CN106746429A

CN106746429A - 用于腐殖酸活化的微生物复合酶制剂及生产方法

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Publication number: CN106746429A
Application number: CN201710064303.3A
Authority: CN
Inventors: 赵维韦; 宋建华; 袁黎; 张鑫杰
Original assignee: Association (shanghai) Biological Technology Co Ltd
Current assignee: Association (shanghai) Biological Technology Co Ltd
Priority date: 2017-02-04
Filing date: 2017-02-04
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明涉及腐殖酸活化的微生物复合酶制剂及生产方法，采用市政污泥和腐殖酸底物作为原料，包括以下步骤：a.预处理，使市政污泥降低污泥含水率，腐殖酸底物呈粉状、小颗粒状或匀浆状，腐殖酸底物pH为5‑9；b.混合，将预处理过的市政污泥和腐殖酸底物按市政污泥干物质：腐殖酸底物干物质质量为2/8～8/2进行混合，混合后的含水率为65‑75％。本发明直接将含有丰富内源酶的市政污泥作为外源酶应用于生产腐殖酸活化的微生物复合酶制剂，混合后物料具有良好的流动性；简单混合不破坏酶的活性；原料混合不需要精确的混合比例，降低了操作控制难度。

Description

用于腐殖酸活化的微生物复合酶制剂及生产方法

[技术领域]

本发明涉及用于腐殖酸活化的微生物复合酶制剂及生产方法。

[背景技术]

市政污水厂产生的剩余污泥主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成，具体的，市政污泥有以下特点：

1.有机物：主要包括蛋白质、多糖、腐殖酸、脂类、核酸等。市政污泥中有机成分含量一般占干物质的65％-85％，其中腐殖酸约占16％-35％。

2.无机物：市政污泥中含有丰富种类的金属元素，包括大量元素，微量元素和重金属。其中重金属是制约污泥资源化利用的关键因素之一。

3.微生物：市政污泥中的微生物主要是细菌群落组成的，细菌总数占微生物总数的90％及90％以上。还含有少量的真菌，放线菌，原生动物，藻类等。市政污泥中有害的微生物主要是寄生虫卵和病原微生物。

随着城市污水处理率的提高，剩余污泥产量也不断增加。合理的处理与处置剩余污泥，将污泥变废为宝，既可以避免污泥对自然环境和人类的危害，又可以进行资源化利用，实现经济价值。

市政污泥中的内源酶

微生物多样性是市政污泥中微生物最大的特点，空气、水体、土壤等自然环境中的微生物大都可以在市政污泥中找到。其中数量大、功能性强的优势菌也有几种到几十种。这些优势菌按功能分类可以分为：水解酸化细菌、异养消化细菌、产甲烷细菌、硝化细菌、氨化细菌、反硝化细菌、聚磷菌、聚硫菌、聚糖菌等，按照微生物生理功能分类可以分为：变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、腐生菌门、消化螺旋菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门、酸杆菌门、放线菌门等。因此，市政污泥可以看做是一个数量庞大，种类丰富的产酶集团。

水解酶是市政污泥中最主要的酶类，市政污泥中的微生物不仅参加一些小分子细胞新陈代谢，而且通过酶的水解作用使得大部分大分子有机物通过一系列的水解反应变成可被细菌细胞吸收系统吸收的较小单位的物质。这些微生物还会分泌大量的胞外聚合物(EPS)来吸附环境中的有机物，EPS是微生物在一定条件下，在其代谢过程中分泌的、包围在微生物细胞壁外的聚合化合物，包括荚膜、粘液层以及其他表面物质。经过分析可以知道，这些聚合物的成分为脂类、多糖、蛋白质和腐殖酸等。EPS中的蛋白质主要是微生物为了分解废水中固体和胶体的有机物质而分泌的酶类，水解酶主要通过EPS吸附而束缚于污泥中，且主要位于EPS中。市政污泥中包含一系列的水解酶，有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、糖苷酶等。

氧化还原酶是市政污泥中另外一种非常重要的酶类，是一种用于促进废水中有机物进行氧化还原反应、转移电子、氢的反应和分子氧参加反应的酶类，有脱氢酶、氧化酶、还原酶、过氧化物酶等。

市政污泥中还含有大量的转移酶类，可以催化有机物之间进行基团(如乙酰基、甲基、氨基、磷酸基等)的转移或交换，有甲基转移酶、氨基转移酶、乙酰转移酶、转硫酶、激酶和多聚酶等。

市政污泥中的裂合酶类可以催化从有机物移去一个基团并留下双键或其进行逆反应，有脱水酶、脱羧酶、碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合酶等。

市政污泥中也含有各种异构酶类和合成酶类，有异构酶、表构酶、消旋酶、谷氨酰胺合成酶、DNA连接酶、tRNA连接酶、羧化酶等。

市政污泥中的这些酶具有以下特点：

1.酶含量高，废水中有机物浓度低，分泌较多的酶用于和其他微生物竞争营养物质；

2.复合性强，含有各种不同种类、不同功能的酶以应对废水中复杂的有机物组分；

3.高效性，可以在很短的时间内将细胞不能直接吸收的物质转化了细胞可以吸收的物质；

4.适应性强，酶的活性受环境因素的干扰较普通酶类小很多。

目前，腐殖酸活化使用的大部分酶都是来自于微生物的提取，而提取过程总会对酶的活性产生负面影响，因此可以考虑到的如果直接使用含内源酶的微生物作为粗品的酶源进行腐殖酸活化可能会具有良好的效果。可以发现市政污泥中含有丰富的内源酶，并且这些内源酶的种类和活性都是腐殖酸活化过程中特别需要的，尤其是水解酶类和氧化还原酶类。因此，可以考虑到的如果利用内源酶丰富的市政污泥和腐殖酸底物一起进行活化的话可能会提高腐殖酸活化的效率和得率。

[发明内容]

本发明的目的在于利用市政污泥中的内源酶生产。

为了实现上述目的，提供一种腐殖酸活化的微生物复合酶制剂，其生产方法如下：

采用市政污泥和腐殖酸底物作为原料，包括以下步骤：

a.预处理，使市政污泥降低污泥含水率，腐殖酸底物呈粉状、小颗粒状或匀浆状，腐殖酸底物pH为5-9；

b.混合，将预处理过的市政污泥和腐殖酸底物按市政污泥干物质：腐殖酸底物干物质质量为2/8～8/2进行混合，混合后的含水率为65-75％。

该生产方法还具有如下优化工艺：

腐殖酸底物采用褐煤，包括以下步骤：

a.预处理，市政污泥经静置沉淀，排出上清液后得到含水率95-97％的浓缩污泥，浓缩污泥中添加浓度1‰，添加比例1/100的PAM，充分搅拌，然后进行过滤，得到含水率是80-84％的污泥，褐煤粉碎，过50-10目筛网，

b.混合，将预处理过的市政污泥和预处理过的褐煤按照1-2:1的比例进行充分混合。

腐殖酸底物采用棕榈粕和蘑菇渣，包括以下步骤：

a.预处理，市政污泥经静置沉淀，排出上清液后得到含水率95-97％的浓缩污泥,浓缩污泥中添加浓度2‰，添加比例1/100的PAM，充分搅拌，然后通过离心机离心，得到含水率是80-84％的块状污泥，棕榈粕直接使用，蘑菇渣通过搅拌破碎，分散为小颗粒后直接使用，

b.混合，将预处理过的市政污泥和棕榈粕和蘑菇渣按照1:0.2-1:0.5-2的比例进行充分混合。

步骤a中，在市政污泥中添加含有K⁺，Na⁺，Mg²⁺，Zn²⁺，Fe²⁺，Ca²⁺，Cl^—，半胱氨酸，EDTA中的至少一种激活剂。

步骤a中，在市政污泥中添加吐温-80，植酸，二乙胺四乙酸，甲醇，表面活性剂中的至少一种酶促反应剂。

步骤a中，在腐殖酸底物中添加甘氨酸-盐酸缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲液、Tris-盐酸缓冲液、硼砂-盐酸缓冲液、氯化钾-盐酸缓冲液中的至少一种缓冲液。

所述的市政污泥未经灭菌处理的新鲜污泥并保持原有的内源酶活性。

腐殖酸底物包括天然腐殖酸底物和人造腐殖酸底物。

天然腐殖酸底物包括泥炭、褐煤、风化煤、石油渣，人造腐殖酸底物包括污水处理系统排出的活性污泥、农作物生长、生产及加工过程中产生的废料、饲养动物生长、生产及加工过程中产生的废料、食品、药品、保健品生产加工过程中产生的废料、植物和藻类。

本发明同现有技术相比，原料、生产工艺及其制成的产品具有以下优点：

1.创新的直接将含有丰富内源酶的市政污泥作为外源酶应用于腐殖酸活化，因没有经过提取、干燥、储存等破坏酶活的工序，所以酶的活性要高于普通纯品的工业用酶。

2.原料成本低，降低了复合酶制剂的生产成本。利用废水中大量的养分培养微生物获得市政污泥，从而减少了外源养分(氮源、磷源等)的投入。

3.废水中溶解性有机质含量高，而且废水培养微生物后废水变成清水，制得市政污泥中主要都是微生物，酶的浓度得以保证。

4.市政污泥中微生物种类丰富，微生物适应性的产出多种酶类用于废水中有机物的消化和代谢，产出用于腐殖酸活化的酶复合型好。这些酶具有以下特点：a.复合性，以应对废水中复杂的有机物组分；b.高效性，可以在很短的时间内将细胞不能直接吸收的物质转化了细胞可以吸收的物质；c.适应性强，酶的活性受环境因素的干扰较普通酶类小很多。

5.市政污泥中微生物适应性的产出胞外聚合物用于吸附有机物质，胞外聚合物中含有多种胞外酶，将大分子有机物分解成小分子有机物，便于迅速扩散到细胞内。酶与腐殖酸底物接触非常高效。

6.市政污泥来源广泛，产量巨大，生产可持续。

腐殖酸底物：

1.腐殖酸底物中人造腐殖酸底物均为农业生产、加工及自然生长的废弃物，原料来源广泛，容易获取，同时实现了废弃物的资源化利用。

2.腐殖酸底物来源广泛，配比灵活，生产可持续。

工艺优点

1.将市政污泥和腐殖酸底物进行简单的混合，混合后物料具有良好的流动性；简单混合不破坏酶的活性；原料混合不需要精确的混合比例，降低了操作控制难度。

4.生产设备的优点：设备构造简单，生产条件比较宽松，用于原料添加量控制，混合搅拌，含水率控制，加药控制等设备精度要求比较低；酶促活性效率非常高，大大降低了单位活化腐殖酸产量的投资成本。

5.生产操作的优点：没有酶制剂的采购、运输、装卸、配比；腐殖酸底物的种类丰富，配比灵活，降低了采购和配比难度；活化过程简单，控制指标少，大大减少了生产操作的难度。

6.环境效益的优点。现在，微生物酶制剂的生产通常会有废渣、废液产生、排放。本发明专利利用市政污泥作为腐殖酸活化的酶制剂，降低了生产微生物酶制剂对环境造成的影响，同时又将可能对环境造成污染的市政污泥进行了充分的资源化利用，减轻了环境负荷，具有非常可观的环境保护效益。

7.生产成本的优势。腐殖酸活性的酶和底物均为废弃物，原料采购成本明显降低；活化工艺效率非常高，生产过程中控制指标少，降低了生产设施设备的投资和运行成本。

[具体实施方式]

生产复合酶制剂的原料，将市政污泥和腐殖酸底物按一定的比例混合后得到的混合物。其中市政污泥作为活化腐殖酸生产的粗酶制剂。腐殖酸底物包括天然腐殖酸底物和人造腐殖酸底物。具体的：

所述市政污泥是未经灭菌处理的新鲜污泥并保持原有的内源酶活性。

所述天然腐殖酸底物包括：泥炭、褐煤、风化煤、石油渣等。

所述人造腐殖酸底物包括：

1.市政污泥、造纸污泥等污水处理系统排出的活性污泥；

2.秸秆、玉米芯、棕榈粕、番薯藤、锯末、果皮、米糠、棉籽壳等农作物生长、生产及加工过程中产生的废料；

3.禽畜粪便、毛、羽毛、鳞、皮屑等饲养动物生长、生产及加工过程中产生的废料；

4.蘑菇渣、豆腐渣、果汁渣、酒糟、餐厨垃圾、药渣等食品、药品、保健品生产加工过程中产生的废料；

5.绿藻、小球藻、水葫芦、树皮、园林废弃物等自然生长的、可大量获取的植物和藻类。

本发明所述的生产复合酶制剂的原料，将市政污泥和所述腐殖酸底物中的一种或几种按一定的比例制成混合物。其干物质质量比例为2/8-8/2。

所述的生产复合酶制剂的原料具有以下共同特点：

1.所述原料具有一定的流动性。不同的腐殖酸底物，其含水率及流动性各不相同。腐殖酸底物和与其相对应的，具不同含水率市政污泥混合后，混合物的含水率为65-75％。混合后物料具有良好的流动性，能够保证市政污泥中的内源酶与腐殖酸底物充分接触、反应。

2.所述原料中酶含量丰富。由于市政污泥产量大，使用市政污泥作为粗品酶制剂又非常廉价。所述原料中添加的酶的含量远大于活化腐殖酸所需的含量。

3.所述腐殖酸底物的特点。所述腐殖酸底物中人造腐殖酸底物均为农业生产、加工及自然生长的废弃物，原料来源广泛，容易获取，同时实现了废弃物的资源化利用。

4.所述原料配比灵活。市政污泥可以自身作为粗品酶制剂和腐殖酸底物，也可以和其他一种或几种腐殖酸底物进行混合。

原料预处理

1.市政污泥的预处理。市政污水厂排出的污泥含水率为97％-99.5％，因此，市政污泥的预处理主要是降低污泥含水率。

所述市政污泥的预处理是但不仅限于沉降，蒸发，浓缩，过滤，离心，压滤中的至少一种。预处理过程中添加的化学药剂是但不仅限于PAM，AlCl₃，CaO，FeCl₃中的至少一种。

特别的，市政污泥中水解酶主要集中在EPS中，后续工艺会对污泥中的细胞进行彻底的破解，释放胞内酶。而且很多污泥破解方法会对酶的活性造成一定的破坏。因此，在本专利其他内容相同的基础上，增加是但不仅限于机械处理，热处理，酸碱处理，超声处理，化学氧化，酶催化中的至少一种污泥破解方法，都视作对本专利的侵权。

特别的，一方面为了避免化学药剂的过量添加，另一方面激活剂对酶的作用具有一定的选择性，即一种激活剂对某种酶能够起激活作用，而对另一种酶有抑制作用。鉴于降低生产成本，简化工序，节约能源，保护环境，安全生产等方面考虑，本发明专利优选增加市政污泥的浓度，即提高酶的含量。但并不意味着本发明专利放弃对该部分内容的保护。因此，在本专利其他内容相同的基础上，增加是但不仅限于K⁺，Na⁺，Mg²⁺，Zn²⁺，Fe²⁺，Ca²⁺，Cl^—，半胱氨酸，EDTA中的至少一种激活剂，和是但不仅限于吐温-80，植酸，二乙胺四乙酸，甲醇，表面活性剂中的至少一种酶促反应剂，都视作对本专利的侵权。

2.腐殖酸底物的预处理。腐殖酸底物的预处理主要是为了使底物和市政污泥可以充分的混合，同时还包括避免混合时对市政污泥中酶的冲击，提高酶促反应效率，减少后续加工成本进行的预处理。

所述腐殖酸底物的预处理是但不仅限于剪切，粉碎，研磨，振荡，风干，焚烧，压榨，杀青，腐化，灭菌，浸提，分离，脱水，调节pH中的至少一种。所述腐殖酸底物经预处理后，大块儿组织破碎，腐殖酸底物呈粉状、小颗粒状或匀浆状，底物pH为5-9。

特别的，缓冲液能在一定程度上保护酶制剂，避免酶制剂受到底物的冲击。鉴于降低生产成本，简化工序，节约能源，保护环境，安全生产等方面考虑，本发明专利优选增加市政污泥的浓度，即提高酶的含量。但并不意味着本发明专利放弃对该部分内容的保护。因此，在本专利其他内容相同的基础上，增加是但不仅限于甘氨酸-盐酸缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲液、Tris-盐酸缓冲液、硼砂-盐酸缓冲液、氯化钾-盐酸缓冲液中的至少一种缓冲液，都视作对本专利的侵权。

3.混合。将预处理过的市政污泥和预处理过的腐殖酸底物按照一定的比例进行混合，混合比例按干物质质量比例计算，为2/8-8/2，混合后原料的含水率为65-75％。

所述的生产复合酶制剂的原料预处理具有以下共同特点：

1.所述市政污泥的预处理仅仅是降低其含水率，并不需要将市政污泥中的酶进行提取和提纯，从生产链的角度，大大减少了酶制剂的生产工序和药剂消耗，同时也保证了酶的活性不受到任何破坏。

2.所述市政污泥作为酶制剂，储量丰富，价格低廉，因此所述腐殖酸底物的预处理可以不需要考虑对酶的冲击。腐殖酸底物的预处理只需要保证能与市政污泥充分混合，大大减少了腐殖酸底物预处理的生产工序和药剂消耗。

3.所述市政污泥降低含水率后仍然具有很好的流动性，因此腐殖酸底物的预处理不需要通过加水来提高其流动性。

实施例1

利用市政污泥与褐煤混合生产复合酶制剂。市政污泥和褐煤按干物质质量比例1-10:1进行混合，其中：市政污泥含水率是75-97％，市政污泥中蛋白干基含量是30-55％，腐殖酸干基含量是16-35％。褐煤含水率是16-22％，褐煤中腐殖酸含量是35-45％，其中分子量大于100kDa的腐殖酸占腐殖酸总量的80-85％。

预处理。市政污泥经静置沉淀，排出上清液后得到含水率95-97％的浓缩污泥。浓缩污泥中添加浓度1‰，添加比例1/100的PAM，充分搅拌。然后通过带式压滤机压滤，得到含水率是80-84％的薄饼状污泥。褐煤粉碎，过50-10目筛网。

混合。将预处理过的市政污泥和预处理过的褐煤按照1-2:1的比例进行充分混合。

实施例2

利用市政污泥生产复合酶制剂。市政污泥既含有活化腐殖酸需要的酶，也含有一定含量的腐殖酸。其中：市政污泥含水率是75-97％，市政污泥中蛋白干基含量是30-55％，腐殖酸干基含量是16-35％。

预处理。市政污泥经静置沉淀，排出上清液后得到含水率95-97％的浓缩污泥。浓缩污泥中添加生石灰，添加比例15-40Kg/m³，充分搅拌。然后通过板框压滤机压滤，得到含水率是65-75％的泥饼。

混合。得到的泥饼有一定的硬度，泥饼通过挤压搅拌后破碎为颗粒状污泥。

实施例3

利用市政污泥与棕榈粕、蘑菇渣混合生产复合酶制剂。市政污泥和棕榈粕、蘑菇渣按干物质质量比例1:0.2-1:0.5-2进行混合，其中：市政污泥含水率是75-97％，市政污泥中蛋白干基含量是30-55％，腐殖酸干基含量是16-35％。棕榈粕含水率是5-30％，棕榈粕中蛋白干基含量是7-14％，腐殖酸干基含量是15-50％，其中分子量在10-100kDa的腐殖酸占腐殖酸总量的78％以上。蘑菇渣含水率是5-30％，蘑菇渣中蛋白干基含量是2-40％，腐殖酸干基含量是20-65％，其中分子量在10-100kDa的腐殖酸占腐殖酸总量的75％以上。

预处理。市政污泥经静置沉淀，排出上清液后得到含水率95-97％的浓缩污泥。浓缩污泥中添加浓度2‰，添加比例1/100的PAM，充分搅拌。然后通过离心机离心，得到含水率是80-84％的块状污泥。棕榈粕含水率低，颗粒度小，可以直接使用。蘑菇渣通过搅拌破碎，分散为小颗粒后也可以直接使用。

混合。将预处理过的市政污泥和棕榈粕和蘑菇渣按照1:0.2-1:0.5-2的比例进行充分混合。

Claims

1.一种腐殖酸活化的微生物复合酶制剂的生产方法，其特征在于采用市政污泥和腐殖酸底物作为原料，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于腐殖酸底物采用褐煤，包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于腐殖酸底物采用棕榈粕和蘑菇渣，包括以下步骤：

4.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于步骤a中，在市政污泥中添加含有K⁺，Na⁺，Mg²⁺，Zn²⁺，Fe²⁺，Ca²⁺，Cl^—，半胱氨酸，EDTA中的至少一种激活剂。

5.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于步骤a中，在市政污泥中添加吐温-80，植酸，二乙胺四乙酸，甲醇，表面活性剂中的至少一种酶促反应剂。

6.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于步骤a中，在腐殖酸底物中添加甘氨酸-盐酸缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲液、Tris-盐酸缓冲液、硼砂-盐酸缓冲液、氯化钾-盐酸缓冲液中的至少一种缓冲液。

7.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于所述的市政污泥未经灭菌处理的新鲜污泥并保持原有的内源酶活性。

8.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于腐殖酸底物包括天然腐殖酸底物和人造腐殖酸底物。

9.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于天然腐殖酸底物包括泥炭、褐煤、风化煤、石油渣，人造腐殖酸底物包括污水处理系统排出的活性污泥、农作物生长、生产及加工过程中产生的废料、饲养动物生长、生产及加工过程中产生的废料、食品、药品、保健品生产加工过程中产生的废料、植物和藻类。

10.一种采用权利要求1～9任一生产方法生产的复合酶制剂。