Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Создание новых препаратов на основе прокариотических организмов
1.1. Влияние органического вещества на абиотическую компоненту окружающей среды 11
1.2. Выделение и применение в промышленности микроорганизмов деструкторов 15
КЗ. Анализ биотехнологических процессов в кожевенно-меховом производстве 29
Глава 2. Организация экспериментов и методы исследования 34
2.1. Объекты исследования и методика проведения эксперимента 34
2.2. Методы исследования 44
Глава 3. Экспериментальная часть
3.1 О возможности использования Бак-концентрата для подготовительных процессов мехового производства 47
3.1.1 .Изучение морфолого-физиологических свойств микроорганизмов, выделенных из сточных вод после процесса обезжиривания 53
3.2,Влияние и изучение свойств культуры Amphibacillus sp 60
3.2.1.Адаптация выделенной культуры Amphibacillus sp на 61
синтетических средах
3.2.2.Изучение деструкции жировых веществ выделенной культурой Amphibacillus sp 72
3.3. Условия культивирования и их влияние на активность ферментов продуцируемых культурой Amphibacillus sp 80
3.3.1. Изучение влияния внешних факторов на изменение концентрации белка, продуцируемого культурой Amphibacillus sp ЗАРазработка схем получения биомассы и проведения биотехнологических методов подготовительных процессов при обработке меховой овчины 91
3.4.1.Изучение возможности проведения биотехнологического процесса обезжиривания меховой овчины с использованием бактериальной суспензии 97
3.5 Оценка качества готового полуфабриката 101
3.6. Анализ качественного состояния сточных вод 102
Глава 4. Технико-экономическое обоснование разработанной биотехнологической методики
4.1. Разработка стоимости бактериальной суспензии 110
4,1.2. Подбор необходимого оборудования 111
4.2. Расчет расхода химических материалов 112
Выводы 116
Список использованных источников 118
Приложение 1 127
Приложение 2 128
Приложение 3 129
Приложение 4 133
- Влияние органического вещества на абиотическую компоненту окружающей среды
- Объекты исследования и методика проведения эксперимента
- .Изучение морфолого-физиологических свойств микроорганизмов, выделенных из сточных вод после процесса обезжиривания
Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время, можно отметить существенный прогресс в решении наиболее сложных вопросов технологии кожи и меха, позволяющих приблизить существующие процессы переработки к «экологически чистым».
Предметом повышенного внимания технологов являются подготовительные процессы, на которых образуется основная масса загрязнений, поступающих на очистные сооружения. При этом необходимо учитывать большую продолжительность жидкостных обработок и их решающее влияние на качество готовой продукции. Однако, на большинстве предприятий, занимающихся переработкой овчин и лушно-мехового сырья, очистные сооружения либо отсутствуют, либо несовершенны, и не могут соответствовать установленным стандартам качества вод без серьезного их обновления. Таким образом, меховые предприятия должны выпускать не только конкурентноспособную продукцию, но и обеспечить экологическую безопасность окружающей среды от возможных отрицательных последствий. Все это ведет к тому, что руководители предприятий стремятся внедрять технологии, которые позволяют получать полуфабрикат с высокими показателями качества и параметрами, соответствующими ГОСТу, выработанными с минимальными затратами труда, химматериалов, времени и воздействием на окружающую среду.
В связи с этим становится актуальным совершенствование технологических процессов переработки меховой овчины, учитывая при этом физико-механические, химические свойства предъявляемые к готовой продукции, но и предполагаемый уровень технического воздействия, оказываемый в последствии на окружающую среду, в частности на нативные водные объекты. При невозможности решения поставленных целей традиционными методами, было предложено использовать биотехнологический метод, основанный на использовании культур микроорганизмов. Общая тенденция предлагаемой технологии - это замена или существенное снижение количества вредных химических материалов в рабочих ваннах: синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), формалина, карбоната натрия.
Поэтому поставленная задача по разработке бактериальной суспензии содержащей микроорганизмы, продуцирующие ферменты с липолитическими свойствами, актуальна для мехового производства. Вследствие чего целесообразно выделение и адаптация микробных продуцентов способных деструктировать жировые вещества в присутствии СПАВ. Однако СПАВ отрицательно воздействует на сложившийся биоценоз нативных водных объектов. В связи с этим необходимо снижение расхода СПАВ в подготовительных процессах мехового производства.
Целью настоящей работы являлось:
Разработка биотехнологического метода проведения подготовительных процессов переработки овчинно-шубного сырья и снижение уровня токсического загрязнения сточных вод, образующихся после проведения подготовительных процессов.
Задачи:
Выделить и изучить возможность использования прокариотических организмов со специфическими свойствами в процессе отмоки и обезжиривания меховой овчины.
Выделить микроорганизмы способные расщеплять жировые вещества в присутствии СПАВ «Превоцелл W-OF-7».
Подбор оптимальных условий культивирования прокариотических организмов со специфическими свойствами.
4. Разработать методику получения маточного раствора.
5. Изучить влияние биотехнологического метода обработки меховой овчины на физико-механические и химические свойства полуфабриката и проанализировать качественное состояние образующихся сточных вод.
Научная новизна.
При выполнении диссертационной работы получены следующие результаты:
1. Выделены и проведена селективная адаптация микроорганизмов, способных деградировать жировые вещества, в присутствии СПАВ «Превоцелл W-OF-7».
Изучена способность выделенных организмов использовать СПАВ в качестве источника углерода.
Подобраны и разработаны условия культивирования выделенного прокариотического организма, способного деградировать жировые вещества, в присутствии СПАВ.
Разработана схема получения культуральной жидкости, содержащей культуру рода Amphibacillus sp и продуцирующей ею экзофермент.
Проведены подготовительные процессы переработки меховой овчины с использованием культуральной жидкости, позволяющей сохранить качество готовой продукции, при снижении уровня техногенного воздействия на окружающую среду.
Практическая ценность.
На основе экспериментальных исследований выделен и отобран микробный продуцент, способный утилизировать как жировые вещества (шерстный жир, сульфатированный рыбий жир) в присутствии СПАВ, так и сам СПАВ.
Разработан микробиологический метод проведения подготовительных процессов (отмоки и обезжиривания) меховой овчины.
Достигнуто снижение концентрации СПАВ с 8 г/дм до 1 г/дм и позволяет заменить высокотоксичные компоненты на менее токсичные.
Апробация технологии была проведена на базе опытного производства УНПК «ЭКОМ ».
По результатам эксперимента, данные работы вошли в грант «Молодые ученые ВГТУ», 2004 год.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих конференциях: 7-ая Международная Пущинская школа- конференция «Биология наука - XXI века» (Пущино, 2003г.); 8-ая Международная Пущинская школа - конференция «Биология наука - XXI века» (Пущино, 2004г); 6-ая Международная научная конференция «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2003 г); 7-ая Международная научная конференция «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2004 г); 6-ая Межрегиональная научно-практическая конференция «Развитие меховой промышленности России» (Москва, 2004г); Научно - практическая конференция «Молодые ученые Сибири» (Улан-Удэ, 2003 г); Всероссийская internet- конференция «Проблемы экологии в современном мире» (Тамбов, 2003 г); Труды 4-ой Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальнбые проблемы современной науки» (Самара, 2003г); Межрегиональная научно-техническая конференция «Молодежь Сибири - Наука России» (Красноярск, 2004г) и на конференциях преподавателей, научных сотрудников и аспирантов Восточно-Сибирского государственного технологического университета (Улан-Удэ, 2004г).
Теоретические и экспериментальные результаты исследования обсуждались на научных семинарах кафедр «Биотехнология» и «Технология кожи, меха и товароведения непродовольственных товаров» ВСГТУ в 2003-2004 гг.
Апробация разработанной технологии была проведена в производственных условиях опытного производства УНПК «ЭКОМ» ВСГТУ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.
Выражаю глубокую благодарность за оказанную помощь и поддержку при выполнении работы кандидату технических наук, доценту Шалбуеву Дмитрию Валерьевичу и профессору, доктору биологических наук Цыренову Владимиру Жигжитовичу.
Влияние органического вещества на абиотическую компоненту окружающей среды
Многочисленные формы микроорганизмов обладают способностью включать в обмен вещества ксенобиотики, т.е. использовать их в конструктивном и энергетическом метаболизме клетки. Микробная деградация токсикантов, осуществляемая за счет ферментных систем, является обнадеживающим подходом для деструкции органических токсикантов. В связи с этим становится актуальным деструкция микроорганизмами основных загрязнителей окружающей среды, к ним относятся ПАВ и нефтепродукты.
Самым распространенным загрязняющим веществом гидросферы является нефть и нефтепродукты. Если учесть, что в Мировой океан и поверхностные воды суши ежегодно привносится 15-17 млн. тонн нефти и нефтепродуктов, а 1т нефти покрывает тонкой пленкой акваторию со средней площадью 12 кв. км, то потенциально 150-180 млн. кв.км поверхности Мирового океана каждый год покрывается нефтяной пленкой [12].
Влияние нефтяных загрязнений на жизнь океана изучено далеко недостаточно. Принято общее воздействие нефтепродуктов на состояние гидробионтов подразделять на пять основных категорий: непосредственное отравление организмов с летальным исходом; 2) серьезное нарушение физиологической активности гидробионтов; 3) прямое обволакивание птиц и морских животных нефтепродуктами; 4) болезненные изменения в организме гидробионтов, вызванные внедрением углеводородов; 5) изменение химических, биологических и биохимических свойств среды обитания [13].
Попадание нефтяных углеводородов в почву также вызывает негативные последствия. В районах нефтедобычи и нефтепереработки наблюдается интенсивная трансформация морфологических и физико-химических свойств почв. Существенно меняются морфологические свойства почв: усиливается кутанообразование, происходит изменение цветовых характеристик почвенного профиля в сторону преобладания серо- и темно-коричневых оттенков, ухудшается структура почвы. Несмотря на опасные последствия от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, при низких концентрациях нефть и некоторые ее компоненты оказывают стимулирующее действие на почвенную биоту: она является энергетическим субстратом для микроорганизмов, стимулирует рост некоторых почвенных грибов — Paecilomy Fusarium. Некоторые виды Scolecobasidium обнаружены в почве, насыщенной нефтепродуктами. Эти виды целесообразно использовать в качестве биоиндикаторов на нефтяное загрязнение. Токсичность нефти объясняется присутствием летучих ароматических углеводородов (толуол, ксилол, бензол), нафталина и ряда других фракций нефти. Эти соединения легко разрушаются и удаляются из почвы. В составе нефти также содержатся метан и пропан, которые окисляются соответствующими видами микроорганизмов: представители группы аэробных грамотрицательных бактерий родов Pseudomonas, Methylobacter, Methlococcus, Methylocinus. Метаноокисляющие микроорганизмы широко распространены в почвах газоносных районов, а также там, где идет энергичный распад органических веществ в аэробных условиях. Средний уровень загрязнения приводит к возникновению сукцессионных изменений, которые выражаются в перераспределении степени доминирования микробных видов. Этот уровень загрязнения сопровождается устойчивыми нарушениями нормального функционирования почвенной микробиоты. Высокий уровень загрязнения характеризуется нарастанием сукцессионных изменений в микробной системе, полной сменой состава микроорганизмов. Очень высокому уровню загрязнения соответствует практически полное подавление активности микроорганизмов. Длительное воздействие нефти на почву приводит к изменениям ее микробиологических свойств. Появляются специализированные формы микроорганизмов, способные окислять твердые парафины, газообразные и ароматические углеводороды; это - бактерии родов Arthrobacter, Baccillus, Bzevibacterium; Nocardia, Pseudomonas, Phodococcus, спорогенные дрожжи родов Candida, СгурЮсоссш, Rhodotorula; Rhodosporidium, Spoeoholomyces, Torulopsis, Trichosporon. Нефтяное загрязнение влияет на изменение численности актиномицетов, грибов, причем наименее чувствительны виды грибов Rkiropus nigricans, Fusarium monilifom, Aspegillus flaws и A. ustus. Чувствительными к действию нефти являются нитрифицирующие бактерии. В присутствии значительных количеств нефти подавляется развитие целлюлозолитических микроорганизмов. Высокую чувствительность к нефти проявляют зеленые и желто-зеленые водоросли [14].
Объекты исследования и методика проведения эксперимента
Основной проблемой коже венно-меховых предприятий является значительное антропогенное воздействие, оказываемое на окружающую среду, в частности на гидросферу, в связи с образованием высококонцентрированных сточных вод. Предметом повышенного Внимания являются отмочно обезжиривающие процессы, которые поставляют основную массу загрязнений на очистные сооружения. В связи с этим предприятия меховой промышленности должны выпускать не только конкурентно способную продукцию, но и обеспечивать экологическую безопасность окружающей среды.
Альтернативным решением указанной проблемы будет совершенствование технологических процессов переработки овчин и пушно-мехового сырья, в частности процессов отмоки и обезжиривания.
Наиболее перспективным является внедрение биотехнологических методов, на основе использования микроорганизмов, что позволит уменьшить уровень токсического загрязнения образующихся сточных вод. Возможность применения препаратов на основе про кари оти чес ких организмов для технологических процессов мехового производства позволит значительно снизить количество детергентов и ксенобиотиков в сточных водах, за счет первоначального их сокращения при выполнении технологических процессов.
На наш взгляд, проведение подготовительных процессов, таких как отмока и обезжиривание меховой овчины, на основе бактериальной сусфнзии обладающей специфическими свойствами, будет способствовать проведению процесса отмоки и обезжиривания в более мягких условиях, что позволит сохранить нативный характер волосяного покрова и снизить уріовень техногенного воздействия на окружающую среду, в частности на гидросферу.
В соответствии с поставленными задачами исследовательскую работу проводили в лабораторных условиях по схеме, представленной на рисунке 1.
Создание препаратов на основе прокариотических организмов Приготовление маточного раствора на основе бак-концентрата «Байкал-ЭМ-1»
Обработка меховой овчины маточным раствором в процессах отмоки и обезжиривайия
Выделение микроорганизмов из сточной воды после процесса обезжиривания Выделение микроорганизмов с липолитическими свойствами и их идентификация
Изучение деструкции жировых веществ, культурой Amphibacillus sp
Получение бактериальной суспензии на основе выделенной культуры Amphibacillus sp
Исследование влияния условий культивирования на свойства бактериальной суспензии
Изучение внешних факторов на изменение концентрации белка, продуцируемого культурой Amphibacillus sp Проведение процесса отмоки с использованием БАК суспензией
Проведение процесса обезжиривания с использованием БАК-суспензией
Оценка качества полуфабриката Оценка качества сточных вод
Разработка экобиотехнологического метода переработки овчинно-мехового сырья (подготовительные процессы) Заключение Рисунок 1 - Схема проведения эксперимента
Для проведения экспериментальных исследований на всех этапах работы использовали: бурятскую полутонкорунную меховую овчину, СПАВ неионогенный Превоцелл W-OF-7, жировые вещества различной химической природы, препарат Байкал ЭМ-1 (на начальном этапе исследования):
1. Меховая овчина полутонкорунная - шерстный псікров полутонкорунных овчин на основной площади густой, однородный, j штапельного или штапельно-косичного строения, со средней или крупной извитостью. Площадь овчин должна быть не менее 24 дм .. Шерстный жир - представляет собой смесь эфиров высших жирных кислот с одноатомными спиртами: холестерином, изохолестергіном, оксихолестерином и др. В виде эфирных соединений в нем содержится от 43 до 52% трудно омыляемых веществ и 10-15% стеаринов. В состав шерстного жира входят следующие жирные кислоты: ланопальмитиновая, стеариновая, пальмитиновая, олеиновая, а также небольшое количество уксусной, масляной и церитиновой кислот. По физическим свойствам шерстный жир представляет собой мягкую жироподобную массу, плавящуюся при температуре около ЗЙ С.
.Изучение морфолого-физиологических свойств микроорганизмов, выделенных из сточных вод после процесса обезжиривания
Выделение микроорганизмов из образовавшихся сточных вод, после биотехнологического процесса обезжиривания 4-мя бактериальными суспензиями, осуществляли методом накопительной культуры с последующим высевом на плотные синтетические среды.
Выделение микроорганизмов, потенциальных деструкторов жировых веществ, проводили посевом на среду Рана, содержащей в качестве единственного источника углерода и энергии шерстный жир [91].
Результаты исследования морфолого-культуральных признаков представлены в таблицах 4 и 5 и на рисунках 1-4.
На основании показателей таблицы 3 можно отметить, что из бактериальных суспензий 1 и 8 были выделены дрожжи. Окраска по Граму и по Трухильо для дрожжеподобных культур не проводили.
У некоторых видов бактерий при определенных условиях культивирования образуются внутри клетки споры. Предполагается, что спорообразование у бактерий является биологической формой обновления организма, способом повышения жизнеспособности клетки . Микроорганизмы, выделенные из сред состава 3 и 4, были отнесены к грамположительным, спорообразующим бактериям. Им была свойственна подвижность, обусловленная перитрихиальным расположением жгутиков. Протеолитические свойства определяли путем посева уколом в желатин
. При распаде белков под действием ферментов, выделяемых микроорганизмами, образовывались продукты распада: индол, сероводород, аммиак. Однако микроорганизмы не обладали свойствами деструкции аминокислот. Интенсивность роста умеренная. Общая форма роста через 24 часа -мелкие колонии в диаметре 2-4 мм; форма колоний круглая, края ровные, поверхность колоний гладкая, структура однородная, цвет матово-белый, мазеобразной консистенции.
Исследуемые клетки бактерий (таблица 5) являлись грамположительными, спорообразующими, их подвижность была обусловлена перитрихиальным расположением жгутиков. Согласно описанию культуральных признаков для бактерий характерна умеренная интенсивность роста за 24 часа, колонии имели гладкую поверхность, матово-белый цвет, общая форма роста - точечная, т.к. диаметр колоний ке превышал 1 мм.
Сравнительная характеристика признаков выделенных микроорганизмов и литературных данных представлена в таблице 5 [103]. Установлено, что организмы, выделенные из бактериальной суспензии, по морфолого-культуральным и физиологическим признакам, можно отнести к роду Amphibacillus sp.
Из представленной таблицы 6 можно отметить, что микроорганизмы рода Amphibacillus sp, растут в среднем диапазоне температур от 25-45 С. Организмы размножаются бинарным не всегда равномерным делением перетяжкой. Характер движения определяется перетрихиальным типом жгутикования. По типу строения клеточной стенки принадлежат к грамположительным бактериям. Клетки данной культуры представляют собой подвижные палочки. Споры имеют овальную форму и располагаются центрально. Таким образом, из бактериальной суспензии, содержащей маточный раствор с концентрацией 1 г/дм , были выделены микроорганизмы, продуцирующие ферменты, изучены морфолого-культуральные и физиологические признаки микроорганизмов. На основании литературных данных и полученных результатов (таблица 6) была определена родовая принадлежность. Установлено, что организмы, выделенные из бактериальной суспензии, можно отнести к роду Amphibacillus sp,
Похожие диссертации на Разработка биотехнологического метода обработки меховой овчины
