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(jié)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(zhì)，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(chǎn)物類型生產(chǎn)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(zhì)－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(jù)單一菌種微生物（純種）細胞表面的解離層（胞外多聚物）性質(zhì)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)。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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)擴大培養(yǎng)而制成的微生物細胞制劑直接用作絮凝劑?；驈木哂行跄饔玫木晏崛∑浔砻娴挠行跄煞肿龀芍苿┯米餍跄齽?/p>

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(chǎn)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(zhì)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?nèi)PS，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(jié)合構成三維空間結(jié)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(xiàn)代科學的技術，是現(xiàn)代生物技術的重要組成部分，是生物技術產(chǎn)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(chǎn)各種有用物質(zhì)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(chǎn)物乙醇和CO2的過程。工業(yè)發(fā)酵的概念：以農(nóng)副產(chǎn)品為原料，生產(chǎn)微生物菌體或代謝產(chǎn)物的過程。第十一頁，共三十三頁。發(fā)酵工程研究內(nèi)容1、生產(chǎn)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(chǎn)物分離、提取與精制等。第十二頁，共三十三頁。發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)物發(fā)酵

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

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

初級代謝的中間體或產(chǎn)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(nóng)用抗生家赤霉素的生產(chǎn),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(jié)果優(yōu)于深層培養(yǎng)所得的結(jié)果。糖的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量都較高。

缺點：固體發(fā)酵勞動強度大，占地面積大，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)構圖第二十一頁，共三十三頁。

發(fā)酵罐的結(jié)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(diào)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(nèi)液面之上安裝消泡器，用機械方法劃破已產(chǎn)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(jié)構嚴密，牢固，耐腐蝕，附件少，沒有死角光滑能經(jīng)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(shù)，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(nèi)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?？諝膺^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(chǎn)物的過程。培養(yǎng)基和設備都經(jīng)過滅菌，通入的空氣或中途的補料均是無菌的。轉(zhuǎn)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(chǎn)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