CN106282253B - 一种利用活性污泥和秸秆发酵生产γ-聚谷氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用活性污泥和秸秆发酵生产γ‑聚谷氨酸的方法，步骤为：将秸秆粉碎处理；污泥脱水处理后，与秸秆混合；加入硝酸，水解；加碱中和；配制发酵培养基；加入枯草芽孢杆菌，发酵；固液分离，再提取发酵液中的γ‑聚谷氨酸。本发明工艺流程简单，操作方便，它既减少活性污泥和农业废弃物对环境造成的污染，同时变废为宝，将活性污泥和秸秆进行资源化利用生产γ‑聚谷氨酸，所得产品生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用活性污泥和秸秆发酵生产γ-聚谷氨酸的方法，属于生物工程领域。
背景技术
在污水处理过程中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一，这一方法因其效率高、成本低、占地少的优点在水处理中发挥着非常重要的作用，但这一方法处理污水的过程中会产生大量的剩余污泥，通常占污水总量的0.5％-1.0％。在一个普通的二级污水处理厂中，污泥处理所需投资约占总投资的30％-40％，运行费用约占总运行费用的20％-50％。污泥消化后经脱水再进行填埋是国内大型污水处理厂中常用的处置方法。填埋处置较经济，但这种处置方式需要占用大量的土地、浪费污泥中可回收利用的资源，同时增加对地下水造成污染的潜在危险。因此，剩余活性污泥的资源化利用或高效处理方法的研究已成为当今世界各国十分关注的热点。
近年来，农作物秸秆成为农村面源污染的新源头。每年夏收和秋冬之际，总有大量的小麦、玉米等秸秆在田间焚烧，产生了大量浓重的烟雾，不仅成为农村环境保护的瓶颈问题，甚至成为殃及城市环境的罪魁祸首。据有关统计，我国作为农业大国，每年可生成7亿多吨秸秆，成为“用处不大”但必须处理掉的“废弃物”。
γ-聚谷氨酸是微生物产生的一种胞外氨基酸聚合物，是一种水溶性、可被生物降解的新型高分子材料，在环保、化工等领域具有广阔的应用前景。目前由于γ-聚谷氨酸发酵培养基成本高，导致γ-聚谷氨酸价格过高缺乏市场竞争力。
枯草芽孢杆菌Z-115是山东建筑大学市政与环境工程学院分离并保存的一株生产γ-聚谷氨酸的菌株（张超，栾兴社，朱明晟，等. 各种氨基酸对枯草芽孢杆菌生产聚谷氨酸的促进作用. 食品工业［J］，2013，1（34）: 119-122.），该菌株属于枯草芽孢杆菌。在上述文章中，作者通过实验证明：在发酵初始添加 3 g/L 天冬氨酸、1.5 g/L苯丙氨酸和在对数生长期晚期添加7 g/L谷氨酸使γ-聚谷氨酸产量分别提高12.6%、23.7%和31.7%。但是该技术在实际应用中存在着发酵培养基成本高的缺点，限制了它的广泛推广与应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用活性污泥和秸秆发酵生产γ-聚谷氨酸的方法，该方法解决了目前活性污泥和秸秆污染环境和γ-聚谷氨酸发酵培养基成本过高的问题。国内外文献还没有利用活性污泥和秸秆发酵生产γ-聚谷氨酸这方面的任何相关报道。
具体技术方案如下：
（1）将秸秆进行机械粉碎，过20-40目筛子筛分；
（2）利用板框式压滤机对污泥进行脱水处理，使泥饼含水率降至75%以下，并与秸秆混合；
（3）加入1mol/L的硝酸溶液，直至完全浸没污泥和秸秆，在70-85℃的条件下水解2-3h；
（4）水解液自然冷却至常温后，加入10mol/L氢氧化钠溶液调pH至7.0，4000r/min离心后获得水解液；
（5）每1000mL水解液中加入4%的谷氨酸钠制成发酵培养基，121℃灭菌15 min待用；
（6）接种3％-5％的枯草芽孢杆菌，在37℃的条件下发酵80-90h；
（7）固液分离，再提取发酵液中的聚谷氨酸。
上述方法中，步骤（1）中，污泥和秸秆的混合比例：秸秆30％-80％，活性污泥20%-70％。
上述方法中，步骤（5）中，加入的枯草芽孢杆菌为Bacillus subtilis Z-115。
上述方法中，步骤（6）中，采用的提取步骤：发酵液于4000r/min离心10min除去菌体，上清液加入2.5倍体积无水乙醇，摇匀，4000r/min、5min离心得沉淀，沉淀用蒸馏水溶解，透析过夜，透析液加2倍体积无水乙醇，得到的沉淀物在105℃烘箱中干燥，得到γ-聚谷氨酸粗品。
本发明利用活性污泥和秸秆生产γ-聚谷氨酸，为活性污泥和秸秆的无害化处理提供一条新的途径，适合国家“十二五”规划产业政策，应用前景非常广阔。本发明具有以下优点：
（1）本发明解决了活性污泥和秸秆对环境的污染问题，首次提出利用活性污泥和秸秆来生产附加值高的聚谷氨酸。
（2）利用活性污泥和秸秆生产γ-聚谷氨酸，解决了γ-聚谷氨酸发酵培养基成本过高的问题，培养基成本可以降低90%以上。
（3）目前秸秆的预处理一般均采用加入纤维素酶以提高秸秆的糖化率，但酶制剂价格昂贵，导致处理成本过高缺乏市场竞争力。本发明采用的是硝酸，处理成本更低。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其进行限定。如无特别说明，下述实施例中出现的百分数均为重量百分数。
实施例1
采用下述方法制备γ-聚谷氨酸：
1、将秸秆进行机械粉碎，过20-40目筛子筛分。
2、利用板框式压滤机对污泥进行脱水处理，使泥饼含水率降至75%以下，并与秸秆混合，其中，污泥和秸秆的混合比例：秸秆30％，活性污泥70％。
3、加入1mol/L的硝酸溶液，直至完全浸没污泥和秸秆，在70℃的条件下水解3h。
4、水解液自然冷却至常温后，加入10mol/L氢氧化钠溶液调pH至7.0，4000r/min离心后获得水解液。
5、每1000mL水解液中加入4%的谷氨酸钠制成发酵培养基，121℃灭菌15 min待用。
6、接种3％的枯草芽孢杆菌Z-115，在37℃的条件下发酵80h。
7、发酵液于4000r/min离心10min除去菌体，上清液加入2.5倍体积无水乙醇，摇匀，4000r/min、5min离心得沉淀，沉淀用蒸馏水溶解，透析过夜，透析液加2倍体积无水乙醇，得到的沉淀物在105℃烘箱中干燥，得到γ-聚谷氨酸粗品，产量为8.2g/L。
实施例2
采用实施例1的方法制备γ-聚谷氨酸，不同的是，步骤2采用的污泥和秸秆的混合比例：秸秆80％，活性污泥20%；步骤3采用的过程是：加入1mol/L的硝酸溶液，直至浸没污泥和秸秆，在85℃的条件下水解2h。γ-聚谷氨酸的最终产量为9.4g/L。
实施例3
采用实施例1的方法制备γ-聚谷氨酸，不同的是，步骤6采用的过程是：接种5％的枯草芽孢杆菌，在37℃的条件下发酵90h，γ-聚谷氨酸的最终产量为10.2g/L。
Claims (1)
1.一种利用活性污泥和秸秆发酵生产γ-聚谷氨酸的方法，其特征是包括以下步骤：
(1)将秸秆进行机械粉碎，过20-40目筛子筛分；
(2)利用板框式压滤机对污泥进行脱水处理，使泥饼含水率降至75％以下，并与秸秆混合；其中秸秆30％-80％，活性污泥20％-70％；
(3)加入1mol/L的硝酸溶液，直至完全浸没污泥和秸秆，在70-85℃的条件下水解2-3h；
(4)水解液自然冷却至常温后，加入10mol/L氢氧化钠溶液调pH至7.0，4000r/min离心后获得水解液；
(5)每1000mL水解液中加入4％的谷氨酸钠制成发酵培养基，121℃灭菌15min待用；
(6)接种3％-5％的枯草芽孢杆菌，在37℃的条件下发酵80-90h；
(7)发酵液于4000r/min离心10min除去菌体，上清液加入2.5倍体积无水乙醇，摇匀，4000r/min、5min离心得沉淀，沉淀用蒸馏水溶解，透析过夜，透析液加2倍体积无水乙醇，得到的沉淀物在105℃烘箱中干燥，得到γ-聚谷氨酸粗品。
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| 利用城市污泥生产苏云金杆菌生物农药;王世梅等;《中国环境科学》;20060228;第26卷(第1期);摘要，第77页左栏第1-2段，第1.1-1.2、2节 * |
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