CN108102939A - 一种改性废啤酒酵母菌及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性废啤酒酵母菌及其制备方法,属于工业废水处理吸附材料技术领域。采用Fe3+改性废啤酒酵母细胞表面电负性的方法,制备了对低浓度Cr2O7 2‑吸附率大,机械强度高的改性酵母菌。结果表明,0.1500gFe3+改性废啤酒酵母对Cr2O7 2‑的吸附平衡时间为50min,吸附过程符合准二级动力学方程。吸附为Langmuir单分子层吸附,相对于未改性菌,改性菌对Cr2O7 2‑的吸附容量提高4倍多。pH实验表明改性菌对Cr2O7 2‑吸附率受溶液酸度影响不大,可适用于pH2.0~7.0的污水处理。
Description
技术领域
本发明提供一种改性废啤酒酵母菌及其制备方法,属于工业废水处理吸附材料技术领域。
背景技术
现代工业的发展会产生大量含重金属废水,重金属是对生态环境危害极大的一类污染物,其进入环境后不能被生物降解,往往通过食物链循环在生物体内积累,直至危害人体健康。电镀、染料、皮革和胶片等工业生产中排放大量含铬废水,对人类健康和生态环境的危害越来越大,六价铬的毒性更强,会引起呼吸道、肠胃疾病,进而导致肺、支气管和消化道的癌症。因此如何有效地去除水环境中的铬已成为环保领域中亟待解决的问题。传统处理含铬废水的物理化学方法很多,比如化学沉淀法,膜分离法, 粘土吸附法, 电解还原法,光催化法等等。
近年来, 生物吸附法逐渐引起了人们的兴趣。所谓生物吸附法就是利用某些生物体及其衍生物本身的化学结构及成分特性,吸附水中的金属离子,通过固液两相分离来去除水溶液中金属离子的方法。与传统的处理方法相比,生物吸附法具有以下优点:(1) 处理效率高, 运行费用低;(2) pH值和温度适应范围宽;(3)受水溶液中钙、镁离子影响小;(4)生物吸附材料来源丰富。
自上个世纪70年代以来,人们对生物吸附处理金属离子做了一些探索和研究,结果表明生物细胞吸收金属离子的方式主要有两种方式:一种是活体细胞的主动吸收;另一种是细胞通过细胞壁或者细胞内的化学基团与金属螯合进行的被动吸收。细胞壁上的官能团——蛋白质、肽、羧基、磺酸基等与金属离子相互作用产生生物吸附。
随着重金属微生物吸附的广泛研究,生物吸附剂的种类也越来越丰富。研究较多的生物吸附剂可归纳为以下几类:(1)细菌:枯草杆菌、地衣芽袍杆菌、球衣菌等;(2)真菌:酵母菌、白腐真菌、产黄青霉、龟裂链霉菌等;(3)藻类:褐藻、鱼腥藻、轮藻、小球藻等。真菌的细胞壁在结构上类似于植物的细胞壁。虽然纤维素存在于某些真菌中,但绝大多数的细胞壁由几丁质组成。它存在于微纤丝束内,类似于纤维素。其它的葡聚糖,如甘露聚糖,半乳聚糖和氨基葡萄糖可替代几丁质存在于某些真菌的细胞壁中,真菌的细胞壁含80%的多糖。在重金属的吸附过程中,起主要作用的是几丁质和葡聚糖。细胞壁直接与外界环境接触,并且可以与液态介质中的可溶物发生作用。微生物细胞壁的特殊结构在很大程度上决定着其对金属的吸收,如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列,易于和金属离子结合。
在实际应用过程中,微生物吸附剂往往由于其表面结构松散,机械强度差,吸附能力弱等原因,限制了其具体的应用。由于细胞壁的阴离子特性,其对Cr2O7 2-等阴离子吸附效果较差。
发明内容
因此,针对现有技术的上述不足,本发明目的旨在提供一种对Cr2O7 2-吸附容量大,机械强度高的改性酵母菌。
具体的,改性废啤酒酵母菌,所述改性废啤酒酵母菌为Fe3+改性废啤酒酵母细胞表面电负性的方法制成。
改性废啤酒酵母菌的制备方法为,称取废啤酒酵母和FeCl3·6H2O,加入蒸馏水,于恒温水浴摇床中振荡反应,收集产物,以蒸馏水洗涤至无色,离心处理,冷冻干燥后收集。
进一步的,所述方法中废啤酒酵母与FeCl3·6H2O的质量比为2:1。
进一步的,称取2.0g干燥的废啤酒酵母和1.0g FeCl3·6H2O,加入100mL蒸馏水,于恒温水浴摇床中振荡反应14h,收集产物,以蒸馏水洗涤至无色,去除未反应的FeCl3·6H2O,5000rpm离心处理,冷冻干燥后收集。
本发明的有益效果在于:
本发明的改性废啤酒酵母菌及其制备方法,采用Fe3+改性废啤酒酵母细胞表面电负性的方法,制备了对Cr2O7 2-吸附容量大,机械强度高的改性酵母菌。废啤酒酵母菌是酿酒工业中产生的废弃物,用它作为原材料,具有价廉易得、来源广泛、以废治废的优点。在实际应用中有着广阔的前景,具有较好的经济价值和社会效益。
附图说明
图1为未改性和改性酵母菌的红外谱对比图。
图2为Cr2O7 2-吸附前后废啤酒酵母菌红外谱对比图。
图3为吸附Cr2O7 2-前后的Fe3+改性废啤酒酵母菌外谱对比图。
图4为吸附剂用量对Cr2O7 2-吸附率的影响示意图。
图5为pH对Cr2O7 2-的吸附性能影响曲线。
图6为Fe3+改性前后废啤酒酵母吸附Cr2O7 2-的动力学曲线。
图7为未改性和改性废啤酒酵母菌对Cr2O7 2-的吸附等温线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明:
主要仪器和试剂
NEXUS470智能型傅立叶红外光谱仪(美国 珀金-埃尔默公司);721分光光度计(上海第三分析仪器厂);CR22G高速离心机(日本 日立公司);SHZ-03恒温水浴摇床(上海堪鑫仪器设备有限公司);TGL-16G台式离心机(上海安亭科学仪器厂);BX51荧光电子显微镜(日本奥林巴斯公司);MAXI-DRY LYO真空浓缩(冻干)系统(捷克 HETO公司)。
废啤酒酵母;Cr2O7 2-溶液以基准纯K2Cr2O7配制成1mg·mL-1储备液;FeCl3·6H2O;二苯碳酰二肼(2g·L-1);H2SO4(1+1);H3PO4(1+1);试剂均为分析纯,蒸馏水
废啤酒酵母细胞表面Fe3+改性菌的制备
称取2.0g干燥的废啤酒酵母和1.0g FeCl3·6H2O,加入100mL蒸馏水。于恒温水浴摇床中振荡反应14h,收集产物,以蒸馏水洗涤数次至无色,检测pH为7.0左右。去除未反应的FeCl3·6H2O,5000rpm离心,冷冻干燥,收集待用。
菌体表面形貌观测
取20μL的反应原液滴在载玻片上,用电子显微镜透射(放大倍数为1000)观察改性前后废啤酒酵母表面形貌变化。
红外光谱检测
将干燥的废啤酒酵母和改性酵母菌,及其吸附Cr2O7 2-后的固体用KBr粉末压片,FTIR检测400-4000cm-1处各峰的变化,以研究改性及吸附反应前后废啤酒酵母表面官能团的变化。
改性菌对Cr2O72-的吸附实验
在室温下,摇床(转速150rpm)中用0.15g改性菌和25.00mL K2Cr2O7溶液于100mL锥形瓶中进行。吸附反应完毕后,离心,用二苯碳酰二肼光度法测定上清液的吸光度,并用标准曲线法计算六价铬的浓度。在吸附剂用量、pH及吸附动力学实验中,六价铬的初始浓度均为50.0 mg·L-1。
的检测方法
二苯碳酰二肼光度法:在25mL容量瓶中,用吸量管加入铬溶液,0.5mL(1+1)H2SO4,0.5mL(1+1)H3PO4,摇匀。再加入2.5mL二苯碳酰二肼溶液,稀释至刻度,立即摇匀。静置10min,用1cm比色皿,以试剂空白为参比溶液,在波长540nm下测定吸光度。
改性菌的表征
显微镜图片分析
观察废啤酒酵母Fe3+改性前后形貌的变化,废啤酒酵母菌呈椭圆球状,在溶液中分散较好,细胞之间的聚集少。改性后,细胞壁完好,细胞间聚集现象很明显。这种现象表明,细胞表面通过Fe3+使细胞间相互团聚,增大了吸附剂的体积,使其更易从水中分离出来,从而降低应用难度。
红外谱图分析
图1,图2,图3分别为未改性和改性酵母菌及其对Cr2O7 2-吸附后的红外谱图,图中显示,菌体表面的官能团较多。由图1未改性和改性酵母菌的红外谱图对比知,上方线条为改性酵母菌的红外谱图,3344cm-1为v NH和v OH共同作用形成的宽吸收峰,v CH(次甲基,-CH2)在2924cm-1处有吸收,酰胺Ⅰ带v CO在1665cm-1处有吸收,酰胺Ⅱ带δNH与v C-N在1529cm-1处有吸收,酰胺Ⅲ带耦合振动在1240cm-1处有吸收,δOH在1450cm-1处有吸收, v C-O在1071cm-1处有吸收。废啤酒酵母菌体表面的主要基团为: 酰胺基(-CONH-)和羟基(-OH)。经Fe3+改性后,吸收峰的强度减弱,并发生位移.这可能是因为菌体细胞与Fe3+相互作用形成了复合体的结果。图2和图3分别为未改性和改性酵母菌Cr2O7 2-吸附前后的谱图对比,上方线条为吸附前的谱图,从图中看出,吸附反应前后两谱图区别不大,仅在ν NH和ν OH、δ NH与ν C-N的吸收峰位置和强度发生了变化,表明在生物吸附过程中Cr2O7 2-与-CONH2和-NH-发生了作用. 通过正负电荷的静电吸引作用相互结合。
最佳金属阳离子的选择
金属阳离子与菌体表面的负电荷官能团通过正负电荷相互吸引作用发生反应,使废啤酒酵母细胞表面改性,更加有效的吸附Cr2O7 2-。对于金属阳离子的选择非常重要,它不仅能与菌体表面的负电荷官能团—COO-、—O-、—CON-等发生反应,而且能够通过正负电荷的相互吸引作用提高对Cr2O7 2-的吸附率。表1列出了相同质量的不同金属阳离子改性废啤酒酵母菌对Cr2O7 2-吸附量的比较。从表中可以明显看出,菌体改性前对Cr2O7 2-的吸附仅32.24%,7种金属阳离子分别对菌体改性后吸附Cr2O7 2-的能力均高于未改性菌。其中,Fe3+改性的废啤酒酵母菌对Cr2O7 2-吸附率最大,达到93.75%。所以选择Fe3+对废啤酒酵母细胞表面改性,同时也表明,采用电负性的方法改性菌体细胞表面的措施是有效的。
表1
吸附剂用量的确定
在吸附实验中,确定吸附剂的用量直接影响实际应用中的经济效益。图4为不同量的吸附剂对Cr2O7 2-吸附量的影响,图中显示,随着吸附剂用量的增加,吸附率随之增大。当吸附剂用量在0.15g后吸附率渐渐趋于平缓,达到94%,故在实验中选择吸附剂用量为0.1500g。
吸附行为的影响因素
溶液酸度
溶液pH值对吸附率有很大影响,它不仅影响吸附剂表面性能,还影响溶液中Cr2O7 2-形态。在低pH条件下,Cr2O7 2-会与溶液中大量的H+结合。pH对Cr2O7 2-的吸附性能影响曲线见图5,上方线条为未改性废啤酒酵母菌。实验中吸附溶液的pH在2.0~7.0之间,由图可知, Fe3+改性废啤酒酵母菌对Cr2O7 2-的吸附率明显大于未改性菌。随着溶液pH的升高,废啤酒酵母菌的吸附率下降,说明其吸附主要依赖于溶液中大量的H+,受酸度影响大。而Fe3+改性废啤酒酵母菌对Cr2O7 2-的吸附率受溶液酸度影响不大,呈现先增加后减小的趋势,适宜pH在4.0~6.0左右。电镀、冶金等工厂排放的综合污水pH大多在6.0~7.0之间,酸度实验表明,改性菌较未改性菌更适用于工厂污水的处理。
吸附时间
Cr2O7 2-在细胞表面的吸附主要是正负电荷相互吸引。图6显示了Fe3+改性前后废啤酒酵母吸附Cr2O7 2-的动力学曲线,上方为改性后废啤酒酵母吸附Cr2O7 2-的动力学曲线,吸附速度在开始的10min很快,此后逐渐减慢,因为吸附初期菌体表面暴露的吸附位点较多,随着吸附时间的延长,吸附位点被占据,吸附速度降低。50min后Fe3+改性废啤酒酵母菌吸附反应达到平衡,废啤酒酵母菌则在150min后逐渐达到平衡。因此吸附时间定为3h。
用准二级方程能更好地说明吸附时间与吸附量的动力学关系,
(1)
方程(1)中,q e (mg·g-1)是平衡时的吸附量,k(g·mg·min-1) 是吸附反应速度常数,v 0 [mg.(g·min)-1]表示吸附反应初始速度。以t/q t 对t作图,得直线,由斜率和截距计算k和q e 。菌体吸附Cr2O7 2-的准二级动力学曲线模拟方程参数列于表2,高的线性相关系数说明,准二级方程适合描述此吸附反应。另外,由表2可看出,改性后菌体的吸附速度及吸附容量较未改性有明显提高.
表2
V0[mg·(g·min)-1] | qe (mg·g-1) | R2 | |
未改性菌 | 0.33 | 2.56 | 0.999 |
改性菌 | 7.63 | 7.91 | 0.999 |
Cr2O7 2-浓度
未改性和改性废啤酒酵母菌对Cr2O7 2-的吸附等温线用图7表示,上方线条为改性废啤酒酵母菌对Cr2O7 2-的吸附等温线,随着Cr2O7 2-平衡浓度的增加,菌体的吸附量增大并趋于平缓。这表明吸附过程由化学平衡和饱和机理控制。改性酵母菌对Cr2O7 2-的饱和吸附量(13.07mg·g-1)是未改性酵母菌(2.90 mg·g-1)的4倍多。
为了进一步确定其吸附机理,用Langmuir模型对吸附等温线进行模拟, Langmuir模型方程为:
(2)
即 (3)
方程(3)中,qm(mg·g-1)为最大吸附量,b(L·mg-1)是吸附平衡常数,Ce(mg·L-1)为平衡浓度,表3给出了吸附等温线的模拟参数,可以得出改性和未改性酵母菌的线性相关系数都>0.99,说明Langmuirr吸附等温模式适合描述整个吸附过程。另一方面,根据Langmuirr吸附等温式,吸附平衡常数b值的大小也表明,改性酵母菌比未改性的吸附能力强。
表3
b(L·mg-1) | qm (mg·g-1) | R2 | |
未改性菌 | 1.23 | 2.90 | 0.993 |
改性菌 | 1.65 | 12.98 | 0.995 |
电镀厂废水处理
称取10份0.3000g Fe3+改性废啤酒酵母菌,每份移入湖北省黄石市某电镀厂的含铬废水25mL,吸附反应3h,取上清液按2.6方法检测。六价铬吸附率和上清液浓度列于表4。经检测原电镀废水中含12.84mg·L-1六价铬,水体pH在6.0~7.0之间。吸附反应后,六价铬的去除率达97%以上,上清液中六价铬浓度小于0.33mg·L-1(<0.50mg·L-1),达到国家污水综合排放标准(GB 8978-1996)。
表4
4、结论
对废弃酵母菌细胞表面进行简单改性,不仅能增加机械强度,而且有效的提高了菌体对Cr2O7 2-吸附量。对水体中低浓度的六价铬有较强去除能力,吸附快速,可用准二级模拟方程拟和,符合Langmuir吸附等温式,适用于pH范围宽的废水处理。对菌体改性前后显微镜图和红外谱图的分析表明,菌体表面细胞与Fe3+通过静电相互吸引作用形成了复合体。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种改性废啤酒酵母菌,其特征在于,所述改性废啤酒酵母菌为Fe3+改性废啤酒酵母细胞表面电负性的方法制成。
2.一种如权利要求1所述的改性废啤酒酵母菌的制备方法,其特征在于,所述方法为:称取废啤酒酵母和FeCl3·6H2O,加入蒸馏水,于恒温水浴摇床中振荡反应,收集产物,以蒸馏水洗涤至无色,离心处理,冷冻干燥后收集。
3.如权利要求2所述的改性废啤酒酵母菌的制备方法,其特征在于,所述方法中废啤酒酵母与FeCl3·6H2O的质量比为2:1。
4. 如权利要求3所述的改性废啤酒酵母菌的制备方法,其特征在于,所述方法具体为:称取2.0g干燥的废啤酒酵母和1.0g FeCl3·6H2O,加入100mL蒸馏水,于恒温水浴摇床中振荡反应14h,收集产物,以蒸馏水洗涤至无色,去除未反应的FeCl3·6H2O,5000rpm离心处理,冷冻干燥后收集。
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