CN112063611A - 一种固定化藻球及其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固定化藻球及其制备方法及应用，该固定化藻球的制备方法是首先培养微生物藻液，再制备藻类混合液和藻类交联剂，将微生物藻液加入到藻类混合液中得到包埋液，用蠕动泵将包埋液滴入藻类交联剂中，得到固定化藻球。藻类混合液里添加了乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)和壳聚糖，使得到的固定化藻球的强度更高，不易破损，且使微藻繁殖更快，处理氮磷的效率更高。本发明制备的固定化藻球只采用乙酰柠檬酸三正丁酯和壳聚糖作为添加剂，不需要使用多种材料来增加固定化藻球的机械强度，简化了工艺，保证了固定化藻球良好的稳定性和活性，且二者均来源广泛、价格低廉，对设备要求低且对微生物毒性小，便于规模化生产，经济高效。
Description
技术领域
本发明涉及养殖废水处理技术领域，具体涉及一种固定化藻球及其制备方法及应用。
背景技术
近年来我国经济发展越来越好，人民生活水平逐渐提升，为了满足人们对海鲜的需求，我国水产养殖业规模每年都在增加，而海水养殖一直沿用高密度、集约化养殖方式，这种养殖方式带来的结果就是水体各项污染物如氮、磷等超标，且超过水体自身净化能力，造成养殖环境失衡，最终导致养殖存活率下降和养殖成本增加。
为解决海水养殖上述产生的问题，市面出现了利用微生物固定化藻类去处理养殖废水的情况，现有的包埋固定藻类的技术工艺简单且藻球外表机械强度低，随着使用时间不断增加无法较长时间保存藻球，藻球易分解最终导致藻类的流失率上升，其降解效率也随着时间增加而逐渐下降，因此满足不了养殖企业对高降解效率的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种固定化藻球及其制备方法及应用，该方法制备出来的固定化藻球机械强度高，微藻不易流失，降解效率高，可循环使用，解决了现有的固定化藻球易分解，不能长时间保存、降解效率低的技术问题。
为此，本发明提供了一种固定化藻球的制备方法，其包括以下步骤：
(1)微生物藻液的培养：
将大扁藻接种于BG11培养基中，在温度为25-28℃、光照强度为5000±500Lx、PH为6-7的培养条件下培养8天，制成微生物藻液；
(2)藻类混合液的制备：
先将乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)加热到100℃后再自然冷却到70-80℃备用；
将海藻酸钠溶入水中，在60-70℃下搅拌直到全部溶解后121℃蒸汽灭菌20min再加入壳聚糖，在60-70℃下搅拌均匀得到混合液，混合液中海藻酸钠的质量分数为2-3％，壳聚糖的质量分数为2-5％；
将混合液放在超声破碎仪内超声处理1min后加入冷却后的乙酰柠檬酸三正丁酯混合均匀，乙酰柠檬酸三正丁酯与混合液的体积比为0.8-1.2:10-11，混合均匀后温度降至25℃以下得到藻类混合液；
(3)藻类交联剂的制备：
首先在20℃下配置饱和的硼酸溶液，再加入氯化钙搅拌溶解，并用NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，搅拌溶解0-0.5h后121℃蒸汽灭菌20min得到藻类交联剂，氯化钙在藻类交联剂中的质量分数为1-2％；
(4)固定化藻球的制备：
将步骤(1)中的微生物藻液以体积比0.9-1.1：1的比例加入到步骤(2)中的藻类混合液中，搅拌20min得到包埋液；用蠕动泵将包埋液滴入步骤(3)得到的藻类交联剂中，得到固定化藻球，再放入冰箱冷藏定型。
优选的，壳聚糖的分子量≤30000。
优选的，步骤(3)中NAOH溶液的浓度为2mol/L。
优选的，步骤(4)中，蠕动泵从距离藻类交联剂10-15cm高处滴下包埋液，每秒滴3滴，整个过程在8-12℃下进行。
优选的，定型后的固定化藻球用纯水清洗3次，然后保存在液体培养基中。
一种固定化藻球，由上述方法制备而成。
优选的，固定化藻球的直径为2-3mm。
一种固定化藻球在微藻反应器中处理氮磷的应用。
本发明提供的固定化藻球及其制备方法及应用，具有如下有益效果：
本发明所用固定化藻球的制备方法是先培养微生物藻液，再制备藻类混合液和藻类交联剂，再将微生物藻液加入到藻类混合液中得到包埋液，用蠕动泵将包埋液滴入藻类交联剂中，得到固定化藻球。
藻类混合液里包含乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)、海藻酸钠和壳聚糖，海藻酸钠作为包埋材料，由于其凝胶机械强度较好，内部呈多孔结构，且对生物毒性较小，乙酰柠檬酸三正丁酯与海藻酸钠结合形成凝胶，增强凝胶硬度的同时，方便菌丝或藻类与有机物结合反应，使菌丝或藻类不易流失，生物处理效率持久。壳聚糖分子中含有大量伯氨基和羧基，伯氨基带正电荷，羧基带负电荷，通过静电作用形成氢键，伯氨基和羧基发生络合反应，形成聚电解质复合膜，增强了固定化藻球的机械强度使其不易破损。而利用正负电荷之间的静电引力作用制备出的固定化藻球具有良好的生物相容性，使固定化藻球不易破损、溶解，提高了固定化藻球的机械强度的同时微藻繁殖更快，处理氮磷的效率更高。
藻类交联剂包含氯化钙和硼酸，氯化钙作为交联剂使用，交联时与海藻酸钠发生离子交换，生成凝胶，同样能增强固定化藻球的机械强度；硼酸的加入提高了固定化藻球的透明度且有利于氯化钙进行离子交换，间接增加了固定化藻球的机械强度。
本发明制备的固定化藻球稳定性好且不易破碎、溶解，大大降低了微藻细胞的游离，避免微藻的流失，即使暂时不用，继续培养保存6个月以上再使用仍能保持较高的稳定性，实现微藻存活率达到80％以上的循环利用，且在每次换水后都能保持稳定的降解效率，实现固定化藻球的多次循环使用。
另，本发明制备的固定化藻球只采用乙酰柠檬酸三正丁酯和壳聚糖作为添加剂，不需要使用多种材料来增加固定化藻球的机械强度，简化了工艺，保证了固定化藻球良好的稳定性和活性，且二者均来源广泛、价格低廉，对设备要求低且对微生物毒害小，便于规模化生产，经济高效。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。
实施例1
培养微生物藻液：将大扁藻接种于BG11培养基中，在温度为25-28℃，光照强度为5000±500Lx,PH为6-7的培养条件下培养8天，制成微生物藻液。
实施例2
制备藻类混合液：将8ml乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)先加热到100℃后降温到70-80℃备用；
将2g海藻酸钠加入100ml水中，在60至70℃搅拌均匀(海藻酸钠分四次加入，每次0.5g)，121℃高温蒸汽灭菌20min后加入壳聚糖2g，搅拌均匀后在超声破碎仪内超声处理1min后加入冷却后的乙酰柠檬酸三正丁酯，充分混匀后温度降至25℃以下。
制备藻类交联剂：将25g硼酸加入到500ml水中,充分搅拌溶解后加入5g氯化钙继续搅拌均匀，并用2mol/L的NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，121℃高温蒸汽灭菌后使用。
将实施例1制备的微生物藻液以体积比0.9：1的比例加入藻类混合液中，搅拌均匀得到包埋液；在8-12℃条件下用蠕动泵将包埋液滴入藻类交联剂中交联凝结1小时成球，得到固定化藻球，然后放入冰箱冷藏定型后用纯水清洗3次，保存在液体培养基中备用。
实施例3
制备藻类混合液：将10ml乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)先加热到100℃后降温到70-80℃备用；
将2.5g海藻酸钠加入100ml水中，在60至70℃搅拌均匀(海藻酸钠分四次加入)，121℃高温蒸汽灭菌20min后加入壳聚糖3.5g，搅拌均匀后在超声破碎仪内超声处理1min后加入冷却后的乙酰柠檬酸三正丁酯，充分混匀后温度降至25℃以下。
制备藻类交联剂：将25g硼酸加入到500ml水中,充分搅拌溶解后加入7.5g氯化钙继续搅拌均匀，并用2mol/L的NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，121℃高温蒸汽灭菌后使用。
将实施例1制备的微生物藻液以体积比1：1的比例加入藻类混合液中，搅拌均匀得到包埋液；在8-12℃条件下用蠕动泵将包埋液滴入藻类交联剂中交联凝结1小时成球，得到固定化藻球，然后放入冰箱冷藏定型后用纯水清洗3次，保存在液体培养基中备用。
实施例4
制备藻类混合液：将9ml乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)先加热到100℃后降温到70-80℃备用；
将3g海藻酸钠加入100ml水中，在60至70℃搅拌均匀(海藻酸钠分四次加入)，121℃高温蒸汽灭菌20min后加入壳聚糖3.5g，搅拌均匀后在超声破碎仪内超声处理1min后加入冷却后的乙酰柠檬酸三正丁酯，充分混匀后温度降至25℃以下。
制备藻类交联剂：将25g硼酸加入到500ml水中,充分搅拌溶解后加入8.5g氯化钙继续搅拌均匀，并用2mol/L的NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，121℃高温蒸汽灭菌后使用。
将实施例1制备的微生物藻液以体积比1：1的比例加入藻类混合液中，搅拌均匀得到包埋液；在8-12℃条件下用蠕动泵将包埋液滴入藻类交联剂中交联凝结1小时成球，得到固定化藻球，然后放入冰箱冷藏定型后用纯水清洗3次，保存在液体培养基中备用。
实施例5
制备藻类混合液：将11ml乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)先加热到100℃后降温到70-80℃备用；
将3g海藻酸钠加入100ml水中，在60至70℃搅拌均匀(海藻酸钠分四次加入)，121℃高温蒸汽灭菌20min后加入壳聚糖5g，搅拌均匀后在超声破碎仪内超声处理1min后加入冷却后的乙酰柠檬酸三正丁酯，充分混匀后温度降至25℃以下。
制备藻类交联剂：将25g硼酸加入到500ml水中,充分搅拌溶解后加入9g氯化钙继续搅拌均匀，并用2mol/L的NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，121℃高温蒸汽灭菌后使用。
将实施例1制备的微生物藻液以体积比0.9：1的比例加入藻类混合液中，搅拌均匀得到包埋液；在8-12℃条件下用蠕动泵将包埋液滴入藻类交联剂中交联凝结1小时成球，得到固定化藻球，然后放入冰箱冷藏定型后用纯水清洗3次，保存在液体培养基中备用。
实施例6
制备藻类混合液：将12ml乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)先加热到100℃后降温到70-80℃备用；
将2g海藻酸钠加入100ml水中，在60至70℃搅拌均匀(海藻酸钠分四次加入)，121℃高温蒸汽灭菌20min后加入壳聚糖5g，搅拌均匀后在超声破碎仪内超声处理1min后加入冷却后的乙酰柠檬酸三正丁酯，充分混匀后温度降至25℃以下。
制备藻类交联剂：将25g硼酸加入到500ml水中,充分搅拌溶解后加入10g氯化钙继续搅拌均匀，并用2mol/L的NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，121℃高温蒸汽灭菌后使用。
将实施例1制备的微生物藻液以体积比1.1：1的比例加入藻类混合液中，搅拌均匀得到包埋液；在8-12℃条件下用蠕动泵将包埋液滴入藻类交联剂中交联凝结1小时成球，得到固定化藻球，然后放入冰箱冷藏定型后用纯水清洗3次，保存在液体培养基中备用。
对比例
将2g海藻酸钠加入100ml水中，在60至70℃搅拌均匀备用，再以体积比0.9：1的比例加入实施例1制备的微生物藻液，搅拌均匀得到包埋液。将5g氯化钙加入到500ml水中,充分搅拌溶解后用2mol/L的NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，121℃高温蒸汽灭菌后使用。在8-12℃条件下用蠕动泵将包埋液滴入氯化钙藻类交联剂中交联凝结1小时成球，得到固定化藻球，然后放入冰箱冷藏定型后用纯水清洗3次，保存在液体培养基中备用。
将实施例1-5和对比例制备的固定化藻球分别装入结构一致的微藻反应器中，分别应用到条件相同的鱼缸养殖废水水体中(废水指标：总磷TP为：1.23mg/L，总氮TN为：9.11mg/L)进行处理效果测试，处理后的总氮、总磷的去除率和固定化藻球的破损率，数据如下表：
通过上表对比可以看出，由于乙酰柠檬酸三正丁酯、壳聚糖的加入使本发明实施例3制备的固定化藻球比普通的藻球在养殖池总N的去除率高出35.1％，总P的去除率高出35.8％，藻细胞球损失率降低46％，藻细胞数增长率提高了270％。
将实施例3得到的未使用的固定化藻球保存3个月、实施例3使用过后的固定化藻球清洗干燥后再次进行试验，所得到的结果数据如下表：
通过上表可以看出，使用过后再次利用的固定化藻球依然能保持良好的去除氮磷的效果，由于藻细胞的增长，去除氮磷的效果甚至还有所提升。根据实验数据所得，固定化藻球可以重复利用3-5次依然能达到较好处理氮磷的效果，降低了养殖处理废水的成本。未使用、长期保存后再使用的固定化藻球在去除氮磷的效果方面依然能达到良好的效果，可以长期保存使用。
综上所述，本发明制备的固定化藻球相比没有添加乙酰柠檬酸三正丁酯和壳聚糖的固定化藻球的机械强度更高，不易破损，且微藻的繁殖速度更快，降解氮磷的效率更高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种固定化藻球的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)微生物藻液的培养：
将大扁藻接种于BG11培养基中，在温度为25-28℃、光照强度为5000±500Lx、PH为6-7的培养条件下培养8天，制成微生物藻液；
(2)藻类混合液的制备：
先将乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)加热到100℃后再自然冷却到70-80℃备用；
将海藻酸钠溶入水中，在60-70℃下搅拌直到全部溶解后121℃蒸汽灭菌20min再加入壳聚糖，在60-70℃下搅拌均匀得到混合液，混合液中海藻酸钠的质量分数为2-3％，壳聚糖的质量分数为2-5％；
将混合液放在超声破碎仪内超声处理1min后加入冷却后的乙酰柠檬酸三正丁酯混合均匀，乙酰柠檬酸三正丁酯与混合液的体积比为0.8-1.2:10-11，混合均匀后温度降至25℃以下得到藻类混合液；
(3)藻类交联剂的制备：
首先在20℃下配置饱和的硼酸溶液，再加入氯化钙搅拌溶解，并用NAOH溶液调节PH至7.0-7.4，搅拌溶解0-0.5h后121℃蒸汽灭菌20min得到藻类交联剂，氯化钙在藻类交联剂中的质量分数为1-2％；
(4)固定化藻球的制备：
将步骤(1)中的微生物藻液以体积比0.9-1.1：1的比例加入到步骤(2)中的藻类混合液中，搅拌20min得到包埋液；用蠕动泵将包埋液滴入步骤(3)得到的藻类交联剂中，得到固定化藻球，再放入冰箱冷藏定型。
2.根据权利要求1所述的一种固定化藻球的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖的分子量≤30000。
3.根据权利要求1所述的一种固定化藻球的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中NAOH溶液的浓度为2mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种固定化藻球的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，蠕动泵从距离藻类交联剂10-15cm高处滴下包埋液，每秒滴3滴，整个过程在8-12℃下进行。
5.根据权利要求1所述的一种固定化藻球的制备方法，其特征在于，定型后的固定化藻球用纯水清洗3次，然后保存在液体培养基中。
6.一种固定化藻球，其特征在于，所述固定化藻球由权利要求1-5任一项所述方法制备而成。
7.根据权利要求6所述的一种固定化藻球，其特征在于，所述固定化藻球的直径为2-3mm。
8.一种固定化藻球的应用，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的固定化藻球在微藻反应器中处理氮磷的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 266400 room 107b, building 2, No. 333, YINGSHANHONG Road, Huangdao District, Qingdao, Shandong Province Applicant after: Qingdao Xianda Marine Technology Co.,Ltd. Address before: No.17 Zhengyang Road, Muping District, Yantai City, Shandong Province 264100 Applicant before: Yantai Jinyi Marine Technology Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221026 Address after: Room 408, Building 51, Optics Valley Software Park, 396 Emeishan Road, Huangdao District, Qingdao, Shandong 266400 Patentee after: Qingdao Xianda Logistics Technology Co.,Ltd. Address before: 266400 room 107b, building 2, No. 333, YINGSHANHONG Road, Huangdao District, Qingdao, Shandong Province Patentee before: Qingdao Xianda Marine Technology Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |