Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

–подготовка материальных балансов по каждому продукту, отходу, отделу или процессу/операции, идентификация отдельных элементов системы чистых производств;

–использование в гостиничном бизнесе в отчетности в качестве экологического показателя «количество воды и электроэнергии, потребленное в расчете на одного клиента»;

–использование показателя «интенсивность потребления расходных материалов», который позволяет понять и регулировать потоки рециркулируемых материалов;

–анализ жизненного цикла материалов и товаров для изучения их влияния на окружающую среду;

–применение экологической базы данных с информацией о химикатах и товарах;

–регулярный экологический аудит с привлечением внутренних аудиторов (из других подразделений компании), выявление недостатков и их

устранение.

По данным проведенного в США обследования, более чем 500 компаний, внедривших у себя процессы экологически чистого производства, снизили количество промышленных отходов на 85–100%; еще более важно то, что сроки окупаемости соответствующих инвестиций были короткими – от одного месяца до трех лет. Технологические изменения представляли собой внедрение передовых технологий, таких как ионный обмен и ультрафильтрация; изменения процессов производства, включая замену старых материалов новыми, малозагрязняющими материалами; внедрение технологий, которые меньше использовали бы химические и больше – механические производственные процессы, усовершенствование организации технологического процесса; рециркуляцию на месте производства и перепроектирование изделий. В табл. 12.3 приведены примеры уменьшения количества отходов и сроки окупаемости использования чистых технологий в США.

Замена с жидкой на порошковую краску приводит к снижению потерь краски на 5–35%, образующихся в результате избыточного распыления и утечек. Установка системы сверхтонкой фильтрации, обеспечивающей отделение масла и посторонних частиц из моющего раствора и воды, приводит к экономии затрат в результате повторного использования воды для промывки. Локальное выпаривание с помощью выпарного аппарата водного раствора, содержащего тяжелые металлы после промывки деталей с гальваническим покрытием, заменяет дорогостоящую систему удаления тяжелых металлов из раствора и снижает затраты на обработку отходов.

Даже если чистая технология не всегда дает экономию затрат, она является наиболее экологически эффективным способом снижения загрязнения окружающей среды. Варианты с экономией затрат имеют средний срок окупаемости менее одного года. Как правило, улучшить рабочую технологию можно быстрее и с меньшими затратами, чем изменить исходные материалы и техническое оснащение.

Таблица 12.3.

Примеры уменьшения количества отходов и периоды окупаемости при использовании некоторых чистых технологий в США

Источник: Huisingh, D. Cleaner technologies through process modifications, materials substitutions and ecologically based ethical values // Industry and Environment, vol.12, No. 1 (1989).

Опыт наиболее передовых стран показывает, что реализацию чистых технологий целесообразно начинать с отработки их элементов в небольших цехах, на вспомогательных производствах, рабочих местах в рамках демонстрационных проектов, по итогам которых выяснять необходимые экономические, экологические, организационные условия существования чистых производств. Многие из этих мероприятий очевидны, элементарны, их можно выполнить, соблюдая лишь культуру производства, но их выполнение приводит к существенным положительным эколого-экономическим эффектам. В этой работе велика роль современных средств обработки информации, электронных баз данных и систем управления производством, нацеленных на обеспечение его экономической и экологической эффективности при соблюдении качества выпускаемой продукции.

12.4.3.Экологически чистые биотехнологии и биологическая очистка сточных вод

Типичными биотехнологическими производствами являются предприятия по выпуску продуктов микробного синтеза. Наиболее крупнотоннажные из них – предприятия по выпуску белково-витаминных концентратов (БВК), аминокислот, антибиотиков, ферментов, использующие в качестве сырья углеводы, спирты, органические кислоты, различные органические отходы и др.

Схему типового биотехнологического производства (см. рис. 3.9) можно представить в виде определенной последовательности стадий: приготовление посевного материала; приготовление и стерилизация питательных сред; ферментация; выделение целевого продукта и получение его препаративной формы. Кроме того, схема включает ряд вспомогательных операций: стерилизацию оборудования и коммуникаций, приготовление и стерилизацию пеногасителей, растворов и др.

В разд. 3.2.1.4 были рассмотрены принципы организации малоотходного производства на биотехнологическом предприятии.

Рассмотрим теперь возможные пути совершенствования производства, специфичные для биотехнологии, на примере получения БВК с учетом критериев чистого производства, особенностей производства БВК и путей создания малоотходных, ресурсосберегающих биотехнологий.

Как показывают данные, представленные в табл. 3.15, 3.17, 3.18, 3.23, в крупнотоннажной микробиологической промышленности основные статьи затрат приходятся на сырье и электроэнергию, а по стадиям технологического цикла – на ферментацию и концентрирование продукта (вакуум-выпарку и сушку). При выпуске продуктов «тонкой» биотехнологии основные затраты связаны, как правило, с очисткой и выделением целевого продукта. При решении задачи очистки выходящих потоков от загрязнений с помощью биологических аэробных методов основные проблемы связаны с высокими затратами на электроэнергию (аэрацию) и концентрирование активного ила.

Критериям чистого производства могут отвечать следующие мероприятия дальнейшего совершенствования системы основное производство – очистные сооружения (наряду с рядом рассмотренных в предыдущем разделе):

1)повышение степени трансформации сырья в полезные продукты в рамках действующих технологических процессов и уменьшение в связи с этим количества отходов и загрязнений, поступающих на очистку;

2)переход на новые технологии, оборудование, продукцию, минимизирующие образование загрязнений на всех стадиях жизненного цикла с максимальной утилизацией побочных продуктов;

3)обеспечение работы очистных сооружений по принципу минимизации

образования отходов самих очистных сооружений.

Такое мероприятие, как создание замкнутого по сточной воде производства путем возврата на стадию ферментации отработанной культуральной жидкости (основного потока сточных вод) хотя и уменьшает объемы сточных вод, но не приводит к существенному уменьшению количества накапливаемых неутилизируемых примесей, побочных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и, кроме того, ухудшает качество целевого продукта, увеличивает содержание в нем тяжелых металлов и других вредных примесей. Например, сравнение производства кормовых дрожжей из гидролизатов древесины на различных российских заводах показало, что наихудшее качество продукта (дрожжей по содержанию белка) наблюдается для производства с рециклом культуральной жидкости.

Более перспективен вариант рецикла культуральной жидкости после ее дополнительной обработки и разделения на отдельные компоненты. В промыш-

ленности, например, распространена деминерализация потоков оборотных вод с помощью ионного обмена. Исследования, проведенные с микробными продуцентами аминокислот, кормовых дрожжей, показали, что возврат некоторых фракций культуральных жидкостей, полученных с помощью их разделения на ультрафильтрационных мембранах или на ионитах, позволяет не только уменьшить объем стоков, но и повысить выход целевого продукта с единицы основного (углеродного) субстрата в ферментационном процессе на 10–15%. Это повышение может с избытком компенсировать затраты на дополнительную обработку потока отработанной культуральной жидкости.

Более строгие ограничения на количества сбрасываемых загрязнений обусловливают и иную идеологию проведения основной технологической стадии – ферментационного процесса. До сих пор главными критериями эффективности ферментации являются максимальная производительность или продуктивность, высокий уровень накопления продукта, а также высокий коэффициент конверсии основного субстрата в продукт. Из этих критериев чистому производству соответствует лишь высокий коэффициент конверсии и отчасти высокий уровень накопления целевого продукта (за счет снижения количества стоков, уменьшения энергозатрат на стадии выделения продукта).

Вусловиях строгих экологических требований такой путь совершенствования биотехнологического процесса, как использование высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, в крупнотоннажном производстве на определенном этапе может вступить в противоречие с критерием экологически чистого производства. Повышение продуктивности уже и так высокопродуктивного штамма может потребовать непропорционально повышающихся дополнительных затрат энергии (в виде затрат на создание штамма, поддержание его свойств, на обеспечение высокой продуктивности в ферментационном процессе, требующей более интенсивного подвода кислорода и отвода тепла, более качественного сырья и др.).

Вбиотехнологическом производстве обычно применяются питательные среды с существенным избытком минеральных компонентов и ростовых факторов. Подбор питательных сред, гарантирующих высокий выход целевого продукта без избытка компонентов питания в ферментационной среде, использование микроорганизмов, способных расти, хотя и с меньшей скоростью, на минимальных средах, экономно расходовать субстрат с образованием минимального количества отходов, более тщательная предобработка питательных субстратов, культивирование на доброкачественных субстратах и минеральных солях с низким содержанием примесей (хотя и более дорогих) снизят поступление загрязнений (в виде остатков органических субстратов, минеральных солей, метаболитов, загрязнений, содержащихся в компонентах питания) в готовую продукцию и на очистные сооружения.

Биосинтез на основе смешанных культур микроорганизмов и реализация ферментационного процесса с одновременным получением нескольких целевых продуктов за один цикл ферментации или за один технологический цикл (например, кормовой бактериальной или дрожжевой биомассы и аминокислот, мицелия и антибиотиков и т. п.) также может оказаться более предпочтительным

с точки зрения экологически чистого производства. В метаболически замкнутом производстве бесклеточная жидкость, получаемая после культивирования и отделения клеток одного типа микроорганизмов, служит основой питательной среды в каком-либо другом процессе, продуцент которого не ингибируется, и, возможно, даже активируется метаболитами предыдущей стадии.

При высокоплотностном культивировании, проводимом в периодических условиях, можно повысить продуктивность биореактора и к концу ферментации получить суспензию микроорганизмов с высоким содержанием биомассы – до 100 г/л по сухой биомассе, в отличие от величин 20–30 г/л, достигаемых в традиционных процессах периодического и непрерывного культивирования. Ферментация в высокоплотностном режиме ведется с дробной подпиткой углеродным субстратом небольшими порциями и поддержанием концентрации растворенного кислорода на уровне 10–30% от равновесной за счет регулирования количества субстрата, добавляемого с очередной порцией. Наличие высокоплотностной суспензии в конце ферментации позволяет получить кормовую биомассу по схеме ферментация – сушка, снизить тем самым объем сточных вод и количество затрачиваемой энергии или топлива на удаление избыточной влаги из продукта.

Положительный эколого-экономический эффект может быть обеспечен совершенствованием методов управляемого культивирования, приготовления посевного материала, использованием переменных режимов и механизмов саморегулирования процессов роста и биосинтеза в популяции, поскольку популяция микроорганизмов, как сложная самоорганизованная система, развивается нелинейно. Поддержание же физических и физико-химических параметров (температуры, pH, скорости разбавления, концентрации растворенного кислорода и др.) на одном, близком к оптимальному с точки зрения роста и биосинтеза целевого продукта уровне, требует повышенных затрат. С учетом нелинейности биологических процессов, множественности устойчивых состояний биологических систем, наличия биоритмов более экономичными могут быть режимы культивирования с циклическим изменением концентрации растворенного кислорода, скорости разбавления, с различными режимами подпитки субстратом, с саморегулированием температуры и pH. Современная аналитическая база и оборудование позволяют реализовывать такие переменные режимы в контролируемых и управляемых условиях.

С целью экономии сырья, электроэнергии, тепла, охлаждающей воды может оказаться целесообразным целенаправленное ведение ферментационного процесса в режиме лимитирования по граничным значениям параметров. Например:

использование режима лимитирования роста подачей кислорода, который в ряде случаев не приводит к существенному изменению в выходе биомассы и содержания в ней белка, но позволяет экономить электроэнергию на аэрацию; саморазогрев ферментера при росте биомассы вследствие выделения

тепла биосинтеза – процесс авторегулируемый и иногда позволяет снизить расход охлаждающей воды без ухудшения технологических показателей и качества продукта;

культивирование в режиме с подпиткой субстратом при лимите по субстрату повышает выход целевого продукта, что обусловлено устранением репрессии роста и биосинтеза избытком субстрата;

можно снизить количество азота, вносимого в исходную питательную среду с минеральными солями до уровня в 2–3 раза ниже количества, требуемого исходя из материального баланса. Остальное количество азота можно добавлять в ферментационную среду с аммиачной водой, используемой к качестве титрующего агента. Такой режим позволяет снизить общий расход азота на ферментацию и может даже привести к некоторому увеличению суммарного выхода биомассы. Это обусловлено устранением азотной репрессии, наблюдаемой у многих микроорганизмов-продуцентов при избытке азота, при котором действует менее экономичная система транспорта азота в клетку.

Использование в процессах «тонкого» микробиологического синтеза таких ферментационных систем, как мембранный биореактор, биореактор с жидкостной экстракцией, с вакуумным удалением летучих продуктов, с адсорбцией, позволяет регулировать эффекты ингибирования и стимулирования биосинтеза различными компонентами питательной среды и продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, что приводит к повышению выхода целевых продуктов биосинтеза, продуктивности, экономии сырья и затрат.

В промышленных биотехнологических системах и в системах биологической очистки сточных вод следует учитывать наличие биоритмов, проявляющихся в колебаниях таких показателей, как интенсивность роста и биосинтеза, уровень накопления целевого продукта, содержание внутриклеточных компонентов, степень снижения концентрации загрязнений в сточных водах, уровень инфицированности и др. При этом многие из ритмов подвержены синхронизации с внешними природными ритмами, к числу которых относятся ритмы космофизического происхождения. Поэтому, в принципе, можно совершенствовать прогноз изменения результатов биологического процесса, проводимого в стандартных условиях, определенных технологическим регламентом. На основе этой связи может быть построена служба мониторинга и прогнозирования вариаций результатов промышленных биологических процессов. Технология прогнозирования может быть построена по типичной схеме: получение временных рядов – обработка и анализ данных с определением базовых ритмов – построение прогноза.

На стадиях очистки, выделения и концентрирования биотехнологических продуктов необходимо более широко использовать мембранные и другие энергосберегающие, ресурсосберегающие и малоотходные методы.

Биологическая очистка сточных вод, с точки зрения экологически чистого производства, также может быть существенно усовершенствована.

Затраты энергии на очистку с использованием биофильтров существенно ниже, чем в аэротенках. Поэтому в Западной Европе биофильтры составляют до 70% всех очистных сооружений. В России их доля намного меньше, что обусловлено природно-климатическими факторами. Однако потери тепла более критичные для биофильтров, могут быть компенсированы широким внедрением современных теплоизолирующих материалов.

Для уменьшения затрат на аэрацию в аэротенке следует более тщательно контролировать и оптимизировать содержание растворенного кислорода в различных зонах аэротенка, использовать аэрирующие устройства с регуляторами расхода воздуха или мощности привода, совершенствовать конструкции вторичных отстойников.

Высокий положительный эколого-экономический эффект достигается при внедрении локальных очистных сооружений на предприятиях. Внедрение ЛОС целесообразно, когда отработанный локальный технологический поток содержит ценные побочные продукты или, наоборот, – особо токсичные трудноразлагаемые загрязнения. Раздельная очистка технологических потоков с использованием ЛОС позволяет снизить суммарный объем сточных вод, поскольку часто для локальных стоков требуется разбавление перед их поступлением в общезаводские или городские очистные сооружения. Также уменьшаются затраты на совокупную очистку, более полно утилизируются побочные продукты или более эффективно обезвреживаются опасные стоки без ухудшения работы основных очистных сооружений. После ЛОС проще получать избыточный активный ил с лучшими для переработки и утилизации технологическими свойствами. Перспективы локальных биологических очистных сооружений для обезвреживания вредных стоков особо многообещающие в связи с успехами биотехнологии, созданием высокоактивных штаммов-деструкторов.

С позиций экологически чистого производства приоритет, где это возможно, следует отдавать анаэробно-аэробным методам очистки сточных вод, при которых затраты энергии намного ниже, образуется вторичный ресурс – биогаз, снижается количество избыточного ила.

Таблица 12.4.

Сравнение биотехногенной и природной экосистем устойчивого (климаксного) состояния

Наконец, определенный положительный эффект может быть достигнут при разработке методов очистки, основанных на более полном воспроизведении природных механизмов самоочищения: при совмещении биологических, физико-химических, химических и физико-химических методов очистки сточных вод, при пространственном разделении компонентов очистных биоценозов по экологическим нишам. Количество образующихся биологических отходов будет уменьшаться при раздельной очистке с использованием трофической цепи питания: бактерии – простейшие – высшие животные с оптимизацией условий на каждом из трофических звеньев.

Экологическую эволюцию техногенных систем можно рассматривать по аналогии с эволюцией природных самоподдерживающихся экосистем. В нормальных, ненарушенных резким изменением окружающей среды внешних условиях эволюция таких природных экосистем завершается устойчивым состоянием – климаксом. В климаксном биоценозе вся энергия (главным образом, солнечная), поступающая на вход, тратится на поддержание его относительно стабильной во времени биомассы и структуры. Климаксный биоценоз характеризуется наибольшим видовым разнообразием, наибольшей сложностью (информационной емкостью), обилием специализированных экологических ниш, наибольшей эффективностью использования поступающих минеральных компонентов и органических веществ, наименьшим количеством отходов на выходе. Сопоставляя наиболее важные (энергетические, ресурсовые, информационные) тенденции развития биотехногенных систем и природных биологических, можно попытаться оценить основные пути изменения первых. Такое сопоставление для промышленных систем с биологическими процессами (промышленные биотехнологии, биологическая очистка сточных вод) приведено в табл. 12.4.

12.5.Эколого-экономическая оценка природоохранных технологий

Успех в реализации и эффективности природоохранных технологий зависит от их оптимального выбора, технологических и конструкторских решений, соотношения экономических затрат и экологического ущерба, фактора времени.

12.5.1. Выбор технологических и конструкторских решений

Технологические решения можно разделить на три группы: простые (изменение параметров работы оборудования), сложные (замена оборудования), комплексные (изменение принципов технологии). При их практической реализации ориентируются на выбор «наилучших умеренно затратных решений» (best available technology with no excessive economical costs) или экологичных технологий.

Если задачей является выбор наиболее экологичных технологий, то для их характеристики оперируют такими показателями, как коэффициент полезного использования сырья и энергии; производительность природных ресурсов,

удельный ущерб по факторам воздействия на окружающую среду, удельный эквивалент сырья, удельный эквивалент вредного вещества, коэффициент использования отходов, по суммарному приведенному выбросу, по снижению экологического риска и др.

Коэффициент полезного использования сырья (КИС):

(12.9)

где Мсыр.прод. – масса сырья в продукте, Мсыр.исх. – масса исходного сырья.

КИС вычисляется в целом по сырью и по отдельным его компонентам. Дополнением к КИС являются коэффициенты безвозвратных, временных и условных потерь сырья. Первый – доля сырья, теряемая безвозвратно в ходе технологического процесса. Второй – доля отходов производства, складируемых в местах хранения из-за экологической нецелесообразности их использования в настоящее время, в массе сырья. Третий – доля отходов производства, продаваемых (передаваемых) для производственного или потребительского использования, в массе исходного сырья.

Коэффициент полезного использования энергии (КИЭ):

(12.10)

где Qтопл.теор. – теплоемкость топлива, теоретически необходимая на процесс, Qтопл.затрач. – теплоемкость общего количества затраченного топлива.

При детализированном анализе КИЭ исходят из энергетического баланса процесса, где учитывают приход и расход энергии.

Коэффициент использования отходов (КИО):

(12.11)

где Мотх.исп. – количество (масса, объем) использованных отходов, Мотх.общ. – общее количество отходов.

Удельный эквивалент сырья:

(12.12)

где Эсыр. – эквивалент сырья, Т – реализованное или плановое товарное производство, при котором образуются отходы.

Производительность природных ресурсов характеризует интенсивность их использования. Она определяется как выпуск продукции (в натуральном исчислении) на единицу отчуждаемой территории (основной, вспомогательной, примыкающей, охранной и др.), на единицу сырья и энергии, на единицу массы и энергетической мощности оборудования.

Удельный ущерб окружающей среде вычисляется как отношение его общего размера к суммарному выпуску продукции за интервал времени.

Совокупность показателей экологического предпочтения варианта технологического решения можно объединить в «экологический профиль», который позволяет в наглядной и компактной форме представить сравниваемые варианты технологии (табл. 12.5).

Таблица 12.5.

Экологический профиль

КИС основного сырья 1,

втом числе безвозвратно КИС основного сырья 2,

втом числе безвозвратно КИС вспомогательного сырья,

втом числе безвозвратно КИЭ топлива КИЭ электроэнергии

Производительность территории Производительность электроэнергии Удельный ущерб атмосфере

Экологический аспект анализа вариантов технологического решения является дополнительным по отношению к традиционному экономическому расчету, но не заменяет его.

Оценивая технологическое решение, необходимо учитывать все смежные процессы. Для их выявления по анализируемому технологическому решению формируют зону (цепочку) влияния. За ее пределами деятельность человека и существование среды не изменяются при внедрении предлагаемого технологического решения.

Спецификой конструкторского решения является наличие трех стадий влияния: изготовление, эксплуатация и списание.

Современные требования к конструкторским решениям предполагают при создании новой машины и другого оборудования одновременную разработку схемы ее утилизации с оценкой массы теряемых материалов.

Экологическая предпочтительность варианта конструкторского решения может характеризоваться такими показателями, как удельные материало- и энергоемкость, производительность, удельный ущерб по факторам воздействия на окружающую среду.