Криобиологические сосуды > Окружающая среда и биотехнология > Отходы, целлюлозно-бумажной промышленности

Отходы, целлюлозно-бумажной промышленности


Волокнистый материал, применяющийся при производстве бу­маги и других продуктов, получают как из древесных, так и: из травянистых растений после химического расщепления лиг­нина. Однако этот процесс сопровождается потерей большого количества древесины и образованием огромного количества отходов. Все это должно стимулировать разработку альтерна­тивной химической технологии.
В настоящее время применяют два процесса получения дре­весной пульпы. Основной из них — это щелочная варка (суль­фатный процесс), в результате которой образуется темная сульфатная варочная жидкость. Эти отходы содержат трудно­перерабатываемые ароматические продукты расщепления лиг­нина и низкомолекулярные органические кислоты (глюкоизоса-хариновую, молочную, уксусную и муравьиную). При получе­нии пульпы из смолистой древесины сосны образуются талло-вое масло и терпены, широко использующиеся в промышлен­ности. Сульфатную варочную жидкость не удается перерабаты­вать биологическими способами, которые могли бы применять­ся в промышленном масштабе; гораздо экономичнее упаривать эту жидкость и сжигать ее, получая таким образом энергию из отходов.
Сульфатная варка целлюлозы применяется реже; она дает отходы следующего состава: лигносульфонаты с ароматически­ми элементами (60%), сахара (манноза, галактоза, глюкоза,, ксилоза, арабиноза; 36%), уксусная кислота, метанол и фур-фураль. Эти жидкие отходы — хорошее сырье для ферментации благодаря высокому содержанию в них углеводов. Их фермен­тация в широких масштабах начата в 1909 г. В настоящее время традиционным методом удаления пентоз, гексоз и уксус­ной кислоты из таких отходов служит их ферментация при участии дрожжей. Помимо этих традиционных методов вскоре будут использоваться и новые процессы превращения отходов в грибной белок с помощью Paecilomyces variotii, Sporotrichutn pulverulentum и Chaetomlcum cellulolyticum. Неподдающиеся переработке соединения можно концентрировать и сжигать. Лигносульфонаты применяют в качестве связывающих ве­ществ и вспомогательных средств при бурении; щелочным окис­лением при повышенном давлении их можно превращать в ва*
нилин. Вообще говоря, главное в переработке отходов целлю­лозно-бумажной промышленности — это понижение энергоза­трат, а какой химический принцип при этом используется — менее существенно.
Основная экологическая проблема, порождаемая целлюлоз-яо-бумажной промышленностью, — это очистка сточных вод, а также обработка конденсатов, образующихся в испарителях и реакторах. Сточные воды осветляют путем нейтрализации и от­стаивания, окисления в одно- и двухстадийных установках с ак­тивным илом, в аэрируемых отстойниках или путем сочетания биологических и химических способов окисления. Эти методы пригодны для эффективного удаления соединений, подвержен­ных биодеградации, а также токсичных производных фенола, однако они оказываются дорогими и неэффективными в слу­чае производных лигнина, с трудом поддающихся переработ­ке. Отбеливатели, содержащие хлорпроизводные бифенилов, можно обесцвечивать с помощью грибов — возбудителей белой гнили.
Среди побочных продуктов сульфитного процесса получения целлюлозы преобладают химически модифицированные лигни-ны, образующиеся во многих реакциях между активным суль­фитом и каким-либо сложным природным полимером. Структу­ра лигносульфонатов в деталях неизвестна. Они представляют собой гетерогенную смесь соединений с широким спектром мо­лекулярных масс (300—100000); состав смесей определяется природой перерабатываемой древесины. Образование сульфатов приводит к частичной солюбилизации лигниновых фраг­ментов. Сложность структуры лигносульфонатов затрудняет изучение их биодеградации. Для упрощения задачи обычно ис­пользуют модельные соединения, например дегидрополимеры кониферилового спирта или другие низкомолекулярные продук­ты. Низкомолекулярные лигносульфонаты чувствительнее к биодеградации, чем высокомолекулярные; с другой стороны, производные лигнина, видимо, устойчивее к разрушению, чем сам лигнин. Следовательно, образование сульфопроизводных затрудняет переработку. В таких сопряженных окислительно-деградативных процессах почвенные грибы и бактерии более эффективны, чем гнилостные грибы; для осуществления этих процессов требуется также дополнительный источник углерода. Распад лигносульфонатов нередко сопровождается полимери­зацией, в результате чего наблюдается сдвиг в распределении полимеров по молекулярным массам. Эти изменения могут кор­релировать с присутствием внеклеточных фенолоксидаз (на­пример, лакказы), физиологическая роль которых остается не­известной. Фенолы превращаются в соответствующие хиноны и фенокси-радикалы, которые спонтанно полимеризуются. Таким
образом, полимеризация и деградация происходят одновремен­но. Однако в случае некоторых грибов реакции полимеризации не протекают в присутствии целлюлозы. Целлюлоза распада­ется до целлобиозы, являющейся субстратом для целлобиозахинон оксидоредуктазы, которая одновременно окисляет целлобиозу и восстанавливает хиноны и фенокси-радикалы. Может существовать и другая оксидоредуктазная система, в ко­торой легко доступные источники углерода используются для восстановления хинонов. Возможная роль подобной биологиче­ской полимеризации состоит в облегчении осаждения лигно-сульфонатов. Лигносульфонаты применяются как связывающие вещества при производстве отдельных видов картона, где в ка­честве катализатора полимеризации используют содержащие лакказу культуральные фильтраты. Фенолоксидазы могут играть важную роль в определении судьбы многих ксенобиотиков в окружающей среде, участвуя в полимеризации фенолов и в об­разовании органических полимеров почвы.
Чувствительность лигносульфонатов к биодеградации увели­чивается после их химической или физической модификации. Под действием УФ-облучения и озонирования происходит фраг­ментация этих молекул, а удаление остатков сульфоновой кис­лоты, хотя и снижает растворимость лигносульфонатов, одно­временно уменьшает их устойчивость к биодеградации. Пред­принимались попытки использовать для микробного десульфи-рования анаэробные сульфатредуцирующие бактерии и неко­торые виды Pseudomonas. Большими потенциальными возмож­ностями в этом смысле обладают смешанные культуры. Исполь­зование таких культур для разрушения лигносульфонатов мо­жет оказаться более эффективным, чем применение отдельных штаммов, поскольку при этом могут быть созданы сообщества с широким спектром активностей, например способные к де-сульфированию, расщеплению прочных связей, метилированию-и деполимеризации. В результате может быть получена высо­коэффективная биоокислительная система. В одной из опыт­ных установок для получения БОО из углеводов, содержа­щихся в отходах целлюлозно-бумажной промышленности, ис­пользуют Candida utilis, а для разрушения остаточных лигно­сульфонатов — смешанную культуру. Биомасса, образующаяся на второй стадии этого процесса, не находит сбыта, поэтому ее повторно используют после термообработки для ускорения ро­ста Candida.