Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

151

в час вместо 1,8-2,5 г/(л- ч). Длительная ферментация приво-

дит к возникновению малопродуктивных, но быстрорастущих

мутантов, при этом скорость образования этанола лимитирует-

ся вследствие его ингибирующего действия;

2) непрерывная ферментация с применением флокулирующих

продуцентов, что позволяет повысить концентрацию биомассы

дрожжей до 40-80 г/л и увеличить продуктивность системы до

30-50 г/(л-

ч);

3) непрерывная ферментация с рециркуляцией биомассы, что

обеспечивает продуктивность 30-40 г/(л- ч);

4) непрерывная ферментация с использованием иммобилизован-

ных клеток, что обеспечивает продуктивность системы 25-

30 г/(л- ч);

5) вакуумная ферментация при разрежении 32-35 мм рт. ст. с це-

лью удаления этанола и уменьшения его ингибирующего дей-

ствия. Продуктивность системы достигает 80

г/(л- ч). Недос-

татком этого метода является накапливание в среде нелетучих

продуктов, что затрудняет газообмен и вызывает опасность

контаминации;

6) применение флеш-ферментации увеличивает продуктивность

до 80 г/(л-ч)

Производство метилового спирта

Метиловый спирт является продуктом распада пектина - метило-

вого эфира полигалактуроновой кислоты, который содержится в расти-

тельных тканях

. Производство метанола состоит из следующих стадий:

− подготовительного - очистка сырья от примесей, приготовле-

ние солода или культур плесневых грибов;

− основного этапа - разваривание крахмалистого сырья,

− осахаривание крахмала;

− сбраживание осахаренной массы;

− перегонка бражки и получение сырого спирта;

− завершающего этапа - ректификация.

6.9 Сельское хозяйство и биотехнология

Точки соприкосновения

биотехнологии и сельского хозяйства

весьма многообразны. Большая часть продукции сельского хозяйства

служит сырьем для пищевой промышленности. В качестве сырья могут

использоваться и отходы сельского хозяйства: в частности, большое

152

внимание уделяется возможности получение топливного газа из навоза

с сохранением его ценности как удобрения.

В ветеринарии биотехнология используется для получения вак-

цин и сывороток. Для увеличения выхода мяса могут использоваться

гормоны роста. Современная биотехнология дает нам и корм для скота,

например БВК.

Биотехнология, используя методы генной и клеточной инжене-

рии, поможет

разработать новые улучшенные культуры, как по уро-

жайности, так и по качеству. Наибольший вклад биотехнологии в сель-

ское хозяйство следует ожидать за счет улучшения свойств растений,

путем использования методов рекомбинантных ДНК и протопластов

растений.

Перспективным видится решение задачи передачи способности к

фиксации азота непосредственно отдельным сельскохозяйственным

культурам путем введения в

них гена нитрогеназы. Биологическая

фиксация азота позволит сэкономить энергию, затрачиваемую сегодня

при химическом синтезе аммиака, в производстве дорогостоящих хи-

мических удобрений.

6.10 Биогеотехнология

Биогеотехнология занимается вопросами добычи, обогащения

и переработки руд, отделения и концентрирования металлов из

сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных пор-

ций нефти из иссякающих месторождений.

Большую

роль в этих процессах играют микроорганизмы, спо-

собные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превра-

щения.

Биотехнология играет все возрастающую роль при добыче неф-

ти из сложных в эксплуатации залежей с помощью микроорганиз-

мов. Во-первых, в нефтяной промышленности используются поверх-

ностно-активные вещества микробного происхождения. Бактерии - де

эмульгаторы, например Nokardia sp, Rhodococeos rhodochrous, разде-

ляют водную и нефтяную фазы, что может быть использовано как для

концентрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных

примесей, создающих угрозу для окружающей среды. Во-вторых, не-

которые образуемые микроорганизмами полимеры, особенно произ-

водные ксантана можно использовать в качестве компонентов закачи-

ваемых в пласт

растворов, обладающих нужными реологическими ха-

рактеристиками, для добычи остаточной нефти. Ксантан, внеклеточ-

153

ный полисахарид бактерии Xanthomonas campestris. Остаточные пор-

ции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержа-

щихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Раствор

ксантана в воде обладает высокой вязкостью и при закачке в пласты

под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех тре-

щин нефтеносных пород.

Как микробиологи, так и

геологи давно осознали тот факт, что

микроорганизмы играют важную роль в концентрировании и рас-

пределении химических элементов в литосфере. Это особенно спра-

ведливо для многих металлов, которые, являясь существенными ком-

понентами сложных биологических реакций, необходимы для поддер-

жания метаболизма у большинства микроорганизмов. Металлы непо-

средственно включаются во внутриклеточные биохимические реакции,

вследствие этого микроорганизмы могут их накапливать или выделять

в концентрированном виде.

Способностью переводить металлы в растворимые соединения

(выщелачивать металлы из руд) обладают различные бактерии. Напри-

мер: Chromobakterium violaceum растворяет золото по схеме Au -

Au(CN)

;

Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь, цинк,

уран и другие металлы, окисляя их серной кислотой, которая образует-

ся этой бактерией из сульфидов.

Технологии подобных процессов подкупают своей простотой:

для извлечения остатков меди, урана, никеля из "пустых" пород

горнорудного производства их обливают водой и собирают вытекаю-

щие продукты жизнедеятельности микроорганизмов - растворимые со-

единения (CuSO

, UO

и т.д.).

Метод бактериального выщелачивания позволяет рассматривать

разработку бедных месторождений как экономически выгодное пред-

приятие. В США бедные никелевые руды, содержащие всего около 1

кг никеля на 1 т породы, предполагают разрабатывать с применением

бактериального выщелачивания.

При извлечении металлов из сточных вод большое значение

придается таким микроорганизмам, как Citrobacter sp., Zoogloea

ramigera, клетки и внеклеточные

полисахариды которой извлекают U,

Cu, Cd.

Высокая хелирующая способность грибной биомассы, учитывая

сравнительную дешевизну ее наработки в больших количествах, от-

крывает перспективы не только для концентрирования металлов (Pb,

Hg, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Au, Pt, Pd) из растворов, где они присут-

154

ствуют в следовых количествах, но и для освобождения растворов от

радиоактивных примесей (дезактивации).

Способность микроорганизмов принимать участие в круговороте

металлов положена в основу нового направления биогеотехнологии

металлов.

Биогеотехнология металлов – это процессы извлечения метал-

лов из руд, концентратов, горных пород, растворов под действием ми-

кроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности при нормальном

давлении

и физиологической температуре (от 5

С до 90

С).

Составными частями биогеотехнологии являются:

• биогидрометаллургия или бактериальное выщелачивание;

• биосорбция металлов из растворов;

• обогащение руд.

6.10.1Биогидрометаллургия

Еще древние римляне, финикийцы и люди иных ранних циви-

лизаций извлекали медь из рудничных вод. В средние века в Испании и

Англии применяли метод выщелачивания для получения меди из медь-

содержащих

минералов. Естественно, древние горняки не догадыва-

лись, что в процессе принимают участие микроорганизмы. В настоя-

щее время метод бактериального выщелачивания руд хорошо изучен и

применяется достаточно широко. Главным производителем меди до-

бытой таким способом является США. В 1947 г. в США Коллири и

Хинкли выделили из шахтных дренажных вод микроорганизмы,

окисляющие железо

и восстанавливающие серу. Микроорганизмы

были идентифицированы как Thiobacillus ferroxidans. Было доказа-

но, что эти железоокисляющие бактерии в процессе окисления перево-

дят медь из рудных минералов в раствор. Затем были выделены и опи-

саны многие другие микроорганизмы, участвующие в окислении суль-

фидных минералов. А спустя несколько лет, в 1958 г. В США зареги-

стрирован

первый патент на получение металлов из концентратов с

помощью железобактерий.

Позже было доказано, что в сульфидных рудах распространены и

другие бактерии, окисляющие Fe

, S0 и сульфидные минералы, -

Leptospirillum ferrooxidans, Thiobacillus organopatus, Thiobacillus thioox-

idans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans и др. Leptospirillum ferrooxid-

ans окисляет Fe

, а при совместном присутствии с Thiobacillus thioox-

idans или Thiobacillus organoparus – сульфидные минералы при pH 1,5-

4,5 и температуре около 28

С. Sulfobacillus thermosulfidooxidans окис-

155

ляет Fe

, S0 и сульфидные минералы при рН 1,9-3,5 и температуре

С. Ряд других термофильных бактерий окисляет Fe

, S0 и сульфид-

ные минералы при рН 1,4-3,0 и температуре от 50

С до 80

С. Процес-

сы окисления неорганических субстратов служат для этих бактерий

единственным источником энергии. Углерод для синтеза органическо-

го вещества клеток они получают из СО

, а другие элементы – из руд и

растворов.

При бактериальном выщелачивании руд цветных металлов

широко используются тионовые бактерии Thiobacillus oxidans, ко-

торые непосредственно окисляют сульфидные минералы, серу и желе-

зо и образуют химический окислитель Fe

и растворитель – серную

кислоту. Поэтому расход H

при бактериальном выщелачивании

снижается.

Скорость окисления сульфидных минералов в присутствии бакте-

рий возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с химическим про-

цессом. Селективность процесса бактериального выщелачивания цвет-

ных металлов определяется как кристаллохимическими особенностя-

ми, так и электрохимическим взаимодействием. Редкие элементы вхо-

дят в кристаллические решетки сульфидных минералов или

вмещаю-

щих пород и при их разрушении переходят в раствор и выщелачивают-

ся. Следовательно, в выщелачивании редких элементов бактерии иг-

рают косвенную роль.

В процессе выщелачивания марганца из карбонатных руд уча-

ствуют нитрифицирующие бактерии из родов Nitrosomonas, Ni-

trosococcus, Nitrosospira, Nitrobakteria, Nitrococcus.

Сульфатвосстанавливающие бактерии в анаэробных условиях

восстанавливают сульфаты, сульфиты, тиосульфаты, иногда серу.

В процессе разрушения

горных пород участвуют также неко-

торые гетеротрофные микроорганизмы, использующие в качестве ис-

точника энергии органические вещества и выделяющие в качестве ме-

таболитов органические кислоты. Так, силикатные породы разрушают-

ся представителями рода Bacillus, Aspergillus, Penicillium и др.

Процесс выщелачивания осуществляется, как правило, с участием

бактериальной ассоциации микроорганизмов, выделенной из того же

месторождения, что и минералы

, которые должны быть переработаны.

Часто употребляют термины “прямые” и “непрямые” методы бак-

териального окисления металлов. Эти понятия относятся к раство-

рению сульфидных пород непосредственно бактериями и с помощью

железа Fe

, образовавшегося при бактериальном окислении железа. В

ходе непрямого окисления образуется сера, которая вновь окисляется

156

бактериями до серной кислоты. Бактериальное окисление является

сложным процессом, включающим:

• адсорбцию микроорганизмов на поверхности минерала или гор-

ной породы;

• деструкцию кристаллической решетки;

• транспорт в клетку минеральных элементов;

• внутриклеточное окисление.

Процесс реализуется по законам электрохимической коррозии.

Бактериальное выщелачивание, называемое также биогидро-

металлургией или биоэкстрактивной металлургией в про-

мышленности.

Бактериаьное выщелачивание

может быть осуществлено

следующими способами:

• извлечение металлов из бедных руд в кучах, отвалах;

• выщелачивание руды in situ (подземное выщелачивание);

• полное выщелачивание концентратов фильтрацией через непо-

движный слой или в реакторе с перемешиванием;

• частичное выщелачивание концентратов для удаления или для

предварительной подготовки к переработке другими технологиями.

6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов

Выщелачивание куч и отвалов в основном сводится к извлече-

нию металлов из отходов горнорудной промышленности или побочных

медных руд, переработка которых обычными способами неэкономич-

на. Сущность кучного выщелачивания заключается в просачивании

растворителя через рудный штабель (кучу) для перевода ценных ком-

понентов в раствор. Полученные фильтраты направляются на извлече-

ние металлов

, а растворы повторно используются. На водо-

непроницаемое наклонное основание укладывают кучи из измельчен-

ной руды и насосами наверх кучи подают выщелачивающую жидкость

в виде кислого, содержащего бактерии раствора сульфата трехвалент-

ного железа, которая просачивается сквозь нее. Обогащенные металла-

ми растворы, стекающие из отвалов и куч, направляются в специаль-

ные пруды

и водоемы для сбора и извлечения металлов.

Скорость извлечения металла при промышленном выщелачи-

вании куч и отвалов зависит от многих факторов: активности культуры

микроорганизмов, качества руды и степени ее дисперсности, скорости

фильтрации выщелачивающего раствора, аэрации (рис. 40).

157

1-регенератор растворов; 2-насосная оборотных растворов; 3-трубопровод выщелачивающих растворов; 4-вентили;

5-подающие трубопроводы; 6-оросительные шланги; 7-скважины-оросители; 8-блок с замагазинированной рудой;

9-выработка для сбора продуктивных растворов; 10-насосная продуктивных растворов; 11-сгуститель; 12-цементационные

желоба; 13-сушка цементной меди; 14-транспортные пути; 15-компрессорная станция; 16-железный скрап.

Рисунок 40 - Технологическая схема опытно-промышленной установки по бактериальному

выщелачиванию меди

158

6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ

Выщелачивание in situ (подземное выщелачивание) использу-

ется в тех случаях, когда минералы могут подвергаться выщелачива-

нию без извлечения их из земли с помощью шахт. Такой метод нахо-

дит применение в старых подземных разработках и бедных месторож-

дениях, где извлечение руды невыгодно. В Канаде этот метод приме-

няют для извлечения

урана на выработанных площадках. Для экстрак-

ции урана бактерии применяются реже. Для того чтобы при выщелачи-

вании урана можно было использовать микробиологическую техноло-

гию, руда и/или связанные с ней породы должны быть богаты суль-

фидными минералами и не слишком интенсивно поглощать кислоту.

Бактериальное выщелачивание применялось в Канаде и в качестве

первичного средства для получения урана. Рудное тело разрушали

взрывом и осуществляли выщелачивание in situ. Выщелачивание in situ

используют для извлечения урана из песчаниковых формаций с низким

содержанием рудного минерала. Выщелачивающие растворы вводят в

не разрушенное урансодержащее рудное тело через инъекционную

скважину. Эти растворы, содержащие химический окислитель (напри-

мер, перекись водорода), взаимодействуют с минералом, окисляя

уран

и переводя его в растворимую форму. Далее урансодержащие растворы

выкачивают из минерализованной зоны через выходные скважины. На

западе США и в южном Техасе, где широко практикуется выщелачи-

вание in situ, применяют карбонатные растворы с нейтральным pH. По

всей видимости, бактерии в этом процессе экстракции не участвуют.

Подземное выщелачивание испытано на золотоносных песках. Уста

новлено, что наиболее благоприятными объектами являются мерзлые

россыпи, так как есть возможность создать изолированные водонепро-

ницаемые полигоны. Перспективными для такой технологии являются

россыпи погребенных речных долин, расположенных в каньонообраз-

ном русле, сложенном плотными, водонепроницаемыми породами.

6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов

в аппаратах

Бактериальное выщелачивание сульфидных концентратов имеет

несомненное преимущество, так как

оно может быть организовано не-

посредственно в месте получения концентрата в районе разрабатывае-

мых месторождений без больших транспортных расходов. Для интен-

сификации процесса выщелачивания предложены технологии обработ-

159

ки руд в проточном режиме в серии последовательно соединенных ап-

паратов большого объема с перемешиванием, аэрацией, контролем рН,

температуры и концентрации микроорганизмов в пульпе. Эта техноло-

гия получила название чановое выщелачивание.

6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота

Эта идея пришла к ученым Украины на основе открытия, сде-

ланного ими еще в 80 -

е годы прошлого века: золото можно извлекать

из руды с помощью микроорганизмов, содержащихся в руде. Однако

по сей день во всем мире золото добывается экологически опасным

цианидным способом. С помощью микробов можно обезвредить циа-

нидсодержащие стоки действующих золотоизвлекающих предприятий.

Совместно сотрудники АН Украины и лаборатории “Кыргыз-

геологии” испытали данную технологию извлечения

золота и убеди-

лись в ее эффективности. На комбинате “Макмалзолото” провели ук-

рупненные опыты по биообезвреживанию воды хвостохранилища: в

течение пяти суток содержание цианидов в стоках снизилось с 15,6 до

0,02 миллиграмма в литре.

Суть цианидного способа извлечения золота в следующем: руду

измельчают до определенного размера частиц и подвергают гра-

витационному обогащению

, полученный концентрат отправляют на

промывку. Так называемые хвосты после гравитационного обогащения

доизмельчают до 74 микронов частиц, потом подвергают цианирова-

нию, т.е. растворяют мелкие частицы золота в цианидном растворе, по-

сле чего оно улавливается различными сорбентами.

Этот метод отталкивается от того, что в составе золотой руды

есть живые клетки-бактерии, и

некоторые из них обладают способно-

стью активно функционировать в среде с высоким содержанием ме-

таллов. С помощью бактерий можно также разрушать кристаллы ми-

нералов, в которых, как в клетку, заключено золото.

Метод биогеотехнологического извлечения золота особенно пер-

спективен в тех случаях, когда золото находится в ультрадисперсной

форме, то есть в кристаллических

решетках, и не извлекается обыч-

ными способами. Внедрение этой технологии позволяет дополнитель-

но получать от 10% до 12% мелкодисперсного золота, остающегося

сегодня в хвостах. И самое главное – микробиологический способ из-

влечения золота экологически безопасен.

Промышленное применение нашел биотехнологический метод

удаления серы из угля. Предварительная обработка угля бактериями T.

160

Ferrooxidans приводит к окислению значительной доли серы (в виде

пирита) до серной кислоты (60%-98%) за 7-10 суток. Обработку угля

проводят открытым способом, но ведется поиск методов введения ми-

кроорганизмов в пласты угля.

6.10.6 Биосорбция металлов из растворов

Биологические методы находят все более широкое применение

для извлечения металлов из природных, промышленных и бытовых

сточных

вод. Эти методы в отличие от дорогостоящих физико-химиче-

ских характеризуются достаточной простотой и эффективностью.

Обычно для этих целей загрязненные металлами воды собирают в от-

стойниках и прудах со слабым течением, в которых происходит разви-

тие микроорганизмов и водорослей. Эти организмы накапливают рас-

творенные металлы внутриклеточно или, выделяя специфические про-

дукты обмена, переводят их в нерастворимую форму и вызывают оса-

ждение. Многие микроорганизмы способны накапливать металлы в

больших количествах, особенно высокой концентрирующей способно-

стью отличаются микроводоросли. Процесс извлечения металлов из

водных растворов микроводорослями осуществляется следующими

путями:

• адсорбцией металлов на поверхности клеток, сопровождаемой

пассивным, диффузно контролируемым переносом металлов в цито-

плазму

со скоростями, пропорциональными концентрации поверхност-

но связанного металла;

• связыванием поступающих из внешней среды металлов в ком-

плексы с металлотионеином и другими веществами непосредственно

внутри клетки;

• связывание металлов метаболитами, экскретируемыми водорос-

лями.

Основными процессами извлечения металлов из растворов с уча-

стием микроорганизмов являются: биосорбция, осаждение металлов в

виде сульфидов, восстановление

шестивалентного хрома. Биосорбцией

можно из разбавленных растворов извлечь 100% свинца, ртути, меди,

никеля, хрома, урана и 90% - золота, серебра, платины, селена.

6.10.7 Обогащение руд

К перспективным направлениям биогеотехнологии металлов от-

носится направление, ориентированное на обогащение руд и концен-