Введение в специальность

БИОТЕХНОЛОГИЯ И СБЕРЕЖЕНИЕ РЕСУРСОВ

В решениях XXVI и XXVII съездов КПСС особое внимание уделено развитию биотехнологии как одной из наиболее динамично развивающихся отраслей народного хозяйства. Прежде всего по­ставлена задача создания новых мощностей для устранения де­фицита высокоценного кормового белка. «Основными направле­ниями...» предусмотрено: «Перейти на индустриальные интен­сивные технологии в растениеводстве и животноводстве, ши­роко использовать методы биотехнологии и генной инженерии».

Биотехнология является новейшим направлением научно-тех­нического прогресса, так как она представляет собой комплекс­ную многопрофильную отрасль, включающую микробиологический синтез, генетическую клеточную инженерию, инженерную энзимо - логию.

В основе микробиологического синтеза лежат сложные биохи­мические превращения, которые обеспечивают получение требуе­мой биомассы или продуктов ее жизнедеятельности.

Микробиологический синтез происходит в клетках микроорга­низмов или вне их под действием выделяемых микроорганизмами ферментов (энзимов). В технологических процессах используются микроорганизмы, которые способны размножаться с большой ско­ростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увели -

Чнвается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохозяй­ственных культур) [8].

Генетическая (генная) инженерия — совокупность методов, позволяющих искусственно конструировать молекулы наследст­венного материала—дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Генетическая инженерия — перспективный раздел биотехнологии, который дает возможность вносить в клетку гены из любого друго­го организма (включая и гены человека).

Методами генетической инженерии разработана биотехнология получения ценнейших лекарственных препаратов — интерферо - нов, гормона роста человека и животных, вакцин против ряда тяжелых заболеваний.

Инженерная энзимология — использование ферментов в ка­честве биокатализаторов при промышленном получении многих веществ. Ферменты обладают способностью повышать скорость реакций в миллионы раз, позволяя существенно понизить темпе­ратуру и давление в процессах, используемых в современной химической технологии. Ферментативный синтез полимерных сое­динений, в отличие от химического синтеза, не вызывает загрязне­ния окружающей среды. •

*

Рассмотрим примеры микробиологического синтеза, в котором сырьем служат промышленные отходы.

Для производства этилового спирта и кормовых дрожжей используют угле­воды отработанных сульфитных щелоков.

Технологический процесс производства спирта (рис. 11) состоит из трех основных стадий: подготовки сульфитного щелока к брожению; сбраживания ще­лока на спирт; перегонки полученной бражки с целью извлечения спирта и укреп­ления его с одновременной очисткой от примесей.

Подготовка сульфитного щелока к брожению, в свою очередь, состоит из нескольких операций.

Для процесса брожения необходимы азот - и фосфорсодержащие соединения, вводимые о щелок в виде сульфата аммония (20 кг па 100 м3 щелока) и суперфосфа­та (20—25 кг на 100 м3 щелока).

Щелок сбраживается на спирт под действием дрожжей по общему конечному уравнению:

Со! 1|2Об-- 2С2Н5ОН + 2С02.

Бражка представляет собой водный раствор этилового спирта очень низкой концентрации (0,5—1,3 %), поэтому ее подвергают перегонке на пягиколонном бра - горектификациопном аппарате с бражпой, эпюрацнонной, эфирной, ректифика­ционной и метанольной колоннами.

Кроме того, бражка содержит другие летучие компоненты: метанол, эфиры, альдегиды, органические кислоты, сивушные масла, которые отгоняют вместе с этиловым спиртом. В результате получают спирт-сырец. При разгонке на четы­рех - или питиколошгом аппарате образуются следующие продукты: технический этиловый спирт, эфирно-альдегидная фракция, метанольнаи фракция и сивушные масла.

При перегопке нелетучие растворенные вещества (соли лигпосульфоновых кислот, несбраживаемые сахара, педоброд, т. е. неиспользованные при спиртовом брожении гексозпые сахара, дрожжи, сульфиты и др.) остаются в отходящем водном растворе — сульфитно-спиртовой барде. Его направляют па дальнейшую переработку. Метапольную фракцию можно использовать в качестве дополнитель­ного >глеролсодержащего сырья при выращивании кормовых дрожжей.

Продувка

Воздухом

Нейтрализующие вещества. Питательные

І Г

Нейтрализа­ция кислот

Охлаждение

Др<

Товарный про - Диоксид дукт после углерода улавливания

Отгонка вод­но спиртовом смеси

Барда	На дальней­шую перера­ботку
Н ейтрализующие вещества ^
Перегонка Бражки и ректифи­кация спирта

Рис. II. Схема производства этилового спирта из отработанных сульфитных щелоков

Технологический процесс микробиологического синтеза (рис. 12) состоит из подготовки высокопроизводительной культуры микроорганизма (продуцента);1 при­готовления питательной среды (субстрата); выращивания и культивирования продуцента в заданных условиях (ферментация); сгущения и отделения био­массы и ее сушки.

Рост и развитие микроорганизмов происходит в дрожжерастительном чане (инокуляторе, ферментере) под воздействием основных факторов: питательной сре­ды (субстрата) и кислорода, а также физико-химических параметров (температу­ры, pH и окислительно-восстановительного потенциала).

Питательная среда состоит из углеродсодержащих соединений и минеральных веществ (сульфата аммония и суперфосфата). Наиболее благоприятными источ­никами углерода являются углеводы: сульфитно-спиртовая барда, гидролизаты, получаемые в результате гидролиза отходов древесины (опилки, щепа из низко­качественной древесины):

(СбНюОб)„ пНгО------ ►- /гСбН|20б

Целлюлоза глюкоза

(С5Н8О4) „ -(- «Н2О ——► «С5Н10О5 пентозаны пентозы

При гидролизе гексозанов образуются гексозы (фруктоза, манноза и др.).

Процесс гидролиза осуществляется в гидролиз-аппарате (перколяторе) в при­сутствии катализатора 0,5 %-й серной кислоты, при повышенных температуре и давлении. Полученный гидролнзат нейтрализуется и охлаждается до температу­ры, благоприятной для размножения дрожжей.

Водный предварительный гидролиз щепы, проводимый на современных пред­приятиях, вырабатывающих высококачественную целлюлозу, образует предгидро - лнзат, который также служит сырьем для производства дрожжей в Братском лесопромышленном комплексе и на Байкальском целлюлозно-бумажном ком­бинате.

В промышленности для получения белка также широко используются очи­щенные жидкие парафины. В перспективе для этой цели предполагается крупно­масштабное использование метанола.

При аэрировании барды и гидролизата сахара органические кислоты утили­зируются дрожжами и накапливается 60—70 % дрожжевой массы от количества редуцируемых веществ. Полученные дрожжи содержат до 50 % усвояемого белка, значительное количество различных витаминов и большой комплекс амино­кислот, включающий все десять жизненно необходимых кислот. Очень высока эффективность применения кормовых дрожжей для повышения продуктивности животноводства и экономии кормов.

Таким образом, биотехнология сберегает пищевые ресурсы. Белковые дрожжи можно использовать в виде пищевого продукта; например, на целлюлозном заво­де в Швейцарии из кормовых дрожжей удаляют горькие вещества и делают бульонные кубики.

Современная технологическая схема выращивания дрожжей состоит из подго­товки барды, выращивания засевных (чистой культуры) н товарных дрожжей, отделения промывки, концентрирования и сушки. Выход дрожжевой массы состав­ляет 3,5—4 кг на 1 м3 барды, или 40 кг на 1 т целлюлозы. В результате переработки щелока на спирт, при которой утилизируются сбраживаемые сахара, биохимическая потребность в кислороде (БПК) щелока снижается не менее чем па 37 %, а при утилизации углеводов для производства спирта и дрожжей — вдвое по сравнению с исходным щелоком. Сухие вещества щелока используются при этом примерно на 26 %.

Отходом при производстве дрожжей является последрожжевая бражка, содер­жащая в основном лигносульфонаты. Последрожжевую бражку утилизируют в виде концентратов путем упаривания на современных выпарных батареях из четырех-шести корпусов обычно до 50—55 %-го содержания сухих веществ. Ути­лизация сухих веществ щелока при выпаривании последрожжевой бражки составляет более 50 %. Полученные концентраты используют в литейном произ­водстве в качестве крепителя, связывающего зерна песка.

Лигносульфонаты применяют в промышленности строительных материалов для пластификации цемента, разжижения цементно-сырьевого шлама, производст­ва кирпичей повышенной прочности, увеличения прочности гипсовых изделий, изготовления домостроительных деталей и изделий, а также в дорожном строи­тельстве для упрочнения покрытий, повышения морозоустойчивости шоссейных дорог прочности битумных дорожных покрытий. Их можно использовать в синте­тических смолах и пластических массах. Так как лигиосульфоновые кислоты близки к натуральным таннидам, они находят применение при производстве дубиль­ных экстрактов. Лигносульфонаты часто используют при формировании, склеива­нии и брикетировании, при буровых работах, а также для приготовления дезин­фекционных и дезинсекционных средств.

Лигносульфонаты могут служить одним из источников получения новых видов органических удобрений. Они являются природными полимерами, в состав которых входят вещества альдегидного н фенольного типа. Лигносульфонаты богаты различными органическими и минеральными веществами; они содержат серу, кальций, магний, калий, углерод, водород, кислород, фосфор, а также 28 микро­элементов.

Добавка лигносульфонатов к песчаной почве увеличивает ее влажность, т. е. является средством борьбы с засухой, а также замедляет потери фосфорных удобрений при их вымывании. Внесение в почву лигносульфонатов может способ­ствовать увеличению урожая бобовых культур на 50 %, капусты — на 19 %. Как активные ионообменные материалы лигносульфонаты способствуют удалению нз почвы элементов, препятствующих нормальному росту растений.

Разработан технологический процесс производства удобрений на основе лигно­сульфонатов.

При химической переработке лигносульфонатов получают ванилин, фенолы и их производные, хлорпроизводные, угли и органические кислоты. Комплексная переработка сульфитных щелоков с получением спирта, дрожжей и концентратов позволит довести утилизацию щелоков до 95—97 % и обеспечить высокие выходы продуктов; при этом с 1 т целлюлозы средней жесткости можно получить примерно 80 л очищенного спирта, 40 кг кормовых дрожжей и несколько сотен килограммов концентратов.

Если мощность выпарных станций оказывается недостаточной, уменьшить загрязнение сточных вод и сократить нагрузку на станцию биологической очистки можно путем сжигания барды, т. е. утилизации ее в виде топлива.