CN1696285A - 聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法。其步骤为：在1％～25％的聚乙烯醇的溶液中加入0.1％～15％的海藻酸钠，再加入一定比例的微生物，聚乙烯醇与微生物之比是0.2∶～10∶1，混合均匀；吸取上述混合液滴入饱和硼酸与0.2％～20％的铝盐混合的交联剂中，用碳酸钠溶液调节pH值，在交联剂中固化2～50个小时，最后取出用自来水进行清洗备用或活化，用于具体工程需要。本发明能够增强固定化微生物的耐曝气强度、机械强度高，减少曝气初期的聚乙烯醇和海藻酸钠的溶出，抵抗溶液对固定化酶/微生物的影响，同时减少磷酸根离子等对它的机械强度的影响，在曝气初期也为未见聚乙烯醇和海藻酸钠的溶出。
Description
一 技术领域
本发明涉及一种固定化微生物的制取方法，特别一种聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法。
二 背景技术
生物固定化技术是现代生物工程领域中的一项新兴技术，是使生物催化剂(酶、微生物、动植物细胞、细胞器等)更广泛、更有效使用的一种重要手段。生物催化剂通过物理或化学方法固定化后，其催化性能得以改善，使用效率大大提高。现在，固定化生物催化剂的应用研究已经涉及食品与发酵工业、化学合成工业、环境污染治理与检测等各个领域，充分展示了固定化生物催化剂的美好发展前景。目前常采用的生物催化剂固定化方法主要：吸附法、包埋法、交联法和截留法。而酶/微生物的固定化方法中，以包埋法最为常用。包埋法是将酶/微生物封闭在天然高分子多糖类或合成高分子凝胶的网络中，从而使酶/微生物固定化。其特点是能将固定化酶/微生物制成各种形状(球状、快状、膜状等)，并且固定化后的微生物能增殖，应用最广泛。
现有的包埋的材料主要有：琼脂、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、卡拉胶等。以下是国内外研究者对各种包埋剂的比较：
各种固定化细胞载体的性能比较
| 固定化载体 | 固定难易 | 机械强度 | 对生物毒性 | 耐生物分解性能 | 传质性能 |
| 琼脂 | 难 | 极差 | 无毒 | 差 | -- |
| 明胶 | 一般 | 差 | 无毒 | 差 | 差 |
| 海藻酸钙 | 易 | 较好 | 无毒 | 好 | 好 |
| 聚乙烯醇 | 较易 | 好 | 无毒 | 好 | 好 |
| 聚丙烯酰胺 | 难 | 好 | 有毒 | 好 | -- |
通过以上比较，一般认为聚乙烯醇和海藻酸钠为比较合理的包埋材料。赵亚乾，杨镭等(海藻酸钠包埋活性炭与活性污泥的固定化技术.上海环境科学.1997，16(9)：28～30)公开了一种海藻酸钠固定化微生物的方法，在海藻酸钠和微生物混合溶液中加入粉末活性炭，以增加机械性能。李花子等(聚乙烯醇—硼酸固定化方法的改进.环境科学研究.2002，15(5)：25～27)公开了一种聚乙烯醇固定化微生物的方法，在聚乙烯醇溶液中加入少量海藻酸钠，再与微生物混合，滴入饱和硼酸和氯化钙的混合交联剂中，固化24小时，滤出颗粒备用，此法一般称为改进PVA硼酸法。
上述方法各有特点。其中海藻酸钠固定化微生物的方法的制作过程比较简单，传质性能比较好。但耐曝气强度较低，只能维持一个月左右。特别是当溶液中有磷酸根离子时，通过争夺凝胶中的钙离子使固定化微生物溶解。聚乙烯醇固定化微生物的方法制作过程相对简单，但在曝气初期会有大量聚乙烯醇和海藻酸钠溶出，最后完全溶解，而当溶液中有磷酸根离子是同样会使耐曝气强度降低。特别在固定化技术用于处理水质复杂，有毒物质较多的废水(例如：焦化废水)时，很难维持一个月。
三 发明内容
本发明的目的在于提供一种聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法，酶/微生物固定化以后不会流失，对热、pH值等的稳定性提高；提高利用效率，降低成本；对于多酶体系的催化过程和需要辅酶催化的反映具有明显的优越性，并且耐曝气强度高，抗毒性强，机械强度高、制作简单。
实现本发明的目的技术解决方案为：一种聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法，其步骤为：在1％～25％的聚乙烯醇的溶液中加入0.1％～15％的海藻酸钠，再加入一定比例的微生物，聚乙烯醇与微生物之比是0.2∶～10∶1，混合均匀；吸取上述混合液滴入饱和硼酸与0.2％～20％的铝盐混合的交联剂中，用碳酸钠溶液调节pH值，在交联剂中固化2～50个小时，最后取出用自来水进行清洗备用或活化，用于具体工程需要。
本发明的原理是：用铝盐代替一般方法中的氯化钙，进行交联(以下简称聚乙烯醇铝盐法)。本方法能够增强固定化微生物的耐曝气强度、机械强度高，减少曝气初期的聚乙烯醇和海藻酸钠的溶出，抵抗溶液对固定化酶/微生物的影响，同时减少磷酸根离子等对它的机械强度的影响，是一种适用生物工程、生物制药、食品发酵、酿造、制酒、废水生物处理、能源开发等涉及固定化酶/微生物技术领域需要高强度曝气、搅拌、进行长期稳定运行的新型固定化酶/微生物技术。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：固定化的酶/微生物耐曝气强度明显好于其他固定化方法，在大气量曝气池中连续运行5个月以上，强度依然良好，未见溶解迹象。在曝气初期也为未见聚乙烯醇和海藻酸钠的溶出，同在含有高浓度的磷酸盐溶液中依然保持原有的机械强度。分析原因可能是由于在高分子凝胶中钙是以离子形式与高分子聚合物结合，而Al3+中含有空轨道，因而高分子聚合物中氧的孤对电子可以进入Al3+的空轨道，形成配位体，能使结构更加坚固，而且使磷酸根离子等不能夺取凝胶中的铝离子。当本固定化酶/微生物在停止曝气并保存两个月后再重新运行，依然能够恢复原有活性。因此本方法与其它固定化方法相比，应用领域更广，适应性更强，具有明显的经济效益和广阔的应用前景。
四 附图说明
图1是本发明的聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法的工艺流程图。
图2是本发明的聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法的固化比较曲线图。
五 具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
结合图1、图2，本发明的具体操作如下：
在实验中，用硝化细菌。在固定化前取富集的硝化细菌在高速离心分离机上以3000r/min离心10分钟后，得到浓缩硝化细菌，放置到4℃的冰箱中保存待用。试验用的实际废水取自该厂脱氰脱酚后的废水。
准确称取聚乙烯醇5g，加热溶于44ml去离子水中，然后加入1g海藻酸钠，加热至完全溶解，冷却到30℃。准确称取浓缩硝化细菌25g和上述溶液混合，放置到30℃的水浴中。准确称取硫酸铝盐15g，溶于485ml饱和硼酸溶液中，用1％碳酸钠溶液调节pH值＝4.5左右，制成混合交联剂。用滴管吸取硝化细菌和聚乙烯醇的混合液滴加到混合交联剂中，并且在滴加过程中不断搅拌。把成形的固定化硝化细菌放置到4℃的冰箱冷藏室中固化24小时。固化完全后取出用自来水冲洗，然后放入流化床生化反应器中进行活化。
通过在焦化废水中进行长期的曝气实验和固定化硝化细菌的活化证明聚乙烯醇铝盐法和其他固定化方法相比有其优越性。
(1)曝气试验
用固定化法处理废水首要因素是强度大，耐曝气性能好，能够适应长期处理需要。由于焦化废水的水质复杂，含有各种有机物及无机物，毒性大，对固定化硝化细菌的强度影响很大。
比较各种固定化硝化细菌制作难易和在焦化废水中的耐曝气性能如下表2.1。
表2.1 各种包埋方法性能比较
| 方法 | 制作难易 | 耐曝气强度 | 综合性能 |
| CA-CaCl2包埋法 | 容易 | 弱，三天后破碎 | 一般 |
| 聚乙烯醇硼酸法 | 难，极易粘连 | 粘连，溶涨严重 | 差 |
| 改进聚乙烯醇硼酸法 | 比较容易 | 初期较好，但一星期后溶解 | 一般 |
| 聚乙烯醇铝盐法 | 比较容易 | 曝气性能较好，5个月未见溶解 | 较好 |
根据上面比较结果，聚乙烯醇铝盐法具有较好的耐曝气性能，并且制作相对简单，综合性能优于其他方法。
(2)活化试验。游离活性硝化细菌经固定化以后由于试剂的毒性，包埋时pH值较低等因素会使回收率有所下降，根据正交实验结果，只能达到游离细菌的40％左右，因此需要进行活化。
取硝化细菌两等份，其中一份制成固定化颗粒后，按颗粒填充率15％确定焦化废水量，在生物流化床中处理等量的焦化废水，以8小时为周期测定进出水的氨氮浓度，计算硝化速率。由图2可以看出，开始，固定化硝化细菌经过固定化后回收率比较低，只有游离硝化细菌的40％左右。但经过7天的活化培养，能达到80％左右，以后趋于恒定。因此，固定化硝化细菌经过活化后可以用于处理含有高浓度氨氮的焦化废水。同样也适用于其它水质复杂，有毒有害物质较多的印染、纺织、皮革等工业的废水。
通过实验证明聚乙烯醇铝盐法与其它的固定化方法相比具有耐毒性强、耐曝气强度好、对一些离子具有抵抗力等都优点，因此具有广阔的发展前景。
Claims (4)
1、一种聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法，其步骤为：在1％～25％的聚乙烯醇的溶液中加入0.1％～15％的海藻酸钠，再加入一定比例的微生物，聚乙烯醇与微生物之比是0.2～10∶1，混合均匀；吸取上述混合液滴入饱和硼酸与0.2％～20％的铝盐混合的交联剂中，用碳酸钠溶液调节pH值，在交联剂中固化2～50个小时，最后取出用自来水进行清洗备用或活化，用于具体工程需要。
2、根据权利要求1所述的聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法，其特征在于：聚乙烯醇与微生物之比是2～10∶1。
3、根据权利要求1或2所述的聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法，其特征在于：用碳酸钠溶液调节pH值＝4.5。
4、根据权利要求1或2所述的聚乙烯醇铝盐固定化酶/微生物的方法，其特征在于：铝盐为硫酸铝、三氯化铝。
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