CN102776239B

CN102776239B - 利用酵母废水和啤酒废水生产的微生物絮凝剂及方法

Info

Publication number: CN102776239B
Application number: CN201210258988.2A
Authority: CN
Inventors: 胡勇有; 于琪
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: CN102776239A

Abstract

本发明公开了一种利用酵母废水和啤酒废水生产的微生物絮凝剂及方法，即将酵母废水和啤酒废水混合，并添加磷酸盐，得到混合废水培养基，在该混合废水培养基中接种烟曲霉原变种（Aspergillus fumigatus），发酵生产微生物絮凝剂。本发明具有以下优点：（1）降低生产成本；（2）絮凝效果好；（3）变废为宝，废水实现资源化利用。

Description

利用酵母废水和啤酒废水生产的微生物絮凝剂及方法

技术领域

本发明属于环境工程废水处理及资源化领域。涉及到微生物絮凝剂的发酵生产。具体是利用酵母废水、啤酒废水做培养基发酵生产微生物絮凝剂。

背景技术

絮凝剂广泛应用于给水、工业废水、城市污水及污泥脱水、发酵工业后处理、食品工业等领域中。絮凝剂主要有无机絮凝剂、人工合成有机高分子絮凝剂和天然高分子絮凝剂等三大类。

铁盐、铝盐等无机絮凝剂，成本低，效果好，但易造成二次污染，并产生大量的含铁、铝污泥，处理处置难度大。此外，铁盐通常还有一定腐蚀性，而且容易残留铁离子，使被处理液带有颜色，影响水质。铝盐的摄入与目前日益增多的老年性痴呆症的引发有直接关系。有机合成高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺等本身没有毒性，但其难于降解、易造成二次污染，单体丙烯酰胺的残留也是一个令人十分担忧的问题，这类高聚物的残余单体具有“三致”效应(致畸、致癌、致突变)，许多国家已禁止或限量使用此类絮凝剂。天然高分子絮凝剂往往需要进行化学改性，其效能不如合成高分子絮凝剂理想，在研究和应用上有较大的局限。因此当前亟待研究开发高效、无毒、无二次污染、经济适用的絮凝剂。

微生物絮凝剂是一类由微生物产生的有絮凝活性的次生代谢产物，如糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素和DNA等，是天然生物高分子絮凝剂的重要种类。微生物絮凝剂具有以下几大特点：

（1）无毒无害，安全性高。经小白鼠安全性试验证明，微生物絮凝剂能用于食品、医药等行业的发酵后处理。

（2）易被微生物降解，无二次污染。

（3）对多种废水有絮凝效果，脱色效果独特。

（4）某些微生物絮凝剂的pH和热稳定性好、用量小。

由于微生物絮凝剂具有微生物的某些特性，同时也具有天然有机高分子絮凝剂的特性，可以克服无机和有机高分子絮凝剂所固有的缺陷，最终实现处理后水的无污染排放，因而微生物絮凝剂的研究正成为当今世界絮凝剂研究的热点与新的发展方向。

现在制约微生物絮凝剂工业化生产的主要问题在于生产成本太高。目前大多微生物絮凝剂发酵培养基碳源用葡萄糖10~20g/L，氮源用酵母膏（0.5g/L）、脲（0.5g/L）蛋白胨（1.0g/L）或硫酸铵等复合物，这些价格较贵的试剂使絮凝剂价格高居不下，利用微生物絮凝剂处理废水，投加费用在1.5元/吨水以上，而无机絮凝剂的费用仅为0.1~0.3元/吨水，因此尽管微生物絮凝剂为绿色水处理剂，安全无毒，但不具备价格竞争优势，得不到大规模生产和使用。

针对此问题，研究者试图利用废水做培养基来降低成本，如马放、朱艳彬等利用谷氨酸发酵废水制取微生物絮凝剂（申请号200610010368.1），聂麦茜、和玲等利用淀粉废水做碳源发酵生产絮凝剂（申请号200810017351.8）。但这些培养基仍以人工营养成分为主，废水中的营养物质为辅。废水主要提供碳源或氮源中的一种，而生长因子等其他营养物质需人工添加，成本降低幅度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种生产微生物絮凝剂的方法，其充分利用发酵废水中丰富的氮源、生长因子与啤酒废水中丰富的碳源，将两者混合作为产絮烟曲霉原变种培养基，仅需添加一定量的磷酸盐便可以获得较高的微生物絮凝剂产率。

利用酵母废水和啤酒废水生产微生物絮凝剂的方法，将酵母废水和啤酒废水混合，并添加磷酸盐，得到混合废水培养基，在该混合废水培养基中接种烟曲霉原变种（Aspergillus fumigatus），发酵生产微生物絮凝剂。

优选地，通过控制酵母废水和啤酒废水的比例使混合废水培养基中总糖浓度为4~12g/L，碳氮比为1:8~1:12。

优选地，所述磷酸盐为磷酸二氢钾和磷酸氢二钾。

优选地，所述磷酸二氢钾的添加量为1.0~3.0g/L，磷酸氢二钾的添加量为2.0~6.0g/L。

优选地，所述培养基pH值控制在6.0~7.0。

优选地，所述发酵时间为5~7d，发酵温为度28°C~32°C，发酵时搅拌速度为120~180r/min。

优选地，所述烟曲霉原变种为烟曲霉原变种（Aspergillus fumigatus）HHE-A8，由中国典型培养物保藏中心保藏，其简称为CCTCC，保藏编号为：CCTCC NO:M2012081，保藏日期为2012年3月14日。

本发明所使用的菌种烟曲霉（Aspergillus fumigatus）HHE-A8，由本实验室从污泥中分离得到。该菌主要特征为：其特征为：菌落在察氏琼脂上生长迅速，25℃培养8天菌落直径为50~56mm，中心稍凸起，有少量辐射状皱纹质地绒毛；分生孢子结构大量，中部多边缘少，带灰的橄榄色，无渗出液；菌落反面黄褐色。分生孢子头球形；顶囊烧瓶状，直径20~30μm，约3/4表面具有不同程度的绿色；产孢结构单层，瓶梗5~8×2~2.5μm，近于平行；分生孢子球形，直径2.5~3μm。菌落在PDA上生长更快，25℃培养8天菌落直径为70~80mm，平坦，质地丝绒状，具有大量分生孢子结构，百合绿；无渗出液，菌落反面浅黄色。

优选地，所述啤酒废水总糖浓度为100~200g/L，总氮浓度500~2000mg/L；发酵废水总糖浓度为10~20g/L，总氮浓度为2500~3500mg/L。

优选地，所述发酵生产微生物絮凝剂的具体步骤如下：

1）在已灭菌的液体培养基中，接入已活化的烟曲霉原变种（Aspergillusfumigatus）HHE-A8的孢子，并在温度30℃下摇床培养2h，得到种子液；

2）取上述种子液接入灭菌后的混合废水培养基中进行发酵培养；

3）培养结束后进行过滤，得到滤液即为微生物絮凝剂。

优选地，步骤1）所述的液体培养基为：20g/L的葡萄糖，0.5g/L的脲，0.5g/L的酵母浸膏，0.2g/L的(NH₄)₂SO₄，0.1g/L的NaCl，5g/L的K₂HPO₄，2g/L的KH₂PO₄，pH=6.0。

所述微生物絮凝剂与氯化钙、聚合氯化铝等无机絮凝剂复配使用，可用于处理市政污水、工业污水等多种废水。

霉菌体内所含元素组成可简写为C₁₂H₁₈O₇N，微生物生长所需的六大营养要素（碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水）中，除水外，碳源、氮源的需求量相对较大，特别是碳源的需要量大，并且普通培养基中的碳源、氮源的成本高。

发酵废水、啤酒废水均属于食品工业废水，两种废水的可生化性较好，便于烟曲霉原变种吸收利用；营养成分丰富，几乎能提供烟曲霉原变种自身代谢所需的全部营养成分，并且两种废水提供不同的营养成分，发酵废水中氮源含量高，碳源含量低，用其做氮源，不仅提供了充足的氮元素，其中含有的络蛋白氨基酸、络蛋白、丙氨酸和谷氨酸等生长因子对产絮菌的生产发育及絮凝剂的分泌合成均有良好的促进作用。而啤酒废水中碳源含量丰富，氮源含量低，用其做碳源，产絮菌利用效率高，絮凝剂产量高。两者混合实现营养成分互补，达到协同增效的效果，产生大量微生物絮凝剂的同时又实现了污染物的降解，真正实现了变废为宝。由于不需添加碳源、氮源、生长因子等人工营养成分，成本大为降低。

另外在实际培养中发现，尽管磷不是微生物生长的必需元素，但磷酸盐对絮凝剂产量有着关键的影响，不加磷酸盐产絮菌生长发育良好，发酵液中菌体质量较大，但是几乎不产絮凝剂，絮凝效果很差；加入磷酸盐后产絮菌菌体质量没有明显的提高，但是絮凝剂产量明显提高，发酵液絮凝效果较人工培养基还要好。

本发明与现有技术相比，优点在于：

（1）降低生产成本

按照大多文献中使用的培养基，每吨液体絮凝剂粗品成本约为110~150元，其中，碳源费用约占总成本的2/3，酵母膏及氮源费用约占总成本的1/4。本发明采用酵母、啤酒废水做培养基不需外加碳源、氮源仅需添加少量的磷酸盐做磷源，使微生物絮凝剂生产成本大为降低。

（2）絮凝效果好

利用混合废水培养基生产得到的微生物絮凝剂产率高，絮凝效果好，废水培养基发酵液与氯化钙复配处理高岭土悬浊液，悬浊液浊度由110NTU降至13NTU，而采用昂贵人工培养基的发酵液与氯化钙复配使用浊度只能降到23NTU。

（3）变废为宝，废水实现资源化利用

利用混合废水培养基生产微生物絮凝剂，充分利用了废水中的碳源、氮源等营养物质，在得到絮凝剂的同时又降解了啤酒废水、酵母废水中的COD_Cr、总氮等高浓度污染物，真正实现了变废为宝，废水得到资源化利用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

1、混合废水培养基的配制方法

啤酒废水的性质：

COD_Cr浓度为100000mg/L~250000mg/L、总糖浓度为100~200g/L，总氮浓度为500~2000mg/L，总磷浓度为0~1.0g/L，pH值3.0~6.0。

发酵废水的性质：

COD_Cr浓度为20000~80000mg/L、总糖浓度为5~20g/L，总氮浓度为2500~3500mg/L，总磷浓度为0~1.0g/L，pH值4.0~6.0。

混合废水培养基配制：

混合废水培养基中总糖浓度在4~12g/L，C/N为1:8~1:12，根据废水的性质计算出两种废水的混合比及稀释倍数。根据计算出的配比，将两种废水混合并稀释，稀释后向混合废水中加入磷酸二氢钾1.0~3.0g/L，磷酸氢二钾2.0~6.0g/L，利用盐酸（0.1mol/L）和氢氧化钠（0.1mol/L）调节混合废水pH值至6.0~7.0.将培养基在121℃下高温灭菌20min，冷却至室温，得到混合废水培养基。

2、种子液培养

种子液培养基成分：葡萄糖（20g/L），脲（0.5g/L），酵母浸膏（0.5g/L），(NH₄)₂SO₄（0.2g/L），NaCl（0.1g/L），K₂HPO₄（5g/L），KH₂PO₄（2g/L），pH值6.0。按上述配比得到液体培养基，将液体培养基在121℃下高温灭菌20min，冷却至室温，取100ml液体培养基，接入已活化的微生物絮凝剂产生菌烟曲霉（Aspergillus fumigatus）的孢子，并在温度30℃下摇床培养2h，得到种子液。

3、混合废水培养产絮烟曲霉原变种

（1）取上述种子液0.2~0.5ml接入100ml灭菌后的混合废水培养基中

（2）混合废水培养基在恒温摇床内进行培养，控制培养温度在28℃~32℃，摇床转速控制在120r/min~180r/min。

（3）培养时间控制在5~7d。

（4）培养结束后将培养基以四层脱脂棉纱布进行过滤，得到滤液即为烟曲霉原变种产微生物絮凝剂。

实施例1

生产微生物絮凝剂的方法

（1）废水水质：

一种啤酒废水总糖浓度为196.1g/L，COD_Cr浓度为250432mg/L，总氮浓度为1796.8mg/L，总磷浓度为0.44g/L。一种发酵废水总糖浓度为19.85g/L，COD_Cr浓度为71194mg/L，总氮浓度为3263.3mg/L，总磷浓度为0.66g/L。

（2）混合废水培养基：

控制混合废水培养基中总糖浓度为4g/L，C/N为1:12，计算后需啤酒废水1.60ml、发酵废水4.38ml，将两种废水混合后稀释至100ml，加入为0.2g磷酸二氢钾，0.5g磷酸氢二钾溶解，利用HCl、NaOH调节废水pH值至6.0，然后将废水在121℃高温灭菌20min，得到廉价的混合废水培养基。

液体培养基（即种子液培养基）：

葡萄糖（20g/L），脲（0.5g/L），酵母浸膏（0.5g/L），(NH₄)₂SO₄（0.2g/L），NaCl（0.1g/L），K₂HPO₄（5g/L），KH₂PO₄（2g/L），pH值6.0。按上述配比得到液体培养基。

（3）培养过程：

将液体培养基在121℃下高温灭菌20min，冷却至室温，取100ml液体培养基，接入已活化的微生物絮凝剂产生菌烟曲霉原变种（Aspergillus fumigatus）HHE-A8的孢子，并在温度30℃下摇床培养2h，得到种子液。

接种0.2ml种子液至混合废水培养基，培养温度为30℃，摇床转速150r/min，培养时间为5d。结束后直接取发酵液作为微生物絮凝剂。

（4）微生物絮凝剂的使用方法

处理高岭土悬浊液：

（a）高岭土悬浊液浊度为110NTU，且主要为细小絮体，较难沉降，首先快速搅拌1L悬浊液（150rpm），30s后加入10ml 1mol/LCaCl₂，继续搅拌30s加入5.0ml微生物絮凝剂，继续快速搅拌2min后，转为慢速搅拌（50rpm），20min后停止搅拌，静置10min取上层清液测试浊度，处理后悬浊液浊度可降至13.3NTU，絮凝率达到87.9%，同等情况下，采用人工培养基培养的微生物絮凝剂，浊度最低只能降到18.7，絮凝率仅为83%。

（b）高岭土悬浊液水质、搅拌程序同上。投药量为5.0ml微生物絮凝剂（发酵液）与5ml 1mol/LCaCl₂，处理后悬浊液浊度可降至18.3NTU，絮凝率达到83.4%，同等情况下，采用人工培养基培养的微生物絮凝剂，浊度最低只能降到23.7NTU，絮凝率为78.5%。

（c）高岭土悬浊液水质、搅拌程序同上。投药量为10.0ml微生物絮凝剂（发酵液）与5ml 1mol/L CaCl₂，处理后悬浊液浊度可降至15.3NTU，絮凝率达到86.1%，同等情况下，采用人工培养基的微生物絮凝剂，浊度最低只能降到19.7NTU，絮凝率为82.1%。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：混合废水培养基中C/N为1:8。

制得的微生物絮凝剂按方法（a）处理高岭土悬浊液，浊度去除效率达到75%。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：混合废水培养基中总糖浓度为12g/L，C/N为1:8，磷酸二氢钾浓度为1.0g/L。

制得的微生物絮凝剂按方法（a）处理高岭土悬浊液，浊度去除效率达到76%。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：混合废水培养基中总糖浓度为12g/L，磷酸氢二钾浓度为3.0g/L。

制得的微生物絮凝剂按方法（a）处理高岭土悬浊液，浊度去除效率达到71%。

Claims

1.利用酵母废水和啤酒废水生产微生物絮凝剂的方法，其特征是：将酵母废水和啤酒废水混合，并添加磷酸盐，得到混合废水培养基，在该混合废水培养基中接种烟曲霉原变种（Aspergillus fumigatus），通过控制酵母废水和啤酒废水的比例使混合废水培养基中总糖浓度为4～12g/L，碳氮比为1:8～1:12，发酵生产微生物絮凝剂；所述磷酸盐为磷酸二氢钾和磷酸氢二钾，所述磷酸二氢钾的添加量为1.0～3.0g/L，磷酸氢二钾的添加量为2.0～6.0g/L；所述烟曲霉原变种为烟曲霉原变种（Aspergillus fumigatus）HHE-A8，由中国典型培养物保藏中心保藏，其简称为CCTCC，保藏编号为：CCTCC NO:M2012081，保藏日期为2012年3月14日。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述混合废水培养基pH值控制在6.0～7.0，所述发酵时间为5～7d，发酵温度为28℃～32℃，发酵时搅拌速度为120～180r/min。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述啤酒废水总糖浓度为100～200g/L，总氮浓度500～2000mg/L；酵母废水总糖浓度为10～20g/L，总氮浓度为2500～3500mg/L。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述发酵生产微生物絮凝剂的具体步骤如下：

3）培养结束后进行过滤，得到滤液即为微生物絮凝剂。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：步骤1）所述的液体培养基为：20g/L的葡萄糖，0.5g/L的脲，0.5g/L的酵母浸膏，0.2g/L的(NH₄)₂SO₄，0.1g/L的NaCl，5g/L的K₂HPO₄，2g/L的KH₂PO₄，pH=6.0。

6.一种微生物絮凝剂，其特征是：该絮凝剂是由权利要求1～5任意一项方法制备的。