CN106399290B - 一种利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，包括：步骤一，将多糖植物胶溶解于水中，制得浓度为0.5‑5％的溶液A；步骤二，向溶液A中加入待包埋的微生物，得溶液B；步骤三，制备浓度为3‑12％的硅溶胶溶液，作为溶液C；步骤四，在溶液C中加入丙烯酰胺单体和交联剂，得溶液D；步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，并调节pH值至中性，然后加入交联催化剂和交联引发剂，迅速搅拌后，倒入成型模具中进行固化；步骤六，将固化后的包埋微生物切割成需要的尺寸大小。本发明方法制备的包埋微生物具有载体强度好、传质效率高、生物相容性高、微生物活性强等优点，主要应用于高浓度高盐分的有机废水，具有较长的储存周期。

Description

一种利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法

技术领域

本发明属于固定化生物领域，具体涉及一种利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法。

背景技术

包埋微生物是将特定微生物固定在多孔凝胶内，使之在系统中持久滞留和作用的一种生化形式，产品具有微生物密度高，耐受环境变化和负荷冲击，固液分离容易，剩余污泥少等优点。但是在制备过程中如何保证包埋凝胶的强度同时又保持较高的生物活性是包埋微生物制备的核心，这也是包埋微生物工程实际应用的关键问题。

目前的包埋化微生物制备方法主要分为两类：一类方法是利用天然高分子为主要原料制备凝胶体系进行包埋，属于天然高分子凝胶包埋体系；该制备体系的优点是反应条件温和，反应过程平稳，原材料生物相容性好，包埋后微生物活性保持良好，但缺点是强度低，不耐微生物侵蚀，因此使用寿命很短，难以实用化；如专利CN1800381A公开了一种卡拉胶固定化微生物细胞球状颗粒的制备方法及应用，其中直接利用卡拉胶在溶液中分散后用KCl进行固化就属于这一类方法，还有许多文献如CN 105018458A等中通用的海藻酸钠与CaCl2溶液凝胶固化包埋微生物也属于天然高分子凝胶包埋体系。另一类方法是利用人工合成化学原料进行聚合凝胶进行包埋，属于人工合成凝胶包埋体系；该体系的优点是聚合凝胶体系强度高，使用寿命长，能满足实际应用需求，但缺点是反应条件严苛，反应过程迅速并通常伴随大量反应放热，并且原料体系通常具有一定的生物毒性，因此包埋后的微生物活性损失大，使用效果不佳；如专利CN103060304A公开了一种包埋微生物载体及其光化学制备方法，其采用紫外光辐射进行单体聚合就属于这一类方法，还有许多文献如专利CN101812440A等中通用的聚丙烯酰胺直接交联聚合凝胶的方法也属于人工合成凝胶包埋体系。

因此，现有技术中所采用的包埋化微生物方法普遍存在强度低，不耐微生物侵蚀，以及反应条件严苛的缺陷，而如何在保证包埋载体内微生物活性的基础上，提高载体的生物相容性、活性和实用寿命，并使之在反应器中长期稳定的运行是目前本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明为解决现有技术中的上述问题，提出一种利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，采用本发明方法制备的包埋微生物凝胶强度高、寿命长，且传质效率高、生物相容性好、活性高。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，包括以下步骤：

步骤一，将多糖植物胶溶解于15-50℃的水中，冷却后制得浓度为0.5-5％的溶液A；

步骤二，向100-400mL的溶液A中加入36-100g待包埋的微生物，充分混合搅拌得到溶液B；

步骤三，制备浓度为3-12％的硅溶胶溶液，作为溶液C；

步骤四，在200mL的溶液C中加入50-70g丙烯酰胺单体和2-3g交联剂，充分溶解后，得溶液D；

步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，并调节pH值至中性，然后加入交联催化剂和交联引发剂，迅速搅拌1-3分钟后，倒入成型模具中进行固化；

步骤六，将固化后的包埋微生物切割成需要的尺寸大小。

进一步地，所述步骤一中多糖植物胶选自黄原胶、果胶、瓜尔胶、阿拉伯树胶或其改性衍生物中的一种或几种。

进一步地，所述步骤二中的待包埋的微生物为细菌、藻类或活性污泥。

进一步地，所述步骤三中的硅溶胶溶液采用偏硅酸钠或偏硅酸钾通过酸中和法制备获得，或采用有机硅氧烷在酸性条件下水解获得。

进一步地，所述有机硅氧烷选自四甲氧基硅烷、硅酸四乙酯、正硅酸丙酯中的一种或几种。

进一步地，所述步骤四中的交联剂为含有不饱和双键的化学交联剂。

进一步地，所述步骤四中的交联剂优选为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺。

进一步地，所述步骤五中的交联催化剂为四甲基乙二胺或乙醇胺；所述交联引发剂为过氧化钾、过氧化钠或过氧化铵。

进一步地，所述步骤五中交联催化剂在包埋体系中的用量百分比为0.7-2％(m/v)；优选为1-1.8％(m/v)；更优先为1.3-1.5％(m/v)。

进一步地，所述步骤五中引发剂在包埋体系中的百分比为0.1-0.6％(m/v)；优选为0.2-0.5％(m/v)；更优先为0.3-0.4％(m/v)。

本发明的第二个方面是提供一种采用上述所述方法制备的包埋微生物凝胶。

本发明的所述包埋微生物凝胶是利用天然多糖植物胶与人工合成聚合单体及交联剂进行共聚凝胶，形成高强度的多孔包埋微生物凝胶载体。

本发明所采用的多糖植物胶分子结构中具有丰富的羟基官能团，与聚合单体及交联剂作用可以形成牢固的凝胶网络，同时多糖植物胶属于天然高分子糖类，分子链长且溶液粘度较大，可以缓冲单体交联时的反应速度，降低反应体系温度，从而避免反应瞬间剧烈放热升温对微生物活性的影响；多糖植物胶引入交联聚合体系可以提高凝胶整体聚合均匀度，并扩大凝胶网络的网格尺寸，从而提升凝胶载体的传质能力。多糖植物胶具有良好的生物相容性，对微生物进行混合包裹后能有效缓冲人工合成化学品原料对微生物的毒性，增加微生物活性；聚合后的残留还能够被微生物作为营养底物加以利用，因此制得的包埋微生物保存时间较长。

进一步地，所述多糖植物胶选自黄原胶、果胶、瓜尔胶、阿拉伯树胶或其改性衍生物中的中或几种，且黄原胶、果胶、瓜尔胶和阿拉伯胶是常见的天然多糖植物胶，它们都是具有良好的水溶性和粘性的多糖高分子，羟基官能团丰富，其中黄原胶、果胶、瓜尔胶属于“低浓高粘”的多糖植物胶，阿拉伯胶属于“高浓低粘”的多糖植物胶，根据多糖植物胶溶液的粘度和浓度的要求，将这几种多糖植物胶或其衍生物进行适当的复配溶解使用，得到合适浓度和粘度的多糖植物胶溶液。

进一步地，所述硅溶胶溶液采用偏硅酸钠或偏硅酸钾通过酸中和法制备获得，或采用有机硅氧烷在酸性条件下水解获得。有机硅氧烷水解或偏硅酸盐进行酸中和制备形成的二氧化硅溶胶可以作为包埋微生物凝胶的无机骨架，与有机凝胶形成互穿网络，从而提高包埋微生物凝胶的整体强度和抗生物侵蚀性，提高使用寿命。

本发明中丙烯酰胺单体和交联剂的作用是形成有机凝胶网络，由于其具有一定的生物毒性，需适当控制其用量，以保持较高的微生物活性。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

采用本发明方法所制备的包埋微生物凝胶不但强度高、寿命长，可在流化反应器中运行超过3年以上，且微生物活性在包埋后可保持97％以上；而且传质效率高、生物相容性好、活性高，原料体系对微生物损害低，且能够被微生物作为营养底物利用，因此保存时间较长；该制备方法所采用的原料来源广泛，成本低，且制备方法在常温有氧条件下即可操作，操作简便；制备的包埋微生物主要应用于高浓度高盐分的有机废水，并可大规模工业化制备。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1 利用多糖植物胶制备包埋微生物

步骤一，将黄原胶用50℃的去离子水搅拌溶解得到溶液A，溶液A的浓度为2％；

步骤二，向100mL的溶液A中加入36g活性污泥，充分混合搅拌得到溶液B；

步骤三，用0.1ml的盐酸溶液将180mL去离子水调节pH值至5，然后加入20mL的硅酸四乙酯，充分搅拌水解，得到透明的溶液C；

步骤四，在200mL的溶液C中加入50g丙烯酰胺单体和2g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，并采用5％的NaOH溶液调节pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺10mL和过硫酸钾饱和溶液30mL，迅速搅拌1.5分钟后，倒入成型模具中进行固化；

步骤六，将固化后的成型凝胶切割成3×3mm的方块。

将制备得到的包埋化活性污泥用于处理生活污水，经过5小时处理，COD从400mg/L降低到20mg/L，使用寿命3年以上。

实施例2 利用多糖植物胶制备包埋微生物

步骤一，将果胶用40℃的去离子水搅拌溶解得到溶液A，溶液A的浓度为1％；

步骤二，向400mL的溶液A中加入72g硝化菌，充分混合搅拌得到溶液B；

步骤三，用0.1ml的盐酸溶液将180mL去离子水调节pH值至3，然后加入70mL的四甲氧基硅烷，充分搅拌水解，得到透明的溶液C；

步骤四，在200mL的溶液C中加入70g丙烯酰胺单体，4g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，采用0.01mol的PBS溶液调节pH值至中性，然后加入乙醇胺18mL和过硫酸钠饱和溶液40mL，迅速搅拌3分钟后，倒入成型模具中进行固化；

步骤六，将固化后的成型凝胶切割成6×6mm的方块。

将制备得到的包埋硝化菌处理养猪废水，经过6小时处理，氨氮从80mg/L降低到1mg/L以下，使用寿命3年以上。

实施例3 利用多糖植物胶制备包埋微生物

步骤一，将瓜尔胶用15℃的去离子水搅拌溶解得到溶液A，溶液A的浓度为0.5％；

步骤二，向300mL的溶液A中加入30g氯化钠及40g嗜盐菌，充分混合搅拌得到溶液B；

步骤三，用0.1ml的盐酸溶液将180mL去离子水调节pH值至4，然后加入40mL的正硅酸丙酯，充分搅拌水解，得到透明的溶液C；

步骤四，在200mL的溶液C中加入60g丙烯酰胺单体，3g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，采用0.01mol的PBS溶液调节pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺14mL和过硫酸铵饱和溶液35mL后迅速搅拌，倒入成型模具中进行固化；

步骤六，将固化后的成型凝胶切割成4×4mm的方块。

用制备得到的包埋嗜盐菌处理腌萝卜废水，含氯化钠14％，COD含量12000mg/L，经过72小时处理，COD降到600mg/L，使用寿命3年以上。

实施例4 利用多糖植物胶制备包埋微生物

步骤一，将阿拉伯树胶用50℃的去离子水搅拌溶解得到溶液A，溶液A的浓度为5％；

步骤二，向200mL的溶液A中加入50g小球藻，充分混合搅拌得到溶液B；

步骤三，配置3％的偏硅酸钠溶液，用盐酸调节pH值到低于9，加入少量聚乙二醇200做分散剂，得到溶液C；

步骤四，在200mL的溶液C中加入65g丙烯酰胺单体，2.5g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，采用0.01mol的PBS溶液调节pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺14mL和过硫酸铵饱和溶液35mL后迅速搅拌，倒入成型模具中进行固化；

步骤六，将固化后的成型凝胶切割成3×3mm的方块。

用制备得到的包埋化小球藻处理鱼塘养殖水，经过12h处理，总氮从80mg/L降到7mg/L，使用寿命3年以上。

实施例5 利用多糖植物胶制备包埋微生物

步骤一，将羟丙基瓜尔胶和阿拉伯树胶用30℃的去离子水搅拌溶解得到溶液A，溶液A中的瓜尔胶浓度为0.5％，阿拉伯树胶的浓度为3％；

步骤二，向350mL的溶液A中加入30g聚磷菌的混合菌，充分混合搅拌得到溶液B；

步骤三，用0.1ml的盐酸溶液将180mL去离子水调节pH值至4，然后加入40mL的四甲氧基硅烷，充分搅拌水解，得到透明的溶液C；

步骤四，在200mL的溶液C中加入60g丙烯酰胺单体，3g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，采用0.01mol的PBS溶液调节pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺14.5mL和过硫酸钾饱和溶液35mL后迅速搅拌，倒入成型模具中进行固化；

步骤六，将固化后的成型凝胶切割成3×3mm的方块。

用制备得到的包埋化聚磷菌处理垃圾渗滤液，经过12小时处理，总磷从100mg/L降低到8mg/L，使用寿命3年以上。

对比例1 采用专利CN101812440A中实施例2的技术方案制备微生物载体，不同的是将包埋硝化细菌替换为包埋活性污泥(同实施例1中相同的活性污泥)。

将该包埋有活性污泥的微生物载体用于处理生活污水(同实施例1中相同的生活污水)，经过5小时处理，COD从400mg/L降低到63mg/L，使用寿命1.5年。

对比例2 采用专利CN101812440A中实施例2的技术方案制备微生物载体，不同的是将高分子替换为黄原胶，并将包埋硝化细菌替换为包埋活性污泥(同实施例1中相同的活性污泥)。

将该包埋有活性污泥的微生物载体用于处理生活污水(同实施例1中相同的生活污水)，经过5小时处理，COD从400mg/L降低到80mg/L，使用寿命1年。

对比例3 采用专利CN101812440A中实施例2的技术方案制备包埋有硝化细菌的微生物载体。

将该包埋有硝化细菌的微生物载体用于处理养猪废水(同实施例2中相同的养猪废水)，经过6小时处理，氨氮从80mg/L降低到6.2mg/L，使用寿命2年。

对比例4 采用专利CN1800381A的技术方案制备包埋有硝化细菌的微生物载体，不同的是微生物替换为小球藻。

将该包埋有小球藻的微生物载体用于处理鱼塘养殖水，经过12h处理，总氮从80mg/L降到15mg/L，使用寿命2年。

对比例5 采用专利CN103060304A的技术方案制备包埋有活性污泥的微生物载体，不同的是微生物替换为活性污泥(同实施例1中相同的活性污泥)。

将该包埋有活性污泥的微生物载体用于处理生活污水(同实施例1中相同的生活污水)，经过5小时处理，COD从400mg/L降低到54mg/L，使用寿命1年。同时，将制备得到的包埋活性污泥的微生物载体用于处理养猪废水，经过6小时处理，氨氮从80mg/L降低到4mg/L，使用寿命1.5年。

与对比例1-5制得的包埋微生物相比，本发明实施例1-5所制备的包埋微生物具有较高的强度，其在用于污水处理具有更高的COD去除率、更高的氨氮去除率，可有效去除污水中的有机物、氨氮、总氮、总磷，且可适应于高含盐的污水环境，且采用本发明方法制得的包埋微生物中微生物保持的活性高，投加量少。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将多糖植物胶溶解于15-50℃的水中，冷却后制得浓度为0.5-5％的溶液A；

步骤二，向100-400mL的溶液A中加入36-100g待包埋的微生物，充分混合搅拌得到溶液B；

步骤三，制备浓度为3-12％的硅溶胶溶液，作为溶液C；

步骤四，在200mL的溶液C中加入50-70g丙烯酰胺单体和2-3g交联剂，充分溶解后，得溶液D；

步骤五，将溶液B和D充分混合搅拌，并调节pH值至中性，然后加入交联催化剂和交联引发剂，迅速搅拌1-3分钟后，倒入成型模具中进行固化；

步骤六，将固化后的包埋微生物切割成需要的尺寸大小；

其中，所述多糖植物胶选自果胶、瓜尔胶、阿拉伯树胶中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，所述步骤二中的待包埋的微生物为细菌、藻类或活性污泥。

3.根据权利要求1所述的利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，所述步骤三中硅溶胶溶液采用偏硅酸钠或偏硅酸钾通过酸中和法制备获得，或采用有机硅氧烷在酸性条件下水解获得。

4.根据权利要求3所述的利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，所述有机硅氧烷选自四甲氧基硅烷、硅酸四乙酯、正硅酸丙酯中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，所述步骤四中的交联剂为含有不饱和双键的化学交联剂。

6.根据权利要求5所述的利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，所述步骤四中的交联剂优选为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺。

7.根据权利要求1所述的利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，所述步骤五中的交联催化剂为四甲基乙二胺或乙醇胺；所述交联引发剂为过氧化钾、过氧化钠或过氧化铵。

8.根据权利要求1所述的利用多糖植物胶制备包埋微生物的方法，其特征在于，所述步骤五中交联催化剂在包埋体系中的用量百分比为0.7-2％(m/v)，所述引发剂在包埋体系中的百分比为0.1-0.6％(m/v)。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述方法制备的包埋微生物凝胶。