Аспірант Рой І. Ю, к.т.н. Решетняк Л. Р., д.х.н. Клименко Н. А.

Інститут колоїдної хімії та хімії води імені А. В. Думанського,Україна

ДЕІММОБІЛІЗАЦІЯ БІОПЛІВКИ З АКТИВОВАНОГО ВУГІЛЛЯ ПРИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ПРОМИСЛОВИХ АДСОРБЦІЙНИХ ФІЛЬТРІВ У ПИВОВАРІННІ

Вступ. Для багатьох галузей промисловості, особливо харчової, питна вода є вихідною сировиною, до якої висуваються специфічні вимоги. Отримання високоякісної води є особливо важливим процесом у виробництві спеціальних напоїв. Так, вода для пивоваріння повинна відповідати якостям питної води у відповідності з діючими нормативами по питній воді (ДСанПіН 2.2.4-400-10 [1]). Крім того, вона повинна відповідати ряду специфічним для пивоварної промисловості технологічним вимогам, дотримання яких чинить позитивний вплив на процес приготування пива. Ці показники є більш жорсткими у порівнянні з нормативами питної води, і в першу чергу стосуються водневого показника води (рН 6,0-6,5), лужності (не більше 0,5-1,5 мг-екв/л), жорсткості (не більше 2-4 мг-екв/л), вмісту хлоридів, сульфатів, нітратів, заліза, марганцю і т.п. [2]. Що стосується мікробіологічних показників, то загальне мікробне число повинно становити не більше 100 при 22⁰С (чи 20 при 37⁰С), а колі-індекс – не більше 3 чи 0 при відповідній температурі.

Відомо, що якість водопровідної води, що пройшла комунікаційні мережі, часто не відповідає вимогам нормативних документів. І саме цей факт є причиною додаткового її очищення для використання як сировини.

Вугільні фільтри є одними з найбільш ефективних у процесі доочищення води. Проте досягнення необхідної якості води нівелюється декількома обставинами. У процесі фільтрування води фільтруюче завантаження затримує зважені частки, сорбує розчинені органічні та неорганічні речовини і мікроорганізми. Практично з перших днів роботи фільтра, частки АВ піддаються мікробній колонізації, що може призвести до утворення значних біоплівок. З одного боку така біологічна активація гранульованого активованого вугілля (ГАВ) сприяє більш ефективному видаленню з води небажаних домішок і збільшує термін служби фільтра внаслідок його біодеградації [3]. Проте, з іншого боку, із збільшенням маси біоплівки відбувається відокремлення окремих її фрагментів, а також фізіологічно врегульоване вивільнення у воду живих бактеріальних клітин та їх ендотоксинів. Цей процес є небажаним не тільки для технологічних процесів, він є небезпечним і для здоров’я людини. Саме мікробні біоплівки є етіологічними агентами багатьох гострих та хронічних інфекційних захворювань людини (парадонтоз, карієс, бактеріальний простатит та ін). А бактеріальні ендотоксини ( ліпополісахариди клітинних стінок) є одним із факторів, що обумовлюють пірогенність води. Пірогени – це речовини, що викликають підвищення температури при парентеральному введенні (шляхом ін'єкції) ссавцю. Таким чином, фільтри з ГАВ при неправильній експлуатації можуть бути джерелом постійної мікробної контамінації системи водопідготовки.

Мета роботи: дослідження ефективності деіммобілізації нативних біоплівок з АВ промислових фільтрів пивоварного виробництва, що використовуються для доочищення водопровідної води, прогнозування раціональних умов роботи фільтра, а також відновлення його адсорбційних властивостей.

Відповідно з поставленою метою дослідження перед нами стояло наступне завдання: підбір елюентів для звільнення поверхні носія від біоплівки та визначення найефективнішого з них.

Виклад основного матеріалу. У роботі досліджували зразки двох марок ГАВ, відібраних на різних глибинах (з поверхні, на глибині 0,5 і 1 метр), фільтруючого шару завантаження вугільного фільтра. На фільтр надходила вода з міського водопроводу, яка відповідала нормативним вимогам до питної води, що пройшла доочистку на піщаних фільтрах і містить 0,2-0,4 мг/дм3 активного залишкового хлору. В таблиці 1 представлені умови експлуатації вугільного фільтра.

Таблиця 1. Умови експлуатації вугільного фільтра

Марка вугілля/висота фільтруючого шару	Площа фільтра	Швидкість фільтрування	Режим температурної дезинфекції
			Зворотня промивка	Витрати	Підігрів /час/ швидкість рециркуляції гарячої води	Охолодження	Повторна зворотня промивка
верхній шар Silcarbon K-835/ 0,75 м	5 м^2	8 м/год	600 с	150 м^3/год	95^0С/2,5год/5 м/год	до 35^0С	600 с
Нижній шар Filtrasorb 400/ 0,65 м

Періодичність дезінфекції - 1 раз на 7-14 діб. Зразки для аналізу відібрано через три доби експлуатації фільтра після проведення температурної санації.

Експерименти з аналізу змивів проводили у двох напрямках і кожен досвід у трьох повторностях. У першій серії дослідів проводили змив і аналіз накопичених у товщі фільтра нерозчинних речовин. Нами були використані 1 М NaOH, розчин Рінгера (8,6 г NaCI, 0,33 г CaCI2 і 0,3 г KCI в 1 дм3 води) в розведенні 1:4, 0,85% NaCI і дистильована вода. Результати вивчення ефективності вимивання нерозчинної фази із завантаження фільтра на різній висоті і різними елюентами наведені на рис. 1.

Рис. 1. Вміст нерозчинних речовин у змивах з проб АВ різними елюентами

Видно, що найбільш ефективним елюентом є 1М розчин NaOH – вимиває 85% від загальної кількості нерозчинного осаду з проб АВ, відібраних на різній глибині загрузки фільтра. Кількість вимитого осаду розчином Рінгера, 0,85% NaCl і дистильованою водою приблизно однакова (0,04-0,06 г/100см3) і не залежить від висоти відбору проби АВ. З даних по обробці АВ 1М розчином NaOH, видно, що найбільша кількість вимитих частинок твердої фази відповідає самому нижньому шару завантаження фільтра. Це свідчить про фронтальне відпрацювання шару фільтруючого завантаження відповідно до теорії Мінца і вичерпання затримуючої здатності завантаження.

Для контролю за видаленням з фільтра продуктів біологічного походження, крім загальної кількості нерозчинних речовин було оцінено і наявність вуглеводів в змивах з АВ за фенол-сірчанокислим методом (метод Дюбуа) [4]. (рис 2).

Рис. 2. Вміст вуглеводів у фільтраті змивів з проб АВ різними елюентами.

Аналіз вмісту розчинених вуглеводів у фільтратах змивів з АВ показав, що вони присутні по всій висоті фільтра, що опосередковано свідчить про наявність мікроорганізмів, що існують у вигляді біоплівки, в досліджуваній системі доочистки води. Показано, що найбільш ефективним елюентом сахаридів, як і у випадку з видаленням нерозчинної фази, є 1М NaOH. Так, вміст вуглеводів в лужних змивах становить 108-120 мг/100см3, що в середньому в 5 разів перевищує їх вміст у змивах іншими елюентами. Також слід відзначити відносно рівномірний пошаровий розподіл вуглеводів, що свідчить про мікробну контамінацію фільтра по всій висоті вже на третю добу після його санації.

Паралельно з оцінкою ступеня видалення нерозчинних речовин та продуктів біологічного походження, а саме вуглеводів, в змивах з проб

вугілля досліджуваними розчинами визначали кількість живих мікробних клітин (рис 3).

Рис. 3. Кількість живих мікробних клітин в змивах з проб АВ різними елюентами.

З представлених на рис. 3 даних видно, що основна кількість мікроорганізмів сконцентрована в поверхневому шарі завантаження фільтра. Це обумовлено тим, що лобовий шар адсорбенту при його фронтальному відпрацюванні є насиченим до рівноважної величини як субстратом (розчиненими органічними речовинами), так і адгезованими мікроорганізмами, умови існування яких є сприятливими при надлишку адсорбованого субстрату. Найбільш ефективно живі мікробні клітини вимивалися фізіологічними розчинами, зокрема розчином Рінгера, що свідчить про незначну деіммобілізаціі біоплівки. При цьому, живі мікробні клітини були відсутні в змивах 1М розчином NaOH, який показав себе найбільш ефективним елюентом при змиві інших забруднювачів. Поясненням цього є відомий бактерицидний ефект лугу: під дією гідроксильних іонів відбувається руйнування мікробної клітини внаслідок гідролізу білків, розщеплення вуглеводів і омилення жирів [5].

Для визначення ступеня відмивання проб АВ досліджуваними елюентами, була проведена серія дослідів з повторної обробки проб вугілля розчинами 0,85% NaCI і 1 М NaOH (рис. 4).

Рис. 4. Вміст нерозчинних речовин в першому (I) і повторному (II) змивах з проб АВ, відібраних на глибині 0 м, різними елюентами

Аналіз отриманих даних про вміст твердої фази в повторних змивах з проб АВ, відібраних в поверхневому шарі, показав, що обробка навіть таким ефективним елюентом як 1М розчин NaOH не веде до вичерпного звільнення часток АВ від відповідного забруднення за один етап промивання. При повторній обробці проб АВ розчином NaCI вимивається ще 0,007-0,015 г/100см3 нерозчинного осаду, тоді як при обробці розчином NaOH - до 0,15 г/100см3.

Також в повторних змивах спостерігається і додаткове вимивання розчинного органічного забруднення, про що свідчить рівень загального органічного вуглецю в фільтратах (рис. 5).

Рис. 5. Вміст загального органічного вуглецю в першому (I) і повторному (II) змивах з проб АВ, відібраних на глибині 0 м, різними елюента.

Більш ефективним для повторної обробки є 1 М розчин NaOH - відбувається вимивання ще 115 мгС/см3, що складає близько 30% від усього органічного забруднення, вимитого при двоетапному промиванні. Таким чином, за результатами експериментів видно, що при відмиванні в один етап неможливо досягти повного видалення забруднень з поверхні вугілля навіть при використанні такого ефективного елюента як 1М NaOH. Послідовність застосування елюентів при двоетапній обробці АВ фільтра також відіграє певну роль. Показано, що найбільш ефективною є наступна комбінація елюентів: спочатку 1 М NaOH, а потім 0,85% NaCl. При цьому видаляється 0,015 г/100см3 речовин нерозчинної фази і 43 мг/см3 органічних речовин (за ЗОВ), тоді як при дворазовому застосуванні 0,85% NaCl - відповідно тільки 0,007 г/100см3 і 6 мг/см3 (див. рис.5 ).

Використання повторної обробки проб АВ 0,85% розчином NaCI для відмивання живої мікробної маси клітин дало такі результати (табл. 2).

Таблиця 2. Кількість живих мікробних клітин в повторних змивах з АВ 0,85% NaCI

Глибина відбору проб АВ, м	Кількість живих мікробних клітин в повторних змивах 0,85% NaCI після первинної обробки різними елюентами, КУО/см^3
	1 М NaOH	розчин Рінгера	0,85% NaCI
0	11	57	75
0,5	13	47	19
1,0	30	49	53

Живі мікробні клітини були виявлені в повторних змивах по всій висоті завантаження фільтру, а також після первинної обробки як фізіологічними розчинами (0,85% NaCI і розчин Рінгера), так і після 1 М NaOH. З табл. 3 видно, що кількість живих клітин в повторних змивах більшою мірою залежить від виду первинного елюента і меншою мірою - від глибини відбору проб. При використанні NaCI після NaOH в змивах виявляється найменша кількість живих клітин, що безсумнівно пов'язано з бактерицидним ефектом лугу, як уже згадувалося вище. Можна припускати, що при первинній обробці проби АВ 1 М розчином NaOH більшість клітин руйнується і лише частина з них, яка, можливо, була захищена полісахаридним матриксом, капсулою або стінками макропор вугілля, виживає і може бути видалена з АВ при подальшому відмиванні.

Аналіз ефективності застосування двоетапної обробки проб АВ для видалення живих мікробних клітин показав, що найбільша кількість життєздатних клітин міститься в змивах з проб АВ, відібраного на поверхні завантаження, при комбінованому застосуванні хлориду натрію після розчину Рінгера - 310 КОЕ/см3, тоді як при дворазовій обробці 0,85% NaCI - близько 200 (рис. 6).

Рис. 6. Кількість живих мікробних клітин в першому (I) та повторних (II) змивах с проб АВ різними елюентами

Причому, слід зазначити, що при відмиванні проб АВ, відібраних на глибині 0,5 і 1 м, на відміну від поверхневого шару, більш ефективною була саме повторна обробка елюентом. Так, в змивах з проб АВ, відібраного на глибині 0,5 м, в результаті застосування NaCI після розчинів Рінгера і NaCI містилося 64 і 61% від усіх змитих живих клітин, а в змивах з АВ з глибини 1 м - відповідно 87,5 і 78%. Це явище може бути пов'язане з пошаровим розподілом мікроорганізмів по висоті фільтра, а саме в глибоких шарах завантаження фільтра щільність клітин значно менша, і тому більший відсоток клітин має можливість бути закріпленими на поверхні АВ, що ускладнює їх видалення. І можливо тільки з повторної обробки елюентом вдається достатньо послабити і розірвати зв'язки між клітинами і АВ, що призводить до виявлення в повторних змивах більшої кількості життєздатних мікробних клітин, ніж при первинній обробці. Надалі плануються подальші дослідження присвячені кількісному аналізу та/чи візуалізації (за допомогою мікроскопа) процесу колонізації мікроорганізмами поверхні АВ на різних етапах розвитку биоплівки та в різних частинах загрузки фільтра.

Таким чином, були досліджені закономірності видалення біоплівки та інших адсорбованих речовин з активованого вугілля фільтрів, які використовуються для доочистки води.

Висновки.

1. З’ясовано, що найбільш ефективним елюентом твердої фази і розчинених вуглеводів є 1М розчин NaOH.

2. Встановлено, що максимальне видалення забруднюючих речовин досягається за двоетапної обробки спочатку 1 М NaOH, а потім 0,85% NaCl – до 0,18 г/100см³ нерозчинних речовин і до 160 мг/см³ за загальним органічним вуглецем.

3. Виявлено, що для деіммобілізації живої біомаси найбільш ефективним є застосування 0,85% NaCl після розчину Рінгера – вимивалось до 310 КУО/см³.

Список використаних джерел:

1. ДСанПіН 2.2.4-400-10. "Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною" – Введ. 12.05.10.

2. ТИ 10-5031536-73-90. Технологическая инструкция по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков. – Введ. 20.12.90.

3. Aktaş Ö., Çeçen F. // Int. Biodeterior. Biodegrad. – 2007. – 59, N. 4. – P. 257 – 272.

4. Dubois M., Gilles K. A., Hamilton J. R. et al. //Analyt. Chem. – 1956. – 28. – P. 350 – 355.

5. Вашков В. И. Средства и методы стерилизации, применяемые в медицине. – М.: Медицина, 1973. – 368 с.