СЕКЦИЯ 1.7. РАЗРАБОТКА ОСНОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, СОЗДАНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИХ АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Получены данные по биотестированию водных сред и оценке процессов биоиндикации сточных вод, содержащих ионов никеля (II) и хрома (VI), с характеристикой микробного сообщества активного ила и биопленки в системах биологической очистки металлсодержащих сточных вод промышленных предприятий.
Исследован процесс биологической очистки сточных вод приборостроительного производства от ионов тяжелых металлов и СПАВ. Установлена зависимость качественного и количественного состава очищенной сточной воды, а также степени адсорбции ионов тяжелых металлов активным илом биологических очистных сооружений от последовательности смешения отдельных потоков сточных вод.
В составе сточных вод биогенные элементы представлены соединениями углерода, азота, фосфора и серы. Для их комплексного удаления из сточных вод весьма эффективным с экономической, технологической и экологической точек зрения являются биологические процессы, реализованные в технологической схеме (реакторе) с использованием микробных сообществ активного ила и/или биопленки.
Исследована возможность использования биофильтрациионной системы для очистки производственных сточных вод, содержащих нитрат- и сульфат-ионы в количествах, не соответствующих предъявляемым требованиям. Эффективность очистки оценивалась по изменению концентраций взвешенных веществ, органических веществ, соединений азота и серы.
Рассмотрены два метода обеззараживания этих стоков: сорбционный и реагентный. Показано более высокая эффективность последнего. Лучше результаты достигнуты при совместном использовании коагулянта Аква- аурат в дозе 700 мг/л и флокулянта Праестол в дозе 5 мг/л. При этом эффективность очистки достигла по ХПК 15.1 %, по взвешенным веществам 46.9 %, по нефтепродуктам 84.9 %.
Установлено влияние низкочастотного ультразвука на ферментативную активность илов процесса продленной аэрации. Эксперименты проводились на установках стационарного типа, на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-А. При этом наблюдалось повышение ферментативной активности илов, которое обусловлено разрыхлением хлопьев ила, деструкции биомассы с последующим выделением в иловую суспензию эндогенных ферментов и рост стимулирующих веществ.
Обязательными операциями на молокоперерабатывающих предприятиях является пастеризация и гомогенизация молока. Сложность аппаратурного оформления данных процессов требует необходимость внедрения альтернативного способа обработки молочного сырья. Использованы мембранные кавитационные реакторы. Показана перспективность использования низкочастотного ультразвука для пастеризации и гомогенизации молока.
Технологические преимущества ультразвукового метода обуславливают возможность и целесообразность его использования для обеззараживания воды в малых объектах культурно-бытового назначения. Подтверждена перспективность технологии дезинфекции воды по количеству обнаруженных бактерий.
Показано, что встроенный пучок трубчатых мембран приводит к разделению потока на отдельные струи, движущиеся по траекториям различной длины вдоль внутренних поверхностей аппарата. Предложена модель струйного течения с дополнительным переносом вещества в радиальном направлении.
Выполнена оценка массообменных характеристик инокулятора вытеснения. Сульфитное число при подаче технического кислорода под давлением 0,3 МПа в полости мембран равно 1,2 г/л.час. Интенсивность массообмена кислорода, обусловлена проницаемостью применяемых мембран и мало зависит от режима движения жидкости в диапазоне скоростей потока от 0,33 час-1 до 11,47 час-1.
Решена задача параметрической идентификации высокотемпературного гидролиза целлюлозы серной кислотой. С использованием численных методов найдены прогнозные значения параметров высокотемпературного гидролиза – констант скоростей и энергии активации. Полученные расчетные значения параметров кинетической модели гидролиза адекватно отражают процессы при высоких температурах 150 -190 0С.
Проведено моделирование кинетики процессов высокотемпературного гидролиза растительного сырья слабой уксусной кислотой (1-3 % масс). Решена задача многомерной оптимизации с целью идентификации параметров процессов гидролиза для температур 150 – 190 0С. Идентификация проводилась на основе изменения концентрации редуцирующих веществ.
Проведены исследования процессов гидролиза растительного сырья и целлюлозы с использованием целлюлазного комплекса NS22074 фирмы Новозаймс при варьировании температуры, рН и концентрации фермента с целью получения ферментолизатов с максимальным содержанием редуцирующих веществ.
Проведены экспериментальные исследования ферментов фирмы Новозаймс, рекомендуемых для производства целлюлозного этанола. Исследование процессов ферментативного гидролиза проводили на лабораторной установке при гидромодуле 1:10 и более, в регулируемом температурном диапазоне 35 – 70 ºС, при рН 2,5 – 6,5.
В ходе проведения процессов ферментолиза определены энергозатраты, удельные энергозатраты на единицу полученных РВ, степень конверсии и скорости проведенных процессов. Процессы ферментолиза характеризуются высокой чувствительностью к режимным параметрам (температура, рН среды). Изменение суммарного количества ферментов почти в 8 раз приводит к увеличению конверсии только в 2,2 раза.
Определен выход сахаров при гидролизе целлюлозосодержащего сырья фосфорной кислотой. Получены графики зависимости выхода сахаров от продолжительности гидролиза и концентрации катализатора. Выявлены оптимальные условия проведения процессов гидролиза.
Гидролиз соломы серной кислотой исследован в температурном диапазоне 150 – 190 °С. Оптимальный режим гидролиза: продолжительность 30 мин., 170 °С. При этом концентрация редуцирующих веществ в фильтрате гидролизата составляет 3,0 -3,6 % масс.
Исследованы процессы гидролиза измельченной соломы соляной кислотой при концентрациях 1, 2, 3 % масс. Определены оптимальные режимы процессов гидролиза соломы на основе экспериментальных зависимостей выхода сахаров и энергозатрат от температуры. Концентрация редуцирующих веществ в фильтрате гидролизата составляет 4,0 -4,6 % масс.
Получены данные по изменению концентраций редуцирующих веществ в процессах высокотемпературного гидролиза целлюлозы при варьировании температуры в диапазоне 150 – 190 °С и при концентрациях сернистой и серной кислоты в диапазоне 1 – 3 % масс. В качестве источника целлюлозы использовали измельченную фильтровальную бумагу с размерами частиц 1 мм.
Проведены исследования целесообразности использования сернокислотных гидролизатов растительных отходов – соломы, для конструирования питательных сред в процессах получения кормовых дрожжей.
Биологическая доброкачественность сернокислотных гидролизатов соломы и отрубей оценивалась по скорости роста сахаромицетов на основе сравнения с процессом роста на стандартной среде Ридера в одинаковых условиях при концентрации редуцирующих веществ 2 – 4 % масс.
Проведено моделирование кинетики процессов низкотемпературного гидролиза растительного сырья серной кислотой при варьировании температуры и концентрации реагирующих веществ. Для каждого из процессов получены константы гидролиза, которые можно использовать для определения оптимальных режимов ведения процесса. Результаты идентификации кинетических параметров подтверждают экспоненциальную зависимость констант скоростей реакций гидролиза от температуры.
Разработана функциональная и организационная структура АРМ исследователябиотехнолога, включающая информационно-справочную систему по биотехнологическим процессам, а также определены основные технико-экономические показатели АРМ.
Для повышения эффективности принятия решений необходимо интегрировать различные модели представления знаний. Практическим выходом разработки базы знаний является формирование пакета информационных, научных, методических материалов, связанных с процессом водоочистки.
Внутренний мониторинг обучения студентов по ООП позволяет отслеживать состояния качества образовательного процесса в любой момент времени. Объективной оценкой результативности данного процесса является функция «обратной связи», позволяющая оперативно реагировать на сложившийся образовательный процесс в студенческих группах и управлять им. Разработан «Программный модуль оценки качества подготовки специалистов в области ресурсосбережения».
Для поддержания оптимального температурного режима в аппаратах разработаны функциональные блоки на основе ПИД-регулятора. Для адаптивного управления процессом выбран метод табличного управления коэффициентами регулятора. Проведены имитационные эксперименты для разных режимов и для каждого из них определены параметры регулятора.
Сегодня облачные вычисления – это то, чем каждый пользуется ежедневно. Примерами современных сервисов, построенных на основе технологии облачных вычислений, являются линейка продуктов от Google, Mikrosoft, Yandex. Возможности облачных сервисов активно применяются в делопроизводстве и вскоре должны занять ключевое место в образовательном процессе.
Создание электронной базы данных учета оборудования организации позволяет в достаточной мере автоматизировать процесс ведения документации и отчетности. Электронная база данных содержит подробную информацию об оборудовании лаборатории. Приведены данные о сотрудниках, работающих на этом оборудовании. Приведен список поставщиков данного вида лабораторного оборудования.
Исследована зависимость удельной мощности, затрачиваемой на перемешивание жидкой аэрированной среды, от расстояния между ярусами мешалки с перфорированной поверхностью. Зависимость величины рассеиваемой мощности от расстояния между ярусами мешалки существенна в диапазоне от 0 до 1,4 диаметра мешалки.
Показана возможность использования фильтрующих материалов на основе плотноупакованных волокон для осаждения иловой смеси после биореактора. Применение данного типа насадок в технологической схеме позволяет значительно снизить время отстаивания иловой смеси, а также уменьшить его влажность.
Установлено, что в случае небольших загрязнений нефти и нефтепродуктов в грунте, менее 10 %, как по объему, так и по площади, а также в особо труднодоступных местах, детоксикация и рекультивация техногенно-загрязненного грунта проводятся на месте его залегания без вывоза. При детоксикации сильнозагрязненных нефти и нефтепродуктов почв, водонефтенных эмульсий, и при невозможности проведения детоксикации на месте предварительно применяется технология отмывки техногенно-загрязненного грунта с помощью универсальных моющих средств ТУ 2381-022-50905025-2003, на установках разработанных и произведенных на инновационном полигоне «Искра» КНИТУ.
Полученный почвогрунт позволяет создать плодородный слой почвы, предотвращающий водную и ветровую эрозию, стимулирующий рост и развитие растений, а так же способствующий постоянному биохимическому самоочищению грунта, в том числе и от патогенных микроорганизмов. При этом на 10-20 % повышается влагоемкость суглинистых грунтов и в 5-10 раз повышается влагоемкость песчаных грунтов и супесчаных грунтов. Формируется оптимальная почвенная структура, водный, воздушный и тепловой режим почвы.
Исследовано влияние гуминового препарата в различных концентрациях на рост бактерий, выделенных из биоценоза активного ила. Подобраны оптимальные концентрации гуминового препарата – 10-1, 10-2, 10-3 г/л, стимулирующие рост микроорганизмов родов Bacillus и Serratia. Показано ингибирующее воздействие гуминового препарата на рост Micrococcus sp. в концентрациях 10– 1, 10– 2, 10– 3 г/л.
Показана способность гуминового препарата оказывать различное воздействие на рост микроорганизмов активного ила в зависимости от концентрации и стадии роста, что может быть использовано для интенсификации очистки сточных вод. Применение гуминового препарата в концентрации 10-3 г/л способствует более глубокой очистке сточных вод, стимулирует жизнедеятельность микроорганизмов и нормализует работу активного ила.
Проведен анализ влияния препарата Мелафен на рост бактерий родов Вacillus и Serratia, входящих в состав активного ила. Показана способность данного препарата подавлять рост данных микроорганизмов в концентрации 10-6 г/л. Установлено, что препарат Мелафен в концентрациях 10-2 и 10-4 оказывает максимальный ингибирующий эффект на рост бактерий B. subtilis.
Оценено влияние термомодификации древесины сосны, при различных температурах, на повышение стойкости к воздействию плесневых и дереворазрушающих грибов. Термомодификация не оказывает положительного влияния на скорость биообрастания плесневелыми грибами, напротив, с увеличением температуры обработки до 240 °С скорость обрастания увеличивается. Исследуется влияние дереворазрушающих грибов на биостойкость древесины.
Были проведены эксперименты по получению ксилозы из пивной дробины методом кислотного гидролиза. Процесс проводился на установке высокотемпературного гидролиза растительного сырья. Полученные гидролизаты исследованы различными физикохимическими методами.
В результате посещения Центра переработки водорослей и инноваций университета штата Аризона в ходе стажировки в США и на основе анализа литературы по рынку жидкого биотоплива изучено текущее состояние отрасли производства биотоплива из водорослей в США: исследованы научные разработки и их коммерциализация.