环境生物技术公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第七章 微生物与废物资源化,废物资源化路径：,直接利用微生物体作为人类及动物食物和营养品，以补充蛋白质等营养。,利用微生物体内酶加工一些产品。,利用微生物代谢产物制备生化试剂、医药化工产品（有机酸、氨基酸、维生素、抗生素）。,细菌冶金。,微生物开发能源(沼气、醇类、氢气）,第1页,第1页,单细胞蛋白：简称SCP，是通过培养单细胞生物而取得生物体蛋白质，又称微生物蛋白，包括细菌、放线菌中非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻类等。,历史：1966年提出（麻省理工学院，Carroll Wilson专家）,1967年明确在第一次世界单细胞蛋白会议上将微生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白）。,第一节 单细胞蛋白,第2页,第2页,以纯培养微生物作为食物始于第一次世界大战期间，德国处理粮食问题，开始利用小球藻、酵母作为粮食资源研究。,苏联情况：产量大，用木材水解糖液、纸浆废液、酒精废液作原料,我国情况：80年代以来发展快速，年产15万吨。,单细胞蛋白,第3页,第3页,一、单细胞蛋白经济生物学特性,（一）单细胞蛋白营养极为丰富,1、蛋白质含量高，可达4080，比大豆、肉、鱼、奶酪高20%，可利用氮高。,2、氨基酸构成齐全，人畜代谢必需8种氨基酸齐,全，（,有8种氨基酸，缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯氨酸、甲硫氨酸、色氨酸苏氨酸、赖氨酸,人体不能自己合成，并且这些氨基酸都非常主要，必须通过食物来摄取，这些氨基酸就称为必需氨基酸。另外，人体合成精氨酸、组氨酸能力不足于满足本身需要，需要从食物中摄取一部分，我们称之为,半必需氨基酸,。）,尤其有较高赖氨酸,其含量相称于或稍差于鱼粉高于大豆。,第4页,第4页,（3）还含有各种B族维生素、维生素D,2,原、脂肪、糖类、无机盐、，并含有丰富酶系及各种生理活性物质,第5页,第5页,（二）微生物时代周期短，生产效率高,（三）生产原料极广，利于消除环境污染,可利用农业废物废水、都市生活废物、废水、工业废水、废气、石油、天然气及相关产品。,（四）能够工业化生产，不与老式农牧业争地。,单细胞蛋白经济生物学特性,第6页,第6页,1、微生物菌种应具备主要条件：,菌体内营养物含量高，质量佳。,无毒害，不致病，无其它不良作用。,对基质转化率高。,取得菌体浓度高。,人畜易消化，味道好。,培养条件要求简朴，无苛求。,生长繁殖快速，发酵过程稳定，不易受其它杂菌污染。,菌体较大，利于菌液分离并收获菌体。,也许进行基因重组，对菌体加以改造。,二、生产单细胞蛋白微生物,第7页,第7页,2、惯用类型,酵母菌：体积大，繁殖快，易收获，氧化型酵母分解有机物能力强（五碳糖、六碳糖、有机酸、醛、醇、烃类等），要求偏酸环境（pH4-5）,不易染菌，已用多年，较易接受。,光合细菌：能利用高浓度有机废水蛋白质含量不小于60，有很高饲料价值，已开始商业化生产。,小球藻、螺旋藻等。,细菌生长速度快，蛋白质含量高，能利用糖类和烃类，但细菌个体小，分离困难，且蛋白质不如酵母菌易消化。,丝状菌易于回收，但生产速度慢蛋白质含量较低。,藻类缺点是纤维质细胞壁不易为人体消化。,第8页,第8页,三、生产普通工艺流程,（一）生产菌准备,1、筛选菌种并改造菌种。,2、菌种逐层扩大培养。,试管 三角瓶 各级种子罐,第9页,第9页,（二）发酵液准备,1、发酵基质预处理,物理办法：切割、粉碎、沉淀、过滤；,化学办法：酸碱或溶剂处理，或生化办法：水解酶类处理。,2、配制发酵液,添加氮磷等无机养料，调整pH。,3、发酵液灭菌,第10页,第10页,（,三）发酵罐培养,1、接种发酵罐，菌液与发酵液百分比为,1:10。,2、控制培养条件：,温度、pH，通气与搅拌、添加营养等。,（四）菌体收获,离心、沉淀、压滤等办法搜集菌体。,（五）菌体干燥，制成单细胞蛋白成品,第11页,第11页,四、单细胞蛋白生产实例,（一）亚硫酸纸浆废液,亚硫酸纸浆废液成份：木材原料48-53%存在于废液中。固形物中20%为糖类，60%为木素磺酸盐。,德国二战期间利用纸浆废液生产酵母蛋白，利用树状假丝酵母，球拟酵母。1998年，我国用产朊假丝酵母发酵亚硫酸纸浆，得到酵母饲料，大白鼠试验无毒害及不良反应。,第12页,第12页,气提器,发酵罐,过滤机,机械干燥,干燥,产品,来自纸浆厂废液,蒸汽,排出SO,2,过滤器,压缩机,空气,补充氮磷金属离子营养物,废液送往纸浆厂,从亚硫酸盐废液制取单细胞蛋白工艺,三个基本工序：除去SO,2,、好氧发酵、产物回收,第13页,第13页,（二）食品工业废弃物,1、淀粉废液与废渣,瑞典利用两种菌种联合处理淀粉废水：扣囊拟内孢霉（淀粉酶）和产朊假丝酵母。我国利用根霉、酵母发酵玉米、木薯。,2、酒精废液,酒精废液含糖量高我国每年排出废液680万吨，含糖近8万吨，可生产饲料酵母3.2万吨。,我国利用假丝酵母、白地霉等处理酒精废液取得成功。,第14页,第14页,（二）食品工业废弃物,3、味精废液,味精废液生产菌是假丝酵母，使废水COD清除率6070，酵母蛋白是优质饲料添加剂，还可用于提取核糖核酸、辅酶等制药化工原料。,4、豆制品废液,以白地霉可利用豆制品废液生产单细胞蛋白，作为饲料使用，效果良好。,日本利用豆腐废水生产红假单胞菌单细胞蛋白，含硫氨基酸较高。,第15页,第15页,（三）纤维素,纤维素废物数量庞大,木质素不易降解，纤维素含有一定结晶度也难以降解，木质素与纤维素结合难降解。需要预处理：粉碎、酸碱或微生物酶水解。,纤维素预处理费用高，而纤维素转化率及菌体得率不高，竞争力缺乏。,美国GE法：,耐热放线菌（Thermoactinomyces）生产单细胞蛋白。利用干草、蔗糖、废纸及纯纤维为原料。55o,C，pH7.57.8。,缺点：菌体纤维持有系数高，影响纤维素利用率,第16页,第16页,（三）纤维素,二菌混合：以蔗渣为原料接种纤维单胞菌和产碱杆菌，或接种纤维单胞菌和酵母菌。,使用绿色木霉纤维素酶处理蔗髓，培养酵母。,第17页,第17页,（四）石油为原料生产单细胞蛋白,英国石油公司于1971建成世界第一座石油单细胞蛋白工厂，以液体石蜡为原料，利用解脂假丝酵母，年产酵母4000吨。,联邦德国一C,10-18,正烷烃培养解脂拟内孢霉。,第18页,第18页,（五）天然气及甲醇,1、天然气生产单细胞蛋白（甲烷蛋白）,专性甲烷利用菌繁殖条件：适当百分比CH,4,、O,2,、CO,2,混合气体；添加NH,4+,等作为氮源；pH6.5-8；中温3037度，高温4550度，。甲烷利用菌蛋白含量较高，丰富B,2、,B,6,B,12,。,存在问题：甲烷氧气混合气体爆炸；基质和菌体充足接触；经济地清除发酵热办法。,2、甲醇蛋白,英国帝国化学公司于1980年建厂生产甲醇蛋白，工程菌甲基营养型嗜甲基菌。我国山西生物研究所分离一株麝香石竹假单胞菌186，可用于处理甲醇废水，甲醇清除率在99%以上，BOD清除率在92%以上。,第19页,第19页,（六）无机物,1、藻类蛋白,螺旋蓝藻体积大（比小球藻大100倍），便于收获，蛋白含量高，含有各种人畜必需氨基酸、维生素生长因子，较为抱负，可作保健食品。,还可利用含氨量较高养猪废水养殖藻类。,都市污水培养蓝藻,主要问题占地或湖泊面积较多，产量低，成本高。,第20页,第20页,2、氢细菌蛋白,氢细菌是兼性自养菌，在含氮无机盐培养液中，只需通入CO,2,H,2,O,2,就能够满足其生长需要,。,氢细菌分别归属于假单胞菌属、产碱杆菌属、拟球菌属和棒状杆菌属等。真养产碱菌研究最多。菌体含蛋白较高7080，氨基酸齐全，动物试验证实无毒安全。但核酸含量较高。,第21页,第21页,2、氢细菌蛋白,日本筛选出两株高温菌种：嗜热氢假单胞菌和自养型嗜热黄杆菌。发酵过程中不需降温，还可控制杂菌污染。,美国宇航局曾培养真养氢单胞菌,长时间宇航食物设想：电解水制氢，宇航员呼出CO2，排泄尿液作原料，食物和排泄重复循环,第22页,第22页,五、单细胞蛋白可接受性和安全性,1、核酸问题,单细胞蛋白含核酸量较高，核酸在人体代谢后转化成尿酸，不能进一步分解排出体外。假如摄入核酸过多，则在血液中尿酸浓度增长，在人体组织和关节中尿酸盐沉淀，引起关节痛肾结石等。因此，应脱核酸。,作为饲料无不良影响，不会通过食物链影响人。,第23页,第23页,五、单细胞蛋白可接受性和安全性,2、奇数脂肪酸问题和残留烷烃问题,老式天然食品中不含或含微量奇数脂肪酸，以含有奇数烷烃原料生产单细胞蛋白中，奇数与偶数脂肪酸都有。动物试验证实，10%总脂肪酸范围内，奇数脂肪酸对动物体内代谢或生理机能无不良影响。,正烷烃物质是无害。,第24页,第24页,五、单细胞蛋白可接受性和安全性,3、重金属等有毒物质,是否从培养基中吸取重金属，微生物本身产生毒素等,4、致癌物质,真菌毒素；,石油产品作原料石油重馏分致癌物，剂量问题，安全原则苯并芘不高于5mg/L，动物试验证实未发觉有致癌性。,第25页,第25页,五、单细胞蛋白可接受性和安全性,5、氢细菌蛋白不易消化问题,美国宇航局对氢细菌蛋白营养价值、消化率、安全性等都作出了必定结果。只有氢细菌菌体脂肪中聚,-羟基丁酸难以被动物消化，尚待处理。,第26页,第26页,第二节 细菌冶金,在含硫化铁矿床开采中会造成大量废矿尾矿暴露在空气中，在化学氧化和生物氧化作用下，形成大量酸性矿水，含有金属离子，对生态环境造成严重危害。,细菌冶金是利用细菌法溶浸贫矿、尾矿、废矿，回收珍贵有色金属和稀有金属（铜矿、铀矿、镍矿、锰矿等）。最大程度地利用矿藏，同时减轻环境污染。,第27页,第27页,一、细菌冶金原理,（一）间接作用,通过细菌产生硫酸和硫酸高铁(浸出剂）进行纯化学反应浸出作用。,2S+3O,2,+2H,2,O 2H,2,SO,4,4FeSO,4,+O,2,+2,H,2,SO,4,2Fe,2,(SO4),3,+2H,2,O,CuFeS,2,（黄铜矿)+2Fe,2,(SO4),3,CuSO,4,+5 FeSO,4,+2S,CuS（铜蓝）+2Fe,2,(SO4),3,2 CuSO,4,+4 FeSO,4,+S,CuSO,4,+FeFeSO,4,+Cu FeSO,4,能够循环反应,第28页,第28页,(二)直接作用,浸出过程中细菌直接与金属硫化物接触，参与化学作用。,CuFeS,2,4 O,2,FeSO,4,CuSO,4,CuS O,2,CuSO,4,第29页,第29页,二、细菌冶金微生物及主要影响原因,（一）细菌冶金微生物,氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、排硫硫杆菌、氧化亚铁铁杆菌和氧化亚铁微螺杆菌、嗜酸热硫化叶菌、热氧化硫化杆菌。氧化亚铁硫杆菌既可利用Fe,2+,也可利用S,2+,生长，是浸出场合主要菌种。,第30页,第30页,（二）细菌冶金主要影响原因,1、菌种选择及培养,从待处理矿石酸性废水中分离所需微生物，然后再进行驯化。,自养型细菌，需加入氮源及矿物,2、浸出液pH,控制pH小于2，细菌生长繁殖需pH25避免Fe,2+,、Fe,3+,沉淀，前者作为能源，后者作为浸溶剂。,第31页,第31页,（二）细菌冶金主要影响原因,3、介质氧化还原电位,300700mV为宜，过低，细菌生长困难，溶液化学氧化能力下降。过高Fe,2+,浓度过低影响取得能源。,第32页,第32页,（二）细菌冶金主要影响原因,4、氧气二氧化碳和其它营养物质供应,二氧化碳作为唯一碳源，依托硫、硫化物、Fe,2+,氧化取得能源。充气速度0.05-0.1m,3,/min.,第33页,第33页,（二）细菌冶金主要影响原因,5、矿料粒度及矿浆固体浓度,不溶性矿质需暴露在矿石表面才干作用。比表面积对细菌氧化作用有主要影响，固体基质只有在外部溶解后，微生物才干侵蚀内部基质。粒度细小有助于浸出速度和浸出完全程度，但过细增大磨细成本，且浸出过程不断减小产生细泥。,第34页,第34页,（二）细菌冶金主要影响原因,5、矿料粒度及矿浆固体浓度,矿浆固体浓度超出一定程度时，溶液中一些金属离子不断积累也许超出微生物极限耐受浓度。因此浸出常控制较低矿浆浓度，以10%-20%固体为宜。,第35页,第35页,三、细菌冶金办法,堆浸法：用于处理未破碎或粗碎废矿、尾矿及贫矿。占地面积大，时间长（数月至多年）,矿床内浸提法：用于集中矿区或开采后废矿坑；还用地下冶金。,第36页,第36页,（一）堆浸法,溶浸铜时设沉淀槽（置换作用，加入废铁屑），再生池（充气、补充氮磷钾营养，氧化亚铁为高铁，细菌繁殖），然后返回浸出作业。,集液池,沉淀槽和再生池,第37页,第37页,（二）矿床内浸提法,直接在矿床内浸提金属,1、露天矿体就地微生物浸出工艺,溶浸液喷淋,第38页,第38页,（二）矿床内浸提法,2、地下矿体就地微生物浸出工艺,注液井,回收井,第39页,第39页,第三节 微生物与能源,一、微生物产生甲烷,1、产甲烷机理（三阶段理论）,2、发酵条件,严格厌氧环境，E-200mV,发酵温度：中温发酵，高温发酵,pH和有机酸浓度,CO,2,产生情况：占沼气25%-35%，若不小于35%阐明 平衡破坏,BOD:N:P为100：6：1,第40页,第40页,3、实际应用,农村沼气发酵,工业废水处理：,南阳酒厂废水,华南热带作物研究院生产干橡胶废水，20C发酵，COD由15680mg/L降至3744mg/L，清除率为76%。每m,3,废水产沼气5.7,m,3,。,第41页,第41页,二、微生物产生醇类,原料：淀粉、糖类（甘蔗、甜菜、甜高粱、葡萄糖等）、纤维素,用糖类发酵生产乙醇技术比较成熟，用酵母菌进行乙醇发酵,淀粉生产乙醇：先用,-淀粉酶（又称液化淀粉酶，工业上从淀粉液化芽孢杆菌生产）、糖化淀粉酶用黑曲霉生产）水解生成葡萄糖，再进行酵母酒精发酵,纤维素生产乙醇故意义,第42页,第42页,纤维素是葡萄糖以,-1，4糖苷键连结成直长链，不溶于水，难以水解，水解酶：,C,1,酶：水解天然纤维素,C,x,酶,（,-1，4,葡聚糖酶）：内切酶和外切酶（产生纤维二糖）,-葡萄糖苷酶：水解纤维二糖、三糖及低分总量寡糖。,另外尚有木质素影响，需用木质素降解酶：木质素过氧化物酶、锰依赖过氧化物酶、漆酶,第43页,第43页,纤维素生产乙醇：,微生物对纤维素水解和糖发酵能力往往不同时具备或高效。,可用间接法：先用酸碱水解或纤维素酶水解（木霉纤维素酶），再利用酵母发酵生产。,也可用混合发酵法：热纤维梭菌能分解纤维素，但乙醇产量低，热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但乙醇产量高，把二者进行混合培养，直接发酵，产率可达75%以上。,第44页,第44页,氢是抱负绿色能源,常规制氢办法:,水电解法制氢：占4%，需要消耗大量电能,热裂解法：需利用大量天然气、煤和石油等化工燃料,两种办法都存在制取成本高,在生产过程中产生大量污染物等缺点,不能从主线上处理能源和环境污染问题,已不适应社会发展需求。,三、微生物产氢,第45页,第45页,生物制氢：是利用一些微生物代谢过程来生产氢气一项生物工程技术，所用原料能够是有机废水,都市垃圾或者生物质,起源丰富,价格低廉。其生产过程清洁、节能，且不消耗矿物资源，正越来越受到人们关注。,第46页,第46页,1、光合细菌产氢,深红螺菌、红假单胞菌、球形红微菌、颤蓝细菌等,光合作用产生ATP及NADPH，固氮酶利用前两者进行H,+,还原，生成H,2,最后电子供体是有机物或硫化氢。光合过程不产生氧气。,反应方程式,N,2,+8e-+8H,+,+16ATP 2NH4+H,2,+16ADP+16Pi,光合细菌产氢需要充足光照和严格厌氧,光合细菌能够对各种高浓度有机废水进行高效处理，并且产氢。,第47页,第47页,2、发酵细菌产氢,专性厌氧和兼性厌氧细菌如丁酸梭状芽孢杆菌发酵有机物产生丁酸、二氧化碳和氢，但在热力学上无法使有机酸完全降解产氢。,3、光合细菌和发酵细菌混合培养产氢,光合细菌不能直接利用高分子有机质，单独用光合细菌处理废水产氢，需先设置溶化池。混合培养就有也许使有机物完全降解并连续产氢。是最佳模式。,第48页,第48页,4、固定化技术用于制氢,微生物体内产氢系统很不稳定，易受环境条件影响，很难连续产氢。固定化细胞可增长反应器生物量，预防菌体流失，提升处理效率，运营过程稳定。,红假单胞菌H菌株（中科院微生物研究所筛选），作海藻酸钠包埋，试验处理豆制品废水，维持产氢10天以上，有机物清除率较高。,第49页,第49页,利用廉价有机基质产氢,是处理能源危机，实现废物利用,改进环境有效手段。,伴随对能源需求量日益增长,对氢气需求量也不断加大,改进旧和开发新制氢工艺势在必行。,处理问题：活性菌株，分离氢气和氧气办法。,第50页,第50页,