環(huán)境生物技術(shù)課件第五章廢物資源化生物技術(shù)

第五章廢物資源化生物技術(shù)第一節(jié)廢物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白第二節(jié)纖維質(zhì)原料生產(chǎn)酒精第一節(jié)廢物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白一、前言1.單細(xì)胞蛋白的概念單細(xì)胞蛋白（Single-Cell-Protein,簡(jiǎn)稱SCP)一詞是由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT)的CarrollWilson教授于1966年首先提出的。通常SCP是指通過(guò)培養(yǎng)單細(xì)胞生物而獲得的生物體蛋白質(zhì)，又稱微生物蛋白，包括細(xì)菌、放線菌中的非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻類等。2.開(kāi)發(fā)SCP的意義◆人們的需要◆微生物蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值微生物菌體的70％～85％為水分，干物質(zhì)中的主要成分是糖類、蛋白質(zhì)、核酸、脂類及灰分。粗蛋白的含量：細(xì)菌：40％～80％酵母菌：35％～60％絲狀真菌：15％～50％

◆單細(xì)胞蛋白的主要用途：

作為人類食品作為飼料作為工業(yè)原料（微生物培養(yǎng)基成分、合成纖維的親水劑、各種填料、增稠劑、乳化劑及穩(wěn)定劑等）3.SCP生產(chǎn)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

二、生產(chǎn)SCP的微生物生產(chǎn)SCP的微生物種類較多，根據(jù)原料不同，可以分為如下幾類：（1）以碳水化合物為原料，如釀酒酵母，假絲酵母，木霉和青霉等。（2）以碳?xì)浠衔铮ㄊ停樵?，假絲酵母菌（3）以甲醇為原料，細(xì)菌為主（4）以乙醇為原料，酵母菌為主，其次是細(xì)菌和霉菌。（5）以甲烷為原料，細(xì)菌為主（6）利用CO2為碳源，氫為能源，如氫單胞菌（7）利用光能，如小球藻、螺旋藻及光合細(xì)菌等。細(xì)菌：生長(zhǎng)速度快，蛋白質(zhì)含量高，能利用糖類和烴類，但個(gè)體小，分離困難，且蛋白質(zhì)不如酵母菌易于消化吸收。絲狀真菌：易于回收，但生產(chǎn)速度慢，蛋白質(zhì)含量較低。藻類：纖維質(zhì)的細(xì)胞壁不易為人體消化，且具有富集重金屬的問(wèn)題。酵母菌：個(gè)體大，易于分離、回收，且蛋白質(zhì)易于吸收，目前生產(chǎn)上采用較多。三、生產(chǎn)SCP的基質(zhì)1.適于生產(chǎn)SCP的有機(jī)物需滿足的條件：價(jià)廉易于被微生物降解原料能常年可靠地供應(yīng)并能夠安全、經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)存能經(jīng)濟(jì)地將原料運(yùn)往工廠質(zhì)量穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)2.用于生產(chǎn)SCP的常見(jiàn)廢棄物：農(nóng)業(yè)廢棄物，需經(jīng)粉碎、堿處理以提高可消化性。烴類及其衍生物高濃度有機(jī)廢水固體廢棄物工業(yè)廢氣四、SCP生產(chǎn)的工藝技術(shù)圖5-1單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)的一般工藝過(guò)程五、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)中應(yīng)該

考慮的問(wèn)題微生物的培養(yǎng)不受季節(jié)、氣候和地區(qū)的限制，所以微生物蛋白生產(chǎn)易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。但SCP的廣泛使用還存在如下一些問(wèn)題：（1）核酸含量高（2）毒性物質(zhì)存在的可能性（3）在人類消化管道中消化得很慢，會(huì)使使用者產(chǎn)生消化不良或過(guò)敏等癥狀。（4）比其他來(lái)源的蛋白質(zhì)，如大豆蛋白質(zhì)更昂貴。單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)中應(yīng)該考慮的問(wèn)題：（1）菌種應(yīng)增殖速度快，營(yíng)養(yǎng)要求低，易于培養(yǎng)，可連續(xù)發(fā)酵，菌體收量大；（2）原料低廉，能大量供給，或直接利用工農(nóng)業(yè)廢料；（3）菌體分離回收容易；（4）不易被雜菌污染；（5）生產(chǎn)過(guò)程排放廢水少；（6）菌體蛋白質(zhì)含量高，氨基酸組成好；（7）無(wú)毒性、病原菌及致癌物質(zhì)；（8）適口性好；（9）易于儲(chǔ)藏、包裝。第二節(jié)纖維質(zhì)原料生產(chǎn)酒精一前言二用于酒精生產(chǎn)的纖維素原料▲農(nóng)作物纖維廢物▲森林和木材加工工業(yè)廢物▲工廠纖維和半纖維素廢物▲城市廢纖維垃圾三纖維的預(yù)處理天然纖維素水解程度非常低，通常只有10％～20％物理法化學(xué)法微生物法1.氫氧化鈉處理法0.1～0.15g

處理費(fèi)用：66~69美元/噸物料缺點(diǎn)：被處理物料的體積密度很低2.溶劑處理法

Cadoxen:由乙烯二胺和鎘氧化物組成的堿性溶液。5h可水解80％左右，而未經(jīng)處理的最高水解率為20％Cadoxen溶劑可以回收利用。3.稀酸預(yù)處理法半纖維素在100℃以下就能較好地溶解在稀酸中。4.分解木質(zhì)素的微生物處理法四、纖維素酸水解植物纖維酸水解的機(jī)理主要是指纖維素和半纖維素的水解纖維素實(shí)質(zhì)上是一種己聚糖半纖維素則主要是戊聚糖無(wú)機(jī)酸（硫酸和鹽酸）可作為水解反應(yīng)的催化劑。無(wú)機(jī)酸催化纖維素分解的機(jī)理：實(shí)踐證明，在一定的范圍內(nèi)，纖維素水解反應(yīng)的速度與酸的濃度呈正比。而且，溫度升高，酸水解反應(yīng)的速度也加快。纖維素水解過(guò)程中要減少已生成單糖的進(jìn)一步分解。2.濃酸水解濃酸水解纖維素的過(guò)程如下：缺點(diǎn)：Ⅰ酸必須回收利用，鹽酸可以采用真空蒸餾的方法來(lái)回收，而硫酸則不能。Ⅱ要采用防腐蝕的容器，且容器的體積還必須大。3.稀酸水解酸濃度為0.3％～3％，溫度為100～200℃此時(shí)主要是大部分半纖維素溶解于酸溶液中，纖維素和剩下的半纖維素則呈不溶解狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)上纖維的水解可以分階段進(jìn)行。4.序列階段酸水解1979年，美國(guó)的Ladisch提出采用濃酸和稀酸水解的纖維素序列三階段酸水解法。第一階段預(yù)水解水解和萃取半纖維素第二階段主水解纖維素水解成寡糖和葡萄糖第三階段后水解階段寡糖的水解5.影響酸水解的因素（1）原料的種類和粉碎度（2）酸的種類和用量（3）液比系數(shù)水解時(shí)液體和纖維素原料的比例叫做液比系數(shù)。液比系數(shù)增加，產(chǎn)糖量增加，但水解液中糖的濃度下降，酸的用量增加。一般液比系數(shù)是5～10（4）水解時(shí)間和溫度溫度高，酸水解的速度加快，但生成的單糖的分解速度也加快，故一般采用高溫稀酸短時(shí)水解6.稀酸水解的幾種常用方法固定水解法是最原始的方法。水解液在整個(gè)水解過(guò)程完成后一次性排出，水解生成的糖的分解現(xiàn)象嚴(yán)重。分段水解法是將半纖維素和纖維素的水解分階段進(jìn)行，可以保證兩者的水解都在各自最適宜的條件下進(jìn)行。滲濾水解法是將稀酸溶液從水解器上部不斷淋人，水解液從下部連續(xù)排出。稀酸常壓水解法主要用于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理和玉米芯等半纖維素含量高的原料的酸水解。該法可使大部分半纖維素分解。五、纖維素酶水解纖維素酶水解的理論（1）纖維素酶的來(lái)源凡是不僅能利用可溶性纖維素衍生物，而且可以利用天然木質(zhì)纖維素的菌都能分泌纖維素酶系統(tǒng)。（2）纖維素酶系統(tǒng)由三個(gè)基本成分組成內(nèi)切β-1,4葡聚糖酶類（CX酶)，作用于纖維素大分子的內(nèi)部，隨機(jī)切割β-1,4葡萄糖苷鍵

外切β葡聚糖酶類(C1酶)，也叫微晶纖維素分解酶，作用于纖維素分子鏈的非還原性末端，產(chǎn)物是葡萄糖和纖維二糖。β-1,4葡萄糖苷酶(Cb酶)，水解纖維二糖和短鏈寡糖為葡萄糖。(3)纖維素酶水解機(jī)制六、纖維質(zhì)原料酒精生產(chǎn)

工藝流程1.酸水解