聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法
2023-11-11 15:17:42
專利名稱：聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法
技術領域：
本發明涉及一種固定化微生物的製取方法，特別一種聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法。
二 背景技術生物固定化技術是現代生物工程領域中的一項新興技術，是使生物催化劑(酶、微生物、動植物細胞、細胞器等)更廣泛、更有效使用的一種重要手段。生物催化劑通過物理或化學方法固定化後，其催化性能得以改善，使用效率大大提高。現在，固定化生物催化劑的應用研究已經涉及食品與發酵工業、化學合成工業、環境汙染治理與檢測等各個領域，充分展示了固定化生物催化劑的美好發展前景。目前常採用的生物催化劑固定化方法主要吸附法、包埋法、交聯法和截留法。而酶/微生物的固定化方法中，以包埋法最為常用。包埋法是將酶/微生物封閉在天然高分子多糖類或合成高分子凝膠的網絡中，從而使酶/微生物固定化。其特點是能將固定化酶/微生物製成各種形狀(球狀、快狀、膜狀等)，並且固定化後的微生物能增殖，應用最廣泛。
現有的包埋的材料主要有瓊脂、海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚丙烯醯胺、卡拉膠等。以下是國內外研究者對各種包埋劑的比較各種固定化細胞載體的性能比較
通過以上比較，一般認為聚乙烯醇和海藻酸鈉為比較合理的包埋材料。趙亞乾，楊鐳等(海藻酸鈉包埋活性炭與活性汙泥的固定化技術.上海環境科學.1997，16(9)28～30)公開了一種海藻酸鈉固定化微生物的方法，在海藻酸鈉和微生物混合溶液中加入粉末活性炭，以增加機械性能。李花子等(聚乙烯醇—硼酸固定化方法的改進.環境科學研究.2002，15(5)25～27)公開了一種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鈉，再與微生物混合，滴入飽和硼酸和氯化鈣的混合交聯劑中，固化24小時，濾出顆粒備用，此法一般稱為改進PVA硼酸法。
上述方法各有特點。其中海藻酸鈉固定化微生物的方法的製作過程比較簡單，傳質性能比較好。但耐曝氣強度較低，只能維持一個月左右。特別是當溶液中有磷酸根離子時，通過爭奪凝膠中的鈣離子使固定化微生物溶解。聚乙烯醇固定化微生物的方法製作過程相對簡單，但在曝氣初期會有大量聚乙烯醇和海藻酸鈉溶出，最後完全溶解，而當溶液中有磷酸根離子是同樣會使耐曝氣強度降低。特別在固定化技術用於處理水質複雜，有毒物質較多的廢水(例如焦化廢水)時，很難維持一個月。
三 發明內容本發明的目的在於提供一種聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法，酶/微生物固定化以後不會流失，對熱、pH值等的穩定性提高；提高利用效率，降低成本；對於多酶體系的催化過程和需要輔酶催化的反映具有明顯的優越性，並且耐曝氣強度高，抗毒性強，機械強度高、製作簡單。
實現本發明的目的技術解決方案為一種聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法，其步驟為在1％～25％的聚乙烯醇的溶液中加入0.1％～15％的海藻酸鈉，再加入一定比例的微生物，聚乙烯醇與微生物之比是0.2∶～10∶1，混合均勻；吸取上述混合液滴入飽和硼酸與0.2％～20％的鋁鹽混合的交聯劑中，用碳酸鈉溶液調節pH值，在交聯劑中固化2～50個小時，最後取出用自來水進行清洗備用或活化，用於具體工程需要。
本發明的原理是用鋁鹽代替一般方法中的氯化鈣，進行交聯(以下簡稱聚乙烯醇鋁鹽法)。本方法能夠增強固定化微生物的耐曝氣強度、機械強度高，減少曝氣初期的聚乙烯醇和海藻酸鈉的溶出，抵抗溶液對固定化酶/微生物的影響，同時減少磷酸根離子等對它的機械強度的影響，是一種適用生物工程、生物製藥、食品發酵、釀造、製酒、廢水生物處理、能源開發等涉及固定化酶/微生物技術領域需要高強度曝氣、攪拌、進行長期穩定運行的新型固定化酶/微生物技術。
本發明與現有技術相比，其顯著優點是固定化的酶/微生物耐曝氣強度明顯好於其他固定化方法，在大氣量曝氣池中連續運行5個月以上，強度依然良好，未見溶解跡象。在曝氣初期也為未見聚乙烯醇和海藻酸鈉的溶出，同在含有高濃度的磷酸鹽溶液中依然保持原有的機械強度。分析原因可能是由於在高分子凝膠中鈣是以離子形式與高分子聚合物結合，而Al3+中含有空軌道，因而高分子聚合物中氧的孤對電子可以進入Al3+的空軌道，形成配位體，能使結構更加堅固，而且使磷酸根離子等不能奪取凝膠中的鋁離子。當本固定化酶/微生物在停止曝氣並保存兩個月後再重新運行，依然能夠恢復原有活性。因此本方法與其它固定化方法相比，應用領域更廣，適應性更強，具有明顯的經濟效益和廣闊的應用前景。
四
圖1是本發明的聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法的工藝流程圖。
圖2是本發明的聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法的固化比較曲線圖。
五具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
結合圖1、圖2，本發明的具體操作如下在實驗中，用硝化細菌。在固定化前取富集的硝化細菌在高速離心分離機上以3000r/min離心10分鐘後，得到濃縮硝化細菌，放置到4℃的冰箱中保存待用。試驗用的實際廢水取自該廠脫氰脫酚後的廢水。
準確稱取聚乙烯醇5g，加熱溶於44ml去離子水中，然後加入1g海藻酸鈉，加熱至完全溶解，冷卻到30℃。準確稱取濃縮硝化細菌25g和上述溶液混合，放置到30℃的水浴中。準確稱取硫酸鋁鹽15g，溶於485ml飽和硼酸溶液中，用1％碳酸鈉溶液調節pH值＝4.5左右，製成混合交聯劑。用滴管吸取硝化細菌和聚乙烯醇的混合液滴加到混合交聯劑中，並且在滴加過程中不斷攪拌。把成形的固定化硝化細菌放置到4℃的冰箱冷藏室中固化24小時。固化完全後取出用自來水衝洗，然後放入流化床生化反應器中進行活化。
通過在焦化廢水中進行長期的曝氣實驗和固定化硝化細菌的活化證明聚乙烯醇鋁鹽法和其他固定化方法相比有其優越性。
(1)曝氣試驗用固定化法處理廢水首要因素是強度大，耐曝氣性能好，能夠適應長期處理需要。由於焦化廢水的水質複雜，含有各種有機物及無機物，毒性大，對固定化硝化細菌的強度影響很大。
比較各種固定化硝化細菌製作難易和在焦化廢水中的耐曝氣性能如下表2.1。
表2.1 各種包埋方法性能比較
根據上面比較結果，聚乙烯醇鋁鹽法具有較好的耐曝氣性能，並且製作相對簡單，綜合性能優於其他方法。
(2)活化試驗。游離活性硝化細菌經固定化以後由於試劑的毒性，包埋時pH值較低等因素會使回收率有所下降，根據正交實驗結果，只能達到游離細菌的40％左右，因此需要進行活化。
取硝化細菌兩等份，其中一份製成固定化顆粒後，按顆粒填充率15％確定焦化廢水量，在生物流化床中處理等量的焦化廢水，以8小時為周期測定進出水的氨氮濃度，計算硝化速率。由圖2可以看出，開始，固定化硝化細菌經過固定化後回收率比較低，只有游離硝化細菌的40％左右。但經過7天的活化培養，能達到80％左右，以後趨於恆定。因此，固定化硝化細菌經過活化後可以用於處理含有高濃度氨氮的焦化廢水。同樣也適用於其它水質複雜，有毒有害物質較多的印染、紡織、皮革等工業的廢水。
通過實驗證明聚乙烯醇鋁鹽法與其它的固定化方法相比具有耐毒性強、耐曝氣強度好、對一些離子具有抵抗力等都優點，因此具有廣闊的發展前景。
權利要求
1.一種聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法，其步驟為在1％～25％的聚乙烯醇的溶液中加入0.1％～15％的海藻酸鈉，再加入一定比例的微生物，聚乙烯醇與微生物之比是0.2～10∶1，混合均勻；吸取上述混合液滴入飽和硼酸與0.2％～20％的鋁鹽混合的交聯劑中，用碳酸鈉溶液調節pH值，在交聯劑中固化2～50個小時，最後取出用自來水進行清洗備用或活化，用於具體工程需要。
2.根據權利要求1所述的聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法，其特徵在於聚乙烯醇與微生物之比是2～10∶1。
3.根據權利要求1或2所述的聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法，其特徵在於用碳酸鈉溶液調節pH值＝4.5。
4.根據權利要求1或2所述的聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法，其特徵在於鋁鹽為硫酸鋁、三氯化鋁。
全文摘要
本發明涉及一種聚乙烯醇鋁鹽固定化酶/微生物的方法。其步驟為在1％～25％的聚乙烯醇的溶液中加入0.1％～15％的海藻酸鈉，再加入一定比例的微生物，聚乙烯醇與微生物之比是0.2∶～10∶1，混合均勻；吸取上述混合液滴入飽和硼酸與0.2％～20％的鋁鹽混合的交聯劑中，用碳酸鈉溶液調節pH值，在交聯劑中固化2～50個小時，最後取出用自來水進行清洗備用或活化，用於具體工程需要。本發明能夠增強固定化微生物的耐曝氣強度、機械強度高，減少曝氣初期的聚乙烯醇和海藻酸鈉的溶出，抵抗溶液對固定化酶/微生物的影響，同時減少磷酸根離子等對它的機械強度的影響，在曝氣初期也為未見聚乙烯醇和海藻酸鈉的溶出。
文檔編號C12N11/00GK1696285SQ20041001488
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月14日 優先權日2004年5月14日
發明者安立超, 王劍鋒 申請人:南京理工大學