（微生物学专业论文）黄姜皂素废水资源化利用及皂素洁净生产工艺研究.pdf

摘要 黄姜皂素废水是强酸性高浓度有机废水，富含黄姜淀粉水解成的糖类。废水 的直接排放严重污染了附近的水源、影响了水质，其环境污染问题在很大程度上 已经制约了皂素产业的健康发展。本文对皂素废水进行了资源化综合利用研究， 使其变废为宝，减少环境污染；同时对皂素洁净化生产一分淀粉工艺进行了探讨。 目的：研究皂素废水资源化综合利用及皂素洁净化生产一分淀粉工艺的工艺 路线，以减少环境污染、以废养废、降低废水治理成本，解决皂素废水带来的环 境污染问题。方法：利用皂素废水中有机物含量最高、污染最重的一次废水发酵 生产工业酒精，对发酵工艺参数进行优化并进行放大试验；设计了黄姜皂素洁净 化生产一分淀粉新工艺，考察新工艺对皂素收率、淀粉收率及生产酸用量的影响。 结果：1 驯化筛选出一株能良好地适应皂素废水环境并利用皂素废水发酵生产 酒精的酵母菌种；确定了皂素废水预处理及酒精发酵的最佳工艺条件，并达到中 试水平。结果显示：4 5 l 一次废水经酒精发酵后可得到8 5 的工业酒精1 6 0 0 m l ， 经质检部门检测，酒精指标基本符合工业酒精国家标准0 8 3 9 4 9 3 合格品要求， 具有明显的经济效益，可为废水的进一步治理提供新的经济来源。经酒精发酵处 理后的皂素一次废水c o d c | 去除率约7 0 ，b o d 5 去除率约6 1 ，色度去除率约 7 l ，还原糖去除率约8 7 ，其有机物含量明显降低，水质得到明显改善； b o d ，c o d 达o 4 0 o 4 2 ，废水可生化性进一步提高。2 获得了一条从黄姜中 预先分离淀粉，再经水解、提取皂素的新工艺。与传统工艺相比具有以下优点： 增加了淀粉副产品，淀粉收率达3 0 2 ，皂素的收率提高约1 0 6 8 ，酸用量可 减少约1 5 ；黄姜淀粉的预分离使得皂素废水量及其有机物含量明显降低，废水 处理压力大大减小。结论：利用皂素废水发酵酒精使其资源化综合利用，既可以 减少废水污染，又可以达到以废养废的目的，保障了皂素生产企业的经济利益， 技术方法简单易行，易被小型皂素生产企业接受；分淀粉新工艺同传统工艺相比， 拥有很大优势，是皂素生产行业发展的趋势。两种工艺路线都具有明显的经济效 益和社会效益。 关键词：黄姜；皂素废水；资源化利用；酒精发酵；淀粉分离；工艺 s t u d yo nt h er e c l a m a 稍o no fw a s t e w a t e r f r o md i o s g e n i n p r o d u c t i o no fd ，o s c o ，e az 铆l ，伪e ，e 疗s ，sc h w r i g h ta n dt h e t e c h n o l o g yo fp o u t i o n - f r e ep r o d u c t i o no fd l o s g e n l n a b s t r a c t 1 1 圮w a s t c w a t e r 缸脚 d i o s g c n i np r o d u c t i o n o f d 洒c d 瑚z m g f 6 b r 翻s 括 c h w h g h tw a so fg r e a ta d d i t y h j g ho 唱a n i cm a i t e rc o n c e n i r a t j o na dc a r b o h y d r a t e s p r o d u c e di nt h ep r o c e s so f 枷y l 哪h y d r o l y s i s t h el i v e 疆w h i c ht h ew a s t e w a l e r p o u r e di m od i r e c t l yw i t h o u ta n yt r e a t m e n tf 啪t h ed i o s g e n i nf a c t o r j e sw e r ep o l l u i e d s e r i o u s l y ，w h i c hh db e c nah a r dn u tt o 啪c ko fi h ch e 蛆i h yd e v e l o p m e n to ft h e 王n d u s t r y i n 蹦sp a p e r t h cw a yo fc o m p r c h e n s i v eu t i l i 删o no ft h ew a s t e w 种b rw a s s t u d i e dt om a k ei tr c d a i m e d 髓dr c d u c ep o l l u t i o n m c 町1 w h i l e ，m et e c h n 0 1 0 9 yo f p o l l u t i o n f r e ep r o d l l c t i o no fd i 镐g c n i n ，呦y l u ms e p 盯8 t i o nt c c h n o l o g y ，、a s a l s o d i s c u s s e d 0 e c t i v 姆：s t u d yt h et c c h n o l o g y f o u t e st ot h em c l a m a l i o no f d i 窖胁i n w a s l c w a t e ra l l dt h ep o l i u t i o n 一丘e ep r o d u c t i o no fd i o s g e n i nt o “c ep o l l u t i o n 蛐d e q u a l i z et l l e c o s to ft a t i i l e n ta n ds o i v ct h ee n v i r o n m e n t a lp b l e mc a u s e db y d i o s g e t l i nw a s t e w a t c r m e m o d s ：t h ef i 辐tb a t c hw 嬲t e w a t e r w h i c hw a st h em o s t p 0 1 l u t e da n dc 0 卑s i s t e do ft h eh i g h e s to r g 明i cm a t t c rc o n o e t i t r a t i 伽，w a su s e dt o p m d u c ei n d u s 删a la l c o h 0 1 n l ec o n d i t i o n so ff b 咖e n t a i i o np m c e s sw a so p t i m i z e da n d t h ef e 唧e n t a t i o ns l ew a se n l a r g e d n en e ww a yo fp o l l u t i o n - 蜘cp r o d u c t i o no f d i o s g e n i n ，a m y l 岫s e p a r a t i o n 姆o l l i l o l o g y ，a n di t se 骶c to nd i o s g e n 近y i e l d ，a m y l u m y j e l d 锄da c i dd e m a i l dw e r ca l s oa n 8 l y z e d r e s u l 拓：1 o n ey e a s ts t r a i nw h i c hc o u l d 掣o ww e l l a i l d p r o d u c e a l c o h o li nw 8 s t e w a t e rh a db e e ns c r e e n e d0 u ta 矗e r d o m c s t i c a t i o na n ds e l e c t i o n t t l eo p t i m u mt e c h n o l o 百1p 盯a m e t e 瑙o fw a s t c w a t e r p r e t r c a t i l l i 柚df b 瑚e n t a t i o np m c e 鹞w e r ef o u n do u t 孤dr c a c h e dt h ep i l o t - s c a l e e x p e r i m e “sl e v c l t l l er e s u l t ss h o w e dm a tt h eo u t p u to ft h c8 5 i n d u s 啊a la l c o h o lo f 4 5 lw a s t e w a t e rw a s1 6 0 0 m la o r d i n gt 0n a t i o n a ls t a n d a r d g b 3 9 4 9 3 ，t h e i n d u s t r i a 王a l c o h o lc o n f o 咖e dt oc r i t e r i o no fa c c e p t a b i l i t yo nt h ew h o i e n ee c o n o m i c b e n e 矗tw a so b v i o u sw h i c hc o u l db ean e w 口o c k c t b o o kf o rw a s t e w a t e rf i l n h e r t r e a t m e n t a f t e ra l c o h o l i cf b 衄e n t a t i o n ，r e m o v a lp e r c c n t a g eo fc o d o ，b o d 5 ，d l r o m a a n d d u c j n gs u g 盯w a s7 0 ，6 1 ，7 1 锄d8 7 r e s p c c t i v e l y o 唱锄i cm a t t e r c o m e n ti nw a s t e w a l e r d u c c ds h a l p l ya n dw a t e rq u a l i t yw a s i m p m v e dm a r k e d ly - t 1 l e v a l u eo fb o d ，c o dr e a c h e d0 4 0 一0 4 2s l l o 、j n gt h ei n c r c 踮c db i o d e 伊a d a b i l i t yo f w a s t e w 8 t e l2 an e ww a yi h a ta m y l 哪i i ld 跏陀口z 咖酗删船话c h w r i 曲tw a s s e p a r a t e da l l e a d0 f h y d r o l y s i sa n dd i o s g e n i ne x t r a c t i n gw a sa t t a i n e da n dh a dm a n y a d v a n t a g e sc o n t r a s t e dt om et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o nr o u t e ：t h eb y - p r o d u c ta m y l u mw a s o b t a i n e da n d 咖y l u my i e l dr e a c h e d3 0 2 ，d i o s g c l l i ny i e l di n c r c a s e db ya b d u t 1 0 6 8 a n da c i dd 如l 锄dd e c r e j 撼e db ya b o u t1 5 ；t h eq u 蛳t i t y 衄dt h eo f g a n i cm a t t e r 玳e n to f 也ed i o s g c n i nw 矗s 幽r a t c rr e d e dl a f g c l yw h i c hc o u l dl i 曲t t h es t 砖醛o f w 嬲t e w a t e rt r e a t m e td b v i o 砒i y c o n c i u s l 0 s ：b yr r 璩a 璐o fc o m p 坞h e i i s i v eu t n i z a t i o n o fd i o s g e n i nw a s t e w a t c rt op r o d u c ei n d u s l f i a la l c o h o l ，n o to i i l yt h cw a s t e w a t e r p o l l u t i o nt oe n v i m n m c n tc o l l l db er e d u c e d ，b u ta l t h ea i ma tb a l a n c i n gi h ec o s to f t l i ew 船t e w a t c rf 眦m e rt r e a t m e n t 髓de v e 玎a tg a i n j n ge c o n o m i cp r o f i tc o u l db e a 曲d e v e d i na d d i t i o n ，i tw a se a s y 0 rm o s to fd i g c n i nf t o d e so fs m a l ls l et o a c c e p tb c c s eo fi t ss i m p l c e s sa n d f e a s j b i l i ty c 0 m p a r e dw i 也t l l et r a d i t i o n a lm e t h o d ， t h en e ww a yh a dm 蛐ys t 潮聊o i i l t s 柚dw a sat e n d e n c yo fd i o s g e n i ni i l d u s t r yt o d e v e l o p b 0 t ho ft h ct e c h n o l o g yr o u t c sh a d o b “o u se c o n o m i c 蛐d c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：历哪旭口踟g f 6 e 黼妇c h w r 蛐t ；d i o s g e n i nw a s t e w a t e r ； m p r c h e n s i v eu t i l i z a t i o n ； a l c o h o l i cf e 珊e n 扭t i o n ； a m y l u ms e p a r a t i o n ；t e c h n o l o g y 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 厂 学位论文作者签名：墨逦聋指导教师签名：趟 姗6 年弓其劲b ，扫分6 年歹具5 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：更丽平 跏，年当月劢日 第一章绪论 1 1 我国黄姜皂素加工产业的发展现状 1 - 1 1 黄姜药用价值简介 黄姜是我国传统常用中药材，俗称火头根，学名为盾叶薯蓣( d f d 即d 陀口 磊h 舻蝴扫c h w r i g l l t ) ，为薯蓣科薯蓣属多年生藤本植物1 。黄姜的主要组成 成分及其用途如表1 1 所示。 表1 1 鲜黄姜组成成分 t a b 1 1 1 1 1 e c o m p o n e n t so f f r e 盘h 腑d r 醐z 以譬曲e ，明s 西c h w 吨h i 黄姜根茎中主要活性成分为薯蓣皂素，也称薯蓣皂甙元( d i o s g e n i n ) ，简称 皂索，其结构通式f 4 4 1 如图1 1 所示。薯蓣皂素是异螺旋甾烯烷的衍生物，易溶于 有机溶剂，不溶于水，熔点1 9 5 ，分子式c 2 7 h 6 2 0 3 ，分子量4 1 4 6 3 ，外观里淡 黄色无定形粉末状态，有刺激性气味 9 j 。 图1 1 薯蓣皂甙和薯蓣皂甙元的结构 f i g 1 1t m es i m c l u 糟o fd i o s c i n 叫dd i o s g e n i n 薯蓣皂素具有雌激素作用、可降低胆固醇、止咳、祛痰、脱敏、恢复病变 组织以及刺激肝索细胞与胆汁分泌【l l l ，被广泛用作甾体抗炎药、甾体避孕药的半 合成原料n “”，其结构经改造或修饰后可制得数百种不同的甾体激素类药物m ”i ， 如强的松、氢化可的松、倍他米松、黄体酮、达力补、苯丙酸罗龙、妥体舒通等。 此外，近年来有研究表明薯蓣皂素有抗肿瘤作用 溉捌，还有学者认为治疗高血脂 和冠心病的中成药一地奥心血康胶囊的有效成分为薯蓣皂索【。 薯蓣皂素是薯蓣植物根茎中薯蓣皂甙( d i o s c i l l ) 的水解产物以糖甙的形式 存在于薯蓣植物根茎中心”。由于甾体激素药物难以由化学方法合成，目前的生 产方法主要是从薯蓣植物中提取薯蓣皂素作为中问体来进行的，以薯蓣皂素为 基础几乎可以合成所有的甾体激素药物，故有“激素之母”之称。世界上的薯蓣 植物资源主要集中在我国和墨西哥，其中盾叶薯蓣黄姜是我国特有的一种薯 蓣植物，也是世界上薯蓣皂素含量最高的种，是生产甾体激素药物最主要的药源 植物i ”粕】，所以黄姜拥有“药用黄金”的荚誉瞄硎。 1 1 2 我国黄姜皂素加工产业的发展现状 黄姜特有的生长习性决定了其生长具有较强的地理位置要求。在我国主要集 中于湖北、湖南、陕西、四川、河南等地p l ，其中湖北、陕西两省的黄姜种植面 积占全国的7 0 【3 0 j ，是两个主要生产大省。目前，甾体激素类药物在世界上的 年产销量居于第二，仅次于抗生素类药物，且随着国内外对甾体激素类药物需求 量的不断增大，国际市场对皂素的需求量也急剧上升，在这种市场需求的带动下， 我国作为薯蓣皂素原料的主要产地，作为世界上主要的皂素生产和出口国，加大 了薯蓣黄姜的种植力度，促进了加工黄姜、生产皂素企业的发展。由于皂素生产 工艺简单，设备投资小，所以各地黄姜项目纷纷上马。目前，许多地方的黄姜种 植、皂素加工产业已成为区域经济发展的重要支柱产业，例如素有中国黄姜之乡 之称的湖北省郧西县黄姜基地已稳定发展到3 0 万亩，鲜姜年产量近2 0 万吨，年 皂素生产能力达到1 2 3 5 吨，加工龙头企业发展到1 3 家为我国甾体激素药业的 发展做出了重大贡献；陕西省旬阳县人工种植黄姜面积也已达3 0 万亩，已建成 的黄姜皂素加工企业1 3 家，年皂素生产能力4 0 0 吨。水解干燥物生产能力7 0 0 吨。可见，黄姜产业已成为这些地方发展县域经济的重中之重。 2 发展黄姜种植、皂素加工产业不仅可以引导当地农民因地制宜种植黄姜，脱 贫致富，而且有利于加快西部大开发的战略步伐，加速西部经济的发展。因此， 保障黄姜产业的健康与迅速发展具有重大的社会意义。然而黄姜皂素生产中产生 的高浓度有机废水却给区域环境带来了巨大的压力，造成了严重的污染，已成为 当地黄姜产业健康发展的瓶颈。 1 2 黄姜皂素生产带来的环境问题 1 2 1 黄姜皂素传统生产工艺简介 上世纪5 0 年代末，我国开始建立生产薯蓣皂素的工厂，其生产方法是采用 r o t h r o k 首创的直接酸水解法生产薯蓣皂素的工艺p ”，但直接酸水解法仅能提取 到约1 4 的薯蓣皂素。虽经历了几十年的发展，但由于大多数皂素生产企业规 模小、资金缺乏，目前仍采用“自然发酵一酸解一提取皂素”的传统工艺生产皂 素，其生产工艺流程如图1 2 所示f 3 3 | 。 黄姜 f 0 0 1 ，a 因子极显著； f 0 0 l f b f a ，b 因子显著但不如a 因子显著； f c f 0 1 0 ，c 因子不显著。 由此可知：p h 值( 氨水的加入量) 对发酵结果影响最大。其次是k 2 h p 0 4 的用量，最后是m g s 0 1 4 7 h 2 0 用量；实验的最优组合为a 2 8 3 c l ，即p h 值为5 0 ， k 2 h p 0 4 的用量为0 0 3 ，m g s 0 4 7 h 2 0 用量为0 0 1 。 2 2 2 4 废水灭菌处理对滔精发酵的影响 皂素生产废水是强酸性废水，一般微生物都不能在其中生存。经中和预处理 以及添加无机盐后，立即接种培养好的酵母种子液，经驯化筛选得到的酵母菌应 在其中迅速生长和繁殖，成为其中的绝对优势菌群。为了验证这种设想，考察废 水发酵培养基灭菌与否对废水酒精发酵结果的影响，特设计了以下实验：在配制 发酵培养基时，分别以5 8 和5 2 的用量加入工业氨水，前者经1 2 1 高温灭 菌处理( 灭菌后的p h 值和后者相同) ，实验所用废水还原糖初始含量为6 1 5 。 实验条件一致，灭菌处理对酒精发酵结果的影响如表2 8 所示。 表2 8 废水灭菌对发酵的影响 1 曲2 8h n p a c to fs t e m i 2 a o no nf e 衄e n t a t i o n 从实验结果可以看出：将中和处理后的皂素生产废水进行高温灭菌与不灭菌 处理，均能正常的发酵；酒精产率与还原糖的利用率没有明显差异。 可见，利用皂索废水进行酒精发酵时，废水经中和后立即接入生长成熟的种 子液进行发酵，酵母菌迅速生长繁殖并成为优势菌群，抑制了其它微生物的生长， 此时无需高温灭菌处理，因此选择不灭菌的方法作为实验的基本工艺方法，既可 以节省能源，又简化了生产工艺；同时还节省中和剂的用薰，降低了生产成本， 便于工业化的生产实施。 2 2 2 5 废水浓缩处理对酒精发酵的影响 通常以淀粉质原料发酵生产酒精时，其发酵培养液中还原糖初始含量约1 0 1 2 ，而皂素生产中一次水解废水还原糖含量约为5 5 6 5 ，糖度较低，通过 减压浓缩的方法可使其糖度增加，提高发酵后的酒度。因此在接种时间、接种量、 发酵温度等发酵条件一致的前提下，设计了以下对比实验，考察废水浓缩与否对 酒精发酵结果的影响，结果见表2 9 。 表2 9 废水浓缩对发酵的影响 t a b 2 9l m p a c t o f c o n d c n 铀l i o no nf e 】m e m 嘶o n 从表2 9 中可以看出浓缩与未浓缩的皂素废水均能正常发酵，残留还原糖含 量差别不大；二者的不同之处在于发酵时间的长短，经浓缩处理的废液发酵时间 延长，这与废液含糖浓度及酵母菌对糖的利用速度有关。由于废水采用浓缩处理 时需要投入浓缩的设备，并增加额外的功耗，将会增加生产成本，所以本实验中 采用未浓缩处理的皂素废水进行酒精发酵实验。 2 2 3 皂素废水酒精发酵条件的研究 2 2 3 1 接种时间的确定 为了清楚了解经驯化筛选得到的酵母菌在皂素废水培养基中的生长情况，研 究了酵母菌在皂素废水中的生长规律，进而确定了皂素废水酒精发酵的接种时 间。酵母菌在废水中的生长曲线见图2 5 。 审 ； 蚤 0 24681 0 1 21 41 61 82 02 2 2 42 62 83 0 时闻 h ) 图2 5 酵母菌在废液中的生长盐线 f i g 2 51 kg w l hc u n ，co f y e a s tj n 、张s t e w a t e r 图2 5 为酵母菌在废水培养基中的生长规律曲线，从图中可以看出，经驯化 培养后的酵母菌生长至1 9 h 左右时，处于对数生长期，其生命活动处于旺盛阶段， 增殖能力强。这时移植接种既有利于酵母的继续扩大培养，也能在发酵培养基中 迅速形成酵母的优势群体，抑制杂菌生长。选取此时的种子液进行检测，结果如 表2 1 0 所示。 由表2 1 0 的检测结果可知，由于废水环境中的营养成分相对较贫乏，所以 此时细胞数仅达0 7 0 亿m l ，但从整体指标来看，此时的种子液质量较高，可以 接入发酵培养基中进行酒精发酵，因此将酵母菌种生长1 9 h 作为发酵的最佳接种 时期。 2 4 表2 1 0 检测结果 1 a b 2 1 0r e s t i l t so f e x a m 妇6 0 n 检测项目 结果 酵母细胞数( 亿m l ) 出芽率( ) 死亡率( ) 耗糖率( ) 酸度 o 7 0 2 2 5 0 o 4 2 3 0 不增加 2 2 3 2 接种量的确定 将摇瓶振荡培养1 9 h 、处于对数生长期的种子液移接入发酵培养基，此时种 子细胞数约为o 7 0 亿m i 。按4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8 的接种量分别接入发酵培养基中进行酒精发酵，以产生酒精度( 2 0 ) 的大小来 确定最佳接种量。结果如图2 6 所示。 4 5r ； 亡 篡 、， 瑙 耀 瓤 z“一。一1 一一 468l o1 21 41 61 82 0 接种量( ) 图2 6 接种量对发酵的影响 f i g 2 6l m p a c to f h eq u 明娃t yo fi n o c u l a l i o n f c l 强e n t a 曲n 从图2 6 可以看出，接种量为1 0 时，发酵效果较好。接种量少，延滞期时 间长，酵母菌生长缓慢，在一定的发酵时间内酒精产率低，而且由于酵母菌长时 间不能在醪液中占绝对优势，容易使杂菌乘机繁殖，引起杂菌污染：接种量大， 延滞期时间短，甚至没有，酵母菌数量迅速增加，而培养基中的营养成分，尤其 是还原糖的量是有限的，用于酵母菌生长消耗的还原糖的量增加，用于发酵的还 原糖的量势必减少，造成产酒率的降低。 2 2 3 - 3 发酵时间的初步确定 为初步确定酵母菌在废水中酒精发酵时间，在5 0 0 m l 三角瓶中装入3 0 0 m l 发酵液进行发酵实验，前期摇瓶振荡培养，后期保温厌氧发酵，对好氧培养与厌 氧发酵时间进行确定。在前期摇瓶振荡培养时间不同的情况下，酒精度随发酵时 问的变化如图2 7 所示： + 摇瓶培养财闯力o h _ 摇瓶培养时间为1 0 h 卜摇瓶培养时悯为2 0 h 图2 7 酒糟度随发酵时间的变化曲线 f i g 2 7 t h cc u r v eo f & 1 h o ld e g 豫ew i t hf e r m e n t a t i o nn m e 由图2 7 可以看出，当前期摇瓶培养时间为o h 时，即将发酵液直接保温厌 氧发酵，发酵时间为4 5 h 时，酒精度达最大值3 2 ；当摇瓶培养时间为1 0 h 时， 发酵时间为4 0 h 时，酒精度达最大值3 4 ；当摇瓶培养时间为2 0 h 时，发酵时问 为4 0 h 时，酒精度达最大值3 1 。 分析以上结果可知，当前期摇瓶培养时间适当时，由于振荡作用适当地补充 了溶解氧，酵母菌大量繁殖，为酒糟发酵提供了足够的菌体，保证了发酵过程正 常地进行；而摇瓶培养时间过短时，由于菌体生长繁殖较慢，使厌氧发酵作用时 间延长，且由于前期菌体量较小，酒精发酵作用相对较弱；当摇瓶培养时间过长 时，虽然发酵时间缩短了，但前期酵母菌主要进行细胞的大量增殖，耗糖过多， 后期的厌氧发酵作用也会相对较弱，酒精产量下降。因此实验初步确定发酵时间 为4 0 h ，前期摇瓶振荡培养1 0 h 。 2 2 4 废水酒精发酵5 l 发酵罐试验研究 以上实验对发酵的主要参数进行了研究，但本课题目的是通过实验逐步放大 并达到中试水平，并在后续的试验中实现工业化，所阻根据实验确定的皂素废水 预处理、酒精发酵条件，首先进行了5 l 发酵罐试验。试验主要条件为：前期搅 拌好氧培养，转速为1 6 0 r p i n ，温度2 8 ；后期厌氧发酵，温度3 0 。 由于发酵效果的好坏，不仅同前期好氧培养时间、后期厌氧发酵时间有关， r 4 5 i 5 3 2 l v美越舞蕻 一帖 一 如 一弘一鲫帅i 瓣 而且同装液量的多少也有关，在搅拌转速一定时，装液量对溶解氧有很大的影响， 不同的装液量就显示不同的溶氧量。因此，实验选取好氧培养时间( a ) 、厌氧 发酵时间( b ) 、装液量( c ) 三个因素，按b ( 3 4 ) 正交表进行试验，以产生酒 精的酒精度( 2 0 ) 大小为指标，优化出5 l 发酵罐中最佳发酵时间及最佳装液 量。 表2 1 l 因素水平表 1 h b 2 1 1t h es h to f f a c t o rn dl e v e l abc 好氧培养时间( h )扶氧发酵时间( h ) 装液量( l ) l 2 5 1 0 2 5 3 0 3 5 4 0 31 5 3 54 5 袭2 1 2k ( 3 4 ) 正交实验条件及实验结果 1 曲2 1 2 t h e c o n d m 锄a n d m s l n l o f o n b o g o n “t a b l el 母( 3 4 ) abc e 酒精度( ) ( v ，、，) l1111 2 4 2l222 2 7 31333 3 | 0 42123 3 1 5 2231 3 6 6231 22 ，9 73 1323 5 8 32132 8 9332 13 o k 18 1 9 0 8 1 9 0 k9 69 18 8 9 1 k 19 38 9l o 1 8 9 表2 1 3 方差分析表 1 拍2 1 3t h es h t 耐矗i l a l v s i s 方差来源平方和自由度均方 f 囡于a 网子b i 捌了c 实验误差e s 一0 4 2 s b = 0 0 0 6 7 s c 字0 6 8 6 7 s e = 0 0 0 6 7 0 2 1 0 删 0 3 4 3 3 o 呻3 4 6 1 7 6 1 1 0 0 9 7 总和研一1 1 2 0 l 8 由f 分布表查得f 0 1 0 ( 2 ，2 ) = 9 ，f 0 0 5 ( 2 ，2 ) = 1 9 ，f 0 0 i ( 2 ，2 ) = 9 9 ，比较 各f 值与f 0 1 0 、f 0 m 5 、f 0 0 1 的大小得出 f i0 5 f a f o o l ，a 凼予比较显著： f b f 0 1 0 ，b 因子不显著； f 00 1 f c ，c 因子最显著。 由此可知：装液量对发酵结果影响最大，其次是好氧培养时间，最后是厌氧 发酵时间；试验的最优组合为a 2 8 2 c 3 ，即好氧培养时间为1 0 h ，厌氧发酵时间为 3 0 h ，总装液量为4 5 l 。 依据上述所得到的最佳工艺条件进行了5 l 发酵罐试验。发酵结束后，测定 其酒精度为3 5 ( 2 0 ) 。成熟发酵液经粗馏、精馏后最终得到了含量为8 5 的工 业酒精，对其进行气相色谱分析，针对其中的主要成分乙醇及甲醇成分进行了定 性和定量分析，结果见图2 8 。 2 # 试样中甲醇乙醇含量测定 饕霉i ：趟餐糍瓠蠖* 、j 嘲t 眷# 裁：嚣； 蒜翌”“ 疗蛙史竹td ：、啦0 色潦t 件蛄、抒品、i _ 甲静己婀- 川 分析绌果袭 峰譬晦名 保留时问蝽辐峰耐秘禽艇( v v ) 总计z 1 7 1 | z 2 7 幽1 0 7 9 2 舯0i h 图2 8 酒精测定气相色谱图 f i g 2 8g a sc h r o m a t o g 珀p h yo fa l c o h o l 从图2 8 的分析结果表中可知，将发酵所得酒精稀释到乙醇含量为1 9 6 5 3 ( v ) 时，甲醇含量为o 0 0 2 3 ( v v ) ，计算可知当乙醇浓度为9 5 ( v ，v ) 时，其甲醇含量为0 0 8 8 2 1 0 0 m l 同工业酒精国家标准0 8 3 9 4 9 3 相对照，甲 醇含量符合工业酒精一级标准。 5 l 发酵罐发酵试验验证了皂素废水在5 l 发酵罐中可进行正常的发酵，并能 产生合格的目的产物，同时也为进一步放大试验提供了可依据的参数。 2 2 5 废水酒精发酵5 0 l 发酵罐中间试验研究 通过摇瓶实验和5 l 发酵罐试验确定了发酵过程的基本控制条件，依据所得 的操作参数进一步放大到5 0 l 的发酵规模。发酵前期搅拌培养1 0 h ，转速1 6 0 r p m ， 温度2 8 ，后期厌氧发酵，温度3 0 ，总装液量为4 5 l 。 按酵母种子扩大培养流程进行种子的扩大培养，将5 l 发酵罐中培养成熟的 种子液接入5 0 l 发酵罐进行发酵，同时对发酵过程进行监测。此放大试验重复三 次以上，从而确定5 0 l 发酵罐发酵过程中的工艺参数。 2 2 5 1 发酵过程中酵母菌菌数的变化 对整个发酵过程中酵母菌菌数随时间的变化进行检测并统计，结果如图2 9 所示。 1 。 - 0 8 量o 6 嚣叫 营 黏0 2 o一 01 02 0 3 04 05 0 发酵时问( h ) 圈2 9 废水酒糟发酵对酵母蓥数的变化曲线 f i g 2 9 n e c u eo f y e a s t i n w a s l 鲫a t 盯a l c o h o l i c f e m e n t a t i o n 从图中结果可以看出，发酵前期1 8 小时内，酵母菌菌数增加迅速，为酵母 菌在废水培养基中的适应期和繁殖期。2 1 小时时酵母菌菌数达最大值，约为0 8 4 亿m l 。2 1 小时之后，酵母菌主要进行酒精发酵，菌数保持相对恒定：在发酵后 期，由于发酵液中营养物质缺乏，酵母菌生长缓慢，发酵液中菌数有所减少。 以上试验现象说明：扩大培养成熟的种子液接入5 0 l 发酵罐后，酵母菌经过 短时期的适应以后就开始繁殖。由于这时发酵液中含有一定的溶解氧，且可发酵 性糖含量较丰富，又不存在最终产品的抑制，酵母菌得以大量生长。酵母菌的大 量生长繁殖造成发酵液中营养成分不断减少，再加上溶解氧气的消耗，酵母菌增 殖到一定程度生长速率逐渐降低，进入产物合成阶段。 2 2 5 2 发酵过程中还原糖含量的变化 酵母菌接种发酵液后，首先利用还原糖和其它营养物质生长繁殖，生长到一 定程度后，利用自身酒化酶系统的作用将剩余还原糖最终转化为酒精、c 0 2 和能 量。酵母菌利用废水进行酒精发酵过程中还原糖的含量变化如图2 1 0 所示。 0l o2 03 04 05 0 发酵时间( h ) 图2 1 0 还原糖含量变化曲线 f i g 2 1 0t h ec u r v eo f 陀d u c i n gs u 铲fc o n i e n l 发酵液的最初还原糖含量为6 2 0 ，接种酵母后，随着酵母菌的生长及其代 谢作用的增强，还原糖含量迅速下降。当发酵时间为3 9 小时时，醪液中还原糖 含量为o 7 5 ，以后的时问还原糖含量几乎不再变化，酒精发酵作用终止。 2 2 5 3 发酵过程中酒精含量的变化 从图2 1 1 可以看出，发酵初期，酵母菌主要进行细胞的增殖，无酒精的产 生。随着发酵时间的延长，在9 小时之后开始产生酒精，含量不断增加。当发酵 3 6 小时时，酒精含量变化趋于平缓。发酵3 9 小时时，酒精含量为最大，发酵达 终点，因此选择3 9 小时作为5 0 l 发酵罐中酒精发酵的发酵时间。 7 6 5 4 3 2 1 o xv嘲啦耱隧段 v 鬟 划 蜂 熟 ol o2 03 04 0 5 0 发酵时问( h ) 图2 n 酒精含量变化曲线 f i g 2 1 1t h ec l l r v eo fa l c o h o l n i e n t 2 2 5 4 发酵成熟醪液指标的测定 发酵成熟醪液是酒精发酵成功与否的重要指标，它与酵母菌种的质量、废水 处理方法以及整个酒精发酵过程的工艺参数的控制等诸多因素密切相关，它的质 量是这些因素的综合反应，因此对不同批次发酵成熟醪液进行了检测，结果见表 2 1 4 。 表2 1 4 发酵成熟醪液指标检测结果 1 c a b 2 1 4r c n so fe x a m i n 瓶o n 蛐d 姐a l y s i s 检测项目结果 镜检 还原糖， 酒精含量，( v ，v ) p h 挥发酸度 酵母形态正常，无杂菌 o 7 5 0 8 5 3 1 3 5 4 9 8 5 0 2 0 0 8 0 加 由检测结果可知，废水酒精发酵成熟醪液质量较高，说明发酵状况较好且生 产出目的产物工业酒精，同时上述参数可作为皂素废水酒精发酵成熟醪液放罐的 指标参数。 2 2 5 5 酒精指标的测定 4 5 l 废水发酵液经粗馏、精馏后得到8 5 的工业酒精1 6 0 0 m l ，经陕西省产 品质量监督检验所对其各项指标进行测定，测定结果如表2 1 5 所示： 3 l 表2 1 5 酒精检测结果 n b 2 1 5r e s u 怕o fa l b o ia n a l y s i s ( 洼：以上检测项目检测结果均为换算成酒精浓度为9 5 时的检潮4 结果。) 从检测结果可以看出，所检项目基本符合工业酒精国家标准g b 3 9 4 9 3 规 定的合格品要求。其中杂醇油、甲醇含量略高于标准，主要与实验室条件下的蒸 馏装置不够精确、蒸馏的醪液量较大有关，如果蒸馏装置得到改善，酒精含量及 酒精质量必将进一步提高。 通过5 0 l 发酵罐放大试验再次验证，皂素废水经过预处理、酵母酒精发酵后 可产生质量基本合格的工业酒精，同时获得的数据可为实现工业化生产提供重要 的参考依据。 2 2 6 酒精发酵处理后的一次废水水质及后续处理 皂素一次废水经预处理、酒精发酵、酒精蒸馏及离心去除酵母菌体后，对水 质进行检测，考查实验对水质变化的影响。检测结果见表2 1 6 。 由表可知，一次废水经酒精发酵后，c o d c r 去除率约7 0 ，b o d 5 去除率约 6 1 ，色度去除率约7 1 ，还原糖去除率约8 7 ，其污染物含量明显降低，水 质得到明显改善；b o d c o d 达0 4 0 0 。4 2 ，可生化性进一步提高。 表2 1 6 处理后的一次废水水质 n b 2 1 6c o i i l p o s n i o no fi h e 触c b a l c hw a s t e 啪t e ra f i e rt f e a t l n e i 酒精发酵后的废醪液中含有铵盐、残糖以及其它微量成分，可用于有机复合 肥的配制【“，醪液离心分离后得到的酵母细胞可用于饲料添加剂。 在皂素生产综合废水中，一次废水的排放量约占2 0 ，c o d c 。含量在 1 0 0 0 0 0 珊班左右，由于一次废水的排放，使得综合废水c o d c ，约达2 5 0 0 0m l ， 处理难度增加。当一次废水采用酒精发酵方法处理后，主要污染源得以解决，废 水总排放量可大大减少，这样其它漂洗水的处理负荷明显降低，结合皂素生产企 业现有的末端生物处理工艺可使其达标排放。 2 2 7 效益分析 前已述及，对皂素废水进行酒精发酵，可实现两个主要目的：一可降低对环 境的污染，缓解整体废水处理的压力；二可变废为宝，获得一定量的工业酒精， 为废水的后续处理并最终达标排放提供经济来源，解决废水处理产生的经济费用 问题。同时，在石油资源短缺矛盾日益突出的世界背景下，可为乙醇汽油的生产 提供新的原料来源，产生明显的经济和社会效益。 2 2 7 1 成本估算 按实验所确定的工艺流程及工艺参数对废水进行酒精发酵时，每处理4 j 0 t 一 次废水约可生产1 l 工业酒精，所需原料消耗成本估算见表2 1 7 。 2 2 7 2 经济效益分析 ( 1 ) 生产的工业酒精按3 5 0 0 元t 的售价估算，与生产成本1 7 2 0 元，t 相比， 具有明显的经济效益。 ( 2 ) 分离出的酵母菌粗加工后可作为饲料添加剂出售。 ( 3 ) 酒精发酵后的废醪液中含有铵盐、残糖以及其它微量成分，可用于有 机复合肥的配制。 ( 4 ) 每生产1 t 工业酒精，c o d c ，可减少约2 6 6 t ，按国内每处理1 k g c o d c r 最低运行费用1 5 元计，废水处理费用可减少3 9 9 0 元，可以实现减少污染、以 废养废的日的。 表2 1 7 生产l t 工业酒精成本估算 n b 2 1 7e s t i l i l a t eo fp r o d u c i i o nc o s io f1 ti n d u s t r 谢“c o h 0 1 2 2 7 3 社会效益分析 合理解决皂素废水处理问题，是皂素产业可持续发展的关键，利用皂素一次 废水发酵酒精，对其进行综合利用，使其资源化，变废为宝，降低对环境的污染； 技术方法简单易行，易被小型皂素生产企业接受，可达到以废养废的预期目的， 一定程度上可以解决皂素生产引起的社会及环境问题。在保障皂素生产企业经济 效益的同时，带动当地农民因地制宜种