從活性汙泥中提取聚羥基脂肪酸酯的方法
2023-09-23 18:20:05
專利名稱：從活性汙泥中提取聚羥基脂肪酸酯的方法
技術領域：
本發明涉及剩餘活性汙泥處理與綜合利用領域，具體地說是一種從活性汙泥中提取聚羥基脂肪酸酯的方法。
背景技術：
在汙水處理過程中產生了大量的活性汙泥，這些汙泥前成為目前汙水處理廠的巨大負擔，處理起來不但耗資巨大，而且汙泥的最終處理佔用土地，很容易對環境造成二次汙染。而聚羥基脂肪酸酯(PHA)是細菌在營養物質不均衡的情況下，細胞內合成的一種貯存能量及碳源的物質。聚羥基脂肪酸酯的通式如下所示 其中m＝1、2、3。通常情況下m＝1，即β-羥基脂肪酸。R為側鏈，可為飽和或不飽和、直鏈或含側鏈及取代基範圍從甲基至壬基的烷基。R為甲基時聚合物為聚-β-羥基丁酸酯(PHB)，為乙基時聚合物為聚-β-羥基戊酸酯(PHV)。n的範圍通常是100～30000。因此可以考慮從剩餘汙泥中提取聚羥基脂肪酸酯，達到汙泥的綜合利用以及減少對環境的汙染。
PHA的提取幾乎佔去PHA生產成本的一半左右，並且也直接決定著PHA的性質所在。所以改進PHA的提取方法與研究PHA的合成同等重要。現今已有的提取方法有很多，主要分為以下幾類有機溶劑提取法、消化法包括次氯酸鹽法、次氯酸鹽-表面活性劑(SDS)法、鹼法、氯仿-次氯酸鹽混合液法、酶法以及一些物理方法等。這些方法各有利弊對於有機溶劑萃取法來說，可以溶解PHA的有機溶劑不多，且溶解度較低，溶劑濃度超過5％(w/v)時就很粘稠，使得PHA與非PHA物質分離困難，藥劑成本高，對環境的副作用大，PHA在有機溶劑中可以降解，且菌體中的結合水也會影響提取分離的效果。次氯酸鹽法無需使用有機溶劑進行萃取，但對試驗條件要求嚴格，而且用這種方法從不同產生菌提取PHB，所得分子量差別較大。次氯酸鹽-表面活性劑(SDS)法提取出來的PHA較單獨使用SDS的提取結果純度高，較單獨使用次氯酸鈉的提取結果分子量大，但是這種方法會造成二次汙染，對環境的副作用大。鹼法操作簡單，所用試劑低廉且用量很小所得產品純度高，分子量降解少，不會對環境造成汙染，但是提取率較低。酶法處理要求條件較為苛刻，提取出的PHB純度不高，但如需提高PHB純度，則要進一步溶劑抽提，導致回收成本更高。機械法通常採用高壓均質或高速珠研磨，但其需要提供高能量和足夠的冷卻能力以防止產物過熱和細胞顆粒微化。機械破碎法提取效率低，分離效果差。
超聲波在強化生物分離過程中顯示出多方面的優越性。超聲波特性主要有如下幾方面空化效應、熱效應、機械攪拌、強化擴散、乳化作用、凝聚作用、機械粉碎作用。超聲波技術已廣泛應用於工業、農業、醫藥、衛生、國防等領域，尤其在提取中草藥成份方面的應用正受到越來越多的重視。對於PHA的提取，目前還沒有見到利用超聲波輔助提取PHA的報導。用超聲波進行提取具有方便快速的優點，若將其引入PHA的提取當中，無疑會大大縮短提取時間，提高提取率。
發明內容
本發明的目的是提供一種從活性汙泥中提取聚羥基脂肪酸酯的方法，提高聚羥基脂肪酸酯的獲得率，降低提取時間。
取一定量的活性汙泥，於4000～5000r/min離心2～10分鐘，取固體於40～60℃真空乾燥箱中烘乾，得到含水率在5～15的幹汙泥。置於研缽中研磨成粉末狀的細碎顆粒(目)。幹活性汙泥與氯仿(分析純)的比例為1∶25～50(重量比)，置於磨口錐形瓶內並充分混勻。對混勻的樣品進行超聲波處理，超聲波的頻率在(工作頻率40kHz)，處理時間為10～60分鐘，並且分兩次進行。超聲波處理後，將磨口錐形瓶置於30℃恆溫水浴振蕩器中，水浴振蕩時間80～110分鐘，震蕩頻率為(30～120次/分鐘)。反應完畢後，取錐形瓶中固體及液體，於4000～5000r/min離心2～10分鐘，取下層於37～50℃旋轉蒸發濃縮至2～10ml，向濃縮後的液體中加入20～40倍甲醇，混勻，於4000～5000r/min離心2～10分鐘，取固體物質置於培養皿中，晾乾即可得到聚羥基脂肪酸酯混合物。
超聲波細胞破碎的原理是利用超聲波發生器所發出的高頻振蕩訊號，通過換能器轉換成為高頻機械振蕩而傳播到介質中，超聲波在介質中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產生數以萬計的微小氣泡，這些氣泡在超聲波縱向傳播的負壓區形成、生長，而在正壓區迅速閉合。在這種被稱作「空化」效應的過程中，氣泡閉合形成超過1000個大氣壓的瞬間高壓，連續不斷產生的高壓就像一連串小「爆炸」不斷衝擊細胞，空化中產生的極大壓力造成被破碎物細胞壁及整個生物體破裂，而且整個破裂過程在瞬間完成，提高了破碎速度，縮短了破碎時間，可極大地提高提取效率。實驗中採用的是超聲波清洗器進行細胞破壁，其原理與超聲波細胞粉碎儀相同，都是利用「空化」效應使細胞破壁，破壁後，暴露在外的PHA迅速轉移至氯仿中，且由於超聲波的強化擴散作用，PHA溶解於氯仿更為迅速，大大縮短了氯仿抽提PHA的時間，同時可以減小PHA在有機溶劑中時間過久而引起的降解。
圖1是超聲波處理時間與提取率關係曲線。
具體實施例方式
實施例1
實驗藥品活性汙泥取自天津泰達城市汙水處理廠三氯甲烷分析純天津市北方化玻購銷中心甲醇分析純天津市富宇精細化工有限公司安替福民分析純天津市化學試劑三廠葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、ZnSO4·7H2O、NiCl2·H2O、CuSO4·5H2O蘇丹黑、蕃紅、二甲苯(均為分析純)一、試驗步驟1.從天津泰達城市汙水處理廠取來的活性汙泥，利用葡萄糖、氨氮以及磷酸鈉按照C∶N∶P＝100∶1∶1(重量比)的情況下配製的培養液培養活性汙泥，利用好氧和缺氧交替馴化汙泥，周期為4小時，好氧和缺氧狀態的時間比為1∶1。
2.取活性汙泥3.0L，於4500r/min離心5分鐘，取固體於45℃真空乾燥箱中烘乾，共得幹汙泥11.8460g。置於研缽中研磨成40～60目粉末狀的細碎顆粒。
3.取5個250mL磨口錐形瓶，分別加入1.0000g活性汙泥粉末和50mL氯仿，充分混勻。
4.對樣品按以下時間進行超聲波處理0min、5min×2、10min×2、15min×2、20min×2。兩次超聲波處理時間間隔為5min，超聲波處理總時間依次為0min、10min、20min、30min、40min。
5.超聲波處理後，將磨口錐形瓶置於30℃恆溫水浴振蕩器中，水浴振蕩時間依次為2h、110min、100min、90min、80mm，使各組的總反應時間均為2h，即活性汙泥粉末與氯仿接觸時間均為2h。
6.反應完畢後，取錐形瓶中固體及液體，於4500r/min離心5分鐘，取下層，即氯仿層於42℃旋轉蒸發濃縮至5mL左右。
7.向濃縮後的液體中加入150mL甲醇，混勻，於4500r/min離心5分鐘，取固體物質置於培養皿中，晾乾。
8.將固體物質用電子天平稱重，記錄其數值，並計算提取率。
二、超聲波-氯仿法提取PHA實驗數據與結果超聲波-氯仿法提取PHA實驗結果見表1所示表1超聲波-氯仿法的提取結果
從數據結果顯示表明，PHA的提取率隨著超聲波作用時間的加長，提取率提高。它們之間的關係如圖1所示。
從實驗結果可知，實驗中所採用的三種提取方法中使用超聲波-氯仿法提取活性汙泥中的PHA，可以在最短的時間內得到最高的提取率，大大縮短PHA提取所需時間，可通過控制超聲波作用時間和其他反應條件尋找一種耗時短、提取率高、純度高、PHA降解小的方法。
權利要求
1.一種從活性汙泥中提取聚羥基脂肪酸酯的方法，取適量的活性汙泥，於4000～5000r/min離心2～10分鐘，取固體於40～60℃真空乾燥箱中烘乾，得到含水率在5～15％的幹活性汙泥；置於研缽中研磨成40～100目粉末狀的細碎顆粒；幹活性汙泥與氯仿的重量比為1∶25～50，置於磨口錐形瓶內並充分混勻；對混勻的樣品進行超聲波處理，超聲波的工作頻率為40kHz，處理時間為10～60分鐘，並且分兩次進行；超聲波處理後，將磨口錐形瓶置於30℃恆溫水浴振蕩器中，水浴振蕩時間80～110分鐘，震蕩頻率為30～120次/分鐘；反應完畢後，取錐形瓶中固體及液體，於4000～5000r/min離心2～10分鐘，取下層於37～50℃旋轉蒸發濃縮至2～10ml，向濃縮後的液體中加入20～40倍甲醇，混勻，於4000～5000r/min離心2～10分鐘，取固體物質置於培養皿中，晾乾即可得到聚羥基脂肪酸酯混合物。
全文摘要
本發明涉及剩餘活性汙泥處理與綜合利用領域，具體地說是一種從活性汙泥中提取聚羥基脂肪酸酯的方法。本發明的方法為取活性汙泥，離心，取固體烘乾，得到含水率在5～15％的幹活性汙泥；研磨成40～100目粉末狀的細碎顆粒；幹活性汙泥與氯仿的重量比為1∶25～50，進行超聲波處理、水浴振蕩、離心、濃縮，加入20～40倍甲醇，離心，取固體物質置於培養皿中，晾乾即可得到聚羥基脂肪酸酯混合物。本發明不但有利於剩餘活性汙泥處理與綜合利用，而且會大大縮短提取聚羥基脂肪酸酯的時間，提高提取率。
文檔編號C02F11/02GK1803883SQ20051013364
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月27日 優先權日2005年12月27日
發明者李克勳 申請人:南開大學