CN104232725B - 一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法 - Google Patents

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一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法。它涉及一种利用有机废水产类胡萝卜素的方法。它解决了现有PSB处理食品有机废水合成类胡萝卜素的方法中PSB对于有机物的降解能力有限，供类胡萝卜素合成底物较少，废水处理中菌体类胡萝卜素的产率低，阻碍了废水处理的资源化进程的问题。方法：一、调节食品有机废水的pH值，然后加入球形红杆菌和促生菌；二、在微好氧条件下处理时间72～96h；三、回收、提取获得类胡萝卜素。与现有传统的单独利用光合细菌处理食品有机废水技术相比，本发明方法的菌体产率和类胡萝卜素产率分别提高25％以上和100％以上，食品有机废水中COD去除率也提高78％以上。

Description

一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法
技术领域
本发明涉及一种利用有机废水产类胡萝卜素的方法。
背景技术
食品有机废水是排放量较大的一类废水，因其无毒害、并且富含大量的糖类、蛋白质及纤维素等大分子营养物质。食品有机废水是一类富含碳、氮源成分的废水，水力负荷和有机负荷都比较高，对环境的污染非常强烈，尤其会造成水体的富营养化，破坏水体的自净能力。目前主要利用生物法处理食品有机废水，包括活性污泥法和生物膜法等；但活性污泥法和生物膜法的工艺流程复杂，且会产生大量剩余污泥，处置费用高，资源化程度低，还易造成二次污染。
利用光合细菌(Photosynthetic bacteria，PSB)处理食品有机废水，不仅可以高效去除污染物，而且可以回收菌体内的目标高价值物质(如单细胞蛋白、5-氨基乙酰丙酸、类胡萝卜素、辅酶Q等)。基于PSB特殊的生理生态学特性，可以以多种有机物作为碳、氮源，利用光能，通过特定的产能代谢途径(光合磷酸化和氧化磷酸化)将废水中的污染物质降解，并转化为有价值的菌体成分，实现有机废水处理的高度资源化。其中PSB菌体中的类胡萝卜素含量相对较高，因此利用PSB废水处理过程中实现类胡萝卜素的合成生产是一种绿色、环保、可持续的处理技术。现在用PSB处理食品有机废水合成类胡萝卜素的方法虽然有很多，但已有的这些方法中由于PSB对于有机物的降解能力有限，供类胡萝卜素合成底物较少，导致废水处理中菌体类胡萝卜素的产率低，从而降低了PSB处理效率和类胡萝卜素的回收效率，阻碍了废水处理的资源化进程。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有PSB处理食品有机废水合成类胡萝卜素的方法中PSB对于有机物的降解能力有限，供类胡萝卜素合成底物较少，废水处理中菌体类胡萝卜素的产率低，阻碍了废水处理的资源化进程的问题，而提供的一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法。
按以下步骤利用食品有机废水产类胡萝卜素：
一、调节食品有机废水的pH值为6.5～8.0，然后加入对数生长期的球形红杆菌和促生菌；
二、加入球形红杆菌和促生菌的食品有机废水在光照强度为500～3000lux、处理温度为25～30℃的微好氧条件下处理时间72～96h；
三、回收、提取获得类胡萝卜素；
其中，步骤一中每升食品有机废水加入360mg球形红杆菌菌液，球形红杆菌菌液的浓度为6.2×108～7.0×108cfu/mL；
步骤一中每100毫升食品有机废水加入20～80μL促生菌菌液，促生菌为Bacilluscereus(蜡样芽胞杆菌)，促生菌菌液中Bacillus cereus的浓度为1.4×107～2.0×107cfu/mL；
步骤二中微好氧为控制溶解氧浓度为0.5～1.0mg/L。
本发明方法中用到的食品有机废水中不含有重金属。
本发明方法中加入促生菌Bacillus cereus刺激球形红杆菌的细胞活性，提高球形红杆菌对有机底物基质的利用率，从而为菌体和类胡萝卜素的合成提供更多的原料，并抑制类胡萝卜素降解的酶(过氧化物酶)的活性，从而提高菌体的类胡萝卜素产率。
与现有传统的单独利用光合细菌处理食品有机废水技术相比，本发明方法的菌体产率和类胡萝卜素产率分别提高25％以上和100％以上，食品有机废水中COD去除率也提高78％以上。
附图说明
图1是实施例1～4食品有机废水中COD值随处理时间变化的曲线图。
图2是实施例1～4食品有机废水中菌体产量随处理时间变化的曲线图。
图3是实施例1～4食品有机废水中类胡萝卜素的浓度随处理时间变化的曲线图。
图4是实施例1～4食品有机废水中过氧化物酶活性的比较图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式按以下步骤利用食品有机废水产类胡萝卜素：
一、调节食品有机废水的pH值为6.5～8.0，然后加入对数生长期的球形红杆菌和促生菌；
二、加入球形红杆菌和促生菌的食品有机废水在光照强度为500～3000lux、处理温度为25～30℃的微好氧条件下处理时间72～96h；
三、回收、提取获得类胡萝卜素；
其中，步骤一中每升食品有机废水加入360mg球形红杆菌菌液，球形红杆菌菌液的浓度为6.2×108～7.0×108cfu/mL；
步骤一中每100毫升食品有机废水加入20～80μL促生菌菌液，促生菌为Bacilluscereus，促生菌菌液中Bacillus cereus的浓度为1.4×107～2.0×107cfu/mL；
步骤二中微好氧为控制溶解氧浓度为0.5～1.0mg/L。
本实施方式中的球形红杆菌(Rhodobacter sphaeroides)购自于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌株编号为ATCC17023；促生菌Bacillus cereus购自于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌株编号为ACCC10257。
本实施方式类胡萝卜素的分离、回收、提取可采用现有光合细菌(PSB)处理食品有机废水合成类胡萝卜素的技术。
本实施方式中利用促生菌Bacillus cereus刺激球形红杆菌的细胞活性，增加大分子物质降解，以及抑制降解类胡萝卜素有关酶的产生，一方面为类胡萝卜素合成途径提供更多的基质底物，另一方面在抑制类胡萝卜素的降解，从而提高菌体类胡萝卜素的产率。类胡萝卜素的生产成本也得到了明显的降低。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：食品有机废水的COD值为8000～15000mg/L，TN值为500～2000mg/L，TP值为20～50mg/L。其它步骤及参数与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤一中每100毫升食品有机废水加入30～70μL促生菌菌液。其它步骤及参数与实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤一中每100毫升食品有机废水加入40μL促生菌菌液。其它步骤及参数与实施方式一或二相同。
实施例1
按以下步骤利用食品有机废水产类胡萝卜素：
一、调节食品有机废水的pH值为6.5～8.0，然后加入对数生长期的球形红杆菌和促生菌；
二、加入球形红杆菌和促生菌的食品有机废水在光照强度为2000lux、处理温度为25～30℃的微好氧条件下处理时间96h；
三、回收、提取获得类胡萝卜素；
其中，步骤一中每升食品有机废水加入360mg球形红杆菌菌液，球形红杆菌菌液的浓度为6.2×108～7.0×108cfu/mL；
步骤一中每100毫升食品有机废水加入40μL促生菌菌液，促生菌为Bacilluscereus，促生菌菌液中Bacillus cereus的浓度为1.4×107～2.0×107cfu/mL；
步骤二中微好氧为控制溶解氧浓度为0.6～0.8mg/L。
步骤一中食品有机废水的COD值为12500mg/L，TN值为800～1500mg/L，TP值为25～45mg/L。
本实施例步骤三回收、提取获得类胡萝卜素按以下步骤进行：
A、取步骤二处理96h的食品有机废水6mL，离心弃去上清液(转数为10000r/min，离心时间为10min)；
B、向离心沉淀物(菌体)中加入浓度为3mol/L的HCl4mL，然后微波30s；
C、放入28℃温水浴摇床振荡1.5h；
D、沸水浴4min；
E、迅速放入-20℃环境中冷却10min；
F、离心弃去上清液(转数为10000r/min，离心时间为10min)；
G、用无菌水洗涤菌体两次，再离心，离心转数为10000r/min，离心时间为5min)；
H、向离心沉淀物中加入丙酮6mL，之后28℃恒温水浴振荡浸提30min；
I、迅速放入-20℃环境中冷却2min，然后离心(转数为10000r/min，离心时间为10min)，保留上清液，即得到类胡萝卜素。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点在于步骤一中每100毫升食品有机废水加入20μL促生菌菌液，其它步骤及参数与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点在于步骤一中每100毫升食品有机废水加入80μL促生菌菌液，其它步骤及参数与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的不同点在于步骤一中不投加促生菌菌液，其它步骤及参数与实施例1相同。
实施例1～4食品有机废水中COD值随处理时间变化的曲线图如图1所示。经过96h的处理，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中食品有机废水的COD浓度从初始的12500mg/L分别降到5438mg/L、7133mg/L、793mg/L和9959mg/L。与实施例4相比实施例1、实施2和实施例3的COD去除率分别提高178％、90.7％和79.6％。说明本发明方法可以显著提高食品有机废水COD的去除效率。
实施例1～4食品有机废水中菌体产量随处理时间变化的曲线图如图2所示。实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中球形红杆菌(Rhodobacter sphaeroides)菌体产量分别为3848mg/L、2301mg/L、3091mg/L和2888mg/L。与实施例4相比实施例1、实施2和实施例3中球形红杆菌菌体产量分别提高34.3％、67.2％和25.5％。说明本发明方法可以有效提高球形红杆菌的菌体产量。
实施例1～4食品有机废水中类胡萝卜素的浓度随处理时间变化的曲线图如图3所示。实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中类胡萝卜素浓度分别为11.32mg/L、7.59mg/L、7.52mg/L和3.69mg/L。与实施例4相比实施例1、实施2和实施例3中类胡萝卜素的产量分别提高207％、106％、和104％。说明本发明方法可以明显提高类胡萝卜素的产量。
通过比较发现类胡萝卜素产率(即单位生物产量的类胡萝卜素浓度)实施例1、实施例2、实施例3和实施例4分别为3.24mg/g-biomass、2.78mg/g-biomass、2.97mg/g-biomass和1.90mg/g-biomass。与实施例4相比实施例1、实施2和实施例3中类胡萝卜素产率分别提高70.5％、46.3％和56.3％。
处理过程中测定实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的食品有机废水中过氧化物酶的活性分别为408U/(g·min)、667U/(g·min)、408U/(g·min)和3258U/(g·min)，如图4所示。与实施例4相比实施例1、实施2和实施例3中过氧化物酶的活性均有大幅度的下降，减少了对类胡萝卜素的降解。

Claims (5)

1.一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法，其特征在于按以下步骤利用食品有机废水产类胡萝卜素：
一、调节食品有机废水的pH值为6.5～8.0，然后加入对数生长期的球形红杆菌(Rhodobacter sphaeroides)ATCC17023和促生菌；
二、加入球形红杆菌和促生菌的食品有机废水在光照强度为500～3000lux、处理温度为25～30℃的微好氧条件下处理时间72～96h；
三、回收、提取获得类胡萝卜素；
其中，步骤一中每升食品有机废水加入360mg球形红杆菌菌液，球形红杆菌菌液的浓度为6.2×108～7.0×108cfu/mL；
步骤一中每100毫升食品有机废水加入20～80μL促生菌菌液，促生菌为蜡样芽胞杆菌(Rhodobacter sphaeroides)ACCC10257，促生菌菌液中Bacillus cereus的浓度为1.4×107～2.0×107cfu/mL；
步骤二中微好氧为控制溶解氧浓度为0.5～1.0mg/L。
2.根据权利要求1所述的一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法，其特征在于食品有机废水中不含有重金属。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法，其特征在于食品有机废水的COD值为8000～15000mg/L，TN值为500～2000mg/L，TP值为20～50mg/L。
4.根据权利要求3所述的一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法，其特征在于步骤一中每100毫升食品有机废水加入30～70μL促生菌菌液。
5.根据权利要求3所述的一种利用食品有机废水产类胡萝卜素的方法，其特征在于步骤一中每100毫升食品有机废水加入40μL促生菌菌液。
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