第十一章微生物新技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用

第十一章微生物新技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)微生物細(xì)胞外多聚物的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

微生物的胞外多聚物(Extracellularpolymers,縮寫EPS)是微生物在一定的環(huán)境條件下，在其代謝過(guò)程中分泌的、包圍在微生物細(xì)胞壁外的多聚化合物。包括莢膜、粘液層及其它表面物質(zhì)。這些多聚物其成分為脂、脂肽、多糖脂、中性類脂衍生物等。

微生物細(xì)胞外多聚物可應(yīng)用于多種工業(yè)，如：用作表面活性劑、絮凝劑或助凝劑和沉淀劑。微生物的胞外多聚物還可應(yīng)用于破乳、潤(rùn)濕、發(fā)炮和抗靜電。第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

一、生物表面活性劑和生物乳化劑的

開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

生物表面活性劑(Biosurfactan)和生物乳化劑（Bioemulsifier）是20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來(lái)的，它們是具有親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于一體的兩親化合物，但兩者有區(qū)別。

生物表面活性劑具有表面活性，它的分子量小，分子中具有脂肪烴鏈構(gòu)成的非極性疏水基和有極性的親水基，如磷酸根或多羥基基團(tuán)。它可改變兩相界面的物理性質(zhì)，如降低空氣——水、油——水或固體——水的表(界)面張力，故稱為生物表面活性劑。研究和應(yīng)用較多的是石油開(kāi)采工業(yè)，因?yàn)樯锉砻婊钚詣┯幸嬗诟纳瞥碛陀推?，使之易于開(kāi)采。

第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二分類產(chǎn)物類型生產(chǎn)菌1.糖脂

2.中性脂/脂肪酸

3.含氨基酸類脂

4.磷脂5.聚合物

6.細(xì)胞表面本身海藻糖脂

鼠李糖槐糖脂甘油酸，脂肪酸，脂肪醇，蠟脂蛋白、脂肽、脂氨基酸（Surfactin,Polymi-xinB）

磷脂酰乙醇胺脂雜多糖（Emusan）脂多糖復(fù)合物,蛋白質(zhì)－多糖復(fù)合物生物破乳劑肽脂節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、分枝菌屬（Mycobacteria）、

諾卡氏菌屬（Nocardia）、棒桿菌屬（Corynebacteria）、紅球菌屬（Rhodococcus）假單胞菌屬（Pseudomonas）球擬酵母（Torulopsis）不動(dòng)桿菌屬（Acinetpbacter）、梭菌屬（Clostridium）芽孢桿菌屬（Bacillus）、諾卡氏菌屬（Nocardia）、棒桿菌屬（Corynebacterium）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、分枝桿菌屬（Mycobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、(Agrobacteria)、

葡糖桿菌屬（Gluconobacter）紅球菌屬（Rodococccus）、硫桿菌屬（Thiobacillus）不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）、地霉屬（Candida）

諾卡氏菌屬（Nocardia）、紅球菌屬（Rodococcus）不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）

生物乳化劑不能顯著降低兩相表(界)面張力，但對(duì)油——水界面有很強(qiáng)的親和力，能夠吸附在分散的油滴表面，防止油滴凝聚，從而使乳狀液得以穩(wěn)定。生物表面活性劑和生物乳化劑一般都能生物降解，可將其分六類。生物表面活性劑和生物乳化劑的分類第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、微生物自身絮凝和沉淀作用

根據(jù)單一菌種微生物（純種）細(xì)胞表面的解離層（胞外多聚物）性質(zhì)不同而劃分兩種類型，即疏水性的R型（菌落為粗糙型）和親水性的S型（菌落為光滑型）。

具有R型解離層的微生物表現(xiàn)疏水性而自身發(fā)生絮凝、聚集而沉降，R型細(xì)菌適合應(yīng)用于廢水處理。

R.kurane等人從沉降性能良好的活性污泥中篩選出紅平紅球菌（Rodococcuserythropols），將它用于處理酞酸酯廢水，處理效率高，沉淀性能良好，處理水透明。用于糖蜜廢水、紙漿黑夜、顏料等廢水懸浮液的絮凝、沉淀與脫色，效果也好。還可用于改善膨脹污泥的沉淀效果。

具有S型解離層的微生物表現(xiàn)親水性，均勻分散于水中，不易絮凝，不易沉降。

第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、微生物絮凝劑和沉淀劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

在廢水生物處理中，二沉池的泥水分離好與壞，取決于活性污泥的絮凝性能和沉降性能。有些活性污泥盡管去除有機(jī)物能力強(qiáng)，但它本身的絮凝性能差，需要投加絮凝劑，強(qiáng)化絮凝效果，改善出水水質(zhì)。絮凝劑有三類:

第1類為有機(jī)高分子絮凝劑或是助凝劑，如聚丙烯酰胺，其投加用量為400mg/L。

第2類為無(wú)機(jī)絮凝劑，如硫酸鋁、硫酸亞鐵、三氯化鐵，堿式氯化鋁等。投加三氯化鐵效果不錯(cuò)，但用量大，達(dá)3000mg/L。

第3類為微生物絮凝劑，微生物絮凝劑是從微生物體提取的的細(xì)胞分泌物，它是具有良好的絮凝作用和沉淀效果的水處理絮凝劑。成分是糖蛋白、多糖、纖維素、蛋白質(zhì)等。它易被生物降解，不會(huì)引起二次污染，使用安全，其用量較少，只需200mg/L。但目前生產(chǎn)成本較高，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，可望降低成本，利于在生產(chǎn)中推廣使用。第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二具有絮凝作用的微生物

將有絮凝作用的微生物經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)而制成的微生物細(xì)胞制劑直接用作絮凝劑。或從具有絮凝作用的菌株提取其表面的有效絮凝成分做成制劑用作絮凝劑。

1976年Nakamura等人從214株菌中篩選出19種具有絮凝作用的微生物，其中的醬油曲霉（Aspergillussojae）的A.J7002菌株生產(chǎn)的絮凝劑效果很好。

1985年H.Takagi等人培養(yǎng)擬青霉屬（Paecilomycessp.1-1），用乙醇沉淀和凝膠色譜法精制成PF101絮凝劑，它的相對(duì)分子質(zhì)量為3×105。其主要成分為半乳糖胺。PF101對(duì)枯草桿菌、大腸桿菌、啤酒酵母、活性污泥、纖維素粉、羧甲基纖維素、活性炭、硅藻土及氧化鋁均有良好的絮凝作用。

第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二物理方法：高速離心、超聲波和均化處理。化學(xué)方法：酸水解、熱堿法和有機(jī)溶劑析出。

①微生物(活性污泥)

濃縮和洗滌，②剝?nèi)PS，③用有機(jī)溶劑析出，④富集，⑤純化。

提取步驟提取微生物細(xì)胞外多聚物的方法

第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

四、微生物絮凝劑和沉淀劑的作用原理

EPS（胞外多聚物）和活性污泥絮凝的機(jī)制尚沒(méi)定論，一般認(rèn)為：EPS的酸性多糖通過(guò)離子鍵與活性污泥發(fā)生絮凝，EPS的中性多糖通過(guò)氫鍵和活性污泥發(fā)生絮凝，EPS起了橋梁作用。EPS具有陰離子基團(tuán)，可和二價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合構(gòu)成三維空間結(jié)構(gòu)，維持絮體完整性。

EPS是生物表面活性劑，可以降低活性污泥和水之間的表面張力，降低兩者的親和性，增加微生物之間及微生物絮團(tuán)之間的親和性。增加微生物絮團(tuán)和活性污泥的疏水性，再加上微生物絮凝劑自身絮凝成大顆粒就變得更易沉淀，達(dá)到泥水分離的目的。第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)發(fā)酵工程

發(fā)酵工程具有悠久的歷史、又融合了現(xiàn)代科學(xué)的技術(shù)，是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。發(fā)酵工程是利用微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)來(lái)生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。它以培養(yǎng)微生物為主，又稱微生物工程。第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

發(fā)酵的概念

生理發(fā)酵：發(fā)酵是在厭氧條件下，糖在酵母等微生物的作用下進(jìn)行分解代謝，向菌體提供能量，從而得到產(chǎn)物乙醇和CO2的過(guò)程。工業(yè)發(fā)酵的概念：以農(nóng)副產(chǎn)品為原料，生產(chǎn)微生物菌體或代謝產(chǎn)物的過(guò)程。第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二發(fā)酵工程研究?jī)?nèi)容1、生產(chǎn)菌種的選育；2、發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制；3、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)；4、產(chǎn)物分離、提取與精制等。第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二發(fā)酵產(chǎn)品的主要類型1、微生物菌體發(fā)酵獲得某種用途的菌體為目的的發(fā)酵。微生物菌體蛋白(單細(xì)胞蛋白),一些藥用真菌，如香菇類、冬蟲(chóng)夏草菌、靈芝等。生物防治劑，如蘇云金桿菌。2、微生物酶發(fā)酵目前工業(yè)用酶大多來(lái)自微生物發(fā)酵。微生物酶制劑有著廣泛的用途．前面章節(jié)中已有敘述。第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵

(1)初級(jí)代謝產(chǎn)物在微生物對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期所產(chǎn)生的產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類等，是菌體生長(zhǎng)繁殖所必需的,叫初級(jí)代謝產(chǎn)物。

(2)次級(jí)代謝產(chǎn)物在菌體生長(zhǎng)靜止期，合成一些特定功能的產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、植物生長(zhǎng)因子等。這些產(chǎn)物與菌體生長(zhǎng)繁殖無(wú)明顯關(guān)系，稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物。

初級(jí)代謝的中間體或產(chǎn)物往往是次級(jí)代謝的前體物或起始物。第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二發(fā)酵方式

1、表面發(fā)酵農(nóng)用抗生家赤霉素的生產(chǎn),對(duì)原料要求粗放小型．以麥麩為培養(yǎng)基進(jìn)行固體發(fā)酵，結(jié)果優(yōu)于深層培養(yǎng)所得的結(jié)果。糖的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量都較高。

缺點(diǎn)：固體發(fā)酵勞動(dòng)強(qiáng)度大，占地面積大，產(chǎn)量低，易污染。但該法仍具有簡(jiǎn)單易行，投資少，適用于小型生產(chǎn)等待點(diǎn)。第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2、深層發(fā)酵深層發(fā)酵是微生物細(xì)胞在液體深層中進(jìn)行培養(yǎng)的方法。隨供氣方式的不同，好氧深層發(fā)酵可分為振蕩培養(yǎng)和深層通氣(攪拌)培養(yǎng)。振蕩培養(yǎng)：即搖瓶振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)微生物所需的氧氣是在外界空氣與培養(yǎng)液在振蕩時(shí)進(jìn)行自然交換提供。深層(攪拌)通氣培養(yǎng)：是強(qiáng)制通入無(wú)菌空氣到密閉發(fā)酵罐中進(jìn)行(攪拌)培養(yǎng)的方式。深層發(fā)酵包括菌種制備、種子培養(yǎng)、發(fā)酵、產(chǎn)物提取精制等。第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

發(fā)酵的4個(gè)階段

第一階段：發(fā)酵原料的預(yù)處理

第二階段：發(fā)酵過(guò)程的準(zhǔn)備種子制備：原料的滅菌：

第三階段：發(fā)酵控制

厭氧發(fā)酵是靜置發(fā)酵，其發(fā)酵設(shè)備不需供氧，所以設(shè)備和工藝都比好氧簡(jiǎn)單。如乙醇、啤酒、丙酮、丁酸及乳酸發(fā)酵等均為厭氧發(fā)酵產(chǎn)品。

好氧發(fā)酵需要消耗大量的氧氣，以供代謝的需要，如氨基酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵等。

第四階段：發(fā)酵產(chǎn)物的提取第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

恒溫?fù)u床設(shè)備第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二小型發(fā)酵罐第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二7－70L全自動(dòng)發(fā)酵罐第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)

（l）發(fā)酵罐的幾何尺寸通用式發(fā)酵罐的指常用的具有機(jī)械攪拌及空氣分布裝置的發(fā)酵罐．內(nèi)裝攪拌器、通風(fēng)管、進(jìn)出料管和熱交換器。罐身高H與直徑D之比=2~3；罐身高主要是延長(zhǎng)空氣與料液接觸時(shí)間，增加氧的溶解.

（2）攪拌器通用式發(fā)酵罐都采用六彎葉渦輪式攪拌器和箭尾式攪拌器。

（3）檔飯檔飯可以消除轉(zhuǎn)軸旁的旋渦，提高攪拌效率，檔飯以4～6塊為宜。為避免檔飯與罐壁形成死角，可使檔飯與罐壁保持20～40cm，寬的距離，用支架固定在壁上。檔板為長(zhǎng)方形，寬為罐直徑的1/10--1/12，垂直向下接近罐底，上端與液面平。第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（4）熱交換器罐內(nèi)裝熱交換器主要為培養(yǎng)液實(shí)消滅菌的加熱和冷卻及發(fā)酵時(shí)溫度的調(diào)節(jié)。熱交換器的式，大罐多用立式蛇管，小罐多用夾套。

（5）通風(fēng)管通風(fēng)管的形式有多孔環(huán)形管、多孔十字形管和單孔管幾種，小罐多用多孔環(huán)形管和多孔十字形管；中型罐多用單孔管；大型罐多采用多孔環(huán)形管。

（6）消泡器在罐內(nèi)液面之上安裝消泡器，用機(jī)械方法劃破已產(chǎn)生的氣泡。

（7）人孔、燈孔、壓力表、移種管、消泡劑管道。

（8）容氧電極，溫度指示器。第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

發(fā)酵罐的技術(shù)要求：結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，牢固，耐腐蝕，附件少，沒(méi)有死角光滑能經(jīng)受反復(fù)滅菌，金屬離子少（不銹鋼）。優(yōu)良好的氣液固混合性能，對(duì)不需要的氣體及時(shí)排出。盡量少的通氣和動(dòng)力攪拌，消耗動(dòng)力少。良好的熱交換性能良好的消泡功能良好的裝料系數(shù)，0.6~0.7必要的檢測(cè)和控制功能耐壓，表壓4.5Kg/cm2材料：復(fù)合板；C鋼，內(nèi)襯不銹鋼板。第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二無(wú)菌空氣系統(tǒng)第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二空氣過(guò)濾器第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二發(fā)酵

發(fā)酵是在無(wú)菌狀態(tài)下進(jìn)行純種培養(yǎng)，微生物合成產(chǎn)物的過(guò)程。培養(yǎng)基和設(shè)備都經(jīng)過(guò)滅菌，通入的空氣或中途的補(bǔ)料均是無(wú)菌的。轉(zhuǎn)移種子采用無(wú)菌接種技術(shù)。發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)：菌體形態(tài)、菌體濃度、底物濃度、氮含量、pH值、溶解氧濃度、產(chǎn)物濃度等。第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二發(fā)酵罐滅菌第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二工業(yè)發(fā)酵中培養(yǎng)基的分批滅菌

濕熱滅菌

用蒸汽直接滅菌。蒸汽在冷凝時(shí)釋放出大量潛熱，蒸汽具有強(qiáng)大的穿透力。在高溫及有水分存在的情況下，微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)極易凝固而引起微生物的死亡。濕熱滅菌具有經(jīng)濟(jì)和快速的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大量培養(yǎng)基及設(shè)備的滅菌。滅菌條件：121℃，20～30分鐘。

第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二接種方法：火焰接種壓力差法接種接種量：1%、5%第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

泡沫的影響和消泡劑的選擇

泡沫對(duì)發(fā)酵的影響：泡沫持久存在會(huì)影響發(fā)酵罐的裝料量。使菌體上浮，妨礙CO2的排出，不利代謝活動(dòng)正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)影響通氣、攪拌，妨礙氧的溶解，造成代謝異常，導(dǎo)致產(chǎn)物產(chǎn)量下降或菌體提早自溶。泡沫多時(shí)還會(huì)造成發(fā)酵液從排氣管逃逸，增加染菌機(jī)會(huì)。第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

泡沫產(chǎn)生的原因：與通氣、攪拌劇烈程度有關(guān)，