Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности

Размещено на http://allbest.ru

ФГАОУ ВПО «Северо-восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова»

Медицинский институт

Кафедра фармакологии и фармации

Курсовая работа по биофармацевтической технологии

на тему:

«Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности»

Выполнила: студентка V курса

группы ФАРМ-501/2 Афанасьева Е.К.

Проверила: доцент, к.ф.н., Абрамова Я.И.

Якутск, 2013г.



Содержание

Введение

1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств

1.1 Роль биотехнологии в современной фармации

1.2 Определение понятия биотехнологии

1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире

1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)

2. Определения понятий GLP , GCP, GMP

3. Вклад биотехнологии в окружающую среду

3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии

3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод

3.3 Методы очистки сточных вод

3.4 Факторы определяющие биоценоз активного ила

3.5 Основные параметры биологической очистки

Заключение

Использованная литература



Введение

Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты, увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека.

Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий и, конечно, при разработке различных схем очистки производственных стоков и твердых отходов.

Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Таких примеров можно привести много.

Поэтому, с целью обеспечения защиты жизни и здоровья граждан, животных, растений, а также охраны окружающей среды и обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия созданы и утверждены документы (стандарты GLP, GCP, GMP и GPP и пр.), регламентирующие деятельность предприятий фармацевтического профиля, в т.ч. микробиологических и биотехнологических, по проведению исследований, производству, хранению, перевозке, использованию, утилизации и уничтожении их продукции.



1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств

1.1 Роль биотехнологии в современной фармации

Номенклатура лекарственных препаратов, полученных на основе биообъектов в силу объективных причин имеет тенденцию к своему расширению. В категорию таких лекарственных препаратов входят:

1. лекарственные средства для лечения, в число которых входят аминокислоты и препараты на их основе, антибиотики, ферменты, коферменты, кровезаменители и плазмозаменители, гормоны стероидной и полипептидной природы, алкалоиды;

2. профилактические средства, в число которых входят вакцины, анатоксины, интерфероны, сыворотки, иммуномодуляторы, нормофлоры;

3. диагностические средства, в число которых входят ферментные и иммунные диагностикумы, препараты на основе моноклональных антител и иммобилизованных клеток.

Это далеко не полный перечень лекарственных препаратов, которые имеются в современной фармации, в основе производства которых используются биообъекты.

1.2 Определение понятия биотехнология

Что касается определения самого понятия биотехнологии, то оно следует из понятия самой технологии. Технология - это наука о развитии естественных процессов в искусственных условиях. Если эти процессы относятся к биосинтетическим или биокаталитическим, присущих клеткам прокариот и эукариот, когда в качестве элементной базы используются биообъекты для получения целевого (конечного) продукта, то такое производство называют биотехнологическим. Если же в роли целевого (конечного) продукта выступает лекарственное средство, то такая биотехнология называется «биотехнология лекарственных средств».

В настоящее время фармацию характеризует как минимум третья часть лекарственных средств от общего объема производимых лекарств, которая использует современные биотехнологии. Суммируя все позиции определения биотехнологии, указанные выше, можно сказать, что «Биотехнология - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также для промышленного получения полезных для человека продуктов, в том числе лекарственных средств».

Биотехнология - комплексная наука, это и наука и сфера производства со своим специфическим аппаратным оформлением. Биотехнология какьсфера производства - это наукоемкая технология.

Биообъект - это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Биотехнология использует либо продуценты - микроорганизмы, растения, высшие животные, либо использует изолированные индивидуальные ферменты. Фермент иммобилизируется (закрепляется) на нерастворимом носителе, что позволяет его использовать многократно.

Современная биотехнология использует такие достижения, как искусственные культуры клеток и тканей. Особое достижение биотехнологии - это генноинженерные продуценты, микроорганизмы,

имеющие рекомбинантные ДНК. Ген четко изолируется и вводится клеткам микроорганизма. Этот микроорганизм будет продуцировать вещество, структура которого закодирована во введенном гене.



1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире

В истории развития биотехнологии можно выделить три основных

периода:

1. эмпирическая биотехнология (тысячелетия). Самый первый

биотехнологический процесс, осуществленный человеком - получение

пива, был изобретен шумерами приблизительно 5 тысяч лет назад;

2. научная биотехнология (с Пастера);

3. современная биотехнология.

Биотехнологию можно условно разделить на три категории по получаемым продуктам:

1. природные биотехнологические продукты, вырабатываемые

собственно микроорганизмами (например, антибиотики);

2. биотехнологические продукты второго поколения, полученные с помощью генноинженерных штаммов (например, человеческий инсулин);

3. биотехнологические продукты третьего поколения - продукция XXI века, основана на изучении взаимодействия биологически активных

веществ и рецепторов клеток и создании принципиально новых препаратов. Примером таких препаратов могут быть антисмысловые нуклеиновые кислоты. В клетке человека приблизительно 100 тысяч генов. Используя принцип комплементарности можно создать цепь нуклеиновых кислот, которые могут выключать тот или иной ген, что позволяет с помощью антисмысловых нуклеиновых кислот управлять генами, корректируя обмен.

Биотехнология в зарубежных странах.

Первое место в мире по выпуску биотехнологической продукции занимает США, которая ежегодно выделяет 3 млрд. долларов на поддержку фундаментальных исследований в области медицины, из которых 2,5 млрд. долларов относится к области биотехнологии. Второй страной по выпуску биотехнологической продукции является Япония, третье место за Израилем.

Современная биотехнология - это наука, которая на практике использует достижения современных фундаментальных наук, таких как:

1. молекулярная биология

2. молекулярная генетика

3. биоорганическая химия.

Начиная с первых шагов и до наших дней технология изготовления лекарственных средств предусматривает использование субстанций, получаемых из разных источников. Это:

- ткани животных или растений;

- неживая природа;

- химический синтез.

Первый путь (использование тканей животных или растений) предполагает сбор дикорастущих лекарственных растений. Это, прежде всего, плантационное культивирование растений. Это также выращивание каллусных и суспензионных культур. Это наиболее современные методы культивирования клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции, то есть генная инженерия.

Можно привести пример такого растения как женьшень при извлечении из него панаксозидов, как биологически активного вещества:

-в естественных условиях, в дикорастущем виде, сбор такого растения может производится только на шестидесятом году его роста;

-в условиях его выращивания на плантациях - на шестом году его

произрастания;

-в каллусной культуре, то есть в культуре клеток растительной ткани панаксозиды можно извлекать в достаточном количестве, обеспечивая рентабельность производства уже на 15-25-тый день роста культуры ткани.

Второй и третий путь получения лекарственных субстанций из неживой природы или путем химического синтеза раньше рассматривали в качестве конкурентного пути для биотехнологии. Жизнь внесла коррективы в это положение. Например, если мы говорим о возможностях перевода сорбита в сорбозу, или ситостерина в 17-кетоандростаны, или фумаровой кислоты в аспарагиновую и т.д., то в этих случаях биотехнология успешно конкурирует с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственных средств, а в ряде случаев, например, при синтезе витаминав В12 биотехнология может обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6 диметилбензимидазола), в конечный продукт - цианокобаламин.

Конечно, в последнем случае, когда всю технологическую цепочку осуществляет биообъект, находящийся в искусственных условиях, то он должен иметь условия наибольшего (максимального) благоприятствования (комфорта), что в свою очередь, предполагает обеспечение биообъекта необходимыми источниками питания, защиту от внешних неблагоприятных воздействий. Не менее важную роль в работе биообъекта играет и инженерно-техническая база, то есть процессы и аппараты биотехнологических производств.

В заключение можно сказать, что современная биотехнология

функционирует с одной стороны на достижениях:

-биологии,

-генетики,

-физиологии,

-биохимии,

-иммунологии и, конечно, биоинженерии, а с другой стороны, на совершенствовании самой технологии получения лекарственных средств, имея в виду:

-способы подготовки сырья,

-способы стерилизации оборудования и всех потоков системы, обеспечивающий - процесс получения биологически активных веществ,

-способы оперативного контроля и управления биотехнологическими процессами.

Сегодня бизнес в области лекарственных средств, чтобы выстоять в конкуренции огромного числа производителей лекарственных средств,

предполагает знания специалиста в области не только применения, но и

получения медицинских препаратов на основе как тонкой химической

технологии, так и биотехнологии.

Сферой интересов специалиста, работающего на рынке лекарственных средств являются следующие разделы биотехнологии:

1. Общая биотехнология лекарственных средств

1.1.биообъекты как средства производства

1.2.особенности процессов биосинтеза

2. Основные процессы и аппараты биотехнологического производства.

3. Частная биотехнология лекарственных средств

3.1.получение наиболее распространенных групп лекарственных средств,

3.2.новейшие биотехнологии с использованием генной инженерии

4. Экономические, правовые и экологические аспекты биотехнологического производства лекарственных средств.

1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)

Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства.

1. Создание стерильных условий для биосинтеза

Биосинтез БАВ - это многостадийный процесс. Для успешного осуществления биосинтеза необходимо использовать простерилизованный воздух, стерильную питательную среду и оборудование.

> Стерильное оборудование

БИОСИНТЕЗ > Стерильная питательная среда

> Стерильный воздух

Биосинтез осуществляется с использованием жидкой питательной среды, т.е. используется глубинное культивирование.

Биосинтез микроорганизмов осуществляется в ферментерах различной емкости от 100 литров(1м. куб.) до 10000 литров (100 м. куб.).

Стерилизация воздуха осуществляется методом фильтрации, т.е. из воздушного потока удаляют микроорганизмы с помощью фильтров.

Стерилизация питательных сред осуществляется термическим способом прямо в ферментере или в отдельной емкости.

Продуцент может храниться разными способами, например, на скошенном агаре, с поверхности которого он переносится в колбы с жидкой питательной средой. После накопления биомассы и проверки культуры на чистоту 0,5-1% посевного материала переносится в инокулятор. В нем происходит рост и деление микроорганизмов. Из инокулятора 2-3% материала переносится в посевной аппарат. Из посевного аппарата 5-10% посевного материала переносится в ферментер.

2. Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические,

биологические)

1. Температура

- бактерии - 28°

-актиномицеты 4~-- 26-28°

-грибы -- 24°

2. Число оборотов мешалки (для каждого м/о (микроорганизмы) -- разное число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки).

3. Расход подаваемого на аэрацию воздуха.

4. Давление в ферментере

5. рН среды

6. Парциальное давление растворенного в воде кислорода (количество кислорода)

7. Концентрация углекислого газа при выходе из ферментера

8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ)

9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток м/о, т.е. надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о

10. Наличие посторонней микрофлоры

11. Определение в процессе ферментации биологической активности

Для проведения ферментации необходимо добавлять пеногасители -- жиры (рыбий жир, синтетические жиры. В процессе ферментации в результате метаболизма м/о образуется пена.

3. Виды процессов биосинтеза.

Процесс биосинтеза подразделяют на:

*. периодический,

*. полупериодический,

*. непрерывный,

*. многоциклический.

1. Периодический процесс - это такой процесс, когда в ферментер подается посевной материал, задаются определенные технологические параметры (температура, рН, обороты мешалки) и процесс проходит самостоятельно с образованием целевого продукта. Этот процесс экономически не выгоден, т.к. образуется мало целевого продукта.

2. Полупериодический процесс или регулируемая ферментация.

- отличается от периодического процесса тем, что в процессе ферментации в ферментер добавляются различные питательные вещества (источники углеводов, азота), регулируется рН в процессе ферментации, добавляется предшественник в определенный момент ферментации. Полупериодический процесс является экономически выгодным, имея большой выход продукции.

3. Непрерывный процесс

Сущность которого в том, что из ферментера в процессе биосинтеза берется определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость выполняет функции посевного материала. В ферментер, из которого взяли часть культуральной жидкости, добавляется такое же количество воды и процесс биосинтеза в нем продолжается. Эта операция постоянно повторяется. Используя необходимое количество ферментеров и постоянно перенося часть культуральной жидкости из одного ферментера в другой достигается замкнутый цикл. Преимущество непрерывного процесса в том, что сокращается стадия выращивания посевного материала.

4. Многоциклический процесс

Заключается в том, что в конце ферментации 90% культуральной жидкости сливается из ферментера, а оставшаяся часть выполняет роль посевного материала.



2. Определения понятий GLP , GCP, GMP

GLP - (Good Laboratory Practice) - хорошая лабораторная практика - правила организации лабораторных направлений.

GCP - (Good Сlinical Practice) - хорошая клиническая практика - правила организации клинических испытаний.

GMP - ( Good Manufacturing Practice) - хорошая производственная практика - правила организации производства и контроля качества лекарственных средств, это единая система требований к производству и контролю.

Правила GMP - это руководящий, нормативный документ, которому и производство и фирма обязаны подчиняться.

Правила GMP обязательны для всех предприятий, выпускающих готовые лекарственные формы (ГЛФ), продукцию медицинского назначения, а также субстанции.

Самые жесткие требования предъявляются к инъекционным лекарственным препаратам.

В 1969 году около 100 государств в мире заключили многостороннее соглашения между собой. «Система удостоверения качеств фармацевтических препаратов в международной торговле». Система была введена под эгидой Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ). Эта система была введена для оказания помощи органам здравоохранения импортирующих стран в оценке технического уровня производства и качества закупаемых ими лекарственных препаратов. В последующие годы эта система многократно пересматривалась.

Система дает выгоды импортерам. Эта система дает преимущества и экспортерам (высокоразвитые страны), когда препараты идут на экспорт без лишних препятствий.

К экспортерам лекарственных средств предъявляются следующие требования:

1. В стране должна быть государственная регистрация лекарственных средств.

2. В стране должно быть государственное инспектирование фармацевтических предприятий.

3. В стране должны быть приняты правила GMP.

Подобно Фармакопеям правила GMP неоднородны. Имеются:

* Международные правила GMP, принимает и разрабатывает Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ),

* Региональные - страны европейского экономического сообщества (ЕЭС),

* Правила GMP ассоциации стран Юго-Восточной Азии,

* Национальные правила GMP приняты в 30 странах мира.

Международные правила GMP по строгости требований усреднены, в ряде стран правила более либеральные (в соответствии с техническим уровнем производства). В Японии национальные правила GMP строже международных.

Правила GMP имеют 8 разделов:

I Терминология

II. Обеспечение качества

III. Персонал

IV Здания и помещения

V Оборудование

VI Процесс производства

VII Отдел технического контроля (ОТК)

VIII Валидация (утверждение)

1-вый раздел: терминология состоит из 25 пунктов (определений).

Определения, что такое:

- фармацевтическое предприятие

- лекарственное вещество

- лекарственное средство

- карантин на сырье

- определение чистоты помещений, асептических условий и т.д.

2-ой раздел: обеспечение качества

Гарантию качества дает руководитель и квалифицированный персонал.

Условия обеспечения качества продукции на производстве:

- четкая регламентация всех производственных процессов

- квалифицированный персонал

- чистые помещения

- современное оборудование

- регистрация всех этапов производства и всех проводимых анализов

- соблюдение и регистрация порядка возврата неудачных серий

3-тий раздел: персонал

- руководящий персонал должен иметь профильное образование и практический опыт по производству лекарственных средств

- каждый специалист и руководящий работник на предприятии должен иметь строго определенные функции

- неруководящий персонал должен иметь график подготовки и переподготовки и график должен быть зарегистрирован

- требования соблюдения личной гигиены, гигиена и поведение

регламентируются

4-тый раздел: здания и помещения

- производство должно располагаться вне жилых зон

- требуется исключить пересечение технологических линий

- производство беталактамных антибиотиков должно осуществляться в отдельном помещении (для исключения аллергических реакций)

- классификация помещений по степени загрязненности механическими и микробными частицами

- помещения должны быть сухими

- помещения для производства и контроля качества должны иметь гладкие поверхности, доступные для мытья и дезинфекции, должны быть ультрафиолетовые установки (УФ), стационарные и переносные)

- для производства стерильных лекарственных средств соединения между стенами и потолками должны быть закругленными

- давление внутри помещений должно быть выше, чем снаружи на несколько мм ртутного столба

- должен быть минимум открытых коммуникаций

- не должно быть скользящих дверей, двери должны быть загерметизированы

- помещения для хранения сырья должны быть отделены от цехов производства.

5-ый раздел: оборудование

- оборудование должно быть адекватно технологическому процессу

- оборудование должно размещаться та, чтобы его можно было легко эксплуатировать

- все регистрирующие приборы должны быть откалиброваны

- поверхность оборудования должна быть гладкой, не коррозирующей, не должна реагировать с веществами, задействованными в производстве

- должно быть рациональное и продуманное размещение оборудования - у персонала не должно быть лишних переходов в процессе работы

- оборудование должно регулярно проходить профилактический осмотр, что регистрируется в журналах

- оборудование для производства беталактамных антибиотиков должно быть отдельным.

6-ой раздел: процесс производства

- должен быть сертификат качества на сырье

- перед отправлением на производство партия сырья проверяется

- выдача сырья регистрируется

- сырье подвергается проверке на микробную кантаминацию или стерильность

- производственный процесс должен быть так построен, чтобы все было согласовано и безаварийно

- фильтры, содержащие асбест, не рекомендуются

- постадийный контроль процесса производства и его регистрация в журналах (сырье -полупродукты - рабочее место - операции технологический режим и т.д.). Порядок регистрации регламентируется, все записи делаются сразу после контроля и результаты хранят не менее 1 года.

7-ой раздел: отдел контроля качества (ОТК) - обязательный для

фармацевтических предприятий

ОТК руководствуется государственными и отраслевыми документами, регламентирующими его деятельность

Задачи ОТК:

- не допускать выпуска брака

- укреплять производственную дисциплину

ОТК контролирует сырье и полупродукты, участвует в планировании и проведении постадийного контроля и хранит образцы каждой серии продукции не менее 3-х лет.

8-ой раздел: валидация

Валидация - это оценка и документальное подтверждение соответствия производственного процесса и качества продукции установленным требованиям.

Директор предприятия специальным приказом назначает руководящего сотрудника или специалиста со стороны для проверки качества работы какого- либо цеха, технологической линии и т.д.

Валидация может быть:

- периодическая, (проводится постоянно)

- внеплановая (при чрезвычайных происшествиях, при изменении технологии).

Валидация позволяет установить:

- соответствует ли технологический процесс регламенту

- соответствует ли качество готовой продукции требованиям нормативной технологической документации

- соответствует ли оборудование производственным целям

- каков предел возможности производственного процесса

Валидация оценивает:

- сам процесс

- предел возможных отклонений

При этом составляется отчет, если имеются какие либо не соответствия или нарушения - то производственный процесс прерывается.

На биотехнологическом производстве внеплановая валидация проводится если:

- производство меняет штамм продуцента

- изменена питательная среда ( так как изменяется метаболизм продуцента и он может давать примеси).

GLP - правила организации лабораторных исследований

Новое лекарственное средство необходимо подвергнуть лабораторным испытаниям, прежде чем приступать к проведению клинических испытаний.

Лабораторные испытания (in vitro, in vivo) проводятся на клетках,

бесклеточных системах и животных.

При испытании на животных можно получить различные результаты, поэтому важна правильная организация исследований.

Животные должны быть гетерогенны (разные), корм должен быть постоянным, одинаковым; требуется определенная планировка вивария, чтобы исключить стресс у животных; животные должны быть жизнеспособны.

GCP - правила организации клинических испытаний

Лекарственное средство допускается к клиническим испытаниям только после проведения лабораторных испытаний.

В правилах GCP изложены права больных и добровольцев:

- испытуемые должны быть информированы о том, что им вводится новый лекарственный препарат и о его свойствах

- больные имеют право на финансовое вознаграждение

- должен быть контроль за ходом испытаний со стороны медиков.

В Европе, Соединенных Штатах Америки (США) и России введены общественные комитеты по контролю за клиническими испытаниями лекарственных препаратов. В эти комитеты входят священники, представители смилиции и прокуратуры, медицинской общественности, которые наблюдают за испытаниями лекарственных препаратов.

Цель клинических испытаний - получение достоверных результатов: лекарство лечит, оно безвредно и т.д.



3. Вклад биотехнологии в окружающую среду

3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии

• Экологические проблемы промышленной биотехнологии связаны с огромными технологическими выбросами воды и воздуха

Экологическая опасность определяется присутствием в выбросах живых или убитых клеток микроорганизмов:

1. живые клетки продуцентов могут изменить структуру экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т.д. и как результат - нарушить сообщества микроорганизмов.

2. прямое или косвенное воздействие на человеческий организм, (обслуживающий персонал и окружающее население).

3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод

Под качеством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней примесей.

Общие показатели загрязненности - характеризуют общие свойства воды:

1. органолептические,

2. физико-химические, содержание нерастворимых примесей (взвешенных веществ или зольность),

3. концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей, «органический» углерод),

4. перманганатную и дихроматную окисляемость (химическое потребление кислорода - ХПК),

5. биохимическое потребление кислорода (БПК).

Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.

Определение органических загрязнений

• Химическое потребление кислорода (ХПК). дихроматный способ Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25 % раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50 % (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор - сульфат серебра. Большинство органических соединений окисляются до воды и углекислого газа, (кроме: пиридина, бензола и его гомологов, нафталина).

• Биохимическое потребление кислорода (БПК).

Измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует применения специальной аппаратуры.

Манометрический способ основан на измерении уменьшения давления в аппарате за счет потребления кислорода. Определение проводят в аппарате Варбурга или в специальном респираторе: в герметичный ферментер помещают аликвоту исследуемой сточной воды, засевают микроорганизмами, и в процессе культивирования регистрируют изменение количества кислорода (или кислорода воздуха), пошедшего на окисление присутствующих соединений.

Кулонометрический способ более сложен в аппаратурном оформлении, основан на компенсации объема кислорода, потребленного микроорганизмами, за счет электролиза соответствующего количество воды, при этом объем выделившегося кислорода определяется по затратам электричества.



Определение органических загрязнений

• Для стандартизации условий проведения эксперимента:

в зависимости от длительности культивирования различают биохимическое потребление кислорода за 5, 20 сут и полное окисление ( БПК5, БПК20, БПКп):

БПК5 - для стоков, содержащих легкоусвояемые загрязнения - углеводы, низшие спирты.

Для стоков химических производств БПКп.

• Кислые и щелочные стоки перед определением БПК нейтрализуют.

• Высококонцентрированные стоки перед анализом разбавляют, для предотвращения ингибирования

• Для определения БПК оптимально использование микрофлоры из уже работающих биологических систем, адаптированной к данному спектру загрязнений. Количество соответствует ее концентрации в работающих очистных сооружениях.

• Определение одного из показателей качества сточной воды (ХПК или БПК) не достаточно для оценки возможности ее биологической очистки.

3.3 Методы очистки сточных вод

• Целью очистки сточных вод является удаление из них взвешенных и растворенных органических и неорганических соединений до концентраций, не превышающих регламентированные (ПДК).

• В зависимости от характера загрязнений и их концентраций применяют различные способы очистки сточных вод:

1. механические (отстаивание, фильтрация);

2. механофизические (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием);

3. физико-химические (ионный обмен, сорбция);

4. Термические;

5. биохимические методы

Каждый из перечисленных способов имеет свои области применения, преимущества и недостатки, поэтому пользуются несколькими способами очистки.

Достоинства биохимической очистки сточных вод

1. Возможность удаления из сточной воды широкого спектра органических соединений;

2. Самоподстраиваемость системы к изменению спектра и концентраций органических загрязнений;

3. Простота аппаратурного оформления;

4. Относительно невысокие эксплуатационными затратами.

Недостатки биохимической очистки сточных вод

1. Высокие капитальные затраты идущие на сооружение очистных систем;

2. Необходимость строгого соблюдения технологических режимов очистки;

3. Токсичность некоторых органических соединений для штаммов-деструкторов и биоценозов;

4. Необходимость предварительно разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.

Способы биохимической очистки сточных вод

А) аэробные:

- Экстенсивные (поля орошения, поля фильтрации, биопруды);

- Интенсивные (активный ил, биопленка в специальных сооружениях).

Б) анаэробные.

Аэробные процессы биохимической очистки

1. экстенсивные основаны на использовании природных биоценозов водоемов и почвы;

2. интенсивные основанные на деятельности активного ила или биопленки, т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза - процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах - аэротенках или биофильтрах.

Биоценоз активного ила

• Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров; содержит 70 % живых микроорганизмов и 30 % твердые неорганические частицы.

• Живые организмы с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой.

зооглей формируется за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя

Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зооглейности kz.

• Состав: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Miсrоcoccus, Pseudomonаs, Sarcina и др.

Pseudomonаs - окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и другие соединения.

Bacterium (выделено более 30 видов) - осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот.

Bacillus - алифатические углеводороды.

Состав постоянен практически на протяжении всех очистных сооружений

• В зависимости от состава очищаемой воды, та или иная группа бактерий может преобладать, а остальные становятся ее спутниками в составе биоценоза.

На взаимоотношения микроорганизмов ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможен не только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также и взаимодействие их по принципу аменсализма, комменсализма, нейтрализма.

• Существенная роль в создании и функционировании биоценоза принадлежит простейшим. Функции простейших:

1. регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле (не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ),

2. способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов участвующих в деструкции загрязнений (поглощают большое количество бактерий).

В активных илах высокого качества на 1 млн. бактерий должно быть 10-15 простейших, это соотношение называется коэффициентом протозойности kp.

Скорость биохимического окисления растет с увеличением с увеличением коэффициентов зооглейности и протозойности.

Простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах небольших концентраций фенола и формальдегида которые угнетают их развитие.

3.4 Факторы, определяющие биоценоз активного ила

На формирование ценозов активного ила влияют:

1. сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период);

2. обеспеченность кислородом;

3. присутствие в сточных водах минеральных компонентов.

• Роль всех этих параметров при формировании активного ила обуславливает сложным и практически невоспроизводимым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы активного ила

Биоценоз активной пленки

• Биоценоз в биофильтре. На поверхности загрузочного материала биофильтра образуется биологическая пленка: микроорганизмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверхность.

• на разных уровнях биофильтра создаются количественно и качественно различные биоценозы, поскольку по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет предыдущего ценоза меняется состав воды, попадающей на следующий уровень:

1. сначала потребляются более легкоусвояемые загрязнения, и развивается микрофлора, усваивающая эти соединения с большей скоростью сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности этого ценоза.

2. по мере продвижения воды происходит потребление все более трудно усвояемых веществ и развиваются другие микроорганизмы, способные их усваивать.

3. в нижней части биоценоза в большом количестве скапливаются простейшие, потребляющие биопленку, оторвавшуюся с носителя, такой биоценоз способен практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.

биотехнология загрязненность биоценоз

3.5 Основные параметры биологической очистки

1. температура,

2. рН,

3. концентрация растворенного О2,

4. уровень перемешивания,

5. концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила,

6. наличие в воде токсичных примесей.

Температура

Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытым небом и не предусматривают регулирования температуры.

Изменение температуры зависит от времени года и климата в диапазоне от 2-5 до 25-35 0С.

При понижением температуры до 10-15 0С

• преобладают психрофильные микроорганизмы,

• снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны

• Уменьшается скорость очистки

• снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымыванию активного ила из систем вторичных отстойников.

• можно уменьшить аэрирование сточных вод

• необходимо повысить концентрацию активного ила в сточных водах, и увеличить время пребывания сточных вод в системе очистки.

При повышении температуры от 20 до 37 0С

• возрастает скорость и полнота очистки в 2-3 раза.

• преобладают мезофильные и термофильные микроорганизмы, возрастает очистки.

• Снижается растворимость кислорода в воде, необходимо усилить аэрацию.

pH

• оптимальный диапазон рН для систем биологической очистки от 5,5 до 8,5.

рН как правило не регулируется, поскольку:

1. объемы очищаемой воды очень большие;

2. микроорганизмы способны к авторегулированию рН.

• Обычно используют сточные воды с различными значениями рН так, чтобы при смешении суммарное значение рН оказалось близкой к оптимуму.

Содержание кислорода

оптимальное количество растворенного кислорода от 1 до 5 мг/л.

• Скорость растворения кислорода в сточной воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами активного ила.

Это требование обусловлено тем, что для кислорода, как и для всякого субстрата, наблюдается влияние его концентрации на скорость роста микроорганизмов, описываемое зависимостью, аналогичной уравнению Моно.

Снижение концентрации растворенного кислорода приводит:

1. к снижению скорости роста ила и, следовательно, к снижению скорости очистки;

2. к ухудшению потребления органических загрязнений;

3. К накоплению продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;

4. к развитию нитчатых формы бактерий Sphaerotilus nataus, концентрация которых при нормальный работе очистных сооружений невелика

Конвекция (перемешивание)

Этот процесс обеспечивает поддержание активного ила во взвешенном состоянии, создает благоприятные условия для массопереноса компонентов питания и кислорода

Биогенные элементы

• Кроме С микроорганизмам для нормального функционирования необходимы N и P, а также Mg, K, Na

• недостаток N и P резко снижает эффективность процесса очистки и приводит к накоплению нитчатых форм бактерий. Количество их, необходимое микроорганизмам для нормального функционирования, определяется видом органических соединений, присутствующих в сточных водах, его можно рассчитать теоретически.

• Mg, K, Na - как правило, присутствуют в сточных водах в достаточном количестве, при недостатке добавляют водорастворимые соли.

• В качестве добавок биогенных элементов при очистке производственных стоков используют фекальные сточные воды, содержащие N и P в большом избытке, при этом снижается концентрация синтетических органических загрязнений.

Доза и возраст активного ила

• В обычных очистных сооружениях типа аэротенка текущая концентрация активного ила не превышает 2--4 г/л.

• Увеличение концентрации активного ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации.

• Чем меньше возраст активного ила тем эффективнее очистка воды «молодой» активный ил более рыхлый, имеет хлопья меньшего размера, с низким содержанием простейших; одновременно с этим осаждаемость «молодого» активного ила в системах вторичных отстойников несколько лучше.

Возраст активного ила Т - время его рециркуляции в системе очистных сооружений, вычисляется формуле:

V - объем аэратенка, м3;

Хср - средняя концентрация активного ила, кг/м3;

Qст - расход сточной воды, м3/ч;

Wn - скорость прироста активного ила, кг/(м3ч).

Техническая реализация аэробных способов очистки

• Аэробный способ очистки сточной воды основан на использовании системы аппаратов аэротенк -- вторичный отстойник.

Выбор конкретной схемы определяется:

1. расходом сточной воды,

2. составом и концентрацией загрязнений,

3. требованиями к качеству очищенной воды и т. п.

Аэротенк

• открытое железобетонное сооружение, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом.

• В зависимости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемой водой и гидродинамического режима движения суспензии активного ила аэротенки делятся

Аэротенк-вытеснитель

• свежая порция активного ила и очищаемая вода одновременно подаются в аппарат и далее происходит движение суспензии активного ила по аппарату в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению.

• Развитие микроорганизмов в этом объеме определяется законами периодического роста.

• «+» полностью извлекаются все загрязнения.

• «-« длительно, сточная вода с низкими концентрациями (ХПК не более 200-400 мг/л);

Аэротенк-смеситель

• активный ил и очищаемая сточная вода поступают по всей длине аппарата одновременно и в аппарате создается режим, близкий к полному смешению, одновременно из аппарата отводится суспензия активного ила.

• Развитие популяции микроорганизмов происходит как в хемостате все микрооргнизмы в фазе лимитированного роста;

аэротенк сложного типа

на разных этапах очистки одновременно реализуются оба режима:

1. смешения на первой стадии,

2. вытеснения на второй.

Схема аэробной биологической очистки

• а) усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойники);

• б) аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод (аэротенки, регенераторы активного ила, вторичные отстойники);

• в) доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальные станции);

• г) обработка осадков (иловые площадки, сушилки, печи и т. д.).

Биофильтр

Биопленка представляет собой уникальны по качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от места его нахождения консорциум микроорганизмов, иммобилизованный поверхности пористого носителя.

• нельзя проконтролировать содержание кислорода на каждом уровне биофильтра, поэтому нельзя с определенностью говорить о строго аэробном способе очистки.

«+» формирование конкретного биоценоза на определенных этапах очистки приводит к полному удалению всех органических примесей.

«- »

1. нельзя использовать стоки с высоким содержанием органических примесей (начальное значение по ХПК не более 500--550 мг/л, т.к. можно уничтожить активную пленку);

2. необходимо равномерно орошать поверхность биофильтра сточными водами, с постоянной скоростью;

3. перед подачей на биофильтры сточные воды необходимо очистить от взвешенных частиц, т.к. забьются капиллярные каналы и произойдет заиливание.

• Наполнитель биофильтра: керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью.

• биофильтры подразделяются в зависимости от способа и вида загрузочного материала и от режима подачи жидкости.

По режиму аэрации: с принудительной и естественной циркуляцией.

В обоих случаях в биофильтрах наблюдается режим противотока воды, которая поступает сверху вниз, и воздуха, который поступает снизу вверх.

• Технологические схемы с использованием биофильтров мало отличаются от схем очистки с применением аэротенков, однако, оторвавшиеся частицы биопленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а отводятся на иловые площадки.

• Принцип вытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроорганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу работы аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стеклоерши погружают в аэрируемую воду и на их поверхности происходит накопление биоценоза активного ила, который как и в биофильтре, развивается на каждом участке ершей неодинаково и изменяется по количественному и качественному составу.

• «+» системы с иммобилизованными на стеклоершах клетками от биофильтров является возможность интенсификации аэрации.

Это позволяет получать в биологических системах очистки биоценозы микроорганизмов, адаптированные именно к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость очистки и ее эффективность резко возрастают.

Экстенсивные способы очистки сточных вод

• Пруды с искусственной или естественной аэрацией также под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей.

• Состав определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов: в верхних слоях - аэробные культуры, в придонных слоях - факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов.

Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus, эвгленовые, вольвоксовые - насыщают воду О2 за счет фотосинтеза; микро и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и другие организмы.

В биопрудах осуществляется:

1. доочистка стоков после очистных сооружений, когда остающиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод -это позволяет практически полностью удалять остаточные количества многих соединений.

2. полная очистка, качество очистки воды и в этом случае очень высоко; хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения из воды.

«-» полная неуправляемость процесса, низкая скорость окисления органических соединений, время пребывания воды в биологических прудах несколько суток, занимают огромные площади.

• Поля фильтрации - служат только для целей очистки, на них подается максимально возможное количество жидкости.

• Поля орошения - предназначены для выращивания сельскохозяйственных культур, и вода на них подается по мере необходимости.

• Процесс самоочищения воды осуществляется за счет жизнедеятельности почвенных организмов -- бактерий, грибов, водорослей, простейших, червей и членистоногих;

• Состав почвенного биоценоза определяется структурой почвы, т.к. на поверхности почвенных комочков образуется биопленка.

• О2 проникает в почву на 20--30 см, поэтому самая интенсивная минерализация органики происходит в поверхностных слоях.

Существенную роль в процессах очистки сточных вод на полях фильтрации и орошения играют нитрифицирующие бактерии. В летний период на 1 га площади образуется до 70 кг нитратов, которые с током жидкости поступают в нижние горизонты, где господствуют анаэробные условия. Кислород нитратов у денитрифицирующих бактерий идет на окисление сохранившихся в воде органических соединений.

Анаэробные процессы переработки отходов

Анаэробные способы очистки применяются для сбраживания высококонцентрированных стоков и осадков, содержащих большое количество органических веществ.

Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах -- метантенках.

Процесс брожения состоит из двух стадий -- кислой и метановой. Каждая из этих стадий осуществляется определенной группой микроорганизмов:

-кислая -- органотрофами,

-метановая -- литотрофами.

Обе группы присутствуют в метантенке одновременно, поэтому кислото- и газообразование протекают параллельно. В нормально работающем метантенке появляющиеся при кислом брожении продукты успевают переработаться бактериями второй фазы, и в целом процесс протекает в щелочной среде.

Формирование микрофлоры происходит за счет микроорганизмов, попавших вместе со сточными водами или осадком.

Состав биоценозов метантенков беднее аэробных биоценозов

первую стадию (кислотообразования) осуществляют: Вас. cereus, Вас. megaterium. Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, Sarcina. Наряду с облигатными анаэробами в метантенке могут встречаться и факультативные анаэробы. Общее количество бактерий в осадке колеблется от 1 до 15 мг/мл. Конечным продуктом процесса брожения этой группы микроорганизмов являются низшие жирные кислоты, СО2, +NH4,, H2S.

вторую стадию (метанообразования) осуществляют строгие анаэробы метанобразующие бактерии - Methanococcus, Methanosarcina, Methanobacterium.

В результате жизнедеятельности биоценоза метантенка происходит снижение концентрации органических загрязнений в отходах или сточных водах с одновременным образованием биогаза. В состав биогаза входят СН4 и С02.

при распаде 1 г жиров образуется 1200 мл газа (в %): СН4-68, С02-32.

при распаде 1 г углеводов образуется 800 мл газа (в %): СН4-50, СО2-50.

предел сбраживания: жиры - 70%, углеводы - 62,5%, дальнейшее разложение органического вещества не приводит к образованию биогаза.

Особенности процессов анаэробной очистки

Концентрация токсичных компонентов не должна ингибировать процессы брожения.

Конвекция - 3 - 5 об/мин.



Температура

мезофильный режим(30--35°С)

термофильный режимы (50--60°С) - скорость распада органических соединений увеличивается, возрастает доза суточной загрузки в метантенк.

«-»

1. как и всякий анаэробный процесс, практически неуправляем

2. низкая скорость,

3. расход энергии, потребляемой клеткой на биосинтез, практически постоянен как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

- Метантенк - строго герметичный ферментер объемом до нескольких кубических метров с перемешиванием и рубашкой для обогрева, оборудован газоотделителями с противопламенными ловушками, работает в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка по мере завершения процесса.

С осадком из метантенка удаляется и часть имеющихся в нем микроорганизмов, что ведет к увеличению времени сбраживания следующей порции.

Обеспечение задержки клеток в объеме аппарата при его разгрузке позволяет значительно интенсифицировать процесс и увеличить выход газа.

назначение:

• для сбраживания осадков, избыточного активного ила,

• в качестве первой ступени очистки высококонцентрированных стоков, с последующей их аэробной доочисткой.

В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов является, одним из наиболее перспективных путей совместного решения экологических и энергетических проблем, который позволяет, например, агропромышленным комплексам перейти на практически полностью самостоятельное энергоснабжение.



Заключение

Деятельность любого биотехнологического производства может привести к возникновению экологических проблем общего и частного характера:

1)истощению и гибели естественных экосистем вокруг биотехнологических предприятий или неадекватному популяционному давлению одних видов живых существ на другие (например, разрастание цианобактерий в водохранилищах);

2)возрастанию стрессовых нагрузок на людей, проживающих вблизи крупных биотехнологических предприятий (выхлопные газы, шум, испарения, корпускулярные аллергены в атмосфере и пр.);

...