第十一章微生物新技术在环境工程中的应用

第十一章微生物新技术在环境工程中的应用第1页，课件共35页，创作于2023年2月第一节微生物细胞外多聚物的开发与应用

微生物的胞外多聚物(Extracellularpolymers,缩写EPS)是微生物在一定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的、包围在微生物细胞壁外的多聚化合物。包括荚膜、粘液层及其它表面物质。这些多聚物其成分为脂、脂肽、多糖脂、中性类脂衍生物等。

微生物细胞外多聚物可应用于多种工业，如：用作表面活性剂、絮凝剂或助凝剂和沉淀剂。微生物的胞外多聚物还可应用于破乳、润湿、发炮和抗静电。第2页，课件共35页，创作于2023年2月

一、生物表面活性剂和生物乳化剂的

开发与应用

生物表面活性剂(Biosurfactan)和生物乳化剂（Bioemulsifier）是20世纪70年代后期发展起来的，它们是具有亲水基和疏水基结构于一体的两亲化合物，但两者有区别。

生物表面活性剂具有表面活性，它的分子量小，分子中具有脂肪烃链构成的非极性疏水基和有极性的亲水基，如磷酸根或多羟基基团。它可改变两相界面的物理性质，如降低空气——水、油——水或固体——水的表(界)面张力，故称为生物表面活性剂。研究和应用较多的是石油开采工业，因为生物表面活性剂有益于改善稠油油品，使之易于开采。

第3页，课件共35页，创作于2023年2月分类产物类型生产菌1.糖脂

2.中性脂/脂肪酸

3.含氨基酸类脂

4.磷脂5.聚合物

6.细胞表面本身海藻糖脂

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

磷脂酰乙醇胺脂杂多糖（Emusan）脂多糖复合物,蛋白质－多糖复合物生物破乳剂肽脂节杆菌属（Arthrobacter）、分枝菌属（Mycobacteria）、

诺卡氏菌属（Nocardia）、棒杆菌属（Corynebacteria）、红球菌属（Rhodococcus）假单胞菌属（Pseudomonas）球拟酵母（Torulopsis）不动杆菌属（Acinetpbacter）、梭菌属（Clostridium）芽孢杆菌属（Bacillus）、诺卡氏菌属（Nocardia）、棒杆菌属（Corynebacterium）、链霉菌属（Streptomyces）、分枝杆菌属（Mycobacterium）、假单胞菌属（Pseudomonas）、(Agrobacteria)、

葡糖杆菌属（Gluconobacter）红球菌属（Rodococccus）、硫杆菌属（Thiobacillus）不动杆菌属（Acinetobacter）、地霉属（Candida）

诺卡氏菌属（Nocardia）、红球菌属（Rodococcus）不动杆菌属（Acinetobacter）

生物乳化剂不能显著降低两相表(界)面张力，但对油——水界面有很强的亲和力，能够吸附在分散的油滴表面，防止油滴凝聚，从而使乳状液得以稳定。生物表面活性剂和生物乳化剂一般都能生物降解，可将其分六类。生物表面活性剂和生物乳化剂的分类第4页，课件共35页，创作于2023年2月二、微生物自身絮凝和沉淀作用

根据单一菌种微生物（纯种）细胞表面的解离层（胞外多聚物）性质不同而划分两种类型，即疏水性的R型（菌落为粗糙型）和亲水性的S型（菌落为光滑型）。

具有R型解离层的微生物表现疏水性而自身发生絮凝、聚集而沉降，R型细菌适合应用于废水处理。

R.kurane等人从沉降性能良好的活性污泥中筛选出红平红球菌（Rodococcuserythropols），将它用于处理酞酸酯废水，处理效率高，沉淀性能良好，处理水透明。用于糖蜜废水、纸浆黑夜、颜料等废水悬浮液的絮凝、沉淀与脱色，效果也好。还可用于改善膨胀污泥的沉淀效果。

具有S型解离层的微生物表现亲水性，均匀分散于水中，不易絮凝，不易沉降。

第5页，课件共35页，创作于2023年2月三、微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用

在废水生物处理中，二沉池的泥水分离好与坏，取决于活性污泥的絮凝性能和沉降性能。有些活性污泥尽管去除有机物能力强，但它本身的絮凝性能差，需要投加絮凝剂，强化絮凝效果，改善出水水质。絮凝剂有三类:

第1类为有机高分子絮凝剂或是助凝剂，如聚丙烯酰胺，其投加用量为400mg/L。

第2类为无机絮凝剂，如硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁，碱式氯化铝等。投加三氯化铁效果不错，但用量大，达3000mg/L。

第3类为微生物絮凝剂，微生物絮凝剂是从微生物体提取的的细胞分泌物，它是具有良好的絮凝作用和沉淀效果的水处理絮凝剂。成分是糖蛋白、多糖、纤维素、蛋白质等。它易被生物降解，不会引起二次污染，使用安全，其用量较少，只需200mg/L。但目前生产成本较高，随着生物技术的发展，可望降低成本，利于在生产中推广使用。第6页，课件共35页，创作于2023年2月具有絮凝作用的微生物

将有絮凝作用的微生物经扩大培养而制成的微生物细胞制剂直接用作絮凝剂。或从具有絮凝作用的菌株提取其表面的有效絮凝成分做成制剂用作絮凝剂。

1976年Nakamura等人从214株菌中筛选出19种具有絮凝作用的微生物，其中的酱油曲霉（Aspergillussojae）的A.J7002菌株生产的絮凝剂效果很好。

1985年H.Takagi等人培养拟青霉属（Paecilomycessp.1-1），用乙醇沉淀和凝胶色谱法精制成PF101絮凝剂，它的相对分子质量为3×105。其主要成分为半乳糖胺。PF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、活性污泥、纤维素粉、羧甲基纤维素、活性炭、硅藻土及氧化铝均有良好的絮凝作用。

第7页，课件共35页，创作于2023年2月物理方法：高速离心、超声波和均化处理。化学方法：酸水解、热碱法和有机溶剂析出。

①微生物(活性污泥)

浓缩和洗涤，②剥取EPS，③用有机溶剂析出，④富集，⑤纯化。

提取步骤提取微生物细胞外多聚物的方法

第8页，课件共35页，创作于2023年2月

四、微生物絮凝剂和沉淀剂的作用原理

EPS（胞外多聚物）和活性污泥絮凝的机制尚没定论，一般认为：EPS的酸性多糖通过离子键与活性污泥发生絮凝，EPS的中性多糖通过氢键和活性污泥发生絮凝，EPS起了桥梁作用。EPS具有阴离子基团，可和二价阳离子结合构成三维空间结构，维持絮体完整性。

EPS是生物表面活性剂，可以降低活性污泥和水之间的表面张力，降低两者的亲和性，增加微生物之间及微生物絮团之间的亲和性。增加微生物絮团和活性污泥的疏水性，再加上微生物絮凝剂自身絮凝成大颗粒就变得更易沉淀，达到泥水分离的目的。第9页，课件共35页，创作于2023年2月第二节发酵工程

发酵工程具有悠久的历史、又融合了现代科学的技术，是现代生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。发酵工程是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。它以培养微生物为主，又称微生物工程。第10页，课件共35页，创作于2023年2月

发酵的概念

生理发酵：发酵是在厌氧条件下，糖在酵母等微生物的作用下进行分解代谢，向菌体提供能量，从而得到产物乙醇和CO2的过程。工业发酵的概念：以农副产品为原料，生产微生物菌体或代谢产物的过程。第11页，课件共35页，创作于2023年2月发酵工程研究内容1、生产菌种的选育；2、发酵条件的优化与控制；3、反应器的设计；4、产物分离、提取与精制等。第12页，课件共35页，创作于2023年2月发酵产品的主要类型1、微生物菌体发酵获得某种用途的菌体为目的的发酵。微生物菌体蛋白(单细胞蛋白),一些药用真菌，如香菇类、冬虫夏草菌、灵芝等。生物防治剂，如苏云金杆菌。2、微生物酶发酵目前工业用酶大多来自微生物发酵。微生物酶制剂有着广泛的用途．前面章节中已有叙述。第13页，课件共35页，创作于2023年2月

3、微生物代谢产物发酵

(1)初级代谢产物在微生物对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的,叫初级代谢产物。

(2)次级代谢产物在菌体生长静止期，合成一些特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，称为次级代谢产物。

初级代谢的中间体或产物往往是次级代谢的前体物或起始物。第14页，课件共35页，创作于2023年2月发酵方式

1、表面发酵农用抗生家赤霉素的生产,对原料要求粗放小型．以麦麸为培养基进行固体发酵，结果优于深层培养所得的结果。糖的转化率和产量都较高。

缺点：固体发酵劳动强度大，占地面积大，产量低，易污染。但该法仍具有简单易行，投资少，适用于小型生产等待点。第15页，课件共35页，创作于2023年2月2、深层发酵深层发酵是微生物细胞在液体深层中进行培养的方法。随供气方式的不同，好氧深层发酵可分为振荡培养和深层通气(搅拌)培养。振荡培养：即摇瓶振荡培养，培养微生物所需的氧气是在外界空气与培养液在振荡时进行自然交换提供。深层(搅拌)通气培养：是强制通入无菌空气到密闭发酵罐中进行(搅拌)培养的方式。深层发酵包括菌种制备、种子培养、发酵、产物提取精制等。第16页，课件共35页，创作于2023年2月

发酵的4个阶段

第一阶段：发酵原料的预处理

第二阶段：发酵过程的准备种子制备：原料的灭菌：

第三阶段：发酵控制

厌氧发酵是静置发酵，其发酵设备不需供氧，所以设备和工艺都比好氧简单。如乙醇、啤酒、丙酮、丁酸及乳酸发酵等均为厌氧发酵产品。

好氧发酵需要消耗大量的氧气，以供代谢的需要，如氨基酸发酵抗生素发酵等。

第四阶段：发酵产物的提取第17页，课件共35页，创作于2023年2月

恒温摇床设备第18页，课件共35页，创作于2023年2月小型发酵罐第19页，课件共35页，创作于2023年2月7－70L全自动发酵罐第20页，课件共35页，创作于2023年2月发酵罐结构图第21页，课件共35页，创作于2023年2月

发酵罐的结构

（l）发酵罐的几何尺寸通用式发酵罐的指常用的具有机械搅拌及空气分布装置的发酵罐．内装搅拌器、通风管、进出料管和热交换器。罐身高H与直径D之比=2~3；罐身高主要是延长空气与料液接触时间，增加氧的溶解.

（2）搅拌器通用式发酵罐都采用六弯叶涡轮式搅拌器和箭尾式搅拌器。

（3）档饭档饭可以消除转轴旁的旋涡，提高搅拌效率，档饭以4～6块为宜。为避免档饭与罐壁形成死角，可使档饭与罐壁保持20～40cm，宽的距离，用支架固定在壁上。档板为长方形，宽为罐直径的1/10--1/12，垂直向下接近罐底，上端与液面平。第22页，课件共35页，创作于2023年2月（4）热交换器罐内装热交换器主要为培养液实消灭菌的加热和冷却及发酵时温度的调节。热交换器的式，大罐多用立式蛇管，小罐多用夹套。

（5）通风管通风管的形式有多孔环形管、多孔十字形管和单孔管几种，小罐多用多孔环形管和多孔十字形管；中型罐多用单孔管；大型罐多采用多孔环形管。

（6）消泡器在罐内液面之上安装消泡器，用机械方法划破已产生的气泡。

（7）人孔、灯孔、压力表、移种管、消泡剂管道。

（8）容氧电极，温度指示器。第23页，课件共35页，创作于2023年2月

发酵罐的技术要求：结构严密，牢固，耐腐蚀，附件少，没有死角光滑能经受反复灭菌，金属离子少（不锈钢）。优良好的气液固混合性能，对不需要的气体及时排出。尽量少的通气和动力搅拌，消耗动力少。良好的热交换性能良好的消泡功能良好的装料系数，0.6~0.7必要的检测和控制功能耐压，表压4.5Kg/cm2材料：复合板；C钢，内衬不锈钢板。第24页，课件共35页，创作于2023年2月无菌空气系统第25页，课件共35页，创作于2023年2月空气过滤器第26页，课件共35页，创作于2023年2月发酵

发酵是在无菌状态下进行纯种培养，微生物合成产物的过程。培养基和设备都经过灭菌，通入的空气或中途的补料均是无菌的。转移种子采用无菌接种技术。发酵过程检测：菌体形态、菌体浓度、底物浓度、氮含量、pH值、溶解氧浓度、产物浓度等。第27页，课件共35页，创作于2023年2月发酵罐灭菌第28页，课件共35页，创作于2023年2月工业发酵中培养基的分批灭菌

湿热灭菌

用蒸汽直接灭菌。蒸汽在冷凝时释放出大量潜热，蒸汽具有强大的穿透力。在高温及有水分存在的情况下，微生物细胞中的蛋白质极易凝固而引起微生物的死亡。湿热灭菌具有经济和快速的特点，广泛应用于大量培养基及设备的灭菌。灭菌条件：121℃，20～30分钟。

第29页，课件共35页，创作于2023年2月接种方法：火焰接种压力差法接种接种量：1%、5%第30页，课件共35页，创作于2023年2月

泡沫的影响和消泡剂的选择

泡沫对发酵的影响：泡沫持久存在会影响发酵罐的装料量。使菌体上浮，妨碍CO2的排出，不利代谢活动正常进行，严重时影响通气、搅拌，妨碍氧的溶解，造成代谢异常，导致产物产量下降或菌体提早自溶。泡沫多时还会造成发酵液从排气管逃逸，增加染菌机会。第31页，课件共35页，创作于2023年2月

泡沫产生的原因：与通气、搅拌剧烈程度有关