微生物在化工工艺中的应用与优化

微生物在化工工艺中的应用与优化

苏帅常贝贝

陕西金泰氯碱化工有限公司    陕西  榆林    718100

摘要：本文着重分析了微生物用于化工工艺的关键作用，包括生物催化、生物修复、生物浸出和生物表面活性剂生产，并对化工工艺应用中微生物性能的优化策略进行了简要总结，包括菌株选择、工艺设计以及环境控制。通过进行策略整合，微生物可以在化工工艺中得到更为广泛的应用，从而使化工工艺水平得到进一步提升。

关键词：微生物；化工工艺；应用；优化

引言：化工工艺是指将原材料经物理、化学和工程技术加工转化为最终产品的生产过程。在这一生产过程中，微生物的有效应用，旨在降低碳排放，减轻对环境的影响，提高资源利用率，达成绿色生产的目标。

1、化工工艺中微生物应用的关键作用

1.1生物催化

生物催化利用微生物产生的酶的催化能力来促进化学反应。酶是生物衍生的催化剂，可加速化学反应，同时保持自身不变。与传统化学催化相比，该过程具有多种优势，包括更高的特异性、效率和环境可持续性[1]。在生物催化中，培养微生物以产生在温和条件下催化特定反应的酶，从而减少对刺激性化学品和能源密集型过程的需求。酶可以催化多种反应，包括水解、氧化、还原和合成，使其成为化学合成和制造中的多功能工具。生物催化在各个行业都有应用，包括制药、精细化学品、食品和饮料以及生物燃料。例如，酶不仅用于合成药物中间体、风味化合物和可生物降解聚合物，而且会用于生物柴油和乙醇等生物燃料的生产中。

1.2生物修复

生物修复涉及利用微生物来降解或解毒环境中的污染物和污染物。微生物拥有代谢途径，使它们能够代谢多种有机和无机化合物，将有害物质转化为无害的副产品或将其同化为生物质。生物修复的主要优势之一是它能够针对特定污染物并通过自然生物过程将其降解为无毒化合物[2]。这种方法对于清理工业场地、垃圾填埋场和石油泄漏中受污染的土壤、水和空气特别有用。参与生物修复的微生物包括细菌、真菌和藻类，每种微生物都具有适合不同类型污染物的特定代谢能力。例如，某些细菌可以降解石油碳氢化合物，而真菌可以有效分解复杂的有机污染物，如多环芳烃（PAH）。

1.3生物浸出

生物浸出是利用微生物溶解矿石中的金属，促进其提取和回收的过程。传统上，从矿石中提取金属需要进行严酷的化学处理，这可能会破坏环境且成本高昂。生物浸出通过利用微生物的代谢活动选择性地溶解矿石中的金属，提供了一种更可持续的替代方案。被称为嗜酸细菌和古细菌的特殊微生物在酸性环境中繁衍生息，并产生有机酸和硫酸等代谢副产物。这些代谢副产物有助于溶解矿石中存在的金属硫化物，将铜、金和铀等金属释放到溶液中。生物浸出已成功应用于采矿业，从低品位矿石、废料和尾矿中提取金属。与传统提取方法相比，它具有多种优势，包括更低的能耗、更少的环境影响和更高的金属回收率。

1.4生物表面活性剂生产

生物表面活性剂是微生物产生的表面活性化合物，可降低油和水等两相之间的表面张力。与源自石化产品的合成表面活性剂不同，生物表面活性剂可生物降解、无毒且环保。微生物产生生物表面活性剂作为其自然防御机制的一部分或作为生长过程中的次级代谢产物。这些化合物表现出广泛的特性，包括乳化、发泡、润湿和增溶，使其适用于各种工业应用。生物表面活性剂可应用于食品和饮料、化妆品、农业和石油开采等行业[3]。在食品加工中，它们被用作乳化剂、稳定剂和发泡剂。在化妆品中，它们被纳入配方中以发挥其保湿和清洁特性。在农业中，它们可以增强农药的有效性并改善土壤修复。

2、微生物在化工工艺应用中的优化策略

2.1菌株选择

菌株选择是优化微生物性能的一个重要步骤。关键的选择因素包括：（1）代谢途径：优选具有与所需过程相关的明确代谢途径的微生物菌株。例如，在生物催化领域，人们寻求能够产生对目标反应具有高催化活性和特异性的酶的菌株。（2）生长速率和产量：具有快速生长速率和高生物量产量的菌株对于最大限度地提高生产力和效率是可取的。可以采用基因工程技术来增强选定菌株的这些性状[4]。（3）对工艺条件的耐受性：微生物菌株必须能够在预期工艺中存在的环境条件下繁衍生息，包括温度、pH值、盐度和底物浓度。筛选对工艺条件具有鲁棒性的菌株能够确保化工生产的长期稳定性。（4）生产力和稳定性：随着时间的推移，菌株应表现出一致和可预测的性能，生产力和稳定性的变化最小。遗传稳定性和不存在不良突变是菌株选择的重要考虑因素。（5）监管合规性：在某些行业，监管要求可能规定特定微生物菌株的使用或对基因改造施加限制。严格遵守监管标准，有助于提升微生物工艺的安全性与合规性。

2.2工艺设计

工艺设计涉及针对微生物生长、代谢和生产力优化的生物反应器系统和操作条件的开发。主要的考虑因素包括：（1）生物反应器配置：根据氧转移、混合效率和可扩展性等因素选择适当的生物反应器类型（例如搅拌罐、气升式、填充床）。每种生物反应器配置都具有优点和局限性，必须根据具体工艺要求进行评估。（2）营养供应：优化营养成分和喂养策略，以支持微生物生长和生产力。营养物质的可用性、浓度和摄食动力学对微生物性能及产品产量有着决定性作用。（3）氧转移：提供充足的氧气供应，以满足微生物的代谢需求并有效防止氧限制。氧转移速率可以通过生物反应器设计修改、搅拌、通气和充氧策略来优化。（4）废物管理：有效去除代谢副产物和废物能够防止产物抑制、底物抑制和有毒化合物的积累。有价值的副产品的回收和回收可以提高工艺的可持续性和经济性。

2.3环境控制

环境控制涉及维持生物反应器环境内的最佳条件以支持微生物生长、新陈代谢和生产力。需要重点控制的参数包括：（1）温度：温度控制可用于维持最佳微生物生长速率和酶活性。严格的温度控制将最大限度地降低热应力风险并确保一致的性能。（2）pH：pH调节可用于维持微生物活力和酶稳定性。建议采用缓冲液添加、酸/碱滴定和pH反馈控制系统等pH控制策略，稳定维持所需的pH范围。（3）氧气水平：氧气的可用性对微生物过程有着很大影响，必须仔细控制氧气浓度以防止氧气限制或毒性。氧传感器和控制系统用于监测和调节生物反应器中的溶解氧水平[5]。（4）底物浓度：底物浓度必须保持在最佳范围内，以避免底物抑制或耗尽。采用连续补料、分批补料操作和底物脉冲补料等补料控制策略来调节底物浓度并确保最佳的微生物性能。

结束语

总而言之，微生物在化工工艺中的应用产生了积极而深远的影响，可以加快化工生产的转型升级，更好地进行能源开发、利用与生产，有效应对能源危机，不断促进行业发展。工程师可继续运用微生物性能的优化策略，进行微生物性能的持续优化，努力推广稳健、高效而实用的工艺技术，为社会进步和环境保护做出应有的贡献，迈向更绿色、更环保、更加可持续的能源未来。

参考文献：

[1]周勇.微生物技术在化工VOCs废气处理中的应用[J].化工设计通讯，2023，49(03)：200-202.

[2]蔡蕊阳.微生物电化学技术在化工废水处理中的应用[J].中学生物教学，2023，(02)：81.

[3]李伟，刘博，许文静.微生物在生物基催化剂制备中的应用[J].工业微生物，2024，54(02)：182-184.

[4]金文进.微生物快速检测技术在食品安全检测中的应用[J].工业微生物，2024，54(02)：1-3.

[5]马驰，于泽权，于思慧，等.微生物-活性炭复合材料对石化废气中丙烷的去除[J].辽宁化工，2024，53(01)：39-44.