ЛЕКЦИЯ 7

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ

Основные отходы, перерабатываемые методами биотехнологии – это отходы пищевых предприятий, они разделяются на жидкие и сухие. Жидкие (молочная сыворотка, стоки заводов по производству крахмала и т.д.), сухие (мезга при переработке масличных семян, кукурузные стержни и т.д.). К отходам также можно отнести сточные воды различных предприятий.

Основное направление переработки побочных продуктов – это получение биоэнергии и превращение отходов в различные продукты (например, белки), деградация отходов до соединений, которые используются в метаболизме микробов и превращаются в различные продукты.

Отходы, содержащие углеводы, в основном перерабатываются путем микробного брожения. Использование для получения спирта и биомассы дрожжей с применением Saccharomyces cerevisiae. Молочная сыворотка: ее концентрирование методом ультрафильтрации или обратного осмоса, разделение на лактозу и белок. Из лактозы получают глюкозо-галактозные сиропы, белок используют в качестве пищевых добавок. Нативную сыворотку используют для получения напитков.

Переработка отходов, содержащих целлюлозу: отруби, мезга т.д. Для переработки этих отходов используется микроорганизм Trichoderma viride (синтезируют целлюлазу – фермент, расщепляющий целлюлозу). Целлюлоза – это полисахарид, состоящий из глюкопиронозных колец, соединенных β-1,4, гликозидной связью. Целлюлаза – это мультиэнзимный (полиферментный) комплекс. Он состоит из эндо-β-1,4-глюконазы, которая отщепляет от целлюлозы крупные фрагменты со свободными концами. Второй фермент – экзоβ-1,4-глюконаза, которая отщепляет от конца цепочки дисахарид целлобиозу. Третий – β-гликозидаза гидролизует целлобиозу до глюкозы.

Продуцент, выращивают на среде из еловой древесины, добавляя раствор минеральных солей. Затем среду фильтруют и фильтрат, содержащий целлюлазу, смешивают с измельченной бумагой, выдержанной при 50°С. Под действием фермента образуется сироп. Выход глюкозы 50% по отношению к целлюлозе. При сбраживании глюкозы в спирт из 1 т картона можно получить 150 л спирта.

В растительных остатках содержится до 30% ксилозы, которая состоит из остатков β-d-глюкозы. Такое сырье обрабатывают ферментом ксилоназой. Можно отходы, содержащие ксилан, использовать как питательную среду для выращивания шампиньонов. Можно использовать углеродсодержащее сырье для получения белка одноклеточных. С этой целью используются дрожжи рода Candida и дрожжеподобные грибы Endomyces или Endomycopsis. Из 100г сырья получают 25г дрожжевого белка.

Использование микроорганизмов в качестве контроля загрязнений

Существует ряд штаммов, с помощью которых можно определить присутствие ядовитых веществ в среде. Наиболее перспективны с этой точки зрения бактерии рода Pseudomonos, которые синтезируют ферменты, разлагающие высокотоксичные углеводороды и ароматические соединения. Образующиеся продукты распада,Экоторые легко определить, свидетельствуют о присутствии этих соединений.

Широко используются биотесты на основе различных микроорганизмов:

1. В США разработан метод биодеградации органического источника углерода с использованием микроорганизмов, полученных из системы сточных вод.

2. В Японии разработан метод определения аммиака с помощью бактерий Pseudomonos и Acetobacter.

3. В Венеции определяют микроколичества веществ в природных донных отложениях и их экстрактах с помощью бактерий Vibrio fisher.

4. В Германии разработан биосенсор для быстрой и точной детекции ингибиторов нитрификации в образцах окружающей среды, а также метод определения фенолов с помощью бактерий.

5. В России используются Pseudomonos и Acetobacter для определения ядовитых веществ.

ПРОИЗВОДСТВО БИОТОПЛИВА С ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМОВ

Этанол – это экологически чистое топливо, которое при сгорании дает углекислый газ и воду, используется в технике, в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или в качестве добавки к бензину. Основной способ получения этанола – нефтехимический синтез.

1. Получение этанола путем сернокислотной гидротации этилена:

СН₂= СН₂+Н₂SO₄+Н₂О→С₂Н₅ОН+Н₂SO₄

получают продукт, содержащий 98% спирта. Отработанная Н₂SO₄ используется для производства с/х удобрений.

2. Прямая гидротация этилена:

CH₂=CH₂+H₂O C₂H₅OH

и в том и в другом случаях в качестве исходного сырья используется нефть.

Условия производства достаточно опасны, поэтому в настоящее время спирт получают биохимическим путем, используя крахмалсодержащее сырье (картофель,зерновые культуры) и целевые микроорганизмы. В основном применяются различные штаммы культурных дрожжей Sacсharоmyces cerevisiае. Производство не безодходное: на 1 л. спирта образуется 12-14 л сточных вод, содежащих различные опасные вещества. Недостатки: дрожжи - факультативные анаэробы, часть питательного субстрата теряется из-за процесса дыхания, поэтому разрабатываются продуценты, не содержащие митохондрий. Кроме того, дрожжи чувствительны к спирту (8-13%), необходима селекция новых культур, а также необходима предварительная обработка сырья для перевода углеводов в сбраживаемые сахара.

ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМОВ

Метаногенез - это превращение органических веществ в энергию. Биогаз, который образуется в ходе этого процесса содержит 65% метана, 30% СО₂, 1% Н₂S и незначительное количество O₂, H₂ и СО₂.

Метан образуется при анаэробном разложении органических соединений в 2 этапа:

1. Образование кислот: органические соединения растворяются и гидролизуются до масляной, молочной, пропионовой кислот.

2. Ацидогенез –под действием ацетогенных бактерий образуются ацетат, формиат, СО₂, Н₂. Эти соединения служат питательным субстратом для метанообразующих бактерий.

Бактерии, синтезирующие метан, различаются по форме. Это могут быть палочки: Methanobacterium, Methanocoсcus, Methanosarcinа, Methanospirillum. Все они строго анаэробны, отличаются от других бактерий строением клеточной стенки и метаболизмом. Находятся в симбиозе с бактериями, вырабатывающими Н₂, так как способны ассимилировать его, осуществляя окисление. Это автотрофы, осуществляющие карбонатное дыхание. Используются при переработке сточных вод.

Реактор метантенк должен быть герметичен, объемом до нескольких кубометров, с рубашкой для обогрева и перемешивающим устройством. Метентенк оборудован газоотделителем с противопламенным устройством. Работает в периодическом режиме, загружаются органические отходы или сточные воды, постоянно отбирается биогаз и выгружается твердый осадок по мере завершения процесса. Вместе с осадком удаляется часть имеющихся в метантеке микроорганизмов. Практически биогаз получают в водонепроницаемых цилиндрических цистернах - дайджестерах. У него имеется боковое отверстие, через которое вводится ферментируемый материал. Над дайджестером нависает стальной циллиндрический контейнер для сбора газа в виде купола, одновременно он предотвращает доступ воздуха. Обычно перерабатывают отходы с содержанием 8 – 11% сухого вещества.