（植物学专业论文）嗜酸性酵母处理味精废水母液.pdf

河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论 学位 文题目嗜酸性酵母处理味精废水 级别 硕士 学生 张玉辉 学科 植物学 导师 姓名专业姓名 叶永忠 学位论文 是否保密 如需保密，解密时间年月日 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 特此声明。 研究生签名：劣玉书晕导师签名：妒彳另够 日期：年月日 日期：d 占年占月c o 日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印 刷本和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离 开河南农业大学后，就在校期问从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单 位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农 业大学所有，否则，承担相应的法律责任。， 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 l 罨乏吴l 研究生签名：导师签名： 学院领导签名：l 印建1 日期：年月 日只期：年月日同期：年月日 致谢 在本文完成之际，我首先要感谢导师叶永忠教授对我的悉心栽培。导师渊 博的知识，严谨的治学态度和谦逊豁达的为人令我终身难忘。恩师那渊博的学 识、严谨的治学态度、敏捷的思维方式以及他那高尚的人格魅力令我受益终生。 能做叶老师的学生，我深感荣幸! 在三年的学习和生活中，恩师的热情鼓励和 无私帮助令我终生难忘，在此向恩师致以崇高的敬意t 本研究的实验设计和实施足在中科院过程工程研究所从威研究员和贾翠英 博士两位老师的悉心指导下完成的。在北京的试验研究过程中，两位老师从论 文的选题、试验设计、技术技能以及论文的撰写和修改等方面都倾注了大量的 心血。他们开拓创新的思维方式，丰富的理论知识以及对科学事业的追求都给 我留下深刻的印象，这些将使我终生受益。在此表示深深的谢意! 在本文的完成过程中，高致明老师、朱长山老师、李春奇老师、崔红老师、 袁祖丽老师等植物科学系的各位老师以及同学张红瑞、李纪红，张慧玲、黄卫 安等都提出了不少宝贵建议，提供了许多便利条件。对他们的无私帮助，特此 致以深深的谢意! 感谢我的家人对我的理解和支持，感谢我的爱人贾翠英博士在生活中给予 的关心和理解! 最后真诚感谢三年来给予我无私帮助和支持的老师、同学，朋友和亲人! 张玉辉 2 0 0 6 年6 月 摘要 从味精母液水质特征分析出发，依据外因与内冈的关系( 基因型是内羽，环境是外囡) ，f 依据微生物的易变异和适者生存的原理，以二株适应味精废水母液的酵母函卤株( 啤酒酵 母，苹果洒酵母，假丝酵母) 作为出发菌株，从中选育出一株具有较强的耐味精母液的高 c o d 浓度，高氮态氮( n n h 。) ，高s n ，低p h 以及高c 0 0 脐解能力和高效生物转化率的优良酵 母曲从而进行味精母液培养酵母菌生产单细胞蛋白( scp ) 的条件和影响因紊试验研究。 为进一步提高味精母液的生物转化效率提供必要的理论依据和新的解决思路。 嗜酸性酵母菌为离子束诱变后的苹果洒酵母菌最适生长p h 为3 0 5 ；最适生长温度 为2 5 ，培养2 0 h 达到对数生长期最大比生长速率为0 2 h 一对碳源利用顺序为蔗糖，葡 萄糖，麦芽塘，乳糖，淀粉，对硫酸铵和硝酸钾均可以利用。 又通过优化使该酵母在3 5 万c o d 浓度，( 在环境微生物处理废水的过程中一般应用的 微生物生产中的c o d 浓度为l - - 2 万c o d 浓度) 低p l ( 2 5 - 3 5 ) 从而使生产中有高的设备 利用率，低的能源消耗，高的生物转化率，另外由于发酵后c o d 从3 左右上升到6 5 左右， 使后续处理又减少了调p h 的步骤和对环境的污染。 进行味精母液培养酵母菌的条件试验研究：味精废水母液的稀释倍数、p h 值、摇床转速、 ( n i 。) 。s 0 旅度等环境等因素对酵母菌生长的影响。结果表明最佳条件为：味精母液培养酵母 菌的合适条件为，初始c o d 为4 5 0 0 0 5 0 0 0 0 m g 1 左右，p h 为3 + 0 5 ，温度2 5 c ，接种量1 0 ， 接入菌龄为1 2 h ，摇床转速为2 5 0 3 0 0 r p m 时，装液体积1 1 0 ，培养2 0 h ，可获得最大c o d 去除 率7 5 8 0 ，最大菌体干重为1 2 2 0 9 i ，由于该酵母是有氧呼吸，要想提高转化率溶氧是 关键。 通过考察味精母液培养酵母菌的影响因素：外加葡萄糖的影响：味精母液中补充一定量 的葡萄糖有助于酵母菌的生长和对母液有机物的降解和c o d 的去除率的提高。外加无机氮源 的影响：高浓度硫酸铵对酵母细胞活性产生抑制，酵母对硫酸铵有较高的耐受能力，当外加 硫酸铵浓度为6 0 9 1 时，酵母仍然一定的生物量，菌体为6 9 1 左右即在不影响生产的情况 下，该酵母的硫酸铵耐受力为浓度为6 0 9 1 。外加有机氮源的影响：一定量的有机态氮对酵 母有促进作用，而过量会对酵母生长造成抑制。加入量为l g l 时为最佳。色素影响：少量麦 拉得色素对酵母生长有促进作用，但大量的色素对酵母有抑制作用通过对味精母液培养该 酵母的蛋白组分分析，对该酵母菌所产s c p 的营养评价适宜作为饲料添加荆。 由于该酵母对味精废水母液的高适应能力使培养过程省土繁琐的灭菌及长时间的适应 过程试验结果减轻了对味精废水母液处理前的预处理过程节省人力及财力，简化废水处理 过程。使大量而繁琐的废水处理成为有利可图的生物资源化过程。为味精生产厂家找到了简 便易行又有一定经济效益的废水处理方法最高c o d 去除率8 0 2 ，菌体干重l o - - 4 0 9 l ， 每吨味精废水母液可见效益2 0 - - 1 0 0 元。 关键词；味精废水母液；嗜酸性酵母卤；影响冈素；生物治理；c o d 的去除率： 1 文献综述 1 ，水资源与水污染现状 水资源和水污染是当前世界最重大的资源环境问题，也是人类面临的严峻挑战。 我国人多、地少。水源、能源、财源不足，自然条件复杂，是世界上1 3 个贫水国家之一。 人均占有量2 3 0 0 m 3 年为t h = 界平均的l 4 ，居t 廿界第1 0 9 位；亩均水资源占有爹1 8 0 0 m 年只 有世界亩均水平的2 月年另一方面，我国水资源分布不均，南多北少，秀、多两少，夏秋多 冬春少，占国面积6 0 的北方地区拥有的水资源总量仅占全国的1 5 8 。据统计，全国的 6 1 0 个中等以上城市，不同程度缺水的就达4 0 0 多个，其中3 2 个百万以上人口的大城市中有3 0 个长期受缺水的困扰，作为国际大都市的首都北京，人均水资源不足2 0 0 m ，仅为全国人均 水平的i 8 ，世界人均水平的1 3 0 ，远远低于国际公认的1 0 0 耐的缺水下限 严重的水污染更加剧了我国水资源短缺的局面目前，全国七大水系、土要湖泊、近岸 海域及部分地区地下水都有较为严重的污染问题。根据水利部1 9 9 7 年的统计“，全国河流中， 污染河长( 包括类、v 类河长占总河长2 7 7 ，超v 类河长占1 5 ) 已占总河长6 5 4 0 5 k m 的4 2 7 完全污染、失去水的使用价值的超v 类河流占总河长的1 5 而松辽、黄河，海 河、淮河的污染河长竟达到6 5 8 0 。如果按v 类和超v 类计，严重污染的河长占本流域 评价河长的百分比依次为：辽河流域7 0 4 、淮河流域6 9 5 ，海河流域6 7 3 、太湖水系 4 6 7 、黄河流域3 2 1 表1 1 中列出了我国废水捧放情况”从表i 1 可看出，尽管我国 的废水处理量在逐年增加，但每年仍有数百亿吨末经处理的废水即排至江河，对环境污染危 害是巨大的 表1 ，我国废水排放总量现状及发展趋势 t a b i e1 1s t a t u sa n dd e v e i o p m e n to fs e w a g ed i s c h a r g ei nc h i n a 1 1 1 水污染的主要污染源 由于人类的活动而形成的水体污染源主要有生活污染源，工业污染源和农业污染源等二 大类工业污染源是目前造成水体污染的主要来源，是环境保护的主要对象，主要包括工业 冷却用过的废水与特定工业产品直接接触并受污染后摊出的污水以及生产过程中流出的废 液等”。但是不同工业企业的废水，污水，废液的组成成分和特点是各不相同的。能够使水 2 体造成污染的物质是甘常，泛的，不同的污染物造成的水污染类型和危害也是箨不相同的， 受污染的水可能发生感官性状的变化，还可能含有各种毒物，也可能进一步生成各种毒物， 大量污染物进入水体后，使水的感官性状、物理化学性能化学成分、生物组成以及水质情 况产生恶化，则对人类社会产生巨人而深远的影响。 1 1 2 工业废水污染现状及特点 工业废水是水污染最重要的污染源，据统计，全国废水年排放量为3 8 6 l o “t ( 1 9 9 8 年) 废水，其中 业废水占7 0 * * ，这是很严重的据联合国气象组织估计到2 l 世纪中叶，世界环 境难民将达3 亿入科学界预测，若不遏制工业排污，到2 1 世纪将用掉地球全部径流资源”， 世界上己没有一块净土 工业废水具有以下特点：1 ) 排放量大，污染范围广，捧放方式复杂工业生产用水量大， 相当一部分生产用水中携带原料、中间产物、副产物及产物等排出厂外。不少产品在使用中 还会产生新的污染。如全世界化肥旋用量约5 亿吨，农药2 0 0 万吨，使遍及全世界广大地区的 地表水和地下水都受到不同程度的污染工业废水的排放方式复杂，有间歇排放，有连续捧 放，有规律排放和无规律排放，给污染的防治造成很大困难。2 ) 污染物种类繁多，浓度波动 幅度大。由于工业产品品种多，故工业生产过程中排出的污染物也是数不胜数。不同污染物 性质有很大差异，浓度也相差甚远，高的可达几万毫克升以上，如生产酚醛树脂时排出的 含酚废水可达4 万毫克升；低的仅在几毫克升以下3 ) 污染物质有毒性、刺激性、腐蚀 性、p l l 值变化幅度大，悬浮物和富营养物多被酸碱类污染的废水有刺激性、腐蚀性，而有 机含氧化合物如醛、酮、醚等则有还原性，能消耗水中的溶解氧，使水缺氧而导致水生生物 死亡工业废水中悬浮物含量也很高，最高可达3 0 0 m g l ，为生活污水的1 0 倍4 ) 污染排放 后迁移变化规律差异大工业废水中污染物的物理、化学性质差别很大，一旦排放，迁移变 化规律很不相同。有的沉积水底，有的挥发转入大气，有的富集于生物体内有的则分解转 化为其他物质，甚至造成二次污染，使污染物具有更大的危险性如某些有机氮在水中经微 生物作用可分解为硝酸盐，然后进一步还原为亚硝酸盐，进入人体后与仲胺作用生成亚硝胺， 有强烈的致癌作用。5 ) 恢复比较困难水体一旦受到污染，即使减少或停止污染物的排放， 要恢复到原来状态仍需要相当长的时间。 1 2 味精生产工艺流程及废水来源 味精生产主要工艺流程包括原科处理、淀粉液化和糖化、微生物发酵，谷氮酸分离提取 和最后味精精制过程。 在味精整个生产过程中，会产生大鼙的废水，如原料处理的洗涤水；各种发酵设备如调 浆罐、液化罐、糖化罐、发酵罐、提取罐中和脱色罐等的洗涤水；离子交换树脂洗涤水与 树脂再生废水；各种冷凝水和冷却水；以及提取谷氦酸后的母液或离子交换尾液等。其中污 染比较严重者主要是提取谷氮酸后的母液。 1 2 1 谷氨酸提取后母液的主要污染源 3 由于川】发酵生产味精的原料主要是淀粉类物质以及中问补加的氦源、无机盐等物质， 还有生产过手! 。中所使_ i j 的酸碱试刺锋，所以味精生产过拌中提取谷氮睃后的母液中主要残留 有以f 几类物质：( 1 ) 氨基酸类：如 字氨酸( 约为1 2 - - 5 ，其至可高达2 ) 及其它 氮基酸；谷氮酸生产菌的函体及其它巾问产物、代谢物。( 2 ) 糖类：如葡萄话、糊精；( 3 ) 有机酸类：如丙酮酸，乳酸乙酸等；t 4 ) 金属元素及无机酸盐类：如c a 、k 、f e 、硫酸盐、 磷酸盐、氯化物盐类等：( 5 ) 色素物质类 1 2 2 提取谷氨酸后母液的特点 通常所说的味精废水是指发酵液提取谷氨酸后的母液由于谷氮酸提取工艺的不同，所 以提取谷氨酸后母液的水质特性及水罐有一定的区别。表1 2 显示不同丁：艺提取谷氨酸后母 液的主要特点表1 3 显示了味精等电母液的水质特性，( 1 0 i 表1 2 和表1 3 可 看出，提取谷氨酸后的母液通常都具有具有“五高一低”的特点，即c o d 高，b o d 5 高，硫酸 根含量商，氨氮含量高，菌体含量高，低p h 的特点“” 襄1 2 不同工艺提取谷氨酸后母液的特点 t a b i e1 2c h a r a c t e r is t i c so fw a s t e w a t a ra f t e re x t r a c t i n g = l m n o s o d i u mg l u t a m a t eb yd i f f e r e n t t e c h n i q u e s 注：可溶性固形物t s s 表1 3 等电提取谷氨酸后母液的水质特性 t a b i e1 3 c h a r a c t e r i s t i c so fw a s t e w a t e ra f t e re x t r a c t i n g m o n o s o d i u mg i u t a m a t eb yi s i e c t r o n i cm e t h o d 1 2 3 常规生物处理技术在味精母液中的应用 4 随着经济的e 速发展和技术的不断进步，我国已成为味精的盐产和消费人国据报道， 1 9 9 6 年我国的味精，上产量就已纤达到5 0 多万吨，约占世界产量的一半“”。据报道，每生产 一吨味精，大约要排出1 0 4 1 5 吨提取谷氮酸后的母液0 3 1 。在众所周知的淮河流域污染问 题中，味精废水的污染仅次丁i 造纸废水第一大污染源，味精废水的治理已纾成为制约味精生 产企业发展的重大难题( 1 4 1 。 生物处理法是当今处理有机污染物最有效，最经济的途径和方法。味精母液的 b o d 5 c o d 大ro 3 ，有很蚶的呵生化性，易丁生物降解1 1 5 】。生物处理技术主要有蚶氧生物 处理和厌氧生物处理 好氧生物处理有活性污泥法，生物膜法( 包括生物滤池法、生物转盘法、生物流化床法、 生物接触氧化法等) ，纯氧骣气法和深井曝气法等，现欧美已将深井曝气法【艺用于处理高 浓度味精有机废水“但由于有机物浓度高，反应器的停留时间延长，反应器的体积与占地 面积大，一次性投资较大以及盘r 氧处理后的污泥，含水量高，污泥量大，不易脱水等缺点， 使得好氧生物c 艺处理般_ i j 丁处理较低浓度的有机废水。 厌氧生物处理适用于高浓度有机废水具有容积负荷高，处理效果稳定，耐冲击负荷， 所需营养物少，产泥量少，投资省，能耗小等优点，且可以回收能量，具有一定的经济效益 厌氧生物处理设备一般有厌氧滤池，升流式厌氧污泥床( u a s b ) ，厌氧流化床等。我国有 许多味精生产企业将该技术引进味精废水治理中，如河南周口莲花味精厂已建成1 7 0 0 u a s b 反应系统，1 9 9 4 年投入运行，在进水平均浓度为c o d8 0 0 0 m g l 时，c o d 去除率达到8 0 以上f 1 7 1 太原理工大学研究改进u a s b 处理味精一卡那霉素混合废水，c o d 去除率达到 7 0 一8 0 l l j t 但是，对于味精母液而言，厌氧处理无法解决母液中高硫酸盐和高氨氮问题， 微生物易受高硫酸盐和高氮氮的抑制1 1 9 11 2 0 l ，必需将废水大量稀释或与其它废水混合处 理，处理成本加大而采用好氧法处理高浓度味精母液时易产生污泥膨胀，因此也需将废水 大量稀释” t 2 4 味精母液的舞源化利用 废水资源化是当今世界水资源匮乏的国家开辟第二水源的重要途径，也是先进国家治理 污染的一个重要方向。废水资源化后，可以用于二农灌，也可以门还河流，增加河流径流量， 以提高河流的稀释自净能力，这是治理污染河流的有效措施之一废水资源化，讲的是“可 持续利用”，以水资源的可持续利_ 【f 支持我国社会经济的可持续发展”味精母液中含有大 量的可利用物质，如还原糖、有机酸、氢基酸、腺嘿呤及无机盐等，可进行菌体蛋白生产， 生物有机复合肥，厌养沼气的生产等，实现其资源化利用 1 3 酵母菌利用背景及趋势 迄今为止，有关酵母曲的系统研究只有百年历史。与细菌相比。目前已知的酵母苗种类 数目非常少，在分类等方面研究积累的不足，使酵母的和用还存在许多未知领域，具有很丈 的潜力”根据酵母苗分布怙况可知，酵母苗作为一种真菌，适应于含糖较高的酸性环境中 5 生k ”i ，有较强的耐渗透月能力。此利”j 酵母曲进行高浓度有机底物转化只有一定的优 势。 生产酵母法，早在8 0 年代就有人研究，f 戍h j 下生产1 ，在日本，酵母卤的女，氧处理系统 已成功地用于食品加工废水、海产品加f ：废水、屠宰废水以及色拉油加工废水“”1 在高浓度有机废水的酵母函转化与 f ；理研究中，利用有机废物生产单细胞蛋白( s c p ) 占据 了比较突出的地位1 9 6 7 1 9 8 0 年问举 j 的3 次国际单细胞蛋白会议就已确认开发s c p 为解决 蛋白质饲料短缺的重要途径之一1 。自年代以来，世界各m s c p 生产规模从年产1 万吨酵母 鱼j 9 0 0 万吨酵母不等，所利用的碳源也从纯原料逐渐扩展到各种类氆的，如酒精废水，糖蜜 废水，造纸亚硫酸盐废水等 酵母菌与活性污泥相比具有处理效率高、耐高渗透压、污泥负荷高、处理成本低等优点， 同时在处理过程中产生的剩余污泥富含蛋白质和多种氨基酸，具有很高的饲料价值但是， 利用有机废水进行s c p 的生产需要特殊的酵母菌种，以及特殊反应器和一系列昂贵地灭菌操 作过程，并且c o p 去除率通常低于7 0 1 3 1 1 近年来，由于经济的高速发展，高浓度有机废水排放量越来越多，人们对高浓度有机废 水的处理也提出了更高的要求，要求以尽可能简单的工艺、尽可能低的成本处理有机废水， 在废水处理过程中尽可能回收有价值的成分，即有机废水的资源化新型昀酵母菌处理技术 继承了s c p 工艺的基本特征，但与该工艺又有所不同，主要体现在：( 1 ) 采用自然选育的酵 母曲群进行废水处理，菌种获得的依据不仅是获得更好的c o d 去除率而且还有理想的细胞得 率( 2 ) 实现了敞开式反应器中进行生化处理，通过控制操作条件使酵母处于优势菌，从而 省去了s c p 工艺中无菌操作步骤，在最大限度上降低了投资和运行得成本；( 3 ) 新型酵母处 理技术不是一种的生物发酵技术，而是作为一种新型的废水处理技术存在。( 4 ) 处理装置可 沿用现有的好氧工艺如生物膜法，曝气法等，尽可能降低改造现有工艺的投资 1 3 1 酵母菌对味精母液资源化利用的优势 利用味精母液培养酵母实现母液资源化，具有以下优势： ( 1 ) 酵母菌属于单细胞真核微生物，新陈代谢旺盛，繁殖速度快，能大量利用和快速 降解味精母液中各种有机物质，不仅去除c o d 而且产生大量酵母菌体蛋白，可用以生产饲料 蛋白，有较好的经济效益 ( 2 ) 酵母菌喜立了在偏酸性环境中生长味精母液为低酸性环境，适合酵母生长。 ( 3 ) 低酸性的母液环境下培养酵母不需要碱调铮p i t 值，从而降低处理费用另外，酵 母为优势菌，其它杂菌不易生长，冈而可在开放式环境下进行，省去灭菌操作，节省人部分 的能源消耗。 ( 4 ) 酵母曲具有很强的耐渗透压、耐赢浓度硫酸盐和高氮氮的能力，因此味猫母液培 养酵毋占有一定优势。 1 3 2 昧精母液培养酵母菌的影响因素 6 _ j 味精母液培养酵母菌，最大能力地降低毋液c o d ，高效短时旧内获得最人量的酵母曲 体，其中有很多闪累直接影响到转化的高效性。如母液的i 化组成，母腋的b o d 、c o d 负荷， 溶解氧浓度、接种浓度、及停留时间等。 味精母液的生化组成决定了酵母生长所需营养物质的供给。味精母液中残留大_ 南 的有机 酸、氮基酸等可被酵母利用，但残留的总糖比较低，氨氮总鼙很高可能会导致c n 比例火 衡另外，母液中大量无机盐的存在，易造成高盐环境，虽然酵母具有良好的耐渗耐高盐能 力，但过高的盐浓度必将对酵母产生抑制。有资料报道，s o 2 的抑制浓度为5 0 0 0 m g l ， n t g - n 浓度高于3 0 0 0 m g 1 时，不论母液p h 高低，均有抑制作用。”。 味精母液的b o d 、c o d 负荷直接影响到酵母转化母液的效率和菌体生物量。杨清香等人 曾利用嗜盐假丝酵母和粘红酵母处理味槽生产中的离交尾液，研究了母液稀释倍数对c o d 去除速度的影响，结果发现，随着稀释倍数的减小，c o d 的去除速度降低1 ，其原因是随着 母液稀释度的减小，c o d 浓度上升，超出酵母的负载能力。 利用味精母液培养酵母菌，酵母菌主要进行有氧呼吸而不是发酵，酵母曲需要丈量的溶 解氧。可通过鼓气和曝气来实现另外，氧在水中的溶解度与水温，大气压有关低温时氧 的溶解度大。高温时，氧的溶解度小所以利用味精母液培养酵母时不易采用过高温度，通 常为2 5 3 0 。 在利用味精母液培养酵母时，接种量对酵母菌转化母液为菌体蛋白的效率影响很大增 加接种晕有助于缩短培养时间，提高转化效率，过高的接种量将会造成溶解氧下降，呼吸速 度减慢，茵体生长不均衡，滞后期延长等。 1 4 酵母菌与环境关系 作为一种真核微生物，与其它微生物一样，酵母细胞生命活动包括营养、增殖、繁殖、 代谢等。酵母曲的一切生命活动都离不开环境。同一酵母菌种在不同环境下会有不同的表现 环境因子对酵母的影响大致可分为三类：第一类是在适应的环境中，酵母能正常的进行生命 活动；第二类是不适应的环境对酵母的生命活动产生抑制或暂时改变其原有的一些特性；第 三类就是恶劣的环境导致酵母死亡或发生遗传变异当某一环境因子超出酵母生长适应的 范围，就可能对其生长和代谢产生一定的抑制。 1 4 ，酵母菌的培养条件 营养物质是酵母赖以生长和繁殖的重要物质基础。只有通过营养物质的吸收，酵母才能 通过代谢获得组建细胞的物质和能量，从而实现其生长、发育和繁殖等重要生理活动。酵母 曲在不同的生理状态和环境条件下对营养物质的要求也不完全相同。但总的来说，酵母与其 它微生物一样，生命活动都离不开以下必需物质。 41 1 水分 水是微生物生长所必需的一种重要物质，它在微生物机体内的士理作阁主要体现在四个 方面： 7 ( 1 ) 水是微生物细胞的重耍组成成分，i 、细胞总管的9 0 左右酵母中水分禽鼙约 7 5 。 ( 2 ) 机体内的一系列生理生化反应都离不开水，水是微生物代谢过拌中必小可少的溶剂 代谢物只有先溶丁水，才能参与各种反应；另外，水还直接参与某些重要的g 物化学反应， ( 3 ) 水是营养物质和代谢产物实现细胞内外物质交换的媒介 ( 4 ) 水可控制微生物细胞内外温度的变化由于水的比热高，又是热的良好导体，冈此 可有效地吸收代谢过程中放出的热并将吸收的热迅速散发出去，避免微生物细胞内温度陡然 升高，有效地控制微生物细胞内温度。 1 4 1 2 碳源 能被酵母用来构成细胞物质或代谢产物的碳素来源的营养物质很多，如碳水化合物及 其衍生物包括单糖、寡糖、多糖、醇和多元醇类) 、脂类，有机酸等。在酵母细胞的干物质 中，碳占了4 5 5 0 在糖类之中，葡萄糖和果糖，蔗糖很容易被酵母吸收和利用。 1 4 i 3 氮源 氮源物质主要用于合成细胞内各种氩基酸和碱基，进而合成蛋白质和核酸等细胞成分。 酵母能以无机氮源( 主要为硫酸铵及磷酸铵) 及尿素为营养物质。酵母也可利用各种氦墓酸， 胺、嘿呤和嘧啶碱作为氮源作为酵母的氮荼营养，多种氨基酸优于氨。生长在含2 种、3 种和8 种混合氮基酸培养基中的酵母，与生长在相应单一氨基酸培养基中的酵母相比，生长 效率分别提高2 0 、2 8 和3 0 ”1 1 4 i ，4 无机盐类 酵母生长除碳源和氮源外，还需要磷、镁、硫及微量的锌、铜、铁等各种无机盐类物质。 磷是酵母生长的必需物质。研究表明，当磷酸浓度为6 0 u g l 时，顶面啤酒酵母的生长重达 最高值，缺乏磷酸将导致酵母细胞衰弱”1 。几乎所有的酵母菌都需要从无机硫酸盐中吸收硫 酵母对硫的吸收需要能量，并遵循饱和动力学理论有报道在有氧或厌氧条件下，酵母细胞 对硫酸盐的吸收速率是相同的。 1 4 2 酵母生长的环境因素 酵母菌的生长繁殖以多种营养物为基础，同时也受各种环境因素的影响，如温度、酸碱 度( p h ) 、氧气、渗透压、有毒物质等。如果环境条件不适宜，酵母的生命活动就会受到影 响，甚至发生变异或死亡 1 4 2 ，1 温度 温度通过影响微生物细胞膜的液晶结构，酶和蛋白质的合成和活性，以及r n a 的结构 及转录等来影响微生物的生命活动。酵母曲属丁嗜中温性微生物，其生长的温度范围一般为 2 8 3 2 c 酵母在废水处理中的适应温度为2 5 3 0 c 同一菌种的不同卤株或不周卤龄的 细胞对热的耐受力不同，一般幼龄函比老龄菌对热敏感。 1 4 2 ，2p h 8 环境p h 与酵母的生命活动密切相关，它不f 哩可影响纠细胞膜所带的电荷，引起细胞对 营养物的吸收状况发生改变，而且可以改变某唑化合物进入细胞的状态，从而促进或抑制细 胞的生长。另外，环境的p h 还影响酵母代谢止秤中的酶的活性酵母曲适宜在酸性的环境 中i ：长，其生长p h 值阈在1 5 6 0 之间，最辽范围冈种属不同而有一定的差异 i 4 23 氧气 氧对酵母的生长速度与代谢途径的影响至天重要。酵母曲赴兼性厌氧或好氧微生物。氧 气充足的情况下，酵母迅速生长繁殖，进行豇氧呼吸，将有机物彻底氧化成c 0 2 和h 2 0 ，并 产生大量的曲体；在微氧或无氧条件下，酵母主要进行发酵过程酵母菌进行有氧生长时， 对氧的需要量很高，因此必需进行通风或加入氧化剂来满足酵母有机体的代谢需求 1 4 2 4 渗透压 溶液的渗透压决定于溶液的浓度，溶质的离子或分子数目越多渗透压越大水中无机盐 类和有机物质的增加，首先是改变了水的活度( 表示在一定的温度下，某溶液或物质在与一 定的空间空气相平衡时的含水量与空气饱和水蕈的比值，用小数表示) ，从而导致水的渗透 压发生改变。如纯水的活度为l ，渗透压为0 ；而含有3 5 n a c i 的水溶液的水活度为0 9 8 ， 渗透压增加至1 9 5 ，也就是说，水的活度随无机盐类或有机物质含量的增加而降低，但渗 透压则随水的活度降低而升高。 大多数酵母可在高能浓度的啤酒、果汁、乳酪等中生长，具有很好的耐渗透压能力 1 4 2 5 有毒物质 有毒物质如重金属及其化合物、有机化合物、卤族元素及其化合物、染料等，都会对酵 母生长和繁殖产生抑制和毒害大多数重金属及其化合物都是有效的杀菌剂或防腐剂，它们 容易与细胞蛋白质结合使之变性，有的通过进入细胞后与酶上的- - s h 基结合而是酶失去活 性，从而抑制微生物的生长或导致其死亡有机化舍物中如酚、醇、醛等也能使蛋白质变性。 卤族元素及其化合物主要依靠其强的氧化性对微生物细胞内的核糖核酸产生影响，从而阻码 其蚩白质的合成，从而杀伤细胞。一般而言，染料不具有杀菌能力。但是，多数染料为碱性， 其碱性阳离子与菌体的羧基作用形成弱电离的化合物，防碟菌体正常代谢。但是，在质量浓 度较低情况下( 小于i g l ) ，染料可成为微生物的营养源。 i 5 本课题研究目的和意义 总结目前味精母液的治理现状，可看出常规生物处理的不足和缺陷，这主要表现在以下 几个方面：( 1 ) 高浓度有机废水处理手段的不足厌氧生物处理技术被认为是最适合高浓度 有机废水处理的技术，但当废水中含有不适合厌氧处理的成分，如高浓度氨氮、硫酸盐等时， 很难找到一个合适的替代技术；( 2 ) 特殊废水处理比较困难特殊废水包括高盐废水，低 p h 废水以及含生物抑制性物质的废水等对丁此类废水，目前没有合适的处理技术而以 酵母为代表的真菌类微生物具有与细菌不同的生境，能耐受低p h 、耐高氮氮和商硫酸根， 加强这类微生物的利用研究，对于解决目前水处理上存在的上述问题是很有帮助的；( 3 ) 高 9 浓度t f s t 暖水的中色素问题不容忽视常规的好氧或厌氧生物处理以及后来的酵母处理技 术，j 翌对废水中c o o 物质有很盘的j 、除功效，而对废水中色素的移除效率并不高。白腐真 菌具7 r 强烈脐解木质素能力并且还有搬好的废水潦白作用。本课题研究的目的是利用微生物 最大眼_ 嗖将废水中c o d 和色素物质资源化，并结合女r 氧一厌氧工艺最终实现水资源的循环利 埘，戢得一定的经济效益和环境效益。 15 1 完善酵母菌处理技术，为其在高浓度有机废水中的应用奠定基础 高浓度有机废水的处理一直是废水处理行业的热点，因为此类废水的污染已占很大比 例，儿水肇非常大以味精生产过程中提取谷氨酸后的母液为例，我国每年排放废水量1 0 0 多万吨，每生产1 吨味精需淀粉3 吨，尿素0 6 o 7 吨( 含氮量为2 8 0 3 4 0 k g ) ，硫酸0 1 4 0 1 5 吨，除部分变成谷氨酸和逸出的- 二氧化碳气体外，大部分以曲体蛋白、残糖、氨基酸、 铵盐、有机酸及酸根的形式随母液摊放了 常规生物处理法从市政污水处理沿袭而来，通常将自然生长的微生物群体加以驯化，繁 殖刺，任其自然降解，其中细菌占据优势地位，真菌则较少该 艺处理低浓度废水可取 得较女f 效果，但对于高浓度有机废水效果较差。如活性污泥容积负荷低，不太适合高浓度废 水处理；而以u a s b 为代表的厌氧处理法虽然具有较高的容积负荷能力，在处理高浓度废水 时发挥很大作用。但是在某些情况下不能形成颗粒状污泥，且处理过程中形成的i - i z s 对设备 的腐蚀以及高氨氮对微生物的毒害等问题比较突出，从而使该技术也受到一定限制因此， 对于像味精废水此类的高浓度有机废水来说，废水有机物、氦氮和硫酸盐含量都较高，直接 采用厌氧处理时会产生的1 1 2 s 和n 1 3 的协同毒性，因此在厌氧处理之前需要增加脱氮、脱硫 工序，所以说无论是活性污泥还是厌氧处理工艺都不太理想”1 酵母菌对有毒有机物的抵抗能力与细菌相比有较大差异，原因是酵母适应的生存环境与 细菌明显不同，酵母对味精母液中的氨氮和硫酸盐的耐受能力比细菌更高”嘲 因此，酵母菌可以在没有预处理的情况下直接处理味精母液，从而节省基建投资和运转费用 例如，采用酵母菌处理技术作为预处理工序，可以代替味精母液常规处理工艺中的脱氨、脱 氮、厌氧处理共三级处理工序然而，除了在日本有少数的研究和应用外，国内外其它相关 研究仍然停留在单细胞蛋白生产的水平上“1 在生物处理法日趋成熟的今天，现有工艺处理高浓度味精母液的不足主要反映在所采用 的微士物类型上，突出表现为微生物的处理能力较低，微生物本身利用价值低而难以实现资 源化，而资源化处理技术是当今世界发展趋势，因此应该努力寻找包括酵母苗在内的高效有 益微生物进行废水资源化。 1 5 ，2 促进真菌生物处理技术在高浓度有机废水中的应用 目前，国内外已筛选到处理各类有毒或难降解的废水的高效微生物，在添加高效降解菌 后处理效果大人提高，显示其广泛的应用推广前景。而在染料脱色方面，细曲、酵母菌、霉 菌其至藻类中都有分布”1 “”“，还对脱色机理进行了深入的研究。1 1 0 ”“”。真函分解合成物质及其它难阶解物质的能力更强台白然物质的降解过榉中，奴曲 往往是利刚其胞外酶将人分f 物质变成小分子，然后再进一步利用生成的小分子，从而实现 难醉解物质的生物降解过群，目前，真函生物处理技术日荔受刨关注，而开展真菌生物处理 技术的研究就表现出很人的现实意义 2 味精母液水质分析试验 本章主要涉及味精母液的采样与水质分析以及母液预处理甙验。水质分析为全面了解味 精_ 母液水质特点提供基础，了解味精母液水质特征为筛选合适的微生物提供依据。通过液 预处理试验为消除部分微生物生长的抑制因子提供保障 2 1 试验材料与方法 2 1 1 味精等电母液的来源 试验所用味精等电母液，取自河南省周口莲花味精集团谷氮酸发酵车间，等电浓缩提 取谷氮酸后的母液 2 1 2 等电母液p h 值测定 采用p h s 一3 酸度仪进行等电母液p h 值测定 21 3 色度测定 采用7 2 1 分光光度计，波长4 7 5 n m 下测定吸光值。 2 1 4c o o 值测定 采用重铬酸钾氧化法1 ( 1 ) 试剂 蒸馏水 浓硫酸：9 8 分析纯 专用氧化剂：随机专用可直接使用 专用催化剂：随机专用 催化剂使用液：自随机附带的专用催化剂中准确，移取2 5 置于2 5 0 m l 容量瓶中， 用浓硫酸定容至标线，摇匀备用。 邻苯二甲酸氢钾标液；c o d 值为1 2 0 0 m g l 。称取预先在1 0 5 1 i o c 烘干2 h 的优级 纯邻苯二甲酸钾0 5 1 0 1 9 溶于少量水中，转移至5 0 0 r a l 容鼙瓶中，蒸馏水稀释至标线， 摇匀，现配现用。 ( 2 )设备 c t l 一1 2 型c o d 速测仪( 承德华通环保仪器厂) ，内置分光光度计( 3 0 r a m 比色皿) 、微 型打印机、恒温消化装置( 交流2 2 0 v ，5 0 h z ；温控1 6 5 0 5 c ；2 0 个加热反戍孔) 以及专用反应管( 磨口具塞刻度试管，耐温高于2 0 0 ，容积1 5 m l ；1 2 m l 处有定苗刻 度，高度不低于1 6 c m ) 【3 )标准曲线f r j 绘制 向一系列专埘反应管中，分别加入0 ，0 1 ，0 5 ，i 0 ，2 0 ，3 o m l 邻苯一甲酸氢 钾标液( 相对鹿的c 0 1 ) 值为0 ，4 0 ，2 0 0 ，4 0 0 ，8 0 0 和1 2 0 0 m g 1 ) 。用蒸馏水将各反应 管依次补足至3 m l ( 反府管的刻度使用前虑标定) 加入专用氧化刺i o m l ，然后依次币随快速加入催化剂使_ i j 液5 o m l ，轻轻摇匀 将反应管置入仪器加热孔中( 开管) 。 打开电源，进行水样消角j f1 6 5 维持l o m i n 消解结束后，取出反应管冷却，用蒸馏水定容1 2 m l ，轻摇混匀 进行内置分光光度计比色 系统自动分析并绘制标准曲线，由打印机打印出 碍到标准曲线如图2 1 标准曲线方程为：y = 1 5 8 5 3 x 一1 1 7 ，其中x 代表吸光值；y 为c o d 值 围2 1 测定c o o 的标准曲线 f i g u r e2 1t h es t a n d a r dc u r v eo fd e t e r m i n i n gc o d ( 4 ) 水样c o d 测定 取一定稀释倍数( c o d 约为2 0 0 1 2 0 0 m g 1 ) 的待测水样3 e l 于1 5 m l 的比色管内，同时 以3 m l 去离子水为对照，按照上述方法测定根据同归方程计算山水样的c 0 1 ) 值。 2 1 5 硫酸盐测定 铬酸钡分光光度法“” ( 1 ) 试剂 铬酸钡悬浊液 称取1 9 4 4 克z 2 c r o , 与2 4 4 4 克b a c i z 2 h a ) 分别溶于l l 蒸馏水中，加热至沸腾，将两 溶液倒入同一个烧杯内生成黄色铬酸钡沉淀，待沉淀下降后，倾出上清，然后每次f j1 0 0 0 m l 狮 栅 咖 啪 枷 鼬 o e-县t；oau 蒸馏水洗涤沉淀，共洗5 次左右，最后加蕉馏水剑1 0 0 0 m l ，制成恳浊液，使_ i j 前混匀，母 5 m l 铬艘钡息浊液可沉淀4 8 m g 硫酸撤。 ( 1 ：1 ) 氨水： 2 5 $ o l l h c l ：吸取2 1 m 的浓盐酸定容剑l o o m l 制得。 硫酸盐标准溶液：称取0 ，1 4 7 9 克分析纯无水n a z s o , 溶f 水，稀释至l o o m t 此标液中 l m l 含有l m g 的硫酸根。 ( 2 ) 标准曲线绘制 分别取7 个5 0 m l 锥形_ 三角瓶，加入0 、0 2 5 、1 、2 ，4 ，6 、8m 1 硫酸盐标准溶液，蒸 馏水定容至2 0 m 1 向水样和标液中各加l m l 的2 5 m o l l h c l ，加热沸腾5 分钟左右，取- 卜后再加入2 5 m l 铬酸钡悬浊液，再煮沸5 分钟左右 取下锥形瓶，稍冷后向各三角瓶逐滴加入( 1 ：1 ) 氨水至柠檬黄色，再多加2 滴。 待溶液冷却后，用慢性定性滤纸过滤，滤液收集于5 0 $ 1 比色管中，用水洗涤锥形瓶及 滤纸3 次，滤液收集于比色管中，用蒸馏水稀释至标线。 在4 2 0 h m 下，用l o m m 比色皿测吸光值，绘制标准曲线。计算：s n ”( r a g l ) = ( m v ) 1 0 0 0 稀释倍数m _ 一由标准曲线查到的s o , 的量；、p 一取水样的体积( m 1 ) 标准曲线如图2 2 ，方程y = 9 9 7 3 8 3 x - - 0 0 0 4 8 8 ，r 2 = o 9 9 9 9 9 ，其中，x 为吸光值；y 为硫酸根浓度。 萎 霍 图2 2 测定硫酸根的标准曲线 f i g u r e2 2t h es t a n d a r dc u r v o fd s t e r m i n i n gs u l f a t e ( 3 ) 水样硫酸盐测定 取一定稀释倍数的水样2 0 m l ，按照上述方法测定，根据同j n 方群计算山水样中的硫酸盐 浓度。 2 16 总糖测定 硫酸苯酚彦。 ( 1 )试剂 浓硫酸，分析纯q 5 8 0 苯酚：8 0 9 苯酚( 分析纯) 加2 0 9 水溶解，置冰箱避光保存可k 期使用。 6 苯酚：临用前以8 0 苯酚配制。 葡萄糖标准溶液：准确称取标准葡聚糖( 或葡萄糖) 2 0 m g 于5 0 0 m l 的容螭瓶中，加 水定容至刻度 ( 2 ) 绘制标准曲线： 分别吸取0 ，0 4 ，0 6 ，0 8 ，1 - 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8 m l ，各以水补到2 m 1 加入6 苯酚1 m 及浓硫酸5 m l ，静置l o 分钟，摇匀，室温放置2 0 分钟。 。 于4 9 0 n m 处测吸光值，以2 m l 水按照上述操作作为空白，横坐标为总糖微克数，纵 坐标为光密度，中间可取舍部分点，最后绘制标准曲线 得到标准曲线如图2 3 。标准曲线方程为y = 0 0 4 5 x - - 0 0 0 4 ，r 2 = 0 9 9 3 8 8 ，其中y 为光 密度值，x 为总糖浓度 f o1 03 04 05 0e o7 0 t o _ _ 9 - - m 叼r 豳2 3 测定总糖的标准曲线 f i g u r e23t h es t a n d a r dc u r v eo fd e t e r m i t t i r l gt o t a is u g a r ( 3 ) 水样中总糖测定：取一定稀释倍数的水样。按照上述步骤操作，测出吸光值，以标 准曲线计算总塘含鬣。 2 1 7 总氨氮测定 电极法测定废水中的氦氮“” 1 4 ( 1 ) 试剂 铵标准储备液：称取3 ，8 1 9 克经1 0 5 烘干的分析纯氯化铵溶丁水中，稀释至1 0 0 0 m i ， 此溶液中含有1 0 0 0 m g l 的氮氩。 铵标准使川液：用铵标准储备液稀释配制，1 o m g l 以下稀释液廊_ j 前现配 电极内充液( 中介液) ：0 1 m o l l 的氯化铵溶液 ( 多l o m o l l 氢氧化钠( 内含e i ) t a 二钠盐0 2 m o l l ) 混合溶液：4 0 9 氢氧化钠和1 8 6 1 2 0 9e d t a 混溶于水中，冷却后定容至l o o m ( 2 ) 标准曲线绘制： 吸取l o m l 浓度为l 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 m g l 的铵标准溶液于2 5 m 1 的小烧杯中，在电 磁搅拌下插入氨电极( 注意应无气泡) 准确加入l m l l o h 的氯氧化钠溶液，在电磁搅拌下读取平衡电位值( 1 分钟内变化不 超过l m 7 时即可读数) 最后以氦氮浓度反对数为纵坐标，电位值为横坐标作图， 绘出标准曲线如图2 4 ，方程为y = 一o 0 1 8 2 x - 0 3 5 8 1 ，r 2 = 0 9 9 8 ，其中y 为氨氦浓 度的反对数，x 为电位值( m v ) 。 + z l = z l 一 y = 一0 0 1 8 2 x 一0 3 5 8 1 r 2 = 0 9 9 8 3 。一 、 2 ：5 一 ， 。1 7 j 一2 0 0- 1 5 0一1 0 0- 5 00 v o y a g e ( m v ) 围2