CN112920404B - 一种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的制备方法及其应用 - Google Patents

一种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种右旋糖酐‑聚氨基酸阳离子絮凝剂的制备方法及其应用，所述制备方法包括以下步骤：将右旋糖酐溶液与聚氨基酸溶液混合搅拌5‑10min，加入1‑(3‑二甲氨基丙基)‑3‑乙基碳二亚胺盐酸盐，于室温下反应6‑24h，加入乙醇获得沉淀，洗涤纯化后干燥，得到白色干燥固体，即为所述右旋糖酐‑聚氨基酸阳离子絮凝剂。本发明制备得到的右旋糖酐‑聚氨基酸阳离子絮凝剂可用于水体污染物处理、制糖工业、微生物细胞收获、溶液中阴离子组分或者带有阴离子基团的大分子组分的絮凝处理。本发明制备的絮凝剂安全环保，无二次污染，不存在金属残留、腐蚀管路和有毒单体残留等问题。

Description

一种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及多糖基絮凝剂领域，具体涉及一种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的制备方法及其应用。
背景技术
人类社会的工、农业生产活动会产生大量废水，这些废水中含有的污染物能够对生态环境和人类健康造成危害。处理废水、去除污染物的方法有絮凝法、吸附法、生物降解法等，其中絮凝法因具有操作简便、高效、成本低等优点而被广泛应用于废水处理领域。絮凝法的关键在于絮凝剂的选择和使用，合适的絮凝剂能够将废水中的污染物颗粒聚集成絮凝物，在重力的作用下实现分离。目前絮凝工序中使用的絮凝剂主要是无机絮凝剂(如聚合氯化铝、硫酸铁)和合成有机絮凝剂(如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚环氧乙烷、聚乙烯亚胺)，它们的絮凝活性高且成本低。然而，无机和合成有机絮凝剂也有缺点，如难以生物降解、有毒等，它们的使用导致了二次污染，造成了新的环境和人类健康问题，且应用范围受到限制，难以应用于医药、食品等领域中的澄清过程。为了解决这一难题，需要开发无机和合成有机絮凝剂的可行性替代品。来源于自然界(动物、植物和微生物资源)的多糖作为天然聚合物具有安全性高、易生物降解、反应活性高等特点，逐渐成为开发安全环保的新型絮凝剂的原料，使用多糖及其衍生物作为絮凝剂可以降低或避免对人类健康和生态环境造成危害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的制备方法及其应用，其制备的絮凝剂安全环保，无二次污染，不存在金属残留、腐蚀管路和有毒单体残留等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的制备方法，包括以下步骤：将右旋糖酐溶液与聚氨基酸溶液混合搅拌5-10min，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)，于室温下反应6-24h，加入乙醇获得沉淀，洗涤纯化后干燥，得到白色干燥固体，即为所述右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂，其中，聚氨基酸的结构式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
优选地，所述右旋糖酐是在蔗糖溶液中通过右旋糖酐蔗糖酶的酶催化反应获得。
优选地，所述蔗糖溶液的浓度为0.55-0.75mol/L，所述蔗糖溶液采用pH为5.0-5.5的乙酸-乙酸钙缓冲溶液配制得到，所述右旋糖酐蔗糖酶的浓度为5.0-6.0U/mL。
优选地，所述右旋糖酐溶液的浓度为10-60g/L。
优选地，所述聚氨基酸与右旋糖酐质量比为0.1-1.5：1。
优选地，所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的用量为聚氨基酸质量的 1/30-1/10。
优选地，上述任一项方法制备的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的应用，所述右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂用于水体污染物处理、制糖工业、微生物细胞收获、溶液中阴离子组分或者带有阴离子基团的大分子组分的絮凝处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明制备方法，首先通过右旋糖酐蔗糖酶催化蔗糖反应制得高分子右旋糖酐，然后采用EDC作为活化试剂，所得高分子右旋糖酐和聚氨基酸的酯化反应，得到一种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂。本发明创新地将高分子右旋糖酐和聚氨基酸应用于絮凝剂领域，利用高分子右旋糖酐和聚氨基酸的酯化反应进行右旋糖酐的衍生化，得到的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂分子量高，含有大量阳离子活性基团，可以作为一种性能良好的生物高分子絮凝剂，用于去除水体中带有阴离子基团的杂质颗粒；
2)本发明的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂在制备中所用的原料绿色环保、安全性高，所采用的衍生化方法温和、安全。由于不含铝盐、铁盐和丙烯酰胺等有机单体或其聚合物，与目前市售的无机和合成有机絮凝剂相比，本发明的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂安全环保，无二次污染，不存在金属残留、腐蚀管路和有毒单体残留等问题，应用范围也更广，可用于食品、医药等领域的澄清过程。
3)本发明基于高分子右旋糖酐这一生物高分子的基本骨架结构进行衍生化，所用的原料，不论是右旋糖酐还是聚氨基酸，均为可生物降解的天然绿色原料，所得衍生物具有良好的可生物降解性和生物相容性，符合可持续发展理念。此外，本发明实施例的方案操作工艺步骤简单、产品质量可控。因此，这种右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂在废水处理和食品、医药等领域的澄清过程中有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明应用例1中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂在絮凝高岭土悬浊液模拟废水样时，用量对絮凝效率的影响结果图；
图2是本发明应用例1中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂絮凝高岭土悬浊液模拟废水样效果展示图：左为自然静置效果，右为经过絮凝后静置效果；
图3是本发明应用例2中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂在絮凝甘蔗汁时，用量对絮凝效率的影响结果图；
图4是本发明应用例2中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂絮凝甘蔗汁效果展示图：左为自然静置效果，右为经过絮凝后静置效果；
图5是本发明应用例3中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂在絮凝大肠杆菌培养液时，体系pH值和用量对絮凝效率的影响结果图；
图6是本发明应用例3中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂絮凝大肠杆菌培养液效果展示图：左为自然静置效果，右为经过絮凝后静置效果。
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的一部分实施例，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1
首先，采用pH＝5.4的乙酸-乙酸钙缓冲溶液配制0.58mol/L的蔗糖溶液，向其中加入右旋糖酐蔗糖酶酶液，酶浓度为5.0U/mL；在25℃、100rpm摇床中进行酶催化反应24小时；反应结束，用乙醇沉淀出高分子量右旋糖酐产物并洗涤2次后，置于40℃恒温鼓风烘箱中干燥；待高分子量右旋糖酐产物干燥后进行研磨，得到高分子量右旋糖酐固体粉末。
配制高分子量右旋糖酐溶液和聚氨基酸溶液并混合搅拌5min，混合溶液中右旋糖酐和聚氨基酸的浓度分别为20g/L和10g/L；加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)，EDC的质量为聚氨基酸的1/10；将反应液置于室温下反应24h，加入无水乙醇沉淀出产物，并用80％乙醇洗涤2次；将产物置于40℃恒温鼓风烘箱中干燥并研磨，得到白色干燥固体粉末，即为右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂，其中，聚氨基酸的结构式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
应用例1
将本发明实施例1中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂用于高岭土悬浊液絮凝测试：称取右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂粉末溶于蒸馏水中配制成浓度为1g/L的右旋糖酐- 聚氨基酸阳离子絮凝剂母液。称取0.5g高岭土粉末于250mL蒸馏水中搅拌5min，得到浓度为2.0g/L的高岭土悬浊液模拟废水样。向高岭土悬浊液中加入一定量的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂母液，边加入边搅拌，搅拌2min后静置2min，取上清液在550nm处检测吸光度值，按照下式计算絮凝效率F％：
F％＝(F0-F1)/F0*100％
其中，F0和F1分别是絮凝前后高岭土悬浊液在550nm处的吸光度值。
附图1为高岭土悬浊液模拟废水样絮凝实验结果图。结果显示，随着本发明产品用量的逐渐增加，絮凝效率先逐渐提高，当用量为40mg/L时，絮凝效率达到最大值，为99.2％。当用量继续增加，絮凝效率开始缓慢下降。本发明产品对高岭土悬浊液絮凝效果显著，在较低用量下就能实现超过99％的絮凝效率。附图2为高岭土悬浊液模拟废水样絮凝效果展示图：左为自然静置2min效果，右为经过本发明产品絮凝后静置2min效果。
应用例2
将本发明实施例1中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂用于糖厂甘蔗汁絮凝应用(甘蔗汁为从糖厂澄清车间在絮凝前所取的液体)：称取右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂粉末溶于蒸馏水中配制成浓度为1g/L的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂母液。向甘蔗汁中加入一定量的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂母液，边加入边搅拌，搅拌5min后静置15min，取上清液在560nm处检测吸光度值，按照下式计算絮凝效率F％：
F％＝(F0-F1)/F0*100％
其中，F0和F1分别是絮凝前后甘蔗汁在560nm处的吸光度值。
附图3为甘蔗汁絮凝实验结果图。经过本发明产品絮凝处理后，甘蔗汁悬浮颗粒形成较大的絮凝物，在重力作用下发生沉降。絮凝实验结果显示，仅需32mg/L的用量，絮凝效率就能达到88.9％。当用量为91mg/L时，絮凝效率达到最大值，为90.8％。甘蔗汁悬浮颗粒表面带负电荷，与带正电的本发明产品分子链发生电荷中和作用，并在吸附架桥作用下形成絮凝物。附图4为甘蔗汁絮凝效果展示图：左为自然静置15min效果，右为经过本发明产品絮凝后静置15min效果。
应用例3
将本发明实施例1中右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂用于大肠杆菌培养液絮凝应用：称取右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂粉末溶于蒸馏水中配制成浓度为1g/L的右旋糖酐- 聚氨基酸阳离子絮凝剂母液。吸取250μL甘油保藏大肠杆菌菌种接种至50mL液体Luria-Bertani培养基，置于37℃、250rpm摇床中培养16h，得到目标大肠杆菌培养液。用盐酸溶液将大肠杆菌培养液的pH值调至目标值，向其中加入一定量的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂母液，边加入边搅拌，搅拌3min后静置3min，取上清液在600nm处检测吸光度值，按照下式计算絮凝效率F％：
F％＝(F0-F1)/F0*100％
其中，F0和F1分别是絮凝前后大肠杆菌培养液在600nm处的吸光度值。
附图5为大肠杆菌培养液絮凝实验结果图。结果显示，当絮凝体系pH值为8时，本发明产品对大肠杆菌培养液几乎无絮凝效果，这是因为pH值过高，本发明产品分子链上的阳离子基团难以质子化，即难以携带正电荷，进而难以与大肠杆菌菌体发生电荷中和作用，因此无明显絮凝效果；当絮凝体系pH值为6-7时，本发明产品对大肠杆菌培养液絮凝效果最好，这是因为在该pH值条件下，本发明产品的阳离子基团出现一定程度质子化，携带上一定正电荷，可以与大肠杆菌菌体发生电荷中和作用，因此絮凝效率显著提高；当絮凝体系pH值为5时，在较高用量下(≥100mg/L)絮凝效率与体系pH值为6-7时几乎一致，但在较低用量下(＜100mg/L)絮凝效率则明显低于体系pH值为6-7时的絮凝效率，即絮凝效果出现下降，这是因为该pH值接近羧基的等电点，大肠杆菌表面的羧基大量质子化，所带负电荷下降，其与本发明产品分子链之间的电荷中和作用被削弱。从结果来看，当体系pH值为5-7时，随着本发明产品用量的增加，絮凝效率先是显著上升，然后上升趋势逐渐减缓，在到达最大值后又缓慢下降，且当用量达到100mg/L时，絮凝效率超过90％，而最大絮凝效率则超过99％。附图6为大肠杆菌培养液絮凝效果展示图：左为自然静置3min 效果，右为经过本发明产品絮凝后静置3min效果。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的应用，其特征在于：所述右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂用于大肠杆菌培养基的细胞回收，具体方法如下，称取右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂粉末溶于蒸馏水中配制成浓度为1g/L的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂母液，吸取250μL甘油保藏大肠杆菌菌种接种至50mL液体Luria-Bertani培养基，置于37℃、250rpm摇床中培养16h，得到目标大肠杆菌培养液，用盐酸溶液将大肠杆菌培养液的pH值调至目标值，向其中加入一定量的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂母液，边加入边搅拌，搅拌3min后静置3min；
所述右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂制备方法如下，将右旋糖酐溶液与聚氨基酸溶液混合搅拌5-10min，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，于室温下反应6-24h，加入乙醇获得沉淀，洗涤纯化后干燥，得到白色干燥固体，即为所述右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂，其中，所述聚氨基酸与右旋糖酐质量比为0.1-1.5：1，聚氨基酸的结构式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的应用，其特征在于：所述右旋糖酐是在蔗糖溶液中通过右旋糖酐蔗糖酶的酶催化反应获得。
3.根据权利要求2所述的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的应用，其特征在于：所述蔗糖溶液的浓度为0.55-0.75mol/L，所述蔗糖溶液采用pH为5.0-5.5的乙酸-乙酸钙缓冲溶液配制得到，所述右旋糖酐蔗糖酶的浓度为5.0-6.0U/mL。
4.根据权利要求1所述的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的应用，其特征在于：所述右旋糖酐溶液的浓度为10-60g/L。
5.根据权利要求1所述的右旋糖酐-聚氨基酸阳离子絮凝剂的应用，其特征在于：所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的用量为聚氨基酸质量的1/30-1/10。
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