CN1908180A - 餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物及其用途 - Google Patents
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Abstract
一种餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物及其用途。传统鼠李糖脂发酵中采用植物油或葡萄糖、正己烷做碳源，成本较高。本发明对自然筛选得到的假单胞菌进行紫外诱变，挑选出合适的菌种，利用餐饮废油作为发酵的碳源，发酵产生的鼠李糖脂浓度可达到35－45g/L，使得成本比传统发酵方法降低25％。发酵液通过超滤去除菌体后再经过喷雾干燥法处理得到鼠李糖脂粉末状粗提物。加入0.01－3％粗提物到生化污水处理池中，可提高处理效率。另外，将粗提物配成浓度0.01－0.03％的溶液可洗涤被原油污染的土壤，促进其自然修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物表面活性剂的制备方法及用途，具体涉及一种餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物及其用途。
背景技术
作为一种阴离子表面活性剂，鼠李糖脂分子的两亲性使其在溶液表面(或油.水界面)定向排列成单分子膜，这种定向吸附的特性，使它具有很多特有的表面活性，被广泛用于石油开采、环保、农业、化妆品、食品、医药与工业净化。
鼠李糖脂的发酵一般采用各类植物油或正己烷作为碳源，发酵周期一般需要7-11天左右，使得生产成本较高，其中生产过程和碳源成本两个因素占到整个生产成本的30％以上，制约了鼠李糖脂的工业化大规模生产，而利用皂角片等废料制备糖脂时，虽然降低了原材料成本，但由于产量很低，无法实现工业化生产。
我国每天在家庭和工业生产中都会产生大量的烹饪废油，给环境带来了相当大的压力。利用烹饪废油作为碳源发酵鼠李糖脂可以直接利用有机废物合成具有环境友好特性的生物表面活性剂，即实现了治理餐饮废油又制备了附加值较高的可有效促进环境中废弃有机化合物降解的生物表面活性剂—鼠李糖脂，避免了化学合成表面活性剂在生产和使用过程中带来的环境污染问题，达到了“以废治废”的目的。
菜油在烹制过程中，油成分中的脂肪酸被氧化或分解成低链脂肪酸，小于C10的短链脂肪酸酯增加，同时增加了一定含量的极性物质，这使得常规菌种与发酵方法产量低，产品质量不稳定，而本发明可使得鼠李糖脂的产量达到35-45g/l，对废油的利用率超过了80％，发酵周期缩短到4-6天。据估计，相对于传统的发酵方法，生产成本可降低25％以上，并有效地减少了烹饪废油对环境的压力。
鼠李糖脂作为一种良好的乳化剂和溶解剂，可以促进油类物质的生物降解，可以生物修复正己烷、芘、菲和原油等物质引起的环境污染；即使在有机物、有毒金属同时存在的环境中，它也能够促进对碳氢化合物的生物降解和对重金属的吸附。因此，在采用常规生化法处理废水中加入少量含鼠李糖脂的去菌体发酵液，可大大提高处理效率，提高出水水质。例如，加入0.01-3％的鼠李糖脂发酵液制备的粗提物后，效率比常规生化法提高20％以上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物及其用途。
为了达到上述的目的，本发明采用的技术方案是：
(一)、制备方法
1、一种餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物，该方法的步骤如下：
1)以餐饮废油作为碳源，利用假单胞菌在发酵罐中发酵，发酵过程菌体接种量为3-5％(体积百分比)，废油加入体积为3-5％，其余90-94％的培养体积则为水溶性矿物质，发酵培养72小时后再次补充占发酵液体积0.1-0.5％的废油；
2)发酵过程温度控制在33-37℃，pH控制在6.0-7.5，通空气量在0.4-1.0vvm，压力为0-0.05Mpa，发酵周期4-6天，发酵液中含鼠李糖脂35-45g/L。
3)发酵液通过膜法过滤去除菌体，去菌体发酵液含鼠李糖脂30-40g/L。
2、去菌体滤液通过喷雾干燥制成粉末。
3、所述的假单胞菌是用从炼油厂排污口土壤中自然筛选得到能产鼠李糖脂的铜绿假单胞菌，通过15W紫外灯紫外诱变15-75秒后筛选获得的鼠李糖脂高产菌(Pseudomonas aeruginosa ZJU.u1)。
4、发酵过程包括菌种活化和罐内发酵两步：
1)活化过程中碳源选用甘油，甘油加量为3-5％(质量百分比)，活化时间为72小时，活化温度30-37℃，pH值控制在6.0-7.5；
2)将活化后的菌接种到发酵罐进行发酵，发酵过程选用的碳源是餐饮废油。
5、发酵及活化过程中培养基除碳源外，还包含以下所有成分，NaNO3：0.2-1％；NaCl：0.05-1.0％；KCl：0.05-1.0％；CaCl2·2H2O：0.005-0.05％；KH2PO4：0.1-1％；Na2HPO4·12H2O：0.1-1％；MgSO4：0.005-0.05％；其余为去离子水。
6、发酵液采用截留分子量30kDa以上的超滤膜或者小于0.22微米的微滤膜去除菌体，膜材料为聚砜、丙烯腈、尼龙、聚丙烯、醋酸纤维或无机类材料。
7、去菌体发酵液经过喷雾干燥处理，喷雾干燥时热风的进口温度为130～160℃，出口温度为65C～85℃，物料流量为0.8～1.2m3/h，塔内滞留时间10秒～20秒。喷雾干燥产品含鼠李糖脂50-70％。
(二)、鼠李糖脂粗提物的用途
1、在生化废水池中加入0.01-3％粗提物，有效提高处理效率，处理时间缩短了15-25％，出水BOD下降了10-30％。
2、鼠李糖脂粗提物用于原油污染的土壤的生物修复：将粗提物配成0.01-0.03％的溶液，可洗涤被原油污染的土壤，促进其自然修复，将洗涤后的土壤中的油减少70％以上，土壤可在30-60天内自然修复。
本发明具有具有如下特点：利用餐饮废油发酵制备鼠李糖脂，变废为宝，缓解了餐饮废油对环境的压力，经过诱变后产生的鼠李糖脂高产菌(Pseudomonas aeruginosa ZJU.u1)相对于普通发酵生产鼠李糖脂的铜绿假单胞菌而言，其发酵周期大大缩短，利用废油作为碳源时，糖脂产量可达到35-45g/L，可满足工业化要求，与传统工艺相比，生产成本可降低25％左右；粗提物本身可自然降解，对环境无害，而利用粗提物作为含油污水处理的添加剂，促进细菌对难溶性物质的摄取和代谢，提高处理效率，可缩短处理时间和提高出水品质；利用粗提物配成的溶液，可有效地处理被原油污染的土壤，促进其自然修复。
附图说明
图1是未经诱变的假单胞菌在不同浓度下废油中鼠李糖脂产量；
图2是诱变后的假单胞菌在不同浓度下废油的鼠李糖脂产量比较；
图3是鼠李糖脂发酵流程示意图；
图中：1.发酵罐，2.蠕动泵，3.泡沫回收器，4.空气流量计
图4去菌体发酵液表面张力和鼠李糖脂浓度之间的关系曲线
具体实施方式
以下将结合附图和具体实例对本发明作进一步说明。
实施例1：自然菌株与诱变菌株的摇瓶培养：
将50ml摇瓶分为两批共十组，一批加入活化过的3％紫外诱变过的假单胞菌Pseudomonas aeruginosa ZJU.u1，一批加入活化过的3％未经诱变过假单胞菌；所用未诱变菌株是从炼油厂排污口土壤中自然筛选得到菌种，经过检测其16sRNA后确认为铜绿假单胞菌，而紫外诱变菌是以该菌株为出发菌经过15W紫外灯照射30秒后筛选得到的高产菌株，被命名为Pseudomonas aeruginosaZJU.u1。
a、培养基组成(g/L)：NaNO3，4.0；NaCl，1.0；KCl，1.0；CaCl2·2H2O，0.1；KH2PO4，3.0；Na2HPO4·12H2O，3.0；MgSO4，0.2；FeSO4·7H2O，0.001；微量元素，2mL/L，组成(g/L)：FeCl3·6H2O 0.08，ZnSO4·7H2O 0.75，CuSO4·5H2O 0.075，MnSO4·H2O 0.75，H3BO3，0.15；
b、在两批十组摇瓶中均分别加入1％、2％、3％、4％、5％浓度的烹饪废油进行发酵，总溶液体积为20ml，摇床振荡时间为300r/min；温度37℃，pH控制在6.5～6.8；
发酵48和120小时的鼠李糖脂含量如图1、2所示。
由图中可以看出，经过诱变后的菌种Pseudomonas aeruginosa ZJU.u1鼠李糖脂的产量要比普通未经诱变菌种产量提高一倍以上，达到24g/L。
培养基成分经优化后再采用Pseudomonas aeruginosa ZJU.u1进行鼠李糖脂发酵。在120小时时最高产量达到32g/L，此时培养基中废油用量为5％(体积比)，而水溶性矿物质组成如下(g/L)：NaNO3，4.0；NaCl，1.0；KCl，1.0；CaCl2·2H2O，0.1；KH2PO4，3.0；Na2HPO4·12H2O，3.0；MgSO4，0.2；FeSO4·7H2O，0.001；微量元素，2mL/L，组成(g/L)：FeCl3·6H2O 0.08，ZnSO4·7H2O 0.75，CuSO4·5H2O 0.075，MnSO4·H2O 0.75，H3BO3，0.15；
而未经诱变的普通菌种产量最高只能达到12g/L。
实施例2：鼠李糖脂粉末状粗产物的制备(一)
1、菌种：发酵菌种为铜绿假单胞菌ZJU.U1(Pseudomonas aeruginosa ZJU.u1)
2、将菌种置于甘油培养基，放入摇床活化48-72小时，以获得足够的接种量用于发酵，活化温度36-37℃。pH控制在6.5-7.0之间，震荡时间为300rpm。
3、活化培养基组成如下(g/L)：
甘油，30；NaNO3，4.0；NaCl，1.0；KCl，1.0；CaCl2·2H2O，0.1；KH2PO4，3.0；Na2HPO4·12H2O，3.0；MgSO4，0.2；FeSO4·7H2O，0.001；微量元素，2mL/L，组成(g/L)：FeCl3·6H2O 0.08，ZnSO4·7H2O 0.75，CuSO4·5H2O 0.075，MnSO4·H2O 0.75，H3BO3，0.15
4、发酵罐生产鼠李糖脂
a、培养基组成(g/l)：NaNO3，5.0；NaCl，1.0；KCl，1.0；CaCl2·2H2O，0.06；KH2PO4，4.0；Na2HPO4·12H2O，4.0；MgSO4，0.15；FeSO4·7H2O，0.001；微量元素，2mL/L，组成(g/L)：FeCl3·6H2O 0.08，ZnSO4·7H2O 0.75，CuSO4·5H2O 0.075，MnSO4·H2O 0.75，H3BO3，0.15。
b、废油含量40g/L
c、在50L发酵罐中装入50％液量，菌种接种量为发酵液的3％，培养条件为：通风比0.6vvm；搅拌转速300r/min；温度34～37℃，pH6.8～7.0。反应器连接一个泡沫回收装置。由于表面活性剂发酵过程中有大量的泡沫产生，而消泡剂又会对糖脂的生产产生影响，所以如图3所示，从发酵罐1顶部将泡沫引出至一个泡沫回收器3，通过蠕动泵2将沉降下来的发酵液打回发酵罐1里面，4为空气流量计，72小时后补充0.075kg的餐饮废油，120小时后发酵结束。
d、发酵液通过30kDa的聚砜中空纤维超滤组件去除菌体，获得去菌体发酵液，将过滤后发酵液进行培养检测，并未发现残留假单胞菌，其鼠李糖脂含量为41.3g/L。去菌体发酵液在进口温度145℃，出口温度85℃，物料流量为1.0m3/h条件下进行喷雾干燥，得到含量为65％的鼠李糖脂粉末状粗产物。
实施例3：鼠李糖脂发酵液的制备(二)
1、菌种：同实施例1
2、活化：同实施例1
3、发酵罐生产鼠李糖脂
a、培养基组成(g/l)：NaNO3，2.0；NaCl，5.0；KCl，0.5；CaCl2·2H2O，0.03；KH2PO4，2.0；Na2HPO4·12H2O，6.0；MgSO4，0.05；FeSO4·7H2O，0.005；微量元素，2mL/L，组成(g/L)：FeCl3·6H2O 0.08，ZnSO4·7H2O 0.75，CuSO4·5H2O 0.075，MnSO4·H2O 0.75，H3BO3，0.15。
b、废油含量30g/L
c、发酵条件：72小时后补充的餐饮废油量为0.125Kg，其余条件同实施例一；滤液直接作为鼠李糖脂溶液粗产品。
d、发酵液除菌与粗提物制备：通过0.22微米的聚丙烯腈微滤去除菌体，其余同实施例1
最后，去菌体发酵液中鼠李糖脂产量达到31.8/L
实施例4：鼠李糖脂发酵液的制备(三)
1、菌种：同实施例1；
2、活化：同实施例1；
3、发酵罐生产鼠李糖脂：
a、培养基组成(g/l)：NaNO3，7.0；NaCl，0.5；KCl，5.0；CaCl2·2H2O，0.01；KH2PO4，1.0；Na2HPO4·12H2O，7.0；MgSO4，0.3；FeSO4·7H2O，0.003；微量元素，2mL/L，组成(g/L)：FeCl3·6H2O 0.08，ZnSO4·7H2O 0.75，CuSO4·5H2O 0.075，MnSO4·H2O O.75，H3BO3，0.15。
b、废油含量50g/L；
c、发酵条件：72小时后补充的餐饮废油量为0.025Kg，其余条件同实施例一；120小时后发酵结束。
d、发酵液除菌与粗提物制备：通过70kDa的聚丙烯腈板式超滤去除菌体，滤液直接作为鼠李糖脂溶液粗产品。其余条件同实施例1
用本实施例得到发酵液中鼠李糖脂的产量达到33.5g/L。
实施例5：生化污水处理池中加入鼠李糖脂发酵液来提高处理效率
发酵液中鼠李糖脂加入水中会降低水的表面张力，促进生化废水池中细菌对难溶性物质的吸收，缩短处理时间，提高出水水质，表面张力与水中发酵液的关系见附图2。
将粗提物配成的溶液加入水体含原油15％炼化厂污水中，进行生化处理，浓度为0.03-0.05％，其余步骤同传统的生化处理步骤，与未加入发酵液的污水处理相比，周期缩短了25％，出水BOD降低了30％。
将粗提物配成的溶液加入市政污水进行生化处理，浓度为0.01-3％，与未加入发酵液的污水处理相比，周期缩短了10％，出水BOD降低了15％。
将粗提物配成的溶液加入含大量餐饮废油的污水中进行生化处理，浓度为0.01，与未加入发酵液的污水处理相比，周期缩短了30％，出水BOD降低了30％。
实施例6、发酵液直接用于炼油厂含油土壤的生物修复
将3g储油罐罐底油泥(含10％左右原油)放入250ml三角烧瓶中，加入50ml水及粗提物，配成不同浓度的溶液，进行搅拌，搅拌速度为80rpm，环境温度20℃，72h后测泥土中原油含量如下：
| 鼠李糖脂粗提物加入浓度 | 0 | 0.003％ | 0.006％ | 0.015％ | 0.03％ |
| 泥土中油含量(％) | 9.32 | 8.75 | 6.09 | 3.25 | 1.98 |
经鼠李糖脂粗提物处理后得到的含油废水再补充少量的粗提物(同实施例5)后通过生化法降解，可达到国家排放标准，洗涤后的污泥中原油含量大幅度降低，其中经0.03％的鼠李糖脂粗品处理后的泥土中残存油量小于1.98％，该残余油量在22天内自然降解完毕；经0.015％的鼠李糖脂粗品处理后的泥土中残存油含量也小于3.25％，在32天后自然降解完毕，用水洗涤后的泥土，在60天后油含量依高于7.5％。
Claims (7)
1、餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物，其特征在于该方法的步骤如下：
1)以餐饮废油作为碳源，利用假单胞菌在发酵罐中发酵，发酵过程菌体投加质量浓度为3-5％，碳源浓度是3-5％，矿物盐水溶液占总培养溶液的90-94％，采用的是一次性投料，并在72小时后再次补充0.1-0.5％的碳源；
2)发酵过程温度控制在33-37℃，pH控制在6.0-7.5，通空气量在0.4-1.0vvm，压力为0-0.05Mpa，发酵周期4-6天；
3)发酵液通过膜法过滤去除菌体，得到发酵液中含鼠李糖脂30-40g/L。
2、根据权利要求1所述的餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物，其特征在于：去菌体滤液通过喷雾干燥制成粉末。
3、根据权利要求1所述的餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物，其特征在于：所述的假单胞菌是用从炼油厂排污口土壤中自然筛选得到能产鼠李糖脂的铜绿假单胞菌，通过15W紫外灯紫外诱变15-75秒后筛选获得的鼠李糖脂高产菌(Pseudomonas aeruginosa ZJU.ul)。
4、根据权利要求1所述的餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物，其特征在于发酵过程包括菌种活化和罐内发酵两步：
1)活化过程碳源选用甘油，甘油质量比为3-5％，活化时间72小时，活化温度30-37℃，pH值控制在6.0-7.5；
2)将活化后的菌投入发酵罐进行发酵，发酵过程选用的碳源是餐饮废油。
5、根据权利要求1或4所述的餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物，其特征在于：发酵及活化过程中培养基除碳源外，还包含以下所有成分，NaNO3：0.2-1％；NaCl：0.05-1.0％；KCl：0.05-1.0％；CaCl2·2H2O：0.005-0.05％；KH2PO4：0.1-1％；Na2HPO4·12H2O：0.1-1％；MgSO4：0.005-0.05％；其余为去离子水。
6、根据权利要求1所述的餐饮废油发酵生产鼠李糖脂粗提物，其特征在于：发酵液通过截留分子量30kDa以上的超滤到0.22微米以下的微滤去除菌体，膜材料为聚砜、内烯腈、尼龙、聚丙烯、醋酸纤维或无机类材料；去菌体滤液再经过喷雾干燥处理，喷雾干燥时热风的进口温度为130～160℃，出口温度为65C～85℃，物料流量为0.8～1.2m3/h，塔内滞留时间10秒～20秒。
7、鼠李糖脂粗提物的用途，其特征在于：
1)在生化废水池中加入0.01-3％粗提物，有效提高处理效率，处理时间缩短了15-25％，出水BOD下降了10-30％。
2)鼠李糖脂粗提物用于原油污染的土壤的生物修复：将粗提物配成0.01-0.03％的溶液，可强化油类物质在水中的溶解程度，促进原油污染土壤的生物修复。经鼠李糖脂粗提物处理过，土壤中油类物质可减少70％以上，土壤在30-60天内自然修复。
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