Пути решения проблемы отходов. Биоконверсия органических отходов

МИНИСТЕРСВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра Общей гигиены и экологии

 

 

 

 

Реферат

Пути решения проблемы отходов.Биоконверсия органических отходов

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовила: студентка 2 курса, лечебного

 факультета, 23 группы

 Гуринович Татьяна Юрьевна

 

 

 

ГРОДНО, 2013

План

 

1. Введение

2. Масштабы загрязнения.

3. Пути решения проблемы.

4.Биоконверсия оргнических отходов

5. Заключение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

  Признаком устойчивой экологической системы является стабильность определённых характеристик. Так, например, экологически устойчивая система Земля имеет постоянную массу и постоянную среднюю температуру.

 Под экологической  катастрофой следует понимать  переход системы из одного  устойчивого состояния в другое. Например, повышение средней температуры  Земли может привести к таянию  полярных льдов, опустыниванию  почв, вымиранию определённых видов  флоры и фауны, может быть, даже  к гибели человечества. Тем не  менее Земля как элемент Солнечной системы скорее всего останется такой же стабильной, как и ранее. Экологические катастрофы могут иметь различные уровни — от локальных (гибель леса, осушение моря и т. д.) до глобальных (в масштабах Земли, Солнечной системы, Галактики и даже Вселенной).

 Человечество в процессе  жизнедеятельности безусловно влияет на различные экологические системы. Примерами таких, чаще всего опасных, воздействий является осушение болот, вырубание лесов, уничтожение озонового слоя, поворот течения рек, сброс отходов в окружающую среду. Этим самым человек разрушает сложившиеся связи в устойчивой системе, что может привести к её дестабилизации, то есть к экологической катастрофе.

 Ниже мы рассмотрим  одну из проблем влияния человека  на окружающую среду — проблему  городских отходов.

 

2. Масштабы загрязнения.

 

 До эры агломераций  утилизация отходов была облегчена  благодаря всасывающей способности  окружающей среды: земли и воды. Крестьяне, отправляя свою продукцию  с поля сразу к столу, обходясь  без переработки, транспортировки,  упаковки, рекламы и торговой  сети, привносили мало отходов.  Овощные очистки и тому подобное  скармливалось или использовалось  в виде навоза как удобрение  почвы для урожая будущего  года. Передвижение в города привело  к совершенно иной потребительской  структуре. Продукцию стали обменивать, а значит, упаковывать для большего  удобства.

 В настоящее время  жители НьюЙорка выбрасывают в день в общей сложности около 24000 т материалов. Эта смесь, состоящая в основном из разнообразного хлама, содержит металлы, стеклянные контейнеры, макулатуру, пластик и пищевые отходы. В этой смеси содержится большое количество опасных отходов: ртуть из батареек, фосфорокарбонаты из флюорисцентных ламп и токсичные химикаты из бытовых растворителей, красок и предохранителей деревянных покрытий.

 Город размером с  СанФранциско располагает большим количеством алюминия, чем небольшая бокситовая шахта, меди — чем средняя медная копия, и большим количеством бумаги, чем можно было бы получить из огромного количества древесины.

 С начала 70х до конца  80х в России бытовых отходов  стало в 2 раза больше. Это миллионы  тонн. Ситуация на сегодняшний  день представляется следующей.  С 1987 года количество мусора  по стране увеличилось в два  раза и составило 120 млрд. т  в год, учитывая промышленность. Сегодня только Москва выбрасывает  10 млн. т. промышленных отходов  примерно по 1 т на каждого жителя!

 Как видно из приведёных примеров масштабы загрязнения окружающей среды городскими отходами таковы, что острота проблемы нарастает с каждым днём.

  3. Пути решения проблемы.

  Приблизительно за 500 лет до нашей эры в Афинах был издан первый из известных эдикт, запрещающий выбрасывать мусор на улицы, предусматривающий организацию специальных свалок и предписывающий мусорщикам сбрасывать отходы не ближе чем за милю от города.

 С тех пор мусор  складировали на различных хранилищах  в сельской местности. В результате  роста городов свободные площади  в их окрестностях уменьшались,  а неприятные запахи, возросшее  количество крыс, вызванное свалками, стали невыносимыми. Отдельно стоящие  свалки были заменены ямами  для хранения мусора.

 Около 90 % отходов в  США до сих пор закапывается. Но свалки в США быстро заполняются,  и страх перед загрязнениями  подземных вод делает их нежелательными  соседями. Эта практика заставила  людей во многих населенных  пунктах страны прекратить потребление  воды из колодцев. Желая уменьшить  этот риск, власти Чикаго с  августа 1984 г. объявили мораторий на разработку новых площадей под свалку до тех пор, пока не будет разработан новый вид мониторинга, следящего за перемещением метана, так как если не проконтролировать его образование, он может взорваться.

 Даже простое захоронение  отходов является дорогостоящим  мероприятием. С 1980 по 1987 гг. стоимость  захоронения отходов в США  возросла с 20 до 90 долларов за 1 т. Тенденция к удорожанию  сохраняется и сегодня.

 В густо населенных районах Европы способ захоронения отходов, как требующий слишком больших площадей и способствующий загрязнению подземных вод, был предпочтен другому — сжиганию.

 Первое систематическое  использование мусорных печей  было опробовано в Нотингеме, Англия, в 1874 г. Сжигание сократило объем мусора на 7090 %, в зависимости от состава, поэтому оно нашло свое применение по обе стороны Атлантики. Густонаселенные и наиболее значимые города вскоре внедрили экспериментальные печи. Тепло, выделяемое при сжигании мусора стали использовать для получения электрической энергии, но не везде эти проекты смогли оправдать затраты. Большие затраты на них были бы уместны тогда, когда не было бы дешевого способа захоронения. Многие города, которые применили эти печи, вскоре отказались от них изза ухудшения состава воздуха. Захоронение отходов осталось в числе наиболее популярных методов решения данной проблемы.

 Наиболее перспективным  способом решения проблемы является  переработка городских отходов.  Получили развитие следующие  основные направления в переработке:  органическая масса используется  для получения удобрений, текстильная  и бумажная макулатура используется  для получения новой бумаги, металлолом  направляется в переплавку. Основной  проблемой в переработке является  сортировка мусора и разработка  технологических процессов переработки.

  Экономическая целесообразность  способа переработки отходов  зависит от стоимости альтернативных  методов их утилизации, положения  на рынке вторсырья и затрат  на их переработку. Долгие годы  деятельность по переработке  отходов затруднялась изза того, что существовало мнение, будто любое дело должно приносить прибыль. Но забывалось то, что переработка, по сравнению с захоронением и сжиганием, — наиболее эффективный способ решения проблемы отходов, так как требует меньше правительственных субсидий. Кроме того, он позволяет экономить энергию и беречь окружающую среду. И поскольку стоимость площадей для захоронения мусора растет изза ужесточения норм, а печи слишком дороги и опасны для окружающей среды, роль переработки отходов будет неуклонно расти.

4.Биоконверсия оргнических отходов

Растительная биомасса - возобновляемый и легкодоступный источник сырья. Основные ее компоненты - целлюлоза (2/3), крахмал, гемицеллюлоза, лигнин. Лигнин - высокомолекулярный нерастворимый  трехмерный неупорядоченный ароматический  полимер. Целлюлоза - высокомолекулярный нерастворимый полимер глюкозы. Она является главным компонентом как растительной биомассы, так и сельскохозяйственных, бытовых отходов, а также отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Суть технологии биоконверсии заключается в следующем: сырьевые компоненты (отходы) содержащие сложные полисахариды - пектиновые вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу и др. подвергаются воздействию комплексных ферментных препаратов, содержащих пектиназу, гемицеллюлазу и целлюлазу. Ферменты представляют собой очищенный внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок и отдельных структурных полисахаридов, т.е. осуществляется расщепление сложных полисахаридов на простые с последующим построением на их основе легко усвояемого кормового белка.

Другими словами, трудно усваиваемое  сырье переходит в легко усваиваемую  животными форму путем расщепления  неусваиваемой молекулы белка на простые аминокислоты.

В качестве исходных сырьевых компонентов могут быть использованы следующие отходы:

1. Растительные компоненты  сельскохозяйственных культур: стебли  зерновых и технических культур,  корзинки и стебли подсолнечника,  льняная костра, стержни кукурузных  початков, картофельная мезга, трава  бобовых культур, отходы сенажа  и силоса, отходы виноградной  лозы, чайных плантаций, стебли  табака.

2. Отходы зерноперерабатывающей  промышленности: отруби, отходы при  очистке и сортировке зерновой  массы (зерновые отходы), зерновая  сорная примесь, травмированные зерна, щуплые и проросшие зерна, семена дикорастущих растений, некондиционное зерно.

3. Отходы консервной,винодельческой промышленности фруктовые отходы: кожица, семенные гнезда, дефектные плоды, вытерки и выжимки, отходы винограда, отходы кабачков, обрезанные концы плодов, жмых, дефектные кабачки, отходы зеленого горошка (ботва, створки, россыпь зерен, битые зерна, кусочки листьев, створки), отходы капусты, свеклы, моркови, картофеля.

4. Отходы сахарной промышленности: свекловичный жом, меласса, рафинадная  патока, фильтрационный осадок, свекловичный  бой, хвостики свеклы.

5. Отходы пивоваренной и спиртовой промышленности: сплав ячменя (щуплые зерна ячменя, мякина, солома и др. примеси), полировочные отходы, частицы измельченной оболочки, эндосперма, битые зерна, солодовая пыль, пивная дробина, меласса, крахмалистые продукты (картофеля и различных видов зерна), послеспиртовая барда, бражка.

6. Отходы чайной промышленности: чайная пыль, сметки, волоски, черешки.

7. Отходы эфирно-масличной  промышленности: отходы травянистого  и цветочного сырья.

8. Отходы масло - жировой  промышленности: подсолнечная лузга,  хлопковая шелуха.

9. Отходы кондитерской  и молочной промышленности.

Таким образом, любое растительное сырье и его производные, как  лигноцеллюлозный источник, доступны для микробиологической биоконверсии в углеводно-белковые корма и кормовые добавки.

1. Биоконверсия целлюлозных отходов

Биоконверсия представляет собой естественный способ утилизации целлюлозосодержащих отходов, основанный на разрушении органического субстрата микроорганизмами. Она позволяет решить две основные задачи: создание экономически выгодного процесса производства целевого продукта и утилизацию потенциальных экологических загрязнителей.

С помощью биологических  катализаторов (ферментов) микроорганизмы расщепляют целлюлозу с образованием целого комплекса ценных технических продуктов. В зависимости от поставленной цели такими продуктами могут быть технические ферменты (целлюлазы), глюкоза или биоэтанол.

Промышленное получение  технических ферментов является экологически и экономически выгодным. Об этом свидетельствует возрастающий объем продаж технических ферментов  на мировом рынке, который увеличивается  с ежегодной динамикой в 10%.

Наиболее широко используемыми  ферментами являются протеазы (45%) и  карбогидразы (более 32%), в том числе целлюлазы, глюканазы и гемицеллюлазы (ксиланазы). В настоящее время эти ферментные препараты находят широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве - в качестве компонентов моющих средств, для обработки текстильных изделий, в производстве первичной и вторичной целлюлозы; в пищевой промышленности (производстве спирта, пивоварении, кондитерской, хлебопекарной и мясомолочной промышленности), в качестве кормовых добавок.

Стоимость получаемых технических  ферментов зависит от затрат, производимых при их производстве. В значительной степени цена конечного продукта - фермента определяется стоимостью среды, на которой культивируют штамм-продуцент. Поэтому для получения технических  ферментов обычно используют дешевые  и доступные субстраты, основным компонентом которых является целлюлоза  или целлюлозосодержащие субстраты

В основе биологической деградации лигноцеллюлозы лежит действие целлюлолитических ферментов. Реакционная способность природных целлюлозосодержащих материалов невелика, поэтому сырье для ферментативного осахаривания целлюлозы должно иметь большую поверхность, а микрофибриллярная структура целлюлозы должна быть разрушена. Реакционную способность природных субстратов также снижает наличие лигнина. Наиболее эффективным, а также дорогим и энергоемким способом предварительной подготовки сырья является размол. Поэтому для предобработки используют воздействие 0.5-2% растворов щелочи, гамма-облучение, механо-термообработку в разбавленной серной кислоте с последующей экстракцией лигнина и др. методы.