CN113522236B - 一种利用生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种利用生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用工业发酵生产γ‑聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料的制备方法。将工业发酵γ‑聚谷氨酸后产生的废弃菌种生物质进行200℃‑400℃高温烧制1h‑3h后，取出于室温下冷却。本发明公布的碳材料的制备方法中，原料为工业产γ‑聚谷氨酸菌种废弃生物质，来源广泛，实现对废弃生物质资源的循环再利用。操作步骤简单，成本低。所制得的碳材料对染料和重金属的吸附性好，有利于污染水体中染料和重金属的吸附处理，应用前景广泛，发展潜力大。

Description

一种利用生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料 及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种利用工业发酵生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料及其制备方法和应用。
背景技术
利用微生物发酵生产工业、食品、药品等领域内应用的原材料已成为一种趋势。但如何有效处理生产后的废弃微生物，降低碳排放，保护环境，实现废弃生物质的循环再利用仍然是一个亟待解决的问题。特别是在我国提出2030年前达到碳达峰，2060年前实现碳中和的目标后，对妥善处理工业发酵产生的废弃生物质提出了更高的要求。
废弃生物质可通过热化学转化方法转化为生物炭等化学品。其中，热解因其能耗低，且易于工业化大规模生产，是目前应用最为广泛的生物质热化学转化方法。生物质热解产生的生物炭可作为农业土壤的修复剂或废水处理中的吸附剂，用于去除有机或无机污染物。γ-聚谷氨酸是一种由微生物发酵产生的，广泛用于化妆品、食品、医药和农业等行业领域内的一种高分子聚合物。其工业生产所用的B.licheniformis ATCC 9945A菌种在发酵完成后经分离成为废弃生物质。而目前，利用热解方法处理此种废弃生物质尚未报道。
发明内容
为了妥善处理γ-聚谷氨酸工业发酵产生的废弃生物质菌种，降低碳排放，保护环境，同时对废弃生物质资源再利用，获得对有机或无机污染物具有吸附能力的碳材料，本发明提供一种利用工业发酵生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料及其制备方法和应用，同时将该材料应用于染料和重金属的吸附去除。
为了达成上述目的，本发明的一种利用工业发酵生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料的制备方法，包括以下步骤：
将工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种生物质进行200℃-400℃高温烧制1h-3h后，取出于室温下冷却。
优选，所述的200℃-400℃高温烧制，其升温速率为10-20℃/min。
优选，所述的200℃-400℃高温烧制，工作压力为常压。
优选，所述的200℃-400℃高温烧制是于马弗炉中烧制。
优选，所述的工业发酵生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质为地衣芽孢杆菌(Bacillus Licheniformis)ATCC 9945A经液体发酵生产γ-聚谷氨酸后，固液分离后得到的废弃菌种生物质。
本发明的还提供了上述碳材料在吸附染料或重金属中的应用。
优选是碳材料在吸附水体中染料或重金属中的应用。
优选，所述的染料为甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、罗丹明B(RhB)、活性蓝19(RB19)、直接蓝86(DB86)或溶剂蓝38(SB38)。
优选，所述的重金属是Pb2+、Zn2+、Cu2+或Cd2+。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：本发明公布的碳材料的制备方法中，原料为工业产γ-聚谷氨酸菌种废弃生物质，来源广泛，实现对废弃生物质资源的循环再利用。操作步骤简单，成本低。所制得的碳材料对染料和重金属的吸附性好，有利于污染水体中染料和重金属的吸附处理，应用前景广泛，发展潜力大。
附图说明
图1为各种染料被实施例1-6吸附前后最高峰值处吸光度的变化。
图2为不同金属离子溶液被实施例7-12吸附前后离子含量的变化情况。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至300℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制1h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。选用的染料分别为甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、罗丹明B(RhB)、活性蓝19(RB19)、直接蓝86(DB86)、溶剂蓝38(SB38)。由于各种染料性质不同，因此所用的浓度也略有差异，其浓度分别为：MO:50mg/L，MG:50mg/L，MB:50mg/L，RhB:50mg/L，RB19:100mg/L，DB86:100mg/L，SB38:200mg/L，溶剂为水。取10mL上述所配制的染料溶液于15mL离心管中，分别加入碳材料(5mg)，并将不加碳材料的单独染料溶液作为对照组，然后将所有样品溶液一起放入恒温空气摇床振荡进行吸附反应，其中振荡转速为200rpm。24h后将所有样品同时进行离心(10000rpm，15min)，分别取上清液2mL，使用紫外-可见吸收光谱仪测试样品的吸收度。
实施例2
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至300℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制2h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。选用的染料分别为甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、罗丹明B(RhB)、活性蓝19(RB19)、直接蓝86(DB86)、溶剂蓝38(SB38)。由于各种染料性质不同，因此所用的浓度也略有差异，其浓度分别为：MO:50mg/L，MG:50mg/L，MB:50mg/L，RhB:50mg/L，RB19:100mg/L，DB86:100mg/L，SB38:200mg/L，溶剂为水。取10mL上述所配制的染料溶液于15mL离心管中，分别加入碳材料(5mg)，并将不加碳材料的单独染料溶液作为对照组，然后将所有样品溶液一起放入恒温空气摇床振荡进行吸附反应，其中振荡转速为200rpm。24h后将所有样品同时进行离心(10000rpm，15min)，分别取上清液2mL，使用紫外-可见吸收光谱仪测试样品的吸收度。
实施例3
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至300℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制3h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。选用的染料分别为甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、罗丹明B(RhB)、活性蓝19(RB19)、直接蓝86(DB86)、溶剂蓝38(SB38)。由于各种染料性质不同，因此所用的浓度也略有差异，其浓度分别为：MO:50mg/L，MG:50mg/L，MB:50mg/L，RhB:50mg/L，RB19:100mg/L，DB86:100mg/L，SB38:200mg/L，溶剂为水。取10mL上述所配制的染料溶液于15mL离心管中，分别加入碳材料(5mg)，并将不加碳材料的单独染料溶液作为对照组，然后将所有样品溶液一起放入恒温空气摇床振荡进行吸附反应，其中振荡转速为200rpm。24h后将所有样品同时进行离心(10000rpm，15min)，分别取上清液2mL，使用紫外-可见吸收光谱仪测试样品的吸收度。
实施例4
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至400℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制1h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。选用的染料分别为甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、罗丹明B(RhB)、活性蓝19(RB19)、直接蓝86(DB86)、溶剂蓝38(SB38)。由于各种染料性质不同，因此所用的浓度也略有差异，其浓度分别为：MO:50mg/L，MG:50mg/L，MB:50mg/L，RhB:50mg/L，RB19:100mg/L，DB86:100mg/L，SB38:200mg/L，溶剂为水。取10mL上述所配制的染料溶液于15mL离心管中，分别加入碳材料(5mg)，并将不加碳材料的单独染料溶液作为对照组，然后将所有样品溶液一起放入恒温空气摇床振荡进行吸附反应，其中振荡转速为200rpm。24h后将所有样品同时进行离心(10000rpm，15min)，分别取上清液2mL，使用紫外-可见吸收光谱仪测试样品的吸收度。
实施例5
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至400℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制2h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。选用的染料分别为甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、罗丹明B(RhB)、活性蓝19(RB19)、直接蓝86(DB86)、溶剂蓝38(SB38)。由于各种染料性质不同，因此所用的浓度也略有差异，其浓度分别为：MO:50mg/L，MG:50mg/L，MB:50mg/L，RhB:50mg/L，RB19:100mg/L，DB86:100mg/L，SB38:200mg/L，溶剂为水。取10mL上述所配制的染料溶液于15mL离心管中，分别加入碳材料(5mg)，并将不加碳材料的单独染料溶液作为对照组，然后将所有样品溶液一起放入恒温空气摇床振荡进行吸附反应，其中振荡转速为200rpm。24h后将所有样品同时进行离心(10000rpm，15min)，分别取上清液2mL，使用紫外-可见吸收光谱仪测试样品的吸收度。
实施例6
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至400℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制3h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。选用的染料分别为甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、罗丹明B(RhB)、活性蓝19(RB19)、直接蓝86(DB86)、溶剂蓝38(SB38)。由于各种染料性质不同，因此所用的浓度也略有差异，其浓度分别为：MO:50mg/L，MG:50mg/L，MB:50mg/L，RhB:50mg/L，RB19:100mg/L，DB86:100mg/L，SB38:200mg/L，溶剂为水。取10mL上述所配制的染料溶液于15mL离心管中，分别加入碳材料(5mg)，并将不加碳材料的单独染料溶液作为对照组，然后将所有样品溶液一起放入恒温空气摇床振荡进行吸附反应，其中振荡转速为200rpm。24h后将所有样品同时进行离心(10000rpm，15min)，分别取上清液2mL，使用紫外-可见吸收光谱仪测试样品的吸收度。
实施例7
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至300℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制1h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。使用稀硝酸(2％)配制不同的重金属离子溶液，分别为Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2，浓度均为1mM。取10mL上述所得的离子溶液于小烧杯中，加入所制备的碳材料(10mg)，然后室温下于搅拌器上搅拌吸附24h。其中不加碳材料的单独溶液作为对照组。接着将所得混合液进行离心(10000rpm，10min)，取上清液5mL，0.22μm滤膜过滤后收集滤液备用。最后将所得的各种样品滤液使用稀硝酸稀释1000倍后，与系列浓度梯度金属离子混合标准溶液一起上机ICP-MS检测各自金属离子含量。
实施例8
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至300℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制2h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。使用稀硝酸(2％)配制不同的重金属离子溶液，分别为Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2，浓度均为1mM。取10mL上述所得的离子溶液于小烧杯中，加入所制备的碳材料(10mg)，然后室温下于搅拌器上搅拌吸附24h。其中不加碳材料的单独溶液作为对照组。接着将所得混合液进行离心(10000rpm，10min)，取上清液5mL，0.22μm滤膜过滤后收集滤液备用。最后将所得的各种样品滤液使用稀硝酸稀释1000倍后，与系列浓度梯度金属离子混合标准溶液一起上机ICP-MS检测各自金属离子含量。
实施例9
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至300℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制3h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。使用稀硝酸(2％)配制不同的重金属离子溶液，分别为Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2，浓度均为1mM。取10mL上述所得的离子溶液于小烧杯中，加入所制备的碳材料(10mg)，然后室温下于搅拌器上搅拌吸附24h。其中不加碳材料的单独溶液作为对照组。接着将所得混合液进行离心(10000rpm，10min)，取上清液5mL，0.22μm滤膜过滤后收集滤液备用。最后将所得的各种样品滤液使用稀硝酸稀释1000倍后，与系列浓度梯度金属离子混合标准溶液一起上机ICP-MS检测各自金属离子含量。
实施例10
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至400℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制1h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。使用稀硝酸(2％)配制不同的重金属离子溶液，分别为Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2，浓度均为1mM。取10mL上述所得的离子溶液于小烧杯中，加入所制备的碳材料(10mg)，然后室温下于搅拌器上搅拌吸附24h。其中不加碳材料的单独溶液作为对照组。接着将所得混合液进行离心(10000rpm，10min)，取上清液5mL，0.22μm滤膜过滤后收集滤液备用。最后将所得的各种样品滤液使用稀硝酸稀释1000倍后，与系列浓度梯度金属离子混合标准溶液一起上机ICP-MS检测各自金属离子含量。
实施例11
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至400℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制2h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。使用稀硝酸(2％)配制不同的重金属离子溶液，分别为Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2，浓度均为1mM。取10mL上述所得的离子溶液于小烧杯中，加入所制备的碳材料(10mg)，然后室温下于搅拌器上搅拌吸附24h。其中不加碳材料的单独溶液作为对照组。接着将所得混合液进行离心(10000rpm，10min)，取上清液5mL，0.22μm滤膜过滤后收集滤液备用。最后将所得的各种样品滤液使用稀硝酸稀释1000倍后，与系列浓度梯度金属离子混合标准溶液一起上机ICP-MS检测各自金属离子含量。
实施例12
收集工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种，称取5g于坩埚中。对马弗炉设置升温程序，使其20min升温至400℃。然后将坩埚放入马弗炉常压下烧制3h后，立即取出于室温下冷却，得到碳材料。接着将所得产物准确称量后，使用研钵将其研磨成粉末放入干燥器备用。使用稀硝酸(2％)配制不同的重金属离子溶液，分别为Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Cu(NO3)2、Cd(NO3)2，浓度均为1mM。取10mL上述所得的离子溶液于小烧杯中，加入所制备的碳材料(10mg)，然后室温下于搅拌器上搅拌吸附24h。其中不加碳材料的单独溶液作为对照组。接着将所得混合液进行离心(10000rpm，10min)，取上清液5mL，0.22μm滤膜过滤后收集滤液备用。最后将所得的各种样品滤液使用稀硝酸稀释1000倍后，与系列浓度梯度金属离子混合标准溶液一起上机ICP-MS检测各自金属离子含量。
图1是各种染料被实施例1-6吸附前后最高峰值处吸光度的变化，从图1可以看出，实施例1-6制备的碳材料对染料吸附性好，有利于污染水体中染料的吸附处理。
图2是同金属离子溶液被实施例7-12吸附前后离子含量的变化情况，从图2可以看出，实施例7-12制备的碳材料对重金属吸附性好，有利于污染水体中染料的吸附处理。

Claims (8)

1.一种利用工业发酵生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质合成的碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工业发酵γ-聚谷氨酸后产生的废弃菌种生物质进行200℃-400℃高温烧制1h-3h后，取出于室温下冷却；
所述的工业发酵生产γ-聚谷氨酸的废弃菌种生物质为地衣芽孢杆菌(BacillusLicheniformis)ATCC 9945A经液体发酵生产γ-聚谷氨酸后，固液分离后得到的废弃菌种生物质；
所述的200℃-400℃高温烧制，其升温速率为10-20℃/min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的200℃-400℃高温烧制，工作压力为常压。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的200℃-400℃高温烧制是于马弗炉中烧制。
4.一种按照权利要求1、2或3所述的制备方法制备得到的碳材料。
5.权利要求4所述的碳材料在吸附染料或重金属中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，是碳材料在吸附水体中染料或重金属中的应用。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的染料为甲基橙、亚甲基蓝、孔雀石绿、罗丹明B、活性蓝19、直接蓝86或溶剂蓝38。
8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的重金属是Pb2+、Zn2+、Cu2+或Cd2+。
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