（环境工程专业论文）利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 一一 本人郑重声明 我恪守学术道德 崇尚严谨学风 所呈交的学位 论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除 文中已明确注明和引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容 论文为本人亲自撰写 我对 所写的内容负责 并完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 巧鹰 日期 少f 年f 声月 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允 许论文被查阅或借阅 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本版权书 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名 砺秀 日期 少fd 年 上月 日 指导教师签名 力i 1 严夕移 日期 刀 夕年 二月 日 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 摘要 细菌纤维素 b a c t e r i a lc e l l u l o s o 简称b c 是由微生物产生的一 类超纯纤维素 与天然植物纤维相比 具有更加优越的独特性能 其 应用范围涉及了食品 造纸 医学工程等多个领域 具有广阔的商业 前景 但是与生产植物纤维素的现代化工业相比 细菌纤维素的生物 研发工程进展滞后 存在产量低 成本昂贵的问题 本研究针对细菌 纤维素生产成本高 特别是培养基碳源成本较高的问题 拟开发出低 成本的培养基碳源 甲醇废水主要含有甲醇 水及少量其他有机物 主要存在于发酵 化工 农药 医药等行业的生产过程中 以木醋杆 菌 g l u c o n a c e t o b a c t e rx y l i n u s 为菌种 利用甲醇废水中有机物作为 碳源 制备细菌纤维素 不仅有效地降低了原材料的生产成本 同时 实现了废水的资源化 将木醋杆菌接入甲醇浓度逐渐升高的培养基中进行驯化 发现木 醋杆菌在甲醇浓度 4 5 体积比 时可以存活 在甲醇浓度 2 7 体积比 时可以产细菌纤维素 确定木醋杆菌对甲醇具有高耐受性 并产细菌纤维素 由此 在培养基中添加上述浓度的甲醇作为碳源 进行甲醇模拟废水培养基产细菌纤维素的可行性研究 随后采用实际 甲醇废水配制的培养基 通过比较纤维素产量和甲醇去除率 确定甲 醇废水培养基 酵母粉1 0 o g 碳酸钙2 0 o g 加入甲醇废水1 0 0 0 m l p h 调节至6 8 于3 0 c 1 8 0 r r a i n 1 动态发酵l o d 纤维素产量达到 t 最高为0 2 1g l 一 是葡萄糖培养基的7 0 对比分析甲醇废水发酵 前后水质j 甲醇浓度降低了6 5 出水c o d b o d 5 t o c 去除率达 1 0 以上 优于其他发酵方式 该过程的发酵产物 通过红外光谱分 析 发现都存在 o h c h 2 c h c o c c 等细菌纤维素典型基 团的吸收蜂 通过透射电镜和扫描电镜观测 持水性分析 热失重分 析 都表现出典型的纤维层状网络结构和良好的持水性 通过x 射 线衍射分析及核磁共振分析 纤维素特征峰与葡萄糖培养基相似 i 都 含有细菌纤维素的主要晶型一一纤维素i 型 但同时也含有大量的纤 维素n 型 从而导致结晶度低于葡萄糖培养基 关键词细菌纤维素木醋杆菌甲醇废水发酵 i i s t u d yo nb a c t e r i a i c e l 正i i o s ep r o d u c t i o nu s i n g m e t h a n o lw a s t e 给t e r b a c t e r i a lc e l l u l o s e c i sak i n do fu l t r ap u r ec e l l u l o s ew h i c hs y n t h e s i z e db y m i c r o o r g a n i s m s i th a sm o r ee x c e l l e n tu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c st h a nv e g e t a b l ec e l l u l o s ea n daw i d e a p p l i c 濉i o ni nf o o d p a p e r m a k i n g m e d i c i n ei n d u s t r i e se t c w h i c hi sam a t e r i a lw i t hg r e a tb u s i n e s s p r o s p e c t h o w e v e r c o m p a r e dw i t hv e g e t a b l ec e l l u l o s em a s sp r o d u c i n g r e s e a r c ho fb ci s u n d e r g o i n gd e v e l o p i n gw i t hp r o b l e mt ol o wy i e l da n dh i g hc o s t i no r d e rt ol o w e rt h eh i g hc o s t so f b cp r o d u c t i o n e s p e c i a l l yt h ec o s t so fc a r b o ns o u r c e s t h en e wl o w c o s tc a r b o ns o u r c e sw e r e d e v e l o p e d m e t h a n o lw a s t e w a t e ri nc h e m i c a le n g i n e e r i n g p e s t i c i d e m e d i c i n ea n do t h e ri n d u s t r y p r o c e s s e sc o n t a i n sm e t h a n o l w a t e ra n dl e s so t h e ro r g a n i c s i nt h i ss t u d y b cn a n o f i b e r sw i t h u n i q u ep r o p e r t i e sw e r es y n t h e s i z e db yg l u c o n a c e t o b a c t e rx y l i n u st h a t c o n s u m e do r g a n i c si n m e t h a n o lw a s t e w a t e r w h i c hn o to n l ye f f e c t i v e l yr e d u c e dt h ec o s to fr a wm a t e r i a l s b u ta l s om a d e a f t e rn a t u r a l i z i n gi nt h em e d i u mw h i c hm e t h a n o lc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dg r a d u a l l y g l u c o n a c e t o b a c t e rx y l i n u sc o u l dg r o wa n dp r o d u c eb cw i t hh i g ht o l e r a n c ef o rm e t h a n o l w h i c h f o u n dt h a tt h eb a c t e r i ac a ni i r ew h e nm e t h a n o lc o n c e n t r a t i o nl e s st h a n4 5 a n dp r o d u c e c e l l u l o s ew h e nm e t h a n o lc o n c e n t r a t i o nl e s st h a n2 7 t h e nt h ef e a s i b i l i t ys t u d yo np r o d u c t i o no f b cu s i n gm e t h a n o ls i m u l a t e dw a s t e w a t e rc u l t u r ea d d i n gm e t h a n o lm e n t i o n e da b o v ew a sc a r d e d o n a f t e r 廿l 她c o m p a r a t i o no ft h ey i e l do fb ca n dr e m o v a lr a t eo fm e t h a n o lu s i n gm e t h a n o l w a s t e w a t e rc u l t u r e s h o w e dt h a tt h ey i e l do fb ci nr o t a t e dc u l t u r ew h o s ep r e s c r i p t o nw a sw i t hp h 6 8 y e a s t1 0 咱c a l c i u mc a r b o n a t e2 0 唔m e t h a n o lw a s t e w a t e r1 0 0 0 m lw i t hc o n d i t i o no f3 0 c 1 8 0 r m i n 1f o r1 0d a y s w a st ot h em a x i m u mo f0 2 1g l w h i c hr e a c h e dt o7 0 o ft h a ti n g l u c o s em e d i u m a n a l y s i so nw a s t e w a t e rq u a l i t yb e f o r ea n da f t e rc u l t u r e d r e m o v a lr a t e o f m e t h a n o lr e d u c e dt o6 5 a n dr e m o v a lr a t eo fc o d b o d 5 t o cr e a c h e do v e rl0 w h i c hw a s b e t t e rt h a no t h e rf e r m e n t a t i o nm e t h o d s t h ep r o d u c tp r o d u c e db yg l u c o n a c e t o b a c t e rx y l i n u si n i i i m e t h a n o lw a s t e w a t e rm e d i aw a si d e n t i f i e db yf t l ra n a l y s i s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es t r u c t u r e w a si n c l u d i n g o h c h 2 c h c o c c e t c t h r o u g ho b s e r v a t i o no ft e ma n ds e m i n v e s t i g a t e db yw a t e rb i n d i n gc a p a c i t ya n dt q t h e ys h o w e dt h et y p i c a lc e l l u l o s es 1 3 u c t u r e f a b r i c a t e di n t ol a y e r b y q a y e rn e t w o r ka n df a v o u r a t ew a t e rb i n d i n gc a p a c i t y i n v e s t i g a t e db yx r d a n dn m l lc h a r a c t e r i s t i cp e a k sw h i c hw e r es i m i l a rw i t ht h a tp r o d u c e di ng l u c o s em e d i u m c o n t a i n e dm a i nc r y s t a lo fc e l l u l o s ei a n dc r y s t a lo fb c p r o d u c e di nm e t h a n o lw a s t e w a t e rm e d i u m c o n t a i n e dn o to n l yc e l l u l o s eib u ta l s oc e l l u l o s eh w h i c hc a u s e dt h ec r y s t a l l i n i t yl o w e rt h a nt h a t i ng l u c o s em e d i u m x i al u e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s e db yl 地丝幽g k e yw o r d sb a c t e r i a lc e l l u l o s e g l u c o n a c e t o b a c t e r x y l i n u s m e t h a n o lw a s t e w a t e r f e r m e n t a t i o n i v 目录 摘要 i a b s t r a c t 1 i i 目录 v l 绪 仑 9 1 1 细菌纤维素概况 9 1 1 1 细菌纤维素结构 9 1 1 2 细菌纤维素特点 1 0 1 1 3 细菌纤维素发酵生产 l1 1 1 4 环境工程中应用进展 1 3 1 2 甲醇废水及处理技术现况 1 4 1 2 1 甲醇废水来源 1 4 1 2 2 甲醇废水水质特点 1 4 1 2 3 甲醇危害 1 5 1 2 4 甲醇废水处理技术现状 1 5 1 1 3 研究目的和研究内容 1 9 1 3 1 课题来源 19 1 3 2 研究目的 1 9 1 3 3 研究内容 1 9 2 材料与方法 2 1 2 1 实验材料 2l 2 1 1 菌种及其来源 2 1 2 1 2 培养基 2l 2 1 3 试剂与仪器 2 1 2 2 研究方法 2 3 2 2 1 微生物学实验 2 3 2 2 2 生理生化实验 2 4 2 2 3 仪器分析 2 5 3 甲醇模拟废水产细菌纤维素发酵过程研究 3 0 3 1 发酵产细菌纤维素甲醇浓度影响研究 j 3 0 3 1 1 木醋杆菌菌体形态特征和培养特征 3 0 3 1 2 甲醇模拟废水培养基 3 3 3 1 3 甲醇浓度影响研究 3 3 3 2 甲醇模拟废水静态发酵过程分析 3 4 3 2 1p h 及o r p 值 3 4 3 2 2 菌浓 3 5 3 2 3 甲醇浓度 3 8 3 2 4 残糖浓度 3 9 3 2 5 细菌纤维素产量 一4 0 3 3 甲醇模拟废水动态发酵过程分析 4 1 v 3 3 1p i i 及o r p 值 4 l 3 3 2 菌浓 4 l 3 3 3 甲醇浓度 4 3 3 3 4 残糖浓度 4 3 3 3 5 细菌纤维素产量 4 4 3 4 甲醇模拟废水发酵动力学研究 4 4 3 4 1 生长曲线与发酵过程分析 4 4 3 4 2 菌体生长动力学模型 4 6 3 4 3 产物合成动力学模型 4 8 3 4 4 底物消耗动力学模型 5 0 3 5 j 结 5 3 4 甲醇废水产细菌纤维素发酵过程研究 5 5 4 1 甲醇废水水质分析 5 5 4 2 甲醇废水静态发酵过程分析 5 6 4 2 1p i i 及o r p 值 5 6 4 2 2 菌浓 5 7 4 2 3 甲醇浓度 5 8 4 2 4 残糖浓度 5 9 4 2 5 细菌纤维素产量 5 9 4 3 甲醇废水动态发酵过程分析 6 0 4 3 1p i i 及o r p 值 6 0 4 3 2 菌浓 6l 4 3 3 甲醇浓度 6 2 4 3 4 残糖浓度 一 6 2 4 3 5 细菌纤维素产量 6 3 4 4 发酵后甲醇废水水质分析 4 5 甲醇去除率及纤维素产量的比较 6 4 4 6d 结 6 5 5 细菌纤维素结构分析和性能表征 6 6 5 1 红外光谱分析 6 6 5 2 透射电子显微镜分析 6 9 5 2 1 滴样法 6 9 5 2 2 切片法 6 9 5 3 扫描屯子显微镜分析 7 0 5 3 1 纤维素未提纯观测 7 0 5 3 2 纤维素提纯后观测 71 5 4 持水性分析 7 2 5 5 热失重分析 7 3 5 6x 射线衍射分析 7 6 5 7 交叉极化 魔角旋转固体核磁共振分析 8 0 5 8d 结 8 3 6 结论 8 5 参考文献 8 7 发表论文情况 9 3 v l 致谢 9 4 v l l 原书为空白页 不缺内容 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 1 1 细菌纤维素概况 1 绪论 细菌纤维素 b a c t e r i a lc e l l u l o s e 简称b c 是由微生物合成的一种超微纯纤 维素 与自然界中的植物纤维素结构相似 但分子的高级结构和存在状态与植物 纤维素有着明显的区别 因此不仅拥有植物纤维素的优良性能 还具有纯度高 结晶度高 吸水性强 抗张强度好 生物适应性强等独特的理化性质和机械性能 细菌纤维素最早由a j b r o w n t l 于18 8 6 年发现 但一直未能得到广泛关注 直到2 0 世纪下半叶 随着对其研究的深入 细菌纤维素才逐渐引起人们更为广 泛的关注 随着分子生物学的逐步发展 细菌纤维素的生物合成机制已有了很深 刻的研究 同时也广泛的应用于食品 造纸 医学工程等领域 并逐步拓展至其 他方面 作为一种新型的生物可降解材料 为了实现无害化 减量化和资源化的 清洁生产目标 近年来细菌纤维素在环境工程中的应用也有了很大进展 1 1 1 细菌纤维素结构 细菌纤维素与植物纤维素的化学结构非常相似 都是由吡喃型葡萄糖单体 伊d 葡萄糖 通过声 1 4 糖苷键连接而形成的一种无分支 大分子直链聚合物 具 有 c d i i 0 0 5 的组成 直链间彼此平行 不呈螺旋构象 无分支结构 又称为伊l 4 葡聚糖1 2 1 如图1 1 所示 但细菌纤维素相邻的吡喃葡萄糖的6 个碳原子不在同 一平面上 而是呈稳定的椅状立体结构 如图1 2 所示 h 图1 1 伊1 4 葡聚糖链结构式 f i g 1 1s t r u c t u r a lf o r m u l ao f p 1 4 g l u c o s a nc h a i n 9 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 h l t o o h 扎 图1 2 细菌纤维素的椅式结构 f i g 1 2c h a i rf o r mo fb c 与高等植物细胞中的纤维素相比 细菌纤维素具有特殊的形态结构 3 它是 由独特的丝状纤维组成 每一丝状纤维由一定数量的微纤维组成 这些超细纤维 组成的一张超微纤维网 微纤维的大小与结晶度有关 一根典型的细菌纤维线 宽仅有o 1 m 而针叶木浆纤维的宽度至少有3 0 比m 即使棉花纤维的宽度也约为 1 5 比m 4 1 1 1 2 细菌纤维素特点 细菌纤维素与植物纤维素虽然化学组成相同 但在纤维素分子的高级结构和 存在状态上 有着明显的区别 因此除了具有吸水性 溶解性 耐热性 可及性 等纤维素的共有特点外 还具有独特的理化性质和机械性能f 5 j 1 纯度高细菌纤维不含半纤维素 木素和其他细胞壁成分 是1 0 0 的 纤维素 y a m a n a k a 等人 6 1 的研究表明 细菌纤维素的结晶度为9 5 植物纤维素 仅为6 5 同时细菌纤维素聚合度高达2 0 0 0 8 0 0 0 2 弹性模量大高达1 5 x 1 0 1 0 p a 7 为一般植物纤维素的数倍至十倍以上 并且抗张强度高 在造纸工业中己表现出广阔的应用前景 如增稠剂 高强度纸 张 高品质薄层印刷纸等发面的开发 贾士儒等人 s l 在苇浆中分别配加2 一0 4 0 的细菌纤维 裂断长分别提高了1 7 2 2 2 9 同时耐破指数分别提高 了8 8 5 8 纤维间结合力也明显增加 当细菌纤维添加量为4 0 时 耐 破度大幅上升 3 持水力高未经干燥的细菌纤维素的持水量 w r v 值高达1 0 0 0 以上 冷冻干燥后的持水能力仍超过6 0 0 1 9 1 经干燥后的细菌纤维素的持水值也比典 型的植物纤维棉绒纤维高7 0 4 形状可塑性强细菌纤维素是一类多糖聚合物 可以通过生物 化学或 物理的方法对其分子进行修饰 改变分子特性 从而更好的应用 yz w a n 等人 1 1 0 l 将细菌纤维素表面磷酸化 然后与羟基磷灰石混合 制成了有超微结构的改性 纤维素 经过s e m x r d f t i r t e m 扫描以后 分析此改性物质具备了更高 l o 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 的机械性能和可降解性能 5 生物相容性高已有多篇报道指出将细菌纤维素膜成功地应用于处理烧 伤 烫伤及皮肤移植和慢性皮肤溃疡等 1 1 1 最近的发现表明它还可以用作人造皮 肤 人造血管等新型材料 s w c h e n t l 2 等人将细菌纤维素制成的一种生物膜用 于处理伤口 与普通纱布比较7 d 一1 4 d 2 1 d 2 8 d 后 伤口恢复效果均优于后者 从而显示其在医学材料方面广阔的应用前景 6 生物降解性好细菌纤维素在自然界可直接降解 不污染环境 是环境 友好产品 i 引 在无纺布产品开发中的应用 使得纸尿布 一次性医疗防护服等废 弃物进行回收或降解的问题得以合理解决 1 1 3 细菌纤维素发酵生产 1 1 3 1 菌种的培养和扩大 且前己知能够合成纤维素的细菌有醋杆菌属伪c e t o b a c t e r 根瘤菌属 r h i z o b i u m l 八叠球菌属 s a r c i n a 假单杆菌属 p s e u d o m o n a s 无色杆菌属 a c h r o m b a c t e r 产碱菌属 a l c a l i g c n c s 气杆菌属 a e r o b a c t e r 固氮菌属 a z o t o b a c t e r 和土壤杆菌属 a g r o b a c t e r i u m 等9 属细菌中的某些种f 引 其中 木葡 糖酸醋杆菌 g 乜c d 玎岔f p f d 坛c 把 x y l i n u s 合成纤维素的能力最强 具有大规模发酵 生产的潜力 已成为研究纤维素合成 结晶过程和结构性质的典型菌株 对于木醋杆菌来说 其菌体的生长总是伴随着纤维素的合成 故培养溶液中 的菌体密度不是很高 菌苔中细胞也总是被纤维素所缠裹 因而在划线接种中采 用断续划线法 易于截取菌种 在液体培养中 以5 1 0 的接种量转接可达到 扩大培养的目的 1 i 3 2 发酵生产的影响因素 1 培养方式 细菌纤维素的培养方法有静态法和动态法 静态培养和搅拌培养所产生的纤 维素形态不同 在静态培养条件下 在培养基表面 气 液交界面 处产生一厚的 凝胶化膜 当培养基表面积一定时 随液层厚度的增加 溶氧能力越来越小 抑 制了木醋杆菌继续生产纤维素 而在搅拌培养条件下 木醋杆菌发酵生成的纤维 素由于摇动产生的剪切力不会形成片状膜而是成团状 静态法和动态法培养的细 菌纤维素的性能比较结果见表1 1 f 2 j 表1 1 静态法和动态法发酵产出细菌纤维素的比较 t a b l el c o m p a r i s i o no fb cp r o d u c t i o nb e t w e e ns t a t i ca n dr o t a t e df e r m e n t i a t i o n 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 聚合度 发酵时间 生物量 氧的影响 持水性 乳化性 受剪切力的影响 微纤维直径 高 1 0 1 4 d 相对较小 对氧不敏感 低 强 小 0 01 0 0 5 p m 偏低 7 d 左右 相对较大 对氧敏感 高 较强 大 o 0 5 o 1 a n 静态培养产生的细菌纤维素膜和动态培养产生的分散的细菌纤维素在化学 性质上完全相同 但在微观结构上有些差异 因此动态法产生的纤维素有较高的 持水能力 在分散的悬浮液中有较高的黏度 崔思颖等人 l5 的研究表明 动态培 养的细菌纤维素吸水性比静态培养高1 0 2 培养基 1 碳源 早期的文献曾报道醋杆菌属的细菌能利用淀粉 糊精 以及常见的单糖 双 糖 还有糖醇类 醇类以及有些有机酸等多种不同有机化合物作为合成纤维素的 碳素来源 但实际上除常见的己糖 蔗糖外 其他的碳源合成纤维素的产量都很 低 且山梨醇 甘露糖 纤维二糖 赤藻糖醇 酒精和乙酸盐等作碳源时不能形 成膜状纤维素 l6 随着大规模生产实践的进行 利用廉价易得的碳源进行发酵生产是是改良细 菌纤维素生产的有效途径之一 苟金霞等 1 7 在细菌纤维素培养基中加入乙醇的研 究发现 含乙醇发酵液的菌浓是不含乙醇的1 0 0 倍 说明乙醇在菌体繁殖的过程 中主要起到了能源的作用 发酵培养8 d 后 含乙醇发酵液的纤维素膜产量比不 含乙醇的提高了3 3 蔗糖残糖量却减少 说明乙醇能使菌体更好的利用蔗糖进 行繁殖 得到大量的积累 最终使纤维素产量提高 2 氮源 每一种纤维素产生菌的生长都需要提供特定的氮源 以满足繁殖菌体对核苷 酸 氨基酸 维生素等的需要 h e s t r i n 和s c h r a m m 创建了h s 培养基 并认为细 菌纤维素合成的最佳氮源是酵母提取物和蛋白胨 1 3 1 后来人们发现酵母提取物和 蛋白胨这类较昂贵的氮源可以用玉米浆甚至白菜汁取代 如张风清等 1 9 1 研究了玉 米浆代替酵母膏生产细菌纤维素 发现纤维素产量比使用1 5 酵母膏或蛋白胨作 氮源的纤维素提高了2 3 倍 考虑到成本和有机氮源的臭味和胺类化合物残留的问题 也有研究指出将无 机氮取代有机氮 刘四新等 2 0 在含椰子水的发酵培养基中使用无机氮源 通过与 尿素等无机氮的差异 发现利用无机氮合成的纤维素比较好 3 其他营养物质的影响 除了碳源 氮源等主要营养成分以外 还有一些其他物质也有利于细菌纤维 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 素的发酵生产 王瑞明等 2 l 发现在木醋杆菌静置培养生产细菌纤维素的过程中加 入醋酸等有机酸有利于提高纤维素的产量 因为有机酸能够迅速氧化 提供给菌 体较多的能量 从而节约了底物原料 还有一些文献指出 咖啡因 纤维素酶 烟酸等物质也能提高纤维素产量 这些成分的作用有些机理不明 有些已有推测 或验证i 引 3 培养条件 1 初始p h 值 通过分析p h 值对木醋杆菌产纤维素的产量及性质的影响发现 最适p h 值 随着菌株的不同而不同 通常在4 7 之间变化 以葡萄糖为碳源为例 在发酵过 程中葡萄糖转化为葡萄糖酸和其他一些酸性物质 使发酵液p h 值下降 这将抑 制细菌纤维素的产生 所以在发酵过程中最好用缓冲溶液来控制p h 值在4 7 张继东的研究表明木醋杆菌 a c e t o b a c t e r x y l i n u m 1 1 8 1 2 发酵产纤维素的初始 p h 值为6 8 时纤维素的产量最高 2 2 1 2 培养温度 在微生物发酵培养中 培养温度是影响微生物生长繁殖和最终产物形成的最 重要原因之一 因为任何生物化学的酶促反应都直接与温度变化有关 培养温度 不宜过高 否则会抑制木醋杆菌的发酵合成 一般为2 0 3 0 3 培养时间 培养时间对菌种生长也有一定影响 随着培养时间的变化 纤维素产量会随 之而变化 一般根据不同菌株的生长曲线来控制一定的发酵时间 选择达到最大 生产效率的发酵温度和时间进行扩大生产 1 1 4 环境工程中应用进展 1 1 4 1 重金属离子的吸附去除 去除重金属的方法有很多 包括 沉淀 离子交换 絮凝 上浮 吸附 氧 化 反渗透1 2 3 2 4 其中 吸附法是一种较为高效 经济的处理重金属离子废水的 方法 2 5 1 而开发低投入 高效率的新型环保吸附剂也成为适应经济社会发展的方 向之一 纤维素及其改性物质已被广泛的应用于吸附重金属离子 2 6 2 7 细菌纤维 素由于独特的超细纤维结构 具有比植物纤维素更强的亲水性 黏稠性和稳定性 同时由于其分子内存在大量的亲水性基团 使其具有强吸水和持水保湿能力 近年来 应用细菌纤维素吸附去除废水中的重金属离子已有诸多报道 2 8 3 0 b r e v a n s 等 3 1 1 就发现细菌纤维素膜能够催化溶液中的钯离子发生置换反应 使 钯离子沉积到膜表面 对于溶液中的银离子和金离子具有同样的效果 艾亚菲 3 2 指出椰果纤维素对于电镀废水中的c a 具有良好的吸附效果 其超细粉体的粒度 大小对其吸附c u 2 的影响很大 粒度越小 对c u 2 的吸附作用便越明显 溶液的 利用甲醇废水制备绌菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 p h 值从4 o 上升到6 0 平衡吸附量明显增加 但在高p h 值时 平衡吸附量随p h 值增加变得缓慢 增加吸附溶液的初始浓度和少量钾离子的加入都有利于提高平 衡吸附量 而且该细菌纤维素对c u 2 的吸附符合l a n g m u i r 模型 其最大吸附量 可达到4 5 8 m g g 1 1 4 2 难降解污染物的降解去除 五氯苯酚 p c p 是一种持久性有机污染物 因其致癌性已被美国环保局列为 首要污染物之一 3 4 将零价金属或双金属涂于钯表面制成的反应器 可以较有效 且快速地去除氯酚 3 5 3 6 1 细菌纤维素因其特殊的微纤丝结构涂布于一种旋转催化 反应器的叶片表面 作为固定钯的载体物质 可以有效催化去除氯酚的反应 1 1 4 3 新型环保材料的研制开发 细菌纤维素具有较高的生物相容性 适应性和良好的生物可降解性 在自然 界中可直接降解 3 7 3 8 因此 细菌纤维素作为生物材料 由此获得的薄膜强度高 可生物降解的材料 可大大减少合成高分子薄膜对环境造成的严重 白色污染 能够满足当今开发绿色能源的的需要 王敏等p 圳以细菌纤维素为原料 氯化锂 l i c l 二甲基乙酰胺 d m a c 为溶剂 通过相转化法制备了细菌纤维素膜 在一定范围内 随着制膜液中细菌纤维素浓 度的增加 凝固浴温度的降低和凝固浴浓度的增大 膜的拉伸强度和伸长率均提 高 随着甘油浓度的增大和塑化时间的延长 膜的拉伸强度逐渐减小 伸长率逐 渐增大 并且经扫描电镜观察膜的断面呈一定的片层结构 几乎没有孔洞 表面 光滑均匀 非常致密 为均相结构 可见力学性能优良 由于细菌纤维素持水性 和透水 透气性好 l k p a n d e y 等1 4 0 用细菌纤维素膜将溶于水中的二元有机混 合物在蒸发过程中与水分离 以便于有机物的回收利用 阻止了有机物随水排入 环境中造成污染 充分显示了纤维素膜的环境友好性 而且分离过程的能耗也很 低 相比p v a 膜3 6 k j m o l 1j 聚醚酰亚胺膜2 2k j m o l 乳液聚合物18k j m o l 细菌纤维素膜仅为10 k j m o t l 1 2 甲醇废水及处理技术现况 1 2 1 甲醇废水来源 在甲醇生产过程中 由精镏塔底排出的约为甲醇产量2 0 甚至更高比例 的蒸馏残液 通常称为甲醇废水 4 1 2 2 甲醇废水水质特点 甲醇废水属高浓度有机废水 c o d 和b o d 5 一般为8 0 0 0 2 0 0 0 0 m g l 和 5 0 0 0 1 0 0 0 0 m g l j 其b o d 5 c o d 较高 具有强烈的刺激性气味 主要成分为甲 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 醇 乙醇 高级醇及醛类 还含有一些长链化合物 当废水冷却时以有色蜡状物 析出 4 2 目前 国内甲醇精馏主塔塔底排放的废水一般含甲醇1 左右 部分达到2 以上 4 3 以年产5 0 k t 甲醇的工厂为例 每年有1 2 1 3 千吨废水排放 以含甲醇 1 计 每年损失1 2 0 1 3 0 吨甲醇 不仅造成了甲醇的损失 更重要的是严重污 染了环境 1 2 3 甲醇危害 1 2 3 1 对人体的危害 甲醇是一种强烈的神经毒物 具有显著地麻醉作用脚 它是一种强烈的神经 和血管毒性物质 可经过人体呼吸道 肠胃道和皮肤吸收而导致中毒 另一方面 甲醇在水和血液中具有很高的溶解度 进入人体后在体内各组织中的含量与各组 织的含水量成正比 所以在脑脊液 眼房水和玻璃体内的浓度较血液内为高 从 而导致脑水肿 脑膜出血 肺充血 水肿等症状的出现 最后造成失明或死亡 1 2 3 2 对环境的影响 美国甲醇研究院根据甲醇的物理化学特性 仔细分析了大规模使用甲醇时 对周围环境 如地表水 地下水和空气等的影响 4 5 1 甲醇易溶于水 对水生生物 有弱毒性 有文献报道 浓度大于8 0 0 m g l o 时能导致水生生物的死亡 影响河 流湖泊的生态平衡 4 6 进入土壤中的甲醇会很快稀释然后发生生物降解 甲醇属 挥发性有机物质 v o c 其蒸汽与空气形成的爆炸性混合物爆炸极限为 6 0 6 5 在空气中还可以和其他挥发性有机物质形成光化学烟雾 半衰期为 3 3 0 d 1 2 4 甲醇废水处理技术现状 目前 国内外常见的甲醇废水的处理方法有 物化处理法 化学处理法 生 物处理法等1 4 7 1 从己建成的甲醇污水处理装置及运行情况来看 以生物化学法处 理甲醇废水居多 占据主导地位 其次是用物理分离 热力学 方法 如高温汽 化法 汽提等方法 处理甲醇废水也较为有效 还有一些化学工艺 如湿式氧 化法和电解氧化法等 在一定条件下也可以取得较好的处理效果 1 2 4 1 物化法 一 蒸馏法 根据醇类物质沸点低即甲醇不与水形成恒沸混合体系的物理特性 通过加热 分馏的方式可以将废水中的气态甲醇抽提出来 该法适用于小流量高浓度甲醇废 水处理 酚醛树脂生产废水中甲醇质量分数为2 加热至9 0 9 5 c 时 甲醇回 收率可达8 1 0 2 造纸含甲醇废水 生产水杨酸的甲醇 水母液均可采用该法 利用甲醇废水制各绌荫纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 回收甲醇 4 引 蒸馏法处理优势在于易于设备化 操作简单 维护简便 缺点在于 高温或高压蒸汽下进行 耗能较高 仅适于甲醇含量较高的小流量废水 针对该 法需要加热耗能较高的不足 可进行以下改进 1 膜蒸馏法 膜蒸馏技术的研究由m e f i n d l e y 4 9 1 于2 0 世纪6 0 年代提出 近2 0 年来 这一技术研究取得了巨大的进步 5 0 刘金生等 5 l 采用该法对油田联合站质量浓度 为1 0 m g m l 的甲醇废水进行处理 处理后甲醇废水质量浓度可降至 o 0 3 m g m l 其工况为 甲醇废水温度为4 5 c 载液温度2 0 c 两侧流量为1 1 5 m l m i n 膜通量为4 5 x1 0 2 k g m 2h 1 i 2 气化法 即蒸馏 焚烧联用技术 气化法在国外应用比较广泛 在国内主要应用于化肥 生产企业 利用化肥生产中较为普遍的废热锅炉为热源 气化废水中的低沸点有 机物 然后输入人造气炉用于制造原料气 达到废水处理与甲醇资源化的双重目 的 其工艺流程如图1 3 所示i 5 2 1 臣习 匣一 图l 3 气提法工艺流程 f i g 1 3t h ep r o c e s so f a i rs t r i p p i n g 气化法可实现甲醇的资源化 同时可节约其他燃料或助燃剂的使用 但其处 理过程中存在以下问题 甲醇废水对设备中碳钢材质容器造成腐蚀 污染造 气炉洗气塔循环水 即c o d 增加 甲醇废水中存在乙醇 丙醇等其他组分 引起造气气体质量不稳定 造成定期排放废热锅炉水甲醇污染 二 吸附法 吸附法是利用铝酸盐 硅酸盐等吸附剂吸附甲醇 从而降低废水中的含量 主要用于低浓度甲醇废水的处理 周雪飞 5 3 1 将铝酸盐 硅酸盐和碱土金属盐溶 液混合 得到m m 1 0 m m 2 0 2 m a 1 2 0 3 o 5 10 i f 1 1 的物质 其中m 1 和 m 2 表示金属离子 该物质可作为甲醇的吸附剂 其吸附性能优于活性炭 三 焚烧法 焚烧法对甲醇废水进行高温氧化 使有机物转化为无害小分子 但焚烧需要 消耗大量的燃料 且一次性投资较大 处理成本高 为克服上述技术缺点 通常 与蒸馏法联用 即气提法 1 2 4 2 化学法 一 化学 催化 氧化法 1 6 利用甲醇废水制备绌菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 化学氧化法是指在常温常压下用强氧化剂或在高温高压下采用氧气等将废 水中的有机物氧化直至矿化 甲醇废水中产用的氧化剂包括臭氧 氯系氧化剂等 以臭氧处理甲醇废水为例 其中间产物是甲醛 最终产物是c 0 2 氧化处理过程 中以a 1 2 0 3 s i 0 2 为催化剂 甲醇去除率可达8 5 将甲醇废水与次氯酸钾溶液混 合后 通过凝胶型s i 0 2 也可起到催化作用 获得较好的处理效果 该方法适于高浓度 小流量甲醇废水处理 二 湿式氧化法 湿式氧化技术 w 色ta i ro x i d a t i o n w a o 属于高级氧化技术的一种 是2 0 世纪初发展起来的一种重要的处理有毒有害 高浓度有机废水的有效处理方法 该技术是在高温 1 2 0 c 3 2 0 c 和高压 0 5 m p a 1 0 m p a 条件下 以空气 中的氧气或其他试剂为氧化剂 在液相中将有机污染物氧化为c 0 2 和水等无机物 或小分子有机物的化学过程 经检测 质量浓度为5 0 0 0 m g l 的甲醇废水经该处 理后 甲醇去除率为7 6 8 t 4 7 1 该方法适于高浓度甲醇废水处理 三 电化学氧化法 电化学氧化技术借助具有电催化活性的阳极材料 能有效形成氧化能力极强 的羟基自由基 o h 既能使持久性有机污染物发生分解并转化为无毒性的可生 化降解物质 又可将之完全矿化 5 5 1 尿素树脂废水采用该法处理 在添加1 m o l 的氢氧化钠 p b 0 2 阳极 电流密度为o 1 9 4 2 2 a c m 之 电解时间3 h 的工况下废 水中的甲醇能够全部分解 该方法仅适于低浓度甲醇废水处理 目前单独的电化学技术工业应用还具有 一定的局限性 1 2 4 3 生物法 一 常规生化法 目前 己建成的甲醇废水处理装置以生化法为主 一方面 高浓度甲醇废水 b o d d c o d 较高 可生化性较高 适用于生化法处理 另一方法 甲醇对水生微 生物有弱毒性 一般认为质量浓度为7 9 0 m g l 1 的甲醇可使生物滤池中有机物的 分解效果减弱 而质量浓度为5 0 0 0 r a g l 一的甲醇可抑制消化池中污泥的消化 因 此需要针对甲醇废水不同的来源与水质特点 选择合适的生化处理工艺 常规生 化法包括好氧生物处理和厌氧生物处理 如表1 2 所示 表1 2 甲醇废水生化处理好氧法与厌氧法技术 部分 比较 t a b l e1 2t h ec o r n p a r i s o no fa e r o b i ca n da n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fm e t h a n o l w a s t e w a t e r 主要好氧法 工艺 序批式活性污泥法 厌氧法 好氧生物流化床上流式厌氧污泥床厌氧序批式活性污 利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 废水某甲醇和二甲醚生 来源产废液 甲醇4 0 0 m g l 1 适用 c o d 7 0 0 8 0 0 m g l 水质 某石化公司化肥 厂废水 c o d l5 0 0 3 0 0 0 0 m g r l l 还仃 运行周期6 7 h废水流量7 t h 1 工况 需投加氮 磷药剂 动力消耗大 处 技术理成本高 某些 或引入生活污水 特点工艺实践出现出 保证营养平衡 水悬浮物高现象 处理 良好 效果 石化企业甲醇与其 他醇类或有机物混 合废水 c o d15 0 0 0 4 5 0 0 0 m g l 1 容积负荷8 2 3 6 k g m 3 d 1 污泥负荷 0 5 1 0 9 8 k g k g d 1 以甲醇 甲烷转化 途径为主 各有机 组分的降解之间存 在相互影响 c o d 3 0 0 0 3 0 0 0 0 m g l l 容积负荷 9 0 c o d 去除率 6 5 出水c o d 1 0 0c o d 去除率 9 0 甲醇去除率9 9 m g l 二 生物强化技术 1 硝酸盐还原处理技术 污水生物脱氮过程的反硝化作用中 厌氧条件下 反硝化菌需要以有机碳为 电子供体 p u r t s c h e r t 等弩l 将甲醇废水作为碳源引入瑞士劢r i c h w e r d h i l l z l i 污水 处理厂中 用以提高总氮的去处效果 同时实现甲醇废水的处理 2 固定化细胞技术 利用固定化细胞技术 将筛选得到的可代谢甲醇高效菌种固定在颗粒活性炭 上 用于含甲醇废水的处理 朱文芳等 6 2 应用该技术处理大庆石化总厂化肥厂生 产过程中排放大量的尿素水解水和工艺冷凝液 p h 在7 8 5 h r t 为3 2 m i n 水 温在2 5 3 5 c 甲醇质量浓度保持在2 5 3 5 m g l 1 等条件下 以甲醇为主的c o d 去除率可达7 0 以上 1 2 4 4 废水资源化利用 作为一种生物可降解的天然纤维素 细菌纤维素应用范围几乎涉及了食品 造纸 医药等每一工业领域 并且有了一定的商业化发展 由微生物生产的细菌 纤维素 存在产量低吼价格昂贵的问题 因此利用代谢工程手段筛选出低成本高 效产细菌纤维素 适合不同应用领域的菌株是今后研究的重要内容 甲醇废水资 利用甲醇废水制备细荫纤维素的研究 东华大学硕士学位论文 源化产细菌纤维素也成为一条值得探索的绿色制造途径 文献报道 邵伟等f 3 3 6 3 6 4 埽i j 用甲醇作为巴氏醋酸杆菌的碳源生产细菌纤维素 培养9 6 h 后 废水中的甲醇质量分数从3 1 降至0 1 2 转化率达9 6 以废水 中的甲醇替代葡萄糖等作为碳源制备细菌纤维素 不仅解决了环境污染的问题