废物的资源化工程

第五章废物的资源化工程第一节废物生产单细胞蛋白第一节废物生产单细胞蛋白一前言二生产SCP的微生物三生产SCP的基质四SCP生产的工艺技术五SCP生产及研究展望一、前言1单细胞蛋白的概念2开发SCP的意义3SCP生产的现状及其发展趋势废物生产单细胞蛋白1、单细胞蛋白的概念概念：单细胞蛋白（Single-Cell-Protein，简称SCP）是指通过培养单细胞生物从细胞生物量中获得的蛋白质部分。废物生产单细胞蛋白最初在1966年由美国MIT的CarrollWilson教授首先提出•营养含量：一般单细胞蛋白质的含量达40～80％，高于传统食品禾谷类的蛋白质含量。赖氨酸含量高，含硫氨酸的含量较低。废物生产单细胞蛋白单细胞生物体与传统食品的各种营养成分含量比较水分组蛋白粗脂肪可消化碳水化合物粗纤维灰分BP正烷酵母4.554.17.823.93.67.1BP石油酵母4.568.51.515.02.17.9ESSO细菌62-7310-15106-12纸浆酵母6.046.02.335.44.65.7螺旋藻62-682-318-20大米13.78.131.2975.50.881.06小麦13.49.61.272.80.92.1大豆11.1936.9917.7624.854.74.6成分品种废物生产单细胞蛋白各种单细胞蛋白的氨基酸组成及含量异亮氨酸亮氨酸苯丙氨酸苏氨酸色氨酸精氨酸组氨酸赖氨酸蛋氨酸FAO参考4.07.04.02.5大豆粉2.53.42.21.70.63.21.12.90.6鱼粉2.43.72.12.41.33.91.54.31.2酵母（正烷烃）2.73.92.42.00.72.71.33.80.8酵母（甲醇）2.63.72.32.40.83.31.13.60.9细菌（甲醇）3.65.62.93.80.73.71.54.92.0霉菌（乙酸）5.58.24.34.95.51.8小球藻（光合成）4.28.15.13.61.55.81.87.71.3氨基酸品种2、开发SCP的意义废物生产单细胞蛋白（1）解决粮食问题第一次世界大战德国第一次工业化生产SCP作为人们的食品（2）作为粮食饲料的重要途径之一获得牛蛋白1需消耗植物蛋白3～4。得到家畜蛋白1需植物蛋白7～10。某些家畜与人类争粮食。（3）单细胞生物的特性：营养丰富：与黄豆粉比较蛋白质含量高达15％，可利用氮比大豆高20％。原料广可就地取材。可利用某些工农业废料保护环境。废物生产单细胞蛋白生产速率高。微生物蛋白质的倍增时间比牛、猪、羊、鸡等快千万倍。细菌、酵母菌的倍增时间未20～120min；霉菌和绿藻类为2～6h，植物1周，牛1～2个月，猪4～6周。一头500kg的公牛生产pro0.48kg/天。500kg酵母生产pro500kg/天。劳动生产率高。不受季节气候的制约。一个SCP工厂所产pro相当于562,500亩土地所产的大豆。单细胞生物易诱变，比动植物品种容易改良。物理、化学、生物学方法定向诱变育种。3、SCP生产的现状及其发展趋势废物生产单细胞蛋白（1）食用、饲用的SCP生产本世纪初开始。西欧以糖蜜为原料生产酵母。量少第一次世界大战，德国从木糖生产食用酵母从造纸工业的亚硫酸废液制造饲料酵母废物生产单细胞蛋白（2）探索研究新型蛋白质资源。20世纪50年代世界蛋白质严重缺乏。SCP被认为是解决人类饥荒的一条有效途径。1955年联合国系统的蛋白质咨询组织（PAG）强调SCP的重要性，制定了有关SCP研究的指导方针。20世纪60年代，主要研究以石油中的烃类生产SCP，称为石油蛋白（英国的BP石油公司是先驱）20世纪70年代投产了以甲醇及再生资源生产SCP。生产量最大的是前苏联。年产饲料用SCP约120万吨。在英国SCP工厂的建成曾被列为生物工程的首项成就。ICI公司的SCP工程获得过1983年度女皇科学奖。废物生产单细胞蛋白（3）我国关于SCP的研究1922年上海建成第一座酵母厂。我国目前已有酵母厂32家，年产量为1万吨，大部分用于医药和面包生产，作为饲料酵母的有1500吨（主要出口）。而实际需要500万吨利用味精废水生产热带假丝酵母SCP，含蛋白质60％。产品用作饲养畜禽，效果与鱼粉相同。螺旋藻SCP用于啤酒生产，啤酒有独特风味。废物生产单细胞蛋白（4）SCP生产的共同性问题生产所用菌种应增殖速度快，菌体收量大。原料应来源广，价格便宜。或直接用工农业废料。生产菌种对营养要求简单并广谱。易于培养，可连续发酵。分离回收容易。不易污染杂菌。生产过程废水少。菌体蛋白质含量高、氨基酸组成好。无毒、病原菌、致癌物。SCP的适口性好。储藏、包装容易。二生产SCP的微生物废物生产单细胞蛋白1生产SCP微生物的种类2SCP生产菌种的筛选1生产SCP微生物的种类废物生产单细胞蛋白根据原料的不同选择生产SCP微生物的种类（1）利用糖质原料生产SCP.酿酒酵母：利用葡萄糖、蔗糖为碳源。假丝酵母：利用戊糖为碳源。木糖、青霉：利用纤维素为碳源。（2）利用石油原料生产SCP。假丝酵母属的酵母菌。（3）利用甲醇原料生产SCP。以细菌为主。甲烷单胞菌属、甲基球菌属：甲烷专性营养。假单胞菌：甲醇兼性营养。废物生产单细胞蛋白（4）利用甲烷原料生产SCP。以细菌为主。甲烷假单胞菌嗜甲烷单胞菌（5）利用乙醇原料生产SCP。以酵母菌为主，其次细菌霉菌以假丝酵母属的Candidaboidinil最多。霉菌的曲霉属。（6）利用CO2为碳源、氢为能源。氢单胞菌（Hydrogenomonas).（7）利用太阳光能生产SCP。单细胞藻类的小球藻、螺旋藻属光合细菌。选择不同微生物生产SCP时应具体分析。细菌：生长快、蛋白质含量高。但个体小、分离困难，分离的蛋白质不易消化。酵母菌：菌体大，易于分离回收，分离的蛋白质较细菌易于消化。目前生产上采用酵母菌较多。丝状真菌：易于回收，质地良好。但生产速度较慢，蛋白质含量低。藻类：其纤维质的细胞壁不易被人体消化。可富集重金属，作为食品需进行加工。废物生产单细胞蛋白2SCP生产菌种的筛选废物生产单细胞蛋白遵循工业微生物选育的基本规则。即一般在富含某种原料的地区土壤中分离，得到能利用这些原料的微生物。（1）利用石油生产SCP微生物的筛选利用烃类的微生物采用富集培养法。目的：使土壤中含量极低的石油微生物在人工配制的培养基中生长繁殖，获得一定量的微生物用于平板分离。废物生产单细胞蛋白（2）利用纤维素的菌种分离从甘蔗地取腐蔗与邻近土壤的混合物，放入分离培养基（液体，有滤纸）中，富集纤维素菌。无菌水浸泡滤纸。平板培养基划线培养。试管培养。废物生产单细胞蛋白（3）利用废水生产SCP微生物的筛选普通富集法：用富集培养基对土样筛选。半连续富集法：对普通富集法得到的菌株再次进行摇瓶培养。恒化态优化法：用玻璃外循环反应器进行间歇培养，后进行连续培养。三生产SCP的基质废物生产单细胞蛋白目前已经开发并认为可作为SCP生产原料的资源大致分为四类。1烃及其氧化衍生物石油烃、天然气及其氧化物（甲醇、乙醇、醋酸等）2农林牧产品加工工业的固体废料和废水木材加工的木屑、刨花、锯末；造纸业的亚硫酸盐纸浆废液；制糖业的蔗渣、废糖蜜；乳品业的乳清食品业的粉渣、粉浆废物生产单细胞蛋白3城市有机垃圾和农村农产废物城市居民区有机垃圾；秸秆；畜类垫草。数量很大可循环再生的纤维资源。4工业废气火电厂、钢铁厂、发酵厂排出的CO2——微型藻类、氢极毛杆菌培养。生产正构烷烃的炼油厂的废气，可生产石油的二次产品（酒精、甲醇、甲醛、醋酸），再用于生产SCP。正处于研究阶段。四、SCP生产的工艺技术单细胞蛋白生产的一般工艺过程：斜面种子种子扩大培养水、基质、营养物质发酵罐培养培养液分离菌体动物饲料干燥洗涤干燥水解分离蛋白质抽提纯化食品对于废渣等固体原料——固态发酵法优点：（1）发酵无需严格灭菌条件；（2）用木质纤维与粗淀粉质作原料不必特殊前处理；（3）全部产物均用于饲料，后处理简单，得率高；（4）设备投资少；（5）发酵全过程无废水或废水量较少，无环境污染技术困难：（1）固态底物传质传热困难，参数监控难；（2）缺乏较大规模的生产设备采用高浓度有机废水——连续发酵方式有利于降低电耗和生产成本，提高生产效率，提高原料利用率。存在问题：（1）液体深层培养需强通风供氧，通风好能比较严重；（2）有机废水中基质浓度相对较低，由此菌体浓度不可能太高，单位质量细胞分离、干燥的成本较高。1藻类SCP的培养生产一些藻类的培养条件微生物碳源和能源规模温度℃pH比生长速率u/h-1培养密度产率小球藻CO2、尿素、日光灯2720L罐394.5~5.80.06250.28%（体积分数）1g/d小球藻异养型：乙酸20L罐366.80.2815ml/L0.48g/d栅列藻SO2,日光10L池25～358.5~9.51g/L12.6g/(m2.d)螺旋藻CO2、日光10L罐35～378～10.50.0194.2g/L2细菌SCP和放线菌SCP的培养生产一些典型的细菌SCP和放线菌SCP生产结果微生物碳源和能源规模u/h-1菌体密度（g/L)产率（g/g底物）不动杆菌粗柴油7.5L发酵罐0.4~1.08~100.10~0.12纤维单胞菌蔗渣530L发酵罐0.20~0.2910~160.44~0.50荚膜甲基球菌甲烷2.8L培养基0.140.41.00~1.03嗜甲基菌甲醇加压气升式发酵罐0.38~0.50300.50假单胞菌燃料油6000L发酵罐0.1210胶质红假单胞菌碳酸氢盐、麦麸4L发酵罐，75W白炽灯0.314.33（分批）3.15（连续）3酵母SCP的培养生产一些典型的酵母SCP生产结果微生物碳源和能源规模u/h-1菌体密度（g/L)产率（g/g底物）解脂假丝酵母正烷烃1800L发酵罐0.1623.60.88热带假丝酵母正烷烃50000L发酵罐0.15~0.2410~301.0~1.1红酵母生活废水14L发酵罐0.16~0.210.08酿酒酵母甘蔗糖蜜75~225m3发酵罐0.20~0.2540~450.50产朊假丝酵母酒精废水50m3气升式发酵罐0.68.04霉菌SCP和高等真菌SCP的培养一些典型霉菌和高等真菌的培养情况微生物碳源和能源规模比生产速率u/h-1菌体密度（g/L)产率（g/g底物）蘑菇葡萄糖25ml三角頩20.641黑曲霉角豆浸汁3000L发酵罐0.2531.5地霉玉米废弃物37854L搅拌池0.75~1.0香菇葡萄糖30L发酵罐0.127.526米曲霉咖啡废水18927L罐0.03745小羊肚菌亚硫酸废液19L坛1.965五SCP生产及研究展望20世纪90年代后SCP的生产以降低经济成本为主要目标目前，SCP生产和研究的重点：1采用价值低的原料或废料。木质纤维素；农作物废料；工业有机废物。2生产SCP的同时得到副产物。脂类；麦角甾醇；D-甘露糖醇；D-阿拉伯糖有机酸；氨基酸。3选育倍增时间短、蛋白质含量高、耐高温、抗污染的优良菌种。如：对SCP生产菌进行遗传工程改良。4开发高效、节能的发酵设备。高生产强度的流化床反应器。外循环气升式反应器。5开发新蛋白质资源。螺旋藻、光合细菌