Характеристика жидких отходов, образующихся на биотехнологических предприятиях, методы их обезвреживания и утилизация.

    Содержание:

    Введение

1. Характеристика отходов, образующихся на биотехнологических предприятиях.
2. Обезвреживание  жидких отходов биотехнологических производств

    Заключение

    Список  использованной литературы

    Введение

    Биотехнологию (технологию живых систем) можно  назвать самой модной отраслью последнего десятилетия. Ее обороты растут, что  отражается в объемах инвестиций и числе вновь возникающих биотехнологических фирм. Достижения биотехнологии то и дело становятся источником общественных страхов. Наверное, не найдется другой отрасли, вызывающей к себе столь полярное отношение.

    Наиболее  широко биотехнологии применяются  в сельском хозяйстве, фармацевтике и медицине.

    Характеристика  отходов, образующихся на биотехнологических предприятиях.

    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.

    Даже  при использовании биомолекул (например, ферментов) в иммобилизованном состоянии своеобразная двухкомпонентность системы сохраняется. Метаболиты будут в растворе, носитель с биомолекулами остается в твердом состоянии.

    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  жидких 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).

    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.

    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, трансформирующимися 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 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.

    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% сульфоната 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.

    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.

    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—40°С с колебаниями в пределах от 10° до 50°С, 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 давления 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 14°С. 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 20°С. 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 О°С 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.

    Фенольные соединения типа карболовой кислоты  и ее аналогов также являются токсическими структурами сточных вод и  уже в концентрации 1-2% коагулируют  белки, а в более высоких проявляют  гидролитический эффект.

    Токсические вещества и ПАВ в сточных водах  должны быть исключены или многократно  уменьшены по своему количественному  содержанию усилиями заводских коллективов, то есть за счет внедрения новых  технологий или совершенствования  существующих, благодаря которым  отходы производства не будут поступать  в общегородские и другие стоки  и пагубно влиять на природные  экосистемы. 

    Таким образом, 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. 

    Некоторые жидкие отходы, класс опасности которых  определяется как 3, 4 и 5, должны подвергать обязательному уничтожению. К сожалению, они подвергаются захоронению в  специальных контейнерах или  просто сжигаются.  

    Заключение

    Развитие  всех современных направление биотехнологии, включая экологическую биотехнологию, происходит в настоящее время  настолько быстро, что точные прогнозные оценки в этой области весьма затруднительны. Биологические технологии целиком  базируются на научных достижениях. При этом то, что лишь недавно  было предметом лабораторных исследований, сегодня активно внедряется в  производство. Круг наук, результаты которых  воплощаются в биотехнологию, непрерывно расширяется. Таким образом, расширяются  возможности и сферы самой  биотехнологии. Вероятно, в будущем  не будет ни одного направления человеческой деятельности, которое не было бы в  тех или иных пределах связано  с биотехнологией.

    Расширение  сферы внедрения биотехнологии  изменяет соотношение в системе  «человек - производство - природа», повышает производительность труда, принципиально  изменят его качество. Биологизация производства в целом - одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая не координируемая деятельность может привести к необратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обитания человека. Разрешение этого противоречия, то есть создание такого равновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосуществованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только на основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разумное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов. 
 

Список  использованной литературы

1. Н.П. Елинов “Основы биотехнологии”, СПб, Наука, 1995.
2. Сассон А. Биотехнология. Свершения и надежды. М., Мир., 1987.
3. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.: КолосС, 2004. - 296 с.: ил. - (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).