Download - biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

Transcript
  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    1/13

    Universitatea tehnica Gh. Asachi Iasi

    Facultatea de inginerie chimic si protecia mediului

    Biotehnologii n protecia mediului

    Profesor curs: Daniela UTEU Student: Alexandru NI

    Profesor asistent: Alexandra BLAGA An IV, grupa 2405

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    2/13

    Biotehnologii ecologice

    de valorificare a

    deeurilor

    agroalimentare

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    3/13

    Introducere

    Termenul de biotehnologie este o form prescurtat a expresiei tehnologie biologic i a fost

    introdus n limbajul curent, pe la mijlocul anilor 70, ca un substituent al noiunii mult mai ambigue de

    bioinginerie, care a fost ntrebuinat frecvent pentru a descrieprocesele de inginerie chimic n care se

    utilizeaz microorganisme sau componente active ale acestora, n special, proiectarea fermentatoarelor,precum i recuperarea i purificarea produselor biologice obinute.

    Conform definiiilor recente, biotehnologia reprezint:

    1) o tiin care studiaz procesele de bioproducie bazate, preponderent, pe activitatea

    microorganismelor i a principalelor componente ale acestora, precum i pe utilizarea celulelor i a

    esuturilor aparinnd organismelor superioare

    2) o tiin multidisciplinar care integreaz cunotinele de microbiologie, biochimie, biologie

    molecular, biologie celular, imunologie, enzimologie, genetic, biofizic, bioinginerie, inginerie

    chimic, matematic, cu scopul bine determinat dea utiliza microorganismele vii i componentele lor,precum i alte tipuri de celule sau esuturi de origine vegetal sau animal, pentru obinerea de produse

    utile n agricultur, zootehnie, alimentaie, medicin, industria farmaceutic (figura 1).

    Biotehnologia proteciei mediului nsumeaz o multitudine de concepte i noiuni similare cu cele

    specifice altor tiine ale naturii, avnd un caracter multi- i interdisciplinar, att n privina necesitii

    studierii fenomenelor cu efecte ecologice determinate de interaciunea poluanilor cu diferite

    componente ale ecosistemelor, ct i sub aspect practic, n sensul transferului rezultatelor tiinifice

    obinute n laborator sub forma unor aplicaii biotehnologice, menite s restabileasc echilibrele

    ecologice afectate de fenomenul global al polurii.

    Figura 1. Stiinele utilizate n biotehnologie

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    4/13

    Printre obiectivele specifice ale Biotehnologiei proteciei mediului se evideniaz:

    1) fundamentarea cunoaterii tiinificea fenomenelor de poluare i a mecanismelor de aciune ale

    agenilor poluanilor asupra tuturor sistemelor biologice, de la nivel celular, pn la nivelul biosferei;

    2) promovarea celor mai avansate biotehnologii pentru minimizarea i chiar eliminarea efectelor

    negative ale agenilor poluani manifestate n dinamica relaiilor trofice stabilite ntre organisme, la

    toate nivelurile de organizare i integrare sistemic a materii vii n mediul abiotic

    3) asigurarea cadrului logistic adecvat pentru elaborarea, testarea i aplicarea celor mai performante

    biotehnologii, prin intermediul crora s se realizeze integrarea dezvoltrii tehnico-economice a

    societii umane n cadrul mediului natural, ca o garanie a evoluiei armonioase a tandemului natur-

    om.

    Biotehnologii ecologice

    Biotehnologiile ecologice reprezint acel grup distinct de biotehnologii moderne, utilizate n

    scopul prevenirii sau combaterii efectelor fenomenelor de poluare a ecosistemelor, prin utilizarea unor

    specii de microorganisme, care au capacitatea metabolic de a converti factorii poluani n produse

    biogene, cu proprieti benefice pentru starea de sntate a populaiilor umane, precum i pentru

    meninerea calitii naturale a mediului ambiant.

    Aplicarea acestor biotehnologii ecologice, cu precdere n domeniul activitilor agro-industriale,

    are un dublu efect benefic, prin:

    1) soluionarea problemelor legate de impactul asupra mediului, generat prin acumularea anumitor

    deeuri vegetale, rezultate din procesele tehnologice de prelucrare a produselor agro-alimentare,

    utiliznd n acest scop mijloace biologice pentru valorificarea lor integral, fr efecte poluante i

    eficiente din punct de vedere economic;

    2) obinerea unor suplimente alimentare cu valoare nutritiv ridicat, ale cror efecte terapeutice vor

    determina creterea strii de sntate a publicului consumator.

    n acest context, elaborarea i aplicarea biotehnologiilor ecologice de fermentare fungic a

    deeurilor vegetale, rezultate din fluxurile tehnologice utilizate n industria agro-alimentar, precum i n

    industria de vinificaie, reprezint o alternativ cu dublu efect benefic, respectiv, att asupra

    alimentaiei i sntii populaiilor umane, prin obinerea de suplimente alimentare, bogate n compuibiologic activi, cu proprieti nutritive remarcabile, ct i asupra calitii mediului, prin valorificarea

    superioar a tuturor acestor materiale vegetale reziduale.

    Biotehnologiile ecologice constituie acele tehnologii moderne, destinate intensificrii

    metabolismului specific microorganismelor utilizate pentru conversia anumitor substraturi, prin

    creterea i multiplicarea celulelor microbiene n bioreactoare, complet automatizate i computerizate,

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    5/13

    care ofernumeroase avantaje economice, tehnice i de pstrare a strii de sntate a mediului. Iat

    numai cteva dintre aceste avantaje, cu efecte extrem de importante n plan economic:

    scurtarea semnificativ a ciclului biologic de dezvoltare celular, n medie, de la 6 - 10 sptmni (n

    sistemul clasic, n funcie de specia respectiv), pn lacel mult o sptmn ;

    asigurarea parametrilor optimi de aciune a factorilor abiotici, indispensabili pentru realizarea

    cantitilor maxime de biomas celular, n cel mai scurt timp;

    reducerea considerabil a cheltuielilor de energie i manoper, precum i a volumului de materii prime

    manipulate;

    eliminarea oricror surse de poluare, prin utilizarea unor medii de cretere i dezvoltare a culturilor

    celulare, care sunt preparate fr utilizarea unor amendamente sau a unor aditivi de sintez chimic, aa

    cum se procedeaz n culturile de tip clasic, precum i prin absena total a reziduurilor de orice

    natur;

    biomasa celular (vegetal, animal sau microbian), obinut prin aplicarea acestor biotehnologii de

    cultivare ecologic este 100% natural i poate fi utilizat integral pentru fabricarea de produse

    alimentare sau farmaceutice, care vor contribui la creterea strii de sntate a consumatorilor umani.

    Aplicarea biotehnologiilor ecologice va facilita atingerea obiectivelor socioeconomice privind

    creterea capacitii societilor comerciale de procesare industrial a produselor agroalimentare, de a

    respecta normele i directivele programului de protecie a mediului elaborat de Uniunea European,

    avnd un impact deosebit n mai multe planuri.

    1. n plan tehnologic, prin:

    utilizarea biotehnologiilor de valorificare superioar a deeurilor i subproduselor din horticultur,

    viticultur i industria agroalimentar, pentru producerea de biomas fungic nutritiv;

    cretereaproductivitii activitilor efectuaten domeniile menionate, prin utilizarea integral a

    tuturor materiilor prime utilizate n fluxurile tehnologice de procesare;

    2. n plan operaional, prin:

    sporirea performanelor de producie va conduce la creterea veniturilor celor implicai n activitile

    productive din aceste domenii, precum i obinerea unui profit economic semnificativ;

    aplicarea standardelor de calitate i de protecia mediului la nivelul cerinelor Uniunii Europene.

    Definirea deeurilor

    Exist mai multe posibiliti de a defini notiunea de deeu. Comisia Uniunii Europene, Secretariatul

    Conveniei de la Basel, Organizaia European pentru Comer i Dezvoltare i au propriile lor definiii

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    6/13

    oficiale. n directiva cadru pentru deeuri a Comisiei UE, 75/442/EEC este dat definiia juridic a

    deeului: Prin deeuse ntelege orice obiect sau substan [] pe care proprietatul acesteia l/o

    arunc sau intenioneaz sa l/o arunce. n concordan cu definiia UE, noiunea dedeeu este

    definit asemntor i n alte state ale Uniunii. Vechea difereniere ntre deeuri a cror depozitare este

    generatoare de cheltuieli i deeuri a cror depozitare este aductoare de venituri nu mai exist ca

    legiferare. Pn nu de mult, deeurile tipice rezultate prin prelucrarea alimentelor nu erau privite deproductori drept deeuri, ntruct acestea de regula erau vndute. Mai mult dect att, aceast practic

    considerat sigur din punct de vedere al proteciei mediului: deeul era compus din hran. Fiind n

    strns legtur cu industria alimentara, agricultura a fost primul dintre sectoarele n care s-au depozitat

    deeurile industriei alimentare. Dac aceast depozitare de deeuri poate fi considerat drept reciclare,

    este greu de considerat.

    Deeurile reprezint o pierdere substanial de resurse, privit att sub form de materiale dar i

    de energie. Aceasta este consecina faptului c generarea excesiv de deeuri este rspunsul unor

    procese de producie ineficiente, a durabilitii reduse a bunurilor i al unui anumit profil al consumului.

    Volumul de deeuri este un indicator al modului n care o societate utilizeaz eficient sau nu materiileprime ( Oros V., 2002; Ungureanu C., 2006; Suteu D., 2009).

    Clasificarea deeurilori proprietile deeurilor industriei agroalimentare

    In general, intr-un proces de productie intra materii prime si materiale auxiliare si ies produsele

    finite si deseuri care pot fi deseuri specifice produsului obtinut sau deseuri nespecifice.

    Cantitatea i calitatea deeurilor nespecifice este practic independent de tipul i calitatea

    produsului finit. Ca de exemplu de deeuri nespecifice se pot meniona containerele pentru produsele

    chimice utilizate n curirea i dezinfecia instalaiilor industriei agroalimentare. Numrul i timpul

    acestor containere care trebuie ndeprtate nu influieneaz calitatea produsului obinut.

    n cazul deeurilor specifice, cantitatea generat raportat la nivelul produciei nu poate fi

    modificat dect prin mijloace tehnice, mijloace care, de cele mai multe ori, conduc la modificare

    calitii produselor. Ca exemple tipice de astfel de deeuri pot fi menionate bobele de orz epuizate la

    fabricarea berii, subprodusele de abatorizare din produia de carne, cojile de cartof sau de citrice,

    pinea nvechit etc. Deeurile specifice se acumuleaz n mod inevitabil ca urmare a prelucrrii

    materiilor prime. Ele sunt produse n diverse etape ale procesului biotehnologic, etape n care din

    materia prim sunt extrase produsele dorite. Dup extragerea acestora, deseori n deeuri mai rmn n

    componentele potenial utile.

    Deeurile din industria agroalimentar sunt caracterizate de o valoare ridicat a raportului dintre

    cantitile de deeuri specifice i de produse finita. Aceasta nseamn c, pe lng faptul c generarea

    acestor deeuri specifice este inevitabil, cantitatea i tipul deeurilor produse, constnd n principal din

    resturi organice ale materiei prime prelucrate, este dificil de modificat cu meninerea intacta a calitii

    produsului finit. Uilizarea i depozitarea deeurilor specifice este dificldatorita instabilitii biologice, a

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    7/13

    naturii potenial patogene, a coninutului ridicat de ap, a potenialului rapid de autooxidare, precum i

    datorit nivelului ridicat al activitii enzimatice. Diversele tipuri de deeuri generate n diferite ramuri

    ale industriei agroalimentare pot fi cunatificate n funcie de nivelul produciei n ramura respectiv.

    Metodele actuale de utilizare a deeurilor specifice s-au dezvoltat odat cu liniile tradiionale de

    productie, fiind strns legate de originea agricol a materiilor prime. Dou sunt metodele tradiionale deutilizare a deeurilor: ca hran pentru animale( boabele de cereale epuizate, frunzele si coletele de

    sfecl, de ex) sau ca ngrmnt ( nmolul de la filtrare sau de la carbonatare din industria zahrului, de

    ex). Majoritatea soluiilor agricole pentru depozitarea deeurilor reprezint un echilibru ntre

    reglementrile legislative i ele mai bune soluii ecologice i economice.

    Analizand diverse ramuri ale industriei alimentare se pot determina cantitile de deeuri

    generate pe fazele procesului tehnologic. Se poate calcula un indice al deeurilor specifice (IDS), definit ca

    raport intre masa deeurilor acumulate raportate la masa produsului comercializabil. Tabelul 1 prezint

    principalele deeuri din diversele ramuri ale industriei agroalimentare, precum si valorile deeurilor

    specifice.

    Tabelul 1. Principalele deeuri din industria agroalimentar

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    8/13

    Pan in prezent, cea mai important metod de a scapa de deseurile industriei alimentare a fost

    utilizarea acestora n hrana animalelor. n tabelul 2. sunt prezentate informatii referitoare la compoziia

    diferitelor deeuri utilizate ca hrana pentru animale.

    Tabelul 2. Informaii referitoare la compoziia diferitelor deeuri utilizate ca hran pentru animale.

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    9/13

    Pe lang deeurile solide, industria agroalimentara produce i poluanti aeropurtai (gaze, particule

    solide sau lichide) precum si ape reziduale. Apele reziduale reprezint cel mai intalnit deeu al industriei

    agroalimentare, intruct multe operaii unitare ale tehnologiilor produselor alimentare (splare,

    evaporare, filtrare, extracie, etc) se desfasoar in mediu apos sau necesit cantii importante de ap.

    Apele reziduale provenite din aceste procese conin uzual cantiti importante de solide n suspensie,

    compui organici dizolvati (glucide, lipide, proteine), punnd probleme dificile in ceea ce privetedeversarea. In tabelul 3. sunt prezentate caracteristicile tipice ale unor ape reziduale provenite din

    diverse ramuri.

    ,

    Tabelul 3. Caracteristicile tipice ale unor ape reziduala provenite din diverse ramuri.

    Deeurile biodegradabile reprezinta o categorie de deseuri formate din:

    O fractie importanta din deseuri municipale (40-70%); Deseuri rezultate din activitati agricole si zootehnice; Deseuri de la prelucrarile agro-industriale, precum si Namolul de la statiile de epurare a apelor.

    Deeurile agroindustriale sunt in proportie foarte mare de tip biodegradabil i pot rezulta dinurmatoarele activiti: din horticultur, viticultur (ramuri, frunze, etc), culturi agricole (paie, coceni,frunze, ramuri, etc), deseuri din zootehnie (gunoi de grajd), activitati industriale (industria de procesare,industria piscicol, industria vinului, industria berii).

    O parte din aceste deeuri pot fi utilizate fie in hrana animalelor (o serie de subproduse de lafabricile de zahar, de la macinarea cerealelor) sau ca ingrminte organice. Gunoiul de grajd,excrementele de la fermele de crestere a pasrilor, formeaza o cantitate importanta de deeuribiodegradabile utilizabile in procese de digestie (anaerob si aerob)

    Stocarea n depozite (ecologice sau nu) a deeurilor biodegradabile prezint o serie de dezavantaje

    majore in ceea ce priveste impactul asupra mediului si asupra sntaii populaiei.

    Selecia final a metodei de tratare in defavoarea depozitarii depinde de infrastructura, conditii

    economice si de mediu specific fiecrei zone. n alegerea metodei de tratare se au n vedere

    urmatoarele:

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    10/13

    Cantitatea, tipul si accesibilitatea materialelor biodegradabile; Necesitatea (cererea) de fertilizani, amelioratori pentru sol sau energie; Caracteristicile zonei (distanta fata de sursa de deseuri, urbanizarea, etc) Posibilitatea racordarii la sistemul zonal de distributie a caldurii sau electricitatii; Pretul energiei electrice

    Tehnologii de tratare biologic

    Plecnd de la capacitatea deeurilor biodegradabile de a fermenta, n vederea implementrii unor

    tehnici eficiente de tratare a acestei categorii de deeuri, au fost dezvoltate i mbuntite numeroase

    biotehnologii, care n o serie de cazuri functioneaz n paralel sau nlocuiesc tehnicile de incinerare i

    depozitare controlat. Acestea reprezint marele avantaj c reduc volumul de deeuri, producnd n

    schimb dou produse extrem de utile: compostul i biogazul.

    Dintre biotehnologiile aplicate n valorificarea i tratarea deeurilor de o atenie deosebit se

    bucur in ultimul timp tehnologiile de digestie ( aerob compostarea i anaerob fermentarea

    (digestia) anaerob ). Acestea prin produsele principale generate se aliniaz noilor tendine din Uniunea

    European privind obinerea de energie i de noi resurse i nlocuirea produselor chimice de

    condiionare a solului cu produse ecologice, cu ipact negativ redus asupra faunei i florei.

    Indiferent de tehnologia de digestie adoptat, fluxul tehnologic va fi schematizat ca n schema 1.

    Schema 2. Reprezentarea schematizat a fluxului tehnologic al digestie

    Colectare selectiv/ Sortare

    Tratare mecanic mrunire

    separare

    Digestie Condiionare

    produse

    inocul

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    11/13

    Compostarea

    Compostarea( figura 2), este o metod ecologic de procesare a deeurilor biodegradabile, prin

    transformarea lor intr-un produs nepoluant numit compost, cu nalt valoare nutritiv pentru plante i

    cereale, respectiv un foarte bun amendament al strii fizice i chimice a solurilor. Ea reprezint

    totalitatea transformrilor fizice, chimice i biochimice pe care le sufer deeurile biodegradabile, de laforma iniial i pn ajung n diferite stadii de humificare. Este un proces biologic natural, aerob i

    exoterm, n care microorganismele convertesc deeurile biodegradabile n CO2, vapori de H2O i

    compost.

    Procesul de compostare are ca rezultat stabilizarea deeurilor i reducerea volumului. Fezabilitatea

    procesului depinde de existena unei piee de desfacere pentru produsul final. Separarea la surs a

    deeurilor este esenial, reducnd substanial costurile procesului de compostare.

    Figura 2. Compostarea

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    12/13

    Digestia anaeroba

    Digestia anaeroba este un process biologic, de descompunere a materiei organice umede, care se

    desfasoar n incinte inchise, n absena oxigenului molecular si a luminii si n prezena mai multor specii

    de bacterii. In acest process microorganismele descompun material organica n substane cu molecula

    simpl i amestec de gaze. Amestecul gazos este format din CH4 si CO2alturi de care se ntalnesccantii mici de H2, H2S, mercaptani, vapori de ap i urme de NH3, N2i se numeste biogaz.

    Digestia anaeroba are ca rezultat reducerea volumului deeurilor cu stabilizarea acestora si

    obinerea de fertlizatori pentru sol i biogaz. Prin aceast metoda pot fi tratate toate tipurile de

    deeuri biodegradabile nsa cel mai bine se preteaz deeurile provenite de la fermele de animale

    (bovine, porcine). Fezabilitatea metodei depinde de existena unei piee de desfacere a fertilizatorilor

    si biogazului. O importan foarte mare o are separarea la sursa a deseurilor. Cu toate c metoda este

    cunoscuta de foarte mult timp, aplicarea la scar industrial s-a facut doar in ultimii 10 ani.

    Tratarea prin procese de membran

    Procesele de membran cum ar fi osmoza invers, diafiltrarea i electro dializa sunt utilizate n

    special pentru tratarea zerului provenit de la fabricarea brnzeturilor. Prin procese de membran pot fi

    recuperate anuminte componente valorificabile ale zerului, cum ar fi concentratul proteic, de exemplu.

    Tratarea n iazuri i lagune

    Iazurile de stabilizare sunt similare lagunelor aerate mecanic, excepie fcnd faptul c n iazuri

    oxigenul este furnizat de ctre populaiile de alge. Aceste iazuri au un raport relativ mare suprafa

    volum, astfel nct razele solare ajung pn la alge stimulnd fotosinteza oxigenului. Datorit suprafeei

    mari ocupare sunt oarecum nepractice.

    n lagunele aerate, biomasa activ este la un nivel sczut fiind necesar aerarea pentru a obine

    rezultate comparabile cu alte procese aerobe, cum ar fi procedeul cu nmol activat. n lagunele aerate

    amestecarea este puin intens, astfel ncat are loc sedimentarea solidelor. Materia organic este

    indeprtat printr-o combinaie de separri fizice i degradri aerobei anaerobe. Pentru mbuntirea

    calitii efluientului final se pot utiliza mai multe lagune nseriate, caz n care prima lagun este cel mai

    intens aerat. A doua sau a treia lagun sunt mai mult pentru sedimentare i finizarea tratrii.

    n lagunele anaerobe degradarea materiei organice decurce n absena oxigenului dizolvat, ea

    transformndu-se n acizi organici, dioxid de carbon i metan. Suplimentar aprnd cantiti mici i gaze

    cu miros neplacut, cu ar fi amoniacul i hidrogenul sulfurat. Conversia materiei organice poate ajunge la80-90 % la o vitaz mica i cu volum mai redus de nmol format dect n sistemele aerobe.

    Partial, tratarea deeurilor n iazuri i lagune decurge prin procedee fizice (sedimentarea solidelor, de

    exemplu). Probleme pot aprea cu mirosurile neplcute i cu infiltraiile n pnza freatic. De asemenea

    este necesar inerea sub contro a insectelor.

  • 7/28/2019 biotehnologii ecologice de tratare a deseurilor agroalimentare

    13/13

    Noi metode de valorificare a deeurilor

    Noile metode de prelucrare a deeurilor industriei alimentare se concentreaz pe anumite

    componente ale acestora. Coninutului de fibre (solubile si insolubile) din alimente i se acorda o

    importan din ce in ce mai mare in nutriia uman. Cerealele epuizate i rezidurile de la prelucrarea

    morcovilor pot fi utilizate pentru obinerea fibrelor destinate consumului uman.

    Fibrele solubile si insolubile din deeurile de mere, tomate si morcovi, precum si din cojile de citrice

    pot fi extrase diverse clase. n producia de alimente, aceste fibre servesc la legarea apei, datorita

    proprietatilor lor adsorbtive si a capacitatii de a forma geluri.

    Materialul fibros al cerealelor epuizate din industria berii poate fi utilizat ca material de umplutur

    sau ca material de structur suplimentar in plcile fibrolemnoase.

    Grsimile recuperate din deeurile de la abatorizare servesc ca baz pentru numeroase produse din

    industria chimic i industria cosmeticelor.

    Obinerea alcoolului din tescovin este metoda clasic de valorificare a acesteia. Dup descoperirea

    valorii nutritive a uleiului din smburii strugurilor, acestia sunt separate din tescovin i supui extraciei

    prin presare in vederea obinerii uleiului. Dup fermentare n condiii speciale, tescovina poate fi

    utilizat i ca ngrmnt.

    Prelucrarea laptelui conduce la cantiti importante de zerpentru a crui valorificare sunt cautate

    diferite alternative. Este posibil utilizarea zerului in alimentaie, dar cantitatea utilizat este redus n

    raport cu producia total de zer din industria produselor lactate. Exist posibiliti tehnice pentru

    fermentarea zerului cu producere de alcool sau pentru extracia i valorificarea lactozei, dar acestea nu

    sunt intotdeauna si economice i eficiente.