Глава 8.

ОТХОДЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ, ИХ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ

Общая принципиальная схема любого биотехнологического производства включает какой-либо биообъект (или ассоциацию их) и питательную среду (культуральную жидкость, растворы, подлежащие обработке). Целевым продуктом оказывается либо биомасса клеток (тканей), либо метаболит(-ы). Следовательно, в каждом производстве отходом могут быть эти же компоненты — клетки (ткани) и культуральные жидкости после извлечения из них нужных метаболитов (рис. 121).

Рис. 121. Биотехнологический процесс, в котором клетки и супернатант являются ли- бо целевыми продуктами, либо отходами: 1

• биообъект, 2 — питательная среда, 3 — культивирование в соответствующих усло- виях, 4 — диоксид углерода, отработанный воздух, 5 — сепарирование клеток от куль- туральной среды, 6 — клетки, 6а — отход 66 — целевой продукт, 7 — супернатант, 7а

• целевой продукт, 76 — отход.

Если условно принять скорость удвоения каждой генерации, например, микробной клетки весом 4x10"'° мг, в течение 20 минут, то за двое суток возникло бы 2¹⁴⁴ клеток или, примерно, 8 • 10¹³¹ г, или 8 • 10¹²⁵ т. Такая величина примерно в несколько тысяч раз превышает вес Земного шара. Ясно, что в процессах биологической технологии на размножение биообъектов влияют многие факторы, ограничивающие такой безудержный прирост биомассы клеток.

349

Однако в случаях с производством пенициллина расчеты подтвер- ждают возможность получения 2 т сухого мицелия через ряд генераций пеницилла в течение 10—12 дней выращивания при первоначальном засеве 10"⁵ г спор гриба с доведением объема влажной культуры до 100 м ³.

Даже при использовании биомолекул (например, ферментов) в иммобилизованном состоянии своеобразная двухкомпонент- ность системы сохраняется и здесь. Метаболит(-ы) будут в раство- ре, носитель с биомолекулами остается в твердом состоянии.

При наличии крупномасштабных биотехнологических произ- водств возникают проблемы общего и частного характера. К ним можно отнести: 1) необходимость решения задач по экологическо- му выравниванию нагрузок, оказываемых производством на окру- жающую среду: а) вследствие непомерного потребления природ- ной воды и столь же непомерного количества выбросов во внеш- нюю среду; только в промышленности расходуется примерно следующее количество воды (в литрах): на 1 т нефти — 10, на одну банку овощных консервов — 40, на 1 кг бумаги — 100, на 1 кг шерстяной ткани — 600, на 1 т сухого цемента — 3500, на 1 т стали

— 20000, на 1 т сухих дрожжей — более 100000 литров воды и более Ют пара; в США ежегодно генерируется более 145 млн тонн городских сточных вод (данные на 1990 год), из них порядка 94 млн. т (65%) легко очищаемых биодеградациёй; 23,2 млн. т (16%) — потенциально биодеградируемых и 27,6 млн. т (19%) — не подда- ющихся очистке с помощью биологических процессов (стекло, металлы, пр.); б) вследствие подавления и, даже, гибели естествен- ных экосистем вокруг биотехнологических предприятий или вы- раженно неадекватное популяционное давление одних видов жи- вых существ на другие (например, разрастание цианобактерии в водохранилищах); в) вследствие стрессовых нагрузок на людей, проживающих вблизи крупных биотехнологических предприятий (выхлопные газы, шум, испарения, корпускулярные аллергены в атмосфере и пр.).

2) необходимость сохранения воды, памятуя о том, что ее гибель

— наша гибель! К сожалению, даже океаны превращаются в крупнейшие сточные резервуары Земли. Для сравнения можно назвать прежнее состояние вод и теперь в озерах Ладожском, Байкале, в крупнейших реках нашей страны; сбросы с рыболовных кораблей, загрязненные кишечной палочкой, достигают районов Антарктиды;

3) борьбу с мусором и грязью, не забывая о_хтом, что при их

350

наличии восстанавливаются прерванные ' цепочки: мусор (грязь)—^переносчики (крысы, мухи и др.) -^инфекционные болез- ни (чума, кишечные заболевания и др.);

4. борьбу с загрязнением воздуха, в который от предприятий попадает тепло (равно как и в водоемы), жидкие, газообразные, твердые (пыль) отходы — изменяется местный климат в селитеб- ных (от слова "селитьба" — поселение, водворение) зонах, а накопление СО2 в атмосфере от биотехнологических производств вносит свой вклад в "тепловую копилку" в глобальном масштабе;

5. регулирование народонаселения в различных регионах пла- неты Земля. Биотехнологические производства прямо или косвен- но нацелены на обеспечение здоровья людей. Тем не менее, ни с помощью биотехнологии, ни с помощью сельскохозяйственных наук до сих пор не удалось полностью решить проблему недоста- точности питания (или даже голода) во многих странах мира. В то же время на Земле каждые две секунды рождается человек и через 20 лет ожидается возрастание народонаселения до 6 млрд. человек. Следовательно, эффективность фитобиотехнологических произ- водств, включая другие предприятия агропромышленных комплек- сов, должна существенно возрасти. При этом уже невозможно увеличить нагрузку на почву пестицидами в целях борьбы за урожайность сельскохозяйственных культур. По общему обороту химической промышленности все государства бывшего СССР занимали второе место после США. В настоящее время в мире вырабатывается около 300 млн. т органических веществ, в том числе 1,2 млн. т. пестицидов, которые вместе с другими реактоген- ными химическими веществами, попадающими в среду обитания человека, могут проявлять канцерогенное, мутагенное и токсиче- ское действие.

Так называемые "кислотные дожди", выпадающие в различных географических регионах, пагубно сказываются на всем живом, включая и "микробный пейзаж".

Качество и количество отходов биотехнологических произ- водств зависит от ряда причин, среди которых можно назвать: характер производства по номенклатуре выпускаемой продукции (например, производство микробного белка, антибиотиков, вита- минов, аминокислот, полисахаридов, ферментов и др.); особенно- сти технологии производства — аэробное или анаэробное культи- вирование биообъекта, в герметизированных или негерметизиро- ванных биореакторах, в периодическом, полунепрерывном или непрерывном режимах; объемы производства — малотоннажные

(некоторые ферменты) и крупнотонажные (кормовые дрожжи); уровень профессиональной подготовки кадров, занятых в биотех- нологических производствах; культуру производства.

К сожалению, нет информации о количестве отходов всех биопроизводств в мире, но, несомненно, они ошеломляюще огром- ны. Подсчитано, например, что на одну тонну лимонной кислоты образуется 150—200 кг сухого мицелия АзрегдШив тдег и 7 м³ фильтрата. При выработке в мире порядка 30000 тонн в год антибиотиков плотные и жидкие отходы составляют исключитель- но 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 зоопредприятий), 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 живо- тноводства, получаемых каждый год в нашей стране, большая часть попадает в открытые водоемы, загрязняя окружающую среду (И. А. Архипченко, 1991). 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. ойгов — дом, жилище, 1одоз — учение). Она посвящается изучению биологических систем надор- ганизменного уровня; другими словами, экология — это совокуп- ность 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 произ- водств во имя поддержания нормальной экологической ситуации (в месте производства и на расстоянии). Неограниченное истоще- ние ресурсов земли и ее непрекращающееся загрязнение могут привести человечество к трагическому концу. Поэтому в любом производстве, в том числе — биотехнологическом, должны исполь- зоваться экосистемные (целостные) подходы, девиз которых: "По- лучай, бери, но не вреди Природе, частью которой ты являешься!".

Неоправданно большие количества отходов в производстве — это значит большая потеря ресурсов, так как отходы нередко

352

представляют собой ресурсы, оказавшиеся не на своем месте; это значит возрастание стоимости ликвидации отходов и.контроля за ними; это значит ухудшение состояния здоровья людей (особенно

— в крупных промышленных центрах).

На рис. 122 представлены ориентиро- вочные расходы на отработку различных отходов к 2000 году. Из рисунка видно, что в структуре расходов наибольшие затраты ожидаются на обезвреживание отходов от автотранспорта; от 600 млн. до 1 млрд. долларов будут расходоваться на обработку всех прочих отходов, вклю- чая жидкие и твердые от биотехнологи- ческих производств.

Что касается инфекционных заболе- ваний, связанных с экологической обста- новкой, то их распределение неравноз- начно в различных регионах земного шара и, даже, на территории одной стра- ны. Если общая тенденция к снижению туберкулеза и кишечных заболевании прослеживается в странах Западной Ев- ропы, Северной Америки и некоторых других, то применительно к независимым государствам бывшего СССР этого сказать нельзя

— ежегодные вспышки сальмонеллезов, дизентерии, диарреи ста- новятся все более беспокойнее на фоне острой нехватки химио- терапевтических средств; растет заболеваемость туберкулезом ма- териально плохо обеспеченных слоев населения.

8.1. Обезвреживание отходов биотехнологических произ- водств. Отходы биотехнологических производств относятся, как правило, к типу разлагающихся в природных условиях под дейст- вием различных факторов (биологических — минерализация с участием микроорганизмов, химических — окисление, физико-хи- мических благодаря комплексному воздействию, например, лучи- стой энергии и химических веществ).

Плотные отходыв биотехнологических производствах представляют собой: микробную массу, отделяемую откультураль- ного фильтрата, поступающего на последующие стадии выделения целевого продукта; шламы (от нем. ЗсЫагшп — грязь); раститель- ную биомассу после экстракции из нее действующих веществ (а в случае суспензионной культуры, продуцирующей метаболит в 12 т. 8524 353

питательную среду, отходом являются клетки); остатки куриных эмбрионов при культивировании, например, вируса гриппа; неко- торые тканевые культуры млекопитающих; осадки из сточных вод (ил). Подсчитано, что в коммунальных очистных сооружениях сточные воды от одного горожанина образуют за год около 500 литров ила со средней влажностью 5%. Если городское население в стране составляет 100 млн. человек, то за год накопится 47,5 млн. м³ такого ила. Если сюда приплюсовать почти такое же количество промышленных осадков, включая плотные отходы биотехнологи- ческих производств, то необходимо приложить большие усилия и средства для обезвреживания их или утилизации.

Давно освоенными биотехнологическими производствами во многих странах мира являются промышленные способы получения пива, дрожжей, вин и др. (см. специальную часть). На примере лишь пивоварения можно указать, что плотными отходами здесь являются дрожжевые клетки (0,25—0,40 кг на 1 гл. пива), солодовая и хмелевая дробины, белковый осадок из сепараторов. Остатки хмеля (хмелевая дробина) и белка содержат горечи, из-за которых они не употребляются в качестве добавок к рационам кормов для животных. Поэтому такие остатки либо сжигаются (что нерента- бельно), либо передаются на биологическое обезвреживание.

При оптимальных средах и аэрации биомасса клеток нитчатых грибов и дрожжей может составить 2,5% в пересчете на сухую массу, причем, около 50% в ней приходится на белки.

В спиртовом производстве отходом является барда, состав которой зависит от качества используемого сырья (зерно, карто- фель). Сугубо усредненные данные по основному составу зерно- картофельной барды представляются следующими: вода — 91— 93%, сухой остаток — 7—9%, в составе которого зольность состав- ляет от 6 до 12%, общий азот 21—23%, липиды — 2—8%, целлюлоза

— 9—10%, безазотистые экстрактивные вещества — 50—59%. Отжатая или высушенная барда используется в качестве добавок к корму для сельскохозяйственных животных.

В производстве этанола, пива, хлебного кваса используют солод

— пророщенное зерно (ячмень, овес, просо, пшеница, рожь — на спиртовых заводах; ячмень — на пивоваренных заводах; рожь и ячмень — в производстве кваса). В процессах получения солода образуются отходы в форме очисток, сплава, солодовых ростков, которые с успехом используются в животноводстве, а также в целях получения ряда биологически активных веществ (прежде всего — ферментов из солодовых ростков).

354

Качество плотных отходов в определенной мере диктует выбор- метода их обеззараживания. Так, патогенные микробы — проду- центы сильных ядов (токсинов) должны быть обезврежены полно- стью,, и, очевидно, наиболее эффективный способ для этого — сжигание. Если отходом является биомасса клеток стрептомицетов, то их достаточно убить нагреванием с последующим вывозом на фермы, где она может добавляться в корм скоту (например, уплотненный отход в производстве тетрациклиновых антибиоти- ков, содержащий белки и витамин В12), вноситься в почву в качестве органического удобрения; можно передавать на общего- родские очистные сооружения, а также на метановое брожение.

Если по технологической схеме плотные и жидкие отходы подаются в виде смешанного стока, то вначале осуществляют грубое разделение первых от вторых, затем производят отжим влаги с последующей передачей уплотненной биомассы клеток на обезвреживание вышеуказанными путями.

Аналогичным образом подходят к плотным отходам раститель- ного или животного происхождения — токсичные из них сжигают, не токсичные, по возможности, отправляют на утилизацию.

При обезвреживании плотных отходов в микробиологических производствах лишь убиванием необходимо иметь в виду антиген- ные особенности такой микробной биомассы (способность вызы- вать образование антител т лато) — в любом случае необходимо исключить сенсибилизирующее (от лат. вепвюШв — чувствитель- ный) действие ее на макроорганизм во избежание возникновения аллергических заболеваний.

В аэротенках очистных сооружений, где происходит обезвре- живание отходов, лимитирующими факторами выступают главным образом качество и площадь биологической пленки, состоящей из микро- и макрофлоры, микро- и макрофауны. В этой связи необ- ходимо 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 угле- рода. 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 сельскохозяй-

ственных культур растений. По ориентировочным расчетам (Е. С. Панцхава, 1987; А. X. Авизов, Ю. В. Синяк, 1987), 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 актив- ного ила с получением 700 тыс. м³ биогаза.

Жидкие отходыв 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 раствори- телей, используемых, например, для экстракции конечных продук- тов, и т. д. Рассмотрим, к примеру, сульфитные щелока, образую- щиеся на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности в результате гидролиза древесины и используемые для выращива- ния кормовых дрожжей. Они содержат в среднем 50—60% суль- фоната лигнина, 7—8% сахарных сульфокислот, около 18% различ- ных Сахаров, 10% диоксида серы, 8% солей кальция. После значи- тельного удаления сульфита и подготовки щелока (разбавление, внесение некоторых питательных ингредиентов) его используют для выращивания адаптированной расы дрожжевых организмов. Образующаяся клеточная масса здесь является целевым продук- том, а отходом — культуральная среда после отделения дрожжей.

Жидкие отходы дрожжевых заводов, где производят дрожжи на мелассном сусле, содержат органические и минеральные веще- ства (мг/л в среднем): 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 явля- ются загрязненными неорганическими и органическими примеся- ми, попадающими 1) от сырья (загрязнения при транспортировке, мойке картофеля, свеклы), 2) от оборудования (мойка технологи- ческой аппаратуры). Чистые воды могут быть использованы по-

356

вторно в технологических процессах, либо направлены в чистые водоемы; загрязненные воды освобождают от механических при- месей, а затем направляют на обезвреживание.

В производстве антибиотиков, кроме воды, используют углево- ды и углеводистые продукты, масла, соевую муку, кукурузный экстракт, нитраты, соли аммония, серо- и фосфорсодержагцие соединения, возможные предшественники антибиотиков (напри- мер, амид фенилуксусной кислоты в качестве предшественника пенициллина; н-пропанол в качестве предшественника эритроми- цина и т. д.), неорганические кислоты и щелочи, органические экстр агенты и пр.

Отличительной особенностью биотехнологических процессов, основанных на выделении метаболитов из культуральных жидко- стей, 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 жидко- сти, то их отделяют, отжимают и обезвреживают (см. плотные отходы).

Сточные воды на зоопредприятиях содержат 1—2% органиче- ских веществ и 98—99% воды. При использовании микробной

Очшденные .

Сточные веды—)) Решсгки г-Яп*а<а|««си[—эр»

Хлора- торнм

₁

Контактные резервуары

Несоснм станция

Г"

Избыточны* активный нл

* - | Ипоуппотмители |

.—

| Котелша* |

^| Метангенки

сброженного осади*

Удобрение

Рис 123. Схема биологической очистки сточных вод.

обработки таких стоков в аэротенках (например, с участием сап- рофитных бактерий из рода АгШгоЬас1ег, СогупеЬас1епит, МусоЪас1егшт, 1МосагсИа и некоторых других) можно получать ценные микробные удобрения.

В зависимости от качества сточных вод возможна также их очистка до целесообразного уровня (например, получение оборот- ной воды, реализуемой повторно в том же биотехнологическом производстве). На рис. 123 представлена схема биологической очистки сточных вод.

Растворенные органические вещества можно удалять с по- мощью активного ила в аэротенках или при аэробной обработке, на биологических капельных фильтрах; нитраты обезвреживают с помощью микробов-денитрификаторов (Рвеийошопав врр., Вас. Нспетгогпйв, Рагасоссивёепйппсапв, ТпюЪасШивйетггШсапв), соли фосфорной кислоты коагулируют и осаждают. Вновь образующи- еся твердые (плотные) осадки концентрируют, обезвоживают (фильтрованием, центрифугированием, отстоем на песчаном слое), а затем сжигают, либо используют в качестве удобрения.

Таким образом, при обработке сточных вод до уровня чис- той воды можно выделить следующие фазы: отделение крупных, легко осаждающихся частиц и масляных пленок (грубая очистка), отделение суспендированных частиц и растворенных органиче- ских веществ (умеренно тонкая очистка), и, наконец, отделение всех других примесей (тонкая очистка). При грубой очистке отде- ляются 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, филь- трации 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 — тех- нологических и коммунальных.

На данном этапе развития биотехнологических производств далеко не всегда (и не везде) применяют не только тонкую очистку сточных вод, но, более того, известны случаи, когда необработан- ные стоки от промышленных предприятий поступают непосредст- венно в водоемы или в почву. В подобных случаях трудно сохранять биологическое равновесие в водоеме — вместо чистой и красивой

358

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 "погло- щать" растворенный в воде кислород, иначе говоря, способные окисляться. Маслянистые отходы могут физически мешать про- никновению 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 сточ- ных 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 фос- форных солей и сульфидов [Са2(НР04)2, Саз(Р04)2; МеЗ], благодаря чему выводятся из круговорота такие элементы-органогены как фосфор и сера.

Физиологические значения рН и температуры хорошо извест- ны для различных групп организмов. Например, большинство бактерий лучше обитает в средах с рН 7,3—7,5; большинство грибов — при рН 5,6—6,5; оптимальная температура для роста мезофиль- ных 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. роУаюв — различный, 1егте — тепло), тогда, как теплокровные животные — к гомойо- термным (от греч. отоюв — 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

359

из-за поггуляционного довления одних видов над другими, либо вследствие невыносимости экстремальных (от лат. еххгеггшз — крайний) условий жизни.

Растворимость чистого кислорода в воде составляет 48 частей О2 на 1 млн. частей Н2О при 14^СС_; При такой же температуре и насыщении воды воздухом (содержание О2 в воздухе 20,9%) рас- творимость 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 моли других веществ, можно прогнозировать потери растворенного кислорода в естест- венных 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 (ВПК). Опираясь на фактические данные, полученные в результате проведенных анализов, выдают рекомендации по обработке жид- ких стоков. ВПК означает количество потребляемого растворен- ного кислорода при инкубации стоков в течение 5 дней и темпе- ратуре 20°С. Растворенный кислород определяют различными методами—химическим, биологическим или физико-химическим. ВПК можно выразить в мг О2 на 100 мл или на 1 л пробы, в частях на 1 млн в'мл О2 на 1л пробы при О^сС 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 поступле- нием их в природные водные резервуары. Наличие в стоках (воде) ингибиторов или токсических веществ для микроорганизмов от- рицательно сказывается на правильности измерения ВПК, а в случае попадания таких стоков в аэротенки или природные нако- пители, содержащие микрофлору и микрофауну, происходит на- рушение 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 вслед- ствие блокады тиольных групп:

/5Н ₂₊ _ ^5.

ферментный белок +Нд »ферментный белок |-|с

^Ч5Н V

нативныи денатурированный

В порядке снижения активности, например, в отношении мик- ромицетов металлы можно расположить в следующем порядке:

Ад > Нд > Си > Сс\ > Сг > № > РЬ > Со > 2п > Ре.

Начиная с 1949 г. -(в странах Западного полушария) и несколько позже (в нашей стране и некоторых государстах Востока), про- мышленное 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, бензо- льного или нафталинового кольца с алкильным остатком, *а также положительно заряженную гидрофильную группу, например, чет- вертичного аммония, сульфония,-фосфония, арсония, йодония. Из них широко известны на практике хлоргексидин биглюконат, цетавлон и др.

■ I

СI-С₆Н₄-NН-С-NН"-С-NН-(СН₂)₆-NН-С-NН-С-NН-С₆Н₄-С^ N4 N14

хлоргексидин биглюконат (гексам тилен-1,сн6ис^-хлорфвнил6игуанидина диглкжонат)

[НзС—(СН₂)15—N - (СНз)з]⁺Вг-

Цетавлон

Катионными ПАВ являются циклопептидные антибиотики

(грамицидин С, полимиксин В, ц^м—ННг

циклоспорин А и др.). ^

ЬЛей » СМО«и » 1-Про » »ЬОр« |.-Тр«

₁

Юр, * ■* ^им ГШ, 1.-ДАМ —шок

грамицчднн С

ЛОПИМНКСИН В

(ДАМ - а, у дмамимобутнрат.е - МОК - мст- ит»

С-Лпа ► ЬЛлв Мв-1-Лвй ► М^-Лвй

^{т I}

А Ме-иЛей

' I

^{КМ.-Лвй ^ Мв-Гли АМК < Мв-Гвп}

циклоспорин А

АМК - «миномасляиая кислот»

Мв-Геп - г-Книвту^ьЗ-сжимаптеиовая (5,6 <ж> кислота

К анионным ПАВ относятся структуры, сходные с катионными ПАВ в гидрофобной части, но имеющие отрицательно заряженную группу — карбоксильную, сульфатную, сульфонатную, фосфат- ную:

О

II

_к~соо- н-озод- к-о-Р-о-

°"

По объему производства они занимали (и пока еще занимают) ведущее место среди всех ПАВ. Хорошо известны изомерные смеси алкилбензолсульфонатов:

сн₃ сн₃

МаО-50₂-^^С-СН₂-СН₂-С-СН₂-СН-СН₃

сн₃ сн₃ сн₃

„ сн₃ СН₃ сн₃ №о-5о₂-^ у-С-СН₂-СН^-СН₂-СН-СН_Д-СН₂-СН₃

з

4,6-диметип-8-диметил-октил-п-бензолсульфонат

_{2-метил-4.7-диметил-гептил-п-бензолсульфонат СН„ СН, СН СН}

сн₃ он₃

СН₃—(СН₂)_?—СН—С₆Н₄—.50₃Ыа СН^(СН^^—С—С₆Нд—50₃Ыа

<~н₃

11-метил-ундецил-п-бензол-сульфонат 10-диметил-децил-п-бензол-сульфонат

Доступность таких структур для деградации микроорганизмами определяется природой алкила и а-углеродным атомом. Так, если алифатическая (гидрофобная) часть будет в виде неразветвленной цепи, то такое анионное ПАВ подвержено более глубокой дегра- дации, чем такое же ПАВ, но с разветвленной цепью. В зависимости от характера гидрофильной группы в замещенных бензолах мик- робы активного ила по-разному разрушают эти структуры. "Био- логическую податливость" таких веществ можно расположить в следующем порядке:

С6Н5ОН > СбНоСООН > СбН5ИН2 > С₆Н550зН.

Из вышеприведенных структур алкилбензолсульфонатов две последние легче подвергаются биологическому окислению.

К числу амфотерных ПАВ относятся такие структуры, у кото- рых гидрофильная часть представлена катионной и анионной группами одновременно. Таковым является, например, амфолан (ТЕГО-103).

[сн₃-(сн₂)₁ ^ын-ссн^-мн-ссн^-мн-сНз-соон] ■ на

Амфолан (хлоргидрат алкилдиаминоэтилглицина)

Они меньше других ПАВ используются на практике, и поэтому не возникает особых проблем с их обезвреживанием.

Неионогенные ПАВ типа спанов и твинов изменяют поверхно- стное натяжение на границе раздела фаз "жидкость-твердое тело" (применительно к сточным водам), однако они не обладают выра- женным губительным действием в отношении различных организ- мов, но сильно изменяют водные среды по качеству (ценообразо- вание) и по БПК. Спаны — это сложные эфиры жирных кислот и спирта сорбита: НОН2С—(СНОН) 4—СН2ОСОК, где К — остаток

жирной кислоты. Твины являются сложными эфирами ангидро- сорбита и жирных кислот, алкилированные окисью этилена; дру- гими словами — это эфиры циклизованных полиэтиленоксидов и жирных кислот

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

мета-

орто-

диоксибензол (резорцин)

фенол, или оксибензол (карболовая кислота)

крезолы

Следовательно, 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 совершенствова- ния существующих, благодаря которым отходы производства не будут поступать в общегородские и другие стоки и пагубно влиять на природные экосистемы.

Таким образом, обработка отходов может быть условно под- разделена на 4 стадии: 1) разрушение сложных белковых комплек- сов (главным образом — их конъюгатов) до простых растворимых веществ и отделение их от нерастворимых субстанций,

2) разжижение и анаэробная обработка нерастворимого остат- ка с помощью соответствующих микроорганизмов,

3) трансформация органического азота до Мт$ (аммонифика- ция) с последующим окислением аммония до нитратов,

4) превращение органического углерода до СОг.

В этих стадиях (преимущественно — в первой, третьей и четвертой) подчеркнута биохимическая сущность происходящих явлений, а процессуальная технологическая схема обработки от- ходов в обобщенном виде приведена на рис. 123. Нерастворимый остаток (стадия 2) может быть использован для получения метана.

Газообразные отходыв процессах биологической технологии немногочисленны в ассортименте. Это определяется биохимической сущностью реакций, катализируемых фермента- ми. Как правило, энергетическим субстратом для биообъектов являются углеводы. В аэробных и анаэробных условиях из них образуется диоксид углерода. Так, при брожении (гликолитический процесс) из глюкозы образуется 2 моля СОг:

С6Н12О6 * 2С2Н5ОН + 2С02

При аэробном дыхании (окислительный процесс) — 6 молей СО2:

+ 6О2

СбН1₂Об ► 6СО2 + 6Н2О

При выращивании метанокислящих бактерий из СН4 также образуется С0₂:

СН₄ + 2О2 ► С0₂ + 2Н₂0

Выделяющийся диоксид углерода улавливается и утилизирует- ся в пищевой промышленности в качестве хладагента.

Газообразным отходом биотехнологических производств, бази- рующихся на использовании аэробных микроорганизмов, является "отработанный воздух". Он не должен поступать в атмосферу без очистки и обезвреживания. Отработанный воздух при этом чаще всего представляет собой высокодисперсный аэрозоль, в котором дисперсной фазой оказываются капельки жидкости и/или микро- организмы. Скорости падения аэрозольных частиц зависят от их размеров и смещения воздушных потоков. Для некоторых из них скорости падения приведены в таблице 38.

365

Из таблицы видно, что с уменьшением размера частиц их седиментация заметно уменьшается, но возрастает броуновское смещение. Вот почему высокодисперсные аэрозоли легко могут переноситься воздушными потоками на большие расстояния, и поэтому не исключено неблагоприятное воздействие их на чувст- вительные контингенты людей, вдыхающих микробные аэрозоли.

Отработанный воздух, содержащий микроорганизмы (в том числе, например, болезнетворные продуценты экзотоксинов) дол- жен быть термически обработан и только после этого подвергаться фильтрационной очистке.

При реализации биотехнологических процессов необходимо осуществлять постоянный (непрерывный) контроль за качеством отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

Многие биотехнологические процессы протекают с выделени- ем тепла, которое оказывается в ряду побочных продуктов биохи- мических реакций. Нередко такое тепло теряется и практически не используется. Лишь в отдельных производствах оно реутилизи- руется (см. раздел 7.2).

8.2. Утилизация отходов биотехнологических производств. От качества плотных и жидких отходов, образующихся в биотехноло- гических производствах, зависит выбор путей использования их на практике. Так, в производстве пива из ячменя отходами явля- ются дрожжевые клетки, солодовая дробина и некоторые другие вещества. Можно предположить, что все отходы такого производ- ства равно используемы, например, для откорма сельскохозяйст- венных животных (таблица 39). Из таблицы видно, что по пита- тельной ценности и усвояемости все компоненты плотных отходов могли бы быть рекомендованы к употреблению на животноводче- ских фермах. Однако горечи, имеющиеся в женских соцветиях

хмеля, и продукты их превращения при кипячении солодового сусла с хмелем, являются главным препятствием к использованию их в животноводстве. Такими веществами являются гумулон (а- горькая кислота), лупулон (В-горькая кислота) и продукты их окисления — смолы А и В, дигидрогумулиновая кислота и др.

Т а б л и ц а 39. Состав пивных дрожжей, белкового остатка, солодовой и хме- левой дробин (выборочно)

Вид продукта	Содержание, %						Усвояемость %		Эквива- лент- ность (в кг) 100 кг крахмала
	во- ды	л	Пр	Ц	БЭВ	3	У сви- ней	У жва- чных
Влажные дрожжи Высушенные дрожжи Белковый остаток* Солодовая дробина Хмелевая дробина*	86 8-12 8,5 77 62	0,2 2-3 3,9 1.4 3.2'	6,9 43-55 43,6 5,3 4,46	0,4 0,4- 1,7 6,8 4 5,4	5,9 25-35 32,9 11 26,15	0,9 6-8 4,3 1,3	85 85 52,25	85 85 50	76,6 12,7

Примечание: Л — липиды неочищенные. Пр — протеин сырой, Ц — клетчатка, БЭВ — безазотистые экстрактивные вещества, 3 — зола, Ч животные не употреб- ляют из-за горечи продукта,' — ароматические экстрактивные вещества.

Из 1 кг хмеля, примененного для варки пива, получается около 7 кг хмелевой дробины. Она может быть использована либо в

со

(сн) =с=сн-сн₂-сн с-со-с н^-с н=(сн₃)₂

I II

со с-он он—с—с^-сн=с=(сн₃)^

гумулон

СО

У ч

(СН,)=С=СН-СН,-СН С-СО-СН,-СН=(СНЛ 1/ОН ||

(СНз)₂=С=СН-СН₂_СО-С С-ОН

изогумулон (мягкая смола А)

<сн₃ь=с=сн-сн₂-сн С—СО—СН₂-СН=(СНз)₂

³² - • - I II

сн₃—СО—С—-С—он

ОН

гумулиновая кислота (мягкая смог» В)

■. . ■ - -

компостах, либо в качестве подстилки на скотных дворах. В других

случаях ее сжигают' (например, добавляя к каменному углю). К

сожалению, названные горечи переходят и в белковый отстой. По

этой причине он не используется в качестве добавок к корму

животных. Имеются данные о том, что такой белок пригоден для

подкормки рыбы, разводимой, в прудовых хозяйствах.

СО *

(СН₃)₂=яСН-СН_г-СН₂-СН С—СО—СН₂—СК==<СНз)2

тсн—с—он

I

ОН

дигидрогумулиновая кислота (сн_чь=с=сн-сн,—сн с— со—сн₂—СН=(СН₃)2

³² I I

со с_ОН \ У

(СН₃) ₂=с=сн-сн₂—С—СН₂-СН=С=(СН₃)₂ лупулон

Дрожжевые клетки и солодовая дробина — хороший корм для животных. В высушенном виде их можно сохранять впрок. Отмы- тые от горечей клетки дрожжей соответствуют по калорийности говяжьему мясу при соотношении 1:2,5, то есть 1 кг сухих пивных дрожжей равноценен 2,5 кг говядины. В них содержатся также витамины группы В, в частности, тиамин и рибофлавин (50—100 мг/кг), эргостерин (0,56%), микроэлементы. Следовательно, пивные дрожжи полезны и человеку, "и не. только в качестве пищевого продукта, но и лечебного. Применение пивных дрожжей норма- лизует некоторые обменные процессы, восполняет дефицит от- дельных коферментов.

Солодовая дробина состоит из солода, оболочек зерен ячменя,

368

липидов, белков и других веществ (см. таблицу 39). При скармли- вании солодовой дробины, например, коровам, возрастает их удойность. Если в день давать 2,5 кг сухого солода на голову скота, удой молока возрастает примерно на 5 литров.

. Таким образом, пивоваренное производство можно отнести к разряду малоотходных и, следовательно, выгодных с . экономической и экологической точек зрения.

Производство многих антибиотиков, базирующееся на исполь- зовании бактерий —.стрептомицетов, также приближается (или может быть приближено) к малоотходным. Плотные отходы после термообезвреживания могут быть, использованы в качестве корма для сельскохозяйственных животных, так как белковое, минераль- ное и, в ряде случаев, витаминное содержание (В12) клеток является важной добавкой к их дневному рацирну. Однако по некоторым данным, в клеточной биомассе не должно содержаться ощутимых количеств остаточных антибиотических веществ, что, якобы, мб- " жет сказаться на'селекционировании резистентной микрофлоры, включая патогенную и условно патогенную, (в частности, из семей- ства Еп1егоЬас1;епасеае). По другим данным антибиотики — не только профилактические и лечебные средства, но и стимулируют* прибавление веса, увеличивают эффективность» использования кормов. Однако учитывая высокую биологическую активность антибиотиков, целесообразно придерживаться первых рекоменда- ций. ■. •:

Жидкие отходы в производстве антибиотиков передаются на обезвреживание. .

Применительно к микробной биотехнологии имеются данные об использовании плотных отходов в производстве антибиотиков и ферментов (биомассы клеток) в качестве армирующего накопи- теля в бетонных изделиях.

В призводстве декстрана возможна организация безотхо- дной технологии. Исходя из механизма биосинтеза полисахарида видно, что отходом производства является фруктоза. К сожалению,

декстрансахароза

^С12^Н22°11 •* (С₆Н₁₂0₅)П + ПС₆Н₁₂0₆

сахароза декстран фруктоза

на предприятиях, изготавливающих декстран, фруктоза чаще вме- сте с маточными растворами спускается в трап. Между тем фрук- тоза может быть очищена и использована для пищевых целей, например, в виде сиропа.

Полисахарид аубазидан продуцируется штаммом № 8 АигеоЪаз1сиит ри11и1апв. Биомасса клеток как отход производства составляет около 50% от так называемого "нативного полисахарида" (клетки + гликан). Они содержат порядка 31% белков, включаю- щих ряд незаменимых аминокислот в количествах, превышающих их концентрацию в кормовых дрожжах (аргинин, гистидин, трип- тофан, фенилаланин). Биологическая ценность белка составляет 83,4% и она выше, чем у белков шелушоного риса (71,2%), рисовой крупы (65,23%) и кормовых дрожжей (40—60%). В клетках А.ри11и1апз содержится 35% углеводов и 14% липидов. По составу жирных кислот эти липиды близки пальмовому маслу.

Зольные вещества клеток представлены (по убыванию содер- жания) железом, алюминием, кремнием, марганцем, магнием, медью, барием, натрием, калием, кальцием, серой, хлором; из числа витаминов в нативных клетках найдены витамины Вь Вб, РР, В7, Вв- Таким образом, биомасса клеток Арипшапв является тем отходом, который с успехом может быть использован для вскарм- ливания сельскохозяйственных животных.

При винокурении в качестве сырья используют различные источники (зерно, картофель, мелассу и пр.). Плотные отходы (барда) утилизируются в качестве кормовых добавок; выделяюща- яся при спиртовом брожении углекислота улавливается и очища- ется (обычно — на водяных скрубберах, затем кислотой), дезодо- рируется, сжижается и поступает в продажу в виде "сухого льда". Из 1 т патоки, содержащей 45% сахара (при фактическом исполь- зовании, равном 65%), выход углекислоты (жидкой) составляет 135 кг. Жидкая углекислота широко применяется при изготовлении безалкогольных напитков и в технике.

Жидкие отходы после извлечения этанола могут быть упарены до сиропообразного состояния, высушены (высушенный фильтрат барды) и так же применены в качестве корма для животных.

При виноделии получают такие отходы как виноградные вы- жимки (до 20% и более от веса винограда), дрожжевые клетки, а также отстойные осадки. При усредненной оценке отходов (преж- де всего — выжимок) в них находят этанол, соли винной кислоты, масло (в косточках), реже — сахаристые вещества. Виноградный спирт используют при производстве крепленых вин, виноградное масло рафинированное — ценный пищевой продукт, а также ценен в изготовлении олифы. Винную кислоту применяют в медицинской практике, в кондитерской промышленности.

370

После выделения этанола из виноматериалов остается винная барда (винасса), содержащая органические кислоты, белки, мине- ральные соли, красящие вещества. Из барды выделяют винную кислоту. Из отходов виноделия получают дубильное вещество — танин, пищевой пектин, красящие вещества. Не подвергающиеся дальнейшей обработке осадки передают на аэротенки или на сбраживание (см. плотные отходы).

При изготовлении вин из плодов и ягод отходами являются дрожжи, клеевые осадки и отпрессованная мезга. Нерастворимые вещества отходов представляют собой клетчатку, крахмал, прото- пектин, белки, жиры, остатки органических кислот и Сахаров. Протопектин выделяют в виде пектина, широко использующегося в пищевой и кондитерской промышленности.

Другие составные части плотных отходов являются ценным кормом для сельскохозяйственных животных. Косточки и семена плодов можно отделять от выжимок и затем использовать для получения масла.

В фитобиотехнологии обезвреживание отходов и их утилиза- ция сходны с таковыми для микробной технологии.

Утилизация отходов зообиотехнологических производств про- исходит с учетом того, что плотные и жидкие отходы содержат большое разнообразие веществ, пригодных для гетеротрофных видов микроорганизмов. Это, прежде всего, создание питательных сред для микробов в экспериментальных (лабораторных) и приро- дых условиях (удобрения).

В связи с обезвреживанием и утилизацией отходов биотехно- логических производств во имя поддержания природного экологи- ческого баланса находится проблема организации и развития ресурсосберегающих безотходных процессов биологической тех- нологии. Это решаемо и может быть решено в двух приоритетных направлениях: 1) полное использование сырьевых источников путем применения биообъектов в ассоциациях, когда имеет место более глубокая трансформация сырья и получаются различные конечные продукты (примеры — обработка жидких отходов жи- вотноводческих комплексов с участием разных организмов; пол- учение декстрана и аубазидана с использованием соответствую- щих штаммов Ьеисоповвэс вр. и АигеоЪавШшт ри11и1ап8, из которых первый использует глюкозу из сахарозы, второй — оставшуюся в отходах фруктозу; иммобилизация клеток как полиферментных систем, например, микроб, несущий гены а-амилазы, глюкоамила-

37»

зы и глюкозоизомеразы, способен в одну стадию трансформиро- вать крахмал в глюкозу и фруктозу; в этом случае глюкозо-фрук- тозный сироп (заменитель сахара) является конечным продуктом; и т. д.,

2) экономия сырья, вспомогательных материалов и энергии. В этом случае, например, в качестве источников углерода в микро- бной биотехнологии могут быть использованы отходы деревопе- рерабатывающей промышленности (стружка, тара), сельского хо- зяйства (солома, подсолнечная лузга); источников ряда витаминов — гидролизаты (или экстракты) дрожжей, являющихся отходом производств, основанных на спиртовом брожении; энергетически целесообразны рециркуляционные схемы использования тепла, получаемого с помощью теплообменников при стерилизации и других термопроцессах и т. д.

Важно помнить и иметь в виду необходимость Глубокой про- работки проектно-сметной документации на предмет создания ресурсосберегающих и экологически чистых безотходных или мало отходных биотехнологических процессов.