CN1113890A - 从流出物中去除含有金属离子物质的方法 - Google Patents

Abstract

叙述了一种从流出物中通过酵母细胞壁去除含 有金属离子物质的方法。所用酵母选自酿酒酵母，葡 萄汁酵母，lipolytica酵母。根据该方法，经洗涤的酵 母细胞壁首先用一水溶性醛处理，在酵母细胞壁吸着 金属离子后可以通过一无机酸或一螯合物溶液如乙 二胺四乙酸的处理而再生，释放出所吸着的金属离 子。

Description

本发明涉及一种从水溶液中去除含有金属离子物质的方法。且尤其涉及一种简单高效的从流出物中去除含有金属离子物质的方法。

如今对一些有毒金属的生态效应的认识在不断提高，这一点从最近十年间出现的关于该主题的各种研究及许多文献中是显而易见的。人们已经认识到包括多糖，蛋白质和脂的生物吸着剂材料已成为一种替代传统的从流出物及其它工业和生活废液中去除金属离子的潜在的选择方法。存活和非存活的细胞如酵母，真菌，藻类和细菌被推荐用于此方法，甚至希望成为一种工业上用于回收一些特殊的金属如汞，铅和镉的潜在方法。大多数被推荐的微生物细胞的主要缺点在于吸附在细菌上的金属量相对较小，因此导致需要大量的吸附剂。通过各种处理以提高金属离子吸收的努力没有成功。而且，通过一无机酸从浸出物中回收金属离子是困难的，因为浸出物也含有从细胞中浸出的其它物中回收金属离子是困难的，因为浸出物也含有从细胞中浸出的其它物质并且对大量再生的生物吸着剂材料的处理也将构成负担。而且，这些生物吸着剂不能重复利用。此外，在大多数情况下所使用的微生物需为此目的而生长，这需要相当大的投资。另外，存活的生物量也不能承受流出物中高浓度的金属。

在N.Kuyucak et.al的文章中（Biotechnology Letters 10，2，137-142，1988）提出酿酒酵母和根霉菌属少根根霉（arrhizus）比漂浮马尾藻（Sargassum natans）和Ascophyllum nodosum中的藻类的生物量对从溶液中分离金和钴更为有效。所列出的生物吸着等温线显示了当使用非活性的酿酒酵母样品时对各种金属离子的不同的吸附。

P.R.Norris和D.P.Kelly在一专题论文集的一篇文章中（Dev.Ind.Microbiology 20，299-308，1979）提到用酵母从溶液中吸附金属离子一般比用细菌更多并且更有效。通过所有酵母镉和铜离子均迅速积累，例外情况是当使用酵母lipolytica得到相对较弱的镉吸收。

由于其它的阳离子的存在导致锌的吸收受到一些抑制的情况也有所报道。

在Chu-Pin Huang et al最近的一篇文章中（Water Research，24，4，433-439，1990）讨论了用未经处理或经处理的酿酒酵母株的单细胞酵母进行铜的生物吸着。酵母细胞经洗涤，用高氯酸溶液处理以除去表面杂质然后在120℃加热在细胞用于生物吸着过程之前将其杀死。结论是对于存活的酵母细胞，铜的吸收分二步进行：初始的细胞外吸附后是细胞内吸收。然而，细胞内吸收过程是应该避免的原因在于细胞内所吸着的金属很难通过简单的酸化法回收。

上面简要的回顾显示了关于从水溶液中除去金属离子问题的重要性。考虑到由于重金属污染所带来的严重的生态学问题，严格的法规及其实施，以及目前普遍采用的降低重金属污染的度量，迫切需要一种有效的、低成本的从流出物中去除含有金属离子物质的方法。这样的方法应使用一种容易得到的低价格的生物吸着剂，以及使吸附的金属容易回收。然而到目前为止，还没有商业的工业设备开发出一种类似的系统，这是由于至今经测试的吸着剂对金属低的吸附效率，或者由于它们较高的生产和操作成本。

本发明的一个目的是提供一种简单，快速，有效及低成本的通过生物吸着从流出物中去除含有金属离子物质的方法。本发明的另一个目的是提供一种通过使用来自发酵厂的失效酵母从流出物中去除含有金属离子物质的简单方法。本发明还有一个进一步的目的是提供一种简单的用于去除含有金属离子物质的方法。其中吸着含有离子的物质之后，被污染的失效酵母能回收释放出高浓度的金属离子溶液，重复用于进一步的吸着，这样缓解了处理的难题并使酵母产品适于反复使用。

本发明涉及一种通过生物吸着从流出物中去除含有金属离子物质的方法，使用的酵母细胞壁选自酿酒酵母，葡萄汁酵母和lipolytica酵母，其特征在于所述酵母洗涤以后用水溶性醛处理，从流出物中吸着金属离子之后，将经处理的有负载的酵母产品移出并任意酸化使吸附的金属离子释放出来，而再生的酵母重复用于下一步的生物吸着操作，令人惊奇地发现酵母细胞壁经所述的醛处理之后，发生了与氨基交联，显示出比未经此处理的同样的酵母细胞具有更强的吸着能力。这是Galun M.et al没有料到的，在他们的报告中（Water Air Soil Pollut.33，359-371，1987）提到对于真菌比如指状青霉，用甲醛处理后不影响双氧铀的吸着效率并且甚至减小了对镍离子的吸着。而且酵母产品能在反复的生物吸着中重复使用，该事实与已知方法相比，成为关于处理难题上的一个显著优点。我们发现对于本发明优选的醛是甲醛和戊二醛。当经济上条件可行时，特别适于从流出物中去除或回收的金属离子是：Cu，Ni，Cr，Cd，Zn，Hg，Sn，Ag，Au，Al，U和Pb。

含有金属离子的物质的定义包括：金属阳离子，以盐的形式，例如：氯化物，硝酸盐，碳酸盐和硫酸盐，氧化物，金属阴离子例如CrO2-₄和络合物如Cu（NH₃）⁴⁺。可以使用来自发酵厂的失效酵母，如来自啤酒，葡萄糖和基于真菌的生化工艺中的那些。那些失效酵母的种类丰富且容易得到并且在许多地方被认为是需要处理的环境污染。我们发现该生物吸着剂具有一些使其适宜于本发明的特点如：机械硬度，多孔性，颗粒尺寸和密度。它也具有广范围的可变合适参数包括对一个较大的温度和PH值范围的不敏感性，抗溶剂性，大的吸着能力等等。

上述酵母细胞壁的结构由甘露糖和葡萄糖及其衍生物作为主要构成单元，脂，黑素和磷酸盐作为次要构成单元的多糖构成。

用酵母细胞壁吸着的主要优点之一是除了解决生态学上的问题之外，非常低的成本和对一些金属离子相对高的吸收能力，这被认为是适宜于商业应用的。根据本发明，我们发现用水溶性醛交联处理后的酵母细胞壁具有一种显著的稳定性，这是由于形成了网状结构。

酵母产品用戊二醛和甲醛处理后结构上的变化可以从所附的三幅图中看出，其中：

图1，显示啤酒酵母葡萄汁酵母细胞用水然后用丙酮溶液洗涤清洁后的图像。

图2，显示啤酒酵母葡萄汁酵母细胞经洗涤并用戊二醛处理后的图像。

图3，显示啤酒酵母葡萄汁酵母细胞经洗涤并用甲醛处理后的图像。

从上面的图中可以看到与原来的细胞壁相比用醛处理后导致细胞壁变厚，也许更加坚硬，根据本发明这似乎将以上所述的有益性质传递给了酵母细胞壁。

除了生成均质，该交联结构导致产生了长期稳定性，对非常低以及非常高的pH的耐受性能并且也提高了对各种金属离子的吸着能力。我们发现经处理的酵母产品能够有效地粘附Hg²⁺和Pb²⁺这是由于在室温下在其外表面特定的位置发生了相互作用，例如，经戊二醛处理后用2.75g干酵母产品从二升含有100ppmPb²⁺或Hg²⁺的溶液中，对上述每种阳离子的吸着效率均达到90%以上。在10℃到40℃范围之内吸着效率没有任何差别。

在进行吸着操作时的pH可以在一个很宽的范围之内从1到13间进行，这依赖于含有被吸着金属离子物质的种类。在大多数情况下优选范围为4到7。含有金属离子的物质从负载的酵母产品上的释放可以通过用无机酸是盐酸。如此得到的用过的酵母可以重复用于下次的对含有金属离子物质的吸着，其重复操作中的吸着效率实际上与第一次相同。

该操作过程可以在柱或反应器中分批或连续进行。当然，在很多情况下从工业上考虑连续的生物吸着将更吸引人。当该过程在柱中进行时，象在离子交换中或用活性炭进行操作时一样，酵母制剂将被固定于一惰性材料如多孔玻璃，纯净的沙子或聚合物上。在此情况下已固定的酵母产品的最大吸着能力可能比非固定的低。另一方面，对连续吸附然后再生的固定的装在柱中的酵母产品进行的测试表明这是非常有效的。令人惊奇地发现在操作中固定的酵母产品在柱中没有被压缩而且产品没有出现可以影响它们在以后的生物吸着操作中其适合性方面的明显变化。该操作过程包括下面四个主要步骤：

第一，酵母，如从发酵厂回收的那些酵母，用水洗涤，最好是去离子水，然后用丙酮或乙醇水溶液进一步洗涤。该洗涤步骤可参见Demain et al.（工业微生物手册，P.102-104，1986）的描述。优选的酵母和洗涤溶液的体积比范围为1到3。丙酮可防止任何微生物的污染。然后用已知的方法如离心，过滤或其它分离技术使洗涤后的酵母沉淀出来。

第二步在本方法过程中是最重要的，包括通过使用-水溶性的醛溶液使洗涤后的酵母细胞壁聚合物交联。该反应发生在醛中的羰基和酵母细胞壁聚合物中的氨基之间。我们发现通过该步骤，被处理的酵母制剂对金属离子的吸着显著增加。随后用水洗涤经处理后的酵母制剂。产物中干物质的浓度约为18%。

第三步，用酵母制剂吸着含有金属离子物质。该步骤通常是在室温下进行的，虽然我们注意到在较高或较低温度下吸着效率没有明显变化。进行吸着最优选的pH范围为4.0到7.0，虽然在较低或较高pH值也可进行。对金属离子的吸着能力取决于特定的金属但一般是在每克所用干酵母制剂为0.5mmol数量级。流出物中较高的金属离子浓度也将增加每单位重量酵母制剂的吸着。然而，当存在二种或二种以上金属混合物时对每种金属的吸着效率可能是不同的。

最后一步，分离负载含有金属离子物质的酵母制剂。当回收或再生在经济上是可行的时，用一酸溶液如盐酸，硫酸或-螯合物溶液如乙二胺四乙酸处理有负载的酵母制剂，这样金属以盐的形式释放出来，而再生的酵母则能用于以后的吸着。各种不同金属离子的吸附效率以及其相应的从负载的酵母制剂上的释放存在一定的差异。酵母制剂的吸着能力比一些已知的吸着剂高得多。例如，从1000ml含有100ppm铅的流出物中，用戊二醛处理过的酵母细胞壁所具有的吸着能力在相同的实验条件下至少比活性炭高八倍。在连续吸附的情况下，在柱中进行操作时，可以通过共价结合将酵母制剂固定在一多孔玻璃，纯净的沙子或聚合物上。吸着以后，用酸溶液或螯合物溶液通过柱渗滤，这些溶液在以后的吸附操作中能重复使用。

我们发现与一些金属阳离子结合的阴离子如硝酸根或硫酸根对金属离子的吸着没有影响。这是本方法的又一优点，因为它可以适用于很多种类的流出物。

与已知的用存活的微生物吸着金属离子的方法相比较，在所提出的方法中使用非存活的酵母制剂，不必向介质中加入任何营养物质而且欲处理的流出物可以含有很高水平的金属离子，而这对活的生物体是有毒害的。并且，由于金属离子与表面相结合，用无机酸或螯合物溶液将其释放可以很容易完成。

下面将用一些实施例来说明本发明，这些实施例只是为了更好地说明和理解本发明，而不因此限制由所附权利要求包含的本发明的范围。

实施例1

从Natanya（以色列）附近的一家工厂收集到的属于葡萄汁酵母种类的失效酵母，在体积比为1（酵母）比3（水）时用去离子水洗涤。得到的浆液注入离心桶内并以8000×g的离心力旋转约15分钟。分离出酵母并再用含有50%体积的丙酮水溶液洗涤，然后用另外的含有30%体积的丙酮水溶液洗涤。

第二步用含有3%（按体积）的戊二醛水溶液进行处理，其比例为1份体积的被洗涤酵母对10份体积的醛溶液。充分混合后，加入浓度为2.5N的氢氧化钠将pH调节至7左右。混合物在32℃下搅拌过夜。稳定后的酵母通过离心法分离然后用水洗涤若干次后保存在一个封闭的容器中待用。

十五克酵母制剂，对应于生成2.75克干物质（在110℃干燥后），在室温下分别与5升含有汞或铅离子的溶液混合20分钟，pH值为5.5左右。通过离心除去水溶液，而有负载的吸着剂中每克干酵母制剂含有70mg汞或100mg铅。在吸着操作前后，金属浓度是采用原子吸收光谱法测定的。

有负载的酵母与盐酸溶液混合，在汞存在的情况下pH为3.0而在铅存在的情况下pH为1.0，这样可以得到相应的金属氯化物。

实施例2

重复实施例1中所叙述的实验，除了从有负载的吸着剂中回收以上金属是用1%重量的乙二胺四乙酸溶液在pH从5.0到7.0范围内进行的，对该二种金属，所用比例为每1份体积的有负载的吸着剂对12份体积的溶液。汞的回收率为60%而铅的回收率为95%以上。

实施例3

用一含有多孔玻璃珠的柱进行连续操作实验，稳定后的酵母制剂与多孔玻璃珠共价连接。酵母的稳定作用是混合通过2.0kg的戊二醛溶液（3%体积）和1kg酵母细胞壁进行的。

各种含有40ppm到100ppm的汞或铅，pH约为5.5的溶液用-蠕动汞使其通过该柱。

我们发现在该实验中对相应不同的金属的吸着效率与在分批操作实验中所观察到的相类似。

从有负载的酵母制剂中回收金属是在室温下用盐酸稀溶液在pH为1.0到1.5范围内进行的，它们从柱顶注入。在柱的底部，可以得到相对较浓的相应金属离子的溶液。

实施例4

3克酵母（与实施例1中相同）用甲醛进行处理后，相当于0.5克干酵母制剂，与100ml含有100ppm铬（以CrO2-₄离子的形式）的流出物混合。用盐酸将pH值调节至1.0后，搅拌混合物约20分钟并通过离心去除水溶液。我们发现酵母制剂使流出物中铬的含量减少到低于40ppm。

实施例5

重复实施例4中的实验，用相同量的酵母制剂吸附100ml铜溶液中的铜（以络合物Cu（NH₃）2+₄的形式），用氨溶液将pH值调节至11。

我们发现酵母制剂使铜的浓度减少至低于15ppm。

实施例6

与实施例1一样用同样的程序进行从流出物中去除铅的实验，除了在pH1.0时用硫酸溶液回收金属。

金属的回收率达60%。

Claims (14)

1、一种用于通过生物吸着从流出物中去除含有金属离子物质的方法，所使用的酵母细胞壁选自酿酒酵母，葡萄汁酵母和lipolytica酵母，其特征在于所述酵母经洗涤后，用水溶性醛处理并在吸着含有金属离子的物质之后用一水溶液处理使有负载的酵母制剂释放出金属离子，而再生的酵母制剂可重复用于以后的生物吸着操作。

2、根据权利要求1的方法，所述水溶性的醛选自戊二醛或甲醛或其任何混合物。

3、根据权利要求1的方法，所述用于使有负载的酵母制剂解吸的水溶液选自盐酸，硫酸，硝酸或乙二胺四乙酸。

4、根据权利要求1到3的方法，所述的金属离子选自Cu，Ni，Cd，Zn，Hg，Cr，Pb，Sn，Au，Ag，Al，As和U。

5、根据权利要求1到4的方法，所述含有金属离子的物质包括络合物和阴离子。

6、根据权利要求5的方法，所述的络合物和阴离子分别选自Cu（NH₃） 2+₄，CrO 2-₄和AsO 3-₄。

7、根据权利要求1到6的方法，其中的生物吸着操作是在pH从1.0到13.0的范围内进行的。

8、根据权利要求1到7的方法，其中的生物吸着操作是在pH从4.0到7.0的范围内进行的。

9、根据权利要求1到8的方法，其操作过程是分批进行的。

10、根据权利要求1到8的方法，其操作过程是连续进行的。

11、根据权利要求10的方法，其中酵母制剂是固定在一惰性材料上。

12、根据权利要求11的方法，其中所述的惰性材料选自多孔玻璃，纯净的沙子和聚合物。

13、根据权利要求1到12的方法，其中用于吸着的酵母细胞壁的解吸是通过用一含有丙酮的水溶液进行的。

14、根据权利要求1到12的方法，其中用于吸着的酵母细胞壁的解吸是通过用一含有乙醇的水溶液进行的。

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