全 文 ：第７卷第５期
２００９年９月
生　物　加　工　过　程
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｐｒｏｃｅｓｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．７Ｎｏ．５
Ｓｅｐ．２００９
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１７６２－３６７８．２００９．０５．０１０
收稿日期：２００９－０１－１９
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目 （２００６ＡＡ０２Ｚ２０７）；国家自然科学基金资助项目（２０６７６０５５）
作者简介：周浩然（１９８７—），男，江苏无锡人，硕士研究生，硕究方向：发酵工学；詹晓北（联系人），教授，博士生导师，Ｅｍａｉｌ：ｘｂｚｈａｎ＠ｊｉａｎｇｎａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ
威兰胶生产废液循环利用工艺
周浩然，詹晓北，郑志永，吴剑荣，申凤丹
（江南大学　生物工程学院　工业生物技术教育部重点实验室，无锡　２１４１２２）
摘　要：为减少威兰胶生产过程中的废水排放量，针对威兰胶生产中废水形成的主要环节，对乙醇蒸馏母液的循环
利用工艺进行初步研究。在分析乙醇蒸馏母液主要成分的基础上，对比威兰胶发酵过程的物质耗用量，以蒸馏母
液作为配制培养基用水，确定威兰胶循环发酵培养基的组成，构建威兰胶生产废液循环利用的闭路工艺，达到清洁
生产的目的。研究表明，与常规威兰胶发酵相比，采用闭路循环发酵工艺可节省３０％ ＫＨ２ＰＯ４及６０％ ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ
用量，同时产品质量浓度维持在１６８ｇ／Ｌ左右，其黏度及流态特性指数ｎ值分别维持在５１Ｐａ·ｓ和０２７５左右。
关键词：威兰胶；循环利用；乙醇蒸馏母液
中图分类号：ＴＳ０５　　　　文献标志码：Ａ　　　　文章编号：１６７２３６７８（２００９）０５００５００４
ＲｅｃｙｃｌｅｏｆｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｉｎＷｅｌａｎｇｕｍｐｒｏｄｃｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ
ＺＨＯＵＨａｏｒａｎ，ＺＨＡＮＸｉａｏｂｅｉ，ＺＨＥＮＧＺｈｉｙｏｎｇ，ＷＵＪｉａｎｒｏｎｇ，ＳＨＥＮＦｅｎｇｄａｎ
（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，
ＳｃｈｏｏｌｏｆＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＷｅｌａｎｇｕｍｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｃｙｃｌｅｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
ｏｆｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｏｆｅｔｈａｎｏｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｍａｊｏｒｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒ
ａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＷｅｌａｎｇｕｍ，ｕｓｉｎｇｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒａｓｔｈｅ
ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗａｔｅｒ，ｔｈｅｒｅｃｙｃｌｅｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｄｉｕｍｏｆＷｅｌａｎｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｌｏｓｅｄｃｉｒｃｕｉｔｔｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙｏｆｃｉｒｃｕｌａｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｃｌｅａｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ａｃｈｉｅｖｅｄ．ＩｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆＫＨ２ＰＯ４ａｎｄＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ７０％ ａｎｄ４０％．Ｔｈｅ
ｙｉｅｌｄｏｆＷｅｌａｎｇｕｍｗａｓｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｂｏｖｅ１６８ｇ／Ｌ，ａｎｄｉｔｓｖｉｓｃｏｓｉｔｙｗａｓ５１Ｐａ·ｓａｎｄｆｌｏｗｉｎｄｅｘｗａｓ
０２７５．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｅｌａｎｇｕｍ；ｒｅｃｙｃｌｅｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｒｗａｔｅｏｆｅｔｈａｎｏｌ
　　威兰胶（Ｗｅｌａｎ，又名威伦胶）是美国ＣＰＫｅｌｃｏ
公司于２０世纪８０年代继黄原胶、结冷胶之后开发的
最具市场应用前景的微生物胞外多糖之一。威兰胶
是产碱杆菌Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓｓｐ（ＡＴＣＣ３１５５５）分泌的胞外
多糖，它的结构骨架由Ｄ 葡萄糖、Ｄ 葡糖醛酸、Ｄ
葡萄糖和Ｌ鼠李糖组成［１］。威兰胶是一种水溶性胞
外多糖，属于典型的拟塑性流体，具有良好的增稠性、
悬浮性、乳化性以及优良的剪切稀释性，并且具有耐
高温、耐酸碱、耐盐性能［２３］。威兰胶在石油工业及建
筑混凝土工业中应用广泛［４６］。
然而，随着威兰胶需求量的不断增大，工业
化生产的同时也产生了环境污染问题。威兰胶
的生产污染主要为乙醇废液精馏过程产生的废
水。蒸馏母液中含有丰富的 Ｐ、Ｎ、Ｍｇ等营养成
分，若直接排放易导致水体的富营养化，进而造
成环境污染。为了满足工厂治污需要，同时降低
废液处理成本，减少废液排放量，保护环境，合理
利用废液中的有效成分和水资源，在实验室的条
件下，利用真空旋转蒸发仪模拟工厂蒸馏塔获得
蒸馏母液，研究蒸馏母液作为配料用水对威兰胶
生产以及产品性能的影响，探讨利用蒸馏母液作
为发酵培养基配料用水进行威兰胶循环发酵工
艺的可行性。
１　材料与方法
１．１　菌株
工业生物技术教育部重点实验室保藏的产碱
杆菌Ｚ８ １（ＡｌｃａｌｉｇｅｎｅｓｓｐＺ８ １）。
１２　主要仪器与试剂
ＨＹＧ Ⅱａ型旋转式恒温调速摇床，上海欣蕊自
动化设备有限公司；ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤＤＶ Ｅ型黏度
计，美国 ＢＯＯＫＦＩＥＬＤ公司；ＵＶ １８００型分光光度
计，上海精密仪器电子有限公司；钼酸铵、乙二胺四
乙酸二钠（ＥＤＴＡ）、铬黑 Ｔ指示剂、过硫酸钾、硫酸
等试剂均为分析纯。
１３　分析方法
１３１　总糖测定
苯酚硫酸法测定总糖［７］。
１３２　Ｎ含量测定
采用ＧＢ／Ｔ１１８９４—１９８９，即碱性过硫酸钾消解
紫外分光光度法测定Ｎ含量。
１３３　磷酸盐含量测定
钼铵蓝分光光度法测定磷酸盐含量［８］。
１３４　Ｍｇ２＋含量测定
采用ＧＢ／Ｔ１３０２５６—９１，即 ＥＤＴＡ滴定法测定
Ｍｇ２＋含量。
１３５　发酵液黏度测定
使用ＤＶ Ｅ型黏度计（美国 Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ公司）５
号转子，在１００ｒ／ｍｉｎ，室温下测定。
１３６　威兰胶含量测定
取一定体积的发酵液在７０～８０℃的水浴中恒
温加热１５ｍｉｎ，待冷却后加入３倍９５％的乙醇，玻璃
棒搅动至出现絮状沉淀，１２ｈ后离心除去上清液，得
粗品，再用９５％的乙醇洗涤，离心，６０℃干燥到恒质
量，电子天平称质量。
１３７　流变学性质研究
威兰胶发酵液和水溶液流变行为符合幂定律
（ＯｓｔｗａｌｄｄｅＷａｌｅｍｏｄｅｌ）公式
η＝ｋγｎ－１
式中：表观黏度 η采用 ＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄＤＶ Ｅ黏度计于
（２５±２）℃下测定，流态特性指数ｎ可通过Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ
ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒＡＲ８２对表观黏度进行换算［１０］。
１４　培养基
１）种子培养基（ｇ／Ｌ）　葡萄糖 １０，酵母粉 ２５，
蛋白胨 ５，ＫＨ２ＰＯ４０５，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０１，ＮＨ４ＮＯ３
０６。ｐＨ７０～７２。
２）初始发酵培养基（ｇ／Ｌ）　蔗糖 ４０，牛肉膏 １，
ＮａＮＯ３３，ＫＨ２ＰＯ４２，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０４。ｐＨ７０～７２。
１５　培养方法
１）种子培养　５００ｍＬ三角瓶内装１００ｍＬ种子
培养基，接活化后的斜面种子 ２环，摇床转速
２００ｒ／ｍｉｎ，温度 ３０℃，培养 １６～１８ｈ。
２）摇瓶培养　将培养好的种子液按体积分数
６％的接种量接入装有１００ｍＬ的发酵培养基的
５００ｍＬ三角瓶中培养，摇床转速２００ｒ／ｍｉｎ，温度
３０℃，时间７０～７２ｈ。
３）循环发酵　收集一定体积威兰胶提取废液
进行旋转蒸发，对蒸馏母液进行成分分析，重新配
制培养基，以蒸馏母液作为配制培养基用水获得
威兰胶发酵培养基。将培养好的种子液按体积分
数６％的接种量接入装有１００ｍＬ上述循环发酵培
养基的５００ｍＬ三角瓶中培养，摇床转速２００ｒ／ｍｉｎ，
温度３０℃，时间７０～７２ｈ。对所得威兰胶发酵液
进行灭菌、乙醇沉淀、离心分离，再次收集提取废
液进行蒸馏，所得的蒸馏母液再次作为配制发酵
培养基用水进行威兰胶的循环发酵。详细流程如
图１所示。
２　结果与讨论
由图１可知：威兰胶生产过程的沉淀工艺需消
耗大量的乙醇，为回收乙醇，在工业生产过程中利
用精馏操作处理离心分离和真空干燥后得到的废
乙醇溶液。这样，通风发酵过程中残余培养基成
分，以及代谢过程产生的副产物均积聚于蒸馏母液
中，蒸馏母液中含有大量残余的 Ｐ、Ｍｇ、Ｎ、Ｃ等物
质，给后继的废水处理带来很大的操作负荷，若能
将得到的精馏废液循环利用，合并入发酵培养基中
（图１虚线部分），添加一定量的营养物后再进行通
风发酵，一方面可以减少废水排放量，另一方面也
减少了整个工艺的原料用量。为建立循环利用蒸
１５　第５期 周浩然等：威兰胶生产废液循环利用工艺
　　　　　
注：图中虚线部分表示循环利用蒸馏母液的工艺路线，
该工艺与威兰胶发酵、提取、精馏等一起构建成了一个闭路循环。
图１　威兰胶发酵废水循环工艺流程
Ｆｉｇ１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒｒｅｃｙｃｌｉｎｇｆｏｒ
ｗｅｌａｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
馏母液的工艺条件，首先要分析蒸馏母液中的主要
成分及其含量，从而为配制循环发酵培养基以及进
行威兰胶循环发酵提供依据。
２１　威兰胶生产废水蒸馏母液的主要成分
从外观来看蒸馏母液颜色呈淡黄色，ｐＨ为５４
左右，对蒸馏母液中可能影响威兰胶发酵的主要成
分即总糖、总 Ｎ、总 Ｐ（以 ＫＨ２ＰＯ４计）、Ｍｇ
２＋的含量
进行分析［１］，结果如表１所示。
由表１可以看出：蒸馏母液中各个成分有不同程
度的积累，其中磷酸盐含量最高，是初始培养基的
６６％，其次是总糖，而Ｍｇ２＋（３１％）以及总Ｎ含量相对
较低。在发酵过程中磷酸盐作为缓冲剂，维持发酵液
在相对稳定的酸碱环境［１０］，而作为细胞成分用于细
胞繁殖和生长的量很少。Ｍｇ２＋主要作用是作为细胞
生长及代谢过程中各种活性酶的激活剂，因此损失较
少。蒸馏母液中的总糖总Ｎ含量低，说明威兰胶发酵
对Ｃ源、Ｎ源消耗比较完全。
表１　蒸馏母液中主要成分含量及初始培养基中相应成分的质量分数比较
Ｔａｂｌｅ１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｉｎｉｔｉａｌｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｄｉｕｍ　ｇ·Ｌ－１
试样 ρ（总糖） ρ（总Ｎ） ρ（总Ｐ） ρ（Ｍｇ２＋）
初始培养基 ４０６±００４ ０６２±０００６ ２４０±００１１ ００３２±００００３
蒸馏母液 １４±００２ ００４±０００１ １６０±０００９ ００１０±００００５
　　为了利用蒸馏母液进行威兰胶发酵，根据蒸馏母
液中各个组分含量（主要是磷酸盐及Ｍｇ２＋含量）进行
补加，使其达到初始培养基相应成分含量的水平（即
循环发酵培养基）。因此，循环发酵培养基（ｇ／Ｌ）：蔗
糖４０，牛肉膏 １，ＮａＮＯ３３，ＫＨ２ＰＯ４０６，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ
０２４，调制用水为蒸馏母液。ｐＨ７０～７２。
２２　蒸馏母液对威兰胶发酵的影响
为了研究蒸馏母液对威兰胶发酵的影响以及
验证循环培养基，利用蒸馏母液作为循环发酵培养
基配制用水进行威兰胶发酵，并与常规发酵获得的
威兰胶（即利用初始培养基进行发酵）进行比较，考
察利用蒸馏母液的可行性，结果如表２所示。由表
２可知：利用蒸馏母液作为威兰胶发酵工艺用水对
威兰胶发酵几乎无影响，其威兰胶产量、发酵液黏
度、发酵液ｐＨ、流态特性指数 ｎ值与常规发酵结果
基本一致，表明利用蒸馏母液进行威兰胶发酵是可
行的。
表２　利用蒸馏母液作为威兰胶发酵工艺用水的发酵结果
Ｔａｂｌｅ２　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｓｔｉｌｅｒｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈ
ｄｉｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｉｎｔｈｅｍｅｄｉｕｍ
培养基
类型
发酵
结束时
ｐＨ
威兰胶
产量／
（ｇ·Ｌ－１）
发酵液
黏度／
（Ｐａ·ｓ）
流态特
性指数
ｎ值
初始培养基 ５６６ １７２０ ５３７６ ０２７６９
循环培养基 ５７１ １６８９ ５２８０ ０２６９８
２３　威兰胶循环发酵前后蒸馏母液各成分的比较
利用蒸馏母液作为配制循环发酵培养基用水
进行威兰胶发酵，对所得发酵液进行提取，收集提
取废液进行蒸馏，再次对蒸馏母液进行成分分析，
并与第１次蒸馏母液的成分含量进行比较，结果如
表３所示。２次蒸馏母液中成分含量基本一致，特
别是磷酸盐及Ｍｇ２＋的含量相差很小，表明制定的循
环发酵培养基比较合理，也说明了威兰胶发酵后期
２５ 生　物　加　工　过　程　　 第７卷　
培养基中营养成分的消耗和积累是比较稳定，即蒸
馏母液具有一定的可循环性。
２４　循环次数对威兰胶发酵的影响
为了进一步验证蒸馏母液循环使用对威兰胶
发酵的影响，作者在三角瓶中进行循环发酵实验，
结果如表３所示。由表３可以看出：循环次数对威
兰胶产量、发酵液黏度有一定影响，产量及黏度有
轻微的降低，但都在可以接受的范围内。另外，利
用蒸馏母液进行循环发酵对流态特性指数ｎ值影响
很小，即不影响所得产品的性能。
表３　循环次数对威兰胶发酵的影响
Ｔａｂｌｅ３　Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒｅｃｙｃｌｉｎｇｔｉｍｅｓｏｎｗｅｌａｎｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
循环
次数
发酵结
束时ｐＨ
威兰胶
产量／
（ｇ·Ｌ－１）
发酵液
黏度／
（Ｐａ·ｓ）
流态特
性指
数ｎ值
ρ（总糖）／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（总Ｎ）／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（总Ｐ）／
（ｇ·Ｌ－１）
ρ（Ｍｇ２＋）／
（ｇ·Ｌ－１）
１ ５７ １６９ ５２８ ０２６９８ １４±００２ ００４±０００２ １６０±００１０ ００１０±００００５
２ ５５ １６８ ５１９ ０２７６８ １７±００３ ００８±０００５ １５９±００１９ ００１１±００００３
３ ５５ １６７ ４９６ ０２７７４ １９±００２ ０１２±０００５ １５８±００１１ ００１１±０００１３
４ ５６ １６６ ４９５ ０２７６６ ２４±００１ ０１３±０００３ １６１±００１３ ００１１±００００７
　　同时为了验证蒸馏母液的可循环性，测定了每
次循环过程中蒸馏母液主要成分的含量，结果如表
３所示。由表３可以看出：每一循环蒸馏母液中磷
酸盐以及Ｍｇ２＋的含量基本一致。总 Ｎ含量有所增
加，这可能跟提取废液中少量细胞成分积累有关；
总糖含量的增加可能是因为在蒸馏母液中有微溶
的多糖产物（威兰胶）。但是，总糖和总Ｎ的增加对
发酵基本无影响，作为主要影响因素的磷酸盐及
Ｍｇ２＋的含量在每次循环中基本保持不变，因此蒸馏
母液作为工艺用水进行威兰胶循环发酵是可行的。
３　结　论
利用威兰胶发酵后乙醇蒸馏回收废液（蒸馏母
液）作为工艺用水进行威兰胶发酵，与常规发酵相
比，其威兰胶产量、黏度、流态特性指数 ｎ值基本不
变。同时循环次数不影响流态特性指数 ｎ值，其产
量和黏度随着循环次数的增加有轻微的降低，但是
产量都维持在１６８ｇ／Ｌ左右，黏度在５１Ｐａ·ｓ左右。
本文对威兰胶蒸馏母液的循环使用工艺进行了初
步的探索，并进行循环验证，初步表明了威兰胶发
酵后提取的蒸馏母液具有可循环利用价值，这为工
业化生产威兰胶提供了一个废液的有效处理思路。
真正大规模工业化利用蒸馏母液进行循环发酵还
有许多工作要做，从发酵结果来看，利用蒸馏母液
进行威兰胶循环发酵对产量以及产品品质影响不
大，然而，蒸馏母液中可能含有少量的对循环发酵
产生不利影响的发酵副产物，这仍需进一步研究。
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ＸａｎｔｈａｎｇｕｍｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｂｙＸａｎｔｈｏｍｏｎａｓｃａｍｐｅｓｔｒｉｓｇｒｏｗｎｉｎｍｏ
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３５　第５期 周浩然等：威兰胶生产废液循环利用工艺