Охрана окружающей среды на предприятиях микробиологической промышленности

   Охрана  окружающей среды  на предприятиях микробиологической промышленности 

   Специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких, как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии.

         Экологическая биотехнология – это новейший подход к охране и сохранению окружающей среды при совместном использовании достижении биохимии, микробиологии, генетической инженерии и химических технологии. 

     

   Основные  задачи, которые решает биотехнология  в деле охраны окружающей среды, следующие: 
 
1.Деградация органических и неорганических токсичных отходов. 
2.Возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора и серы. 
3.Получение ценных видов органического топлива.

    
Одно из наиболее важных направлений  биотехнологии – обработка сточных  вод, твёрдых выбросов, контроль за загрязнением окружающей среды и создание безотходных технологий.

   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. Такие как:

1. необходимость решения задач по экологическому выравниванию нагрузок, оказываемых производством на окружающую среду.

   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; 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. 

   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.

   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 отходы в 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).

   Пути  утилизации плотных  отходов:

   Известно, что при отделении мицелия  фильтрованием получают сотни тонн мицелия в год. В нем имеются  и остатки целевого продукта.

   В настоящее  время:

   1. Мицелий  подсушивают и отвозят на городские  свалки (самый примитивный путь  утилизации).

   2. Помещают  мицелий в грунтовые ямы на  бетонный пол, перемешивают с

   почвой  и оставляют на несколько лет  – почвенные микроорганизмы

   перерабатывают  мицелий (этот путь утилизации удобный, но не перспективный).

   Бетонный  пол делают для того, чтобы после  закладки мицелия дождевые воды не вымывали бы вещества из мицелия и они не попадали бы в грунтовые воды.

   Более современные пути утилизации:

   1. Мицелий  можно стерилизовать, перемешивать  и добавлять в корм сельско-хозяйственных животных.

   2. Мицелий  можно добавлять в строительные  материалы (например, в кирпич) –  при этом увеличивается его  прочность.

   3. Из  мицелия можно извлекать определенные  фракции и использовать для  определенных целей (например, из  продуцента тетрациклина можно  извлечь общую липидную фракцию  и использовать ее как детергент  вместо китового жира)

   Жидкие  отходы в биотехнологических производствах достаточно разнообразны по своему составу. Это объясняется неполным использованием биообъектами компонентов, входящих в состав питательных сред; присутствием растворителей, используемых для экстракции конечных продуктов; наличием веществ, секретируемых клетками.

   Жидкие  отходы дрожжевых заводов, где производят дрожжи на мелассном сусле, содержат органические и минеральные вещества: этанол, углеводы, общий азот, зольные элементы. Отходы, образующиеся от 1000 т мелассы, соответствуют бытовым стокам города с населением около 0.5 млн. жителей. Меласса представляет собой густую (плотность 1,38—1,44 г/см3) вязкую жидкость тёмно-коричневого цвета. 

   Подобные  жидкие отходы подвергают микробиологической обработке. Отличительной особенностью биотехнологических процессов, основанных на выделении метаболитов из культуральных жидкостей, является неравновесное соотношение целевого продукта и жидкости. В подобных производствах количество жидких отходов больше, чем плотных.

   Очистка сточных вод.

   Способы очистки сточных  вод: разделяются на механические, физико-химические, биохимические, термические (тепловые).

• Механическую очистку осуществляют в песколовках, отстойниках, центрифугах, флотаторах и фильтрах.

                                          Схема механической очистки сточных вод 

   

• Электрохимические методы очистки обладают рядом существенных преимуществ перед реагентными: не увеличивается солевой состав сточных вод, образуется меньшее количество осадка, упрощается технологическая схема очистки, обеспечивается автоматизация производственных установок, для размещения установок требуются незначительные производственные площади. Недостаток метода - высокие капитальные и эксплуатационные затраты на электродные системы и, образование отложений на них и возникновение взрывоопасных смесей газов. Электрокоагуляцию применяют для удаления из сточных вод тонко диспергированных примесей, для удаления истинно растворенных веществ этот метод не используется.
• Физико-химические методы (коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция и сорбция) применяют для очистки сточных вод от коллоидных и растворенных соединений, количество которых в воде после сооружений механической очистки остается практически неизменным.

               

                       Сооружения для физико-химической очистки сточных вод 

   

• Очистка с  помощью сорбентов. Сорбция - это  процесс поглощения твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. В очистке сточных вод чаще используется ее разновидность - адсорбция - поглощение вещества из воды на поверхности или в объеме твердых тел (сорбентов). Сорбентами могут быть частицы углей, почвы и остатки растений. Если солесодержащие сточные воды не допускается выпускать в водоем, то их подвергают термическому обезвреживанию. Но термическое обезвреживание осуществляется на установках, работающих под давлением или вакуумом. Получаемый конденсат направляют в системы производственного водоснабжения, а солевые отходы вывозят для захоронения.

     

       Модельная установка для                                               модифицированный сорбент

             отчистки сорбентом

• Биохимическая очистка является одним из основных методов очистки сточных вод заводов микробиологической промышленности как перед сбросом их в водоем, так и перед повторным использованием в системах оборотного водоснабжения. Считается, что микроорганизмы способны окислять все органические вещества, за исключением тех искусственно синтезированных, которым нетаналогов в природе. Наименее доступными источниками углерода являются вещества, не содержащие атомов кислорода - углеводороды, но они также расщепляются микроорганизмами активного ила. В том числе - входящие в состав ила.

 

   обработка отходов сточных вод может  быть условно подразделена на 4 стадии:

   1) разрушение  сложных белковых комплексов (главным  образом — их конъюгатов) до простых растворимых веществ и отделение их от нерастворимых субстанций,

   2) разжижение  и анаэробная обработка нерастворимого  остатка с помощью соответствующих  микроорганизмов,

   3) трансформация  органического азота до аммиака  (аммонификация) с последующим  окислением аммония до нитратов,

   4) превращение  органического углерода в диоксид  углерода.

   В этих стадиях (преимущественно — в  первой, третьей и четвертой) реализуется  биохимическая схема обработки  отходов сточных вод.

   Знание  методов очистки сточных вод  и принципов работы, применяемых  при очистке сооружений, способствует правильному составлению схем очистки  различных сточных вод. 

   Газообразные  отходы в процессах биологической технологии немногочисленны в ассортименте. Энергетическим субстратом для биообьектов является углеводы. В аэробных и анаэробных условиях из них образуется диоксид углерода. Выделяющийся диоксид углерода улавливается и утилизируется в пищевой промышленности в качестве хладагента. “Отработанный воздух” биотехнологических процессов не должен поступать в атмосферу без очистки и обезвреживания. “Отработанный воздух” представляет собой высокодисперсный аэрозоль, в котором дисперсной фазой оказываются капельки жидкости и м/организмы. Они легко переносятся воздушными потоками и на большие расстояния и не исключено неблагоприятное воздействие на людей. “Отработанный воздух” должен быть термически обработан и только после этого подвергаегся фильтрационной очистке.