CN104962601A - 两种微生物菌混合脱硫再生废橡胶的方法 - Google Patents

Abstract

两种微生物菌混合脱硫再生废橡胶的方法涉及废橡胶的脱硫再生技术。本发明利用鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.)和戈登氏菌(Gordonia sp.)混合生长过程中产生的酶对废胶脱硫再生。前期研究表明，鞘氨醇单胞菌或戈登氏菌对废胎面胶、丁苯橡胶、天然橡胶都具有良好的脱硫效果，为研究混菌脱硫，本发明系统调整了两菌共生的培养基，混合对废胶进行脱硫再生。研究发现共培养脱硫时，两种菌混合的生物量高于单一菌种，说明两菌具有协同作用。本发明研究了两菌的接种方式及生长代谢的工艺条件对废胶脱硫的影响，确定了共培养脱硫的最佳工艺。与未脱硫的废橡胶相比，脱硫胶的溶胀值增大，表面硫元素含量降低，氧含量增加。表明两种微生物菌的混菌对橡胶表面具有较明显的脱硫效果。

Description

两种微生物菌混合脱硫再生废橡胶的方法

技术领域

本发明涉及废橡胶的脱硫再生技术，特别涉及两种微生物菌混合脱硫废橡胶的方法和工艺。

背景技术

随着世界工业的迅猛发展，橡胶产品的消耗量在全球范围内逐渐增加，我国也迅速发展成为世界橡胶工业的大国。与此同时，橡胶产品的废弃物也在不断增加，据报道，每年会有100万吨的废橡胶制品在全球范围内积存，其中仅废旧轮胎就占了所有废弃橡胶产品的60％-70％。然而由于橡胶制品具有稳定的三维网络结构，在自然环境中长期不能降解，造成了生态环境的黑色污染和资源的严重浪费。因此，有效地回收利用废旧橡胶变得越来越重要，甚至已经上升为全球性的战略问题。

经过科学工作者的不断探索，人们已经发现多种再生橡胶的方法，目前比较常用的有物理法和化学法两种。物理再生是指利用机械力等使硫交联键断裂，但其能耗高，投资大；化学再生是指利用化学助剂断裂硫键，但容易造成二次污染，所有这两种方法均不符合可持续发展的要求。

近年来，生物脱硫逐渐被科学工作者广泛关注。所谓生物再生是指利用某些微生物来断裂橡胶的硫交联键，达到脱硫效果，其设备简单、反应条件温和且不会造成二次污染，已经成为最有潜力的橡胶再生方法之一。此技术在德国、日本及瑞典已有相关报道，美国的巴特尔太平洋西北实验室也对废旧橡胶的生物脱硫展开研究并获得一定的成果[US5275948，1994；US5597851，1997；US6479558B1，2002]。以上关于生物脱硫的研究均为某单一菌种作用，而关于多种微生物菌混合共生过程对废橡胶协同脱硫再生效果的研究还未见系统报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的两种微生物菌混合生长过程对废硫化橡胶的生物脱硫再生方法。该方法脱硫效果更好、生产成本低、设备要求简单、反应条件温和且对环境友好。

本发明提供一种利用两种微生物菌混合生长过程脱硫再生废橡胶的方法，该方法是利用两种微生物菌混合生长与废橡胶共培养脱硫，其特征在于包括下述步骤：

(1)将废橡胶胶片或胶粉置于质量百分比浓度75％的乙醇中浸泡24h解毒灭菌；摇瓶培养基在115℃下灭菌30min；

(2)灭菌结束后，将鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌接入到摇瓶中；

(3)当脱硫微生物菌生长达稳定期后，将解毒后的废橡胶胶片及胶粉加入摇瓶中，共培养脱硫；

(4)共培养结束后收集废橡胶，并在室温下用去离子水洗涤，干燥后得到脱硫废橡胶胶片或胶粉。

本发明所用微生物菌为鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌。

本发明所用培养基配方为：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O4g/L，MgSO₄·7H₂O 0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水。

本发明所用橡胶为丁苯橡胶、天然橡胶硫化胶胶片、废轮胎胎面胶胶片或胶粉；废胎面胶胶粉直径在50-200μm之间；共培养脱硫时，废橡胶的添加量为50g/L(废胶粉质量/培养基体积)。

本发明的再生过程在摇瓶中进行，共培养脱硫工艺为：pH为6-7，摇床转速为100-300r/min，反应温度25-35℃，脱硫时间为7-20天，鞘氨醇单胞菌与戈登氏菌的接种量体积配比为1:10-10:1，两菌的接种顺序为鞘氨醇单胞菌先接种或戈登氏菌先接种或两菌同时接种。

本发明在共培养结束后收集橡胶胶片与胶粉，采用去离子水充分洗涤干净，干燥后得到脱硫再生的废橡胶样品。

本发明是利用鞘氨醇单胞菌与戈登氏菌的混菌在代谢过程中产生的脱硫酶，催化断裂橡胶中的硫交联键，从而达到脱硫再生橡胶的目的。

本发明与现有技术相比具有以下优势：(1)整个脱硫过程简单可控、工艺简单、成本低、反应条件温和；(2)鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌有相似的生长环境要求，混菌的生物量高于单一菌种，对橡胶具有良好的脱硫效果；(3)两种微生物菌产生的生物酶均能选择性地断裂硫交联键；(4)生物脱硫过程安全环保，无二次污染产生，完全符合可持续发展的要求；

附图说明

图1是鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌的混菌脱硫废胎面胶粉前后的XPS谱图(C元素)，其中GTR表示未经处理的胎面胶，DGTR表示经脱硫处理的胎面胶。

图2是鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌的混菌脱硫废胎面胶粉前后的XPS谱图(O元素)，其中GTR表示未经处理的胎面胶，DGTR表示经脱硫处理的胎面胶。

图3是鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌的混菌脱硫废胎面胶粉前后的XPS谱图(S元素)，其中GTR表示未经处理的胎面胶，DGTR表示经脱硫处理的胎面胶。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。所用的橡胶为丁苯橡胶硫化胶、天然橡胶硫化胶或废轮胎胎面胶粉；废胶粉直径在50-200μm之间。废胶粉的添加量为按照废胶粉质量/培养基体积为50g/L。

实施例1

菌种：鞘氨醇单胞菌，购自上海富众(亚平宁)生物科技发展有限公司；戈登氏菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。

培养基A(鞘氨醇单胞菌单独培养时所用培养基)：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O 0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水；培养基B(戈登氏菌单独培养时所用培养基)：NH₄Cl 2g/L,KH₂PO₄2.44g/L,Na₂HPO₄·3H2O5.57g/L,MnCl₂·4H₂O 0.008g/L,MgCl₂0.2g/L,ZnCl₂0.001g/L,CoCl₂·6H₂O0.004g/L,CaCl₂0.04g/L,AlCl₃·6H₂O 0.001g/L,CuCl₂·2H₂O,0.001g/L,FeCl₃·7H₂O 0.04g/L,H₃BO₃0.001g/L,NaMoO₄·2H₂O 0.001g/L，葡萄糖4g/L，其余为水。

交换培养基培养：分别在250mL摇瓶中配制100mL培养基A和100mL培养基B，在115℃下灭菌30min；灭菌结束当培养基温度降至室温时，分别将鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌接种于培养基A和培养基B中，摇瓶置于全温振荡培养箱中，转速为200r/min。每天观察记录两菌分别在两培养基中的生物量，直至生长稳定，得到四条不同的生长曲线。

生长情况评价：鞘氨醇单胞菌在两种培养基中有着相同的生长趋势，均在生长大约1天后达到稳定，但在培养基A中生物量更高一些，约2.9；戈登氏菌在培养基B中的生长迟滞期明显延长，大约5天时才逐渐趋于稳定，而在培养基A中生长1天后即可快速达稳定，且生物量保持在较高水平，约2.0。表明鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌均可在培养基A中达到生长速度的一致性和较高的生物量，选择培养基A作为混菌共生的培养基。

实施例2

菌种：鞘氨醇单胞菌，购自上海富众(亚平宁)生物科技发展有限公司；戈登氏菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。

橡胶：填充30重量份炭黑的丁苯橡胶硫化胶，剪成1cm×1cm的胶片。具体配方如下：丁苯橡胶生胶100(重量份)，氧化锌4，硬脂酸2，促进剂D 0.6，促进剂DM 1.2，硫磺1.8，防老剂RD 1.0，炭黑30。

培养基：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水。

共培养脱硫工艺：丁苯橡胶硫化胶的胶片在质量百分比浓度75％的乙醇中浸泡24h进行解毒；在250mL摇瓶中配制100mL培养基，在115℃下灭菌30min；灭菌结束当培养基温度降至室温时，将鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌按体积比1:2的比例同时接入到摇瓶中；当脱硫微生物菌生长24h达稳定期后，将解毒后的丁苯橡胶硫化胶的胶片加入摇瓶中，共培养脱硫10天，脱硫温度为25℃，pH为7，摇瓶置于全温振荡培养箱中，转速为150r/min；共培养结束后收集丁苯橡胶硫化胶的胶片，在室温下用去离子水洗涤，干燥。

效果评价：混菌脱硫后丁苯橡胶胶片的溶胀值由脱硫前的3.25增加到3.40，交联密度由9.87×10^-5mol/cm³降低到9.26×10^-5mol/cm³，其表面硫含量降低了36.5％。

实施例3

菌种：鞘氨醇单胞菌，购自上海富众(亚平宁)生物科技发展有限公司；戈登氏菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。

橡胶：填充30重量份炭黑的丁苯橡胶硫化胶，剪成1cm×1cm的胶片。具体配方如下：丁苯橡胶生胶100(重量份)，氧化锌4，硬脂酸2，促进剂D 0.6，促进剂DM 1.2，硫磺1.8，防老剂RD 1.0，炭黑30。

培养基：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水。

共培养脱硫工艺：丁苯橡胶硫化胶的胶片在质量百分比浓度75％的乙醇中浸泡24h进行解毒；在250mL摇瓶中配制100mL培养基，在115℃下灭菌30min；灭菌结束当培养基温度降至室温时，将鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌按体积比1:1(各5％)的比例同时接入到摇瓶中；当脱硫微生物菌生长24h达稳定期后，将解毒后的丁苯橡胶硫化胶的胶片加入摇瓶中，共培养脱硫20天，脱硫温度为30℃，pH为6.5，摇瓶置于全温振荡培养箱中，转速为200r/min；共培养结束后收集丁苯橡胶硫化胶的胶片，在室温下用去离子水洗涤，干燥。

效果评价：混菌脱硫后丁苯橡胶胶片的溶胀值由脱硫前的3.25增加到3.45，交联密度由9.87×10^-5mol/cm³降低到9.06×10^-5mol/cm³，其表面硫含量降低了41.5％。

实施例4

菌种：鞘氨醇单胞菌，购自上海富众(亚平宁)生物科技发展有限公司；戈登氏菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。

橡胶：填充30重量份炭黑的天然橡胶硫化胶，剪成1cm×1cm的胶片。具体配方如下：天然橡胶生胶100(重量份)，氧化锌4，硬脂酸2，促进剂CZ 1.2，硫磺2.25，防老剂RD 1.0，炭黑30。

培养基：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水。

共培养脱硫工艺：天然橡胶硫化胶的胶片在质量百分比浓度75％的乙醇中浸泡24h进行解毒；在250mL摇瓶中配制100mL培养基，在115℃下灭菌30min；灭菌结束当培养基温度降至室温时，将鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌按体积比1:1(各5％)的比例同时接入到摇瓶中；当脱硫微生物菌生长24h达稳定期后，将解毒后的天然橡胶硫化胶的胶片加入摇瓶中，共培养脱硫10天，脱硫温度为25℃，pH为6.5，摇瓶置于全温振荡培养箱中，转速为100r/min；共培养结束后收集天然橡胶硫化胶的胶片，在室温下用去离子水洗涤，干燥。

效果评价：混菌脱硫后天然橡胶胶片的溶胀值由脱硫前的2.95增加到3.11，交联密度由7.64×10^-5mol/cm³降低到7.06×10^-5mol/cm³，其表面硫含量降低了36.2％。

实施例5

菌种：鞘氨醇单胞菌，购自上海富众(亚平宁)生物科技发展有限公司；戈登氏菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。

橡胶：填充30重量份炭黑的天然橡胶硫化胶，剪成1cm×1cm的胶片。具体配方如下：天然橡胶生胶100(重量份)，氧化锌4，硬脂酸2，促进剂CZ 1.2，硫磺2.25，防老剂RD 1.0，炭黑30。

培养基：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水。

共培养脱硫工艺：天然橡胶硫化胶的胶片在质量百分比浓度75％的乙醇中浸泡24h进行解毒；在250mL摇瓶中配制100mL培养基，在115℃下灭菌30min；灭菌结束当培养基温度降至室温时，先将戈登氏菌接入到摇瓶培养基中，待24h生长稳定后再接入鞘氨醇单胞菌(两种菌的体积比为1:1)，同时将解毒后的天然橡胶硫化胶的胶片加入摇瓶中，共培养脱硫20天，脱硫温度为30℃，pH为7，摇瓶置于全温振荡培养箱中，转速为200r/min；共培养结束后收集天然橡胶硫化胶的胶片，在室温下用去离子水洗涤，干燥。

效果评价：混菌脱硫后天然橡胶胶片的溶胀值由脱硫前的2.95增加到3.44，交联密度由7.64×10^-5mol/cm³降低到6.06×10^-5mol/cm³，其表面硫含量降低了48.5％。

实施例6

菌种：鞘氨醇单胞菌，购自上海富众(亚平宁)生物科技发展有限公司；戈登氏菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。

橡胶：废旧轮胎胎面胶粉，购自河南濮阳轮胎厂，直径在50-200μm之间。

培养基：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水。

共培养脱硫工艺：废旧轮胎胎面胶胶粉在质量百分比浓度75％的乙醇中浸泡24h进行解毒；在500mL摇瓶中配制200mL培养基，在115℃下灭菌30min；灭菌结束当培养基温度降至室温时，将鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌按体积比1:2的比例同时接入到摇瓶中；当脱硫微生物菌生长24h达稳定期后，将解毒后的胎面胶粉加入摇瓶中，共培养脱硫10天，脱硫温度为25℃，pH为6，摇瓶置于全温振荡培养箱中，转速为200r/min；共培养结束后收集胎面胶粉，在室温下用去离子水洗涤，干燥。

效果评价：混菌脱硫后废旧轮胎胎面胶的溶胀值由脱硫前的2.56增加到2.70，交联密度由7.22×10^-5mol/cm³降低到6.66×10^-5mol/cm³，其表面硫含量降低了27.4％。

实施例7

菌种：鞘氨醇单胞菌，购自上海富众(亚平宁)生物科技发展有限公司；戈登氏菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。

橡胶：废旧轮胎胎面胶粉，购自河南濮阳轮胎厂，直径在50-200μm之间。

培养基：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L,其余为水。

共培养脱硫工艺：废旧轮胎胎面胶胶粉在质量百分比浓度75％的乙醇中浸泡24h进行解毒；在500mL摇瓶中配制200mL培养基，在115℃下灭菌30min；灭菌结束当培养基温度降至室温时，将鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌按1:1(各5％)的比例同时接入到摇瓶中；当脱硫微生物菌生长24h达稳定期后，将解毒后的胎面胶粉加入摇瓶中，共培养脱硫20天，脱硫温度为30℃，pH为6.5，摇瓶置于全温振荡培养箱中，转速为200r/min；共培养结束后收集胎面胶粉，在室温下用去离子水洗涤，干燥。

效果评价：混菌脱硫后废旧轮胎胎面胶的溶胀值由脱硫前的2.56增加到2.78，交联密度由7.22×10^-5mol/cm³降低到6.36×10^-5mol/cm³，其表面硫含量降低了31.1％。

表1丁苯橡胶再生前后C、O和S元素含量变化(能谱测试)

表2天然橡胶再生前后C、O和S元素含量变化(能谱测试)

表3废旧轮胎胎面胶再生前后C、O和S元素含量变化(能谱测试)

Claims (4)

1.一种利用微生物脱硫再生废橡胶的方法，其特征在于包括下述步骤：废橡胶胶片或胶粉采用质量百分比浓度75％的乙醇解毒灭菌，摇瓶培养基115℃下灭菌30min；灭菌结束后，将对数生长期的脱硫微生物菌按培养基体积10％接入到摇瓶中，当脱硫微生物菌生长达稳定期后，将解毒后的废橡胶胶片或胶粉加入摇瓶中，共培养脱硫；培养结束后收集废橡胶，并在室温下洗涤干燥后得到脱硫废橡胶胶片或胶粉；所用的脱硫微生物菌为鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：鞘氨醇单胞菌和戈登氏菌的混菌培养基配方为：NH₄Cl 0.4g/L，KH₂PO₄4g/L，K₂HPO₄·3H₂O 4g/L，MgSO₄·7H₂O 0.8g/L，CaCl₂0.01g/L，Na₂S₂O₄·5H₂O 10g/L，蛋白胨1g/L，酵母粉0.1g/L，葡萄糖2g/L，其余为水；混菌的生长条件为：pH为6-7，摇床转速为100-300rpm，反应温度25-35℃，鞘氨醇单胞菌与戈登氏菌的接种量体积比为1:10-10:1，两菌的接种顺序为鞘氨醇单胞菌先接种或戈登氏菌先接种或两菌同时接种。

3.根据权利要求1所述的利用脱硫微生物脱硫再生废橡胶的方法，其特征在于：所用的橡胶为丁苯橡胶硫化胶、天然橡胶硫化胶或废轮胎胎面胶粉；废胶粉直径在50-200μm之间；共培养脱硫时，废胶粉的添加量为按照废胶粉质量/培养基体积为50g/L。

4.根据权利要求1所述的利用脱硫微生物脱硫再生废橡胶的方法，其特征在于：共培养脱硫工艺为：脱硫时间为7-20天，共培养结束后收集橡胶胶片或胶粉，采用去离子水洗涤干燥后得到脱硫再生的废橡胶样品。