用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法
2023-06-16 18:34:31 2
用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法
【專利摘要】本發明屬於工業水處理【技術領域】，具體涉及利用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法。本發明要解決的技術問題是提供一種緩解工業循環水系統結生碳酸鹽垢現象的方法。該方法能減少含磷廢水排入環境水體。本發明的技術方案是利用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法，包括如下步驟：1)製備分泌胞外碳酸酐酶的芽孢桿菌屬細菌菌劑；2)冷凍離心，鹽析粗提取出含碳酸酐酶的粗酶液；3)將粗酶液加入到生了碳酸鹽水垢的工業循環水中。本發明方法可用於去除工業循環水系統中的碳酸鈣垢，成本低，不汙染環境。
【專利說明】用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於工業水處理【技術領域】，具體涉及利用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法。
【背景技術】
[0002]工業用水系統中，碳酸鈣垢的存在影響換熱、循環水等的水質。運行一定時間後，工業鍋爐的金屬表面極易形成水垢，形成水垢的主要原因是鍋爐給水中含有一定數量的鈣、鎂鹽類，在鍋爐內部受壓力、溫度等因素的影響發生物理和化學變化，生成各種類型的水垢。循環冷卻水系統在工業生產用水中佔有重要地位，佔有工業用水量70% -80%。在冷卻水循環利用過程中，水分不斷蒸發，水中難溶鹽離子濃度不斷增加，逐漸達到飽和狀態，可能從水中析出成垢。碳酸鈣垢可能沉積在設備或管道表面結成水垢、汙垢，不但降低了傳熱效率，增加能耗，給系統的安全、正常運行帶來隱患，使得水處理劑無法及時到達金屬表面而失效，加速了金屬腐蝕的速度等，結垢嚴重時甚至可能導致停產。因此及時地去除水系統中的各類汙垢，不僅僅是節能、安全的需要，也是延長設備使用壽命的需要。
[0003]阻垢劑的發展經歷了從最初的天然有機物到無機聚磷酸鹽，直至現在的全有機配方聚合物的過程。上世紀三十年代開始，人們開始研究冷卻水。由於水資源的限制和成本的制約，冷卻水已由直流水改為了循環水。水的循環使水中鹽類濃縮，二氧化碳逸散，導致循環水系統結垢嚴重。為減輕結垢，採用CO2或加H2SO4進行酸化處理，減輕結垢。這一階段，人們對循環水引起的危害性認識不足，水處理技術處於初級階段。上世紀五十年代至六十年代，隨著認識的深化和工業的需求，開發了許多水處理劑，如聚磷酸鹽、鉻酸鹽等水處理配方。其中鉻酸鹽/聚磷酸鹽/鋅鹽水處理配方(一般稱鉻系配方)的應用最為成功。上世紀七十年代以來，國外冷卻水技術發展迅速，採用了擴大的磷酸鹽處理配方、全有機配方和鹼性水等，磷系水處理劑被發現並應用於工業循環水中以來，因為其無毒、低價及具有良好的緩蝕與阻垢性能，目前在水處理劑中仍佔絕對主導的地位。一方面，它為解決工業循環水系統的腐蝕與結垢問題做出了巨大的積極貢獻。可以想像，沒有聚合磷和有機磷存在，就不會有工業循環水系統和生產裝置安全長周期運行。另一方面，因為磷系水處理劑會帶來大量的含磷廢水的排放，導致環境汙染。
[0004]目前，循環水系統大量使用有機磷酸(鹽)和聚丙烯酸(鹽)等這些高效阻垢劑、分散劑來解決水中致垢鹽的結垢問題。但是，磷酸鹽一方面是循環水系統中微生物的營養源，有利於微生物生長而形成軟垢，另一方面磷酸鹽隨著循環水系統排汙而排放水體中，造成水體富營養化。現在全國每年用於緩蝕阻垢劑生產的磷近10萬噸，這些磷幾乎未經任何處理就被排到環境中，對環境造成汙染。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種緩解工業循環冷卻水系統結生碳酸鹽垢現象的方法。該方法能減少含磷廢水排入環境水體。
[0006]本發明的技術方案是利用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法，包括如下步驟:1)製備分泌胞外碳酸酐酶的芽孢桿菌屬細菌菌劑；2)冷凍離心，鹽析粗提取出含碳酸酐酶的粗酶液；3)將粗酶液加入到生了碳酸鹽水垢的水體中。
[0007]具體的，步驟I)所述的製備分泌胞外碳酸酐酶的芽孢桿菌屬細菌菌劑包括如下操作:取循環水系統冷卻水，將其均勻塗布於含有60g/L碳酸鈣、I μ mo I/L ZnSO4的牛肉膏蛋白腖瓊脂平板上，將平板置於34~37°C下培養24h，挑出長好的菌落並採用劃線法進行純化；將純化得到的菌種進行16S rRNA擴增，確定其種屬；將確定後的菌種接種到LB液體培養基中進行擴大培養至穩定期，培養溫度為29~31 °C，搖床轉速為120r/min。
[0008]具體的，步驟2)的操作具體如下:將I)中培養好的菌液在4°C、5000r/min下離心lOmin，取上清液，向上清液中加入(NH4)2SCU吏溶液飽和度達到70%，置於4°C下鹽析12h後,4? 8000r/min離心30min得到蛋白質沉澱,將蛋白質沉澱溶解於25mmol/L pH7.5的Tris-H2SO4緩衝液中，通過G-100葡聚糖凝膠柱，洗脫收集粗酶液；
[0009]進一步的，在步驟2)中將粗酶液透析48h後用DE-52離子交換柱分離純化，洗脫液為100mmol/L、pH7.5的Tris-H2SO4緩衝液，收集酶活性較高的CA溶液，用聚乙二醇20000濃縮備用。
[0010]具體的，步驟I)中分泌胞外碳酸酐酶的芽孢桿菌屬細菌枯草芽孢桿菌和蠟樣芽胞桿菌。
[0011]本發明還提供了微生物胞外碳酸酐酶在去除工業循環水中碳酸鈣垢的用途。
[0012]本發明還提供了所述的方法在去除工業循環水中碳酸鈣垢的用途。
[0013]本發明的有益效果:
[0014]本發明方法從循環冷卻水中篩選微生物，提取粗酶再投放到系統中能快速正常運作，不會因為條件變化過大而失去活性。在結生碳酸鹽水垢的循環水系統中加入含碳酸酐酶的粗酶液，碳酸酐酶能快速催化二氧化碳與碳酸氫根之間相互轉換，加速二氧化碳溶於水合成碳酸氫根的水合反應，同時釋放氫離子，使水體PH下降，從而影響CaCO3的電離平衡，使碳酸鹽沉澱溶解。無需往循環水系統中投加大量含磷阻垢劑，不會導致大量含磷廢水排入環境，造成水體富營養化，利用微生物碳酸酐酶進行阻垢，綠色環保，在阻垢的同時可實現磷減排。
【具體實施方式】
[0015]碳酸酐酶(carbonic anhydrase,簡稱CA, EC4.2.1.1)廣泛分布於動植物和原核生物中，是已知的催化反應速率最快的生物催化劑。不僅所有哺乳動物的組織和細胞類型中都發現了碳酸酐酶，而且植物和單細胞綠藻中含有豐富的碳酸酐酶。它具有一系列重要的生理作用，如控制酸鹼平衡、呼吸作用、二氧化碳和離子運輸、光合作用、鈣化作用等。
[0016]近年來有研究發現，碳酸酐酶在巖溶環境中廣泛分布，與生態系統中元素遷移之間有著緊密的關係。巖溶地區土壤細菌的碳酸酐酶以胞外酶方式存在，在石灰巖的溶解實驗中加入CA，可使溶解速率提高10倍。
[0017]碳酸酐酶的活性中心含有一個催化活性所必需的鋅原子，催化CO2進行可逆水合反應。其催化機理如下:
[0018]
【權利要求】
1.利用微生物胞外碳酸酐酶去除碳酸鈣垢的方法，其特徵在於:包括如下步驟:1)製備分泌胞外碳酸酐酶的芽孢桿菌屬細菌菌劑；2)冷凍離心，鹽析粗提取出含碳酸酐酶的粗酶液；3)將粗酶液加入到生了碳酸鹽水垢的工業循環水中。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:步驟I)所述的製備分泌胞外碳酸酐酶的芽孢桿菌屬細菌菌劑包括如下操作:取循環水系統冷卻水，將其均勻塗布於含有60g/L碳酸鈣、I μ mo I/L ZnSO4的牛肉膏蛋白腖瓊脂平板上，將平板置於34~37°C下培養24h，挑出長好的菌落並採用劃線法進行純化；將純化得到的菌種進行16S rRNA擴增，確定其種屬；將確定後的菌種接種到LB液體培養基中進行擴大培養至穩定期，培養溫度為29~31°C，搖床轉速為120r/min。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於:步驟2)的操作具體如下:將I)中培養好的菌液在4°C、5000r/min下離心10min，取上清液，向上清液中加入(NH4) 2S04使溶液飽和度達到70%,置於4°C下鹽析12h後，4°C 8000r/min離心30min得到蛋白質沉澱,將蛋白質沉澱溶解於25mmol/L pH7.5的Tris-H2SO4緩衝液中，通過G-100葡聚糖凝膠柱，洗脫收集粗酶液。
4.如權利要求1~3中任一項所述的方法，其特徵在於:在步驟2)中將粗酶液透析48h後用DE-52離子交換柱分離純化，洗脫液為100mmol/L、pH7.5的Tris-H2SO4緩衝液，收集酶活性較高的CA溶液，用聚乙二醇20000濃縮備用。
5.如權利要求1~4中任一項所述的方法，其特徵在於:步驟I)中分泌胞外碳酸酐酶的芽孢桿菌屬細菌為枯草芽孢桿菌和蠟樣芽胞桿菌。
6.微生物胞外 碳酸酐酶在去除工業循環水中碳酸鈣垢的用途。
7.權利要求1~5任一項所述的方法在去除工業循環水中碳酸鈣垢的用途。
【文檔編號】C02F3/00GK104071890SQ201410298704
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2014年6月27日
【發明者】葉姜瑜, 李大榮, 石玉竹 申請人:重慶大學, 重慶融極環保工程有限公司