微生物絮凝劑及在食品工業(yè)水處理中的應用

張記霞

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

目前微生物絮凝劑的研究和應用越來越受到重視。微生物絮凝劑是一類由微生物菌體所分泌的一些分泌物或其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，它是利用微生物技術(shù)，通過細菌、真菌等微生物發(fā)酵、提取、精制而得的。微生物絮凝劑作為一種新型微生物產(chǎn)品，具有絮凝范圍廣泛，效率高，運行方式靈活，無毒，可消除二次污染，使液體中不易降解的固體懸浮顆粒、菌體細胞及膠體粒子等凝集、沉淀。微生物絮凝劑多數(shù)相對分子質(zhì)量較大，達到104～106。分離純化的微生物絮凝劑主要有多聚糖、糖蛋白、糖脂、脂蛋白、DNA、RNA、纖維素等，其中以多聚糖和糖蛋白類物質(zhì)占絕大多數(shù)。

一、微生物絮凝劑產(chǎn)生菌

至今發(fā)現(xiàn)的具有絮凝性的微生物達32個種［1］，其中細菌18種，真菌9種，放線菌5種，由它們生產(chǎn)的絮凝劑中，最具代表性的為以下三種：1976年Nakamura J.用醬油曲霉生產(chǎn)的絮凝劑AJ7002；1985年，H.Takagi用擬青霉屬生產(chǎn)的絮凝劑PF101，對啤酒酵母、血紅細胞、活性污泥、纖維素粉、活性炭、硅藻土和氧化鋁等有良好的絮凝效果；1986年R.Kurane等人利用紅平紅球菌研制成功微生物絮凝劑NOC-1，對大腸桿菌、酵母菌、泥漿水、河水、粉煤灰水等均有極好的絮凝和脫色效果，是目前發(fā)現(xiàn)的絮凝效果最好的微生物絮凝劑。

二、微生物絮凝劑的分類

1.直接利用微生物細胞的絮凝劑，如某些細菌、霉菌、放線菌和酵母菌，它們大量存在于土壤、活性污泥和沉積物中。

2.利用微生物細胞提取物的絮凝劑，如酵母菌細胞壁的葡聚菌、甘露聚糖、蛋白質(zhì)和N-乙酸葡萄糖膠等成分均可以作為絮凝劑。

3.利用微生物細胞代謝產(chǎn)物的絮凝劑，微生物細胞分泌到細胞外的代謝產(chǎn)物，主要有細菌的莢膜（菌膠團）和粘液質(zhì)，除水分外，其余主要成分為多糖及少量的多肽、蛋白質(zhì)、脂類及復合物，其中多糖在某種程度上可作為絮凝劑。

三、微生物絮凝劑的絮凝機理［2］

1.“橋聯(lián)作用”機理

“橋聯(lián)作用”機理認為微生物絮凝劑是一種具有長鏈線狀的結(jié)構(gòu)的生物大分子物質(zhì)，其借助靜電引力、范德華力或者氫鍵的作用吸附多個不同的膠體顆粒，并在顆粒間產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象，生成粗大的絮團而沉淀下來。研究顯示細菌細胞之間有胞外聚合物搭橋相連，正是這些橋使細胞喪失了原有膠體的穩(wěn)定性而緊密聚合并在液體中沉淀下來。

2.“電性中和”機理

膠體顆粒的絮凝過程中，電中和效應也是不容忽視的。溶液中帶有多個電荷的多價電解質(zhì)能夠與顆粒表面帶相反電荷發(fā)生中和，從而減弱顆粒間彼此的相互排斥力，促進顆粒的絮凝沉降。

3.“卷掃作用”機理

該機理認為當微生物絮凝劑投加到一定量時可形成小粒聚體，在重力作用下迅速網(wǎng)捕，卷掃水中膠粒而產(chǎn)生沉淀分離，稱為“卷掃作用”或“網(wǎng)捕作用”。

此外還有莢膜學說、病毒假說等多種理論可以解釋絮凝機理。微生物絮凝劑作為帶電荷的生物大分子，作用機理尚處于探討和完善階段。對于微生物絮凝劑的絮凝機理，其中的架橋機理是被廣泛接受并認同的。

四、影響絮凝活性的因素

1.微生物絮凝劑本身特性的影響

（1）分子量。微生物絮凝劑的主要成分中含有親水的活性基團，如氨基、羥基、羧基等，故其絮凝機理與有機高分子絮凝劑（利用其線性分子的特點起到一種粘接架橋作用而使顆粒絮凝）相同。絮凝劑分子量的大小對其絮凝效果有一定的影響，分子量越大的，絮凝活性越高；當絮凝劑的分子量減小，絮凝活性會明顯下降。

（2）膠體顆粒表面電荷的影響。膠體顆粒表面電荷對絮凝有重要影響。相反電荷的聚合電解質(zhì)能減少顆粒表面電荷密度，以至顆?？梢员舜顺浞志o密接近，使吸引力變得有效。

一般無分支結(jié)構(gòu)的絮凝劑，絮凝效果較好；產(chǎn)生菌培養(yǎng)后期形成的絮凝劑絮凝效果較好。

2.反應條件

微生物絮凝劑的絮凝效果受加劑量、pH值、金屬離子、溫度、攪拌速度、水質(zhì)等多種反應條件的影響。

（1）絮凝劑的投加劑量。每一種絮凝劑都有最佳投加劑量，過多或過少，絮凝效果均會下降。據(jù)分析，投加劑量的最佳值約是固體顆粒表面吸附大分子化合物達到飽和一半時的吸附量，此時大分子在固體顆粒上架橋幾率最大。

（2）pH值。不同的絮凝劑對pH值變化所表現(xiàn)的效果也不一樣，同種絮凝劑對不同的被絮凝物具有不同的pH初始值要求。故每一種絮凝劑都有其最適的pH值范圍，大于或小于某一pH值都會影響微生物絮凝劑及其被絮凝物表面電荷、帶電狀態(tài)及中和電荷的能力。在最適的pH值范圍內(nèi)，微生物絮凝劑表現(xiàn)出良好的絮凝活性。

（3）溫度。適當改變溫度可提高絮凝效率。由于絮凝物質(zhì)結(jié)構(gòu)上含有蛋白質(zhì)或肽鏈的絮凝劑一般都是熱不穩(wěn)定的，高溫可使這些高分子物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)改變，導致變性，從而使絮凝活性下降。而由糖類構(gòu)成的絮凝劑則是熱穩(wěn)定的，它們對溫度不敏感，絮凝劑活性不隨溫度的改變而改變，或者改變較少。例如R.erythropolis產(chǎn)生的絮凝劑在100℃的水中加熱15min后，其絮凝活性下降50%。

（4）金屬離子的種類和濃度。微生物絮凝劑受金屬離子的種類和濃度影響較大。不同的絮凝劑，其適合的離子種類有所差異，目前研究較多的有二價離子中的Ca2+、Mg2+、Mn2+等，以及三價離子中的Al3+、Fe3+等；不同的金屬離子在適當?shù)臐舛认屡c懸浮顆粒以離子鍵相結(jié)合，從而提高絮凝活性，這對于提高微生物絮凝劑的絮凝活性有重要意義。若金屬離子的濃度過高，由于大量離子占據(jù)了絮凝劑分子的活性部位，把絮凝劑分子與懸浮顆粒隔開而抑制絮凝活性。

五、微生物絮凝劑在食品工業(yè)水處理中的應用

1.食品工業(yè)廢水

由于微生物絮凝劑具有安全、無毒的特性，逐漸在食品工業(yè)廢水處理中被采用，并可達到滿意的效果。如用微生物絮凝劑普魯蘭處理味精廢水，其COD和SS的去除率可達到40%左右，其濁度去除率可達99%［3］。用絮凝劑A-9處理淀粉廠的黃漿廢水，其處理效果也明顯優(yōu)于目前使用的其它化學絮凝劑，且可回收其蛋白質(zhì)成分作飼料。

2.乳化液的油水分離

乳化液中加入特定的絮凝劑，在一定程度上可使油水分離。如用Alcaligenes latus培養(yǎng)物可以很容易地將棕擱酸從其乳化液中分離出來。試驗表明，向100mL的0.25%乳化液中加入10mLAlcaligenes latus培養(yǎng)液和1mL聚合氨基葡聚糖，乳化液中形成明顯可見的油滴并浮于表面，下層清液的COD值從原來的450mg/L下降為235mg/L，下清液的COD去除率為48%，遠好于無機絮凝劑和人工合成的高分子絮凝劑。

3.發(fā)酵產(chǎn)品的固液分離

利用絮凝劑對細胞具有優(yōu)良的沉降性能來去除發(fā)酵液中的菌體，可大大減少能耗，降低成本，且操作簡單，管理方便。在釀酒工業(yè)中，用具有絮凝性能的酵母替代沒有絮凝性能的酵母可以釀出質(zhì)量更好的啤酒；另外，在生物乙醇和面包發(fā)酵酵母的生產(chǎn)中也應用了這種絮凝劑，并可達到良好去除固體物的效果，減少處理時間，有助于降解不穩(wěn)定生物物質(zhì)以及節(jié)省成本。

六、結(jié) 論

微生物絮凝劑作為一種新型的絮凝劑，雖然現(xiàn)在主要應用于廢水處理方面，但在食品工業(yè)中也將有著良好的應用前景，并顯示有強大的生命力。微生物絮凝劑將可能在未來取代或大部分取代傳統(tǒng)的無機高分子和合成有機高分子絮凝劑，但微生物絮凝劑的應用還大多處于菌種的篩選階段，存在成本較高的缺點，無法適應工業(yè)化生產(chǎn)的需要。目前，推廣應用微生物絮凝劑的關(guān)鍵是應進一步降低微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本。為此，今后的工作應主要集中在以下幾個方面：①改進培養(yǎng)條件，研制出低成本的培養(yǎng)源。②優(yōu)良絮凝劑高產(chǎn)菌株的篩選及產(chǎn)生菌的誘變育種和基因控制。③要達到大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，需對微生物絮凝劑的合成條件和影響絮凝活性的因素進行更深入的研究，以便尋找廉價的培養(yǎng)基和控制絮凝劑發(fā)揮作用的最優(yōu)條件。

［1］張本蘭.新型高效、無毒水處理劑——微生物絮凝劑的開發(fā)與應用［J］.工業(yè)水處理，1996，16（1）：7-9.

［2］王猛，施憲法，柴曉麗.微生物絮凝劑的研究與應用［J］.化工環(huán)保，2001，21（6）：328-332.

［3］陶濤.普魯蘭預處理高濃度味精廢水的研究［J］.中國給水排水，2001，27（1）：39-42.