработке (анаэробной или аэробной).

Сточные воды бродильных предприятий неравноценны. Так, одни из них могут быть названы условно чистыми, поскольку они почти не отличаются от потребляемой в производстве природной воды (конденсаты, вода из теплообменников). Другие воды являются загрязненными неорганическими и органическими примесями, попадающими 1) от сырья (загрязнения при транспортировке, мойке картофеля, свеклы), 2) от оборудования (мойка технологической аппаратуры). Чистые воды могут быть использованы повторно в технологических процессах, либо направлены в чистые водоемы; загрязненные воды освобождают от механических примесей, а затем направляют на обезвреживание.

В производстве антибиотиков, кроме воды, используют углеводы и углеводистые продукты, масла, соевую муку, кукурузный экстракт, нитраты, соли аммония, серо- и фосфорсодержащие соединения, возможные предшественники антибиотиков (например, амид фенилуксусной кислоты в качестве предшественника пенициллина; н-пропанол в качестве предшественника эритромицина и т. д.), неорганические кислоты и щелочи, органические экстрагенты и пр.

Отличительной особенностью биотехнологических процессов, основанных на выделении метаболитов из культуралъных жидкостей, является неравновесное соотношение целевого продукта и жидкости (жидкой среды), в которой он содержится (чаще — 1:100, 1:200, то есть 1%, 0,5% и менее). В подобных производствах количество жидких отходов заметно больше, чем плотных. Если последние содержатся в ощутимых количествах в сточной жидкости, то их отделяют, отжимают и обезвреживают (см. плотные отходы).

Сточные воды на госпредприятиях содержат 1—2% органических веществ и 98—99% воды. При использовании микробной обработки таких стоков в аэротенках (например, с участием сапрофитных бактерий из рода Arthrobacter, Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia и некоторых других) можно получать ценные микробные удобрения.

В зависимости от качества сточных вод возможна также их очистка до целесообразного уровня (например, получение оборотной воды, реализуемой повторно в том же биотехнологическом производстве). На рисунке ниже представлена схема биологической очистки сточных вод.

Рис. Схема биологической очистки сточных вод (из книги Н.П. Елинова УОсновы биотехнологииФ, СПб, Наука, 1995)

Растворенные органические вещества можно удалять с помощью активного ила в аэротенках или при аэробной обработке, на биологических капельных фильтрах; нитраты обезвреживают с помощью микробов-денитрификаторов (Pseudomonas spp., Вас. lichemformis, Paracoccusdenitrifleans, Thiobacillusdenitrifleans), соли фосфорной кислоты коагулируют и осаждают. Вновь образующиеся твердые (плотные) осадки концентрируют, обезвоживают (фильтрованием, центрифугированием, отстоем на песчаном слое), а затем сжигают, либо используют в качестве удобрения.

При очистке сточных вод до уровня чистой воды можно выделить следующие фазы: отделение крупных, легко осаждающихся частиц и масляных пленок (грубая очистка), отделение суспендированных частиц и растворенных органических веществ (умеренно тонкая очистка), и, наконец, отделение всех других примесей (тонкая очистка). При грубой очистке воды отделяются частицы размером 100 мкм и более, при умеренно тонкой — от 1 мкм до 100 мкм, при тонкой - от 0,1 нм до 1 мкм.

Тонкой очистки сточных вод последовательно достигают с помощью фильтрации через песчаные слои, хлорирования, фильтрации через активированный уголь, упаривания (жидкостной экстракции, вымораживания, обратного осмоса), ионного обмена. Если в эту фазу образуются осадки (плотные вещества), то их присоединяют к другим осадкам и обрабатывают как сказано выше.

Во всех случаях организации биотехнологических производств необходимо предусматривать раздельные системы стоков — технологических и коммунальных. На данном этапе развития биотехнологических производств далеко не всегда применяют не только тонкую очистку сточных вод, но, более того, известны случаи, когда необработанные стоки от промышленных предприятий поступают непосредственно в водоемы или в почву. В подобных случаях трудно сохранять биологическое равновесие в водоеме — вместо чистой и красивой реки, например, может сформироваться безжизненный, грязный поток жидкости, попадающий в еще больший водоем (озеро, море), где так же могут происходить пагубные изменения. Биологическое равновесие в природном ("живом") водоеме нарушается за счет следующих факторов:

1. изменения степени аэрации воды,
2. возрастания уровня органических субстратов,
3. изменения количества неорганических веществ (фосфор,
   сера),
4. изменения рН,
5. изменения температуры.

Степень аэрации воды заметно уменьшается при попадании в нее стоков, содержащих различные вещества, способные "поглощать" растворенный в воде кислород, иначе говоря, способные окисляться. Маслянистые отходы могут физически мешать проникновению кислорода в водоем. Органические вещества также нуждаются в повышенных количествах растворенного кислорода, идущего на их минерализацию. В такой ситуации органические структуры конкурируют с рыбами и другими водными обитателями за такой кислород, но поскольку поступление загрязненных сточных вод может быть почти непрерывным, то живые существа не выдерживают этой "конкурентной борьбы" и погибают.

Поступление в водоемы больших количеств фосфора и серы приводит в конечном результате к такому же плачевному итогу — образуются плохо растворимые или нерастворимые осадки фосфорных солей и сульфидов [Са2(НРО4)2, Са3(РО4)2; MeS], благодаря чему выводятся из круговорота такие элементы-органогены как фосфор и сера.

Физиологические значения рН и температуры хорошо известны для различных групп организмов. Например, большинство бактерий лучше обитает в водных средах с рН 7,3—7,5; большинство грибов — при рН 5,6—6,5; оптимальная температура для роста мезофильных микроорганизмов соответствует 20—40С с колебаниями в пределах от 10 до 50С, и т. д. Холоднокровные животные относятся к пойкилотермным организмам (от греч. poikilos — различный, terme — тепло), тогда, как теплокровные животные — к гомойотермным (от греч. omoios — подобный, одинаковый) организмам.

Исходя из приведенных данных, можно представить реакцию микро- и макрофлоры, микро- и макрофауны на непрерывные температурные изменения или изменения рН среды обитания. В таких ситуациях нормальные обитатели водоема погибают либо из-за популяционного довления одних видов над другими, либо вследствие невыносимости экстремальных (от лат. extremus — крайний) условий жизни.

Растворимость чистого кислорода в воде составляет 48 частей О2 на 1 млн. частей Н2О при 14С. При такой же температуре и насыщении воды воздухом (содержание О2 в воздухе 20,9%) растворимость кислорода составляет около 10 частей на 1 млн. В естественных водоемах растворимость оказывается еще меньше. Например, в морской воде с соленостью 3,4% растворяется 80% О2 от растворенного в чистой воде, то есть 38,4 части на 1 млн.

Экстраполируя эти данные в пересчетах на концентрации других веществ, можно прогнозировать потери растворенного кислорода в естественных водоемах, куда сбрасываются стоки от биопроизводств, содержащие органические и неорганические примеси. Все это отрицательно сказывается на водных экосистемах. К тому же из-за многокомпонентности стоков, трудностей определения каждого компонента прибегают к анализу плотных остатков, общего азота, органического углерода и биохимической потребности кислорода (ВПК5). Опираясь на фактические данные, полученные в результате проведенных анализов, выдают рекомендации по обработке жидких стоков. ВПК5 означает количество потребляемого растворенного кислорода при инкубации стоков в течение 5 дней и температуре 20С. Растворенный кислород определяют различными методами — химическим, биологическим или физико-химическим. ВПК5 можно выразить в мг О2 на 100 мл или на 1 л пробы, в частях на 1 млн в мл О2 на 1 л пробы при ОС и 1,01 • 105 Па. Если, например, ВПК воды больше 10 частей на 1 млн., то она непригодна для использования человеком. ВПК для неочищенных стоков в производстве пенициллина 32000 частей на 1 млн.

Загрязненные воды и промышленные стоки должны проходить обработку на предмет обезвреживания и очистки перед поступлением их в природные водные резервуары. Наличие в стоках (воде) ингибиторов или токсических веществ для микроорганизмов отрицательно сказывается на правильности измерения ВПК5, а в случае попадания таких стоков в аэротенки или природные накопители, содержащие микрофлору и микрофауну, происходит нарушение процесса их обезвреживания. Из различных токсических веществ и ингибиторов можно назвать соли тяжелых металлов, поверхностно-активные вещества (ПАВ), фенольные соединения и др. Тяжелые металлы необратимо ингибируют ферменты вследствие блокады тиольных групп.

В порядке снижения активности, например, в отношении микромицетов металлы можно расположить в следующем порядке: Аg > Нg > Сu > Cd > Сr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe. Начиная с 1949 г. (в странах Западного полушария) и несколько позже (в нашей стране и некоторых государствах Востока), промышленное производство ПАВ развивалось исключительно быстро — многие из них были включены в состав моющих средств. По заряду их подразделяют на катионные, анионные, амфотерные и неионогенные. Катионные ПАВ содержат гидрофобный радикал типа алифатической цепочки предельных углеводородов, бензольного или нафталинового кольца с алкильным остатком, а также положительно заряженную гидрофильную группу, например, четвертичного аммония, сульфония, фосфония, арсония, йодония. Из них широко известны на практике хлоргексидин биглюконат, цетавлон и другие. Катионными ПАВ являются циклопептидные антибиотики (грамицидин С, полимиксин В, циклоспорин А.

К анионным ПАВ относятся структуры, сходные с катионными ПАВ в гидрофобной части, но имеющие отрицательно заряженную группу — карбоксильную, сульфатную, сульфонатную, фосфатную. По объему производства они занимали (и пока еще занимают) ведущее место среди всех ПАВ.

Доступность ПАВ для деградации микроорганизмами определяется природой. Так, если алифатическая (гидрофобная) часть будет в виде неразветвленной цепи, то такое анионное ПАВ подвержено более глубокой деградации, чем такое же ПАВ, но с разветвленной цепью. В зависимости от характера гидрофильной группы в замещенных бензолах микробы активного ила по-разному разрушают эти структуры. "Биологическую податливость" таких веществ можно расположить в следующем порядке:

С6Н5ОН > СбН5СООН > C6H5NH2 > С6Н5S03Н.

К числу амфотерных ПАВ относятся такие структуры, у которых гидрофильная часть представлена катионной и анионной группами одновременно. Таковым является, например, амфолан.

[СН3-(СН2)11-NH-(CH2)2-NH-(CH2)2-NH-CH2-COOH] • HCI Амфолан (хлоргидрат алкилдиаминоэтилгпицина)

Они меньше других ПАВ используются на практике, и поэтому не возникает особых проблем с их обезвреживанием.

Неионогенные ПАВ типа спанов и твинов, изменяют поверхностное натяжение на границе раздела фаз "жидкость-твердое тело" (применительно к сточным водам), однако они не обладают выраженным губительным действием в отношении различных организмов, но сильно изменяют водные среды по качеству (ценообразование) и по ВПК. Спаны — это сложные эфиры жирных кислот и спирта сорбита: НОН2С—(СНОН)4—CH2OCOR, где R — остаток жирной кислоты. Твины являются сложными эфирами ангидро-сорбита и жирных кислот, алкилированные окисью этилена.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам