- •Продуценты в биотехнологии Бактерии
- •Дрожжи (внетаксономическая группа грибов, утративших мицелиальное строение)
- •3.1. Смешанные культуры микроорганизмов. Использование. Типы взаимодействия между микроорганизмами в смешанной культуре.
- •3.2. Отличия биотехнологических процессов от химических. Обобщенные схемы основных производств микробиологического синтеза.
- •3.3. Биотехнология получения витаминов на примере витамина b12.
- •3.4. Общие показатели загрязненности сточных вод. Классификация методов очистки сточных вод.
- •4. Бактериальные и биологические загрязнения сточных вод
- •3.5. Среднее время пребывания потока в аппарате, как одна из основных характеристик кривых распределения. С- и f- кривые. Моменты с-кривой и их сущность.
- •4.1. Конкурентное ингибирование в периодической и хемостатной культуре.
- •4.2. Сорбционные методы выделения продуктов биосинтеза.
- •4.3. Уксусная кислота. Методы получения. Технология уксуснокислого брожения.
- •4.4. Ксенобиотики как загрязняющие факторы окружающей среды
- •1. Ксенобиотический профиль биогеоценоза
- •2. Пути переноса и трансформации ксенобиотиков
- •4. Ксенибиотики (кб) как зазрязняющие факторы ос. Основные источники поступления. Пути миграции и превращения.
- •5.1.Пищевая конкуренция в смешанных культурах. Влияние условий культивирования на состав популяций. Аутостабилизация фактора, ограничивающего развитие популяции.
- •5.2. Конструкции барботажных и барботажно-эрлифтных ферментеров.
- •5.2. Ферментеры газлифтные колонные и тарельчатые. Достоинства и недостатки.
- •5.3. Аминокислоты. Биосинтез, производство и характеристика лизина.
- •5.4 Аэробная очистка сточных вод. Последовательные стадии очистки.
- •5.6. Решение:
- •6.2. Сублимационная сушка.
- •6.3. Направленный синтез аминокислот и его регуляция. Ферментативная конверсия субстратов в аминокислоты.
- •6.4. Особенности микробиологической трансформации отдельных классов органических ксенобиотиков (пестициды, пав, органические галогенированные соединения).
- •7.1. Основные фазы роста и развития микробной культуры при периодическом культивировании.
- •7.3. Пищевая биотехнология. Производство молочных продуктов.
- •7.4. Микробиологические превращения металлов. Биосорбция металлов из растворов.
- •7.5. Аппаратурное оформление и основные принципы процесса ректификации.
- •8.1. Параметры роста культур микроорганизмов: скорость роста, время генерации, скорость деления, время удвоения. Эффективность биосинтеза.
- •8.2. Методы очистки и стерилизации воздуха. Аппаратурное оформление операций.
- •8.3.Продуценты белка
- •8.4. Характеристика анаэробных реакторов. Методика расчета менатенка. Области применения анаэробной очистки сточных вод. Сравнительный анализ эффективности работы аэробных и анаэробных реакторов.
- •8.5. Этапы процесса проектирования. Этапы создания детализированной технологической схемы, предварительной компоновки оборудования и корректировки начальной технологической схемы.
- •9.1. Особенности, условия и приемы культивирования изолированных тканей.
- •9.2. Экстракция. Применение в биотехнологии. Способы экстрагирования.
- •9.3. Спиртовое брожение. Производство этилового спирта. Области применения. Сырье, технологическая схема.
- •10.1. Одноступенчатое гомогенное культивирование микроорганизмов с рециркуляцией. Преимущества и недостатки.
- •10.2. Охрана труда, техника безопасности и санитарный контроль микробиологических производств.
- •10.3. Глутаминовая кислота: способы получения, биосинтез и схема получения.
- •10.4.Химия и использование бактериального окисления сульфидных минералов. Выщелачивание куч и отвалов, подземное выщелачивание
- •Механизм бактериального выщелачивания
- •Организация выщелачивания
- •10.5. Конструкции теплообменных аппаратов.
- •11.1 Влияние условий культивирования на скорость роста микроорганизмов.
- •11.2. Способы выделения биолологически активных веществ из биомассы микроорганизмов.
- •11.3. Лимонная кислота. Биосинтез. Технологическая схема производства.
- •11.4. Бактериальное выщелачивание.
- •11.5. Выпаривание. Температура кипения растворов (ткр). Температурная депрессия (тд). Технические методы выпаривания (тмв).
8.4. Характеристика анаэробных реакторов. Методика расчета менатенка. Области применения анаэробной очистки сточных вод. Сравнительный анализ эффективности работы аэробных и анаэробных реакторов.
Анаэробное метановое брожение включает 4 взаимосвязанные стадии:
Стадия ферментативного гидролиза нерастворенных сложных органических веществ с образованием более простых растворимых веществ.
Стадия кислотообразования с выделением короткоцепочечных летучих ЖК (ЛЖК), АК, спиртов, а также водорода и углекислого газа.
Стадия превращения ЛЖК, АК и спиртов в уксусную кислоту.
Метаногенная стадия – образование метана из уксусной кислоты, а также в результате реакции восстановления водородом углекислого газа.
Иногда 1 и 2 стадии объединяются в одну и процесс рассматривается как трехстадийный.
1 – ферментативные бактерии (кислотогены) - Бациллус, Микрококкус, Пзеудомонас, Клостридиум – быстрорастущие факультативные анаэробы, оптимальное рН 6,5-7,6, выделяют экзоферменты, т.е. осуществляются гидролиз и перевод тв.нерастворимых орган.веществ в растворимое состояние.
2 – ацетогены, образующие водород: CH3CH2COOH + 2H2O -> CH3COOH +CO2 + 3H2
3 - ацетогены, использующие водород: 4Н2+2СО2 – СН3СООН +2Н2О
4 – метаногенные бактерии – восстановление углекислоты водородом СО2 + Н2 – СН4 + Н2О
Этой группой образуется около 28% метана
5 – расщепление ацетата – образуется 72% метана. СН3СООН – СН4+СО2
4 и 5 – метановые бактерии образуют метан двумя путями. В процессе могут участвовать 5 основных групп метановых бактерий, различающихся морфологически: Метанококкус, Метанобактериум, Метаноспирилиум, Метанотрикс, Метаносарцина.
Метановые бактерии – строгие анаэробы. Они весьма чувствительны к присутствию в среде растворенного кислорода и нитратов. Оптимальное значение рН 7-7,5, но могут работать и при рН 9-10, если время их пребывания не менее 20 суток. Кислород губительно действует на них уже в концентрации 0,01 мг/л.
Источники: углерода – уксусная кислота и углекислый газ, энергии – водород, азота – аммиак, серы – сульфиды, а также сульфаты и цистеин. Нуждаются в микроэлементах (калий, натрий, кальций, магний, кобальт, медь, бор, цинк, мольбден, никель и т.д.)Источники: углерода – уксусная кислота и углекислый газ, энергии – водород, азота – аммиак, серы – сульфиды, а также сульфаты и цистеин. Нуждаются в микроэлементах.
Анаэробное разложение органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов. В отличие от трофических цепей микроорганизмов в аэробных процессах, где взаимоотношения между группами организмов характеризуется в основном отношением «хищник-жертва», для трофических систем при метановом сбраживании характерно использование продуктов обмена одних групп бактерий, другими.
Первичные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования. Вторичные – стадии ацетогенеза и метаногенеза.
Конверсия углеводов, белков, жиров:
При разложении гемицеллюлозы и целлюлозы метаногенным консорциумом происходит 4 стадии процесса. Из гемицеллюлозы сначала образуется сложная смесь полисахаридов, которые затем распадаются на моносахариды, а из целлюлозы – сразу образуется глюкан, а далее все стадии конверсии идут одинаково. Моносахара превращаются в летучие ЖК.
При метановом сбраживании идет последовательное превращение нерастворимых белков в растворимые АК по след. Цепочке: белок – пептоны – пептиды – АК. В превращении участвуют внеклеточные ферменты.
При гидролизе жироподобные веществ распадаются на глицерин и высокомолекулярные ЖК, которые в результате других последовательно протекающих реакций превращаются в уксусную кислоту и далее в метан и угл.газ.
Количество и состав газа, получаемого при сбраживании веществ, определяется уравнением реакции.
Сбраживание происходит как с участием воды, так и без нее и может даже идти с ее выделением.
Если вода участвует в реакции, то из одного грамма распавшегося орган. вещества образуется больше 1г газа, если без участия воды, то 1 г. распад.в-ва дает 1г газа.
Применение. Анаэробные методы используются для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке сточных вод, а также как первая ступень очистки очень концентрированных сточных вод (БПКполн > 4-5 г/л), содержащих органические вещества. Анаэробные реакторы могут применяться также в целях получения промежуточных продуктов для химической промышленности (например, уксусной, молочной и акриловой кислот в качестве химического сырья). Промышленное применение систем анаэробного разложения неуклонно возрастает; они используются при переработке отходов животноводческих ферм и промышленных, в том числе, пищевых отходов, а также для переработки культур, специально выращиваемых для получения энергии.
Расчёт метантенков заключается в вычислении количества образующихся на станциях осадков, выборе режима сбраживания, определении требуемого объёма сооружений и степени распада беззольного вещества осадков.
1. Количество сухого вещества осадка, образующегося на станции, т/сут, определяют по формуле Осух = Свзв ЭkQ⋅10–6 , где С взв – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в первичные отстойники, Э – эффект очистки в первичных отстойниках, k – коэффициент увеличения объёма осадка за счёт крупных фракций, не улавливаемых при отборе проб для анализа, равный 1,2, Q – суточный приток сточных вод на станцию, м 3 /сут.
2. Количество сухого активного ила определяется как Исух = [0,8С взв(1 – Э) + aLen – b]Q⋅10–6, где а – коэффициент прироста активного ила, равный 0,3, L en – БПКполн сточной воды, после первичных отстойников (поступающей в аэротенк).
3. Количество беззольного вещества осадка т/сут, вычисляют по формуле Обез = (Осух (100-Вг)(100-Зос))/10000, где В г – гигроскопическая влажность сырого осадка, ориентировочно равная 5 %, Зос – зольность осадка, равная 30 %.
4. Количество беззольного активного ила вычисляют по аналогичной формуле Ибез=(Исух(100−В′г) (100−Зил))/10000, где В′г ориентировочно также составляет 5 %, а Зил – 25 %.
5. Расход сырого осадка и избыточного ила, м3/сут определяют соответственно:
Vос = (Осух 100)/(100 − Wос)ρос, Vил = (100Исух)/ (100 − W ил)ρил , где W ос = 95 % и W ил = 97,3 % – влажности сырого осадка и избыточного ила, ρос и ρил – плотности осадка и ила, равные 1 т/м 3 .
6. Общий расход осадков:
по сухому веществу Мсух = Осух + Исух,
по беззольному Мбез = Обез + Ибез,
по объёму смеси фактической влажности Мобщ = Vос + Vил .
7. Средние величины влажности и зольности смеси находят по формулам Всм = (1−Мсух)/Мобщ * 100%,
Зсм =1 − (Мбез/(Осух (100−Вг)) /100+(Исух (100−В′ г) / 100)) 100 %.
Выбор режима сбраживания осуществляют по рекомендациям учебника.
8. Далее определяют требуемый объём метантенка Vmt = Mобщ ⋅100/Дmt, где Дmt – доза загрузки, определяемая по таблице.
9. Выход газа, м3 на 1 кг загруженного беззольного вещества при плотности газа 1 кг/м3 определяют по формуле y′= (асм − nДmt ) / 100, где n – коэффициент влажности смеси осадка и ила, принимаемый по табл. 10. Суммарный выход газа, м3/сут определяют по формуле Г = y′ Mбез∙1000.
Для выравнивания давления газа подбирают газгольдер. Далее определяют качество сброженной смеси, то есть её влажность и зольность. В процессе сбраживания происходит распад беззольных веществ, приводящий к уменьшению массы сухого вещества и увеличению влажности осадка, причём суммарный объём смеси после сбраживания практически не меняется.
11. Масса беззольного вещества, т/сут подсчитывается как M′без = Mбез (100 − y′ 100) / 100.
Разность М сух – М без представляет собой зольную часть, не изменившуюся в процессе сбраживания.
12. Масса сухого вещества, т/сут в сброженной смеси определится как M′сух = (Mсух −Mбез) + M′без.
13. Влажность сброженной смеси, % определяется как В′см = 100 − (М′сух /Мобщ)∙100.
14. Зольность сброженной смеси будет равна З′см = 100 − (М′без ⋅ 10000/ М′сух (100 − В′′г)) , где В′′г – гигроскопичность сброженной смеси, равная 6 %. Исходя из требуемого объёма по табл. выбирают размеры метантенков (диаметр, высоту верхнего конуса, цилиндрической части и нижнего конуса, строительный объём здания обслуживания и киоска газовой сети).
Оборудование.
Септиктенки – представляют собой отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Эксплуатируются при 30-35 С. Время пребывания в них очищаемых стоков около 20 суток. Объем тенка распределяется между двумя камерами, при этом первая занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила. Ил периодически (примерно 1 раз в год) удаляется, а небольшая его часть остается в биореакторе. Сброженный ил ликвидируют или закапывают. При сбраживании уменьшается объем ила, снижается содержание в нем патогенных микроорганизмов и дурной запах.
Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков. Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для сильнозагрязненных стоков пищевой промышленности и отходов животноводства. Эти стоки имеют высокие нагрузки по ХПК и БПК.
Для очистки навозных стоков применяют сбраживатели полного смешения. Стоки свино- и птицекомплексов освобождаются в процессе очистки на 50% ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота только на 30%. Происходит ингибироввание высокими концентрациями NH4+ (до 4 г/л), а также органикой. Время удержания таких стоков в биореакторе объемом 600-700 м3 15-20 суток при норме суточной загрузки 20-30 м3. Биогаз, образуемый при этом содержит до 70% метана.
Биореактор небольшого объема очищает стоки средних ферм с 1200-1500 голов свиней.
Для очистки загрязненных стоков пищ. пром. применяются специально разработанные контактные анаэробные процессы. В таких процессах в первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие стоки полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или путем механического перемешивания. Кроме перемешивания фактором интенсификации процесса является изменение температуры в биореактооре. Процесс сбраживания происходит удовлетворительно в интервале двух температур: 30-35 – мезофильное брожение, 50-55 – термофильное брожение.
При термофильном брожении степень разложения несколько выше, а скорость распада органических соединений примерно в 2 раза больше, чем при мезофильном, следовательно, снижается объем реактора, но увеличиваются эксплуатационные расходы.
Сброженные стоки направляются в осветлитель, где происходит процесс осаждения ила и дополнительное образование биогаза. Уплотнившийся ил возвращают в сбраживатель, куда поступают новые порции стоков.
Если величина концентрации микроорганизмов в сбраживателе составляет 5-10 г/л возможна достаточно эффективная очистка сточных вод с содержанием ХПК до 20 кг/м3. При увеличении биомассы до 20-30 г/л возможно использование неразбавленных сточных вод с ХПК до 80 кг/м3.
Типичная схема сбраживателя с мешалкой.
СВ биогаз биогаз
очищенный сток
сбраживатель отстойник
рециркуляция уплотненного ила удаляемый ил
Схема сбраживателя с ПОС (псевдоожиженный слой) песчаной насадкой
биогаз
входной пит.
поток в-ва
выходящий сток
3
2
1 – рециркуляционный контактный реактор
2 – насос
3 – сбраживатель с ПОС песчаной насадки
Реакторы с неподвижной биопленкой – анаэробные биофильтры.
В отличие от аэробных капельных биофильтров имеют более крупную насадку во избежание процессов заиливания. Применяемая для этих целей щебеночная насадка (диаметр 25-65 мм) имеет до 50% свободного объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низка и биомасса удерживается в свободном пространстве насадки. Предельная нагрузка по ХПК для таких систем составляет до 100 кг/м3 в сутки с умеренным количеством органики БПК около 5 кг/м3. Эффективность очистки примерно 70%.
«-» - достаточно высокая стоимость, необходимость периодической промывки материалов фильтрующего слоя.
Реакторы с расширяющимся и ПОС (второе поколение).
Реактор с восходящим потоком, содержащий насадку с частицами примерно одинакового размера, на которых может расти биопленка, является реактором с ПОС, при определенной скорости входного потока и рециркуляцией, согласно определению, расширяющийся слой выше ПОС на 10-40%, а ПОС на 30-100%
«+»
- вымывание биомассы минимально, благодаря ее адгезии к твердым частицам носителя;
- образуется тонкая плотная биопленка, содержащая в основном активную биомассу;
- использование мелких плотных частиц обеспечивает большую удельную поверхность, следовательно, будет больше объем бмиомассы в сравнительно небольшой установке;
- время пребывания жидкости в аппарате может быть невелико, что увеличивает его рентабельность.
«-»
- требуют большого инженерного обеспечения,
- требуют дополнительной энергии для образования ПОС.
Пусковой период: основным условием работы метантенка является наличие сброженного осадка – септического ила, адаптированного к данному загрязнению.
Сброженный осадок получают в пусковой период очистного сооружения. Для сокращения пускового периода в сооружение вводят зрелый осадок из работающего метантенка или других источников (например, из канализационных колодцев), т.к. свежий осадок сбраживается очень медленно (до 6 мес.)
Пусковой период сопровождается кислым брожением, при котором в иловой жидкости накапливаются ЛЖК (летучие жирные кислоты – масляная, муравьиная, уксусная), снижается рН, исчезает щелочность. Вся бродящая масса приобретает неприятный запах (выделяется идол, скотол, меркаптан) и серый цвет.
В газообразной фазе появляется сероводород, снижается содержание метана и увеличивается содержание углекислого газа.
Анализ иловой жидкости проходит по следующей схеме:
- рН
- ЛЖК, в т.ч. масляная, муравьиная, уксусная кислоты
щелочность азот-аммонийных солей.
Анализ осадка, поступающего и выгружаемого из метантенка ведут по схеме:
- сухое вещество осадка,
- гигроскопическая влажность,
- потери при прокаливании,
- жиры и масла,
- углеводы,
- геми- и альфа-целлюлозы,
- азот общий, углерод общий, фосфаты.
Газ анализируют на сероводород, углекислый газ, кислород, водород и метан.
Главные «+» анаэробной очистки:
- высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы;
- получение дополнительно ценного продукта – биогаза;
- низкие энергозатраты;
- санитарная надежность.
«-»:
- необходимость герметизации метантенков;
- строительство котельных для подогрева;
- взрывоопасность;
- низкая эффективность процесса.
Ряд органических осадков и активного ила производственных сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов, вообще невозможно обрабатывать в метантенках, т.к. токсичные компоненты этих вод могут полностью ингибировать анаэробную микрофлору.
Сравнительный анализ работы аэробных и анаэробных биореакторов.
Показатель |
Аэробный |
Анаэробный |
1. выигрыш в биолог. Е |
выс |
Низ |
2. саморазогрев осадка |
есть |
нет |
3. Е уровень конечного прод. |
низ |
Выс |
4. степень минерализац. Исх. Прод-в |
глубокая |
Не очень глубокая |
5. прирост м/о |
выс |
Низ |
6. чувств-ть к внешним факторам |
низ |
Выс |
7.б/х превращения в основе процессов |
1-стадийные упрощенные |
Многостад.сложные |
8. получение Е |
нет |
Есть |
9. Затраты Е |
большие |
Малые |
10. водоотдающие св-ва осадка |
Улучш/ухудшаются в зав-ти от технологического процесса |
Главными + анаэр. процессов очистки являются:
- высокий уровень превращения конц-ции загрязняющих вещ-в при небольшом приросте б/массы
- низкие Е затраты
- санитарная надежность
-получение биогаза
главными - :
- необходимость герметизации
- взрывоопасность
-низкая интенсивность процесса