摘要:废酵母是啤酒工业废水中的主要污染物。在常温下,用10%的淡盐水,从废酵母中提取核糖核酸和脱核酵母,回收率为3.3%~3.5%和65.2%~66.5%。对提取液进行预处理后,核糖核酸产品纯度大于90%。提取核糖核酸和脱核酵母后废水的BOD5 和CODcr分别下降81%和78%以上。
关键词:啤酒;发酵;废水;核糖核酸;脱核酵母
中图分类号:X791 文献标识码:A 文章编号:1009-2455(2003) 03-0047—03
Extradion of Ribonucleic Acid fFOm Fermentation Wastewater of Brewery
XU Ning,LI Zhi-fu,FENG Wen-hua
(School of Engineering Taishan Medical College,Taian 271000,China)
Abstract:Spent yeast is the main pollutant in the wastewater from breweries. The recovery rates of ribonu-cleic acid and deribonucleic yeast from spent yeast ambient temperature using 10% dilute brine are 3.3%~3.5%and 65.2%~66.5%respectively.After the pretreatment of the extract,the purity of the ribonucleic acid proauct exceeus 90%.Alter the extraction of ribonucleic acid and deribonucleic yeast,the BOD5,and CODcr of the wastewater decrease by 81%and 78% respectively.
Key words:beer;fermentation; wastewater; ribonucleic acid; deribonucleic yeast
目前,我国年产量在 10×l04 t以上的啤酒厂有几十家,最小的年产量也在 10×103 t左右。这些厂遍布全国各地,生产中排出大量含有碳水化合物、蛋白质等物质的废水。据统计,每生产11啤酒约产出12—15 m3 的废水,当前全国啤酒年产量约为 2 ×l07t,每年产生大约 3×l08 m3 的废水。啤酒工业废水的污染指标因所在地区和生产工艺的不同而略有差异,但大部分ρ(CODcr)>1500 mg/L,ρ(BOD5)>1000 mg/L,ρ(SS)>280 mg/L[1]。
啤酒废水中有机物主要来自酿造工序,如发酵过程中含有酵母残余物、废酵母的废水,其BOD5 的质量浓度高达 6800-13000 mg/L,约占整个废水BOD5的82%[2],而其中的废酵母是主要污染物,1 g干酵母产生的 BOD5 约为 0.4 g[3]。因此,将这部分废水中的废酵母加以利用,提取核糖核酸并生产饲用脱核酵母,可变废为宝,同时,大大降低废水处理负荷。我们利用啤酒厂酿造工序废水中的酵母,通过盐析方法提取试验,回收高纯度、低浊度的核糖核酸,确定了可行的工艺条件。
l 原理
酵母中核糖核酸(RNA)的质量分数为 2.67%-10.0%,脱氧核糖核酸(DNA)的质量分数为0.03%-0.516%,其他真菌中RNA的质量分数为0.665%-28.5%,DNA的质量分数为0.15%-3.30%[4-5]。啤酒酵母中的核糖核酸大多与蛋白质结合成核蛋白,被包含在酵母细胞内,菌体外有一层坚韧的细胞壁。盐析法提取酵母中的核糖核酸是通过改变细胞的渗透压,利用其溶于水的特性使其溶解于水中,再通过调节pH值,将核糖核酸从溶液中沉淀出来,经分离、洗涤、干燥后得成品核糖核酸。
试验流程如图1所示。
2 试验原料和方法
2.1 原料
啤酒废酵母:来自啤酒厂酿造车间;食盐(市售);盐酸、氯化钙、氢氧化钠(工业级)、无水乙醇(分析纯);絮凝剂(工业用)。
2.2 设备、仪器
带搅拌和换热装置的敞口反应器,板框压滤机、离心分离机、沉淀漕、真空干燥器、751 GW型分光光度计、PHS-gV酸度计。
2.3 分析方法
至今,市场上对核糖核酸产品质量还没有一个统一的标准,只是国际上一些公司常用的技术标准。一般包括RNA含量(纯度)、浊度、pH值等。RNA含量采用铝蓝比色法。水分采用重量法测定。浊度的分析方法通过透光率测定。
2.4 试验方法
整个实验采用正交试验法,以确定最佳工艺条件。每组试验基本步骤为:
①将当日排放的废酵母,用清水洗涤3~4次,沉淀 30~40 h后,除去上层清水,取样测定沉淀的水分。
②将水洗后含酵母20%-25%的原液加人反应器,按不同的浓度加人精制食盐,搅拌均匀后调节pH值,然后迅速升温至90℃,并在90~95℃下保温2~3 h。
③将盐析完成的物料冷却至50~55℃,加入适量絮凝剂,然后进行重相、轻相离心分离、洗涤。重相用于生产饲用脱核酵母。
④在分离出的清液中加人助凝剂和絮凝剂,控制适当的 pH值,沉淀后 2 h后进行分离。
⑤上步分离的清液冷却至 20℃以下,用 6mol/L的盐酸迅速把pH值调至2.0左右,并加入少量氯化钙,沉淀0.5 h后,去掉上清液,再离心分离。
⑥用pH为2.0左右的去离子水洗涤滤饼数次,除去残盐及水溶性杂质。
⑦用不同浓度的乙醇分别洗涤滤饼数次,以便除去醇溶性杂质和色素。
⑧过滤除去乙醇,并在55~60℃的真空干燥器中干燥,然后粉碎过80目筛得成品核糖核酸。
3 试验结果与讨论
3.1 核糖核酸的回收率
湿酵母含水75%~80%,每批试验投料为折干酵母 500 g。回收率数据如表 1。以干酵母为基准的回收率,核糖核酸的质量分数为3.3%~3.5%,脱核酵母的质量分数为65.2%~66.5%。
表1 回收率试验数据 | |||||
序号 | 核糖核酸 | 脱核酵母 | |||
干重/g | 质量分数/% | 回收率/% | 干重/g | 回收率/% | |
1 | 18.6 | 91.2 | 3.4 | 331.0 | 66.2 |
2 | 18.1 | 91.2 | 3.3 | 332.5 | 66.5 |
3 | 18.2 | 90.9 | 3.3 | 331.5 | 66.3 |
4 | 18.7 | 91.0 | 3.4 | 327.0 | 65.4 |
5 | 19.3 | 90.7 | 3.5 | 326.0 | 65.2 |
6 | 18.2 | 90.5 | 3.3 | 327.5 | 65.5 |
7 | 19.4 | 90.2 | 3.5 | 329.5 | 65.9 |
8 | 19.4 | 90.1 | 3.5 | 328.5 | 65.7 |
平均 | 90.7 | 3.4 | 328.5 | 65.8 | |
3.2 盐析的影响因素
影响盐析中核糖核酸回收率的主要因素有盐质量分数、溶液出值和升温速率。其中在溶液pH值6.0~7.0 时,盐质量分数影响结果如表 2 所示。
盐的质量分数在 9.0 %~11.0 %时,回收率可达3.4%以上;盐的质量分数在 7.0%~9.0 %时,回收率为 3.0 %~3.3%;当盐的质量分数低于 7.0%后,回收率大幅度下降。试验还表明,加盐后必须快速将溶液升温至90℃,尽可能缩短20~70℃之间的停留时间,减少磷酸二脂酶的降解率,提高核糖核酸的回收率。
表2 盐的质且分贝对核出核糖核酸回收率的影响 | ||||
序号 |
溶液盐的质 量分数/% |
核糖核酸 |
纯核糖核酸 回收率/% |
|
干重/g | 质量分数/% | |||
1 | 11.0 | 19.3 | 90.8 | 3.5 |
2 | 10.0 | 19.3 | 90.7 | 3.5 |
3 | 9.0 | 19.2 | 91.1 | 3.4 |
4 | 8.0 | 18.2 | 90.9 | 3.3 |
5 | 7.0 | 16.4 | 91.2 | 3.0 |
6 | 6.0 | 14.8 | 91.0 | 2.7 |
(pH=6.0~7.0.每批投料 500 g 折干酵母) |
3.3 抽取液的预处理
为获得低浊度的核糖核酸,对分离出的抽取液进行预处理是关键的一步。在盐析后、分离前加人适当的絮凝剂有利于轻、重相的离心分离,但投加量过多会影响洗涤效果,造成较大流失,影响回收率。经过筛选试验,采用聚丙烯酸钠做絮凝剂,用氯化亚铁作助凝剂,在 pH=6.0±0.5时,效果较好。沉降后的清液直接分离核糖核酸,产品的浊度仍然高于 26%,必须将其中悬浮的颗料进一步分离。试验中采用硅藻土过滤机进行过滤,使产品的浊度控制在17%~20%之间。
预处理主要除去的是微粒状悬浮物和部分自港蛋白质,要将大部分自溶蛋白质除去,还要进一步研究适当的工艺条件。
3.4 核糖核酸的分离
在常温条件下,将预处理后的抽取液,控制pH值为2.0左右即可沉淀出核糖核酸。与常用的低温法相比,回收率没有下降。加人0.5%~1.0%的氯化钙后,使沉淀时间由原来的 2h 以上缩短到0.5 h 以内,且沉淀效果明显好转,离心分离容易。
核糖核酸在稀碱或酸性条件下,都会产生不同程度的降解,只在低温酸性条件下比较稳定。所以,加入少量氯化钙促进沉淀,不但可以缩短常温下停留时间,而且可以减少降解损失。
3.5 对废水污染的控制效果
来自酿造工序的废水通过沉降、过滤分离后,所含废酵母的81%~84%被分离下来,试验所用几次废水水样分离前后的BOD5,CODcr,SS数据列于表3。分离酵母后,废水的BOD5,和CODcr分别下降80%和78%以上。
4 回收量分析
不同厂家酿造工序的废水量波动较大,一般含废酵母17~33 g/L,经沉降、过滤可分离出其中的81%以上。当核糖核酸回收率达到3.3%时,可从每升废水中回收0.6~1.1g 的核糖核酸,同时回收11.1~21.5 g 的脱核酵母。每公斤干酵母消耗食盐为 1 kg。洗涤用乙醇循环使用,但损耗较大,约为30%。
表3 分离酵母前后水样的分析结果 | ||||||
序号 | 分离前 | 分离后 | ||||
ρ(BOD5)/ (mg·L-1) |
ρ(COD)/ (mg·L-1) |
ρ(SS)/ (mg·L-1) |
ρ(BOD5)/ (mg·L-1) |
ρ(COD)/ (mg·L-1) |
ρ(SS)/ (mg·L-1) |
|
1 | 10137 | 712 | 10180 | 1923 | 143 | 772 |
2 | 10950 | 691 | 11072 | 2061 | 137 | 593 |
3 | 12420 | 387 | 12561 | 2294 | 132 | 654 |
4 | 13017 | 578 | 13095 | 2407 | 110 | 815 |
5 | 12366 | 614 | 12505 | 2299 | 117 | 930 |
5 结论
①本工艺在常温下用淡盐提取核糖核酸,与常规的低温浓盐法相比,在保证较高回收率的前提下,缩短了生产周期,降低能耗。
②回收的核糖核酸产品纯度大于90%,浊度小于20%。
③用该方法提取核糖核酸,并同时回收脱核酵母后,酿造工序废水的BOD5 和CODcr 均有较大幅度的降低。
参考文献:
[1] 管敦义.啤酒工业手册[M].北京:轻工业出版社,1998
[2] 大连轻工业学院,无锡轻工业学院.酿造酒工艺[M].北京:轻工业出版社,1992.
[3] 张永明,俞俊棠,王建龙.处理啤酒洗槽废水同时生产单细胞蛋白[J].环境科学,2000,21(3):97-99.
[4] 中国科学院微生物研究所.微生物在工业上的应用[M].北京:科学出版社,1971.
[5] Rehm H J.Industrielle Mikrobiogie[M].New York:Springer-Verlag Berlin,Heidelberg,1967.
作者简介:许宁(1961-),男,江苏南京人,高级工程师,从事水污染控制工程的研究与教学工作,电话(0538)8513255。