CN108477388A - 一种利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法。该方法包括微藻活化、驯化及固定化为微藻珠，固定化微藻珠处理红曲霉发酵废水，微藻处理红曲霉发酵废水净化效果评价，废水处理后藻珠收集、脱固定化、冷冻干燥等步骤。本发明不仅能够使得处理后的废水水质达到相应的废水排放标准，回收应用于农业灌溉和畜牧业养殖等领域，而且联产所得微藻蛋白饲料的蛋白质含量高且优质，营养价值高，即能够在高效、低成本去除红曲霉发酵废水有机污染物的同时，又充分利用其中可资源化的有机质，获得优质单细胞微藻蛋白饲料，具备良好的环境效应和经济效益，且应用范围广泛，易于辐射到其它相近领域。
Description
技术领域
本发明是利用微藻生物处理红曲霉发酵废水，属环境保护领域；同时在废水处理过程中产生高附加值产品，又属于生物质废弃物资源化领域，具体涉及一种利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法。
背景技术
红曲素是由红曲霉属的丝状真菌经液体深层发酵精制而成的一种天然食用色素，在着色剂、防腐剂、杀菌剂等食品领域应用广泛，其活血化瘀、调节血脂、降血压及治疗氨血症等临床药效也十分显著。然而，红曲霉发酵生产红曲素主要以淀粉、豆粉、葡萄糖及玉米浆等为原料，分离与提取产品后的废母液与废糟液含丰富的蛋白质、氨基酸、维生素、糖类及多种微量元素，具有COD和BOD含量高、色度深等特性，处理难度较大。
目前，绝大多数红曲霉发酵企业采用物化结合生化方法处理发酵废水，即通过混凝沉淀等物理化学方法去除机械杂质及大分子悬浮物，之后利用兼氧/好氧微生物的水解酸化和新陈代谢等生化作用来代谢分解部分有机污染物。然而，上述处理过程面临投资成本高、操作繁琐、后续处理不完善以及易导致二次污染等瓶颈问题，其次经上述方法处理后的发酵废水仍有70％～80％的氮、磷及有机污染物存在，直接排放不仅对自然水体及环境造成严重污染且易造成废液中大量可资源化的有机质浪费，严重制约了红曲霉及相关发酵行业的可持续发展。以山东中惠生物科技股份有限公司为例，其红曲霉发酵废水经预沉池、集水和调节、一沉池、兼氧和好氧及二沉池作用后，出水池水质COD浓度仍较高，且废液中大量营养有机质缺乏行之有效的资源化利用途径。为了能使发酵废水达标排放，该厂在环保系统的资金投入高达数千万元，这对于我国当前的红曲素企业而言，经济负担沉重。因此，如何有效提高发酵废水有机污染物去除效率并实现资源化是解决上述问题的关键技术之一。
微藻具有吸收碳、氮、磷等元素作为营养物质供细胞生物质积累及高价值生化组分(如蛋白质、淀粉、维生素、油脂等)合成的特性，已被广泛应用于工业、农业及生活污水氮、磷和其他有机化合物的去除。而红曲霉发酵废水具有排放量大、无毒、营养物质丰富、可生化性强等特点，是微藻生长繁殖的理想培养基质，在高效、低成本地去除红曲霉发酵废水标志性污染物方面具有较大的潜能，而其废水处理后藻体生物质能否有效利用是决定微藻处理发酵污水是否产生二次污染以及资源化利用的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法。
本发明的技术方案是：
一种利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，包括如下步骤：
1)微藻活化、驯化及固定化为微藻珠；
2)固定化微藻珠处理红曲霉发酵废水；
3)微藻处理红曲霉发酵废水净化效果评价；
4)废水处理后藻珠收集、脱固定化、冷冻干燥获得藻粉，即为微藻蛋白饲料。
值得说明的是，步骤4)所得藻粉也可以作为添加剂使用。
进一步地，所述微藻优选为小球藻，更优选为蛋白核小球藻，其环境适应性强且可异养。
进一步地，所述的微藻活化、驯化为：以常规无菌操作平板划线法活化微藻，挑取单克隆微藻，于液体BG11培养基中黑暗光照交替培养数天，获得一级微藻细胞种子液，将一级微藻细胞种子液再次接入新鲜BG11培养基中并隔天滴加红曲霉发酵废水驯化培养数天，获得发酵废水适应性微藻细胞种子液，之后对微藻细胞种子液进行扩大培养，获得足够量的藻液。
进一步地，一级小球藻细胞种子液按种子液与培养基1：6～15的体积比接入新鲜BG11培养基中，一级小球藻细胞种子液的接种量为0.5～5％。
进一步地，所述的固定化为微藻珠具体为：待扩大培养微藻进入对数期，将海藻酸钠溶液与小球藻液混合并搅拌均匀，再采用蠕动泵将CaCl2溶液滴入混合液中对微藻细胞进行包埋固定化处理，静置数小时后形成固定化微藻珠。
进一步地，海藻酸钠溶液与小球藻液的体积比为1：2～6，海藻酸钠溶液的质量分数为2～5％。
进一步地，CaCl2溶液的质量分数为2～4％。
进一步地，所述的固定化微藻珠处理红曲霉发酵废水为：取经预处理、一级处理及二级处理作用后的红曲霉发酵废水，经滤布与滤纸除去细小或者微小固体颗粒后，向红曲霉发酵废水中投入固定化微藻珠进行处理，并补充数次固定化微藻珠。
进一步地，处理周期为1～7天，补充周期为12～36小时。
进一步地，所述的微藻处理红曲霉发酵废水净化效果评价为：分别收集微藻处理前后发酵废水，对其废水指标进行测定，并与中华人民共和国国家污水综合排放标准GB25463-2010(此处为酵母发酵废水排放标准，参照其作为曲霉发酵废水排放标准)进行比较，整体评价微藻对发酵废水净化效果。
进一步地，废水指标包括COD、TN、TP及色度。
进一步地，所述的废水处理后藻珠收集、脱固定化、冷冻干燥具体为：对培养至末期的污水进行过滤获得藻珠，然后将其投入到柠檬酸钠溶液中溶解，静置待其溶解完毕后，对溶液进行离心浓缩、清洗、再离心浓缩得到藻泥，后经冷冻干燥获得藻粉，所获得的藻粉以蛋白质含量、氨基酸种类和含量等营养价值指标评价废水处理后获得的小球藻粉作为蛋白饲料的可行性。
进一步地，柠檬酸钠溶液的质量分数为3～5％。
本发明具有如下的技术效果：
本发明提出一种利用微藻生化处理红曲霉发酵废水及联产蛋白饲料的方法，不仅能够使得处理后的废水水质完全达到中华人民共和国环境保护部GB 25463-2010废水排放标准，回收应用于农业灌溉和畜牧业养殖等领域，而且联产所得蛋白饲料的蛋白质含量高且优质，营养价值丰富，因此，本发明的方法在高效、低成本去除红曲霉发酵废水有机污染物的同时，又充分利用其中可资源化的有机质，获得优质单细胞藻粉蛋白饲料，具备良好的环境效应和经济效益。应用范围广泛，可辐射应用到其他营养基质丰富、可生化性好、无毒且易降解的发酵废水处理及联产高附加值产品领域。
附图说明
图1为实施例1蛋白核小球藻处理红曲霉发酵废水前后指标对比。
图2为实施例1废水处理后获得小球藻粉与几种主要蛋白饲料蛋白质含量比较。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
以常规无菌操作平板划线法活化蛋白核小球藻，接种环挑取活化单克隆小球藻细胞，接入30mL液体BG11培养基中，12h:12h黑暗交替培养120h，光照强度为50μmol/m2/s，温度为28±1℃，获得一级小球藻种子液，将一级小球藻种子液按1％接种量(v:v＝1:10)接入BG11培养基中培养大约48h，随后每隔24h滴加灭菌红曲霉发酵废水(少量即可)进行驯化培养至240h，获得发酵废水适应性小球藻种子液，之后对发酵废水适应性小球藻种子液进行扩培，获得足够量的藻液。
待扩大化培养小球藻种子液进入对数期，以质量分数为2％～5％的海藻酸钠溶液按1:2～3的体积比与小球藻液混合并搅拌均匀，之后借助蠕动泵滴加质量分数为2～4％的CaCl2溶液进入混合液中对小球藻进行包埋固定化处理，静置约2～8h后形成固定化小球藻珠。
以山东中惠生物科技股份有限公司生产红曲素发酵废水为处理对象，取经过预处理、一级处理及二级处理后的发酵废水(COD含量约为3.2×102mg/L、BOD含量为2×102mg/L、色价为920U/mL)，经滤布与滤纸除去细小或者微小固体颗粒，调节pH至6.1，将发酵废水倒入培养瓶中，经灭菌冷却后，将上述固定化小球藻珠按体积比1:10(v:v＝1:10)投入培养瓶中，进行为期7～10天的处理，处理条件如下：光照强度200μmol/m2/s，温度为28±1℃，光暗比为12h:12h。废水处理期间按小球藻珠与废水体积比1:1000少量更新(补充)小球藻珠，每隔24小时更新一次，期间对小球藻生长状态和废水指标(COD、TN、TP及色度)进行实时监测，评价其废水净化效果。
处理结束后对小球藻珠处理发酵废水进行过滤，收集获得藻珠。然后将其投入到质量分数为3～5％的柠檬酸钠溶液中溶解，静置一段时间待其溶解完毕后，对溶液进行离心浓缩、清洗、再离心浓缩得到藻泥，后经冷冻干燥获得高蛋白小球藻粉，对其进行蛋白质、氨基酸种类和含量进行测定，评价其作为蛋白饲料的可行性。
如图1所示，利用蛋白核小球藻处理红曲霉发酵废水的前后指标变化为：COD含量由处理前3.2×102mg/L降至处理后的73mg/L；BOD由处理前2×102mg/L降至处理后的25mg/L；氨氮由处理前5×102mg/L降至处理后的7.977mg/L；总氮由处理前9.1×102mg/L降至处理后的15.29mg/L，总磷由处理前121.112mg/L降至处理后的15.29mg/L；色度由处理前920U/mL降至处理后的28U/mL，这些数据表明，本发明的方法处理效果佳，出水水质完全达到中华人民共和国环境保护部GB 25463-2010(参照酵母发酵废水)废水排放标准，可回收应用于农业灌溉和畜牧业养殖等领域。
表1为实施例1处理红曲霉发酵废水后获得小球藻粉的主要营养成分与卫生指标分析表。
表1处理红曲霉发酵废水小球藻粉主要营养成分与卫生指标分析
如表1和图2所示，处理红曲霉发酵废水后获得的小球藻粉，其粗蛋白含量能够高达63.77％，其值超过了实验室BG11培养基培养小球藻的蛋白含量(62.62％)，与其他一些植物、动物以及微生物蛋白源饲料相比，具有明显的优越性，与鱼粉蛋白饲料也水平接近；铅、砷、汞、大肠杆菌、沙门氏菌分析结果符合GB13078-2001饲料卫生标准，证明发酵废水处理后小球藻粉可作为一种优质植物蛋白用于动物蛋白饲料，而以发酵废水作为培养基，培养成本显著降低，从而能够大幅降低小球藻粉蛋白饲料的生产成本。
表2为实施例1废水处理后获得小球藻粉氨基酸种类和含量分析表。
表2处理红曲霉发酵废水小球藻粉氨基酸含量分析
如表2所示，本发明方法所获得的小球藻粉含18种氨基酸，其中包括8种人体必需氨基酸。谷氨酸、天门冬氨酸、亮氨酸的含量较高，分别为6.55％、5.15％和5.33％；总氨基酸含量达53.57％；必需氨基酸含量为24.61％，高于中国主要饲料肉粉(16.46％)、大豆饼(12.64％)、花生仁饼(9.81％)、苜蓿草粉(5.81％)、玉米蛋白饲料(5.81％)，接近优质鱼粉(23.97％)和啤酒酵母(23.70％)，其营养价值较高，完全能满足动物生长所需。
实施例2
微藻活化、驯化及固定化；固定化微藻珠处理红曲霉发酵废水；微藻处理红曲霉发酵废水净化效果评价；废水处理后藻珠收集、脱固定化、冷冻干燥等过程和步骤同实施例1。不同之处在于所选小球藻为普通小球藻，其一级小球藻种子液按5％接种量(v:v＝5:100)接入BG11培养基中，且废水处理期间按小球藻珠与废水体积比为1:500更新(补充)小球藻珠。
利用普通小球藻处理红曲霉发酵废水的前后指标变化为：COD含量由处理前3.2×102mg/L降至处理后的79.2mg/L；BOD由处理前2×102mg/L降至处理后的35mg/L；氨氮由处理前5×102mg/L降至处理后的13.83mg/L；总氮由处理前9.1×102mg/L降至处理后的25.11mg/L，总磷由处理前121.112mg/L降至处理后的21.04mg/L；色度由处理前920U/mL降至处理后的25.31U/mL。表3为实施例2处理红曲霉发酵废水后获得小球藻粉的主要营养成分与卫生指标分析表。
表3处理红曲霉发酵废水小球藻粉主要营养成分与卫生指标分析
如表3所示，处理红曲霉发酵废水后获得的小球藻粉，其粗蛋白含量达59.89％，总氨基酸含量达50.46％，必需氨基酸含量为22.86％。
以上数据表明，利用普通小球藻处理红曲霉发酵废水，其出水水质完全达到中华人民共和国环境保护部GB 25463-2010(参照酵母发酵废水)废水排放标准，可回收应用于农业灌溉和畜牧业养殖等领域；且以发酵废水培养小球藻获得的藻粉蛋白含量超过了实验室BG11培养基培养小球藻的蛋白含量(58.02％)，与其他一些植物、动物以及微生物蛋白源饲料相比，具有明显的优越性，与鱼粉蛋白饲料也水平接近；铅、砷、汞、大肠杆菌、沙门氏菌分析结果符合GB13078-2001饲料卫生标准，证明发酵废水处理后小球藻粉可作为一种优质植物蛋白用于动物蛋白饲料，而以发酵废水作为培养基，培养成本显著降低，从而能够大幅降低小球藻粉蛋白饲料的生产成本；其必需氨基酸含量也高于中国主要饲料肉粉(16.46％)、大豆饼(12.64％)、花生仁饼(9.81％)、苜蓿草粉(5.81％)、玉米蛋白饲料(5.81％)，接近优质鱼粉(23.97％)和啤酒酵母(23.70％)，其营养价值较高，完全能满足动物生长所需。
Claims (10)
1.一种利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)微藻活化、驯化及固定化为微藻珠；
2)固定化微藻珠处理红曲霉发酵废水；
3)微藻处理红曲霉发酵废水净化效果评价；
4)废水处理后藻珠收集、脱固定化、冷冻干燥获得藻粉，即为微藻蛋白饲料。
2.根据权利要求1所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，所述的微藻为小球藻。
3.根据权利要求1所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，所述的微藻活化、驯化为：以常规无菌操作平板划线法活化微藻，挑取单克隆微藻，于液体BG11培养基中黑暗光照交替培养数天，获得一级微藻细胞种子液，将一级微藻细胞种子液再次接入新鲜BG11培养基中并隔天滴加红曲霉发酵废水驯化培养数天，获得发酵废水适应性微藻细胞种子液，之后对微藻细胞种子液进行扩大培养，获得足够量的藻液。
4.根据权利要求3所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，一级微藻细胞种子液按种子液与培养基1：6～15的体积比接入新鲜BG11培养基中，一级微藻细胞种子液的接种量为0.5～5％。
5.根据权利要求1所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，所述的固定化为微藻珠具体为：待扩大培养微藻进入对数期，将海藻酸钠溶液与微藻液混合并搅拌均匀，再采用蠕动泵将CaCl2溶液滴入混合液中对微藻细胞进行包埋固定化处理，静置数小时后形成固定化微藻珠。
6.根据权利要求5所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，海藻酸钠溶液与微藻液的体积比为1：2～6，海藻酸钠溶液的质量分数为2～5％；CaCl2溶液的质量分数为2～4％。
7.根据权利要求1所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，所述的固定化微藻处理红曲霉发酵废水为：取经预处理、一级处理及二级处理作用后的红曲霉发酵废水，经滤布与滤纸除去细小或者微小固体颗粒后，向红曲霉发酵废水中投入固定化微藻珠进行处理，并补充数次固定化微藻珠。
8.根据权利要求7所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，处理周期为1～7天，补充周期为12～36小时。
9.根据权利要求1所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，所述的微藻处理红曲霉发酵废水净化效果评价为：分别收集微藻珠处理前后发酵废水，对其废水指标进行测定，并与中华人民共和国国家污水综合排放标准GB 25463-2010进行比较，整体评价微藻对发酵废水净化效果；废水指标包括COD、TN、TP及色度。
10.根据权利要求1所述的利用微藻处理红曲霉发酵废水及联产微藻蛋白饲料的方法，其特征在于，所述的废水处理后藻珠收集、脱固定化、冷冻干燥具体为：对培养至末期的污水进行过滤获得藻珠，然后将其投入到质量分数为3～5％的柠檬酸钠溶液中溶解，静置待其溶解完毕后，对溶液进行离心浓缩、清洗、再离心浓缩得到藻泥，后经冷冻干燥获得藻粉，所获得的藻粉以包括蛋白质含量、氨基酸种类和含量在内的营养价值指标评价废水处理后获得的微藻粉作为蛋白饲料的可行性。
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