固定化技術(shù)在重金屬?gòu)U水含酚廢水處理中的應(yīng)用-電子教案

1、水處理微生物教案知識(shí)點(diǎn)固定化技術(shù)在重金屬?gòu)U水含酚廢水處理中的應(yīng)用學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容1.固定化酶2.酶的固定化方法3.固定化技術(shù)在重金屬?gòu)U水和含酚廢水處理中的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)固定化酶教學(xué)難點(diǎn)固定化微生物的制備酶的固定化方法參考資料現(xiàn)代環(huán)境微生物技術(shù) 清華大學(xué)出版社環(huán)境工程微生物學(xué) 化學(xué)工業(yè)出版社污染控制微生物工程 化學(xué)工業(yè)出版社環(huán)境生物資源 化學(xué)工業(yè)出版社環(huán)境微生物 化學(xué)工業(yè)出版社一、 概述從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)際上固定化酶的研究迅速發(fā)展起來(lái)，到20世紀(jì)70年代，作為酶源的微生物本身的固定化，即固定化微生物引起了人們的極大關(guān)注，近年來(lái)，固定化細(xì)胞污水處理技術(shù)已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。 所謂固定化技術(shù)

2、，就是利用化學(xué)的或物理的一種技術(shù)。包括固定化酶技術(shù)和固定化微生物技術(shù)。微生物被固定后，細(xì)胞內(nèi)酶系統(tǒng)保存完整，相當(dāng)于一個(gè)多酶反應(yīng)器，可進(jìn)行復(fù)雜的多步降解反應(yīng)。與傳統(tǒng)的懸浮生物處理法相比，它據(jù)有處理效果高、穩(wěn)定性強(qiáng)、反應(yīng)易于控制、菌種高純高效、生物濃度高、污泥量少、固液分離效果好，喪失活性可恢復(fù)等特點(diǎn)。二、 固定化酶的含義1. 含義固定化酶是指通過(guò)物理或化學(xué)的手段，將酶束縛于水不溶的載體上，或?qū)⒚甘`在一定的空間范圍內(nèi)，限制酶分子的自由流動(dòng)，可以反復(fù)使用而能發(fā)揮催化作用的酶制劑。2. 酶的發(fā)展歷史 1953年， 德國(guó)的Schleith首先開(kāi)始了酶固定化研究，并第一次實(shí)現(xiàn)了酶的固定化。1960年，日

3、本的千細(xì)一郎開(kāi)始了氨基?；腹潭ɑ芯?，開(kāi)始了將酶應(yīng)用在工業(yè)的第一步。1969年，千細(xì)一郎成功將氨基酰化酶反應(yīng)用于DL-AA的光學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了酶連續(xù)反應(yīng)的工業(yè)化，這是世界上固定化酶用于工業(yè)的開(kāi)端。1971年，第一次國(guó)際酶工程會(huì)議上正式提出固定化酶的概念，70年代以后，固定化酶技術(shù)被廣泛研究并被應(yīng)用。3. 固定化酶的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)固定化酶與水溶性酶相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）固定化酶可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)反復(fù)使用，有利工藝的連續(xù)化、管道化；而且在多數(shù)情況下，酶的穩(wěn)定性提高，因而單位酶催化的底物量增加，用酶量減少，單位酶的生產(chǎn)能力高。（2）易將固定化酶與底物、產(chǎn)物分開(kāi)；產(chǎn)物溶液中沒(méi)有酶的殘留，簡(jiǎn)化了提純工藝，

4、產(chǎn)率較高，產(chǎn)品質(zhì)量較好；（3）酶反應(yīng)過(guò)程可以嚴(yán)格控制，有利于工藝自動(dòng)化和微電腦化，節(jié)約勞動(dòng)力，減少反應(yīng)器占地面積；（4）能適應(yīng)于多酶反應(yīng)；（5）酶的使用效率提高，產(chǎn)物得率提高，產(chǎn)品質(zhì)量有保障，成本低。固定化酶雖然有上述優(yōu)點(diǎn)，但用于工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)例至今仍然不多，原因就在于固定化酶仍存在其困難和缺點(diǎn)。（1）固定化所需載體和試劑較貴，成本高，投資大；（2）加上固定化酶過(guò)程中，酶活力有損失；即酶的活力回收率低，增加了工業(yè)生產(chǎn)的投資困難。若果用胞內(nèi)酶進(jìn)行固定化，還要增加酶的分離成本。（3）固定化酶一般只能用于可溶性底物，較適用于小分子底物，對(duì)大分子底物不適宜；大分子底物常受載體阻攔，不易接觸酶，致使催化活

5、力難以發(fā)揮。（4）目前，固定化酶只局限于單級(jí)反應(yīng)，與完整細(xì)胞相比，不適于多酶反應(yīng)。三、酶的固定化方法 1. 吸附法 是指通過(guò)氫鍵、疏水作用、電子親和力等物理作用，將酶吸附到固體吸附劑表面的方法成為物理吸附法，簡(jiǎn)稱(chēng)吸附法。常用的吸附劑：活性炭、氧化鋁、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅膠等。 硅藻土氧化鋁活性炭硅藻土優(yōu)點(diǎn)：操作條件溫和，固定化時(shí)酶分子的構(gòu)象較少或者不變 化，載體廉價(jià)，可反復(fù)使用；缺點(diǎn)：酶與載體結(jié)合不牢固，易脫落； 吸附法制成固定化酶或細(xì)胞，操作簡(jiǎn)便，條件溫和，不會(huì)引起酶變性失活，載體廉價(jià)易得，而且可以反復(fù)使用。但由于靠物理吸附作用，結(jié)合力較弱，酶與載體結(jié)合不牢固而容易脫落。所以使用受

6、到限制。2.包埋法包埋法是指將酶和含酶菌包埋在各種多孔載體中，使酶固定化的方法。根據(jù)包埋材料和包埋方法的不同，可分為：凝膠包埋法和半透膜包埋法兩類(lèi)。 （1）凝膠包埋法 凝膠包埋法是指將酶或含酶菌體包埋在各種凝膠內(nèi)部的微孔中，制成一定形狀的固定化酶或固定化菌體，大多數(shù)為球狀或片裝，也可按需要制成其他形狀。常用的凝膠有天然凝膠和合成凝膠。天然凝膠條件溫和，操作簡(jiǎn)便，對(duì)酶活性影響小，但強(qiáng)度差。如，瓊脂凝膠、海藻酸鈣凝膠、角叉凝膠、明膠等；合成凝膠：強(qiáng)度高，對(duì)溫度、pH值變化耐性強(qiáng)，需要特定的聚合條件，酶易變性。如，聚丙烯酰胺凝膠、光交聯(lián)樹(shù)脂等；（2）半透膜包埋法（微囊化法）半透膜包埋法是指將酶包埋在

7、各種高分子聚合物職稱(chēng)的小囊中，制成固定化酶。用于制備固定化酶的半透膜有聚酰胺膜、火棉膠膜等。半透膜的孔徑為幾十至幾百納米，比一般酶分子小，固定化的酶不會(huì)從小球中漏出來(lái)。但只有小于半透膜孔徑的小分子底物和小分子產(chǎn)物可以自由通過(guò)半透膜，而大于半透膜孔徑的大分子底物和大分子產(chǎn)物卻無(wú)法進(jìn)出。因此，半透膜包埋法僅適用于底物和產(chǎn)物都是小分子物質(zhì)的酶的固定化，例如天門(mén)冬酰胺酶、尿酸酶、過(guò)氧化氫酶等。半透膜包埋法職稱(chēng)的固定化小球，直徑一般只有幾微米至幾百微米，成為微膠囊。制備時(shí)，一般將酶液分散在與水互不相容的有機(jī)溶劑中，再在酶液表面形成半透膜，將酶包埋在微膠囊中。3. 結(jié)合法（1）離子鍵結(jié)合法 通過(guò)離子鍵使酶

8、與載體結(jié)合在一起的固定化方法。離子結(jié)合法所用載體是某些不溶于水的離子交換劑，常用的有：DEAE-纖維素、TEAE-纖維素、DEAE-葡聚糖凝膠等。用離子鍵結(jié)合法進(jìn)行酶固定化，條件溫和，操作簡(jiǎn)便。只需在一定的pH值，溫度和離子強(qiáng)度等條件下，將酶液與載體混合攪拌幾個(gè)小時(shí)，或者將酶液緩慢地留過(guò)處理好的離子交換柱，就可使酶結(jié)合在離子交換柱上，制備得到固定化酶。用離子鍵結(jié)合法制備的固定化酶，活力損失較少。但由于通過(guò)離子鍵結(jié)合，結(jié)合力較弱，酶與載體結(jié)合不牢固，在pH值和離子強(qiáng)度等條件改變時(shí)，酶容易脫落。所以用離子鍵結(jié)合法制備的固定化酶，在使用時(shí)一定要嚴(yán)格控制好pH、離子強(qiáng)度等操作條件。（2）共價(jià)鍵結(jié)合法通

9、過(guò)共價(jià)鍵使酶與載體結(jié)合在一起的固定化方法。共價(jià)鍵結(jié)合法所用載體主要有：纖維素、瓊脂糖凝膠、葡聚糖凝膠、甲殼質(zhì)、氨基酸共聚物、甲基丙烯醇共聚物等。酶分子中可以形成共價(jià)鍵的基團(tuán)只要有氨基、羧基、羥基、酚基等。要使載體與酶形成共價(jià)鍵，必須首先使載體活化，即借助于某種方法，在載體上引進(jìn)某一活潑基團(tuán)，然后此活潑基團(tuán)再與酶分子上的某一基團(tuán)反應(yīng)，形成共價(jià)鍵。使載體活化的方法很多，主要有重氮法、疊氮法、溴化氫法和烷化法。4.交聯(lián)法利用雙功能試劑，在酶分子間或酶與載體間，或酶與惰性蛋白間進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，以制備固定化酶的方法。 交聯(lián)試劑：戊二醛、乙二胺、順丁烯二酸酐、雙偶氮苯等。常用的是戊二醛。 交聯(lián)反應(yīng)可以發(fā)生在

10、酶分子間，也可以發(fā)生在酶分子內(nèi)。在低酶濃度下一般形成分子內(nèi)交聯(lián)，交聯(lián)后的酶通常保持溶解狀態(tài)。在酶濃度升高情況下，分子間交聯(lián)比例不斷上升，形成的固定化酶通常為不溶解狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合牢固，酶不會(huì)脫落，可長(zhǎng)時(shí)間使用。缺點(diǎn)：交聯(lián)反應(yīng)條件激烈，酶的多個(gè)基團(tuán)被交聯(lián)，指示酶的活力損失大。制備的固定化酶顆粒較小，不便于使用。共價(jià)交聯(lián)法和共價(jià)結(jié)合法一樣，反應(yīng)條件比較激烈，固定化酶的回收率比較低，一般不單獨(dú)使用，但如能降低交聯(lián)劑濃度和縮短反應(yīng)時(shí)間，則固定化酶的比活會(huì)有所提高。四、固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用1.含酚廢水的處理用海藻酸鈣包埋熱帶假絲酵母菌，在三相流化床反應(yīng)器中連續(xù)處理含酚廢水，進(jìn)水酚濃度

11、為300mg/L，出水酚濃度0.5mg/L，酚的最大容積負(fù)荷比活性污泥高1倍，其污泥發(fā)生量?jī)H為活性污泥的1/10，污泥發(fā)生量減少90%。流化床反應(yīng)器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器。反應(yīng)時(shí)，底物溶液以足夠大的流速?gòu)姆磻?yīng)器底部向上通過(guò)固定化微生物柱床，便能使固定化微生物顆粒始終處于流化妝臺(tái)。由于反應(yīng)器內(nèi)混合程度高，因此，傳熱、傳質(zhì)情況良好。采用顆?；钚蕴课胶Ｔ逅徕}凝膠包埋法制備固定化微生物，進(jìn)行固定化微生物填充床反應(yīng)器在高負(fù)荷運(yùn)行下降解苯酚的試驗(yàn)研究。海藻酸鈣凝膠顆粒中喊1%顆?；钚蕴迹?%海藻酸鈣，1%濕菌體。將該顆粒在聚乙烯亞氨溶液中浸泡可以提高固定化顆粒的機(jī)械強(qiáng)度。結(jié)果表明：與顆?；钚?/p>

12、炭相比，海藻酸鈣顆粒具有更高的苯酚去除效率。此外，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者做了大量研究，見(jiàn)下表。 表1 固定化細(xì)胞處理含苯酚等芳香族有機(jī)廢水污染物固定化材料固定化微生物內(nèi)容酚海藻酸鈣熱帶假絲酵母酚濃度從300mg/L降低至0.5mg/L苯酚卡拉膠熱帶假絲酵母容積負(fù)荷比傳統(tǒng)活性污泥曝氣池提高3.5倍瓊脂熱帶假絲酵母處理150mg/L的苯酚廢水瓊脂酚降解菌處理高達(dá)2000mg/L酚廢水效果優(yōu)于游離細(xì)胞活性炭、ACAM酚降解菌處理含酚廢水及其衍生物廢水PCP聚氨酯黃色桿菌酚濃度300mg/L，降解速率3.5-4.0mg/(g.d)聚氨酯黃色桿菌連續(xù)處理最大去除濃度為300mg/L的PCP廢水碳，海藻酸鈣真菌及

13、酶與非固定式比較處理PCP廢水氯苯胺海藻酸鈣假單胞菌處理含3-氯苯胺廢水2.含重金屬?gòu)U水的處理由于微生物經(jīng)固定化后，起穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗生物毒性物質(zhì)的能力大大增強(qiáng)。因此，可以被廣泛用于有機(jī)廢水中重金屬離子的去除。M.Iqba等用一種新型經(jīng)濟(jì)的多孔載體絲瓜瓤固定黃孢原毛平革菌（Phanerochaete hysosporium），制成吸附劑用以吸附溶液中Pb2+、Cu2+和Zn2+，并與懸浮液做了對(duì)比研究。在pH為6.0時(shí)，吸附1h達(dá)到平衡， Pb2+、Cu2+和Zn2+ 3種離子的去除率分別是88.2%、68.7%和39.6%，相對(duì)于懸浮液，去除率分別提高了14.6%、12.8%和16.1%。M.Y.Arica等將黃孢原毛平革菌（Phanerochaete hysosporium）固定在海藻酸鈣中，用于吸附人工靜態(tài)模擬廢水中30600mg/L的Pb2+和Zn2+，對(duì)其吸附容量做了細(xì)致研究 。結(jié)果表明，在pH5.0-6.0間，吸附60min后，加熱滅活菌對(duì)Pb2+、和Zn2+ 的吸附容量為355mg/g、48mg/g，大于活菌球的282mg/g、和37mg/g。嚴(yán)國(guó)安等利用褐藻酸鈣包埋固定普通小球藻，對(duì)人工配制的含汞廢水進(jìn)行靜態(tài)凈化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，固定藻對(duì)汞的