CN104651341B - 一种利用米糠进行生物酶固定的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在污水处理工艺领域中一种生物酶固定化的方法，具体是指一种利用稻谷加工的产物‑米糠进行生物酶固定的方法。本发明通过生物酶的处理：即在碱性溶液中加入过氧化氢，再在30‑35℃时将生物酶与NaOH水溶液进行混合，然后取上清液；再加入硼酸盐缓冲液溶解沉淀，过滤得到碱性蛋白改性酶液；再将将碱性蛋白改性酶液与米糠按混合，以及将碱性蛋白改性酶液喷洒在米糠上，然后慢慢烘干，米糠固定化生物酶即制备完成。本发明的优点是生产成本较低，原料来源广泛，而且在处理污水过程中具有良好的效果。

Description

一种利用米糠进行生物酶固定的方法
技术领域
本发明涉及在污水处理工艺领域中一种生物酶固定化的方法，具体是指一种利用稻谷加工的产物-米糠进行生物酶固定的方法。
技术背景
应用生物酶技术处理废水是目前污水处理领域研究的热点之一。该项研究工作对国家“节能减排”产业政策具有十分重要的意义。生物酶是一种能力巨大的催化剂，酶可以作用于污染物质中复杂的化学链，将其降解为小分子有机物或CO2、H2O等无机物，有机物的处理则通过酶反应形成游离基，游离基发生化学聚合反应生成高分子化合物沉淀，经过滤即可除去。与其他微生物处理方法相比，酶技术的应用具有催化效率高、反应条件温和、对设备要求低、反应速度快等优点。可以说酶技术应用在废水处理中是一种很有潜力的方法，但是酶在高温、强酸条件下稳定性差，易失活，酶活性易受到废水中污染物的影响，不能重复利用。固定化酶就是人们在寻求克服这些不足的过程中不断改进发展起来的一项技术。
酶的固定化是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内，仍能进行其特有催化反应、并可回收及重复利用的一类技术，就是通过化学或物理的处理方法，使原来水溶性的酶与固态的水不溶载体相结合或被载体包埋。作为固定化酶的一部分，载体材料的结构和性能对固定化酶的各种性能都有着巨大的影响。固定化酶不仅在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃，得到迅速发展和广泛的应用，而且因为具有节省资源与能源、减少环境污染而符合可持续发展的战略要求。
有关于酶固定化的研究，相关的报道有[张巍巍,《硕士学位论文》，生物碳纤维的酶固定化研究，20100604]；[杨雪梅，张兰英，张蕾等,《吉林大学学报》，固定化酶在高浓度有机废水中的应用，2005，35-3：398-402]；[刘秀红，常颜红，罗晖,《安徽农业科学》，环境领域中固定化酶的应用，2014，42-21：7171-7174]；中国专利CN101381721B公布了一种固定化脂肪酶及其制备方法，该固定化脂肪酶的制备方法，是将脂肪酶溶液与是所述脂肪酶溶液重量的3％—60％的聚合物乳液混合均匀，将得到混合液浸渍无纺布，干燥得到固定化脂肪酶；中国专利CN1766103A公开了一种高稳定性固定化酶的制备方法。该方法首先采用酶、水、表面活性剂、有机溶剂、单体或预聚物、以及交联剂等构建微乳体系，然后加入少量反应底物诱导出酶的活性构象，通过加热、紫外光照或直接辐射等方式引发自由基聚合，实现酶在高度交联载体中的包埋固定化。但该方法操作过于繁杂，不适用于工业生产，而且生产成本相对较高。如何选择一种生产费用低廉，适用范围广，操作简易的酶固定化工艺，便成为当前酶固定化研究的一种普遍共识。
稻谷是我国第1大粮食品种.目前年产1.85亿t左右。占全国粮食总产量的42％。稻谷在加工成精米的过程中要去掉外壳和占总重10％左右的种皮、果皮、外胚乳、糊糊层和胚，传统的米糠也就是现行国家标准米糠主要是由种皮、种皮、外胚乳、糊粉层和胚加工制成的，因此在加工过程中会混进少量的稻壳和一定量的灰尘和微生物，国内外的研究结果和资料表明，米糠中富含各种营养素和生理活性物质，一般来说，米糠中平均含蛋白质15％，脂肪16％-22％，糖3％-8％，水分10％。米糠在国外已经逐步开始采用生物工程技术，而在我国米糠的综合利用尚处于初始阶段，仅少部分作为畜牧饲料的原料。随着人们认识的加深和技术的发展。米糠在饲料中大量应用和作为巨大的可再生资源，在未来将有很好的发展前途，如果合理利用。将会产生不可估量的经济效益。
如果将米糠应用在生物酶的固定化工艺上，不仅大大的扩大了米糠的应用领域，也会为生物酶的固定化开辟了一个新的方向。
发明内容
本发明需要解决的首要技术问题在于如何将米糠应用在生物酶的固定化工艺上，并且具有实际可操作性，工业应用价值明显。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种利用米糠进行生物酶固定的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)生物酶的处理：用0.5M NaOH将蒸馏水的pH调到8.0-8.5，并加入30％过氧化氢，并使NaOH水溶液中含有质量含量为0.06％的过氧化氢，将NaOH水溶液加热至30-35℃；将生物酶与NaOH水溶液以1∶5的质量比分散于上述NaOH水溶液中，用频率40-50K赫兹超声波振20分钟，然后用5000r/min的速度进行离心15分钟，取上清液；加入pH为9.0的0.2mol/L的硼酸盐缓冲液溶解沉淀，滤去不溶物后得到碱性蛋白改性酶液，存放在温度4℃的冰箱里备用；
(2)烘干过程：将碱性蛋白改性酶液与米糠按质量比为1:10的比例，将碱性蛋白改性酶液喷洒在米糠上，边喷洒边翻滚搅拌，喷洒完成后再加入引发聚合剂，继续搅拌半小时后在30-35℃下慢慢烘干，烘干后的水份质量含量<5％，米糠固定化生物酶即制备完成。
作为优选，上述一种利用米糠进行生物酶固定的方法的步骤(2)中的引发聚合剂为过氧化苯甲酰溶液，其制备方法为：取1份的过氧化苯甲酰粉末溶入100份的乙酸乙酯中，在酶固定化溶液中的投加的质量比例为1：100。为了取得更好的效果，其中的过氧化苯甲酰、乙酸乙酯均为分析纯原料。
作为优选，上述一种利用米糠进行生物酶固定的方法的步骤(1)中的NaOH、过氧化氢均为分析纯原料。
作为优选，上述一种利用米糠进行生物酶固定的方法的步骤(1)中硼酸盐缓冲液制备方法为：取硼酸溶解于水中，然后再用40％氢氧化钠溶液调节pH至9.0，并使溶液浓度为0.2mol/L的硼酸盐缓冲液。
作为优选，上述一种利用米糠进行生物酶固定的方法的步骤(2)中烘干过程采用滚筒式烘干。
作为优选，上述一种利用米糠进行生物酶固定的方法的步骤(2)中的米糠选用稻谷、玉米、或高粱加工后的副产品。这也为我国大量的米糠找到了出路。
本发明使用的生物酶为干燥的市售生物酶，无需特别制作，所以存在应用前景。
按照本发明方法制得的固定化生物酶外观为黄白色的粉末状。
将上述特制的固定化生物酶用于污水处理中的生化好氧阶段，其处理效果要远远好于未经过固定化处理的生物酶。该作用的机理在于：经过聚合引发处理后的米糠，可以作为一种凝核促使水中的胶体凝聚，同时又极大的增加了生物酶的稳定性和活性，因而提高了生化效率。对于此机理的验证对比在后面的实施例中会有详细说明。
有益效果：本发明生产成本较低，原料来源广泛，而且在处理污水过程中具有良好的效果。
具体实施方式
下面以具体实例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
固定化生物酶的制备实例
取蒸馏水1升，用0.5M NaOH将pH调到8.3，加入2毫升30％过氧化氢，将水加热到35℃。称取200g生物酶分散于上述水溶液中，用频率50K赫兹超声波振20分钟，然后5000r/min离心15分钟，取出上清液600ml，加入pH为9.0的0.2mol/L的硼酸盐缓冲液2ml溶解沉淀，滤去不溶物后得到碱性蛋白改性酶液500ml，称取5kg米糠，将酶液均匀喷洒在米糠上，边喷洒边翻滚，喷洒完成后再加入55g引发聚合剂，继续搅拌半小时后在35℃下慢慢烘干，3小时后称其含水量为3％。
实施步骤1
取20L某印染厂的调节池出水(水质CODcr1500mg/L-1800mg/L，pH8.0)，投加PAF进行混凝沉淀，结果表明在投加2000ppm浓度的PAF的时候，水质指标最佳，继续投加，各项指标下降不明显。上清液CODcr降至900mg/L-1100mg/L，去除率约为40％。
实施步骤2
取前面处理过的印染污水上清液1L，加入到超声预溶解池中，同时加入5.0g固定化生物酶，间隔10分钟进行一次超声微波溶解，1小时后将混合的全部污水样加入到实验室小型生化处理装置中，同时再加入4L步骤1处理好的污水上清液，开启好氧曝气。作为对比效果，在相同的实验条件下，同时做了加入未经过固定化生物酶的好氧曝气和不加任何物质的好氧曝气。曝气时间为30分钟。检测上清液CODcr指标，结果如表1所示。
CODcr检测方法：重铬酸钾滴定法
可见加入固定化生物酶与未经过固定化的生物酶相比，对COD的去除效率提高了近7％。从成本上分析，固定化生物酶的加入使每吨水的处理成本仅增加了0.1元。
为了更直接对比固定化生物酶的作用效果，我们将固定化生物酶与未经过固定化的生物酶各自产生微生物的呼吸率情况也做了对比分析：各取等量的固定化生物酶与未经过固定化的生物酶分别置于培养瓶中，同时向里面充入等量的溶解氧，闭封，5天以后，用溶氧仪测量瓶中溶解氧的下降情况。如下表所示：
检测指标 原始DO 固定化生物酶 未固定化生物酶
溶解氧DO 9 3.3 5.0
可见在相同的单位时间里，固定化生物酶产生的微生物消耗的氧量要远远高于未经过固定化的生物酶，这就说明固定化的生物酶，其稳定性和活性，已经远远高于未经过固定化的生物酶了。
在本实施例中，所采用的NaOH、过氧化氢均为分析纯试剂。硼酸盐缓冲液制备方法为：取硼酸溶解于水中，然后再用40％氢氧化钠溶液调节pH至9.0，并使溶液浓度为0.2mol/L的硼酸盐缓冲液。

Claims (1)

1.一种利用米糠进行生物酶固定的方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）生物酶的处理：用0.5M 分析纯的NaOH将蒸馏水的pH调到8.0-8.5，并加入30% 分析纯的过氧化氢，并使NaOH水溶液中含有质量含量为0.06%的过氧化氢，将NaOH水溶液加热至30-35℃；将生物酶与NaOH水溶液以1∶5的质量比分散于上述NaOH水溶液中，用频率 40-50K赫兹超声波振20分钟，然后用5000r/min的速度进行离心15分钟，取上清液；加入pH为9.0的0.2mol/L的硼酸盐缓冲液溶解沉淀，滤去不溶物后得到碱性蛋白改性酶液，存放在温度4℃的冰箱里备用；
（2）烘干过程：将碱性蛋白改性酶液与米糠按质量比为1:10的比例，将碱性蛋白改性酶液喷洒在米糠上，边喷洒边翻滚搅拌，喷洒完成后再加入引发聚合剂，继续搅拌半小时后在30-35℃下慢慢烘干，烘干后的水份质量含量< 5%，米糠固定化生物酶即制备完成；其中所述的米糠选用稻谷加工后的副产品；
其中，步骤（1）中硼酸盐缓冲液制备方法为：取硼酸溶解于水中，然后再用40%氢氧化钠溶液调节pH至9.0，并使溶液浓度为0.2mol/L的硼酸盐缓冲液；
步骤（2）中的引发聚合剂为分析纯的过氧化苯甲酰溶液，其制备方法为：取1份的过氧化苯甲酰粉末溶入100份的分析纯的乙酸乙酯中，在酶固定化溶液中的投加的质量比例为1：100；烘干过程采用滚筒式烘干。
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