Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Комплексная оценка качества сточных вод стадий химической трансформации производства полусинтетических β-лактамных цефалоспоринов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Комплексная оценка качества сточных вод стадий химической трансформации производства полусинтетических β-лактамных цефалоспоринов"

На правах рукописи

ФИРСОВА Ольга Владимировна

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД СТАДИЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУ СИНТЕТИЧЕСКИХ р-ЛАКТАМНЫХ ЦЕФАЛОСПОРИНОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза - 2014

005558670

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный технологический университет» на кафедре «Биотехнологии и техносферная безопасность».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ТАРАНЦЕВА Клара Рустемовна.

Официальные оппоненты: КРУЧИНИНА Наталия Евгеньевна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», заведующая кафедрой «Промышленная экология»; СВЕРГУЗОВА Светлана Васильевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова», заведующая кафедрой «Промышленная экология».

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технологический университет», г. Казань.

Защита состоится 23 декабря 2014 г., в 12 часов 30 минут, на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а/ 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» и на сайте www.penzgtu.ru.

Автореферат разослан 31 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета 0л

Коростелева Анна Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Производство полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов, основанное на приемах тонкого органического синтеза, приводит к выбросу в гидросферу значительного количества высококонцентрированных сточных вод, содержащих фармацевтические субстанции, биологически активные соединения, органические растворители, гетероциклические и хлорорганические соединения, минеральные кислоты и т.д.

Применяемые в настоящее время способы оценки качества сточных вод химико-фармацевтических производств по показателям химического анализа основаны на определении концентраций специфических загрязнителей и не позволяют оценить степень воздействия стоков на биоценозы гидросферы, поскольку не учитывают уровень их токсичности.

В связи с этим актуальна разработка методики комплексной оценки качественного состава сточных вод, образующихся на различных этапах технологических процессов химического синтеза р-лактамных цефалоспоринов, основанной на учете как химических, так и биологических показателей качества.

Оценку качества сточных вод химико-фармацевтических производств отдельно по химическим и биологическим показателям проводили В.Ф. Карпухин, З.Л Файнгольд, Н.П. Блинов, А.Р. Якубов, В.М. Кантере, В.Е. Леонова, Е.Е. Полунина, Э.В. Рабышко, Л.В. Юркевич, М.И. Яхкинд, М.А. Марынова и др. Однако задаче комплексной оценки качества стоков до настоящего времени должного внимания не уделялось.

Комплексная оценка качества сточных вод, основанная на определении интегральных показателей качества, позволит оперативно осуществлять выбор метода очистки сточных вод на различных этапах технологических процессов получения Р-лакгамных цефалоспоринов и снизить антропогенную нагрузку на гидросферу.

Цель исследования - разработка методики комплексной оценки качества сточных вод, поступающих со стадий химической трансформации производства полусинтетических р-лактамных цефалоспоринов, по интегральным показателям для выбора методов очистки сточных вод.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) анализ состава сточных вод, поступающих с технологических стадий химического синтеза производства полусинтетических р-лактамных цефалоспоринов, на примере производства цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли;

2) исследование степени токсичности сточных вод с различных технологических стадий и среднепропорциональных стоков вышеуказанных производств методом биотестирования;

3) установление взаимосвязи между интегральными показателями качества сточных вод и выбором способа очистки стоков, поступающих со стадий химической трансформации полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов;

4) разработка алгоритма выбора способа очистки сточных вод, образующихся на этапах химической трансформации производства полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов;

5) разработка методики комплексной оценки качества сточных вод по интегральным показателям и рекомендаций по выбору способа очистки стоков в производстве полусинтетических Р-лактамных антибиотиков цефалоспорино-вого ряда: цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли.

Объект исследования - сточные воды, образующиеся на технологических стадиях химической трансформации цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли, и среднепропорционапьные стоки этих производств.

Предмет исследования - оценка качества сточных вод производства Р-лактамов цефалоспоринового ряда по интегральным показателям.

Методы исследований. В ходе работы над диссертацией были использованы физико-химические (колориметрия, спектрофотометрия, абсорбционная спектроскопия), химические (титриметрия, перманганатометрия, весовой анализ) и микробиологические (биотестирование на микроорганизмах) методы. Обобщенный анализ качества стоков, поступающих со стадий химической трансформации р-лактамов, основывался на теории вероятностей, математической статистике, теории оптимизации и планирования эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Впервые предложена и апробирована методика комплексной оценки качества сточных вод, поступающих со стадий химической трансформации производства полусинтетических р-лактамных цефалоспоринов, основанная на использовании системы обобщенных показателей, включающей: биоокисляе-мость стока (БПК5 / ХПК), %; содержание и соотношение биогенных элементов в стоке (БПК5:М:Р); степень токсичности стоков.

2. Впервые для определения уровня токсичности сточных вод стадий химической трансформации производства полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов предложена методика биологического тестирования стоков с использованием в качестве тест-культуры ЕгПегососсиз 5есаН5, позволяющая установить безопасную кратность их разбавления.

3. Установлены зависимости окисляемости сточных вод производства це-фапоспорина моногидрата и цефалотина натриевой соли от содержания органических загрязнителей в сухом остатке.

Практическую значимость работы составляют:

1) рекомендации по проведению комплексной оценки качества сточных вод производства Р-лактамных цефалоспоринов по интегральным показателям на основе гидрохимических анализов и биотестирования, а также по выбору способа очистки стоков, образующихся на стадиях химической трансформации в производстве цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли;

2) разработанный алгоритм выбора метода очистки стоков на стадиях химической трансформации производства антибиотиков цефалоспоринового ряда на основании предложенной методики комплексной оценки качества сточных вод. Применение данного алгоритма позволяет сократить сроки принятия технологических решений и снизить затраты на проведение гидрохимических исследований.

На защиту выносятся следующие положения:

-результаты исследования качественного и количественного состава сточных вод, образующихся в технологических процессах химического синтеза цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли по интегральным показателям;

- методика и результаты биологического тестирования на основе применения тест-культуры ЕШегососсия ГесаШ для определения уровня токсичности сточных вод с технологических стадий производства цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли;

-зависимость степени окисляемости сточных вод производства цефалек-сина моногидрата и цефалотина натриевой соли от содержания органических загрязнителей в сухом остатке;

- методика комплексной оценки качества сточных вод производства полусинтетических р-лактамных цефалоспоринов, основанная на использовании системы интегральных показателей, включающей: биоокисляемость стока (БПК5 / ХПК, %); соотношение биогенных элементов в стоке (БПК5:М:Р); степень токсичности стоков;

- алгоритм выбора метода очистки стоков на этапах химической трансформации производства Р-лактамных цефалоспоринов на основании предложенной методики комплексной оценки качества сточных вод;

- рекомендации по выбору способа очистки стоков, образующихся на стадиях химической трансформации в производстве цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли.

Внедрение результатов работы. Полученные в работе данные:

- внедрены и используются Управлением Федеральной службы по надзору в сфере природопользования Пензенской области в виде рекомендаций предприятиям биохимического синтеза по контролю за сточными водами и выбору метода очистки стоков;

- используются в учебном процессе Пензенского государственного технологического университета при подготовке специалистов по направлениям 282020 «Техносферная безопасность» и 240900 «Биотехнология»,

что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием методов исследования, соответствующих предмету, цели и задачам работы; аттестованных и поверенных приборов и оборудования; однородной и представительной выборкой результатов экспериментов, позволяющей судить о сходимости и воспроизводимости представленных данных; представлением и обсуждением результатов работы на конференциях различного уровня.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, 2010, 2011); региональной конференции «Исследования и инновационные разработки в сфере медицины и фармакологии» (Пенза, 2011); Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2011, 2013).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка используемой литературы из 174 наименований и приложения. Основное содержание диссертации включает 122 страницы текста, 24 рисунка, 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, поставлены задачи, решение которых позволяет достичь цели исследования; определены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первом разделе приведены результаты анализа сточных вод производства полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов. Выявлено, что наиболее загрязненными являются стоки, поступающие со стадий их химической трансформации, БПК и ХПК которых может достигать 10-15 и 20-25 тыс. мг/л, соответственно. Количество таких стоков составляет до 20 % от общего объёма образующихся в ходе технологического процесса сточных вод.

Показано, что используемые в настоящее время методы аналитического контроля по гидрохимическим показателям характеризуют сточные воды только по специфическим загрязнителям, но не позволяют оценить токсичность стоков и выбрать эффективный режим работы биологических очистных сооружений. Поэтому необходима комплексная оценка по обобщенным интегральным показателям качества сточных вод для выявления причин и источников, вызывающих отклонения от нормативных показателей, и разработки рекомендаций по способам снижения токсичности стоков на всех этапах производства.

Анализ технологий получения полусинтетических Р-лактамных антибиотиков цефалоспоринового ряда показал, что они могут быть представлены двумя основными схемами (рисунок 1).

Схема I Схема II

Сульфоксид бензилпенициллина

Получение 7-(фенилацетамидо) дезацетоксицефалоспорановой кислоты (7-ФДЦК)

Получение 7-аминодезацетокси-цефалоспорановой кислоты (7-АДЦК)

Получение полусинтетических р-лактамных цефалоспоринов (цефалексина моногидрат, цефуроксим асетат, цефаклор и др.)

Цефалоспорин С

Получение 7-аминоцефалоспориновой кислоты (7-АЦК)

Получение полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов (цефалотина натриевая соль, цефтриаксона натриевая соль, цефотаксима натриевая соль и др.)

Рисунок 1 - Схемы получения полусинтетических р-лактамных цефалоспоринов: из сульфоксида бензилпенициллина (схема I) и цефалоспорина С (схема И)

По первой схеме цефалоспорины получают из сульфоксида бензилпенициллина через 7-(фенилацетамидо) дезацетоксицефалоспорановую кислоту и 7-аминодезацетоксицефалоспорановую кислоту.

По второй схеме получение полусинтетических цефалоспоринов основано на их синтезе из 7-аминоцефалоспорановой кислоты, которую получают из природного антибиотика цефалоспорина С.

До настоящего времени сравнительный анализ вышеуказанных технологий получения Р-лактамных цефалоспоринов по оценке их негативного воздействия на окружающую среду не проводился. В связи с этим исследование техногенной нагрузки на окружающую среду производства Р-лактамов по двум различным схемам представляет научный и практический интерес. Поэтому в данной работе в качестве объектов исследования взяты производства цефалексина моногидрата, получаемого по первой схеме, и цефалотина натриевой соли, получаемого по второй схеме производства р-лактамных цефалоспоринов. Это позволит использовать полученные в работе результаты и в других производствах Р-лактамных антибиотиков цефалоспоринового ряда.

Во втором разделе описаны объекты исследования и методики экспериментов. Объектом исследования являлись сточные воды основных технологических стадий и среднепропорциональные стоки производства цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли.

Методика исследования сточных вод стадий химической трансформации производства полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов по гидрохимическим показателям

Химический анализ исследуемых стоков проводился по следующим показателям: химическое потребление кислорода (ХПК, окисляемость); биохимическое потребление кислорода за 5 суток (БПК5); содержание сухого и прокаленного остатков, общего азота, нитритов, нитратов, общего фосфора. Отбор проб производился в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб».

Окисляемость сточных вод (ХПК) определялась перманганатометрическим методом.

Биоокисляемость стока определялась как отношение БПК5 к ХПК, выраженное в процентах - БПК5/ ХПК, %.

Определение сухого и прокаленного остатков, как суммарного количества растворенных в пробе неорганических и органических веществ, проводилось гравиметрическим методом.

Суммарное количество органических загрязнителей (легко- и сложноокис-ляемых) определялось по разнице между сухим и прокаленным остатками, выраженной в процентах.

Содержание общего азота определялось титриметрическим методом.

Определение нитритов, нитратов и общего фосфора проводилось фотоколориметрическим методом.

Методика биологического тестирования

Оценка токсичности сточных вод со стадий химической трансформации цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли проводилась перед их поступлением в общезаводской сток и на биологические очистные сооружения предприятия.

В качестве тест-культуры использовался свежевыделенный штамм ЕШего-соссиэ ГесаНв, не адаптированный к данным сточным водам, типичный по своим культуральным, морфологическим и биохимическим свойствам. Выбор микроорганизма Етегососсив Геса^ в качестве тест-культуры для оценки токсичности водной среды определялся коротким циклом развития, апатогенностью, возможностью получения в любое время необходимого его количества и невысокой стоимостью анализа.

Опытные смеси состояли из автоклавированных сточных вод (нативные и в разведении). Микробная нагрузка рассчитывалась из содержания Етегососсив ГесаШ в природной воде на момент исследования.

Продолжительность эксперимента составляла от 1 до 30 суток при комнатной температуре и определялась исходя из длительности выживания тест-культуры под влиянием химических компонентов сточных вод. Высевы проводились ежедневно до полной стабилизации количества микроорганизмов в трех последовательных определениях.

Исследования проводились с использование щелочной полимиксиновой среды, являющейся элективной для Етегососсия АесаНз.

Определение выживаемости тест-культуры в анализируемых растворах проводилось титрационным методом.

Инкубация посевов проводилась при температуре 37 °С в течение 24-28 часов, после чего из сосудов с признаками роста (помутнение, изменение цвета) делался пересев на чашки Петри с подтверждающей средой Г.П. Калины. Положительный результат определялся при наличии роста красных колоний на чашках Петри и полиморфных диплококков при выборочной микроскопии.

Степень токсичности исследуемой среды определялась по графической кривой зависимости концентрации микроорганизмов от длительности эксперимента.

Оценка случайных погрешностей проводилась методами математической статистики с использование критерия Стьюдента при доверительной вероятности Р = 0,95.

Результаты количественного анализа обрабатывались с помощью программы МаЛсас1 и представлены с ё < 5 %.

В третьем разделе приведены результаты исследований и их обсуждение.

Исследование сточных вод производства цефалексина моногидрата по стадиям технологического процесса

Исследование позволило выявить, что количество стоков на 1 т готового продукта составляет 9436,28 т, а окисляемость стоков (ХПК, г/л) в производстве цефалексина моногидрата составляет от 0,69 до 419,0 г/л в зависимости от стадии (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристика сточных вод по стадиям производства цефалексина моногидрата

Стадии Наименование стока ХПК, г/л Загрязняющие вещества

ТП 1.1. Получение сульфоксида бензилпенициллина маточник, промывка пасты, промывка оборудования 53,50 10,70 5,35 бензилпенициллин, сульфоксид бензилпенициллина, метанол

ТП 1.2. Получение бромгидрата пиридина промывка оборудования, промывка с нугч-фильтра 2,00 3,40 толуол, пиридин, бромгидрат пиридина

ТП 1.3. Получение Ы,Кг-бис (триметилсилил) мочевина кубовый остаток после регенерации толуола 337,30 толуол

ТП 1.4. Получение 7-ФДЦК маточник водный 19,80 толуол, триметилсиланол, гексаметилдисилазан

ТП 2. Получение 7-АДЦК маточник, кубовый остаток после регенерации ацетона 133,50 233,70 ацетон, 7-АДЦК

ТП 3. Получение цефалексина моногидрата маточник, промывки оборудования: 1 -я промывка 2-я промывка 3-я промывка промывка цефалексина, кубовый остаток после регенерации хлористого метилена, кубовый остаток после регенерации этанола 419,00 0,690 0,92 10,3 10,30 14,90 240,00 89,80 метанол, метилен хлорид, диметиланилин ацетон, этанол

По степени биоокисляемости сточные воды, образующиеся на стадиях производства цефалексина моногидрата, варьируются в пределах от легкоокисляе-мых (БПК5/ ХПК > 50 %) до трудноокисляемых (БПК5/ ХПК < 50 %) (рисунок 2).

Рисунок 2 - Биоокисляемость сточных вод производства цефалексина: по оси У-отношение БГЖ5/ХПК, %; по оси X. — наименование стоков со стадий производства: 1) маточник водный после осаждения СОБП; 2) водная промывка пасты СОБП; 3) промывка водная бромгидрина пиридина; 4) маточник водный после осаждения 7-ФДЦК; 5) маточник поле осаждения 7-АДЦК; 6) маточник после осаждения цефалексина; 7) 1,2-я промывка цефалексина; 8) 3-я промывка цефалексина

Промышленные стоки со стадий осаждения 7-ФДЦК, 7-АДЦК характеризуются как легко биоокисляемые - БПК5 / ХПК более 50 %. Поэтому стоки с данных производств могут направляться на биологическую очистку. Сточные воды с других стадий трудно биоокисляемые - БПК5 / ХПК менее 50 %, поэтому необходима их локальная очистка с применением физико-химических методов.

Выявлена зависимость между степенью окисляемости стоков и содержанием органической фазы в сухом остатке сточных вод в производстве цефалекси-на моногидрата:

у = 134,14е~°'391лг, при Я = 0,9763, где х - содержание органических веществ в сухом остатке сточных вод.

Учитывая, что при смешивании стоков со стадий производства не только происходит разбавление более сильнозагрязненных сточных вод менее загрязненными, но и возможны химические реакции между компонентами стоков, решение проблемы выбора метода очистки стоков должно основываться на характеристике качества среднепропорционального стока с производств.

Исследования показали, что при образовании среднепропорционального стока с производства цефапексина моногидрата, схема которого представлена на рисунке 3, гидрохимические показатели сточных вод изменяются: ХПК -с 419 до 5,45 г/л; БПК5 - с 129 до 0,3 г/л; взвешенные вещества - с 2,61 до 0,03 г/л; сухой остаток - с 61,52 до 2,06 г/л; прокаленный остаток - с 4,41 до 0,89 г/л, биоокисляемость стока - с 32,04 до 5,5 г/л (рисунок 4).

Рисунок 3 - Схема формирования среднепропорционального стока с производства цефалексина моногидрата

При смешивании сточных вод с различных стадий не происходит их разбавления до безопасного уровня, напротив, образующийся среднепропорцио-нальный сток становится еще более труднобиоокисляемым и несбалансированным по биогенным элементам.

о

Рисунок 4 - Показатели качества сточных вод при образовании цефапексина: I - среднепропорциональный сток; II - стадия получения СОБП; III - стадия получения бромгидрата пиридина; IV - стадия получения цефалексина моногидрата

С целью выявления порога токсичности стоков производства цефалексина моногидрата и определения условий направления на биологическую очистку проводилось биологическое тестирование ацетонсодержащих сточных вод со стадии осаждения 7-АДЦК, метанол- и метиленхлоридсодержащих сточных вод со стадии осаждения цефалексина и среднепропорциольного стока с производства до поступления на биологических очистные сооружения.

Результаты исследования и анализ выживаемости тест-культуры в вышеуказанных стоках показали следующее.

1. Токсическое действие стоков со стадии осаждения 7-АДЦК по отношению к Етегососсив ГесаПь проявляется в снижении концентрации микроорганизмов на 0,5^ на восьмые сутки по сравнению с контролем. При этом характер логарифмической кривой развития микроорганизмов не изменился по сравнению с контролем. Разбавление промышленных стоков заметного влияния на тест-культуру не оказывает. Поэтому данные стоки могут подвергаться очистке биохимическим методом (рисунок 5).

Период наблюдения, сут.

Рисунок 5 - Выживаемость Enterococcus fecalis в ацетонсодержащих стоках стадии осаждения 7-АДЦК: I - контроль: природная вода + 40000 микробных тел/мл;

II - сток в разведет™ (1:50) + 40000 микробных тел/мл; III - сток в разведении (1:10) + 40000 микробных тел/мл; IV - сток без разбавления + 40000 микробных тел/мл

2. Труднобиоокисляемые неразбавленные метанолсодержащие и метилен-хлоридсодержащие стоки обладают выраженным токсическим действием. Уже в первые сутки наблюдается снижение концентрации микроорганизмов по сравнению с контролем на 1 порядок как в случае метанолсодержащих стоков (рисунок 6), так и в случае метиленхлоридсодержащих стоков (рисунок 7). При последующем наблюдении характер динамики кривой не изменился и к 10 суткам наблюдения снижение концентрации микроорганизмов по сравнению с контролем достигло 121g.

Период наблюдения, сут. Рисунок 6 - Выживаемость Enterococcus fecalis в метанолсодержащих стоках производства цефалексина моногидрата: I - контроль: природная вода + 40000 микробных тел/мл; II - сток в разведении (1:50) + 40000 микробных тел/мл; III - сток в разведении (1:10) + 40000 микробных тел/мл; IV - сток без разбавления + 40000 микробных тел/мл

10 11 12 13 14 15

Период наблюдения, сут.

Рисунок 7 - Выживаемость Enterococcus fecalis в метиленхлоридсодержащих стоках производства цефалексина моногидрата: I - контроль: природная вода + 40000 микробных тел/мл; II - сток в разведении (1:50) + 40000 микробных тел/мл; III - сток в разведении (1:10) + 40000 микробных тел/мл; IV - сток без разбавления + 40000 микробных тел

При разведении метанол- и метиленхлоридсодержащих стоков наблюдалось снижение их токсичности, однако ингибирующее действие на Enterococcus fecalis сохранялось, концентрация микроорганизмов снижалась на 6 порядков.

3. Неразбавленный среднепропорциональный сток производства цефалексина моногидрата обладает высокой степенью токсичности, которая снижается при разбавлении данного стока в более чем в 10 раз (рисунок 8).

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Период наблюдения, сут. Рисунок 8 - Выживаемость Enterococcus fecalis в среднепропорциональном стоке производства цефалексина моногидрата: I - контроль: природная вода + 40000 микробных тел/мл; II - сток в разведении (1:50) + 40000 микробных тел/мл; III - сток в разведении (1:10) + 40000 микробных тел/мл; IV - сток без разбавления + 40000 микробных тел/мл

Результаты исследования токсичности среднепропорционального стока производства цефалексина моногидрата позволили, с учетом критериев токсичности (летальная концентрация для 50 % тест-организмов - ЛК50 и хроническое токсическое действие - ХТД), обосновать минимальную безопасную кратность разбавления данного стока: БКРт;п =10. При этом разбавлении гибель микроорганизмов под действием стока находится в пределах от ЛК50 = 7 % до ЛК50 = 18-16 %, что позволяет провести очистку стоков биологическим методом и сохранить активный ил очистных сооружений предприятия (таблица 2).

Таблица 2 - Безопасная кратность разбавления среднепропорционального стока производства цефалексина моногидрата_

Степень разбавления стока Результаты биотестирования БКРтт

экспресс-о ценка стандартное

ЛК50, % Токсичность ЛК50, % Токсичность

1:50 4,5 нетоксичен 36-41 нетоксичен 10

1:10 7 нетоксичен 18-16 нетоксичен

без разбавления 51,2 токсичен 73-74 токсичен

Таким образом, результаты исследования качественного и количественного состава сточных вод, образующихся в технологических процессах химического синтеза производства цефалексина моногидрата, показали, что стоки многокомпонентны, сильно загрязнены веществами органической природы, различны по способности к биологическому окислению, токсичны. Минимальная безопасная кратность разбавления среднепропорционального стока с производства цефалексина моногидрата составляет БКРтш= 10.

Исследование сточных вод производства цефалотина натриевой соли по стадиям технологического процесса

Исследования показали, что на 1 т готового продукта образуется 1453,6 т сточных вод. Диапазон окисляемости промстоков (ХПК, г/л) по стадиям производства цефалотина натриевой соли составляет от 0,3 до 69,0 г/л (таблица 3).

Биоокисляемость сточных вод, образующихся на стадиях производства цефалотина натриевой соли, варьируется в пределах от легкоокисляемых - БПК5 / ХПК более 50 %, до трудноокисляемых - БПК5/ ХПК менее 50 % (рисунок 9).

Сточные воды со стадий получения 7-АЦК характеризуются как легко-окисляемые - БПК5 / ХПК более 50 % и могут направляться на биологическую очистку, так как формируются в основном из промывок технологического оборудования, а технологические маточники со стадий поступают на регенерацию и не попадают в стоки (рисунок 10).

Сточные воды со стадий получения цефалотина натриевой соли, напротив, характеризуются высокой степенью загрязненности и большим разбросом значений по показателям, г/л: ХПК - от 0,3 до 69,0; БПК5 - от 0,1 до 27,0; сухой остаток - от 0,95 до 10,6; прокаленный остаток - от 0 до 1,67; взвешенные вещества - от 0,19 до 1,17. Сухой остаток представлен в основном веществами органической природы - от 50 до 100 % (рисунок 11).

Таблица 3 - Характеристика сточных вод по стадиям производства цефалотина натриевой соли

Стадии производства Наименование стока ХПК, г/л Загрязняющие вещества

ТП 1. Получение 7-АЦК ТП 1.1. Получение метилового иминоэфира силильного производного цефалоспорина С водные промывки аппаратов 3,2 хлористый метилен, N,Nr -диметиланилин, триметилхлорсилан, фосфор пятихлорисгый, метанол

ТП 1.2. Гидролиз метилового иминоэфира силильного производного цефалоспорина С водные промывки аппаратов, промывная вода с нутч-фильтра 0,3 0,3 хлористый метилен, N,Nr -диметиланилин, триметилхлорсилан, фосфор пятихлорисгый, уголь активированный

ТП 1.3. Осаждение и промывка 7-АЦК 1-я промывка аппарата 2-я промывка аппарата 0,9 0,5 ацетон, метанол, метилен хлорид

ТП 2. Получение цефалотина натриевой соли 2.1. Получение хлорангидри-да тетрауксусной кислоты (ХАТУК) водная промывка раствора ХАТУК, водные промывки аппаратов 9,3 1,5 хлорангидрид тетрауксусной кислоты, метанол

ТП 2.2. Сушка ХАТУК водные промывки аппаратов после сушки 0,5 хлорангидрид тетрауксусной кислоты

ТП 2.3. Получение цефалотина кислоты водные промывки цефалотина кислоты 1 -я промывка аппарата 2-я промывка аппарата 69,0 1,0 0,3 цефалотин кислота, ацетон

ТП 2.4,Осаждение цефалотина натриевой соли водные промывки аппаратов 0,5 цефалотин натриевая соль

Рисунок 9 - Биоокисляемость сточных вод производства цефалотина натриевой соли: по оси У - отношение БПК5 / ХПК, %; по оси Х- наименование стоков со стадий производства: 1) промывная вода с аппарата после гидролиза метилового иминоэфира силильного производного цефалоспорина С; 2) промывная вода с нутч-фильтра после гидролиза метилового иминоэфира силильного производного цефалоспорина С; 3) 1-я промывка аппарата после осаждения 7-АЦК; 4) 2-я промывка аппарата после осаждения 7-АЦК; 5) водная промывка раствора ХАТУК; 6) промывные воды с аппарата после промывки раствора ХАТУК; 7) промывка аппарата после сушки раствора ХАТУК; 8) водные промывки раствора цефалотина кислоты; 9) 1-я водная промывка с аппарата; 10) 2-я водная промывка с аппарата; 11) промывные воды с аппарата после осаждения цефалотина

ы с

0,6

0,2 0

0,5

0,24

0,14 0,12 |

ч 0,6

í i

° 0,4 я

& 0,3 -

>а 0,2 -

5. ОД и „

0,39

0,16

В *

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 -О

0,2

Рисунок 10 - Показатели качества сточных вод со стадии получения 7-АЦК, г/л: по оси К- показатели качества сточных вод, по оси Х- наименование стоков: I - промывная вода с аппарата гидролиза иминоэфира; II - промывная вода с нутч-фильтра; III - 1-я промывка аппарата после осаждения 7-АЦК; IV - 2-я промывка аппарата после осаждения 7-АЦК

80 60 -40 -20 о

9,3

10

1,5 0,5

0,3 0,5

V VI VII

30

i—

vT 25

г:

ш 20

15

10

5

0

27

4,3

0,6 0,2

0,3 0,1 0,1

S,

О

12 10 8 6 4 2 0

10,06

1,24 1,17

0,19

0,34

0,95

0,3

1,5

0,5

0,3

0,07

0,26 0,14 ' 0,13

Рисунок 11 - Показатели качества сточных вод со стадии получения цефалотина натриевой соли, г/л: по оси Y - показатели качества сточных вод, по оси Х - наименование стоков: I - водная промывка раствора ХАТУК; II - промывные воды с аппарата после промывки раствора ХАТУК; III - промывные воды с аппарата после сушки раствора ХАТУК; IV -водные промывки раствора цефалотина кислоты; V - промывные воды с аппарата; VI -промывные воды с аппарата; VII - промывные воды с аппарата после осаждение цефалотина

Выявлена зависимость между степенью окисляемости стоков и содержанием органической фазы в сухом остатке сточных вод производства цефапотина натриевой соли:

у = 82,675е"°'184л, при Я = 0,9393, где х - содержание органической фазы в сухом остатке сточных вод.

Среднепропорциональный сток производства цефалоспорина натриевой соли формируется из технологических маточников и промывных вод оборудования по схеме, представленной на рисунке 12.

Рисунок 12 - Схема формирования среднепропорционального стока производства цефапотина натриевой соли

Среднепропорциональный сток с данного производства имеет высокую степень загрязненности, г/л: ХПК - 11,0, БПК5 - 3,2; взвешенные вещества -0,13; сухой остаток - 1,46; прокаленный остаток - 0,36; водородный показатель- 1,8 рН, биокосляемость стока - 29 %, содержание органических веществ в сухом остатке - более 75 %, и не сбалансирован по биогенным элементам -соотношение БПК5:1Ч:Р составляет 100:28:0,63.

Таким образом, среднепропорциональный сток производства цефапотина натриевой соли трудно окисляем, не сбалансирован по биогенным элементам и загрязнен веществами органической природы. Поэтому для его очистки рекомендованы физико-химические методы или разбавление условно-чистыми сточными водами.

Исследования уровня токсичности среднепропорционального стока производства цефапотина натриевой соли показали, что данный сток обладает токсическим эффектом, проявляющимся в задержке роста тест-культуры уже в первые сутки наблюдения. При разведении промышленного стока условно-чистыми стоками более чем в 10 раз наблюдается задержка роста тест-культуры в 1,5^ уже в первые сутки наблюдения и сохраняется до конца эксперимента. Безопасный уровень разбавления стока достигается при разбавлении 1:100 (рисунок 13).

Период наблюдения, сут.

Рисунок 13 - Выживаемость Етегососсия ГесаНв в среднепропорциональном стоке производства цефалотина натриевой соли: I - контроль: природная вода + 40000 микробных

тел/мл; II - сток в разведении (1:100) + 40000 микробных тел/мл; III - сток в разведении (1:50) + 40000 микробных тел/мл; IV - сток в разведении (1:10) + 40000 микробных тел/мл;

V - сток без разведения + 40000 микробных тел/мл

Анализ полученных результатов биотестирования стоков позволил, с учетом критериев токсичности (летальная концентрация для 50 % тест-организмов - ЛК50 при наблюдении до 3-х суток и хроническое токсическое действие - ХТД при наблюдении от 3-х до 8-ми суток), обосновать минимальную безопасную кратность разбавления среднепропорционального стока производства цефалотина натриевой соли: БКРт!п = 50. При данном разбавлении летальная концентрация микроорганизмов составляет от ЛК50 = 15,9 % до ЛК50 = 46,3^18,8 %, что ниже максимального значения ЛК50 = 50,0 % (таблица 4).

Таблица 4 -Безопасная кратность разбавления сточных вод производства цефалотина натриевой соли

Степень разбавления стока Биотестирование БКРга,„

экспресс-оценка стандартное

ЛК50, % Токсичность ЛК50, % Токсичность

1:100 2,7 нетоксичен 29,9-13,3 нетоксичен 50

1:50 15,90 нетоксичен 46,3-48,8 нетоксичен

1:10 51,2 токсичен 65,78-77,8 токсичен

без разбавления 51,2 токсичен 69,9-98,1 токсичен

Таким образом, результаты исследования качественного и количественного состава сточных вод, образующихся в технологических процессах химического синтеза производства цефалотина натриевой соли, показали, что данные стоки сильно загрязнены, токсичны и имеют различную способность к биоокислению. Минимальная безопасная кратность разбавления стока составляет БКРщ|п= 50.

Сравнительная оценка техногенной нагрузки технологических схем производства полусинтетических /?-лактамных г^фалоспоринов Сравнительный анализ производств полусинтетических р-лактамных це-фалоспоринов, получаемых по первой схеме (на примере производства цефа-лексина моногидрата) и по второй схеме (на примере производства цефапотина натриевой соли), показал, что суммарный расход сырья на тонну готовой продукции по первой схеме в 1,5 раза меньше, чем по второй схеме. При этом количество сточных вод, образующихся при производстве полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов, получаемых по первой схеме, в 20 раз больше, чем по второй. Это связано с тем, что по второй схеме производства Р-лактамных цефалоспоринов используются органические растворители, которые полностью подвергаются регенерации и не попадают в промстоки.

Диапазон изменения степени загрязненности сточных вод с основных технологических стадий и промывных вод технологического оборудования по показателю ХПК, г/л по первой и второй схемам производства сильно варьируется. ХПК сточных воды с основных технологических стадий (рисунок 14, а) производства цефалексина моногидрата (схема I) находится в пределах от 0,69 до 10,3 г/л, а цефапотина натриевой соли (схема II) - от 0,3 до 3,2 г/л. ХПК сточных вод от промывки технологического оборудования производства цефалексина моногидрата (схема I) варьируется от 10,7 до 419 г/л и цефалотина натриевой соли (схема П) - от 9,3 до 69 г/л (рисунок 14, б). Таким образом, независимо от схемы получения полусинтетических цефалоспоринов степень загрязнения промывных сточных вод технологического оборудования от 20 до 40 раз превышает загрязнение сточных вод основных технологических стадий.

50 40 -30 20 -10 -0

ХПК, г/л

10,3

а) 6)

Рисунок 14 - Показатели сточных вод с основных технологических стадий (а)

и с промывных вод технологического оборудования (б) производства цефалексина моногидрата (1) и цефалотина натриевой соли (II)

Анализ среднепропорциональных стоков производства цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли показал, что ХПК промстока цефалотина натриевой соли в два раза выше, чем стока производства цефалексина моногидрата, а БПК стока производства цефалексина моногидрата на два порядка ниже, чем БПК стока производства цефалотина натриевой соли.

В целом, можно констатировать факт, что техногенная нагрузка на гидросферу в производстве цефалексина моногидрата значительно превышает нагрузку

в производстве цефалексина натриевой соли, поэтому технология получения Р-лактамных цефалоспоринов по схеме II более предпочтительна.

В четвертом разделе для оценки качества сточных вод предложены интегральные показатели качества стоков: биоокисляемость стоков, соотношение биогенных элементов в стоке, определение токсичности сточных вод (таблица 5).

Таблица 5 - Минимальная система обобщённых показателей

Индекс показателя Наименование интегрального показателя

н, Биоокисляемость стока, БПК5/ ХПК-100 %,

н2 Соотношение биогенных элементов в стоке, БГ1К^:Ы:Р

Н3 Степень токсичности стоков

Использование предложенной системы обобщенных показателей качества сточных вод производства Р-лактамных антибиотиков позволяет обоснованно выбирать метод их очистки уже на ранних этапах производства (рисунок 15).

Рисунок 15 - Алгоритм выбора метода очистки промышленных стоков производства р-лактамных антибиотиков на основании интегральной оценки

Показатель Н! на первом этапе позволяет проранжировать стоки по степени биоокисляемости:

- если Н1 < 50 % - сток трудноокисляемый: дальнейший выбор метода локальной очистки (механическая, химическая или физико-химическая очистка) зависит от агрегатного и компонентного состава данного стока;

- если Н1 > 50 % - сток легкоокисляемый;

- если показатель Н2 = 100:5:1, - возможно применение метода биохимической очистки без предварительной подготовки стоков;

- если Н2 Ф 100:5:1, - необходимо провести предварительную подготовку стоков: разбавление другими стоками или добавление дозированной добавки биогенных элементов, в соответствии с оптимальным соотношением, а затем определение токсичности сточных вод. Биологическое тестировании (Н3) позволяет установить минимальную кратность разбавления сточных вод, после

чего они могут быть направлены на очистные сооружениях предприятия без разрушения активного ила.

Таким образом, исследования показали, что комплексная оценка качества сточных вод стадий химической трансформации производства полусинтетических Р-лактамных цефалоспоринов, основанная на характеристике их качества по интегральным показателям (биоокисляемость, соотношение биогенных элементов, токсичность), позволяет оценивать степень токсичности сточных вод, определять минимальную безопасную кратность разбавления стоков и рекомендовать методы очистки сточных вод на различных стадиях технологического процесса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено комплексное исследование состава сточных вод технологических стадий производства цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли, в результате которого выявлено, что они относятся к трудно окисляемым стокам, не сбалансированным по соотношению биогенных элементов, с преимущественным содержанием веществ органической природы. Определены показатели среднепропорциональных стоков в производстве:

- цефалексина моногидрата: ХПК = 5,45 г/л, БПК5 = 0,3 г/л, БПК5 / ХПК = 5,5 %, БПК5:№Р = 100:17:23, органическая фаза в сухом остатке составляет 56,8 %;

-цефалотина натриевой соли: ХПК = 11,0 г/л, БПК5 = 3,2 г/л, БПК5 / ХПК = 29,0 %, БПК5:№Р = 100:28:0,6, органическая фаза в сухом остатке составляет 100 %.

2. Предложена методика биологического тестирования на ЕШегососсиз ГесаЦв, позволившая определить уровень токсичности сточных вод с технологических стадий и среднепропорциональных стоков производства цефалексина моногидрата и цефалотина натриевой соли и обосновать выбор безопасной кратности разбавления сточных вод до поступления их на биологические очистные сооружения. Показано, что:

- среднепропорциональный сток с производства цефалексина моногидрата обладает выраженной токсичностью, уровень безопасной кратности разбавления для данного стока составил БКРПШХ = 10;

- среднепропорциональный сток с производства цефалотина натриевой соли токсичен, уровень безопасной кратности разбавления для данного стока составил БКРтах = 50.

3. Впервые установлена зависимость между показателем содержания органических загрязнителей в сухом остатке сточных вод Р-лактамных цефалоспоринов и степенью окисляемости этих стоков.

4. Предложена система интегральных показателей, позволяющая комплексно оценивать качество стоков на этапах производства до их поступления на биологические очистные сооружения:

Н1 - биоокисляемость стока (БПК5/ ХПК), %;

Н2 - соотношение биогенных элементов в стоке (EnK5:N:P);

Н3 - степень токсичности стоков.

5. Разработана методика комплексной оценки качества сточных вод, позволяющая обоснованно выбирать метод локальной очистки стоков на этапах производства и оценивать среднепропорционапьные стоки производства, включающая следующий алгоритм:

- ранжирование стоков по показателю биоокисляемости и выделение трудноокисляемых стоков на локальную очистку физико-химическим методом;

- ранжирование стоков по показателю соотношения биогенных элементов и выделение стоков на биологическую очистку;

- оценка токсичности стоков, установление безопасной кратности разбавления и направление их на очистные сооружения предприятия.

6. Разработаны рекомендации для стадий химического синтеза производства Р-лактамных антибиотиков цефалоспоринового ряда на примере цефалек-сина моногидрата и цефалотина натриевой соли. Рекомендовано:

- стоки, имеющие степень биоокисления не более 50 %, направлять на локальную очистку физико-химическими методами, а стоки, имеющие степень биоокисления более 50 %, подвергать биохимической очистке;

- для оценки степени токсичности стоков использовать метод биотестирования на Enterococcus fecalis, позволяющий определять безопасную кратность их разбавления;

- определять содержание и соотношение биогенных элементов в стоках для обоснованного прогнозирования эффективности работы очистных сооружений предприятия и обеспечения сохранности активного ила.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах перечня ВАК

1. Firsova, O.V. Method to Reduce Corrosion Losses in Antibiotic Production / K.R. Taranzeva, O.V. Firsova // Protection of Métal and Physical Chemistry of Surfaces. - 2011. - Volume 47. - Issue 7. - P. 863-865.

2. Фирсова, O.B. Интегральная оценка качества сточных вод химико-фармацевтического производства / К.Р. Таранцева, О.В. Фирсова // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2012. -№ 02 (06). - С. 90-96.

3. Фирсова, О.В. Исследование процесса регенерации ацетона в производстве цинковой соли цефалоспорина С / О.В. Фирсова, К.Р. Таранцева // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 01 (17). - С. 253-257.

4. Фирсова, О.В. Алгоритм выбора метода очистки промышленных стоков производства р-лактамных антибиотиков на основании интегральной оценки / О.В. Фирсова, К.Р. Таранцева // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 05 (21). - С. 213-220.

5. Фирсова, О.В. Анализ среднепропорционального стока производства цефалотина натриевой соли / О.В. Фирсова, К.Р. Таранцева // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. -№ 05 (21). - С. 177-181.

Публикации в других изданиях

6. Фирсова, О.В. Анализ воздействия на окружающую среду ОАО «Биосинтез» с предложением природоохранных мер / М.А. Марынова, E.H. Бражни-кова, Е.А. Яшкина, О.В. Фирсова // Актуальные проблемы науки и образования: Сборник материалов III научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Ч. 3. Факультет «Институт образовательных технологий». - Пенза: Изд-во ПГТА, 2010. - С. 166-168.

7. Фирсова, О.В. Требования, предъявляемые к производству лекарственных препаратов / М.А. Марынова, K.P. Таранцева, О.В. Фирсова // Актуальные проблемы науки и образования: Сборник материалов IV научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Ч. 3. Факультет «Институт образовательных технологий». - Пенза: Изд-во ПГТА, 2011. - С. 84-90.

8. Фирсова, О.В. Анализ промышленных стоков производства антибиотиков / М.А. Марынова, K.P. Таранцева, О.В. Фирсова // Актуальные проблемы науки и образования: Сборник материалов IV научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Ч.З. Факультет «Институт образовательных технологий». - Пенза: Изд-во ПГТА, 2011. - С. 26-31.

9. Фирсова, О.В. Замена химических процессов на биотехнологические -тенденция нашего времени / О.В. Фирсова, A.B. Коростелёва, М.И. Яхкинд [и др.] // Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны: Сборник материалов I Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - С. 205-207.

10. Фирсова, О.В. Предложение по снижению негативного воздействия отходов биотехнологического производства / Е.А. Парфёнова, K.P. Таранцева, Е.А. Полянскова, Е.Г. Красная, A.B. Коростелёва, О.В. Фирсова // Исследования и инновационные разработки в сфере медицины и фармакологии: Материалы региональной конференции. - Пенза, 2011. - С. 190-194.

11. Фирсова, О.В. Исследование влияния конструкционных особенностей ферментационного оборудования на процесс массообмена / K.P. Таранцева, Е.Г. Красная, О.В. Фирсова // Исследования и инновационные разработки в сфере медицины и фармакологии: Материалы региональной конференции. -Пенза, 2011. - С. 202-205.

12. Фирсова, О.В. Способы повышения эксплуатации стойкости оборудования в производстве антибиотиков / K.P. Таранцева, Е.Г. Красная, A.B. Коростелёва, О.В. Фирсова // Исследования и инновационные разработки в сфере медицины и фармакологии: Материалы региональной конференции. - Пенза, 2011.-С. 205-208.

13. Фирсова, О.В. Анализ промышленных стоков производства антибиотиков / K.P. Таранцева, О.В. Фирсова, Д.П. Галиева [и др.] // Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны: Сборник материалов Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - С. 401-403.

ФИРСОВА Ольга Владимировна

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД СТАДИЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУ СИНТЕТИЧЕСКИХ Р-ЛАКТАМНЫХ ЦЕФАЛОСПОРИНОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Л.Ю. Горюнова Корректор А.Ю. Тощева Компьютерная верстка Т.А. Антиповой

Сдано в производство 16.10.14. Формат 60x84 '/¡6 Бумага типогр. № 1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr. Уч.-изд л. 1,41. Усл. печ. л. 1,39. Заказ № 2497. Тираж 100

Пензенский государственный технологический университет 440039, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, 1*/11