Издаётся с марта 1959 года
Выходит 6 раз в год
Русская версия English version
Научно-технический журнал "Химические волокна"
+7 (495) 586-08-80
 
     Поиск по сайту журнала "Химические волокна"
Поиск по сайту
Главная  |  Архив журнала "Химические волокна" 2008 год  |  "Химические волокна" №4, 2008 год  |  Биотехнологический метод переработки неутилизируемых отходов производства шерстяных сукон с применением базидиальных грибов
Биотехнологический метод переработки неутилизируемых отходов производства шерстяных сукон с применением базидиальных грибов
И.И. Шамолина*, А.Н. Романова**, В.П. Гаврилова***, Н.С. Яковлева***, Н.В. Белова***
(*Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна;
**Институт технических сукон, Санкт-Петербург;
***Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской АН, Санкт-Петербург)

В настоящее время шерсть перерабатывают в текстильные материалы (пряжу, сукна и др.) в основном в смесях с полиамидными и полиэфирными волокнами [1]. При производстве шерстяных сукон образуется большое количество невозвратных, неутилизируемых отходов в виде выпадов, подмети, обора, пуха, горошка, сбоя (сукновального, промывного и ворсовального). Эти отходы не нашли до сих пор промышленного применения. Их количество обычно достигает 10% от массы исходного сырья [2, 3].

Сжигание отходов шерсти как способ их уничтожения не практикуется в связи с тем, что в дымовых газах, образующихся при горении шерсти, много трудноуловимых дурнопахнущих сернистых соединений, диоксинов, копоти [4]. Синтетические компоненты этих отходов (полиамидные и полиэфирные волокна) при горении выделяют токсичные газы. Отходы шерстяных суконных фабрик вывозят на свалки твердых бытовых отходов (ТБО). В частности, шерстяной суконный комбинат ОАО “Невская мануфактура” (Санкт-Петербург) при полной загрузке производственных мощностей ежегодно резервировал место на свалках ТБО для 100 т твердых волокнистых отходов.

Складирование ТБО на полигонах требует отчуждения больших земельных площадей и сопряжено с высокими транспортными затратами. При захоронении возникает опасность ухудшения экологического состояния окружающей среды. В местах складирования отходов создаются условия, способствующие возникновению пожаров и распространению инфекций [5-7]. При наличии болезнетворной микрофлоры шерстосодержащие отходы в составе ТБО могут стать биологически опасными [8].

В последнее время разрабатываются экобиотехнологические методы переработки твердых органических отходов и пластиков в полезные продукты [9]. Биотехнологические процессы относятся к экологически чистым и малоэнергоемким, применяемые биоагенты весьма разнообразны и воспроизводимы в любых количествах.

В задачу настоящего исследования входило определение количества отходов на разных стадиях технологического цикла при производстве тканых смесовых сукон технического назначения, изучение их состава и свойств, выбор биотехнологического метода утилизации c применением базидиальных грибов и получение ферментных препаратов в виде фильтратов культуральных жидкостей, содержащих пероксидазу и лакказу.

В табл.1 представлены усредненные показатели образования неутилизируемых отходов при изготовлении шерстяных сукон, содержащих шерстяные (до 60%), полиамидные и/или полиэфирные волокна (до 40%).

Неутилизируемые отходы образуются на всех стадиях изготовления технических сукон, их количество достигает значительной величины, что определяет необходимость поиска перспективных путей их применения.
В качестве биоагентов при переработке шерстосодержащих отходов используют почвенную микрофлору, метаногенные бактерии и высшие грибы (табл.2).

Отходы утилизируют путем биодеградации, биоконверсии для получения дополнительного источника энергии, удобрений, а также используют в качестве субстрата для получения плодовых тел съедобных грибов, повышения урожайности растений. Компостирование - длительный процесс, который сопровождается потерей потенциально полезных для восстановления почвы питательных веществ, в том числе азота [15]. Применение овечьей заводской шерсти для компостирования оправдано лишь в случае невозможности использования ее для изготовления валяльно-войлочных изделий, нетканых полотен [16] и для производства смесовых пряж, включающих отходы коротковолокнистого льна и синтетические волокна [17].

Более полное использование “ресурсных качеств” [ 18] изученных отходов и вовлечение их в производство ценных биохимических продуктов может быть достигнуто путем использования биотехнологических процессов, основанных на активности базидиомицетов (макромицетов).

Базидиомицеты играют важную роль в процессах биодеградации природных материалов [19] и активно изучаются как продуценты оксидоредуктаз [20-24]. В работе были использованы культуры базидиомицетов из Коллекции Ботанического института им. В.Л. Комарова [25]: Trametes maxima (Montange) A. David et Rajchenbeig, Coriolopsis caperata (Berkeley) Murrill (Coriolopsis fulvocinerea (Berkeley) Murrill), Pholiota highlandensis (Peck) A.H. Smith et Hesler, Trametes hirsuta (Wulfen:Fries) Pilat, Trametes ochracea (Persoon) Gilbertson et Ryvarden (Coriolus zonatus (Nees: Fries) Quelet).

При выполнении исследований рассматривали два вида отходов:

  • отходы 1, накапливающиеся в сборниках отходов прядильно-ткацкого производства;
  • отходы 2, снимаемые с фильтров цеховых стоков производства технических сукон.

Образцы отходов собирали в течение 5 дней, а затем усредняли. Определяли гигроскопические свойства отходов (кондиционную влажность и смачиваемость), токсические свойства, компонентный состав (содержание волокнообразующих полимеров, жиров и восков, зольных веществ) и элементный состав.

Определение кондиционной влажности образцов проводили согласно ГОСТ 10681 [26].

Смачиваемость дистиллированной водой определяли как время смачивания и полного погружения образца массой 1 г.

Токсичность отходов оценивали методом биотестирования. Объектом биотестирования являлись дафнии Daphnia magna. Для биотестирования использовали вытяжку, полученную при настаивании 250г отходов в 1л водопроводной воды в течение суток при 20°С. Водную вытяжку не фильтровали через бумажный фильтр. Среднее количество дафний, выживших в водной вытяжке за определенное время, характеризует острое токсическое действие отходов [27].

Содержание шерсти в отходах находили способом, разработанным для ее определения в составе волокнистой смеси [28]. Предварительно высушенные до постоянной массы образцы (2г) помещали в 200мл 0.5 н. раствора гипохлорита натрия на 15 мин, затем раствор фильтровали. Нерастворившуюся часть образца промывали на сетке холодной дистиллированной водой, нейтрализовали 0.2%-ным раствором уксусной кислоты, снова промывали водой, после чего высушивали до постоянной массы и взвешивали.

Содержание полиамида и полиэфира в отходах определяли согласно [28]. Нерастворившуюся в гипохлорите натрия часть образца промывали холодной дистиллированной водой, после чего высушивали до постоянной массы и взвешивали. Содержание полиамида и полиэфира определяли после полного растворения полиамида в 85%-ном водном растворе муравьиной кислоты. Осадок промывали муравьиной кислотой, дистиллированной водой, высушивали до постоянной массы и взвешивали. Содержание полиамида и полиэфира рассчитывали с учетом поправок на их частичное растворение в гипохлорите натрия и частичное растворение полиэфира в муравьиной кислоте.

Содержание жиров и восков устанавливали путем их экстрагирования диэтиловым эфиром в соответствии с ГОСТ 21008 [29].

Зольность определяли согласно методике [30] для образцов, предварительно высушенных в течение 3 ч до постоянной массы. Навеску измельченного материала в количестве 5 г помещали в фарфоровый тигель, предварительно доведенный до постоянной массы, и обугливали в муфеле при температуре не выше 300°С, не допуская воспламенения образца и потери золы. Затем тигель прокаливали при 750+50°С в течение 3ч. Охлаждение тигля проводили в эксикаторе над хлоридом кальция. Содержание золы в волокнистом материале определяли по формуле

где А - масса абсолютно сухой золы, г; В - масса абсолютно сухой навески, рассчитанная по результатам определения влажности, г.

Данные о содержании углерода, кислорода и азота в рассматриваемом материале были получены с помощью элементного анализатора “Hewlett-Packard”, модель 185.

Кондиционная влажность отходов 1 и 2 составила 11.7 и 14.9% соответственно. Отходы хорошо смачиваются (1.0-1.5 мин) в воде и питательной среде, приготовленной для культивирования базидиомицетов.

Результаты воздействия отходов 1 и 2 на биообъекты Daphnia magna оказались идентичными (табл.3).

По данным биотестирования водных вытяжек отходы 1 и 2 можно отнести, согласно [31], к отходам IV класса опасности для окружающей природной среды. Компонентный состав отходов представлен в табл.4. Соотношение содержания шерсти и содержания синтетических волокон в отходах составляет 7 : 1 (отходы 1) и 5 : 1 (отходы 2), т.е. отходы обогащены шерстяным компонентом по сравнению с сырьевым балансом (1.5 : 1). Это объясняет высокое содержание азота в отходах (табл.5).

Выращивание базидиомицетов проводили поверхностным способом в конических колбах вместимостью 500мл при температуре 24-26°С. Питательная среда содержала (в г/л): глюкоза - 10, пептон - 3, КН2РО4 - 0.6, К2НРО4 - 0.4, MgSO4-7H2O - 0.5, CuSO4 - 0.(45, FeSO4-7H2O - 0.005. Питательную среду и шерстосодержащие отходы стерилизовали при давлении 1атм в течение 15мин. После стерилизации рН среды устанавливался в пределах 5.6-5.8. В подготовленную среду вносили шерстосодержащие отходы в количестве 10% от ее массы одновременно с засевом культур базидиомицетов. Культивирование проводили в тёмной аэрируемой камере в течение 3 0 сут. По окончании срока культивирования в культуральных фильтратах определяли активность окислительных ферментов - пероксидазы и лакказы. Активность пероксидазы и лакказы определяли с использованием в качестве субстрата бензидина (в случае пероксидазы - в присутствии Н2О2) фотоколориметрическим методом.

В процессе культивирования всех видов базидиомицетов на питательной среде в присутствии отходов рН среды устанавливалось близко к значениям рН в контрольных опытах (табл.6), что оптимально для развития базидиомицетов.

Отобранные штаммы базидиомицетов за исключением Coriolopsis caperata в процессе роста на средах успешно синтезируют ферментные препараты (табл.7). Культура Coriolopsis сaperata отрицательно реагирует на введение в культуральную жидкость исследуемых отходов и не может быть предложена для получения ферментных препаратов.

Активность окислительных ферментов, продуцируемых большинством базидиомицетов на питательной среде на основе шерстосодержащих отходов, многократно увеличивается по сравнению с контролем (см. рис.1). Наиболее активные ферментные препараты можно получить с помощью культуры Trametes maxima, высокая активность лакказы отмечается у Pholiota highlandensis. В процессе роста грибы Pholiota highlandensis и Trametes ochracea синтезируют комплекс ферментов, обладающих способностью разрушать шерстосодержащие твердые отходы (рис.2).

Обнаруженное увеличение активности как пероксидазы, так и лакказы при культивировании базидиомицетов Trametes maxima, Pholiota highlandensis, Trametes hirsuta, Trametes ochracea в присутствии шерстосодержащих отходов позволяет рассматривать эти биообъекты как весьма перспективные для получения ферментных препаратов в виде фильтратов культуральных жидкостей, содержащих пероксидазу и лакказу.

  • Проведена количественная оценка невозвратных отходов, образующихся на разных стадиях технологического процесса изготовления тканых сукон технического назначения, содержащих шерсть и синтетические волокна (полиамид и полиэфир).
  • Выполнен анализ компонентного и элементного состава шерстосодержащих отходов, охарактеризованы их гигроскопические и токсические свойства.
  • Показано, что на жидких питательных средах, включающих отходы прядильно-ткацкого и отделочного производств, можно выращивать базидиомицеты Trametes maxima, Pholiota highlandensis, Trametes hirsuta, Trametes ochracea.
  • Увеличение активности окислительных ферментов у базидиомицетов Trametes maxima, Trametes hirsuta, Pholiota при культивировании в присутствии шерстосодержащих отходов позволяет рассматривать эти грибы как перспективные объекты для выращивания на исследуемых отходах.
  • Окислительные ферменты, образующиеся в процессе выращивания базидиомицетов на среде с шерстосодержащими отходами, могут представлять интерес для практического использования.

Библиографический список
1. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. Уч. для вузов. Т.2 - М.: РосЗИТЛП, 2001. - 540 с.
2. Сборник удельных показателей образования отходов производства и потребления. - М.: НИЦПУРО при Минэкономике и Минприроде России, 1999. - 34 с.
3. Проблемы охраны окружающей среды и их решения. Обзорная часть. Шерсть. Поддержка текстильной и легкой промышленности - шерстяная и льняная цепочки программы “Tacis”. 2000. - 47 с. // http://www.rostextile.com.ru.
4. Рогачев Н.В. // Овцы, козы, шерстяное дело. 2000. № 4. - С.43-49.
5. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. - М.: Колос, 2000. - 232 с.
6. Артемов А.В. // Легпромбизнес. 2003. № 1 (3). - С.15-16.
7. Пан Л.Н. Экология и технологические процессы современных методов переработки твердых бытовых отходов. // Экспр.- инф. Ресурсосберегающие технологии. ВИНИТИ. 2001. № 9. - С.21-34.
8. Жирноклеев И.А., Нефедов Б.К. и др. Пат. РФ 2291164. Опубл. 8.06.2005.
9. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. - М.: Мир, 2006. - 504 с.
10. European Commission. Integrated pollution prevention and control: reference document on best available techniques for tanning of hides and skins. 2003, February. //http://eippcb.jrc.es.
11. Колдаев В.М. // Овцы, козы, шерстяное дело. 1998. № 1. - С.32.
12. Bysmans G. Пат. FR 2737491. Опубл. 7.2.97.
13. Мюллер Э., ЛеффлерВ. Микология. - М.: Мир, 1995. - 344 с.
14. Zheljazkov VD. // J. environmental quality. 2005.V.34. - Р.2310-2317.
15. Epstein E. In: The science of composting. - Lancaster: Technomic Publ. - Р.137-170.
16. Нетканые текстильные полотна. Спр. - М.: Легпромбытиз- дат, 1987. - 400 с.
17. Шамолина И.И., Харвуд Р.Дж., Романова А.Н. // Материалы научи. конф. по проекту NATO SfP №973658 “FLAX”. - Санкт-Петербург: ИПЦ СПГУТД, 2004. - С.57-59.
18. ГОСТ 30774-2001. Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Паспорт опасности отходов. Основные требования. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 24 с.
19. Никольский К.С., Сачков А.Н. и др. Твердые промышленные и бытовые отходы, их свойства и переработка. - М.: Союз российских городов. Секция “Экология города” ВНИПТИОУ, 1999. - 92 с.
20. Гаврилова В.П., Шамолина ИИ., Белова Н.В. // Биотехнология. 2002. № 5. - С.74-80.
21. Белова Н.В., Псурцева Н.В. // Биотехнология. 1999. № 3. - С.39-42.
22. Иванова Г.В., Свердлова Н.И., Гаврилова В.П. Пат. РФ2125364. Опубл. 27.01.1999.
23. Gavrilova V.P., Shamolina I.I., Belova N.V. // The World Congress on Biotechnology. 11th International Biotechnology Symposium and Exibition. - Berlin, 2000, 3-8 Sept. - Р.238-240.
24. Гаврилова В.П., Григорьева Н.К. и др. Пат. SU 1641881. Опубл. 15.04.1991.
25. Psurtseva N.V., Kiyashko A.A. e.a. Basidiomycetes culture collection LE (BIN): Catalogue of strains. - M.: KMK Scientific Press Ltd, 2007. - 116 p.
26. ГОСТ 10681-75. Климатические условия для кондиционирования и испытания проб и методы их определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 27 с.
27. Определение токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний Daphnia magna. ФР 1.1.39.2001-00-283.
28. Каторжнов Н.Д., Воителев Ю.А. Распознавание химических и природных волокон. - М.: Легкая индустрия, 1966. - 264 с.
29. ГОСТ 21008-93. Шерсть натуральная сортированная мытая. Метод определения содержания жира. - М.: Изд-во стандартов, 1994. - 8 с.
30. РазумеевК.Э. // Текст. пром-сть. 2005. № 1-2 (С). - С.12-19.
31. Приказ Министерства природных ресурсов РФ № 511 от 15 июня 2001 г. “Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды”.

О журнале        Новости        Редколлегия        Авторам        Библиотека        Архив издания        Контакты
Copyright © 2018 "Химические волокна"
Design by Sergey Dorodnikov
 
+7 (495) 586-08-80
 
141009, Россия, Московская обл.
г. Мытищи, а/я 217