CN112481249A - 一种固定化生物催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定化生物催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)对活性炭进行改性处理，具体包括以下步骤：①清洗，对活性炭进行去离子水清洗，清洗过程边搅拌边清洗，搅拌转速为60～80rpm，每次清洗时间为30min，清洗完成后立即排出清洗液，重复清洗3～5次，直到上清液澄清透明为止；②酸洗，将步骤①中清洗后的活性炭浸泡于0.01～0.02mol/L的硝酸溶液中浸泡2h，重复浸泡3次。本发明在微生物生长繁殖的过程中加入一定量的载体，让微生物直接在载体孔隙中生长繁殖，这样微生物和载体结合比较紧密，不容易脱落，而且利用琼脂对菌剂进行固定化处理，固定化生物催化剂使用期限可以延长2倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂制备技术领域，具体为一种固定化生物催化剂的制备方法。
背景技术
在工业废水和黑臭水体处理过程中，由于水体的性质以及工艺的需求等，需要经常在系统中用高效催化剂菌剂提高处理效率，目前通常用的是高效液体菌剂，但是液体菌剂的会在反应过程中会流失，效率会急速下降，因而很快就会失去生化催化效果。因而需要一种稳定的固定化高效生物催化剂取代液体菌剂，即可以提高生物效率效率，又不会因菌剂流失而降低效率。生物催化剂经固定化后，一般对热、pH等的稳定性提高，对抑制剂的敏感性下降，可用简单的方法回收再利用，会更加有利于生化效率的提高，降低了生产成本。
根据微生物与载体之间的作用方式，生物催化剂固定化可以分为四类：载体结合法、交联法、系统截流法、载体分隔法。现在广泛应用的是物理吸附法后的固定化生物催化剂。
物理吸附法是利用吸附载体将生物催化剂吸附到其表面，从而制得固定化生物催化剂的方法，生产上通常是先将菌液进行发酵培养，培养好以后加入吸附载体进行吸附，一段时间后，依靠范德华力、氢键及静电作用等，微生物被吸附到载体上行成生物催化剂，吸附固定的微生物量一定，重复性和稳定性较差，微生物容易脱落，所以这种方法得到的固定化生物催化剂容易因微生物流失而失去效果。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种固定化生物催化剂的制备方法，解决了现有固定化生物催化剂容易因微生物流失而失去效果的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种固定化生物催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)对活性炭进行改性处理，具体包括以下步骤：
①清洗，对活性炭进行去离子水清洗，清洗过程边搅拌边清洗，搅拌转速为60～80rpm，每次清洗时间为30min，清洗完成后立即排出清洗液，重复清洗3～5次，直到上清液澄清透明为止；
②酸洗，将步骤①中清洗后的活性炭浸泡于0.01～0.02mol/L的硝酸溶液中浸泡2h，重复浸泡3次；
③碱洗，将步骤②中酸洗后的活性炭浸泡于pH为12-13的NaOH溶液中浸泡2h，重复浸泡3次；
④二次清洗，将步骤③中碱洗后的活性炭进行去离子水清洗，直到去离子水出水pH<8.5为止。
2)将步骤1)中改性后的活性炭和液体培养基常温下一起放置到容器搅拌1～2h，121℃高温灭菌30min，灭菌后边搅拌边降温直至室温，再持续搅拌2～4h，制备成生物催化剂载体；
3)在步骤2)中的容器内接种特定的高效菌剂进行发酵培养；
4)当步骤3)发酵培养完成后，将容器内的液体液体，收集固体，然后加入1％的琼脂固定液，进行固定化；
5)固定化完成后，清水冲洗1～2次，得到的固定颗粒即为固定化生物催化剂。
进一步优化本技术方案，所述步骤1)中的活性炭比表面积≥1000㎡/g，孔容积≥0.8㎡/g，强度≥90％，碘吸附值≥1000mg/g，活性炭粒径小于0.3cm。
进一步优化本技术方案，所述步骤2)中改性活性炭体积与液体培养基体积比为5％～20％。
进一步优化本技术方案，所述步骤2)中的液体培养机为针对高效菌剂研制的扩培培养基。
进一步优化本技术方案，所述步骤2)中搅拌转速为120～150rpm。
进一步优化本技术方案，所述步骤4)中的琼脂固定液需要在121℃下灭菌30min，搅拌降温到50℃后加入容器中，体积为步骤4)中固体颗粒堆积体积的2倍。
进一步优化本技术方案，所述步骤4)中的固定化方法为首先进行搅拌，搅拌转速为60～80rpm，40℃下固定15min，然后降温到28℃，固定2h。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种固定化生物催化剂的制备方法，具备以下有益效果：
1、该固定化生物催化剂的制备方法，在微生物生长繁殖的过程中加入一定量的载体，让微生物直接在载体孔隙中生长繁殖，这样微生物和载体结合比较紧密，不容易脱落，而且利用琼脂对菌剂进行固定化处理，固定化生物催化剂使用期限可以延长2倍以上。
2、该固定化生物催化剂的制备方法，该制备好的固定化生物催化剂投加到生化系统中，可以快速提高生化效率，而且能长时间保持效果的稳定性，降低进水对生化系统的冲击，间接降低生产成本。
3、该固定化生物催化剂的制备方法，相对于液体菌剂和普通的吸附型固定化生物催化剂，固定化高效生物催化剂流失率低，运行时间久，投加一次，能维护运行多年，可以降低成本。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例一：
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种固定化生物催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)对活性炭进行改性处理，具体包括以下步骤：
①清洗，对活性炭进行去离子水清洗，清洗过程边搅拌边清洗，搅拌转速为60～80rpm，每次清洗时间为30min，清洗完成后立即排出清洗液，重复清洗3～5次，直到上清液澄清透明为止；
②酸洗，将步骤①中清洗后的活性炭浸泡于0.01～0.02mol/L的硝酸溶液中浸泡2h，重复浸泡3次；
③碱洗，将步骤②中酸洗后的活性炭浸泡于pH为12-13的NaOH溶液中浸泡2h，重复浸泡3次；
④二次清洗，将步骤③中碱洗后的活性炭进行去离子水清洗，直到去离子水出水pH<8.5为止。
2)将步骤1)中改性后的活性炭和液体培养基常温下一起放置到容器搅拌1～2h，121℃高温灭菌30min，灭菌后边搅拌边降温直至室温，再持续搅拌2～4h，制备成生物催化剂载体；
3)在步骤2)中的容器内接种特定的高效菌剂进行发酵培养；
4)当步骤3)发酵培养完成后，将容器内的液体液体，收集固体，然后加入1％的琼脂固定液，进行固定化；
5)固定化完成后，清水冲洗1～2次，得到的固定颗粒即为固定化生物催化剂。
具体的，步骤1)中的活性炭比表面积≥1000㎡/g，孔容积≥0.8㎡/g，强度≥90％，碘吸附值≥1000mg/g，活性炭粒径小于0.3cm。
具体的，步骤2)中改性活性炭体积与液体培养基体积比为5％～20％。
具体的，步骤2)中的液体培养机为针对高效菌剂研制的扩培培养基。
具体的，步骤2)中搅拌转速为120～150rpm。
具体的，步骤4)中的琼脂固定液需要在121℃下灭菌30min，搅拌降温到50℃后加入容器中，体积为步骤4)中固体颗粒堆积体积的2倍。
具体的，步骤4)中的固定化方法为首先进行搅拌，搅拌转速为60～80rpm，40℃下固定15min，然后降温到28℃，固定2h。
工作原理：吸附性质是活性炭的主要性质之一，活性炭具有像石墨晶粒无规则地排列的微晶，在活化过程中微晶间会产生形状不同、大小不一的孔隙，活性炭几乎95％以上的表面积都在微孔中，微孔是决定活性炭吸附性能高低的重要因素，本发明利用活性炭载体强吸附性，把培养基营养成分吸附到活性炭的表面和孔隙中，发酵过程中，微生物对营养物的需求而在活性炭的表面和孔隙中生长和繁殖，繁殖后的微生物会在堆积到孔隙中，更加不容易脱落和流失，再利用琼脂对菌剂进行固定化处理，微生物更加稳定，不会流失，固定化生物催化剂使用期限可以达到三年以上，而且微生物在孔隙中大量堆积，是普通的吸附固定的微生物数量的好几个数量级，生化催化效率也是普通吸附固定化催化剂的几倍以上。
实施例二：
本实施例在实施例一制备基础上针对某印染废水开展的固定化生物催化剂的制备及应用。
印染废水有机污染物含量高、色度深、水质变化大、可生化性低等特点，属难处理的工业废水。
某纺织印染污水处理厂的处理工艺为：水解酸化+A/O+混凝沉淀+砂滤池+炭滤池，进水COD为500mg/L，要求出水COD达到50mg/L以下，系统运行稳定后，发现生化系统出水COD始终在100mg/L左右，经过多次调试后，始终无效，后采购两种高效液体菌剂投加到接触好氧池中，初始效果显著，接触好氧出水COD能达到80mg/L以下，3天-5天后，效果就开始下降，一个月后，投加液体菌剂完全失效，出水COD又恢复到100mg/L左右，经过分析后发现，高效液体菌剂附着性差，流失严重，导致一个月后菌剂失效。
根据两种高效液体菌剂的性能，分别利用MS培养基和LD培养基，按照实施例一中的制备方法研发出了两种对应的固定化生物催化剂，按照每种固定化生物催化剂体积与生化池池容体积比为1：50～1：20投加固定化生物催化剂到生化池池中运行稳定后，二沉池出水COD达到了60mg/L以下，经过深度处理，出水COD达到50mg/L以下，说明对于液体菌剂而言，固定化生物催化剂效率更高，效果更好。
实施例三：
本实施例在实施例一制备基础上针对某医药中间体开展的固定化生物催化剂的制备及应用。
某医药中间体废水经过生化处理后出水氨氮超标，氨氮约为20mg/L，要求最终出水氨氮<5mg/L，由于现场场地有限，必须提高生化效率，才可以达标，采购液体硝化菌剂投加到硝化池中，初始效果显著，出水氨氮能达到3mg/L以下，2天后，出水氨氮＞5mg/L，一周后，投加液体菌剂完全失效，出水氨氮又恢复到20mg/L左右，经过分析后发现，硝化菌剂流失，导致出水持续升高。
采用实施例一中的制备方法，将液体硝化菌制备成固定化生物催化剂，按照1％比例投加到硝化池中，运行稳定后，生化出水氨氮达到4mg/L以下，系统持续运行一年多，出水氨氮正常。
实施例四：
本实施例在实施例一制备基础上针对某煤制油废水开展的固定化生物催化剂的制备及应用。
煤制油工艺段废水经过生化处理后再进入反渗透系统形成了煤制油RO浓水，煤制油RO浓水含盐量高，COD为70～120mg/L，可生化性差。
自主研发的液体菌剂对煤制油RO浓水处理效果显著，出水COD能达到50mg/L以下，但是由于RO浓水含盐量高不利于菌剂的自我繁殖，流失率大于繁殖率，导致生化出水越来越高，为了维持出水COD在50mg/L以下，需要连续不断投加液体菌剂，因而系统运行成本高。
利用高盐LD培养基(NaCl含量为20g/L)，按照实施例一种的制备方法制备对应的固定化生物催化剂，按照每种固定化生物催化剂体积与生化池容体积比为1：100投加固定化生物催化剂，系统持续运行多年，出水COD始终保持在50mg/L以下。
实施例五：
本实施例在实施例一制备基础上针对某造纸废水开展的固定化生物催化剂的制备及应用。
造纸工艺废水中含有大量纤维素、木质素及其衍生物以及无机填料、油墨、染料等物质，这些污染物不仅种类繁多而且较难生物降解。
自主研发的液体菌剂对造纸废水处理效果显著，出水COD能达到60mg/L以下，但是由于生化系统内针对造纸废水的COD高效降解菌流失率大于繁殖率，导致生化出水越来越高，为了维持出水COD在60mg/L以下，需要连续不断投加液体菌剂，因而系统运行成本高。
在实施例一中制备方法的上研发对应的固定化生物催化剂，按照每种固定化生物催化剂体积与生化池容体积比为1：100投加固定化生物催化剂，系统持续运行多年，菌剂投加量大大减少，出水COD始终保持在60mg/L以下
综上所述，该固定化生物催化剂的制备方法，在微生物生长繁殖的过程中加入一定量的载体，让微生物直接在载体孔隙中生长繁殖，这样微生物和载体结合比较紧密，不容易脱落，而且利用琼脂对菌剂进行固定化处理，固定化生物催化剂使用期限可以延长2倍以上，该制备好的固定化生物催化剂投加到生化系统中，可以快速提高生化效率，而且能长时间保持效果的稳定性，降低进水对生化系统的冲击，间接降低生产成本，相对于液体菌剂和普通的吸附型固定化生物催化剂，固定化高效生物催化剂流失率低，运行时间久，投加一次，能维护运行多年，可以降低成本。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种固定化生物催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对活性炭进行改性处理，具体包括以下步骤：
①清洗，对活性炭进行去离子水清洗，清洗过程边搅拌边清洗，搅拌转速为60～80rpm，每次清洗时间为30min，清洗完成后立即排出清洗液，重复清洗3～5次，直到上清液澄清透明为止；
②酸洗，将步骤①中清洗后的活性炭浸泡于0.01～0.02mol/L的硝酸溶液中浸泡2h，重复浸泡3次；
③碱洗，将步骤②中酸洗后的活性炭浸泡于pH为12-13的NaOH溶液中浸泡2h，重复浸泡3次；
④二次清洗，将步骤③中碱洗后的活性炭进行去离子水清洗，直到去离子水出水pH<8.5为止。
2)将步骤1)中改性后的活性炭和液体培养基常温下一起放置到容器搅拌1～2h，121℃高温灭菌30min，灭菌后边搅拌边降温直至室温，再持续搅拌2～4h，制备成生物催化剂载体；
3)在步骤2)中的容器内接种特定的高效菌剂进行发酵培养；
4)当步骤3)发酵培养完成后，将容器内的液体液体，收集固体，然后加入1％的琼脂固定液，进行固定化；
5)固定化完成后，清水冲洗1～2次，得到的固定颗粒即为固定化生物催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种固定化生物催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的活性炭比表面积≥1000㎡/g，孔容积≥0.8㎡/g，强度≥90％，碘吸附值≥1000mg/g，活性炭粒径小于0.3cm。
3.根据权利要求1所述的一种固定化生物催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中改性活性炭体积与液体培养基体积比为5％～20％。
4.根据权利要求1所述的一种固定化生物催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的液体培养机为针对高效菌剂研制的扩培培养基。
5.根据权利要求1所述的一种固定化生物催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中搅拌转速为120～150rpm。
6.根据权利要求1所述的一种固定化生物催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中的琼脂固定液需要在121℃下灭菌30min，搅拌降温到50℃后加入容器中，体积为步骤4)中固体颗粒堆积体积的2倍。
7.根据权利要求1所述的一种固定化生物催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中的固定化方法为首先进行搅拌，搅拌转速为60～80rpm，40℃下固定15min，然后降温到28℃，固定2h。
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