專利名稱：一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及甘蔗渣的資源化利用技術 領域，具體涉及ー種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法。
背景技術：
甘蔗是全世界種植面積最廣闊的農(nóng)作物之一，主要用于制糖和制酒，其榨汁后產(chǎn)生大量的甘蔗渣，據(jù)估算全球每年約2億噸甘蔗渣需處理。甘蔗渣是ー種含高碳高能的生物質(zhì)，主要由20% 30%的木質(zhì)素、40% 45%纖維素以及30% 35%半纖維素以及少量的灰分和其它物質(zhì)組成。與秸桿等農(nóng)業(yè)廢棄物相比，甘蔗渣中的半纖維素和纖維素均為由木糖、葡萄糖等單糖組成的大分子聚合物，使得甘蔗渣更有開發(fā)價值。目前甘蔗渣利用率不高，除部分被用于粉碎還田、發(fā)酵制沼氣、焚燒發(fā)電、生產(chǎn)こ醇外，其余大部分則被丟棄，造成了資源的浪費、環(huán)境的污染及其處理壓力的増大。如何提高蔗渣這種生物質(zhì)廢棄物的高值化利用度已經(jīng)成為世界各國關注的重點。絮凝劑被廣泛地應用于給水、廢水處理、食品生產(chǎn)和發(fā)酵等行業(yè)中，是エ業(yè)用水、生活用水、廢水處理、城市污泥脫水等過程中用量最大的一類藥劑。但傳統(tǒng)絮凝劑的制備需要消耗大量物質(zhì)資源，在使用過程中常常會產(chǎn)生二次污染，而利用微生物技術制備絮凝劑則可以實現(xiàn)廢棄物資源化，對生產(chǎn)設備和污染物處理設施無損害，對環(huán)境無二次污染，對人類健康和環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義。雖然目前對微生物絮凝劑的研究比較多，但是可應用于實際生產(chǎn)的產(chǎn)品很少，其主要原因為培養(yǎng)成本較高，因此利用廢棄物做替代培養(yǎng)基生產(chǎn)絮凝劑，降低其生產(chǎn)成本是推動微生物絮凝劑產(chǎn)業(yè)化應用的重要途徑。生產(chǎn)成本是微生物絮凝劑實際應用的關鍵因素，采用廢棄物作為替代培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物絮凝劑產(chǎn)生菌是降低生產(chǎn)成本的有效途徑。目前，國內(nèi)外相關研究采用的替代培養(yǎng)基主要以含碳、氮、磷等有機物較豐富的液體為主，如乳品廢水、糖蜜廢水、淀粉廢水、啤酒廢水、醬油廢液、豆腐廢水、味精廢水、生活污水、魚粉廢水、垃圾滲濾液、花朵的提取液、制氫黑液等。但這些廉價制備材料均存在ー些問題，如食品加工廢水的成分和濃度變化較大，其中不同批次的醬油生產(chǎn)廢水C0D&濃度相差可達10萬mg/L，致使現(xiàn)有研究尚未找到可推廣的培養(yǎng)基配方與制備エ藝。部分食品加工廢水色度高、營養(yǎng)成分不均衡、含有抑制高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌生長的發(fā)酵代謝產(chǎn)物，從而導致微生物絮凝劑產(chǎn)量較低。因此，尋找廉價易得、易產(chǎn)業(yè)化的培養(yǎng)材料尤其重要。蔗渣中的半纖維素和纖維素均為由葡萄糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖等單糖組成的大分子聚合物，經(jīng)過物理、化學、生物等方法處理后能夠使得葡萄糖小分子以及其它單糖從甘蔗渣中被釋放出來。物理方法主要是粉碎，微波處理和蒸汽爆碎，成本高，產(chǎn)率低?；瘜W方法分為酸或酶的水解催化作用。酸法水解一般需要耐酸，耐熱，耐壓的特殊設備，易產(chǎn)生副產(chǎn)物，影響后續(xù)發(fā)酵。酶法水解具有設備簡単，反應條件溫和，原料糖化得率高，副產(chǎn)物少以及不污染環(huán)境等優(yōu)點，但所用的纖維素酶價格高。而利用能分解纖維素的ー類菌(如木霉、曲霉和青霉等)發(fā)酵，是纖維素糖化工藝發(fā)展的方向。該法具有反應條件溫和、不產(chǎn)生污染物質(zhì)、易于控制。但是反應周期長、效率低等缺點影響了微生物處理纖維素材料的廣泛應用。本發(fā)明直接以甘蔗渣為基質(zhì)，通過異步發(fā)酵實現(xiàn)了甘蔗渣糖化和微生物絮凝劑生產(chǎn)的耦合，為降低微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本提供了技 術基礎，這將對微生物絮凝劑的產(chǎn)業(yè)化應用和拓展農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用途徑具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供ー種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法。本發(fā)明選取高產(chǎn)的纖維素酶產(chǎn)生菌和微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，通過耦合兩株菌的發(fā)酵エ藝，充分利用甘蔗渣配制廉價的培養(yǎng)基，發(fā)酵過程簡單，容易控制，可大大降低絮凝劑的生產(chǎn)成本。本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)。ー種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，包括如下步驟
(1)配制培養(yǎng)基配制的培養(yǎng)基中碳源用量為l(T50g/L，氮源用量為f5g/L，KH2PO4用量f 5 g/L，MgSO4用量0. ro. 5 g/L，其余為自來水；所述碳源為甘蔗渣；
(2)發(fā)酵在發(fā)酵罐中加入步驟(I)中所配制的培養(yǎng)基，利用高壓蒸汽加熱罐體，使得罐壓維持在0. ro. IlMPa之間進行滅菌，利用冷卻水和攪拌冷卻使發(fā)酵罐冷卻至發(fā)酵溫度23 35°C，調(diào)節(jié)攪拌速率為lOOlOOr.minP-1 (優(yōu)選130 rminp-1),控制空氣流量為8(Tl50mL*minP_lp (優(yōu)選 100 mL.minP—1)并維持罐壓 0. 015 0. 025 MPa (優(yōu)選 0. 02MPa)后，接入占培養(yǎng)基體積1%、％的新鮮木霉孢子液，孢子液的吸光度A=O. 6，接種培養(yǎng)24 48h ;此發(fā)酵過程中發(fā)酵時間非常關鍵，培養(yǎng)時間短生物量低，甘蔗渣糖化效率不高；培養(yǎng)時間過長木霉的分泌物和底物的水解產(chǎn)物使得發(fā)酵液的成分復雜，某些因子會影響后續(xù)的微生物產(chǎn)絮凝劑。因此，木霉的發(fā)酵條件和絮凝劑的生產(chǎn)條件要耦合。(3)絮凝劑生產(chǎn)將步驟(2)發(fā)酵液調(diào)節(jié)至pH 4飛，滅菌后冷卻至室溫，調(diào)節(jié)攪拌速率為 100 300 r*minP_lp (優(yōu)選 130r*minP-lp)，控制空氣流量為 8(Tl50mL*minP-lp (優(yōu)選100 mL*minPヽ)并維持罐壓0. 015 0. 025 MPa (優(yōu)選0. 02MPa)后，以0. 05 0. 25g/L接種量接種微生物絮凝劑產(chǎn)生菌發(fā)酵溫度25 37°C，發(fā)酵時間36 72h ;收集培養(yǎng)液，用紗布將菌體過濾除去，得到具有絮凝活性的發(fā)酵液，用400NTU的高嶺土懸浮液測定其絮凝活性。進ー步優(yōu)化的，于步驟(3)還包括用400NTU的高嶺土懸浮液測定具有絮凝活性的發(fā)酵液的絮凝活性。進ー步優(yōu)化的，步驟(3)中微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的接種為菌絲接種。進ー步優(yōu)化的，步驟(2)和步驟(3)中發(fā)酵過程中均采用底層曝氣加攪拌控制溶解氧的溶解氧飽和度為30 80%。進ー步優(yōu)化的，步驟(I)所述碳源為粉碎后的甘蔗渣。所述氮源為NaN03、(NH4) SO4,NH4N03、Ca(N03)2 和尿素。進ー步優(yōu)化的，步驟(I)所述培養(yǎng)基的pH值為3 7。上述培養(yǎng)基中，所選氮源價格便宜，且用量少；使用自來水配制可以補充微生物生長的ー些微量因子且較其他純水便宜易得?？傊鲜雠囵B(yǎng)基配方簡單，所選取的均是廉價易得的原料，大大降低了微生物培養(yǎng)的成本，適宜于大規(guī)模的エ業(yè)化生產(chǎn)。進ー步優(yōu)化的，步驟(2)中，培養(yǎng)基的加液量為發(fā)酵罐體積的一半，所述高壓蒸汽為0. 4MPa高壓蒸汽，所述滅菌為罐體溫度維持在120°C滅菌30min ;步驟(3)中所述滅菌為110°C滅菌20min，所述微生物絮凝劑產(chǎn)生菌用量以濕重計，含水率為87%。進一步優(yōu)化的，步驟(2)所述木霉為里氏木霉(かicAoofe/ma reesei)、康氏木霉(Trichoderma Koningii )、綠色木霉(Trichoderma viride)中的一種。進ー步優(yōu)化的，步驟(3)得到具有絮凝 活性的發(fā)酵液的絮凝率為80 90%，絮凝劑含量為I. 05 I. 40g/L。上述利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法中，絮凝劑產(chǎn)量測定方法為取25mL的發(fā)酵液以I '2的體積比加入4°C無水こ醇，在4°C避光靜置24h后，4°C下6000r*minP_lp，離心lOmin，對沉淀物用相同濃度的こ醇洗滌2次后，60°C烘干至恒重，測定
其質(zhì)量。本發(fā)明和現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和效果
(I)本發(fā)明采用的發(fā)酵培養(yǎng)基以甘蔗渣作為唯一碳源，只添加了少量氮源和微量元素，大大降低了絮凝劑的生產(chǎn)成本。(2)本發(fā)明所采用的エ藝實現(xiàn)了甘蔗渣糖化工藝和微生物絮凝劑生產(chǎn)エ藝的耦合，發(fā)酵時間短，大大降低了動カ消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。與直接利用纖維素酶糖化甘蔗渣生產(chǎn)微生物絮凝劑相比，既省去了纖維素酶的提純過程，同時有效利用了木霉發(fā)酵后的剩余底物產(chǎn)絮凝劑，提高了原料的利用率也減少了廢水排放。(3)本發(fā)明的發(fā)酵方法簡便，容易控制，有利于規(guī)模化生產(chǎn)。(4)本發(fā)明所產(chǎn)生的酶和絮凝劑具有生物可降解性和環(huán)境友好性，不會產(chǎn)生二次污染。(5)本發(fā)明同時實現(xiàn)了纖維素酶和微生物絮凝劑的高產(chǎn)量，拓展了甘蔗渣資源化利用的途徑。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進ー步的說明，但本發(fā)明的實施方式和保護范圍不限于此。實施例I
配制發(fā)酵培養(yǎng)基濃度為 20g/L 甘蔗渣，I. 6g/L (NH4) 2S04，2g/L KH2PO4,0. I g/L MgSO4,滅菌后PH6.0，接種1%綠色木霉孢子液，30°C下培養(yǎng)48h。將發(fā)酵液調(diào)節(jié)至pH5. 5后110°C滅菌20min，然后冷卻至室溫，接種醬油曲霉菌絲(接種量0. 05g/L)，溶解氧的飽和度維持在32飛1%，發(fā)酵溫度30°C，發(fā)酵時間50h，。收集培養(yǎng)液，用紗布濾去菌體，得到具有絮凝活性的發(fā)酵液，取Iml該發(fā)酵液投加到IOOml高嶺土懸液(400NTU)測定其絮凝率為83%。另取25ml發(fā)酵液測定其絮凝劑含量為I. 25g/L。實施例2
配制發(fā)酵培養(yǎng)基濃度為 30g/L 甘蔗渣，2.0g/L (NH4)2SO4, 2. 5g/L KH2PO4,0. I g/LMgSO4，滅菌后pH6.0，接種1%綠色木霉孢子液，30°C下培養(yǎng)40h。將發(fā)酵液調(diào)節(jié)至pH6后110°C滅菌20min，然后冷卻至室溫，接種醬油曲霉菌絲(接種量0. 10g/L)，溶解氧的飽和度維持在35 48%，發(fā)酵溫度32°C，發(fā)酵時間50h。收集培養(yǎng)液，用紗布濾去菌體，得到具有絮凝活性的發(fā)酵液，取Iml該發(fā)酵液投加到IOOml高嶺土懸液(400NTU)測定其絮凝率為85%。另取25ml發(fā)酵液測定其絮凝劑含量為I. 30g/L。實施例3
配制發(fā)酵培養(yǎng)基濃度為 25g/L 甘蔗渣，1.8g/L (NH4)2SO4, 2. lg/L KH2PO4,0.2 g/LMgSO4，滅菌后pH6.0，接種1%綠色木霉孢子液，32°C下培養(yǎng)48h。將發(fā)酵液調(diào)節(jié)至pH5后110°C滅菌20min，然后冷卻至室溫，接種醬油曲霉菌絲(接種量0. 15g/L)，溶解氧的飽和度維持在3(T46%，發(fā)酵溫度35°C，發(fā)酵時間48h。收集 培養(yǎng)液，用紗布濾去菌體，得到具有絮凝活性的發(fā)酵液，取Iml該發(fā)酵液投加到IOOml高嶺土懸液(400NTU)測定其絮凝率為86%。另取25ml發(fā)酵液測定其絮凝劑含量為I. 35g/L。實施例4
配制發(fā)酵培養(yǎng)基濃度為 20g/L 甘蔗渣，I. 6g/L (NH4) 2S04，2g/L KH2PO4,0. I g/L MgSO4,滅菌后PH6.0，接種1%緑色木霉孢子液，30°C下培養(yǎng)48h。得到的發(fā)酵液過濾去除菌體，4000rpm離心lOmin，取得的發(fā)酵液測得CMC酶活值為I. 35U，還原糖含量為0. 26g/L。
權利要求
1.一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于包括如下步驟 (1)配制培養(yǎng)基配制的培養(yǎng)基中碳源用量為l(T50g/L，氮源用量為f5g/L，KH2PO4用量f 5 g/L，MgSO4用量O. Γ0. 5 g/L，其余為自來水；所述碳源為甘蔗渣； (2)發(fā)酵在發(fā)酵罐中加入步驟(I)中所配制的培養(yǎng)基，利用高壓蒸汽加熱罐體，使得罐壓維持在O. Γ0. IlMPa之間進行滅菌，利用冷卻水和攪拌冷卻使發(fā)酵罐冷卻至發(fā)酵溫度23 35°C，調(diào)節(jié)攪拌速率為lOOlOOrminP-1，控制空氣流量為8(Tl50mL*minP-lp并維持罐壓O.015、. 025 MPa后，接入占培養(yǎng)基體積1°/Γ5%的新鮮木霉孢子液，孢子液的吸光度A=O. 6，接種培養(yǎng)24 48h ； (3)絮凝劑生產(chǎn)將步驟(2)發(fā)酵液調(diào)節(jié)至pH4飛，滅菌后冷卻至室溫，調(diào)節(jié)攪拌速率為100 300 r*minP_lp，控制空氣流量為80 150mL.minP-lp并維持罐壓O. 015 O. 025 MPa后，以O. 05、. 25g/L接種量接種微生物絮凝劑產(chǎn)生菌發(fā)酵溫度25 37°C，發(fā)酵時間36 72h ；收集培養(yǎng)液，用紗布將菌體過濾除去，得到具有絮凝活性的發(fā)酵液。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(3)還包括用400NTU的高嶺土懸浮液測定具有絮凝活性的發(fā)酵液的絮凝活性。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(3)中微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的接種為菌絲接種。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(2)和步驟(3)中發(fā)酵過程中均采用底層曝氣加攪拌控制溶解氧飽和度為3(Γ80%。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(I)所述碳源為粉碎后的甘蔗渣。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(I)所述氮源為 NaN03、(NH4) SO4, NH4NO3^ Ca (NO3) 2 和尿素。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(I)所述培養(yǎng)基的pH值為3 7。
8.根據(jù)權利要求I所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(2)中，培養(yǎng)基的加液量為發(fā)酵罐體積的一半，所述高壓蒸汽為0. 4MPa高壓蒸汽，所述滅菌為罐體溫度維持在120°C滅菌30min ;步驟(3)中所述滅菌為110°C滅菌20min，所述微生物絮凝劑產(chǎn)生菌用量以濕重計，含水率為87%。
9.根據(jù)權利要求I 8任一項所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(2)所述木霉為里氏木霉、康氏木霉、綠色木霉中的一種。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，其特征在于步驟(3)得到具有絮凝活性的發(fā)酵液的絮凝率為80 90%，絮凝劑含量為I. 05^1. 40g/L0
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用甘蔗渣廉價制備微生物絮凝劑的方法，該方法利用甘蔗渣作為唯一碳源配制廉價的培養(yǎng)基，選取高產(chǎn)的纖維素酶產(chǎn)生菌和微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，通過耦合兩株菌的發(fā)酵工藝，實現(xiàn)了纖維素酶和微生物絮凝劑的高產(chǎn)量，拓展了甘蔗渣資源化利用的途徑。與直接利用纖維素酶糖化甘蔗渣生產(chǎn)微生物絮凝劑相比，本發(fā)明既省去了纖維素酶的提純過程，同時有效利用了木霉發(fā)酵后的剩余底物產(chǎn)絮凝劑，提高了原料的利用率也減少了廢水排放，所產(chǎn)生的酶和絮凝劑具有生物可降解性和環(huán)境友好性，不會產(chǎn)生二次污染。本發(fā)明的發(fā)酵方法簡便，容易控制，有利于規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號C12P1/02GK102766656SQ20121022691
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權日2012年7月3日
發(fā)明者何寶燕, 葉錦韶, 尹華, 張娜, 彭輝, 秦華明 申請人:暨南大學