Микробиология и основы биотехнологии

Основная задача биотехнолога заключается в выборе наиболее выгодного метода выделения. Основными критериями при обосновании конкретного метода получения этанола являются: начальные свойства культуральной жидкости (вязкость, концентрация продукта, наличие примесей и нежелательных нерастворимых веществ и т. д.), а также требуемая степень чистоты и конечная форма продукта.

Выделение и очистка полученного продукта биопроцесса осуществляется в результате выполнения последовательных операций: отделение нерастворимых веществ (для этой цели используют методы фильтрования, центрифугирования или отстаивания, седиментации и декантации); первичное выделение (экстракция растворителями, сорбция, осаждение, ультрафильтрация); очистка — отделение примесей, для чего используют фракционное осаждение, хроматографию и адсорбцию. После окон- чательной очистки продукта он готов к смешению с другими частями композиции; на этой стадии применяют центрифугирование, сушку распылением или на барабане, отгонку.

Возрождение интереса к использованию этанола как топлива послужило причиной разработки многих новых процессов и выделения новых штаммов микроорганизмов, что значительно улучшило экономические показатели процесса. В настоящее время в нескольких штатах США в ка- честве моторного топлива применяют спиртосодержащие смеси.

В последнее десятилетие процесс получения этанола усовершенствован:

1.Проведение операций при пониженном давления позволяет отгонять спирт в ходе процесса брожения. Этим достигается снижение степени ингибирования процесса спиртом, повышение продолжительности ферментации и повышение степени утилизации сахара.

2.Применение процессов с использованием рециркуляции биомассы и пониженного давления повышает производительность установки

â12 раз (по сравнению с периодическим процессом). При давлении

50 мм рт. ст. и концентрации глюкозы 33 % (массовые или объемные) достигается производительность 40 г/(дм3·÷).

3.Использование в процессе бактерий Cótomonas mobilis обеспечи- вает более высокие удельные скорости утилизации глюкозы и образования спирта по сравнению с процессом образования дрожжей.

4.Применение иммобилизованных клеток, повышающих объемную

производительность процесса (в расчете на этанол) по сравнению с обычной культурой в суспензии.

141

5. Модифицированные операции выделения этанола позволяют снизить высокие затраты на этой стадии. К ним относятся повышение давления паров, рекуперация теплоты, выделяющейся при обработке сточных вод (на заводах по производству спирта из зерна), обезвоживание водно-энольных смесей с помощью различных синтетических или природных сорбентов.

Многие из перечисленных усовершенствований уже проверены, а другие еще нуждаются в дополнительном изучении. Только после этого можно будет оценить экономическую целесообразность их использования в промышленных процессах.

Экономические характеристики четырех производств, получающих 295 м3 95%-ного этанола в сутки из 50 % раствора тростниково-сахарной мелассы, представлены в табл. 8.2.

Ò à á ë è ö à 8 . 2

Сравнительная экономическая оценка различных процессов производства этанола [3]

В соответствии с данными таблицами уменьшение расходов, связанных с капитальными затратами, происходит при использовании непрерыв-

142

ного вакуумного процесса с рециркуляцией. Повышение объемной производительности намного перекрывает дополнительные расходы, связанные

ñиспользованием более сложного оборудования. Для трех непрерывных процессов (см. табл. 8.2) наблюдается сокращение расходов на оплату труда рабочих, а в случае непрерывного вакуумного процесса с рециркуляцией культуры большая экономия достигнута за счет сокращения расхода пара.

Производство этанола и использование его в качестве добавки к моторному топливу зависит от целого ряда непредсказуемых факторов: от объема добычи нефти и производства бензина; цен на эти товары, а также целесообразности (или нецелесообразности) использования основного пищевого продукта — зерна в качестве сырья для производства топлива; от наличия (или отсутствия) твердых гарантированных правительством цен и субсидий.

Микробиологические способы производства получения ацетона и бутанола изучались с целью использования их в качестве добавки к дизельному топливу. Расчеты, выполненные для предприятия производительностью 45 млн кг растворителей в год, показали, что процесс, в котором исходным сырьем является меласса, не экономичен, поскольку стоимость сырья составляет около 60 % от всех издержек производства. Более благоприятная

ñэкономической точки зрения ситуация складывается при использовании в качестве сырья жидкой молочной сыворотки, если она является бесплатным отходом соответствующих производств, в этом случае учитываются только транспортные расходы на ее доставку. Экономическая оценка различных производств представлена в табл. 8.3.

Òà á ë è ö à 8 . 3

Доходы предприятия, производящего 45·106 кг растворителей в год (на основе ацетоно-бутанольного брожения)

143

Глава 9 БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ БОРЬБЫ

ÑЗАГРЯЗНЕНИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

9.1.Биохимическая очистка сточных вод

Âцелях очистки производственных сточных вод совместно с бытовыми сточными водами или без них широкое распространение получил биохимический метод. По объемам перерабатываемых потоков биохимиче- ская очистка сточных вод — самая крупнотоннажная технология в мире.

Биохимическая очистка — это метод, основанный на способности микроорганизмов использовать в процессе своей жизнедеятельности растворенные органические и неорганические (Н2S, NÎ2, NÍ3) соединения, содержащиеся в различных сточных водах.

Процесс биохимической деструкции по своей сущности является природным процессом, и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме, очистном сооружении, склянке для определения биологического потребления кислорода (БПК).

При очистке сточных вод, как правило, отделяют твердую фазу от жидкой; затем производят их обработку в аэробных и анаэробных условиях. При аэробных процессах формируется активный ил, а при анаэробных — сброженный осадок. Скорость процесса минерализации зависит от массы участвующих в процессе микроорганизмов и их контакта с деструктируемым веществом. На всех сооружениях биохимической очистки, работающих в аэробных или анаэробных условиях, механизм очистки сточных вод основывается на двух процессах:

–адсорбции загрязняющих веществ на активном или септированном иле, биопленке;

–минерализации загрязняющих веществ микроорганизмами [22]. Первый процесс протекает быстро (в течение 10–15 мин), второй —

âтечение длительного времени. Продолжительность десорбции зависит от многих факторов: условий работы очистного сооружения, температу-

147

ры, реакции среды (рН), интенсивности процесса перемешивания, пода- чи кислорода, достаточного количества биогенных элементов, всех основных питательных веществ, содержания токсинов и др.

Каждое очистное сооружение представляет собой специфическую техногенную экологическую систему, определяющую формирование биоценоза.

В зависимости от протекающих процессов различают системы аэробной и анаэробной биохимической очистки.

9.2. Биохимические методы очистки

Все применяемые биохимические методы очистки сточных вод от различных органических соединений с помощью микроорганизмов подразделяются на аэробные и анаэробные.

Аэробные процессы используются преимущественно для минерализации органических веществ, растворенных в жидкой фазе сточных вод. Аэробное окисление протекает в естественных è искусственных условиях. В зависимости от этого сооружения биологической очистки подразделяются на естественные и искусственные.

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями может быть представлен следующей схемой:

Микроорганизмы + О2 ÑÎ2 + N + Р + биологически

(9.2)

не разрушаемая часть клеточного вещества.

Уравнение реакции (9.1) иллюстрирует окисление исходных органи- ческих веществ сточных вод и образование новой биомассы. В очищенных сточных водах остаются биологически не окисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, т. к. коллоидные и нерастворимые вещества удаляются из воды методом сорбции.

Процесс эндогенного окисления клеточного вещества, который происходит после использования внешнего источника питания, описывается уравнением реакции (9.2).

Процесс нитрификации автотрофными бактериями может быть описан следующими уравнениями:

148

ãäå Ñ5Í7NO2 — условная формула органического вещества образующихся клеток микроорганизмов.

Реакцию по уравнению (9.3) осуществляют бактерии родов

Nitrosomonas, Nitrosocóstis, Nitrospira, которые переводят азот аммонийных солей в азот нитритов. Уравнение (9.4) описывает реакцию окисления азота нитритов в азот нитратов, процесс осуществляют бактерии рода Nitrobacter.

Анаэробный процесс метановой ферментации описывается следующим уравнением:

Анаэробный процесс прямой денитрификации осуществляется бактериями различных родов. К наиболее активным возбудителям прямой денитрификации относятся бактерии рода Pseudomonas. Процесс происходит в две стадии и описывается следующими уравнениями:

Если процесс денитрификации осуществляют в воде, прошедшей биологическую очистку, в которой отсутствуют исходные органические вещества, то в качестве углеродного питания могут использовать относительно недорогой метиловый спирт. В этом случае суммарная реакция денитрификации выражается следующим уравнением:

Приведенные реакции процессов далеко не исчерпывают всех возможностей биоокисления, но именно они наиболее часто встречаются в практике биологической очистки как хозяйственно-бытовых, так и производственных сточных вод. Биодеструкция органических веществ, содержащихся в сточных водах, осуществляется с помощью эндо- и зкзоферментов, имеющихся в бактериальной клетке [3].

149

Искусственные методы аэробной очистки основаны на процессах, протекающих в природных экосистемах: почве и водоемах [22, 23].

К основным искусственным сооружениям аэробной биохимической очистки относятся сооружения, имитирующие либо почвенные процессы — поля фильтрации, поля орошения и биофильтры, либо процессы, происходящие в водоемах — биологические пруды и аэротенки. Эти сооружения по своему аппаратурному оформлению различны, но все они основаны на протекании окислительного аэробного процесса, т. е. использовании кислорода воздуха. По характеру используемых биоценозов все очистные сооружения классифицируются на системы с активным илом и с биопленкой.

Почвенные методы очистки сточных вод. Поля фильтрации и орошения представляют специально подготовленные участки земли, предназначенные для очистки сточных вод. Сточные воды с максимально возможной нагрузкой подаются на поля фильтрации в специальные борозды, в которых происходит их очистка. На этих сооружениях предусматривается полная биохимическая очистка предварительно осветленных сточных вод.

Поля орошения представляют земельные участки, предназначенные для очистки и одновременного выращивания сельскохозяйственных культур. Влага и питательные вещества, содержащиеся в сточных водах, используются выращиваемыми на полях орошения культурами.

При использовании почвенных методов очистки окисление органи- ческих веществ происходит в условиях аэробиоза при активном участии микроорганизмов и беспозвоночных животных.

Основные биохимические процессы окисления происходят в верхнем слое почвы толщиной до 40 см, характеризующемся высокой активностью микроорганизмов.

Биоценоз почвы состоит из бактерий, микроскопических грибов и водорослей, простейших, беспозвоночных животных и формируется за счет биоты сточной жидкости и самой почвы. Оба вида биоты вступают в сложные антагонистические и симбиотические взаимоотношения. Большинство микроорганизмов приспосабливается к новым условиям существования и активно окисляет органические вещества сточ- ных вод. Самая высокая численность микрофлоры содержится в верхнем слое почвы толщиной около 10 см, в котором на 1 г сухой почвы приходится до 1·1010 бактерий; на глубине 30 см — до 2·109, а на глубине 50 см — до 1·109. Адсорбционная способность биологической

150