Методы очистки выбросов биотехнологического производства.

Лекция 9. Биотехнология и проблемы экологии и охраны окружающей среды. Особенности GMP для биотехнологического производства

Вопросы лекции:

1. Методы очистки выбросов биотехнологического производства.

2. Системы GLP и GMP в связи с качеством биотехнологических продуктов.

Методы очистки выбросов биотехнологического производства.

Биотехнология, как всякое направление промышленной деятельности человека, создает определенные экологические проблемы. Однако тот факт, что период резкого расширения промышленного использования микроорганизмов совпал по времени с периодом пристального внимания человека к экологии и охране окружающей среды, а также ряд принципиальных особенностей промышленной биотехнологии, обсуждаемых ниже, позволяют отнести микробиологическую промышленность к одной из наиболее экологически безопасных отраслей народного хозяйства, которая, возможно, станет первым типом производств, действительно не имеющих отходов.

Экологические проблемы промышленной биотехнологии определяются тем, что эта область производства связана с использованием огромных масс технологической воды и воздуха, т. е. потенциально могла бы стать источником большого количества воздушных и водных выбросов. Экологическая опасность этих выбросов определяется, в первую очередь и почти исключительно, присутствием в них живых или убитых клеток микроорганизмов. Хотя в биотехнологии, дело имеют только с непатогенньши формами микроорганизмов, но даже их попадание в окружающую среду может, в принципе, вызвать в ней нежелательные и неконтролируемые изменения.

Следствием выброса живых клеток продуцентов из аппаратов, где протекает микробиологический синтез или идет переработка его продуктов, может быть изменение структуры экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т. д. и как результат — нарушение состава сообществ микроорганизмов, взаимодействующих в этих нишах, а значит, и иная роль в круговороте веществ в природе. Хотя опыт эксплуатации микробиологических производств, даже на ранних стадиях их развития не обнаружил этого явления, его нельзя считать абсолютно невозможным. Другим нежелательным последствием, связанным с выбросом клеток или продуктов их лизиса, может быть прямое или косвенное воздействие на человеческий организм, т. е. влияние на здоровье обслуживающего персонала и окружающего населения. Здесь речь может идти не о заражении, поскольку штаммы-продуценты заведомо непатогенны, а о повышенной индивидуальной чувствительности в форме аллергии или сенсибилизации к другим неблагоприятным факторам внешней среды (SO₂, СО и т. д.) под влиянием клеток или продуктов их распада.

Все это накладывает на микробиологические производства жесткие требования относительно охраны окружающей среды и загрязненности выбросов и заставляет постоянно проводить микробиологический контроль воздуха, воды и почвы в окружающей местности. Результатом этого стало практическое отсутствие каких-либо нежелательных воздействий со стороны предприятий микробиологической промышленности на окружающую среду.

При рассмотрении связанных с биотехнологией экологических проблем необходимо учитывать, что важной составной частью современной биотехнологии является очистка воды от загрязнений и утилизация всевозможных отходов агропромышленного комплекса. Несмотря на постоянное совершенствование методов химической очистки сточных вод, абсолютно исключена возможность слива в водоемы промышленных и сельскохозяйственных сточных вод без их предварительной биологической очистки. Методы такой очистки основаны на использовании специфических биологических сообществ, носящих общее название активного ила, для глубокой утилизации как органических, так и неорганических загрязнений, оставшихся в воде после осуществления всех других возможных вариантов ее очистки.

Необходимо подчеркнуть, что применение живого консорциума—активного ила — для удаления примесей из воды основано на уникальной способности микроорганизмов утилизировать не только те субстраты, которые для них оптимальны и таким образом привычны, но и огромное количество других веществ, в том числе, что особенно важно, синтетических, созданных человеком искусственно и поэтому отсутствовавших ранее в природе. Понятно, что из-за часто меняющегося состава сточных вод необходимо использовать для их очистки сложные сообщества микроорганизмов, включающие бактерии, водоросли, простейшие и т д которые путем согласованного метаболизма с большей или меньшей скоростью поглощают примеси из воды. Следствием этого, в частности, является и необходимость адаптации к составу воды и даже к микрофлоре окружающей среды. Поэтому в каждых конкретных очистных сооружениях эксплуатируется активный ил определенного индивидуального состава.

В технологической воде любого биотехнологического предприятия не содержится ничего, кроме клеток продуцента и продуктов метаболизма. Они легко утилизируются активным илом поскольку в природе существует много видов одноклеточных перерабатывающих подобные отходы. Это позволяет ставить и практически решать задачу замкнутого цикла водоиспользования на предприятиях микробиологической промышленности. Показана, например, возможность полного возврата в технологический процесс воды после ее биоочистки в таких крупномасштабных производствах, как получение белка одноклеточных (БВК).

Несмотря на реальность осуществления замкнутого водооборота в микробиологических производствах, включающего стадию биологической очистки воды, можно утверждать, что для промышленной биотехнологии, это не окончательное решение, так как существует принципиальная возможность решить эту задачу значительно эффективнее.

Перед промышленной биотехнологией стоит задача активного использования симбиоза и кометаболизма и создание метаболически замкнутых технологических циклов. Действительно, какой бы ни была конкретная цель данного процесса культивирования, получающаяся после выделения целевого продукта (биомасса, метаболит) остаточная культуральная жидкость сама по себе или после определенного регулирования ее состава может стать питательной средой для роста соответствующего нового продуцента. Ее можно применять до тех пор, пока на очередной стадии она станет вновь подходящей или даже лучшей (за счет стимуляторов) питательной средой для проведения исходного основного процесса. В таком метаболическом цикле на каждом этапе будут получаться полезные продукты уже нельзя будет выделить основную и вспомогательные стадии.

В настоящее время метаболически замкнутые процессы биосинтеза находятся в стадии разработки, их реализация — дело недалекого будущего. Однако полностью безотходными они могут стать только при рациональном решении проблемы воздушных выбросов. Абгазы микробиологических производств состоят из отработанного воздуха, выходящего со стадии посевной и основной ферментации, а также из потоков влажного воздуха после использования его в сушилках. Отработанный воздух со стадии ферментации в простейшем случае очищается водой в трубе Вентури, обеспечивающей хорошее смешение потоков за счет разрежения в сопле, создаваемого потоком очищающей воды. Выбросы из сушилок очищаются от пылевидного продукта в последовательно установленных циклонах, что позволяет однов-временно увеличить выход продукта.

В последнее время требования к очистке абгазов биотехнологических производств значительно возросли. Это связано с общим стремлением к повышению чистоты воздушного бассейна и полностью отвечает решениям директивных органов по оздоровлению экологической обстановки, особенно в промышленных регионах. Поэтому на всех основных заводах отрасли воздушные потоки из сушилок теперь направляются на стадию сжигания топлива в печах, обеспечивающих сушилки горячими дымовыми газами для сушки. Несмотря на некоторое возрастание расхода топлива по этой схеме вследствие необходимости нагревать в топке водяной пар, содержащийся во влажном воздухе после сушилок, такое решение безусловно прогрессивно, поскольку полностью исчерпывает проблему удаления органических веществ из абгазов. Аналогичные решения принимаются в проектируемых заводах и в отношении воздуха со стадии ферментации хотя в этом случае, возможно, потребуется кооперирование с другими предприятиями, использующими топочные устройства, например с ТЭЦ.

Таким образом, создание метаболически замкнутых биотехнологических процессов в сочетании с полной очисткой газовых выбросов от биологического органического материала позволяет создать экологически чистые, действительно безотходные технологические процессы микробиологического синтеза.

Ниже рассмотрены важнейшие с точки зрения очистки характеристики сточных вод и описана технология использования биообъектов — ила, пленок и т. п. — для доведения воды до заданной степени чистоты, допускающей ее повторное технологическое применение или даже сброс в природные водоемы.

Дата добавления: 2015-07-07