Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

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 Bi2)< 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 in vivo) — в любом случае необходимо

исключить сенсибилизирующее (от лат. sensibilis — 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-

355

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. м

актив-

ного ила с получением 700 тыс. м

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. БПК таких отходов составляет около

20000 частей О2 на 1 млн., то есть примерно столько, сколько и

БПК 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.

производстве антибиотиков, кроме воды, используют углево-

ды и углеводистые продукты, масла, соевую муку, кукурузный

экстракт, нитраты, соли аммония, серо- и фосфорсодержащие

соединения, возможные предшественники антибиотиков (напри-

мер,

амид фенилуксуснои кислоты в качестве предшественника

пенициллина; н-пропанол в качестве предшественника эритроми-

цина и т. д.), неорганические кислоты и щелочи, органические

экстрагенты 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 госпредприятиях содержат 1—2% органиче-

ских веществ и 98—99% воды. При использовании микробной

Очищенные .

Сточные «еды—ЦРешегки\-ЦПеснопсяни!—•j->

Oт,:т¢,ин,

•

->| А~ют«нки|->

1 1 ).. [ ^

первичные | ^-^- 1

"Г"

газы брожения

Отстойники

BTopwHwe

Хпора-

торная

Контактные

резервуары

| Регенераторы к- Нвсосим

станция

1А.

| Ипоуппогнитеяи)

Избыточный активный ил

пар

] Метантанки |

Обезвоживание

сброженного

осадка

Удобрение

Рис.

123. Схема биологической очистки сточных вод.

357

обработки таких стоков в аэротенках (например, с участием сап-

рофитных бактерий из рода Afthrobacter, Corynebacterium,

Mycobacterium, Nocardia и некоторых других) можно получать

ценные микробные удобрения.

В зависимости от качества сточных вод возможна также их

очистка до целесообразного уровня (например, получение 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 (Pseudomonas spp., Вас.

licheniformis, Paracoccusdenitrificans, Thiobacillusdenitrificans), 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.

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(РСч)2; MeSJ, 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

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"до50°С, ит.

д.

Холоднокровные животные относятся

к пойкилотермным организмам (от греч. poikilos — различный,

terme — тепло), тогда, как теплокровные животные — к гомойо-

термным (от греч. omoios — 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 популяционного довления одних видов над другими, либо

вследствие невыносимости экстремальных (от лат. extremus —

крайний) условий жизни.

Растворимость чистого кислорода в воде составляет 48 частей

02 на 1 млн. частей Н2О при 14°С 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

(БПК).

Опираясь на фактические данные, полученные в результате

проведенных анализов, выдают рекомендации по обработке жид-

ких стоков. БПК 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.

БПК можно выразить в мг О2 на 100 мл или на

л пробы, в частях

на 1 млн в мл 02 на 1 л пробы при 0°С и 1,01 • 10

Па. Если,

например, БПК воды больше

частей на

млн., то она непригодна

для использования человеком. БПК 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 БПК, 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:

360

/SH

24- / \t

ферментный белок

+Hg

*•

ферментный белок

lHg

\SH

нативный денатурированный

В порядке снижения активности, например,

отношении мик-

ромицетов металлы можно расположить

следующем порядке:

Ад

> Нд > Си > Cd > Сг > Ni > РЬ > Со > Zn > Fe.

Начиная

1949 г.'(в странах Западного полушария)

несколько

позже

(в

нашей стране

некоторых государстах Востока), про-

мышленное производство

ПАВ

развивалось исключительно быстро

— многие

из них

были включены

состав моющих средств.

По

заряду

их

подразделяют

на

катионные, анионные, амфотерные

неионогенные*. Катионные ПАВ содержат гидрофобный радикал

типа алифатической цепочки предельных углеводородов, бензо-

льного или нафталинового кольца

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.

CI-C

-NH-C-NH-C-NH-(CH

)

-NH-C-NH-C-NH-C

-CL

<hPr-

хлоргексидин биглюконат (гексам тилен-1,6-6ис-р-хлорфенилбигуанидина диглюконат)

[НзС—(CH

)i5—N

(СНз)з]

Вг-

Цетавлон

Катионными

ПАВ

являются

циклопептидные антибиотики

(грамицидин

С,

полимиксин

В,

циклоспорин

А и

др.).

L-Лей — п-^

D-ФЕН

—•" • L-Лро

••»

— & L-8*i

L-Орн

l-Op»

« , ц„ -4

L-Про^

D-Ф.»-*

^ддщ

ьлоц

•«•«.«««с ПопммксинВ

(ДАМ

- а,

у диямиио6утират,6

МОК

м«гя-

361

L-Ana

•*

LnAm »> Me-L-Лвй

•

М*Ы1ей

-L-Лвй

кМ-Лей

L-Вал

Ме-ЫкД

Ме-Гш-* AMK«* Me-Ten

циклоспорин А

AMK

аминомвсляная шепоте

Me-Геп

2-№м«гип-3-омси-гвптеноаая (5,6 вн> кислот

К анионным ПАВ

ОТНОСЯТСЯ

структуры, сходные

катионными

ПАВ в гидрофобной части, но имеющие отрицательно заряженную

группу

—

карбоксильную, сульфатную, сульфонатную, фосфат-

ную:

_coo-

R-OSO

R-

°3- R_o-.p-o-

По объему производства они занимали

(и

пока еще занимают)

ведущее место среди всех

ПАВ.

Хорошо известны изомерные смеси

алкилбензолсульфонатов:

сн

NaO-S0

-4~^Vc-CH

-CH

-C-CH

--CH-CH3

СгЦ

Сп, СИ,

2-метил-4.7-диметил-гептип-п-6ензолсульфонат

сн

сн, сн,

сн

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

362

сн

сн,

/=Л al

б!

5 41

3 2 1

NaO-SQ

у-

С-СН

-СН-СН

-СН

сн,

СН

—(СН

)

—СН—С

—S0

11-метил-ундецил-п-бензол-сульфонзт

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

разветвленной

цепью.

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:

Н50Н > С

СООН > C

> C6H5SO3H.

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).

[СИ

-(СИ

NH-(CH

)

-NH-(CH

)

-NH-CH

-COOH]

•

HCI

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 (пенообразо-

вание) и по ВПК. Спаны — это сложные эфиры жирных кислот и

спирта сорбита: НОН2С—(CHOH) 4—CHfeOCOR, где R — остаток

363

CHj—(CH^g—

С—С

Н4—SO

сн

10-диметил-децил-п-бензол-сульфонат

жирной кислоты. Твины являются сложными эфирами ангидро-

сорбита и жирных кислот, алкилированные окисью этилена; дру-

гими словами — это эфиры циклизованных полиэтиленоксидов и

жирных кислот

din,

\H-CH,-O-R

I I

HOH

C-f-CH

-0-CH

-}-CH

-0-C!H CH-O-CHj-fC^-O-CH^CHpH

СгГ

O-CH^C^-O-CHj-J-CHpH

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.

ОН СН

СН

6 6"6L

фенол,

или

оксибензол

(карболовая

кислота)

орто-

пара-

ОН

он

диоксибензол

(резорцин)

«резолы

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

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,

364