29) Утилизация отходов.

Применение иммобилизованных клеток для утилизации отходов – является весьма злободневной и острой проблемой. Большую роль в очистке воды играют микроорганизмы – деструктуры пестицидов, ПАВ, нефтяных загрязнений, других ксенобиотиков.

В основе биотехнологии очистки сточных вод лежат два подхода: в одном используют аэробные, в другом – анаэробные микроорганизмы. В аэробной очистке применяют активный ил (биопленку), представляющий собой скопление разнообразных микроорганизмов, видовой состав которых регулируется конкретными условиями.

Аэробный способ очистки сточных вод основан на использовании двух систем: аэротенка и вторичного отстойника. Аэротенк – это открытое сооружение, через которое пропускается аэрируемая сточная вода и суспензия активного ила. В отстойнике – осуществляется доочистка воды. Применение активного ила относится в данной технологии к методам, связанным с использованием иммобилизованных клеток.

Однако существуют промышленные методы использования активного ила, где иммобилизацию осуществляют в «чистом виде». В этом случае создаются биофильтры, представляющие собой проточные емкости с циркуляцией. Клетки прикреплены к поверхности пористого носителя (керамика, щебень, стекловолокно, синтетическое волокно и т. д.).

Глубина и скорость очистки сточных вод в биофильтрах выше, чем в аэротенках в 10–15 раз. Сточные воды перед биофильтром должны быть очищены от взвешенных частиц для предотвращения их быстрого забивания и заиливания. Процессы биологической очистки иммобилизованными клетками ускоряются по сравнению со случаем использования свободных клеток от 2 до 20 раз. В лучших случаях время очистки составляет несколько часов. Содержание органических примесей в стоках уменьшается от 10 до 1000 раз.

Анаэробные способы очистки применяются, как правило, для отработки высококонцентрированных стоков и осадков, содержащих большое количество органических веществ. Процесс брожения осуществляется в метантенках.

Анаэробное превращение органических веществ осуществляется в четыре этапа: фаза гидролиза (расщепление) биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые; фаза ферментации мономеров до низших кислот и спиртов, аммиака, сероводорода; ацетогенная фаза (образование Н₂, СО₂, ацетата); последняя метаногенная фаза ведущая к образованию конечного продукта – метана. Кроме метана, продуктом является СО₂ (их смесь образует биогаз). Получение и использование метана при сбраживании органических отходов, наряду непосредственно с очисткой, является одним из наиболее перспективных путей решения экологических и энергетических проблем.

30) Характеристика реакторов с иммобилизованными клетками.

Реактор периодического действия: представляет собой емкость с мешалкой, в которую помещен биокатализатор и раствор субстрата (питательная среда).

После окончания процесса, иммобилизованные клетки отделяют от продуктов центрифугированием или фильтрацией, и цикл начинается вновь. Недостатки: низкая производительность, большая потеря биокатализатора (хотя для свободных клеток наиболее распространен).

Проточный реактор с перемешиванием отличается тем, что после каждого каталитического цикла не происходит отделение биокатализатора, субстрат периодически доливается, периодически отделяются продукты. Эффективность выше, чем у периодического.

Проточные реакторы могут иметь неподвижный или перемешиваемый слой катализатора. В первом реакторе иммобилизованные клетки упакованы в колонны, образуя неподвижный слой. Субстрат проходит через слой биокатализатора сверху или снизу.

Концентрация субстрата максимальна на входе, а продуктов – на выходе из реактора. Реакторы такого типа нашли промышленное применение, в частности для очистки сточных вод, получения уксусной, яблочной аспарагиновой кислот и др. Из реакторов первого типа следует отметить еще реактор с неподвижным слоем с рециркуляцией.

Проточные реакторы с перемешиваемым слоем биокатализатора могут быть с взвешенным слоем, а также с движущимся фиксированным слоем. Реакторы с взвешенным слоем характеризуются быстрым поступлением субстрата снизу для поддержания взвешенного состояния биокатализатора. Но при этой скорости поступления не должны уноситься частицы с входящим потоком жидкости. В данном случае реализуется режим, промежуточный между полным перемешиванием (как в проточном растворе с перемешиванием) и отсутствием перемешивания в неподвижном реакторе.

Мембранные реакторы – представляют собой аппарат, в котором одновременно осуществляется два процесса – управляемое культивирование свободных организмов в объеме реактора и удаление продуктов (и замена их субстратом) с помощью мембранного модуля.

По типу мембраны разделяются на фильтрационные и диализные: в первом случае массоперенос через мембрану осуществляется за счет разницы давления по обеим сторонам мембраны; во втором, за счет градиента концентраций.

Материал фильтрационных мембран может быть различным – керамические и металлокерамические фильтры, полимерные матрицы, ионообменные мембраны.

Мембранные реакторы относятся к оборудованию нового поколения.