Содержание

1. Введение

2. Исследовательская часть

2.1 Подбор носителя, культуры микроорганизмов и метода иммобилизации

2.1.1 Методы иммобилизации клеток микроорганизмов

2.1.2 Адсорбционная иммобилизация микроорганизмов

2.1.3 Виды адсорбентов

2.1.4 Приемы адсорбционной иммобилизации клеток микроорганизмов

2.1.5 Выделение и культивирование микроорганизмов

2.1.6 Иммобилизация микроорганизмов

2.2 Разработка лабораторной установки

2.3 Отработка режимов иммобилизации и очистки

3. Разработка технологической схемы очистки

4. Расчет материальных потоков

5. Разработка и расчет промышленного аппарата

5.1 Технологический расчет

5.2 Механические расчеты

6. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

7. Технико-экономические расчеты

7.1 Технологическая схема производства

7.2 Расчет производственной мощности

7.3 Расчет капитальных затрат

7.4 Расчет годовых эксплуатационных затрат

7.5 Проектная калькуляция себестоимости очистки

7.6 Расчет ежегодной экономии на платежах предприятия при снижении выбросов вредных веществ в сточные воды.

7.7 Расчет основных технико-экономических показателей

8. Безопасность жизнедеятельности.

8.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

8.2 Классификация производства

8.3 Мероприятия по безопасному выполнению работ

8.3.1 Общие мероприятия

8.3.2 Порядок допуска к выполнению работ

8.3.3 Организация контроля за состоянием охраны труда

8.3.4 Применение средств индивидуальной защиты работников

8.5 Расчет заземляющего устройства электропривода насоса

1. Введение

Обезвреживание разнообразных органических отходов, жидких стоков производственных предприятий все чаще проводится с помощью микробиологических методов. Наиболее широко применяются микроорганизмы – деструкторы, которые используют кислород воздуха для окисления различных органических соединений. Такие аэробные методы очистки реализуются, в основном, в аэротенках, главные недостатки которых — необходимость перемещения биомассы (активного ила) и удаления избыточных ее количеств. Чтобы избежать этих недостатков и реализовать проточный принцип очистки, применяют иммобилизацию микроорганизмов на различных носителях.

Целью работы был подбор методов и расчет аппарата для очитки сточных вод от фенола и нефтепродуктов. Фенол и его производные (особенно галоген-производные, диоксины) являются крайне токсичными соединениями. Их ПДК составляют тысячные доли миллиграмма на литр. В то же время масштабы выбросов фенола и его производных говорят о необходимости разработки эффективного метода их утилизации. Основными поставщиками фенола в окружающую среду являются ЦБК, предприятия – производители кабельно – проводниковой продукции, фенол- формальдегидных смол, фанеры, пластика. Микроорганизмы-деструкторы были выделены из активного ила очистных сооружений города Перми. Выделение и культивирование бактерий производили на среде Е при 37С с содержанием фенола 0,1 мг/л.

Поскольку фенол является трудноокисляемым соединением, был предложен биосорбционный метод очистки, позволяющий снизить токсическое действие фенола на микроорганизмы и повысить скорость разложения нефтепродуктов.

Отработаны методы выделения и культивирования микроорганизмов-деструкторов фенола и нефтепродуктов. Иммобилизацию производили сорбционным методом без использования модифицирующих реагентов. Полученный иммобилизованный сорбент обладает повышенной окислительной активностью по сравнению со свободно растущими клетками.

В качестве носителя для иммобилизации был предложен березовый активированный уголь марки БАУ-4, так как он обладает высокой сорбционной емкостью, как по нефтепродуктам, так и по клеткам микроорганизмов. Поскольку размеры частиц активированного угля не превышают 5 мм, для реализации процесса был предложен аппарат с псевдоожиженным слоем.

В результате экспериментов были определены удельные скорости окисления загрязняющих веществ, и они составили 0,2 и 5 г/кг*сут для фенола и нефтепродуктов соответственно. При этом скорость окисления фенола иммобилизованными клетками превосходит аналогичный показатель для активного ила примерно в 1,5 раза.

С использованием полученных кинетических характеристик биосорбента был спроектирован аппарат для очистки производственных сточных вод объемом 15 м³ и производительностью 7000 м³/сут.

Установка для очистки сточных вод состоит из двух колонных аппаратов и циркуляционного насоса. Колонные аппараты разделены на две зоны: аэрационную и биосорбционную, расположенных коаксиально. В аэрационной зоне происходит насыщение подаваемых сточных вод кислородом, а в биосорбционной зоне – очистка вод от загрязнителей в псевдоожиженном слое биосорбента. Циркуляционный насос обеспечивает стабильность кипящего слоя при колебаниях расхода сточных вод, а так же их разбавление.

Данная установка позволяет эффективно удалять из сточных вод фенол и нефтепродукты и может быть использована как для очистки производственных сточных вод, так и в системах оборотного водоснабжения.

2. Исследовательская часть

2.1 Подбор носителя, культуры микроорганизмов и метода иммобилизации

2.2.1 Методы иммобилизации клеток микроорганизмов

В настоящее время иммобилизованными полагают такие клетки, для которых созданы искусственные ограничения подвижности во внешней среде, а материальный посредник, обеспечивающий эти ограничения подвижности, считается носителем. В целом система клетка-носитель называется иммобилизованным биокатализатором.

В ряде случаев в качестве носителя используются нерастворимые материалы, к которым конкретный тип клеток прикрепляется в реальных условиях (например, древесина, почва, шерсть, минералы и др.), тогда жизнедеятельность клетки в иммобилизованном состоянии является для нее естественной, отличающейся от природной только искусственно поддерживаемыми в биотехнологическом процессе внешними параметрами (температура, давление, влажность и т.д.) и набором подаваемых клетке веществ.

Иммобилизация микроорганизмов (т.е. удерживание их носителем) может быть как необратимой, так и временной. Когда иммобилизуют растущую, интенсивно делящуюся культуру, часто наблюдается постепенный переход клеток из фазы носителя в окружающую среду, даже если исходная биомасса была фиксирована носителем необратимо. Когда же в процессе эксплуатации иммобилизованного биокатализатора со временем нарушается первоначальная целостность носителя, то вымываться из него могут даже неживые клетки. Но иногда оказывается удобной именно обратимая фиксация, чтобы можно было удалить отработавшие свой срок клетки и вновь иммобилизовать свежую их порцию. Такой подход к регенерации биокатализаторов удается применять, например, в случае адсорбционных вариантов иммобилизации. Ко всем методам иммобилизации клеток и к используемым при этом носителям предъявляются определенные требования, которыми обычно руководствуются при разработке того или иного биотехнологического процесса, предусматривающего применение содержащих клетки иммобилизованных биокатализаторов.

1. Прежде всего, используемый способ иммобилизации не должен в значительной степени затрагивать ферментативные системы клетки, необходимые для реализации конкретной технологии. Поэтому при проведении иммобилизации желательно либо совсем исключить, либо свести к минимуму контакт клеток с токсичными для них веществами, а также предотвратить нежелательное воздействие на микроорганизмы температурных и осмотических стрессов.

2. Как правило, предпочтительно осуществлять иммобилизацию таким образом, чтобы в результате клетки надежно удерживались носителем.

3. Желательно, чтобы трудоемкость стадии иммобилизации была по возможности минимальной, как и число манипуляций с клетками (существенно для сохранения стерильности).

4. Необходима хорошая операционная стабильность получаемых иммобилизованных биокатализаторов для их длительной эксплуатации, что зависит от механической, химической и биологической устойчивости носителя в условиях конкретного технологического процесса.

5. Очень важным моментом, особенно при работе с живыми клетками, является обеспечение иммобилизованных микроорганизмов питательными веществами, газообразными субстратами (например, кислородом для дыхания аэробных клеток) и отвод продуктов жизнедеятельности, т.е. материал носителя не должен создавать значительных диффузионных препятствий массообменным процессам.

6. Существенную, а при крупномасштабном производстве зачастую определяющую роль играет экономическая сторона вопроса, т.е. необходимы невысокая стоимость применяемого метода иммобилизации клеток и доступность исходных компонентов, так как даже очень хороший вариант, для которого использованы экзотические вещества и уникальное оборудование, имеет, к сожалению, мало шансов на промышленное воплощение.

Конечно, выполнить все эти требования каким-то единственным, универсальным методом иммобилизации микроорганизмов, учитывая к тому же огромное разнообразие их видов и функциональных особенностей, представляется маловероятным. Поэтому любой конкретный биотехнологический процесс на основе иммобилизованных клеток это - компромисс между «идеальным» и «реально возможным». Но, чтобы как можно в большей степени приблизиться к наилучшему варианту, конечно, необходимо представлять себе, к каким последствиям для биологических функций клетки может привести тот или иной способ ее иммобилизации.

Результативность работы биокатализатора в целом во многом определяется эффективностью снабжения иммобилизованной популяции питательными веществами или субстратами, а также легкостью отвода метаболитов. Эти факторы зависят главным образом от диффузионных барьеров, создаваемых материалом носителя. Поэтому способы иммобилизации классифицируют по принципу конечного состояния удерживаемой носителем клетки. Существуют следующие варианты иммобилизации клеток:

1. Иммобилизация клеток на носителе или на поверхности носителя.

Поверхность или часть поверхности удерживаемой носителем клетки свободно "омывается" внешней средой (жидкой или газообразной); при этом потребление субстратов и выделение продуктов жизнедеятельности микроорганизма определяются преимущественно биологическими факторами, т. е. функциональными возможностями конкретного штамма в среде используемого состава. В качестве носителей для иммобилизации в данном варианте используются различные адсорбенты и ионообменные материалы.

1. Иммобилизация клеток в носителе или в массе (объеме) носителя

Между внешней средой и клеткой в результате иммобилизации последней появляется слой материала носителя, и обмен веществ клетка-среда осуществляется через этот слой, где происходит диффузионно-контролируемый транспорт питательных веществ и отвод метаболитов. В данном случае свойства носителя (например, его пористость, заряд, гидрофильность) могут в значительной степени сказываться на работе иммобилизованного биокатализатора и на уровне реализации потенциальных возможностей микроорганизма. В данном варианте иммобилизации микроорганизмов в качестве носителей применяются либо полимерный гель, либо полимерная пленка, либо полимерное волокно.

1. Иммобилизация клеток с использованием мембранной технологии или иммобилизация в мембранных реакторах.

Клетка и небольшая часть внешней среды помещены в замкнутый объем, отделенный от остальной среды полупроницаемой мембраной, размеры пор в которой таковы, что субстраты и продукты через нее проникают, а клетки удерживаются внутри замкнутого объема. Здесь микроорганизмы находятся непосредственно в среде, с искусственной же мембраной как носителем контактирует лишь слой у поверхности мембраны; остальные клетки фактически не имеют затруднений в движении, если их концентрация не слишком высока.

2.1.2 Адсорбционная иммобилизация микроорганизмов

В случае адсорбционной иммобилизации используется естественная способность многих микроорганизмов закрепляться на разнообразных твердых или гелеобразных носителях и продолжать свою жизнедеятельность в таком обездвиженном состоянии. При этом собственно процедура искусственной иммобилизации предусматривает зачастую просто пропускание суспензии клеток через реактор с адсорбентом.

Адсорбционные методы иммобилизации относятся к числу наиболее простых и "естественных". В природе почти всегда микроорганизмы и их ассоциаты существуют не в изолированной (свободной) форме, а в адсорбированном состоянии. Примером этому являются микробные популяции почвы, кишечника, рубца, некоторые азотфиксирующие микроорганизмы растений и т.д.

В данной работе был выбран именно адсорбционный способ иммобилизации.

Разнообразие свойств поверхности клеток и адсорбентов обусловливает различные механизмы адсорбционного взаимодействия и различные виды сил адгезии. Адгезия клеток на адсорбенте определяется следующими причинами:

1) Образование химических связей между поверхностями клетки и адсорбента (хемосорбция);

2) Ион - ионные взаимодействия, образование ионных пар и триплетов, например, NH₃⁺.. .~ ^—ООС— и —СОО^—~... Са²⁺ ... ~ ^—ООС—;