Тимощенко Л.В., Чубик М.В. Основы микробиологии и биотехнологии: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

191

Ил далее концентрируют или сгущают часто путем простой седимента-

ции; ликвидации ила обычно предшествует операция анаэробной био-

логической переработки, являющаяся одним из этапов водоочистки.

Механизм анаэробной переработки отходов, в котором участвует

множество видов микроорганизмов, в самом общем и упрощенном виде

можно описать следующей схемой:

органические

вещества

органические

вещества

солюбилизация внеклеточными

гидролитическими ферментами

кислотообразующие

бактерии

Бактериальная биомасса

Другие продукты

Летучие органические кислоты + СО

+ Н

газификация

метанобразующими

бактериями

СН

+ СО

+ бактериальная биомасса

На первой стадии твердые частицы ила солюбилизируются или

диспергируются внеклеточными ферментами, синтезируемыми самыми

различными бактериями. В системах для анаэробной обработки ила об-

наружены протеолитические, липолитические и некоторые целлюлоли-

тические ферменты. Поскольку в биореакторах для анаэробной перера-

ботки ила твердые вещества не накапливаются, то, очевидно, реакции

солюбилизации осуществляются достаточно быстро и эта стадия не ли-

митирует скорость всей последовательности превращений.

Экспериментальное изучение следующей стадии анаэробной пере-

работки ила, а именно микробиологического синтеза низкомолекуляр-

ных жирных и летучих кислот из растворенных органических веществ,

показало, что скорость осуществляющихся на этой стадии реакций так-

же довольно высока. По вполне понятной причине ответственные за эти

превращения организмы называют кислотообразующими бактериями;

они являются факультативными анаэробными гетеротрофами и лучше

всего функционируют в диапазоне рН от 4,0 до 6,5. Главным продуктом

этой стадии является уксусная кислота, хотя в некоторых количествах

образуются также пропионовая и масляная кислоты.

Важнейшим субстратом для последней стадии процесса является

уксусная кислота; показано, что около 70 % всего метана образуется

именно из этого субстрата. Стадия газификации осуществляется с уча-

стием метанобразующих бактерий, являющихся облигатными анаэро-

192

бами. Эти организмы проявляют наибольшую активность в гораздо бо-

лее узком диапазоне рН (от 7,0 до 7,8); их сложно выделить в виде соот-

ветствующих чистых культур, но в адекватно эксплуатируемом биоре-

акторе (метантенке) смешанная культура этих бактерий находит очень

хорошие условия для своей жизнедеятельности. Имеющиеся данные

свидетельствуют о том, что превращение летучих кислот в СН

и СО

лимитирует скорость всей последовательности превращений.

На рис. 6.7 представлена схема аппарата для анаэробной перера-

ботки ила (метантенка). Для предотвращения чрезмерного повышения

локальных концентраций кислот содержимое метантенка перемешива-

ют. Создание условий, удовлетворительных как для кислотообразую-

щих, так и для метанобразующих бактерий, обеспечивается поддержа-

нием рН около 7. На рис. 6.7 указан также выносной теплообменник для

поддержания повышенной температуры в резервуаре метантенка. В на-

стоящее время в большинстве случаев температуру содержимого метан-

тенка поддерживают на уровне мезофильного диапазона (около 32–38

°С), который обеспечивает максимальную скорость переработки ила.

Имеются указания на то, что скорость процесса можно повысить в еще

большей степени, если осуществлять его в термофильном диапазоне

(около 55 °С). Впрочем, такой температурный режим применяют срав-

нительно редко; одной из причин предпочтения, отдаваемого мезо-

фильному диапазону температур, является меньший расход энергии на

нагревание метантенка. При эффективном перемешивании и средней

температуре (32–35

С) необходимое для полной переработки ила время

его пребывания составляет от десяти до тридцати суток.

При анаэробной переработке ила образуется топливо, которое

можно использовать для снижения эксплуатационных расходов водо-

очистных станций. Иногда образующийся при анаэробной переработке

ила метан используют вне водоочистной станции для выработки тепла и

электроэнергии. Газовая смесь, образующаяся при анаэробной перера-

ботке ила и накапливающаяся, как это показано на рис. 6.7, в верхней

части метантенка, состоит в основном из метана (65–70 %) и углекисло-

го газа. В небольших концентрациях в этой смеси содержатся также се-

роводород (продуцируемый сульфатредуцирующими бактериями), Н

CO.

В связи с повышением цен на топливо, однако, процессам анаэроб-

ной переработки ила как потенциальному источнику топлива (после

обязательного удаления H

S) уделяется все большее внимание.

В результате анаэробной переработки ил легче поддается после-

дующим операциям. Во-первых, содержание органических веществ в

иле снижается на 50–60 %. Во-вторых, существенные изменения пре-

193

терпевают и концентрации других компонентов ила. После анаэробной

переработки ил в гораздо меньшей степени подвержен гниению и легче

обезвоживается. После обезвоживания (эту операцию часто осуществ-

ляют с помощью ротационного вакуум-фильтра) ил высушивают и за-

тем используют в качестве удобрения, складируют или сжигают.

Рис. 6.7. Схема установки для анаэробной переработки ила:

1 – смотровые окна; 2 – труба для выхода газа; 3 – предохранительный клапан для

регулирования давления (вакуума); 4 – пламягаситель; 5 – трубопровод для отвода

газа; 6 – возвратная вода; 7 – возвратная циркулирующая вода и расширительная

камера; 8 – регулируемый слив суспензии ила; 9 – регулятор уровня; 10 – вывод из

камеры с илом;11 –– возврат воды в нагреватель; 12 – выпуск переработанного ила;

13 – дренажные трубы; 14 – подача сырого ила; 15 – газ; 16 – подача циркулирую-

щей воды; 17 – выносной теплообменник; 18 – возврат циркулирующей воды; 19 –

верхний уровень ила.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьев А. А. Микробиология. – М.: Медицина, 2003. –464 с.

2. Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987. – 566 с.

3. Красильников А. П. Словарь-справочник микробиологический. –

Минск, 1999. – 185 с.

4. Елинов Н. П. Основы биотехнологии. – СПб: Изд-во наука, 1995. –

600 с.

194

5. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. В 2-х т.–

М.: Мир, 1989.

6. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. – М.: Мир, 1987. –

411 с.

7. Егоров Н. С. Основы учения об антибиотиках. – М.: Изд-во МГУ,

1994.– 512 с.

8. Уэбб Ф. Биохимическая технология и микробиологический синтез. –

М.: Медицина, 1969.– 562 с.

9. Биотехнология: Учеб. пособие для вузов. В 8 кн./Под ред. Н. С. Его-

рова, В. Д. Самуилова. Кн. 6. – М.: Высш. шк., 1987. – 143 с.

10. Загребельный С. Н. Биотехнология. Ч. 1: Культивирование проду-

центов и очистка продуктов: Учеб. пособие. – Новосибирск: Новоси-

бирский гос. ун-т, 2000. – 108 с.

11. Загребельный С. Н. Биотехнология, Ч. 2. Инженерная энзимология:

Учеб. пособие. – Новосибирск: Новосибирский гос. ун-т, 2001. – 138 с.

12. В. Н. Рыбчин. Основы генетической инженерии. Учебник для вузов.

2-е изд. – СПб: Изд-во СПб ГТУ, 1999. – 522 с.

195

Учебное издание

ТИМОЩЕНКО Лариса Владимировна

ЧУБИК Марианна Валериановна

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Научный редактор

доктор химических наук,

профессор В.Д. Филимонов

Редактор И.О. Фамилия

Верстка М.В. Чубик

Дизайн обложки Т.А. Фатеева

Подписано к печати 00.00.2008. Формат 60х84/8. Бумага «Снегуроч-

ка».

Печать XEROX. Усл.печ.л. 000. Уч.-изд.л. 000.

Заказ ХХХ. Тираж 100 экз.

Томский политехнический университет

Система менеджмента качества

Томского политехнического университета сертифи-

цирована

NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO

9001:2000

. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.