第六章 微生物能源課件

第六章微生物能源

第六章微生物在能源上的應(yīng)用第一節(jié)沼氣發(fā)酵第二節(jié)乙醇發(fā)酵第三節(jié)煤炭脫硫第四節(jié)微生物絮凝劑第六章微生物能源沼氣多產(chǎn)生于污水處理廠、垃圾填埋場(chǎng)、酒廠、食品加工廠、養(yǎng)殖場(chǎng)等。沼氣是在厭氧條件下由有機(jī)物經(jīng)多種微生物的分解與轉(zhuǎn)化作用后產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，屬于生物質(zhì)能范疇，主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量約為50％～70％，二氧化碳含量為30％～40％(容積比)，還含有少量的硫化氫、氮、氧、氫等氣體，約占總含量的10％～20％。甲烷在空氣中遇火燃燒，轉(zhuǎn)變成二氧化碳和水，并釋放出熱量，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

CH4+202=2H2O+CO2+890kJ／mol第一節(jié)沼氣發(fā)酵第六章微生物能源從環(huán)保角度講，沼氣中的甲烷是一種作用強(qiáng)烈的溫室氣體，其導(dǎo)致溫室效應(yīng)的效果是二氧化碳的32倍，因此，有效控制沼氣排放已成為環(huán)保領(lǐng)域關(guān)注的重要問(wèn)題之一。從能源角度講，沼氣是性能良好的燃料，燃?xì)鉄嶂导s為21．98MJ／m3(甲烷含量60%、二氧化碳等其他含量為40％)時(shí)，屬中等熱值燃料，因此，開(kāi)發(fā)利用沼氣不僅有助于溫室效應(yīng)的減輕和生態(tài)良性循環(huán)，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料。第六章微生物能源近年來(lái)我國(guó)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，已建成大、中型沼氣池近千座，形成年產(chǎn)沼氣數(shù)億立方米的能力。由于這些氣源相對(duì)穩(wěn)定、供氣量大(如規(guī)模較大的污水處理廠、垃圾填埋場(chǎng)一般日產(chǎn)沼氣為1萬(wàn)m3以上，中型的沼氣工程日產(chǎn)氣也可達(dá)數(shù)千立方米)，采用燃?xì)庋b置進(jìn)行沼氣發(fā)電，是國(guó)際上趨同的技術(shù)路線(xiàn)。第六章微生物能源（一）沼氣發(fā)酵原理及發(fā)酵條件

1.原理沼氣發(fā)酵又稱(chēng)為厭氧消化、厭氧發(fā)酵或甲烷發(fā)酵，是指有機(jī)物質(zhì)(如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等)在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過(guò)種類(lèi)繁多、數(shù)量巨大且功能不同的各類(lèi)微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等混合性氣體(沼氣)的復(fù)雜生物化學(xué)過(guò)程。第六章微生物能源

（1）沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段液化階段。在液化階段，復(fù)雜有機(jī)物(纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等)在兼性微生物及少數(shù)厭氧微生物的酶催化作用下降解至基本結(jié)構(gòu)單位或簡(jiǎn)單有機(jī)酸、醇等。產(chǎn)酸階段。液化產(chǎn)物被微生物吸收到菌體內(nèi)，并在胞內(nèi)酶的催化作用下，將它們轉(zhuǎn)化為低分子化合物，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等，還有乙醇、甲醇以及氫等。乙酸數(shù)量最大，約占80％。第六章微生物能源產(chǎn)甲烷階段。經(jīng)過(guò)前兩個(gè)階段的分解作用后，有機(jī)溶液中產(chǎn)甲烷的基質(zhì)已很豐富以及產(chǎn)氨細(xì)菌的活動(dòng)，使氨態(tài)氮濃度不斷增高，使發(fā)酵液中的氧化還原電勢(shì)降低。為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供了適宜的環(huán)境條件，促使產(chǎn)甲烷細(xì)菌迅速生長(zhǎng)繁殖，將乙酸、甲酸、甲醇、氫氣及二氧化碳等轉(zhuǎn)化為甲烷。產(chǎn)甲烷菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與產(chǎn)甲烷基質(zhì)都是來(lái)自各類(lèi)分解菌對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解而形成的代謝產(chǎn)物。分解菌不斷地提供乙酸、H2、CO2和NH3等基質(zhì)，產(chǎn)甲烷菌則利用這些物質(zhì)進(jìn)行代謝活動(dòng)并產(chǎn)生甲烷，使產(chǎn)甲烷菌與不產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷與產(chǎn)酸都達(dá)到平衡。第六章微生物能源（2）沼氣制取的基本條件

保證沼氣池能夠持續(xù)產(chǎn)氣要滿(mǎn)足以下基本條件：①保證沼氣池的密閉性在有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的過(guò)程中，起主導(dǎo)作用的厭氧細(xì)菌(群)需要嚴(yán)格厭氧，不能在有氧環(huán)境中生存，所以沼氣池應(yīng)保證嚴(yán)格的密閉性。當(dāng)沼氣池施工完畢，池體各部位達(dá)到一定強(qiáng)度后，應(yīng)檢驗(yàn)沼氣池是否漏水和漏氣。第六章微生物能源觀察池內(nèi)各部位的抹灰層有無(wú)開(kāi)裂和脫落現(xiàn)象，表面有無(wú)蜂窩和明顯毛細(xì)孔，并敲擊表面有無(wú)空洞聲。若有蜂窩和明顯毛細(xì)孔，應(yīng)繼續(xù)刷漿，孔洞和開(kāi)裂部位要敲掉重做。此外，還應(yīng)注意導(dǎo)氣管和池體連接必須牢固。總之，修建一個(gè)嚴(yán)格密閉、隔絕空氣的沼氣池，以保證嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，對(duì)沼氣池穩(wěn)定產(chǎn)氣十分關(guān)鍵。第六章微生物能源②發(fā)酵原料應(yīng)保持合適的碳氮比發(fā)酵原料是產(chǎn)生沼氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，產(chǎn)沼氣細(xì)菌從原料中需吸取的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是碳元素、氮元素和一些無(wú)機(jī)鹽等。碳元素多來(lái)源于碳水化合物，是細(xì)菌進(jìn)行生命活動(dòng)的主要能量來(lái)源；氮元素多來(lái)源于蛋白質(zhì)、亞硝酸鹽和氨等無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，是制造細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)菌細(xì)胞原生質(zhì)和遺傳物質(zhì)的主要成分。在細(xì)菌的生命活動(dòng)中，其利用碳素的速度比其利用氮素的速度快20～30倍，因此，發(fā)酵液中碳素和氮素應(yīng)維持適當(dāng)?shù)谋壤?。試?yàn)證明，在其他條件都具備的情況下，碳／氮=(20～30)／1是滿(mǎn)足正常發(fā)酵的最佳比例，而碳氮比高于或低于這一比例，都會(huì)使發(fā)酵速度下降。第六章微生物能源③保持適宜和穩(wěn)定的發(fā)酵溫度沼氣發(fā)酵是一種喜溫發(fā)酵，溫度對(duì)沼氣的產(chǎn)生有很大影響。產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和繁殖對(duì)溫度要求較高，最適宜溫度絕大多數(shù)在30℃以上，理想的溫度為35℃，沼氣的發(fā)酵溫度范圍為8～60℃，在此范圍內(nèi)，沼氣產(chǎn)量可隨著溫度的升高而增加。沼氣發(fā)酵溫度可分為高溫、中溫和低溫三類(lèi)。一般認(rèn)為45～60℃為高溫發(fā)酵，30～45℃為中溫發(fā)酵，而農(nóng)村家用沼氣池多采用低溫發(fā)酵(也叫常溫發(fā)酵或自然發(fā)酵)，溫度為8～25℃。常溫發(fā)酵的產(chǎn)氣量往往隨氣溫變化而變化，很不穩(wěn)定。第六章微生物能源另外，厭氧細(xì)菌不能承受過(guò)度的溫度波動(dòng)，一天內(nèi)允許的溫度波動(dòng)不能超過(guò)1℃。在農(nóng)村，采取將沼氣池建在地下的方法，沼氣池內(nèi)的溫度波動(dòng)可保持在這個(gè)范圍內(nèi)。春季和冬季的環(huán)境溫度低，對(duì)沼氣池可采取一些保溫措施，如在沼氣池周?chē)O(shè)置保溫層，在沼氣池上覆蓋保溫材料(作物秸稈和雜草等)，還可利用太陽(yáng)能加熱等。第六章微生物能源④保持適當(dāng)?shù)牧弦簼舛仍谡託獍l(fā)酵過(guò)程中，控制適當(dāng)?shù)牧弦簼舛?，可以有效地提高產(chǎn)氣率，料液太稀和太濃對(duì)產(chǎn)氣都不利。料液含水太多會(huì)降低沼氣池單位容積產(chǎn)氣率，不能充分利用沼氣池的有效容積；料液中含水過(guò)少，則會(huì)造成有機(jī)酸的大量積累，使發(fā)酵作用受到阻礙。沼氣發(fā)酵液的濃度應(yīng)隨季節(jié)變化而有所不同。春、秋季節(jié)發(fā)酵液濃度應(yīng)稍大，為10％～15％；夏季發(fā)酵液濃度可以低一點(diǎn)，為8％～9％；冬季寒冷，發(fā)酵液濃度應(yīng)在15％～20％。對(duì)農(nóng)村家用沼氣池來(lái)說(shuō)，沼氣發(fā)酵最合適的料液濃度是7％～9％。第六章微生物能源⑤發(fā)酵原料應(yīng)進(jìn)行堆漚預(yù)處理為了加快原料的發(fā)酵速度、增加沼氣產(chǎn)量，原料應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，尤其是麥秸、谷草、玉米稈等纖維性物質(zhì)，必須進(jìn)行堆漚預(yù)處理。堆漚前，要先將原料鍘短，分層放在坑內(nèi)，每層厚約50cm，兩層之間撤一層2％～5％的石灰或草木灰，再潑灑一些人畜糞尿或污水，表面用稀泥封閉。夏季一般堆漚7～10d，冬季堆漚1個(gè)月左右。堆漚后的發(fā)酵原料，表皮蠟質(zhì)受到破壞，加快了纖維素的腐爛分解，增大了與甲烷菌等細(xì)菌的接觸面，加快了在沼氣池中發(fā)酵分解的速度。第六章微生物能源⑥保持適宜的酸堿度沼氣發(fā)酵的適宜酸堿度為中性偏堿(pH=7～8.5)。為了保持沼氣發(fā)酵所需的酸堿環(huán)境，在進(jìn)料及整個(gè)發(fā)酵期間，要經(jīng)常觀察和調(diào)節(jié)發(fā)酵液的酸堿度。為保證沼氣制取能夠穩(wěn)定地進(jìn)行，除需注意上述技術(shù)要點(diǎn)外，還應(yīng)采取一些其他措施，如經(jīng)常攪動(dòng)池液、合理加料和采用正確的加料方法，在沼氣池內(nèi)適量添加一些能促使有機(jī)物質(zhì)分解并提高產(chǎn)氣的添加劑(纖維酶類(lèi)、尿素、稀土元素等)，防止工業(yè)廢水和農(nóng)藥(主要是含有農(nóng)藥的作物秸稈)進(jìn)入沼氣池等。總之，保證沼氣制取的基本條件，對(duì)沼氣池穩(wěn)定產(chǎn)氣是十分重要的。第六章微生物能源

（二）沼氣發(fā)酵微生物沼氣發(fā)酵微生物是人工制取沼氣最重要的因素，只有存在大量的沼氣微生物，并保證各種類(lèi)群的微生物的基本生長(zhǎng)條件，發(fā)酵原料才能在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為沼氣。第六章微生物能源1.沼氣微生物種類(lèi)沼氣發(fā)酵是一種極其復(fù)雜的微生物作用和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，這一過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展是五大類(lèi)群微生物生命活動(dòng)的結(jié)果。它們是：發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫產(chǎn)乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌。這些微生物按照各自的營(yíng)養(yǎng)需要，起著不同的物質(zhì)轉(zhuǎn)化作用。從復(fù)雜有機(jī)物的降解，到甲烷的形成，是微生物群分工合作和相互作用的結(jié)果。第六章微生物能源（1）不產(chǎn)甲烷菌在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，不能直接產(chǎn)生甲烷的微生物統(tǒng)稱(chēng)為不產(chǎn)甲烷菌。不產(chǎn)甲烷菌能將復(fù)雜的大分子有機(jī)物變成簡(jiǎn)單的小分子量的物質(zhì)。它們的種類(lèi)繁多，現(xiàn)已觀察到的包括細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物三大類(lèi)，其中以細(xì)菌種類(lèi)最多，目前已知的有18個(gè)屬51個(gè)種，隨著研究的深入和分離方法的改進(jìn)，還在不斷發(fā)現(xiàn)新的種群；根據(jù)微生物的呼吸類(lèi)型可將其分為好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌三大類(lèi)型。第六章微生物能源

其中，厭氧菌數(shù)量最大，比兼性厭氧菌、好氧菌多100～200倍，是不產(chǎn)甲烷階段起主要作用的菌類(lèi)；根據(jù)作用基質(zhì)來(lái)分，可劃分為纖維分解菌、半纖維分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的細(xì)菌，如產(chǎn)氫菌、產(chǎn)乙酸菌等。第六章微生物能源（2）產(chǎn)甲烷菌在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，利用小分子量化合物形成沼氣的微生物統(tǒng)稱(chēng)為產(chǎn)甲烷菌。如果說(shuō)微生物是沼氣發(fā)酵的核心，那么產(chǎn)甲烷菌又是沼氣發(fā)酵微生物的核心，產(chǎn)甲烷菌是一群較特殊的微生物，它們對(duì)氧和氧化劑非常敏感，適宜在中性或微堿性環(huán)境中生存繁殖。它們依靠二氧化碳和氫氣生長(zhǎng)，并以廢物的形式排出甲烷，是對(duì)生長(zhǎng)物質(zhì)要求最簡(jiǎn)單的微生物。第六章微生物能源2.產(chǎn)甲烷菌的特性（1）產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)要求嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。如甲烷八疊球菌暴露于空氣中時(shí)會(huì)很快死亡，其數(shù)量半衰期僅為4min。（2）產(chǎn)甲烷菌的食物簡(jiǎn)單，將H2／CO2、甲酸、甲醇和乙酸等少數(shù)幾種底物代謝為甲烷，其中乙酸是厭氧消化器中最重要的產(chǎn)甲烷前驅(qū)體物質(zhì)。（3）產(chǎn)甲烷菌適于生長(zhǎng)的pH值在中性范圍，如甲酸甲烷桿菌最適生長(zhǎng)的pH值為6.6～7.8。第六章微生物能源（4）產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)緩慢。產(chǎn)甲烷菌以產(chǎn)酸菌代謝產(chǎn)物為食，如乙酸、甲酸、H2／CO2、等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且含能量少的物質(zhì)，又生活于嚴(yán)格厭氧條件下，其代謝產(chǎn)物甲烷中含很高能量，生長(zhǎng)繁殖緩慢。所以，在發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)，需加入大量甲烷菌種。產(chǎn)甲烷菌在自然界廣泛分布，如土壤、湖泊、沼澤、反芻動(dòng)物(牛羊等)的腸胃道、淡水或堿水池塘污泥中、下水道污泥、腐爛秸稈堆，牛馬糞以及城鄉(xiāng)垃圾堆中都有大量的產(chǎn)甲烷菌存在。由于產(chǎn)甲烷菌的分離、培養(yǎng)和保存都有較大的困難，迄今為止，所獲得的產(chǎn)甲烷菌的純種不多。第六章微生物能源3.沼氣發(fā)酵微生物的作用及特點(diǎn)

(1）作用在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌相互依賴(lài)，互為對(duì)方創(chuàng)造維持生命活動(dòng)所需的物質(zhì)和適宜的環(huán)境條件；同時(shí)又相互制約，共同完成沼氣發(fā)酵過(guò)程。主要表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：第六章微生物能源①不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供營(yíng)養(yǎng)。原料中的碳水化合物、蛋白和脂肪等復(fù)雜有機(jī)物不能直接被產(chǎn)甲烷菌吸收利用，必須通過(guò)不產(chǎn)甲烷菌的水解作用，使其形成可溶性的簡(jiǎn)單化合物，并進(jìn)一步分解，形成產(chǎn)甲烷菌的發(fā)酵基質(zhì)。一方面不產(chǎn)甲烷菌通過(guò)其生命活動(dòng)為產(chǎn)甲烷菌源源不斷地提供合成細(xì)胞的基質(zhì)和能源；第六章微生物能源另一方面，產(chǎn)甲烷菌連續(xù)不斷地將不產(chǎn)甲烷菌所產(chǎn)生的乙酸、氫和二氧化碳等發(fā)酵基質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷，使厭氧消化中不致有酸和氫的積累，不產(chǎn)甲烷菌也就可以繼續(xù)正常的生長(zhǎng)和代謝。由于不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用，使沼氣發(fā)酵過(guò)程達(dá)到產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的動(dòng)態(tài)平衡，維持沼氣發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行。第六章微生物能源②不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧生態(tài)環(huán)境。在沼氣發(fā)酵啟動(dòng)階段，由于原料和水的加人，在沼氣池中隨之進(jìn)入了大量的空氣，這顯然是對(duì)產(chǎn)甲烷菌有害的，但是由于不產(chǎn)甲烷菌類(lèi)群中的好氧和兼性厭氧微生物的活動(dòng)，使發(fā)酵液的氧化還原電位(氧化還原電位越低，厭氧條件越好)不斷下降，逐步為產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷創(chuàng)造厭氧生態(tài)環(huán)境。第六章微生物能源③不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌清除有毒物質(zhì)。在以工業(yè)廢棄物為發(fā)酵原料時(shí)，其中往往含有酚類(lèi)、苯甲酸、氰化物、長(zhǎng)鏈脂肪酸和重金屬等物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌是有毒害作用的，而不產(chǎn)甲烷菌中有許多菌能分解和利用上述物質(zhì)，這樣就可以解除對(duì)產(chǎn)甲烷菌的毒害作用。此外，不產(chǎn)甲烷菌發(fā)酵產(chǎn)生的硫化氫(H2S)可以與重金屬離子作用，生成不溶性的金屬硫化物而沉淀下來(lái)，從而解除了某些重金屬的毒害作用。第六章微生物能源④不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌共同維持環(huán)境中適宜的酸堿度。在沼氣發(fā)酵初期，不產(chǎn)甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖類(lèi)等，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸。同時(shí)，產(chǎn)生的二氧化碳也部分溶于水，使發(fā)酵液的酸堿度(pH)下降。但是，由于不產(chǎn)甲烷菌類(lèi)群中的氨化細(xì)菌迅速進(jìn)行氨化作用，產(chǎn)生的氨(NH3)可中和部分有機(jī)酸。同時(shí)，由于甲烷菌不斷利用乙酸、氫和二氧化碳形成甲烷，而使發(fā)酵液中有機(jī)酸和二氧化碳的濃度逐步下降。通過(guò)這兩類(lèi)群細(xì)菌的共同作用，就可以使pH穩(wěn)定在一個(gè)適宜的范圍。因此，在正常發(fā)酵的沼氣池中，pH始終能維持在適宜的狀態(tài)而不用人為的控制。第六章微生物能源

(2)特點(diǎn)理論和實(shí)踐證明，沼氣發(fā)酵過(guò)程實(shí)質(zhì)上是多種類(lèi)群微生物的物質(zhì)代謝和能量代謝過(guò)程，在此過(guò)程中，沼氣發(fā)酵微生物是核心，其發(fā)酵工藝條件的控制都以沼氣發(fā)酵微生物學(xué)為理論指導(dǎo)。具有以下特點(diǎn)：①分布廣，種類(lèi)多。沼氣微生物在自然界中分布很廣，特別是在沼澤、糞池、污水池以及陰溝污泥中，存在有各種各樣的沼氣發(fā)酵微生物，種類(lèi)達(dá)200～300種，它們是可利用的沼氣發(fā)酵菌種的源泉。第六章微生物能源②繁殖快，代謝強(qiáng)。在適宜條件下，微生物有很高的繁殖速度。產(chǎn)酸菌在生長(zhǎng)旺盛時(shí)，20min或更短的時(shí)間內(nèi)就可以繁殖一代，產(chǎn)甲烷菌繁殖速度較慢，約為產(chǎn)酸菌的1／15。微生物所以能夠出現(xiàn)這樣高的繁殖速度，主要因?yàn)樗鼈兙哂袠O大的表面積和體積比值，例如直徑為1μm的球菌，其面積和體積的比值為6×104，所以它能夠以極快的速度與外界環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換，具有很強(qiáng)的代謝能力。第六章微生物能源③適應(yīng)性強(qiáng)，容易培養(yǎng)。與高等生物相比，多數(shù)微生物適應(yīng)較強(qiáng)，并且容易培養(yǎng)。在自然條件下，成群體狀態(tài)生長(zhǎng)的微生物更是如此。例如，沼氣池里的微生物(主要是厭氧和兼性厭氧兩大菌群)在10～60℃條件下，可以利用多種多樣的復(fù)雜有機(jī)物進(jìn)行沼氣發(fā)酵。有時(shí)經(jīng)過(guò)馴化培養(yǎng)后的微生物可以加快這種反應(yīng)，從而更有效地達(dá)到生產(chǎn)能源和保護(hù)環(huán)境的目的。第六章微生物能源

第二節(jié)乙醇發(fā)酵乙醇是一種清潔能源，其特點(diǎn)為產(chǎn)能效率高、燃燒過(guò)程不產(chǎn)生有毒的CO、污染程度低，可通過(guò)微生物大量發(fā)酵、生產(chǎn)基質(zhì)種類(lèi)多、資源豐富、成本相對(duì)較低。據(jù)不同產(chǎn)能工藝經(jīng)濟(jì)技術(shù)的比較分析表明，乙醇很可能是未來(lái)的石油替代物。乙醇發(fā)酵作為一種傳統(tǒng)工藝，過(guò)去大多采用糖蜜、淀粉作為原料，在酵母菌的作用下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生。近年來(lái)采用有機(jī)廢物作為乙醇發(fā)酵原料，已成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)，并取得重大進(jìn)展。第六章微生物能源

（一）乙醇發(fā)酵微生物乙醇發(fā)酵是葡萄糖在乙醇發(fā)酵微生物的作用下轉(zhuǎn)化成乙醇的過(guò)程。由于淀粉、纖維素半纖維素等多聚物不能直接進(jìn)入細(xì)胞，只有通過(guò)酶或其他方法預(yù)處理形成雙糖、單糖之后，才能被利用，發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。所以乙醇發(fā)酵過(guò)程包括原料多糖降解產(chǎn)生單糖與雙糖以及糖發(fā)酵生成乙醇兩大過(guò)程。第六章微生物能源在自然界里，能過(guò)進(jìn)行乙醇發(fā)酵的微生物種類(lèi)很多，但真正得到廣泛應(yīng)用的主要是酵母菌；霉菌和細(xì)菌主要用作淀粉的糖化。近30年來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)，一些細(xì)菌也能直接進(jìn)行乙醇發(fā)酵，但至今尚未用于大規(guī)模生產(chǎn)。

1.酵母菌乙醇生產(chǎn)中常用酵母有釀酒酵母、葡萄汁酵母和栗酒裂殖酵母等。他們均屬于兼性厭氧菌。第六章微生物能源釀酒酵母是國(guó)內(nèi)外普遍使用的乙醇發(fā)酵菌種，生產(chǎn)菌株有RasseⅡ、RasseXⅢ、K字酵母、南洋1300和1308等，能利用葡萄糖、麥芽糖、半乳糖、蔗糖及1/3棉子糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，不能利用乳糖、蜜二糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，不同化硝酸鹽。葡萄汁酵母能發(fā)酵葡萄糖、麥芽糖、半乳糖、蔗糖及全棉子糖產(chǎn)生乙醇，不同化硝酸鹽，能稍微利用乙醇。許多研究者用它作為乙醇發(fā)酵研究的出發(fā)菌株。第六章微生物能源栗酒裂殖酵母能發(fā)酵葡萄糖、麥芽糖、蔗糖、棉子糖產(chǎn)生乙醇，但不能利用乳糖、半乳糖和蜜二糖。以半纖維素水解液進(jìn)行乙醇發(fā)酵，其發(fā)酵速度和發(fā)酵效率比釀酒酵母好。新近的研究表明，假絲酵母、畢赤酵母等能直接利用木糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，是半纖維素乙醇發(fā)酵的新菌種資源。第六章微生物能源2.霉菌霉菌在乙醇發(fā)酵中應(yīng)用有兩個(gè)發(fā)面，一是有些霉菌本身能進(jìn)行乙醇發(fā)酵，可作為乙醇發(fā)酵菌種；二是霉菌能產(chǎn)生高活性的淀粉酶和纖維素酶，用來(lái)水解淀粉和纖維素產(chǎn)生單糖。根霉是具有高活性的淀粉酶，釀酒工業(yè)中用它作為淀粉糖化菌。生產(chǎn)與研究中所用的主要菌種有：匐枝根霉、米根霉、華根霉、少根根霉等。第六章微生物能源曲霉如淀粉酶、蛋白酶、果膠酶等酶系，工業(yè)上用它作為糖化酶、蛋白酶、果膠酶、檸檬酸生產(chǎn)菌種，同時(shí)也應(yīng)用于甾組化合物轉(zhuǎn)化。乙醇發(fā)酵中，常用菌種有：黑曲霉、宇佐曲霉、泡盛酒曲霉、米曲霉及黑曲霉的變異菌種。木霉同樣有多種酶系，尤其是纖維素酶活性很高，它還用于檸檬酸生產(chǎn)，核黃素合成和甾體轉(zhuǎn)化。代表菌種有康氏木霉和綠色木霉，其中綠色木霉及其變種被廣泛應(yīng)用于纖維素酶的生產(chǎn)，目前世界聞名的菌株有T.reesiQM9411和T.reesiRut-NG-14。木霉對(duì)以纖維素為原料的乙醇生產(chǎn)而言，具有特別重要的意義。第六章微生物能源3.細(xì)菌多年來(lái)，枯草芽孢桿菌，如枯草桿菌BH7658及其變異菌種等只限于生產(chǎn)液化性淀粉酶，用于淀粉質(zhì)乙醇發(fā)酵的糖化。20世紀(jì)70年代，人們開(kāi)始研究利用細(xì)菌進(jìn)行糖質(zhì)原料與纖維原料的乙醇發(fā)酵。運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌是迄今為止唯一通過(guò)ED途徑進(jìn)行糖代謝產(chǎn)生乙醇的厭氧菌。它是Linder從墨西哥Pulgue酒（植物漿汁發(fā)酵而成）中分離得到的，革蘭氏陽(yáng)性，能利用葡萄糖、果糖、蔗糖發(fā)酵生成乙醇、二氧化碳，耐乙醇能力117～130g/L,但它不能利用麥芽糖、乳糖。第六章微生物能源其生長(zhǎng)速率、底物消耗速率、產(chǎn)物生成速率都高于酵母，細(xì)菌產(chǎn)率則低于酵母，因此具有實(shí)際利用價(jià)值。正常發(fā)酵溫度為36～37℃，比酵母發(fā)酵溫度高6～7℃，適宜于高溫發(fā)酵。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）研究人員發(fā)現(xiàn)熱解纖維梭菌能利用細(xì)微素發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。國(guó)內(nèi)也有一些單位研究細(xì)菌直接發(fā)酵纖維素產(chǎn)生乙醇，蹦篩選獲得產(chǎn)乙醇的細(xì)菌菌株。第六章微生物能源

（二）乙醇發(fā)酵工藝及應(yīng)用根據(jù)乙醇發(fā)酵所用的原料不同，其發(fā)酵過(guò)程主要有下列幾個(gè)工序：原料的準(zhǔn)備；原料的處理，其中糖質(zhì)原料可直接利用，而淀粉和纖維素原料需先進(jìn)性酸或酶水解轉(zhuǎn)化成糖質(zhì)；制醪；發(fā)酵和蒸餾。從發(fā)酵方式來(lái)分，分為分批式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種乙醇發(fā)酵工藝。下面以纖維素和半纖維素類(lèi)原料乙醇發(fā)酵為例‘介紹有關(guān)工藝及其應(yīng)用。第六章微生物能源1.纖維原料制乙醇纖維素乙醇發(fā)酵主要有三種工藝：水解-發(fā)酵、混合糖化發(fā)酵和直接發(fā)酵。（1）水解-發(fā)酵該工藝?yán)w維素的酶水解和糖化液的乙醇發(fā)酵在不同發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行。纖維素酶的生產(chǎn)主要以去木質(zhì)素的纖維素做碳源，玉米漿做氮源，添加適量的營(yíng)養(yǎng)鹽后，在30℃及PH4.8條件下通風(fēng)培養(yǎng)，過(guò)濾所得的酶液即可作用于纖維素的水解。第六章微生物能源在目前研究的水平，木霉纖維素酶可將95℅以上的纖維素轉(zhuǎn)化成糖，再經(jīng)酵母發(fā)酵約95℅葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇，發(fā)酵成熟醪的乙醇含量可達(dá)10.3℅。Kling采用BIOFERMS/A生產(chǎn)的酶制劑，對(duì)預(yù)處理后甘蔗渣進(jìn)行了糖化實(shí)驗(yàn)，其最適條件為：PH4.8，溫度50℃，酶/底物比為25FPU/克原料，適量的β-糖苷酶具增效作用。酶解底物發(fā)酵工藝的優(yōu)化條件研究發(fā)現(xiàn)在PH5.5，溫度30℃，壓榨酵母接種量1.5℅時(shí)，發(fā)酵的率可達(dá)94℅。第六章微生物能源

（2）混合糖化發(fā)酵混合糖化發(fā)酵是將纖維素原料竟預(yù)處理制成木漿，加纖維素酶水解后，直接接入酵母進(jìn)行發(fā)酵。該工藝具有操作簡(jiǎn)單、節(jié)省糖化設(shè)備投資等優(yōu)點(diǎn)。在纖維素混合糖化發(fā)酵乙醇中一個(gè)重要問(wèn)題是酵母菌和酶之間的協(xié)調(diào)，即細(xì)胞溶解所釋放物質(zhì)影響酶活，酶制劑組分對(duì)酵母菌細(xì)胞的溶解而降低細(xì)胞活性。第六章微生物能源因此，該工藝的應(yīng)用有局限性。為解決這一問(wèn)題，篩選耐熱耐酶菌株有一定意義。Szczodrak等篩選到7株同時(shí)糖化和發(fā)酵纖維素的耐熱酵母菌種，在40℃下，對(duì)原料的利用率大100℅，其中脆壁克魯維酵母FT23和豆孢酵母CCY51-1-1兩個(gè)菌株在43℃和46℃時(shí)，竟48h發(fā)酵，原料利用率仍達(dá)83℅和63℅以上。這些能在40～46℃條件下生長(zhǎng)、發(fā)酵，耐纖維素酶的酵母菌株，為混合糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇帶來(lái)了希望。第六章微生物能源隨著固定化細(xì)胞的出現(xiàn)，尤其是共固定化技術(shù)，將纖維酶產(chǎn)生菌與乙醇發(fā)酵菌經(jīng)行細(xì)胞共固定，Hartmeior和Hangerkal等人研究共固定纖維素酶與酵母細(xì)胞乙醇發(fā)酵過(guò)程，提出能使酶與細(xì)胞相協(xié)調(diào)的供氧、PH、溫度、營(yíng)養(yǎng)等條件。此外，β-D-葡萄糖苷酶與運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌共固定進(jìn)行纖維素乙醇發(fā)酵也有研究報(bào)道。第六章微生物能源

（3）直接發(fā)酵工藝美國(guó)麻省理工學(xué)院最早開(kāi)展纖維素直接發(fā)酵產(chǎn)乙醇的研究，發(fā)現(xiàn)熱解纖維梭菌直接發(fā)酵纖維素產(chǎn)生乙醇，但發(fā)酵液中，乙醇濃度低于10g/L。最近有研究報(bào)道，將兩種耐熱厭氧菌株進(jìn)行纖維素的混合乙醇發(fā)酵，一種菌株為熱解纖維梭菌，另一個(gè)菌株是熱解糖好熱厭氧桿菌。前者將纖維素、半纖維素分解，并將產(chǎn)生的六碳糖轉(zhuǎn)化為乙醇、乙酸和乳酸；后者將產(chǎn)生的五碳糖轉(zhuǎn)化為乙醇，從而提高了乙醇的產(chǎn)率，生成的乙醇和乙酸比例提高的10︰1。第六章微生物能源2.半纖維素乙醇發(fā)酵半纖維素水解所產(chǎn)生的糖中，木糖占一半以上，甚至高達(dá)60℅。長(zhǎng)期以來(lái)，認(rèn)為木糖不能被酵母轉(zhuǎn)化為木酮糖，通過(guò)EMP途徑發(fā)酵生成乙醇，故稱(chēng)它為不發(fā)酵性糖。20世紀(jì)70年代末，木糖乙醇發(fā)酵獲得了突破性的進(jìn)展。加拿大和美國(guó)的兩位華裔教授幾乎同時(shí)提出，采用木糖異構(gòu)酶的方法可將木糖異構(gòu)生成木酮糖，再在D-木酮糖激酶發(fā)生磷酸化，可生成5-磷酸木酮糖，進(jìn)入EMP途徑，生成3-磷酸甘油醛，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成乙醇。其生化途徑為：D-木糖→木糖醇→D-木酮糖→5-磷酸木酮糖→6-磷酸葡萄糖→丙酮酸→酒精第六章微生物能源②微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的展望微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原料很多，包括淀粉類(lèi)、糖類(lèi)、纖維素類(lèi)。其中纖維素類(lèi)原料是地球上儲(chǔ)量十分豐富的可再生資源。每年全世界職務(wù)纖維素生成量高達(dá)1.55×1011t。還有大量的工廠廢纖維垃圾等等。據(jù)估計(jì)，我國(guó)每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)（3.3～3.8）×108t，如按1Kg纖維素生產(chǎn)0.28L乙醇計(jì)，年生產(chǎn)乙醇高達(dá)900多億升，所以開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。第六章微生物能源我國(guó)是煤炭大國(guó)，20世紀(jì)末煤炭消費(fèi)量為14億t，含硫量大于2％的高硫煤約占20％左右。煤中的可燃硫經(jīng)燃燒生成SO2，對(duì)人體粘膜肺部有刺激作用，是引起酸雨的主要物質(zhì)。因此開(kāi)發(fā)煤炭脫硫技術(shù)是減少和防止煤中硫?qū)Υ髿馕廴镜挠行Х椒?。第三?jié)煤炭脫硫第六章微生物能源

（一）煤生物脫硫及其機(jī)理

1.煤中硫的存在狀態(tài)煤中含硫化合物可以分為兩類(lèi)，即無(wú)機(jī)硫化合物和有機(jī)硫化合物。無(wú)機(jī)硫以黃鐵礦硫(FeS2)為主要成分；有機(jī)硫主要存在于煤大分子結(jié)構(gòu)中，與碳結(jié)合在一起，煤中的有機(jī)硫主要以巰基(-SH)或硫醇、單硫鏈(-S-)、多硫鏈(-Sx-)和噻吩基(C4H4S-)、等形式存在(圖7.3-1)，二苯并噻吩(DBT)是煤炭中含量較高的一類(lèi)有機(jī)硫化合物，并被用作模式化合物。有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫在煤中的比例因煤炭的種類(lèi)和產(chǎn)地而異。在高硫商品煤中，有機(jī)硫占全硫的48％～50％。第六章微生物能源2.煤炭脫硫與生物脫硫煤炭的脫硫總體上分為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫三種：①燃燒后脫硫又稱(chēng)煙道氣脫硫，主要是對(duì)燃燒的尾氣進(jìn)行處理，減少有害氣體的排放。該法工藝復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比較高。②燃燒中脫硫主要是指添加固硫劑技術(shù)和爐內(nèi)噴入鈣系脫硫劑的粉煤燃燒技術(shù)，不但脫硫效率低，而且還存在易結(jié)渣、設(shè)備磨損的問(wèn)題。第六章微生物能源③燃燒前脫硫又稱(chēng)煤炭脫硫。與燃燒中、燃燒后脫硫相比具有許多潛在優(yōu)勢(shì)，并且符合以”預(yù)防為主”的環(huán)境方針。控制SO2，排放的最直接方法是使用低硫煤，但低硫煤不但產(chǎn)量有限，而且難以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求。因此，進(jìn)行煤炭除硫已成為必然趨勢(shì)。近幾十年來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯均開(kāi)發(fā)了煤脫硫技術(shù)第六章微生物能源脫硫方法分為三類(lèi)：物理脫硫法、化學(xué)脫硫法和微生物脫硫法。（1）物理脫硫法物理脫硫法是利用煤中黃鐵礦性質(zhì)，如密度、磁性、導(dǎo)電性及其懸浮性差異而使之分離。缺點(diǎn)是不能同時(shí)去除煤中有機(jī)硫，而且無(wú)機(jī)硫的晶體結(jié)構(gòu)、大小及分布影響脫硫效果和煤炭回收率。第六章微生物能源

（2）化學(xué)脫硫法化學(xué)脫硫是通過(guò)氧化劑把硫氧化，或者是將硫置換達(dá)到脫硫的目的?；瘜W(xué)脫硫法多數(shù)是針對(duì)煤中的有機(jī)硫，除硫效率高。但其缺點(diǎn)是多數(shù)化學(xué)反應(yīng)是在高溫高壓下進(jìn)行，設(shè)備費(fèi)用較高，而且因?yàn)榉磻?yīng)條件劇烈，可能使煤質(zhì)發(fā)生變化，如使煤的發(fā)熱量、結(jié)焦性、膨脹性遭到破壞，使凈化后產(chǎn)品的用途受到限制，難以大規(guī)模使用。第六章微生物能源

（3）生物脫硫法生物法脫硫的原理是利用微生物能夠選擇性氧化煤中有機(jī)或無(wú)機(jī)硫的特點(diǎn)，去除煤炭中的硫元素，它的優(yōu)點(diǎn)是SO2，去除率高，且不但能去除煤中無(wú)機(jī)硫還能去除有機(jī)硫，反應(yīng)條件溫和，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。盡管生物法存在反應(yīng)太慢的缺點(diǎn)，但是很有潛力，世界上許多國(guó)家都進(jìn)行了大量研究工作。第六章微生物能源3.煤炭脫硫微生物煤的微生物脫硫是由生物濕法冶金發(fā)展而來(lái)的。自發(fā)現(xiàn)鐵氧化硫桿菌能夠氧化黃鐵礦以來(lái)，人們一直致力于尋找一些能夠應(yīng)用于煤脫硫的微生物。目前能去除煤中硫化物的微生物有：專(zhuān)性自養(yǎng)菌，這類(lèi)菌只能氧化FeS2；兼性自養(yǎng)菌，這類(lèi)細(xì)菌能氧化FeS2和部分有機(jī)硫化物；異養(yǎng)菌，這類(lèi)微生物主要氧化有機(jī)硫化合物。第六章微生物能源

（1）專(zhuān)性自養(yǎng)菌其中最有效的脫硫菌種是鐵氧化硫桿菌和硫氧化硫桿菌。它們可使黃鐵礦的溶解速度提高100萬(wàn)倍，并可脫除90％以上的FeS2。這類(lèi)細(xì)菌已經(jīng)用于浸出低品位硫化礦中的金屬，如Cu等。第六章微生物能源

（2）兼性自養(yǎng)菌主要是一些嗜熱兼性自養(yǎng)菌。如能氧化還原鐵和硫化物的嗜熱(60℃～90℃)、嗜酸(pHl．5～4.0)的古菌嗜酸熱硫化葉菌，能利用簡(jiǎn)單的有機(jī)物作為能源物質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于從煤中脫去FeS2和部分有機(jī)硫化物。用掃描電子顯微鏡觀察表明，該菌細(xì)胞表面具有Fe和S的吸附位點(diǎn)，說(shuō)明這種細(xì)菌能選擇性的吸附在煤中的FeS顆粒表面，這對(duì)隨后的氧化是必要的。在美國(guó)黃石國(guó)家公園的酸性溫泉中分離到的嗜熱的布氏酸雙面菌對(duì)于除去煤中FeS2具有很大的應(yīng)用潛力。第六章微生物能源嗜熱的兼性化能自養(yǎng)菌與中溫的專(zhuān)性自養(yǎng)菌相比在煤脫硫中有以下優(yōu)點(diǎn)：①在高溫下作用，可有效減少培養(yǎng)基被污染的機(jī)會(huì)。②兼性自養(yǎng)菌可同時(shí)去除煤中的FeS2和有機(jī)硫。③高溫下處理(50℃～80℃)可以加快由Fe3+引起的FeS2化學(xué)氧化速率。Fe3+是微生物氧化煤中FeS2的過(guò)程中產(chǎn)生的。第六章微生物能源

（3）異養(yǎng)菌有多種微生物可以降解有機(jī)硫化物DBT，新近分離到一些細(xì)菌，如紅球菌、短桿菌和霉菌黑曲霉可以分解DBT。最近從洗煤廢水中分離到的酵母和霉菌可降解煤，在煤脫硫方面有潛在應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外報(bào)道的用于脫硫的微生物見(jiàn)表7.3-1。第六章微生物能源表7.3-1煤炭脫硫微生物代表屬舉例硫桿菌屬鉤端螺菌屬硫化葉菌屬酸雙面菌假單胞菌屬紅球菌屬鐵氧化硫桿菌硫氧化硫桿菌嗜酸硫桿菌鐵氧化鉤端螺菌嗜酸熱硫化葉菌布氏酸雙面菌銅綠假單胞菌拜氏假單胞菌第六章微生物能源

第四節(jié)微生物絮凝劑絮凝劑是一類(lèi)可使液體中不易沉降的懸浮顆粒物聚集、沉降的物質(zhì)。絮凝劑可分為三大類(lèi)：無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)合成高分子絮凝劑和微生物絮凝劑。長(zhǎng)期以來(lái)，給水和排水處理中使用的絮凝劑主要是以鋁系和鐵系混凝劑為代表的無(wú)機(jī)類(lèi)和以聚丙烯酰胺為代表的合成高分子類(lèi)。第六章微生物能源由于它們具有很高的絮凝活性和較低的生產(chǎn)成本，因而得到廣泛使用。但有關(guān)研究表明，飲用水?dāng)z入過(guò)多鋁離子的人群中，老年性癡呆癥患者比例較高。而丙烯酰胺單體更是具有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性和致癌作用。因此人們對(duì)這兩類(lèi)絮凝劑的使用安全性提出了質(zhì)疑?，F(xiàn)在，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本在許多領(lǐng)域己禁止或限量使用丙烯酰胺絮凝劑。第六章微生物能源天然有機(jī)高分子絮凝劑作為一種較新的水處理劑，是利用蛋白質(zhì)、多糖、木質(zhì)素、幾丁質(zhì)等生物天然高分子，通過(guò)化學(xué)改性制成。由于天然有機(jī)高分子具有無(wú)毒且能完全降解的特點(diǎn)，曾一度引起各科研機(jī)構(gòu)的重視，但能真正應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的并不多。第六章微生物能源微生物絮凝劑（簡(jiǎn)稱(chēng)MBF)是一類(lèi)由微生物產(chǎn)生的具有絮凝活性的高分子有機(jī)物。主要有糖蛋白、黏多糖、纖維素和核酸等。它具有天然有機(jī)高分子絮凝劑的一切優(yōu)點(diǎn)，而且還有可能通過(guò)選育優(yōu)良菌種，優(yōu)化發(fā)酵及回收過(guò)程來(lái)降低生產(chǎn)成本，并通過(guò)基因工程的手段，使絮凝劑產(chǎn)生菌獲得更優(yōu)良的性狀。第六章微生物能源（一）微生物絮凝劑的特點(diǎn)及絮凝機(jī)理

1.微生物絮凝劑的特點(diǎn)及產(chǎn)生菌

（1）生物絮凝劑的特點(diǎn)與無(wú)機(jī)或有機(jī)高分子絮凝劑相比，微生物絮凝劑具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)：第六章微生物能源產(chǎn)絮凝劑的微生物種類(lèi)多、被絮凝的對(duì)象廣泛微生物絮凝劑能絮凝處理的對(duì)象有：活性污泥、粉煤灰、泥水、高嶺土、糞尿水、印染廢水等。如已研制成的微生物絮凝劑NOC-1在Ca2+存在條件下，對(duì)菌體、河水底泥沉淀物、粉煤灰、活性炭粉、膨脹污泥、瓦廠廢水、紙漿廢水等有極好的絮凝和脫色效果。第六章微生物能源微生物絮凝劑具有易降解、無(wú)二次污染的特點(diǎn)微生物絮凝劑是由易于生物降解的多糖、蛋白質(zhì)、核酸類(lèi)物質(zhì)組成。使用量少、方便、絮凝物易過(guò)濾在與現(xiàn)用各類(lèi)絮凝劑使用同樣量下，醬油曲霉AJ7002產(chǎn)生的絮凝劑對(duì)活性污泥的絮凝速度最大，而且絮凝沉淀比較容易用濾布過(guò)濾。絮凝劑聚丙烯酰胺和藻蛋白酸鈉在400mg／L。以上的濃度下就會(huì)使絮凝沉淀黏稠而不易過(guò)濾。擬青霉I—l產(chǎn)生的絮凝劑活性也很高，發(fā)酵液稀釋29后仍可對(duì)大腸埃希氏菌(E.coli)細(xì)胞表現(xiàn)出絮凝活性。第六章微生物能源微生物絮凝劑安全給小白鼠、豚鼠注射紅城紅球菌的細(xì)胞及培養(yǎng)液均不使它們致病。安全性實(shí)驗(yàn)顯示微生物絮凝劑完全可能用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)酵后處理。兼有降解、去除有機(jī)污染物的特性許多絮凝劑產(chǎn)生菌可降解高分子物質(zhì)，如諾卡氏菌屬可降解塑料添加劑酞酸酯，在降解人工合成的高聚物同時(shí)產(chǎn)生絮凝劑。氧化烴棒桿菌可以利用煤油生長(zhǎng)并產(chǎn)生絮凝劑，使膨脹污泥活性得到恢復(fù)。有的絮凝劑可以使廢水脫色。針對(duì)不同污水采用特定的絮凝劑，在降解有機(jī)物的同時(shí)使固體懸浮物凝集沉淀。第六章微生物能源（2）生物絮凝劑產(chǎn)生菌絮凝劑產(chǎn)生菌種類(lèi)繁多，在細(xì)菌、霉菌、酵母菌、放線(xiàn)菌甚至藻類(lèi)中都有，至今發(fā)現(xiàn)的具有絮凝性的微生物可達(dá)數(shù)十種。其分布廣泛，研究者利用不同的培養(yǎng)條件、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)從各種不同的環(huán)境如活性污泥、土壤、廢水中分離絮凝劑產(chǎn)生菌。目前己報(bào)道的部分絮凝劑產(chǎn)生菌如表7.4-1所示。第六章微生物能源RyuichiroKurane等人從紅城紅球菌、諾卡氏菌屬、棒桿菌屬、分枝桿菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬等細(xì)菌中，篩選出14種具有絮凝效果微生物，其中絮凝效果最好的是紅城紅球菌。紅城紅球菌是一種革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，不僅能夠有效地降解磷苯二甲酸酯類(lèi)化合物，而且產(chǎn)生具有絮凝活性的胞外分泌物，在有鈣離子的參與下，能夠有效地絮凝各種無(wú)機(jī)懸浮物和微生物細(xì)胞。該胞外分泌物已進(jìn)一步被研制成微生物絮凝劑NOC-1。第六章微生物能源JunjiNakamura等人在214種微生物中篩選到了19株對(duì)酵母具有絮凝活性的菌。它們分別來(lái)自霉菌、細(xì)菌、放線(xiàn)菌和酵母菌。這些菌產(chǎn)生的絮凝劑對(duì)酵母菌以及其它微生物具有不同程度的絮凝作用，可以從發(fā)酵液中回收微生物細(xì)胞。1985年H．Takagi等人研究了擬青霉屬H生產(chǎn)的絮凝劑。采用乙醇沉淀和凝膠色譜法精制，得到了稱(chēng)為PF101的絮凝劑。PF101對(duì)枯草桿菌、大腸桿菌、啤酒酵母、紅血細(xì)胞、活性污泥、纖維素粉、羧甲基纖維素、活性炭、硅藻土、氧化鋁等均有良好的絮凝效果。第六章微生物能源表7.4-1能產(chǎn)生絮凝活性物質(zhì)的微生物種類(lèi)名稱(chēng)細(xì)菌紅城紅球菌銅綠假單胞菌熒光假單胞菌金黃色葡萄球菌渴望產(chǎn)堿菌真菌醬油曲霉赭曲霉寄生曲霉擬青霉屬白地霉粟酒裂殖酵母白腐菌褐腐菌放線(xiàn)菌灰色鏈霉菌酒紅鏈霉菌局限諾卡氏菌灰暗諾卡氏菌第六章微生物能源2.微生物絮凝劑的組成及絮凝機(jī)理到目前為止，已報(bào)道的微生物產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)為糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素、DNA等高分子化合物。一般來(lái)說(shuō)，作為微生物絮凝劑的物質(zhì)分子量多在105道爾頓以上，如假單胞菌C-120產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)是分子量大于2×106道爾頓的天然雙鏈DNA。第六章微生物能源Takagi篩選到的擬青霉產(chǎn)生的PF-101是由氨基半乳糖以α-1，4鍵相連而成的分子量3×105道爾頓的黏多糖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該黏多糖8％的單位是N端乙?；?。醬油曲霉AJ7002產(chǎn)生的絮凝劑是由20.9％的半乳糖胺、0.3％的2-酮葡萄糖酸、27.5％的蛋白質(zhì)組成的分子量大于2×105的聚合物，其中，半乳糖胺和葡萄糖胺均非乙酰化的。第六章微生物能源而渴望產(chǎn)堿菌KT201產(chǎn)生的Al-201是一種酸性多糖，含有42.5％的葡萄糖、36.38％的半乳糖、8.52％的葡糖醛酸和10.3％的乙酸，分子量在2×106道爾頓以上。Jim篩選分離出來(lái)的曲霉JS-42產(chǎn)生的絮凝劑溶液具有高黏性，糖醛酸、己糖胺和中性糖分別占其組分的30％、20％和10％，其中己糖胺通過(guò)形成氨基底物橋在絮凝劑活性中起重要作用。Sakka等人分離得到的假單胞菌產(chǎn)生的絮凝劑對(duì)DNA酶敏感，而對(duì)于蛋白酶和RNA酶則不敏感，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明該絮凝劑為DNA，分子量越大，絮凝活性越強(qiáng)。第六章微生物能源3.微生物絮凝劑絮凝作用的影響因素微生物絮凝劑的分子大小、結(jié)構(gòu)、形狀及所帶基團(tuán)都會(huì)影響到絮凝劑的活性。微生物絮凝劑要發(fā)揮絮凝作用，必須具備一定的分子量，絮凝劑分子量越大，分子越長(zhǎng)，吸附位點(diǎn)越多，則吸附架橋作用越強(qiáng)，即絮凝活性越強(qiáng)。假單胞菌C-120產(chǎn)生的絮凝劑經(jīng)分析，組成為DNA，只有當(dāng)DNA分子量大于6.4×106道爾頓，才具有絮凝活性，且分子量越大，絮凝活性越高。分子結(jié)構(gòu)對(duì)絮凝活性也有影響，分子呈分支狀，絮凝活性較鏈狀分子低，側(cè)鏈越多，活性越低。第六章微生物能源pH值影響生物絮凝劑及懸浮顆粒的結(jié)構(gòu)和表面電荷的性質(zhì)和數(shù)量，從而影響到絮凝劑和被絮凝物的相互作用。Nakamura用7種微生物產(chǎn)生的絮凝劑進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明：在中性偏酸范圍內(nèi)，這些絮凝劑對(duì)微生物細(xì)胞絮凝效果較好；而在堿性范圍內(nèi)對(duì)高嶺土絮凝效果好。這些結(jié)果也證實(shí)了作為聚電解質(zhì)性質(zhì)的絮凝劑是通過(guò)形成化學(xué)鍵而使微生物細(xì)胞或高嶺土成為網(wǎng)狀絮凝物的。第六章微生物能源有些微生物絮凝劑的絮凝能力隨著溫度的變化而發(fā)生顯著的變化，這類(lèi)絮凝劑中往往含有蛋白質(zhì)或多肽等對(duì)溫度敏感的物質(zhì)，在高溫下變性引起空間結(jié)構(gòu)改變，從而造成活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)變化，使某些活性基團(tuán)不再與懸浮顆粒結(jié)合。紅城紅球菌S-1產(chǎn)生的絮凝劑是蛋白質(zhì)，高溫下可變性，在100℃處理15min，可使其活性下降50％。有的絮凝劑對(duì)溫度不敏感，如擬青霉I-1產(chǎn)生的絮凝劑活性不隨溫度改變而變化，這是由于該絮凝劑主要是由半乳糖胺構(gòu)成的聚合物，經(jīng)高溫處理，聚半乳糖胺的結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，仍能于被絮凝物相結(jié)合，因此它的活性不隨溫度而變化。第六章微生物能源二價(jià)或三價(jià)金屬離子的參與對(duì)于某些絮凝劑表現(xiàn)絮凝活性是必需的，這些金屬離子不僅降低懸浮物的運(yùn)動(dòng)電勢(shì)，減少生物絮凝劑和懸浮物間的排斥力，降低反應(yīng)的自由能，同時(shí)通過(guò)化學(xué)作用介導(dǎo)微生物絮凝劑分子的各官能團(tuán)與懸浮物的吸附結(jié)合，促進(jìn)絮凝作用的發(fā)生，不同二價(jià)離子促進(jìn)絮凝劑的效果有差異，多以Ca2+、Mg2+的促進(jìn)效果最佳，三價(jià)離子中以Al3+和Fe3+和效果最佳，不同的絮凝劑適宜的離子不同。第六章微生物能源（二）微生物絮凝劑的生產(chǎn)過(guò)程及其在水處理中的應(yīng)用

1.微生物絮凝劑的生產(chǎn)過(guò)程（1）微生物的培養(yǎng)過(guò)程絮凝劑的產(chǎn)生受到很多因素的影響，如培養(yǎng)基的組成、初始pH值、培養(yǎng)溫度、通氣狀況和混合培養(yǎng)等。一般說(shuō)來(lái)，營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基有利于絮凝劑的產(chǎn)生，但各絮凝劑產(chǎn)生菌之間的營(yíng)養(yǎng)要求差別很大。紅城紅球菌S-1以葡萄糖、果糖為碳源，以尿素和硫酸銨為氮源，酵母膏和蛋白氨基酸對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和絮凝劑產(chǎn)生更為有利。第六章微生物能源擬青霉菌SP-I-1能夠利用各種碳水化合物有效地生成絮凝劑，如葡萄糖、果糖、甘露糖、蔗糖、淀粉等，而以淀粉為碳源，以酪蛋白的水解物為氮源最有利于絮凝劑的產(chǎn)生。醬油曲霉在以酪蛋白和酵母浸膏作為碳源或氮源的培養(yǎng)基中，大量產(chǎn)生絮凝劑，在培養(yǎng)基中加入有機(jī)酸，如2-酮葡糖酸、5-酮葡糖酸、葡萄糖酸、琥珀酸等能夠提高絮凝劑的產(chǎn)量，其中2-酮葡糖酸的效果最好。第六章微生物能源寄生曲霉AHU-7165只有當(dāng)培養(yǎng)基中含有一定的酒石酸鹽時(shí)，才產(chǎn)生絮凝劑。Shih等人篩選到的絮凝劑產(chǎn)生菌地衣芽孢桿菌CCRCl2826不能利用半乳糖、葡萄糖、果糖生產(chǎn)絮凝劑和生長(zhǎng)繁殖，相反，谷氨酸、檸檬酸和丙三醇作為碳源則適宜于菌體生長(zhǎng)和絮凝劑產(chǎn)生。細(xì)胞生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)條件往往不同于絮凝劑產(chǎn)生的條件。Kurane發(fā)現(xiàn)水不溶性碳源橄欖油顯著促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，但卻減少絮凝劑活性。擬青霉菌SP-I-1培養(yǎng)基中加入酵母膏或肉膏只刺激菌體生長(zhǎng)，絮凝劑產(chǎn)量沒(méi)有變化。第六章微生物能源培養(yǎng)基的初始pH對(duì)絮凝劑的產(chǎn)生也有影響，過(guò)酸過(guò)堿均不利于絮凝劑的產(chǎn)生。最適pH一般為中性到偏堿性，紅城紅球菌的最