发酵工程在环境保护中的应用探讨_李晓楼

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自然界存在着丰富的微生物种群，在生物圈物质循环中着重充当分解者的角色。微生物通过发酵作用，可以对物质进行降解与转化，一方面合成自身细胞成分，另一方面，产生新的有用的产品。因此，利用微生物发酵工程的原理与技术，净化和处理环境污染物，可以实现废物资源化，提高整体工艺的效益，降低运行成本，同时达到减轻环境污染，保护环境的目的。本文阐述了发酵的概念和特点，分析了发酵工程的基本原理和过程，探讨了发酵工程在环境保护中的应用，展望了其在环境保护中的应用前景，为环保工作者提供思考。

1、发酵的概念

发酵是微生物分解有机物，产生乳酸或乙醇和二氧化碳的过程，发酵必须依靠微生物酶的参与，并为微生物提供细胞生命活动所需的能量和各种细胞结构物质。广义上的发酵是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式；狭义上的发酵是微生物呼吸作用的一种类型，是指微生物在厌氧条件下，以体内的某些有机物作为最终氢（电子）受体的产能过程；工业上的发酵是泛指一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产过程。

2、发酵的特点

2.1发酵条件温和

发酵过程一般来说都是微生物及其酶作用下的生物化学反应，通常在常温常压下进行，其反应条件也比较简单温和，而发酵工程的三大过程要素是温度、pH值和氧气，因此发酵的过程要素条件一般比较容易控制。

2.2发酵原料广泛

发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，还可以用许多环境中的废弃物，因此发酵原料来源广泛。同时原料中只要加入少量的有机和无机氮源就可进行微生物发酵反应，加之微生物种类多，代谢旺盛，代谢途径多样，具有共代谢作用等。正是由于微生物的这些特性，可以充分利用废水和废物中的有机物作为发酵的原料进行污染物的降解利用和资源化，达到废物资源化和环境保护的目的。

2.3发酵专一性强

发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，更确切地讲，是通过微生物的酶来调节的，由于微生物的遗传特性及其酶的专一性，因此，发酵反应的专一性强，因而可以得到较为单—的发酵代谢产物。

2.4发酵的高效性

微生物优良菌种是进行发酵的根本因素，是发酵取得良好效益的关键。通过微生物诱变和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品，因此发酵具有高效性。

2.5发酵的创新性

随着科学技术的发展和人们对生物技术研究的深入，现代发酵工程除了使用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的“工程菌”来进行反应；反应设备也不只是常规的发酵罐，而是以各种各样的生物反应器取而代之，自动化、连续化程度高，使发酵水平在原有基础上有所提高和和创新，因此发酵具有创新性。

3、发酵工程的原理

发酵的基本原理是单一菌种在培养基中的纯培养，因此优良菌种的选育和发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。优良菌种的选育是发酵取得良好效益的关键，因此必须采取合理的菌种选育方法，获得性能优良稳定的菌种。此外，发酵过程杂菌防治是生产成败的关键，除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而无菌操作和无菌概念要贯穿整个发酵过程的始终，因此对杂菌的防治和控制是发酵成败的关键。

4、发酵工程的过程

发酵工程的过程一般可以分为原料预处理、发酵准备、发酵过程以及产品分离提纯四个阶段。

4.1发酵原料的预处理

发酵的原料丰富，来源广泛，在环境中还可以用许多废弃物，如废纤维素等作为发酵的原料，这样可以节约成本，同时达到保护环境的目的。但微生物往往不能直接利用纤维素等原料，许多微生物发酵只能利用葡萄糖，因此要将原料进行粉碎、蒸煮并水解成葡萄糖，以供微生物利用，因此要对发酵的原料进行预处理。

4.2发酵过程的准备

准备阶段的任务包括四个方面，即各种器具的准备，培养基的准备，优良菌种的选育，器具和培养基的消毒灭菌。这里主要是菌种的制备和发酵原料的灭菌。消毒和灭菌是种子制备与发酵的必要条件。发酵过程中无杂菌感染是发酵成功与否的关键。同时由于发酵是一个生化过程，微生物对生长因子和环境因子等有一定的要求，因此还要添加必要的营养盐和调节pH值等。

4.3发酵过程

发酵过程从不同的角度可分成不同的类型。根据是否需要氧气分为厌氧发酵（静置发酵）和好氧发酵（通气发酵）；根据发酵培养基的性质分为固态发酵和液态发酵；根据发酵原料的添加方式分为分批发酵、补料分批发酵及连续发酵等。发酵过程还包括过程检测、发酵条件的控制、发酵条件对菌种代谢的影响。由于发酵过程实质上是在生物反应器中，微生物将有机物转化为本身的细胞结构物质，同时生产目的产物的过程，同时由于使用的微生物菌种不同，代谢规律不一，因此可以在实际中采用不同的发酵方法。

4.4产品的分离和纯化

产品的分离和纯化是将所需要的产物从发酵液中分离出来的过程，亦即是从发酵液中分离提取符合质量指标的制品的过程，也称后处理。主要包括细胞破碎，分离，醪液输送，过滤除杂，离子交换，超滤，层析，沉淀分离，萃取，蒸发，结晶，蒸馏，干燥包装等过程和单元操作，当然由于发酵的目的不同，产品不一样，产品分离纯化的步骤也不相同。

5、发酵工程的应用

微生物发酵技术已经广泛运用于环境保护的多方面，以下重点介绍几项经多年开发，已接近产业化的微生物发酵技术。

5.1亚硫酸盐纸浆废液乙醇发酵

亚硫酸盐纸浆废液中含有较多的木质素和相当数量的糖类，总固形物约9%-17%，其中有机物占总固形物的85%-90%。亚硫酸盐纸浆废液中可发酵性糖的来源主要是半纤维素。亚硫酸盐纸浆废液经过预处理后，添加N、P，在发酵罐中加入絮状酵母，通入空气搅拌，进行乙醇发酵，可生产乙醇。

5.2酵母循环系统

酵母循环系统是一种利用酵母的新式食品废水处理系统，能有效地处理废水并能回收大量的酵母菌体，从而解决了活性污泥法剩余的污泥问题。与细菌活性污泥系统相比，酵母废水系统的性能大大提高。酵母废水处理系统日处理能力达到10-15B O D k g/m3，是细菌法的5-7倍，酵母污泥可在常压下脱水，无需添加药剂。

5.3废纤维素的资源化

纤维素是生物圈中数量最大的废物。目前以绿色木霉生产纤维素酶制剂，其酶活力已经得到很大的提高，并据此开发了纤维素酶解糖化工艺。此外利用纤维素肥料生产单细胞蛋白的技术也在不断地改进。80年代全世界用纤维素原料的水解液生产S C P已达50×104t。同时利用纤维素生产乙醇，被认为是解决能源危机和减少能源污染的一条有效途径。

5.4有机固体废物的快速堆肥

我国每年由固体废弃物造成的各种经济损失达80亿元，而这些废弃物中含有许多有利用价值的物质和能量组成，各种有机物就是其中之一。运用微生物发酵，对废弃物进行无害化、资源化、减量化处理，可以达到变害为宝，化害为利的目的。传统的静态发酵堆肥法就是将有机废弃物进行厌氧发酵，制成有机肥，使固体废弃物无害化处理的过程。有机废物经堆肥化处理后，可以成为优良的土壤改良剂和优质肥料。而高效快速的堆肥技术也是20世纪60年代以来国内外竞相研究的重点之一。堆肥方法已从传统的露天静态堆肥向快速堆肥法发展，如D AN O 工艺可以节省投资，提高处理能力。

6、发酵工程在环境保护中的应用前景展望

随着发酵工程技术在环境保护中的应用，随着全球范围内对环境保护的高度重视，为发酵工程及其技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。我国微生物发酵工程在环境保护上的应用还处于初级阶段，发酵工程技术在环保中进一步开发需要得到我们社会、同行及主管部门的广泛支持。大力开发以废物资源化为主体的微生物发酵工程技术研究，大力推进发酵工程技术在环境保护中的应用，带动整个环保科技的发展，并为环保市场提供高品质的环境保护技术，是每个环保工作者和科研人员关心和重视的课题,发酵工程在环境保护中的应用必将取得更大的成绩。

参考文献

［1］周群英等.环境工程微生物学.高等教育出版社，2000.

［2］孔繁翔等.环境生物学.高等教育出版社，2000.

［3］余莉萍等.环境生物技术的应用及发展趋势.城市环境与城市生态，2002年4月.

［4］倪丽娜等.现代生物技术在环境微生物学中的应用.氨基酸和生物资源,2002年第24期.

发酵工程在环境保护中的应用探讨

四川职业技术学院李晓楼杨丽华

［摘要］本文阐述了发酵的概念、特点，分析了发酵工程的基本原理和过程，探讨了发酵工程在环境保护中的应用，展望了其在环境保护中的应用前景，为环保工作者提供思考。

［关键词］发酵工程发酵环境保护微生物

职教与成教

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