（环境科学专业论文）利用烤鳗废水产单细胞蛋白的研究.pdf

祸建师范大学硕士学位论文 摘要 本文研究了产朊酵母菌利用烤鳗工序的四段废水产单细胞蛋白( 简称s c p ) ，选择 其中产量最高的一段废水蒲烧废水作为深入研究对象。接着研究产朊酵母菌利 用蒲烧废水产单细胞蛋白的工艺条件，其结果为：接种量1 5 、发酵时间为4 8 小时、 温度在2 5 、p h 为5 0 、硝酸钾浓度为5 0 4 9 l 、2 5 0 毫升容量瓶装液量为4 0 m l 、磷酸 氢二钠浓度为0 1 9 l 、无机盐z n s 0 4 7 h 。0 浓度为0 1 9 l 等条件时，产朊酵母菌利用 蒲烧废水( 初始c o d c r 为1 8 4 0 m g l ) 发酵s c p 产量最高，可达1 3 1 2 5 9 l ，其蛋白质含 量达0 5 0 5 3 9 l 。再研究了混合菌( 产朊酵母菌和啤酒酵母菌) 利用蒲烧废水产单细 胞蛋白的工艺条件，结果表明：二种菌的复配比为l ：1 复配时s c p 产量最大，二种混 合菌产s c p 的最佳发酵时间为2 4 d , 时、2 5 0 m l 容量瓶装液量为5 0 m l 、温度在3 0 ( 2 、p h 为5 0 、硝酸铵浓度为1 3 3 9 l 、磷酸二氢钠浓度为0 2 9 l 等条件时，二种混合菌利 用 ；f f 烧废水( 初始c o d c r 为4 5 6 3 m g l ) 发酵s c p 产量最高，可达1 7 2 6 9 l ，其蛋白质 含斤 = 为0 6 4 2 9 9 i 。研究结果袭l ! j j ：烤鳗废水可作为产j n 细胞蛋白的历i 料，单细胞蛋 白是一种优质例料蛋白源，这样不仅可以解决污水处理问题也可将废物资源化。 关键词：单细胞蛋白；蒲烧废水；产朊酵母菌；啤酒酵母菌 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rr e p o r t e dt h ec a n di d au t i l i sw h i c hu t i l i z e df o u re e lr o a s t i n gw o r k i n g p r o c e d u r e sw a s t e w a t e rt op r o d u c es c p ( s i n g l ec e l lp r o t e i n ) ，a n dt o o kt h eh i g h e s ty i e l do f t h ew o r k i n gp r o c e d u r e - t h ew a s t e w a t e rf r o mp r e p a r e de e la st h er e s e a r c ho b j e c t a l s o i n c l u d e di nt h i sp a p e rw a sar e p o r to ft h eo p t i m u mc o n d i t i o n st h a tt h ec a n d i d au t i l i s u t i l i z e dt h ew a s t e w a t e rf r o mp r e p a r e de e lt o p r o d u c es c er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h e a m o u n to fi n o c u l a t i o na c c o u n tf o r1 5 、f e r m e n t a t i o nt i m ei s4 8 h 、t e m p e r a t u r e2 5 c 、p h 5 0 、k n 0 35 0 4 9 l 、l i q u i dv o l u m e4 0 m l 、n a 2 h p 0 40 1 9 l 、a n dz n s 0 4 7 h 2 00 1 9 la n d s o o n ，t h ec a n d i d au t i l i s u t i l i z e dt h ew a s t e w a t e rf r o m p r e p a r e de e l ( i n i t i a lc o d c r 1 8 4 0 m g l ) t o f e r m e n tt h e h i g h e s ty i e l ds c p1 3 1 2 5 9 l , p r o t e i nc o n t e n t0 5 0 5 3 g l f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rr e p o r t e dt h e o p t i m u m c o n d i t i o n st h a tt h em i x e d b a c t e r i a ( c a n d i d au t i l i s a n ds a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) u t i l i z e dt h ew a s t e w a t e rf r o m p r e p a r e de e lt op r o d u c es c er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nc o m b i n i n gp r o p o r t i o no ft w o b a c t e r i ai s1 ：1 ，s c pi st h eh i g h e s ty i e l d ，f e r m e n t a t i o nt i m ei s2 4 h 、l i q u i dv o l u m e5 0 m l 、 t e m p e r a t u r e3 0 c 、p h5 0 、k n 0 3 1 3 3 9 l 、n a h 2 p 0 40 2 9 la n ds oo n ，t h em i x e db a c t e r i a u t i l i z e dt h ew a s t e w a t e rf r o mp r e p a r e de e l ( i n i t i a lc o d e r4 5 6 3 m g l ) t of e r m e n tt h e h i 曲e s ty i e l ds c p1 7 2 6 9 l , p r o t e i nc o n t e n t0 6 4 2 9g l f i n a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h e w a s t e w a t e rf r o me e lr o a s t i n gc a nb eu s e di np r o d u c i n gs c p , a n ds c pi st h eh i g hq u a l i t y d i e t a r yp r o t e i ns o u r c e s ，w h i c hn o to n l yr e s o l v e st h ep r o b l e mo fs e w a g edi s p o s a l ，b u ta l s o b r i n g sw a s t et ot h er e u t i l i z a t i o n k e y w o r d s ：s i n g l ec e l l p r o t e i n ：t h ew a s t e w a t e rf r o mp r e p a r e de e l ： c a n d i d au t i l i s ：s ：i c c l r ) 1 1 1 y c c sc c r c v i s i a e 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 单细胞蛋白( s i n g l ec e l lp r o ie i n 缩写s c p ) 亦称微生物蛋白、菌体蛋白，是指 细菌、真菌和微藻在其生长过程中利用各种基质，在适宜的培养条件下培养细胞或 丝状微生物的个体而获得的菌体蛋白。随着我国经济的发展，人民生活水平的提高， 人们的饮食结构发生了重大的变化，对蛋白质类的食物的需求增大。近年来畜牧业 迅速发展也造成了国内饲料短缺的局面，饲料的品质好坏取决于蛋白饲料的优劣。 而蛋白饲料的优劣也是满足畜禽g i 长、发育营养需要的核心，是配合饲料的核心部 分。开发与利用既能替代现有饲料品种、又能降低成本的新的蛋白质饲料资源不但 有其重要的意义，且有极大的可行性，因此国内外目前都在大力发展s c p 的生产技 术。 福建省的烤鳗业较发达，不仅沿海有烤鳗工业而且内陆的三明等地也有烤鳗公 司。烤鳗业给我省经济带来了活力和创造外汇的同时，其产生的副产物( 如蛋白质、 氨丛酸、脂肪酸等) 也是有很多可利用的价值。但对烤鳗废水的治理和利用方面未 见报道。鉴于此，木课题研究利刚酵母黹发酵烤鳗废水产s c p 。 本文报道了单株菌和混合菌利用烤鳗废水产s c p 的工艺条件，考察了有关接种 量、发酵时间、温度、酸碱度、氮源、磷源及无机盐等影响因素。具体内容如下： 第一章绪论。介绍了s c p 的基本概念、特征及现状；对生产s c p 的微生物和原 料、s c p 的工业化生产工艺作了概述；还介绍了烤鳗产业及其副产物利用、以及有 机废水的污染及其治理方法和酵母菌处理有机废水产s c p 的进展情况；最后提出了 本课题的研究立意、内容和研究的创新点。 第二章产朊酵母菌分别利用四段废水( 烤鳗工序共有4 处工段废水) 产s c p 比较。 j f j 光密度法测定了产朊酵母菌的全i 长曲线，确定对数生长期。通过接种对数期的产 朊酵母菌到四段不同的废水( 蒲烧、混合、剖杀、白烧废水) ，得出它们的s c p 产量 分别为：7 0 3 9 l 、1 0 1 4 9 l 、0 6 2 9 l 、0 3 9 6 9 l ，可见蒲烧段废水产的s c p 产量较 其它三段废水产的s c p 量大很多。掘了解烤鳗厂在不同生产时间和生产量时蒲烧废水 的c o d e r 含量均比其他段废水都商，即使在生产量比拔小的时候其c o d c r 也在 2 0 0 0 m g 1 左右。因此后续的实验就：f 舒薪f i 烧段废水作为研究的对象。 第三章产朊酵母菌发酵蒲烧废水产s c p 最佳工艺条件研究。通过接种产朊酵母菌 剑蒲烧废水中，考察了有关接种量( 5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 及3 0 ) 、发酵时间( 1 2 、 i i i 福建师范大学硕士学位论文 2 4 、3 6 、4 8 、6 0 、7 2 h ) 、温度( 2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 ) 、酸碱度( p h 4 0 、5 0 、6 0 、 7 o 、8 0 ) 、氮源( 硝酸钾、碲j 酸铵、尿素、氯化铵、硫酸铵) 、不同装液量( 3 0 、 4 0 、5 0 、6 0 、7 0 m 1 ) 、磷源( 磷酸二氢钠、磷酸氢二钠) 及无机盐( z n s o 。7 1 t ：0 、m n s 0 4 h 。0 、 c u s o 。5 1 ，1 2 0 、f e s o 。7 11 1 0 、m g s o 。7 1 1 ：0 ) 等影响因素。结果表明：最佳的接种量为 1 5 、最佳的发酵时问为，1 r 小时、最佧的温度为2 5 、最佳的酸碱度为p h 5 0 、最佳 的氮源为硝酸钾其浓度为5 0 4 9 l 、2 5 0 毫升三角瓶最佳装液量为4 0 m l 、最佳的磷源 为磷酸氢二钠其浓度为0 1 9 l 、无机盐为z n s 0 4 7 h ：0 最好，其浓度为0 1 9 l 。按此 条件，产朊酵母菌利用滞烧废水( 初始c o d c r 为1 8 4 0 m g l ) 发t 哮s c p 产量最高，可达 1 3 1 2 5 9 l ，其蛋白质含最达0 5 0 5 3 9 l 。 第四章混合菌发酵蒲烧废水产s c p 最佳工艺条件研究。通过接种混合菌到蒲烧废 水中，考察了有关复配比( 将产朊酵母和啤酒酵母按1 ：0 、0 ：1 、1 ：1 、2 ：1 、3 ： 1 、1 ：2 ) 、发酵时间( 1 2 、2 4 、3 6 、4 8 、6 0 h ) 、不同装液量( 3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 m 1 ) 、 温度( 2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 ) 、酸碱度( p h 4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 o ) 、氮源( 硝 酸钾、硝酸铵、氯化铵、硫酸铵) 、磷源( 磷酸二氢钠、磷酸氢二钠) 等影响因素。 结果表明：二种菌按1 ：l 复配的时候s c p 产量最大，混合菌产s c p 的最佳发酵时间为 2 4 小时、2 5 0 毫升三角瓶最佳装液量为5 0 m l 、最佳的温度为3 0 、最佳的p h 为5 0 、 最佳的氮源为硝酸铵其浓度为1 3 3 9 l 、最佳磷源为磷酸二氢钠其浓度为0 2 9 l 。按 此条件，二种混合菌利用蒲烧废水( 初始c o d c r 为4 5 6 3 m g l ) 发酵s c p 产量可达 1 7 2 6 9 l ，其蛋白质含量 为0 6 4 2 9 9 l 。与单一菌( 产朊酵母菌) 相比，较明显的变 化有最佳发酵时间缩短了2 4 d , 时，最佳温度下降了5 。 通过本研究表明可以利用烤鳗废水发酵到较高产量的s c p ，不同时间采样的烤鳗 废水其c o d c r 不同，因而发酵后s c ) 产量不同。s c p 足一种优质的饲料蛋白源，这样不 仅可以解决污水处理问题也可以将废物资源化，可谓是一箭双雕之举。 i v 第1 章绪论 第一章绪论 中国内地的烤鳗业是随着中国内地养鳗业的发展而发展起来的。但不管是烤鳗 业，还是养鳗业，都是随着中国的改革了l ：放政策而获得生机，特别是在引进日本的 技术、设备和资金的基础上逐步发展壮大的。 ： f l 建省鳗业在各级政府、业界人士的j 同努力下，经历了从无到有，从小到大， 从不匈彩成熟，不够舰弛列现n ! 的比坡成熟和比较舰范的规模广：业，行业队伍处没不 断壮大，生产技术水平不断提高，介、i t 毹：理观念不断更新，已经成为我布发展同民 经济的一个支柱产业、龙头企业和重要的出口创汇行业。据有关资料显示，我省现 有内资和外资养鳗场1 2 0 0 多家。多数以合作制、股份制形式存在，主要分布在福清、 长乐、莆田和闽西北等几十个县区，养殖总面积约2 6 4 2 公顷，年总产量约7 2 9 万 吨，年使用资金达几十亿元，总产值8 0 多亿元，年出口总创汇约1 0 亿美元，约占 全国鳗产品出口创汇的7 8 。2 0 0 4 年全省投放鳗苗9 0 多吨，其中日本鳗苗1 5 1 6 吨，欧洲鳗苗7 0 8 0 吨，2 0 0 4 年底库存鳗达5 万吨左右。目前，全省拥有烤鳗企 业3 3 家，年加工烤鳗能力达1 0 万吨以上，烤鳗年生产出口量约占全国的8 0 ，鳗 业的发展为推进我省统筹城乡经济发展，促进和谐社会起到了一定的作用臼1 。 烤鳗生产加工过程都会产生废水、废物，这些物质中含有大量可以再次利用的 物质。就拿烤鳗废水来说，它就含有丰富的有机物质。排入废水处理站的废水包括 剖杀工序废水和车间清洗废水，其中剖杀工序废水占7 5 ，内含血红蛋白、油脂和鳗 鱼内脏碎块：车间清洗水主要含油脂和调味品。混合废水中油脂、氨氮、悬浮物等指 标均较高口1 。因此，研究如何使烤鳗废水资源化具有重要的现实和经济意义。 1 1 单细胞蛋白概述 1 1 1 单细胞蛋白概念和特征 j 0 n 胞蛋白( s i n g l ec e l lp r o t e i n 简称为s c p ) 亦称微生物蛋白、菌体蛋白，是 指细荫、真茼和微藻在其啦长过程巾利刚符种黎质，在适宜的培养条件下培养细胞 或丝状微生物的个体而获得的蔺体蛋白 引。单细胞蛋白具有以下的特性田叫引： ( 1 ) 营养丰富。s c p 中蛋白质的含量+ 一般在4 0 以上，细菌含蛋白质5 0 8 0 ；酵母菌含蛋白质4 0 6 0 ：藻类含蛋白质4 0 5 0 ；繇菌含蛋白质2 0 福建师范大学硕士学位论文 3 0 ，见表1 - 1 。单细胞蛋白的营养价值高，并且单细胞蛋白的氨基酸类型比较齐全， 同时它还含多种维生素，生物酶、激素及生长因子等，含有锰、镍、铜、钙、镁、 钾等各种微量元素。 表1 1 单细胞生物体与传统食品的各种营养成分含量比较单位： 成分水分粗蛋白 粗脂肪可消化糖粗纤维灰分 品种 类化合物 b p 正烷酵 4 55 4 17 82 3 93 6 7 1 母 b p 柴油酵 5 16 8 51 51 5 02 17 9 母 b p 石油酵 4 55 4 12 82 7 13 67 1 母 苏联石油 5 0 - 5 51 - 21 2 - 2 26 1 0 酵母 e s s o 细菌 6 2 - 7 31 0 1 51 06 - 1 2 氢细菌 7 4 - 7 8 纸浆酵母 6 04 6 02 33 5 44 65 7 螺旋藻 6 2 - 6 82 - 31 8 - 2 0 小球藻 4 0 - 5 01 0 - 3 01 0 - 2 5 大米 1 3 78 1 31 2 97 5 5o 8 81 0 6 小麦 1 3 49 6 1 2 7 2 80 9 2 1 ( 2 ) 利用原料广。微生物生产单细胞蛋白的来源广泛，如酒精废水、造纸废液、 讹1 章绡沦 啤酒废水等卜h i ，可就地取材，大量而廉价地解决原料问题。还可实现环境保护， 这是解决大规模生产s c p 成本的主要因素。 ( 3 ) 生产速率高。一般蛋白质生产速度同猪、牛、羊等体重的倍增时间成正比。 微生物的倍增时间比牛、猪、鸡等快千万倍，如细菌、酵母菌的倍增时间为2 0 , - - , 1 2 0 m i n ，霉菌和绿藻类为2 6 h ，植物l 2 周，牛1 2 个月，猪4 6 周。 ( 4 ) 简便易行可控。生产不受季节气候的制约，易于人工控制，并且在大型发 酵罐中可立体式培养，占地面积少，如年产1 0 万吨s c p 工厂，以酵母计，按含蛋白质 4 5 计算，1 年生产蛋白质为4 5 0 0 0 t 。l 亩( 6 6 6 6 m 2 ) 大豆按亩产2 0 0 k g 计，含蛋白质 4 0 ，则1 年为8 0 k g 蛋白质。所以，一个s c p i 厂所产蛋白质相当于5 6 2 5 0 0 亩土地所产 的大豆。 ( 5 ) 单细胞生物易诱变育种。获得蛋白质含量高、质量好、味美并易于提取蛋 白质等的优良菌种。 i i 2 生产单细胞蛋白的微生物 作为蛋白质资源的微生物种类较多，微生物生产单细胞蛋白可以分成以下几类 ( 1 ) 细菌：枯草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 、醋化醋杆菌( a c e t o b a c t e r a c e t i ) 、德氏乳酸杆菌( l a c t o b a c t e r i u md e l b r u c k i i ) 、乳链球菌( s t r e p t o c o c c u s l a c t i s ) 、丙酮丁醇梭菌( c l o s t r i d i u ma c e t o b u t y l i c u m ) 、北京棒杆菌 ( c o r y n e b a c t e r i u mp e k i n e s e ) 、大肠埃希氏菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 、荧光假单 胞杆菌( p s e u d o m o n a sf l u o r e s c e n s ) 。 ( 2 ) 放线菌：链霉菌属、诺卡氏凶属、小单孢凶属、孢囊链礞菌属。 ( 3 ) 酵母芮：酿洒酵母( s a c c h a r o m y c o sc e r e v i s i a e ) 、异常汗逊酵母( h a n s e n u l a a n o m a l a ) 、粟酒裂殖酵母( s c h i z o s a c c h a r o m y c e sp o m b e ) 、黏红酵母黏红变种 ( r h o d o t o r u l ag l u t i n i s ) 、产朊假丝酵母菌( c a n d i d au t i l i s ) 、白地霉( g e o t r i c h u m c a n d i d u m ) 、粉状毕赤酵母( p i c h i af a r i n o s a ) 、产甘油假丝酵母( c a n d i d a g l y c e r i n o g e n s ) 、克鲁维酵母( k l u y v e r o m y c e ss p ) 。 ( 4 ) 霉菌：黑根霉( r h i z o p u sn i g r i c a n s ) 、米根霉( r h i z o p u so r y z a e ) 、总 状毛霉( m u c o rr a c e m o s u s ) 、鲁氏毛霉( m u c o rr o u x i a n u s ) 、蓝色梨头霉( a b s i d i a c o e r u l e a ) 、黑曲霉( a s p e r g i11 u sn i g e r ) 、米曲霉( a s p e r g i l 】u so r y z a e ) 、黄 曲霉( a s p e r g i l l u sf l a v u s ) 、产黄青霉( p e n i c i l l u mc h r y s o g e n u m ) 、紫色红曲 3 福建师范大学硕士学位论文 霉( m o n a s c u sp u r p u r e u s ) 、绿色木霉( t r i c h o d e r m av i r i d e ) 、产黄头孢霉 ( c e p h a l o s p o r i u mc h r y s o g e n u m )。 若根据原料的不同，大致可分为如下几类n 7 1 。 ( 1 ) 利用糖质原料发酵生产s c p 。如能利用葡萄糖、蔗糖等为碳源的酿酒酵母； 利用戊糖为碳源的假丝酵母；利用纤维素为碳源的木霉、青霉等。 ( 2 ) 利用石油原料生产s c p ，以假丝酵母属的酵母菌产率最好。 ( 3 ) 利用甲烷原料生产s c p ，以细菌为主，如甲烷假单胞菌( p s e u d o m o n a s m e t h a n i c a ) 、嗜甲烷单胞菌( m e t h a n o m o n a sm e t h a n i c a ) 等。 ( 4 ) 利用甲醇原料生产s c p ，以细菌为主，甲醇专性营养的细菌以甲烷单胞菌 属和甲基球菌属为多，甲醇兼性营养的细菌以假单胞菌为多。 ( 5 ) 利用乙醇原料生产s c p ，以酵母菌为主，其次为细菌与霉菌。酵母菌中以 假丝酵母属的c a n d i d ab o i d i n il 最多。霉菌大多为曲霉属。 ( 6 ) 利用二氧化碳为碳源、氢为能源的细菌为氢细菌，属于氢单胞菌 ( h y d r o g e n o m o n a s ) 。 人类较早利用酵母菌，酵母博核酸含量较低，容易收获。在偏酸环境下。( p h 4 5 - 5 5 ) 能够生长，可减少污染。常用的酵母菌有啤酒酵母和产脘假丝酵母n 钔。 1 1 3 生产单细胞蛋白的原料 利用谷物粮食和其它农产淀粉质原料为碳源来生产酵母s c p 已经规模工业生产 了，但是这些数量还不够大不能满足大规模的酿造工业。并且粮食本身也是有限的， 因此这种方法并不能解决和发展农牧业的蛋白质饲料问题。随着科技和工业不断发 展，许多工业生产的排放物直接污染到了环境和影响人类的生活，而这些排放物中 有许多是可以利用的，可以实现资源化并且同时减轻对环境的污染，其中有许多废 料的利用已经实现了s c p 的工业化生产。 目1 j 作为s c p 生产原料的资i 1 5 1 可以分为下列几类n 们： ( 1 ) 工农林产品加工工业的固体废料和废水 工农业生产的废水：如造纸废液、啤酒废水、酒精废水咖吖1 1 1 、淀粉厂废水、豆 制品生产废水、制胶废水等心们1 龄l ；工农业生产废渣：如自然橡胶废料、葡萄渣、酒 利7 等乜如吖衢1 。山予它们足廉价的生产s c p 的来源，所以是日前研究丌发s c p 的热点。 ( 2 ) 烃类及其氧化衍生物 主要有石油烃、天然气及其衍化物。如以甲醇为碳源的单细胞蛋白，郭建华和 4 第1 章绪论 谢光全在其文献中提到对于甲醇生产单细胞蛋白已经研究并开发出多种工艺，并成 为世界性的热门研究课题，其中最先进的要属英国i c l 公司口h 2 町怕，。 ( 3 ) 城市有机垃圾和农村农产废物 城市生活垃圾：生活垃圾、乔蕉皮、橘子皮等：农业上农产废物有：秸杆、植 物废料、米糠等汹h 州，并且这类数量很大，而且是可以循环利用的纤维资源。 1 1 4 单细胞蛋白的工业化生产工艺 微生物发酵单细胞蛋白工艺可分为固态、液态、吸附在固体表面的膜状培养以 及其它形式的固定化细胞培养等。 1 1 4 1 固体发酵工艺 微生物固态发酵( s o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n ) 技术是利用自然底物作碳源及能 源，或利用惰性底物作固体支持物，其体系含水率低，处理工农业残渣、固体废弃 物等具有操作简单、处理量大，成本低，处理彻底的特点，可以达到净化环境与收 获有益产品并举的目的 3 朝。 固体发酵s c p i 艺图如下： 斜面菌种扩培至种子罐一废淹一粉碎一配料一灭菌一接种一发酵一产品烘干一 质检一包装一成品n 朝。 固体发酵的进展主要有六方而m h 3 7 3 ： ( 1 ) 从敞口式发酵到封闭式发酵 传统的幽体发酵是指在发酵l r i 勺过程中自然接种，大部分传统都是敞口式发酵， 它具有投资少、操作方便等优点，但是大规模的生产有散热困难、容易污染、产品 杂菌多等缺点。n i s h i o 等设计了转鼓式发酵罐；v i e s t u r s 等人设计了一种特殊的卧 式发酵铫；广f 木将发酵池封f j l 起) k ，采川撕环式通风。这类封闭式发酵徽可以彻底 灭黹，_ = 7 f ：儿便于控制发酵0 撇一i - 的濉度。 ( 2 ) 从浅盘发酵到机械化缶礁发张孕 从自然堆积发酵到浅盘发酵是微生物发酵从单纯凭经验发酵发展到纯种培养。 前苏联已研制出密闭的柱形固态发酵罐，完全机械化操作，日发酵1 0 0 0 k g 物料。机 械化罐有立式和卧式之分，卧式反应器根据搅拌方式又可分为转轴式和转筒式。 ( 3 ) 从堆积发酵到流化床发酵 固体发酵反应器虽然由简单浅盈发酵到机械化发酵罐，但是它们还是堆积发酵。 在堆积发酵中，由于基质和微生物的相对不动性，物质传递是限制微生物 5 福建师范大学硕十学位论文 生长和产物形成的主要因素。因此在日本兴起流化床培养，活力可以提高至l j 5 - 1 0 倍。 ( 4 ) 从固体单菌发酵到固态混合发酵 由于混合发酵具有相互协同和互补性，通过不同代谢可以比单菌更有效的降解 复杂的有机物，完成比单菌难以完成的复杂的转化过程，达到提高基质产率和生产 效率等目的。 ( 5 ) 从经验发酵到控制发酵 液体发酵可以实现i b 子计算机控制，对发酵过程中的参数实现预测，由于固态 发酵的不均一性和不溶性基质存在，较难准确地测定发酵过程的参数。固体中的含 水量是决定固态发酵成功与否的关键因素之一。起始含水量通常控制在3 0 - 7 5 范围 内。近年在固态发酵叶t l i i 取得了一定进展。在流化床反应器中，培养基的含水量通 过流化床内的电极和塔壁间静电容量值，从喷嘴喷出无菌水雾加以控制。在厚层通 风池中，其培养料温度可通过继电器控制通风量以达到池内温度保持在3 0 c 左右。 ( 6 ) 从上游过程和下游过程分别操作到组合操作 发酵工业过程主要由发酵过程( 上游过程) 和产物分离过程( 下游过程) 两部 分组成。现在多数的工业把两个过程分别放在不同操作单元中完成，并且前后连接 成一个整体。 固体发酵和液体发酵技术在饲料生产都得到广泛应用，但是都有各自的优缺点， 见表1 - 2 。 6 第1 章绪论 表1 2 固体发酵的优缺点侧 优点缺点 菌种限于耐低水活性的微生物，选择性少 培养基含水量少，废水、废渣少，容易处理 发酵速度慢，周期较长 能源消耗量低，供能设备简易 培养基原料多为天然基质或废渣，广泛天然原料成分复杂，时有变化，影响发 易得，价格低廉酵产物的质量 设备和技术简单，较低的投资 工艺参数难以测准和控制 产物浓度较高，后处理较方便产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大 l 1 4 2 液态发酵工艺 斜面菌种一种子罐一发酵罐一板框过滤或介质吸附一干燥一粉碎一质检一包装 一成品婚1 。 液体深联发酵7 r 连续发孵和分批发酵两种。 连续发酵中魁不断地向反心器中加入新鲜的培养坫，同时从反应器中不断取出 培养液，培养过程可以长期进行，并且往往可以达到稳定状态，过程的控制和分析 也比较简单“m 。在上世纪2 0 年代，连续培养就已经州在酵母的生产了 , i o lo 到了1 9 5 0 年m o n o d n 并h n o v ic “2 1 才对连续培养进行了分析。连续发酵可分为单硫连续发酵和多 罐串联连续发酵等方式。 在单罐连续发酵中，由于发酵液在不断搅拌，致使一部分刚流入的发酵基将随 发酵液一起流出n 3 1 。但其优缺点也是十分明显的： 其缺点是： ( 1 ) 对设备的合理性和加料设备的精确性要求甚高； ( 2 ) 营养成分的利用较分批发酵差，产物浓度比分批发酵低； ( 3 ) 杂菌污染的机会较多，茵利t 易因变异而发生退化。 其优点是： ( 1 ) 设备的体积可以减小； ( 2 ) 操作时间短，总的操作管理方便，便于自动化控制； ( 3 ) 产物稳定，人力物力节省，生产费用低。 7 福建师范大学硕士学位论文 分批发酵的操作最为简单，在培养基中接种后通常只要维持一定的温度，对于 好气培养过程则还需进行通气搅拌。在培养过程中，培养液中的菌体浓度、营养物 质浓度和产物浓度不断变化，但往往表现出一定的规律。 其优点是： ( 1 ) 对温度的要求低，工艺操作简单； ( 2 ) 比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题； ( 3 ) 对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。 其缺点是： ( 1 ) 人力、物力、动力消耗较大； ( 2 ) 生产周期较长，由于分批发酵时菌体有一定的生长规律，都要经历延滞期、 对数生长期、稳定期和衰亡期，而且侮批发酵都要经菌种扩大发酵、设备冲洗、灭 菌等阶段： ( 3 ) 生产效率低，生产上常以体积生产率( 以每小时每升发酵物中代谢产物的 g 数来表示) 来计算效率，在分批发酵过程中，必须计算全过程的生产率，即时间不 仅包括发酵时间，而且也包括放料、洗罐、加料、灭菌等时间。 液体发酵的影响因素有：温度、p h 、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控 制影响发酵的各种因素，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个 发酵过程i l i o n 进行。 1 - 1 5 单细胞蛋白的现状及发展 1 1 5 1 单细胞蛋白的现状 全世界现在都面临着三大问题：食物、能源和环境。从2 0 世纪以来，世界人口 增长速度很快，现在全世界人口已经达到t 6 0 多亿，将来人口的基数将会更大，有 可能会达到1 0 0 亿。而临巨大的人口压力，粮食会是非常突出的矛盾问题。作为饲料 川的蛋白质例料业为紧缺，世界每个困家都在努力寻找解决的途径。随着经济的发 展，人民生活水平的捉商，人类对蛋白质尤乓足营养价值高的动物蛋白质的需求愈来 愈多。大量的需求刺激了畜牧业和养殖业的发展，而依靠传统方式提供饲料已不能满 足迅猛增长的饲料市场。我国是饲料生产和需求大国，但又是饲料蛋白贫乏大国， 每年缺口达n 1 2 0 0 万吨，严重制约了畜牧业的发展。现在除了大力改善和改造以环 境为中心的“绿色农业外，人类也在积极的发展“白色农业”。“白色农业又 8 饥1 帝绪沦 称微生物农业，是指微生物资源产业化的工业型新农业，简称“微生物工业型农业 n 利。白色农业( 微生物农业) 的科学基础主体是“微生物学 ，技术主体是生物技术 中的发酵工程和细胞工程在农业中的应用h 5 1 。“白色农业”是中国科学家提出的， 他们把农业进行了战略调整，它的一个重要的观点就是把由植物、动物资源组成的 “二维结构 的传统农业，调整为植物、动物、微生物资源组成的“三维结构”的 新农业。“白色农业”包括微生物饲料、微生物肥料、微生物食品、微生物药品、 微生物能源、微生物农药等几大类已经初步实现微生物资源开发利用的产业化m 3 。 随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人民的饮食结构发生了重大的变 化，对蛋白质类的食物的需求增大。而且近年来畜牧业的的迅速的发展也造成了国 内饲料的短缺的局面，饲料的品质好坏取决于蛋白饲料的优劣，蛋白饲料的优劣又 是满足畜禽生长、发育营养需要的核心，是配合饲料的核心部分。开发与利用既能替 代现有饲料品种、又能降低成本的新的蛋白质饲料资源不但有极其重要的意义，且 有极大的可行性“7 h 例，因此国内和国际都在大力发展单细胞蛋白的生产技术。目前 国内外的研究，主要是针对以下几个方面h 9 1 ：( 1 ) 生产所用的菌应该是增殖快，并 且菌体收量大( 2 ) 原料应该便宜，能够大量的供给，或者是直接利用工农业的废料 ( 3 ) 易于培养，可连续发酵( 4 ) 分离回收容易( 5 ) 菌体蛋白质含量高，氨基酸组 成好( 6 ) 没有毒性、病原性及致癌物质( 7 ) 单细胞蛋白适口性好。 1 1 5 2 单细胞蛋白的前景和展望 单细胞蛋白饲料的生产技术在发展巾不断完普和提高。单细胞蛋白工业与生物 技术的其他领域一样，已经形成新的产业，必将给人类带来巨大的经济效益嘞1 。以 下几方面是人们努力的方向嫡： ( 1 ) 努力寻找优良的配伍菌株。l 妇于原料多种多样，有许多原料含有难分解和 难利用的复杂成分，选择一组优良配伍的菌株是非常关键的。因此要找到能降解这 些成分的优良配伍菌株还是一项比较艰苦的工作。 ( 2 ) 尽量使用低价值的原料。使用低价值的原料不仅可以使废物资源化，符合 循环的发展观点，而且它也能够降低仨产的成本，比较有利于单细胞蛋白的工业化 生产。 ( 3 ) 多产品发酵。利用单株或多株微生物发酵生产单细胞蛋白，可以发现除了 蛋白质外还有别的副产物，其中有脂类、碳水化合物、有机酸、氨基酸、维生素等。 这些副产物也可以用于食品、饮料、制药等工业。 9 福建师范人学硕十学位论文 ( 4 ) 发展食品级产品。由于目前j n 细胞蛋白的生产还只适合做饲料用，不太适 合用于人类的日常食品。所以有必要针对单细胞蛋白的生产食品化，使食品具有可 食性，安全性。 1 2 烤鳗产业及其副产物利用 1 2 1 烤鳗产业的发展前景 鳗鱼为鳗鲡科动物。鳗鱼( 淡水鳗) ，隶属硬骨鱼纲( o s t e i c h t h y e s ) ，辐鳍亚 纲( a c t i n o p t e r y g i i ) ：鳗鲡目( a n g u i l i f o r m e s ) ：鳗鲡亚目( a n g u i l l o i d i ) 鳗鲡 科a n g u i l l i d a e ，鳗鲡属( a n g u i l l a ) 。一般产于咸淡水交界海域。主要分布在中国 长江、闽江、珠江流域、海南岛及江河湖泊中。 在1 9 9 9 年中国已是世界第一养鳗大国，年产鳗可以达到1 6 万多吨，大约占世界 鳗产量的6 0 。我国鳗鱼养殖的量之大，有利于我国发展烤鳗产业，并且出口创汇羽， 我国鳗业的从业人员达到1 2 万人，是中国创汇最多的当项农产品。 我国养鳗业起步于上世纪七十年代，现在已经形成了养殖、加工、销售为一体， 年产值达到百亿元的大产业，鳗鱼养殖总量占世界的2 3 ，其中烤鳗和活鳗出口已经 成为我国水产品出口的主力军，年创汇7 - 8 亿美元啼3 1 。中国养鳗业有自己的优势：( 1 ) 产量占世界的2 3 ；( 2 ) 成本比日本、台湾低；( 3 ) 商品外观和口感好；( 4 ) 技 术优势( 茴种、饲料、养殖技术等) ( 5 ) 人才优势，我国人力资源丰富，人力成本 相对发达国家来说比较的低。 福建省的鳗业发展于上世纪七十年代，是全国较早的养鳗省份之一。经过多年 的发展，已经从单纯养殖成为养殖生产、烤鳗加工、出口销售、科技开发服务相配 套，产业化水平较高的产j i k 畸们。并且我省现在是全团最大的鳗鱼养殖、加工和出口 j , l ：j 也，鳗鱼j m 嘬i l j ：界的i j ，烤l | 竖i 个i q 的l 2 。鳗业已经成为我省皿要的支 乡l 济，冉：、i l ，。4 l c f j 父谈j | ：i i l ! j ，代竹“i 资川外资弗缎场1 2 0 0 多家。多数以合作 制、股份制形式存祚：卜嘎分斫m 街刚f k 乐、俯m 和闽两：i 匕等几十个善! 区。养殖 总面积约2 6 4 2 公顷，年总产量约7 2 9 万吨，年使用资金达几十亿元，总产值8 0 多亿 元，年出口总创汇约1 0 亿美元，约占全国鳗产品出口创汇的7 8 引。烤鳗是福清市出 口农产品的重点支柱产业，财政税收的重要来源。福清市现有养鳗场5 1 8 家，烤鳗厂 1 3 家，是我省烤鳗出口中企业最集中、出口量最大的地区。扩大烤鳗出口，不仅关 系到地方的经济发展，也关系到烤鳗食、i k 的经营和鳗农的增收。日本是我国冷冻烤 1 0 第1 孽绪论 鳗主要销售国，我国9 0 烤鳗销往日本，近几年我国输日烤鳗年出口量约6 万吨( 其 中福清烤鳗出口量就占了3 7 ) ，占日本年进口烤鳗量的8 0 以上。 1 2 2 烤鳗产业的副产物利用 烤鳗加工过程产生的一些副产物，仍然具有许多的利用价值，比如它们当中含 有的蛋白质、氨基酸、脂肪酸等有用物质。黄志勇等人就利用烤鳗下脚料中提取牛 磺酸，他们通过工艺的设计把牛磺酸的回收率提高至1 j 9 3 。从烤鳗下脚料中提取牛磺 酸的方法为烤鳗下脚料的综合利用研究丌辟了新的途径嘞1 。谢晓琼等人通过对烤鳗 副产物利用价值评价发现烤鳗副产物主要含脂肪和蛋白质，做好其分离和回收工作 有利于提高资源利用率，减少环境污染。烤鳗副产物中脊骨适于作为钙制剂的原料， 鱼皮可以作为补锌食物的来源。烤鳗副产物中的亚油酸含量高并富含二十碳五烯酸 和二十二碳六烯酸等不饱和脂肪酸，可作为营养保健品的原料。鱼头粉中氨基酸种类 齐全，可作为调味剂和氨丛酸类保健s , 7 ，原料啊7 | 。陈炎珍等人把烤鳗废弃物鳗骨中提取 鱼油，经分离纯化、喷雾干燥等工艺技术制取市含d h a ( 二十二碳六烯酸) f f l i e p a ( 二 十碳五烯酸) 、抗氧化性能好、无异味、便于贮藏运输与应用的鱼油微胶囊删。何 碧烟从鳗骨中提取鳗骨油、鳗钙、生产水解蛋白钔。福建农林大学的谢东杨的烤 鳗废油处理条件和稳定性探讨中提到处理烤鳗废油可以使之成为食品、饲料、化 妆品工业上的重要原料呦3 。从以上几个关于烤鳗的副产物的利用可以看出烤鳗产业 可以将所霈f 下的剐产物进行资源化，牛j 忙= f j 用的物质。 本课题主要魁s u ) i 烤鳗工艺生产后n 勺四段废水( 剖杀、白烧、蒲烧、混合废水) 来生产s c p 。烤鳗废水属于有机废水，其c o d c r 、b o d 一般都较高，可以利用废水中的 有机物来产s c p 。 1 - 3 有机废水的污染及其治理方法 1 3 1 有机废水的来源及其危害 有机废水主要的污染物成分为有机物，来自工业生产过程排出的有机废水较广 泛，种类繁多，排出废水的水量、水质兹异很大。如中外合资无锡某食品有限公司 主要产品为酱油、酱菜、水解蛋白，其产生的废水的主要的污染物质有废水中含有 大量溶解性的水解蛋白、维生素、粗脂肪、糖类及有机、无机酸等物质。废水b o d 。 浓度较高献分较大悬浮物较多，可j l c 降性强。 般说，废水，l t 丰婴污染物彳： 福建师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 漂浮在废水中固体物质，如菜叶、果皮、碎肉、禽羽等： ( 2 ) 悬浮在废水中的物质有油脂、蛋白质、淀粉、胶体物质等； ( 3 ) 溶解在废水中的酸、碱、盐、糖类等： ( 4 ) 原料夹带的泥砂及其他有机物等； ( 5 ) 致病菌毒等。 有机废水的特点是有机物质和悬浮物含量高，易腐败，一般无大的毒性。其危 害主要是使水体富营养化，以致引起水生动物和鱼类死亡，促使水底沉积的有机物 产生臭味，恶化水质，污染环境。我国有机废水排放量极其大，并且其中c o d c r 和b o d 浓度也很大，可见表i 一3 。 表i 3 1 9 9 8 年- 我国四种废水的排放挝、c o d c r 雨i b o d 硎 t a b l c l - 3t h ee m i s s i o n s 、c o d c ra n db o do fm yc o u n t r yf o u rk i n d so fw a s t e w a t e ri n1 9 9 8 指标 废永 年排放总c o d c r 排c o d c r 浓度b o d 排放b o d 浓度 且 放量量里 酒精 3 0 亿t2 2 0 万t 5 x 1 0 4 m g - 7 x 1 0 4 m l 1 1 5 万t 味精废水1 0 0 0 万t 3 0 一7 0 9 7t 3 x10 4 m g - 7 x1 0 4 m g l 2 0 - 4 2 万2 x 1 0 4 - 4 2 x 1 0 4 m g l t 啤洒废水 3 7 2 亿t3 7 2 - 5 5 81 8 6 - 3 3 5 万t万t 制糖废水1 2 6 亿t2 4