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.