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生物化工行业现状及其污染治理

     时间:2013-07-08  来源:本站原创

摘 要:对生物化工行业现状及其环境污染问题进行了初步研究。针对淀粉、啤酒、酒精、味精、柠檬酸、抗生素等生物化工行业的污染问题,提出了几种基本的处理方法,由于废水中污染物的多样性,往往需要采用几种方法组合,才能达到废水净化和达标排放的目的。

关键词:生物化工;现状;污染

   生物化工是以应用基础研究为主,将生物技术与化学工程相结合的学科。与传统化学工业相比,生物化工有某些突出特点:主要以可再生资源作原料;反应条件温和,多为常温、常压、能耗低、选择性好、效率高的生产过程;投资小;能生产目前不能生产或用化学法生产较困难的性能优异的产品。由于这些特点,生物化工已成为化工领域重点发展的行业。但是,随着生物化工的发展,其环境污染问题也日趋突出,已成为我国的环境污染大户。

生物化工行业的现状

   20世纪80年代起,随着现代生物技术的兴起,生物化工的应用涉及到农业生产、医药卫生、食品、环境保护、资源和能源的开发利用等领域。随着生物化工上游技术)))生物工程技术的进步以及化学工程、信息技术(IT)和生物信息学等学技术的发展,生物化工将迎来一个崭新的发展时期。下面简要描述生物化工行业的现状。

1.1 工业结构

   生物化工涉及面广,涉及的行业多,从事生物化工的企业较多。据报道,20世纪90年代中期,美国生物化工企业有1000多家,西欧有580多家,日本有300多家。近年来,虽然由于行业竞争日趋激烈,生物化工企业有较大幅度减少,但仍有像诺华、捷利康等从事生命科学的世界性大公司,也有像DSM、诺和诺德等大型的精细化工公司。

1.2 产品结构

   近年来生物化工产品得到了极大的拓展,医药方面有各种新型抗生素、干扰素、胰岛素、生长激素、各种生长因子、疫苗等;氨基酸和多肽方面有赖氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、苏氨酸、脯氨酸等以及各种多肽;酶制剂有160多种,主要有糖化酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、青霉素酶、过氧化氢酶等;生物农药有Bt、春日霉素、多氧霉素、井岗霉素等;有机酸有柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸、延胡索酸、己二酸、脂肪酸、A-酮戊二酸、C-亚麻酸、透明质酸等。还有微生物法1,3-丙二醇、丙烯酰胺等。

1.3 技术水平

   1.3.1 发酵工程技术已见成效。据估计,全球发酵产品的市场有120亿~130亿美元,其中抗生素占46%,氨基酸占16.3%,有机酸占13.2%,酶占10%,其他占14.5%。发酵产品市场的增大与发酵技术的进步分不开。现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展,发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高。目前世界最大的串联发酵装置已达75m3。许多公司对发酵工艺进行了调整,从而降低了生产成本。

1.3.2 酶工程技术有了长足的进步。

    酶工程技术包括酶源开发、酶制剂生产、酶分离提纯和固定化技、酶反应器与酶的应用。据报道,1998年全球工业酶制剂的销售额为13亿美元,预计到2010年将增长到30亿美元,每年以6.5%的速率增长。

1.3.3 分离与纯化技术也有很大进步。影响生化

   产品价格的因素,首当其冲的是分离与纯化过程,其费用通常占生产成本的50%~70%,有的甚至高达90%。分离步骤多、耗时长,往往成为制约生产的瓶颈。寻求经济适用的分离纯化技术,已成为生物化工领域的热点。已大规模应用的分离纯化技术有双水相萃取、新型电泳分离、色谱分离、膜分离等。

1.3.4 上游技术广泛应用于下游生产。利用基因

   工程技术,不但成倍地提高了酶的活力,而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中,构建基因菌产生酶。被称为第二代基因工程的蛋白质工程发展迅速,显示出巨大潜力和光辉前景。利用蛋白质工程,将可以生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质,可以定向改造酶的性能,从而生产出新型生化产品。

1.3.5 新技术在生物化工中也得到了极大的应用。

    比如,在超临界液体状态下进行酶反应,从而大大降低酶反应过程的传质阻力,提高酶反应速率。超临界CO2无毒、不可燃、化学惰性、易与反应底物分离。利用超临界CO2取代有机溶剂进行酶反应,具有极大的发展潜力。微胶囊技术已被广泛用于动物细胞的大规模培养、细胞和酶的固定化以及蛋白质等物质的分离方面。

生物化工行业的发展趋势

2.1 工业结构

   由于生物化工涉及面广,许多生化公司都有自己的专长,它们之间为了商业利益的合作非常活跃。此外,随着传统行业生产厂家的加入,由于技术与生产方面的原因,它们与从事生物化工开发与生产的企业合作也很频繁。所有这一切,都使生物化工行业的合作越来越广泛。如杜邦公司与杰宁科乐公司合作开发用生物法生产1,3-丙二醇,进一步生产PTT树脂。荷兰的PURAC公司与美国CAGILL公司合资建设3.4t/a L-乳酸装置,并计划进一步发展到6.8t/aDSM公司与美国Maxygen公司签订了3年的研究合同,以利用MaxygenDNA重排和分子培养技术,开发在7-ADCA和其他青霉素生产中使用的酶和菌种。

2.2 产品结构

   生物化工产品正向专业化、高科技含量、高附加值方向发展。传统的低价位产品受到冷落,而高价位产品如生化药物、保健品、生化催化剂等则备受青睐。许多公司为了追求较高利润,都将低附加值的产品剥离。例如日本武田药品工业公司不再生产味精,转而生产其他高附加值的调味品如肌苷酸二钠IMP)和鸟苷酸二钠(GMP)。另外,生物化工将涉足如高分子材料和表面活性剂等领域。

   在氨基酸方面,虽然用于药物合成氨基酸的量相对较小,但其发展潜力很大。据报道,500种主要药物中,18%含有氨基酸或其衍生物的合成。另外,多肽也是今后的发展重点之一。多肽是指有2个以上氨基酸用肽键组成的化合物,在临上使用非常广泛,主要用于治疗癌症、HIV病素和免疫系统功能减退、对传统抗生素产生抗体的感染以及疫苗等。

   在碳水化合物方面,用于临床的碳水化合物受到人们越来越多的关注。但是,用于临床的碳水化合物结构复杂,如一对单糖,其不同的化学键就多达22种。因此,用化学法合成复杂的碳水化合物比较困难,难以实现工业化,而用酶法合成则是一条切实可行的途径。

   作为生化催化剂的酶,也将是今后发展的重点。生化催化剂主要用于手性药物的合成。当前,手性药物已成为国际新药研究与开发的新方向之一。在未来的25年内,约有一半的手性药物要通过生化催化合成,因此,生化催化剂具有很大的发展潜力。生化表面活性剂由于具有无毒、生物降解性好等优点,今后可能成为表面活性剂的升级换代产品,但目前还处于探索阶段。生物化工在高分子材料、特殊化学品、生物晶片、环保等方面也将有极大的发展潜力。

2.3 技术水平

不断提高菌株活力、发酵水平、生化反应过程、分离纯化水平,依然是生物化工面临的课题。在菌种开发方面,由于从20世纪70年代以来从自然界中筛选菌种以获得新的代谢产物的机会明显减少,人们便考虑利用已知菌种经适当改变其代谢特性后生产新的产品。如日本协和发酵公司已成功地把生产谷氨酸的菌种改为生产色氨酸。在生化反应器方面,反应器放大一直是一个老大难的问题。因此,利用计算机技术对整个生化反应过程进行数字化处理,从而优化反应过程,是今后的发展方向之一。

   在分离纯化方面,亲和层析受到广泛重视,并有人研制了一种综合专家系统软件包,可在几分钟内告知对方被分离物系的分离方法和顺序,以便根据产品所需进行取舍。另外,在生化过程的在线检测和控制方面,利用生物传感器和计算机监控,依然是今后的发展方向。在酶催化反应中将发展有机溶剂中的催化反应。其他行业的新技术如分子蒸馏技术、组合化学等,也将在生物化工中得到应用。

生物化工的污染问题

   在生物化工的各个行业中,由于淀粉、啤酒、酒精、味精、柠檬酸、抗生素的产值较大,环境污染严重,尤其引起人们重视。我国淀粉行业有600多家企业,年淀粉产量300t有余。淀粉加工工艺的主要污染源来自以下几个方面:工艺废水,如葡萄糖加工工艺中的蒸发冷凝水、高麦芽糖浆加工工艺中离子交换系统的再生废水;各种设备的冲洗水、洗涤水;糖化、液化工艺的冷却水等。

    我国的啤酒产业发展迅速,啤酒企业约有600多家,目前全国年啤酒产量已达2000t。以生产1t啤酒产生20m3废水计算,我国啤酒工业排放的废水量每年达到4.0亿m3。啤酒厂排放的废水超标项目主要是CODBOD5SS三项,其废水主要来自于两个方面,一是大量的冷却水(糖化、麦汁冷却、发酵等),二是大量的洗涤水、冲洗水(各种罐洗涤水、瓶洗涤水等)。属高浓度有机废水。

    我国的酒精生产企业已达900多个,据不完全统计,我国酒精生产能力已达450~500t。酒精工业的污染以废水的污染最严重。生产过程的废水主要来自蒸馏后排出的酒精糟,生产设备的洗涤水、冲洗水以及蒸煮、糖化、发酵、蒸馏工艺的冷却水等。目前全国酒精年排放废水总量超过3亿m3。我国的味精生产量逐年上升,2001年味精产量59.10t。味精生产的主要废水来自以下几方面:原料处理后剩下的废渣液;发酵液经提取谷氨酸后废母液或离子交换尾液;生产过程中各种设备的洗涤水;离子交换树脂洗涤与再生废水;液化(95e)至糖化(60e)、糖化(60e)至发酵(30e)等各阶段的冷却水;各种冷凝水。发酵废母液或离子交换尾液虽占总废水量的比例较小,但是COD负荷高达30000~70000mg/L,废母液pH值为3.2,离子交换尾液pH值为1.8~2.0,是味精行业亟待解决的高浓度有机废水。而属于中浓度有机废水的洗涤水,冲洗水排放量大,COD负荷为1000~2000mg/L,相当于啤酒行业的废水污染负荷,也是应该设法治理的有机废水。我国约有95家柠檬酸生产企业,其中年产万吨以上的有6~8,年产0.5t的有10~15,年产0.3t以下的有70~80家。到目前为止,我国的柠檬酸年产量达到56.4t,生产与出口均居世界第一,在生产过程中排放大量有机污染物。

   目前,我国在抗生素的筛选和生产、菌种选育等方面仍存在许多难点,出现原料利用率低、提炼纯度低、废水中残留抗生素含量高等诸多问题,造成严重的环境污染和不必要的浪费。

生化废水的处理方法

   由于废水中的污染物是多种多样的,处理生化废水时往往需要采用几种方法的组合。本文重点介绍生物化工废水的物理化学处理法。

4.1 混凝

   混凝是生化废水处理的一个重要方法,用以去除水中细小的悬浮物和胶体污染物质,可用于废水的预处理、中间处理或最终处理。它除用于去除废水中的悬浮物和胶体物质外,还用于除油和脱色。生化废水是以液体为分散介质的分散系。按分散相粒度的大小,可将生化废水分为:粗分散系(浊液),分散相粒度大于100nm;胶体分散系(胶体溶液),分散相粒度1~100nm;分子)离子分散系(真溶液),分散相粒度0.1~1nm。粒度100Lm以上的浊液可采用自然重力沉淀或过滤处理,粒度0.1~1nm的真溶液可采用吸附法处理,1~105nm的部分浊液和胶体可采用混凝处理法。废水中的胶体物质可能是憎水的或亲水的。憎水性胶体物质(如粘土等)对液体介质没有亲和力,在有电解质存在时缺乏稳定性,对混凝很敏感。亲水性胶体物质(如蛋白质等)对水有明显的和力,吸收上去的水会阻止絮凝,一般需作特殊处理才能有效地产生混凝反应。

    胶体颗粒带有电性,能产生斥力避免集结和沉淀。胶体物质内部的固定层带有电荷,其性质随所吸附的离子的价数和数目不同而异。稳定离子被紧紧吸附其上,该层之外是靠静电力吸引相反离子而形成的外部扩散层。胶体界面与溶液之间的电位叫做W电位,滑动表面与溶液之间的电位称F电位。当F电位为零时,凝聚效果最佳,称作等电点。一般F电位在?0.5mV的范围内,都能有效地发生凝聚反应。由于生化废水中的胶体物质颗粒大多数都带有负电荷,所以加入高价阳离子可以降低F电位并导致产生凝聚作用。

4.2 吸附

   生化废水中含有一些难降解的有机物,这些有机物很难或根本不能用常规的生物法去除,例如某些杂环化合物。这些物质可用吸附法加以去除。根据固体表面吸附力的不同,吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附称为物理吸附。由于吸附是由分子力引起的,所以吸附热较小,一般在41.9kJ/mol以内。物理吸附因不发生化学作用,所以低温时就能进行。

   化学吸附是吸附剂和吸附质之间发生的化学作用,是由于化学键力引起的。一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生化学吸附,因此化学吸附具有选择性。由于化学吸附是靠吸附剂和吸附质之间的化学键力进行的,所以吸附只能形成单分子吸附层。当化学键力大时,化学吸附是不可逆的。

    物理吸附和化学吸附并不是孤立的,往往相伴发生。在生化废水处理中,大部分的吸附往往是几种吸附综合作用的结果。由于吸附质、吸附剂及其他因素的影响,可能某种吸附是主要的。例如有的吸附在低温时主要是物理吸附,在高温时主要是化学吸附。

4.3 膜分离法

    利用隔膜使溶剂同溶质或微粒分离的方法称为膜分离法。用隔膜分离溶液时,使溶质通过膜的方法称为渗析,使溶剂通过膜的方法称为渗透。

    根据溶质或溶剂透过膜的推动力不同,膜分离法可分为三类:以电动势为推动力的方法有电渗析和电渗透;以浓度差为推动力的方法有扩散渗析和自然渗透;以压力差为推动力的方法有压渗析和反渗透、超滤、微孔过滤。其中常用的是电渗析、反渗透和超滤,其次是扩散渗析和微孔过滤。

    膜分离法的特点是:在膜分离过程中,不发生相变化,能量的转化效率高;º一般不需要投加其他物质,这可节省原材料和化学药品膜分离中,分离和浓缩同时进行,这样能回收有价值的物质;根据膜的选择透过性和膜孔径的大小,可将不同粒径的物质分开,这使物质得到纯化而又不改变其原有的属性;½膜分离过程,不会破坏对热敏感和对热不稳定的物质,可在常温下得到分离;¾膜分离法适应性强,操作及维护方便,易于实现自动化控制。

  生物化工废水的处理技术中,生物处理法在去除废水中呈溶解状态和胶质状况的有机性污染物时十分有效,也是生物化工废水处理广泛应用的技术方法之一,由于篇幅所限本文不再赘述。

结束语

当前我国生物化工的发展,存在着规模小、技术水平低、质量效益差的状况,而且污染严重,治理成本高,与国际生物化工的发展和环保水平有相当差距,需要正确引导,适度规模发展,增加科技含量,降低治污成本,取得经济和环保双赢。

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