大豆乳清废水生产单细胞蛋白的实验研究.doc

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 大 豆 乳 清 废 水 中 的 有 机 成 分 主 要 为 乳 清 蛋 白 和 低 聚 糖 ， COD 达 20000mg/L 左右，属于高浓度有机废水。该废水的处理现状多为采用生物处 理工艺降解其中有机污染物，以及应用膜分离技术回收其中生理活性物质， 而关于利用该废水生产单细胞蛋白（SCP）的研究还很鲜见。本文在相关实 验研究的基础上，初步探讨了大豆乳清废水用于生产 SCP 的适用性与可行 性，认为利用大豆乳清废水生产 SCP 作为一项新兴的废水处理与资源化技 术值得推广。本文以实现该技术的工业应用为目的，进行了菌种筛选、菌种 复配，发酵罐生产等基础研究，为进一步的中试研究以及工程应用奠定了良 好的基础。 本文首先针对大豆乳清废水的水质特点，结合对工业酵母特性的调研， 选择了 5 种酵母：白地霉（ Geotrichum candidum link）、产朊假丝酵母 (Candida utilis)、热带假丝酵母（Candida tropicalis）、解脂假丝酵母解脂变 种（Candida lipolytica var. lipolytica）和扣囊复膜孢酵母（Saccharomycopsis fibuligera），均为发酵工业上广泛应用的饲料酵母，其安全性具有很好的保 障。 以大豆乳清废水生产 SCP 的实验表明，S. fibuligera 和 C. lipolytica var. lipolytica 为 最 适 菌 种 。 其 中 ， C. lipolytica var. lipolytica 在 废 水 COD11150mg/L、初始 pH 值 6.17、摇床恒温 25、摇床转速 180r/min 等条 件下，发酵 12 小时的细胞产量达 2.35g/L， COD 去除率达 48.3%； S. fibuligera 在对数期的细胞增殖速率、SCP 的蛋白质含量以及蛋白质产量分 别为 0.3589g/L·h、39.7%和 0.88g/L，均居于五种备选酵母之首。 为提高 SCP 产量，对以上 5 种酵母进行复配研究。研究结果表明，S. fibuligera 和 C. lipolytica var. lipolytica 按 61 的比例进行复配所形成的复 合菌群，能够大幅提高废水中有机物转化为 SCP 的效率和废水 COD 的去除 率。S. fibuligera 与 C. lipolytica var. lipolytica 组合后，摇瓶发酵制备的 SCP 产量较 S. fibuligera 单独制备时提高了 3.3%，蛋白产量 0.37%，尤其是 COD 去除率提高了 51%。S. fibuligera 与 C. lipolytica var. lipolytica 之间可能存在 着偏利共生、协作或互惠共生等正相互作用关系，组成一个和谐共生的微生 物群体。 -I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 本文通过分析，确定了发酵罐的合理结构型式，自制了酵母发酵罐。采 用间歇、好氧以及开放的方式运行发酵反应器，在开放、好氧、间歇运行的 条件下，酵母发酵生产SCP工艺适宜的主要技术参数为：发酵时间 16h，通 气量 0.5m3/h，接种量 2%。 采用发酵终了液作为下一轮发酵接种液的连续运行实验表明，经过 4 个 周期的生产运行，发酵系统中混合菌群仍能保持很好的稳定性，可以实现菌 种的“一次接种，连续使用”，为发酵罐的连续运行提供了有价值的指导， 进而可简化发酵工艺，节约种子培养投入。 以大豆乳清废水作为发酵原料生产 SCP 时，pH 值对 SCP 产量影响作用 较小， C/N 值、悬浮物（ SS）、消泡剂和 COD 浓度的影响作用显著。其 中，C/N 值的提高（如向大豆乳清废水中添加葡萄糖）和预除去大豆乳清废 水中的 SS 均会导致 SCP 产量的下降；废水浓度的升高和适量消泡剂的添加 均可显著提高 SCP 产量。因此，对于利用酵母发酵大豆乳清废水生产 SCP 工艺，不必对原水进行 pH 值和 C/N 值的调节。 本文通过小试研究，利用混合酵母共发酵大豆乳清废水 16h，SCP 产量 可高达 6.33g/L，同时，废水的 COD 去除率高达 50%，较好的实现了废水 的处理及资源化，可以作为大豆乳清废水预处理技术，同时还可回收具有较 高经济价值的单细胞蛋白，产生一定的经济效益。由于以微生物合成蛋白成 本低，因此该技术与其他废水资源化技术相比，具有较强的竞争优势和良好 的应用前景。  关键词  大豆乳清废水；单细胞蛋白；酵母；复配；发酵罐 - II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Soybean whey mainly contains whey protei