应用于废水处理的油脂酵母分离回收方法研究进展

乔 楠，高明星，樊 雪

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)



应用于废水处理的油脂酵母分离回收方法研究进展

乔 楠，高明星，樊 雪

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)

油脂酵母是一类有广阔应用前景的产油微生物，在应用过程中，其可分解有机废水中的COD，大量合成可用于生产生物柴油的微生物油脂，实现废水资源化再利用的目的。但油脂酵母实际应用过程中存在菌体分离回收困难的现状，因此寻找合适的回收方法尤为重要。本文概述了目前油脂酵母分离回收的不同方法，通过比较不同方法的优缺点，分析了其工业应用的可行性，并着重阐述了在该领域有重要应用前景的微生物絮凝剂的分类、特点及作用机理。

油脂酵母；废水处理；菌体回收；微生物絮凝剂

近几年，日益突出的能源短缺、石油储量有限以及相应的环境安全问题引起人们对可再生生物燃料寻找的重视，进而促进对新型生物燃料—微生物油脂的进一步研发[1]。微生物油脂(microbial oils) 又称单细胞油脂(single cell oil，SCO)，是由酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定条件下利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂为碳源，在菌体内产生的大量油脂[2]。这类油脂主要是由不饱和脂肪酸(PUFAs)组成的甘油三酯(TAG)，主要包含C16和C18的脂肪酸。微生物生产油脂具有不受季节和气候的影响、油脂含量高、生产原料来源广泛、生产周期短等优点。目前，酵母和霉菌是潜在的较理想的产油微生物，尤其是产油酵母已得到广泛研究[2]。而且产油酵母可以利用高浓度有机废水作为底物，不仅可以获得大量的微生物油脂，还可以缓解或有效处理废水污染问题，对环境保护及循环经济均具有积极意义。但油脂酵母的菌体回收问题阻碍其大规模应用于废水处理。

1 油脂酵母的分离回收方法

目前，应用于菌体分离回收的方法包括离心分离、气浮法、固定化微生物、膜分离和絮凝沉降等。上述菌体分离方法在实际工程或实验研究阶段都有应用和研究。为了降低经济成本、减少菌体的破坏、同时不影响环境，选择一种适合油脂酵母的回收方法至关重要。

1.1 离心分离法

离心分离作为一种常用的分离手段，具有分离速度快、分离效率高等优点，但是，离心分离设备投资费用较高、能耗较大、操作较为复杂，而且劳动强度大，对回收菌体破损严重，作为工业化生产时不宜大规模使用[3]。

1.2 气浮法

气浮法也称浮选法，其原理是向液体中通入大量微气泡，使其粘附于杂质颗粒上，靠浮力使其上升至水面而使固液分离的一种物理方法。气浮法是菌体蛋白回收、微藻采收、污泥浓缩等常用的方法。

气浮分离一般在分离前先向处理系统中加入絮凝剂，使悬浮的微生物或细胞产生絮凝，然后气浮将其分离回收。气浮法在菌体分离方面，多用于分离微藻，如Teixeira[4，5]等研究了气浮法采收蓝藻的影响因素，在前期絮凝过程中药剂添加量、处理时间以及操作参数等最佳条件下，蓝藻的采收率可达92%。而气浮法在油脂酵母菌体的分离应用中很少见。国内杨天喜[6]等人选定聚合硫酸铁和聚丙烯酰胺为气浮法的絮凝剂，再通过气浮法分离粘红酵母，粘红酵母去除率可达90%。气浮法虽然在实际应用中具有很高的菌体去除率，但由于其适用条件要求高，而且需产生大量微气泡，其投资运行成本、能耗高，与离心分离方法相比费用甚至更高。

1.3 固定化微生物法

固定化微生物技术来源于固化酶技术，此方法有利于菌体的回收。当回收菌体时，直接将菌体与载体一同回收，特别是关于光合细菌回收方面有一些成功的应用案例。但是，固定化技术载体对菌体的选择性较强，戴晓[7]研究发现光合细菌Z08无法利用载体大量固定化回收。固定化微生物技术应用时操作复杂，运行、管理要求高，回收菌体量相对较小，且菌体回收时载体也一并回收，不利于微生物油脂的进一步利用。

1.4 膜分离法

膜分离技术中超滤为主要的分离技术，超滤膜分离细菌和菌体蛋白是比较成熟的技术。毕生雷等[8]利用超滤金属膜应用于圆红冬孢酵母发酵液的浓缩，能够简化操作步骤、提高生产效率。虽然膜分离技术分离菌体的效率高、纯度高，但其运行、管理复杂，最重要的是分离过程中膜污染严重，易堵塞，需要定期对膜进行清洗与更换，导致工作周期短、处理费用和维护费用高，限制了其在油脂酵母菌体回收方面的应用。

1.5 絮凝沉降法

絮凝沉降是向水处理系统中添加絮凝剂，使水中胶体和悬浮颗粒凝聚成大的颗粒，然后通过重力作用下沉去除。絮凝沉降法是目前国内外普遍用来提高水质处理效率的一种既经济又简便的水质处理方法[9]，现今也多应用于菌体沉降方面。在菌体回收方面，可将菌体视为絮凝对象，通过投加絮凝剂，实现菌体的絮凝分离。

杨天喜[6]等选定聚合硫酸铁和聚丙烯酰胺为絮凝沉降法絮凝剂，粘红酵母的絮凝沉降率可达95%；张慧灵[10]等用无机絮凝剂与高分子絮凝剂复合配比使用去除谷氨酸发酵液菌体，菌体去除率为90%，而且沉降速度较快；鲁诗锋[11]从12种絮凝剂中筛选出壳聚糖为有效的絮凝剂，发酵液的菌体和蛋白质去除率分别为99.97%和91.56%。目前，絮凝沉降方法在工程中应用较多，对菌体和发酵产物的絮凝回收率都较高，而且耗费较少。针对油脂酵母，选择一种适合的絮凝剂，在分离菌体的过程中效率高、不对环境产生二次污染，尤其不影响微生物油脂的后续利用至关重要。

2 絮凝剂的分类

絮凝剂可分为无机絮凝剂、人工合成有机高分子絮凝剂和天然高分子絮凝剂。

2.1 无机絮凝剂

无机絮凝剂以铝盐和铁盐为主，其代表为氯化铁、聚合硫酸铁、硫酸铝和聚合氯化铝等。铝盐和铁盐是广泛使用的絮凝剂，在水处理中和菌体回收等都有应用，絮凝效果有保障，技术成熟[12-13]。但近期研究发现，无机絮凝剂具有二次污染的潜在性。其会在处理废水后和回收的菌体中残留金属离子，污染油脂酵母菌体，不利于微生物油脂的后续利用。而且絮凝分离菌体所需的无机絮凝剂用量通常很大，不经济，因此油脂酵母的分离不宜选用无机絮凝剂。

2.2 人工合成的有机高分子絮凝剂

人工合成有机高分子絮凝剂以聚丙烯酰胺及其衍生物为代表，它们具有分子量大、分子链长、官能团多、电荷密度大等特点，与无机絮凝剂相比用量少、污泥量少、絮凝效率更高、成本相对较低，因此在水处理和发酵产物回收方面应用广泛。但近几年研究发现，虽然人工合成有机高分子本身没有毒性，但是其单体具有毒性，难以生物降解，残留单体具有致癌、致畸、致突变作用，因此不宜用于油脂酵母的分离回收。

2.3 天然高分子絮凝剂

天然高分子絮凝剂可概括为三大类，即碳水化合物类、多聚糖类以及甲壳素类，具体涵盖了淀粉、纤维素、多糖、蛋白质等类别的衍生物[14]。相对于传统的无机和有机絮凝剂，天然高分子絮凝剂具有原料来源广泛、价格低廉、无毒、絮凝速度快、易于生物降解、对生态环境无不良影响等特点，因此应用前景广泛。其中壳聚糖、纤维素、几丁质近几年备受关注。Hao等[15]使用壳聚糖和聚丙烯酞胺对1，3-PD发酵液进行絮凝处理，发酵液的蛋白质去除率大于99%。但天然高分子絮凝剂电荷密度小，分子量较低，易发生生物降解而失去絮凝活性，而且酵母菌体一般呈负电性，而天然高聚物中仅有壳聚糖等是阳离子型，因此天然高分子絮凝剂在油脂酵母的分离回收中受到限制。

在天然高分子絮凝剂中较为特殊的是微生物絮凝剂，微生物絮凝剂是一类具有絮凝性的微生物或其分泌的代谢产物。能够产生絮凝剂的微生物种类很多，主要为细菌、真菌和藻类，它们普遍存在于土壤和活性污泥中。微生物絮凝剂一般由多糖、蛋白质、DNA、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等生物高分子物质构成，具有生物分解性和安全性，高效、无毒、无二次污染，对菌体有很高的絮凝效果和沉降性能。重要的是在制备微生物絮凝剂的过程中，产絮微生物能够利用废水，降解废水中有机物污染物质的同时产生生物絮凝剂。因此，可以利用微生物絮凝剂絮凝沉降油脂酵母。

2.3.1 微生物絮凝剂的分类

按照来源不同，微生物絮凝剂主要可分为3类[16，17]：

(1)细胞菌体本身。如某些细菌、霉菌和酵母。这一类微生物的菌体细胞具有絮凝性，其原因在与菌体细胞壁表面带有活性基团，吸附溶液中的带电颗粒；有的利用菌体细胞表面荚膜层或粘液层吸附溶液中的颗粒；有的是因为菌体表面的菌毛、纤毛等的吸附作用；

(2)利用细胞壁提取物。如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和 N---乙酞葡萄糖胺等成分均可用作絮凝剂。如丝状真菌的细胞壁含有一种重要的多糖---几丁质，几丁质经碱水解后产生带正电荷、高效无毒的脱乙酰几丁质，其中含有活性-NH2和-OH，对许多微生物菌体及其他带负电荷的粒子有极强的絮凝能力；

(3)利用微生物细胞代谢产物。微生物细胞产生的具有絮凝性的代谢产物可以分布在胞内、胞外和菌体细胞表面，部分产物可以脱离菌体，游离于培养液中。分泌到细胞外的代谢产物主要是细菌的荚膜和粘液质，除水分外，其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物，其中多糖和蛋白质在某种程度上可用作絮凝剂。

根据化学组成的不同，微生物絮凝剂又可以分为3类[16，17]：

(1)多糖类物质。在已发现的微生物絮凝剂中，多糖类物质较多；

(2)多肽、蛋白质和DNA类物质。微生物絮凝剂NOC-1的絮凝能力最好，其主要成分为蛋白质，而且分子中含有较多的疏水氨基酸，包括丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等；

(3)脂类物质。微生物絮凝剂属于脂类物质的较少，目前发现的唯一的脂类絮凝剂是Kurane从R.erythropolis S-1的培养液中分离出来的微生物絮凝剂。

2.3.2 微生物絮凝剂的特点

微生物絮凝剂与传统的有机和无机絮凝剂相比具有独特的优点和性质[18，19]：

(1)易于固液分离，形成沉淀物少；(2)易被微生物降解，无毒无害，安全性高；(3)部分微生物絮凝剂还具有不受pH条件影响，热稳定性强，用量小等特点。

2.3.3 微生物絮凝剂的絮凝机理

相对于胶体絮凝机理而言，微生物絮凝剂絮凝机理尚不明确，但已有大量学者对其进行研究，先后提出许多学说[20]，主要有“桥联作用”学说、“类外源絮凝聚素”假说、“病毒”假说、Friedman“菌体外纤维素纤丝”学说等。

微生物絮凝剂起絮凝作用的主要是胞外产物，对于这些胞外产物的絮凝机理，目前较为普遍接受的是“桥联作用”机理。该学说认为，大分子生物絮凝剂的絮凝过程是几个物理化学过程共同作用的结果[21]：

(1)电中和作用：溶液中带有电荷电解质能够与颗粒表面带的相反电荷发生中和，从而减弱颗粒间彼此的排斥力，促进颗粒的絮凝沉降，为絮凝剂的架桥提供基础。在胶体颗粒的絮凝沉降过程中，电中和作用至关重要。

(2)吸附架桥作用：絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力，同时吸附多个胶体粒子，在颗粒间产生架桥现象，从而形成一种网状三维结构，通过重力作用沉降下来。大分子的吸附作用进一步促进胶体的絮凝沉淀。

(3)卷扫作用：形成网状结构微生物絮凝剂，在重力的作用下沉降下来，迅速网捕或卷扫处理液中的胶体颗粒，产生沉淀，从而有效分离。

3 结论与展望

综上所述，利用微生物絮凝剂的絮凝沉降方法是回收油脂酵母菌体的一个非常有工业应用前景的方法。对该方法的研究将主要集中在以下几个热点方向：

(1)筛选出高效产油的油脂酵母菌株和高效产生生物絮凝剂的产絮微生物；

(2)优化油脂的提取纯化工艺和微生物絮凝剂产品的提取纯化工艺；

(3)探讨油脂酵母菌体回收的最佳工艺条件；

(4)进一步探讨微生物絮凝剂的絮凝机理等。

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Research Progress on the Method of Separation and Recovery of Oils and Fats Used in Wastewater Treatment

QIAO Nan，GAO Ming-xing，FAN Xue

(Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Oil yeast is a kind of oil producing microbe which has broad application prospects，in the application process，the COD in organic wastewater can be decomposed，microbial oils and fats which can be used in the production of biodiesel，to realize the reuse of waste water resources.However，the present situation of the difficulty of cell separation and recovery in the practical application of oils and fats yeast，so it is very important to find a suitable recovery method.In this paper，the different methods of separation and recovery of oils and fats are summarized in this paper，by comparing the advantages and disadvantages of different methods，the feasibility of its industrial application is analyzed，the classification，characteristics and mechanism of the microbial flocculant which has important application prospects in this field are discussed in this paper.

Oil yeast；Effluent disposal；Cell recovery；Microbial flocculant

2016-04-12

吉林省教育厅十三五科学技术研究规划项目(2016-100)

乔 楠(1980-)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学建筑工程学院副教授，硕士，研究生导师，主要研究方向：污水生物处理技术.

1005-2992(2016)05-0063-05

X703.1；X172

A