CC BY
212
УДК 577: 579: 663
В. М. Емельянов, С. Г. Мухачев, А. С. Сироткин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
НА ОСНОВЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Ключевые слова: автоматизация научных исследований, барда, биореактор, биосорбция, биоэтанол, дрожжегенератор, инокулятор, интенсификация, комплексирование биотехнологических процессов, непрерывная полимеризация, очистка сточных вод, продуктивность, спиртовые дрожжи. research automation, stillage, bioreactor, biosorption, bioethanol, yeast generator, inoculator, intensification, integration of biotechnology processes, continuous polymerization, wastewater treatment, productivity, alcohol yeast
Приводятся результаты работ в области автоматизации биотехнологических исследований, разработки оборудования и интенсивных процессов промышленного биосинтеза, переработки отходов, совершенствования процессов очистки сточных вод и повышения эффективности биотехнологических производств на основе комплексного использования сырья.
There are reported results of work in the fields of automation of biotechnological research, development of equipment and intensive processes of industrial biosynthesis, waste processing, improving of processes of wastewater treatment and increasing of the efficiency of biotechnological industry through an integrated use of raw materials.
Развитие промышленной биотехнологии является необходимым условием эффективной модернизации российской экономики. В советской и новейшей истории отношение руководства страны к этому направлению приводило и к взлету, и к глубочайшему падению промышленного крупнотоннажного производства кормовых добавок, ферментов, аминокислот, антибиотиков, лекарственных препаратов и др. В силу стратегических просчетов большинство продуктов российской биотехнологии не смогло в рыночных условиях быть конкурентоспособным по сравнению с зарубежными аналогами и новейшими разработками ведущих фирм. Однако, в последние годы наметилась тенденция к возрождению интереса и финансированию работ в области промышленной биотехнологии. В частности, в Республике Татарстан разработана концепция и принята региональная целевая программа «Развитие биотехнологии в Республике Татарстан на 2010-2020 г.г.», которая предполагает строительство завода по глубокой переработке зерна с целью получения углеводного сырья для пищевой промышленности и для создания современных производств микробиологического синтеза биологически активных веществ.
Становление исследований в области промышленной биотехнологии в университете определялось общероссийскими тенденциями и условиями. За прошедшие годы сформировалась научная школа, разработано и создано собственными силами уникальное современное технологическое оборудование, которое позволяет решать актуальные научные задачи в области управляемого биосинтеза.
Первые биотехнологические исследования в Казанском химико-технологическом институте связаны с выпускником кафедры «Автоматизация промышленных процессов» 1961 года Шамилем Г арифовичем Еникеевым, вернувшимся из аспирантуры Московского института химического машиностроения (МИХМ). Под руководством проректора МИХМа
профессора Николаева П.И. он защитил кандидатскую диссертацию по математическому моделированию процессов культивирования микроорганизмов в реакторе идеального смешения. Энергия и инициативность доцента Ш.Г. Еникеева, привлечение им предприимчивых молодых сотрудников, всесторонняя поддержка ректора институт П.А. Кирпич-никова позволили в короткие сроки заявить научному сообществу страны о рождении нового амбициозного молодого творческого коллектива. Подтверждением этому явилось открытие бюджетного финансирования в рамках направления «Молекулярная биология и генетика», курируемого академиком А.П. Овчинниковым Были выполнены работы по внедрению разработанного Ш.Г. Еникеевым, В.М. Емельяновым, Н.В. Гудиным метода интенсификации аэробных процессов ферментации с помощью переносчиков кислорода [1].
В 1976 году при кафедре химической кибернетики была создана самая крупная в СССР отраслевая лаборатория ГЛАВМИКРОБИОПРОМА «Инженерные проблемы биотехнологии». Лаборатория не только выполняла поисковые работы в области биотехнологии, но и сама разрабатывала методические основы и технические средства для выполнения исследований стехиометрии и кинетики микробиологических процессов, корректной оценке технологических характеристик новых штаммов промышленных микроорганизмов. К середине 80-х годов отраслевая лаборатория стала ведущей в стране организацией в области интенсификации переноса кислорода в системах ферментации и автоматизации научных исследований аэробного биосинтеза. В это время велись проработка вопроса о строительстве Казанского завода по производству лизина. Для обеспечения научного сопровождения этого проекта параллельно лаборатории был создан Казанский филиал ВНИИБиотехнологии. Основные силы лаборатории, обеспечивающие работы в области АСНИ, перешли в филиал, а группа внедрения переносчиков кислорода осталась в КХТИ. Директором филиала был назначен Ш.Г. Еникеев, а заведующим кафедрой химической кибернетики и научным руководителем отраслевой лаборатории - доц. В.М. Емельянов Политическая отмена «зелеными» при негласном содействии руководства республики решения о размещении биотехнологического завода, изменение общей ситуации в стране, привели к реформированию Казанского филиала ВНИИБиотехнологии и преобразованию его в Казанский биоинженерный институт. Однако, поле деятельности для института оказалось недостаточным в связи со свертыванием крупнотоннажной биотехнологической промышленности. В результате часть ведущих специалистов институт потерял. Вернулся в КХТИ доц. В.В. Нагаев, перед которым была поставлена задача интенсификации процессов очитки сточных вод. Позднее вернулся доц. С.Г. Мухачев, возглавивший направление по интенсификации процессов спиртового производства. Эти направления и стали одними из ведущих в настоящее время.
Автоматизация научных исследований
Биореакторные установки
В начале 70х годов в СССР практически отсутствовала возможность оснащения подразделений вузов современным лабораторным технологическим оборудованием для асептического непрерывного культивирования микроорганизмов. Такое оборудование могло быть закуплено лишь за рубежом. Производимые в единичных экземплярах Специальным конструкторским бюро биологического приборостроения (СКБ БП) АН СССР (г. Пущино-на-Оке) ферментационные установки АНКУМ, АК-10, АК-210 были жестко фондированы и технически относились к системам с аналоговым управлением, что снижало их возможности по сравнению с зарубежными разработками. Поэтому лабораторией инженерных проблем биотехнологии была поставлена задача создания необходимого оборудо-
вания нового поколения с цифровым, а не аналоговым управлением. Пилотный ферментер периодического действия «Фермотрон» с цифровым управлением, разработанный в Пенсильванском университете (США) А.Хемфри и В.Армиджером, был чрезвычайно дорогим и не мог служить прототипом для оснащения вузовских лабораторий. Решению поставленной задачи способствовали многолетние творческие связи с ведущими биотехнологами США А.Хемфри, Д.Вангом, Ч.Куни, Л. Эриксоном, Д. Бейли в рамках советско-американского «Проекта-2». На основе передовых взглядов того времени были сформулированы технические требования к автоматизированному лабораторному измерительному комплексу «Биотрон» [2]. Системо-технические принципы построения комплекса и конструкторская документация были разработаны старшим преподавателем Р.И. Валеевым. Комплекс «Биотрон» обеспечивал проведение в контролируемых условиях исследований стехиометрии и кинетики процессов микробиологического синтеза. Реализация всех операций, кроме первоначальной загрузки среды и инокулирования, а также смены приемных емкостей в весовом проботборнике, осуществлялась в автоматическом режиме под управлением ЭВМ СМ-2. СМ-2 обеспечивала в режиме реального времени сбор и обработку информации, расчет мгновенного материального баланса на интервалах 0,5 и 15 минут, управляла исполнительными механизмами - шестиканальным дозатором жидких сред, двухканальным дозатором компонентов газового питания, устройством асептического отбора проб, системой автоматического разбавления и повторного инокулирования. Комплекс обеспечил высокую воспроизводимость экспериментов и использовался для получения технологических характеристик штаммов-продуцетов биологически активных веществ. Комплекс позволял реализовывать периодические, непрерывные и отъемно-доливные процессы культивирования аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов с использованием как стандартных алгоритмов управления и аналоговых регуляторов, так и специально разрабатываемых программ «ситуационного» управления. Обеспечивая высокую производительность труда исследователя, комплекс в то же время предъявлял и повышенные требования к квалификации всего персонала.
Конструктивные решения комплекса базировались на целом ряде разработанных системо-технических принципов, обеспечивающих гибкость, совместимость, оперативную заменяемость его модулей. Особенностью комплекса была возможность проведения экспериментов с использованием плотных культур, что обеспечивалось высокими массообменными характеристиками биореактора (до 22 гО2/л-час на сульфитной модели, до 15,5 гО2/л-час в процессах культивирования этанолокисляющих дрожжей), не достижимыми в известных аппаратах того времени. Конструкция оригинального диспергатора газа была позднее доработана для условий промышленного применения и запатентована [3].
Диалог с оператором, терминальные станции оператора-технолога и исследователя, звуковое информирование персонала об изменениях параметров процесса, времени выполнения ручных операций пробоотбора и др. обеспечили преимущества комплекса на весь период его эксплуатации (1976 - 1986 г.г.).
Опыт создания и эксплуатации комплекса «Биотрон» послужил основой для разработки более простых установок для целей обеспечения научных исследований и учебных практикумов, позволяющих измерять параметры процессов культивирования аэробных микроорганизмов на основе газового баланса.
Биотехнологический комплекс, удовлетворяющий требованиям тиражирования, был сконструирован и создан в 1989 году. Основу комплекса составлял биореактор объемом 1 л, установленный непосредственно в ультратермостате и снабженный верхним приводом. Общий вид комплекса и его узлов приведен на рис.1 - 3. Комплекс включал систе-
му газового питания и газоанализа (кислород, углекислый газ), измерения и регулирования технологических параметров (расходы компонентов, вращение мешалки, температура, давление, рН среды и др.), четырехканальный дозатор жидких сред. Позднее был разработан легко разборный удобный в эксплуатации биореактор объемом 6 л (рис 4, 5), использующийся и в настоящее время, как в научных исследованиях, так и в учебном процессе.
Рис. 1 - Общий вид лабораторного комплекса
Рис. 2 - Стойка биореактора Рис. 3 - Блок дозаторов
С использованием комплекса были разработаны новые способы получения продуктов микробиологического синтеза, защищенные авторскими свидетельствами и патентами [4, 5].
Рис. 4 - Лабораторный биоре- Рис. 5 - Составные части легко разборного
актор объемом 6 л лабораторного биореактора
Подобными аппаратами оснащена учебно-исследовательская лаборатория энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии. Это позволило расширить тематику работ, выполняемых студентами и аспирантами ряда кафедр университета.
Установка непрерывной полимеризации
Вторым направлением в автоматизации исследований являлась разработка и создание установки для исследования и отработки режимов получения полимеров. В настоящее время одной из серьезных задач биотехнологической науки является создание биоразла-гаемых полимеров для производства экологически безвредных биологически легко утилизируемых упаковочных материалов.
Программно-аппаратный комплекс лабораторной технологической линии полимеризации обеспечивает управление периодическими и непрерывными процессами получения полимеров, количественную оценку технологических показателей исследуемых процессов. Комплекс включает по 2 аппарата подготовки катализатора и шихты, что позволят осуществлять в непрерывном режиме варьировать соотношение компонентов. Непрерывная полимеризация осуществляется в двух последовательно включенных в схему реакторах-полимеризаторах, снабженных механическими системами перемешивания. Продукт реакции направляется в крошкообразователь-отмывочник и далее в дегазаторы, имеющие мешалки и смотровые окна. Затем образовавшаяся пульпа насосом подается в отмывочный аппарат. После отмывки пульпа сбрасывается на сито, где происходит отделение воды, и собирается отмытый полимер. Общий вид комплекса показан на рис. 6, а реакторы полимеризации и подготовки теплоносителей - на рис.7, 8.
Созданный в лабораторном варианте данный комплекс успешно эксплуатируется в Научно-техническом центре ОАО «Нижнекамскнефтехим».
Рис. 6 - Общий вид установки непрерывной полимеризации
Рис. 7 - Реакторы полимеризации Рис. 8 - Аппараты подготовки теплоно-
сителей
Комплекс имеет модульную структуру, что позволяет менять его конфигурацию и программное обеспечение для реализации различных режимов полимеризации. Работа автоматических устройств основана на использовании распределенной системы сбора данных и управления GENIE фирмы Advantech. Пакет GENIE является инструментальным средством для создания программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления (SCADA) и дает возможность одновременного исполнения до 8 задач, каждая из которых отражается в своем окне и имеет свои собственные параметры.
В настоящее время пакет GENIE применяется при построении управляющих систем для биологических реакторов и ферментолизеров.
Совершенствование биотехнологических процессов
Биотехнологическое оборудование для ликвидации нефтяных загрязнений
Дальнейшие технические разработки, продолжающиеся и в настоящее время, были связаны с созданием мобильных технологических комплексов для культивирования микроорганизмов - деструкторов нефтяных загрязнений. Такие комплексы позволяют нарабатывать высоко активную биомассу деструкторов непосредственно на месте загрязнения и, таким образом, оперативно решать проблемы экологической безопасности, осуществляя биологическую реабилитацию загрязненных почв и водоемов. Комплекс может быть использован в мобильных условиях для очистки нефтяных скважин от отложений парафинов на основе специальной технологии по выращиванию биопрепаратов, а также для очистки резервуаров и хранилищ нефтепродуктов [5 - 7].
Повышение эффективности дрожжегенерации спиртовых дрожжей и эффективности бродильных производств
Решая насущную задачу разработки научно-технических основ повышения эффективности производства биотоплив, коллектив лаборатории инженерных проблем биотехнологии сосредоточил усилия на совершенствовании процессов получения биоэтанола.
С целью повышения активности и плотности посевных дрожжей, был отработан процесс получения чистой культуры в аэробном режиме с соблюдением требований асептики [8 - 12]. В этом направлении работа под руководством В.М. Емельянова и С.Г. Муха-чева была продолжена Ю.П. Александровской,
М.Ф. Шавалиевым в части совершенствования конструкции инокулятора (рис. 9). Были разработаны модели функционирования аппаратов с мембранными устройствами «беспузырь-кового» подвода кислорода [13, 14] и создана конструкция инокулятора без подвижных механических узлов [15] с удельной поверхностью мембранного элемента 155 м2/м3. Удельная скорость диффузии кислорода через мембрану достигает 10 г/м2-час, не зависит от режима течения жидкой фазы и определяется только перепадом парциального давления кислорода (табл. 1). Моделирование процесса на основе полученных экспериментальных данных показало, что с использованием разрабо-
Рис. 9 - Инокулятор
танного инокулятора может быть создан двух - трех секционный аппарат промышленного назначения, обеспечивающий в непрерывном режиме подпитку дрожжегенератора инокуля-том с содержанием активных клеток до 10 гАСД/л при удельной скорости жидкостного потока 0,16 час-1. При этом режиме продуктивность инокулятора превышает 2 г/л-час (рис.10).
Таблица 1 - Диффузия кислорода через деформируемую мембрану
Перепад давления кислорода, МПа Площадь поверхности мембраны, 2 см Скорость диффузии кислорода через мембрану, гО2/час Удельная скорость диффузии кислорода через мембрану, гО2 / м2*час
0,05 186,9 0,0365 1,95
0,10 192,5 0,0851 4,42
0,15 197,2 0,1237 6,27
0,20 206,5 0,1697 8,22
0,25 356,3 0,2317 6,50
0,30 390,0 0,3027 7,59
0,35 464,8 0,4791 10,31
0,40 522,8 0,5702 10,91
Из рисунка 10 следует, что максимальная продуктивность достигается в области 0,23 час-1 и составляет 2,83 гАСД/л-час. Следует отметить, что увеличение скорости протока с 0,1 до 0,16 час-1 не вызывает существенного роста концентрации остаточных сахаров. Дальнейшее увеличение скорости разбавления приводит к значительному росту концентрации остаточных сахаров от 1 г/л при 0=0,17 час-1 до 11 г/л при 0=0,2 час-1. Но, поскольку инокулят используется для засева дрожжегенератора, наличие остаточных сахаров в его выходном потоке не является недостатком и не ухудшает общие показатели спиртового производства.
Дальнейшее выращивание посевного материала до концентрации 60 - 80 гАСД/л предполагается осуществлять в секционированном биореакторе интенсивного действия, разрабатываемом в настоящее время. Сокращение числа операций перелива засевных дрожжей, повышение их концентрации и соблюдение требований асептики исключат заражение посторонней микрофлорой и блокируют рост случайно попавших посторонних клеток за счет высокой концентрации метаболитов дрожжевой культуры.
Поставленные цели достигаются уже при использовании двухсекционного дрожже-генератора, общий вид и принципиальное устройство которого представлены на рис.11.
Рис. 11 - Секционированный биореактор чистой культуры
Особенностью конструкции является наличие регулятора угла атаки дисковых дис-пергаторов газа, а также применение особым образом перфорированных поверхностей всех элементов конструкции, обеспечивающих турбулизацию газо-жидкостной среды в аппарате.
Высокий уровень засева на каждом этапе культивирования посевных дрожжей обеспечит повышение производительности и экономию субстрата за счет относительного снижения затрат сахаров на поддержание жизнедеятельности микроорганизмов по сравнению с затратами на синтез клеточной биомассы. Кроме того, испытания биореактора интенсивного действия объемом 10 м3 при выращивании посевных культур аэробных микроорганизмов показали возможность двукратного снижения расхода электроэнергии на синтез 1 кг активной биомассы.
Таким образом, технологическая линия асептической дрожжегенерации будет состоять только из трех аппаратов - инокулятора, секционированного биореактора чистой культуры и дрожжегенератора, работающих в непрерывном или отъемно-доливном режимах.
Опыт реализации отъемно-доливных операций в аппарате объемом 16 м в условиях Шумбутского спиртзавода (РТ) показал, что число стадий отъема-долива ограничено 5-6 операциями в полу-асептических условиях. Применение предлагаемой аппаратуры за счет жесткого соблюдения требований асептики может увеличить число операций отъема-долива в 5-10 раз, т.е. фактически перейти к непрерывному асептическому производству высокоактивных посевных культур.
Следует особо отметить, что экспериментально в промышленных условиях была доказана более высокая активность посевных дрожжей, выращенных по аэробной технологии, рис.9 [8]. В условиях Александровского спиртового завода (РТ) была выращена стерильная культура спиртовых дрожжей с приростом концентрации клеток (биомассы) в 10 раз превышающей прирост концентрации дрожжей, полученных анаэробно в соответствии с заводским регламентом [9, 11,16].
Концентрация клеток, млн/мл 1 УІПП г
Л ОПП
12пп іппп ) 5
8пп
бпп
4пп
2пп
0-/= 1 1 0 5 10 1 Время роста, час
ф аэробный процесс # анаэробный процесс
Рис. 9 - Сравнительная динамика биомассы дрожжей в аэробном с подпиткой субстратом и в анаэробном процессах дрожжегенерации
В результате использования культуры, выращенной в условиях аэрации, повышена эффективность спиртового производства и получен положительный эффект:
- на 20-25% сокращена продолжительность процессов дрожжегенерации в дрож-жанках и возбраживателе, а также продолжительность процесса брожения в бродильных чанах;
- на 30% снижено количество несброженных углеводов в бражке;
- на 1/3 снижен расход зерна на стадии получения засевных дрожжей;
В настоящее время организация масштабного производства топливных спиртов затрудняется нерешенной проблемой утилизации барды.
Повышение эффективности переработки спиртовой барды
В КГТУ (КХТИ) разработана технология повышения производительности цеха производства кормовых дрожжей, принципиальной новизной которой является максимальная утилизация растворимых сухих веществ питательной среды за счет использования
смешанной культуры дрожжей с оптимальным соотношением количеств клеток родов Candida и Saccharomyces, выбора оптимальных режимных параметров процесса, включая состав минерального питания, интенсификации массообмена за счет использования переносчика кислорода.
В результате на Шумбутском спиртзаводе РТ:
- проведены лабораторные и опытно-промышленные испытания с использованием переносчика кислорода по аэробному наращиванию смешанной культуры, свидетельствующие о высокой скорости синтеза белка при росте на средах, содержащих барду и фер-ментолизат ржаного зерна (который в дальнейшем может быть заменен более дешевыми гидролизатами или ферментолизатами органических отходов) [8];
- получена экспериментальное подтверждение совместимости выбранных дрожжевых культур в лабораторных и промышленных условиях в периодических и непрерывных режимах культивирования;
- в промышленных условиях получено 10% увеличение производительности цеха кормовых дрожжей без модернизации производства [17];
- проведен расчет материального баланса прогнозируемого процесса для батареи аппаратов с использованием дрожжегенераторов разного объема; показано, что даже без модернизации дрожжерастильных аппаратов только за счет дополнительного дрожжегене-ратора производительность цеха переработки барды может быть увеличена на 30% [18].
Интенсификация процессов очистки сточных вод
Для успешного решения задач, связанных с прогнозированием, оперативным управлением и контролем качества процесса водоочистки, необходимо комплексное описание гидродинамических, гидрохимических и гидробиологических процессов.
Проведение имитационных экспериментов позволило получить адекватную модель процесса биологической очистки сточных вод ОАО «Нижнекамскнефтехим». На имитационной модели была проанализирована работа системы очистки в режимах нормальной эксплуатации и в режиме залпового сброса. Проверка работоспособности разработанной математической модели системы очистки стоков показала достаточно хорошую близость расчетных и экспериментальных данных. Относительная погрешность расчета составила 3%.
С точки зрения практики эксплуатации биологических очистных сооружений определяющей является экспертная роль компьютерного комплекса по анализу экстремальных ситуаций, а также по обеспечению экономичной эксплуатации оборудования в номинальных режимах. Так, для промышленных систем аэрации получены оптимальные значения расхода воздуха (в 2-2,5 раза ниже существующих), позволяющие значительно снизить энергозатраты при сохранении качества очищенной воды [19].
Проведены исследования по изучению возможности улучшения показателей биоочистки сточных вод нефтехимических производств, в частности, АО «Нижнекамскнефтехим» путем использования порошкообразных сорбентов на стадии аэробной обработки в аэротенках. Для моделирования биосорбционного процесса в качестве адсорбента использовали цеолитсодержащую породу (ЦСП) Татарско - Шатрашанского месторождения (Республика Татарстан). Цеолитсодержащая порода является активной загрузкой, так как обладает сравнительно развитой системой пор и удовлетворительными адсорбционными свойствами.
Аэробные биосорбционные технологии очистки сточных вод химических и нефтехимических производств основаны на применении иммобилизованных биоценозов на основе культур активного ила и высокоразвитой биопленки. Эффективность биосорбцион-
ных систем очистки сточных вод была обеспечена по ряду показателей: более глубокому удалению аммонийного азота в ходе процесса нитрификации - на 46%; значительному снижению концентрации нефтепродуктов - на 75%; снижению илового индекса - на 20%; более стабильному протеканию процесса очистки в «залповых» режимах и обеспечению более глубокого удаления ХПК и более высоких скоростей биоокисления.
Проведено комплексное исследование биосорбционной обработки жидких отходов машиностроительных предприятий в анаэробных условиях на стоках ФГУП «Казанское авиационное производственное объединение им. С.П.Горбунова», ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО КамАЗ и ОАО «Гальванические покрытия» (г. Чистополь).
Для повышения эффективности процесса очистки сточных вод другого химического объекта - производства серосодержащих тиокольных каучуков ОАО «Казанский завод СК» в пусковой период был предложен биосорбционный метод с загрузкой порошкообразного сорбционного материала - золы ТЭЦ в зону аэрации аэротенков. Технологические аспекты облегчения пуска заключались в накоплении активного ила, защищенного от токсического действия компонентов поступающей воды за счет их первичной адсорбции на поверхности золы и обладающего высокой биологической активностью и хорошими седи-ментационными свойствами [20].
Радикально улучшенные показатели состояния активного ила могли быть следствием процессов агрегации частиц золы с хлопьями активного ила. Зола, поверхность которой имеет катионный характер вследствие значительных количеств Fe3+ и Al3+, выступает в качестве коагулянта хлопьев активного ила, имеющих в интервале значений рН от 4 до 9 отрицательный заряд, вызывает их агрегирование и обеспечивает хорошую седиментацию активного ила.
Кроме коагуляции в биосорбционной системе имел место биологический процесс агрегации золы с илом (рис. 2). После 2-3 недель работы установки наблюдалось образование устойчивой биопленки на относительно ровной поверхности частиц золы - толщиной —0,016 мм, а в «глубоких» впадинах ~0,08 мм.
Для анаэробной обработки жидких отходов ряда машиностроительных предприятий, в частности для очистки стоков гальванических производств Федеральное государственное унитарное предприятие ФГУП «КАПО им. С.П.Горбунова», содержащие ионы ^^0, Mn(VII), Fe(II), cd(II), Zn(II) и ^(М), [6] и отработанных СОЖ, содержащие индустриальное масло, этаноламин, полигликоли и эмульгатор металлообрабатывающего производства ОАО КМПО был испытан биосорбер, оснащенный перемешивающим устройством барабанного типа с загрузкой из зернистого адсорбента. В качестве адсорбентов исследовались различные адсорбционные материалы, в том числе природного происхождения, а также отходы производств.
Эффективность биологической очистки сточных вод в значительной степени определяется протеканием совокупности биосорбционных процессов, а именно:
- иммобилизацией микробных клеток на поверхностях адсорбционных материалов;
- адгезионно-сорбционным изъятием загрязняющих веществ биоплёнкой;
- сорбцией примесей, в том числе, токсичных компонентов сточных вод на поверхности адсорбента;
- биологическим окислением загрязняющих веществ микроорганизмами, закреплёнными на поверхности сорбента.
Научно-прикладные исследования биосорбционных процессов в Казанском государственном технологическом университете были организованы и развиты на кафедре хи-
мической кибернетики под руководством доц. В.В. Нагаева [25], а позднее и на кафедре промышленной биотехнологии его учениками и последователями.
Комплексная переработка возобновимого растительного сырья
Существенным результатом выполненных исследований в области промышленной биотехнологии явилось понимание того, что эффективность биотехнологической переработки сырья, прежде всего сельскохозяйственной продукции и растительных отходов, определяется уровнем комплексирования технологических процессов и спектром получаемой при этом продукции. Например, при переработке сахарной свеклы оптимальная массовая доля биоэтнола в совокупном продукте составляет 6,5 % при доле кормовых дрожжей до 80%. При этом в стоимостном выражении определяющее место занимает пищевой пектин. Общая стоимость «дополнительной» к биоэтнолу продукции при этом составит 75
- 77 % [26].
При формировании агропромышленного комплекса с целью получения энергоносителей из возобновимого органического сырья важнейшей проблемой построения безотходного производства является использование дополнительных ресурсов [27]. Таким ресурсом в условиях превалирования зернового хозяйства является не только некондиционное зерно, но, прежде всего, солома. Половина соломы в настоящее время в РТ просто запахивается в почву. Древесные низкопородные насаждения также используются в республике неэффективно. До 80% расчетной лесосеки по осине и березе хронически остается неосвоенной. Выполненные расчеты показали, что за счет неиспользуемых ресурсов цел-лолитического сырья в Республике Татарстан может ежегодно производиться до 5 000 000
- 10 000 000 тонн энергоносителей (биоэтанола и биогаза). При этом вторичной барды, содержащей остаточные количества биогенных элементов, будет образовываться более 1 000 000 м3/сут. Естественно, что кормовые дрожжи надо сепарировать, а испарять вместе с дрожжами всю эту воду экономически не целесообразно. Близость предприятий по производству энергоносителей к сельскохозяйственным угодьям, обеспечивающим их сырьем, дает возможность получения зеленых кормов с прудов биологической очистки стоков при утилизации низкопотенциального тепла практически круглогодично. Кроме того, открываются возможности развития прудовых рыбоводческих хозяйств, малых сопутствующих наукоемких предприятий по выпуску дополнительных видов продукции, повышающих экономические показатели агро-промышленных объединений.
Выводы
Разработанные лабораторные биотехнологические комплексы должны составить основу технического обеспечения биотехнологического образовании в университете, включая подготовку кадров высшей квалификации
При разработке современных биотехнологий необходимо сопряженно решать проблемы совершенствования аппаратурного оформления, выбора вида сырья, определения спектра планируемой продукции. Технологический потенциал существующих промышленных штаммов микроорганизмов позволяет при использовании плотных аэробных и факультативно-анаэробных культур микроорганизмов повышать продуктивность биореакторов в несколько раз за счет интенсификации массообмена кислорода использованием предложенных конструкций аппаратов.
Комплексирование производств биотехнологической продукции, организация агропромышленных объединений обеспечат конкурентоспособность создаваемых биотоплив-ных производств. Программа развития биотехнологии в Республике Татарстан должна
строиться на базе производств по комплексной переработке мало используемого целлоли-тического сырья лесного хозяйства, отходов зернового хозяйства (солома) и других органических отходов с обеспечением утилизации остаточных количеств биогенных элементов в замкнутом цикле водооборота.
Литература
1. Еникеев, Ш.Г. Метод «диффузионного шунта» для интенсификации транспорта кислорода в процессах ферментации / Ш.Г. Еникеев, В.М. Емельянов // Микробиологическая промышлен-ность.-1977.- № 9.- С.6-9.
2. Автоматизированный исследовательский комплекс «Биотрон»: Отчет / Отраслевая научноисследовательская лаборатория инженерных проблем биотехнологии Главмикробиопрома.- 12877; № ГР.76024408; Т.2.- Казань, 1979.-256 с.
3. Пат. 2021849. Перемешивающее устройство для многофазных сред / С. Г. Мухачев, Р. И. Валеев, Ш. Г. Еникеев и др. - опубл. 30.10.1994.
4. А.С. 4453123/13 Способ получения L-лизина / В. М. Емельянов, Л. А. Музыченко, И. С. Владимирова и др., заявл. 28.12.89.
5. Пат. 1559696 Способ культивирования микроорганизмов / Емельянов В.М., Владимирова И.С., Еремина Н.А.- заявл. 20.05.88.
6. Emelyanov V.M., Sakhno T. V., Kurashov V. M., Skvortsov A. P. Recovery of Soil Become Degraded Owing to Simultaneous Contamination With Petroleum and Salted With Oil-Production Waters. Con-Soil 2000, Seventh International FZK/TNO conference on contaminated soil, Germany, 2000. - Р. 1240
- 1241.
7. Emelyanov V. M., Sakhno T. V., Kurashov V. M. Intensification of oil spills biogegradation based on the controlling of the electrokinetic characteristics of biopolymers of hydrogencarbondegrading microorganisms. ISEB 99-Meeting Biopolymers. 2-5 March, 1999, Leipzig, Germany. 1999. p. 50.
8. Пат. 2136746 Способ культивирования дрожжей для спиртового производства / В. М. Емельянов, Р. Р. Шайхутдинов, И. С. Владимирова и др. - заявл.17.08.98, опубл. 10.09.99.
9. Филиппова, Н.К. Разработка интенсивной технологии аэробного культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей Sacch. cerev. / Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Р. Т. Валеева // Биотехнология. - 2002. - №1. - С. 49-53.
10. Емельянов, В.М. Аппаратурно-технологическое оформление участка аэробной генерации спиртовых дрожжей / В.М. Емельянов [и др.] // III междунар. научно-практич. конф., посвященная 70-летию создания ВНИИ пищевой биотехнологии. Тез. докл. - М.: Пищпром, 2001. - С. 72-76.
11. Владимирова, И.С. Интенсивная технология дрожжегенерации / И. С. Владимирова [и др.] // 1-Международный конгресс «Биотехнология - состояние и перспективы развития». Тез.докл. - М.: 2002. - С. 64-70.
12. Емельянов, В.М. Биотехнологический комплекс участка чистой культуры спиртовых дрожжей / В.М. Емельянов [и др.] // 1-й Международный конгресс «биотехнология - состояние и перспективы развития». Тез. докл. - М., 2002.- С.45-47.
13. Мухачев, С.Г. Кинетика аэробного культивирования спиртовых дрожжей в мембранном биореакторе / С. Г. Мухачев [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2003. - №2.- С.168-172.
14. Мухачев, С.Г. Аэробное выращивании посевной культуры сахаромицетов в биореакторе с мембранной стерилизацией кислорода / С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Ю.П. Александровская // Биотехнология. - 2005. - № 3. - С.71-78.
15. Аппаратурное оснащение и совершенствование аэробных технологий получения посевных материалов. Разработка инокулятора вытеснения с мембранным устройством стерилизации кислорода: Отчет о НИР / № ГР. 01200610996; инв. № 02.2.007 04215.- Казань, ООО «Биотехпродук-ция», 2007.- 50 с.
16. Филиппова, Н.К. Аэробное культивирование чистой культуры спиртовых дрожжей: автореф. дис.... канд. техн.наук / Н.К. Филиппова. - Казань, 2004. - 20 с.
17. Валеева, Р.Т. Использование спиртовых дрожжей в производстве кормовых препаратов на основе барды / Р. Т. Валеева [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий.- 2006.- № 4.
- С. 20-21.
18. Мухачев, С.Г. Расчет материального баланса цеха кормовых дрожжей / Р. Т. Валеева, С. Г. Му-хачев // Производство спирта и ликероводочных изделий.- 2007. - №1. - С. 8-9.
19. Сироткин, А.С. Современные технологические концепции аэробной биологической очистки сточных вод / А.С. Сироткин, С.А. Понкратова, М.В .Шулаев // Казань: КГТУ, 2002. - 160 с.
20. Сироткин, А. С. Применение биосорбционного метода для очистки сточных вод крупных химических и нефтехимических предприятий / А.С. Сироткин, М.В. Шулаев, В.В. Нагаев // Деп. в ОНИИТЭХИМ г. Черкассы от 2.10.92 г. № 301 - ХП92.
21. Нагаев, В. В. Разработка биосорбционной технологии очистки хромсодержащих сточных вод / В.В. Нагаев [и др.] // Химическая промышленность. - 1998. - № 3. - С. 33 - 35.
22. Сироткин, А.С. Технологические и экологические основы биосорбционных процессов очистки сточных вод: автореф. дисс... д-ра. техн. наук / А.С. Сироткин. - Казань, 2003. - 40 с.
23. Шулаев, М.В. Научные основы обезвреживания жидких отходов гальванических и металлообрабатывающих производств с использованием аэробной биосорбционной технологии: автореф. дисс. д-ра техн. наук / М.В. Шулаев. - Казань, 2009. - 40 с.
24. Сироткин, А. С. Современные технологические концепции аэробной биологической очистки сточных вод / А.С. Сироткин, С.А. Понкратова, М. В. Шулаев. - Казань, 2002. - 163 с.
25. Нагаев, В.В. Система имитационного моделирования процесса водоочистки в промышленном аэротенке / В.В. Нагаев, А.С. Сироткин, С.А. Понкратова // Массообменные процессы и аппараты химич. техн. - Казань, 1997. - С. 22-29.
26. Мухачев, С.Г. Организация производства топливного спирта в Республике Татарстан / С.Г. Мухачев, И. С. Владимирова, Р. Т. Валеева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - №5. - С. 21-26.
27. Мухачев, С.Г. Перспективы комплексной переработки возобновимых ресурсов / С. Г. Мухачев [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2003. - №2. - С. 424-430.
© В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ, [email protected]; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, зав. лаб. энерго- и ресурсосбережения каф. химической кибернетики КГТУ; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КГТУ.
