环境生物技术课件第五章废物资源化生物技术

第五章废物资源化生物技术第一节废物生产单细胞蛋白第二节纤维质原料生产酒精第一节废物生产单细胞蛋白一、前言1.单细胞蛋白的概念单细胞蛋白（Single-Cell-Protein,简称SCP)一词是由美国麻省理工学院（MIT)的CarrollWilson教授于1966年首先提出的。通常SCP是指通过培养单细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生物蛋白，包括细菌、放线菌中的非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻类等。2.开发SCP的意义◆人们的需要◆微生物蛋白的营养价值微生物菌体的70％～85％为水分，干物质中的主要成分是糖类、蛋白质、核酸、脂类及灰分。粗蛋白的含量：细菌：40％～80％酵母菌：35％～60％丝状真菌：15％～50％

◆单细胞蛋白的主要用途：

作为人类食品作为饲料作为工业原料（微生物培养基成分、合成纤维的亲水剂、各种填料、增稠剂、乳化剂及稳定剂等）3.SCP生产的现状及其发展趋势

二、生产SCP的微生物生产SCP的微生物种类较多，根据原料不同，可以分为如下几类：（1）以碳水化合物为原料，如酿酒酵母，假丝酵母，木霉和青霉等。（2）以碳氢化合物（石油）为原料，假丝酵母菌（3）以甲醇为原料，细菌为主（4）以乙醇为原料，酵母菌为主，其次是细菌和霉菌。（5）以甲烷为原料，细菌为主（6）利用CO2为碳源，氢为能源，如氢单胞菌（7）利用光能，如小球藻、螺旋藻及光合细菌等。细菌：生长速度快，蛋白质含量高，能利用糖类和烃类，但个体小，分离困难，且蛋白质不如酵母菌易于消化吸收。丝状真菌：易于回收，但生产速度慢，蛋白质含量较低。藻类：纤维质的细胞壁不易为人体消化，且具有富集重金属的问题。酵母菌：个体大，易于分离、回收，且蛋白质易于吸收，目前生产上采用较多。三、生产SCP的基质1.适于生产SCP的有机物需满足的条件：价廉易于被微生物降解原料能常年可靠地供应并能够安全、经济地储存能经济地将原料运往工厂质量稳定且可预测2.用于生产SCP的常见废弃物：农业废弃物，需经粉碎、碱处理以提高可消化性。烃类及其衍生物高浓度有机废水固体废弃物工业废气四、SCP生产的工艺技术图5-1单细胞蛋白生产的一般工艺过程五、单细胞蛋白生产中应该

考虑的问题微生物的培养不受季节、气候和地区的限制，所以微生物蛋白生产易于实现工业化。但SCP的广泛使用还存在如下一些问题：（1）核酸含量高（2）毒性物质存在的可能性（3）在人类消化管道中消化得很慢，会使使用者产生消化不良或过敏等症状。（4）比其他来源的蛋白质，如大豆蛋白质更昂贵。单细胞蛋白生产中应该考虑的问题：（1）菌种应增殖速度快，营养要求低，易于培养，可连续发酵，菌体收量大；（2）原料低廉，能大量供给，或直接利用工农业废料；（3）菌体分离回收容易；（4）不易被杂菌污染；（5）生产过程排放废水少；（6）菌体蛋白质含量高，氨基酸组成好；（7）无毒性、病原菌及致癌物质；（8）适口性好；（9）易于储藏、包装。第二节纤维质原料生产酒精一前言二用于酒精生产的纤维素原料▲农作物纤维废物▲森林和木材加工工业废物▲工厂纤维和半纤维素废物▲城市废纤维垃圾三纤维的预处理天然纤维素水解程度非常低，通常只有10％～20％物理法化学法微生物法1.氢氧化钠处理法0.1～0.15g

处理费用：66~69美元/吨物料缺点：被处理物料的体积密度很低2.溶剂处理法

Cadoxen:由乙烯二胺和镉氧化物组成的碱性溶液。5h可水解80％左右，而未经处理的最高水解率为20％Cadoxen溶剂可以回收利用。3.稀酸预处理法半纤维素在100℃以下就能较好地溶解在稀酸中。4.分解木质素的微生物处理法四、纤维素酸水解植物纤维酸水解的机理主要是指纤维素和半纤维素的水解纤维素实质上是一种己聚糖半纤维素则主要是戊聚糖无机酸（硫酸和盐酸）可作为水解反应的催化剂。无机酸催化纤维素分解的机理：实践证明，在一定的范围内，纤维素水解反应的速度与酸的浓度呈正比。而且，温度升高，酸水解反应的速度也加快。纤维素水解过程中要减少已生成单糖的进一步分解。2.浓酸水解浓酸水解纤维素的过程如下：缺点：Ⅰ酸必须回收利用，盐酸可以采用真空蒸馏的方法来回收，而硫酸则不能。Ⅱ要采用防腐蚀的容器，且容器的体积还必须大。3.稀酸水解酸浓度为0.3％～3％，温度为100～200℃此时主要是大部分半纤维素溶解于酸溶液中，纤维素和剩下的半纤维素则呈不溶解状态。根据这个特点，工业生产上纤维的水解可以分阶段进行。4.序列阶段酸水解1979年，美国的Ladisch提出采用浓酸和稀酸水解的纤维素序列三阶段酸水解法。第一阶段预水解水解和萃取半纤维素第二阶段主水解纤维素水解成寡糖和葡萄糖第三阶段后水解阶段寡糖的水解5.影响酸水解的因素（1）原料的种类和粉碎度（2）酸的种类和用量（3）液比系数水解时液体和纤维素原料的比例叫做液比系数。液比系数增加，产糖量增加，但水解液中糖的浓度下降，酸的用量增加。一般液比系数是5～10（4）水解时间和温度温度高，酸水解的速度加快，但生成的单糖的分解速度也加快，故一般采用高温稀酸短时水解6.稀酸水解的几种常用方法固定水解法是最原始的方法。水解液在整个水解过程完成后一次性排出，水解生成的糖的分解现象严重。分段水解法是将半纤维素和纤维素的水解分阶段进行，可以保证两者的水解都在各自最适宜的条件下进行。渗滤水解法是将稀酸溶液从水解器上部不断淋人，水解液从下部连续排出。稀酸常压水解法主要用于木质纤维素的预处理和玉米芯等半纤维素含量高的原料的酸水解。该法可使大部分半纤维素分解。五、纤维素酶水解纤维素酶水解的理论（1）纤维素酶的来源凡是不仅能利用可溶性纤维素衍生物，而且可以利用天然木质纤维素的菌都能分泌纤维素酶系统。（2）纤维素酶系统由三个基本成分组成内切β-1,4葡聚糖酶类（CX酶)，作用于纤维素大分子的内部，随机切割β-1,4葡萄糖苷键

外切β葡聚糖酶类(C1酶)，也叫微晶纤维素分解酶，作用于纤维素分子链的非还原性末端，产物是葡萄糖和纤维二糖。β-1,4葡萄糖苷酶(Cb酶)，水解纤维二糖和短链寡糖为葡萄糖。(3)纤维素酶水解机制六、纤维质原料酒精生产

工艺流程1.酸水解