Промислова біотехнологія
Технологія ферментних препаратів
Виробництво ферментів при поверхневому культивуванні продуцентів
При поверхневому методі культура росте на поверхні твердої зволоженою живильного середовища. Міцелій повністю огортає і досить міцно скріплює тверді частинки субстрату, з якого отримують поживні речовини. Оскільки для дихання клітини використовують кисень, то середовище повинна бути пухкою, а шар культури-продуцента невеликим.Вирощування виробничої культури відбувається зазвичай в асептичних умовах, але середу та кювети необхідно простерилізувати. Перед кожним новим завантаженням також необхідна стерилізація устаткування.
Переваги поверхневої культури: значно більш висока кінцева концентрація ферменту на одиницю масу середовища (при осахаривании крохмалю
Посівний матеріал може бути трьох видів:
- Культура, що виросла на твердому живильному середовищі;
- Споровий матеріал;
- Міцеліальних культур, вирощена глибинним способом.
У три етапи отримують і посівну культуру. Спочатку музейну культуру продуцента пересівають на 1 -
Основу живильного середовища становлять пшеничні висівки, як джерело необхідних поживних і ростових речовин. Крім того, вони створюють необхідну структуру середовища. Для підвищення активності ферментів до висівкам можна додавати буряковий жом, соєвий шрот, крохмаль, рослинні відходи. Стерилізують середу гострим паром при помішуванні (температура - 105-140 С, час 60-90 хвилин). Після цього середу засівають і розкладають рівним шаром в стерильних кюветах. Кювети поміщають в растільние камери. Культивують протягом 36-48 годин.
Зростання ділиться на три періоди, приблизно рівних за часом. Спочатку відбувається набухання конідій та їх проростання (температура не нижче 28о С), потім ріст міцелію у вигляді гармата сірувато-білого кольору (необхідно виводити тепло, що виділяється) і утворення конідій. Для створення сприятливих умов росту і розвитку продуцента необхідна аерація і підтримка оптимальної вологості (55-70%).
Виросла в нерухомому шарі при поверхневому культивуванні культура являє корж з набряклих частинок середовища, щільно пов'язаних зрощеним міцелієм. Масу роздрібнюють до гранул 5 -
Схема очищення зводиться до наступного:
- Звільнення від нерозчинних речовин;
- Звільнення від супутніх розчинних речовин;
- Фракціонування (як правило, хроматографічними методами).
Для виділення ферменту з поверхневої культури необхідна екстракція. Як правило, екстраген - вода. При цьому в розчин переходять цукру, продукти гідролізу пектинових речовин і целюлози. Стадію виділення і очищення завершує сушіння. Після сушіння препарат повинен містити не більше 6-8% вологи, тоді він може в герметичній упаковці зберігатися до року без втрати активності.
Стандартизація ферментного препарату - доведення активності ферменту до стандартної, що відповідає вимогам ГОСТ. Для цього використовуються різні нейтральні наповнювачі - крохмаль, лактоза та ін
Враховуючи величезні перспективи застосування ферментних препаратів у різних галузях промисловості і сільського господарства, медицини, можна зробити висновок про необхідність розширення досліджень в цій області для оптимізації технології та гарантійного отримання високоактивних і стабільних препаратів мікробних ферментів.
Ферментні препарати
Ферментні препарати, високоактивні каталізатори різних біохімічних процесів. Розрізняють ферментні препарати тваринного, рослинного та мікробного походження. За обсягом та асортиментом серед випускаються ферментних препаратів домінують препарати, отримані шляхом мікробіологічного синтезу. Технологія їх виробництва заснована на культивуванні спеціально відібраних штамів мікроорганізмів - активних продуцентів ферментів, з подальшим виділенням препаратів. Найменування ферментних препаратів складається з скороченої назви основного ферменту і видової назви продуцента. Препарати, отримані при поверхневому способі культивування, мають індекс П, при глибинному - Г. Індексом х позначають ступінь концентрування й очищення препарату в процесі виділення. Для інтенсифікації технологічний процесів виноробства ферментна промисловість пропонує ряд комплексних препаратів грибного походження, різняться за величиною активності і співвідношенню гідролітичних ферментних систем, що надають різноманітне дію на високомолекулярні речовини винограду і вина. При отриманні ординарних вин всіх типів широке застосування отримали пектолітіческіе ферментні препарати - Пектаваморін П 10х і Г 10х, а також пектофоетидин П 10х і Г 10х. Препарати стандартизуються за загальною пектолітіческой активності; в якості основних ферментів вони містять полігалактуроназу ендо-і екзодействія і пектінестеразу, а в якості супутніх - протеїнази, целюлази і геміцелюлазу. Активність кислої протеїнази в препараті пектофоетидин П 10х в 2 рази вище в порівнянні з препаратом Пектаваморін П 10х. Оптимальні умови дії препаратів: рН 3,5-4,0, температура 35 ° -40 ° С. При отриманні кріплених, а також червоних столових виноматеріалів ферментні препарати вносять в мезгу, при цьому підвищується загальний вихід сусла на 1-5%, а сусла-самопливу на 10-20%, полегшується пресування, збільшується вміст екстрактивних речовин та інтенсивність забарвлення, прискорюються біохімічні процеси, що протікають при дозріванні вин. При приготуванні білих столових вин ферментні препарати вносять в сусло. Процес освітлення сусла прискорюється в 2-3 рази, кількість гущевих опадів знижується на 4-5%. Пектолітіческіе ферментні препарати можуть бути використані для обробки трудноосветляемих виноматеріалів. При цьому значно скорочується витрата обклеюючі речовин, підвищується стабільність вин до помутнінь колоїдного характеру.З позитивним технологічним результатом було апробовано застосування дослідних партій протеолітичних ферментних препаратів - Протаваморіна П 10х і Проторізіна П 10х, каталізують гідроліз білкових речовин сусла та вина, що супроводжується накопиченням пептидів і амінокислот. Розроблено спосіб іммобілізації кислої протеїнази, виділеної з ферментних препаратів. Пектаваморін П 10х, що дозволив багаторазово використовувати фермент, підвищити його стабільність до ингибирующем дії середовища і створити безперервний процес обробки виноградного соку і вин з метою усунення помутнінь білкового характеру.
Активний комплекс ферментів целлюлолитической і геміцеллюлазного дії, виявлений в препаратах Цітороземін П 10х, Ксілонігрін П 10х, Целлолігнорін П 10х, Целлоконінгін П 10х і Целлобранін П 10х, забезпечує більш глибокий ступінь мацерації рослинної тканини при використанні вищеназваних ферментних препаратів у порівнянні з пектолітіческімі ферментними препаратами. Використання целлюлолитической і пектолітіческіх ферментних препаратів дозволяє удосконалити технологію переробки солодких виноградних вичавок. При цьому збільшується вихід спирту-сирцю і знижується відсоток домішок в осаді виннокислою вапна. Дозування ферментних препаратів, що залежать від його активності, встановлюють пробної обробкою. Зазвичай використовують суспензії ферментних препаратів концентрацією від 1 до 10%, які готують безпосередньо перед внесенням у оброблюваний матеріал. Перспективи подальшого вдосконалення прийомів використання ферментативного каталізу у виноробстві пов'язані зі створенням композицій високоочищених ферментів суворо регламентованого складу, а також з отриманням іммобілізованих форм різних ферментних препаратів.
Джерела
1. Датунашвілі Є.М. Застосування ферментних препаратів у виноградному виноробстві. - В кн.: Ферментні препарати в харчовій промисловості / За ред. В.Л. Кретович, В. Л. Яровенко. Москва, 1995;
2. Зінченко В.І. Застосування цітолітнческого ферментного препарату у виноробстві. - К., 1995; Калунянц К.А., Голгер Л.І. Мікробні ферментні препарати: Технологія та обладнання. - Москва, 2002;
3. Садихов І.І. та ін Технологічні та економічні аспекти переробки виноградних вичавок з використанням ферментних препаратів. - Виноробство і виноградарство СНД, 1988; № 4; Технологічна інструкція по застосуванню пектопротеолітіческіх ферментних препаратів при виробництві виноградних вин. - В кн.: Збірник технологічних інструкцій, правил і нормативних матеріалів по виноробній промисловості / За ред. Г. Г. Валуйко, 6-е вид. 1985.
Біологічне очищення стічних вод. Трохи теорії
Коротка історична довідкаЩе в містах стародавнього Єгипту, Греції та Риму існували каналізаційні системи, за якими відходи життєдіяльності людей і тварин транспортувалися у водойми - річки, озера і моря. У Стародавньому Римі перед скиданням у Тибр каналізаційні стоки накопичувалися і витримувалися в накопичувальному ставку-відстійнику - клоака (cloaca maxima). У Середні століття цей досвід був у значній мірі забутий, помиї, екскременти людей і тварин, виливалися на міські вулиці і віддалялися епізодично. Це було причиною забруднення і зараження джерел питної води і приводило до виникнення епідемій холери, тифу, амебної дизентерії та ін На початку 19 століття в Англії був винайдений туалет з водяним змивом (water closet, WC). Виникла очевидна необхідність в обробці стічних вод та запобігання їх попадання в джерела питної води. Стічні води збирали і витримували у великих ємностях, осад використовували в якості добрив. На початку двадцятого століття були розроблені інтенсивні системи очищення побутових стічних вод, включаючи поля зрошення, де вода очищалася, фильтруясь через грунт, струменеві фільтри з щебеневої і піщаної завантаженням, а також резервуари з примусовою аерацією - аеротенки. Останні є основним вузлом сучасних станцій аеробної очищення міських стічних вод. Спочатку основною метою очищення стоків було їх знезараження. Розуміння важливості якісного очищення стічних вод для охорони природних водойм прийшло пізніше. Проблема чистої води є однією з найактуальніших проблем початку століття. Для збереження місць забору питної води чистими необхідна якісна очищення стічних вод, виробництво яких в Росії сягає
Основні принципи біологічного очищення води
Очищення стічних вод передбачає практично повне біологічне розкладання органічних сполук у воді. За існуючими нормами, вміст органічних речовин в очищеній воді не повинен перевищувати 10 мг / л.Деградація органічних речовин мікроорганізмами в аеробних і в анаеробних умовах здійснюється за різними енергетичними балансами сумарних реакцій. При аеробному біоокислення глюкози 59% енергії, що міститься в ній, витрачається на приріст біомаси і 41% становлять теплові втрати. Цим обумовлюється активний ріст аеробних мікроорганізмів. Чим вище концентрація органічних речовин в оброблюваних стоках, тим сильніше розігрів, вище швидкість росту мікробної біомаси і накопичення надлишкового активного мулу. При анаеробної деградації глюкози з утворенням метану лише 8% енергії витрачається на приріст біомаси, 3% становлять теплові втрати і 89% переходить на метан. Анаеробні мікроорганізми ростуть повільно і потребують високої концентрації субстрату.
Аеробний процес
З 6 Н 12 О 6 +6 О 2 -> 6СО 2 +6 Н 2 О + мікробна біомаса + тепло
Анаеробний процес
З 6 Н 12 О 6 -> 3СН 4 + 3СО 2 + мікробна біомаса + тепло
Аеробне мікробне співтовариство представлено різноманітними мікроорганізмами, в основному бактеріями, окислюючими різні органічні речовини в більшості випадків незалежно один від одного, хоча окислення деяких речовин здійснюється шляхом соокісленія (кометаболізм). Аеробне мікробне співтовариство активного мулу систем аеробного очищення води представлено винятковим біорізноманіттям. В останні роки з допомогою нових мокулярно-біологічних методів, зокрема специфічних рРНК проб, в активному мулі показано присутність бактерій родів Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Вважається, однак, що до теперішнього часу ідентифіковано не більше 5% видів мікроорганізмів, що беруть участь в аеробній очищення води. Слід зазначити, що багато аеробні бактерії є факультативними анаеробами. Вони можуть рости у відсутності кисню за рахунок інших акцепторів електрона (анаеробне дихання) або бродіння (субстратних фосфорилювання). Продуктами їхньої життєдіяльності є вуглекислота, водень, органічні кислоти і спирти.
Рис. 1.1. Порівняння матеріального та енергетичного балансів методів аеробної та анаеробної очистки стічних вод.
Анаеробна деградація органічних речовин, при метаногенеза здійснюється як багатоступінчастий процес, в якому необхідна участь щонайменше чотирьох груп мікроорганізмів: гідролітіков, бродільщіков, ацетогенов і метаногенів. У анаеробному співтоваристві між мікроорганізмами існують тісні і складні взаємозв'язки, що мають аналогії в багатоклітинних організмах, оскільки зважаючи на субстратної специфічності метаногенів, їх розвиток неможливий без трофічної зв'язку з бактеріями попередніх стадій. У свою чергу метанові археї, використовуючи речовини, які продукують первинними анаеробами, визначають швидкість реакцій, здійснюваних цими бактеріями. Ключову роль в анаеробній деградації органічних речовин до метану грають метанові археї пологів Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium та інші. При їх відсутності або недоліку анаеробне розкладання закінчується на стадії кіслотогенного і ацетогенного бродінь, що призводить до накопичення летких жирних кислот, в основному масляної, пропіонової і оцтової, сніженіію рН і зупинки процесу.Перевагою аеробної очищення є висока швидкість і використання речовин в низьких концентраціях. Суттєвими недоліками, особливо при обробці концентрованих стічних вод, є високі енерговитрати на аерацію і проблеми, пов'язані з обробкою та утилізацією великих кількостей надлишкового мулу. Аеробний процес використовується при очищенні побутових, деяких промислових і свинарських стічних вод з ГПК не вище 2000. Виключити вказані недоліки аеробних технологій може попередня анаеробна обробка концентрованих стічних вод методом метанового зброджування, яка не вимагає витрат енергії на аерацію і більше того пов'язана з утворенням цінного енергоносія - метану. Перевагою анаеробного процесу є також відносно незначна освіта мікробної біомаси. До недоліків слід віднести неможливість видалення органічних забруднень у низьких концентраціях. Для глибокого очищення концентоірованних стічних вод анаеробну обробку слід використовувати в комбінації з подальшою аеробної стадією (Мал. 1.1). Вибір технології та особливості обробки стічних вод визначаються вмістом органічних забруднень в них.
Стічні води великих міст і невеликих селищ значно відрізняються за концентрацією органічних забруднювачів. Вміст органічних забруднювачів у стічних водах великих міст не перевищує 500 мг / л, складаючи зазвичай 200-300 мг / л. Побутові стічні води невеликих населених пунктів містять більше органіки, від 500-1000 г / л і більше. У сучасних дачних і котеджних селищах часто туалетні і кухонні стічні води, містять велику кількість органічеаскіх забруднень, відокремлюються від стоків ванних кімнат. Для очищення стічних вод інтенсивно розвиваються котеджних селищ будуються локальні очисні споруди, для пуску яких і виведення на робочий необхідно використовувати активний мул міських станцій аерації або спеціальні мікробні препарати.
Біопрепарати як засіб для ініціації та інтенсифікації очищення стічних вод
В даний час існує безліч біопрепаратів, що використовуються для очищення стічних вод. Це консорціуми мікроорганізмів, виділені методом накопичувальних культур зазвичай з активного мулу аеротенків міських споруд очищення стічних вод. Вони використовуються для очищення стічних вод місцевого значення, наприклад, у селах, дачних і котеджних селищах, невеликих селищах міського типу, міні-заводах і т.п. Біопрепарати, містять обмежену кількість видів мікроорганізмів, по спектру утілізуються речовин поступаються свіжому активного мулу. Однак, вони містять швидко зростаючі штами, які ініціюють процеси розкладання органічних забруднень. У нестерильному процесі розвиваються також мікроорганізми, що містяться у відходах, і в мікробне співтовариство включаються відсутні ланки.Дія мікроорганізмів біопрепаратів в тому, що в процесі своєї життєдіяльності вони виробляють ферменти, які здатні, розщеплювати жири, білки та інші складні речовини органічного походження на більш прості органічні речовини, які легко розкладаються ними до вуглекислоти і простих сполук азоту. Після додавання препарату зростає концентрація мікроорганізмів, а отже і ступінь очищення. Клітини мікроорганізмів іноді мобілізують на твердому дисперсному носії, який може служити додатковим джерелом азоту і фосфору. Препарати містять асоціації 6-12 штамів аеробних і факультативно анаеробних мікроорганізмів, які забезпечують комплексну очистку стічної води від органічних забруднювачів: жирів, білків, складних вуглеводів, і навіть (спеціалізовані) від нафтопродуктів. В якості поживних елементів біопрепарати містять солі азоту та фосфору, які стимулюють ріст мікроорганізмів і вироблення мікроорганізмами ліполітичних, амілазолітіческіх, карбогідразних, та ін ферментів, максимально полегшують розкладання органіки. Аналогічні біоактиватори, але з дещо іншим складом, застосовуються також при виробництві компосту, в біотуалетах і т. п.
Високоефективна енергопродуцірующая очищення концентрованих стічних вод промисловості
Багато галузей промисловості (харчова, целюлозопаперової, мікробіологічна, хімічна, фармацевтична та ін) є масштабними виробниками концентрованих за органічними забруднень стічних вод. Традиційним способом обробки цих стічних вод в Росії є аеробна біологічна очистка, сполучена з великими витратами на аерацію та утилізації надлишку активного мулу. Крім крайньої економічної неефективності такого підходу, змінний склад стічних вод і висока концентрація забруднень часто призводить до перевантажень споруд аеробної біологічної очистки, в результаті чого забруднення безперешкодно потрапляють в навколишнє середовище (річки, озера, грунтові води). Очевидно, що така практика має вкрай негативні екологічні наслідки і веде до безглуздого витрачання корисних речовин, укладених у стічних водах. Економічно ефективним і екологічно прийнятним рішенням існуючої проблеми може служити комбінована анаеробно-аеробна технологія очищення концентрованих стічних вод, що розробляється в даний момент на кафедрі хімічної ензимології Хімічного ф-ту МДУ. Технологічна схема цього процесу може бути представлена наступним чином:
Відповідно до цієї схеми, стічна вода надходить у високошвидкісній анаеробний реактор з грануллірованной (иммобилизованной) біомасою (UASB-реактор), де відбувається як мінімум 90% конверсія органічних забруднень у біогаз (70% метану, 30% вуглекислого газу). Біогаз після очищення від слідів сірководню є цінним енергоносієм і може використовуватися в заводських котелень для генерації тепла / пара або конвертуватися в електроенергію в газогенераторах. Еффлюент анаеробного реактора містить не більше 10% від початкового змісту ГПК, а також азот і фосфор у мінералізованою вигляді. Такий еффлюент може використовуватися як ефективний рідке добриво, якщо дозволяють умови, або скидатися в каналізаційні системи очищення стічних вод, якщо такі існують. У разі відсутності або перевантаження останніх анаеробний еффлюент може бути доочіщен аеробними методами до стандартів (БПК, N, P і ін) скидання у відкриті водойми.
Переваги пропонованої комбінованої технології в порівнянні, наприклад, з традиційною аеробної очищенням (аеротенки, біофільтри, біопрудах) полягають у наступному.
1. Кардинальне зниження енерговитрат на аерацію, так як попередня анаеробна обробка концентрованих стічних вод, природно, не вимагає витрат енергії на аерацію, видаляти при цьому 90% і більше ГПК забруднень; електроенергія на анаеробної стадії необхідна тільки для перекачування стічних вод, як правило, не більше 0.02-0.06 кВт год / м 3.
2. Органічні забруднення стічних вод як мінімум на 90% конвертуються в цінний енергоносій - метан, причому виходи останнього досить високі -
3. Приріст надлишкової біомаси по сухій речовині в 5-10 разів менше, ніж при чисто аеробної очищенню, а за обсягом - в 25-50 разів. Надлишкова біомаса стабільна, не загниває при зберіганні, легко зневоднюється без застосування реагентів. Високий вміст в анаеробній біомасі вітаміну В 12 робить її цінною сировиною для одержання кормових добавок.
4. Стосовно до очищення концентрованих стоків анаеробні системи, як правило, значно продуктивніше аеробних. Це пов'язано з тим, що в анаеробних реакторах досягається дуже висока концентрація біомаси - до 30-50 г / л і більше, тоді як в аеробних спорудах концентрація біомаси жорстко обмежена можливостями аеруючими пристроїв (зазвичай не більше 4-8 г / л). Внаслідок цього, продуктивність сучасних високошвидкісних анаеробних реакторів типу UASB становить 15 -
5. Анаеробні реактори стійкі до тривалих перерв у подачі стічної води, що дозволяє ефективно використовувати їх для очищення стоків сезонних виробництв.
6. Стосовно до стічних вод, що не містить біогенні елементи, анаеробна очищення вимагає в 5-10 разів меншою біогенної підживлення, ніж аеробна.
7. Конструкція анаеробних реакторів може бути щільною, що запобігає поширенню погано пахнуть речовин і мікробної аерозолів навколо очисних споруд. Внаслідок цього, може бути значно скорочена санітарно-захисна зона.
8. Компактність і санітарно-гігієнічна безпека сучасних анаеробних біореакторів робить можливим їх широке використання для локального очищення концентрованих промислових стічних вод підприємств, розташованих в населених пунктах. Надлишкова анаеробна біомаси від біореакторів може скидатися в каналізаційну мережу з очищеної стічної водою без перевищення норм прийому по зважених речовинах, або періодично вивозитися на сільськогосподарські угіддя як добриво або на продаж для запуску інших анаеробних реакторів.
9. Мінімальний обсяг анаеробних реакторів не обмежений. На відміну від аеробного очищення, експлуатація невеликих установок (20 -
10. Проміжні та кінцеві продукти анаеробної очистки (ЛЖК, обсяг і склад біогазу) легко піддаються обчисленню. Це полегшує застосування автоматизованого контролю та управління.
11. Комбінована технологія може бути дуже органічно інтегрована в різні системи глибокої утилізації стічних вод і рекуперації забруднень, які включають у себе:
- Отримання енергії, палива, товарної вуглекислоти, біомаси (метанотрофних мікроорганізмів) та інших продуктів з біогазу; - розведення, кормову та енергетичну утилізацію вищої водної рослинності в біопрудах доочищення; - розведення в біопрудах риби; - зрошення та удобрення очищеними стічними водами; - добриво грунтів надлишковим анаеробним мулом; - вилучення та рекуперація азоту, фосфору і сірки.
Техніко-економічне обгрунтування
Економіка пропонованої комбінованої технології може бути оцінена на прикладі Плавське спиртзаводу Тульської області та використовуючи ціни липня
Щоденна продукція стічних вод на цьому заводі становить у середньому
Стандартна розцінка на обробку
Із зарубіжних джерел відомо, що капітальні витрати, приведені до
Таким чином, окупність капітальних витрат комбінованої технології, враховуючи тільки біогаз, становить 150000/35542 = 4.22 року. З урахуванням же наноситься екологічного збитку, цей термін істотно нижче. Слід зауважити, що за часів СРСР впровадження технології вважалася обгрунтованим, якщо термін окупності капітальних витрат не перевищував 8 років.