應(yīng)用于廢水處理的油脂酵母分離回收方法研究進(jìn)展

喬 楠，高明星，樊 雪

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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應(yīng)用于廢水處理的油脂酵母分離回收方法研究進(jìn)展

喬 楠，高明星，樊 雪

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

油脂酵母是一類有廣闊應(yīng)用前景的產(chǎn)油微生物，在應(yīng)用過程中，其可分解有機(jī)廢水中的COD，大量合成可用于生產(chǎn)生物柴油的微生物油脂，實(shí)現(xiàn)廢水資源化再利用的目的。但油脂酵母實(shí)際應(yīng)用過程中存在菌體分離回收困難的現(xiàn)狀，因此尋找合適的回收方法尤為重要。本文概述了目前油脂酵母分離回收的不同方法，通過比較不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了其工業(yè)應(yīng)用的可行性，并著重闡述了在該領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景的微生物絮凝劑的分類、特點(diǎn)及作用機(jī)理。

油脂酵母；廢水處理；菌體回收；微生物絮凝劑

近幾年，日益突出的能源短缺、石油儲(chǔ)量有限以及相應(yīng)的環(huán)境安全問題引起人們對(duì)可再生生物燃料尋找的重視，進(jìn)而促進(jìn)對(duì)新型生物燃料—微生物油脂的進(jìn)一步研發(fā)[1]。微生物油脂(microbial oils) 又稱單細(xì)胞油脂(single cell oil，SCO)，是由酵母、霉菌、細(xì)菌和藻類等微生物在一定條件下利用碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭瑸樘荚?，在菌體內(nèi)產(chǎn)生的大量油脂[2]。這類油脂主要是由不飽和脂肪酸(PUFAs)組成的甘油三酯(TAG)，主要包含C16和C18的脂肪酸。微生物生產(chǎn)油脂具有不受季節(jié)和氣候的影響、油脂含量高、生產(chǎn)原料來源廣泛、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。目前，酵母和霉菌是潛在的較理想的產(chǎn)油微生物，尤其是產(chǎn)油酵母已得到廣泛研究[2]。而且產(chǎn)油酵母可以利用高濃度有機(jī)廢水作為底物，不僅可以獲得大量的微生物油脂，還可以緩解或有效處理廢水污染問題，對(duì)環(huán)境保護(hù)及循環(huán)經(jīng)濟(jì)均具有積極意義。但油脂酵母的菌體回收問題阻礙其大規(guī)模應(yīng)用于廢水處理。

1 油脂酵母的分離回收方法

目前，應(yīng)用于菌體分離回收的方法包括離心分離、氣浮法、固定化微生物、膜分離和絮凝沉降等。上述菌體分離方法在實(shí)際工程或?qū)嶒?yàn)研究階段都有應(yīng)用和研究。為了降低經(jīng)濟(jì)成本、減少菌體的破壞、同時(shí)不影響環(huán)境，選擇一種適合油脂酵母的回收方法至關(guān)重要。

1.1 離心分離法

離心分離作為一種常用的分離手段，具有分離速度快、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是，離心分離設(shè)備投資費(fèi)用較高、能耗較大、操作較為復(fù)雜，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)回收菌體破損嚴(yán)重，作為工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)不宜大規(guī)模使用[3]。

1.2 氣浮法

氣浮法也稱浮選法，其原理是向液體中通入大量微氣泡，使其粘附于雜質(zhì)顆粒上，靠浮力使其上升至水面而使固液分離的一種物理方法。氣浮法是菌體蛋白回收、微藻采收、污泥濃縮等常用的方法。

氣浮分離一般在分離前先向處理系統(tǒng)中加入絮凝劑，使懸浮的微生物或細(xì)胞產(chǎn)生絮凝，然后氣浮將其分離回收。氣浮法在菌體分離方面，多用于分離微藻，如Teixeira[4，5]等研究了氣浮法采收藍(lán)藻的影響因素，在前期絮凝過程中藥劑添加量、處理時(shí)間以及操作參數(shù)等最佳條件下，藍(lán)藻的采收率可達(dá)92%。而氣浮法在油脂酵母菌體的分離應(yīng)用中很少見。國內(nèi)楊天喜[6]等人選定聚合硫酸鐵和聚丙烯酰胺為氣浮法的絮凝劑，再通過氣浮法分離粘紅酵母，粘紅酵母去除率可達(dá)90%。氣浮法雖然在實(shí)際應(yīng)用中具有很高的菌體去除率，但由于其適用條件要求高，而且需產(chǎn)生大量微氣泡，其投資運(yùn)行成本、能耗高，與離心分離方法相比費(fèi)用甚至更高。

1.3 固定化微生物法

固定化微生物技術(shù)來源于固化酶技術(shù)，此方法有利于菌體的回收。當(dāng)回收菌體時(shí)，直接將菌體與載體一同回收，特別是關(guān)于光合細(xì)菌回收方面有一些成功的應(yīng)用案例。但是，固定化技術(shù)載體對(duì)菌體的選擇性較強(qiáng)，戴曉[7]研究發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌Z08無法利用載體大量固定化回收。固定化微生物技術(shù)應(yīng)用時(shí)操作復(fù)雜，運(yùn)行、管理要求高，回收菌體量相對(duì)較小，且菌體回收時(shí)載體也一并回收，不利于微生物油脂的進(jìn)一步利用。

1.4 膜分離法

膜分離技術(shù)中超濾為主要的分離技術(shù)，超濾膜分離細(xì)菌和菌體蛋白是比較成熟的技術(shù)。畢生雷等[8]利用超濾金屬膜應(yīng)用于圓紅冬孢酵母發(fā)酵液的濃縮，能夠簡(jiǎn)化操作步驟、提高生產(chǎn)效率。雖然膜分離技術(shù)分離菌體的效率高、純度高，但其運(yùn)行、管理復(fù)雜，最重要的是分離過程中膜污染嚴(yán)重，易堵塞，需要定期對(duì)膜進(jìn)行清洗與更換，導(dǎo)致工作周期短、處理費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用高，限制了其在油脂酵母菌體回收方面的應(yīng)用。

1.5 絮凝沉降法

絮凝沉降是向水處理系統(tǒng)中添加絮凝劑，使水中膠體和懸浮顆粒凝聚成大的顆粒，然后通過重力作用下沉去除。絮凝沉降法是目前國內(nèi)外普遍用來提高水質(zhì)處理效率的一種既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)便的水質(zhì)處理方法[9]，現(xiàn)今也多應(yīng)用于菌體沉降方面。在菌體回收方面，可將菌體視為絮凝對(duì)象，通過投加絮凝劑，實(shí)現(xiàn)菌體的絮凝分離。

楊天喜[6]等選定聚合硫酸鐵和聚丙烯酰胺為絮凝沉降法絮凝劑，粘紅酵母的絮凝沉降率可達(dá)95%；張慧靈[10]等用無機(jī)絮凝劑與高分子絮凝劑復(fù)合配比使用去除谷氨酸發(fā)酵液菌體，菌體去除率為90%，而且沉降速度較快；魯詩鋒[11]從12種絮凝劑中篩選出殼聚糖為有效的絮凝劑，發(fā)酵液的菌體和蛋白質(zhì)去除率分別為99.97%和91.56%。目前，絮凝沉降方法在工程中應(yīng)用較多，對(duì)菌體和發(fā)酵產(chǎn)物的絮凝回收率都較高，而且耗費(fèi)較少。針對(duì)油脂酵母，選擇一種適合的絮凝劑，在分離菌體的過程中效率高、不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，尤其不影響微生物油脂的后續(xù)利用至關(guān)重要。

2 絮凝劑的分類

絮凝劑可分為無機(jī)絮凝劑、人工合成有機(jī)高分子絮凝劑和天然高分子絮凝劑。

2.1 無機(jī)絮凝劑

無機(jī)絮凝劑以鋁鹽和鐵鹽為主，其代表為氯化鐵、聚合硫酸鐵、硫酸鋁和聚合氯化鋁等。鋁鹽和鐵鹽是廣泛使用的絮凝劑，在水處理中和菌體回收等都有應(yīng)用，絮凝效果有保障，技術(shù)成熟[12-13]。但近期研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)絮凝劑具有二次污染的潛在性。其會(huì)在處理廢水后和回收的菌體中殘留金屬離子，污染油脂酵母菌體，不利于微生物油脂的后續(xù)利用。而且絮凝分離菌體所需的無機(jī)絮凝劑用量通常很大，不經(jīng)濟(jì)，因此油脂酵母的分離不宜選用無機(jī)絮凝劑。

2.2 人工合成的有機(jī)高分子絮凝劑

人工合成有機(jī)高分子絮凝劑以聚丙烯酰胺及其衍生物為代表，它們具有分子量大、分子鏈長(zhǎng)、官能團(tuán)多、電荷密度大等特點(diǎn)，與無機(jī)絮凝劑相比用量少、污泥量少、絮凝效率更高、成本相對(duì)較低，因此在水處理和發(fā)酵產(chǎn)物回收方面應(yīng)用廣泛。但近幾年研究發(fā)現(xiàn)，雖然人工合成有機(jī)高分子本身沒有毒性，但是其單體具有毒性，難以生物降解，殘留單體具有致癌、致畸、致突變作用，因此不宜用于油脂酵母的分離回收。

2.3 天然高分子絮凝劑

天然高分子絮凝劑可概括為三大類，即碳水化合物類、多聚糖類以及甲殼素類，具體涵蓋了淀粉、纖維素、多糖、蛋白質(zhì)等類別的衍生物[14]。相對(duì)于傳統(tǒng)的無機(jī)和有機(jī)絮凝劑，天然高分子絮凝劑具有原料來源廣泛、價(jià)格低廉、無毒、絮凝速度快、易于生物降解、對(duì)生態(tài)環(huán)境無不良影響等特點(diǎn)，因此應(yīng)用前景廣泛。其中殼聚糖、纖維素、幾丁質(zhì)近幾年備受關(guān)注。Hao等[15]使用殼聚糖和聚丙烯酞胺對(duì)1，3-PD發(fā)酵液進(jìn)行絮凝處理，發(fā)酵液的蛋白質(zhì)去除率大于99%。但天然高分子絮凝劑電荷密度小，分子量較低，易發(fā)生生物降解而失去絮凝活性，而且酵母菌體一般呈負(fù)電性，而天然高聚物中僅有殼聚糖等是陽離子型，因此天然高分子絮凝劑在油脂酵母的分離回收中受到限制。

在天然高分子絮凝劑中較為特殊的是微生物絮凝劑，微生物絮凝劑是一類具有絮凝性的微生物或其分泌的代謝產(chǎn)物。能夠產(chǎn)生絮凝劑的微生物種類很多，主要為細(xì)菌、真菌和藻類，它們普遍存在于土壤和活性污泥中。微生物絮凝劑一般由多糖、蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、糖蛋白、聚氨基酸等生物高分子物質(zhì)構(gòu)成，具有生物分解性和安全性，高效、無毒、無二次污染，對(duì)菌體有很高的絮凝效果和沉降性能。重要的是在制備微生物絮凝劑的過程中，產(chǎn)絮微生物能夠利用廢水，降解廢水中有機(jī)物污染物質(zhì)的同時(shí)產(chǎn)生生物絮凝劑。因此，可以利用微生物絮凝劑絮凝沉降油脂酵母。

2.3.1 微生物絮凝劑的分類

按照來源不同，微生物絮凝劑主要可分為3類[16，17]：

(1)細(xì)胞菌體本身。如某些細(xì)菌、霉菌和酵母。這一類微生物的菌體細(xì)胞具有絮凝性，其原因在與菌體細(xì)胞壁表面帶有活性基團(tuán)，吸附溶液中的帶電顆粒；有的利用菌體細(xì)胞表面莢膜層或粘液層吸附溶液中的顆粒；有的是因?yàn)榫w表面的菌毛、纖毛等的吸附作用；

(2)利用細(xì)胞壁提取物。如酵母細(xì)胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質(zhì)和 N---乙酞葡萄糖胺等成分均可用作絮凝劑。如絲狀真菌的細(xì)胞壁含有一種重要的多糖---幾丁質(zhì)，幾丁質(zhì)經(jīng)堿水解后產(chǎn)生帶正電荷、高效無毒的脫乙酰幾丁質(zhì)，其中含有活性-NH2和-OH，對(duì)許多微生物菌體及其他帶負(fù)電荷的粒子有極強(qiáng)的絮凝能力；

(3)利用微生物細(xì)胞代謝產(chǎn)物。微生物細(xì)胞產(chǎn)生的具有絮凝性的代謝產(chǎn)物可以分布在胞內(nèi)、胞外和菌體細(xì)胞表面，部分產(chǎn)物可以脫離菌體，游離于培養(yǎng)液中。分泌到細(xì)胞外的代謝產(chǎn)物主要是細(xì)菌的莢膜和粘液質(zhì)，除水分外，其主要成分為多糖及少量的多肽、蛋白質(zhì)、脂類及其復(fù)合物，其中多糖和蛋白質(zhì)在某種程度上可用作絮凝劑。

根據(jù)化學(xué)組成的不同，微生物絮凝劑又可以分為3類[16，17]：

(1)多糖類物質(zhì)。在已發(fā)現(xiàn)的微生物絮凝劑中，多糖類物質(zhì)較多；

(2)多肽、蛋白質(zhì)和DNA類物質(zhì)。微生物絮凝劑NOC-1的絮凝能力最好，其主要成分為蛋白質(zhì)，而且分子中含有較多的疏水氨基酸，包括丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等；

(3)脂類物質(zhì)。微生物絮凝劑屬于脂類物質(zhì)的較少，目前發(fā)現(xiàn)的唯一的脂類絮凝劑是Kurane從R.erythropolis S-1的培養(yǎng)液中分離出來的微生物絮凝劑。

2.3.2 微生物絮凝劑的特點(diǎn)

微生物絮凝劑與傳統(tǒng)的有機(jī)和無機(jī)絮凝劑相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和性質(zhì)[18，19]：

(1)易于固液分離，形成沉淀物少；(2)易被微生物降解，無毒無害，安全性高；(3)部分微生物絮凝劑還具有不受pH條件影響，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，用量小等特點(diǎn)。

2.3.3 微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理

相對(duì)于膠體絮凝機(jī)理而言，微生物絮凝劑絮凝機(jī)理尚不明確，但已有大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，先后提出許多學(xué)說[20]，主要有“橋聯(lián)作用”學(xué)說、“類外源絮凝聚素”假說、“病毒”假說、Friedman“菌體外纖維素纖絲”學(xué)說等。

微生物絮凝劑起絮凝作用的主要是胞外產(chǎn)物，對(duì)于這些胞外產(chǎn)物的絮凝機(jī)理，目前較為普遍接受的是“橋聯(lián)作用”機(jī)理。該學(xué)說認(rèn)為，大分子生物絮凝劑的絮凝過程是幾個(gè)物理化學(xué)過程共同作用的結(jié)果[21]：

(1)電中和作用：溶液中帶有電荷電解質(zhì)能夠與顆粒表面帶的相反電荷發(fā)生中和，從而減弱顆粒間彼此的排斥力，促進(jìn)顆粒的絮凝沉降，為絮凝劑的架橋提供基礎(chǔ)。在膠體顆粒的絮凝沉降過程中，電中和作用至關(guān)重要。

(2)吸附架橋作用：絮凝劑大分子借助離子鍵、氫鍵和范德華力，同時(shí)吸附多個(gè)膠體粒子，在顆粒間產(chǎn)生架橋現(xiàn)象，從而形成一種網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)，通過重力作用沉降下來。大分子的吸附作用進(jìn)一步促進(jìn)膠體的絮凝沉淀。

(3)卷掃作用：形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)微生物絮凝劑，在重力的作用下沉降下來，迅速網(wǎng)捕或卷掃處理液中的膠體顆粒，產(chǎn)生沉淀，從而有效分離。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，利用微生物絮凝劑的絮凝沉降方法是回收油脂酵母菌體的一個(gè)非常有工業(yè)應(yīng)用前景的方法。對(duì)該方法的研究將主要集中在以下幾個(gè)熱點(diǎn)方向：

(1)篩選出高效產(chǎn)油的油脂酵母菌株和高效產(chǎn)生生物絮凝劑的產(chǎn)絮微生物；

(2)優(yōu)化油脂的提取純化工藝和微生物絮凝劑產(chǎn)品的提取純化工藝；

(3)探討油脂酵母菌體回收的最佳工藝條件；

(4)進(jìn)一步探討微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理等。

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Research Progress on the Method of Separation and Recovery of Oils and Fats Used in Wastewater Treatment

QIAO Nan，GAO Ming-xing，F(xiàn)AN Xue

(Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Oil yeast is a kind of oil producing microbe which has broad application prospects，in the application process，the COD in organic wastewater can be decomposed，microbial oils and fats which can be used in the production of biodiesel，to realize the reuse of waste water resources.However，the present situation of the difficulty of cell separation and recovery in the practical application of oils and fats yeast，so it is very important to find a suitable recovery method.In this paper，the different methods of separation and recovery of oils and fats are summarized in this paper，by comparing the advantages and disadvantages of different methods，the feasibility of its industrial application is analyzed，the classification，characteristics and mechanism of the microbial flocculant which has important application prospects in this field are discussed in this paper.

Oil yeast；Effluent disposal；Cell recovery；Microbial flocculant

2016-04-12

吉林省教育廳十三五科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目(2016-100)

喬 楠(1980-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院副教授，碩士，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：污水生物處理技術(shù).

1005-2992(2016)05-0063-05

X703.1；X172

A