利用醬油釀造廢水生產微生物絮凝劑的研究

周喜新 ，楊 華 ，張 濱

（1.湖南農業大學，湖南 長沙 410128；2.長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙 410004）

微生物絮凝劑是一類由微生物產生的，可使液體中不易降解的固體懸浮顆粒凝聚、沉淀的特殊高分子代謝產物。該類絮凝劑是一種高效、廉價、無毒、無二次污染的水處理劑，可廣泛應用于飲用水處理、廢水處理、食品工業和發酵工業等領域[1-3]。但由于生產成本過高，生物絮凝劑在實際生產中尚未得到廣泛推廣應用。因而尋找廉價的培養基是生物絮凝劑產業化過程中亟待解決的問題[4-8]。

醬油作為人們日常生活中的調味品，滿足了人們飲食需要。近年來由于醬油制造工業快速發展導致醬油生產廢水排放量大增，帶來了嚴重的環境污染問題。醬油廢水濃度高、負荷變化大、色度大，屬于難處理有機廢水。但醬油廢水中含有生物生長繁殖和代謝所需要的碳源、氮源及無機鹽等營養物質，可用于微生物的培養[9-10]。試驗以醬油廢水為培養紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）的替代培養基，通過優化培養條件發酵生產生物絮凝劑，以期為降低微生物絮凝劑的生產成本，解決醬油廢水對環境的污染問題提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）（中國科學院微生物研究所）；醬油廢水（湖南寧鄉縣加加醬油廠）。

1.2 方法

1.2.1 培養基 種子培養基：牛肉膏3 g/L，蛋白胨10 g/L，NaCl 3 g/L，pH 值 7.0。

廢水培養基：取寧鄉加加醬油廠廢水稀釋至不同濃度，添加不同量碳源，調pH值到不同值。

1.2.2 發酵液培養條件 250 mL三角燒瓶中裝100 mL培養基，接種紅平紅球菌，分別在25、30、35℃，150 r/min振蕩培養96 h。測定上清液中的絮凝活性。

1.2.3 絮凝劑的制備 在發酵液中添加 0.5%三氯醋酸+正丁醇（4∶1），靜置 12 h，6 000 r/min 離心15 min，收集上清液。再向上清液中添加2倍體積的95%的乙醇，在4℃條件下靜置24 h，虹吸上清液，收集沉淀物。沉淀物用70%的乙醇洗滌2次，得到生物絮凝劑粗制品。

1.2.4 絮凝率的測定 在裝有5 g/L的100 mL高嶺土懸濁液中，加入5 mL 1%的氯化鈣溶液作為助凝劑，再加入2 mL的菌株發酵上清液，調pH值至7.5，混合攪拌5 min，靜置10 min，用UV-754型分光光度計測定波長550 nm處的吸光度，同時以2 mL蒸餾水代替菌株發酵上清液作為對照，絮凝率計算公式：絮凝率=（A-B）/A×100% ，其中A為對照上清液550 nm處的吸光度，B為樣品上清液550 nm處的吸光度。

2 結果與分析

2.1 不同碳源對發酵生產絮凝劑的影響

在醬油廢水中添加質量濃度為10 g/L的不同碳源，分析其對絮凝率的影響，結果如圖1所示。

圖1 不同碳源對發酵生產絮凝劑影響

從圖1可以看出，僅用醬油廢水作為培養基，其絮凝率非常低，而添加少量碳源對絮凝劑產生的具有顯著的影響。而且以加入葡萄糖的效果最為顯著，其次是加入蔗糖。研究還發現，加入不同碳源的培養基生產的絮凝劑出現較高活性的時間不一樣，用葡萄糖和蔗糖作為碳源的培養基較其它碳源的培養基快出現較高的絮凝活性。因此，發酵時可以加入適量的葡萄糖或蔗糖。但考慮到蔗糖價格遠低于葡萄糖，生產時建議加入蔗糖作為碳源，以降低絮凝劑生產成本。

2.2 醬油廢水發酵生產絮凝劑條件的優化

以培養紅平紅球菌的廢水濃度，接種量，溫度，pH值為4個因素進行正交試驗，試驗結果見表1。從表1中極差大小能看出，影響紅平紅球菌生長的因素從大到小依次為：pH值＞廢水濃度＞接種量＞溫度。其中pH值對絮凝率影響最大，pH值7.0為最優。其次影響的因素為廢水濃度，當廢水濃度為25%時，菌產絮凝劑的絮凝效果最好。其可能的原因是廢水中存在某些對紅平紅球菌有害的物質，當其濃度過高時，抑制菌的生長；而當廢水濃度過低時，其中的營養物質不足以完全滿足菌產絮凝劑的需要，絮凝率也有所降低。接種量的極差較小，接種量分別為5%，10%和15%時對菌產絮凝劑影響不大。溫度對絮凝劑的產生影響最小?？紤]控溫的成本，生產時可考慮采用自然溫度。

表1 正交試驗結果分析

2.3 紅平紅球菌發酵生產絮凝劑的生長曲線特征

將廢水稀釋4倍，并按10 g/L的濃度加入蔗糖，調pH值至7.0，30℃培養紅平紅球菌，間隔取發酵液測細胞濃度及絮凝活性。紅平紅球菌的生長曲線如圖2所示。由圖2可看出，24 h之前，菌體處于適應期，菌量無明顯改變；24至36驗h內，菌量有所增加，但速度很慢。36 h后紅平紅球菌經過適應期后進入了對數生長期，菌體生長迅速，細菌數目以幾何數增加。廢水培養基發酵60 h以后，紅平紅球菌生長進入了穩定期，菌的生長速率下降，細菌的生長速率與死亡速率達到一個動態平衡。當細胞進入生長期，絮凝劑開始大量生成；當細胞生長進入平衡期后，絮凝劑的生成基本停止?？梢姡卺u油廢水培養基中紅平紅球菌絮凝劑生長曲線模式屬于比較典型的生長偶聯型[11-12]。

圖2 紅平紅球菌產絮凝劑與細胞生長的關系

2.4 絮凝劑的產率及絮凝效果

將廢水稀釋4倍，并按10 g/L的濃度加入蔗糖，調pH值至7.0，30℃培養紅平紅球菌。60 h后發酵液制備絮凝劑，得率為1.68 g/L。絮凝劑粗品呈白色粉末狀，具有多糖和蛋白質性質。

取絮凝劑粗品1 g，溶解于100 mL水，取2 mL測絮凝活性。靜置15 min后，對照一直比較渾濁，有明顯的懸浮顆粒，無明顯的絮凝沉淀現象；處理管從加入絮凝劑后就開始絮凝，不斷的有白色的絮凝物質從管中向底部沉淀。15 min后管中溶液透明清澈，懸浮顆粒很少，絮凝率超過95%。說明絮凝劑的絮凝效果比較理想（圖3）。

圖3 絮凝劑粗品的絮凝效果

3 討論

醬油釀造生產過程中會產生大量的有機廢水，隨著人們對環境保護的重視，醬油生產的廢水直接排放會對周圍生態環境造成惡劣的影響。利用含高濃度有機物的醬油釀造廢水作為廉價培養基，既可以充分利用廢水中豐富的營養物作為產生生物絮凝劑的碳源和氮源，又可以降低水中的污染物，達到雙重功效[13]。醬油廢水中的糧食殘留物等可以作為微生物生長和發酵的碳源，但試驗表明醬油廢水還需外加少量的糖作為微生物生長的碳源。而前期的研究表明，醬油廢水中N的含量可達到1.5 g/L，醬油廢水中富含的蛋白質、氨基酸等作為氮源能滿足微生物生長和發酵的需求。研究同時表明，紅平紅球菌發酵過程能有效降低醬油廢水BOD、SS等指標，起到處理污水的作用，但對于醬油廢水的色度改變很小。

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