12. 13. Dokončovací operace biotechnologických výrob (konvenční separační technologie, dezintegrace buněk, membránové separační technologie, extrakce, srážení, destilace, sušení, stripování, CIP). Výrobní linka biotechnologického procesu. Podněty k zopakování si Základy procesů a popis zařízení filtrace, odstřeďování, destilace, extrakce, srážení, sušení, výměníky tepla chemické inženýrství. Integrované systémy biotechnologického procesu Integrované systémy znamenají spojení bioprocesu a separace produktu. Výsledkem je snížení nákladů na dokončovací operace a tím i celé výroby. Mohou být realizovány: interním recyklem buněk kontinuálním stripováním těkavého produktu z média vhodným plynem (vzduch, N2) a jeho následnou separací z plynu (kondenzace, vymražení, sorpční nebo membránové procesy). Jedná se např. o produkci kyselin, ethanolu, biorozpouštědel (aceton, butanol). Dokončovací operace biotechnologických výrob (downstream procesy) Dokončovací operace obecně zahrnují: separace biomasy z médií po fermentaci (usazování, odstřeďování, filtrace) izolace, čištění a stabilizace produktů o extracelulární produkty - separační procesy jako filtrace, srážení, membránové a chromatografické techniky o intracelulární produkty - dezintegrace buněk + separační procesy čištění odpadních produktů (pevných, kapalných a plynných) Separační procesy separace buněk z kultivačního média separace produktu z kultivačního média separace produktu z buněk separace produktu od nečistot Filtrace Odstranění pevných částic z plynu nebo kapaliny 62
Dělení filtrace podle velikosti pórů Základní pojmy separačních technik. Filtrace - dělení suspenzí a membránové procesy dělení převážně roztoků. Účelem procesu filtrace může být: získání plynu nebo kapaliny získání pevných částic získání plynu nebo kapaliny i pevných částic Z hlediska provedení se rozděluje na: kontinuální diskontinuální Hnací síla je rozdíl tlaků (Δp); může být i gravitace. Realizace rozdílu tlaků je možná dvojí: přetlak nad filtrační přepážkou podtlak pod filtrační přepážkou (vakuový filtr) Materiál filtrační přepážky: vrstva zrnitého materiálu (písek, koks, naplavovací filtry) porézní materiály (porézní keramika, plasty, kov) vláknité materiály (filtrační plachetky textilní, papírové, skleněná vlákna) 63
Filtrace kapalin Pískový filtr Provozuje se v cyklu filtrace zpětný proplach. Náplní je praný písek o definované velikosti (a specifickém vrstvení). Typické nasazení je při úpravě pitné vody nebo v čističkách odpadních vod. Svíčkový filtr Materiál svíček jsou speciální syntetické vláknité materiály. Provozuje se v cyklu filtrace - výměna svíček Svíčkový naplavovací filtr Materiál svíček je keramika nebo legovaná ocel. Vlastní filtrační vrstva je naplavená vrstva zrnitého materiálu typicky křemelina. Provozuje se v cyklu naplavení křemeliny - filtrace - odstřelení křemeliny a filtračního koláče 64
Deskový filtr Podstatou konstrukce je střídání desky a rámu, mezi nimiž je tzv. plachetka jako filtrační materiál. Provozuje se v cyklu filtrace rozebrání + vyčištění. Vakuový rotační filtr Konstrukčně může být realizován jako bubnový nebo pásový. Provozuje se v cyklu přisátí suspenze ve vaně propláchnutí odříznutí filtračního koláče. Filtrace plynů Rukávový filtr Materiál svíček jsou speciální textilie. Provozuje se v cyklu filtrace oklepání* nebo výměna filtrační textilie Svíčkový filtr Viz filtrace kapalin. 65
Usazování Oddělení dispergovaných částic od plynu nebo kapaliny působením objemové síly (gravitační síla). Účelem procesu může být: získání plynu nebo kapaliny získání pevných částic získání plynu nebo kapaliny i pevných částic roztřídění částic různých vlastností (různá rychlost usazování) Hnací síla procesu je gravitační zrychlení (g). g Vu Vf Vp gravitační zrychlení rychlost usazování rychlost proudění výsledná rychlost usazování Usazováky vertikální a horizontální Usazováky s rotací suspenze Usazováky se změnou toku suspenze 66
Usazováky se provozují s periodickým nebo kontinuálním odebíráním separovaných pevných částí. Odstřeďování Oddělení dispergovaných částic od plynu nebo kapaliny působením objemové síly (odstředivá síla). Hnací síla je odstředivé zrychlení (ω 2 r). ω r Vu Vt Vp úhlová rychlost poloměr rychlost usazování tečná rychlost výsledná rychlost usazování Provozují se ve: vsádkovém (diskontinuálním) uspořádání cyklus odstředění oddělení odstředěné kapaliny a pevného podílu kontinuálním uspořádání kontinuální odvádění odstředěné kapaliny a pevného podílu Membránové procesy hnací silou každého membránového procesu je transmembránový gradient. procesy s gradientem tlaku mikrofiltrace (MF), ultrafiltrace (UF), nanofiltrace (NF) a reversní osmosa (RO) procesy s gradientem chemického potenciálu pervaporace (PV), permeace plynů, dialysa, osmosa procesy s gradientem elektrického potenciálu elektrodialysa (ED), membránová elektrolysa procesy s gradientem teploty membránová destilace (MD). K separaci dochází na základě rozdílných fyzikálně-chemických vlastností látek a částic: velikost částic (MF, UF, NF, RO) difusivita a velikost (PV, permeace plynů, MD, dialýza, osmosa) elektrický náboj (ED, membránová elektrolýza, Donnanova dialýza) a dále rozpustnost, povrchové vlastnosti, afinita, reaktivita apod. Dezintegrace buněk Slouží k získání intracelulárních produktů (enzymy, organely). Mechanické způsoby dezintegrace Střídavé zmražování a rozmražování French press (protlačování tekuté suspenze malým otvorem pod velkým tlakem) X-press (protlačování zmražené suspenze malým otvorem pod velkým tlakem) Ultrazvuk Mlýnek se skleněnými balotinami (kuličky) 67
Fyzikální, chemické způsoby dezintegrace Osmotický šok (koncentrovaný roztok velmi zředěný extrakce intracelulárních látek) Přídavek tenzidů (poškození buněčné membrány) Přídavek toluenu (rozpouštění fosfolipidů buň. stěny a cytoplazmatické membrány) Enzymové způsoby dezintegrace Lysozym (v kombinaci s osmotickým šokem) enzym z vaječného bílku (dále např. krev, sliny) selektivně štěpící glykosidové vazby v peptidoglykanech v buněčné stěně bakterií Extrakce Antibiotika, nepolární látky, organické makromolekuly mohou být isolovány/čištěny extrakcí vhodným rozpouštědlem a jeho následným odpařením. Srážení Srážení znamená převedení rozpustné formy na nerozpustnou s následnou filtrací. Sráží je buď produkt nebo naopak nečistoty. Ca(OH)2 - organické kyseliny změnou ph, zvýšení obsahu vody - organické makromolekuly Destilace Destilace znamená oddělení těkavých produktů od média a jejich zakoncentrování. ethanol, kyselina octová, biorozpouštědla (aceton, butanol) Stripování Stripování těkavých produktů (těkavé kyseliny, biorozpouštědla, ethanol) plynem např. dusíkem. Stabilizace Pro stabilizaci se používá sušení, lyofilizace, navázání na nosič a jiné metody. Sanitace Souhrn činností, které zabezpečují plnění hygienických a technologických požadavků biotechnologických výrob: Úklid - odstranění nečistot (nejen) v interiéru technologické haly Čištění - odstranění nečistot (zbytky média, biomasy, stěnové nárůsty ) Dezinfekce odstranění/usmrcení mikroorganismů Dezinsekce - odstranění/usmrcení hmyzu Deratizace - odstranění/usmrcení hlodavců Důležité je pořadí kroků: 1. čištění 2. výplach/oplach vodou odstranění sanitačních látek - agresivní a často mikrobicidní/mikrostatické látky 3. dezinfekce/sterilace (vždy pouze čistého zařízení) Postup čištění reaktoru (propaření) (výplach) čištění cirkulací čistícího roztoku (vhodně umístěné trysky) výplach Čistící (sanitační) činidla lze rozdělit do tří skupin: 68
kyselé prostředky HNO3 (~ 0,5%), H3PO4 zásadité prostředky NaOH (~ 1%) detergenty Většinou se čištění prování za vyšších teplot, někdy téměř 100 C z důvodu vyšší účinnosti. Z výše uvedeného je evidentní, že konstrukční materiály bioreaktorů, armatur, elektrod, sond musejí být značně odolné. CIP stanice CIP (Cleaning In Place) je technologický celek pro provádění sanitace technologie. Skládá se ze zásobníků sanitačních prostředků a vody, ohřevu, čerpadel, potrubí a armatur. Je nutné satinovat celou výrobní technologii: reaktor, pomocná zařízení (tlakové mytí, vestavěné trysky) potrubí, armatury (cirkulace sanitačního prostředku) Příklad průmyslové CIP stanice Sterilizace SIP stanice SIP (Sterilization In Place) je technologický celek pro provádění sterilizace technologie. Někdy je SIP a CIP jeden technologický celek. Pro udržení asepticity procesu je nutné dezinfikovat/sterilovat celou část výrobní technologie kde je aseptický provoz: celá technologie párou (reaktor často znovu se sterilací média) potrubí/armatury párou a reaktor spolu s médiem nepřímím ohřevem (sterilace média) Náměty k přemýšlení a procvičení znalostí Jaká je hnací síla filtrace, odstřeďování, usazování a jak ji zrealizujete. Jaký je mechanismus působení kyselých, zásaditých látek a detergentů na buňky? Uveďte sled kroků dokončovacích operací včetně používaných zařízení pro získání biomasy jako finálního produktu. Uveďte sled kroků dokončovacích operací včetně používaných zařízení při produkci primárního produktu s ohledem na to. Uveďte sled kroků dokončovacích operací včetně používaných zařízení při produkci sekundárního produktu s ohledem na to, jestli jsou intracelulární nebo extracelulární. 69
14. Biotechnologie a bioreaktory pro zpracování odpadů z biotechnologických výrob. Podněty k zopakování si Rozpustnost organických látek ve vodě, hydrofobicita, Henryho zákon. Porovnání produkčních a dekontaminačních biotechnologií Biotechnologie a bioreaktory při čištění odpadů mají specifické odlišnosti v porovnání s technologiemi produkčními: Substrát a minerální živiny Jako substrát (zdroj uhlíku a energie) pro mikroorganismy jsou polutanty často toxické nebo inhibující, což způsobuje malé μ. V některých případech polutant slouží jako finální akceptor elektronů odstraňování dusičnanů/dusitanů z vody nebo vysoce halogenovaných látek; je tedy nutná přítomnost substrátu zdroje uhlíku a energie. Často směsné polutanty, někdy vyžadující významně odlišné degradační schopnosti nebo podmínky prostředí. Příklady: o H2S + NH3 + VOCs emise z ČOV: H2S degradují chemolitotrofové a VOCs chemoorganotrofové mikroorganismy; navíc degradací H2S vzniká H2SO4, výrazně snižující ph, což nevyhovuje většině chemoorganotrofů. o Methanogeneze (viz níže). o Jednotlivé polutanty ve směsi Často pouze částečná znalost složení polutantů a přítomnosti minerálních živin. Mikroorganismy Téměř vždy použití směsných mikrobiálních kultur o nelze udržet aseptický provoz o směs mikroorganismů má mnohem širší spektrum degradačních schopností a je mnohem flexibilnější při změnách prostředí, polutantů a parametrů odpadních plynů nebo kapalin Změny (často výrazné) v poměru a zastoupení jednotlivých taxonů směsné mikrobiální kultury v průběhu dlouhodobého provozu. Často ustavení komplexního ekosystému - mikrobiální eukaryota a prokaryota (degradéři, producenti, kořist), protozoa a někdy i členovci (dravci). Parametry a řízení procesu Kolísání parametrů vstupujících médií způsobuje stres mikrobiální populaci a obtížné řízení procesu: o průtok (mění se zřeďovací rychlost a doby zdržení!) o koncentrace a přítomnost jednotlivých složek minerální živiny, substrát, toxické látky o fyzikálně-chemické vlastnosti média (ph, T, redox potenciál ) o periody bez vstupující odpadní vody nebo vzduchu nebo s malou až žádnou koncentrací polutantů a tedy hladovění - mikroorganismy bez zdroje energie nebo i kyslíku (směnné nebo periodicky pracující technologie-zdroje znečištění). Omezené možnosti ovlivnění a úpravy parametrů vstupujících médií. Omezené možnosti řízení procesu. 70
Reaktory Často kombinace nízké koncentrace polutantu (limitace), špatně degradovatelného polutantu (= malá μ) a vysokých průtoků kapaliny (= velká D) tj. nutnost použití recyklu biomasy nebo imobilizovaných buněk. Většinou konstrukčně jednoduché a provozně nenáročné bioreaktory. Převážně kontinuální (i když kolísavá) produkce znečištěné odpadní vody nebo vzduchu tj. použití kontinuálních procesů a reaktorů. Často využívané náplňové reaktory a submerzní reaktory s recyklem biomasy. Z těchto odlišností vyplívají specifika přístupu k návrhu a provozování dekontaminačních technologií v porovnání s produkčními technologiemi. Čištění odpadních vod Čistírny odpadních vod (ČOV) Odpadní vody podniků se mohou smluvně čistit v komunální ČOV (malé podniky, málo toxické nebo hygienicky závadné odpadní vody) nebo v podnikové ČOV (velké podniky, toxické nebo hygienicky závadné odpadní vody). Podnikové ČOV někdy smluvně čistí i komunální odpadní vody vesnic/měst, kde stojí. Vodu znečišťuje široké spektrum organických látek biologického (biomakromolekuly nebo jejich fragmenty) nebo průmyslového (uhlovodíky nebo kyslíkaté, halogenované nebo nitrované organické látky) původu nebo anorganických látek (dusičnany, dusitany, fosforečnany, rozpuštěný amoniak nebo sulfan, těžko kovy). Často je chemické znečištění doprovázeno mikrobiálním například přítomnost koliformních bakterií. Vyjadřování znečištění vody CHSK Udává množství kyslíku (mg.l -1 ), které se přepočte ze spotřeby oxidačního činidla (manganistan nebo dichroman draselný), a které je třeba k úplné oxidaci organických látek obsažených ve vodě. BSK5 Udává množství kyslíku (mg.l -1 ), které je třeba k degradaci biologicky odbouratelných organických látek obsažených ve vodě za pět dní za pomoci mikrobiální populace. Čím vyšší hodnoty parametrů tím větší organické znečištění vody. Pouze v některých případech specifických nebo vysoce toxických látek se používá jejich koncentrace (mg.l -1 ). Technologická linka malých ČOV Č LP BČ DN TČ UN česle lapač písku biologické čištění dosazovací nádrž terciální čištění uskladňovací nádrž na přebytečný kal 71
Technologická linka velkých ČOV Biologické čištění Aerobní (organické znečištění CO2 a H2O) Skrápěný náplňový reaktor (biofilm) Rotační biofilmové reaktory (biofilm) malé ČOV u rodinných domků Aktivační nádrž = submerzní probublávaný reaktor (aktivovaný kal) Vegetační čištění (kořenové čistírny) Anaerobní (organické znečištění CO2 a CH4) Anaerobní submerzní reaktory Terciální čištění Stabilizační nádrže (anaerobní, aerobní převážně bakterie a řasy) Vegetační čištění (kořenové čistírny) Methanogeneze Methanogeneze není jeden proces, ale skládá se z několika procesů, vyžadujících značně rozdílné podmínky i mikroorganismy. Řízení tohoto procesu je tedy technologicky náročné. proces Popis procesu mikroorganismy Hydrolýza hydrolýza biopolymerů na monomery, spotřeba Fermentační - O 2, částečná acidogeneze fakultativně anaerobní bakterie Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Acidogeneze Č VN LP UN LT BČ DN TČ KH OD Produkce kyseliny octové a dalších nižších mastných kyselin z monomerů Produkce kyseliny octové z nižších mastných kyselin česle vyrovnávací nádrž lapač písku usazovací nádrž lapač tuku biologické čištění dosazovací nádrž terciální čištění kalové hospodářství odstředivka Pseudomonas Syntrofní Syntrophobacter, Syntrophomonas, Syntrophus Acetogeneze syntrofní druhy - acidogeneze, acetogeneze, produkce CO2 a H2 homoacetogeny - acetogeneze, acidogeneze, produkce CO2 Acetogenní Clostridium, Lactobacillus, Bifidobacterium, Butyribacterium 72
Metanogeneze Hydrogenotrofní metanogeny CO2 + 4H2 CH4 + H2O Acetotrofní metanogeny CH3COOH CH4 + CO2 Kalové hospodářství (stabilizace kalu) Aktivovaný kal je podle legislativy odpad a musí se s ním také tak zacházet. Zpracování kompostování anaerobní zpracování (methanogeneze) Čištění odpadních plynů Metanogenní Methanobacterium, Methanocuccus, Methanobacter, Methanogenium (striktně anaerobní bakterie) Znečišťující látky plynů jsou těkavé organické (uhlovodíky, kyslíkaté, halogenované sirné organické látky) nebo anorganické látky (NH3, H2S). Těkavé organické látky jsou známé pod zkratkou VOCs (Volatile Organic Compounds). Vedle jejich přímé toxicity, zapojení do chemických a fotochemických v atmosféře (vznik toxických produktů a finálně smogu) nebo negativního ovlivňování funkcí atmosféry (skleníkový efekt, ničení stratosférického ozónu) se sleduje i obtěžování zápachem. Vyjadřování znečištění plynu Většinou se vyjadřuje jako kombinace hmotnostního toku z kontaminující technologie a maximální dosahované koncentrace a často bez rozlišení jednotlivých látek ze směsi polutantů například tzv. suma VOCs těkavých organických látek. V případech specifických nebo vysoce toxických látek se používá a sleduje jejich přesná koncentrace (např. u tzv. dioxinů). Bioreaktory pro čištění odpadních plynů Biofilmové reaktory náplňové biofiltr biotrickling filtr (skrápěná kolona) rotační diskový filtr Submerzní reaktory biologická pračka plynů probublávaná kolona airlift Vedle přestupu kyslíku do vodné fáze a následně do buněk je klíčový proces dekontaminace i kinetika přestupu polutantů do vodné fáze a do buněk (na rozdíl od čištění odpadních vod). V tomto ohledu jsou při dekontaminaci zvýhodněné dobře rozpustné polutanty a kinetika přestupu hmoty špatně rozpustných polutantů (např. uhlovodíky) může být limitujícím faktorem celého procesu. Základní typy reaktorů používaných při čištění odpadní vody a plynu Čištění odpadních vod má mnohem hlubší historii a vzhledem k podobnosti (aerobních) procesů byly základní typy reaktorů pro čištění vody převzaty a modifikovány pro použití při čištění odpadních plynů. Při zpracovávání odpadních plynů je vedle přestupu kyslíku z plynné fáze do kapalné (stejně jako při čištění odpadní vody) klíčový i přestup polutantů z plynné fáze do kapalné (není u 73
čištění odpadní vody). Rozpustnost ve vodě a Henryho konstanta polutantu hrají zásadní roli v přestupu hmoty a tím i v odstranění polutantu z odpadního plynu. Polutanty s malou rozpustností a vysokou Henryho konstantou jsou tedy znevýhodněny a kinetika jejich přestupu do kapalné fáze může být limitující proces pro dekontaminační technologii. Většinou však je limitujícím krokem vlastní biodegradace nebo kinetika přestupu kyslíku. Z důvodu kinetiky přestupu polutantu z plynné fáze do kapalné jsou bioreaktory s nízkým obsahem vodné fáze (biofiltr) vhodnější pro špatně rozpustné polutanty (uhlovodíky) zatímco bioreaktory s vysokým obsahem vodné fáze (skrápěný bioreaktor, probublávaná kolona, airlift) jsou vhodnější pro velmi dobře rozpustné polutanty. Odpadní vody Znečištěná voda kontinuálně proudí skrze náplňový materiál lože s imobilizovanou mikrobiální kulturou, která degraduje obsažené polutanty (tzv. ponořené lože). Nutno použít imobilizaci buněk D > μ. Aerace má za úkol pouze dodávku kyslíku. Biofiltr Odpadní plyny Znečištěný vzduch kontinuálně proudí skrze lože, kde polutanty přestupují do vodné fáze a jsou degradovány imobilizovanou mikrobiální kulturou. Voda s přídavkem minerálních živin je periodicky dávkována (1-2 x denně) a zajišťuje dostatečnou vlhkost lože (biofilmu) a přísun minerálních živin. Znečištěná voda kontinuálně stéká po náplňovém materiálu s imobilizovanou mikrobiální kulturou, která degraduje obsažené polutanty. Nutno použít imobilizaci buněk D > μ. Aerace má za úkol pouze dodávku kyslíku; může být i pasivní s využitím komínového efektu. Skrápěný bioreaktor (biotrickling filtr) Znečištěný vzduch kontinuálně proudí skrze lože, kde polutanty přestupují do vodné fáze a jsou degradovány imobilizovanou mikrobiální kulturou. Voda s přídavkem minerálních živin je cirkulována a zajišťuje dostatečnou vlhkost lože (biofilmu) a přísun minerálních živin a lepší distribuci kyslíku a polutantů. 74
Submerzní bioreaktory - probublávaná kolona; airlift Do znečištěné vody je před vstupem do reaktoru dávkována biomasa pomocí recyklu biomasy (tzv. aktivace/aktivační technologie využití aktivovaného kalu). Vzniklá suspenze pak kontinuálně proudí reaktorem, kde jsou degradovány obsažené polutanty. Po výstupu je biomasa oddělena od vyčištěné vody a vracena na začátek procesu. Nutno použít recykl buněk D > μ. Aerace má za úkol míchání (pneumatické) a dodávku kyslíku. Znečištěný vzduch je kontinuálně probubláván skrze vodu s přídavkem minerálních živin, kde polutanty přestupují z bublin plynu do vodné fáze a jsou degradovány suspendovanou mikrobiální kulturou (submerzní proces). Voda slouží jako prostředí pro mikroorganismy a pro rozpuštění polutantů a kyslíku. Poznámka: - voda; - vzduch 75
Náměty k přemýšlení a procvičení znalostí Jaké typy mikroorganismů byste museli použít pro odstranění H2S, NH3, VOCs z plynných emisí z čističek odpadních vod z hlediska jejich rozdělení na základě získávání energie. Jaký je účel jednotlivých výchozích látek v metabolismu vzniku metanu při metanogenezi (4H2 + CO2 CH4 + H2O a CH3COOH CH4 + CO2) z hlediska zisku energie a finálního akceptoru elektronů. Jak byste pojmenovali tyto bioreakce z hlediska finálního akceptoru elektronů? Co způsobuje kolísání zřeďovací rychlosti v biologickém stupni - submerzním reaktoru - ČOV? Jaké problémy v řízení procesu to způsobuje? Jak lze toto kolísání (alespoň částečně) omezit? Jak se projeví různý obsah vody u různých typů bioreaktorů na čištění odpadních plynů na odstraňování hydrofobních a hydrofilních polutantů? Jak to ovlivní transportní pochody? Charakterizujte typ reaktoru, stav biomasy a typ procesu u jednotlivých bioreaktorů pro čištění odpadních vod a vzduchu. Ujasněte si, jak mění základní parametry (S, X, V, T, CL) jednak v čase a jednak v objemu/výšce nebo délce lože reaktoru v bioreaktorech pro čištění odpadních vod a plynu pro vzduch i vodu. V čem se z tohoto hlediska liší submerzní reaktory pro čištění odpadní vody a plynu? 76