Химия/4. Химико-фармацевтическое производство

Усатенко Ю.С., Романенко О.А., Россихин В.В.

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УТИЛИЗАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Проблема выделения ценных органических веществ из стоков пищевой промышленности может быть решена биотехнологическими методами путем использования сточных вод в качестве субстратов для культивирования определенных микроорганизмов с целью накопления биомассы, ферментов, витаминов и т. п. Такой путь переработки стоков облегчает последующую их очистку, так как снижает общую загрязненность органическими веществами. Образующаяся в процессе культивирования биомасса одноклеточных микроорганизмов может являться сырьем для изготовления кормовых добавок, лекарственных препаратов и других биологически активных веществ.

В молочной промышленности около 3 %, а в мясной 3-5 % сырья  теряется со сточными водами. Большая часть сухого вещества сырья спиртовой промышленности переходит в барду, утилизация которой по сравнению с отходами других пищевых предприятий отработана достаточно хорошо. Упаренная барда может служить полноценной добавкой к кормам. На спиртовых заводах из нее извлекают и получают в чистом виде для пищевых и медицинских целей глютаминовую кислоту и солянокислый бетаин (ацидин).

Традиционным способом обезвреживания сточных вод пищевой промышленности является естественная биологическая очистка. Часть органических веществ осаждают в отстойниках различных конструкций, откуда уплотненный в большей или меньшей степени осадок вывозится и используется в качестве удобрения. Жидкость подвергается длительному выдерживанию в прудах, а затем сбрасывается в водоемы или прямо используется для орошения. Это экстенсивные методы, требующие отведения значительных земельных площадей и не гарантирующие безопасности водоемов от загрязнения дренажными водами. Использование стоков на земледельческих полях орошения также связано со значительной потребностью в пригодных для этой цели земельных площадях и дорогостоящих оросительных сетях.

Доказано, что экономические показатели работы мясокомбинатов могут быть значительно улучшены в результате утилизации компонентов сточных вод. Отделение жира от сточной воды выполняется различными способами. Наиболее распространенный из них — обычное отстаивание. Для этой цели применяют отстойные жироловки, позволяющие уменьшить содержание жиров до 4 мг/л. Дальнейшее снижение концентрации связано с большими трудностями, поскольку жир образует стойкие эмульсии. Более высокие показатели очистки достигаются применением флотации, электрофлотации при рН 5,4-5,6. При таких методах очистки жировые компоненты и твердые взвешенные вещества удаляются на 95 %, а последующее использование флотоконцентрата в кормовых целях позволяет за два года окупить затраты на создание технологической линии.

Описана технология выделения и утилизации жировых и белковых компонентов из стоков скотобоен с помощью реагентной обработки в сочетании с напорной флотацией. В сточные воды с БПК₅ 0,5-3,0 г О2/л добавляют лигносульфонат натрия до концентрации 100-500 мг/л в зависимости от содержания протеина. Далее подкисленная серной кислотой до рН 3 вода подвергается напорной флотации. Лигносульфонат натрия образует с белками хлопья с развитой поверхностью, сорбирующие жиры и собирающиеся в верхней части флотатора. Флотоконцентрат смешивают с кровью, подвергают термообработке, обезвоживают и сушат, получая кормовой препарат с содержанием белка 45-70%. Осветленную воду нейтрализуют и отправляют на доочистку. Прямое выделение компонентов должно осуществляться на такой стадии, когда технологическая вода еще не стала сточной. Вопрос утилизации ценных продуктов, теряемых на стадиях технологического процесса, вообще не возникнет, если таких потерь не будет. Поэтому улавливание и возврат в производство жиров, белков и других пищевых веществ должны относиться к компетенции специалистов-технологов данной отрасли пищевой промышленности. Те ценные компоненты, которые все же попадают в сточные воды, должны отделяться в системах локальной очистки, находящихся непосредственно в местах выхода стоков из цеха, технологического участка. На дальнейшую очистку направляются сточные воды, лишенные каких-либо преобладающих компонентов.

Рациональная биотехнологическая переработка жидких отходов организована на предприятиях спиртовой промышленности. Барда мелассно-спиртовых заводов используется как субстрат для культивирования кормовых дрожжей. В настоящее время эта технология на спиртовых заводах одной из основных, а дрожжевая биомасса таким же продуктом производства как спирт.

Следующим этапом развития теории и практики утилизации отходов спиртового производства (вторым по счету) явилось создание производства кормового концентрата витамина В₁₂ на так называемой вторичной барде – культуральной жидкости после отделения биомассы кормовых дрожжей. Технологический процесс получения препарата КМБ-12 включает метановое сбраживание вторичной барды с содержанием сухих веществ 5,5 - 6,0 %. Процесс сбраживания проводят непрерывно при 55-57 °С в течение  11 суток. Состав исходной и сброженной последрожжевой барды приведен в таблице.

Показатели	Исходная барда	Сброженная барда
Сухие вещества, %	5,3-5,6	3,3-3,6
Органические вещества, %	3,5-3,6	0,5-0,6
Редуцирующие вещества, г на 100 мл	0,15	-
Зола, г на 100 мл	-	1,60-1,64
Глицерин,   г на 100 мл	0,25 -0,43	0,5-0,6
Органические кислоты, г на 100 мл
Калий (К2О), г на 100 мл	0.77	1,2-1,24
Азот общий, г на 100 мл	0,28	0,26-0,43
Натрий (Nа2О), г на 100 мл	0,10	0,14-0,16
Кальций (СаО), г на 100 мл	0,18	0,27-0,30

Выходящая из метантенков культуральная жидкость подкисляется соляной кислотой до рН 5,5-6,0 и после дегазации упаривается до 35-40% сухих веществ. Упаренную бражку сушат в распылительной сушилке и упаковывают. Получаемый продукт представляет собой однородный серо-коричневый порошок с содержанием сырого протеина не менее 25 % и витамина В₁₂ не менее 50 мг/кг (на сухое вещество). При подготовке вторичной барды к сбраживанию в нее добавляют минеральные соли и микроэлементы (Са²⁺ ) для стимулирования брожения и накопления витаминов. Этим объясняется более высокое содержание солей в сброженной барде. Выход биогаза 15-25 м³/м³ субстрата, теплотворная способность 23...25 тыс. кДж/м³.

Получаемый кормовой препарат представляет собой высушенную смесь биомассы анаэробных микроорганизмов и солей. Препарат успешно в течение 15 лет применяется для обогащений комбикормов в качестве стимулятора роста животных.

Другим (третьим) способом утилизации вторичной барды является культивирование на ней аэробного активного ила. В данном случае целью аэробной обработки вторичной барды служит не только ее очистка, но и биотехнологическая утилизация органических и латеральных компонентов. Образующаяся биомасса используется вместе с кормовыми дрожжами (биомассой монокультуры), выращенной на первичной послеспиртовой барде в качестве кормовой добавки. Содержание белка в кормовом препарате, полученном таким способом, составляет 43-45 %, золы - 20-26 %, витамина В₁₂ - 51-56 мг/кг.

Культивирование активного ила ведется не в традиционных сооружениях биологической очистки, а в высокопроизводительных ферментаторах, обеспечивающих достаточную скорость растворения кислорода, гидродинамические условия для быстрого протекания процесса.

Необходимость пересмотра конструкции и принципов создания процессов и аппаратов для очистки концентрированных сточных вод пищевой промышленности признается в настоящее время во многих экономически развитых странах. При биотехнологической утилизации биомасса является таким же целевым продуктом, как и чистая вода. Поэтому разрабатываются режимы культивирования, позволяющие сочетать высокий экономический коэффициент выхода клеток с глубоким истощением субстрата. Подбираются и селекционируются отдельные штаммы и сообщества микроорганизмов, удовлетворяющие поставленным требованиям.

Применение чистых монокультур или обогащенных культур целесообразно в случаях, когда на сточных водах можно культивировать продуценты антибиотиков, гормонов, аминокислот, ферментов, кормовой биомассы. Эти продукты должны окупать затраты на эксплуатацию систем утилизации. Культивирование смешанных естественно складывающихся сообществ более экономично, поскольку не требует асептических условий и дополнительных затрат на ведение чистой культуры.

Биотехнологическая утилизация концентрированных сточных вод закладывает основу создания безотходных производств.