CN111057656B - 一种高效降解冰激凌生产废液的酵母菌及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效降解冰激凌生产废液的酵母菌，其分类命名为酵母菌(Pichia cecembensis)，菌株名称为CYXH‑02，已保藏于位于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日。本发明所提供的菌株可高效降解冰激凌生产废液，可显著提高冰激凌生产废液中CODcr的去除效率，并且在降解过程产生大量生物热，蒸发去除冰激凌生产废液中的水分，实现固液分离，降低冰激凌生产废液的处理成本，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。

Description

一种高效降解冰激凌生产废液的酵母菌及其应用
技术领域
本发明涉及食品加工废液处理领域，具体涉及一种高效降解冰激凌生产废液的酵母菌及其应用。
背景技术
近年来食品工业发展迅速，食品加工工业高浓有机废液的排放量增大，食品加工企业排放的高浓有机废液主要包括：①生产废料、残次品等；②食品加工废水处理系统产生的剩余污泥；③设备清洗产生的高浓有机废液等。这些高浓有机废液具有有机质含量高、生物降解性好等特点。在其处理与处置方面，采用常规厌氧发酵和厌氧发酵处理工艺具有投资量大、过程控制复杂、运行成本高等难点，采用焚烧处理，运输和处理成本高，且造成资源浪费；通过饲料化，实现资源化利用，则存在食品安全风险、且处理成本高昂；填埋则占用大量的土地，且此类高浓有机废液，通常不会被填埋场所接纳。因此，开发低运行成本、操作简单、处理效率高的新型处理工艺具有十分必要性。
作为食品工业的重要组成部分，冰淇淋行业近些年快速发展，冰淇淋是以饮用水、牛乳、奶粉、奶油(或植物油脂)、食糖等为主要原料，加入适量食品添加剂，经混合、灭菌、均质、老化、凝冻、硬化等工艺制成的体积膨胀的冷冻食品。冰淇淋生产过程产生大量的废弃原料、残次品、以及污水处理系统产生的剩余污泥，我们统称为冰淇淋生产废液，现阶段国内冰激凌废液处理方法多为厂家采用废物燃烧处理，由于冰激凌废料成液体状、含水率高、燃烧值低，糖类组分高，易粘结反应器内壁，故采用燃烧处理，成本高。而制作成饲料，又存在食品安全风险。
实践证明，利用微生物分解处理冰激凌废料是一种投资小且高效的方法，接种外源性高效微生物、添加发酵用辅料基质等措施。微生物制剂不仅可以快速发酵，高效降解有机物，快速除去水分。其具有高效、成本低等优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效降解冰激凌生产废液的酵母菌及其应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高效降解冰激凌生产废液的酵母菌，其特征在于，其分类命名为酵母菌(Pichia cecembensis)，菌株名称为CYXH-02，已保藏于位于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日。
本发明的有益效果是：本发明所提供的菌株可高效降解冰激凌生产废液，可显著提高冰激凌生产废液中CODcr的去除效率，并且在降解过程产生大量生物热，蒸发去除冰激凌生产废液中的水分，实现固液分离，降低冰激凌生产废液的处理成本，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
本发明还涉及一种所述高效降解冰激凌生产废液的酵母菌在冰激凌生产废液处理中的应用。
本发明还涉及一种高效降解冰激凌生产废液的处理方法，包括以下步骤：步骤1：菌种选择，选择酵母菌CYXH-02，已保藏于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国北京、中国科学院微生物研究所，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日；步骤2：菌种扩培，将菌种扩大培养得到菌剂；步骤3:物料混合与菌剂喷淋，将冰激凌生产废液和木屑混合后搅拌得到混合料，在所述混合料中喷洒所述菌剂后，搅拌得到终混料；步骤4：生物降解与固液分离，在微生物好氧发酵作用下，降解冰激凌生产废液中的有机污染物，同时，微生物降解过程中产生的生物热，将高浓有机废液中的水分，转化为水蒸气，排出系统；步骤5：残渣排放，微生物降解后剩余的剩余残渣，通过出料口排出处理系统，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。
采用上述进一步方案的有益效果是加入木屑是将废液黏贴在木屑表面，增加微生物与废液的接触，同时方便鼓风供氧。相对于现的冰激凌生产废液处理工艺，本发明所涉及设备开发低运行成本，操作步骤简单，处理效率高。经高温降解后的剩余有机残渣，排出处理系统，可作为腐殖质或营养土，用于作物或花卉种植。
进一步，所述步骤2具体为：调节液体培养基的pH值后进行灭菌得到灭菌培养基，将所述菌种接种于所述灭菌培养基中培养后得到所述菌剂。
进一步，以重量份计，所述液体培养基包括果糖2重量份、磷酸氢二钾0.05重量份、硫酸镁0.05重量份、质量分数为1％的三氯化铁溶液0.2重量份、硫酸铵0.05重量份、酵母粉0.05重量份、氯化钠0.05重量份，水100重量份；所述pH值为7；所述灭菌过程为高压蒸汽灭菌；所述培养为震荡培养，所述震荡培养速率为120r/min，所述培养时间为48-72h，所述培养温度为30℃。
采用上述进一步方案的有益效果是在上述参数的条件下，菌种的扩培效果好。
进一步，所述步骤3中，调节所述混合料的含水率在62-67％，所述菌剂的质量为所述混合料的0.5％-1％。
采用上述进一步方案的有益效果是在上述参数的条件下，使得有机废液的降解效率最佳。
进一步，所述步骤4中，降解过程中进行搅拌和充氧，搅拌频率为1h-1.5h/6h，搅拌速率为5-15r/min，同时，降解过程中利用搅拌和鼓风，控制温度不得高于70℃。
采用上述进一步方案的有益效果是温度超过70℃，会杀灭有益菌，故需要通过搅拌和鼓风降低温度。
进一步，所述步骤4中的水蒸气排出具体为：将水蒸气冷凝收集，得到低浓度废水，再排出。
采用上述进一步方案的有益效果是冷凝能够方便收集废水。
附图说明
图1为本发明CYXH-02菌株的生长形态图；
图2为本发明CYXH-02菌株的革兰染色图；
图3为本发明为反应前中后形态示意图，依次为冰淇淋生产废液与木屑混合形态图，经3天降解后形态图，经5天降解后形态图；
图4为本发明处理工艺流程简图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明高效降解冰激凌生产废液的菌株筛选：
本发明的菌株筛选自冰激凌生产废液中，获得了一株Pichia cecembensis，该菌株已于2019年保藏。
该菌为革兰氏阳性菌，菌落小透明点状分布；可用常见培养基LB置于常温状态下震荡培养制成菌液加以利用。
Pichia cecembensis CYXH-02在冰激凌生产废液处理中的应用，该菌种能够快速降解冰淇淋生产废液中的有机物，并产生大量生物热，蒸发去除冰淇淋生产废液中的水分，实现固液分离。
本发明的有益效果：本发明筛选的菌株可以在冰激凌生产废液处理中的应用；以相应的比例，与木屑、冰激凌生产废液充分混合，可提高冰激凌生产废液中CODcr的去除效率，并产生大量生物热，蒸发去除冰激凌生产废液中的水分，实现固液分离，降低冰激凌生产废液的处理成本，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。
本发明技术方案中，所述试剂，如未特别说明，均购自生化商店，所述技术方案如未特别说明，均为本领域的常规技术。
试验中污水各项指标检测方法：CODcr：重铬酸钾法，含水率:重量法，TSS：重量法。
本发明所用木屑为为刨花粉料。
Pichia cecembensis CYXH-02的分离纯化与鉴定：
1、冰淇淋生产废液的取样及驯化培养
取冰淇淋生产废液5kg，与1kg木屑充分混合，并调节含水率至65％，置于有机玻璃反应器中，在实验室内进行混合发酵，混合物料每日人工搅拌三次，通过搅拌补充氧气、混合物料，并每日检测混合物料温度和CODcr变化，经三天培养，混合物料温度升至30℃。
2、菌株的分离筛选
取混合物料1g至50mL离心管，添加30mL左右的无菌水，反复剧烈震荡，形成混合菌液。采用倍比稀释法稀释成10-1到10-7梯度的菌悬液，再用灭菌接种环蘸取菌液在固体培养基上进行划线，倒置培养皿于30℃恒温培养箱每天观察菌落形态。比较挑取生长良好的菌落于固体培养基进行划线分离纯化，倒置培养皿于30℃恒温培养箱每天观察菌落形态直至得到特征一致的菌落，而后挑取菌落重复上一步骤划线分离纯化培养，直至每次得到的菌落形态特征一致，不会出现其他的杂菌菌落，三株菌株分别命名为CYXH-01、CYXH-02、CYXH-02。
3、筛选菌株性能初步测定
将所得菌株用灭菌接种环挑出接种至已灭菌的液体培养基，震荡培养一段时间至培养基完全浑浊(有效菌含量均为108-109cfu/mL)；分别将CYXH-01、CYXH-02、CYXH-02添加到冰淇淋生产废液和木屑的混合物料中(按质量比5:1，总质量5kg)，充分混合，混合物料每日人工搅拌三次，通过搅拌补充氧气、混合物料，并每日检测混合物料温度和CODcr变化，经七天试验，添加CYXH-02混合物料温度升至40℃，CODcr去除率达到50％、减量比72％、糖削减量46％，相比之下，添加CYXH-01、CYXH-02的混合物料，CODcr去除率均低于30％、减量比50％、糖削减量35％，但显著处理效果显著优于空白对照，因此保留CYXH-02菌株。
4、菌株的鉴定
最终获得了一株高效降解冰激凌生产废液的菌种CYXH-02，提取该菌株的DNA，通过PCR扩增16SrDNA片段，测序后在将DNA序列在GeneBank进行BLAST比对即可，该菌株DNA序列比对与Pichia cecembensis相似度达99％。该菌为革兰氏阳性菌，球状，菌落呈乳白色不透明点状分布(图1所示)。根据细菌生长形态特征参照《伯杰氏系统细菌学手册》和《常见细菌系统鉴定手册》符合球菌属细菌的生理生化特征，确定为Pichia cecembensis。
实施例1
Pichia cecembensis CYXH-02对冰激凌生产废液处理小试实验：
1.处理负荷20kg条件下批次运行效果
步骤1：菌种选择，选择酵母菌CYXH-02，已保藏于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国北京、中国科学院微生物研究所，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日。
步骤2：菌种扩培，将菌种扩大培养得到菌剂；具体包括调节液体培养基的pH值后进行灭菌得到灭菌培养基，将所述菌种在超净工作台内接种于所述灭菌培养基中培养后得到所述菌剂。以重量份计，所述液体培养基包括果糖2重量份、磷酸氢二钾0.05重量份、硫酸镁0.05重量份、质量分数为1％的三氯化铁溶液0.2重量份、硫酸铵0.05重量份、酵母粉0.05重量份、氯化钠0.05重量份，水100重量份；所述pH值为7；所述灭菌过程为高压蒸汽灭菌；所述培养为震荡培养，所述震荡培养速率为120r/min，所述培养时间为48h，所述培养温度为30℃，培养至培养液完全浑浊，最终菌剂中有效菌含量达到108cfu/mL以上。
步骤3:混合，将冰激凌生产废液20kg和木屑混合后搅拌得到混合料，在所述混合料中喷洒所述菌剂后搅拌得到终混料；调节所述混合料的含水率为65％，所述菌剂的质量为所述混合料的0.5％。
步骤4：生物降解与固液分离，将所述终混料置于自制不锈钢反应器中，在实验室内进行小试实验，在微生物好氧发酵作用下，微生物降解冰激凌生产废液中的机污染物，同时，微生物降解过程中产生的生物热，将高浓有机废液中的水分，转化为水蒸气，排出系统，并通过冷凝收集，得到低浓度废水；为强化菌种与物料的混合，降解过程中进行自动机械搅拌和鼓风充氧，搅拌频率为1h/6h，搅拌速率为5r/min，降解过程中，通过控制搅拌和通风，控制温度不得高于70℃。处理周期为8天，定期检测混合物料温度、质量、CODcr、总糖等指标变化。
步骤5：残渣排放，微生物降解后剩余的剩余残渣，通过出料口排出处理系统，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。
表1处理负荷2kg/批次条件下生物堆肥实验参数变化
Figure BDA0002299026390000081
由表1中数据可知，处理负荷20kg条件下批次运行，质量削减量85％、CODcr浓度削减量67％、总糖浓度削减量59％。
实施例2
Pichia cecembensis CYXH-02对冰激凌生产废液处理小试实验：
1.处理负荷30kg条件下批次运行效果
步骤1：菌种选择，选择酵母菌CYXH-02，已保藏于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国北京、中国科学院微生物研究所，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日。
步骤2：菌种扩培，将菌种扩大培养得到菌剂；具体包括调节液体培养基的pH值后进行灭菌得到灭菌培养基，将所述菌种在超净工作台内接种于所述灭菌培养基中培养后得到所述菌剂。以重量份计，所述液体培养基包括果糖2重量份、磷酸氢二钾0.05重量份、硫酸镁0.05重量份、质量分数为1％的三氯化铁溶液0.2重量份、硫酸铵0.05重量份、酵母粉0.05重量份、氯化钠0.05重量份，水100重量份；所述pH值为7；所述灭菌过程为高压蒸汽灭菌；所述培养为震荡培养，所述震荡培养速率为120r/min，所述培养时间为72h，所述培养温度为30℃，培养至培养液完全浑浊，最终菌剂中有效菌含量达到108cfu/mL以上。
步骤3:混合，将冰激凌生产废液30kg和木屑混合后搅拌得到混合料，在所述混合料中添加所述菌剂后搅拌得到终混料；调节所述混合料的含水率在64％，所述菌剂的质量为所述混合料的0.75％。
步骤4：生物降解与固液分离，将所述终混料置于自制不锈钢反应器中，在实验室内进行小试实验，在微生物好氧发酵作用下，微生物降解冰激凌生产废液中的机污染物，同时，微生物降解过程中产生的生物热，将高浓有机废液中的水分，转化为水蒸气，排出系统；并通过冷凝收集，得到低浓度废水；为强化菌种与物料的混合，降解过程中进行自动机械搅拌和鼓风充氧，搅拌频率为1.25h/6h，搅拌速率为10r/min，通过控制搅拌和通风，控制温度不得高于70℃，处理周期为8天，定期检测混合物料温度、质量、CODcr、总糖等指标变化。
步骤5：残渣排放：微生物降解后剩余的剩余残渣，通过出料口排出处理系统，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。
表2处理负荷3kg/批次条件下生物堆肥实验参数变化
Figure BDA0002299026390000091
由表2中数据可知，处理负荷30kg条件下批次运行，质量削减量77％、CODcr浓度削减量70％、总糖浓度削减量75％。
实施例3
Pichia cecembensis CYXH-02对冰激凌生产废液处理中试实验：
处理负荷300kg/d条件下连续运行效果
本次试验地点在北京市某冰淇淋生产企业进行，处理负荷为300kg/d，连续进料运行模式。
步骤1：菌种选择CYXH-02，已保藏于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国北京、中国科学院微生物研究所，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日。
步骤2：菌种扩培，得到菌剂；具体包括调节液体培养基的pH值后进行灭菌得到灭菌培养基，将所述菌种在超净工作台内接种于所述灭菌培养基中培养后得到所述菌剂。以重量份计，所述液体培养基包括果糖2重量份、磷酸氢二钾0.05重量份、硫酸镁0.05重量份、质量分数为1％的三氯化铁溶液0.2重量份、硫酸铵0.05重量份、酵母粉0.05重量份、氯化钠0.05重量份，水100重量份；所述pH值为7；所述灭菌过程为高压蒸汽灭菌；所述培养为震荡培养，所述震荡培养速率为120r/min，所述培养时间为72h，所述培养温度为30℃，培养至培养液完全浑浊，最终菌剂中有效菌含量达到108cfu/mL以上。
步骤3:混合，冰淇淋生产废料300kg首先经太阳能加热融化为废液，利用潜污泵和喷头，泵入发酵罐，喷洒在木屑表面，和木屑混合后搅拌得到混合料，在所述混合料中添加所述菌剂后搅拌得到终混料；调节所述混合料的含水率在67％，所述菌剂的质量为所述混合料的1％。
步骤4：生物降解与固液分离，在微生物好氧发酵作用下，微生物降解冰激凌生产废液中的机污染物，同时，微生物降解过程中产生的生物热，将高浓有机废液中的水分，转化为水蒸气，排出系统，并通过冷凝收集，得到低浓度废水；为强化菌种与物料的混合，降解过程中进行自动机械搅拌和鼓风充氧，搅拌频率为1.5h/6h，搅拌速率为15r/min，通过控制搅拌和通风，控制温度不得高于70℃，处理周期为8天，定期检测混合物料温度、质量、CODcr、总糖等指标变化。
步骤5：残渣排放：微生物降解后剩余的剩余残渣，通过出料口排出处理系统，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。
在上述降解过程中设置温度反馈强制搅拌，在有氧条件下，微生物菌剂降解冰淇淋生产废料，产生大量的生物热，生物热一方面促进反应器内混合物料温度升高，增强微生物活性，另一方面，生物热将废液中水分转化为水蒸气，由反应器顶部排气孔排出，排气孔后接冷凝装置，将水蒸气冷凝收集，收集后的冷凝水CODcr低于600mg/L，排入企业污水处理系统。发酵罐内菌种降解冰淇淋生产废液所产生的少量残渣，由底部排渣口排出，每日排出残渣量约为70kg，残渣可作为腐殖质或有机肥，应用于厂区绿化或作物种植，实现其资源化利用，其反应流程如图4所示。
表3处理负荷300kg/d条件下连续处理效果
Figure BDA0002299026390000111
表3中数据表明，300kg/d冰淇淋生产废液与木屑混合，并投加CCXH02制备的微生物菌剂，通过微生物好氧发酵处理，可转化为约150-180L低CODcr浓度的蒸发冷凝水和约70kg含水率60-65％的有机残渣，有机残渣可作为腐殖质或有机肥应用于厂区绿化种植，蒸发冷凝水进入污水处理系统。冰淇淋生产废液处理难度和运行成本，得以大幅降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种高效降解冰激凌生产废液的酵母菌，其特征在于，其分类命名为酵母菌(Pichiacecembensis)，菌株名称为CYXH-02，已保藏于位于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日。
2.一种如权利要求1所述高效降解冰激凌生产废液的酵母菌在冰激凌生产废液处理中的应用。
3.一种高效降解冰激凌生产废液的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：菌种选择，选择酵母菌CYXH-02，已保藏于中国北京的微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国北京、中国科学院微生物研究所，保藏编号：CGMCC NO：18708，保藏日期：2019年10月21日；
步骤2：菌种扩培，将所述菌种扩大培养得到菌剂，所述菌剂中有效菌含量大于108cfu/ml；
步骤3:物料混合与菌剂喷淋，将冰激凌生产废液和木屑混合后搅拌得到混合料，在所述混合料中喷洒所述菌剂后，搅拌得到终混料，所述菌剂的质量为所述混合料的0.5％-1％；
步骤4：生物降解与固液分离，在微生物好氧发酵作用下，降解冰激凌生产废液中的有机污染物，同时，微生物降解过程中产生的生物热，将高浓有机废液中的水分转化为水蒸气，排出系统；
步骤5：残渣排放，微生物降解后剩余的剩余残渣，通过出料口排出处理系统，剩余残渣可作为腐殖质或有机肥用于农林种植。
4.根据权利要求3所述一种高效降解冰激凌生产废液的处理方法，其特征在于，所述步骤2具体为：调节液体培养基的pH值后进行灭菌得到灭菌培养基，将所述菌种接种于所述灭菌培养基中培养后得到所述菌剂。
5.根据权利要求4所述一种高效降解冰激凌生产废液的处理方法，其特征在于，以重量份计，所述液体培养基包括果糖2重量份、磷酸氢二钾0.05重量份、硫酸镁0.05重量份、质量分数为1％的三氯化铁溶液0.2重量份、硫酸铵0.05重量份、酵母粉0.05重量份、氯化钠0.05重量份，水100重量份；所述pH值为7；所述灭菌过程为高压蒸汽灭菌；所述培养为震荡培养，所述震荡培养速率为120r/min，所述培养时间为48-72h，所述培养温度为30℃。
6.根据权利要求3所述一种高效降解冰激凌生产废液的处理方法，其特征在于，所述步骤3中，调节所述混合料的含水率在62-67％，所述菌剂的质量为所述混合料的0.5％-1％。
7.根据权利要求3所述一种高效降解冰激凌生产废液的处理方法，所述步骤4中，降解过程中进行搅拌和充氧，搅拌频率为1h-1.5h/6h，搅拌速率为5-15r/min，同时，降解过程中利用搅拌和鼓风，控制温度不高于70℃。
8.根据权利要求3所述一种高效降解冰激凌生产废液的处理方法，所述步骤4中的水蒸气排出具体为：将水蒸气冷凝收集，得到低浓度废水，再排出。
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