Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биотехнологическая переработка радиоактивных целлюлозосодержащих отходов

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Биотехнологическая переработка радиоактивных целлюлозосодержащих отходов"

Г I

На правах рукописи

ИЛЬИН Вадим Анатольевич

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА РАДИОАКТИВНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Специальность 03.00.23 - Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете имени Д.И.Менделеева и Московском государственном предприятии - объединенном эколого-технологическом и научно-исследовательском центре по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (МосНПО «Радон»),

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор ГРАДОВА Нина Борисовна; доктор химических наук КАР ЛИН Юрий Викторович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор ГРАЧЕВА Ирина Михайловна кандидат технических наук ШРАМКОВ Вячеслав Михайлович

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), кафедра «Инженерной радиоэкологии и радиохимической технологии».

5 "

Защита диссертации состоится 1998 г. в ^ час на заседании диссерта-

ционного совета Д 053.34.13 в РХТУ им. Д.И. Менделеева в ауд. по адресу: 125047,

Москва, А - 47, Миусская пл., дом 9.

С диссертацией можно познакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат разослан * 1998 г,

Ученый секретарь

диссертационного совета У?

я

кандидат биологических наук ' / ГУСЕВА Ида Ивановна

Актуальность проблемы. Постоянное увеличение количества радиоактивных отходов (РАО) неядерного топливного цикла, образующихся в результате все более широкого использования радиоактивных веществ в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства и медицины, создает повышенную потенциальную опасность для окружающей среды. И хотя уровни радиоактивности таких отходов менее значительны, чем отходов ядерного топливного цикла, нельзя не принимать во внимание, что они образуются в густонаселенных промышленных регионах. Доля радиоактивных целлюлозосодержащих отходов (РЦСО) составляет от 50 до 70 % от общего количества радиоактивных органических отходов неядерного топливного цикла. Самыми распространенными видами таких отходов являются загрязненный хлопчатобумажный текстиль, ветошь, бумага, древесина и т.п. Для компактизации радиоактивных целлюлозосодержащих отходов в настоящее время применяют различные термические способы. В МосНПО «Радон» практически используются опытно-промышленные установки прямого сжигания и пиролиза. Термические способы переработки радиоактивных отходов, несмотря на их высокую эффективность, имеют существенные недостатки: высокая температура процесса (выше 750 °С), высокие капитальные затраты, необходимость очистки отходящих газов от агрессивных и радиоактивных компонентов и последующего кондиционирования образующихся вторичных радиоактивных отходов [Соболев И.А. и др., 1983]. Поэтому поиск альтернативных более экологически чистых и менее энергоемких способов компактизации РЦСО является актуальной проблемой.

Применение биотехнологических способов для переработки радиоактивных отходов в настоящее время носит ограниченный характер. Практически реализованы только процессы биосорбции и биоаккумуляции радионуклидов из водных сред при очистке шахтных вод урановых рудников. Работы по исследованию процессов биодеструкции радиоактивных органических отходов (в том числе и РЦСО) немногочисленны, и информация о них, как правило, ограничена по содержанию на уровне "ноу-хау". Что касается аналогичных работ в России, то изучение научно-технической и патентной литературы показало полное их отсутствие.

Исследование литературных данных показало, что хлопчатобумажный текстиль относится к низкореакционным, делигнифицированным материалам. Однако, имеющиеся теоретические знания и практический опыт биоконверсии лигноцеллюлозных материалов [Синицын А.П. и др., 1995] дают основание полагать о возможности применения биотехнологических способов для переработки такого вида РЦСО, как менее энергоемких и более экологически чистых, чем существующие термические способы.

Целью настоящей работы явилось изучение возможности использования биотехнологических способов для компактизации радиоактивных целлюлозосодержащих отходов (хлопчато-

бумажного текстиля) и концентрирования радионуклидов в конечном продукте переработки. Научная новизна. Впервые проведены системные исследования биотехнологических способов биотрансформации низкореакционного целлюлозосодержащего субстрата, радиоактивного хлопчатобумажного текстиля. Отобран штамм Trichoderma reesei N/P, как активный биодеструктор хлопчатобумажного текстиля. Показана возможность осуществления различных способов биоконверсии термохимически предобработанного хлопчатобумажного текстиля и впервые экспериментально получены значения скорости биоконверсии: при глубинном культивировании на минеральной среде гриба Trichoderma reesei N/P, при введении в среду индукторов биосинтеза целлюлаз; при ферментативном гидролизе промышленными целлюлоли-тическими препаратами в присутствии дрожжей Candida tropicalis; а также в процессе анаэробной ферментации. Впервые получены значения коэффициентов распределения радионуклидов 60Со, 90Sr, 137Cs в процессе биоконверсии радиоактивно загрязненных хлопчатобумажных текстильных материалов. Проведен системный анализ эффективности изученных способов биоконверсии и установлено, что наиболее эффективным является анаэробный способ ферментации термохимически предобработанного текстиля.

Практическая ценность работы. Показана практическая возможность использования биотехнологических способов для компактизации радиоактивных целлюлозосодержащих отходов и концентрирования радионуклидов в конечном продукте биоконверсии. Определены режимы анаэробного способа ферментации радиоактивного хлопчатобумажного текстиля как наиболее эффективного. Разработана принципиальная технологическая схема, получены исходные данные для проектирования опытной установки биоконверсии радиоактивных целлюлозосодержащих отходов в МосНПО «Радон».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: 3-м Международном симпозиуме по биокатализу и биотрансформации Biotrans'97 (г. Париж, 26-30 сентября 1997 г.); 2-й Российской конференции по радиохимии в ГНЦ РФ НИИАР г. Димитровград, 27-31 октября 1997 г.; заседании расширенного научно-технического совета Центра разработки технологий обезвреживания РАО и аналитического контроля в МосНПО «Радон» г. Москва, 19 апреля 1997 г.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 5 опубликованных печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, раздела обсуждения результатов, выводов, списка литературы, насчитывающего 205 библиографических ссылок и раздела приложения. Полный объем работы составляет 144 страницы печатного текста, включающего 48 рисунков и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

КОНЦЕПЦИЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИМ ПУТЕМ.

На основании изучения научно-технической и патентной литературы и практического опыта МосНПО «Радон» разработана концепция переработки радиоактивных целлюлозосо-держащих отходов биотехнологическими способами, представленная в виде принципиальной схемы на рис.1.

Рис. 1 Принципиальная схема биотехнологической переработки радиоактивных целлюлозосодержащих отходов.

При анализе схемы (рис.1) определены основные показатели процесса переработки РЦСО: Оьг - удельное (по отношению к деградируемому органическому веществу) газообразование [кг/кг], А - массовая доля влажной биопульпы, образующейся на стадии разделения, К - степень компактизадии влажной биопульпы при последующих сушке и озолении, Кд - коэффициенты распределения радионуклидов между раствором и твердым компонентом биопульпы [мл/г].

Исходя из основной цели биотехнологической переработки РЦСО, приняты следующие критерии оценки эффективности изучаемых процессов:

Степень компактизапни перерабатываемых отходов К1 как отношение значений массы целлюлозосодержащих отходов до и после переработки:

К1 = -^--»тах (1)

Степень биокоиверспи отходов К2 как относительное изменение массы целлюлозосодержащих отходов после переработки, %:

т0

Скорость биоконверсии отходов Р как относительное изменение массы целлюлозосо-держащих отходов нормированное по времени г продолжительности переработки, г/сут:

Р = —2-- -» шах (3)

т

Степень концентрирования радионуклидов в конечном продукте биодеструкции Къ

как отношение радиоактивности конечного продукта биоконверсии к радиоактивности исходных РЦСО:

(4),

я»,С,

где С, и С„ - удельная радиоактивность исходных твердых отходов, поступающих на переработку и конечного продукта переработки, соответственно.

Интенсивность биоконверсии отходов - Т как относительный показатель степени биоконверсии РЦСО нормированный по времени г продолжительности переработки, сут"1:

Т =——--> max (5)

г 100% 1

В качестве интегральной оценки технико-экономической эффективности - критерий <t>£ [Быков В.А. и др., 1985], позволяющий судить об удельных затратах при биоконверсии РЦСО:

Ф1: = ^1(Ф1 + Ф2+Фз+... + <£>,)-»min (6), 1

где ®i - затраты на воду и химические реагенты, Фг - энергетические затраты (пар, электроэнергия и т.п.), Фз - капитальные затраты, Ф, - i-компонент прочих затрат.

В общем случае вывод об эффективности использования той или иной технологической схемы оценивали системой перечисленных критериев эффективности.

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В качестве основных объектов исследования использовали: загрязненный радионуклидами 60Со, 90Sr, l37Cs хлопчатобумажный текстиль (халаты); штаммы продуцентов целлюло-литических ферментов, грибы родов Trichoderma и Aspergillus, полученные из музея АОО НИИ «Биотехнология»; ферментные препараты Приволжского биохимзавода целловиридин ГЗХ (продуцент Trichoderma viride 44-11-62/3) и целлоком (продуцент Aspergillus tericola); дрожжи Candida tropicalis ВСБ 928, Endomicopsis fitulis из коллекции кафедры «Промышленной биотехнологии» РХТУ им. Д.И. Менделеева; биомасса водорослей (элодея канадская) из прудов-отстойников промплощадки МосНПО «Радон».

Глубинное культивирование грибов и дрожжей в аэробных условиях на стандартных

минеральных средах, а также гидролиз ферментными препаратами хлопчатобумажного текстиля проводили в колбах на термостатаруемой качалке с соблюдением условий асептики. Целлюлолитическую активность Cj ферментов культуральной жидкости определяли методом Шомодьн-Нельсона. Концентрацию дрожжевых клеток определяли в камере Горяева. Степень биоконверсии хлопчатобумажного текстиля определяли весовым методом.

Анаэробную ферментацию хлопчатобумажного текстиля и биомассы водорослей проводили в собранной на базе комплекса «Фермус ЗМ» лабораторной установке. В процессе анаэробной ферментации контролировали такие параметры как: химический состав сбраживаемых отходов, количество и химический состав образующегося биогаза, рН и температуру среды, концентрацию летучих жирных кислот (ЛЖК) в среде. Химический состав биогаза определяли методом газовой хроматографии. Концентрацию ЛЖК определяли путем анализа проб среды по методике основанной на отгоне ЛЖК с водяным паром и последующем титровании раствором щелочи в присутствии фенолфталеина.

В экспериментах по биоконверсии радиоактивных образцов хлопчатобумажного текстиля (с удельной радиоактивностью порядка - 106 Бк/кг) расчет коэффициентов распределения и степени извлечения радионуклидов 60Со, 90Sr, 137Cs проводили на основе данных радиометрического анализа проб биомассы и культуральной жидкости.

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ АЭРОБНОЙ БИОКОНВЕРСИИ РАДИОАКТИВНОГО ХЛОПЧАТОБУМАЖНОГО ТЕКСТИЛЯ.

На основании сравнительной оценки промышленных продуцентов целлюлолитических ферментов грибов рода Trichoderma и Aspergillus отобран штамм Trichoderma reesei N/P, обладающий наибольшей бяодеградирующей активностью по отношению к хлопчатобумажному текстилю. Все дальнейшие исследования по «прямой» аэробной биодеструкции хлопчатобумажного текстиля проводили при использовании штамма Trichoderma reesei N/P.

Исследование сорбционных свойств биомассы грибов рода Trichoderma, Aspergillus и дрожжей Candida tropicalis ВСБ 928, Endomicopsis Jilulis по отношению к радионуклидам 60Со, 90Sr, 137Cs в статических условиях при различных рН и начальной удельной радиоактивности среды, концентрации микробной суспензии показало, что коэффициенты распределения (Ка) между биомассой и раствором составляли от 2 до 2000 мл/г (сухой биомассы), что ниже по сравнению с традиционно используемыми сорбентами, такими как инонообменные смолы, природные цеолиты, синтетические неорганические сорбенты.

Увеличение начальной удельной радиоактивности питательной среды или концентрации микробной суспензии приводило к снижению К& что связано с поверхностным характером сорбции при 3-х часовой экспозиции, усилением коагуляции клеток микроорганизмов и кипе-

тическими ограничениями переноса радионуклидов по ионным каналам клеточной мембраны во внутренние структуры клеток.

Увеличение рН среды от 2 до 10 (рис.2) в общем случае приводило к повышению степени извлечения радионуклидов из питательной среды, что, связано с повышением степени гидролиза радионуклидов.

■ь £

15,0 п

10,0

♦ Cs на Asp. niger aSfHa Asp. niger a Co на Asp. niger Co на Tr. viride

Рис. 2 Сорбционные кривые извлечения радионуклидов биомассой микроорганизмов при разном рН (время экспозиции 90 часов).

Изучение кинетики сорбции радионуклидов 60Со, шСз, 90йг биомассой микроорганизмов свидетельствует о наличии двух стадий сорбции (рис. 3), протекающих с различной скоростью, которые, обусловлены "пассивным" физико-химическим механизмом сорбции на ионообменных группах клеточных мембран, (за несколько часов радионуклиды сорбируются на 40-60% от равновесной концентрации) и низкой скорости ионного переноса (метаболического включения) радионуклидов во внутренние структуры клеток.

ш ■ь

-Г~

JL

-Эг~

О Со «Cs * Sr

-t-

20 40 60 SO

Время экспозиции, час

100

Рис. 3 Зависимость удельной радиоактивности биомассы гриба Aspergillus niger от времени сорбции различных радионуклидов из модельного раствора с рН-5,5.

Результаты экспериментов позволили сделать вывод о близких сорбционные свойствах изученных микроорганизмов. Несмотря на относительно низкие значения коэффициентов распределения сорбционные свойства биомассы микроорганизмов (с учетом высокой степени компактизации, установленной экспериментально) вполне достаточны для того, чтобы выводить радионуклиды вместе с отработанной биомассой при биоконверсии РЦСО. Степень ком-

пактизации биомассы изученных микроорганизмов при сушке и последующем озолении составила от 370 до 1400.

Предварительные опыты при глубинном культивировании Trichoderma reesei N/P показали возможность осуществления «прямой» аэробной биоконверсии хлопчатобумажного текстиля при использовании минеральной среды, без каких-либо других органических добавок. Однако эффективность биоконверсии была крайне низка. Степень биоконверсии через 200 сут составила примерно 25%, что связано с контролируемым механизмом индукции целлюлаз и продолжительной адаптацией культуры к субстрату.

Исследовали влияние различных способов культивирования гриба Trichoderma reesei N/P и предобработки субстрата с целью повышения эффективности биоконверсии: отъемно-доливной режим культивирования Trichoderma reesei N/P в статических условиях с возвратом Vi части непрогидролизованного субстрата или культуральной жидкости; термическую или термохимическую предобработку субстрата; введение в питательную среду индукторов биосинтеза целлюлаз; использование в качестве икокулята поверхностной культуры Trichoderma reesei N/P.

Результаты оценки эффективности исследованных способов «прямой» биоконверсии хлопчатобумажного текстиля (см. табл.4 на стр.12) показали, что эффективность значительно повышается при термической, термохимической предобработке сырья щелочью или кислотой, добавлении к среде индукторов биосинтеза целлюлаз и при осуществлении процесса биоконверсии в отъемно-доливном режиме. В статических условиях был проведен опыт с термохимической предобработкой субстрата 3% раствором ¡ЧаОН (0,1 МПа, 2 часа) и использованием инокулят поверхностной культуры гриба Trichoderma reesei N/P в присутствии индукторов биосинтеза целлюлаз. В результате этого опыта за 15-20 сут достигнута 75 % степень биоконверсии, почти 4-х кратная компактизация хлопчатобумажного текстиля, при скорости биоконверсии до ~ 0,2 г/сут.

В ходе экспериментов по биоконверсии хлопчатобумажных тканей, предварительно загрязненных радионуклидами 60Со, 90Sr, 137Cs, значения коэффициентов распределения указанных радионуклидов между раствором культуральной жидкости и конечным продуктом биоконверсии составили от 180 до 2150 мл/г (сухого остатка).

Исследование эффективности ферментативного гидролиза хлопчатобумажного текстиля ферментными препаратами целловиридин и целлоком показало наибольшую активность препарата целловиридин ГЗХ.

В экспериментах по «непрямой» аэробной биоконверсии показано, что ферментативная активность целловиридина ингибируется продуктом гидролиза, глюкозой при концентрации

0,06 г/л. На основании кинетических данных накопления глюкозы в системе определены кинетические параметры ферментативного гидролиза хлопчатобумажного текстиля Vm Kmf^acj и рассчитана константа ингибирования АГР= 1,72*10"4 М, что согласуется с литературными данными. Полученные данные обосновывают возможность повышения ферментативной активности целловяридина путем введения в исследуемую систему дрожжей, способных активно потребляют глюкозу. При этом учитывалась способность дрожжей сорбировать радионуклиды 60Со, 90Sr, 137Cs, установленная ранее. Результаты опыта (табл.1) показали, что при подсеве дрожжей Candida tropicalis заметно снижается концентрация глюкозы в системе и активность ферментного препарата увеличивается в среднем на 55%.

Таблица 1 Ферментативная активность целловиридина.

Время, сут Ахтивность целловиридина, у.е. Активность целловиридина в присутствии дрожжей, у.е.

0 420 420

3 98 41

6 35 50

11 28 54

14 28 43

20 15 8

При использовании для культивирования дрожжей питательной среды другого состава и

другой концентрации фермента бьии получены аналогичные результаты. Экспериментально установлено, что варьирование концентрации фермента в системе не меняет общий характер кривых роста дрожжей, ферментативной активности и накопления глюкозы в среде.

Исходя из анализа полученных результатов, был разработан лабораторный режим ферментативного гидролиза хлопчатобумажного текстиля: концентрация ферментного препа-

рата 2 %, исходный субстрат - 50 г/л, рН = 5,1 (ацетатный буфер), I = 40 °С (табл.2).

Таблица 2 Показатели ферментативного гидролиза хлопчатобумажного текстиля при использовании целловиридина ГЗХ.

Время Без подсева дрожжей Подсев дрожжей Candida tropicalis

экспо- Концен- Активность Глубина Концен- Активность Глубина

зиции, трация РВ, фермента, гидролиза, трация РВ, фермента, Lg N гидролиза,

сут г/л у.е. % г/л у.е. %

1 9,5 140 0 8,0 132 6,3 0

3 12,3 80 5 5,7 74 6,7 10

5 24,0 48 27 3,4 66 8,6 32

10 32,0 12 37 3,5 48 9,0 55

Скорость биодеструкции хлопчатобумажного текстиля при ферментативном гидролизе

без подсева дрожжей и при подсеве дрожжей Candida tropicalis (~10s кл/мл) составила соответственно 0,18 и 0,27 г/сут, что сравнимо со скоростью биодеградации достигнутой при «прямой» аэробной биоконверсии.

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ АНАЭРОБНОЙ БИОКОНВЕРСИИ РАДИОАКТИВНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ.

Исследование эффективности анаэробной биоконверсии хлопчатобумажного текстиля,

а также биомассы водорослей из прудов-отстойников промплощадки МосНПО «Радон» проводили на смонтированной лабораторной установке ферментации в периодическом и отъем-но-доливном режимах.

Перед загрузкой в ферментер целлюлозосодержащие отходы выдерживали в условиях доступа кислорода воздуха для активизации кислотогенной микрофлоры до образования в среде ЛЖК в концентрации 600 - 1000 мг/л. Условия выдерживания и основного процесса анаэробной ферментации целяюлозосодержащих отходов были одинаковыми - рН среды 7,0 -7,4, температура 38 - 42 °С, перемешивание 50 об/мин. Установлено, что минимальное время выдерживания субстратов должно быть не менее 6 сут. При выдерживании целяюлозосодержащих отходов отмечено существенное подкисление реакционной среды до рН=5,7, что связано с увеличением концентрации ЛЖК.

При сравнительной оценке процессов анаэробной биоконверсии хлопчатобумажного текстиля и биомассы водорослей в выдерживателе отмечены существенные качественные и количественные отличия (рис. 4).

¡5 »

% и 0,00035 ■ С. п

§ 5 0,0003 О 5

К и 0,00025 -со к

2 5 о,ооо2 -с л

§ § 0,00015

га 0,0001 -I

Продолжительность, сут

Рис. 4 Профили удельной скорости образования биогаза при подготовке в выдерживателе: 1 -водной растительности, 2 • хлопчатобумажного текстиля. Прямыми сплошными линиями показано среднее скользящее значение удельной скорости образования биогаза.

Расчетные средние статистические значения удельной скорости образования биогаза в процессе разложения органического вещества отходов в выдерживателе составили 0,00041 ± 0,00004 кг (биогаза)/кг (органического вещества)-час и 0,00020 ± 0,00002 кг/кг-ч для биомассы водорослей и хлопчатобумажного текстиля соответственно, что свидетельствует о том, что биомасса водорослей в большей степени биологически доступна, чем хлопчатобумажный текстиль в следствие разных структурных свойств целлюлозы и химического состава рассматриваемых субстратов. После выдерживания целлюлозосодержащие отходы загружали в ферментер.

Удельную скорость образования биогаза (кг/кг-ч) во всех экспериментах рассчитывали на основании химического анализа состава биогаза по уравнению:

с

48 22,4 т„ ОВ

(7),

где т¡,2, ть - среднее статистическое значение молекулярной массы образующегося биогаза [кг/моль] и масса загружаемых целлюлозосодержащих отходов соответственно [кг]; ОВ -содержание органического вещества [% вес.], С}у - объемная скорость газовыделения, [л/ч].

При изучении химического состава биогаза, образующегося на стадии выдерживания и в основном процессе анаэробной ферментации хлопчатобумажного текстиля и биомассы водорослей, был определен примерно одинаковый состав биогаза (об. %): в процессе выдерживания СН4 23,6-33,3%; С02 24-27,2%; N2 26,8-62%; 02 10-18,9%; N113, Н2Я и Н2 - менее 1%; в основном процессе СН4 40-55%; С02 39-46%; N2 2,8-5,3%; 02 2,8-6%; Ш3, Н28 и Н2 - менее 1%. Поэтому для расчетов условно приняли состав биогаза (в об. %): для выдерживания: СН,< - 33%, С02 - 27%; для основного процесса: 01,-55%, С02 -45%.

Я «

Э "

о. п

0 и £ о и 5 К «5 2 к

1 £ С « о> о а о

>> 2 го

0,0025

Продолжительность, сут

Рис. 5 Профили удельной скорости образования биогаза при отъемно-доливном режиме сбраживания 1 - биомассы водорослей, 2 - хлопчатобумажного текстиля. Сплошные прямые линии - среднее скользящее удельной скорости.

20 30 40 50

Продолжительность, сут

Рис. б Профили удельной скорости образования биогаза при периодическом режиме сбраживания £ ферментере: 1 - биомассы водорослей, 2 - хлопчатобумажного текстиля.

Экспериментально установлено, что отъемно-доливной режим переработки обоих субстратов характеризуется относительно высоким выходом биогаза (рнс.5-6, табл.3), но при этом производительность процесса (скорость биоконверсии субстрата) на единицу массы исходных отходов меньше, чем при периодическом режиме, поскольку биоконвертируется меньше органического вещества.

Термохимическая предобработка хлопчатобумажного текстиля повышает скорость его биоконверсии. Так при термохимической предобработке текстиля 3% раствором ГСаОН при избыточным давлении 0,15 МПа в течение 90 мин скорость биоконверсии выросла более чем в 2 раза, и через 30 сут наблюдалось полное разложение текстиля (табл.3).

Таблица 3 Результаты экспериментов по анаэробной ферментации цъплюлозосодержащих отходов.

Режим переработки Основные параметры анаэробного процесса переработки отходов

Продолжительность опыта, сут Удельная скорость образования биогаза, КГ/КГЧ Степень биоконверсии отходов,% Скорость биоконверсии, кг/сут

Хлопчатобумажный текстиль

Периодический (выдерживатель) 42 0,00020 2 0,0013

Периодический (балансовый) 67 0,00065 39 0,0056

Периодический (с предобработкой) 30 0,00072 65 0,0095

Отъемно-доливной 87 0,00068 34 0,0032

Водная растительность

Периодический (выдерживатель) 26 0,00041 5 0,0046

Периодический (балансовый) 46 0,00075 52 0,0131

Отъемно-доливной 85 0,00082 43 0,0089

При изучении процесса отделения биомассы от культуральной жидкости и последующей ее компактизации путем сушки и озоления было установлено, что наиболее пригодным сепаратором для биомассы является центрифуга. При факторе разделения центрифуги до 4000 массовая доля влажной биомассы составляла от 0,3 до 0,6. Степень компактизации влажной сброженной биомассы при сушке составила от 2 до 4, а при озолении высушенной биомассы -от 5 до 13. Коэффициенты распределения радионуклидов '"Се и б0Со между раствором и сброженной биомассой составили от 10 до 2000 мл/г (сухого остатка).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ.

Сравнительная оценка эффективности изученных биотехнологических способов переработки РЦСО (табл.4) и технико-экономических показателей (табл.5) способов, выбранных на основе анализа методом теории потоковых граф [Быков В.А. и др., 1985] показала, что спосо-

бы анаэробной биоконверсии РЦСО по всем критериям являются наиболее эффективными. Поэтому разработку принципиальной технологической схемы установки для переработки радиоактивных целлюлозосодержащих отходов проводили для анаэробных способов биоконверсии.

Таблица 4 Основные показатели различных способов биотехнологической переработки целлюлозосодержащих РАО (хлопчатобумажного текстиля).

Способ переработки РЦСО Время процесса, [г], сут Степень биоконверсии [А'г], % Скорость биоконверсии [Р\, г/сут Интенсивность биоконверсии [Кг /(т-100%)], сут"1

«Прямая» аэробная ферментация культурой Trichoderma reesei N/P

1, Одностадийное глубинное культивирование, минеральная среда Чапека. 200 25 0,06 0,001

2. Отъемно-допивной режим, возврат Уа твердой фазы, условия культивирования ПО способу N2 1. 28-35 (7 циклов 523 сут) 48-60 (39) 0,073 - 0,065 (0,013) 0,017-0,014 (0,0007)

3. Культивирование по способу N8 1, термическая предобработка субстрата (0,05 МПа, 30 мин). 60 43 0,036 0,007

4. Тоже, термохимическая предобработка субстрата (0,1% р-р НгЭОч 0,05 МПа, 30 мин). 60 40 0,033 0,0067

5. Тоже, термохимическая предобработка субстрата (3% р-р №ОН 0,1 МПа, 30 мин). 25 65 0,130 0,026

6. Тоже, индукторы целлюлаз и термическая предобработка (0,05 МПа, 30 мин). 50 53 0,053 0,011

7. Аналогично способу N56, инокулят выращен поверхностно. 30 51 0,085 0,017

8. Одностадийное глубинное культивирование, инокулят поверхностной культуры, термохимическая предобработка субстрата (3% р-р ИаОН 0,1 МПа, 60 мин), индукторы целлюлаз. 50 53 0,053 0,011

«Непрямая» аэробная ферментация препаратом целловиридин ГЗХ

9. Ферментативный гидролиз, концентрация препарата 2% (от веса субстрата), t=40°C, рН—5,1 (ацетатный буфер), без подсева дрожжей Candida tropicalis. 10 37 0,1В 0,037

10. Тоже, при подсеве дрожжей Candida tropicalis. 10 55 0,27 0,055

Анаэробная ферментация

11. Периодический режим, инокулят - свежий навоз крупного рогатого скота. 67 39 5,6 0,006

12. Тоже, термохимическая предобработка субстрата (3% р-р МаОН 0,15 МПа, 90 мин). 30 65 9,5 0,022

13. Отъемно-доливной режим с увеличением загрузки. 87 34 3,2 0,004

Таблица 5. Относительная эффективность разных способов биоконверсии целлюлозосодержзщих РАО (хлопчатобумажного текстиля).

Способ переработки РЦСО Удельные значения затрат, тыс. руб/т

Ф, Ф, Ф, фх Р, г/сут 2s. Р

Одностадийное глубинное культивирование Trichoderma reesei, минеральная среда Чапека. 0,41 1,98 5,74 3,12 0,06 135,3

Ферментативный гидролиз, концентрация препарата 2% (от веса субстрата), t=40°C, рН=5,1 (ацетатный буфер), без подсева дрожжей Candida tropicalis. 1.47 1,52 4,78 7,78 0,18 43,2

Анаэробная ферментация, периодический режим, инокулят-свежий навоз крупного рогатого скота. 0,26 1,52 6,02 7,8 5,6 1,39

0,0012

1 0,001

О. ? 0,0008 О ь.

о а

¡5 5г

О я" 0,0006

2 ^ % а

£ О

О 5

к Ю 0,0004 га

X

л с

о 0,0002 О

1 2 3 4 5 6

Содержание органического вещества, %

Рис. 7 Зависимость удельной скорости образования биогаза от содержания органического вещества в метантенке (хлопчатобумажный текстиль с предобработкой, 30 сут периодический режим).

Производительность анаэробного процесса биодеструкции РЦСО определяется производительностью метантенка. Зависимость удельной скорости биоконверсии от содержания органического вещества в субстрате метантенка (рис.7) свидетельствует об интенсификации биодеструкции текстиля со временем, что связано с адаптацией сообщества микроорганизмов к субстрату. Это дает основание при оценке производительности метантенка использовать условие постоянства скорости деградации органического вещества (8) и отовдествить ее с удельной скоростью образования биогаза (9), при условии, что газы являются основными продуктами биодеградации.

<1т .

— = -кт (8)

к = Сье (9) => ~ = ~Онт (10)

где т - масса органического вещества в метантекке [кг], ! - время процесса [ч], к - удельная скорость биодеградации [ч"1].

Результаты исследования (рис.8) позволяют утверждать, что, если для оценки производительности метантенка использовать удельную скорость образования биогаза, то оценка будет занижена, и в реальном процессе можно ожидать более высокой производительности.

2 « А

а Ё

0 5

1 I 3

3

о

2

1

О 5 10 13 го 25 Зй 35

Продолжительность, сут

Рис. 8 временная зависимость 1 - экспериментальная и 2- расчетная для содержания органического вещества в метантенкв (хлопчатобумажный текстиль, периодический, с предобработкой, 30 сут).

Уравнение (Ю) наглядно показывает, что максимальная производительность метантенка будет реализована при максимально возможном содержании органического вещества в субстрате, а, следовательно, периодический режим работы метантенка не является эффективным. Для определения производительности метантенка составили материальный баланс по органическому веществу:

вт0 ~СтР =СтьтР]гР

(11)

здесь тцитр- концентрация органического вещества в отходах, подаваемых в метантенк из вьщерживателя [кг/м3]; б - объемная скорость подачи отходов в метантенк [м3/ч]; У/г - рабочий объем метантенка [м3]. Из уравнения (И) найдем й, которая определяет производительность метантенка по отходам:

1

т,

2--1

(12)

тЕ

На рис.9 показаны зависимости производительности метантенков различного объема от степени биоконверсии отходов, рассчитанные по уравнению (12) при 0^=0,001 кг/кг-ч.

ш 2

Рис. 9 Зависимость производительности метантенка от степени биодеструкции целлюлозосо-держащих отходов при различном его объеме: 1 -1 м1, 2 - 10 м3,3 -100 м3,4 -1000 м*.

Результаты расчета показывают, что при упрощенной технологической схеме биодеструкции РЦСО производительность метантенка резко снижается с увеличением степени биоконверсии. С другой стороны, при непрерывной подаче отходов в метантенк возникает проблема вывода из метантенка избыточного раствора культуральной жидкости, который подается из выдерясивателя вместе с перерабатываемыми отходами и не может быть отделен от них простым способом. Для решения этой проблемы предлагается комбинированный узел биодеструкции радиоактивных целлюлозосодержащих отходов с частичной рециркуляцией биомассы, отделяемой от раствора (рис.10).

Рис. 10 Схема материальных потоков в комбинированный узел биодеструкции целлюлозосодержащих отходов с рециркуляцией ила: Gf - объемная скорость отбора субстрата из метантенка, Cw - объемная скорость отбора раствора, осветленного в центрифуге, £3p«G>y - объемная скорость отбора осадка из фильтра, п>$ - содержание органического вещества в пульпе, после центрифугирования.

Материальный баланс этого узла представлен уравнением:

вт0 + (б> - С?„,)ю5 - врГПр = в^ШрГр (13) которое после упрощения с учетом, того, что концентрация органического вещества в биопульпе из ферментера-метантенка после центрифугирования возрастает кратно доле отделенного раствора (14), примет вид уравнения (15):

*»> -вуг

(14)

0 = 0, К

тп

(15)

Уравнение (15) показывает, что в данном случае концентрация органического вещества в метантенке может быть выше концентрации органического вещества в отходах, подаваемых на биодеструкцию. Степень биоконверсии отходов в данном случае не влияет прямым путем на производительность метантенка.

Радиоактивные отшды

Рис. 11 Принципиальная технологическая схема анаэробной био-деструиции радиоактивных целлюлоэосодержащих отходов.

т8 = т

На основании экспериментальных и расчетных данных, представленных выше, а также в соответствии с концепцией биотехнологической переработки РЦСО разработана принципиальная технологическая схема (рис.11).

Как видно из этой схемы, она включает в себя как широко известные технологические способы водообработхи и газоочистки, так и сравнительно новые для радиоактивных отходов биотехнологические способы переработки. •

Основными стадиями биотехнологической переработки РЦСО являются: 1) предподго-товка отходов (измельчение, суспендирование в воде, термическая или термохимическая обработка перерабатываемых отходов, создание и поддержание оптимального рН реакционной среды и др.); 2) биотехнологическая переработка отходов способом анаэробной ферментации. 3) разделение конечного продукта биотехнологической переработки на вторичные твердые и жидкие радиоактивные отходы (ТРО, ЖРО) для последующей их переработки имеющимися в МосНПО «Радон» способами. Количество вторичных ТРО будет определятся степенью биоконверсии РЦСО. Вторичные ЖРО предполагается перерабатывать с использованием градационных селективных сорбентов. Обязательной является также стадия сбора и очистки образующихся в процессе газов и возможной их утилизации для нужд самого процесса.

В заключение, отметим, что при исключении процесса биодеструкции РЦСО технологическая схема включает только четыре стадии (на рис.11 они показаны затемненными прямоугольниками). Именно эта технологическая схема простого сжигания п должна быть использована для сравнения при определении эффективности биодеструкщш радиоактивных цел-люлозосодержащих отходов. Очевидно, что при исключении стадии биодеструкции отходов возрастает нагрузка на стадию сжигания, однако, сокращаются затраты, связанные с исключенными стадиями технологии их предобработки.

Сложность технико-экопомических расчетов, нестабильность в настоящее время ценообразования на оборудование и расходные материалы, отсутствие точных обоснованных данных о затратах на переработку РЦСО термическими способами не позволяют на данном этапе окончательно сделать оценку эффективности биотехнологических способов. Однако в настоящее время проводится такого рода оценка, и на основании имеющейся экспертной оценки есть основание полагать об экономически обоснованной, принципиальной возможности использования анаэробной ферментации для переработки РЦСО.

Таким образом, полученные показатели анаэробной ферментации РЦСО и предложенная принципиальная технологическая схема позволяют выдать исходные данные для проектирования опытной установки переработки РЦСО в МосНПО «Радон».

ВЫВОДЫ

1. Разработаны концепция переработки радиоактивных целлюлозосодержащих отходов биотехнологическими способами и критерии оценки эффективности различных способов биоконверсии отходов с целью достижения высокой степени их компактизации в экологически безопасных условиях и при низких экономических затратах.

2. На основании экспериментально проведенной сравнительной оценки степени биоконверсии хлопчатобумажного текстиля промышленными продуцентами целлюлолитических ферментов грибами рода Trichoderma и Aspergillus, отобран наиболее активный штамм Trichoderma reesei N/P.

3. При изучении сорбции радионуклидов 60Со, 90Sr, 137Cs биомассой грибов рода Trichoderma, Aspergillus и дрожжей Candida tropicalis, Endomicopsis Jitulis из питательных сред показано, что сорбционные свойства биомассы микроорганизмов близки. Коэффициенты распределения радионуклидов при различных исходных условиях составляли от 2 до 2000 мл/г, что обосновывает возможность использования биомассы микроорганизмов для концентрирования радионуклидов при биоконверсии радиоактивных целлюлозосодержащих отходов.

4. Экспериментально изучено влияния различных способов предобработки субстрата, подготовки инокулята и способов культивирования глубинной культуры Trichoderma reesei N/P на эффективность биоконверсии хлопчатобумажного текстиля. Показана возможность «прямой» аэробной 75 % степени биоконверсии термохимически предобрабо-танного хлопчатобумажного текстиля за 15 суток. При этом коэффициенты распределения радионуклидов 60Со, 90Sr, 137Cs между конечным продуктом биоконверсии хлопчатобумажного текстиля и культуралыюй жидкостью составили от 180 до 2150 мл/г.

5. Подобраны лабораторные условия ферментативного гидролиза хлопчатобумажного текстиля промышленным ферментным препаратом целловиридин ГЗХ, обеспечивающие за 10 суток при введении в систему дрожжей Candida tropicalis 55 % степень биоконверсии хлопчатобумажного текстиля.

6. При изучении процесса биоконверсии хлопчатобумажного текстиля в анаэробных условиях подобран режим, обеспечивающий 65 % степень биоконверсии термохимически пре-добработанного хлопчатобумажного текстиля. Коэффициенты распределения радионуклидов 60Со, 137Cs между конечным продуктом анаэробной ферментации хлопчатобумажного текстиля и раствором культуральной жидкости составили от 10 до 2000 мл/г.

7. На основании системного анализа технико-экономических критериев эффективности способов биоконверсии радиоактивного хлопчатобумажного текстиля показано, что ана-

эробная ферментация является наиболее эффективным способом. Разработана принципиальная технологическая схема и получены исходные показатели анаэробной ферментации для проектирования опытной установки по переработке радиоактивных целлюлозосодер-жащих отходов в МосНПО "Радон".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ:

1. Мокеев А.Н., Ильин В.А. Биотехнологическая переработка радиоактивных целлюлозо-содержащих отходов // Тезисы докладов 10-й Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-96 VII Молодежной конференции РХО им. Д.И. Менделеева «Процессы и аппараты химической технологии» (Москва, май, 1996 г.) Москва

2. Мокеев А.Н., Ильин В.А., Мясоедова М.С., Градова Н.Б. Биотехнологическая переработка целлголозосодержащих отходов // Тезисы докладов 11-й Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-96 VII Молодежной конференции РХО им. Д.И. Менделеева «Процессы и аппараты химической технологии» (Москва, октябрь, 1997 г.) Часть 2-я, Москва 1997 г.

3. Ильин В.А., Градова Н.Б., Мокеев А.Н. Сорбционная способность целлюлолитических грибов к радионуклидам // Атомная энергия, ноябрь 1997, т. 83, вып. 5, с. 375-380.

4. Ильин В.А., Градова Н.Б., Карлин Ю.В. Изучение сорбции 60Со, 90Sr, 137Cs ка некоторых микробиологических культурах (целлюлолитиках) // Тезисы докладов 2-й Российской конференции по радиохимии (Димитровград, 27-31 октября 1997 г.) Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1997.

5. A.N. Mokeev, V.A. Iljin, N.B. Gradova Biotechnological degradation of the radioactive cellulose containing waste // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 226 (1998), accepted 10 March 1998.

1996r.

Заказ 10Ц _объем 1,£п.л._Тираж 100

Типография РХТУ им. Д.И. Менделеева