Тема Тс22. Знешкодження відходів біотехнологічних виробництв

Відходи біотехнологічних виробництв, як правило, розкладаються в природних умовах під дією різних факторів (біологічних - мінералізація за участю мікроорганізмів, хімічних - окислювання, фізико-хімічних завдяки комплексному впливу, наприклад, променистої енергії й хімічних речовин).

Щільні відходи біотехнологічних виробництв являють собою:

• мікробну масу, відокремлювану від культурального фільтрату, що надходить на наступні стадії виділення цільового продукту;

• шлами (від нем. schlamm - бруд); рослинну біомасу після екстракції діючих речовин (а у випадку суспензионной культури, продуцирующей метаболіт в поживне середовище відходом є клітини);

• залишки курячих ембріонів при культивуванні, наприклад, вірусу грипу;

• деякі тканеві культури ссавців; опади зі стічних вод.

На прикладі лише пивоварства можна вказати, що щільними відходами тут є дріжджові клітини (0,25-0,40 кг на 1 гл. пива), солодова й хмелева дробини, білковий осад із сепараторів. Залишки хмелю (хмелева дробина) і білка містять гіркоти, через які вони не вживаються як добавки до раціонів кормів для тварин. Тому такі залишки або спалюються (що нерентабельно), або передаються на біологічне знешкодження.

У спиртовому виробництві відходом є барда, склад якої залежить від якості використовуваної сировини (зерно, картопля). Сугубо усереднені дані по основному вмісту зернокартопляної барди представляються наступними: вода - 91- 93%, сухий залишок - 7-9%, у складі якого зольність становить від 6 до 12%, загальний азот 21-23%, ліпіди - 2-8%, целюлоза - 9-10%, безазотисті екстрактивні речовини - 50-59%. Віджата або висушена барда використовується як добавка до корму для сільськогосподарських тварин.

У виробництві етанолу, пива, хлібного квасу використовують солод - пророщене зерно (ячмінь, овес, просо, пшениця, жито - на спиртових заводах; ячмінь - на пивоварних заводах; жито і ячмінь - у виробництві квасу). У процесах одержання солоду утворюються відходи у формі очищень, сплаву, солодових паростків, які з успіхом використовуються у тваринництві, а також з метою одержання ряду біологічно активних речовин (насамперед - ферментів із солодових паростків).

Якість щільних відходів у певній мері диктує вибір методу їхнього знезаражування. Так, патогенні мікроби - продуценти сильних отрут (токсинів) повинні бути знешкоджені повністю і, мабуть, найбільш ефективний спосіб для цього - спалювання. Якщо відходом є біомаса клітин стрептомицетів, то їх досить убити нагріванням з наступним вивозом на ферми, де вона може додаватися в корм худобі (наприклад, ущільнений відхід у виробництві тетрациклінових антибіотиків, що містять білки й вітамін Bi2), вноситися в ґрунт як органічне добриво; можна передавати на загальміські очисні спорудження, а також на метанове бродіння.

Якщо за технологічною схемою щільні й рідкі відходи подаються у вигляді змішаного стоку, то спочатку здійснюють грубий поділ перших від других, потім роблять віджим вологи з наступною передачею ущільненої біомаси клітин на знешкодження вищевказаними шляхами.

Аналогічним образом підходять до щільним відходам рослинного або тваринного походження - токсичні з них спалюють, не токсичні, по можливості, відправляють на утилізацію.

При знешкодженні твердих відходів лише стерилізацією необхідно враховувати антигенні особливості такої мікробної біомаси (здатність викликати утворення антитіл in vivo) - у кожному разі необхідно виключити сенсибіліизуючу (від лат. sensibilis - чутливий) дію її на макроорганізм, щоб уникнути виникнення алергійних захворювань.

В аеротенках очисних споруджень, де відбувається знешкодження відходів, лімітуючими факторами виступають головним чином якість і площа біологічної плівки, що складається з мікро- і макрофлори, мікро- і макрофауни. (Аеротенки - величезні резервуари із залізобетону, у яких очищення відбувається за допомогою активного мулу з бактерій і мікроскопічних тварин, які бурхливо розвиваються в цих спорудженнях, чому сприяють органічні речовини стічних вод і надлишок кисню, що надходить із потоком подаваного повітря. Бактерії, що склеюються в пластівці, виділяють у середовище ферменти, що руйнують органічні забруднення. Мул із пластівцями осідає, відділяючись від очищеної води. Інфузорії, жгутикові, амеби, коловертки й інші дрібні тварини, пожираючи бактерії, що не злилися в пластівці, тим самим омолоджують бактеріальну масу мулу.) У цьому зв'язку необхідно бути переконаним, що щільні відходи, богаті органічними речовинами, не приведуть до погіршення роботи аеротенків.

При анаеробному метановому бродінні практично будь-які органічні речовини (за винятком лігніну) можуть виступати субстратами, що трансформуються до метану й діоксиду вуглецю. Метан використовують як паливо, вуглекислоту - у харчовій промисловості у вигляді "сухого льоду". Щільний залишок (приблизно 40% від первісної кількості) являє собою гумус, що використовують як добриво при обробленні сільскогосподарчих культур рослин.

Рідкі відходи біотехнологічних виробництв досить різноманітні за своїм складом. Це пояснюється неповним використанням біооб´єктами компонентів, що входять до складу поживних середовищ, наявністю речовин (крім цільових метаболітів), що секретуються клітинами; присутністю розчинників, що використовувались, наприклад, для екстракції кінцевих продуктів, і т.д. Наприклад, сульфітні луги, що утворюються на підприємствах целюлозно-паперової промисловості в результаті гідролізу деревини й використовуються для вирощування кормових дріжджів, містять у середньому 50-60% сульфоната лігніну, 7-8% цукрових сульфокислот, близько 18% різних цукрів, 10% диоксида сірки, 8% солей кальцію. Після значного видалення сульфіту й підготовки лугу (розведення, внесення деяких поживних інгредієнтів) його використовують для вирощування адаптованої раси дріжджів. Клітинна маса, що утворюється, тут є цільовим продуктом, а відходом - культуральне середовище після відділення дріжджів. Рідкі відходи дріжджових заводів, де вирощують дріжджі на мелясному суслі, містять органічні й мінеральні речовини (мг/л у середньому): етанол - 0,45, вуглеводи - 1,0, загальний азот - 0,8, азот неорганічний - 0,13, зольні елементи - 5,4. БПК таких відходів становить близько 20000 частин О₂ на 1 млн., тобто приблизно стільки, скільки й БПК для каналізаційних вод. Відходи, що утворюються від 1000 т меляси, відповідають побутовим стокам міста з населенням близько 0,5 млн. жителів. Подібні рідкі відходи піддають мікробіологічній обробці (анаеробної бо аеробної).

Стічні води бродильних підприємств нерівноцінні. Так, одні з них можуть бути названі умовно чистими, оскільки вони майже не відрізняються від споживаної у виробництві природної води (конденсати, вода з теплообмінників). Інші води є забрудненими неорганічними й органічними домішками, що попадають:

• від сировини (забруднення при транспортуванні, мийці картоплі, буряка),

• від устаткування (мийка технологічної апаратури).

Чисті води можуть бути використані повторно в технологічних процесах, або спрямовані в чисті водойми; забруднені води звільняють від механічних домішок, а потім направляють на знешкодження.

У виробництві антибіотиків, крім води, використовують вуглеводи й вуглеводисті продукти, масла, соєве борошно, кукурудзяний екстракт, нітрати, солі амонію, сірко- і фосфоромісткі сполуки, можливі попередники антибіотиків (наприклад, амід фенілоцтової кислоти як попередник пеніциліну; н-пропанол як попередник еритроміцину й т.д.), неорганічні кислоти й луги, органічні екстрагенти та ін.

Відмінною рисою біотехнологічних процесів, заснованих на виділенні метаболітів з культуральних рідин, є нерівноваге співвідношення цільового продукту й рідини (рідкого середовища), у якій він утримується (частіше - 1:100, 1:200, тобто 1%, 0,5% і менш). У подібних виробництвах кількість рідких відходів помітно більше, ніж щільних. Якщо останні містяться у відчутних кількостях у стічній рідині, то їх відокремлюють, віджимають і знешкоджують.

Залежно від якості стічних вод можливе також їхнє очищення до доцільного рівня (наприклад, одержання оборотної води, реалізованої повторно в тім же біотехнологічному виробництві).

Схема біологічного очищення стічних вод:

• розчинені органічні речовини видаляють за допомогою активного мулу в аеротенках або при аеробній обробці, на біологічних краплинних фільтрах;

• нітрати знешкоджують за допомогою микробів-денітрифікаторів (Pseudomonas spp., Вас. licheniformis, Paracoccusdenitrificans, Thiobacillusdenitrificans);

• солі фосфорної кислоти коагулюють і осаджують;

• тверді (щільні) опади, що утворилися, концентрують, збезводнюють (фільтруванням, центрифугуванням, відстоєм на піщаному шарі), а потім спалюють, або використовують як добриво.

Таким чином, при обробці стічних вод до рівня чистої води можна виділити наступні фази: відділення великих часток, що легко осаджуються і масляних плівок (грубе очищення), відділення суспензованих часток і розчинених органічних речовин (помірковано тонке очищення), і, нарешті, відділення всіх інших домішок (тонке очищення). При грубому очищенні відділяються частки розміром 100 мкм і більше, при помірковано тонкої - від 1 мкм до 100 мкм, при тонкої - від 0,1 нм до 1 мкм.

Тонкого очищення стічних вод послідовно досягають за допомогою фільтрації через піщані шари, хлорування, фільтрації через активоване вугілля, розпарювання (рідинної, .екстракції, виморожуванового, зворотного осмосу), іонного обміну. Якщо в цю фазу утворяться опади (щільні речовини), то їх приєднують до інших опадів і обробляють як сказано вище.

У всіх випадках організації біотехнологічних виробництв необхідно передбачати роздільні системи стоків - технологічних і комунальних.

На даному етапі розвитку біотехнологічниих виробництв далеко не завжди (і не скрізь) застосовують не тільки тонке очищення стічних вод, але, більше того, відомі випадки, коли неопрацьовані стоки від промислових підприємств надходять безпосередньо у водойми або в ґрунт. У подібних випадках важко зберігати біологічна рівновага у водоймі - замість чистої й гарної ріки, наприклад, може сформуватися безжиттєвий, брудний потік рідини, що попадає в ще більшу водойму (озеро, море), де так само можуть відбуватися пагубні зміни. Біологічна рівновага в природному ("живому") водоймі порушується за рахунок наступних факторів:

• зміни ступеня аерації води,

• зростання рівня органічних субстратів,

• зміни кількості неорганічних речовин (фосфор, сірка),

• зміни рН,

• зміни температури.

Ступінь аерації води помітно зменшується при влученні в неї стоків, що містять різні речовини, здатні "поглинати" розчинений у воді кисень, інакше кажучи, здатні окислятися. Маслянисті відходи можуть фізично заважати проникненню кисню у водойму. Органічні речовини також мають потребу в підвищених кількостях розчиненого кисню, що йде на їхню мінералізацію. У такій ситуації органічні структури конкурують із рибами й іншими водними мешканцями за такий кисень, але оскільки надходження забруднених стічних вод може бути майже безперервним, те живі істоти не витримують цієї "конкурентної боротьби" і гинуть.

Надходження у водойми більших кількостей фосфору й сірки приводить у кінцевому результаті до такого ж жалюгідного підсумку - утворяться погано розчинні або нерозчинні опади фосфорних солей і сульфідів, завдяки чому виводяться із круговороту такі елементи-органогени як фосфор і сірка.

Фізіологічні значення рН і температури добре відомі для різних груп організмів. Можна представити реакцію мікро- і макрофлори, мікро- і макрофауни на безперервні температурні зміни або зміни рн середовища перебування. У таких ситуаціях нормальні мешканці водойми гинуть або через популяційного тиску одних види на інших, або внаслідок нестерпності екстремальних (від лат. extremus - крайній) умов життя.

Розчинність чистого кисню у воді становить 48 частин О₂ на 1 млн. частин Н₂О при 14°С При такій же температурі й насиченні води повітрям (зміст О₂ у повітрі 20,9%) розчинність кисню складає приблизно 10 частин на 1 млн. У природних водоймах розчинність виявляється ще менше. Наприклад, у морській воді із солоністю 3,4% розчиняється 80% О₂ від розчиненого в чистій воді, тобто 38,4 частини на I млн. Екстраполюючи ці дані в перерахуваннях на моли інших речовин, можна прогнозувати втрати розчиненого кисню в природних водоймах, куди скидаються стоки від біовиробництв, що містять органічні й неорганічні домішки. Все це негативно позначається на водних екосистемах. До того ж через багатокомпонентні стоки, труднощів визначення кожного компонента прибігають до аналізу щільних залишків, загального азоту, органічного вуглецю й біохімічної потреби кисню (ВПК). Опираючись на фактичні дані, отримані в результаті проведених аналізів, видають рекомендації з обробки рідких стоків. ВПК означає кількість споживаного розчиненого кисню при інкубації стоків протягом 5 днів і температурі 20°С. Розчинений кисень визначають різними методами -хімічним, біологічним або фізико-хімічним. ВПК можна виразити в мг О₂ на 100 мол або на 1 л проби, у частинах на 1 млн в мл О₂ на 1л проби при О°С и 1,01 • 10^s Па. Якщо, наприклад, ВПК води більше 10 частин на 1 млн., то вона непридатна для використання людиною. ВПК для неочищених стоків у виробництві пеніциліну 32000 частин на 1 млн.

Забруднені води й промислові стоки повинні проходити обробку на предмет знешкодження й очищення перед надходженням їх у природні водні резервуари. Наявність у стоках (воді) інгібіторів або токсичних речовин для мікроорганізмів негативно позначається на правильності виміру ВПК, а у випадку влучення таких стоків в аеротенки або природні накопичувачі, що містять мікрофлору й мікрофауну, відбувається порушення процесу їхнього знешкодження. З різних токсичних речовин і інгібіторів можна назвати солі важких металів, поверхнево-активні речовини (ПАР), фенольні сполуки й ін. Важкі метали інгибують ферменти внаслідок блокади тіольних груп.

На жаль, немає інформації про кількість відходів всіх біовиробництв у світі, але, безсумнівно, вони ошеломлюючі величезні. Підраховано, наприклад, що на одну тонну лимонної кислоти утворюється 150—200 кг сухого міцелію Aspergillus niger і 7 м³ фільтрату. При виробленні у світі порядку 30000 тонн у рік антибіотиків щільні й рідкі відходи становлять винятково більші величини. Так, з одного пятидесятикубового апарата при виробництві пеніциліну може бути отримане біля I т міцелію розраховуючи на суху масу.

Біотехнолог зобов'язаний забезпечувати безвідходність біотехнологічних виробництв в ім'я підтримки нормальної екологічної ситуації (у місці виробництва й на відстані).

Невиправдано більші кількості відходів у виробництві - це значить більша втрата ресурсів, тому що відходи нерідко являють собою ресурси; це значить зростання вартості ліквідації відходів і контролю за ними; це значить погіршення стану здоров'я людей (особливо - у великих промислових центрах).

Контрольні питання до теми Т22

1. Як відбувається знешкодження твердих відходів.

2. Рідкі відходи біотехнологічних виробництв.

3. Наведіть схему біологічного очищення стічних вод.