Микроорганизмы, выделенные из различных природных жиров

АННОТАЦИЯ

ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЕСТРУКТИРОВАТЬ ЖИРОВЫЕ ВЕЩЕСТВА РАЗЛИЧНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ Выпускная квалификационная работа (дипломная работа). ФСТД, 2005. 96 с., 14 рис., 13 табл., 84 источников, 2 прил.

Объектом исследования являются микроорганизмы, выделенные из различных природных жиров: нерпичьего, шерстного и микроорганизмы, выделенные из сточных вод после проведения процесса обезжиривания.

Цель работы — изучение морфолого-культуральных и физиологических свойств аборигенных микроорганизмов, и исследование их деструктивной активности.

В результате исследования выделены колонии микроорганизмов, определены их свойства, изучена их деструктивная способность. Показана возможность применения микроорганизмов, обладающих липолитической активностью для биотехнологического процесса обезжиривания меховой овчины, шкурок енота и белки.

Установлено, что предложенный экобиотехнологический способ обезжиривания обеспечивает оптимальное удаление жировых веществ с поверхности волосяного покрова и из кожевой ткани.

Разработаны маточные растворы для обезжиривания, позволяющие проводить процесс обезжиривания с меньшим расходом синтетических поверхностно-активных веществ, и исключением из рабочего состава формальдегида и карбоната натрия.

Основные технологические показатели: исключение из сточных вод формальдегида, синтетических поверхностно-активных веществ, сокращение расхода химматериалов.

Область применения — для дальнейшего внедрения в производство.

Экономический эффект достигается за счет сокращения расхода химматериалов и снижения степени загрязнения отработанных растворов.

1 Литературный обзор. Жировые вещества и современные способы

их удаления и утилизации

1.1 Структура жировых веществ

1.2 Современные методы обезжиривания

1.3 Очистка сточных вод от жиров

2 Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

2.2.1 Методика приготовления питательных сред для культивирования микроорганизмов

2.2.2 Выделение чистой культуры методом разведений

2.2.3 Посев на агаризованные среды в чашки Петри

2.2.4 Изучение морфологии бактерий

2.2.5 Методика изучения культуральных свойств

2.2.6 Метод раздавленной капли

2.2.7 Определение липолитической активности

2.2.8 Приготовление бактериальной суспензии

2.2.9 Определение общего количества микроорганизмов (КОЕ)

2.2.10 Определение мутности

2.2.11 Определение кислотности

2.2.12 Определение активной реакции среды

2.2.13 Биуретовый метод определения белка по Ярош

2.2.14 Метод определения протеолитической активности (ПС) Вильштеттера и Вальдшмидт-Лейтца в модификации

2.2.15 Определение активности липазы (ЛС) (модифицированный метод Ота, Ямада)

2.2.16 Определение концентрации взвешенных веществ

2.2.17 Определение содержания органических веществ

2.2.18 Отбор проб методом асимметрической бахромы

2.2.19 Определение колористических показателей волосяного покрова

2.2.20 Определение содержания несвязанных жировых веществ (ГОСТ 26 129−84 Шкурки меховые и овчина шубная выделанные. Методы определения несвязанных жировых веществ)

3 Экспериментальная часть. Изучение способности микроорганизмов деструктировать жировые вещества различной химической природы

3.1 Восстановление и исследование морфолого-культуральных свойств микроорганизмов, деструктирующих жировые вещества

3.2 Изучение толерантности исследуемых культур к факторам внешней среды

3.3 Проведение процесса обезжиривания меховой овчины с применением бактериальной суспензии

4 Экономическая часть. Расчет экономической эффективности экобиотехнологического процесса обезжиривания меховой овчины

5 Безопасность жизнедеятельности

6 Охрана окружающей среды. Биологическая очистка сточных вод кожевенных и меховых предприятий Заключение Список использованных источников информации Приложение, А Морфолого-культуральные свойства микроорганизмов, деструктирующих жировые вещества Приложение Б Акты о производственных испытаниях

Применение микробиологических технологий в мире получает все большее распространение. Как свидетельствуют аналитические прогнозы, одними из самых прогрессирующих технологий нового тысячелетия, которое у большинства из нас ассоциируется прежде всего с компьютерами, сверхмощными двигателями, автоматикой и телемеханикой, будут технологии микробиологические. В них главными «машинами» служат живые существа (бактерии, дрожжи, лучистые и плесневые грибы), имеющие такие маленькие размеры, что увидеть их невооруженным глазом невозможно. Невидимые параллельные нашему миру организмы повсюду окружают нас. В настоящее время требования к продукции предприятий легкой промышленности возросли. Кроме того предприятия должны выпускать конкурентоспособную продукцию и обеспечить экологическую безопасность окружающей среды от возможных отрицательных последствий, оставаясь кредитоспособными и иметь высокие показатели экономической эффективности производства. Все это ведет к тому, что руководители производства стремятся внедрять те технологии выработки, которые позволяют получать полуфабрикат с высокими показателями качества, соответствующие ГОСТам, выработанный с минимальными затратами труда, химических материалов и времени.

В настоящее время наиболее перспективным является использование биотехнологических методов, основанных на применении микроорганизмов, что позволит уменьшить уровень токсического загрязнения образующихся сточных вод. Возможность применения препаратов на основе прокариотических организмов для технологических процессов мехового производства позволит значительно снизить количество детергентов и ксенобиотиков в сточных водах, за счет первоначального их сокращения при выполнении технологических процессов.

В связи с этим целью работы являлось изучение микробной деструкции жировых веществ, содержащихся в волосяном покрове и кожевой ткани овчинно-шубного, мехового сырья и разработки технологической карты проведения биотехнологического обезжиривания.

1 Литературный обзор. Жировые вещества и современные способы их удаления и утилизации

Жиры очень распространены в природе. Они представляют собой смесь разных по составу триглицеридов жирных кислот. Из всех известных липидов жиры являются самой большой группой.

В натуральных жирах содержится около 95−97% глицеридов жирных кислот, а после рафинации содержание их повышается до 98,5−99,5%. В состав смеси входит также некоторое количество сопутствующих веществ — фосфатидов, стеринов, восков, продуктов гидролиза глицеридов и др. 2].

Такую сложную смесь в природных жирах, выполняющую важную физиологическую и биохимическую роль в живых организмах, называют липидами.

Липиды плохо растворяются в воде, но хорошо растворяются в большинстве гидрофобных органических растворителей. Исключение составляют фосфолипиды, которые в отличие от глицеридов плохо растворимы в ацетоне. Липиды взаимно растворяются и при извлечении из тканей растений и животных организмов они вместе составляют продукт, называемый сырым жиром.

Жиры являются одним из основных продуктов питания. Они служат также основным сырьем для жироперерабатывающей промышленности в производстве мыла, олифы, глицерина, используются в качестве добавок к лекарственным средствам, для строительных растворов, бетона, а так же широко используются в кожевенно-меховой промышленности.

Жиры входят в состав животных и растительных организмов. У растений жир содержится главным образом в семенах, причем у злаковых — в зародыше. Содержание жира в семенах различных растений колеблется в широких пределах.

Микробная липаза способна гидролизовать животные жиры, растительные масла, а также синтетические моно-, дии триглицериды. Синтетические триглицериды являются лучшими субстратами для многих микробных липаз.

При микробной деструкции жировые вещества распадаются до глицерина и высших жирных кислот, включаясь в дальнейшем в цикл трикарбоновых кислот и образуя конечные продукты распада: углекислый газ и воду.

1.1 Структура жировых веществ

Жиры являются веществами нелетучими и при нагревании до 250−300°С разлагаются с образованием летучих веществ, выделяющихся в виде паров, газов и дыма. Жиры плохие проводники тепла. По сравнению с углеводами и белками они обладают вдвое большей теплотой сгорания. Так, 1 г жира при полном сгорании выделяет 39,8 кДж тепла, тогда как такое же количество углеводов — 17,2, белков — 23,0 кДж. Жиры принадлежат к веществам с низким поверхностным натяжением (для большинства жиров 30 10 —³ -3710^-3 Н/м на границе с воздухом; для воды — около 7310^-3 Н/м). Благодаря небольшому поверхностному натяжению жиры могут проникать в капиллярные каналы, чем объясняется подъем их по фитилю свечи и образование прозрачного масляного пятна на бумаге. Жиры плохие проводники электричества. Их электропроводность увеличивается при прогоркании и при возрастании содержания жирных кислот.

Классификацию жиров производят по различным признакам. В первую очередь их разделяют в зависимости от природы их происхождения на жиры животных и растительные. Каждая из этих групп в зависимости от количественного содержания твердых глицеридов, подразделяется на жиры жидкие при нормальной температуре (20С) и жиры твердые. Жиры животного происхождения делят на:

а) жиры наземных животных;

б) жиры молока;

в) жиры птиц;

г) жиры морских животных и рыб;

д) жиры земноводных и пресмыкающихся.

Липиды — большая группа природных веществ, разнообразных по химической структуре и физико-химическим свойствам. Имеется несколько трактовок понятия липиды и различных схем их классификации, основанных на свойствах этих веществ. Общее свойство липидных соединений — способность растворяться в эфире, хлороформе и других органических растворителях (но не в воде).

Липиды по строению можно подразделить на две большие группы. 1. Простые липиды, или нейтральные жиры, представленные у большинства организмов ацетилглицеринами, т. е. глицериновыми эфирами жирных кислот (свободные жирные кислоты встречаются в клетках лишь как минорный компонент). 2. Сложные липиды, к которым относятся липиды, содержащие фосфорную кислоту в моно — или диэфирной связи, — это фосфолипиды, в число которых входят глицерофосфолипиды и сфинголипиды. К сложным липидам относятся соединения, связанные гликозидной связью с одним или несколькими остатками моносахаридов, или гликолипиды, а также соединения стероидной и изопреноидной природы, в том числе каротиноиды.

Первое доказательство того, что липиды содержат физиологически необходимые для высших животных соединения, получено в 1926 г. голландскими исследователями Ивансом и Буром. Несколько позднее было установлено, что этими соединениями являются полинасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая и арахидоновая) — физиологически необходимые для большинства живых организмов (витамин F).

В дальнейшем было установлено, что и в клетках микроорганизмов липиды выполняют самые различные биологические функции. Они входят в состав таких ответственных структур, как клеточная мембрана, митохондрии, хлоропласты и другие органеллы. Липопротеиновые комплексы играют важную роль в процессах метаболизма. С ними в значительной мере связаны активный перенос различных веществ через пограничные мембраны и распределение этих веществ внутри клетки. С составом липидов во многом связаны такие свойства организмов, как термотолерантность и термофильность, психрофильность, кислотоустойчивость, вирулентность, устойчивость к ионизирующей радиации и другие признаки. Кроме того, липиды могут выполнять функцию запасных продуктов. К таковым относятся, поли-в-гидроксимаслянная кислота, образуемая многими бактериями, и ацетилглицерины, в частности триацетилглицерин, накапливаемые в больших количествах некоторыми дрожжами и другими представителями грибов.

В состав природных липидов входят остатки длинноцепочечных спиртов с четным числом атомов углерода. Кроме того, высшие спирты, принимающие участие в образовании молекул липидов, чаще всего имеют неразветвленную углеродную цепь и могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными. Наиболее распространены следующие виды спиртов: глицерин — трехатомный спирт, наиболее широко встречающийся полиол в липидах, входит в состав нейтральных липидов и фосфолипидов; диолы — двухатомные спирты, обнаружены и выделены из различных природных источников, входят в состав полярных липидов, распространены значительно меньше, чем глицерин; миоинозит (мезоинозит, i-инозит) — шестиатомный циклический спирт, найден в составе липидов растительных и животных тканей.

В составе липидов различного происхождения найдены разнообразные углеводные молекулы, относящиеся к различным классам моносахаридов: гексозы, аминогексозы, дезоксигексозы и др.

Распад нейтральных липидов происходит за счет гидролитического действия липаз. Распад приводит к образованию глицерина и жирных кислот, иногда фосфатов и аминоспиртов.

Глицерин, образующийся в этой реакции, фосфорилируется до глицеро-1-р, дегидрируется до диоксиацетон-р и участвует дальше в процессах гликолиза.

Наиболее важную роль при распаде органических веществ играют ферменты — биокатализаторы, образующиеся в клетке и представляющие собой либо простые белки, либо сложные, содержащие не аминокислотные компоненты. Коферменты часто участвуют в переносе электронов или функциональных групп. Как и витамины, они входят в качестве необходимого компонента в пищу и не могут синтезироваться по крайней мере, в органах высших организмов.

При распаде жирных кислот в результате в-окисления на первой стадии, жирные кислоты активируются реакцией с коферментом, А (НS-CoA) в присутствии молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Образующийся ацил-СоА постепенно окисляется при помощи дегидрогеназ и гидротаз до в-окси и в-кетокислот, из которых молекула ацетил-СоА («активная уксусная кислота») образуется под действием другой молекулы кофермента СоА со свободной SH-группой. Таким образом, молекула жирной кислоты распадается в конце концов до продуктов, имеющих всего два углеродных атома, превращающихся в цикле трикарбоновых кислот.

Ацетил-СоА является ключевым промежуточным соединением в превращении всех питательных веществ. Образуется в аэробных условиях из сахаров, аминокислот, липидов (при в-окислении и при гидролитическом распаде глицерина).

Восстановленные коферменты постепенно окисляются в дыхательной цепи с постепенным образованием макроэргических фосфатов. С точки зрения образования АТФ, окисление жирных кислот составляет основной энергетический резерв организма. Если для эукариотов в-окисление происходит в митохондриях, то для прокариотических организмов этот процесс протекает в цитоплазматической мембране.

В организме жиры локализованы в жировых клетках и характеризуются высокой скоростью метаболизма. Приведем реакцию в-окисления жирных кислот:

Н3С-СН2-СН2(СН3)-СОSCoA СH3-CH=C (CH3)-COSCoA CH3-CH (OH)-C (CH3)-COSCoA CH3-CO-C (CH3)-COSCoA ^-OOC-CH (CH3)-COSCoA ^-OOC-CH2-CH-COSCoA Сукцинат В конечном итоге жирная кислота окисляется до сукцината.

В целом, окисление липидов можно представить следующей схемой, представленной на рисунке 1

Липиды Жирные кислоты, глицерин Ацетил-СоА Оксалоацетат Цитрат Малат Изоцитрат Фумарат б-Кетоглутарат Сукцинат Рисунок 1 — Окисление липидов в цикле Кребса Первая стадия в биосинтезе липидов, содержащих жирные кислоты, — образование эфиров жирных кислот и кофермента А. Весь гомологический ряд жирных кислот с длинной цепью, содержащих чётное число углеродных атомов, образуется в результате реакций, называемых малонил-СоА. В этих реакциях к исходной молекуле ацетил-СоА последовательно добавляется звено С-2. Приведём суммарную реакцию синтеза пальметил-СоА:

7СООН—СН₂—СО—SКоА + 14НАДФН₂ СН₃(СН₂)₁₄СООН +

+ 7СО₂ + 8КоАSН + 14НАДФ + 6Н₂О При первой реакции образуется малонил-СоА (путей синтеза несколько). Один из путей — реакция, катализируемая биотинсодержащим ферментом ацетил-СоА-карбоксилазой:

Н—СН₂—СО—SКоА + СО₂ + АТФ НООС—СН₂—СО—SКоА+АДФ + Ф_н

У дрожжей система синтеза жирных кислот представляет собой гомогенный многоферментный комплекс с молекулярной массой около 2−3 млн. (так называемая синтетаза жирных кислот).

Образование жирных ненасыщенных кислот у аэробных микроорганизмов происходит по следующей схеме:

СН₃(СН₂)₁₄—СО—SСоА пальметил-СоА

О₂ НАДФН₂

СН₃(СН₂)₅СН = СН (СН₂)₇ —СО—SСоА пальмитолеил-СоА Дополнительные двойные связи могут быть введены в эфир СоА и мононенасыщенной кислоты в сходной реакции, которая может быть катализирована тем же ферментом.

У многих бактерий обычный путь образования жирных ненасыщенных кислот — анаэробный, при котором происходит постепенное удлинение уже ненасыщенных предшественников. Кислоты, содержащие циклопропановые кольца, синтезируются путём образования метиленового мостика по месту двойной связи в ненасыщенных кислотах, при этом добавлямый кислород заимствуется из метильной группы метионина в форме S-аденозилметионина. Это добавление имеет место только при включении в фосфолипид с одной двойной связью. Реакция биосинтеза липидов протекает с выделением углекислого газа и смещением равновесия вправо, то есть является термодинамически устойчивым процессом.

Одним из промышленно важных ферментов, продуцируемых микроорганизмами, являются липазы, которые интенсивно исследуются во всем мире. Липаза — триглицеридгидролаза — фермент, катализирующий гидролиз жиров, широко распространена в природе. Она присутствует в животных и растительных клетках, а также в микроорганизмах. Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что микробные липазы являются ферментами с широкой специфичностью и большим разнообразием свойств. Свойства липаз и характер липолитической активности даже у одного рода можно различно варьировать. Изучение микробных липаз представляет большой теоретический и практический интерес, так как они могут быть использованы при гидролизе разнообразных жировых субстратов.

Липазы катализируют гидролиз жиров и масел с образованием диацилглицеридов, моноацилглицеридов, глицерина и жирной кислоты. Катаболизм включает три основных фазы превращения органических веществ органотрофами. В первой фазе, с помощью экзоферментов бактерии гидролизуют липиды до жирных кислот и глицерина, которые могут легко транспортироваться в цитоплазму. Во второй фазе, поступившие в цитоплазму органические вещества расщепляются до фрагментов, содержащих два-три углеродных атома. В третьей фазе эти соединения окисляются до углекислого газа и воды. Наибольшая часть энергии высвобождается во второй и третей фазах.

Липазы можно разделить на две группы: специфичные и неспецифичные. Ферменты из первой группы гидролизуют сложноэфирные связи в первом или втором положении. Многие микробные липазы обычно гидролизуют первичные сложноэфирные связи (-эфирные связи). В гидролизиатах с участием таких ферментов обычно обнаруживаются жирные кислоты, 2,3- и 1,2-диглицериды, 2-моноглицериды. При более длительных гидролизах жирнокислотный остаток из 2-моноглицерида мигрирует в первое положение с образованием 1-моноглицерида, который легко гидролизуется специфичной липазой с образованием глицерина и жирной кислоты. К этой группе относятся липазы из Rhizopus arrhizus, Rhizopus delemar, Rhizopus microsporus, Mucor miechei, Aspergillus niger, Pseudomonas sp. и т. д. Липазы второй группы не различают эфирные связи во всех трех положениях триглицеридной молекулы и способны подвергать субстрат тотальному гидролизу. В гидролизатах триглицеридов с участием этих видов липаз обнаруживаются, как правило, остатки триглицеридов (негидролизованная часть), глицерин и жирные кислоты. Такие липазы были выделены из Geotrichum candidum, Oospora lactis, Humicola lanuginosa и т. д. Активность липаз зависит от длины цепочки и степени насыщенности жирной кислоты. Дженсон описал, что липаза Geotrichum candidum проявляла высокую специфичность к олеиновой и линолевой кислотам независимо от их положения в молекулах триглицеридов. Такими же свойствами обладают липазы из Achromobacter lipolyticum, тогда как липаза из Aspergillus niger проявляла большую специфичность к стеариновой кислоте и молекулам субстратов.

Важное значение при исследовании жиров приобрели спектральный метод, метод радиоактивных изотопных индикаторов, молекулярные перегонки и др. Все они представляют интерес, так как для их осуществления требуется очень небольшое количество исследуемого материала, а точность результатов очень высока.

Спектральный анализ при исследовании жиров проводят в видимой области спектра с длиной волн 400—750 нм, в ультрафиолетовой области с длиной волн 200—400 нм и в инфракрасной области с наибольшей длиной волн 2000—15 000 нм.

Спектральный анализ применяется для количественного определения в жирах ненасыщенных кислот, некоторых продуктов окисления жира, синтетических ингибиторов окисления жиров и для многих других целей.

В состав большинства натуральных жиров и масел входят ненасыщенные кислоты с изолированными двойными связями. Поэтому для определения содержания в них линолевой и линоленовой кислот смесь кислот изомеризуют.

Инфракрасная спектрометрия применяется для установления деталей строения структурных элементов жиров, строения сопутствующих жирам веществ, для определения содержания в гидрированных и модифицированных жирах транс-изомеров олеиновой кислоты, для определения содержания первичных и вторичных спиртов в смеси и для других целей.

Хроматография — метод разделения веществ, заключающийся в пропускании газовых смесей или растворов через слой пористых сорбирующих материалов.

Хроматографический анализ получил большое применение для разделения и количественного определения сопутствующих жирам веществ, жирных кислот, продуктов окисления жиров, высокомолекулярных жирных спиртов и для многих других целей.

В области исследования жиров наиболее широко распространены адсорбционная и распределительная хроматография. В последнее время широкое распространение в исследовании липидов получила газо-жидкостная хроматография.

Газо-жидкостная хроматография отличается от других видов распределительной хроматографии в основном тем, что в качестве подвижной фазы используется инертный газ (гелий, водород), а неподвижной фазой является жидкость, нанесенная на твердый носитель. Разделение смеси на индивидуальные вещества производится в колонке, заполненной порошком, например, кизельгуром, цеолитом, равномерно пропитанным небольшим количеством нелетучей жидкости, служащей неподвижной фазой.

С помощью газожидкостной хроматографии можно с большой точностью анализировать смеси метиловых эфиров насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, смеси жирных спиртов и других веществ.

1.2 Современные методы обезжиривания

Обезжиривание — один из основных процессов производства меха. Значение обезжиривания для мехового производства велико: на поверхности волосяного покрова и в кожевой ткани шкурок некоторых видов животных (овец, нутрий, сурков, тюленей, ондатр, морских котиков и т. д.) содержится значительное количество жироподобных веществ. Высокое содержание жироподобных веществ в волосяном покрове является причиной дефектов крашения (непрокрас, пятнистость), ухудшения блеска и рассыпчатости волосяного покрова, а наличие большого количества жира в кожевой ткани в определенных условиях приводит к его окислению и снижению прочности кожевой ткани.

Установлено, что после отмоки па волосяном покрове меховых шкурок содержится значительное количество липидов. Загрязнений белковой и углеводной природы [17].

Обезжиривание должно вестись до содержания жира в волосе в пределах 1,5−2% (считая на влажность 0%). При более низком содержании жира ухудшаются физико-механические свойства волоса, появляются хрупкость и ломкость, снижается устойчивость его к истиранию.

Известно несколько методов обезжиривания:

Адсорбционный метод основан на применении высокодисперсных твердых адсорбентов (специальных глин). Мельчайшие частицы глины обволакиваются капельками жира и удаляют его. Этот метод малопроизводителен, поэтому почти не применяется.

Обезжиривание растворителями — экстракция полуфабриката растворителями жира (дихлорэтаном, бензином, уайт — спиритом, скипидаром). Достоинством этого метода является высокая степень обезжиривания дермы, гарантия от теклости волоса. Однако относительно высокая стоимость растворителей, их токсичность и сложность аппаратуры ограничивают применение этого метода. Кроме того, шерсть очень сильно адсорбирует растворитель. Разрабатываются методы обезжиривания водными эмульсиями жирорастворителей.

Эмульсионный метод обезжиривания имеет наиболее широкое применение как в меховой, так и в кожевенной промышленности. Он основан на использовании моющей способности ПАВ: ОП-10, сульфанола НМ-3, сапонина, мыла, порошка и пасты «Новость» и др.

Ферментативный метод обезжиривания волосяного покрова овчины осуществляется с помощью таких ферментных препаратов, как липазин, липаваморин Г-3х и липопротеидлипаза.

В основном их применяют с целью придания кожевой ткани меха мягкости и пластичности за счет удаления межволоконных веществ, в частности белков, углеводов и их комплексов. Основные проблемы и трудности проведения обезжиривания с использованием ферментов заключаются не только в ослаблении связи волосяного покрова с дермой, но в том, что в рабочем растворе присутствуют синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и формальдегид, которые вызывают снижение активности применяемых ферментных препаратов.

В современных методах обезжиривания основное внимание уделяется только технологической стороне процесса, а именно, степени удаления жировых веществ с поверхности волосяного покрова и кожевой ткани. При этом не учитывается уровень техногенного воздействия, оказываемого на окружающую среду и, в частности, на водные объекты. Высокая токсичность сточных вод после процесса обезжиривания обусловливается присутствием в них СПАВ и формальдегида.

Для выполнения работы была использована культура рода Pseudomonas sp., выделенная из сточной воды после эмульсионного метода обезжиривания меховой овчины. Чистую культуру поддерживали на синтетических, элективных, агаризованных питательных средах, ее введение осуществляли в соответствии с общепринятыми микробиологическими методами.

Биотехнологическое обезжиривание проводили в течение 1 ч при температуре (40+0,5)^ОС при переменном механическом воздействии. Для испытаний использовали состав, содержащий неионогенный СПАВ — Превоцелл W-ОF-7 — 0.12 г/дм³; бактериологический препарат — 2.5 г/дм³; с активностями протеолитической — 212 ед./г и липолитической — 11,42 ед./г; биомассой микробных продуцентов 36×10⁴ клеток/см³. В опытный состав не вводили формальдегид и карбонат натрия. В качестве контрольного варианта было проведено обезжиривание по типовой методике. Полученный после опытного обезжиривания полуфабрикат характеризовался белым, чистым, рассыпчатым волосяным покровом. Содержание органически вымываемых веществ в кожевой ткани и волосяном покрове после опытного обезжиривания составило 13,87 и 2,0% соответственно.

При этом не обнаруживается заметного негативного воздействия на связь волоса с дермой, которая составила после биотехнологического обезжиривания 6.66 Н.

Для оценки уровня токсического загрязнения (УТЗ) было проведено исследование сточной воды после обезжиривания осуществленного по типовой и разработанной методикам. В качестве тест-объекта использовали рачки Daphnia magna Straus. Показателем степени токсичности являлась кратность разбавления. при котором устраняется острое токсическое действие.

Сточные воды после процесса биотехнологического обезжиривания менее токсичны и могут быть отнесены к умеренно загрязненным, в то время как стоки, образующиеся после типового обезжиривания и содержащие СПАВ, формальдегид, относятся к очень грязным. Это подтверждается 100%-й гибелью рачка Daphnia magna Straus.

Авторами Бреслером С. М., Пуримом Я. А., Савиной М. В предложен состав для обезжиривания меховых овчин с применением натриевой соли моноэфира серной кислоты и смеси цетилового и олеилового спиртов, формалина, карбоната натрия и воды. Дополнительно содержит перекись водорода и неионогенное поверхностно-активное вещество при следующем соотношении компонентов, г/л:

Натриевая соль моноэфира серной кислоты и смеси цетилового и олеинового спиртов — 0,2−2,5;

Формалин (в пересчете на 100%-ную концентрацию) — 0,12−0,28;

Карбонат натрия — 0,2−0,7;

Перекись водорода (в пересчете на 100%-ную концентрацию) — 0,3−1,5;

Неионогенное поверхностно-активное вещество — 0,2−0,5;

Вода — остальное.

Благодаря введению в обезжиривающий состав активатора — перекиси водорода, достигается интенсивность очистки волосяного покрова от жировых и механических загрязнений. Неокрашенный полуфабрикат овчины, обработанный предложенным составом, отличается более чистым и рассыпчатым волосяным покровом, чем полуфабрикат, обработанный составом по прототипу. Прототип — Единая технология обработки меховых овчин. ЦНИИТЭИлегпром, 1978.

С целью повышения сортности, чистоты волосяного покрова, мягкости кожевой ткани, равномерного окрашивания Пуримом Я. А., Корольковой Е. А. было предложено дополнительное введение ферментного препарата — протосубтилин Г3х-1 0,8−1г/л.

Изобретение испытано в полупроизводственных условиях на целых овчинах и сопоставительных половинках и дало положительные результаты. Кроме исключения использования неионогенного ПАВ достигнуто улучшение качества волосяного покрова. Опытные половинки имели более чистый, рассыпчатый, равномерно окрашенный волосяной покров и более мягкую, пластичную кожевую ткань.

Л.А. Комиссаровой в процессах мойки и обезжиривания овчин использовался ферментный препарат протеолитического действия протосубтилин ГЗх с целью воздействия его на белковые составляющие загрязнений, оболочки жировых клеток и межволоконные белки. Было исследовано влияние компонентов моющих и обезжиривающих растворов, а также различных их сочетаний на протеолитическую активность; ферментного препарата протосубтилина ГЗх, определенную по методу Лейлян — Фольгарда при стандартной температуре 37° С и при температуре 42 °C, оптимальной для мойки и обезжиривания, которая соответствует температуре плавления шерстного воска.

Разработанный процесс мойки — обезжиривания с применением протосубтилина ГЗх для овчин в производстве меха имел меньшую продолжительность, и ферментный препарат использовался при более низких концентрациях (с учетом активности), чем при производстве кожи с применением формальдегида, т. е. при действии протеолитического ферментного препарата создавались более «мягкие» условия во избежание нарушения связи волоса с дермой и повреждения волоса.

Эта технология испытана с положительными результатами в производственных условиях Каунасского производственного мехового объединения им. К. Гедриса. Применение протосубтилина ГЗх для мойки и обезжиривания овчин позволяет интенсифицировать технологический процесс, сократить длительность и трудоемкость обработки, снизить расход воды, пара, химических материалов, электроэнергии, улучшить качество полуфабриката, уменьшить объем сточных вод.

К недостаткам данной технологии следует отнести присутствие в обрабатывающем растворе формальдегида, который применяется с целью упрочнения связи волоса с кожевой тканью, ввиду того что ферментный препарат протосубтилин ГЗх действует в слабощелочной среде и в определенных условиях обладает обезволашивающей способностью.

Совмещенное проведение процессов отмоки — мойки— обезжиривания способствует интенсификации технологического процесса, уменьшению расхода электроэнергии, воды, пара, химических материалов, объема сточных вод, улучшению качества полуфабриката.

Интересно использование для обезжиривания мехового сырья ферментного препарата бактериального происхождения — липопротеидлипаза. Применение ее позволяет повысить производительность труда, сократить длительность производственного цикла, уменьшить расход воды, пара, снизить загрязненность сточных вод (за счет исключения ПАВ). Однако этот ферментный препарат не нашел применения в меховом производстве в связи с его высокой стоимостью, а также потому, что он был получен в малых количествах в лабораторных условиях в виде сиропа и его активность резко снижалась при хранении.

В институте микробиологии им. Августа Кирхенштейна АН Латвийской ССР разработан ферментный препарат липаза, продуцентом которого является культура Sacharomycopsis lypolytica. Активность препарата 100 000 ед./г, оптимальные условия действия при рН — 7−8, температуре 37−42⁰С. В 1986 г. На Алма-Атинском меховом комбинате им. 50-летия СССР была внедрена технология обработки меховой овчины с применением в процессе обезжиривания ферментного препарата липазы, что позволило интенсифицировать этот процесс, сократить расход пасты «Новость», улучшить качество готового полуфабриката [17].

Интересна работа С. В. Чесунова и Л. Л. Щеголевой. Сущность изобретения заключалась в том, что состав для обезжиривания меховых овчин, включающей порошок «Новость», карбонат натрия, формальдегид и воду, дополнительно содержал глутаровый альдегид (в пересчете на 100%-ную концентрацию) 0,38−0,75г/л.

Введение

глутарового альдегида в раствор для обезжиривания дало возможность получить полуфабрикат высокого качества с чистым рассыпчатым волосяным покровом, способствовало улучшению качества кожевой ткани, повышению ее мягкости, пластичности, способствовало лучшему использованию сырья.

Казанским государственным технологическим университетом была представлена работа по применению поверхностно-активных веществ на основе побочных продуктов производства в обезжиривающих и моющих составах производства овчины меховой.

Известно, что моющие и особенно обезжиривающие составы являются многокомпонентными системами, в состав которых входят как анионактивные, так и неионогенные ПАВ, а также другие добавки.

Проблему совместимости анионактивного ПАВ и синтезированных карбоксилатаминов удалось решить, благодаря двойственному характеру последних, способных проявлять как катионактивные, так и неионогенные свойства. Наличие катионактивной формы олеинатамина (ОЛТА) и флотатамина (ФЛТА) подтвердилось данными ИК-спектроскопии Обезжиривающая и моющая способность ПАВ тесно связана с адсорбцией его на поверхности волоса или кожевой ткани шкуры. Особенностью применения ПАВ в данном случае является то, что адсорбция осуществляется на твердой поверхности. В отличие от жидких сред положение атомов на поверхности твердого тела фиксировано. Адсорбция проходит не на всей поверхности, а лишь в ее активных центрах. Применение в обезжиривающих эмульсиях ситезированных карбоксилатаминов, имеющих в своем составе активные метилольные и сложноэфирные группы, способные взаимодействовать с функциональными группами коллагена и кератина, повышает эффективность обезжиривания. Контроль обезжиривания осуществлялся качественно по реакции Либермана. Количественно содержание жира определялось экстрагированием дихлорэтаном.

Установлено, что оптимальными обезжиривающими свойствами обладает эмульсия, содержащая в своем составе 4% ФЛТА, рабочая концентрация которой 5г/дм³. Остаточное содержание жира после обработки образцов указанным составом не превышает 1,9%.

Известно применение оролона — препарата поджелудочной железы — при обработке меховых овчин на фабрике «Паннония» (Венгрия). Ферментативную обработку совмещали с обезжириванием, то есть ферменты использовали в щелочной среде при рН выше 7,5. После ферментативной обработки проводили сернокислое пикелевание. Качество кожевой ткани получилось примерно таким же, как при хлебной выделке.

Важное значение при производстве мягких кож имеет обезжиривание сырья, так как повышенное содержание природного жира в свиных шкурах отрицательно сказывается на проведении последующих процессов. При этом равномерного воздействия щелочных, ферментных, кислотных, дубящих и других реагентов непосредственно на структурные элементы дермы не обеспечивается, что проявляется в повышенной жесткости готовой кожи. Наиболее эффективным является обезжиривание в отмочно-зольных и преддубильных процессах посредством механического и химического обезжиривания сырья и полуфабриката, в результате чего удается снизить содержание природного жира в хромированном полуфабрикате до 1% и ниже.

Микаэлян И.И., Меньшиковой Л. М. предложено обезжиривание свиного сырья с целью повышения качества обработки. Указанная цель достигалась тем, что состав для обезжиривания включающий кальцинированную соду, поверхностно-активное вещество и воду, содержал в качестве поверхностно-активного вещества алкилдиметилбензиламмонийхлорид, при следующем соотношении компонентов, г/л:

Кальцинированная сода — 3−15

Алкилдиметилбензиламмонийхлорид — 0,3−1,0

Вода — Остальное Кроме того, с целью ослабления связи щетины с дермой, состав дополнительно содержит сернистый натрий при следующем соотношении компонентов, г/л:

Кальцинированная сода — 10−15

Алкилдиметилбензиламмонийхлорид — 0,3−0,5

Сернистый натрий — 0,3−0,5

Вода — Остальное Введение в состав алкилдиметилбензиламмонийхлорида (катамина АБ) активизировало обезжиривающие свойства кальцинированной соды, что позволило повысить качество обезжиривания, облегчило проведение дальнейших жидкостных процессов обработки свиного сырья.

Поскольку процесс обезжиривания свиных шкур с применением панкреатических ферментов изучен недостаточно, авторами В. А. Валейкене, Г. С. Симанайтите, А. А. Скродянис (Каунасский политехнический институт имени Антанаса Снечкуса) были проведены исследования обезжиривания свиных шкур таким препаратом — техническим панкреатином. Как известно, панкреатин кроме протеолитического имеет и другое действие. Находящаяся в его составе липаза вызывает гидролиз жира. Такая ферментативная обработка позволяет уменьшить количество жира в свиных шкурах на 35−45%. Причем после предварительных обработок структурные элементы дермы становятся более доступными для действия панкреатина.

Установлено, что при обработке щелочной бактериальной протеазой катионные и анионные ПАВ ингибируют активность ферментов, в то время как неионогенные ПАВ не оказывают отрицательного эффекта.

В процессе исследований были получены данные оптимального состава обезжиривающей ванны. Обезжиривание свиных шкур целесообразно проводить путем совмещенной обработки техническим панкреатином — 0,8% от массы парного сырья, неионогенным ПАВ — 5г/л в течение 5−6ч. Во время обработки удаляется около 80% жира, оставшееся количество жира после обработки составляет около 2%.

Обезжиривание коллагенсодержащего сырья было представлено Чистяковым Б. Е., Полковниченко И. Т. Цель изобретения — осуществление одновременного отбеливания сырья и повышение интенсивности его обезжиривания. Это достигалось тем, что в качестве поверхностно-активного вещества состав содержит смесь соли алкилфосфатов на основе высших жирных спиртов С₁₀-С₂₀ и синтанола при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Сода — 2−50

Соль алкилфосфатов на основе высших жирных спиртов С₁₀-С₂₀

Синтанол — 20−60

Вода — Остальное В качестве поверхностно-активных веществ используют триэтаноламиновые или калиевые соли алкилфосфатных кислот на основе высших алифатических первичных или вторичных спиртов.

Проведенные испытания показали, что использование предлагаемого состава дает в сравнении с известным составом больший обезжиривающий эффект с одновременным отбеливанием кетгута (хирургического шовного материала). Известный состав отбеливающим действием практичеси не обладает.

Авторами Фехретдиновым П. С., Угрюмовой В. С. предложено средство для обезжиривания коллагенсодержащего сырья, преимущественно кишечного. Для обработки сырья использовалось в качестве поверхностно-активного вещества препарат ф-761, представляющий собой N, N-диметил-N-алкил-N-[изононилфеноксидека (этиленокси)карбонилметил]аммоний хлорид фракции С₁₀-С₁₆. Полученные результаты, после испытания свидетельствовали о значительном повышении интенсивности обезжиривания коллагенсодержащего сырья предлагаемым препаратом ф-761, а также об улучшении технологичности его переработки по сравнению с прототипом.

Работа Е. М. Харчуткиной, Е. П. Болдовской, О. В. Дормидонтовой посвящена оптимизации ферментативной отмоки обезжиривания шкур угря. Показана целесообразность последовательного введения липазы в обрабатывающую жидкость.

Шкуры угря по сравнению со шкурами других видов рыб имеют наиболее сложное гистологическое строение, что определяет необходимость специфической их обработки с целью получения кож.

Для разработки методики отмоки-обезжиривания шкур угря были выбраны ферментные препараты липаза флюозим ГЗх, обеспечивающая достижение хорошего обезжиривающего и отмачивающего эффекта, и протеаза Прок, способствующая обводнению шкур.

Однако результаты разведывательного эксперимента показали, что при проведении обработки с использованием одной липазы или одной протеазы происходит разрушение эпидермиса и пигментного слоя, расположенного под эпидермисом, которое приводит к получению размытого рисунка лицевой поверхности.

При изыскании эффективного способа отмоки-обезжиривания шкур угря, позволяющего сохранить рисунок лицевой поверхности, было сделано предположение о возможности совместного использования липазы и протеазы, однако при одновременном дозировании ферментных препаратов активность системы меньше суммарной активности отдельно взятых препаратов.

Анализируя варианты введения ферментных препаратов в раствор, можно сделать вывод о том, что совместное использование липазы флюозим Г3х и протеазы Прок возможно лишь при условии их поочередного введения.

Таким образом, для получения кож из шкур угря рекомендуется технология, предусматривающая отмоку — обезжиривание в водном растворе липазы флюозим Г3х и протеазы Прок при их последовательном введении. Это позволило получить кожевенный полуфабрикат с сохранением специфического рисунка лицевой поверхности, хорошими прочностными и упруго-пластическими свойствами [34].

1.3 Очистка сточных вод от жиров

В настоящее время возросла проблема загрязнения водного бассейна производственными сточными водами, содержащими различные компоненты, в том числе, жировые вещества. Органические компоненты, поступая в водоем, создают благоприятную среду для жизнедеятельности гнилостных патогенных бактерий, грибков, простейших, подвергаются сложным биохимическим превращениям, вызывая тем самым вторичное загрязнение водоемов и оказывают прямое отрицательное влияние на водные организмы.

На практике используются физические, электрические, биологические, химические методы очистки сточных вод, в том числе озонирование, мембранный метод, обратный осмос и др.

При рассмотрении деструкции органического вещества в водоемах Романенко В. И. и Кузнецов С. И. отмечают, что при деструкции в олиготрофных водоемах (при избытке кислорода) происходит аэробный распад с выделением углекислоты и воды. В анаэробных условиях практически все органические вещества разрушаются с образованием углекислоты, воды, водорода, жирных кислот и других веществ. Во вторую фазу происходит распад жирных кислот до метана и углекислоты и, наконец, образование метана из водорода и углекислоты.

Механизмы анаэробного распада органических веществ изучались на экосистемах анаэробных реакторов, донных отложений и почв. Условия свалки хорошо имитируются в лабораторных цилиндрических лизиметрах.

Распад биополимеров (углеводов, белков и жиров) начинается с гидролиза, который осуществляют микроорганизмы, имеющие специальные ферменты — гидролазы. Их размножению и распространению по поверхности твердого субстрата способствует вода. Продукты этой реакции потребляются гидролитиками и другими кислотогенными микроорганизмам, в результате чего образуются летучие жирные кислоты (уксусная, пропионовая, масляная), а также водород. Фаза, условно объединяющая гидролиз и кислотогенез, называется кислотогенной. При накоплении жирных кислот понижается pH среды, а при pH < 6.0 конечная метаногенная фаза подавляется.

Чрезмерное содержание аллохтонного органического вещества в нативных водных объектах приводит к ухудшению гидрохимических показателей объекта.

У Листкова Л. Л. отмечено, что наличие в сточных водах жировых веществ в больших концентрациях создает трудности в эксплуатации канализационных систем и дальнейшей очистке сточных вод на специальных сооружениях. Поэтому крайне необходимо очистку сточных вод начинать еще до их выпуска с локальных очистных сооружений, так как последующая очистка производится городскими системами, принимающими стоки со строго лимитированными показателями, которые с каждым годом ужесточаются.

Жиры в сточных водах могут находиться в четырех агрегатных состояниях: грубодисперсном, тонкодисперсном, эмульгированном (при этом сохраняется устойчивая кинетическая оболочка) и растворенном в зависимости от рН потока.

Следует отметить, что загрязненность сточных вод растворенными и эмульгированными жирами является доминирующей и изменяется в зависимости от характера технологического процесса и наличие в залповых сбросах.

Не зависимо от того, сбрасываются производственные сточные воды в городскую канализацию или обрабатываются на территории самого предприятия, должны быть предусмотрены следующие очистные сооружения; решетка, песколовка, жироловка и отстойник. При этом решетку и песколовку следует устанавливать перед жироловкой в одном с ней помещении. Количество задерживаемого осадка составит 0,04−0,05% от объема расхода сточных вод.

Из опыта эксплуатации действующих заводских очистных сооружений следует, что жироловки необходимо оборудовать рассредоточенным выпуском и обеспечить время пребывания в ней сточной воды 15 мин при максимальном притоке.

Установлено, что физико-химические методы, в особенности флотация под давлением, являются оптимальным решением, как в техническом, так и в экономическом отношении. Флотация под давлением, без применения реактивов, позволяет уменьшить концентрацию нерастворимых веществ и жира до пределов, предусмотренных Комитетом по охране окружающей среды. Быстрое экстрагирование загрязняющих веществ дает возможность получить продукты, которые можно использовать на кормовые цели [41,42].

Американской фирмой сконструирована многокамерная флотационная система с аэрированием, предназначенная для удаления свободных и эмульгированных жиров и взвесей из сточных вод. Предлагаемая система удаляет 90% и более жиров, масел и взвесей. Высокая эффективность системы обеспечивается четырехступенчатым процессом очистки путем флотации. Она рассчитана на очистку сточных вод, содержащих до 500 мг/дм³ жиров и масел.

В Швейцарии спроектирована акваустановка для утилизации сточных вод, содержащих органические примеси, которые в дальнейшем можно использовать для производства биомассы, что выгоднее по сравнению с типовыми биоочистными установками.

На птицеперерабатывающем заводе фирмы (ФРГ) введена в строй крупнейшая флотационная система с блоками опрокидывающих пластин предназначенная для очистки технологической и промывной воды, содержащей кровь, белок, жир и твердые примеси. В результате работы установки БПК снижается на 80%, содержание твердых примесей — на 95%, жира — на 95%. Специальной конструкции скребки собирают и удаляют всю всплывшую массу, причем ее частично обезвоживают и перерабатывают на корм скоту.

В настоящее время помимо физических и физико-химических методов очистки широко применяется биологический метод, основанный на жизнедеятельности микроорганизмов — деструкторов жировых веществ.

Существующие системы очистных сооружений, перерабатывающие сбросы, не обеспечивают полного извлечения жировых веществ, а только позволяют снизить их концентрацию. В этих условиях природная среда, принимая такие не полностью очищенные природные компоненты, выполняет роль утилизатора и нейтрализатора вредных примесей. Во многих случаях природная среда не справляется с все нарастающим потоком загрязнения, и создаются условия для нарушения экологического равновесия обмена веществ в биосфере.

В связи с этим стал вопрос о создании технологического производства, которое не вызывало бы экологических возмущений в природной среде.

Аналогом такого производства может служить биологическое природное производство, основу которого составляет функционирование экологических систем. Это биологическая очистка.

Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические загрязнения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. И она имеет ряд важных преимуществ перед другими методами. Микроорганизмы осуществляют полную деструкцию загрязнения до газообразных продуктов и воды, обеспечивая тем самым круговорот элементов в природе. Таким образом, при биологической очистке в отличие от других способов не происходит концентрации загрязнении или перевода их в другую форму. В то же время биологические методы наиболее экономичны, так как за исключением основных капиталовложений почти не требуют расходов во время эксплуатации сооружений, а главный действующий компонент биологической очистки — активный ил самовоспроизводится.

Микроорганизмы-деструкторы предлагается использовать не только для разрушения жировых примесей, но и для нейтрализации других органических веществ, так, английскими исследователями French W.T., Brown L.R. предлагается использовать микроорганизмы вида Burkholderia cepacica в процессе регенерации адсорбентов, применявшихся для выделения трихлорэтилена.

С учетом того обстоятельства, что сточные воды, содержащие жировые вещества имеют в основном повышенную температуру, селектировано несколько видов термофильных микроорганизмов, способных разрушать жиры при температуре свыше 50^оС. К таким культурам относятся Acinetobacter species, Rhodococcus species. Эффект очистки при таком способе достигает 100%.