ПРИМЕНЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Традиционным примером бйотехнологических про­цессов являются процессы брожения. Исходными веще­ствами для процесса брожения служат сахара и полисахариды, а конечными — органические кислоты или спирты. Одним из наиболее распространенных видов является молочно-кислое брожение. Оно при­меняется в пищевой промышленности для приготов­ления кефира, простокваши, творога, сыра и т. д. Консервирование путем квашения, хлебопечение, силосо­вание кормов также основано на деятельности молочно­кислых бактерий.

Спиртовое брожение — часто применяемый микробио­логический процес. Основными возбудителями спиртово­го брожения являются/дрожжи,)относящиеся к классу грибов. Под их воздействием из полисахаридов обра­зуются спирт, глицерин, уксусный альдегид. Спиртовое брожение широко используется в виноделии, пивоваре­нии, хлебопечении. Производство чистого этилового спирта также основано на процессе спиртового броже­ния.

Например, для производства этилового спирта в на­стоящее время взамен пищевого сырья используют кис­лотные гидролизаты клетчатки и отходы целлюлозно-бу­мажной промышленности — сульфитные щелоки; разра­ботаны методы получения ацетона и бутилового спирта из сульфитного щелока и гидролизатов древесины. При брожении крахмала, Сахаров и клетчатки с помощью масляно-кислых бактерий в промышленности получают ацетон, бутиловый спирт, масляную кислоту и другие ценные химические вещества. Масляно-кислое брожение широко применяют в текстильной промышленности при первичной обработке льна, конопли, джута, с тем чтобы отделить лубяные волокна от окружающей растительной ткани.

В настоящее время микробиологическая промышлен­ность насчитывает десятки разнообразных процессов и сотни наименований промышленной продукции. К ним относятся кормовые дрожжи, кормовая биомасса, меди­цинские дрожжи, вакцина, закваски молочно-кислых бак­терий, бактериальные удобрения, бактериальные средства защиты растений, липиды, полисахариды, спирты, аце­тон, органические кислоты (уксусная, молочная, лимонная, глюконовая и др.), аминокислоты (лизин, триптофан, глутаминовая кислота), витамины, антибиотики и пени­циллин, эритромицин, биомицин, нистатин, актиномицин и др.

Технологический процесс микробиологического синте­за состоит из многих стадий, наиболее важными среди которых являются следующие: приготовление и стерили­зация питательной среды, хранение культуры микроорга­низмов и размножение посевного материала в лабора­тории, получение посевного материала в цехе чистой культуры, основная ферментация, выделение продукта из культурной жидкости, упаковка, хранение готовой продукции.

Самый ответственный процесс в микробиологическом синтезе — ферментация. Поэтому аппараты, в которых проходит этот процесс, — ферментаторы являются глав­ным технологическим оборудованием любого микробио­логического производства. Они обычно представляют со­бой герметические цилиндрические емкости с мешалками объемом от 50 до 200 м. Современные ферментаторы укомплектованы измерительными приборами и регули­рующими устройствами. Чрезвычайно важным условием процесса является соблюдение полной стерильности.

Процессы, проходящие в биохимическом реакторе (ферментаторе), отличаются исключительной слож­ностью, так как на явления микробиологического синтеза накладываются физико-химические явления. Сложность их усугубляется тем, что одновременно протекают про­цессы как на микроуровне — явления в клетках, так и на макроуровне — процессы массо- и теплопередачи. В на­стоящее время предприняты попытки математического моделирования биохимических реакторов на основе прин­ципов системного анализа. Повышение эффективности функционирования биохимических реакторов связано с автоматическим регулированием и управлением микробиологическим синтезом. Применение автома­тизированных ферментационных установок позволяет не только повысить технико-экономические показа­тели технологических процессов, но и дает возможность перейти от простой задачи поддержания определенных параметров среды к управлению биологическими пара­метрами процесса. Становится реально осуществимым применение автоматизированных систем управления тех­нологическим процессом на крупнотоннажных производ­ствах.

Последнее время в промышленности практикуют раз­личные превращения молекул органических веществ — микробиологическую трансформацию. Отбирая особые культуры микроорганизмов, можно провести самые раз­личные химические реакции — окисление и восстановле­ние, фосфорилирование, аминирование, специфический гидролиз и другие реакции, осуществить которые хими­ческим путем очень трудно, а зачастую невозможно. С помощью микробиологической трансформации можно превращать продукты химического синтеза в другие не­обходимые для народного хозяйства вещества.

Заманчивой перспективой может стать применение биотехнологических процессов для фиксации (усвоения) атмосферного азота с помощью бактерий, обогащения бедных руд, выщелачивания руд цветных металлов, а также для добычи полезных ископаемых.

Значительное место среди микробиологических про­цессов занимает биологическая очистка сточных вод, ко­торую в настоящее время считают одним из наиболее надежных и эффективных методов очистки.

Механизм процесса биологической очистки сточных вод заключается в разложении и окислении вредных при­месей с помощью микроорганизмов. Не все химические соединения, содержащиеся в сточных водах, разлагаются с одинаковой скоростью. Наиболее легко подвергаются процессам биологического разложения углеводороды, белки, значительно медленнее разрушаются жиры. Труд­нее всего окисляются целлюлоза, лигнин, парафины, не­фтяные масла, бензол, толуол и другие ароматические углеводороды. Практически неразложимы хлорбензол, хлороформ, нитробензол, нитрофенол и другие вещест­ва, содержащиеся в сточных водах химических пред­приятий.

Производственные сточные воды большей частью имеют сложный состав, обусловленный присутствием це­лого комплекса соединений. При этом целесообразность применения биологических методов для полной очистки таких сточных вод определяется как концентрацией от­дельных компонентов загрязнений, так и доступностью их биологическому окислению и разложению. Для труд­норазложимых соединений применяется так называемая комбинированная очистка сточных вод, которая дости­гается путем последовательного применения различных химических, физико-химических и биологических мето­дов.

Биологическая очистка по способам осуществления делится на очистку, протекающую в естественных усло­виях, и на очистку, протекающую в искусственно со­зданных условиях.

Биологическая очистка в естественных условиях про­водится на полях орошения или в биологических прудах. Биологическая очистка в искусственно созданных усло­виях проводится на биологических очистных станциях, где основными устройствами для очистки служат био­фильтры, аэротенки и также сооружения для анаэробной очистки.

По видам применяемых микроорганизмов биологиче­ские методы очистки воды бывают аэробные и анаэ­робные.

Анаэробные процессы протекают в замедленном тем­пе, и скорость биологической анаэробной очистки сточных вод гораздо меньше, чем при аэробных методах очистки.

Аэробные процессы очистки применяются для окисле­ния загрязнений и минерализации органических веществ, растворенных в жидкой фазе сточных вод. Они широко применяются для очистки сточных вод гидролизной, пи­щевой, химической промышленности. В результате про­цессов окисления органических веществ кислородом воз­духа при помощи аэробных бактерий происходит разло­жение этих веществ (белков, жиров, Сахаров, спиртов, углеводородов, кислот и т. д.) до воды, углекислого газа, азота, аммиака и т. д. Например, при очистке стоков поливинилацетатного производства, имеющих очень слож­ный состав, происходит окисление различными группами микробов ацетальдегида, уксусной и янтарной кислот, метилового и бутилового спиртов, формальдегида, нитросоединений и т. д. до углекислого газа, воды и азота.

Обладая широким спектром применимости и высоки­ми технико-экономическими показателями, биотехноло­гические процессы являются перспективными, быстро развивающимися технологическими процессами.

В одиннадцатой пятилетке микробиологическая про­мышленность получит дальнейшее развитие как одна из важных отраслей агропромышленного комплекса. Ей от­ведена важная роль в укреплении кормовой базы живот­новодства. На основе внедрения новой техники и техно­логии, совершенствования организации производства предусмотрено повысить производительность труда на 40 %. Микробиологическая промышленность активно развивается за счет ввода в строй новых предприятий, а также за счет реконструкции, технического перевоору­жения, автоматизации технологических процессов, приме­нения агрегатов повышенной единичной мощности.