以秸稈和谷氨酸廢液制取生物絮凝劑及其凈水效能研究

【摘要】：生物絮凝劑作為一種高效、無毒、安全、可生物降解的綠色凈水劑,代表了絮凝劑的重要研發(fā)方向之一。然而制備成本偏高和作用范圍相對(duì)較窄等劣勢(shì)是制約其規(guī)?；瘧?yīng)用的主要瓶頸問題。針對(duì)上述問題,本文立足于廉價(jià)生物質(zhì)廢料的資源化利用,開展了以秸稈和谷氨酸廢液制取生物絮凝劑及其凈水效能的研究。 在優(yōu)化了產(chǎn)絮菌F2-F6發(fā)酵條件的基礎(chǔ)上,考察分批補(bǔ)料發(fā)酵方式對(duì)產(chǎn)絮菌F2-F6的影響。確定初始葡萄糖濃度為10g/L時(shí),碳源補(bǔ)料的最佳參數(shù)為：碳源最佳補(bǔ)料種類為葡萄糖,最佳補(bǔ)料時(shí)間為發(fā)酵15h時(shí),補(bǔ)料濃度為0.1%,補(bǔ)料方式為一次性投加；氮源補(bǔ)料不會(huì)增加生物絮凝劑產(chǎn)量,無需補(bǔ)加氮源。產(chǎn)絮菌F2-F6經(jīng)分批補(bǔ)料發(fā)酵24h后,其生物量增加了37.04%,絮凝劑產(chǎn)量增加了40.9%,糖利用率提高了5.51%,絮凝劑得率提高了28.15%,結(jié)果顯示分批補(bǔ)料發(fā)酵效果明顯好于分批發(fā)酵。 根據(jù)產(chǎn)絮菌F2-F6發(fā)酵過程的特點(diǎn),在Logistic方程和Luedeking-Piret方程的基礎(chǔ)上,建立了其發(fā)酵過程中菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)方程。采用Origin7.5軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了產(chǎn)絮菌F2-F6的分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)；模型預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值吻合較好,說明所建立的方程能較好地預(yù)測(cè)其實(shí)際發(fā)酵過程,具有很好的適用性。 采用正交試驗(yàn)等方法對(duì)秸稈預(yù)處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的預(yù)處理?xiàng)l件為：粒度40目的秸稈,在溫度80℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaOH溶液中反應(yīng)90min。預(yù)處理后的秸稈經(jīng)過微生物降解,轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到70.3%,還原糖產(chǎn)率為10.6%。產(chǎn)絮菌F2-F6利用秸稈糖化液產(chǎn)絮,絮凝率可達(dá)94%；秸稈經(jīng)過纖維素復(fù)合酶水解,在秸稈濃度50g/L,酶用量0.2g酶/g秸稈條件下,酶解得率為49.65%,以酶解液培養(yǎng)產(chǎn)絮菌F2-F6產(chǎn)絮,絮凝率達(dá)到96.5%。說明秸稈經(jīng)過預(yù)處理后,可以作為碳源替代葡萄糖制取生物絮凝劑,每噸秸稈制取生物絮凝劑產(chǎn)量最大值為87kg。 基于谷氨酸廢液的濃度梯度策略構(gòu)建谷氨酸廢液培養(yǎng)基：濃度為20%的谷氨酸廢液中補(bǔ)加8g/L的葡萄糖,無需添加額外的氮源即可作為替代培養(yǎng)基培養(yǎng)產(chǎn)絮菌F2-F6,絮凝率可達(dá)95.4%。廢水培養(yǎng)基培養(yǎng)產(chǎn)絮菌F2-F6的最佳發(fā)酵條件為：溫度30℃、初始pH7.0、搖床轉(zhuǎn)速140rpm、種子液接種量8%、發(fā)酵時(shí)間20h。每升谷氨酸廢液可以制備生物絮凝劑8.5g。發(fā)酵過程中,產(chǎn)絮菌細(xì)胞生長(zhǎng)和絮凝產(chǎn)物合成對(duì)發(fā)酵體系中溶解氧的要求存在差異,結(jié)合分階段供氧控制策略,在谷氨酸廢液和絮凝劑培養(yǎng)基制備生物絮凝劑的發(fā)酵過程中,需要集中大量供氧的時(shí)間分別為8h和21h。 結(jié)合谷氨酸生產(chǎn)工藝特點(diǎn),提出了以秸稈和谷氨酸廢液為底物生產(chǎn)生物絮凝劑的工藝流程,確定了生產(chǎn)過程主要操作條件及控制策略；并制定了生物絮凝劑生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。針對(duì)飲用水原水進(jìn)行了生物絮凝劑與助劑的復(fù)配絮凝試驗(yàn),并探討最佳投劑方式及投劑量。結(jié)果顯示,將生物絮凝劑與助劑復(fù)配使用可以得到最佳處理效果,在滿足出水水質(zhì)需求的同時(shí),總投劑量顯著降低。 【關(guān)鍵詞】：生物絮凝劑 產(chǎn)絮菌 分批補(bǔ)料發(fā)酵 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 谷氨酸廢液
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：X703.5
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-16
• 第1章 緒論16-31
• 1.1 研究背景16
• 1.1.1 生物絮凝劑16
• 1.1.2 生物絮凝劑研究中存在的問題16
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-29
• 1.2.1 生物絮凝劑種質(zhì)資源研究進(jìn)展16-21
• 1.2.2 生物絮凝劑發(fā)酵控制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)21-24
• 1.2.3 生物質(zhì)秸稈和谷氨酸廢液資源化利用24-26
• 1.2.4 生物絮凝劑的應(yīng)用研究26-29
• 1.3 課題研究的目的、意義及主要內(nèi)容29-31
• 1.3.1 課題來源29
• 1.3.2 研究目的及意義29
• 1.3.3 研究?jī)?nèi)容29
• 1.3.4 技術(shù)路線29-31
• 第2章 試驗(yàn)材料和方法31-39
• 2.1 試驗(yàn)材料31
• 2.1.1 原料和菌株31
• 2.1.2 培養(yǎng)基31
• 2.2 試驗(yàn)試劑和儀器31-33
• 2.2.1 試劑31-32
• 2.2.2 儀器32-33
• 2.3 試驗(yàn)方法33-35
• 2.3.1 秸稈預(yù)處理33
• 2.3.2 谷氨酸廢液預(yù)處理33
• 2.3.3 菌株培養(yǎng)方法33
• 2.3.4 菌濁的測(cè)定33
• 2.3.5 菌體干重的測(cè)定33
• 2.3.6 產(chǎn)絮菌生長(zhǎng)曲線測(cè)定33-34
• 2.3.7 纖維素菌生長(zhǎng)曲線測(cè)定34
• 2.3.8 絮凝活性成分粗提34
• 2.3.9 還原糖產(chǎn)率計(jì)算方法34
• 2.3.10 酶解得率計(jì)算方法34
• 2.3.11 發(fā)酵液中殘?zhí)堑臏y(cè)定34-35
• 2.3.12 混凝杯罐試驗(yàn)35
• 2.3.13 絮凝效果測(cè)定35
• 2.3.14 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定35
• 2.4 分析方法35-39
• 2.4.1 還原糖含量測(cè)定35-36
• 2.4.2 酶活的測(cè)定36
• 2.4.3 纖維素降解菌產(chǎn)纖維素酶活測(cè)定36
• 2.4.4 木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量測(cè)定36-37
• 2.4.5 TOC、TN測(cè)定及溶解氧測(cè)定37
• 2.4.6 秸稈預(yù)處理前后、降解前后表面形貌觀察37
• 2.4.7 谷氨酸廢液水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定37
• 2.4.8 酶解液成分分析37-39
• 第3章 生物絮凝劑分批補(bǔ)料發(fā)酵優(yōu)化控制與動(dòng)力學(xué)特性39-75
• 3.1 引言39
• 3.2 生物絮凝劑產(chǎn)生菌F2-F6發(fā)酵條件優(yōu)化39-50
• 3.2.1 種齡39-41
• 3.2.2 發(fā)酵時(shí)間41-42
• 3.2.3 發(fā)酵溫度42-43
• 3.2.4 pH43-46
• 3.2.5 溶解氧46-48
• 3.2.6 搖床轉(zhuǎn)速48-49
• 3.2.7 裝液量49-50
• 3.3 生物絮凝劑分批補(bǔ)料發(fā)酵50-62
• 3.3.1 分批發(fā)酵培養(yǎng)過程分析50-52
• 3.3.2 補(bǔ)加碳源52-60
• 3.3.3 補(bǔ)加氮源60-61
• 3.3.4 分批補(bǔ)料發(fā)酵效果與分批發(fā)酵效果對(duì)比61-62
• 3.4 生物絮凝劑產(chǎn)生菌發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特性62-74
• 3.4.1 動(dòng)力學(xué)模型的選擇62-65
• 3.4.2 動(dòng)力學(xué)方程的求解與分析65-74
• 3.5 本章小結(jié)74-75
• 第4章 以秸稈為原料制取生物絮凝劑75-92
• 4.1 引言75
• 4.2 纖維素降解菌HIT-3的復(fù)壯75-76
• 4.3 秸稈預(yù)處理工藝優(yōu)化76-80
• 4.3.1 稀酸稀堿預(yù)處理76-77
• 4.3.2 稀堿預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化77-78
• 4.3.3 秸稈粒度對(duì)還原糖產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率的影響78
• 4.3.4 氫氧化鈉預(yù)處理對(duì)秸稈成分的影響78-79
• 4.3.5 預(yù)處理對(duì)秸稈表面形貌的影響79-80
• 4.4 預(yù)處理后秸稈纖維素的糖化80-87
• 4.4.1 纖維素降解菌對(duì)預(yù)處理后秸稈的糖化作用80-83
• 4.4.2 纖維素復(fù)合酶系對(duì)預(yù)處理后秸稈的糖化作用83-87
• 4.5 以秸稈糖化液為底物制取生物絮凝劑87-91
• 4.5.1 秸稈糖化液滅菌和除菌處理對(duì)絮凝效果的影響87-88
• 4.5.2 滅菌后秸稈糖化液的碳氮含量88
• 4.5.3 產(chǎn)絮菌F2-F6的產(chǎn)絮能力88-89
• 4.5.4 補(bǔ)加氮源后產(chǎn)絮菌F2-F6產(chǎn)絮凝劑的絮凝效果89-91
• 4.5.5 秸稈制取生物絮凝劑產(chǎn)量分析91
• 4.6 本章小結(jié)91-92
• 第5章 谷氨酸廢液制備生物絮凝劑92-108
• 5.1 引言92
• 5.2 谷氨酸廢液的來源及性質(zhì)92-94
• 5.2.1 谷氨酸廢液的來源92-93
• 5.2.2 谷氨酸廢液性質(zhì)93-94
• 5.3 谷氨酸廢液培養(yǎng)基的配置與優(yōu)化94-97
• 5.3.1 谷氨酸廢液水質(zhì)分析94
• 5.3.2 廢水濃度對(duì)絮凝活性的影響94-95
• 5.3.3 葡萄糖濃度對(duì)絮凝活性的影響95-96
• 5.3.4 不同碳源對(duì)絮凝活性的影響96
• 5.3.5 不同氮源對(duì)絮凝活性的影響96-97
• 5.4 環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)絮菌F2-F6的影響97-103
• 5.4.1 初始pH值97-98
• 5.4.2 搖床轉(zhuǎn)速98-99
• 5.4.3 發(fā)酵溫度99
• 5.4.4 發(fā)酵時(shí)間99-100
• 5.4.5 接種量100-101
• 5.4.6 最佳環(huán)境條件下產(chǎn)絮菌F2-F6的生長(zhǎng)101-103
• 5.5 以谷氨酸廢液為原料制取生物絮凝劑103-107
• 5.5.1 產(chǎn)絮菌F2-F6在兩種培養(yǎng)基中生長(zhǎng)過程比較103-106
• 5.5.2 以谷氨酸廢液制取生物絮凝劑的產(chǎn)量分析106-107
• 5.6 本章小結(jié)107-108
• 第6章 生物絮凝劑生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用試驗(yàn)108-119
• 6.1 引言108
• 6.2 生物絮凝劑生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)108-113
• 6.2.1 生產(chǎn)原料主要技術(shù)規(guī)格、用量108
• 6.2.2 設(shè)備選型108-109
• 6.2.3 生產(chǎn)工藝流程109-111
• 6.2.4 生產(chǎn)過程主要操作條件與控制策略111
• 6.2.5 生物絮凝劑產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的擬定111-113
• 6.3 綜合效益分析113-115
• 6.3.1 經(jīng)濟(jì)效益113-114
• 6.3.2 環(huán)境效益114
• 6.3.3 社會(huì)效益114-115
• 6.4 對(duì)夏季富營(yíng)養(yǎng)化飲用水原水的處理115-118
• 6.4.1 水質(zhì)在線檢測(cè)115-116
• 6.4.2 處理效果116-118
• 6.5 本章小結(jié)118-119
• 結(jié)論119-121
• 參考文獻(xiàn)121-130
• 讀博士學(xué)位期間發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)論文130-132
• 致謝132-133
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷133

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脫色酶和優(yōu)勢(shì)菌混合固定化降解染料的研究    宋文華,顏慧,胡國(guó)臣,馮,莊源益,戴樹桂

表面活性劑與蛋白質(zhì)相互作用的研究進(jìn)展    劉靜,徐桂英

放射狀土壤桿菌M-503產(chǎn)生物絮凝劑的制備、純化及應(yīng)用研究    李強(qiáng)

“shotgun”蛋白質(zhì)組學(xué)策略解決若干生物工程問題研究    王玉霞

谷氨酸棒桿菌合成新型生物絮凝劑分批發(fā)酵過程的溶氧控制模式    何寧,李寅,陳堅(jiān),李清彪

生物絮凝劑的現(xiàn)狀和發(fā)展    張杰;姚瑞珍;劉子國(guó);楊靜;

新型蛋白聚糖類生物絮凝劑REA-11的合成途徑    關(guān)惠琴,李寅,何寧,堵國(guó)成,陳堅(jiān)

生物絮凝劑高產(chǎn)菌株的選育    何寧,吳海軍,鄧旭,盧英華,孫道華,李清彪

生物絮凝劑的研究    顏延寧;

生物絮凝劑絮凝活性評(píng)價(jià)方法的探討    王蘭

Galactomyces sp.產(chǎn)生的生物絮凝劑絮凝活性研究    萬鷹昕;丁彥;

生物絮凝劑在啤酒廢水處理中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)    樊萍;盧艷;孫凱剛;

生物絮凝劑產(chǎn)生菌的篩選及其培養(yǎng)條件優(yōu)化    潘素娟,王榮民,達(dá)文燕,牛世全,王云普

生物絮凝劑的絮凝活性與絮凝條件研究    陳井影;宋憲臣;劉亞潔;劉金生;

復(fù)合型生物絮凝劑的研究與開發(fā)    馬放;

復(fù)合型生物絮凝劑的初步分離提取研究    馬放;王薇;

環(huán)境條件對(duì)高效產(chǎn)絮菌BF-6絮凝活性的影響研究    高磊;任南琪;王愛杰;馬放;由陽;

生物絮凝劑產(chǎn)生菌M-503的分離鑒定及絮凝特性研究    李強(qiáng);陳明;夏蕊蕊;張玉臻;

一種新型蛋白聚糖類生物絮凝劑的發(fā)酵、絮凝條件及分離純化    何寧;李寅;陳堅(jiān);

生物絮凝劑產(chǎn)生菌DSF-1的分離及絮凝活性研究    錢偉;陳盛;佘晨興;馬秀玲;

生物絮凝劑產(chǎn)生菌DSF-1的分離及絮凝活性研究    錢偉;陳盛;余晨興;馬秀玲;

新一代高效無毒水處理劑-微生物絮凝劑的開發(fā)應(yīng)用前景    張本蘭;

水處理生物絮凝劑菌種資源研究進(jìn)展    朱艷彬;馬放;李大鵬;

水處理絮凝劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)    何鐵林;

復(fù)合生物絮凝劑市場(chǎng)潛力大    劉瑞峰 曹霽陽

生物凈水劑徹底除污    本報(bào)記者　 汪波

高科技讓廢秸稈又添一種新用途    劉瑞峰 李麗云

我突破污水處理世界性難題    記者 吳金慧

高科技讓廢秸稈又添一種新“本事”    劉瑞峰 記者　 李麗云

廢秸稈代替大豆制凈水劑處理污水    劉瑞峰 記者　 初霞

哈工大學(xué)研制新型絮凝劑    劉瑞峰 記者　 高天賦

陳集鎮(zhèn)鐵腕治污打造生態(tài)環(huán)境型城鎮(zhèn)    張帆 閻世存

“化污”攻關(guān)哈工大科學(xué)家緊急行動(dòng)    馬曉華

環(huán)保產(chǎn)品離百姓生活并不遙遠(yuǎn)    葉濱劉述波 胡占富

以秸稈和谷氨酸廢液制取生物絮凝劑及其凈水效能研究    李大鵬

產(chǎn)絮菌的差異表達(dá)蛋白質(zhì)及其功能解析研究    于冰

基于產(chǎn)絮克隆菌的遺傳及產(chǎn)絮特性研究    常玉廣

放射狀土壤桿菌M-503產(chǎn)生物絮凝劑的制備、純化及應(yīng)用研究    李強(qiáng)

產(chǎn)絮菌合成生物絮凝劑特性及絮凝成分解析    王薇

節(jié)桿菌LF-Tou2的分離和產(chǎn)生生物絮凝劑的特征研究    欒興社

枯草芽孢桿菌B53的分離鑒定及產(chǎn)聚γ-谷氨酸的研究    惠明

兩段式厭氧工藝產(chǎn)甲烷發(fā)酵特性及微生物生態(tài)調(diào)控機(jī)制研究    趙光

高靜水壓對(duì)種子植物及真菌的影響和誘變作用    申斯樂

微生物絮凝劑MBFXH的制備及其性能研究    湛雪輝

利用工業(yè)廢水生產(chǎn)生物絮凝劑及其性能研究    喬福珍

黑曲霉A80產(chǎn)生物絮凝劑的培養(yǎng)條件及其絮凝特性研究    黃強(qiáng)

鐵基生物絮凝劑的制備與應(yīng)用研究    王慧敏

高效綠色生物絮凝劑的微波合成及其在廢水處理中的應(yīng)用    李佳鳳

復(fù)合生物絮凝劑CBF-1的制備及絮凝特性研究    雷志斌

聚γ-谷氨酸的產(chǎn)生菌篩選、發(fā)酵及絮凝特性研究    馬曉娜

鐵基生物絮凝劑的改性及其對(duì)廢水中F~-和Ca~(2+)的去除研究    苗雨

多種底物混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷及制取生物絮凝劑的研究    周婷

新型復(fù)合脂質(zhì)吸附劑的制備及其性能表征    任燁

細(xì)菌胞外聚合物的合成規(guī)律及應(yīng)用    代艷華