CN107881164A - 一种固定化微生物和此固定化微生物的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固定化微生物和此固定化微生物的制备方法及应用，涉及污水处理技术领域。一种固定化微生物，包括有机固定载体以及固着在有机固定载体上的微生物，有机固定载体包括质量分数为5～100％的碳化棉布。此外本发明还涉及固定化微生物的制备方法和应用。在微生物固定载体中加入碳化棉布，具有微生物固着所需要的空隙，能够促进微生物的固着及旺盛繁殖。同时，具有足够的吸水性和保水性，保证微生物的旺盛繁殖。此外，碳化棉布具有容易分解、成本低等优点。可以作为堆肥的肥料、土壤改良剂、发酵开始/促进剂、除臭剂、废水净化剂、浴池净化剂、河川/湖泊净化剂以及空气净化剂等使用。

Description

一种固定化微生物和此固定化微生物的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种污水处理技术领域，且特别涉及一种固定化微生物和此固定化微生物的制备方法及应用。

背景技术

随着经济的发展和工业化的进程的加快，日益严重的污染问题越来越突出，特别是水体和土壤污染严重。世界各国的科学家都在努力寻求低成本、低能耗的污染处理技术。微生物在去除污染物方面具有独特的作用，生物降解被视为相对有效、经济节能的污染处理技术，特别是在水处理方面。传统微生物在处理污水时，通常直接将微生物接种在待处理的污水中，通过微生物的生长、吸收、代谢将污染物质浓度降低，但是由于环境因素、竞争作用和易流失等原因，微生物处理污水的效果并不理想。而将微生物进行固定化处理，能够有效提高微生物的处理效果。固定化微生物技术是利用化学或物理的手段和方法，将游离的生物定位于限定区域，能够纯化和保持高效菌种。

发明人研究发现，以往的微生物固定载体材料，一般仅使用稻壳、米糠、锯末等有机物，又或者是通过化学交联等方法固定微生物。使用稻壳等有机物作为固定载体时，存在(1)吸水性及保水性不足；(2)微生物固着所需的空隙部分不足，导致微生物繁殖出现好氧性及厌氧性平衡不良，导致发酵培养时间过长；(3)堆肥或污染处理效果差。而通过交联反应固定微生物，可能导致试剂污染、损伤微生物机体、固定载体无法分解造成蓄积等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固定化微生物，此固定化微生物通过他碳化棉布对微生物进行固定，使其具有充分的吸水性和保水性，培养发酵性良好，且易于分解。

本发明的另一目的在于提供一种固定化微生物的制备方法，以有机固定载体浸入到微生物培养后发酵培养制得固定化微生物，方法简单，适用于工业化大规模生产。

本发明的第三个目的在于提供一种固定化微生物在制备污水净化剂、除臭剂、土壤改良剂、河川/湖泊净化剂或空气净化剂中的应用。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种固定化微生物，包括有机固定载体以及固着在有机固定载体上的微生物，有机固定载体包括质量分数为5～100％的碳化棉布。

本发明提出一种固定化微生物的制备方法，其包括：将有机固定载体浸入到含有微生物的培养液中，经过发酵培养得到固定化微生物。

本发明提出上述的固定化微生物在制备污水净化剂、除臭剂、土壤改良剂、河川/湖泊净化剂或空气净化剂中的应用。

本发明实施例的固定化微生物、制备方法及其应用的有益效果是：

在微生物固定载体中加入碳化棉布，碳化棉布具有独特的构造特征，其特殊的网状纤维结构具有微生物固着所需要的空隙，能够促进微生物的固着及旺盛繁殖。同时，用碳化棉布对微生物进行固定，能够保证固定化微生物具有足够的吸水性和保水性，保证微生物的旺盛繁殖。此外，碳化棉布具有容易分解、成本低等优点，应用于污水净化剂等的过程中，不会造成残留蓄积的问题。通过将有机固定载体浸入到为微生物的培养液中进行发酵培养从而得到固定化微生物，在发酵培养过程中，微生物固着良好，且不会造成机体损伤，微生物的活性强。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的固定化微生物、此固定化微生物制备方法及其应用进行具体说明。

本发明实施例提供一种固定化微生物，包括有机固定载体以及固着在有机固定载体上的微生物，有机固定载体包括质量分数为5～100％的碳化棉布。

碳化棉布是以棉布等常见纺织品为原材料，经高温碳化后得到的材料。碳化棉布可以是市售产品，也可以是自制产品，例如将棉布纺织品在600～800℃氩气环境下煅烧20～35min得到。也可以是根据日本中部电力公司的专利方法制备得到。

优选地，本发明实施例中所使用的作为全部或部分有机物固定载体的碳化棉布，其纤维素含量优选为超过一半，更为优选地，碳化棉布的纤维素含量超过90％。碳化棉布的构造，最好选择海绵状，即多孔材质的产品。多孔材质，可以是联通孔体、非联通孔体、也可以是联通孔和非联通孔的混合体中的任意一种。采用多孔材质，在吸收水分后发生膨胀，然后生成空隙，对于微生物的固着非常有利。

进一步地，在本发明较佳实施例中，碳化棉布在含水率为60％时，视密度为0.25～0.35g/cm³。更为优选地，视密度为0.25～0.3g/cm³。

进一步地，在本发明较佳实施例中，碳化棉布的平均孔径为0.1～1.5mm，每克干燥的所述碳化棉布的最大含水量为20～55g。更为优选地，碳化棉布的平均孔径为0.3～1.0mm，每克干燥的所述碳化棉布的最大含水量为20～35g。

当碳化棉布的视密度、平均孔径、最大含水率等特性在上述范围时，对于微生物培养过程中，微生物在碳化棉布中的固着非常有利，进一步提升本实施例中微生物固定载体的性能。

对于本实施例中，碳化棉布的形状，不做特殊的要求，例如可以是平面方形、骰子形、球形等规则形状，也可以是不规则形状或多种形状的混合材质。只要不影响固定化微生物的使用即可，碳化棉布的厚度优选为1mm～10mm，长度优选为1～100mm，进一步优选为5～50mm，保证碳化棉布载体面与其他有机物载体的混合，增加微生物的固着效果和繁殖生长效果。

进一步地，在本发明较佳实施例中，有机固定载体还包括辅助物。辅助物为与碳化棉布混合使用的其他有机物载体，对其成分和种类并不做特定的限制，最好选择在环境中能够自然分解、微生物固着性良好、价格便宜且易于购买的材料。优选地，辅助物选自谷物壳、木材废弃物、甘蔗渣、枯草、枯叶、纸屑中的一种或多种。谷物壳可以是稻壳、荞麦壳、米糠、椰子壳等，木材废弃物例如可以是木屑、锯末等。除此之外，辅助物也可以是稻穰、麦穰等天然纤维素材废物、食品制造废弃物等。上述辅助物可以单独使用，也可以两种以上混合使用。

碳化棉布的含量，考虑其在与其他有机物载体，即辅助物组合使用后，只要能够维持组合后的吸水性、保水性、微生物固着性、二次培养性即可。优选地，碳化棉布在有机固定载体中的含量10～100％，进一步地，为80～100％。需要说明的是，碳化棉布的含量为在干燥重量下，相对于有机固定载体的重量。

比较合适的可作为固定化微生物中使用的需进行发酵培养的微生物群，可以使用用量生产食物的微生物，例如可以使用生产纳豆、酒精类、食醋、酱油、酸奶等食物的微生物，也就是纳豆菌、酵母、曲霉菌、乳酸菌、醋酸菌等。

进一步地，在本发明较佳实施例中，微生物包括纳豆菌、酵母和乳酸菌。采用上述三种菌种，能够有效进行污水净化、除臭、废料发酵等。且均为可食用菌种，安全无毒害，产生的发酵产物不会造成二次污染。

本实施例的纳豆菌最好使用枯草芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌、巨大芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、地衣形芽孢杆菌等杆菌属菌类，用于生产纳豆时使用的枯草芽孢杆菌是一种具有强大拉丝能力的纳豆菌菌株，效果好。

本实施例的酵母为有孢子酵母科，最好使用面包酵母、葡萄汁酵母、糖化酵母、脆壁克鲁维酵母、法尔皮有孢汉生酵母、粟酒裂殖酵母、膜醭毕赤酵母、斯达氏油脂酵母、酒香酵母属、产朊假丝酵母、毛孢子菌属等，优选为选用效果优良的市售面包酵母。

本实施例的乳酸菌，最好使用具有乳酸菌发酵特性的戴尔布吕克氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、干酪乳杆菌、嗜热链球菌、乳链球菌、肠系膜明串珠菌、戊糖乙酸乳杆菌等的菌株，更为优选地，使用作为酸奶用的戴尔布吕克氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌更好。

本发明实施例提出一种固定化微生物的制备方法，其包括：将有机固定载体浸入到含有微生物的培养液中，经过发酵培养得到固定化微生物。

本实施例中，加入到有机固定载体中的微生物培养液的制备步骤，是将上述的微生物加入到营养源中进行培养，这种培养方式并没有特殊的要求，采用通常的方法即可。例如，先将定量的作为营养源的蜜糖及糖浆等的糖类物质溶解在常温水中，向其中加入定量的纳豆菌、酵母和乳酸菌，混合后，缓慢搅拌混合液，在约为35～40℃的保温条件下，进行3～7日的培养，将培养液培养成1mL培养液中含有总数100万以上的微生物群。

进一步地，在本发明较佳实施例中，培养液中，纳豆菌、酵母和乳酸菌的菌群比例为1:10¹～10⁵:10²～10⁶。进一步地，纳豆菌、酵母和乳酸菌的菌群比例为1:10²～10⁴:10³～10⁵。将微生物培养液中的微生物控制在上述比例下，能够最大程度优化微生物的土壤改良、消除异臭、污水净化的能力。

制备得到微生物培养液后，将有机固定载体浸入到微生物培养液中实施二次培养，该培养方法没有特定的限制，采用通常的方法进行。例如，在几乎接触不到外界的密封容器中，混合加入规定量的碳化棉布及辅助物，将预先调制的规定量的微生物培养液以及营养源，均一地浸入到有机固定载体中，对容器进行密闭。在约40℃的保温条件下，一边适当的排气，一边进行一周左右的发酵。营养源可以选用蜜糖溶液等。

进一步地，在本发明较佳实施例中，为了保证上述二次培养的顺利进行，发酵培养的时间为2～7天，培养的温度为30～50℃。进一步地，培养的温度控制在35～40℃的范围。

并且，关于各原料的用量比，优选为将微生物培养液设定在1～6重量份、含有质量分数为5％以上的碳化棉布的有机固定载体为1～6重量份、蜜糖溶液等营养源为1～3重量份。

本发明提出上述的固定化微生物在制备污水净化剂、除臭剂、土壤改良剂、河川/湖泊净化剂或空气净化剂中的应用。根据固定化微生物活性的高低，还可将其应用于肥料、发酵促进剂等。

此外，本实施例中的固定化微生物，在用途允许的范围内，除了有机固定载体外，还可以混入不作为微生物固定载体的有机物和无机物。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。本实施例中的微生物培养液中的微生物菌群比例、碳化棉布的含水率、视密度、平均孔径、最大含水率等通过下述方法求出。

(1)微生物菌体数比率的获得：

使用微量吸管吸取10μL的微生物培养液，滴入带有开缝的滑块(10mm的滑块上间隔为0.1mm的开缝)上，用玻璃片盖好，放置在400倍的显微镜下进行观察，分别数出每个开缝(1m²)中存在的乳酸菌、酵母和纳豆菌的数目。

或者通过血球计数板和显微镜观察法确定微生物的菌体数量。

(2)含水率的测定：

测定湿润的碳化棉布在干燥状态下的样品重量Ag，然后将同一样品放置在干燥设备中，在105℃下干燥6h，得到重量Bg，则含水率(wt％)＝(A-B)×100/A。

(3)视密度的测定：

湿润的碳化棉布在105℃下干燥6h后，放置在干燥器内在室温(约23℃)下冷却，得到干燥碳化棉布。将该碳化棉布切割成边长5cm的立方体，测定制作的样品的重量为Cg。接下去，将该样品浸入水中，调整至含水率为60％后，测量各个面的尺寸，计算出含水用品的体积为Dcm³，则视密度＝C/D[g(dry)/cm³(wet)]。

(4)平均孔径的测定：

用锐利的刀具切断含水率调整至60的碳化棉布样品，随机抽取50个部位的切断面细孔，测定细孔的直径，计算出平均孔径。

(5)最大含水率的测定：

取湿润状态下的碳化棉布，切割出边长5cm的立方体，将该样品浸入常温水中，并进行气泡脱除。浸没5min后，将样品置于金属网上1mim，之后测定该样品的重量为Eg。接下去，利用850rpm的脱水机对该样品进行脱水处理，在105℃下干燥6h后，放置在干燥器内在室温下冷却，测定冷却后的重量为Fg。则最大含水率＝(E-F)/E[g(水)/g(dry)]。

实施例1

本实施例提供的一种固定化微生物，其根据以下步骤制备得到：

取含水率不足60％，视密度为0.2[g(dry)/cm³(wet)]、平均孔径为0.3mm，最大含水率为55[g(水)/g(dry)]特性的干燥碳化棉布，切割成最长直径30mm的不同规则形状的样品。将其作为重量占比为100％的有机固定载体使用，按照表1中的用量比例，将微生物培养液和有机固定载体加入到密闭容器中后，一边排气的同时，将容器的温度控制在约40℃左右，进行发酵培养，约3天时间得到具有乙醇臭味的固定化微生物。

实施例2

本实施例提供的一种固定化微生物，使用的有机固定载体包括重量占比为60％的干燥碳化棉布以及重量占比为40％的米糠，按照实施例1的制备步骤制备得到具有乙醇臭味的固定化微生物。

实施例3

本实施例提供的一种固定化微生物，使用的有机固定载体包括占比为20％的干燥碳化棉布、重量占比为40％的米糠和重量占比为40％的稻壳，按照实施例1中的步骤，发酵4天得到具有乙醇臭味的固定化微生物。

对比例1

本对比例提供一种固定化微生物，使用的有机固定载体为重量占比为50％的米糠和重量占比为50％的稻壳。按照实施例1中的步骤，发酵6天得到具有乙醇臭味的固定化微生物。

表1固定化微生物的用料比

*1：来源于中科院微生物研究所；

*2：为安琪酵母股份有限公司生产；

*3：来源于中科院微生物研究所；

*4：为培养后制得的培养液中微生物菌体数比例；

*5：有机固定载中各组分的含量以干燥状态的含量进行换算；

*6：所有原料(培养液、有机固定载体、蜜糖)混合后，添加水进行调制。

试验例1除臭试验

在内径约9cm、高约17cm的带盖1000mL容器内，使用28～30％的氨水试剂，调制成浓度为1000mg/L的氨水溶液，加入到400mL容器中。取实施例1～3和对比例1中制作的固定化微生物80g，添加到氨水溶液中，进行缓慢混合，盖上盖子后，室温条件下放置5min，打开盖子，用气体检测管(气体采集器及2.5～1000mg/L的氨气检测管)测定氨气浓度。测试结果如表2所示。

表2除臭试验测试结果表

项目	空白组	试验组1	试验组2	试验组3	试验组1
						固定化微生物	无	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1
氨气浓度(mg/L)	130	15	20	30	70
						除臭率*	--	88.46％	84.62％	76.92％	46.15％

*除臭率＝试验组氨气浓度/空白组氨气浓度

从表2可见，实施例1～3制备的固定化微生物具有良好的除臭效果，在短时间内就达到极高的除臭效果，尤其是，碳化棉布的重量占比越大，除臭效果越好。

试验例2污水处理试验

取长度为3m，宽度为1m，高度为2m的玻璃容器，在该容器内盛装5m³的带污泥的污水，试验用污水来源于受污染湖泊水，水体发黑发臭，浑浊不清。分别加入实施例1、3和对比例1中制作的固定化微生物250g。室温下放置4周，结果如表3所示。

表3污水处理试验结果表

试验例3

将实施例1～3和对比例1制得的固定化微生物分别填于土中，观测其自然分解的情形。结果表明，上述各个样品埋于土中约5个月后，所有样品的形状均被破坏，都变成了小片状及粉末状，表明所有的固定化微生物均被良好分解。

综上所述，本发明实施例的固定化微生物，由于其生物分解性能高，固定载体的残留小，安全环保，不会造成二次污染问题。且由于该固定化微生物吸水性和保水性良好，具有丰富的空隙，能够满足微生物的固着以及生长繁殖的需求，可以作为堆肥的肥料、土壤改良剂、发酵开始/促进剂、除臭剂、废水净化剂、浴池净化剂、河川/湖泊净化剂以及空气净化剂等使用。生产工艺简单、原料易得、生产成本低廉，除臭、净化效果优良，具有广阔的市场应用前景。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种固定化微生物，其特征在于，包括有机固定载体以及固着在所述有机固定载体上的微生物，所述有机固定载体包括质量分数为5～100％的碳化棉布。

2.根据权利要求1所述的固定化微生物，其特征在于，所述碳化棉布在含水率为60％时，视密度为0.25～0.35g/cm³。

3.根据权利要求1所述的固定化微生物，其特征在于，所述碳化棉布的平均孔径为0.1～1.5mm，每克干燥的所述碳化棉布的最大含水量为20～55g。

4.根据权利要求1所述的固定化微生物，其特征在于，所述微生物包括纳豆菌、酵母和乳酸菌。

5.根据权利要求4所述的固定化微生物，其特征在于，所述有机固定载体还包括辅助物，所述辅助物选自谷物壳、木材废弃物、甘蔗渣、枯草、枯叶、纸屑中的一种或多种。

6.一种如权利要求1～5任意一项所述的固定化微生物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述有机固定载体浸入到含有所述微生物的培养液中，经过发酵培养得到所述固定化微生物。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述培养液中含有纳豆菌、酵母和乳酸菌，所述纳豆菌、所述酵母和所述乳酸菌的比例为1:10¹～10⁵:10²～10⁶。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在发酵培养前，还包括加入微生物发酵培养用的营养源。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，发酵培养的时间为2～7天，培养的温度为30～50℃。

10.如权利要求1～5任意一项所述的固定化微生物在制备污水净化剂、除臭剂、土壤改良剂、河川/湖泊净化剂或空气净化剂中的应用。