Развитие экологического мышления на уроках химии при изучении темы "Аминокислоты"

Экологические особенности изучения темы «аминокислоты»

Человеческое тело не может запасать белки, поэтому сбалансированное белковое питание требуется человеку каждый день. Взрослому человеку весом 82 кг требуется 79 г белка в день. Рекомендуется, чтобы при этом с белками поступало 10 - 12% всех калорий. L-триптофан - незаменимая аминокислота с обширным спектром действия. Он участвует в подд

ержании азотистого равновесия в обменных процессах, актах возбуждения и торможения, а также трансформации одного вида энергии в другой. Образующаяся из триптофана никотиновая кислота является важным компонентом в энергетическом обмене. L-триптофан регулирует функцию эндокринного аппарата, предупреждающего анемию, регулирующего кровяное давление, отвечающего за синтез гемоглобина. Особое значение эта аминокислота имеет в фармакологии, где она и ее производные применяются в качестве ингредиентов многих лекарственных средств. При таких тяжелых заболеваниях, как рак, туберкулез, диабет триптофан способствует нормальному функционированию различных систем организма. Недостаток его у человека и животных ведет к развитию пеллагры, поражению зубов, помутнению роговицы глаз, катаракты. Установлено, что у пациентов, имеющих активную форму депрессии, наблюдается пониженный уровень триптофана в плазме. Предполагают, что эта аминокислота стимулирует секрецию инсулина, который в свою очередь активизирует синтетазу жирных кислот в печени. L-триптофан содержится в препаратах, восстанавливающих функции мозга. Известно, что в зонах повышенной радиации и инсоляции и при лечении лучевой болезни употребление пищи, обогащенной L-триптофаном, повышает уровень серотонина и снимает такие отрицательные последствия, как геморрагический синдром. Триптофан используется как антиокислитель пищевых масел и жиров, в качестве общего повышения калорийности пищи, особенно содержащей бобовые и кукурузу. В Японии фирма Kyowa Hakko Ajinomoto производит L-триптофан для медицинских и пищевых целей с использованием штаммов микроорганизмов, работающих на низкомолекулярных субстратах. В Кыргызстане в рамках Государственных научно-технических и Целевых Комплексных программ СССР сотрудники ВНИИгенетика и специалисты Бишкекского завода антибиотиков создают уникальное опытно-промышленное производство по микробиологическому синтезу L-триптофана. На основе лабораторного регламента они отрабатывают технологию и выпуск аминокислоты методом глубинного выращивания штаммапродуцента Bactilis subtilis на мелассных средах. Технология получения аминокислоты представляет собой последовательный ряд операций, к которым относятся ферментация, обработка культуральной жидкости коагулянтами, выделение аминокислот из нативного раствора с помощью ионообменных смол, концентрирование растворов и очистка технического продукта осветляющими активированными углями. Необходимо отметить, что микробиологический синтез аминокислот связан с существенным расходом воды и образованием значительных количеств жидких и твердых отходов. Принимая во внимание, что в производстве L-триптофана необходимо соблюдать жесткий санитарно-гигиенический режим, создание малоотходной технологии является одной из актуальных проблем.

По регламенту все виды отходов, включая жидкие стоки, собирают, обезвоживают. Сухой шлам обеззараживают, затаривают в мешки для последующего захоронения. При выделении L-триптофана жидкие стоки образуются за счет промывных вод производственного оборудования, стадии ионообменной хроматографии, маточников кристаллизации, некондиционных растворов посевного материала и культуральной жидкости. Обеззараживание значительных объемов стоков (более 1 м3 на 1 кг целевой аминокислоты) создает дополнительные финансовые затраты, отражающиеся на себестоимости триптофана. Дифференцированные стоки, как показали исследования химического состава, могут служить сырьем для вторичной переработки. Учитывая, что сбрасываемые стоки имеют температуру выше 40oС, их можно рассматривать как готовый исходный субстрат для проведения процесса метаногенеза органического вещества. Бросовые осадки биомассы продуцентов аминокислот, образующиеся на стадии тепловой и химической обработки культуральной жидкости, и отработанные активированные угли со стадии осветления технического продукта так же, как и канализационные стоки имеют температуру 40-60oС, что служит положительным фактором в пользу анаэробного сбраживания органического вещества этого вида сырья метаногенным консорциумом микроорганизмов.Потребление аминокислоты метаногенным консорциумом микроорганизмов, т.е. практически полное разложение триптофана, как видно на рисунке, происходит в течение 18 суток и выходе биогаза свыше 10 мМ. На основании исследований установлено, что этот процесс происходит вначале с разложением линейной цепи, а затем деградации ароматического кольца аминокислоты.

Накопление биогаза и конверсия аминокислоты при анаэробной микробиологической конверсии триптофана.

Поскольку в жидких отходах содержание органических веществ (ОВ) может изменяться в зависимости от количества некондиционных растворов культуральной жидкости и маточников кристаллизации триптофана в условиях производства, стоки, получаемые от регламентных стадий выделения аминокислот рассматривают как технологические канализационные. О количестве ОВ в этих стоках, а их всего 9 видов, судят по показателям биологического (БПК) и химического (ХПК) потребления кислорода. Высокие значения этих двух показателей наблюдаются у промывных вод ионита ИА-1 после сорбции и в стоке после промывки производственного оборудования, соответственно для первого 300 и 400 и второго - 975 и 1400 мгО2/л. Технологические стоки собирают в один сборник, после усреднения и взаимной нейтрализации у них показатели БПК и ХПК приближаются к нормативному требованию и составляют 392-420 и 560-580 мгО2/л. Биоконверсия таких стоков в течение 1500 ч в термофильном режиме показала, что через 750 ч процесс образования метана выходит на стабильный режим, а полученный трансформированный раствор не требует дальнейшего обеззараживания, так как является экологическим жидким биоудобрением. В плане охраны окружающей среды метаногенез такого стока позволяет исключить из технологического цикла стадию стерилизации, высушивания и захоронения шлама. Реализация нового вида продукции - удобрения - существенно отражается на повышении общей рентабельности производства.

Биоконверсия трапных операций культуральных жидкостей (КЖ), маточников кристаллизации (МК) и их смесей показала, что при времени оборота реактора 552 ч степень конверсии органических веществ составляет 48,0; 21,6 и 34,8% (табл. 1). Для сопоставления результатов трансформации жидких отходов показатели по выходу биогаза и степени конверсии отнесены к единому компоненту - органическим веществам. Различная степень конверсии, как видно из табл. 2, повидимому, может трактоваться особенностями метаногенеза триптофана и других органоминеральных примесей, содержащихся в данных субстратах (табл. 2). Проведенные исследования свидетельствуют, что анаэробная обработка указанных жидких отходов метаногенным консорциумом микроорганизмов в производственном цикле приемлема и экономически оправдана, так как температура выбрасываемых продуктов составляет 40-60oС, и для них нет необходимости проводить дополнительный нагрев для осуществления процесса метаногенеза.