Некоторые экологические принципы совершенствования

Учебный курс
«Экобиотехнология»
в РХТУ им. Д.И. Менделеева
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
ДИПЛОМИРОВАННЫЕ СПЕЦИАЛИСТЫ
(направление подготовки 655500 «Биотехнология»,
квалификация «Инженер»)
Специальность 240700 (070100) «Биотехнология»
Специализация 06 «Экобиотехнология» (14-17
чел./год)
МАГИСТРЫ
Направление 550800 «Химическая техология и
биотехнология»
Специализация 550815 «Экобиотехнология»
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Профиль деятельности выпускников-экобиотехнологов
 научно-исследовательский сектор (учреждения
РАН и РАМН, ФГУП и др.);
 вузы (научно-педагогическая деятельность);
 производственно-внедренческий сектор;
 производственно-коммерческий сектор:
- инженеры-технологи;
- микробиологи в заводских
лабораториях, в
лабораториях микробиологического контроля
(СЭС, лаборатории стандартизации и качества
продукции и т.п.);
 станции водоподготовки и водоочистки;
 региональные комитеты по экологии;
 прочее
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Подготовка специалистов-экобиотехнологов
- базовые курсы циклов ЕН и СД: «Общая биология и
микробиология», «Общая биотехнология» и др.;
- лекционный курс «Экобиотехнология»
- курсы по выбору: «Комплексная переработка биомассы»,
«Основы токсикологии и экотоксикологии»;
- лабораторные работы;
- курсовые работы и проекты;
- УНИРС;
- дипломные работы и проекты.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Стандарт ВПО (от 5 марта 2000 г.),
направление подготовки дипломированного
специалиста 655500 Биотехнология
Экобиотехнология - Дисциплина специализации
(вузовская компонента), 54 акад. ч, экзамен
Стандарт (ФГОС ВПО) по направлению
подготовки «Биотехнология»
Квалификация (степень) Магистр
профессиональный цикл; вариативная (профильная)
часть;
специализации «Промышленная биотехнология и
биоинженерия» (?), «Экобиотехнология» 2 зач. ед. (72
акад. ч), экзамен
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
БИОТЕХНОЛОГ
Ресурсы, сырье и
материалы, их
подготовка,
специфика
Химикоаналитический
контроль
Методическое,
аналитическое
обеспечение
Особенности,
свойства
техногенной и
природной сред
(биотопа)
Особенности
функционирования
биологических
агентов в
экосистемах
техногенных и
природных сред
Специфика
приоритетного
загрязнения
Особенности
биологического
агента
Выделение, селекция,
конструирование
биологического агента
Технология получения и применения
биологического продукта
Математическое описание, моделирование
и оптимизация
Инженерно-технологические расчеты и
решения
Размножение, биосинтез,
биотрансформация
Технологическое и аппаратурное
оформление
Выделение целевого
продукта
Перевод
биологического
агента в активную
форму
(чужеродные,
аллохтонные
организмы)
Разработка технической документации и
регламентов
Стоки, отходы,
выбросы
Аборигенные
организмы
Утилизация,
переработка
отходов, очистка
стоков, выбросов в
техногенных средах
Использование биологического агента,
биометода в природной среде
Экологическое,
гигиеническое
нормирование и
законодательство
Другие источники
загрязнений,
отходов
Оценка
воздействия на
окружающую
среду и оценка
риска
ЭКОБИОТЕХНОЛОГ
Мониторинг
(биомониторинг,
биотестирование)
Экологоэкономическая
оценка природоохранных технологий и
решений
Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. – М.: Мир, 2006. – 504 с.
Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. – М.:
Бином. Лаборатория знаний, 2010. – т. 1 – 629 с., т. 2 – 485 с.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Курс «Экобиотехнология»
Биологическая очистка
сточных вод
и водных
сред
– сточные воды,
природные водоемы и
другие водные среды
– искусственные и
естественные
– аэробные и
анаэробные
– с активным илом,
с биопленкой,
– комбинированные
– микроорганизмы,
водоросли, растения
– органические
загрязнения,
биогенные элементы
(N, P), тяжелые
металлы и
радионуклиды
Биологическая
очистка почв,
донных
осадков и
грунтов
Биологическая очистка и
биодезодорация газов и
ГВВ
– биоремедиация и
фиторемедиация
– аэробные и
анаэробные
– органические
загрязнения,
биогенные элементы
(N, P),
тяжелые металлы и
радионуклиды
– с твердой или
жидкой фазой
Переработка и
обезвреживание
отходов
– получение
полезных
продуктов
– биодеградация
– компостирование
– вермикомпостирование
– силосование
– биоконверсия в тепло-вую
энергию и
топливо
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Биоповреждения и
биокоррозия
Биомодификация
Биомониторинг,
биоиндикация,
биотестирование
Распределение часов по разделам курса «Экобиотехнология» и видам занятий
Тема
Лекции
Самост.
раб.
1. Введение
1
0
2. Основные особенности функционирования природных
экосистем, биоценозов в природных средах
4
4
3. Экосистемы водных сред
3
3
4. Экосистемы почвенных сред
3
3
5. Антропогенные факторы загрязнения, их перенос,
абиотическая и биотическая трансформация, воздействие на
экосистемы
5
5
6. Биологическая очистка промышленных и природных
загрязненных водных сред
12
21
7. Биологическая очистка и дезодорация газовоздушных
выбросов
2
2
8. Отходы, их воздействие на экосистемы
1
1
9. Микробиологическая переработка органических отходов
6
9
10. Вермикомпостирование и вермикультивирование
3
4
11. Биоремедиация почв
10
15
12. Технологические основы получения биопрепаратов на основе
микроорганизмов для очистки природных сред
4
5
Всего 126 часов
54
72
Биологическая очистка промышленных и
природных загрязненных водных сред.
- Общая характеристика сточных вод; требования к их очистке. Общие
показатели загрязненности сточных вод.
- Классификация методов биологической очистки.
- Общие принципы очистки сточных вод и организации очистных
сооружений.
- Основные показатели биологической очистки сточных вод.
Характеристика биоценозов очистных сооружений.
- Основные технологические схемы биологической очистки и
конструкции очистных сооружений.
- Аэробная биологическая очистка.
- Анаэробная биологическая очистка.
- Удаление азота из сточных вод.
- Переработка и утилизация активного ила очистных сооружений.
- Биологическая очистка природных водоемов. Биопруды и
гидроботанические площадки.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Биологическая переработка отходов
- Характеристика растительных и других углеводсодержащих отходов.
- Переработка растительного сырья и углеводсодержащих отходов в
белок одноклеточных организмов.
- Силосование.
- Компостирование.
- Биоконверсия растительного сырья в топливо.
- Вермикомпостирование и вермикультивирование.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Биоремедиация почв
-
Биоремедиация "in situ".
-
Биоремедиация "off site".
-
Особенности очистки донных илов и осадков.
-
Коммерческие биопрепараты для очистки загрязненных сред.
-
Технологические основы получения биопрепаратов.
-
Очистка почв от нефти и нефтепродуктов
-
Фиторемедиация.
-
Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Примеры тем лабораторных работ и УНИРС
- очистка сточных вод в аэротенке;
- влияние тяжелых металлов на процессы биологической очистки;
- переработка твердых отходов метановым брожением;
- микробиологическая деструкция нефти и нефтепродуктов;
- биодеградация ароматических соединений, красителей;
- микробиологическая деструкция ионообменных смол;
- использование комплекса ЭВМ-ферментер при биологической очистке
сточных вод и при микробиологической переработке отходов;
- получение белка одноклеточных организмов из растительных
отходов;
- переработка молочной сыворотки в обогащенный дрожжами кормовой
продукт;
- переработка молочной сыворотки в этанол и молочную кислоту;
- использование биологических методов тестирования в оценке
воздействий загрязнений на окружающую среду.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Примеры тем рефератов по курсу «Экобиотехнология»
Методы интенсификации биологической очистки в аэротенках и метантенках.
Методы обезвоживания активного ила очистных сооружений.
Современные анаэробно-аэробные технологии биологической очистки сточных вод.
Биологическая очистка и биоремедиация природных и техногенных сред, загрязненных тяжелыми
металлами, радионуклидами.
Влияние тяжелых металлов на аэробные и анаэробные биологические процессы.
Биотехнологические методы при трансформации неорганических соединений азота и фосфора в
природных и техногенных средах.
Соединения серы при биологической очистке и биоремедиации природных и техногенных сред.
Биологическая очистка и биоремедиация природных и техногенных сред, загрязненных нефтью и
нефтепродуктами, галогенсодержащими органическими соединениями, ароматическими и
полиароматическими соединениями, пестицидами.
Поверхностно-активные вещества при биологической очистке и биоремедиации природных и
техногенных сред. Биодеструкция ПАВ.
Биодеградация природных и синтетических полимеров.
Микробные препараты в биологической очистке и биоремедиации природных сред и в сельском
хозяйстве.
Водоросли и растения в биологической очистке и биоремедиации природных и техногенных сред.
Использование вермикультуры для переработки отходов.
Биомониторинг в контроле загрязнений природных сред.
Использование биосенсоров для контроля и анализа загрязнений и состояния окружающей среды.
Рекомбинантные микроорганизмы в биологической очистке и биоремедиации природных и
техногенных сред.
Применение методов генетической инженерии для решения проблемы деградации ксенобиотиков.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Примеры тем курсовых проектов
Проектирование установки для очистки сточных вод, загрязненных
нефтью и нефтепродуктами, на основе системы с иммобилизацией
микробных препаратов (на биофильтре).
Проектирование установки для локальной очистки стоков производства
антибиотиков.
Проектирование установки для переработки активного ила с извлечением
тяжелых металлов.
Проектирование передвижной установки для биологической очистки
природных сред, оборудования и сооружений от загрязнений
органическими ксенобиотиками.
Проектирование установки для переработки молочной сыворотки.
Проектирование установки для биотехнологической деструкции
отработанных ионообменных смол.
Проектирование установки для извлечения из сточных вод тяжелых
металлов и радионуклидов с помощью водорослей.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Содержание курсового проекта
Проектирование промышленной установки для микробиологической переработки
жиросодержащих отходов с целью получения кормового белкового продукта.
Этап 1.
Характеристика отходов пищевой промышленности, пригодных для получения продуктов
микробиологического синтеза. Особенности жиросодержащих отходов.
Характеристика микроорганизмов, способных эффективно использовать жиросодержащие отходы.
Характеристика кормовых продуктов, получаемых при переработке жиров.
Этап 2.
Оценка и инженерно-техническое обоснование производства:
блок-схема всего процесса, технологическая схема проектируемой стадии, основной метод
культивирования, необходимое оборудование, сырье и вспомогательные материалы, их хранение.
Инженерные расчеты на стадии культивирования:
- обоснование суточной производительности установки и объема основного оборудования,
материальный баланс; расчет условий перемешивания и аэрации, обоснование типа
перемешивающего устройства;
- тепловой баланс, расчет теплообменника и расхода охлаждающей воды.
Расчет вспомогательного оборудования:
- объемы инокуляторов, промежуточных емкостей, емкостей для субстратов, титрующих реагентов и
т.п., насосы; решения по поддержанию асептических условий; решение проблемы гомогенизации
(диспергирования) жира; мойка оборудования.
Основные технологические линии (вода, пар и др.), требуемые КИПиА, химико-аналитическое
обеспечение процесса (основные показатели ферментационного процесса и методы их
определения); условия хранения и применения кормового продукта.
Основные пути "экологизации" производства.
Технико-экономическая оценка стадии ферментации (расчет затрат на ее проведение).
Этап 3.
Оформление:
пояснительная записка, чертеж технологической схемы, чертеж основного аппарата (биореактора).
Примеры тем дипломных работ и проектов (РХТУ)
Разработка и исследование процесса локальной биологической очистки сточных вод
производства антибиотиков.
Оптимизация условий биологической деструкции фенола.
Исследование гибридных процессов биодеструкции на примере систем с дрожжами.
Исследование биологической очистки сточных вод гранулообразующим аэробным илом в
условиях воздействия активных форм кислорода и света.
Анаэробно-аэробная очистка сточных вод пивоварения и переработки сои.
Совершенствование анаэробно-аэробной очистки сточных вод с целью достижения норм ПДК.
Исследование биодеструкции стоков производства шампуней в аэробных условиях.
Разработка и анализ математической модели очистки биологических жидкостей в проточном
динамическом режиме.
Биотехнологическая деструкция отработанных ионообменных смол.
Биотехнологические способы повышения эффективности биоремедиации нефтезагрязненных
почв при помощи консорциума микроорганизмов, включающего в себя бактерии р. Azotobacter
и дрожжи Yarrowia lipolytica.
Изучение микробных взаимодействий в реконструированных сообществах из нефтяных
месторождений.
Препараты-нефтедеструкторы на основе совместно имобилизованных биообъектов.
Разработка биопрепарата для очистки природных сред, загрязненных фенолами.
Разработка технологии получения биомассы Bacillus cereus как основы биопрепарата для
локальной очистки бытовых сточных вод.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Получение кормовой добавки на основе куриного помета культивированием микроорганизмов.
Культивирование микробных продуцентов кормового белка на отходах птицефабрик.
Разработка технологии кормового продукта на основе отходов пивоваренного производства.
Разработка основ технологии переработки пивной дробины с получением продуктов белковой
и углеводной природы.
Предварительная обработка питательной среды с целью повышения эффективности
биодеструкции жиросодержащих отходов.
Оценка эффективности применения культур микроорганизмов в процессах биотрансформации
жиросодержащих отходов.
Культивирование дрожжей Y. lipolytica в жиросодержащих средах.
Исследование процесса расщепления жировых отходов панкреатической липазой.
Использование отходов производства кофе в качестве сырья для получения кормовой
добавки.
Оптимизация процесса гидролиза лактозы в составе молочной сыворотки.
Разработка основ технологии комплексной переработки вегетативной части топинамбура с
выделением инулина и кормового белкового продукта.
Разработка основ технологии выделения таурина из ферментативных гидролизатов цистеина.
Биотехнологический способ повышения самоочищающей способности почв, загрязненных
ПАВ.
Разработка методологии почвенного биологического мониторинга химико-фармацевтических
производств.
Разработка технологии создания устойчивого биоценоза при малообъемном выращивании
растений.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Примеры тем дипломных работ и проектов (РАН, ФГУП, НПФ)
Зональная оптимизация режима аэрации в реакторе-стабилизаторе активного ила ЛбСА.
Деструкция тиоцианата в аэробных и анаэробных условиях аборигенным сообществом
бактерий, выделенным из стока металлургического завода.
Удаление аммония из оборотной воды металлургического завода с использованием
аборигенных и адаптированных сообществ микроорганизмов.
Защита нефтеокисляющих микроорганизмов от осмотического шока в реконструированных
биопленках.
Ферментативный гидролиз отходов химической промышленности.
Разработка способов дезодорации питьевой воды, определяемой жизнедеятельностью
цианобактерий.
Биологическая очистка вентиляционных выбросов от летучих и дурнопахнущих веществ.
Исследование возможности использования трековых мембран в санитарнобактериологическом анализе воды.
Определение количества жизнеспособных кишечных палочек (E. coli) в образцах с помощью
биолюминесцентного метода АТФ-тестирования.
Индивидуальное и совместное воздействие органических и неорганических токсикантов на
кольчатых червей E. crypticus.
Микротрофическая цепь алкалофильного микробного сообщества.
Микробная продукция летучих жирных кислот из C1-соединений в водной толще Черного моря.
Разложение летучих жирных кислот с образованием метана синтрофными ассоциациями
бактерий и архей.
Окисление атмосферного метана микробными сообществами сельскохозяйственных почв.
Роль Thiobacillus ferrooxidans в окислении восстановленных соединений серы.
Экологические аспекты воздействия фунгицида Амистар на различные группы
микроорганизмов.
Исследование антагонизма псевдомонад и фитопатогенных грибов и его регуляция.
Роль микробных ауторегуляторов алкилоксибензолов в регуляции экспрессии генов SOSответа и rpoS регулона бактерий.
Дипломные проекты (РХТУ)
Проектирование высокоинтенсивной малосточной биотехнологической системы для
обезвреживания концентрированных фенолсодержащих стоков.
Разработка установки для биодеструкции отработанных ионообменных смол – отходов
атомных электростанций.
Проектирование очистных сооружений для биологического удаления азота на основе
процесса типа «Анаммокс».
Установка для анаэробно-аэробной переработки зерноспиртовой барды.
Установка вермикультивирования по переработке отходов с дачных участков садовых
товариществ.
Технологическая линия биоконверсии жиросодержащей твердой фазы отходов в
дрожжевую биомассу кормового назначения.
Проектирование установки по комплексной переработке кормовых дрожжей с
получением продуктов белковой и нуклеотидной природы.
Установка по получению белкового изолята и очищенной смеси аминокислот из
кератинсодержащего сырья.
Проектирование установки по получению таурина из кератинсодержащего сырья.
Комплексная переработка топинамбура с получением инулина и РУБК.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Пути совершенствования
Адаптация курса к методологии Болонских реформ (компетенции, система
оценки и самооценки).
Переход к чтению курса в виде презентаций в Power Point. Привелечение
демонстрационных материалов (с использованием компьютерного класса).
Материально-техническое оснащение, методическое обеспечение.
- Атомно-силовая микроскопия – изучение биокоррозии, биодеструкции,
микробных сообществ, биопленок и т.п.
- Молекулярно-генетические методы – биоразнообразие, изучение проблемы
эвтрофикации водоемов (анализ видового состава водорослей и
цианобактерий), получение биопрепаратов, технологический контроль
ферментационных процессов, контроль биологической очистки.
- Комплектные стенды: биологическая очистка сточных вод; переработка
активного ила.
Разработка виртуальной модели биотехнологического производства с
элементами реальных лабораторных установок (ферментация, биологическая
очистка сточных вод) – на основе СУБД (Oracle или др.) и инструментария
LabView.
Подготовка учебных пособий:
1. Принципы инженерно-технологических расчетов процессов биосинтеза и
биологической очистки.
2. Каталог технологических схем.
3. Методы исследований в экобиотехнологии.
ИС «Биотехнолог» на базе СУБД Oracle и ПО LabView
ИС "Биотехнолог"
Биотехнологическая лаборатория
Биотехнологическое производство
Лабораторные
биореакторы
клие
нт
клие
нт
клие
нт
клие
нт
LabView
Прочее лаб.
оборудование
Лаб. журнал
Oracle
Расчет
ферментацион
ного процесса
Mathlab
Лаб. методики
Oracle
Архивы и
копии
SQL
PL/SQ
L
SQL
PL/SQ
L
БД публикаций и
др. материалов
клие
нт
клие
нт
клие
нт
клие
нт
SQL
PL/SQ
L
LabView
Промышленное
оборудование
Mathlab
Технологические расчеты
Oracle
Технологический журнал
Прогноз биол.
активности
SQL
PL/SQ
L
Oracle
Технико-экономические,
плановофинансовые
расчеты
НТД и др.
материалы
Структура лабораторного журнала
Параметры
Наименование
Единица измерения
Погрешность измерения
…
Данные
Значение
Время от начала
Комментарий
…
Экспериментатор
Имя
Адрес
…
Оборудование
Тип
Модель
Фирма-производитель
…
Эксперимент
Название
Описание
Место проведения
Дата начала
Дата занесения информации
Дата изменения информации
…
Место работы
Учреждение
Адрес
…
Управление
Режим управления
…
Оператор
Имя
Адрес
…
Требования к СУБД
•
•
•
•
•
•
•
•
•
развитые средства предоставления ролей, привилегий, прав
доступа, защиты данных;
возможность работы неограниченному числу пользователей
через Интернет или корпоративную сеть;
возможность обработки больших многомерных массивов
данных, временных рядов с миллионами экспериментальных
точек;
выборочная автономная обработка данных удаленным
пользователем по формируемым им запросам;
широкие возможности по анализу данных, статистической
обработке, получению корреляционных зависимостей,
построению математических моделей;
возможность подключения имитационных моделей наряду с
обработкой данных реального эксперимента;
возможность работы с графическими, видео и аудиообъектами;
возможность модернизации СУБД, замены более новыми
версиями, популярность, доступность;
и др.
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Общая компоновка комплекса для культивирования микроорганизмов с
удаленным доступом.
Возможности системы Biodrome-1
• - отслеживание параметров культивирования: pH, To,
pO2, Eh, и др. в режимах off line и on line, в том
числе в режиме удаленного доступа через Internet;
• - ручное и автоматическое управление процессом
культивирования, расходом питательных сред,
включая через удаленный доступ;
• - обработка полученных массивов данных
средствами LabView (устранение помех,
фильтрация, статистическая обработка и т.п.).
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Спасибо за внимание!