Экологические основы безотходных биотехнологических производств

Б.С. КСЕНОФОНТОВ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ 
ОСНОВЫ БЕЗОТХОДНЫХ 
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОИЗВОДСТВ
МОНОГРАФИЯ
Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 602(075.4)
ББК 28.087.1
 
К86
Р е ц е н з е н т:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы
Ксенофонтов Б.С.
К86  
Экологические основы безотходных биотехнологических производств : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 
2025. — 200 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/2155615.
ISBN 978-5-16-020039-2 (print)
ISBN 978-5-16-112580-9 (online)
Рассмотрение биотехнологических предприятий как тестовых в плане 
определения их вклада в антропогенный фактор загрязнения окружающей 
среды, в том числе парникового эффекта, является весьма новым и важным подходом в решении глобальных экологических задач.
В монографии рассмотрены современные биотехнологические процессы для решения экологических задач. Изложены теоретические основы 
культивирования микроорганизмов и наиболее распространенных экобиотехнологических процессов, в том числе биологической очистки воды, 
биотехнологии очистки почвы и воздуха, а также аэробной и анаэробной 
обработки осадков сточных вод и отходов. Приведены также методики 
определения количества образующихся парниковых газов, в первую очередь метана и углекислого газа.
Предназначенa для специалистов в области биотехнологии, научных 
работников, а также студентов старших курсов специалитета, бакалавров, 
магистров и аспирантов экологических специальностей технических университетов, а также всех желающих повысить свой уровень знаний в области биотехнологии.
УДК 602(075.4)
ББК 28.087.1
Данная книга доступна в цветном  
исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium
ISBN 978-5-16-020039-2 (print)
ISBN 978-5-16-112580-9 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2024

Введение
Обобщение мирового и отечественного опыта развития биотехнологической промышленности за последние десятилетия показало, 
что на предприятиях этой отрасли могут быть осуществлены варианты безотходных производств. В этой связи возникает необходимость более подробного изложения базовых сведений по микробиологии и биотехнологии. При этом происходящие в искусственных 
или в природных условиях микробиологические процессы окисления потенциально могут решить ряд важнейших экологических 
задач. Однако в природных условиях из-за высокой техногенной загрузки и отсутствия благоприятных для жизнедеятельности микроорганизмов условий эти процессы протекают медленно. В этой связи 
создание благоприятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов в искусственном комфорте может резко усилить процессы 
очистки отработанных водных и газовоздушных потоков, почвы 
и грунтов, загрязненных, например, нефтепродуктами и тяжелыми 
металлами, а также позволит уделять больше внимания анаэробному 
сбраживанию осадков сточных вод и образующимся при этом парниковым газам, в первую очередь метану и углекислому газу.
При рассмотрении микробиологических технологий очистки 
почвы и грунтов, а также анаэробного сбраживания осадков, следует более подробно рассматривать возможности использования 
аборигенной микрофлоры и фауны путем создания оптимальных 
условий их жизнедеятельности и указать при этом на невысокую 
эффективность использования искусственных штаммов микроорганизмов в процессах очистки почвы и грунтов, что часто использовалось в конце прошлого века в отечественной и мировой 
практике. Отметим также необходимость полноценного питания 
для аборигенных микроорганизмов и иммобилизации их на специальных природных сорбентах, например, на предварительно обработанном торфяном сырье, клиноптилолите и т.п. Кроме того, необходимо также использовать различные микро- и макроэлементы. 
В целом, целесообразно обеспечивать не только полноценное питание и условия иммобилизации, но и режимы, касающиеся оптимального влагосодержания.
Важное значение также имеет при этом снижение загрязнения 
окружающей среды в виде отработанных газовоздушных выбросов.
При использовании микробиологических способов особенность 
обезвреживания отработанных газовоздушных выбросов заключается в нахождении эффективного искусственного штамма микроорганизмов для очистки от специфических органических загрязнений, а также в создании оптимальных условий их жизнедеятель3

ности, включая и режим влагосодержания. Отечественная практика 
свидетельствует о немногочисленных примерах успешного использования биотехнологических методов очистки газовоздушных выбросов. Однако в отдельных случаях этот способ является чуть ли 
не единственным. Особенности биотехнологического способа для 
очистки газовоздушных выбросов надо выявлять на предварительной стадии разработки конкретной технологии.
В случае обработки осадков все чаще используется анаэробное 
сбраживание. При этом газ, образующийся при анаэробной обработке осадков, является эффективным энергоносителем, что дает 
основания для создания мини-ТЭС на очистных сооружениях. 
В этом случае автономный источник электроэнергии дает возможность эксплуатировать очистные сооружения в аварийных ситуациях. Последнее обстоятельство имеет особо важное значение для 
очистных сооружений, после которых сточные воды сбрасываются 
в водоемы, например, рыбохозяйственного значения.
Расмотренные выше процессы сопровождаются также выделением парниковых газов, и в первую очередь метана и углекислого 
газа, что указывает на целессобразность их учета в отдельных случаях.
Значимость указанных выше проблем указывает на целесообразность их более подробного изложения и ознакомления с ними 
разработчиков и эксплуатационников новых технологий.
4

Глава 1
БИОТЕХНОЛОГИЯ — ОСНОВА 
ЭКОБИОЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
1.1. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Можно выделить несколько направлений в использовании микроорганизмов в экозащитных целях [1–6]:
1) обезвреживание опасных промышленных и бытовых отходов, 
включая сточные воды и различные техногенные отходы;
2) биоконверсия животного и растительного сырья;
З) использование микробов — «аборигенов» для обезвреживания загрязненных почв путем стимулирования их жизнедеятельности;
4) получение биопрепаратов, используемых, например, в виде 
биологических средств защиты растений и т.п.;
5) использование продуктов метаболизма микрорганизмов в качестве препаратов различного экозащитного применения и т.п.
Кроме отмеченных имеются и другие отдельные направления 
со специфическим использованием микроорганизмов или их продуктов метаболизма.
Во всех случаях на первом этапе реализации того или иного 
решения необходимо осуществление стадии культивирования микрорганизмов в специальном аппарате или активизация жизнедеятельности микрорганизмов — «аборигенов» в среде, например 
в почве, воде и т.д. Культивирование микроорганизмов или их активизация жизнедеятельности является необходимым и ключевым 
звеном успеха применения микробов для решения поставленной 
задачи. Другие стадии биотехнологического процесса, связанные 
с выделением биомассы микрорганизмов или продуктов их метаболизма и дальнейшим обезвоживанием получаемых продуктов или 
препаратов, являются важными, но зависящими от эффективности 
стадии культивирования микроорганизмов. При неэффективности 
стадии культивирования и весь биотехнологический процесс становится априори бесполезным или малопривлекательным.
В этой связи возникают задачи по более детальному рассмотрению в первую очередь вопросов, касающихся условий, 
при которых возможно проведение процесса культивирования 
микроорганизмов в оптимальном режиме в зависимости от используемых штаммов микрорганизмов. Среди таких важных вопросов — выбор эффективного штамма микрорганизмов, составы 
5

питательных сред, подача кислорода в необходимом количестве 
в случае осуществления аэробного процесса, соблюдение оптимальных значенией физико-химических параметров процесса 
культивирования и др.
В ряде случаев применяют монокультуры, изолированные 
из естественных ассоциаций, селекционированные по свойствам, 
наиболее важным для данного биотехнологического процесса, например, в случае получения кормовых дрожжей — по содержанию 
белка. Монокультуры выращивают на специальных питательных 
средах и при определенных (оптимальных) условиях. Успех поиска 
эффективного штамма также зависит от глубины знаний о физиологии и метаболизме исследуемых микроорганизмов.
1.2. ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ 
МИКРООРГАНИЗМОВ
В случае осуществления строго контролируемых биотехнологических процессов правильный состав питательной среды 
является важнейшим условием достижения высоких техникоэкономических показателей этих процессов. Начиная с выбора 
субстрата и заканчивая составом минеральных солей, витаминов 
и стимуляторов роста. Например, при промышленном культивировании кормовых дрожжей на гидролизатах растительного сырья 
и парафинах нефти совершенствование состава питательных сред 
позволило повысить основные технико-экономические показатели на ряде предприятий примерно на 25–45% в зависимости 
от используемого субстрата.
Среди элементов питательной среды наиболее важное значение имеет углерод, который входит в состав всех органических 
соединений, встречающихся в микробной клетке. Углерод может 
вступать в соединения с кислородом, водородом, азотом и серой, 
образуя соединения из больших цепочек углеродных атомов, составляющих основу жизненно важных соединений протоплазмы — 
белковых веществ.
Другим наиболее важным элементом питательной среды является азот. Известно, что его роль в составе питательной среды 
заключается в его большой реактивности. Участие азота в составе 
белковых веществ делает белковые молекулы более реакционно 
способными. Азот входит в состав аминокислот, материала, из которого формируются молекулы белковых веществ.
Важную роль играют и другие элементы: фосфор, сера, кислород, калий и др. Фосфор, например, входит в состав аденозинтрифосфорной кислоты, являющейся аккумулятором энергии биохимических процессов клетки микроорганизмов.
6

Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов питательная среда должна содержать наряду с указанными выше элементами источники витаминов и биостимуляторов.
В случае биотехнологических процессов, когда питательные вещества поступают на стадию культивирования по вероятностным 
зависимостям, как в случае биологической очистки сточных вод, 
то питательная среда оказывает влияние на формирование биоценоза, который образуется в зависимости от поступающего питания. Особо следует отметить, что в подавляющем большинстве 
случаев в составе биоценозов практически всегда присуствуют бактерии рода Pseudomonas, что указывает на определенную универсализацию их питания. При этом задача состоит, как и при осуществлении большинства биотехнологических процессов, в том, чтобы 
полнее была бы использована питательная среда, компоненты которой представлены загрязнениями сточной воды. В отдельных 
случаях на очистных сооружениях вводят дополнительные источники питания, для улучшения сбалансированности по некоторым 
элементам питания.
1.3. МЕТОДЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
В биотехнологической практике используются следующие способы культивирования микроорганизмов: 1) аэробное, анаэробное, 
факультативно анаэробное, 2) поверхностное, твердофазное и глубинное, 3) периодическое (стационарное), полунепрерывное (доливное) и непрерывное, 4) мезофильное, олигофильное и термофильное, 5) с применением монокультур или микробных ассоциаций.
В настоящее время широко используются следующие методы 
культивирования:
1) глубинный метод — аэробное, глубинное, периодическое (или 
полунепрерывное), мезофильное культивирование с применением 
монокультуры. Например, выращивание кормовых и хлебопекарных дрожжей и др.;
2) поверхностный метод — аэробное, поверхностное, периодическое (или полунепрерывное), мезофильное культивирование с применением монокультуры. Например, биосинтез лимонной кислоты 
и др.;
3) анаэробный метод — анаэробное, глубинное, полунепрерывное, термофильное культивирование с применением монокультуры или микробных ассоциаций. Например, биосинтез витамина 
В12;
4) твердофазный метод — аэробное, твердофазное, периодическое (или полунепрерывное), мезофильное культивирование с при7

менением монокультуры или микробных ассоциаций. Например, 
биосинтез аваморина и других ферментов;
5) непрерывный метод — аэробное, глубинное, непрерывное, мезофильное (или термофильное) культивирование с применением 
монокультуры (реже микробных ассоциаций). Например, производство кормовых дрожжей и др.
В практике культивирования используются и другие способы, 
например иммобилизация клеток продуцента в разных комбинациях с целью более полного обеспечения потребностей продуцента.
1.4. АЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В аэробных процессах при обмене веществ между системой
культивирования и внешней средой большое значение имеют 
усвоение продуцентом атмосферного кислорода (реже — чистого кислорода) и эвакуация избытка углекислого газа из системы. При этом 
потребляемые микроорганизмами вещества используются для:
1) синтеза биомассы, 2) синтеза метаболитов, 3) поддержания 
необходимого уровня метаболизма.
Такая закономерность характерна и для поглощения кислорода. В промышленных условиях культивирования основная часть 
кислорода используется бактериями для синтеза биомассы и поддержания уровня метаболизма. Известно, что из всех веществ, поступающих в клетку из питательной среды, кислород считается основным лимитирующим фактором, что подтверждается в том числе 
и промышленной практикой культивирования кормовых дрожжей.
В жизнедеятельности аэробных микроорганизмов кислород играет 
роль: активатора электронов, регулятора активности ферментов, ингибитора активности роста и биосинтеза при определенной концентрации, регулятора активности дыхательной цепи при сопряжении ее 
с окислительным фосфорилированием и др. При изучении режима аэрации принято говорить о критической концентрации кислорода, при 
которой наблюдается лимитация дыхания клеток кислорода.
При культивировании аэробных микроорганизмов следует различать следующие режимы аэрации: минимальный, который лимитирует дыхание клеток микроорганизмов, оптимальный для роста 
биомассы в биосинтезе целевого продукта, максимальный, выше 
которого наблюдается ингибирование кислородом.
Достаточно большой арсенал средств для создания необходимых 
условий аэрации для насыщения среды кислородом в настоящее 
время разработан и широко используется в практике культивирования микрорганизмов. Следует отметить, что в ряде случаев 
эффективным является использование агрегатов с перемешивающей и аэрирующей функцией. Так, в практике культивирования 
8

дрожжей на парафинах нефти весьма эффективным оказалось использование мешалок турбинного типа, с помощью которых удалось создать интенсивный массообмен и достигнуть высоких показателей по аэрации культуральной среды.
В случае биологической очистки сточных вод в большинстве 
случаев использование мешалок не дает желаемого результата, что 
и привело почти к повсеместному применению пневматической аэрации в аэротенках.
1.5. ПОДАЧА ИНГРЕДИЕНТОВ В ПИТАТЕЛЬНУЮ СРЕДУ И РЕЖИМ 
КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
Применение современного оборудования позволяет осуществлять подачу ингредиентов в питательную среду в автоматическом режиме. Это позволяет эффективно использовать ферментационную аппаратуру и создает условия для более равномерного 
усвоения ингредиентов, исключая, как правило, возникновение их 
концентраций с ингибирующим эффектом.
Наиболее эффективным является непрерывный метод культивирования. Хотя, следует отдельно отметить, что в ряде случаев 
периодический процесс является более эффективным.
По данным ряда разработчиков, при использовании технологии 
непрерывного процесса получения этанола с рециркуляцией биомассы дрожжей технико-экономические данные повышаются 
по сравнению с периодическим процессом. Скорость притока 
свежей среды оказывает существенное влияние на интенсивность 
роста биомассы и активность ферментных систем продуцентов; изменяются также морфология и химический состав клеток.
Следует отметить, что в ряде случаев не стоит ставить задачи 
по обязательному использованию непрерывного способа, если периодическое культивирование позволяет получать высокие техникоэкономические показатели. В практике использования поверхностного метода культивирования широко используется периодический 
режим, позволяющий достигать достаточно хороших практических 
результатов. В качестве другого примера можно привести биотехнологическую обработку техногенных отходов, где пока на уровне 
опытных установок более приемлемым является периодический 
режим культивирования микрорганизмов. Подача растворов питательной среды осуществляется также в автоматическом режиме.
1.6. ТЕМПЕРАТУРА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
Известно, что рост и активность клеток микрорганизмов 
в основном обусловливаются температурой действия ферментов. 
От температуры зависит также структура клеточных компонентов, 
9

особенно белков и липидов. Снижение температуры ниже оптимальной может привести к уменьшению коэффициента конверсии 
источника углерода, так как в этом случае клетка больше энергии 
вынуждена расходовать для поддержания метаболизма. Повышение температуры в первую очередь приводит к коагуляции и нарушению структуры белковых молекул и нуклеиновых кислот, 
а также к деформации цитоплазматических мембран. Одни авторы 
считают, что повышенная температура подавляет синтез белка, 
затем ингибирует синтез РНК. Другие исследователи считают, 
что на первом этапе воздействия повышенной температуры происходит нарушение синтеза РНК. При этом результатом действия 
повышенной температуры на микробные клетки является уменьшение содержания в них РНК, снижение синтеза белка, выделение 
веществ типа нуклеотидов в увеличение содержания липидов.
В биотехнологической практике интерес разработчиков вызывают термофильные микроорганизмы, обладающие достаточно 
высокой ферментативной активностью, что позволяет эффективно 
использовать ферментационную аппаратуру. Следует указать еще 
на одно достоинство термофильных микроорганизмов, например 
при культивировании их в больших ферментерах, заключающееся 
в том, что можно использовать менее затратную систему теплообмена по сравнению с культивированием мезофилов.
Некоторыми авторами отмечена способность термофильных 
микроорганизмов синтезировать термоустойчивые ферменты 
или фракции ферментных комплексов. Установлено, что у термофильных бактерий имеются структурные белки, обладающие 
исключительной стойкостью к повышенным температурам, 
а у психрофилов — белки, адаптированные к низким температурам.
Отмечая в целом достоинства микробиологических процессов, 
осуществляемых с помощью термофильных микроорганизмов, следует отметить, что они отличаются высокой активностью.
1.7. СОВМЕСТНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ
Культивирование смешанных культур имеет большое значение 
для для практической экологической биотехнологии. В качестве 
примеров можно указать на достаточно сложные составы активных 
илов биологических очистных сооржений, составы биопрепаратов, 
используемых для обезвреживания загрязненных почв и грунтов, 
и т.д. Смешанные культуры, используемые в промышленной биотехнологии, условно могут быть разделены на три группы. К первой 
группе относятся культуры, состоящие из двух или более видов 
микроорганизмов, способных к процессу биосинтеза, который отдельные участники ассоциации не могут осуществить.
10