Биотехнологические процессы защиты окружающей среды

Биотехнологические процессы
защиты окружающей среды
Направление «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в
химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»»
Тема: «Научные основы биотехнологии»








Научные основы биотехнологии. Элементы биотехнологии.
Техника и методы для культивирования микроорганизмов.
Типы ферментационных процессов.
Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры
и
ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы,
трансгенные организмы).
Субстраты.
Аппаратура для реализации биотехнологических процессов
и
получения конечного продукта.
Совокупность методов для контроля и управления биотехнологическими
процессами. Моделирование
и оптимизация процессов
получения целевых продуктов.
Критерии оценки эффективности биотехнологических процессов
2
Комплексность биотехнологии








Промышленная микробиология;
медицинская биотехнология;
технологическая биоэнергетика,
сельскохозяйственная биотехнология;
биогидрометаллургия;
инженерная энзимология;
клеточная и генетическая инженерия;
экологическая биотехнология.
3
Элементы, слагающие биотехнологию




Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и
ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей,
гибридомы, трансгенные организмы).
Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и
получения конечного продукта.
Совокупность методов для контроля и управления
биотехнологическими процессами. Моделирование
и оптимизация процессов получения целевых продуктов.
Продукт.
4
Области науки, новейшие результаты
которых важны для развития биотехнологии
Генетическая
инженерия
Биокатализ
Иммунология
Технология ферментации
Технология
рекомбинантных ДНК
Ферменты (выделение,
иммобилизация).
Целые микробные клетки
(иммобилизация,
стабилизация)
Моноклональные антитела
Производство продуктов.
Переработка отходов
5
Междисциплинарная природа биотехнологии
6
Тема: «Промышленная микробиология:
процессы производства полезных веществ»



Промышленный биосинтез белковых веществ. Особенности
возникновения отрасли, современное состояние и перспективы
развития.
Субстраты 1-го поколения для получения белково-витаминных
концентратов. Субстраты II-го поколения: углеводороды.
Особенности микробного роста на углеводородах и ферментации.
Выход продукта и его состав. Субстраты III-го поколения:
особенности получения белка одноклеточных на спиртах и
природном газе.
Микробиологическое получение целевых продуктов.
Аминокислоты.
7
Тема: «Инженерная энзимология»



Ферментные препараты, особенности получения, применения.
Продуценты и среды. Типы ферментационных процессов
/твердофазное поверхностное и глубинное/. Аппаратура.
Технологический цикл и стадийность процесса производства
ферментов. Методы выделения и очистки. Применение.
Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации ферментов.
Особенности процессов на основе иммобилизованных ферментов.
Типы реакционных аппаратов. Процессы получения целевых
продуктов на основе иммобилизованных ферментов. Биологические
микроустройства. Типы ферментных электродов.
Биолюминесцентный микроанализ.
8
Технологическая биоэнергетика
и биологические процессы
переработки минерального сырья
9
Тема: «Технологическая биоэнергетика
и биологические процессы переработки
минерального сырья»
План лекции



Биотехнология в решении энергетических проблем.
Получение биогаза, спирта из промышленных
и сельскохозяйственных отходов.
Микробное выщелачивание и биогеотехнология
металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия
с минералами и горными породами.
Методы извлечения металлов (подземное, кучное,
чановое). Использование микроорганизмов
в процессах добычи полезных ископаемых.
10
Взаимосвязи между биомассой и биотехнологией
( Д. Холл и др., 1988)
Новые разновидности биосистем
Средства биологического контроля
Фиксация
азота
Регуляторы
роста
Топливо
Гидролитические
ферменты
Сельское и лесное
хозяйства
Солнечная
энергия
Сырье
Питательная
среда
Биореактор
Продукт
11
Процессы деструкции органических субстратов
БИОПОЛИМЕРЫ
(углеводы,
липиды, белки)

Органические
кислоты,
спирты, NH3,
CO2, H2

Ацетат,
формиат
, H2, CO2

CН4+СО2
12
Биологическое получение водорода
А
Гидрогеназа
Ферредоксин
Водород
Вода
Гидрогеназа
В
Медиатор
Кислород
13
Схема бактериального выщелачивания меди из куч
или отвалов руды (Ф. Д. Пули, 1990)
Сжатый воздух
Куча бедной руды
или отвал
Сжатый воздух
Сборник обогащенных
растворов
Экстракция
растворителем
Окислительный
пруд
Очистка
Регулировка
рН
Десорбция
Электролизер
Медь на катодах
14
Схема выщелачивания урановой руды
(J. Johnson, 1985)
Урановая руда,
о
3 мм, 50 С
Th. ferrooxidans
Fe 2+Fe3+ ; 30°C
Регенерированный
раствор
Ионный
обмен
Уран
15
Биосорбция металлов из растворов
(К. Браейерли и др., 1988)
16
Биотехнология и проблемы защиты
окружающей среды
17
Тема: «Биотехнология
и проблемы защиты окружающей среды»



Принципы биологических методов аэробной
и анаэробной переработок отходов. Анаэробные
методы переработки отходов сельскохозяйственных
производств.
Биотехнологические методы переработки городских стоков.
Промышленные биофильтры и аэротенки.
Применение биотехнологических методов для очистки
газовоздушных выбросов и деградации ксенобиотиков
18
Анаэробные методы переработки отходов
сельскохозяйственных производств
1
2
4
3
Двухкамерный септиктенк: 1 – регулятор, 2 – отражатель,
3 – напорный трубопровод, 4 – уклон 1:4 (К. Форстер, 1990)
19
Типы установок для
очистки сточных вод
пищевой
промышленности:
а – анаэробный
биофильтр;
б – установка
с винтовым насосом
для перемешивания;
в – высокоскоростной
реактор Коулзерда
Газ
Выход
К теплообменнику
Вход
б
а
Углекислый газ
Биогаз
Вход жидкости
Выход жидкости
Выход теплоносителя
Радиальная опорная балка
Емкость из полимерной пленки
Изолирующая панель
Стальная сетка
(Дж. Бест и др., 1988)
Арматура
Бетонный кольцевой
фундамент
в
Изолирующая пленка
Теплообменник
20
Промышленные биофильтры и аэротенки
Паразиты
Хищники
Растительноядные
Хищные мелкие беспозвоночные
Бактерии и мелкие беспозвоночные,
питающиеся грибами
Первичные потребители
Насадка фильтра
Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего слоя
биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему
(К. Форстер, Д. Вейз, 1990)
21
Промышленные биофильтры и аэротенки
Сточная
вода
Воздух
Очищенная
вода
Схема биофильтра (М. С. Мосичев, 1982)
22
Схемы аэротенков (Дж. Бест, 1988)
Аэротенк вытеснения
Активный
ил
Очищаемая
вода
Иловая
смесь
воздух
Очищаемая
вода
Аэротенк смешения
Очищенная
вода
Избыточный
активный ил
Воздух
Очищаемая
вода
Активный
ил
Иловая
смесь
Аэротенк
с рассредоточенной
подачей сточной воды
и регенерацией
активного ила
Воздух
23