第十一章微生物新技術在環(huán)境工程中的應用演示文稿第一頁，共三十三頁。優(yōu)選第十一章微生物新技術在環(huán)境工程中的應用第二頁，共三十三頁。

一、生物表面活性劑和生物乳化劑的

開發(fā)與應用

生物表面活性劑(Biosurfactan)和生物乳化劑（Bioemulsifier）是20世紀70年代后期發(fā)展起來的，它們是具有親水基和疏水基結構于一體的兩親化合物，但兩者有區(qū)別。

生物表面活性劑具有表面活性，它的分子量小，分子中具有脂肪烴鏈構成的非極性疏水基和有極性的親水基，如磷酸根或多羥基基團。它可改變兩相界面的物理性質，如降低空氣——水、油——水或固體——水的表(界)面張力，故稱為生物表面活性劑。研究和應用較多的是石油開采工業(yè)，因為生物表面活性劑有益于改善稠油油品，使之易于開采。

第三頁，共三十三頁。分類產物類型生產菌1.糖脂

2.中性脂/脂肪酸

3.含氨基酸類脂

4.磷脂5.聚合物

6.細胞表面本身海藻糖脂

鼠李糖槐糖脂甘油酸，脂肪酸，脂肪醇，蠟脂蛋白、脂肽、脂氨基酸（Surfactin,Polymi-xinB）

磷脂酰乙醇胺脂雜多糖（Emusan）脂多糖復合物,蛋白質－多糖復合物生物破乳劑肽脂節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、分枝菌屬（Mycobacteria）、

諾卡氏菌屬（Nocardia）、棒桿菌屬（Corynebacteria）、紅球菌屬（Rhodococcus）假單胞菌屬（Pseudomonas）球擬酵母（Torulopsis）不動桿菌屬（Acinetpbacter）、梭菌屬（Clostridium）芽孢桿菌屬（Bacillus）、諾卡氏菌屬（Nocardia）、棒桿菌屬（Corynebacterium）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、分枝桿菌屬（Mycobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、(Agrobacteria)、

葡糖桿菌屬（Gluconobacter）紅球菌屬（Rodococccus）、硫桿菌屬（Thiobacillus）不動桿菌屬（Acinetobacter）、地霉屬（Candida）

諾卡氏菌屬（Nocardia）、紅球菌屬（Rodococcus）不動桿菌屬（Acinetobacter）

生物乳化劑不能顯著降低兩相表(界)面張力，但對油——水界面有很強的親和力，能夠吸附在分散的油滴表面，防止油滴凝聚，從而使乳狀液得以穩(wěn)定。生物表面活性劑和生物乳化劑一般都能生物降解，可將其分六類。生物表面活性劑和生物乳化劑的分類第四頁，共三十三頁。二、微生物自身絮凝和沉淀作用

根據單一菌種微生物（純種）細胞表面的解離層（胞外多聚物）性質不同而劃分兩種類型，即疏水性的R型（菌落為粗糙型）和親水性的S型（菌落為光滑型）。

具有R型解離層的微生物表現疏水性而自身發(fā)生絮凝、聚集而沉降，R型細菌適合應用于廢水處理。

R.kurane等人從沉降性能良好的活性污泥中篩選出紅平紅球菌（Rodococcuserythropols），將它用于處理酞酸酯廢水，處理效率高，沉淀性能良好，處理水透明。用于糖蜜廢水、紙漿黑夜、顏料等廢水懸浮液的絮凝、沉淀與脫色，效果也好。還可用于改善膨脹污泥的沉淀效果。

具有S型解離層的微生物表現親水性，均勻分散于水中，不易絮凝，不易沉降。

第五頁，共三十三頁。三、微生物絮凝劑和沉淀劑的開發(fā)與應用

在廢水生物處理中，二沉池的泥水分離好與壞，取決于活性污泥的絮凝性能和沉降性能。有些活性污泥盡管去除有機物能力強，但它本身的絮凝性能差，需要投加絮凝劑，強化絮凝效果，改善出水水質。絮凝劑有三類:

第1類為有機高分子絮凝劑或是助凝劑，如聚丙烯酰胺，其投加用量為400mg/L。

第2類為無機絮凝劑，如硫酸鋁、硫酸亞鐵、三氯化鐵，堿式氯化鋁等。投加三氯化鐵效果不錯，但用量大，達3000mg/L。

第3類為微生物絮凝劑，微生物絮凝劑是從微生物體提取的的細胞分泌物，它是具有良好的絮凝作用和沉淀效果的水處理絮凝劑。成分是糖蛋白、多糖、纖維素、蛋白質等。它易被生物降解，不會引起二次污染，使用安全，其用量較少，只需200mg/L。但目前生產成本較高，隨著生物技術的發(fā)展，可望降低成本，利于在生產中推廣使用。第六頁，共三十三頁。具有絮凝作用的微生物

將有絮凝作用的微生物經擴大培養(yǎng)而制成的微生物細胞制劑直接用作絮凝劑。或從具有絮凝作用的菌株提取其表面的有效絮凝成分做成制劑用作絮凝劑。

1976年Nakamura等人從214株菌中篩選出19種具有絮凝作用的微生物，其中的醬油曲霉（Aspergillussojae）的A.J7002菌株生產的絮凝劑效果很好。

1985年H.Takagi等人培養(yǎng)擬青霉屬（Paecilomycessp.1-1），用乙醇沉淀和凝膠色譜法精制成PF101絮凝劑，它的相對分子質量為3×105。其主要成分為半乳糖胺。PF101對枯草桿菌、大腸桿菌、啤酒酵母、活性污泥、纖維素粉、羧甲基纖維素、活性炭、硅藻土及氧化鋁均有良好的絮凝作用。

第七頁，共三十三頁。物理方法：高速離心、超聲波和均化處理?；瘜W方法：酸水解、熱堿法和有機溶劑析出。

①微生物(活性污泥)

濃縮和洗滌，②剝取EPS，③用有機溶劑析出，④富集，⑤純化。

提取步驟提取微生物細胞外多聚物的方法

第八頁，共三十三頁。

四、微生物絮凝劑和沉淀劑的作用原理

EPS（胞外多聚物）和活性污泥絮凝的機制尚沒定論，一般認為：EPS的酸性多糖通過離子鍵與活性污泥發(fā)生絮凝，EPS的中性多糖通過氫鍵和活性污泥發(fā)生絮凝，EPS起了橋梁作用。EPS具有陰離子基團，可和二價陽離子結合構成三維空間結構，維持絮體完整性。

EPS是生物表面活性劑，可以降低活性污泥和水之間的表面張力，降低兩者的親和性，增加微生物之間及微生物絮團之間的親和性。增加微生物絮團和活性污泥的疏水性，再加上微生物絮凝劑自身絮凝成大顆粒就變得更易沉淀，達到泥水分離的目的。第九頁，共三十三頁。第二節(jié)發(fā)酵工程

發(fā)酵工程具有悠久的歷史、又融合了現代科學的技術，是現代生物技術的重要組成部分，是生物技術產業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。發(fā)酵工程是利用微生物的生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。它以培養(yǎng)微生物為主，又稱微生物工程。第十頁，共三十三頁。

發(fā)酵的概念

生理發(fā)酵：發(fā)酵是在厭氧條件下，糖在酵母等微生物的作用下進行分解代謝，向菌體提供能量，從而得到產物乙醇和CO2的過程。工業(yè)發(fā)酵的概念：以農副產品為原料，生產微生物菌體或代謝產物的過程。第十一頁，共三十三頁。發(fā)酵工程研究內容1、生產菌種的選育；2、發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制；3、反應器的設計；4、產物分離、提取與精制等。第十二頁，共三十三頁。發(fā)酵產品的主要類型1、微生物菌體發(fā)酵獲得某種用途的菌體為目的的發(fā)酵。微生物菌體蛋白(單細胞蛋白),一些藥用真菌，如香菇類、冬蟲夏草菌、靈芝等。生物防治劑，如蘇云金桿菌。2、微生物酶發(fā)酵目前工業(yè)用酶大多來自微生物發(fā)酵。微生物酶制劑有著廣泛的用途．前面章節(jié)中已有敘述。第十三頁，共三十三頁。

3、微生物代謝產物發(fā)酵

(1)初級代謝產物在微生物對數生長期所產生的產物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質、核酸、糖類等，是菌體生長繁殖所必需的,叫初級代謝產物。

(2)次級代謝產物在菌體生長靜止期，合成一些特定功能的產物，如抗生素、生物堿、細菌毒素、植物生長因子等。這些產物與菌體生長繁殖無明顯關系，稱為次級代謝產物。

初級代謝的中間體或產物往往是次級代謝的前體物或起始物。第十四頁，共三十三頁。發(fā)酵方式

1、表面發(fā)酵農用抗生家赤霉素的生產,對原料要求粗放小型．以麥麩為培養(yǎng)基進行固體發(fā)酵，結果優(yōu)于深層培養(yǎng)所得的結果。糖的轉化率和產量都較高。

缺點：固體發(fā)酵勞動強度大，占地面積大，產量低，易污染。但該法仍具有簡單易行，投資少，適用于小型生產等待點。第十五頁，共三十三頁。2、深層發(fā)酵深層發(fā)酵是微生物細胞在液體深層中進行培養(yǎng)的方法。隨供氣方式的不同，好氧深層發(fā)酵可分為振蕩培養(yǎng)和深層通氣(攪拌)培養(yǎng)。振蕩培養(yǎng)：即搖瓶振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)微生物所需的氧氣是在外界空氣與培養(yǎng)液在振蕩時進行自然交換提供。深層(攪拌)通氣培養(yǎng)：是強制通入無菌空氣到密閉發(fā)酵罐中進行(攪拌)培養(yǎng)的方式。深層發(fā)酵包括菌種制備、種子培養(yǎng)、發(fā)酵、產物提取精制等。第十六頁，共三十三頁。

發(fā)酵的4個階段

第一階段：發(fā)酵原料的預處理

第二階段：發(fā)酵過程的準備種子制備：原料的滅菌：

第三階段：發(fā)酵控制

厭氧發(fā)酵是靜置發(fā)酵，其發(fā)酵設備不需供氧，所以設備和工藝都比好氧簡單。如乙醇、啤酒、丙酮、丁酸及乳酸發(fā)酵等均為厭氧發(fā)酵產品。

好氧發(fā)酵需要消耗大量的氧氣，以供代謝的需要，如氨基酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵等。

第四階段：發(fā)酵產物的提取第十七頁，共三十三頁。

恒溫搖床設備第十八頁，共三十三頁。小型發(fā)酵罐第十九頁，共三十三頁。7－70L全自動發(fā)酵罐第二十頁，共三十三頁。發(fā)酵罐結構圖第二十一頁，共三十三頁。

發(fā)酵罐的結構

（l）發(fā)酵罐的幾何尺寸通用式發(fā)酵罐的指常用的具有機械攪拌及空氣分布裝置的發(fā)酵罐．內裝攪拌器、通風管、進出料管和熱交換器。罐身高H與直徑D之比=2~3；罐身高主要是延長空氣與料液接觸時間，增加氧的溶解.

（2）攪拌器通用式發(fā)酵罐都采用六彎葉渦輪式攪拌器和箭尾式攪拌器。

（3）檔飯檔飯可以消除轉軸旁的旋渦，提高攪拌效率，檔飯以4～6塊為宜。為避免檔飯與罐壁形成死角，可使檔飯與罐壁保持20～40cm，寬的距離，用支架固定在壁上。檔板為長方形，寬為罐直徑的1/10--1/12，垂直向下接近罐底，上端與液面平。第二十二頁，共三十三頁。（4）熱交換器罐內裝熱交換器主要為培養(yǎng)液實消滅菌的加熱和冷卻及發(fā)酵時溫度的調節(jié)。熱交換器的式，大罐多用立式蛇管，小罐多用夾套。

（5）通風管通風管的形式有多孔環(huán)形管、多孔十字形管和單孔管幾種，小罐多用多孔環(huán)形管和多孔十字形管；中型罐多用單孔管；大型罐多采用多孔環(huán)形管。

（6）消泡器在罐內液面之上安裝消泡器，用機械方法劃破已產生的氣泡。

（7）人孔、燈孔、壓力表、移種管、消泡劑管道。

（8）容氧電極，溫度指示器。第二十三頁，共三十三頁。

發(fā)酵罐的技術要求：結構嚴密，牢固，耐腐蝕，附件少，沒有死角光滑能經受反復滅菌，金屬離子少（不銹鋼）。優(yōu)良好的氣液固混合性能，對不需要的氣體及時排出。盡量少的通氣和動力攪拌，消耗動力少。良好的熱交換性能良好的消泡功能良好的裝料系數，0.6~0.7必要的檢測和控制功能耐壓，表壓4.5Kg/cm2材料：復合板；C鋼，內襯不銹鋼板。第二十四頁，共三十三頁。無菌空氣系統(tǒng)第二十五頁，共三十三頁。空氣過濾器第二十六頁，共三十三頁。發(fā)酵

發(fā)酵是在無菌狀態(tài)下進行純種培養(yǎng)，微生物合成產物的過程。培養(yǎng)基和設備都經過滅菌，通入的空氣或中途的補料均是無菌的。轉移種子采用無菌接種技術。發(fā)酵過程檢測：菌體形態(tài)、菌體濃度、底物濃度、氮含量、pH值、溶解氧濃度、產物濃度等。第二十七頁，共三十三頁。發(fā)酵罐滅菌第二十八頁，共三十三頁。工業(yè)發(fā)酵中培養(yǎng)基的分批滅菌

濕熱滅菌