纤维素酶预处理啤酒糟对亚甲基蓝的吸附研究

题目纤维素酶预处理啤酒糟对亚甲基蓝的吸附研究Adsorption

of

methylene

blue

on

brewer’sgrains

pretreated

with

cellulase

摘要：啤酒糟是啤酒企业生产过程中最主要的副产物，本文以此为原料，对各种吸附条件对亚甲基蓝吸附的影响进行了研究。啤酒糟对于亚甲基蓝吸附能力大小为未处理>纤维素酶处理，在啤酒糟用量>0.15g时，啤酒糟用量继续提高对于吸附量的改变影响不显著；吸附90min后达到吸附平衡，继续延长吸附时间对于亚甲基蓝的去除无显著影响；温度的升高，两种的啤酒糟对于亚甲基蓝的吸附都发生了不同程度的上升。关键词：纤维素酶，预处理，啤酒糟，亚甲基蓝，吸附

Abstract:Beergrainsarethemainby-productsintheproductionprocessofbeerenterprises.Inthispaper,theeffectsofvariousadsorptionconditionsontheadsorptionofMethylenebluewerestudied.TheadsorptioncapacityofbeergrainsonMethylenebluewasthesameasthatofuntreated>cellulosetreated.Whentheamountofbeergrains>0.15g,theamountofbeerleescontinuedtoincreaseandthechangeofadsorptioncapacitywasnotsignificant.Theadsorptionequilibriumwasreachedafter90min,andtheremovalofMethylenebluewasnotsignificantlyaffectedbyextendingthesdsorptiontime.Withtheincreaseoftemperature,theadsorptionofMethyleneblueforthetwokindsofbrewer’sgrainsincreasedindifferentdegrees.Keywords:cellulose;pretreatment;Beerlees;Methyleneblue;adsorption

目录1.前言 71.1研究背景、研究目的和意义 71.1.1研究背景 71.1.2研究目的和意义 81.2研究路线及创新之处 81.2.1研究路线 81.2.2研究的创新点 82．实验材料与方法 92.1材料 92.1.1原料 92.1.2药品 92.1.3实验设备 92.2试剂配制方法 92.3啤酒糟制备方法 92.4预处理方法 102.5亚甲基蓝标准曲线制作 102.6亚甲基蓝吸附研究 112.6.1吸附能力研究法 112.6.2纤维素酶预处理啤酒糟用量对亚甲基蓝吸附研究法 112.6.3时间对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究法 112.6.4温度对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究法 112.6.5亚甲基蓝浓度对纤维素酶预处理啤酒糟对亚甲基蓝吸附研究法 123.结果与分析 133.1亚甲基蓝吸附研究结果 133.1.1两种啤酒糟对亚甲基蓝吸附能力比较 133.1.2纤维素酶预处理啤酒糟用量对亚甲基蓝影响的研究结果 133.1.3时间对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究结果 143.1.4温度对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究结果 153.1.5亚甲基蓝浓度对纤维素酶预处理啤酒糟对亚甲基蓝吸附研究结果 154.结论与展望 174.1结论 174.2展望 17参考文献 18致谢 20

1.前言1.1研究背景、研究目的和意义1.1.1研究背景啤酒糟是啤酒工业生产过程中的主要副产品，约占啤酒工业产生的副产品总数的85%[1]，是以大麦为原料，经发酵提取籽实中可溶性碳水化合物后的残渣。啤酒糟平均占原麦芽重量的31%，每生产1吨啤酒大约产生1/4吨的啤酒糟，据估计，全球啤酒糟的年产量约为3000万吨，我国啤酒糟年产量已达1000多万吨，并且还在不断增加。目前对于啤酒糟的处理通常有两种处理方法，一是当成垃圾去处理，二是用于制作牲畜饲料。因为啤酒糟含有丰富的氨基酸、蛋白质及微量元素，如果不能充分利用，就会造成了资源的极大浪费。随着中国工业化进程逐渐加快，公众对于废水的排放标准的监管也越来越严格，如何合理处理废水已成为许多行业如纺织行业、印染行业的重中之重。在纺织行业中，主要是有色染料废水的处理问题，但由于大多数染料都是结构非常复杂的化合物，不易分解，且易于对水生物造成影响。这些影响可能是致癌或者是致突变的。因此，我们必须要对染料废水进行处理，使其达到排放标准，这对企业来说是一项十分艰巨的任务。用活性炭吸附处理染料废水是最常用的方法，但由于商业活性炭售价昂贵，对于发展中国家的工业并不是十分经济可行。许多学者因而开发了许多成本低廉的新型吸附剂，如木材ADDINNE.Ref.{1A1840A5-738A-4740-8869-D380DB9658A8}[2]、漂白土和烧结粘土ADDINNE.Ref.{20AD41B4-DA2E-4184-AFE6-7F7B91F017BA}[3]、橙皮ADDINNE.Ref.{8DA06D05-3E11-46EE-BE3C-0061FE865A9F}[4]、粉煤灰ADDINNE.Ref.{582EF41C-2C02-4F0A-B86B-426654783ACE}[5]、泥炭ADDINNE.Ref.{E530FB1C-79D1-4E20-95A1-DC210766246A}[6]、甲壳素ADDINNE.Ref.{013BA7F8-DD07-4B08-8167-861BBECCB27C}[7]等，从而对昂贵的商业吸附剂进行替代。啤酒糟中含有丰富的纤维素和木质素，且成本低、易获得，具有对某些物质进行吸附的潜力。K.SLow等人利用啤酒糟吸附水溶液中的镉和铅，最大吸附能力分别为17.3mg/g和35.5mg/gADDINNE.Ref.{13EB6C05-3FDC-43C7-BDE5-251409291056}[8]。Marija等人利用啤酒糟对废水中的硝酸盐进行了吸附研究ADDINNE.Ref.{5721A040-A2CD-4FFD-BABB-AF2FA00FB7F4}[9]。在染料废水的研究中，J.P.Silva等人利用啤酒糟对染料废水中的酸性橙7染料（AO7）进行吸附，不需要经过任何物理或者化学处理便可达到30.5mgAO7/g啤酒糟，因此啤酒糟在染料废水处理中用作其他昂贵吸附剂的替代品有很好的应用前景。本文首先对纤维素酶预处理的啤酒糟进行了研究，探究有无应用为吸附剂的可能，并对模拟废水中的亚甲基蓝进行了相关的吸附应用研究。1.1.2研究目的和意义面对每年如此庞大的啤酒糟产量，合理处理酿造业副产品已成为重中之重的行业问题。如何合理处理啤酒糟的同时又能减少资源浪费成为了相关行业的研究热点[10]。染料废水化学性质稳定、难以分解、水量大，因此对环境有着非常大的破坏作用。传统处理方法主要包括物理法、化学法、生物法三大类，物理法如活性炭吸附法、膜分离法等；化学法如光催化法、氧化法等。这两大类方法是应对染料废水的有效方法，但其大多成本较高，如膜组件价格和膜的污损问题等严重制约着物理或化学法在染料废水中的应用。相比之下，生物法成本低廉、处理高效，相对于活性炭再生困难、价格高的特点，在染料废水处理中有着极大的应用前景ADDINNE.Ref.{13EB6C05-3FDC-43C7-BDE5-251409291056}[16]。本文旨在通过利用纤维素酶对啤酒糟进行预处理，对改性啤酒糟应用于染料废水中亚甲基蓝的吸附处理进行了相关研究，在减少资源浪费的同时又起到了环境保护的作用，具有良好的应用前景。1.2研究路线及创新之处1.2.1研究路线吸附能力吸附剂用量啤酒糟预处理吸附研究时间温度亚甲基蓝初始浓度1.2.2研究的创新点目前对于亚甲基蓝染料废水大多用吸附法进行处理[11]，但因为商业活性炭价格高、难再生，不能大规模应用于废水的治理。本文旨在通过纤维素酶预处理的方法对啤酒糟进行改性。本文还根据不同条件对改性啤酒糟吸附亚甲基蓝染料废水的影响进行研究，从吸附能力、吸附剂用量、时间、温度、亚甲基蓝初始浓度等方面对纤维素酶预处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附作用进行了研究。

2．实验材料与方法2.1实验材料2.1.1原料麦芽2.1.2药品无水乙酸钠、冰醋酸、亚甲基蓝。2.1.3实验设备GC-2042A电磁炉、AHZ-B水浴振荡器、H2050高速大容量离心机、MC-23全自动灭菌锅、JPT-2C架盘天平、YP2001N电子天平、EU-2800R紫外可见分光光度计、KQ-500B超声波清洗器、DHG-9420B电热恒温鼓风干燥箱、HR2850飞利浦搅拌机、Practum系列分析天平。2.2试剂配制方法0.2Mph5.0醋酸缓冲液：在烧杯中加入适量去离子水，用移液管准确移取11.5mL醋酸，用去离子水准确定容至1000mL制成A液；用分析天平准确称取16.4g无水乙酸钠，加入适量去离子水，充分溶解后用玻璃棒引流至容量瓶，定容至1000mL制成B液；用玻璃量筒准确量取A液148mL、B液352mL混匀，玻璃棒引流，用去离子水定容至1000mL，即得ph5.0的醋酸缓冲液，转移至玻璃瓶中保存。2.3啤酒糟制备方法（1）粉碎准确称取100g大麦芽，加入约4mL去离子水，搅拌均匀静置5min，再次拌匀静置5min，使用粉碎机进行粉碎[12]。（2）糖化投料：取5g麦芽，加入预热至37℃的蒸馏水40mL，开始水浴。蛋白休止：打开恒温水浴锅震荡，同时升高温度至53℃后关闭恒温水浴锅震荡，然后保温时间40min。保温20min时震荡一次，震荡时间2-3min，使麦芽与溶液分布均匀。淀粉分解：打开恒温水浴锅震荡，同时升高温度至65℃后关闭恒温水浴锅震荡，保温时间约60min。保温30min时震荡一次，震荡时间2-3min，使麦芽与溶液分布均匀。糊精分解：打开恒温水浴锅震荡，同时升高温度至72℃后关闭恒温水浴锅震荡，保温时间10min。杀酶：打开恒温水浴锅震荡，同时升高温度至78℃后关闭恒温水浴锅震荡，准备离心[14]。（3）离心将糖化液倒入50mL离心管中，用托盘天平进行配平，5000r/min离心10min，去除上清保留沉淀，55℃烘干至恒重待用。2.4预处理方法取烘干后的啤酒糟5g置于离心管中，接入10mL纤维素酶酶液，水浴锅40℃下培养4h，残渣烘干待用[13]。2.5亚甲基蓝标准曲线制作配置1L质量浓度为10mg/L的亚甲基蓝母液，稀释至1mg/L、1.5mg/L、2mg/L、2.5mg/L、3mg/L、3.5mg/L、4mg/L、4.5mg/L，5mg/L，在682nm下测量吸光值[11]，纯水作为参比，以吸光值为横坐标，浓度为纵坐标绘制亚甲基蓝标准曲线，结果如图所示。图2STYLEREF1\s1亚甲基蓝溶液标准曲线由图2-1可知，在0mg/L-5mg/L的范围内，浓度与吸光值存在很好的线性关系（R2=0.9998），拟合方程为y=5.4738x+0.0052。2.6亚甲基蓝吸附研究2.6.1吸附能力研究法取100mL广口三角瓶2只，分别加入8mg/L的亚甲基蓝溶液各100mL，40℃水浴保温15min，依次加入CK和纤维素酶预处理的啤酒糟各0.1g，震荡。在水浴90min时分别进行取样，立即5000r/min离心3min，取上清，在682nm处测量吸光值，以CK和纤维素酶为横坐标，吸附量为纵坐标作柱状图。2.6.2纤维素酶预处理啤酒糟用量对亚甲基蓝吸附研究法取100mL广口三角瓶12只，分别加入8mg/L的亚甲基蓝溶液各100mL，40℃水浴保温15min，依次加入CK和纤维素酶预处理的啤酒糟各0.03g、0.05g、0.07g、0.1g、0.15g、0.3g[14]，震荡。水浴90min后取样，立即5000r/min离心3min，取上清，在682nm处测量吸光值。以啤酒糟克数为横坐标，吸附量为纵坐标绘制曲线。2.6.3时间对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究法取100mL广口三角瓶14只，分别加入8mg/L的亚甲基蓝溶液各100mL，40℃水浴保温15min，依次加入CK和纤维素酶预处理的啤酒糟各0.1g，震荡。在水浴10min、20min、30min、45min、60min、90min、120min时分别进行取样，立即5000r/min离心3min，取上清，在682nm处测量吸光值，以时间为横坐标，吸附量为纵坐标作图。2.6.4温度对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究法取100mL广口三角瓶10只，分别加入8mg/L的亚甲基蓝溶液各100mL，分别加入不同预处理的啤酒糟各0.1g，分别在30℃、35℃、40℃、45℃、50℃进行水浴[15]，震荡，90min后取样8mL，立即5000r/min离心3min，取上清，在682nm处测量吸光值。以温度为横坐标，吸附量为纵坐标作图。2.6.5亚甲基蓝浓度对纤维素酶预处理啤酒糟对亚甲基蓝吸附研究法取100mL广口三角瓶在14只，分别加入浓度为6、8、10、12、15、18、20mg/L的亚甲基蓝溶液各100mL[14]，分别加入啤酒糟各0.1g，在40℃进行水浴，震荡，90min后取样8mL，立即5000r/min离心3min，取上清，在682nm处测量吸光值，计算得出亚甲基蓝浓度，以亚甲基蓝初始浓度为横坐标，吸附量为纵坐标作图。

3.结果与分析3.1亚甲基蓝吸附研究结果3.1.1两种啤酒糟对亚甲基蓝吸附能力比较预处理方式不同对啤酒糟的影响不同，因此对于亚甲基蓝的吸附能力也会受到影响，两种的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力如图所示。图31 不同预处理啤酒糟对亚甲基蓝吸附能力比较如图3-1所示，同一条件下未处理的啤酒糟与纤维素酶预处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力有所不同，未经预处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力略高于纤维素酶预处理的啤酒糟。3.1.2纤维素酶预处理啤酒糟用量对亚甲基蓝影响的研究结果吸附剂用量不同往往会对吸附效果产生较大的影响，以啤酒糟克数为横坐标，吸附量为纵坐标作图，结果如图所示。图32不同预处理吸附剂的用量对亚甲基蓝吸附影响由图3-2可知，随着啤酒糟用量的增加，吸附量逐渐降低。在啤酒糟用量低于0.15g时，对于吸附量的影响极为显著，当啤酒糟用量大于0.15g后，随着啤酒糟用量的增加，对于吸附量的影响较小。在啤酒糟用量低于0.1g时，未处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附作用略高于纤维素酶预处理的啤酒糟。3.1.3时间对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究结果时间不同，啤酒糟对亚甲基蓝的吸附效果也不同。以时间为横坐标，吸附量为纵坐标做图，结果如图所示。图33时间对不同预处理啤酒糟吸附亚甲基蓝影响由图3-3可知，在初始阶段，啤酒糟对亚甲基蓝的吸附量随着时间变化而增大，90min后吸附趋于平衡，继续延长吸附时间对实际吸附效果并无太大影响，说明吸附已经达到平衡，因此后续实验选取吸附时间为90min。相同处理时间下，CK吸附量略高于纤维素酶预处理方式，吸附能力CK略强于纤维素酶预处理。3.1.4温度对纤维素酶预处理啤酒糟吸附研究结果温度不同往往会对吸附量产生影响，通过在不同温度下对啤酒糟的吸附量进行研究，以温度为横坐标，吸附量为纵坐标绘制曲线，结果如图所示。图34温度对不同预处理啤酒糟吸附亚甲基蓝的影响由图3-4可见，在30℃-35℃之间，未处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附作用略高于纤维素酶预处理的啤酒糟；而在40℃-50℃之间，纤维素酶预处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力略高于未处理的啤酒糟。在35℃-40℃之间，两种啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力基本相同。随着温度的增加，两种啤酒糟对于亚甲基蓝的吸附能力都逐渐发生了上升。两种啤酒糟上升趋势大致类似，说明两种啤酒糟对亚甲基蓝吸附作用类似。在初始阶段，亚甲基蓝的吸附量随着温度上升而增大，40℃后吸附趋于平衡，继续延长吸附时间对实际吸附效果并无太大影响，说明吸附已经达到平衡，因此后续实验选取吸附温度为40℃。3.1.5亚甲基蓝浓度对纤维素酶预处理啤酒糟对亚甲基蓝吸附研究结果当亚甲基蓝浓度从6mg/L提高到20mg/L后，纤维素酶预处理啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力如图3-5所示。图35亚甲基蓝浓度对不同于处理啤酒糟吸附亚甲基蓝能力影响由图3-5可见，在6mg/L-20mg/L之间，随着亚甲基蓝浓度的升高，未经处理、纤维素酶预处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力在总体上也随之提高。同时，在同一条件下，未经处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力是略高于纤维素酶预处理的啤酒糟。在15mg/L-2mg/L之间，两种啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力都有显著提高。

4.结论与展望4.1结论在总体上，未经处理的啤酒糟对亚甲基蓝的吸附能力是略高于纤维素酶预处理的啤酒糟。空白对照组和纤维素酶预处理的啤酒糟在吸附90min后达到吸附平衡，继续延长吸附时间对于亚甲基蓝的去除无显著影响；在啤酒糟的用量>0.15g时，啤酒糟用量继续提高对于吸附量的改变影响不显著；随着温度的升高，两种的啤酒糟对于亚甲基蓝的吸附能力都发生了不同程度的上升[11]。4.2展望研究啤酒糟的其他改性方法，从而提高其对亚甲基蓝的吸附能力。研究啤酒糟应用为其他染料或重金属离子的吸附剂。研究啤酒糟作为吸附填料的动态实验，对其动态吸附和解吸进行研究。进一步改善啤酒糟用于各种吸附物质的吸附条件，通过响应面进行优化。

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