12-14 biotehnologii

8/13/2019 12-14 biotehnologii

1/8

APLICAII ALE BIOTEHNOLOGIEI N DOMENIUL PROTECIEI MEDIULUI

TRATAREA APELOR REZIDUALE

Apele reziduale industriale i municipalese caracterizeaz prin coninut relativ ridicat de impuritiorganice/anorganice, care prin descompunere formeaz compui gazi cu miros neplcut i reduc coninutulde oxigen dizolvat afectnd viaa acvatic. Apa poate conine i microorganisme, metalegrele sau alte toxineduntoare florei i faunei.

Principalii contaminani ai apelor reziduale sunt:-solide suspendate - formeaz nmoluri-compui organici biodegradabili - n mare parte - proteine

-hidrai de carbon-grsimi

-germeni patogeni -provoac mbolnviri ale omului i animalelor- ngrminte (cuN i P) -conduc la o dezvoltare excesiv a florei (algelor)

provocnd un dezechilibru prin srcirea apei noxigen dizolvat

-poluani organici - benzen-hidrocarburi clorurate -aciune cancerigen, mutagen, etc

-organici refractari (nebiodegradabili):-substane tensioactive (surfactani)-fenoli-pesticide

-adesea nu se ndeprteaz prin procedeeconvenionale de tratare a apei

-metale grele-anorganici: calciu, sodiu, SO4-

-provenite din mediul casnic

Principala problem a tratrii apelor reziduale const n variaia compoziional, n special n cazulapelor industriale.

Tratarea apelor reziduale conine trei secvene majore:- pretratarea/tratament primar;- tratare biologic/tratament secundar;- tratament special/tratament teriar


2/8

TRATAREA BIOLOGIC

-poate fi aerob/anaerob;- alegerea metodei se realizeaz funcie de:

- concentraia de substane organicebiodegradabile;- volumul ce urmeaz a fi tratat

procese de tratare aerobe: se bazeaz pe reacia general:compus organic + O2+ N + P (celule, microorganisme)celule noi + CO2+ H2O + produi microbiali

solubiliO parte a compuilor organici se oxideaz la CO

2 i ap, o alt parte se utilizeaz n obinerea de

biomas. epurarea cu nmol activ: dezvoltat nc din 1914, se desfoar conform schemei:

n procesele menionate aerarea are loc uniform pe toat lungimea reactorului (reactor orizontal) ceea cenu este optim, deoarece necesarul de oxigen este mai mare la intrare, unde concentraia de impuriti este mai

mare. Ca urmare, la intrare va fi un deficit mare de O 2 n timp ce la ieire un surplus (ceea ce esteneeconomic).

Pretratare

omogenizareneutralizaresedimentare

Tratarebiologic

aerobanaerob

Tratament special(purificare avansat)

filtrareaadsorbietehnici membranare

nitrificare/denitrificareeliminare compui cufosfor

Ap tratat

Tratare nmol

aerobanaerob

Uscarenmol

Depozitare nmolIncinerare


3/8

Ca soluii se poate realiza:- o reducere treptat a gradului de aerare;- alimentarea cu ap rezidual pe toat lungimea bioreactorului.

Bioreactoarele orizontale pot fi nlocuite cu bioreactoare cu biofilm, care faciliteaz dezvoltareabiofilmului pe suprafee solide, rmnnd astfel n n incinta reactorului.

Un rol important l reprezint suprafaa de biofilm raportat la volum, care poate varia de la 200m2/m3reactor la 2000 - 3000 m2/m3reactor.

eliminarea azotului i fosforului:Eliminarea N se bazeaz pe dou procese diferite:

a) nitrificarea, n prezena oxigenului:NH4

++ 2 O2NO3

-

b) denitrificarea, realizat n prezena compuilor organici biodegradabili, cum ar fi metanolul, nabsena oxigenuluii necesit un reactor suplimentar (la fel i n cazul eliminrii fosforului):

6 NO3-+ 5 CH3OH 3 N2+ 6 HO

-+ 5 CO2+ 7 H2O

epurarea anaerob:- prezint cteva avantaje fa de epurarea aerob:

o formarea unor cantiti mai mici de nmol;o obinerea de gaz cu putere caloric ridicat (metan denumit biogaz);o costuri reduse.

- dezavantaj:o gradul de reducere a impuritilor organice este inferior celui realizat prin epurarea aerob;

- se realizeaz cu ajutorul unui complex de microorganisme care transform materialul organic n metan idioxid de carbon n trei etape:

etapa 1 etapa 2 etapa 3

n prima etap, compuii organici (molecule mari) sunt hidratai la compui monomerici solubili cazaharide, aminoacizi, acizi grai i alcooli. Aceti produi de hidroliz sunt apoi utilizai de microorganismeca surs de carbon cu producerea de acizi organici, dioxid de carbon i hidrogen.

n etapa 2 acizii organici cu 34 atomi de carbon sunt transformai n acid acetic CO2i H2de ctrebacteriile acetogene.

n ultima etap, metanogrn, se obine CH4din aci acetic, CO2i H2, conform reaciilor:

CH3COOHCH4+ CO2 H=34 kJ/mol

CO2+ 4 H2CH4+ 2 H2O H=164 kJ/molSelectarea tipului de reactiv utilizat se face funcie de:

-proprietile fizico-chimice ale compuilor prezeni (cantitate, reactivitate, etc.);Principalele tipuri de reactoare folosite n epurarea anaerob sunt:

Compui organici compleci(hidrai de carbon,proteine, lipide)

Acizi organici superiori(propionic, butiric)

H2

CH3COOH

CH4


4/8

- reactoarele cu amestecaremecanic;cu recirculare (pneumatic);hidraulic prin injecie de gaz inert lipsit de O2;

- reactoare hidraulice su stratfixfluidizat

Tip ap Reactor Domeniu de utilizareap cu 0,5 25 kg/m impuritiuor degradabile, hidrai decarbon inferiori

- cu amestecare- conversie 8095 % - distilerii;- industria chimic (celuloz i

hrtie);- industria alimentar;

ap cu 0,5 25 kg/m impuritiuor degradabile, carbohidraisuperiori, proteine

- hidraulic;- n strat fluidizat;- cu biofilm- conversie 95 %

- industria amidonului;- industria alimentar;- bere;

ap cu 25 200 kg/m impuriti

greu degradabile

- conversie 9098 % - fermentaii;-

industria alimentar.


5/8

PROTEINE DIN CULTURI DE MICROORGANISMECreterea demografic alarmanta ridica o serie intreaga de probleme, una dintre elefiind cea de

asigurare a alimentatiei si in primul rand a necesarului de albumine. Consumul minim necesar / zi este, conf.FAO, de 65 -70 g. Daca in America de Nord, respectiv Australia acestconsum este de aprox.93 g/zi, in zonegeografice mai sarace sau mai populate cum este Africa este de 61glzi, respectiv in Asia de 57g/zi.

Proteinele se descompun in organism in amino-acizi ceparticipa la procesele metabolice. Cantitatea detotal proteine se afla intr-un echilibru dinamic in \)rganism, intre descompunere si sinteza. Timpul deinjumatatire a cantitatii totale de proteine este de aprox. 80 de zile. Spre deosebire de lipide,proteinele nu potfi stocate in organism, astfel ca in cazul unei alimentatii deficitare apare 0 extenuare, slabire generala aorganismului. Consumul uman minim pe zi de amino-acizi esentiali pentru 0 alimentatie sanatoasa a unui omcu 0 greutate de 70 kg este prezentat in tabelul 1:

Tab.1. Consum minim de aminoacizi esentialil zi

Amino-acid Cantitate, g/Zi Amino-acid Cantitate, g/ziL-izoleucina 0.7 L-treonina 0.49L-leucina 0.98 L-triptofan 0.245L-lisina 0.84 L-valina 0.7L-metionina+cisteina 0.91 L-fenilalanina+tirosina 0.98

Deoarece alimentele traditionale sunt insuficiente si de multe ori deficitare in amino-acizii esentiali, aaparut necesitatea gasirii unor surse noi conventionale si neconventionale de producere de proteine.

O importanta deosebita pentru dezvoltarea biotehnologiei a avut-o obtinerea de biomasa bogata inproteine, utilizand ca materii prime atat prod use traditionale,bogate in hidrati de carbon, cat si materii primeneconventionale ca metan, metanol, n-parafine sau titei.

Sub denumirea de proteine monocelulare, SCP (single cell protein) se inteleg, in sens restrans ,proteinele separate din culturi de microorganisme, a bacterii, drojdii, alge. De cele mai multe ori, insa, masacelulara obtinuta in urma unor culturi se separa, se spala, se usuca si se utilizeaza ca atare. In acest caz ar fi maiadecvata denumirea de SCB (single cell biomass). Continutul brut de proteine al acestor prod use, in functiede natura microorganismului producator si al procedeului de cultura se situeaza intre 40-75% substantauscata.

Microroganisme utilizate in obtinerea biomaselor proteice se clasifica in patru categorii:-bacterii,- drojdii,- fungii si- alge

In vederea utilizarii microorganismelor la obtinerea biomaselor proteice acestea trebuie sa satisfacaanumite cerinte fiziologice, dintre care cele mai importante sunt:

- posibilitatea de crestere pe medii simple, avand insa capacitatea de asimilare si a unorsubstante complexe si/sau amestecuri de compusi cu continut de carbon;

- sa poata utiliza ca sur sa de azot amoniac sail samri ale acestuia;- sa existe posibilitatea efectuarii unor modificari genetice;- sa asigure 0 conversie cat mai mare a sursei de carbon;- sa prezinte 0 viteza mare de crestere si sa prezinte 0 crestere stabila in culturi continue;- sa realizeze 0 densitate celulara ridicata;- sa permita 0 temperatura optima de crestere cat mai ridicata;- sa fie tolerabile la modificari ale pH-ului;- sa prezinte rezistenta la contaminare.

In afara acestor cerinte de ordin fiziologic se impune ca microorganismele utilizate In obtinerea debiomase proteice

- sa aiba un conti nut de proteine, grasimi, hidrati de carbon de inalta calitate;- sa aiba un continut cat mai redus de acizi nucleici;

- sa prezinte proprietati nutritive cat mai ridicate;- sa fie netoxice si usor digerabile (asimilabile);
http://aprox.93/http://aprox.93/http://aprox.93/http://aprox.93/http://aprox.93/http://aprox.93/


6/8

- sa prezinte proprietati organoleptice (gust, miros) corespunzatoare;- sa fie cat mai usor separabile din mediul de cultura si- sa permita procesarea ulterioara fara degradare.

1. Bacteriile

Dintre caracteristicile impuse utilizarii bacteriilor in obtinerea biomaselor proteice, cea maiimpOlianta este asigurarea unei conversii cat mai mari a sursei de carbon in mas a celulara si a unui randamentde crestere ridicat. Acest lucru este impOliant nu numai datorita faptului ca 0 buna pmie din pretul de cost alprodusului il constituie pretul materiei prime, dar si datorita faptului ca randamentul de crestere are implicatiiimpOliante in procesul de productie. 0 conversie eficienta a substratului are ca rezultat un randament mare decelule si deci 0 productivitate mare, un necesar mai mic de oxigen, respectiv 0 cantitate mai mica de energieeliberata pe unitatea de celula produsa. Aceste fenomene influenteaza la randul lor costul de productie,diminuand costul necesar aerarii, respectiv racirii fermentatorului.

Utilizarea bacteriilor la obtinerea de biomase proteice prezinta urmatoarele avantaje: viteza mare decresteIte si un randament ridicat de celule pe substraturi cu continut de carbon, mai mari decat la oricare dincelelalte categorii de microorganisme; continut ridicat de proteine; calitatea superioara a proteinelor din punctde vedere al compozitiei in amino-acizii constituenti, in special cei esentiali.

Dezavantajele prezentate de bacterii constau in: numarullimitat de specii utilizabile pentru domeniulalimentar; dimensiunea mica a celuleloJ ceea ce determina dificultati in etapa de separare (filtrare); continutrelativ ridicat de acizi nucleici.

2.Drojdiile

sunt microorganismele cele mai utilizate in obtinerea de SCP pentru uz alimentar, fiind fomie bine tolerate deorganismul animal si uman. Dintre diferitele specii de drojdii trei sunt categoriile cele mm utilizate si anumedrojdiile de bere din clasa Saccharomyces, drojdiile Candida si Torula.

Utilizarea drojdiilor in obtinerea de biomase proteice prezinta urmatoarele avantaje: pe langacontinutul profeic, sunt impOliante smse de vitan1ine ale complexului B si produc in cantitati mici vitamina Esi provitamina D; au un conti nut relativ redus de acizi nucleici; au 0 toxicitate redusa si sunt bine tolerate deorganismul uman si animal; dimensiunea mare a celulelbr faciliteaza separarea din mediu de fermentatie.Principalul dezavantaj consta in continutul mai redus de proteine a caror compozitie in amino-acizi cucontinut de sulf este mai sarac.

3. Fungiia caror utilizare ca sursa proteica este relativ de data recenta, desi utilizarea ciupercilor in industria alimentaraeste de foarte multa vreme cunoscuta. Cercetarile in domeniul SCP au aratat ca: viteza de crestere este mailenta decat a bacteriilor, respectiv a drojdiilor; au un continut proteic mai scazut; proteinele din fungii suntdeseori deficitare in amino-acizi cu continut de sulf; ridica serioase probleme din punct de vedere al toxicitatii,digestibilitatii si continutului nutritiv.

Cu toate neajunsurile prezentate, datorita faptului ca fungiile produc 0 gama variata de enzime care

hidrolizeaza sursa de carbon, ele sunt apte de a creste pe materii prime complexe ca celuloza, hemicelulozasau amidon, pe care Ie asimileaza cu usurinta. De asemenea, permit recuperarea prin simpla filtrare, ceea cereduce semnificativ costurile de operare.

3. Algele reprezinta o sursa deosebit de atractiva in obtinerea de biomase proteice, datorita posibilitatiilor de asimilare a dioxidului de carbon. Unele specii de alge au capacitatea de asimilare si a azotuluiatmosferic (algele verzi-albastre).

Obtinerea maselor proteice se realizeaza in bazine deschise sau lacuri naturale. Datorita conditiilor demediu problema contaminarii culturilor cu bacterii si protozoare este importanta. Aigele prezinta o viteza decrestere mai mica decat la bacterii si drojdii, dar separarea lor din mediu este mai usoara. Datoritaproductivitatii reduse, utilizarea lor este relativ redusa.

Valoarea nutritionala la proteinelor din alge (testata pe animale) este mai scazuta -hiar si decat cea acaseinei, datorita deficientiei in amino-acizi cu continut de sulf. Datorita insa continutului relativ ridicat de


7/8

lisina pot fi utilizate ca adaos la cereale.

Materii primeo gama variata de materii prime pot fi utilizate ca sursa de carbon ienergie pentru

obtinerea de proteine monocelulare, care pot fi impartite in trei mari categorii:.:. dioxidul de carbon;.:. materii prime chimice ipetrochimice (alcool metilic, etilic, n-parafine, fractiuni petroliere);.:.biomasa regenerabila (materiale ligno-celulozice, amidon, zahar)

1. SCP din culturi de microorganisme fotosinteticeMicroorganismele fotosintetice, sunt capabile de a transforma CO2 din aer cu ajutorul luminii solare

in hidrati de carbon.In categoria microorganismelor fotosintetice sunt cuprinse trei grupe de microorganisme:a). Bacterii fototrofe, care in procesul de fotosinteza nu realizeaza fotoliza apei, in consecinta nu pot

utiliza oxigenul din apa ca donor de electroni. In schimb utilizeaza electroni proveniti din reducerea H2S saua altor compusi ai sulfului sau chiar a un or acizi organici cu masa moleculara mica. Multe din acestemicroorganisme pot genera azot molecular. Pentru obtinerea de biomasa prezinta importanta:

-speciile Chromatium , care folosesc drept sursa de electroni H2S, iar S il transforma in sulfat;-speciileRhodopseudomonas, care utilizeaza ca donori de electroni substante organice simple.

b). Cianobacteriile, cunoscute sub denumirea de alge albastre.Aceste specii contin pe langa c1orofilaA 0 serie intreaga de pigmenti si pot realiza fotoliza apei. Importanta prezinta speciile Spirulina.

c). Algele verzi, care contin c1orofila A si B ca toate plantele verzi si utilizeaza numaiapa ca donor de electroni. Prezinta importanta speciile Chlorella si Scenedesmus. In ultimii 20de ani s-au efectuat ample cercetari in acest domeniu, pentru a transpune

aceste procese la scara industriala.Microorganismele fotosintetice pot fi cultivate in diferite procedee:-procedeul C-autotrof ;-procedeul C-autotrof si heterotrof (mixotrof);'-procedeu heterotrbf, in care proprietatea de asimilare a CO2 sub influenta luminii nu se maiutilizeaza.Culturile pot fi realizate cu scopul:1 obtinerii de concentrate vitamino-proteinice, utilizate ca aliment sau furaj; epurarea de ape reziduale, prin culturi mixte JCU alte tipuri de microorganisme (in special

bacterii), care sa realizeze descompunerea substantelor organice si eliminarea mineralelor nedorite.Biomasele astfel obtinute se utilizeaza, de regula, ca furaje.

radiatiei solare, deci de zona geografica. Spre exemplu se obtin 28 g/m

2

/Zi la Dortmund (Germania), 35g/m

2/Zi la Treborn (Cehia), 43g/m

2/Zi la Rupite (Bulgaria) pentru culturi de Scenedesmus, iar pentru culturi

de Chlorella in Izrael se obtin 63g/m2

/Zi . Schema general a a unei astfel de culturi este prezentata in fig.t.Distrugerea membranei l celulare se poate face cu enzlme celulitice, obtinute din Trichothecium

roseum. Preparatul enzimatic se adauga la cultura de aige, se mentine 0 ora la fierbere apoi se raceste la40C, obtinandu-se 0 biomasa de alge verzi.

Culturile de alge pot fi realizate si in scopul purificarii apelor reziduale. Schema de principiu a uneiastfel de culturi este prezentata in figura 2.

Principalele tip uri de alge utilizate pentru producerea de biomasa proteica sunt: Spirulina,Chlorella, Scenedesmus, Coelastrum tar pentru epurare se utilizeaza: Micractinium, Chlamydomonas,Euglena, Ankistiodesmus.

Bacteriile fotosintetice pot fi cultivate si pe extracte apoase bogate in hidrati de carbon, de ex. amidonde grau, orez, cartofi, banane, putand fi utilizate si hidrolizate acide ale acestor produse. Speciile


8/8

Rhodopseudomonas sunt facultativ aerobe, in consecinta spre deosebire de celelalte specii anaerobe, se potdezvolta si in prezenta oxigenului. Schema unei culturi deRhodopseudomonas gelatinosapentru obtinerea deSCP este prezentata in fig.3.

1. Cultura alge prin procedeu carbon autotrof

Bacteriile se cultiva la 37C un pH 7-obtinandu-se aprox. 10g celule uscate/l Substratul este format dinsuspensie de amidon de grau (30% subst.uscata) hidrolizat, care se sterilizeaz 4h/121C. Extractul sealimenteaza cu un debit de 18.900 l/h intr-o serie de vase de cultura cu capaciti de 17000 l, confecionate dinPVC. Timpul de cultur este de 24 h. Pe timpul ziIei cultura dispune de energie solara, iar noaptea seilumineaza cu becuri de 400 W. Biomasa obtinuta contine 18% proteine si un extract de 60% compusi frazot. Capacitatea de productie este de cca 5 t/zi.

Fig 2, 3

In tabelul 2 sunt cateva date referitoare la instalatiile de productie de biomasa proteic cu ajutorul unormicroorganisme fotosintetice

Microorganism Capacitatea de productie BeneficiarChlorella 700 t/an, suprafaa de cultur

83400 m2Taiwan Chlorella ManufacturerCo.Ltd. taipei

Spirulina geitleri sau maxma 320 t/an, suprafaa de cultur900 m2

Sosa Texaco S.A. Mexico

Scenedesmus acutus 200 t/an Institutul de cercetri biologiceDortmund, Germania

Spirulina platensis suprafaa de cultur 400 m Universitatea Ben Gurion, Israel

Scenedesmus dimorphusMicractinium suprafaa de cultur 2270 m Technion Haifa, IsraelDunaliella bordawil 140 t/an, suprafaa de cultur

20000 m2Koor Chemicals, Haifa, Israel

12-14 biotehnologii

Documents

Transcript of 12-14 biotehnologii