Главная страница Обратная связь Карта сайта
ОАО «БИОХИММАШ» ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ БИОХИМИИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ  
   

ДЕЗОДОРАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ


А.Я. Найденов, Н.М. Холявко

ОАО «БИОХИММАШ»


ДЕЗОДОРАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ



  1. Исследование процесса очистки газовоздушных выбросов от дурно пахнущих веществ методами адсорбции и биохимической очистки.

1.1. Характерной особенностью отходящих промышленных газов является присутствие в них разнообразных дурно пахнущих веществ (ДПВ) органического происхождения. Они обнаруживаются главным образом по запаху. Устранение запаха означает в то же время и устранение органических веществ. В данной работе представлены способы биохимической очистки (дезодорации) газовоздушных выбросов производства микробного синтеза.

Отходящие газы микробиологических производств характеризуются наличием широкого спектра ДПВ, присутствующих в них в следовых количествах. Одоранты представлены продуктами метаболизма культур – продуцентов и сопутствующей микрофлоры, соединениями, образующимися в процессах биологической, термической и окислительной деструкции биомассы. В качестве модельной культуры был выбран продуцент битоксибациллина Bac. thuringiensis var.subsp. thuring шт. 98, обладающий резким и интенсивным запахом. Сотрудниками ОАО «Биохиммаш» проводились лабораторные исследования методов биохимической очистки и адсорбции на углях воздуха, удаляемого из ферментатора [1].


    1. Определение количественного и качественного состава ДПВ на стадии ферментации битоксибациллина.


Для достоверной идентификации примесей использовано предварительное хроматографическое разделение компонентов пробы с последующим масс-спектрометрическим анализом [2]..

Хромато-масс-спектрометрическим методом (ХМС) были исследованы газовые выбросы из лабораторного ферментатора объемом 1л при культивировании битоксибациллина. Для исследований использовался хромато-масс-спектрометр LKB, снабженный системой обработки данных. Для концентрирования примесей в газовоздушных выбросах использован полимерный адсорбент Тенакс-GC. Объем отбираемых проб находился в пределах (0,2÷2.0) л. Средняя скорость отбора проб составляла 200 мл/мин. Продолжительность отбора проб (5÷10) минут.

Зарегистрированные соединения по полученным масс-спектрам идентифицировали по каталогам масс-спектров [3], а также с использованием библиотеки фирмы LKB.

Для определения концентрации органических веществ был применен метод абсолютной калибровки хромато-масс-спектра [4]. Калибровка проводилась по гексану. С помощью компьютерной программы определяли площадь каждого хроматографического пика. Чувствительность хромато-масс-спектрометрического определения составляет около 0.001мг/м3. Данные по идентифицированным веществам, обнаруженным в газовоздушных выбросах из ферментатора при культивировании битоксибациллина и рассчитанным концентрациям, приведены в табл.1.






Таблица 1

Состав газовоздушных выбросов из лабораторного ферментатора при культивировании битоксибациллина


Номер

В е щ е с т в о

Концентрация, мг/м3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

Ацетальдегид

Этанол

Ацетон + фреон

Пептан

2-метилпептан

3-метилпептан

Гексан

Этилацетат

Бензол

2-метилгексан

3-метилгексан

Уксусная кислота

Гептан

Толуол

Октан

m,n-ксилолы

Нонан

α-пинен

Декан

2-нонанон

Ундекан

2-деканон

Додекан

2-ундеканон

Тридекан

Тетрадекан

Пентадекан

Гексадекан

0,3

1,9

2,0

0,5

0,08

0,1

0,19

0,54

0,35

0,09

0,13

0,9

0,25

0,66

0,19

0,2

0,18

0,12

0,2

0,1

3,45

0,25

6,7

0,3

6,8

2,3

0,56

0,3


  1. Биохимическая очистка газовоздушных выбросов от ДПВ


Биохимическая очистка воздуха представляет собой новую технологию защиты окружающей среды, и имеет как экономические, так и экологические преимущества по сравнению с традиционными методами, например, способом химической мокрой очистки.

Она основана «на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами» [5].

Здесь представлены два варианта биохимической очистки газов:

1) с использованием суспензии активного ила;

2) с использованием биологически активных фильтрующих материалов, пропитанных активным илом.

Из-за низкой интенсивности запаха после адсорбции и биохимической очистки отходящих газов провести хроматографический анализ очищенных газов не представлялось возможным. Поэтому оценку эффективности очистки от ДПВ вели по шестибальной шкале, где восприятие запаха основывается на избирательной реакции между летучими соединениями и высокоспециализированными обонятельными клетками [5]:

  1. - запах отсутствует

  2. – едва уловимый запах

  3. – порог различимости запаха

  4. – уверенно различимый запах

  5. – сильный запах

  6. – резкий запах.


Была проведена работа по изучению биосорбционного процесса от момента начала пропускания ДПВ через свежеприготовленный биологически активный фильтрующий материал до момента адаптации активного ила. Установлено, что эффективность дезодорации меняется во времени. Первые десять суток скорость контакта активного ила с ДПВ значительно превышает скорость деструкции их микроорганизмами. К пятнадцатым суткам наступает адсорбционное равновесие, и микроорганизмы активного ила адаптируются к адсорбированным органическим веществам. После двадцати суток процесс деструкции одорантов достигает максимальной эффективности, а интенсивность запаха доходит до отметки «1-2».

Дезодорация ДПВ при пропускании их через активный ил проводилась на стенде, представляющем собой лабораторный аэротенк объемом 800 мл, где в качестве очищаемого стока использовали фугат культуральной жидкости от производства битоксибациллина . Линейная скорость фильтрации составляла 0,05 м/сек. При прохождении газа через слой адаптированной биомассы интенсивность запаха существенно снижалась при оптимальном рН = 6,5 – 8,0. Установка проработала 1440 часов. К этому моменту интенсивность запаха соответствовала «1-2» по шкале запахов.

Лучшие результаты были получены при использовании биологически активных фильтрующих материалов, пропитанных активным илом. Особенностью этого способа является сочетание процессов адсорбции и регенерации. Бактерии фиксировались на носителях, то есть на различных материалах. В качестве носителей использовались следующие сочетания материалов: кора – опилки; кора – опилки – активированный уголь; активированный уголь.

Исследования проводились на лабораторной установке (рис.1). В качестве источника ДПВ использовалась культуральная жидкость из лабораторного ферментера при получении битоксибациллина.

Лабораторная установка представляет собой параллельно соединенные колонки с биологически активным фильтрующим материалом и емкость, в которой находится культуральная жидкость.

В качестве биологически активного фильтрующего материала использовались:

  1. Смесь коры и опилок хвойных пород при объемном соотношении 1:0,5;

  2. Смесь коры, опилок и активированного угля марки АГ-5 при объемном соотношении 1:0,5:0,5;

  3. Активированный уголь марки АГ-5.

Все колонки были пропитаны адаптированным активным илом. В емкость с раствором культуральной жидкости компрессором подавался воздух, который на выходе распределялся по колонкам.

Рис. 1

Влажность в слое, необходимую для развития и размножения микроорганизмов, создавали увлажнением фильтрующего материала специальным питательным раствором, который подавался в колонки из сборной емкости перистальтическим насосом.

Подаваемый питательный раствор содержит в 1 л дистиллированной воды:


NH4NO3 – 1 г;

K2HPO4 - 1 г;

KH2 PO4 – 1г;

MgSO4∙7H2O – 0,2 г;

CaCl2 – 0.02 г;

а также две капли насыщенного раствора FeCl3 [6].


Процесс биосорбции проводился при двух значениях величины скорости потока – 0,05 м/с и 0,1 м/с.


Результаты представлены в табл. 2.







Таблица 2.

Результаты исследования дезодорирующего действия биологически активного материала, пропитанного активным илом

Биологически активный материал

Скорость фильтра-ции, м/с

Площадь фильтрации, см2

Сопротивление, Па

Ресурс, месяцы

Интенсивность запаха к концу ресурса

Началь-ное

Коне-чное

Уголь марки АГ-5

0,05

0,10

5,31

160

554

175

660

3

4

0

0

Опилки – кора - уголь

0,05

0,10

5,31

145

480

150

600

3

3

0

1

Опилки - кора

0,05

5,31

150

150

3

2


Как следует из данных табл. 2, из трех испытанных фильтрующих материалов наилучший результат показал активированный уголь. Ресурс его при скорости фильтрации 0,05 см/с равен 3 месяцам, при скорости 0,10 см/с – четырем месяцам. При этом интенсивность запаха соответствовала отметке «о», т.е специфический запах отсутствовал. Гидравлическое сопротивление на протяжении всего периода возросло незначительно.

Таким образом, дезодорация с помощью бактерий активного ила, иммобилизованного на активированном угле, обеспечивает полное отсутствие специфического запаха отходящего воздуха при производстве битоксибациллина.


  1. Адсорбция ДПВ на углях.


В большинстве случаев при обработке ДПВ, концентрация которых сравнительно мала, применяется метод адсорбционной очистки на активированных углях, подвергшихся специальной обработке. Эта обработка заключается в добавлении к активированным углям окиси меди, перманганата калия, и др. Нами были испытаны различные поглотители: 1) химпоглотитель ИХПИ; 2) катализатор К-5М; 3) активированный уголь СКТ-2А; 4) механическая смесь (купрамит на АГ-5 и К-40); 5) купрамит (на СКТ-2Б); 6) химпоглотитель ХСПБ. Оказалось, что наибольшим ресурсом – (113 и 115) часов обладают купрмит и химпроглотитель ХСПБ. В сравнении с биохимической очисткой этот результат оказывается ничтожным, что позволяет рекомендовать для практического применения метод биохимической очистки с использованием активного ила.


Для технической реализации идеи биохимической очистки используются аппараты различной конструкции и принципа действия [6]. В мировой практике для очистки газовоздушных выбросов используются установки трех типов: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ в 1980 г. Основным элементом биофильтра является увлажненный фильтрующий слой, сорбирующий токсические вещества из воздуха, который подается вентилятором. При этом должна соблюдаться однородность слоя и определенная влажность, которая обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции. Функционирование биоскруббера отличается от биофильтра тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках: сначала токсические вещества и кислород растворяются в воде, воздух при этом выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку; на второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. В биореакторе с омываемым слоем основным рабочим инструментом являются гранулы с иммобилизованными клетками микроорганизмов. Этот слой омывается водой с необходимыми для развития клеток минеральными веществами. Загрязненный воздух проходит через него, при этом вещества подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора, и далее окисляются микроорганизмами.

Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов, заключается в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 час, к общему объему установки.

Одними из самых перспективных для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым слоем. Эти установки характеризуются высокой удельной производительностью: до 5000 кубометров в час при рабочем объеме 1,5 кубометра. Такие малогабаритные установки на основе иммобилизованных микробных клетках очень эффективны для очистки воздуха предприятий животноводства и некоторых фармацевтических производств.

Опираясь на свои разработки и опыт использования иммобилизованных микроорганизмов в мировой практике, ОАО «БИОХИММАШ» готов участвовать во внедрении современных методов очистки промышленных выбросов.



Литература


  1. Разработка эффективных систем очистки воздушных выбросов в атмосферу от аэрозолей и неприятно пахнущих веществ. Отчет. - М.: ВНИИБиохиммашпроект, 1990 - 36с.

  2. Хмельницкий Р.А., Бродский Е.С. Хромато-масс-спектрометрия. – М.: Химия, 1984.

  3. Cornu A., Massot R. _ Compilation of Mass Spectral Data, N.-Y., 1975.

  4. Богословский Ю.Н., и др. Хроматографические постоянные в газовой хроматографии. - М., 1978. – 52с.

  5. А.С. 1337127 СССР, В 01 Д 53/02, Способ дезодорации отходящих газов. - /Г.Я. Перчугов, М.Ю. Максаков (СССР). - №3942791/23-26; Зав. 16.08.85; Опубл. 15.09.87, Бюлл. №34.

  6. Волова Т.Г. БИОТЕХНОЛОГИЯ. – Новосибирск,: Изд-во СО РАН, 1999, - 251с.


Тезисы доклада на Московской международной научно-практической конференции

"БИОТЕХНОЛОГИЯ: экология крупных городов" 16 марта 2010 года

    Версия для печати
  Copyright (c) 2006 ОАО “Биохиммаш” 127299, Москва, ул. К.Цеткин, д. 4,
тел. (499) 159 3170, факс (499) 156 2897
разработка сайтов
и мультимедийных презентаций - БИАТ