CN102250867B

CN102250867B - 一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒及其制备方法

Info

Publication number: CN102250867B
Application number: CN201110163887.2A
Authority: CN
Inventors: 王建龙; 茆云汉
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: CN102250867A

Abstract

本发明公开了属于环境工程领域的一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒及其制备方法。该方法以聚乙烯醇和海藻酸钠作为固定化微生物的载体，以对微生物无毒的NaNO₃溶液和CaCl₂作为交联剂，通过高浓度盐溶液的脱水作用使得聚乙烯醇链间的氢键、微晶区以及大分子链间的缠结形成三维网络，同时依靠Na₂SiO₃加强聚乙烯醇内部氢键的交联，解决颗粒的水溶膨胀性问题。本发明固定化操作过程简单且交联剂溶液对微生物无毒，抑制了水溶膨胀性，使得固定化微生物颗粒的使用寿命得到延长。

Description

一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒及其制备方法

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒及其制备方法。

背景技术

固定化技术是使生物催化剂(酶、微生物细胞、动物和植物细胞)更广泛而有效利用的一个重要手段。固定化微生物技术作为生物工程领域中的一项新兴技术，在食品与发酵工业、医药工业、化学工业、环境保护和能源开发等各个领域有着广泛的应用前景。

微生物细胞的固定化方法主要包括吸附法、交联法和包埋法。其中，以包埋法最为常用。包埋材料可分为天然高分子多糖类和合成高分子化合物。

作为包埋载体，天然高分子多糖类的海藻酸钠和卡拉胶应用最多，它们具有固化、成形方便，对微生物毒性小，固定化密度高等优点。但它们的机械强度较低，虽然可用交联剂进行稳定化处理，但活力和传质性能又会下降。

合成高分子化合物中常用的载体物质有聚丙烯酰胺、光硬化树脂等。它们的突出优点是抗微生物分解性能好，机械强度高，化学性能稳定。但是聚合物网络的形成条件比较剧烈，对微生物细胞的损害较大，而且成形的多样性和可控性不好。

聚乙烯醇是一种新型的微生物包埋固定化载体，它具有强度高、化学稳定性好、抗微生物分解性能强、对微生物无毒、价格低廉等一系列优点，是一种具有实用潜力的包埋材料，近年来在国内外获得了较广泛的研究。

PVA固定化微生物载体的制备按照其交联方法大致可以分为物理交联法和化学交联法。物理交联主要是利用PVA分子内氢键的作用，在冷冻的过程中利用PVA链间的氢键、微晶区以及大分子链间的缠结形成三维网络，因为物理交联法不采用化学交联试剂，所以对微生物的活性影响较低，但所得载体有较大的水溶膨胀性，限制了其使用寿命。化学交联法主要是通过在聚乙烯醇(PVA)的水溶液中加入硼酸，由于化学反应，聚乙烯醇(PVA)于硼酸反应形成单二醇型凝胶。但是现有的利用聚乙烯醇(PVA)制备的固定化微生物颗粒(专利号：00132126.9)存在操作过程复杂、水溶膨胀严重、颗粒内部微生物活性低，因此在实际使用过程中使用寿命较短，制约了其在固定化微生物在环境污染监测及环境污染治理领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒。

本发明的目的还在于提供一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒制备方法。

一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒，包含微生物、聚乙烯醇、海藻酸钙、Na₂SiO₃和水，其中微生物、聚乙烯醇、海藻酸钙、Na₂SiO₃、和水占颗粒总质量的百分比分别为2～10％、8～12.5％、0.5～1％、0.5～1％、75～89％。

一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒制备方法，按照如下步骤进行：

(1)将聚乙烯醇和海藻酸钠置于水中混合，水浴加热并缓慢搅拌至溶化，制成聚乙烯醇和海藻酸钠的混合溶液；

(2)在聚乙烯醇和海藻酸钠的混合溶液步中加入Na₂SiO₃，混合均匀，然后静置降至常温；

(3)将微生物悬浮液与步骤(2)所得的溶液混合；

(4)向NaNO₃溶液中加入CaCl₂，得到交联剂溶液；

(5)用注射器或滴管将步骤(3)制得的溶液滴加到30～45℃的交联剂溶液中，产生灰色球型颗粒，并在其中浸泡1～2小时。

步骤(1)所加聚乙烯醇、海藻酸钠和水占聚乙烯醇、海藻酸钠和水总重量的百分比分别为8～12.5％、0.5～1％、87～91％；步骤(2)所加Na₂SiO₃占聚乙烯醇和海藻酸钠的混合溶液重量的0.5～1％；步骤(3)微生物悬浮液中微生物的质量浓度为10～30％，所加微生物悬浮液与步骤(2)所得的溶液的体积比为1∶2；步骤(4)NaNO₃溶液的质量浓度为40-60％，所加CaCl₂占NaNO₃溶液重量的2～5％。

本发明的有益效果：(1)本发明固定化操作过程简单且交联剂溶液对微生物无毒，可显著提高颗粒的相对生物活性。(2)本发明方法可使固定化微生物颗粒的机械强度显著提高，水溶膨胀性得到抑制。(3)本发明使固定化微生物颗粒使用寿命长，如用本发明方法制备的固定化活性污泥的使用寿命可达到三个月以上。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1固定化活性污泥的制备

制备步骤如下：

(1)将含有10％的聚乙烯醇(PVA)与1％的海藻酸钠的混合液热溶，作为包埋材料；水浴加热至溶化，再加入1％的Na₂SiO₃，混合均匀，然后静置降至常温；

(2)取污水处理厂曝气池水，静置，待池水分层，倒出上清液至另一容器中，将剩下的较浓泥水混合物充分摇匀，取300ml，用上层清液稀释至1000ml，加入1g葡萄糖，在水浴摇床中于30℃，150转/分下培养3天，离心分离得到湿菌体。按照体积比1∶2的包埋比，与步骤(1)溶液混合；

(3)在100ml 50％NaNO₃溶液加入2g CaCl₂，制备得到交联剂溶液；

(4)用0.40mm ID的注射器将步骤(2)中的混合液滴加到冷却的交联剂溶液中，形成4mm直径的灰色球形小珠，并在其中浸泡1～2h，然后用生理盐水洗涤灰色球形小珠，所得灰色球形小珠即为固定化活性污泥。

实施例2固定化活性污泥的制备

制备步骤如下：

(1)将含有8％的聚乙烯醇(PVA)与0.5％的海藻酸钠的混合液热溶，作为包埋材料；水浴加热至溶化，再加入0.5％的Na₂SiO₃，混合均匀，然后静置降至常温；

(3)在100ml 40％NaNO₃溶液加入4g CaCl₂，制备得到交联剂溶液；

实施例3固定化活性污泥的制备

制备步骤如下：

(1)将含有12.5％的聚乙烯醇(PVA)与0.8％的海藻酸钠的混合液热溶，作为包埋材料；水浴加热至溶化，再加入0.8％的Na₂SiO₃，混合均匀，然后静置降至常温；

(3)在100ml 60％NaNO₃溶液加入5g CaCl₂，制备得到交联剂溶液；

实施例4固定化微生物效果的证明试验

按照如下步骤进行：

(1)在250ml三角瓶中加入5g实施例1制备的固定化微生物颗粒，和100ml浓度为200mg/L的标准BOD溶液；

(2)于30℃、180rpm/min下水浴振荡培养1个月，定时取样检测颗粒生物活性及水溶膨胀性；

(3)取出固定化微生物颗粒，用蒸馏水清洗干净，进行下一批次实验；

(4)重复实验步骤(2)～(4)。

结果，与传统方法相比，本发明实施例1制备的固定化活性污泥操作过程更为简便，为大规模制备颗粒减少了操作流程，并且颗粒的水溶膨胀系数(培养前后颗粒粒径百分比)由传统方法的1.4减少到1.1，水溶膨胀性得到显著抑制，颗粒强度得到显著增强；颗粒的相对生物活性提高了约30％。说明本发明显著抑制了颗粒的水溶膨胀性，提高了颗粒生物活性，并大大延长了使用寿命。

Claims

1.一种聚乙烯醇固定化微生物颗粒制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

（1）将聚乙烯醇和海藻酸钠置于水中混合，水浴加热并缓慢搅拌至溶化，制成聚乙烯醇和海藻酸钠的混合溶液；所加聚乙烯醇、海藻酸钠和水占聚乙烯醇、海藻酸钠和水总重量的百分比分别为8～12.5%、0.5～1%、87～91%；

（2）在聚乙烯醇和海藻酸钠的混合溶液步中加入Na₂SiO₃，混合均匀，然后静置降至常温；所加Na₂SiO₃占聚乙烯醇和海藻酸钠的混合溶液重量的0.5～1%；

（3）将微生物悬浮液与步骤（2）所得的溶液混合；微生物悬浮液中微生物的质量浓度为10～30%，所加微生物悬浮液与步骤（2）所得的溶液的体积比为1：2；

（4）向NaNO₃溶液中加入CaCl₂，得到交联剂溶液；所述NaNO₃溶液的质量浓度为40-60%，所加CaCl₂占NaNO₃溶液重量的2～5%；

（5）用注射器或滴管将步骤（3）制得的溶液滴加到30～45℃的交联剂溶液中，产生灰色球型颗粒，并在其中浸泡1～2小时。