專利名稱：復(fù)合型生物絮凝劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物絮凝劑。
背景技術(shù)：
生物絮凝劑(Bioflocculant，簡(jiǎn)稱BF)是一類由生物產(chǎn)生的，主要是通過微生物發(fā)酵而得的，可使液體中不易降解的固體懸浮顆粒、菌體細(xì)胞及膠體粒子等凝聚、沉淀的特殊高分子物質(zhì)，利用生物技術(shù)，經(jīng)過分離、提取得到的新型絮凝劑，具有生物降解性和安全性。它是一種新型、高效、無毒、無二次污染的水處理劑，對(duì)人類的健康和環(huán)境保護(hù)都具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。生物絮凝劑是典型的綠色水處理劑，它適應(yīng)當(dāng)代可持續(xù)發(fā)展的要求，代表了絮凝劑研發(fā)的重要方向之一。
目前，生物絮凝劑研究多處于實(shí)驗(yàn)室水平，主要集中在產(chǎn)絮菌種的篩選、理化性質(zhì)分析及其產(chǎn)生絮凝劑的絮凝性能研究。生物絮凝劑發(fā)酵成本高是限制生物絮凝劑的工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題。
生物絮凝劑的制備多利用糖或者農(nóng)副產(chǎn)品作為生產(chǎn)原料，按照食品發(fā)酵和生物制藥的思路進(jìn)行研發(fā)，即采用單一菌種和高價(jià)值的培養(yǎng)基，成本偏高，且生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化率和利用率較低，制約了生物絮凝劑工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用。該瓶頸問題的解決需要從兩個(gè)方面入手一是積極尋找廉價(jià)的原材料，大幅度降低生產(chǎn)成本；二是針對(duì)生物絮凝劑的理化性質(zhì)和用途，選擇合理的工業(yè)化提取工藝和使用方法，大幅度降低生產(chǎn)成本及制水成本。表1所示為文獻(xiàn)報(bào)道部分生物絮凝劑的分子量與結(jié)構(gòu)特性。
表1 部分生物絮凝劑組成、分子量與結(jié)構(gòu)特性


發(fā)明內(nèi)容為了解決采用單一菌種和高價(jià)值的培養(yǎng)基，成本偏高，且生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化率和利用率較低，制約生物絮凝劑工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用的問題，本發(fā)明提供一種復(fù)合型生物絮凝劑。
本發(fā)明的復(fù)合型生物絮凝劑固體中含有的主要成份(質(zhì)量比)秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w3％～5％、菌體細(xì)胞及其溶出物10％～15％、細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)80％～87％，其中細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)是復(fù)合型生物絮凝劑的絮凝活性成分。
本發(fā)明的復(fù)合型生物絮凝劑的絮凝機(jī)理具有復(fù)合型特點(diǎn)，包括秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、菌體細(xì)胞及其分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)，這是由其主要成分復(fù)合型所決定的。本發(fā)明的復(fù)合型生物絮凝劑絮凝活性成分主要是細(xì)菌的胞外分泌物，具有良好的熱穩(wěn)定性，它為乳白色微黃無定形物質(zhì)，含少量色素，其中，總糖占95.5％；蛋白質(zhì)含量占4.16％。復(fù)合型生物絮凝劑絮凝活性成分中既含有蛋白質(zhì)的特征基團(tuán)氨基(或酰氨基)，又含有糖的特征基團(tuán)羧基和羥基，是分子量差距極大的多組分混合物，其中Mnt＝85995Da，Mwt＝620100Da，Mwt/Mnt＝72.114，最高分子量Mmax＞2×107Da。
本發(fā)明復(fù)合型生物絮凝劑的技術(shù)特點(diǎn)及其創(chuàng)新性集中體現(xiàn)在以下3個(gè)“復(fù)合型”的特點(diǎn)(1)發(fā)酵工藝復(fù)合型復(fù)合型生物絮凝劑采用混合菌種，進(jìn)行二步發(fā)酵生產(chǎn)，具有發(fā)酵工藝復(fù)合型的特點(diǎn)。纖維素降解菌的篩選及其菌群的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了糖化段的高效、便捷；產(chǎn)絮菌群篩選和構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)生物絮凝劑生產(chǎn)的高效、穩(wěn)定；二者有機(jī)耦聯(lián)，工藝流程簡(jiǎn)便、高效。
(2)主要成分復(fù)合型復(fù)合型生物絮凝劑主要成分具有復(fù)合型特點(diǎn)，包括產(chǎn)絮菌株分泌的胞外分泌物、纖維素降解菌和產(chǎn)絮菌菌體及其自溶溶出物、纖維素殘?bào)w等。其中，既含有低分子物質(zhì)如纖維二糖，又含有高分子物質(zhì)如胞外多糖、菌體蛋白等。
(3)絮凝機(jī)理復(fù)合型復(fù)合型生物絮凝劑的絮凝機(jī)理具有復(fù)合型特點(diǎn)，包括秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、菌體細(xì)胞及其分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)，這是由其主要成分復(fù)合型所決定的。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)(1)復(fù)合型生物絮凝劑是微生物在生長(zhǎng)過程中分泌的存在于培養(yǎng)液的聚合物，保證了多糖具有較好的水溶性。微生物利用發(fā)酵液中的營(yíng)養(yǎng)成分，在各種酶的作用下，合成大分子絮凝劑，然后排出體外。微生物的作用相當(dāng)于酶催化化學(xué)反應(yīng)，把簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)化成化學(xué)反應(yīng)難以得到的高分子物質(zhì)。復(fù)合型生物絮凝劑絮凝活性成分的Mmax＞2×107Da，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般天然多糖類絮凝劑，因而其絮凝性能優(yōu)異，即利用微生物自身的反應(yīng)合成具有有利于絮凝的極性基團(tuán)，而且分子量能高達(dá)數(shù)千萬的理想絮凝劑，克服天然絮凝劑的缺陷，是完全可以實(shí)現(xiàn)的。
(2)高分子量部分含量低，而低分子量部分含量高。分子量低的部分，首先將懸浮顆粒捕獲，形成微絮體，然后再由分子量高的部分，將微絮體結(jié)合成粗大的絮狀物而沉淀下來。
(3)復(fù)合型生物絮凝劑絮凝活性成分是分子量不均一性的兩性高分子，絮凝作用機(jī)理多樣化。在不同的水質(zhì)條件下，分別發(fā)揮電荷中和、吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃的作用機(jī)理，并實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，具有水處理適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)，有一定的抗水質(zhì)變化能力，可有效預(yù)防“反混”。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的復(fù)合型生物絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由3％～5％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、10％～15％菌體細(xì)胞及其溶出物、80％～87％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。
其獲得方法參見ZL200410043861.4，即a、采用秸稈等纖維素類生物質(zhì)材料為原材料，使用物理—化學(xué)聯(lián)用的方法進(jìn)行預(yù)處理，以提高后續(xù)發(fā)酵階段纖維素的降解率，即①先將原料機(jī)械粉碎，②再用脫木化學(xué)試劑處理，③處理后再用蒸汽蒸爆，進(jìn)一步打破纖維素分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和保護(hù)層，使材料變得蓬松；b、配制培養(yǎng)液，其中原料占培養(yǎng)液質(zhì)量體積比的1～5％，同時(shí)向其中添加無機(jī)鹽，以滿足微生物發(fā)酵的營(yíng)養(yǎng)要求，用NaOH調(diào)節(jié)pH值至7.2～7.5后經(jīng)滅菌處理備用；c、第一段發(fā)酵單元為纖維素糖化段，在上述培養(yǎng)液中投加纖維素降解菌，將纖維素轉(zhuǎn)化為細(xì)菌易于利用的葡萄糖和纖維二糖，完成纖維素的高效糖化過程，控制接菌量為2～6％、發(fā)酵溫度為30～50℃、發(fā)酵時(shí)間為70～80h、供氣量為60～80％、轉(zhuǎn)速為300～350r/min，完成第一段發(fā)酵；d、第二段發(fā)酵單元為絮凝劑產(chǎn)生菌產(chǎn)絮段，即利用糖化液制取生物絮凝劑段，在第一段發(fā)酵結(jié)束后投加絮凝劑產(chǎn)生菌，生成復(fù)合型生物絮凝劑，控制接菌量為4～6％、發(fā)酵溫度為25～40℃、發(fā)酵時(shí)間為24～30h、供氣量為50～70％、轉(zhuǎn)速為300～350r/min。所述無機(jī)鹽由下述成分組成0.5～5g/L KH2PO4、0.1～1g/LMgSO4·7H2O、0.1g/L NaCl、0.01～0.05g/L FeCl3、1.0～5g/L NaNO3。所述纖維素降解菌為木糖氧化產(chǎn)堿菌Achromobacter xylosoxidans sp.或糞產(chǎn)堿菌Alcaligenes faecalis sp.；所述絮凝劑產(chǎn)生菌為微球菌屬M(fèi)icrococcus sp.或芽孢桿菌屬Bacillus sp.。采用ZL200410043861.4方法，可以有效降低生產(chǎn)成本15～20％。
本實(shí)施方式的復(fù)合型生物絮凝劑按應(yīng)用分為飲用水處理用、污水處理用(工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)污水、生活污水、景觀水及水體修復(fù))。復(fù)合型生物絮凝劑按類型分為無機(jī)復(fù)合型生物絮凝劑和有機(jī)復(fù)合型生物絮凝劑，按組織狀態(tài)分為固體、半固體、液體、濃縮液，其技術(shù)要求完全符合Q/HYS001-2005的要求。其中1、無機(jī)復(fù)合型生物絮凝劑是以微生物經(jīng)液體發(fā)酵產(chǎn)物(秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、菌體細(xì)胞及其溶出物、細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì))為主，添加三氯化鋁、氯化鈣、硫酸鋁、三氯化鐵、聚合氯化鋁或聚合硫酸鐵為助凝劑的產(chǎn)品。
2、有機(jī)復(fù)合型生物絮凝劑是以微生物經(jīng)液體發(fā)酵產(chǎn)物(秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、菌體細(xì)胞及其溶出物、細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì))為主，添加聚丙烯酰胺、淀粉或纖維素為助凝劑的產(chǎn)品。
復(fù)合型生物絮凝劑是分子量差距極大的多組分混合物，且絮凝活性成分的Mmax＞2×107Da，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般天然多糖類絮凝劑，絮凝作用機(jī)理多樣化。無機(jī)復(fù)合型生物絮凝劑和有機(jī)復(fù)合型生物絮凝劑使用有效降低制水成本，且可根據(jù)應(yīng)用水體的水質(zhì)狀況進(jìn)行靈活使用。
具體實(shí)施例方式
二本實(shí)施方式的復(fù)合型生物絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由3％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、10％菌體細(xì)胞及其溶出物、87％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。
具體實(shí)施例方式
三本實(shí)施方式的復(fù)合型生物絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由5％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、15％菌體細(xì)胞及其溶出物、80％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。
具體實(shí)施例方式
四本實(shí)施方式的復(fù)合型生物絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由4％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、12％菌體細(xì)胞及其溶出物、84％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。其水處理絮凝單元處理效能見表2。
表2

權(quán)利要求
1.復(fù)合型生物絮凝劑，其特征在于所述絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由3％～5％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、10％～15％菌體細(xì)胞及其溶出物、80％～87％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型生物絮凝劑，其特征在于所述絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由3％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、10％菌體細(xì)胞及其溶出物、87％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型生物絮凝劑，其特征在于所述絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由5％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、15％菌體細(xì)胞及其溶出物、80％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型生物絮凝劑，其特征在于所述絮凝劑按照質(zhì)量百分比計(jì)由4％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、12％菌體細(xì)胞及其溶出物、84％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。
全文摘要
復(fù)合型生物絮凝劑，涉及一種生物絮凝劑。為了解決采用單一菌種和高價(jià)值的培養(yǎng)基，成本偏高，且生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化率和利用率較低，制約生物絮凝劑工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用的問題，本發(fā)明的復(fù)合型生物絮凝劑，按照質(zhì)量百分比計(jì)由3％～5％秸稈類纖維素發(fā)酵殘?bào)w、10％～15％菌體細(xì)胞及其溶出物、80％～87％細(xì)菌分泌的高分子絮凝活性物質(zhì)組成。復(fù)合型生物絮凝劑絮凝活性成分的Mmax＞2×10
文檔編號(hào)C02F1/52GK1911825SQ200610010369
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月4日
發(fā)明者馬放, 朱艷彬, 任南琪, 楊基先 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)