Кафедра химической и техногенной экологии

Кафедра химической и техногенной экологии

 

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Часть I

Учебное пособие для студентов

заочного отделения

 

 

РАЗРАБОТЧИК: к.т.н., доц. Галактионова Н.А.

 

 

 

 

Москва

СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1. ВВЕДЕНИЕ...................................................3

1.1.Предмет промышленной экологии..............................3

1.2. Производство и потребление..................................4

1.3. Краткие исторические сведения.........................................9

Раздел 2. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.................... 17

2.1. Общая трактовка............................................ 17

2.1. Модели ЭЭС: структура и потоки............................ 18

2.2. Соизмерение производственных и природных потенциалов............. 21

Раздел 3. ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.............25

3.1. Виды технологий.....................................................25

3.2. Природоохранные технологии................................ 29

3.3. Технологические системы....................................34

Раздел 4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ................ 38

4.1. Классификация основных технологических процессов............. 38

4.1. Классификация основных технологических процессов............. 39

4.3. Процессы периодические, непрерывные, полуперидические....... 40

4.4. Гидромеханические процессы.................................43

4.4.1. Классификация неоднородных систем.................. 43

4.4.2. Осаждение......................................... 44

4.4.3. Фильтрование....................................... 52

4.4.4. Перемешивание в жидкой среде........................ 53

4.4.5. Псевдоожижение.....................................54

4.5. Тепловые процессы.......................................... 57

4.5.1. Общие характеристики тепловых процессов.............. 57

4.5.2. Нагревание.......................................... 59

4.5.3. Охлаждение до обыкновенных температур................... 64

4.5.4. Конденсация........................................ 65

4.5.5. Выпаривание........................................ 66

4.6. Массобменные процессы..................................... 68

4.6.1. Абсорбция.......................................... 71

4.6.2. Ректификация........................................73

4.6.3. Экстракция.......................................... 83

4.6.4. Адсорбция........................................... 87

4.6.5. Сушка.............................................. 90

4.6.6. Кристаллизация...................................... 95

Раздел 5. Безотходные и малоотходные производства....................... 97

5.1. Определения и концепция безотходного производства............. 97

5.2. Коэффициенты для оценки степени приближения традиционной

технологии к безотходной......................................100

5.3. Принципы безотходного производства.......................... 102

5.4. Основные направления развития мало – и безотходных

производств................................................. 109

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Экологические проблемы альтернативной энергетики

д.х.н., проф. МГУ, Лисичкин Г.В. (В кн. Материалы конференции «Основы

экологической безопасности» /Под ред. Г.А. Богдановского,

Н.А. Галактионовой. «Научные труды МНЭПУ». Вып. 4. Серия: «Реймерсовские

чтения». – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – с.37 – 44........................... 112

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Из второй части учебного пособия «Промышленная экология», готовящегося к.т.н., доц. Галактионовой Н.А. (биохимическая очистка СВ,

компостирование твердых отходов, переработка ТО на свалках).............. 120

 

Тема 1. ВВЕДЕНИЕ

1.1.Предмет промышленной экологии...

На современном этапе все очевиднее становится взаимосвязь производственных и природных процессов. Происходит слияние объектов хозяйственной деятельности человека, среды его обитания и природной среды[1] в единые системы, развивающиеся по своеобразным, еще недостаточно изученным законам. Для их изучения состояния и прогнозирования изменений, а также управлением развития таких систем возникло новое научное направление – промышленная экология.

Существует несколько определений промышленной экологии (ПЭ). Например, Реймерс Н.Ф. [1] дает следующее определение: «Промышленная экология» – дисциплина, рассматривающая воздействие промышленности – от отдельных предприятий до техносферы – на природу, и наоборот, – влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов. Это же определение использовано В.Г. Калыгиным, по программе и учебнику которого учатся студенты МНЭПУ [6]. В работе [2] (Р.А. Степень, С.М. Репях) под ПЭ понимается наука об эколого-экономических системах. Под последней понимается экологическая система или их сумма, которая включает так или иначе промышленные предприятия и другие объекты хозяйственной деятельности человека: транспорт, сельское хозяйство, города, плотины, тепловые станции и т.п. А.А. Челноков и Л.Ф. Ющенко [3] также считают, что современная промышленная экология – это самостоятельная наука, изучающая влияние промышленной деятельности на биосферу, а также определяющая пути достаточно безболезненного для человеческой цивилизации перехода техносферы в ноосферу. В справочнике-словаре В.В. Снакина вообще считается, что ПЭ – это научное направление, предметом изучения которого является непосредственное отрицательное антропогенное воздействие хозяйственной деятельности на окружающую среду [8].

С нашей точки зрения, промышленная экология – это дисциплина, содержание которой наиболее полно отражено в книге В.А. Зайцева «Промышленная экология» [4], выполненное по переводной статье [5]. Это мнение в настоящее время является наиболее распространенным и в той или иной формах поддерживается рядом ученых.

Промышленная экология рассматривает (изучает) взаимосвязь (и взаимозависимость) материального, в первую очередь промышленного, производства, человека и других живых организмов и среды их обитания, то есть предметом изучения промышленной экологии являются эколого-экономические системы.

Одной из главных задач ПЭ является нахождение путей для рационального и комплексного использования сырьевых и энергетических ресурсов в народном хозяйстве в цикле: первичные сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные сырьевые ресурсы – и, в конечном итоге, создание техногенного кругооборота веществ по аналогии с биогеохимическим кругооборотом в природных экологических системах.

Промышленная экология – функциональная дисциплина, так как наряду с установлением структуры и законов развития эколого-экономических систем, предметом исследования ПЭ является установление динамических связей внутри них, то есть функционирование подобной системы как единого целого. Методологической основой промышленной экологии служит системный подход с учетом всего многообразия экономических, биологических, социальных, технологических и других связей, их разнообразия и соподчинения.

1.2. Производство и потребление

Любое общество строится на принципах «производство-потребление», направленных на удовлетворение многоплановых потребностей людей за счет хозяйственной деятельности, основным видом которой является производство. При этом неизбежно возникают противоречия между человеком и природой, между производством и естественными экологическими системами.

Рост народонаселения планеты, динамика которого не утешительна[2], приводит к росту потребления. Причем, эти величины не пропорциональны друг другу! Потребление растет более высокими темпами, чем народонаселение. На это существуют объективные причины: расширение ассортимента, качества и количества потребляемых благ.

Совершенно ясно, что удовлетворить эти растущие потребности можно только за счет роста производства, которое не мыслимо без использования природы и ее разнообразных ресурсов. Этим и объясняется возникновение противоречий между человеком и природой, между производством и естественными экологическими системами. Рассмотрим некоторые негативные стороны влияния человека на природу в процессе роста производства.

Первое – ежегодно человечество отторгает от природы десятки миллиардов тонн природного вещества [7], к которому относятся нефть, газ, уголь, водные и природные ресурсы и т.п. На сегодня является очевидным ограниченность традиционно используемых природных благ суши, поэтому «ненасытные создания» устремляются к новым источникам: Мировому океану и космосу.

Второе – и возможно самое главное – это загрязнение окружающей среды отходами производства, которое во многих районах мира достигло критического уровня для устойчивости экосистем и здоровья людей. Структура отходов производства в мире представлена в таблице 1.1. [6].

Таблица 1.1.

Структура и объем отходов производства в мире (2000 г.)

 

Категория отходов	Млн. т	%
Основные газообразные вещества атмосферы		48,8
Выброс твердых частиц в атмосферу		0,7
Твердые отходы		14,4
Углеводороды		0,2
Органические отходы		12,5
Фекальные отходы		23,4
ИТОГО

 

Загрязнение атмосферного воздуха сопровождается массовой гибелью лесов — «легких планеты», снижением поголовья или исчезновением видов фауны, снижением урожайности сельскохозяйственных культур, потерей рыбопродуктивности водоемов, наносит урон здоровью людей. Общий экономический ущерб при этом исчисляется каждый год десятками миллиардов долларов.

Распределение выбросов загрязняющих веществ за год по различным видам антропогенной деятельности приведено в таблице 1.2 [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Реймерс Н.Ф. Природопользхование. Словарь-справочник. – М.: Мысль, 1990. – 595 с.

2. Р.А. Степень, С.М. Репях. Промышленная экология: учебник для студентов химико-технологических специальностей. – Красноярск: СибГГУ, 2000. – 345 с.

3. Челноков А.А., Ющенко Л.Ф. Основы промышленной экологии: Учеб. Пособие. – Мн: Выш. Шк., 2001. – 343 с.

4. Зайцев В.А. Промышленная экология: учебное пособие. – М: ДеЛя, 1999. –140 с.

5. Alienby, Braden. ‘Industrial Ecology: The Materials in Environmentally Constrained World”. The Materials Research Society Bulletin. 1992, March, PA. P. 45.

6. Калыгин В.Г. Промышленная экология: Курс лекций. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – 240 с.

7. Мазур И.И., Молдованов О.И. Курс инженерной экологии: Учеб. Для вузов. – М.: Высш. Шк., 1999. – 447 с.

8. Снакин В.В. Экология и охрана природы. Словарь-справочник. Под редакцией академика А.Л. Яншина. – М.: Academia, 2000. – 384 с.

9. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 1998. – 455.

10. Снакин В.В. Экология и охрана природы. Словарь-справочник. – М.: Academia, 2000. – 384 с.

 

Раздел 2. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Общая трактовка

Наиболее полно требования экоразвития и подчинение экономики принципу сбалансированного природопользования могут быть реализованы в пределах такого природно-хозяйственного комплекса, который образует равновесную эколого-экономическую систему (ЭЭС).Это понятие широко используется в современной экономической и экологической литературе наряду с близкими по смыслу понятиями «природно-экономическая система» и «биоэкономическая система».

Академик М.Я Лемешев в 1976 г. определил эколого-экономическую систему как «интеграцию экономики и природы, представляющую собой взаимосвязанное и взаимообусловленное функционирование общественного производства и протекание естественных процессов в природе и в биосфере в особенности» [1]..

Такое определение ЭЭС предполагает глобальный или, по меньшей мере, национальный уровень. В настоящее время существует как бы два уровня интерпретации этого понятия — глобальный и территориальный. Согласно первому ЭЭС трактуется как тип экологически ориентированной социально-экономической формации. Именно в этом смысле на закрытии Конференции в Рио М. Стронг говорил о необходимости перехода человечества от экономической системы к эколого-экономической системе. Но в глобальном смысле организация ЭЭС — это отдаленная и довольно абстрактная перспектива. Для практической реализации принципа сбалансированного природопользования важно иметь представление об ЭЭС на территориальном уровне — в отдельных регионах и промышленных комплексах.

В такой трактовке эколого-экономическая система — это ограниченная определенной территорией часть техносферы, в которой природные, социальные и производственные структуры и процессы связаны взаимоподдерживающими потоками вещества, энергии и информации.

Реальные ЭЭС никто никогда специально не создавал. Они возникали сами собой в тех случаях, когда хозяйственная активность человека в какой-то территории базировалась на использовании местных возобновимых природных ресурсов, но не превышала их способности к регенерации. Чаще всего это были слабо технизированные агроценозы. Индустриальное развитие никогда не ставило своей целью создание сбалансированных ЭЭС. Механизмы экологической регламентации хозяйственной деятельности, активно разрабатываемые в последние годы, такие, как оценка предполагаемых воздействий на окружающую среду, лицензирование, экологическая экспертиза программ и проектов, сами по себе не в состоянии обеспечить практическую реализацию требований сбалансированности. Но это не означает, что такие системы невозможны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 1998. – 455.

2. Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. и др. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Часть 2. – М.: МНЭПУ, 2001.

 

 

Раздел 3. ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Виды технологий

Технология – это совокупность способов, приемов для получения из исходного материала (сырья) некоторого практически ценного продукта.

Примеры:

- Получение стула или стола (продукты) из березы (сырье)

- Получение электрической энергии (продукт) из каменного угля (сырье)

- Получение полиэтиленовых пакетов (продукт) из природного газа (сырье)

- Получение удобрения аммиачной селитры (продукт) из воздуха и природного газа (сырье)

- Получение молока (продукт) из травы (сырье)

- Получение спирта из сахара

- Получение дрожжей из сахара

- Получение кефира из молока.

Очень часто для получения одного продукта требуется не один, а несколько источников сырья, не один, а последовательность нескольких способов, приемов.

Обычно название той или иной технологии состоит из двух слов: первое –технология, второе – наименование продукта. Например: технология аммиачной селитры, технология молока, технология дрожжей и т. д.. Неправильно говорить «Технология получения продукта», например «технология получения спирта», т.к. получается тавтология: слово «технология» – это уже и так обозначает «получение», незачем ставить рядом два слова, имеющих сходный смысл.

Основные классы технологий. Хотя технологий в природе, а вернее в человеческом обществе, существует по крайней мере столько же, сколько и разных видов созданных человеком продуктов (а многие продукты имеют и по множеству разных технологий), все это многообразие технологий можно подразделить на 3 основных класса:

1. Физико-механические технологии

2. Химические технологии

3. Биотехнологии.

Рассмотрим более подробно названные классы технологий.

Физико-механические технологии. Как следует из названия, в таких технологиях исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет своего химического состава. Из приведенных выше примеров можно указать на технологию переработки древесины для производства деревянной мебели или различные методы получения металлических изделий, например, гвоздей или деталей машин.

Химические технологии. В процессе получения продукта в химических технологиях сырье претерпевает изменения химического состава. Можно привести множество примеров:

- Получение полиэтилена из природного газа.

- Получение удобрения аммиачной селитры из воздуха и природного газа.

- Получение спирта из природного газа или древесины.

- Получение спирта из природного газа или древесины

- Получение синтетического каучука из природного газа

- Получение красителей и многих лекарств из простых химических соединений (кислоты, щелочи, бензола и других простых веществ).

Ассортимент продуктов, получаемых с помощью химических технологий, весьма велик.

Биотехнология. Есть много определений, что такое биотехнология. Наиболее распространенным является следующее.

Биотехнология – это целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и различных областей человеческой деятельности продуктов, в процессе которого используется биохимическая деятельность микроорганизмов [7], изолированных клеток или их компонентов. [1]

Биотехнологические процессы занимают особое место в природоохранных технологиях, поскольку в основе своей являются экологически чистыми производствами. Последнее понятие будет подробно обсуждаться в следующей теме.

В качестве примера можно привести микробиологическую очистку сточных вод предприятий и почв от нефти и нефтепродуктов, компостирование бытовых отходов, аэробную очистку сточных вод и многое другое.

Какие виды биохимической деятельности микрообъектов используются в биотехнологии, иначе говоря, что является целевым при использовании микроорганизмов.

Перечислим их, не вдаваясь в подробности.

'1. Наращивание клеточной массы, которая и представляет собой продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, в общем, экологически чистой биомассы и др.

2. Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов – некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует ради получения таких продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.

3. Биотрансформация. Этим красивым словом называется процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного химического вещества. Отличие от рассмотренного выше процесса биосинтеза состоит в том, что при этом обычно происходят относительно небольшие изменения в химической структуре вещества, оно не синтезируется заново из относительно более простых веществ. Кроме того, в процессе биотрансформации используется обычно уже готовый биологический агент – клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.

Пример процесса биотрансформации – превращение глюкозы во фруктозу под воздействием фермента глкозоизомеразы. Оба сахара имеют одну формулу СбН₁₂О₆ но имеют только пространственные отличия в структуре молекулы.

Интересно, что подобный процесс в природе осуществляют пчелы (если кормить их глюкозой). Но здесь в операции принимает участие макроорганизм – пчела, и мы не можем данный процесс назвать биотехнологическим.

Или другой пример. Глицерин, представляющий собой трехатомный спирт, под воздействием клеток глюконобактерий, превращается в диоксиацетон:

Изменение в структуре молекулы вроде бы небольшое – уходят два атома водорода, т.е. происходит дегидрирование. Между тем новое вещество по своим свойствам заметно отличается от исходного – глицерина.

4. Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются нежелательными примесями (загрязнениями). Здесь биомасса микроорганизмов служит промежуточным агентом, сама по себе она не нужна. Такие процесоы применяются впроцессах биологической очистки сточных вод. Продуктом здесь является очищенная вода, а биомасса активного ила, которая потребляет загрязнения, все время отводится от системы и затем обезвреживается или перерабатывается для получения из нее других полезных продуктов.

5. Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод в растворенное состояние некоторьых веществ, находящихся в твердьых телах. Примером является микробиологическое вьыщелачивание ценньых металлов из руд –меди, цинка, урана и др..

6. Особьым случаем является использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов и за счет зтого – создания, например, пористьых материалов. Для зтого, в основном, используют дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского – также создать в среде высокую концентрацию растворенного углекислого газа, чтобы вино или пиво хорошо пенилось.

Рассмотренные шесть основных направлений биохимической деятельности микроорганизмов являются основой для получения широкого класса продуктов биотехнологии.

Преимущества биотехнологических процессов. По сравнению с химической технологией биотехнология обеспечивает следующие основньїе преимущества:

- Возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получить путем химического синтеза.

- Проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давленнях.

- Микроорганизмы имеют потенциально значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы.

Например, с помощью микроорганизмов в ферментере обьемом 300 м³ за сутки можно выработать 1 т белка. Чтобы такое же количество белка в сутки выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо 30000 голов. Если же использовать для получения такой скорости производства белка бобовые растения, например, горох, то потребуется иметь поле гороха площадью 5400 гектаров.

- В качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности.

- Биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более зкологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам.

- Как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.

Природоохранные технологии

Особую важность для экологии представляют природоохранные технологии. То есть не технологии вообще, а конкретные технологии, направленные на ликвидацию того или иного вредного воздействия на окружающую среду.

Не претендуя на широту обобщений, можно предложить некоторый перечень видов природоохранных технологий [2,3]:

1. Очистка и обезвреживание отходящих газов.

2. Очистка сточных вод.

3. Переработка, обезвреживание и утилизация твердых отходов.

4. Рекультивация загрязненных территорий и акваторий.

5. Стабилизация окружающей среды при сельскохозяйственном производстве.

6. Замещение энергетических ресурсов новыми экологически чистыми источниками энергии из возобновляемого сырья.

7. Реализация систем замкнутого водопользования.

8. Замещающие технологии экологически чистых материалов и продуктов.

9. Экологически чистая геотехнология.

10. Экологический мониторинг техногенных воздействий на окружающую среду.

Многие из перечисленных природоохранных технологий могут быть реализованы с использованием способов и процессов биотехнологии. В силу специфики биотехнологических процессов, остановимся более подробно на роли биотехнологии в осуществлении перечисленных выше природоохранных технологий.

1. Очистка сточных вод. Здесь биотехнология практически вне конкуренции. Наряду с открытыми еще в начале века системами аэробной и анаэробной очистки с использованием аэротенков, других специальных видов биоокислителей, биофильтров и метантенков, работающих на естественных биоценозах, разрабатываются адаптированные к различным загрязнениям консорциумы микроорганизмов, пригодные для переработки особо токсичных отходов, системы биосорбции тяжелых металлов и многое другое.

2. Переработка, обезвреживание и утилизация твердых отходов. Начало этим технологиям было положено способами переработки избыточного активного ила, накапливающегося при работе станций биологической очистки стоков. Такой ил часто сам является серьезным источником загрязнения окружающей среды. Методы метанового брожения с получением горючего биогаза и удобрений, а также методы биокомпостирования в аэробных условиях, используемых для переработки активного ила, были затем использованы для переработки навоза, окультуривания свалок и превращения их в установки по биопереработке отходов. Разрабатываются также методы биологической переработки отработанных полимерных материалов, таких как сельскохозяйственные пленки, биодеградации нефтесодержащих осадков, биорегенерации резины отработанных шин с получением каучука-регенерата. Перечень перерабатываемых с помощью биотехнологии отходов растет, т.к. почти для каждого вещества можно подыскать микроб, для которого это вещество является субстратом.

3. Очистка и дезодорация газовых выбросов и глобальное кондиционирование атмосферного воздуха. Наряду с традиционными системами для очистки газовых выбросов все чаще используются биоскрубберы в жидкофазном и твердофазном исполнении с использованием иммобилизованных микроорганизмов. Разрабатываются также «превентивные» системы, снижающие содержание серы в используемом топливе, чтобы не допустить выброса в атмосферу окислов серы. Среди таких систем – биотехнологические способы обессерирования каменного угля и нефти, которые интенсивно разрабатываются в ряде стран. Важной экологической проблемой является снижение содержания углекислоты и повышение содержания кислорода в атмосферном воздухе (борьба с пресловутым «парниковым эффектом»). Сегодня мы с горечью констатируем, что зеленый покров планеты, который помогает в решении этой проблемы, неумолимо сокращается. Надо думать о новых способах восстановления газового баланса. В космических системах жизнеобеспечения ужу опробовано применение для этих целей культивирования микроводорослей хлореллы. Может быть, будут найдены и другие разновидности водорослей, что позволит вместо зеленых насаждений организовывать плантации микроводорослей, очищающих атмосферу и одновременно дающих кормовой или даже пищевой продукт.

4. Биоремедиация загрязненных территорий. Развитие цивилизации часто сопровождается образованием техногенных пустынь – территорий, загрязненных различными вредными веществами. На слуху прежде всего нефтяные загрязнения, но список загрязнителей достаточно велик. Смыслом биоремедиации является очистка этих загрязнений с помощью микроорганизмов, вносимых в почву, или путем активизации деятельности аборигенной почвенной микрофлоры. Это – специальный вид технологии, несколько напоминающий сельскохозяйственные. Они включают рыхление и вспашку почвы, увлажнение или осушение, внесение удобрений и структураторов почвы. Выполняются работы либо по месту загрязнения, либо с вывозом грунта на специально оборудованные участки. В 1997г. в Германии состоялась первая международная конференция по биоремедиации. Спектр загрязняющих веществ, по которым проводятся работы, весьма велик. Это нефтепродукты, полиароматические углеводороды, нитроаромтаика, нитроцеллюлоза, тринитротолуол, нафталин, антрацен, фенантрен, полиалкилводород, бифенилы, иприт и другие ОВ, гептил, ионы металлов – хром, свинец, никель, цинк и многое другое.

5. Стабилизация окружающей среды при сельскохозяйственном производстве. При выращивании сельскохозяйственных растений современные технологии оказывают серьезное воздействие на окружающую среду. Минеральные удобрения, например, вымываются из почвы и приводят к эвтрофикации водоемов. Еще хуже ситуация с химическими пестицидами и инсектицидами, которые могут оставаться и в конечных продуктах сельского хозяйства – зерне, оовщах, фруктах. Не решена окончательно проблема утилизации больших количеств накапливающейся соломы. Биотехнология предлагает для решения этих вопросов биоудобрения, биоинсектициды, феромоны, технологии биоконверсии соломы с получением белкового корма твердофазной ферментацией, специальные силосные закваски для силосования трав. Имеются сообщения о биотехнологических способах деградации отработанных полимерных пленок и мульчи. С животноводством связаны биодеградация и метановое сбраживание навоза с получением удобрений и биогаза, пробиотики и ростовые гормоны для животных, кормовые антибиотики и вакцины животных, кормовой белок, получаемый микробиологическим способом из различных источников сырья, в основном отходов. Современная биотехнология и генная инженерия позволяет использовать получаемую из изолированных культур ткани безвирусную рассаду картофеля и других культур, трансгенные растения и животных с измененными характеристиками, обеспечивающих высокую хозяйственную продуктивность и экологичность сельскохозяйственного производства.

6. Замещение энергетических ресурсов. В этой области можно отметить следующие возможности биотехнологии:

- Получение биогаза путем биоконверсии различных органических отходов или специально выращиваемых быстрорастущих растений.

- Получение моторного топлива с использованием «биоспирта» – технического спирта, полученного путем биоконверсии сельскохозяйственных отходов, содержащих сахара, крахмал или лигноцеллюлозу. В Бразилии уже сейчас в качестве моторного топлива используют газохол – смесь бензина со спиртом.

- Получение водорода из отходов органического происхождения.

- Есть информация о культивировании специальных видов микроводорослей, накапливающих углеводороды, Пока что их эффективность невелика. Но нельзя исключать, что с помощью генной инженерии будут созданы хозяйственно рентабельные биотехнологические производства углеводородов, что позволит заместить убывающие запасы нефти возобновляемым углеводородным топливом.

- Особенно блестящие экологические перспективы сулит промышленное использование биофотолиза воды цианобактериями или их ферментными системами с получением водорода, хотя и здесь для практического решения задачи нужно решить много технических и биологических вопросов.

7. Реализация систем замкнутого водопользования. В таких системах отработанные водные потоки очищаются внутри самого производства, и очищенные – вновь используются в производстве. На Киришском биохимическом заводе, например, за счет такого решения удалось полностью исключить сброс промышленных стоков в водоемы. Интересно, что при этом снизились расходы и другого сырья – аммонийных и фосфорных солей, которые не сбрасывались в водоемы, а повторно использовались. При достаточно больших концентрациях органических загрязнений в отработанных потоках в системах замкнутого водопользования должна быть биотехнологическая стадия отработки воды.

8. Замещающие технологии экологически чистых материалов и продуктов. Этот раздел по существу касается многих продуктов разного назначения, производимых биотехнологией и имеющих свойства, снижающие экологическую нагрузку на природу. В качестве первого примера можно привести биоразлагаемые полимеры (полиоксибутират, полилактат), разлагающиеся с помощью почвенной микрофлоры и тем самым выгодно отличающиеся от полиэтилена, полипропилена, упаковка из которых создает ясно выраженную экологическую нагрузку на окружающую среду.

Можно также отметить биоудобрения и биоинсектициды, стиральные порошки с ферментами. Созданы биопрепараты против комаров, которые заражают их личинки и препятствуют размножению, и в то же время не оказывают воздействия на человека и окружающую среду, чем выгодно отличаются от химических средств. Конкурируют с обычными пищевыми продуктами такие продукты биотехнологического происхождения, как глюкозо-фруктозные сиропы, получаемые ферментативной обработкой крахмалистого сырья, подкислители – лимонная, молочная и другие органические кислоты, пищевые красители и биоконсерванты микробного происхождения (низин, дигидроксиацетон), пищевкусовая добавка – глутамат натрия, подсластители типа аспартама (в 200 раз слаще сахара), есть даже попытки создать мясо из мицелиальной биомассы съедобных грибов.

9. Биогеотехнология. При добыче природных ископаемых биотехнология также имеет ряд точек приложения.

- Биометаллургия – бактериальное выщелачивание цветных и драгоценных металлов из сульфидных руд вместо пиролитических процессов или использование аминокислотных гидролизатов микробных масс для выщелачивания золота из оксидных руд вместо неэкологичного процесса цианирования.

- Использование биополисахаридов (ксантанов), получаемых биотехнологическим путем, для повышения нефтеотдачи пластов при добыче нефти.

- Микробиологические методы борьбы с метаном в шахтах.

- Биосорбция благородных и редких металлов из морской воды.

10. Биомониторинг воздействия техногенных факторов на окружающую среду. Чаще всего с помощью биологических методов мониторинга контролируют интегральное воздействие загрязнителей на окружающую среду. Наиболее известным примером такого мониторинга является определение БПК – биологической потребности в кислороде, характеризующего собой «обобщенный субстрат» для активного ила или «обобщенный загрязнитель» с точки зрения чистоты воды. Подобного рода интегральных биотестов существует множество, и они продолжают разрабатываться. В иммунодиагностикумах, например, используются свойства антител животных клеток связывать строго определенные виды белков и других биополимеров.

Наконец, концентрации многих загрязняющих веществ определяются с помощью биосенсоров, основанных на специфических реакциях ферментов с измеряемым веществом. Здесь уже определяется не интегральное воздействие, а конкретная концентрация конкретного вещества.

Технологические системы

Технологическая система (ТС) – совокупность взаимосвязанных материальными, энергетическими и информационными потоками аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность операций для получения товарного продукта [2].

Элементами ТС являются условно неделимые единицы – технологические аппараты, в которых осуществляется целенаправленное протекание технологических процессов физической, химической и биологической природы.

Между элементами ТС имеется функциональная связь. Они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой в виде материального, энергетического и информационного обмена.

Технологическая система изображается в виде технологической схемы. В качестве примера на рис. 3.1 приведена упрощенная технологическая схема производства белково-витаминного концентрата (БВК) из н-парафинов нефти[8]. Схема включает в себя ряд основных стадий производства, в которых происходит последовательная переработка исхо