CN102718325B

CN102718325B - 培养高密度油脂微藻处理酵母工业废水的方法

Info

Publication number: CN102718325B
Application number: CN201210242303.5A
Authority: CN
Inventors: 廖福真; 刁晓; 吴庆余; 卢广成; 韦洁云; 卢悦; 常玉娟; 陈书勤; 赵梓霖
Original assignee: GUANGXI XIANGGUI SUGAR INDUSTRY GROUP CO LTD; Tsinghua University
Current assignee: GUANGXI XIANGGUI SUGAR INDUSTRY GROUP CO LTD; Tsinghua University
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102718325A

Abstract

本发明公开了一种培养高密度油脂微藻处理酵母工业废水的方法。通过对酵母生产的废水进行清净预处理，然后加入还原糖和营养盐配制培养基，灭菌后接种发酵，并间断补料流加异养培养，可获得细胞密度41.26～50.83g/L，油脂含量40.86%～45.26%的能源微藻。本发明实现了对酵母工业生产过程中排放的工业有机废水的资源化利用和能源化生产相结合的一条新的高效而经济的途径，减少了有机废水对环境的破坏，取得了良好的经济效益和社会效益。

Description

培养高密度油脂微藻处理酵母工业废水的方法

技术领域

本发明涉及一种工业污水处理方法，特别是用微生物处理酵母生产废水或糖蜜酒精废水的方法。

背景技术

随着工业进步和社会发展，生产酵母的企业越来越多，其中有面包酵母生产废水、酿酒酵母生产废水或糖蜜酒精废水，这些废水目前处理在方法一般采用厌氧处理、好氧处理、微生物处理、电化学处理等多种方法，但是这些方法各有不足之处，成本高，以至于很多废水处理不达标，水污染现象日趋严重。目前，面包酵母生产废水、酿酒酵母生产废水或糖蜜酒精废水处理问题已成为国内外研究的热点。

酵母生产的废水是一种高浓度、高色度、高盐度、组分复杂的难处理酸性有机工业废水，含有丰富的氮、磷、钾等多种营养元素，还含有高浓度的发酵过程中的微生物代谢产物。面包酵母高浓度废水是发酵过程的离心分离及过滤装置排放的废水，其COD 高达80000 mg/L、总氮500～1500 mg/L、硫酸盐2000 mg/L，还含有约0.5%的干物质，主要成分为酵母蛋白质、纤维素、胶体物质，以及废糖蜜中未被充分利用的营养成分，如残糖等，其中很多难以降解。国内外主要采用厌氧-好氧工艺结合物化工艺处理该类废水，当前组合工艺普遍存在停留时间较长、抗冲击负荷能力有限、物化处理成本较高及出水不达标等问题。酵母废水含丰富的氮、磷、钾等多种营养元素，具有很好的肥效。如将酵母废水与处理后的城市废水按一定比例混合，用于农业灌溉。但是农灌受施用量、土地类型、消纳能力、施用半径等条件限制，如盲目施用则会烧死植物、破坏土壤，污染地下水，特别是对废水量较大的大规模酵母厂难以适用。安琪酵母公司于2002 年投资建造了蒸发浓缩系统，主要处理高浓度有机废水，蒸发后的浓液用于干燥造粒制成生物有机肥，处理费用仍达到38 元/t（含折旧）。陈陪金等对酵母废水的内部循环利用进行了研究，当废水循环使用后，生产1 t 酵母的糖蜜消耗减少了10.81%，一、二级离心分离后废水的排放量减少了76.17%。因此，一个38 m³ 的发酵罐少排放2.64 m³/h 废水，一年（以10 个月计）少排放的废水为1.9×10⁴ m³。但是存在酵母生产抑制物的积累和杂菌的污染等新问题。

藻类为自养型生物，其生长对废水中的营养要求较低，主要以光能为能源，利用N、P等营养物质合成复杂的有机质，因此藻类可降低水体中氮磷的含量。小球藻是水体中的初级生产者，营养价值较高，可作为鱼类等水生动物的饵料，在污染物沿食物链传递的过程中起着重要作用。不同藻类对氮、磷的净化效率是不同的，通过多种藻类的比较研究，Ganter 等认为小球藻和栅藻是对这两种元素去除率最高的藻类。小球藻直到一百多年前人类发明了显微镜之后，才被生物学家拜尔尼克博士发现，他把希腊文Chlor（绿色）和拉丁文Ella（表示细小物质）组合，将其命名为Chlorella，因为它的直径只有3～8微米，必须用600倍以上的显微镜才能看见，且形状呈圆球形，所以被称为小球藻。小球藻在分类学上属于绿藻门小球藻属，分布广泛，易于培养，适应能力强，生长速度快，应用价值高。小球藻细胞除了可在白养条件下利用光能和CO₂进行正常的自养生长外，还可以在异养条件下利用有机碳化合物作为碳素营养和能量来源，生长繁殖速度比光照条件下快得多，类似于细菌的代谢生长。

小球藻(Chlorella )除具备上述除氮磷能力外，还具备去除多种重金属离子的能力。目前，有关微藻培养除氮磷方面的研究主要集中在对悬浮和固定化培养方式的研究，而有关小球藻(Chlorella )去氮除磷的研究较少。藻类能够通过自养繁殖的方式吸收、富集和降解作用有效去除污水中的氮磷营养物质和重金属等。藻类在去除这些“营养物”的同时，可将它们转化为藻体的组成成分，处理废水后的藻体含丰富的蛋白质、矿物质、维生素、氨基酸等营养成分，其营养价值可与鱼肉、大豆相比，可作为高蛋白动物饲料。近年来，国内外开展了大量有关藻类培养和废水处理、环境调控及其净化机理方面的研究，发展了几种新型的藻类处理废水系统，包括超浓度培养、固定化藻类、渗析培养、藻垫以及光生物反应器等。但文献报道的培养藻细胞浓度一般都较低，大多数为0.15～0.20 g (干重)/L，即使是藻强化培养或高浓度藻培养，藻浓度仍低于3 g/L。因此，去除的营养物较少，藻体收获也较为困难。近十年来，藻类异养培养技术是微藻生物技术研究的热点，通过异养培养进行微藻的高细胞密度培养，可通过异养培养获得大量藻生物量来去除废水中的“营养物”，实现废水的资源化。曲春波和史贤明（2009）研究利用由啤酒废水配制含10 g/L葡萄糖的基本培养液异养培养Chlorella pyrenoidosa 15-2070 获得了5.3 g/L 藻细胞。并且在此过程中，啤酒废水得到有效利用，几种主要污染物最高去除率为：CODcr，92.2 %；BOD₅，95.1 %；NO^- ₃-N，98.5 %；NH⁺ ₄-N，92.3 %。

小球藻(Chlorella) 是高价值微藻，具有在一般水域甚至在废水中快速生长的特性，目前普遍采用的开放式自养生产方式成本较高，为了提高生产效益，许多研究者把小球藻的生产纳入综合利用和环境治理之中。随着人口增长和资源短缺的矛盾不断加剧，水资源已面临短缺危机，水污染问题也已成为一个非常严重的全球问题。加强水资源的循环利用是减轻污染和实现节能减排的重要途径。

目前，我国大中型酵母生产企业已达30多家，年生产能力超过20万吨。然而，每生产1 t 干酵母将产生60～130 m³的废水，我国酵母业的迅速发展使其废水量不断增加，每天至少有30000 m³的酵母废水排出。在资源日益紧张的今天，酵母废水中有效成分的综合利用和循环利用有利于节省资源，减少排放，是实施清洁生产，发展循环经济的重要手段，具有很大的发展潜力。试图找出最佳藻类处理方式和培养方法，以提高其去除废水污水中氮磷的能力。利用酵母有机废水替代生产用水，异养培养高密度高油脂含量的小球藻，可以节约大量的水资源。通过异养培养高密度高油脂含量的小球藻，酵母有机废水中的几种主要水质污染物都有不同程度的去除，既减轻了环境污染压力，又实现了有机废水的资源化利用和能源化生产。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提出的一种利用酵母生产的废水中有效成分的综合利用和循环利用，节约水资源，减少污染排放的异养培养高密度油脂微藻处理有机废水的方法。

本发明是将经过清净预处理的酵母生产的废水通过配制异养发酵培养基，进行灭菌处理后，按照一定的微藻种子接种量，并在发酵罐间断流加补料异养培养高密度异养培养能源微藻。发酵结束后，藻体经分离洗涤，得到油脂微藻。

其具体步骤如下：

步骤1：将酵母生产的废水去除悬浮大颗粒物质清净预处理后，用该经清净处理的废水配制异养发酵培养基；所述的清净预处理方法可以采用絮凝沉淀、离心分离或过滤的方式。

步骤2：将上述配制好的异养发酵培养基进行高温高压灭菌处理。高温高压灭菌为105-110℃的水蒸气。

步骤3：将培养成熟的小球藻种子液，按照重量含量10%～20%的接种量接种到步骤2灭菌处理好的培养基进行补料异养发酵。

步骤4：藻体经分离洗涤，即得油脂微藻。

所述的酵母生产的废水为面包酵母或酿酒酵母生产排放的工业有机废水。

所述的废水的清净预处理是采用絮凝沉淀、离心分离或过滤方式去除废水中的悬浮大颗粒物质。

所述的微藻是小球藻。

所述的培养基高温高压灭菌处理用105-110℃的水蒸气连续喷射灭菌或高温高压实罐灭菌。

所述的细胞密度是由低温真空冷冻干燥机或热风烘箱干燥后的细胞干重。

所述的异养培养的方法为：在5～50000L发酵罐中加入异养培养基，装填系数60%～70%，接种量的体积含量10%～20%（v/v），培养pH 6.0～7.0,培养温度25～32℃，搅拌转速100～350r/min,通气量0.5～1.5vvm,加入消泡剂，发酵周期144～192h，采用补料流加方法进行发酵培养，当细胞密度达到稳定和细胞油脂含量达到最大时停止培养。

所述的油脂含量的测定方法为索氏抽提法，抽提溶剂为馏程60～90℃的石油醚。

所述的淀粉水解液、蔗糖水解液或糖蜜水解液为淀粉、蔗糖或糖蜜经过淀粉糖化酶或蔗糖转化酶水解后的还原糖成分。

所述的异养发酵培养基组份为：还原糖 20～60 g/L，K₂HPO₄·3H₂O 0.4～1.0 g/L，KH₂PO₄ 0.6～1.0 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.3～0.5 g/L，FeSO₄·7H₂O 2～4 mg/L，VB₁ 10～15 μg/L，酵母提取物 2～6 g/L，甘氨酸0.05～0.2 g/L，A₅微量元素1～5mL/L。

所述的A₅微量元素是：H₃BO₃ 2.86 g/L，Na₂MoO₄·2H₂O 0.039 g/L，ZnSO₄·7H₂O 0.222 g/L，MnCl₂·4H₂O 1.81 g/L，CuSO₄·5H₂O 0.074 g/L。

所述的补料异养发酵培养条件为装填系数60%～70%，培养pH 6.0～7.0,培养温度25～32℃，搅拌转速100～350r/min,通气量0.5～1.5vvm,加入消泡剂，发酵周期144～192h，采用补料流加方法进行发酵培养，当细胞密度达到稳定和细胞油脂含量达到最大时停止培养。

所述的补料流加方法是：采用分批补料方式，当还原糖浓度低于20 g/L时，即进行补料，以维持还原糖浓度在20～60 g/L；以酵母抽提物作为氮源，其补料依据C:N=（10～40）:1；同时根据发酵过程pH值的变化，流加酸、碱进行调节pH 6.0～7.0；根据泡沫情况适当流加消泡剂进行消泡。

所述的消泡剂是有机硅消泡剂，加入量为0.05‰（v/v）。

本发明的有益效果是：

本发明有效地解决酵母工业废水资源化利用和能源化转化的结合，通过补料流加异养培养的方式，实现了微藻的高密度高油脂含量的异养培养。实现了酵母废水有机废水的资源化利用和能源化生产相结合的一条新的高效而经济的途径，减少了有机废水对环境的破坏，取得了良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是在培养基的还原糖浓度为葡萄糖30g/L条件下，在5L发酵罐补料发酵情况下异养培养高密度高油脂含量小球藻的发酵曲线。

图2是在培养基的还原糖浓度为淀粉水解液30g/L条件下，在5L发酵罐补料发酵情况下异养培养高密度高油脂含量小球藻的发酵曲线。

图3是在培养基的还原糖浓度为蔗糖水解液30g/L条件下，在5L发酵罐补料发酵情况下异养培养高密度高油脂含量小球藻的发酵曲线。

图4是在培养基的还原糖浓度为糖蜜水解液30g/L条件下，在5L发酵罐补料发酵情况下异养培养高密度高油脂含量小球藻的发酵曲线。

具体实施方式

本发明为酵母有机废水资源化利用高密度异养培养油脂微藻的方法，该技术的关键在于利用酵母有机废水代替自来水，配制异养发酵培养基，并通过补料发酵的方式实现了高密度高油脂含量的微藻异养的方法。

具体步骤如下：

步骤1.将酵母有机废水进行去除悬浮大颗粒物质清净预处理后，用该经清净处理的废水配制异养发酵培养基。所述的异养发酵培养基组成为:还原糖 20～60 g/L，K₂HPO₄·3H₂O 0.4～1.0 g/L，KH₂PO₄ 0.6～1.0 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.3～0.5 g/L，FeSO₄·7H₂O 2～4 mg/L，VB₁ 10～15 μg/L，酵母提取物 2～6 g/L，甘氨酸0.05～0.2 g/L，A₅微量元素1～5mL//L。其中，A₅微量元素组成：H₃BO₃ 2.86 g/L，Na₂MoO₄·2H₂O 0.039 g/L，ZnSO₄·7H₂O 0.222 g/L，MnCl₂·4H₂O 1.81 g/L，CuSO₄·5H₂O 0.074 g/L。

步骤2.将上述配制好的异养发酵培养基进行高温高压灭菌处理。

步骤3.将培养成熟的小球藻种子液，按照10%～20%的接种量接种到步骤2灭菌处理好的培养基进行补料异养发酵。

所述的补料流加方法为：采用分批补料方式，当还原糖浓度低于或接近10 g/L时，即进行补料，以维持还原糖浓度在20～60 g/L；以酵母抽提物作为氮源，其补料依据C:N=（10～40）:1；同时根据发酵过程pH值的变化，流加酸、碱进行调节pH 6.0～7.0；根据泡沫情况适当流加消泡剂进行消泡。

下面根据附图结合具体实例对该高密度高油脂含量异养培养微藻的技术作进一步说明。

实例1：

对在培养基葡萄糖浓度30g/L条件下，酵母有机废水与自来水对异养培养高密度高油脂含量微藻的影响，结果见附图1所示。

葡萄糖被广泛认为是小球藻生长最佳的碳源。经过192h的异养补料流加培养，葡萄糖在发酵前48h利用得较为缓慢，而过了48h后，葡萄糖消耗迅速，每间隔12h就应流加补料，细胞密度在不断提升，在发酵180h细胞密度达到平衡。微藻油脂先期积累较为平稳，在发酵120h后，说明小球藻能够充分利用葡萄糖快速积累油脂。接近发酵终点192h，可获得细胞密度（干重）50.83 g/L，油脂含量45.26 %。表明酵母有机废水适用于异养发酵培养高密度高油脂含量的小球藻。

实例2：

对在培养基淀粉水解液还原糖浓度30g/L条件下，酵母有机废水对异养培养高密度高油脂含量微藻的影响，结果见附图2所示。

淀粉水解液的主要成分是葡萄糖，能够被小球藻充分利用。经过192h的异养补料流加培养，淀粉水解液在发酵前48h利用得较为缓慢，而过了48h后，还原糖消耗迅速，每间隔12h就应流加补料，细胞密度在不断提升，在发酵180h细胞密度达到平衡。微藻油脂先期积累较为平稳，在发酵120h后，说明小球藻能够充分利用淀粉水解液中的葡萄糖快速积累油脂。接近发酵终点192h，可获得细胞密度（干重）46.52 g/L，油脂含量42.46 %。表明小球藻能够利用淀粉水解液和酵母有机废水进行高密度高油脂含量的异养发酵。

实例3：

对在培养基蔗糖水解液还原糖浓度30g/L条件下，酵母有机废水对异养培养高密度高油脂含量微藻的影响，结果见附图3所示。

蔗糖水解液主要是由1:1的葡萄糖和果糖组成的还原糖。经过192h的异养补料流加培养，蔗糖水解液在发酵前48h利用得较为缓慢，而过了48h后，还原糖消耗迅速，每间隔约12h就应流加补料，细胞密度在不断提升，在发酵180h细胞密度达到平衡。微藻油脂先期积累较为平稳，在发酵120h后，说明小球藻能够充分利用蔗糖水解液中的葡萄糖和果糖快速积累油脂。接近发酵终点192h，可获得细胞密度（干重）47.13 g/L，油脂含量44.02 %。表明小球藻能够利用蔗糖水解液中的葡萄糖和果糖，以及酵母有机废水进行高密度高油脂含量的异养发酵。

实例4：

对在培养基糖蜜水解液还原糖浓度30g/L条件下，酵母有机废水对异养培养高密度高油脂含量微藻的影响，结果见附图4所示。

甘蔗糖蜜含大量糖分，蔗糖约占30%～40%，还原糖约占10％～20%，同时也有大量的胶体物质，钾、钠、钙、镁等无机离子灰分。因此糖蜜水解液中主要是含有葡萄糖和果糖组成的还原糖，同时含有较多的其它杂质。

经过192h的异养补料流加培养，糖蜜水解液在发酵前72h利用得较为缓慢，而过了72h后，还原糖消耗迅速，之后每间隔约12h就应流加补料，细胞密度在不断提升，在发酵180h细胞密度达到平衡。微藻油脂先期积累较为平稳，在发酵120h后，说明小球藻能够充分利用糖蜜水解液中的葡萄糖和果糖快速积累油脂。接近发酵终点192h，可获得细胞密度（干重）41.26 g/L，油脂含量40.86 %。表明小球藻能够利用糖蜜水解液中的葡萄糖和果糖，以及酵母有机废水进行高密度高油脂含量的异养发酵。

Claims

1.一种培养高密度油脂微藻处理酵母工业废水的方法，是将经过清净预处理的酵母生产的废水通过配制异养发酵培养基，进行灭菌处理后，按照一定的微藻种子接种量，并在发酵罐间断流加补料异养培养高密度异养培养能源微藻，发酵结束后，藻体经分离洗涤，得到油脂微藻；

其具体步骤如下：

步骤1：将酵母生产的废水去除悬浮大颗粒物质清净预处理后，用该经清净处理的废水配制异养发酵培养基；

所述的酵母生产的废水为面包酵母或酿酒酵母生产排放的工业有机废水；

所述的预处理是采用絮凝沉淀、离心分离或过滤方式得到；

步骤2：将上述配制好的异养发酵培养基进行高温高压灭菌处理；

所述的异养发酵培养基组份为：还原糖 20-60 g/L，K₂HPO₄·3H₂O 0.4-1.0 g/L，KH₂PO₄ 0.6-1.0 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.3-0.5 g/L，FeSO₄·7H₂O 2-4 mg/L，VB₁ 10-15 μg/L，酵母提取物 2-6 g/L，甘氨酸0.05-0.2 g/L，A₅微量元素1-5mL/L；

所述的A₅微量元素是：H₃BO₃ 2.86 g/L，Na₂MoO₄·2H₂O 0.039 g/L，ZnSO₄·7H₂O 0.222 g/L，MnCl₂·4H₂O 1.81 g/L，CuSO₄·5H₂O 0.074 g/L；

所述的培养基高温高压灭菌处理用l05-110℃的水蒸气连续喷射灭菌或高温高压实罐灭菌；

所述的异养培养的方法为：在5-50000L发酵罐中加入异养培养基，装填系数60％-70％，接种量的体积含量lO％-20％，培养pH 6.0-7.0，培养温度25-32℃，搅拌转速l00-350r／min，通气量0.5-1.5vvm，加入消泡剂，发酵周期144-192h，采用补料流加方法进行发酵培养，当细胞密度达到稳定和细胞油脂含量达到最大时停止培养；

步骤3：将培养成熟的微藻种子液，按照l0％-20％的接种量接种到步骤2灭菌处理好的培养基进行补料异养发酵；

步骤4：藻体经分离洗涤，即得油脂微藻；

所述的微藻是小球藻。

2.根据权利要求1所述的培养高密度油脂微藻处理酵母工业废水的方法，其特征在于：所述的油脂含量的测定方法为索氏抽提法，抽提溶剂为馏程60～90℃的石油醚。

3. 根据权利要求l所述的培养高密度油脂微藻处理酵母工业废水的方法，其特征在于：所述的补料异养发酵培养条件为装填系数60％-70％，培养pH 6.0-7.0，培养温度25-32℃，搅拌转速100-350r/min，通气量0.5-1.5vvm，加入消泡剂，发酵周期144-192h，采用补料流加方法进行发酵培养，当细胞密度达到稳定和细胞油脂含量达到最大时停止培养。

4. 根据权利要求l所述的培养高密度油脂微藻处理酵母工业废水的方法，其特征在于：所述的补料流加方法是：采用分批补料方式，当还原糖浓度低于20 g/l时，即进行补料，以维持还原糖浓度在20-60 g/l；以酵母抽提物作为氮源，其补料依据C：N＝(10-40)：1；同时根据发酵过程pH值的变化，流加酸、碱进行调节pH 6.0-7.0；根据泡沫情况适当流加消泡剂进行消泡。