Пути решения проблемы отходов. Биоконверсия органических отходов

1.1 Биоконверсия с помощью бактерий и грибов

Особого внимания заслуживают  способы прямой биоконверсии продуктов фотосинтеза и их производных в белок с помощью грибов. Эти организмы благодаря наличию мощных ферментных систем способны утилизировать сложные растительные субстраты без предварительной обработки. Исследования условий биоконверсии растительных субстратов в микробный белок активно ведутся в США, Канаде, Индии, Финляндии, Швеции, Великобритании и других странах мира. Однако в литературе сведения о широкомасштабном производстве белков микробного происхождения немногочисленны. Наиболее известным и доведенным до стадии промышленной реализации является процесс "Ватерлоо", разработанный в университете Ватерлоо в Канаде. Это процесс, основанный на выращивании целлюлозоразрушающих грибов Chaetomium cellulolyticum, можно осуществлять как в глубинной культуре, так и поверхностным методом. Содержание белка в конечном продукте (высушенном грибном мицелии) составляет 45%. Финская фирма "Тампелла" разработала технологию и организовала производство белкового кормового продукта "Пекило" на отходах целлюлозно-бумажного производства. Продукт содержит до 60% протеина с хорошим аминокислотным профилем и значительное количество витаминов группы В.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и  Рутгерского университета (США) обнаружили, что бактерия Zymomonas mobilis, выделяемая из пальмового вина и мексиканского алкогольного напитка пульке, сбраживает сахара вдвое быстрее, чем дрожжи. Этот вид также подвергается геномной модификации, которая позволит разлагать целлюлозу с одновременным сбраживанием сахаров, получающихся в ходе деградации.

В условиях строгого анаэробиоза  можно осуществлять биометаногенез ароматических соединений. Этот процесс, надо полагать, широко распространен в природе, особенно в отходах и сточных водах, а также при конверсии некоторых биоцидов. По наблюдениям, в этом процессе участвуют несколько видов микробов, ответственных за различные стадии деградации ароматических колец до ацетата, который является одним из субстратов для метанобактерий (иными словами, его дегидрирование дает электроны, требующиеся для восстановления двуокиси углерода в метан). Среди бактерий видов превалируют, судя по всему, Methanobacterium formicicum и Methanospirillum hungati. Ферри и Вольфу удалось их вывести в чистые культуры.

Бензольное кольцо сначала восстанавливается и затем разрезается на алифатические кислоты под действием грамотрицательных микроорганизмов. Последние превращаются в субстраты, используемые метанобактериями. Образующиеся электроны, вероятно, способствуют образованию водорода, который восстанавливает СО2 в СН4.

Разложение бензольного кольца в метан в процессе анаэробиоза не является правилом. Например, в рубце жвачных животных бензоат и ароматические кислоты, получающиеся за счет деградации целлюлозы, не приводят к образованию метана; их можно обнаружить в моче и виде гиппуратов и других сходных соединений. В природных условиях ароматические соединения получаются при медленном разложении таннинов и лигнина главным образом благодаря внеклеточным микробным ферментам.

Так как лигнины и таннины составляют значительную часть почвенного органического материала, метаногенез этих полимеров - важный процесс в углеродном цикле биосферы.

Одним их отходов сельского  хозяйства является солома. Эти отходы трудно использовать, так как скорость разложения соломы невелика. Лучшая утилизация - инокулирование её ассоциацией целлюлолитических грибов, азотфиксирующих и полисахаридообразующих бактерий. В таком виде солому можно запахивать в землю как органическое удобрение, а можно через определенное время использовать как высокобелковый витаминизированный корм.

1.2 Биологический гидролиз

Также можно проводить  гидролиз биологическим способом, с  помощью ферментов, выделяемых грибами  видов Trichoderma, Aspergillus, Sporotrichum. Далее при использовании дрожжей можно получить спирт, при использовании бактерий Klebsiella или Aeromonas - бутанол. Ряд микроорганизмов рода Clostridium могут продуцировать уксусную и молочную кислоты, лактат, ацетон из опилок, соломы, отходов сахарного тростника. С помощью Trichoderma reesii биомасса разлагается до сахаров.

Ферменты и неразложившаяся  целлюлоза поступают в повторные  циклы, а остаточный лигнин используется в качестве источника энергии  для перегонки спирта. Технология, разработанная в Арканзасском университете и используемая в промышленности нефтяной компанией «Галф ойл», заключается в одновременном осахаривании целлюлозы и сбраживании сахаров, полученных путем гидролиза. Для этого к смеси целлюлозной биомассы и дрожжей добавляют раствор целлюлаз.

Наиболее крупным производителем сырья для гидролизной промышленности являются деревообрабатывающие предприятия, отходы которых достигают ежегодно десятки миллионов тонн. К сожалению, нерационально или не используются вообще отходы производства лубяных  волокон (из льна и конопли), картофелекрахмального производства, пивоваренной, плодоовощной, консервной промышленности, свекловичный жом.

Ещё один вид технологии состоит в прямом сбраживании  целлюлозными бактериями гексоз и пентоз, образующихся при гидролизе целлюлозы  и гемицеллюлоз. Преимущества этой технологии заключаются в следующем: помимо одновременной конверсии  целлюлоз и пентоз в этанол происходит комбинация целлюлозного и спиртового брожения, а, кроме того, необходимая  предварительная обработка субстратов сводится к минимуму.

Не менее важным продуктом  биоконверсии целлюлозосодержащих отходов является глюкоза, которую в зависимости от чистоты и экономической эффективности процесса используют в медицине, пищевой промышленности, тонкой химической технологии или технической микробиологии.

1.3 Получение биотоплив при помощи биоконверсии

Процесс биоконверсии целлюлозосодержащих отходов может быть ориентирован на получение биоэтанола, который является потенциальным источником возобновляемой энергии. Биоэтанол во многих странах мира используется как экологически чистая биоприсадка к бензинам, получаемая из зерновых культур. Помимо экологической выгоды (уменьшение выбросов на 30%) применение биоэтанола повышает октановое число топлива, увеличивая эффективность работы двигателя. Поэтому производству биоэтанола во всем мире уделяется огромное внимание. Например, только в США действуют 134 завода по производству биоэтанола. Их производственные мощности позволяют выпускать 27,4 млрд. литров топливного этанола ежегодно. Еще 77 заводов, общей мощностью 23,5 млрд. литров находятся в стадии строительства. Ожидаемый объем потребления биоэтанола в США в 2020 г. составит 111,4 млрд. литров. Термофилия определенных штаммов Clostridium (при оптимальной температуре роста 65--75° С) создает известные преимущества, так как стоимость перегонки этилового спирта и других растворителей уменьшится, а это сделает производственный процесс более экономичным. В таблице 1 представлены некоторые виды переработки биомассы.

Таблица 1.3 Технологии переработки  биомассы для энергетических целей

Технология производства		Исходное сырьё		Процесс	Результат
Биотехнологическая конверсия  биомассы
Метаногенез		-Отходы животноводства  и растениеводства; -отходы спиртовых заводов;   -отходы пищевых производств  и ТБО;    -осадки сточных вод;  активный ил очистн. сооружений;   -биомасса макро- и микроводорослей;		Анаэробная ферментация  в метантенках	Биогаз, содержащий СН4 (до 80%), СО2 (до 20%) и примеси (N2, H2, H2S)
Производство лендфилл-газа		ТБО свалок		Сбор биогаза, образующегося на свалках ТБО	Биогаз
Производство биоэтанола и его производных (биоэтил-тетро бутиловый эфир - Био-ЕТБ)		Сельскохозяйствен. культуры (сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, малсодержащего сырья, а также картофель, пшеница, кассава и т.д.);		Спиртовое брожение сахар- и крахмалосодержащего сырья, а также биогидролизатов из древесины	Этанол
Производство биобутанола		- Древесина, отходы лесной промышлен-ности и др.;   -отходы растениев-ва;		Ацетоно-бутиловое брожение	Биобутанол
Получение растительных углеводородов
Производство биодизельного топлива	-Рапс, подсолнечник, соя,  кукуруза, пальмовое масло, горчица, крамбе и др.;   - некоторые виды микроводорослей;   маслосодержащие отходы пищевой  промышленности		Отжим или экстракция масла из биомассы, переэтерификация и удаление глицерина		Биодизельметиловый эфир жирных кислот
Производство биофотоводорода	- Микроскопические водоросли (хламидомонада), цианобактерии (анабена и др.);   -искусственные фотохимические  системы (хлоропласты, гидрогеназа и др.)		Фотосинтез		Биоводород
Перспективные биотехнологии
Производство биоводорода	- отходы животнов-ва и растениеводства;   - отходы спиртовых заводов;   отходы пищевых производств  и ТБО;   осадки сточных вод и др.		Первый этап анаэробной ферментации   Каталитическое и мембранное разделение биосингаза		Биоводород       Биоводород

 

В Бразилии объем производства биоэтанола составляет более 20 млрд. литров (в 2020 году ожидаемый объем потребления биоэтанола - 54,0 млрд. литров), в странах ЕС - 2,2 млрд. литров (в 2020 году ожидаемый объем потребления биоэтанола - 10,0 млрд. литров), а в Китае - 1,8 млрд. литров (в 2020 году ожидаемый объем потребления биоэтанола - 7,4 млрд. литров). Ожидаемый объем производства биоэтанола в мире в 2020 г. составит 281,5 млрд. литров, а в России - всего 2,2 млрд. литров.

Сейчас все крупнейшие автомобильные компании мира - "Toyota", "Mitsubishi", "Nissan", "Mazda", "BMW", "Daimler Chrysler", "Volkswagen", "Renault", "Ford", "General Motors" и другие допускают использование горючего с добавлением до 10% этилового спирта.

Однако, технология производства биоэтанола основана на использовании кукурузы, рапса и других ценных зерновых культур. Это повышает спрос, а, следовательно, и стоимость зерновых культур. По оценкам разных источников, себестоимость одного литра бензина в среднем составляет 18 центов, тогда как себестоимость биоэтанола, получаемого из зерновых культур, колеблется от 20 до 40 центов. Эквивалентное количество этанола, при получении его из целлюлозы будет стоить от 5 до 9 центов в зависимости от того, какая из технологий переработки получит промышленную реализацию, и какой тип целлюлозного сырья будет использоваться. Таким образом, производство биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья выгодно и с экономической, и с экологической точки зрения.

Также одним из возможных  кандидатов на биотопливо ближайшего будущего является бутанол, который можно получать из осахаренной растительной биомассы путем ферментации. Эти технологии основаны на ацетоно-бутиловом сбраживании продуктов ферментативного гидролиза целлюлозных отходов анаэробными бактериями Clostridium acetobutylicum. В этом процессе наряду с бутанолом образуются ацетон и этанол в соотношении 60:30:10. Производство бутанола для химической промышленности было начато с конца 20-х годов прошлого века, но в 1950-е годы в большинстве стран мира микробио-логическое производство бутанола и ацетона было свернуто из-за конкуренции с ефтехимическим синтезом. В СССР микробиологическое производство бутанола продолжалось до середины 1990-х годов, поэтому возврат интереса к его производству в связи с появившимися перспективами применения бутанола в качестве биотоплива заставил обратиться к накопленному опыту.

 

При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этиловый спирт и  сырье для химической промышленности (фурфурол, фенолы, крезолы). 200 000 т надлежащим образом переработанной соломы дают 50 000 т этанола и 20 000 т фурфурола. По оценкам некоторых специалистов, при микробной переработке целлюлозы  можно получить до 30% нефтехимикатов. Методы генной инженерии помогут создать штаммы, которые будут лучше адаптированы к этим типам конверсии и дадут больший выход. Это позволит разработать реальную стратегию замещения, которая станет эффективной после 2000 г. (к тому времени химия углерода придет на смену нефтехимии при производстве новых биополимеров, биорастворителей и биодетергентов). Перенос генов целлюлаз и гемицеллюлаз из Clostridium thermocellum в другие виды Clostridium позволит превращать целлюлозы и гемицеллюлозы в этиловый спирт, ацетон, бутанол, уксусную и молочную кислоты.

5. Заключение.

  Человечество пришло к пониманию, что дальнейшее развитие технического прогресса невозможно без оценки влияния новых технологий на экологическую ситуацию. Новые связи, создаваемые человеком, должны быть замкнуты, чтобы обеспечить неизменность тех основных параметров системы планеты Земля, которые влияют на её экологическую стабильность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. А.А. Дрейер, А.Н. Сачков, К.С. Никольский, Ю.И. Маринин, А.В. Миронов, Твердые промышленные и бытовые отходы, их свойства и переработка//«Экология городов», 1997г.
2. Воронков Н.А.Основы общей экологии: Учебник для студентов высших учебных заведений. Пособие для учителей. - М.: Агар, 1999.
3. Кукуева Т.И. Утилизация промышленных и бытовых отходов. Томск, 1992
4. Раковская Е.Г. Промышленная экология. С.-П., 2002.
5. Интернет ресурсы http://otherreferats.allbest.ru