CN103990441A - 一种基于改性细菌纤维素的重金属离子吸附剂制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于改性细菌纤维素的重金属离子吸附剂制备方法。制备过程：在装有甜酒酿沼液培养液发酵罐中，接入木糖葡糖酸醋杆菌种子液，加入低甲氧基果胶溶液，发酵培养成为前发酵醪液。将前发酵醪液转入气升罐中，补加入低甲氧基果胶溶液，采用气升罐进行后发酵培养，得到含有微团状改性细菌纤维素的成熟后发酵醪。分离出微团状改性细菌纤维素，多次冲洗后浸入NaOH溶液中，水浴至微团状改性细菌纤维素呈半透明状。最后用去离子水冲洗，烘干后粉碎至过40目，即可以作为重金属离子吸附剂。采用本发明所述的制备方法，工艺简单，所制备的重金属离子吸附剂，无毒性，生物相容性好，对重金属离子吸附效果较好，可以适用于食品工业或制药工业。

Description

一种基于改性细菌纤维素的重金属离子吸附剂制备方法

技术领域

本发明属于重金属离子吸附剂制备领域，具体涉及一种基于先采用两罐法制备改性细菌纤维素再制备成重金属离子吸附剂的方法。 

背景技术

水环境是构成环境的基本要素之一，是人类社会赖以生存和发展的重要场所，也是受人类干扰和破坏最严重的领域。水环境的污染和破坏已成为当今世界主要的环境问题之一。其中重金属污染是造成水环境污染最严重的问题。重金属污染是指由重金属或其化合物造成的环境污染，主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。重金属具有不易移动溶解的特性，进入生物体后不能被排出，会造成慢性中毒。因此水环境中重金属污染不但造成了重大的经济损失，还严重危害地球上所有生物体的健康与生存。所以如何有效的解决重金属对水环境的污染已经成为世界各国政府以及学者研究的热点之一。 

重金属的种类不同，存在自然界中的形式价态也不同，处理方法也有所不同。常见的处理方法有3种^[31]： (1)化学处理法，即废水中重金属离子通过发生化学反应除去的方法。又分为化学沉淀法（中和沉淀法，硫化物沉淀法，铁氧体沉淀法）和电化学处理法。(2)物理处理法，是指使废水中的重金属离子在不改变其化学形态的条件下进行吸附、浓缩、分离的方法。包括离子交换法，电渗析法，分离法，溶剂萃取法，吸附等方法。(3)生物处理法，是指借助微生物或植物的絮凝、吸收累积、富集等作用去除废水中重金属离子的方法。包含植物修复法，生物絮凝法和生物吸附法等方法。 

在上述的几种方法中，生物处理法是最安全，高效的处理方法。特别是生物吸附法处理重金属废水成本低、效益高、无二次污染、有利于生态环境的改善。因此生物吸附法具有更加广阔的发展前景。 

纤维素是自然界中最丰富的可再生资源，具有安全、无污染、易降解等优点，并且纤维素来源丰富，价格便宜，棉花、黄麻、棉秆、木材、木浆、蔗渣、竹子、树皮等都是天然植物纤维素的主要来源。植物纤维素含有大量的羟基基团，可以利用纤维素来吸附金属离子，但是，植物纤维素吸附能力并不很强。细菌纤维素是由微生物合成的纤维素的统称，细菌纤维素与植物纤维素相比较而言，他们除了具有相同的分子结构单元外，细菌纤维素纤维还拥有它许多自己独特的性质。细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度和高的聚合度；细菌纤维素纤维是由直径3～4 纳米的微纤组合成40～60 纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度较高；细菌纤维素具有较高的生物相容性，适应性好且拥有良好的生物可降解性。细菌纤维素含有亲水性羟基基团，可以对它进行改性，增加吸附离子的基团，制备成改性细菌纤维素，以提高其对重金属离子的吸附性，可以作为生物吸附剂处理重金属废水，改性细菌纤维素重金属离子吸附剂的无毒性，生物相容性好，对重金属离子吸附效果较好，可以适用于食品工业或制药工业，具有良好的发展的潜力和广大的应用前景。 

发明内容

本专利技术利用沼液和甜酒酿制成甜酒酿沼液培养液。在装有灭菌过甜酒酿沼液培养液的机械搅拌通风发酵罐中，接入木糖葡糖酸醋杆菌种子液，并加入部分低甲氧基果胶溶液，进行前发酵培养成为前发酵醪液。为减少细菌纤维素生成过程受到剪切力的影响，提高细菌纤维素的产率，将前发酵醪液转入气升罐中，补加入低甲氧基果胶溶液，采用气升罐进行下一步后发酵培养，经过两罐法动态发酵共培养改性，发酵生成微团状改性细菌纤维素，微团状改性细菌纤维素经过再加工成重金属吸附剂。 

（一）两罐法发酵培养制备改性细菌纤维素

1、机械搅拌通风发酵罐前发酵培养

在机械搅拌通风发酵罐中，装入已灭菌的甜酒酿沼液培养液和木糖葡糖酸醋杆菌种子液, 木糖葡糖酸醋杆菌种子液接种体积量为甜酒酿沼液培养液体积的8 %，第一次加入低甲氧基果胶溶液，加入的体积量为甜酒酿沼液培养液体积量的5～10%。控制搅拌转速200 r /min,培养温度30℃,罐压0.04MPa,通气量0.5L /(L·min)，前发酵6～8 d后得到成熟前发酵醪液，此时机械搅拌通风发酵罐内成熟前发酵醪液将出现少量絮状纤维素。

2、气升罐后发酵培养：

将成熟前发酵醪液转入灭菌后的气升罐中, 第二次加入的低甲氧基果胶溶液，加入的体积量为成熟前发酵醪液体积的15～20%。在30℃条件下通入经制氧机制备出的含氧量50～80%富氧空气，通气量0.3～0.5L/L·min，进行后发酵培养5～7d，得到含有微团状改性细菌纤维素的成熟后发酵醪。

所述的甜酒酿沼液培养液制备方法如下： 

（1）浓缩沼液制作：取沼气池中部的沼液，过孔径为20毫米的钢筛，流出沼液经沉降作用去除悬浮物；再依次经沙滤池和超滤膜过滤，超滤膜透过液由上而下进入纳滤箱；通过纳滤膜即获得将浓缩10～30倍的浓缩沼液，加热浓缩沼液至105℃灭菌15 min，备用。

浓缩沼液也可以市场外购。 

（2）甜酒酿制作 

蒸饭：糯米清洗后清水浸泡6~10h，将水沥干，经蒸汽蒸熟，不得出现夹生饭粒；

淋饭搭窝：蒸好饭粒经过淋水，让饭粒吸水膨胀，根据酒缸大小，掌握倒入缸内饭量和安琪甜酒药拌匀，压平实，中间挖个井状窝。室温低于20℃，需要盖麻袋保温；

冲酿：过搭窝糖化48h，井状窝中出现少量糖化液，按糯米：凉开水=1：1.5~1.8重量份比例，冲入凉开水成为酒醪，养酒醪5~8d；待醪液的酒精度到达4~6%v/v时，分离酒糟，抽清醪液为甜酒酿。

按浓缩沼液：甜酒酿= 1：3的重量份比例，将浓缩沼液与甜酒酿进行混合制备成甜酒酿沼液培养液。 

所述的低甲氧基果胶溶液，其制备过程如下： 

取低甲氧基果胶加入热水溶解成低甲氧基果胶溶液，低甲氧基果胶与热水的重量份比为1：4。果胶是一种植物多糖,其基本组成是部分甲酯化的半乳糖醛酸,通常按甲氧基含量分为两大类:甲氧基含量高于7%的高甲氧基果胶(high methoxylpectin)和低于7%的低甲氧基果胶(low methoxylpectin)。本发明使用的低甲氧基果胶是市场外购。

所述的木糖葡糖酸醋杆菌种子液，其制备过程如下： 

在装有种子培养基摇瓶中接入木糖葡糖酸醋杆菌斜面菌种后,于28℃，150 r /min振荡培养18 h，制成木糖葡糖酸醋杆菌种子液。其种子培养基为：葡萄糖2.0%，黄豆饼粉0.3%，玉米浆干粉0.6%，硫酸铵0.4%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.05%，p H 6.5。

（二）重金属离子吸附剂的制备：

从成熟后发酵醪中分离出微团状改性细菌纤维素，将其浸没于8%的氯化铁溶液中，浸没时间15 min进行交联，交联后，取出微团状改性细菌纤维素，双蒸水多次冲洗，除去微团状改性细菌纤维素表面杂质及残余的培养基。再将微团状改性细菌纤维素浸入0.1mol / L NaOH溶液中，100℃水浴至微团状改性细菌纤维素呈半透明状。然后用双蒸水反复冲洗，使微团状改性细菌纤维素pH值为7.0。用纱布吸干微团状改性细菌纤维素表面水分，置于60℃烘箱中烘干后，粉碎至40目以下得到粉末状改性细菌纤维素，并可作为重金属离子吸附剂使用。

菌种：所述木糖葡糖酸醋杆菌（Gluconacetobacter xylinus）菌株编号：1.1812购自中国普通微生物菌种保藏管理中心（CGMCC）。 

纯细菌纤维素的吸附金属离子的能力并不强，必须通过改性使其增加具有对阳离子有吸附能力的羧基等基团，才能成为性能良好的吸附材料。采用本发明所述的重金属离子吸附剂方法，工艺简单，所制备的重金属离子吸附剂，无毒性，生物相容性好，对重金属离子吸附效果较好，可以适用于食品工业或制药工业。改性细菌纤维素的重金属吸附剂吸附重金属离子后，可以通过酸的解析后重复使用。 

附图说明

图1是改性细菌纤维素制备重金属吸附剂方法流程示意图。 

具体实施方式

实施例1 

（一）两罐法发酵培养制备改性细菌纤维素

1、机械搅拌通风发酵罐前发酵培养

在罐容积15 L机械搅拌通风发酵罐中，装入8 L的已灭菌的甜酒酿沼液培养液和0.64 L木糖葡糖酸醋杆菌种子液,再加入0.40L的低甲氧基果胶溶液。控制搅拌转速200 r /min,培养温度30℃,罐压0.04MPa,通气量0.5L /L·min，前发酵6 d后得到8.9L的成熟前发酵醪液，此时机械搅拌通风发酵罐内成熟前发酵醪液将出现少量絮状纤维素。

2、气升罐后发酵培养 

将8.9L的成熟前发酵醪液转入灭菌后的气升罐中,再加入1.78L的低甲氧基果胶溶液。在30℃条件下通入经制氧机制备出的含氧量50～80%富氧空气，通气量0.3～0.5L /L·min，进行后发酵培养7d得到成熟后发酵醪，成熟后发酵醪中出现微团状改性细菌纤维素。

以上所述的甜酒酿沼液培养液、低甲氧基果胶溶液、木糖葡糖酸醋杆菌种子液制备方法如技术方案所述。 

（二）重金属离子吸附剂的制备：

从成熟后发酵醪中分离出微团状改性细菌纤维素，将其浸没于80mL  8%的氯化铁溶液中，浸没时间15 min进行交联，交联后，取出微团状改性细菌纤维素，双蒸水多次冲洗，除去微团状改性细菌纤维素表面杂质及残余的培养基。再将微团状改性细菌纤维素浸入0.1mol / L NaOH溶液中，100℃水浴至微团状改性细菌纤维素呈半透明状。然后用双蒸水反复冲洗，使微团状改性细菌纤维素pH值为7.0。用纱布吸干微团状改性细菌纤维素表面水分，置于60℃烘干后，得到改性细菌纤维素干重为4.65g /L，粉碎至40目以下即为得到粉末状改性细菌纤维素，并可作为重金属离子吸附剂使用。

（三）重金属离子吸附效果：在Cu⁺⁺浓度为60mg/L的1 L模拟污染Cu⁺⁺白葡萄酒中，加入1g改性细菌纤维素的重金属吸附剂，吸附工艺条件为pH4.5，温度为32℃，调整搅拌转速100 r /min，吸附时间20 min。经改性细菌纤维素的重金属吸附剂吸附后，模拟污染Cu⁺⁺白葡萄酒中Cu⁺⁺浓度降至13.90mg/L，改性细菌纤维素的重金属吸附剂对Cu⁺⁺吸附率为76.83%。改性细菌纤维素量的重金属吸附剂吸附重金属离子后，可以通过酸的解析后重复使用。 

实施例2

（一）两罐法发酵培养制备改性细菌纤维素

1、机械搅拌通风发酵罐前发酵培养

在罐容积15 L机械搅拌通风发酵罐中，装入10 L的已灭菌的甜酒酿沼液培养液和木糖葡糖酸醋杆菌种子液, 木糖葡糖酸醋杆菌种子液接种量为0.8L，再加入0.5L的低甲氧基果胶溶液，调整搅拌转速200 r /min,前发酵培养温度30℃,罐压0.04MPa,通气量0.5L /L·min，前发酵8 d后得到11.0L的成熟前发酵醪液，此时机械搅拌通风发酵罐内成熟前发酵醪液将出现少量絮状纤维素。

2、气升罐后发酵培养 

将11.0L成熟前发酵醪液转入灭菌后的气升罐中, 第二次加入1.65L的低甲氧基果胶溶液。在30℃条件下通入经制氧机制备出的含氧量50～80%富氧空气，通气量0.3～0.5L/(L·min)，进行后发酵培养5d得到成熟后发酵醪，成熟后发酵醪中出现微团状改性细菌纤维素。经过两罐法动态发酵共培养改性，发酵生成微团状改性细菌纤维素，微团状改性细菌纤维素经过再加工成重金属吸附剂。

以上所述的甜酒酿沼液培养液、低甲氧基果胶溶液、木糖葡糖酸醋杆菌种子液制备方法如技术方案。 

（二）重金属离子吸附剂的制备：

从成熟后发酵醪中分离出微团状改性细菌纤维素，将其浸没于100mL 8%的氯化铁溶液中，浸没时间15 min进行交联，交联后，取出微团状改性细菌纤维素，双蒸水多次冲洗，除去微团状改性细菌纤维素表面杂质及残余的培养基。再将微团状改性细菌纤维素浸入0.1mol / L NaOH溶液中，100℃水浴至微团状改性细菌纤维素呈半透明状。然后用双蒸水反复冲洗，使微团状改性细菌纤维素pH值为7.0。用纱布吸干微团状改性细菌纤维素表面水分，置于60℃烘干后，得到改性细菌纤维素干重为5.65g /L，经粉碎至40目后得到粉末状改性细菌纤维素。

（三）重金属离子吸附效果：在Zn⁺⁺浓度10mg/L的1L模拟污染Zn⁺⁺饮料中，加入1.5g改性细菌纤维素的重金属吸附剂，吸附工艺条件为pH值为5.0，温度30℃，调整搅拌转速100 r /min，吸附时间20 min。经改性细菌纤维素量的重金属吸附剂吸附后，模拟污染Zn⁺⁺饮料中Zn⁺⁺浓度降至3.56 mg/L，改性细菌纤维素的重金属吸附剂对Zn⁺⁺吸附剂吸附率为64.38%。改性细菌纤维素量的重金属吸附剂吸附重金属离子后，可以通过酸的解析后重复使用。 

Claims (4)

1.一种基于改性细菌纤维素的重金属离子吸附剂制备方法，其特征是：

（1）机械搅拌通风发酵罐前发酵培养

在机械搅拌通风发酵罐中，装入已灭菌的甜酒酿沼液培养液和木糖葡糖酸醋杆菌种子液, 木糖葡糖酸醋杆菌种子液接种体积量为甜酒酿沼液培养液体积的8 %，第一次加入低甲氧基果胶溶液，加入的体积量为甜酒酿沼液培养液体积量的5～10%，控制搅拌转速200 r /min,培养温度30℃,罐压0.04MPa,通气量0.5L /L·min，前发酵6～8 d后得到成熟前发酵醪液，此时机械搅拌通风发酵罐内成熟前发酵醪液将出现少量絮状纤维素；

（2）气升罐后发酵培养

将成熟前发酵醪液转入灭菌后的气升罐中, 第二次加入的低甲氧基果胶溶液，加入的体积量为成熟前发酵醪液体积的15～20%，在30℃条件下通入经制氧机制备出的含氧量50～80%富氧空气，通气量0.3～0.5L/L·min，进行后发酵培养5～7d得到含有微团状改性细菌纤维素成熟后发酵醪；

（3）重金属离子吸附剂的制备

从成熟后发酵醪中分离出微团状改性细菌纤维素，将其浸没于8%的氯化铁溶液中，浸没时间15 min进行交联，交联后，取出微团状改性细菌纤维素，双蒸水多次冲洗，除去微团状改性细菌纤维素表面杂质及残余的培养基，再将微团状改性细菌纤维素浸入0.1mol / L NaOH溶液中，100℃水浴至微团状改性细菌纤维素呈半透明状，然后用双蒸水反复冲洗，使微团状改性细菌纤维素pH值为7.0，用纱布吸干微团状改性细菌纤维素表面水分，置于60℃烘箱中烘干后，粉碎至40目以下得到粉末状改性细菌纤维素。

2.根据权利要求1所述的一种基于改性细菌纤维素的重金属离子吸附剂制备方法，其特征是所述的甜酒酿沼液培养液制备方法如下：

（1）浓缩沼液制作：取沼气池中部的沼液，过孔径为20毫米的钢筛，流出沼液经沉降作用去除悬浮物；再依次经沙滤池和超滤膜过滤，超滤膜透过液由上而下进入纳滤箱；通过纳滤膜即获得将浓缩10～30倍的浓缩沼液，加热浓缩沼液至105℃灭菌15 min；

（2）甜酒酿制作

蒸饭：糯米清洗后清水浸泡6~10h，将水沥干，经蒸汽蒸熟，不得出现夹生饭粒；

淋饭搭窝：蒸好饭粒经过淋水，让饭粒吸水膨胀，根据酒缸大小，掌握倒入缸内饭量和安琪甜酒药拌匀，压平实，中间挖个井状窝，室温低于20℃，需要盖麻袋保温；

冲酿：过搭窝糖化48h，井状窝中出现少量糖化液，按糯米：凉开水=1：1.5~1.8重量份比例，冲入凉开水成为酒醪，养酒醪5~8d；待醪液的酒精度到达4~6%v/v时，分离酒糟，抽清醪液为甜酒酿；

按浓缩沼液：甜酒酿= 1：3的重量份比例，将浓缩沼液与甜酒酿进行混合制备成甜酒酿沼液培养液。

3.根据权利要求1所述的一种基于改性细菌纤维素的重金属离子吸附剂制备方法，其特征是所述的低甲氧基果胶溶液，其制备过程如下：

取低甲氧基果胶加入热水溶解成低甲氧基果胶溶液，低甲氧基果胶与热水的重量份比为1：4。

4.根据权利要求1所述的一种基于改性细菌纤维素的重金属离子吸附剂制备方法，其特征是所述的木糖葡糖酸醋杆菌种子液，其制备过程如下：

在装有种子培养基摇瓶中接入木糖葡糖酸醋杆菌斜面菌种后,于28℃，150 r /min振荡培养18 h，制成木糖葡糖酸醋杆菌种子液。其种子培养基为：葡萄糖2.0%，黄豆饼粉0.3%，玉米浆干粉0.6%，硫酸铵0.4%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.05%，p H 6.5。