CN1184324C - 一种脂肽生物表面活性剂发酵液及其在生活垃圾堆肥化中的应用 - Google Patents

一种脂肽生物表面活性剂发酵液及其在生活垃圾堆肥化中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微生物产生的生物表面活性发酵液及其在生活垃圾堆肥化中的应用。脂肽生物表面活性剂发酵液的生产菌为枯草芽孢杆菌，以植物油为碳源，在最佳条件下培养出脂肽发酵液，使产量达到3.5～5g/L，离心除去菌体，以一定的比例稀释后，直接用于生活垃圾堆肥处理过程。这种脂肽生物表面活性剂发酵液的表面张力和临界胶束浓度都很低，在堆肥过程中，通过加入少量脂肽溶液，可以提高堆肥中垃圾颗粒表面的润湿性、改善堆肥中微生物活动的微环境，提高堆肥的效率和品质。

Description

一种脂肽生物表面活性剂发酵液及其在生活垃圾堆肥化中的应用
技术领域：本发明涉及一种表面活性剂，具体涉及微生物产生的生物表面活性剂发酵液及其应用。
背景技术：堆肥过程中介质物化条件的改善可通过控制堆肥系统的C/N值、湿度、氧气、温度、孔隙度等。这些手段在堆肥过程中的应用是必要的，但这些方法的主旨均在于改善物质传输或有利微生物生长，而在改良微生物与介质的相互作用以及直接促进微生物对难降解有机物的分解过程方面却难有作为。目前国内对堆肥过程中生物大环境改良方面有一定的研究，技术专利涉及到新型设备设计和改良等方面。而在微环境改良技术方面的研究则仅在于介质的物理法改良(如使用粉煤灰)，而用于堆肥的生物表面活性剂的研发方面则尚未见有专利报道。
传统的化学表面活性剂存在很大的缺点：由于它不可以被微生物降解，因此，可能对环境带来新的污染，同时有可能抑制堆肥中微生物的活性。而生物表面活性剂是由微生物的生命活动形成的，其对微生物没有毒害作用，同时也没有作为优先降解对象被微生物过早降解的危险，因此，可以用于堆肥过程中微环境的改良。
由于生物表面活性剂具有许多优良的性质，因此越来越受到人们的关注。根据结构特征，生物表面活性剂可分为5类：糖脂、脂肽、多糖蛋白质络合物、磷脂和脂肪酸或中性脂。其中，脂肽是是一种表面活性很强的生物表面活性剂，是由一些芽孢杆菌在好氧条件下，以憎水性基质为碳源发酵产生的次级代谢产物。目前，以美国典型培养物保藏中心(ATCC)的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis ATCC 21332)产生的莎梵婷(sufactin)研究的最多。
然而，由于脂肽存在于微生物的发酵液中，产量很低，而且发酵液中成分复杂，分离提取较纯的脂肽的工艺较为复杂，它的生产成本中有约为70～90％都要用在中下游提取及分离工艺上，因而，脂肽大规模的应用就受到限制。
发明内容：本发明旨在研究一种具有较低表面张力的脂肽生物表面活性剂发酵液，提高脂肽的含量，更好地应用于堆肥处理中。
本发明是通过以下技术方案实现上述发明目的。
脂肽生物表面活性剂发酵液是由枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)经发酵培养产生，产量达到3.5～5g/L。生产脂肽的枯草芽孢杆菌的培养基成分为：植物油50～60g/L，NH4Cl 4～6g/L，MgSO4 0.15～0.25g/L，CaCl2 0.05～0.1g/L，K2HPO4 3.5～4.5g/L，NaH2PO46.5～7.5g/L，pH6.0～6.8。发酵罐的培养条件为温度为36～38℃，搅拌转速450～550转/分，通气量为1.1～1.3vvm。脂肽生物表面活性剂发酵液的应用，是将脂肽生物表面活性剂用作生活垃圾的堆肥处理，发酵培养的发酵液经离心除去菌体后，配制成0.01～0.05％的脂肽溶液，用垃圾重量的1～5％均匀混合到经分类的生活垃圾中。
附图说明：
图1堆肥堆制过程中垃圾间隙液表面张力变化；
图2堆肥堆制过程中CO2产生速率变化。
下面进一步详述本发明。
枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)购自中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，保藏号为AB90008。菌种转接保藏在牛肉膏蛋白胨斜面培养基上，培养基成分为：牛肉膏2.0g/L，蛋白胨5.0g/L，NaCl 5.0g/L，琼脂20.0g/L，pH7.0。
种子培养基成分为：蔗糖18～22g/L，NH4Cl 4～6g/L，MgSO4 0.15～0.25g/L，CaCl20.05～0.1/L，K2HPO4 3.5～4.5g/L，NaH2PO4 6.5～7.5g/L，酵母粉0.5～0.8g/L，pH6.4～6.6。三角瓶装液量为20％，培养温度36～37℃，摇床转速180～220rpm，经培养24～36小时后，以6～10％的接种量接种至发酵培养基中。
发酵培养基成分：植物油50～60g/L，NH4Cl 4～6g/L，MgSO4 0.15～0.25g/L，CaCl20.05～0.1g/L，K2HPO4 3.5～4.5g/L，NaH2PO4 6.5～7.5g/L，pH6.0～6.8。发酵罐的培养条件为温度为36～38℃，搅拌转速450～550转/分，通气量为1.1～1.3vvm。
该菌株具有较强的生物表面活性剂生产能力，同时在憎水性碳源植物油的诱导作用下，使得该菌株在对数生长后期和停滞期产生脂肽的量最大，达到3.5～5g/L。
枯草芽孢杆菌经过2～4天的培养，发酵液经离心(7000～10000rpm)除去菌体，得到脂肽溶液，经鉴定该脂肽为sufactin，分子结构(HPD为8-羧基-异十五烷酰)为：
Figure C0311803900041
其余为中性脂、多糖，表面张力为27～29mN/m。
将得到的脂肽产品，配制成0.01～0.05％脂肽溶液，可以通过以下两种方式施用，根据垃圾的含水率不同，脂肽溶液的施用量为垃圾重量的1～5％：
1.脂肽可在混合搅拌装置中加入，从而在垃圾混合搅拌的过程中与垃圾充分混匀，使垃圾处理的微环境在初始阶段即得到改善；
2.运行过程中如需补加生物表面活性剂，则需配合湿度调节装置。在喷淋系统的水源中加入一定浓度的脂肽溶液。随着水分的补充，生物表面活性剂便可进入反应器，从而改善微生物的生存微环境。
一旦表面活性剂被引入垃圾颗粒的间隙，表面活性剂分子的疏水端将与有机垃圾亲合，使分子固定在垃圾颗粒表面；亲水端溶于颗粒孔隙内的水中。这种两亲性基团的不同作用使水在垃圾颗粒表面形成稳定的液膜，最大可能的为微生物的反应提供表面环境。同时，表面活性剂分子的疏水端会提高有机物在水膜中的溶解度，从而加速微生物对有机物的分解；另外，表面活性剂的加入还有利于提高难降解有机物的生物可利用性。通过实验测量可以发现，加入脂肽的堆肥反应器中，由于微生物的活动旺盛，使得CO2的产生速率大于普通的堆肥反应器。经腐熟后，堆肥成品性质较好，质量稳定。
具体实施方式：
1、脂肽生物表面活性剂的制备
1)将枯草芽孢杆菌从斜面培养基接种至种子培养基中，进行摇瓶培养，500ml的三角瓶装培养液100ml，37℃、200rpm培养24小时；
2)在5L的全自动发酵罐中装入4L的发酵培养基，接种枯草芽孢杆菌种子培养液100mL，温度37℃，搅拌转速500转/分，通气量为1.2vvm，用HCl和NaOH控制pH值6.5，发酵时间为76小时，得到含表面活性剂的培养液3.6L，此发酵液的表面张力为28.5mN/m；
3)将发酵液离心(8000rpm)除去菌体，得到脂肽溶液，通过检测，脂肽含量为4.5g/L；
4)将脂肽溶液稀释15倍，得到0.03％的脂肽溶液。
种子培养基与发酵培养基成分如下：
种子培养基 发酵培养基
 葡萄糖  20.0g/L  -
 植物油  -  55g/L
 NH4Cl  5.00g/L  5.00g/L
 MgSO4  0.20g/L  0.20g/L
 CaCl2  0.08g/L  0.08g/L
 K2HPO4  4.0g/L  4.0g/L
 NaH2PO4  6.8g/L  6.8g/L
 酵母粉  0.07g/L  0.07g/L
 pH  6.5  6.5
2、在堆肥中的应用
采集长沙市某生活区的生活垃圾20kg，经过破碎、筛分得到可堆肥垃圾8kg，经测定，垃圾的含水率为55％，C/N＝25，有机物含量60％。将垃圾装入堆肥装置中，该装置的体积为12L，可装垃圾9L。装入垃圾的同时，喷洒上述浓度的脂肽溶液，喷洒量为垃圾重量的2％。
堆肥过程中提取垃圾间隙液，测定表面张力，同时检测堆肥过程中CO2的产生速率，堆肥过程中的垃圾间隙液的表面张力和CO2的产生速率见图1和图2。
通过和没有喷洒脂肽溶液的堆肥系统比较，可以发现喷洒脂肽溶液的堆肥系统中，垃圾间隙液的表面张力较低，而且CO2的产生速率相对较大，堆肥速率较快，缩短了堆肥的时间。

Claims (3)

1、一种脂肽生物表面活性剂发酵液，其特征在于该生物表面活性剂发酵液是由枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis AB90008)经发酵培养产生，脂肽含量为4.5～5g/L。
2、根据权利要求1所述的脂肽生物表面活性剂发酵液，其特征在于，生产脂肽的枯草芽孢杆菌的培养基成分为：植物油50～60g/L，NH4Cl 4～6g/L，MgSO4 0.15～0.25g/L，CaCl2 0.05～0.1g/L，K2HPO4 3.5～4.5g/L，NaH2PO4 6.5～7.5g/L，pH6.0～6.8，发酵罐的培养条件为温度为36～38℃，搅拌转速450～550转/分，通气量为1.1～1.3vvm。
3、一种如权利要求1所述的脂肽生物表面活性剂发酵液的应用，其特征在于脂肽生物表面活性剂发酵液用作生活垃圾的堆肥处理，发酵培养的发酵液经离心除去菌体后，配制成0.01～0.05％的脂肽溶液，用垃圾重量的1～5％均匀混合到经分类的生活垃圾中。
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