Экологически безопасная технологическая схема опытного производства

 

Экологические проблемы промышленной биотехнологии определяются тем, что эта область производства связана с использованием огромных масс технологической воды и воздуха, т.е. является источником большого количества воздушных и водных выбросов. Экологическая опасность этих выбросов определяется, в первую очередь, присутствием живых или убитых клеток микроорганизмов. Попадание их в окружающую среду может 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 как результат – нарушение состава сообществ микроорганизмов, взаимодействующих в этих нишах, а значит, и их роли в круговороте веществ в природе.

Известны случаи, когда необработанные стоки от промышленных предприятий поступают непосредственно в водоемы или в почву. В таких ситуациях нормальные обитатели водоема или почвенного слоя погибают либо из-за популяционного давления одних видов над другими («цветение воды»), либо вследствие невыносимости экстремальных условий жизни, поскольку в природном водоеме нарушается биологическое равновесие за счет изменения степени аэрации воды, возрастания уровня содержания органических (фенольные соединения, ПАВ) и неорганических веществ (фосфор, сера, тяжелые металлы), изменения рН, температуры.

Другим нежелательным последствием, связанным с выбросом клеток или продуктов их распада, может быть прямое или косвенное воздействие на человеческий организм, т.е. влияние на здоровье обслуживающего персонала и населения. Здесь речь идет не столько о заражении, сколько о повышенной индивидуальной чувствительности в форме аллергии или сенсибилизации к другим неблагоприятным факторам внешней среды.

При рассмотрении связанных с биотехнологией экологических проблем необходимо учитывать, что важной составной частью современной биотехнологии является очистка воды от загрязнений.

Жидкие отходы в биотехнологических производствах достаточно разнообразны по своему составу. Например, в производстве антибиотиков, в состав жидких отходов могут входить углеводы и углеводистые продукты, масла, соевая мука, кукурузный экстракт, нитраты, соли аммония, серо- и фосфорсодержащие соединения, возможные предшественники антибиотиков (например, амид фенилуксусной кислоты в качестве предшественника пенициллина; н-пропанол в качестве предшественника эритромицина и т. д.), неорганические кислоты и щелочи, органические экстрагенты и пр.

 

Рис.1 Схема биологической очистки сточных вод

 

В зависимости от качества сточных вод возможна также их очистка до целесообразного уровня (например, получение оборотной воды, реализуемой повторно в том же биотехнологическом производстве). На рисунке 1 приведена схема очистки сточных вод.

Методы очистки воды 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. Содержащиеся в технологической воде клетки продуцентов и продукты метаболизма легко утилизируются активным илом. Существует много видов одноклеточных микроорганизмов, перерабатывающих подобные отходы.

Растворенные органические вещества можно удалять с помощью активного ила в аэротенках или при аэробной обработке, на биологических капельных фильтрах. Нитраты обезвреживают с помощью микробов-денитрификаторов (Pseudomonas spp., Вас. lichemformis, Paracoccusdenitrifleans, Thiobacillusdenitrifleans), соли фосфорной кислоты коагулируют и осаждают. Вновь образующиеся твердые (плотные) осадки концентрируют, обезвоживают (фильтрованием, центрифугированием, отстоем на песчаном слое), а затем сжигают либо используют в качестве удобрения.

При очистке сточных вод до уровня чистой воды можно выделить следующие фазы: отделение крупных, легко осаждающихся частиц и масляных пленок (грубая очистка), отделение суспендированных частиц и растворенных органических веществ (умеренно тонкая очистка), и, наконец, отделение всех других примесей (тонкая очистка). При грубой очистке воды отделяются частицы размером 100 мкм и более, при умеренно тонкой — от 1 мкм до 100 мкм, при тонкой - от 0,1 нм до 1 мкм.

Тонкой очистки сточных вод последовательно достигают с помощью фильтрации через песчаные слои, хлорирования, фильтрации через активированный уголь, упаривания (жидкостной экстракции, вымораживания, обратного осмоса), ионного обмена. Если в этой фазе образуются осадки (плотные вещества), то их присоединяют к другим осадкам и обрабатывают, как сказано выше.

Перед промышленной биотехнологией стоит задача активного использования симбиоза и кометаболизма и создание метаболически замкнутых циклов. Действительно, 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 и уже нельзя будет выделить основную и вспомогательные стадии.

Однако полностью безотходным процесс может стать только при рациональном решении проблемы воздушных выбросов.

Газообразным отходом биотехнологических производств является «отработанный воздух», представляющий высокодисперсный аэрозоль, в котором дисперсной фазой оказываются капли жидкости и микроорганизмы. Поэтому отработанный воздух не должен поступать в атмосферу без очистки и обезвреживания. Высокодисперсные аэрозоли легко переносятся воздушными потоками на большое расстояние, поэтому не исключено неблагоприятное их воздействие их на людей и животных. Воздух, содержащий микроорганизмы, должен быть термически обработан.

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 одновременно увеличить выход продукта.

В последнее время требования к очистке отработанных газов биотехнологических производств значительно возросли. Это связано с общим стремлением к повышению чистоты воздушного бассейна и полностью отвечает решениям директивных органов по оздоровлению экологической обстановки. Поэтому на всех основных заводах воздушные потоки из сушилок направляются на стадию сжигания в печах.

Экологическая биотехнология бурно развивается, появляются системы для утилизации органических и неорганических веществ, загрязняющих среду и попадающих в нее с жидкими и газовыми выбросами. В аэробных и анаэробных условиях обычно с помощью иммобилизованных культур микроорганизмов в жидких стоках разрушают большое количество органических соединений. Примером может быть окисление сульфидов до сульфатов в жидких стоках аутотрофными бактериями Thiobacillus denitrificans, иммобилизованными в геле альгината.

Учёными-биотехнологами разработана также биотехнологическая система для окисления металлов в грязеобразной среде с содержанием сухого вещества 10—30 %. Так, бактерии рода Leptespirillum окисляют ртуть, серебро, молибден, селен и др. (Е. A. Griffin et. al., 1989). Достаточно широко практикуют денитрификацию стоков, биологическую утилизацию фосфора и удаление из стоков углеводородов нефти.

Таким образом, создание метаболически замкнутых биотехнологических процессов в сочетании с полной очисткой газовых выбросов от биологического материала позволяет создавать безотходные технологические процессы.

Заключение

 

Деятельность любого биотехнологического производства может привести к возникновению экологических проблем общего и частного характера:

1) истощению и гибели естественных экосистем вокруг биотехнологических предприятий или неадекватному популяционному давлению одних видов живых существ на другие (например, разрастание цианобактерий в водохранилищах);

2) возрастанию стрессовых нагрузок на людей, проживающих вблизи крупных биотехнологических предприятий (выхлопные газы, шум, испарения, корпускулярные аллергены в атмосфере и пр.);

3) загрязнению воздуха, природных водоемов почв биологическими и химическими агентами, используемых в технологическом процессе и содержащихся в отходах производства.

Поэтому, экологически безопасная схема биотехнологического производства обязательно должна включать стадии изоляции и обеззараживания твердых, жидких и газообразных технологических отходов.

Выбор системы обеззараживания и очистки — дело инженерного расчета с учетом экономической оценки вариантов. Но главным критерием всегда должно быть отсутствие рисков для человека и окружающей среды.

И в данном случае, государство должно не только обеспечить контроль над соблюдением нормативов по безопасности биотехнологических производств, но и централизованно покрыть часть расходов на установление таких систем. Такого подхода требуют интересы современного общества и будущих поколений.

Литература

 

1. Елинов Н.П. Основы биотехнологии, СПб: Наука, 1995, 600 стр.

2. Проект ФЗ «О безопасности микробиологических и биотехнологических производств и их продукции», Москва

3. Т.Ю. Жармухамедова, Т.А. Заргарова, Т.Ф. Горелкова, Т.А. Гуськова, А.Н. Мурашев. Роль службы обеспечения качества в проведении исследований по химической и биологической безопасности в соответствии с правилами надлежащей лабораторной практики. // Химическая и биологическая безопасность, 2008, № 1-2

4. О новых правилах сертификации лекарственных средств. Часть 1. // «Фармацевтическое Обозрение», http://www.farmoboz.ru/, 12 октября 2008.

5. Р.У. Хабриев, Р.И. Ягудина, Е.А. Тельнова, Л.В. Титова. Качество розничной торговли ЛС в рамках концепции технического регулирования //Новая аптека, http://www/nov-ap.ru

6. А.П. Мешковский. Надлежащая лабораторная практика (GLP): сравнительный анализ международных и российских требований. // Фарматека, №7 (49)

7. ГОСТ Р 52249-2004 Правила производства и контроля качества лекарственных средств. Введен в действие 10 марта 2004 г.

8. Правила доклинических исследований безопасности и эффективности фармакологических веществ (Правила качественной лабораторной практики в РФ - GLP или ПДИ). В кн. "Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ". Министерство здравоохранения Российской Федерации, Департамент контроля качества, эффективности и безопасности лекарственных средств, Научный центр экспертизы и государственного контроля лекарственных средств, Фармакологический государственный комитет. Москва, 2000.

9. Биотехнология, под ред. Егорова Н.С., Самуилова В.Д., в 8 кн., кн.6: Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов, М.: «Высшая школа», 1987, 143 стр.