微生物絮凝剂及在食品工业水处理中的应用

张记霞

（包头轻工职业技术学院，内蒙古 包头 014000）

目前微生物絮凝剂的研究和应用越来越受到重视。微生物絮凝剂是一类由微生物菌体所分泌的一些分泌物或其产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的。微生物絮凝剂作为一种新型微生物产品，具有絮凝范围广泛，效率高，运行方式灵活，无毒，可消除二次污染，使液体中不易降解的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体粒子等凝集、沉淀。微生物絮凝剂多数相对分子质量较大，达到104～106。分离纯化的微生物絮凝剂主要有多聚糖、糖蛋白、糖脂、脂蛋白、DNA、RNA、纤维素等，其中以多聚糖和糖蛋白类物质占绝大多数。

一、微生物絮凝剂产生菌

至今发现的具有絮凝性的微生物达32个种［1］，其中细菌18种，真菌9种，放线菌5种，由它们生产的絮凝剂中，最具代表性的为以下三种：1976年Nakamura J.用酱油曲霉生产的絮凝剂AJ7002；1985年，H.Takagi用拟青霉属生产的絮凝剂PF101，对啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土和氧化铝等有良好的絮凝效果；1986年R.Kurane等人利用红平红球菌研制成功微生物絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母菌、泥浆水、河水、粉煤灰水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的絮凝效果最好的微生物絮凝剂。

二、微生物絮凝剂的分类

1.直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母菌，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。

2.利用微生物细胞提取物的絮凝剂，如酵母菌细胞壁的葡聚菌、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酸葡萄糖胶等成分均可以作为絮凝剂。

3.利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物，主要有细菌的荚膜（菌胶团）和粘液质，除水分外，其余主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及复合物，其中多糖在某种程度上可作为絮凝剂。

三、微生物絮凝剂的絮凝机理［2］

1.“桥联作用”机理

“桥联作用”机理认为微生物絮凝剂是一种具有长链线状的结构的生物大分子物质，其借助静电引力、范德华力或者氢键的作用吸附多个不同的胶体颗粒，并在颗粒间产生“架桥”现象，生成粗大的絮团而沉淀下来。研究显示细菌细胞之间有胞外聚合物搭桥相连，正是这些桥使细胞丧失了原有胶体的稳定性而紧密聚合并在液体中沉淀下来。

2.“电性中和”机理

胶体颗粒的絮凝过程中，电中和效应也是不容忽视的。溶液中带有多个电荷的多价电解质能够与颗粒表面带相反电荷发生中和，从而减弱颗粒间彼此的相互排斥力，促进颗粒的絮凝沉降。

3.“卷扫作用”机理

该机理认为当微生物絮凝剂投加到一定量时可形成小粒聚体，在重力作用下迅速网捕，卷扫水中胶粒而产生沉淀分离，称为“卷扫作用”或“网捕作用”。

此外还有荚膜学说、病毒假说等多种理论可以解释絮凝机理。微生物絮凝剂作为带电荷的生物大分子，作用机理尚处于探讨和完善阶段。对于微生物絮凝剂的絮凝机理，其中的架桥机理是被广泛接受并认同的。

四、影响絮凝活性的因素

1.微生物絮凝剂本身特性的影响

（1）分子量。微生物絮凝剂的主要成分中含有亲水的活性基团，如氨基、羟基、羧基等，故其絮凝机理与有机高分子絮凝剂（利用其线性分子的特点起到一种粘接架桥作用而使颗粒絮凝）相同。絮凝剂分子量的大小对其絮凝效果有一定的影响，分子量越大的，絮凝活性越高；当絮凝剂的分子量减小，絮凝活性会明显下降。

（2）胶体颗粒表面电荷的影响。胶体颗粒表面电荷对絮凝有重要影响。相反电荷的聚合电解质能减少颗粒表面电荷密度，以至颗粒可以彼此充分紧密接近，使吸引力变得有效。

一般无分支结构的絮凝剂，絮凝效果较好；产生菌培养后期形成的絮凝剂絮凝效果较好。

2.反应条件

微生物絮凝剂的絮凝效果受加剂量、pH值、金属离子、温度、搅拌速度、水质等多种反应条件的影响。

（1）絮凝剂的投加剂量。每一种絮凝剂都有最佳投加剂量，过多或过少，絮凝效果均会下降。据分析，投加剂量的最佳值约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和一半时的吸附量，此时大分子在固体颗粒上架桥几率最大。

（2）pH值。不同的絮凝剂对pH值变化所表现的效果也不一样，同种絮凝剂对不同的被絮凝物具有不同的pH初始值要求。故每一种絮凝剂都有其最适的pH值范围，大于或小于某一pH值都会影响微生物絮凝剂及其被絮凝物表面电荷、带电状态及中和电荷的能力。在最适的pH值范围内，微生物絮凝剂表现出良好的絮凝活性。

（3）温度。适当改变温度可提高絮凝效率。由于絮凝物质结构上含有蛋白质或肽链的絮凝剂一般都是热不稳定的，高温可使这些高分子物质空间结构改变，导致变性，从而使絮凝活性下降。而由糖类构成的絮凝剂则是热稳定的，它们对温度不敏感，絮凝剂活性不随温度的改变而改变，或者改变较少。例如R.erythropolis产生的絮凝剂在100℃的水中加热15min后，其絮凝活性下降50%。

（4）金属离子的种类和浓度。微生物絮凝剂受金属离子的种类和浓度影响较大。不同的絮凝剂，其适合的离子种类有所差异，目前研究较多的有二价离子中的Ca2+、Mg2+、Mn2+等，以及三价离子中的Al3+、Fe3+等；不同的金属离子在适当的浓度下与悬浮颗粒以离子键相结合，从而提高絮凝活性，这对于提高微生物絮凝剂的絮凝活性有重要意义。若金属离子的浓度过高，由于大量离子占据了絮凝剂分子的活性部位，把絮凝剂分子与悬浮颗粒隔开而抑制絮凝活性。

五、微生物絮凝剂在食品工业水处理中的应用

1.食品工业废水

由于微生物絮凝剂具有安全、无毒的特性，逐渐在食品工业废水处理中被采用，并可达到满意的效果。如用微生物絮凝剂普鲁兰处理味精废水，其COD和SS的去除率可达到40%左右，其浊度去除率可达99%［3］。用絮凝剂A-9处理淀粉厂的黄浆废水，其处理效果也明显优于目前使用的其它化学絮凝剂，且可回收其蛋白质成分作饲料。

2.乳化液的油水分离

乳化液中加入特定的絮凝剂，在一定程度上可使油水分离。如用Alcaligenes latus培养物可以很容易地将棕搁酸从其乳化液中分离出来。试验表明，向100mL的0.25%乳化液中加入10mLAlcaligenes latus培养液和1mL聚合氨基葡聚糖，乳化液中形成明显可见的油滴并浮于表面，下层清液的COD值从原来的450mg/L下降为235mg/L，下清液的COD去除率为48%，远好于无机絮凝剂和人工合成的高分子絮凝剂。

3.发酵产品的固液分离

利用絮凝剂对细胞具有优良的沉降性能来去除发酵液中的菌体，可大大减少能耗，降低成本，且操作简单，管理方便。在酿酒工业中，用具有絮凝性能的酵母替代没有絮凝性能的酵母可以酿出质量更好的啤酒；另外，在生物乙醇和面包发酵酵母的生产中也应用了这种絮凝剂，并可达到良好去除固体物的效果，减少处理时间，有助于降解不稳定生物物质以及节省成本。

六、结 论

微生物絮凝剂作为一种新型的絮凝剂，虽然现在主要应用于废水处理方面，但在食品工业中也将有着良好的应用前景，并显示有强大的生命力。微生物絮凝剂将可能在未来取代或大部分取代传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂，但微生物絮凝剂的应用还大多处于菌种的筛选阶段，存在成本较高的缺点，无法适应工业化生产的需要。目前，推广应用微生物絮凝剂的关键是应进一步降低微生物絮凝剂的生产成本。为此，今后的工作应主要集中在以下几个方面：①改进培养条件，研制出低成本的培养源。②优良絮凝剂高产菌株的筛选及产生菌的诱变育种和基因控制。③要达到大规模的工业化生产，需对微生物絮凝剂的合成条件和影响絮凝活性的因素进行更深入的研究，以便寻找廉价的培养基和控制絮凝剂发挥作用的最优条件。

［1］张本兰.新型高效、无毒水处理剂——微生物絮凝剂的开发与应用［J］.工业水处理，1996，16（1）：7-9.

［2］王猛，施宪法，柴晓丽.微生物絮凝剂的研究与应用［J］.化工环保，2001，21（6）：328-332.

［3］陶涛.普鲁兰预处理高浓度味精废水的研究［J］.中国给水排水，2001，27（1）：39-42.