臭氧处理马铃薯淀粉加工废水的白地霉净化.pdf

基 础 研 究 食 品研究与开发 2 0 1 0 年 7 月 第 3 1 卷 第 7 期 3 5 = I 臭氧处理马铃薯淀粉加工废水的白地霉净化 任燕 ， 梅 匀 ， 曾艳 ， 秦礼康 ( 1 贵州大学 生命科学学院， 贵州 贵阳5 5 0 0 2 5 ； 2 贵阳生产力促进中心， 贵州 贵阳5 5 0 0 0 3 ) 摘要： 采用白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水， 并回收茵体蛋白。 结果表明， 在单因素筛选基础上， 通过正 交试验， 白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水的最佳工艺参数为： 废水添加 ( N H 4 ) 2 H P O 0 1 、 接种量7 5、 p H 5 0 、 葡萄糖 0 3 ； 此条件下， 白地霉培养 4 0 h ， 化学需氧量( c 0 D) 值为 2 3 6 6 0 0m g L达废水排放二级标准， 同时获 得 茵体蛋白 2 3 6 6 0 0 m g L ， 蛋白含量为 2 5 6 7。 关键词 ： 马铃 薯淀粉加工废水 ； 臭氧预 氧化 ； 白地霉 ； 净化 ； 菌体蛋 白 Pur m c a t i o n o f W a s t e wa t e r f r o m Po t a t o S tar c h Pr o d u c t i o n o f 0z o ne Tr e a t me n t b y Ge o t r i c h u m Ca n d i du m R E N Y a n ， ME I Y u n ， Z E N G Y a n ， Q I N L i - k a n g ， ( 1 C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e ， G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 2 5 ， G u i z h o u ， C h i n a ； 2 Gu i y a n g P r o d u c t i v i t y P r o mo t i o n C e n t e r ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 3 ， G u i z h o u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：P u r i f i c a t i o n o f p o t a t o s t a r c h wa s t e wa t e rs a f t e r o z o n e p r e o x i d a t i o n b y Ge o t r i c h u m c a n d i du m we r e i n v e s t i g a t e d S CP c a n b e o b t a i n e d f r o m c u l t u rin g Ge o t r i c h u m c a n d i d u mOp t i mz a t i o n o f p r o c e s s p a r a me t e rs o f c u l t u rin g we r e s t u d y e d t o p u r i fi f y p o t a t o s t a r c h wa s t e wa t e r s On t h e b a s i s o f s i n g l e f a c t o r t e s t ， o r t h o g o n a l d e s i g n s L 9 ( 3 4 ) w e r e a d o p t e d f o r o p t i m i z a t i o n o f p r o c e s s p a r a m e t e r s T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e o p t i m a l p a r a m e t e rs w e r e ： a d d i n g 0 1( N H 4 ) 2 H P O 4 ， 0 1 g l u c o s e i n t o t h e w a s t e w a t e r a n d i n o c u l a t i o n a mo u n t o f 7 5 a n d c u l t u ri n g Ge o t r i c h u m c a n d i d u m wi t h i n p H=5 Un d e r t h e e x p e rime n t a l c o n d i t i o n ， COD v a l u e wa s 2 3 6 6 0 0 mg L a n d c a n b e p e r mi t t e d t o d i s c h a r g e c u l t u rin g Ge o t r i c hu m c a n d i d u m b y 4 0 h Dr y S CP g o t f r o m wa s t e wa t e r wa s 2 3 6 6 0 0 mg L wi t h 25 6 7 p r o t e i n i n i t Ke y wo r d s ： p o t a t o s t a r c h p r o c e s s i n g wa s t e wa t e r ； pr e -o x i d a t i o n ；Ge o t r i c h u m C a n d i d u m；p u r i f i c a t i o n； s i n g l e c e l l p r o t e i n 马铃薯是世界四大粮食作物之一_ l 1 ， 由于马铃薯 的淀粉含量丰富， 已成为食品淀粉生产工业的一个重 要物料来源12 。然而马铃薯淀粉加工废水 ， 富含蛋白 质、 淀粉、 糖类 、 脂肪等有机物 ， 悬浮物浓度大， 化学需 氧量高翻 ， 并且因多酚类物质氧化褐变形成大量的褐 色素或黑色素， 废水色泽深， 是食品工业中污染最严重 的废水之一， 给环境带来极大危害。目前， 马铃薯淀粉 加工业中常用的废水处理方法有生物法处理、 膜技术 基金项目： 贵州省科技重大专项一 ( 子项 目三) “ 马铃薯深精加工关键 配套技术研究” ( 黔科合重大专项 2 0 0 8 1 6 0 0 9 号) ； 六盘水市科技局项 目“ 马铃薯产业化深加工关键配套技术研究” ( 5 2 0 2 0 0 7 0 0 8 ) 作者简介： 任燕( 1 9 8 4 - _ ) ， 女( 布依) ， 硕士研究生， 研究方向： 食品安 全与质量控制 。 通讯作者 ： 秦礼康( 1 9 6 5 - ) ， 男 ， 教授 ， 研究方 向： 食 品加工与安全。 处理、 絮凝处理法等， 存在着操作复杂、 运行成本高、 滤 膜易被赌塞、 有机物去除率低等缺点 ， 且在上述方法 对废水色泽的处理都无济于事。因此， 找寻一种快速、 高效、低耗的马铃薯淀粉加工废水处理方法己成当务 之急。 臭氧作为一种强氧化剂，具有极强的氧化能力， 在处理一些难降解的有机染料废水方面，已显现较好 的降解效果5 1 。采用臭氧冲泡处理马铃薯淀粉废水， 能 降低废水中的有机物含量， 但仍未达到排放标准， 废水 中还含有一些如蛋白、 糖等有机质 ， 需要进一步处理。 白地霉( G e o t r i c h u m C a n d i d u m) 是一种很常见的真 菌， 其菌体蛋白营养价值高， 可供食用及饲料用。白地 霉具有对培养基营养要求低 、 适应性强、 生长快 、 生产 方法简单、 宜于工业化生产等特点 ， 因而是一种极具发 一 = = 6 刚 3 1 7 食品研究与 开发 第 卷 第期 民 明研- 丌，叉 基 础 研 究 展潜力的工业微生物同 ， 白地霉处理废水的研究呈现 增多趋势，如 N e d r a 及 R B o r j a 等均采用 白地霉对橄 榄油废水进行处理 ， 取得较好脱色和降污效果 ； 李 玉 9 J 等应用 白地霉净化玉米淀粉工业废水 ， 其是化 学需氧量( C O D) 去除率达 9 0 。 鉴于 日益增加的马铃 薯淀粉加工废水的复杂性和广泛性 ， 利用白地霉的生 长特点结合臭氧处理技术在经济和节能方面的优点 ， 本研究采用 白地霉对臭氧预氧化淀粉废水进行生化 处理， 以期在降低废水有机物、 减轻环境污染使淀粉废 水能达标排放 ， 同时， 回收菌体蛋白， 实现淀粉生产废 水的资源化循环利用 ， 为解决马铃薯淀粉加工业发展 的“ 瓶颈” 问题提供科学参考。 1 材料 1 1 菌种 白地霉( G e o t r i c h u m c a n d i d u m ) ： 贵州大学生命科学 院微生物实验室提供。 1 2 试剂 葡萄糖 、 硫酸铵、 硫酸镁 、 磷酸二氢钾、 酵母膏 ： 均 国产分析纯； 重铬酸钾为优级纯。 1 - 3 培养基 固体斜面培养基： 马铃薯培养基 ； 摇瓶种子培养 液： 葡萄糖 1 0 g ， 硫酸铵 5 g ， 硫酸镁 1 g ， 磷酸二氢钾 5 g ， 酵母膏 2 g ， 去离子水 1 0 0 0 m L ， p H= 6 ； 废水净化培养 基 ： 实验室模拟淀粉加工厂生产过程制备马铃薯淀粉 加工废水 。 1 4 仪器与设备 H Z Q Q振荡器 ：东联电子技术开发有限公司； F A 2 0 0 4分析天平： 上海良平仪器仪表有限公司； L D 4 2 离心机 ： 北京 医用离心机厂 。 2 方法 2 1 微生物培养 固体斜面培养： 2 8 c 【 = 、 培养 3 d 。 液体菌种 ： 将斜面活化的白地霉接种于摇瓶种子 培养液中， 2 8 、 振荡( 1 5 0 r mi n ) 培养 2 4 h 。 马铃薯淀粉废水净化培养： 2 8 下振荡培养 4 8 h ( 摇动床转速为 1 5 0 r ra i n ) 。 2 2 白地霉净化臭氧预处理废水培养条件研究 采用 白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废 水， 需要补充适量的无机盐、 碳源。在经臭氧预处理过 的马铃薯淀粉加工废水中添加一定量的( N H 4 ) H P O 和 葡萄糖 ， 接人液体菌种 ， 分 装入三角瓶 中 ， 装 液量 5 0 m I J 2 5 0 m L ， 在 2 8下振荡培养 4 8 h ( 摇动床转速 为 1 5 0 r ra i n ) ， 分别考察( N H 4 ) H P O 、 葡萄糖添加量、 菌 种接种量及 p H值对生物量及净化废水后的化学需氧 量( C O D) 值。 2 2 1 单因素试验 2 2 1 1 ( N H 4 ) ： H P O 添加量对净化效果影响 以 5 接种量接种于废水并净化废水( 2 8 q C 、 装液 量 5 0 mU 2 5 0 mL 、 p H= 5 ) 4 8 h ，考察添加 0 1 5 ( N H ) H P O 对生物量及 C O D的影响。 2 2 1 2 葡萄糖添加量对净化效果影响 以 5 接种量接种于废水并净化废水( 2 8 、 装液 量 5 0 m L 2 5 0 m L 、 p H = 5 ) 4 8 h ， 考察添加 0 1 5葡萄 糖对生物量及 C O D的影响。 2 2 1 - 3 接种量对净化效果影响 分别以3 1 5接种量接种于废水中， 废水不经 灭菌处理 ， 白地霉培养并净化废水 ( 2 8、 装液 量 5 0 m L 2 5 0 m L 、 p H = 5 ) 4 8 h ， 测定生物量及 C O D 。 2 2 1 4 p H对马铃薯淀粉加工废水净化的影响 分别调节废水 p H值 4 7 ， 5接种量接种于废水 并净化废水f 2 8、 装液量 5 0 m U2 5 0 m E ) 4 8 h ， 测定生 物量及 C O D 。 2 2 2 正交试验 在单因素试验基础上， 以菌体生物量及废水 C O D 值为指标， 对( N H 4 ) H P O 、 葡萄糖浓度、 接种量及 p H 4 个因素进行正交试验见表 1 ，确定最佳白地霉净化废 水液体培养条件。 表 1 因素水平设计表 ! 兰 ! ! ! !兰 竺 ! ! ： ： ： ! 竺 2 ： 竺 兰 ! 竺 兰 ! 竺 ! ! ： ! 竺 水 平面 面 面 2 2 3 白地霉净化废水动态试验 在上述所得的最佳试验条件下， 以菌体生物量及 废水 C O D值为指标， 动态考察时间对 白地霉净化废水 的效果。 从发酵起点开始计算 ， 每 8 h 取样离心并测定 菌体生物量及废水 C O D值。 2 2 4 测定方法 2 2 4 1 生物量测定方法 离心培养至终点时的培养液， 离心( 4 0 0 0 r m i n ) 弃上清液， 蒸馏水清洗白地霉菌体 ， 烘至恒重。 2 2 4 2 C O D值测定方法 采用重铬酸钾法测定离心上清液及原废水C O D值。 2 3 数据分 析 本试验数据采用 S P S S 1 1 5 软件进行分析处理。 基 础 研 究 食品 研究 与开发 2 0 1 0 年 7 月 第 3 1 卷 第 7 期 3 结果与分析 3 1 单因素试验 单因素试验见表 2 。 表 2 ( N H4 ) 2 HP O 对废水净化效果的影响 T a b l e 2 E ffe c t o f ( N H4 ) 2 l I P o4 o n p u r i f y i n g w a s t e wa t e r 注： 表中结果为“ 平均值 标准差” ； 同列不同字母为差异显著( P C D B 。以生物量为指标 、得到的最佳工艺参数为 - = = 8 3 1 7 食品 研究与 开发 第 卷 第期 民 明 研九 丌，叉 基 础 研 究 表 8 正交试 验方差分析表( 生物量 ) T a b l e 8 A n a l y s i s o f v a ri a n c e o f o r t h o g o n a l t e s t( b i o ma s s ) 来源 类型 平方和 自由度 均方 F P A ： C D 2 B ， 而以 C O D为指标最佳工艺参数为 A c 2 D B ， ； 正交试验方差结果( 表 7 ) 表明： ( N H 4 ) a H P O 、 葡萄糖、 接 种量及 p H 4个因素 P 0 0 5 ，说明葡萄糖对生物量的增大影响不显 著 ， 因此 ， 本试验从 C O D的降污效果角度考虑 ， 确定 A c 2 D B ， 添加为最佳工艺参数， 即( N H 4 ) ： H P O 0 1 、 接 种量 7 5、 p H 5 0 、 葡萄糖 0 3 。 3 自地霉培养时间对废水净化效果的影响 根据所得的最佳工艺参数条件 ， 对白地霉净化马 铃薯淀粉加工原废水及臭氧预处理废水过程中的生 物量及 C O D两个参数进行动态考察见图 1 。 +原废 水C OD +臭 氧处理 废水C OD _*_ 原废 水生物量+臭 氧处 理废水 生物量 一4 0 0 0 O O 3 5 0 0 0 0 g 3 0 00 0 0 2 5 00 0 0 Q 2 0 0 0 O O 1 5 00 O O 1 0 00 O O 5 00 0 O O 00 0 8 1 6 2 4 3 2 4 0 48 5 6 培养时 间 h 2 50 2 0 0 1 5 0面 1 0 0 蓥 O 5 O O O O 图 1 培养 时间对废水净化效果 的影响 Fi g 1 Effe c t o f c ul t ur e t i m e o n p urif y i n g wa s t e wa t e r 结果表明： 随着培养时间的增加， 废水的 C O D值 逐渐降低， 菌体生物量增加。 尤其在 2 4 h时， 臭氧处理 废水 C O D降低至 7 8 8 7 1 3 mg L ， 较原废水先达到废水 排放三级污水综合排放标准 1 0 0 0 mg L ( G B 8 9 7 8 9 6 ) ， 在 4 0 h时 C O D值持续降低至 2 3 6 6 0 0 m g L ， 达废水排 放二级标准 3 0 0m g L ， 之后的时间内处于平稳阶段； 而 原废水是在 4 8 h 达二级标准，之后 C O D值反而略升 高 ， 这可能是由于菌体 自溶所致。就生物量而言， 两类 废水都在逐渐增高， 但原废水要明显高于臭氧处理废 水 ， 可能是后者中大部分有机物被破坏不能被白地霉 利用而原废水中存在的有机物更适合于自地霉发酵环 境。综合考滤 C O D的去除效果， 最终确定白地霉培养 时间为 4 0 h ， 同时获得菌体蛋白 2 0 4 0 g L ， 并测得其 蛋 白含量为 2 5 6 7 。 4结 论 1 ) 通过正交试验 ， 考虑经济因素及 C O D的降污效 果，白地霉净化臭氧预处理马铃薯淀粉加工废水的最 佳工艺参数为： A c D B ， 即废水添加( N H 4 ) H P 0 4 0 1 、 接种量 7 5、 p H 5 0 、 葡萄糖 0 - 3 。 2 ) 在最佳工艺参数条件下， 白地霉动态发酵时间 为 4 0 h ， C O D值为 2 3 6 6 0 0 m g L达废水排放二级标准， 同时获得菌体蛋白2 0 4 0 g L ， 其蛋白含量为 2 5 6 7 。 3 ) 通过原废水与臭氧预处理废水发酵时间对比分 析， 预处理废水比原废水少提前 8 h 达标排放， 即臭氧 预处理马铃薯淀粉加工废水对其降污起关键作用。 4 ) 上述结果表明， 臭氧与微生物法结合作用对高 浓度马铃薯淀粉加工有机废水的降污有很好效果。 参考文献 ： 1 Mu l l i n s E ，Mi l b o u me D ，P e t t i C ，e t a 1 P o t a t o i n t h e a g e o f b i o t e e h n o l o g y J T r e n d s P l a n t S c i e n c e 2 0 0 6 ， l 1 ( 5 ) ： 2 5 4 2 6 0 2 】Ma l e n e J o r g e n s e n ， G u y B a u w ， K a r e n g We l i n d e r Mo l e c u l a r P mp e i e s a n d A c t i v i t i e s o f T u b e r P r o t e i n s f r o m S t a r c h P o t a t o C v K u r a s f J I A gi c u r e F o o d C h e m ， 2 0 0 6 ， 5 4 ( 2 5 ) ： 9 3 8 9 9 3 9 7 3 P a n a g i o t i s E l e f s i n i o t i s ， D a v i d G Wa r e h a m， Ma r c u s O S m i t h E f f e c t o f a S t a r c h Ri c h I n d u s t ria l Wa s t e wa t e r o n t h e Ac i d P h a s e A n a e r o b i c D i g e s t i o n P r o c e s s J Wa t e r E n v i r o n me n t R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 7 7 ( 4 ) ： 3 6 6 3 7 l 4 】 沈连峰，王谦， 高俊红， 等 淀粉废水处理技术研究进展f J 】 河南农 业大学学报， 2 0 0 6 ， 4 0 f 4 ) ： 4 4 0 4 4 3 5 】 J a e Wo o k C h o i ， Hy u n g K e u n S o n g ， Wh u n L e e ， e t a 1 R e d u c ti o n o f COD a n d Co l n u r o f Ac i d a n d Re a c t i v e Dy e s t u ff W a s t e wa t e r Us i n g O z o n e J K o r e a n J o u r n a l o f C h e mi s t r y E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 2 l (