Биологическая переработка промышленных отходов

Отходы, не содержащие азота  или фосфора, не способны поддерживать рост микроорганизмов. В подобных случаях  для окисления токсичных соединений до двуокиси углерода можно использовать покоящиеся клетки при условии, что  активность их гидролитических и  окислительных ферментов не подавляется. Поскольку среда при переработке  отходов в колонных реакторах  периодически меняется, микроорганизмы оказываются в условиях голодания  и в это время их рост прекращается. При поступлении источника углерода на короткое время включается несопряженный  метаболизм, когда организмы дышат, но не растут. Это дает то преимущество, что уменьшается общий выход  биомассы (ила).

 

 

 

 

 

 

 

3.Отходы молочной промышленности; сыворотка

 

Сыворотка является побочным продуктом сыроварения. Ее состав зависит  от типа используемого молока и вырабатываемого  сыра. В высушенном или концентрированном  виде сыворотка применялась в  качестве корма для животных; одна-. ко ее недостатком является то, что она несбалансирована с точки зрения содержания питательных веществ: в ней слишком высока концентрация минеральных веществ и лактозы. Разработаны способы извлечения из сыворотки белков путем ультрафильтрации, осаждения или выделения с помощью ионного обмена Из таких белков можно получать белковые гидролизаты, используя для этого ферментеры. После извлечения белков получают большие объемы фильтратов с высокими концентрациями лактозы (35 - 50 г/л), минеральных веществ, витаминов и молочной кислоты, и встает проблема дальнейшего их использования. Если превратить лактозу в молочную кислоту при участии молочнокислых бактерий, то мы получим источник углерода, который может сбраживаться дрожжами (например, смешанными культурами Lactobacillus bulgarius к Candida krusei). Возможно и прямое сбраживание лактозы дрожжами Kluyveromyces fragilis или Candida intermedia. После подобного сбраживания не обязательно отделять микроорганизмы от среды, объем которой можно уменьшить и получить обогащенную белком сыворотку.

Из сыворотки получают не только белковые продукты, но и (путем ферментации) сырье для химической промышленности (например, этанол). Путем химического гидролиза лактозы с последующим удалением глюкозы из раствора с помощью ферментации можно получать галактозу. Альтернативный биологический путь - использование мутантных дрожжей, лишенных β-галактозидазы. Такие мутанты сохраняют способность к гидролизу лактозы и используют образующуюся глюкозу в качестве источника углерода. В результате гидролиза лактозы фильтрат становится более сладким; на опытных установках такой гидролиз осуществляют с помощью иммобилизованной β-галактозидазы. Гидролизованный фильтрат не только находит применение в пищевой промышленности, но может оказаться полезным и при решении проблем, связанных с недостатком ферментов у некоторых животных-отъемышей и с непереносимостью лактозы у человека. Из сыворотки получают и другие химические соединения: лактозу, лактулозу, лактитол и лакто-бионовую кислоту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Отходы целлюлозно-бумажной промышленности

 

Волокнистый материал, применяющийся  при производстве бумаги и других продуктов, получают как из древесных, так и из травянистых растений после химического расщепления  лигнина. Однако этот процесс сопровождается потерей большого количества древесины  и образованием огромного количества отходов. Все это должно стимулировать  разработку альтернативной химической технологии.

В настоящее время применяют  два процесса получения древесной  пульпы. Основной из них - это щелочная варка (сульфатный процесс), в результате которой образуется темная сульфатная варочная жидкость. Эти отходы содержат трудно перерабатываемые ароматические  продукты расщепления лигнина и  низкомолекулярные органические кислоты (глюкоизосахариновую, молочную, уксусную и муравьиную). При получении пульпы из смолистой древесины сосны образуются талловое масло и терпены, широко использующиеся в промышленности. Сульфатную варочную жидкость не удается перерабатывать биологическими способами, которые могли бы применяться в промышленном масштабе; гораздо экономичнее упаривать эту жидкость и сжигать ее, получая таким образом энергию из отходов.

Сульфатная варка целлюлозы  применяется реже; она дает отходы следующего состава: лигносульфонаты с ароматическими элементами (60%), сахара (манноза, галактоза, глюкоза, ксилоза, арабиноза (36%), уксусная кислота, метанол и фур-фураль). Эти жидкие отходы - хорошее сырье для ферментации благодаря высокому содержанию в них углеводов. Их ферментация в широких масштабах начата в 1909 г. В настоящее время традиционным методом удаления пентоз, гексоз и уксусной кислоты из таких отходов служит их ферментация при участии дрожжей. Помимо этих традиционных методов, вскоре будут использоваться и новые процессы превращения отходов в грибной белок с помощью Paecilomyces variotii, Sporotrichum pulveralentum и Chaetomicum cellulolyticum.Неподдающиеся переработке соединения можно концентрировать и сжигать. Лигносульфонаты применяют в качестве связывающих веществ и вспомогательных средств при бурении; щелочным окислением при повышенном давлении их можно превращать в ванилин. Вообще говоря, главное в переработке отходов целлюлозно-бумажной промышленности - это понижение энергозатрат, а какой химический принцип при этом используется, менее существенна.

Основная экологическая  проблема, порождаемая целлюлозно-бумажной промышленностью, это очистка сточных  вод, а также обработка конденсатов, образующихся в испарителях и  реакторах. Сточные воды осветляют  путем нейтрализации и отстаивания, окисления в одно- и двухстадийных установках с активным илом, в аэрируемых отстойниках или путем сочетания биологических и химических способов окисления. Эти методы пригодны для эффективного удаления соединений, подверженных биодеградации, а также токсичных производных фенола, однако они оказываются дорогими и неэффективными в случае производных лигнина, с трудом поддающихся переработке. Отбеливатели, содержащие хлорпроизводные бифенилов, можно обесцвечивать с помощью грибов - возбудителей белой гнили.

Среди побочных продуктов  сульфитного процесса получения  целлюлозы преобладают химически  модифицированные лигнины, образующиеся во многих реакциях между активным сульфитом и каким-либо сложным  природным полимером. Структура  лигносульфонатов в деталях неизвестна. Они представляют собой гетерогенную смесь соединений с широким спектром молекулярных масс (300-100000); состав смесей определяется природой перерабатываемой древесины. Образование сульфонатов приводит к частичной солюбилизации лигниновых фрагментов. Сложность структуры лигносульфонатов затрудняет изучение их биодеградации. Для упрощения задачи обычно используют модельные соединения, например дегидрополимеры кониферилового спирта или другие низкомолекулярные продукты. Низкомолекулярные лигносульфонаты чувствительнее к биодеградации, чем высокомолекулярные; с другой стороны, производные лигнина, видимо, устойчивее к разрушению, чем сам лигнин. Следовательно, образование сульфопроизводных затрудняет переработку.

В таких сопряженных окислительно-деградативных процессах почвенные грибы и бактерии более эффективны, чем гнилостные грибы; для осуществления этих процессов требуется также дополнительный источник углерода. Распад лигносульфонатов нередко сопровождается полимеризацией, в результате чего наблюдается сдвиг в распределении полимеров по молекулярным массам. Эти изменения могут коррелировать с присутствием внеклеточных фенолоксидаз (например, лакказы), физиологическая роль которых остается неизвестной. Фенолы превращаются в соответствующие хиноны и фенокси-радикалы, которые спон-; танно полимеризуются. Таким образом, полимеризация и деградация происходят одновременно. Однако в случае некоторых грибов реакции полимеризации не протекают в присутствии целлюлозы. Целлюлоза распадается до целлобиозы, являющейся субстратом для целлобиоза: хинон оксидоредуктазы, которая одновременно окисляет целлобиозу и восстанавливает хиноны и фенокси-радикалы. Может существовать и другая оксидоредуктазная система, в которой легкодоступные источники углерода используются для восстановления хинонов. Возможная роль подобной биологической полимеризации состоит в облегчении осаждения лигно-сульфонатов. Лигносульфонаты применяются как связывающие вещества при производстве отдельных видов картона, где в качестве катализатора полимеризации используют содержащие лакказу культуральные фильтраты. Фенолоксидазы могут играть важную роль в определении судьбы многих ксенобиотиков в окружающей среде, участвуя в полимеризации фенолов и в образовании органических полимеров почвы.

Чувствительность лигносульфонатов к биодеградации увеличивается после их химической или физической модификации. Под действием УФ-облучения и озонирования происходит фрагментация этих молекул, а удаление остатков сульфоновой кислоты хотя и снижает растворимость лигносульфонатов, одновременно уменьшает их устойчивость к биодеградации. Предпринимались попытки использовать для микробного десульфирования анаэробные сульфатредуцирующие бактерии и некоторые виды Pseudomonas. Большими потенциальными возможностями в этом смысле обладают смешанные культуры. Использование таких культур для разрушения лигносульфонатов может оказаться более эффективным, чем применение отдельных штаммов, поскольку при этом могут быть созданы сообщества с широким спектром активностей, например, способные к десульфированию, расщеплению прочных связей, метилированию и деполимеризации. В результате может быть получена высокоэффективная биоокислительная система. В одной из опытных установок для получения БОО из углеводов, содержащихся в отходах целлюлозно-бумажной промышленности, используют Candida utilis, a для разрушения остаточных лигносульфонатов - смешанную культуру. Биомасса, образующаяся на второй стадии этого процесса, не находит сбыта, поэтому ее повторно используют после термообработки для ускорения роста Candida.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде

 

Биодеградация органических соединений, загрязняющих окружающую среду, оправдана только в том  случае, если в результате происходит их полная минерализация, разрушение и  детоксикация; если же биохимическая модификация этих соединений приводит к повышению их токсичности или увеличивает время нахождения в среде, она становится не только нецелесообразной, но даже вредной. Детоксикация загрязняющих среду веществ может быть достигнута путем всего одной модификации структуры. Судьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом взаимосвязанных факторов как внутреннего характера (устойчивость ксенобиотика к различным воздействиям, растворимость его в воде, размер и заряд молекулы, летучесть), так и внешнего (рН, фотоокисление, выветривание). Все эти факторы будут определять скорость и глубину его превращения. Скорость биодеградации ксенобиотика данным сообществом микроорганизмов зависит от его способности проникать в клетки, а также от структурного сходства этого синтетического продукта и природного соединения, которое подвергается естественной биодеградации. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют различные механизмы метаболизма.

В большинстве случаев  при исследовании биодеградации  использовался традиционный подход, основанный на выделении и анализе  свойств чистых изолятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами. Эти местообитания не могут не быть взаимосвязанными друг с другом. Ксенобиотики подвергаются действию смешанных популяций микроорганизмов, т.е. сообществ, для которых характерны отношения кооперации, комменсализма и взаимопомощи.

 

                                                       Заключение

 

Развитие всех современных  направление биотехнологии, включая  экологическую биотехнологию, происходит в настоящее время настолько  быстро, что точные прогнозные оценки в этой области весьма затруднительны. Биологические технологии целиком  базируются на научных достижениях. При этом то, что лишь недавно  было предметом лабораторных исследований, сегодня активно внедряется в  производство. Круг наук, результаты которых  воплощаются в биотехнологию, непрерывно расширяется. Таким образом, расширяются  возможности и сферы самой  биотехнологии. Вероятно, в будущем  не будет ни одного направления человеческой деятельности, которое не было бы в тех или иных пределах связано с биотехнологией.

Расширение сферы внедрения  биотехнологии изменяет соотношение  в системе «человек – производство – природа», повышает производительность труда, принципиально изменят его  качество. Биологизация производства в целом – одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая некоординируемая деятельность может привести к не- обратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обитания человека. Разрешение это- го противоречия, то есть создание такого равновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосуществованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только на основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разумное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов.

 

 

Список используемой литературы

 

1. Экологическая биотехнология: Пер. с англ./Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. – Л.: Химия, 1990. – Пер. изд.: Великобритания, 1987. – 384 с.: ил. ISBN 5 – 7245 – 0418 – 9
2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. – М.: КолосС, 2004. – 296 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).
3. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 272 с.