CN108570115A

CN108570115A - 一种胞外聚合物中多糖的回收方法

Info

Publication number: CN108570115A
Application number: CN201810291161.9A
Authority: CN
Inventors: 曹达啟; 郝晓地; 宋鑫; 杨文宇; 方晓敏
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2018-09-25

Abstract

本发明涉及一种胞外聚合物中多糖的回收方法，包括以下步骤：S1：活性污泥的收集；S2：活性污泥的处理，使活性污泥中的微生物细胞表面的胞外聚合物解离，经重力沉降或离心去除包含细胞体以及细胞残体的非溶解性杂质后，得到溶解性胞外聚合物溶液；S3：溶解性胞外聚合物溶液的处理，向溶解性胞外聚合物溶液中投加可离子化的高价金属盐或含高价金属离子溶液，以使胞外聚合物溶液中多糖与高价金属离子进行反应，形成非溶解态的悬浮多糖；S4：多糖的回收，对非溶解态的悬浮多糖采用过滤的方式，截留与高价金属离子作用后形成的悬浮多糖，达到胞外聚合物中多糖回收的目的。本发明的有益效果在于，提供一种操作方便且节能环保的胞外聚合物中多糖的回收方法。

Description

一种胞外聚合物中多糖的回收方法

技术领域

本发明涉及一种胞外聚合物中多糖的回收方法。

背景技术

资源回收是未来污水处理发展的必然方向。目前，最常用的污水处理技术是活性污泥法，然而，活性污泥处理过程中产生的大量剩余污泥是亟待解决的问题。剩余污泥主要由细胞体和胞外聚合物构成，其中胞外聚合物占污泥干重的10～40％。胞外聚合物主要包含微生物细胞的分泌物、细胞自溶或细胞表面脱落的部分物质，包括多糖、蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质等，其中，多糖和蛋白质为主要成分。特别地，多糖可作为生物絮凝剂、重金属离子吸附剂、土壤改良剂、增稠剂等，应用于水处理、农业、园艺、造纸工业、医疗、建筑工业等，因此，从胞外聚合物中回收多糖具有极大的经济价值。

因此，去除胞外聚合物中蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质等物质，成为回收胞外聚合物中多糖的关键。

从胞外聚合物中回收多糖类物质，目前主要涉及生物、食品工程等领域，至今未有从污泥胞外聚合物中回收多糖的报道。从胞外聚合物中回收多糖类物质而论，往往是去除蛋白质、色素、低分子物质等杂质。针对这些杂质，目前多糖的分离提纯主要有以下方法。用于分离蛋白质的有机溶剂萃取法(氯仿萃取、三氟三氯乙烷萃取、三氯乙酸萃取等)、酶解法、反复冻融法、鞣酸法等。用于分离色素的吸附法(活性炭吸附、硅藻土吸附、纤维素吸附、树脂吸附等)、过氧化氢氧化法、离子交换法等。用于分离低分子杂质的透析法、直接过滤法等。此外，还有分级沉淀法、季铵盐沉淀法、金属离子络合法、盐析法等多糖组分的精分方法。然而，上述方法或需使用氯仿等各种有毒溶剂，或材料成本高昂，或浪费大量的水资源，或浪费大量能源，存在化学药剂消耗、高能耗、二次污染等问题，均不是一种绿色可持续的多糖分离回收方法，仅适用于小规模提取，不适用于大规模生产。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种操作方便且节能环保的胞外聚合物中多糖的回收方法。

本发明的技术方案是这样的：

一种胞外聚合物中多糖的回收方法，包括以下步骤：

S1：活性污泥的收集，其中，所述活性污泥包括普通活性污泥、好氧颗粒污泥或厌氧颗粒污泥中的一种或多种；

S2：活性污泥的处理，通过采用阳离子交换树脂法、高温碳酸钠法、甲醛—氢氧化钠法、离心法、超声波法、EDTA萃取法或酸溶解法中的一种或多种使步骤S1中活性污泥中的微生物细胞表面的胞外聚合物解离，经重力沉降或离心去除包含细胞体以及细胞残体的非溶解性杂质后，得到溶解性胞外聚合物溶液；

S3：溶解性胞外聚合物溶液的处理，向步骤S2得到的溶解性胞外聚合物溶液中投加可离子化的高价金属盐或含高价金属离子溶液，以使胞外聚合物溶液中的多糖与高价金属离子进行反应，形成非溶解态的悬浮多糖，从而与溶解态的蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质杂质发生相分离；

S4：多糖的回收，对步骤S3得到的非溶解态的悬浮多糖采用过滤的方式，截留与高价金属离子作用后形成的悬浮多糖，从而去除胞外聚合物中溶解态的蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质杂质，达到胞外聚合物中多糖回收的目的。

步骤S3中所述可离子化的高价金属盐为可离子化且溶于水的二价金属盐或三价金属盐。

所述二价金属盐或三价金属盐为钙盐、镁盐、铁盐、亚铁盐或铝盐。

步骤S3中所述含高价金属离子溶液中的高价金属离子为钙离子、镁离子、铁离子、亚铁离子或铝离子中的一种或多种。

步骤S4中对非溶解态的悬浮多糖，采用的所述过滤方式具体为：采用微滤膜或筛网对非溶解态的悬浮多糖进行过滤。

所述微滤膜或筛网的孔径为1～1000μm

本发明具有以下优点和有益效果：本发明的胞外聚合物中多糖的回收方法，可以达到环境保护和资源回收双重效果；其中，在环境保护方面，扩展市政剩余污泥的最终出路，通过回收污泥中胞外聚合物，使得剩余污泥减量；另一方面，回收污泥胞外聚合物中多糖物质，变废为宝。由于该过程回收的多糖成本低廉，故，可拓宽多糖的应用领域；回收过程安全、易行。采用无毒的钙盐(如氯化钙)，避免传统化学回收法中有毒、有害化学品的消耗，减轻环境污染；采用微滤膜的物理截留方式，操作过程简单易行，回收成本低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的胞外聚合物中多糖的回收方法的流程示意图；

图2为使用不同孔径的微滤膜时滤液中SA与BSA的浓度变化示意图；

图3为BSA、SA以及滤液中悬浮物的纳米粒径分布示意图；

图4为SA与滤饼冷冻干燥所得粉末的红外光谱图；

图5为BSA与滤液冷冻干燥所得粉末的红外光谱图；

图6为不同Ca²⁺浓度时滤液中BSA和SA的浓度变化示意图；

图7为不同Ca²⁺浓度时模拟胞外聚合物溶液的过滤行为示意图；

图8为扫流时不同微滤膜孔径过滤的滤液中BSA和SA的浓度变化示意图；

图9为不同SA与BSA浓度比时滤液中SA与BSA的浓度变化示意图；

图10为本发明实施例提供的胞外聚合物中多糖的回收率的示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的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。

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图10所示：本发明实施例的胞外聚合物中多糖的回收方法，包括以下步骤：

S2：活性污泥的处理，通过采用阳离子交换树脂法、高温碳酸钠法、甲醛—氢氧化钠法、离心法、超声波法、EDTA萃取法或酸溶解法中的一种或多种使步骤S1中的活性污泥中的微生物细胞表面的胞外聚合物解离，经重力沉降或离心去除包含细胞体以及细胞残体的非溶解性杂质后，得到溶解性胞外聚合物溶液；

S3：溶解性胞外聚合物溶液的处理，向步骤S2得到的溶解性胞外聚合物溶液中投加可离子化的高价金属盐或含高价金属离子溶液，以使胞外聚合物溶液中多糖与高价金属离子进行反应，形成非溶解态的悬浮多糖，从而与溶解态的蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质杂质发生相分离；

所述步骤S3中可离子化的高价金属盐为可离子化且溶于水的二价金属盐或三价金属盐。

所述步骤S3中含高价金属离子溶液中的高价金属离子为钙离子、镁离子、铁离子、亚铁离子或铝离子中的一种或多种。

所述步骤S4中对非溶解态的悬浮多糖，采用的过滤方式具体为：采用微滤膜或筛网对非溶解态的悬浮多糖进行过滤。

所述微滤膜或筛网的孔径为1～1000μm。

膜孔径影响的结果：使用藻酸钠(SA，一种典型多糖)和牛血清蛋白(BSA，一种典型蛋白质)模拟胞外聚合物溶液。实验条件：SA和BSA超纯水混合液的总浓度为2.0g/L，浓度比CSA/CBSA为1，过滤压力为20kPa，Ca²⁺添加浓度为8mM(CaCl₂超纯水溶液)，3种微滤膜(1μm，4μm，7μm)。实验结果如图2所示，横坐标为单位过滤面积上累计滤液体积，纵坐标为滤液中BSA和SA浓度。由图可知，随着过滤的进行，滤液中BSA浓度保持为1.0g/L，SA接近于0.0g/L，表明钙离子作用下，微滤膜过滤实现了SA与BSA完全分离，且与膜孔径大小的关系不大。即，表明本发明方法在各种微滤膜下均可回收多糖类物质，并去除蛋白质杂质。

采用7μm的微滤膜进行过滤时滤液中悬浮物的纳米粒径分布，如图3所示。由图可知，滤液中悬浮物粒径分布呈现为一个窄单峰，接近于BSA的纳米粒径分布，该结果进一步表明滤液中主要为BSA。图4显示了滤饼冷冻干燥所得粉末与SA的红外光谱图。由图可知，构成滤饼的物质缺少SA中羧酸基团的外弯曲振动带(—COH)，即证实了滤饼中羧酸根被Ca²⁺所掩蔽，滤饼中物质确为藻酸钙。藻酸钙也为一种多糖类物质，在碱如氢氧化钠的作用下，可容易转化为藻酸钠SA。图5显示了滤液冷冻干燥所得粉末与BSA的红外光谱图。由图可知，滤液的干粉末与BSA具有同样的光谱图，即滤液中主要含有BSA，也进一步证实BSA与Ca²⁺没有相互作用，即蛋白质等杂质不与钙离子发生反应。这样的结果证实，在钙离子作用下，通过微滤过滤能够回收多糖类物质，且去除蛋白质等杂质，胞外聚合物中各成分的结构不变。

钙离子浓度影响的结果：图6和7分别显示了6～10mM Ca²⁺浓度时滤液中藻酸盐SA与BSA的浓度和过滤行为。由图可知，由于形成的悬浮物质——藻酸钙颗粒较大，而被微滤膜截留，实现了多糖的回收和蛋白质等杂质的去除。并且，由图7可知，随着钙离子浓度的增加，过滤速度的减小趋势变缓，过滤阻抗减小。

膜面剪切影响的结果。实验条件：SA和BSA超纯水混合液的总浓度为2.0g/L，浓度比CSA/CBSA为1，过滤压力为20kPa，Ca²⁺浓度为8mM，膜面扫流转速为200rpm，采用4μm和7μm的微滤膜进行过滤。图8显示了随着过滤进行滤液中SA和BSA的浓度变化，由图可知，膜面扫流剪切时亦可实现多糖的回收和蛋白质等杂质的去除。

SA与BSA浓度比影响的结果。一般而言，胞外聚合物中多糖、蛋白质等组分的含量不是恒定的。实验对比不同浓度比(CSA/CBSA＝3:1、1:1、1:3)的SA与BSA超纯水混合溶液(总浓度为2g/L)的过滤效果。实验条件为：过滤压力为20kPa、Ca²⁺浓度为8mM、7μm微滤膜。结果如图9所示，由图可知，滤液中BSA浓度等于原液中浓度，且随过滤进行保持恒定，而SA浓度几乎为0；故，多糖的回收和蛋白质等杂质的去除，不受多糖、蛋白质等组分含量(本实例为SA与BSA浓度比CSA/CBSA)的影响。

污泥胞外聚合物中多糖的回收。为证实本开发的方法对污泥胞外聚合物中多糖的回收效果，使用阳离子交换树脂法从北京东坝污水处理厂剩余污泥中提取胞外聚合物，获得胞外聚合物溶液。实验条件：胞外聚合物浓度为1g/L、过滤压力为20kPa、Ca²⁺浓度为8mM、7μm微滤膜。结果如图10所示，纵坐标为多糖回收率，由图可知，随着过滤的进行胞外聚合物中多糖回收率保持在80％左右，表明本发明方法可以有效地回收胞外聚合物中多糖类物质。

本发明实施例提供的胞外聚合物中多糖的回收方法，可用于市政污泥的资源化利用，但不仅限于此行业，亦可为生物、食品等工程领域存在多糖回收的对象。

以污水处理处理领域的活性污泥(由细胞体和胞外聚合物构成)但不限于活性污泥为原料，活性污泥的来源不限于某一类型污泥，可为普通活性污泥，亦可为好氧颗粒污泥、厌氧颗粒污泥等，使用阳离子交换树脂法、高温碳酸钠法、甲醛—氢氧化钠法、离心法、超声波法、EDTA萃取法中的一种或多种方法，使微生物细胞表面的胞外聚合物解离，变成溶解性胞外聚合物溶液。向胞外聚合物溶液中投加可离子化的钙盐或含钙离子的溶液(形成的混合物溶液中钙离子浓度为6μmol以上)，使得胞外聚合物溶液中多糖与钙离子反应(其他杂质不与钙离子作用)，从而在溶液体系中与蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质等杂质发生相分离，形成非溶解态的悬浮多糖。然后，利用微滤膜(1～1000μm))压力过滤方式，截留与钙离子作用后形成的悬浮多糖，从而去除胞外聚合物中溶解态的蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质等杂质，达到回收多糖的目标。

本发明实施例提供的胞外聚合物中多糖的回收方法具有以下优点：

(1)达到环境保护和资源回收双重效果。环境保护方面，扩展市政剩余污泥的最终出路，通过回收污泥中胞外聚合物，使得剩余污泥减量；另一方面，回收污泥胞外聚合物中多糖物质，变废为宝。由于该过程回收的多糖成本低廉，故，可拓宽多糖的应用领域。

(2)回收过程安全、易行。采用无毒的钙盐(如氯化钙)，避免传统化学回收法中有毒、有害化学品的消耗，减轻环境污染；采用微滤膜的物理截留方式，操作过程简单易行，回收成本低。

本发明不仅适用于市政污泥为来源的污泥胞外聚合物中多糖的回收提取，也适用于生物、食品工程领域中动植物或细菌等分泌物的胞外聚合物中多糖的回收。

(2)本发明不仅适用于多糖从胞外聚合物中回收，也适用于多糖与各种其他物质混合的水溶液体系中多糖的回收。

(3)本发明不仅是钙离子，其他离子如二价或三价铁离子、铝离子等也可作为金属添加离子，与多糖进行相互作用。

(4)截留构件可以为微滤膜，也可以为筛网等其他具有截留效果的构件，只要能截留金属离子与多糖形成的悬浊物，而溶解杂质又可滤出即可。

(5)本发明所述污泥不限于普通的活性污泥(剩余污泥)，也可为好氧颗粒污泥、厌氧颗粒污泥以及其他各种污水处理工艺产生的污泥。

本发明分为两个关键步骤：一是向胞外聚合物溶液里投加钙离子，使胞外聚合物中多糖形成较大、不溶性的悬浮物；二是通过微滤过滤截留胞外聚合物中非溶解性的多糖类物质，去除蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质等杂质。

(2)本发明中钙离子投加浓度依据实际胞外聚合物溶液中多糖含量以及该类多糖与胞外聚合物的结合能力而确定。

(3)本发明中微滤膜的膜孔径依据实际胞外聚合物溶液投加钙离子后形成的多糖悬浊胶体大小而确定。

(4)本发明中过滤方式可以膜面非扫流式，亦可为膜面扫流式。

(5)本发明中不限制胞外聚合物溶液的浓度与其中各组分如多糖、蛋白质、核酸、磷脂、腐殖质等的含量。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种胞外聚合物中多糖的回收方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的胞外聚合物中多糖的回收方法，其特征在于，所述步骤S3中所述可离子化的高价金属盐为可离子化且溶于水的二价金属盐或三价金属盐。

3.根据权利要求2所述的胞外聚合物中多糖的回收方法，其特征在于，所述二价金属盐或三价金属盐为钙盐、镁盐、铁盐、亚铁盐或铝盐。

4.根据权利要求1所述的胞外聚合物中多糖的回收方法，其特征在于，步骤S3中所述含高价金属离子溶液中的高价金属离子为钙离子、镁离子、铁离子、亚铁离子或铝离子中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的胞外聚合物中多糖的回收方法，其特征在于，步骤S4中对非溶解态的悬浮多糖，采用的所述过滤方式具体为：采用微滤膜或筛网对非溶解态的悬浮多糖进行过滤。

6.根据权利要求5所述的胞外聚合物中多糖的回收方法，其特征在于，所述微滤膜或筛网的孔径为1～1000μm。