申请日2017.11.15
公开(公告)日2018.01.26
IPC分类号C12N1/12; C02F3/32; C12R1/89; C02F103/32
摘要
本发明提供一种利用淀粉废水培养微藻的方法。首先利用蜂窝结构反应室对淀粉废水进行处理，特制的蜂窝反应室上下平板能有效吸附淀粉废水中的重金属离子;蜂窝室结构垂直夹于上下平板，蜂窝室壁利用蛋白质印迹对介孔硅材料进行印迹制备而成高性能膜，使介孔材料能特异性吸附蛋白质，介孔材料特有的孔能提高蛋白质吸附量，对重金属离子也具有一定的吸附效果;利用微氧曝气使复合菌种于蜂窝室中分解蛋白质，使蛋白质大分子转换为小分子，有机质转换成腐殖酸，将处理后的废水生物活性物质含量高，用于微藻的培养能有效使微藻繁殖生长，同时淀粉废水得到有效净化，实现资源再利用，具有很好的发展前景。
摘要附图
权利要求书
1.一种利用淀粉废水培养微藻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备仿蜂巢结构反应室;
(2)在废水反应池底安装微氧曝气管道，将仿蜂巢结构反应室平铺于曝气管道上;
(3)在放蜂巢反应室的蜂室中接种发酵菌种，将淀粉废水加入反应池Ⅰ中，使废水完全浸没仿蜂巢反应室，生物反应1~2d后，将反应池Ⅰ中废水持续排入反应池Ⅱ中进行生物反应，废水在反应池Ⅱ中水力停留时间为8~10h后排入反应池Ⅰ中，循环反应6~8d后，停止反应池Ⅰ和反应池Ⅱ中废水的循环与加入，揭开仿蜂巢反应室上平板，排出发酵后淀粉废水;
(4)将排出的发酵后淀粉废水通入微藻培养池，接种微藻进行培养即可;
所述仿蜂巢结构反应室制备方法如下：
用印迹介孔材料制备成蜂巢室，再用介孔硅材料制备成蜂巢平板，然后将蜂巢室夹于蜂巢平板中间，蜂巢室垂直于两平板，组装成仿蜂巢结构反应室，各结构具体制备步骤如下：
A.印迹介孔材料的制备
(1)室温条件下，称取2~3份3-氨丙基-三乙氧基硅烷和2~4份模板蛋白质溶液溶于无水乙醇，逐滴加入2~4份质量分数25%的四甲基氢氧化铵水溶液，制得溶液A;同时，将8~15份聚乙二醇2000和400~750份无水乙醇混合搅拌，制得溶液B;
(2)反应2h后，A、B溶液充分混合，再逐滴加入10份正硅酸乙酯，缓慢搅拌1h;混合物移入表面皿，在室温下放置直至溶剂挥发完毕得到产物C;
(3)将产物C在60~80℃下水热晶化10~20h，随后将产物C置于35~40℃真空干燥箱中干燥2~3h，取出先用0.1~0.3mol/L氯化钠溶液洗脱，然后在60~70℃的乙醇盐酸抽提液中回流1d以脱除模板剂，得到印迹介孔材料;
B.蜂巢室的制备
取印迹介孔材料8~12份，加入20~24份尼龙66制备成结构材料薄片，在聚四氟乙烯涂覆的轧辊上卷绕，制备成蜂巢室;
所述尼龙66粘度为180~220g/ml;
C.蜂巢平板的制备
(1)室温条件下，称取2~3份3-氨丙基三-乙氧基硅烷和2~4份改性壳聚糖溶于无水乙醇，逐滴加入2~4份质量分数25%的四甲基氢氧化铵水溶液，制得溶液A;同时，将8~15份聚乙二醇2000和400~750份无水乙醇混合搅拌，制得溶液B;
(2)反应2h后，A、B溶液充分混合，再逐滴加入10份正硅酸乙酯，缓慢搅拌1h;混合物倒入玻璃板上成膜，在90~100℃下水热晶化36~48h，随后将产物置于35~40℃真空干燥箱中干燥2~3h，取出先用0.1~0.3mol/L氯化钠溶液洗脱，然后在60~70℃的乙醇盐酸抽提液中回流1d以脱除模板剂，得到蜂巢平板。
2.根据权利要求1所述的一种利用淀粉废水培养微藻的方法，其特征在于：蜂室壁厚0.5~1.5mm，蜂室管内径为40~100mm，蜂室管长120~400mm，管长与内径比值为3~4。
3.根据权利要求1所述的一种利用淀粉废水培养微藻的方法，其特征在于：所述反应池中溶解氧浓度为0.3~0.8mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种利用淀粉废水培养微藻的方法，其特征在于：所述的发酵菌种为巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium、褐球固氮菌Azotobacter chroococcum、杂色曲霉菌Aspergillus versicolor、地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis中一种或一种以上组合;巨大芽孢杆菌接种量为5%~8%，菌龄为12~18h;褐球固氮菌接种量为2%~4%，种龄为14~16h;杂色曲霉菌接种量为4%~6%，种龄为12~16h;地衣芽孢杆菌接种量为3%~5%，种龄为13~16h。
5.根据权利要求1所述的一种利用淀粉废水培养微藻的方法，其特征在于：所述模板蛋白质溶液制备步骤如下：
a.取淀粉废水样，双层滤布过滤后的滤液静置2h，在6000r/min下离心15min，取上清液，加入等体积pH为9~10的氢氧化钠溶液，提取60min，然后在6000r/min下离心15min;取上清液1;
b.在上清液1中加入等体积pH为3~4.5的盐酸溶液，沉淀10min，然后再8000r/min下离心15min，沉淀即粗蛋白质;
c.将粗蛋白粉溶于4~6ml pH6.2的KH2PO4-NaHPO4缓冲液中，制备成蛋白质浓度为0.15mmol/L的溶液，待蛋白质完全溶解后，加入0.2~0.5份丙烯酰胺在4℃下放置8~10h;
d.在过夜的蛋白质溶液中加入180~200μL质量分数为10%的过硫酸铵，即可得到模板蛋白质溶液。
6.根据权利要求1所述的一种利用淀粉废水培养微藻的方法，其特征在于：所述3-氨基丙基-三乙氧基硅烷：四甲基氢氧化铵：聚乙二醇2000：正硅酸乙酯：无水乙醇的摩尔配比为(0.20~0.30)：(0.1~0.3)：(0.07~0.1)：1：(50~75)。
说明书
一种利用淀粉废水培养微藻的方法
技术领域
本发明属于污水处理及微藻培养技术领域，特别涉及一种利用淀粉废水培养微藻的方法。
背景技术
微藻是一种分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。但是微藻的大规模培养仍存在许多待攻克的难点，其中之一就是如何利用废水进行微藻的大规模培养。
淀粉废水是以玉米、马铃薯、小麦、大米等农产品为原料生产淀粉或淀粉深加工产品(淀粉糖、葡萄糖、淀粉衍生物等)产生的废水，一般都属于高浓度有机废水，是造成环境污染的主要污染源之一。淀粉废水主要污染物有悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)。同时淀粉废水含有许多有蛋白质，但是其分离存在许多困难。目前淀粉废水处理技术存在着处理不彻底、能耗高、投资大、运行费用高等缺点，难以有效地解决环境污染和有机物严重浪费两大问题。
介孔硅材料具有结构的可变性、水解缩聚反应的精确可控性及表面可修饰性等特点，针对吸附剂制备来说，硅基介孔材料的特点有助于制备不同类型的吸附剂，以适应不同的环境需求，另外，介孔硅材料在吸附后易于母液分离，通过酸洗、焙烧或萃取等工序，可实现污染物资源化及吸附剂再生。
分子印迹技术已广泛应用于色谱分离、固相萃取、药物分析、生物传感器技术以及催化合成等诸多领域，并由此使其成为化学和生物学交叉的新型领域之一，显示出良好的应用前景。分子印迹是将模板分子与交联剂在聚合物单体溶液中进行聚合得到固体介质，然后通过物理或化学方法洗脱除去介质中的模板分子，得到“印迹”有目标分子空间结构和结合位点的有较高选择性的共价型的分子印迹聚合物(MIPs)。可以设想：一系列功能单体在溶液中与模板分子相遇，它们之间可以通过氢键、静电作用、疏水作用以及其它非共价的相互作用，使这些功能分子彼此间以与模板分子结构相互补的有序状态而排布起来，在功能单体和模板分子之间制备出共价的配合物或形成非共价的加成产物;将模板分子从聚合物中除去，于是在高聚物内,原来由模板分子所占有的空间形成了一个遗留的空腔，在合适的条件下，这一空腔可以满意地“记住”模板的结构﹑尺寸以及其它的物化性质，并能有效而有选择性地去键合模板(或类似物)的分子。
专利申请号CN200910236321.0，利用甘薯淀粉废水生产木霉微生物肥料，以甘薯淀粉生产过程中产生的废水为主要营养原料，采用液态和固态联合发酵的方法生产木霉菌微生物肥料具有生产成本低、环境友好的特点，产品能明显改善土壤环境质量、提高作物产量，而且能够防治多种植物病害，同时为高效处理甘薯淀粉生产过程中产生的大量高浓度废水找到有效的处理方法，减少环境污染。专利申请号CN201310468266.4，利用淀粉废水生产液体有机肥料的方法，将生产玉米淀粉或者小麦淀粉排放的废水除杂质后添加在密闭容器中，接种嗜酸乳杆菌、酿酒酵母进行发酵，通过该发明既能有效减轻废水对环境的污染，又能实现废物利用，而且投资小，工艺简单，肥效显著，生产成本低，竞争优势强，试产潜力大。专利申请号CN201610710440.5，利用淀粉废水生产用于改良盐碱地的液体有机肥料的方法，通过滤网过滤、厌氧生物滤池发酵、太阳能曝气生物滤池发酵、淀粉磷酸脂和聚磷氯化铁水解、微生物发酵菌剂发酵等一系列深度处理，使得淀粉废水成为富含有益微生物菌群及多种次生代谢物的液体微生物肥料，使用后改良次生盐碱地土壤微生物种群数量减少的问题，可使得次生盐碱地增产20%~30%，既节省了成本，也缓解了土壤贫瘠、板结、盐碱化，复合节能、环保、可持续发展的趋势。专利申请号CN201410015439.1，一种利用马铃薯淀粉废水制备马铃薯浸出粉的方法，将马铃薯淀粉废水首先经除杂、浓缩;而后将浓缩液泵入酶解罐，分别经中温淀粉酶、糖化酶、中性蛋白酶(或复合蛋白酶)进行三次酶解，而后灭酶;水解产物再次经浓缩、喷雾干燥，产物即为马铃薯浸出粉。本发明利用马铃薯淀粉废水通过生物工程手段来制取含有大量的氨基酸及肽类物质的马铃薯浸出粉，变废为宝，成本低廉，产品附加值高，有非常巨大的竞争优势，同时解决了淀粉废水治理及排放问题。
现有技术中，利用生物发酵处理淀粉废水生产可利用物料技术已有很多研究，但是大多技术中预处理技术复杂，也不能有效清除废水中重金属等物质，同时生物发酵时需要多次加入淀粉废水，劳动力大，能耗高。结合介孔材料与分子印迹技术，对淀粉废水进行有效地净化，利用净化后的淀粉废水进行微藻培养，不仅实现资源再利用，还能大规模培养具有经济效益的微藻，具有很好的发展前景。
发明内容
针对现有技术中微藻培养水源来源少，淀粉废水处理方法存在的技术复杂，效果低等问题，本发明提供一种利用分子印迹介孔材料制备的仿蜂巢反应室处理淀粉废水培养微藻的方法，通过以下方法实现：
一种利用淀粉废水培养微藻的方法，包括以下步骤：
(1)制备仿蜂巢结构反应室;
(2)在废水反应池底安装微氧曝气管道，将仿蜂巢结构反应室平铺于曝气管道上;
(3)在放蜂巢反应室的蜂室中接种发酵菌种，将淀粉废水加入反应池Ⅰ中，使废水完全浸没仿蜂巢反应室，生物反应1~2d后，将反应池Ⅰ中废水持续排入反应池Ⅱ中进行生物反应，废水在反应池Ⅱ中水力停留时间为8~10h后排入反应池Ⅰ中，循环反应6~8d后，停止反应池Ⅰ和反应池Ⅱ中废水的循环与加入，揭开仿蜂巢反应室上平板，排出发酵后淀粉废水;
(4)将排出的发酵后淀粉废水通入微藻培养池，接种微藻进行培养即可;
所述仿蜂巢结构反应室制备方法如下：
用印迹介孔材料制备成蜂巢室，再用介孔硅材料制备成蜂巢平板，然后将蜂巢室夹于蜂巢平板中间，蜂巢室垂直于两平板，组装成仿蜂巢结构反应室，各结构具体制备步骤如下：
A.印迹介孔材料的制备
(1)室温条件下，称取2~3份3-氨丙基-三乙氧基硅烷和2~4份模板蛋白质溶液溶于无水乙醇，逐滴加入2~4份质量分数25%的四甲基氢氧化铵水溶液，制得溶液A;同时，将8~15份聚乙二醇2000和400~750份无水乙醇混合搅拌，制得溶液B;
(2)反应2h后，A、B溶液充分混合，再逐滴加入10份正硅酸乙酯，缓慢搅拌1h;混合物移入表面皿，在室温下放置直至溶剂挥发完毕得到产物C;
(3)将产物C在60~80℃下水热晶化10~20h，随后将产物C置于35~40℃真空干燥箱中干燥2~3h，取出先用0.1~0.3mol/L氯化钠溶液洗脱，然后在60~70℃的乙醇盐酸抽提液中回流1d以脱除模板剂，得到印迹介孔材料;
B.蜂巢室的制备
取印迹介孔材料8~12份，加入20~24份尼龙66制备成结构材料薄片，在聚四氟乙烯涂覆的轧辊上卷绕，制备成蜂巢室;
所述尼龙66粘度为180~220g/ml;、
尼龙66的粘度影响蜂巢室的强度和回弹性，使制备得到的蜂巢室具有很好的抗压能力和耐热性能，减少微生物发酵过程中产生的热量长期作用下对蜂巢反应室的有害作用。
C.蜂巢平板的制备
(1)室温条件下，称取2~3份3-氨丙基三-乙氧基硅烷和2~4份改性壳聚糖溶于无水乙醇，逐滴加入2~4份质量分数25%的四甲基氢氧化铵水溶液，制得溶液A;同时，将8~15份聚乙二醇2000和400~750份无水乙醇混合搅拌，制得溶液B;
(2)反应2h后，A、B溶液充分混合，再逐滴加入10份正硅酸乙酯，缓慢搅拌1h;混合物倒入玻璃板上成膜，在90~100℃下水热晶化36~48h，随后将产物置于35~40℃真空干燥箱中干燥2~3h，取出先用0.1~0.3mol/L氯化钠溶液洗脱，然后在60~70℃的乙醇盐酸抽提液中回流1d以脱除模板剂，得到蜂巢平板。
氨基化介孔硅材料制备成的蜂巢平板，具有很好的重金属离子吸附性能和对病原菌的杀灭作用，废水首先通过平板渗透在进入蜂室进行微生物发酵反应，首先达到了重金属离子的初步去除和杀灭病原菌的作用，为蜂室中的微生物发酵提高良好的反映环境。
作为本发明的进一步改进，所述蜂室壁厚0.5~1.5mm，蜂室管内径为40~100mm，蜂室管长120~400mm，管长与内径比值为3~4;
蜂巢结构具有很好的抗压能力，重量轻，同时蜂室具有大面积的反应空间，蜂巢室的壁厚、直径和蜂巢室管壁的取向决定了材料的稳定性;蜂巢室的壁厚与直径决定了整个反应室的抗压能力以及水力停留时间，在管长与内径比值为3~4时，水力停留时间能保持在1~2天;介孔材料与分子印迹技术的结合制备而成的仿蜂巢结构反应室，其特有的结构具有很好的抗压能力，能减少因废水流动产生的湍流影响微生物发酵作用，降低水压作用对反应室的破坏作用;另一方面，蜂巢结构能提供微生物更大的反应空间，介孔材料能印迹材料能特异性识别并吸附蛋白质，介孔材料具有很大的比表面积，使废水中的蛋白质更多更有效的富集。
作为本发明的进一步改进，所述微氧曝气管道为蛇形管道，氧气孔朝下，安装时管道与池底垂直距离为5~8cm;反应池中溶解氧浓度为0.3~0.8mg/L。
微氧曝气体系中，好痒菌、兼性菌和厌氧菌同时出现，相比单纯的好痒或者厌氧，微养体系中微生物种类更全面，各种微生物相互协同，共同完成降解功能。
作为本发明的进一步改进，所述的发酵菌种为巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium、褐球固氮菌Azotobacter chroococcum、杂色曲霉菌Aspergillus versicolor、地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis中一种或一种以上组合;巨大芽孢杆菌接种量为5%~8%，菌龄为12~18h;褐球固氮菌接种量为2%~4%，种龄为14~16h;杂色曲霉菌接种量为4%~6%，种龄为12~16h;地衣芽孢杆菌接种量为3%~5%，种龄为13~16h。
巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium为蛋白质分解菌，能分解淀粉废水中大部分有机物以及蛋白质，同时也是有机磷分解菌，可用于制造磷细菌肥料;
地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis能分解淀粉废水中有毒有害物质，具有较强的蛋白酶和淀粉酶活性，能促进淀粉水解，同时该菌能在恶劣的环境中生长，在微养条件下也能发挥其生物分解作用，其分解淀粉产生的物质能供给厌氧固氮菌褐球固氮菌和杂色曲霉生长，同时能杀灭致病菌;
褐球固氮菌Azotobacter chroococcum、杂色曲霉Aspergillus versicolor在微养条件下能利用淀粉废水中的有机氮物质繁殖，达到废水净化效果，同时固氮过程产生的能量能供给其他微生物繁殖生长。
作为本发明的进一步改进，所述模板蛋白质溶液制备步骤如下：
a.取淀粉废水样，双层滤布过滤后的滤液静置2h，在6000r/min下离心15min，取上清液，加入等体积pH为9~10的氢氧化钠溶液，提取60min，然后在6000r/min下离心15min;取上清液1;
b.在上清液1中加入等体积pH为3~4.5的盐酸溶液，沉淀10min，然后再8000r/min下离心15min，沉淀即粗蛋白质;
c.将粗蛋白粉溶于4~6ml pH6.2的KH2PO4-NaHPO4缓冲液中，制备成蛋白质浓度为0.15mmol/L的溶液，待蛋白质完全溶解后，加入0.2~0.5份丙烯酰胺在4℃下放置8~10h;
d.在过夜的蛋白质溶液中加入180~200μL质量分数为10%的过硫酸铵，即可得到模板蛋白质溶液。
利用淀粉废水蛋白质作为模板分子，因其结构均来自同一来源，能在淀粉废水处理中更好识别蛋白质，使蛋白质富集，让微生物更好更方便进行分解。
作为本发明的进一步改进，所述3-氨基丙基-三乙氧基硅烷：四甲基氢氧化铵：聚乙二醇2000：正硅酸乙酯：无水乙醇的摩尔配比为0.20~0.30：(0.1~0.3)：(0.07~0.1)：1：(50~75)。其中四甲基氢氧化铵：正硅酸乙酯最佳摩尔比为0.25:1，在(0.1:1)~(0.3:1)范围内变化。3-氨丙基三乙氧基硅烷提供氨基官能团，正硅酸乙酯提供硅源合成氨基功能化介孔硅材料，其具有的氨基官能团能与废水中的重金属离子结合达到吸附重金属离子效果。
以PEG2000为模板剂，其是非离子型表面活性剂，与硅源之间为氢键结合，结构稳定，此外，PEG2000与溶剂乙醇有良好的相容性，溶解后长链转变为曲折型，以上特点均为合成有序介孔结构创造有利条件。
以PEG2000为表面活性剂制备的介孔材料孔结构分布均匀，平均孔径大，对重金属的吸附性能优异。
四甲基氢氧化铵为辅助模板剂，不仅可作为催化剂，同时可有效减少长碳链弯曲盘绕，明显改善介孔有序性和增大孔径。
本发明的有益效果：
1、利用淀粉废水培养微藻，不仅达到废水处理效果，同时通过处理后的淀粉废水中含有的营养物质有利于微藻的繁殖，具有很好的市场前景，实现污水再利用以及微藻规模培养双重效益;
2、印迹介孔材料制备而成的仿蜂巢反应室，特制材料能吸附废水中的重金属离子，能提供微生物安全的反应环境，同时介孔材料能更多更有效识别并聚集蛋白质，使微生物更好的分解蛋白质。
3、通过本发明制备的仿蜂巢机构反应室处理后的淀粉废水，重金属含量低，污染物低，使培养后的微藻安全性大，能作为许多领域物质的开发与利用。