Приклади біотехнологічних процесів. Отримання вітамінів

Відео: Риб`ячий жир від Оріфлейм Омега 3

Біотехнологічними або іншими процесами отримують деякі вітаміни. Найбільше значення має біотехнологічна виробництво вітамінів В2, В12 і С, а також в-каротину (провітаміну А). Для їх отримання використовують різні бактерії, дріжджові і цвілеві гриби. Залежно від виду мікроорганізму і вітаміну живильним середовищем можуть служити кукурудзяно-соєве борошно, рослинні масла, гас, метанол, глюкоза, сахароза.

Так, вітамін В2 отримують ферментацією рослинного масла за допомогою гриба Ashbya gossypii. Провідні компанії розглядають можливість повної заміни хімічної технології виробництва вітаміну В2 на біотехнологічну. Важливий напрямок біотехнології, інтенсивно розвивається останнім часом, - освоєння поновлюваних джерел енергії, найбільш поширеним з яких є біогаз.

Цим терміном позначають газоподібний продукт, одержуваний в результаті анаеробної, тобто що відбувається без доступу повітря, ферментації (зброджування) органічних речовин різного походження. Біогаз є сумішшю газів. Його основні компоненти: метан - 55 - 70%, вуглекислий газ - 28-43%, також в дуже малих кількостях азот, кисень, водень і сірководень. Біогаз успішно застосовується як висококалорійне паливо.

При отриманні біогазу (рис. 9) типовими є підготовчі стадії - підготовка сировини і посівного матеріалу, метанове бродіння, сушка як стадія концентрування. Компримування можна розглядати як створення готової форми продукту.


В середньому 1 кг сухої органічної речовини, біологічно перебродившего на 70%, виробляє приблизно 0,8-1,0 м3 біогазу.

Оскільки розкладання органічних відходів відбувається за рахунок діяльності певних типів бактерій, істотний вплив на нього робить навколишнє середовище. Так, кількість газу, що виробляється в значній мірі залежить від температури: чим тепліше, тим вище швидкість і ступінь ферментації органічної сировини. Саме тому, ймовірно, перші установки для отримання біогазу з`явилися в країнах з теплим кліматом.

Однак застосування надійної теплоізоляції, а іноді і підігрітої води, дозволяє освоїти будівництво генераторів біогазу в районах, де температура взимку опускається до -20 ° С. На отримання біогазу впливають також тривалість бродіння, конструкція установки, розмір і зміст твердих речовин, кількості завантаження, інтенсивності перемішування, співвідношення вуглець - азот.

Існують певні вимоги і до сировини: воно повинно бути відповідним для розвитку бактерій, містити біологічно розкладається органічна речовина і у великій кількості воду. Бажано, щоб середовище була нейтральною і без речовин, що заважають дії бактерій, наприклад, мила, пральних порошків, антибіотиків.
Для отримання біогазу можна використовувати рослинні та господарські відходи, гній, стічні води і т. П.

В процесі ферментації рідина в резервуарі має тенденцію до поділу на три фракції. Верхня - кірка, утворена з великих частинок, захоплюємося піднімаються бульбашками газу, через деякий час може стати досить твердою і буде заважати виділенню біогазу. У середній частині ферментера накопичується рідина. Нижня, грязеобразная фракція випадає в осад. Бактерії найбільш активні в середній зоні, тому вміст резервуара необхідно періодично перемішувати.

Перемішування може здійснюватися за допомогою механічних пристроїв, гідравлічними засобами (рециркуляція під дією насоса), під напором пневматичної системи (часткова рециркуляція біогазу) або за допомогою різних методів самоперемешіванія.

Вельми ефективною є також конверсія біомаси в біоетанол. У Бразилії біоетанол отримують з цукрової тростини, в США - з кукурудзи. З кожним роком підвищується ефективність виробництва біоетанолу. За даними Мінсільгоспу США, сьогодні при спалюванні біоетанол дає на 67% більше енергії, ніж було витрачено на його виробництво (в 1995 році цей показник становив 24%). Біоетанол використовується в якості моторного палива або в чистому вигляді, або в суміші з бензином. Для отримання біодизелю використовують в основному рапс.

Найважливішим біотехнологічним процесом є біологічна очистка стоків. Біологічні методи видалення забруднень визнані найбільш економічно та екологічно ефективними. Процес очищення має цілий ряд підготовчих стадій (див. Рис.10).


Власне біотехнологічної стадією, що отримала найбільше поширення в нашій країні, є очищення (біоокислення) за допомогою аеробних мікроорганізмів, що здійснюється в аеротенках, біофільтрах і біоставках.

Істотними недоліками аеробних технологій є високі витрати на аерацію, необхідність використання значних площ під очисні споруди, наявність неприємних запахів, проблеми, пов`язані з обробкою і утилізацією великих кількостей утворюється надлишкового мулу (надлишковий мул можна утилізувати одним із таких способів: висушування на «мулових майданчиках» (це самий неекологічних спосіб), концентрування за допомогою флотації, переробка в біогаз).

Виключити недоліки аеробних технологій може анаеробна обробка стічних вод, яка не потребує витрат енергії на аерацію і сполучена з утворенням цінного енергоносія - метану. Деградація органічних речовин при анаеробному метановому бродінні є багатоступеневим процесом, в якому вуглець-вуглецеві зв`язки поступово руйнуються під дією різних груп мікроорганізмів. Анаеробні процеси в порівнянні з аеробними супроводжуються утворенням значно менших (більш ніж в 10 разів) кількості іла- реактори, що працюють з використанням анаеробної технології, досить компактні. Зазначені переваги зумовили значний інтерес до анаеробної очистки в багатьох країнах світу.

Найбільшого поширення анаеробна технологія отримала в пивоварної промисловості і виробництві прохолодних напітков.В Росії ці технології тільки починають розвиватися. До теперішнього часу побудовано 5 реакторів (Кашира, Москва, Ступіно, Самара, Хабаровськ для порівняння - в Індії є 150 анаеробних реакторів, Японії - 122, США - 108, Нідерландах - 98, Німеччині -94). У стадії проектування знаходяться анаеробні споруди для пивоварної промисловості в Санкт-Петербурзі, Тулі, Ростові-на-Дону, Ярославлі, Калузі, а також для виробництва безалкогольних напоїв в Черноголовке Московської обл.

Недоліком анаеробних технологій є неможливість забезпечення якості очищення, яке задовольняє нормам скидання в рибогосподарські водойми, так як при їх використанні практично не видаляються сполуки азоту і фосфору. У цьому випадку потрібно застосовувати аеробне доочищення, але витрати на неї вже значно знижені, оскільки до 90% забруднень видаляється на анаеробної стадії.

Одним з перспективних напрямків в біотехнології є розробка методів детоксикації та утилізації токсичних речовин. Серед токсичних забруднень, що надходять у поверхневі води з промисловими стоками, найбільш поширені феноли та сполучення важких металів. Найефективнішим способом знешкодження промислових стічних вод є сорбційна очистка води. Встановлено, що ефективними сорбентами можуть служити торф і різні біомаси (відходи мікробіологічних виробництв).

Тверде речовина торфу, що формується в процесі біохімічного розкладання рослин, складається з високомолекулярних сполук різної хімічної природи: целюлози, геміцелюлози, гумінових речовин, лігніну і ін. Торф можна використовувати в якості сорбційної фільтруючого матеріалу для очищення забруднених нафтою і фенолсодержащіх стічних вод. Біомаса мікроорганізмів, яка використовується для отримання біосорбентів, утворюється в результаті мікробіологічного синтезу антибіотиків, ферментів і інших біологічно активних речовин і являє собою частково зруйновані клітини мікроорганізмів, що містять білки, полісахариди та ін.

Відомі два основних механізми біологічного зв`язування речовин - біосорбції і биоаккумуляция. Біосорбції пов`язана з рядом процесів (сорбційних ве зв`язування, іонний обмін, комплексоутворення, хелатний зв`язування, мікроосажденіе), які призводять до відкладення речовини на біологічні структури. На відміну від біосорбції, биоаккумуляция здійснюється тільки живуть організмами і пов`язана з активним обміном речовин. На підставі результатів численних досліджень встановлено, що сорбенти на основі торфу і відходів мікробіологічних виробництв селективні і відносно дешеві. Це призводить до здешевлення процесу утилізації шкідливих речовин при збереженні високого ступеня очищення стічних вод і сприяє вирішенню проблеми створення безвідходних технологій.

В останні роки інтенсивно розвивається Биогеотехнология - область біотехнології, що досліджує роль мікроорганізмів в процесах освіти і руйнування родовищ нафти, вугілля, сульфідних руд, сірки, заліза, марганцю, інших металів. Одним із прикладів використання біотехнології при видобутку корисних копалин є технологія низькотемпературного бактеріально-хімічного вилуговування металів з сульфідних руд.

У цьому процесі використовуються специфічні мікроорганізми, що окислюють сульфіди, сірку і залізо. В результаті окислення сульфідної сірки утворюється сірчана кислота, яка переводить в розчин іони кольорових металів. Потім ці метали витягуються з розчину або електролізом, або на іонообмінних колонках, або іншим способом. Найчастіше використовується так званий метод купчастого вилуговування. Метод бактеріально-хімічного вилуговування використовується для отримання міді, цинку і ряду інших кольорових металів, особливо з руд з низьким вмістом металів.

У порівнянні з традиційними способами високотемпературного випалу сульфідних руд цей метод значно менш енергоємний і екологічно безпечний. Розроблено також методи биогенного вилучення золота. Біотехнології знаходять все більше застосування при видобутку нафти і при очищенні від нафтових забруднень. При застосуванні немікробіологіческіх методів середня величина нафтовіддачі становить лише 40-45% від розвіданих нафтових запасів. Мікробіологічні методи підвищення нафтовіддачі засновані на здатності мікроорганізмів продукувати такі нефтевитесняющіе речовини як гази, розчинники і т.д.

Крім того, багато мікроорганізми окислюють нафтові вуглеводні з утворенням С02 і низькомолекулярних органічних кислот, які розчиняють карбонатні мінерали, збільшуючи пористість нафтового пласта, що також сприятливо впливає на підвищення нафтовіддачі. Для очищення забруднених нафтою територій їх обробляють нафтоокислюючих мікроорганізмами, що дозволяє утилізувати вуглеводні нафти, перетворюючи їх у біомасу мікроорганізмів і діоксид вуглецю. Крім цих, уже досить широко використовуються біотехнологічних методів, в стадії розробки знаходяться нові біотехнології, пов`язані з очищенням повітря від сірководню і летючих органічних сполук, утилізацією органічних речовин, що утворюються при детоксикації хімічної зброї, боротьбою з корозією трубопроводів і т.д.

Наведені вище приклади біотехнологічних виробництв показують, що в залежності від типу продукту схема його отримання включає далеко не всі біотехнологічні процеси і містить різну кількість стадій. Слід зазначити, що поряд із власне біотехнологічними (ферментація, біоокислення, Біокаталізу, біокомпостірованіе, стерилізація середовища, дезінтеграція) сюди входять процеси, поширені і в хімічній промисловості: фільтрація, сепарація, відстоювання, центрифугування і т.д. Але ці стадії в біотехнологічних виробництвах мають свою специфіку.

Оскільки дане посібник призначений насамперед студентам хімікам, в ньому не розглядаються багато напрямків використання біотехнологій в медицині (отримання вакцин, антибіотиків, імуномодуляторів, імунодепресантів, медичних ферментів, кровозамінників тощо). Відомості про ці аспекти біотехнології можна знайти в книгах і статтях, зазначених у списку літератури.

С.В. Макаров, Т.Є. Никифорова, Н.А. Козлов