CN105132466A - 一种造纸废水发酵生产表面活性剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用造纸废水发酵生产生物表面活性剂的方法，该方法利用造纸厂生产过程中产生的黑液、白液或综合废水，过滤后每升废水加入20-100mL废弃食用油脂、植物油或甘油，1-2g酵母粉或酵母膏，灭菌后接种发酵菌株即可获得生物表面活性剂的发酵液；发酵液经中和、过滤和稀释，可以直接用作酶脱墨剂助剂、农药助剂或制药助剂。本发明培养基采用废水配制而成，省去了发酵用水和无机盐的成本，生产方法简单，提高了废水的利用率和企业经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种造纸废水发酵生产表面活性剂的方法，具体涉及一种以废水为发酵用水生产生物表面活性剂的方法，属于发酵工程技术领域。
背景技术
造纸废水主要来自造纸工业生产中的制浆和抄纸两个生产过程。制浆产生的造纸废水，污染最为严重。洗浆时排出废水呈黑褐色，称为黑水，黑水中污染物浓度很高，含有大量纤维、无机盐和色素。漂白工序排出的造纸废水也含有大量的酸碱物质。抄纸机排出的造纸废水，称为白水，其中含有大量纤维和在生产过程中添加的填料和胶料。本发明中涉及的造纸废水是指黑液、白液、或最后排出的综合废水。
造纸废水是一种处理难度较大的工业废水，目前对造纸废水多在污染处理场采用过滤回收纸浆，再通过物理化学与生化方法相结合的方法进行处理，将废水化学需氧量(COD)等指标降至排放标准之下，处理成本高，比如胜达集团江苏省双灯纸业有限公司每年处理费用高达数百万元，在减轻废水污染，保证生态效益的同时，却不能给企业带来直接经济效益，是企业的沉重负担。
目前多数已经发表文献和公开专利都着重强调造纸废水的无害化处理，或回收一部分木质素、纤维素等，而回收这部分木质素和纤维素之后的废水不能资源化。同时生物表面活性剂发酵生产降低成本的措施多集中于采用低廉的碳源、氮源等，而没有在节省水资源和无机盐用量上的方向上努力。到目前为止，尚无利用造纸废水发酵生产生物表面活性剂的报道。
生物表面活性剂由生物体产生的两性物质，目前主要通过微生物发酵产生。过去，表面活性剂主要通过化学合成的方式生产。近年来，由于生物表面活性剂具有表面活性强、低毒无公害、可生物降解、环境友好、对极端环境耐受性好等优点，日益引起关注，被视为化学表面活性剂的替代品。其中鼠李糖脂为研究最深入、应用最广泛的生物表面活性剂之一，在石油、化工、制药、环境、农业等领域获得应用。
造纸废水过滤后，其含有的无机盐、可溶性的糖等成份均可被微生物利用，再加上适量的碳源和生长因子，只要筛选出适应造纸废水并能进行发酵的菌株，则可以变废为宝，既降低废水污染程序，又达到生产有益产品的目的。
已授权专利(公开号：CN101649330B)公开了一种利用退浆废水发酵生产生物表面活性剂的方法，本发明与其不同之处是：(1)应用废水种类不同，已有专利应用的印染行业中的退浆废水，本发明应用造纸废水；(2)利用方法不同，已有专利对废水要进行过滤、在测定成份的基础上进行浓缩和中和，再加入各种无机盐，然后进行发酵，主要利用废水中的碳源，本发明仅需对废水进行过滤即可，充分利用废水中的无机盐和少量可溶性糖，再添加不溶性碳源和生长因子，不再添加无机盐，相比之下，生产工艺更简单，生产成本更低；(3)菌株不同。已有专利应用BacillussubtilisHSO121，为枯草芽孢杆菌，本发明以申请人公开的发明中的铜绿假单胞菌Z-2、105-1等菌株为发酵菌株；(4)产物种类和应用范围不同，已有专利中的产物为脂肽类，重新应用于染整工艺上，本发明中的产物可应用于造纸行业的脱墨剂助剂、农药助剂或制药助剂。
发明内容
本发明针对上述造纸废水处理成本高、利用率不高、企业负担重、经济效益不佳等问题，提出采用以造纸废水为发酵用水生产生物表面活性剂的方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种造纸废水发酵生产表面活性剂的方法，包括如下步骤：
(1)废水预处理：用中性滤纸、过滤棉或中空纤维超滤膜过滤造纸废水至基本无固体悬浮物；
(2)废水培养基配制：按每升废水中加入20-100mL废弃食用油脂、植物油或甘油，1-2g的量加入酵母粉或酵母膏，120-122℃蒸汽高压灭菌或通入蒸汽灭菌15-20分钟；
(3)种子培养：取新鲜斜面将发酵菌株活化后，接种于肉汤培养基摇瓶培养或通气培养8-12小时，培养温度为28-30℃；
(4)接种发酵：步骤(2)灭菌后的废水培养基冷却后，按2％-5％的量接入步骤(3)得到的发酵菌株的种子液，在28-32℃的温度下，摇瓶发酵或在发酵罐内发酵3-5天，即收获含有生物表面活性剂的发酵液；
(5)发酵液处理：发酵结束后，用碱液将发酵液的pH调到8.0左右，用脱脂棉或中空纤维超滤膜过滤或用高速离心机离心，去除细胞和油脂，用苯酚-硫酸法或蒽酮-硫酸法测定发酵液中鼠李糖脂浓度，稀释至工作浓度后直接应用于酶脱墨剂助剂、农药助剂或制药助剂。
与现有生物表面活性剂发酵技术相比，本发明产生的有益效果为：(1)培养基采用废水配制而成，省去了发酵用水和无机盐的成本，与现有废水处理的技术相比，变废为宝，生产方法简单。(2)该方法克服以往研究思路的局限，变单纯地治理废水为用废水进行发酵生产，提高废水的利用率，提高造纸企业的经济效益的同时减少了环境污染。
下面结合附图和实施对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为造纸综合废水发酵情况(由左向右依次是：废水发酵、1/10废水发酵、废水未接菌对照)；
图2为不同碳源种类对产表活性能的影响；
图3为不同氮源种类对发酵液表面张力的影响；
图4为5升发酵罐中发酵液排油圈连续测定结果(单位：mm)；
图5为发酵液稀释10倍后对金黄色葡萄球菌的抑菌效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和实施方式对本发明方法进行具体描述。
本发明采用的菌株为可利用废水产表面活性剂的菌株，其中之一为发明自行分离的Z-2，已经申请专利保藏，并申报专利(保藏号：CGMCCNo.9091，专利公开号：CN103333816A)，该菌株耐盐、抗污能力强，可以利用造纸废水添加废弃食用油脂、植物油或甘油和极少量酵母粉等进行发酵，产物为鼠李糖脂。除采用Z-2外，还采用另一个产表面活性剂菌株105-1，(专利授权公告号：CN103333816B)。见实例。
实施例1：
摇瓶发酵生产鼠李糖脂：
(1)菌种：Z-2(保藏号：CGMCCNo.9091)
(2)配制培养基：
合成发酵培养基：NaNO32.5g，KH2PO44g，K2HPO44g，CaCl20.1g，MgSO40.2g，NaCl1.0g，微量元素母液1mL，炸货油30mL，酵母提取物1g，去离子水1000mL，pH6.5。
黑液发酵培养基：硫酸盐制浆黑液用中性滤纸过滤至基本无固体悬浮物，10倍稀释或不稀释，按每升废水的加入30mL废弃食用油脂、植物油或甘油，1g的量加入酵母粉或酵母膏。
废水培养基配制：造纸综合废水用中性滤纸过滤至基本无固体悬浮物，10倍稀释或不稀释，按每升废水的加入30mL废弃食用油脂、植物油或甘油，1g的量加入酵母粉或酵母膏，
以上培养基均在121℃条件下蒸汽高压灭菌15-20分钟。
造纸废水发酵培养基：废水过滤后10倍稀释或不稀释，加入1g/L酵母粉和1％的炸货油。
其中黑液和造纸综合废水均为胜达集团江苏省双灯纸业有限公司提供，过滤并用硝酸酸化后用ICP法测定Cd、Cr、Cu、Pb，含量在检出限以下。
培养基均分装于150mL三角瓶中，装液量为30mL，121℃灭菌20min后备用。
(3)种子培养：取斜面的菌种接种于营养肉汤培养基中，30℃条件下振荡培养10小时，至浑浊后取出备用。
(4)接种和发酵：种子液直接按3％的接处量接入步骤(2)制备的不同的发酵培养基中，30℃振荡培养4d。
(5)发酵结束后，去除残余油脂，直接测定发酵液的对柴油的排油圈和表面张力，测定方法同申请人以前申报并公开的发明专利(公开号：103160452A)。
具体操作：发酵结束后，用碱液将发酵液的pH调到8.0左右，用高速离心机离心，去除细胞和油脂，用苯酚一硫酸法测定发酵液中鼠李糖脂浓度(以废水为空白对照)，用水稀释至工作浓度后直接应用于酶脱墨剂助剂、农药助剂或制药助剂。
(6)实验结果如下：
表1黑液和造纸废水发酵液表面张力测试
(BS：合成培养基；H：硫酸盐制浆黑液，已经由厂家稀释；Z：造纸综合废水；1/10：稀释10倍，CK为不接菌对照，表面张力测定方法为将发酵液稀释100倍后，采用表面张力仪测定)
由表1和附图1可以看出，添加3％的植物油和0.1％的酵母粉，并接种Z-2后，不论是黑液还是综合废水，不论配制培养基是否稀释，表面张力均比对照降低30％以上，甚至高达50％以上，与综合培养基发酵效果近似。值得注意的是，稀释后的黑液和综合废水发酵效果与不稀释的发酵效果无显著性差异，其中综合废水不稀释发酵效果最好。
表2废水发酵未接菌的不同对照的排油圈和表面张力比较
(CK1：只加水样，不加其他成份，不接菌；CK2：只加水样与酵母粉，不接碳源，不接菌；
CK3：水样+酵母粉+植物油，不接菌。排油圈测定方法将发酵液稀释10倍左右，培养皿中放20mL水，滴加100μL柴油形成油脂后，将稀释后的发酵液滴入10μL，排油圈稳定后测定其直径大小)
由表2数据可知，各对照振荡培养3d，没有产生表面活性剂，排油圈均为0，表面张力在74-79mN/m范围内，与同等条件下测定的去离子水的表面张力接近，由于废水中含有污染物，包括无机盐和可溶性的糖类物质，表面张力比去离子水表面张力略高，而酵母粉和植物油可能会降低表面张力，但差异不显著，可以认为在当前测定条件下，酵母粉、植物油等均不影响废水表面张力。因此，表1中关于表面张力下降的结果是由发酵产物造成的。
实施例2：
摇瓶发酵参数同实施例1，只是添加不同种类的碳源和氮源，碳源添加量为3％，氮源添加量为2.5g/L。发酵后测定发酵液稀释100倍后的表面张力。
由附图2可知，疏水性碳源炸货油发酵效果高于水溶性碳源甘油，不论是从排油圈还是从表面张力来看，炸货油均比甘油做碳源发酵效果要好得多。炸货油作碳源的发酵液排油圈为41.1mm，而甘油仅29mm，前者比后者大41.6％；在表面张力上，炸货油作碳源时比甘油降23.7％。
由附图3可以看出，添加氮源虽然较不添加略有下降(对比碳源优化时的实验数据)，但氮源种类对发酵液表面张力几乎没有影响，均为35mN/m左右。考虑成本问题，以添加尿素为宜，在实际生产中也可以不添加。
实施例3：
摇瓶发酵参数同实施例1，菌株为105-1，发酵3d后，测定结果如下：
表3ZV7废水发酵结果
(FS1、FS2和FS3同一地点不同时期取的废水样，鼠李糖脂含量采用苯酚-硫酸法测定，发酵液稀释50倍比色后再由回归方程计算得来。)
由表3可知，不同时期的废水发酵产量非常稳定，发酵液中鼠李糖脂产量在10g/L左右。
实施例4：
5升发酵罐小试。
造纸废水过滤后加入5升发酵罐中，装液量为3升，同时加入3g酵母粉，炸货油采用流加的方式，按3％的总添加量，第一次添加量为45mL，发酵罐用8层纱布包裹，排气口用12层纱布包裹放入高压蒸汽灭菌锅中121℃灭菌20min。灭菌后将发酵罐安装好，连通各管路，设置发酵温度为30℃，搅拌转速为200r/min，火焰接种，发酵菌Z-2种子液接种量为90mL。发酵期间，每12h取一次发酵液，测定排油圈，发酵4d后，结束发酵。发酵24h后添加45mL炸货油。
测定发酵液排油圈结果如下：
由附图4可知，稀释10倍后的排油圈大小在24h-72h内迅速增加，由22.15mm增加到54.92mm。发酵结束后测定发酵液稀释10倍后的排油圈为56.12mm，稀释100倍后的表面张力为41.73mN/m，苯酚-硫酸法测定的鼠李糖脂产量为5.56g/L，基本达到预期的发酵效果，并且有增加产量的空间。
实施例5：
抑菌活性测定。
取实例3中的发酵液，废水发酵液用去离子水稀释至浓度约0.5g/L(约稀释10倍)，用牛津杯法测定抑菌圈，供试菌为金黄色葡萄球菌(实验室自行保存)。同时选取500单位/mL的青霉素溶液和浓度为2.0g/L的鼠李糖脂母液，按照体积比为1∶9，2∶8，3∶7，4∶6，5∶5，6∶4，7∶3，8∶2，9∶1的比例进行两两复配，然后进行牛津杯法的抑菌实验。
结果如下：
(1)由附图5可知，发酵液对金黄色葡萄球菌最有较好的抑菌效果，培养3d后，抑菌圈可达2.02mm。
(2)由表3可知，青霉素与鼠李糖脂复配效果良好，鼠李糖脂与青霉素溶液对金黄色葡萄球菌复配液抑制效果最好的比例是3∶7，抑菌圈直径是28.3mm；复配液对于苏云金芽孢杆菌的抑制效果最好的比例是6∶4，抑菌圈直径是23.7mm，且复配后抑制效果均好于单因素同等条件下的抑制结果。
表3鼠李糖脂与青霉素溶液复配抑菌结果
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种造纸废水发酵生产表面活性剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)废水培养基配制：每升废水加入20-100mL废弃食用油脂、植物油或甘油，1-2g酵母粉或酵母膏，120-122℃蒸汽高压灭菌或通入蒸汽灭菌15-20分钟；
(2)种子培养：取新鲜斜面将发酵菌株活化后，接种于肉汤培养基摇瓶培养或通气培养8-12小时，培养温度为28-30℃；
(3)接种发酵：步骤(1)灭菌后的废水培养基冷却后，按2％-5％的量接入步骤(2)得到的发酵菌株的种子液，在28-32℃的温度下，摇瓶发酵或在发酵罐内发酵3-5天，即收获含有生物表面活性剂的发酵液。
2.如权利要求1所述的造纸废水发酵生产表面活性剂的方法，其特征在于：所述步骤(1)之前还包括废水预处理步骤，具体操作为：用中性滤纸、过滤棉或中空纤维超滤膜过滤造纸废水至基本无固体悬浮物。
3.如权利要求1所述的造纸废水发酵生产表面活性剂的方法，其特征在于：所述步骤(3)接种发酵之后还包括发酵液处理步骤，具体操作为：发酵结束后，用碱液将发酵液的pH调到8.0左右，用脱脂棉或中空纤维超滤膜过滤或用高速离心机离心，去除细胞和残余油脂，用苯酚一硫酸法或蒽酮一硫酸法测定发酵液中鼠李糖脂浓度，稀释至工作浓度后直接应用于酶脱墨剂助剂、农药助剂或制药助剂。
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