CN100999728A - 固定化微生物载体及制备方法 - Google Patents
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Abstract
固定化微生物载体及其制备方法是一种具有高比表面积的亲水性聚酯纤维材料的固定化微生物载体及制备方法,纳米级高分子纤维膜是由亲水性聚酯纳米纤维或者含有添加剂的亲水性聚酯纳米纤维无规堆砌而成,亲水性聚酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。其制备方法是将聚酯溶于溶剂中得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个或多个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正或负3千伏-120千伏,接收装置接地,进行电纺,得到聚酯纤维;将聚酯纤维经过等离子体处理10秒-1小时后,纤维表面结合羟基、羧基、氨基中的一种或多种基团,得到亲水性聚酯纳米纤维膜。
Description
技术领域
本发明是一种固定化微生物载体及制备方法,属于固定化微生物载体制备的技术领域。
背景技术
地表水地富营养化已经成为世界范围内的环境问题。在我国,富营养化湖泊的比例目前已达到60%,太湖、滇池等重要水源水体在夏秋季节频繁爆发蓝藻水华,释放藻毒素,严重威胁了当地居民的健康,影响了工农业发展。
作为水生生态***生物种群结构和功能的重要组成部分,溶藻菌对维持藻的生物量平衡有着重要作用。水华和赤潮的突然消亡可能就与溶藻菌有关。在利用物理、化学和其他生物方法治理水华不甚理想的情况下,作为一种生物除藻技术,溶藻菌近年来受到国内外学者的关注。有学者尝试从自然水体或活性底泥中直接分离、纯化溶藻细菌,也有报道通过在自然水体中撒布溶藻菌群,进行自然水体中的除藻,等等。所有这些为溶藻细菌应用于自然水体除藻提供了有益的尝试,也获得了一定的效果。但同时也存在一定缺陷,如:自然水体中溶藻菌的本底值较低使得细菌利用率低和除藻效能低下、细菌的生物量及时空分布不能有效控制、可能形成微生物对环境的二次污染等问题,以及由于各研究水体背景资料和优势土著溶藻细菌的菌属不尽相同,也导致相关研究成果的应用受限。因此,在分离、纯化获得高效溶藻菌的基础上,如何增强溶藻菌的溶藻和降解藻毒素作用,就具有较为重要的现实意义。
固定化微生物技术的发展为上述问题的解决提供了一个很好的思路。固定化微生物技术是在酶固定化技术基础上发展起来的,它是一种采用物理或化学方法和手段,将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内,使其保持活性并可反复利用的一种技术。80年代后期,随着水环境污染的日益严重,研究高效生物处理污水***的要求日益迫切,国内外开始关注并开始将固定化微生物技术应用于污水处理工程中。实践证明,作为一种新型生物技术,不仅可以大幅度提高参加反应的微生物浓度,延长作用时间,增强抗毒能力和耐受力,而且固液分离容易,减少了二次污染。特别是在流态化反应中,一则使微生物细胞不易流失,二则可根据具体的处理要求,控制反应器内的生物量和传质面,从而实现快速启动、稳定运行、减少设备投资费用、节省能源、强化反应过程、提高处理效能的目的。
固定化微生物技术中,人工介质载体的获得是关键。理想的固定化微生物载体应该具备对微生物细胞无毒性,传质性能好,透气性和透光性良好,性质稳定,不易被微生物分解,机械强度高,使用寿命长,价格低廉等特性。载体主要分为两大类,一类为自然载体,如碎石、煤渣、焦炭、硅藻土、石英砂、硅胶、沸石及活性炭等,另一类为合成的人工介质载体,如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乳酸等。自然载体具有容易获得、价格低廉、可重复利用等优点,但与微生物结合不牢易脱落,而且固定的微生物量少;人工介质载体可以根据试验目的专门合成,以达到强化反应过程、增加固定的微生物量、提高处理效能的目的。
发明内容
技术问题:本发明的目的是针对固定化微生物技术中,载体与微生物结合不牢易脱落以及固定的微生物量少等缺陷,提供一种具有高比表面积的亲水性聚酯纤维材料的固定化微生物载体及制备方法,该固定化材料能够很好地固定溶藻菌。
技术方案:基于以上的思路,我们制备一种对生物无毒、传质性能良好、强度较高、且吸附固定的生物量多的有机高分子类载体,以建立一种固定化溶藻菌技术。
本发明的固定化微生物载体是一种纳米级高分子纤维膜,是由亲水性聚酯纳米纤维或者含有添加剂的亲水性聚酯纳米纤维无规堆砌而成,亲水性聚酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。高分子纤维膜是聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯中的一种或几种的组合。所述的添加剂是单糖、双糖、多糖、多肽、氨基酸、纤维素及其衍生物中的一种或多种,这些添加剂的含量是聚酯质量的0.1%-10%。
本发明的固定化微生物载体的制备方法是将聚酯溶于溶剂中得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个或多个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正或负3千伏-120千伏,接收装置接地,进行电纺,得到聚酯纤维;将聚酯纤维经过等离子体处理10秒-1小时后,纤维表面结合羟基、羧基、氨基中的一种或多种基团,得到亲水性聚酯纳米纤维膜。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
超高比表面纤维材料在高效化学和生物吸附分离材料、高效传感器、细胞和药物分子载体等方面有广泛的应用前景,作为固定化微生物技术中有机高分子类载体可能进一步扩大其应用范围。减小纤维直径可以提高纤维比表面积。采用静电纺丝可以获得直径为数十纳米至数百纳米的超细纤维,从而极大地提高纤维的比表面积。例如,当纤维直径为100nm时,比表面积约44m2/g左右,而普通纤维材料的比表面积仅0.1m2/g左右。
本发明通过电纺技术制备聚纳米纤维,并对其进行亲水性改性,获得一种具有超高比表面积的亲水性聚酯纳米纤维材料,进一步采用固定化微生物技术将经筛选的高效溶藻菌固定到人工介质上,强化其除藻功能。聚己内酯具有生物降解性,是一种环境友好材料。
有益效果:本发明和现有技术相比,具有如下优点:
(1)本发明提供的一种固定化微生物载体是由聚酯纳米纤维无规则堆砌而成,含有大量的微孔,具有超高比表面积和良好的通透性;通过等离子处理方法改善了聚酯纤维材料的亲水性,使之具有较好的微生物亲和性。
(2)本发明提供的一种固定化微生物载体——亲水性聚酯纤维材料不仅具有超高比表面积,还含有促进微生物黏附的因子,可以解决载体与微生物结合不牢易脱落以及固定的微生物量少等固定化微生物载体普遍存在的问题。
(3)本发明提供的亲水性聚己内酯纳米纤维材料具有制备工艺简单的特点。
(4)本发明提供的亲水性聚己内酯纳米纤维材料具有生物降解性。
(5)本发明提供的聚己内酯纳米纤维膜固定化芽孢杆菌后,对铜绿微囊藻24h、48h的溶藻率为54%、97%,其回收率为104%;
(6)本发明提供的聚己内酯纳米纤维膜固定化芽孢杆菌后,如果加入适量的菌培养营养物质,对铜绿微囊藻24h、48h溶藻率为60%、100%,其回收率为106%。
具体实施方式
本发明的固定化微生物载体是一种纳米级高分子纤维膜,是由亲水性聚酯纳米纤维或者含有添加剂的亲水性聚酯纳米纤维无规堆砌而成,亲水性聚酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。高分子纤维膜是聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的一种或几种的组合。所述的添加剂是单糖、双糖、多糖、多肽、氨基酸、纤维素及其衍生物中的一种或多种,这些添加剂的含量是聚酯质量的0.1%-10%。该聚酯纳米纤维膜是一种亲水性聚酯纤维,表面可以结合羟基、羧基、氨基、单糖、氨基酸中的一种或多种基团。
固定化微生物载体的制备方法是将聚酯溶于溶剂中得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个或多个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正或负3千伏-120千伏,接收装置接地,进行电纺,得到聚酯纤维;将聚酯纤维经过等离子体处理10秒-1小时后,纤维表面结合羟基、羧基、氨基中的一种或多种基团,得到亲水性聚酯纳米纤维膜。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例1
将聚己内酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中,得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正8千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用等氩气离子体处理5分钟得到亲水性聚己内酯纤维膜。亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例2
将聚己内酯溶于二甲亚砜中,得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为负30千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用氩气等离子体处理10分钟得到亲水性聚己内酯纤维膜。亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例3
将聚己内酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中,得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到三个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为负10千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用等离子体处理30分钟得到亲水性聚己内酯纤维膜。亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例4
将聚对苯二甲酸乙二醇酯溶于六氟异丙醇中,得到电纺溶液,搅拌均匀后得到电纺混合物,加入储罐中,通过泵或导管连接到三个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为负4千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚酯纤维材料,用等离子体处理20分钟得到亲水性聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维材料。亲水性聚对苯二甲酸乙二醇酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例5
将聚对苯二甲酸丙二醇酯溶于六氟异丙醇中,得到电纺溶液,搅拌均匀后得到电纺混合物,加入储罐中,通过泵或导管连接到三个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为负4千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚酯纤维材料,用等离子体处理20分钟得到亲水性聚酯纤维材料。亲水性聚对苯二甲酸丙二醇酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例6
将聚己内酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中,得到电纺溶液,并将葡萄糖溶于上述溶液中,葡萄糖的含量是聚己内酯质量的5%,搅拌均匀后得到电纺混合物,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正50千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用等离子体处理1小时得到亲水性聚己内酯纤维膜。添加了葡萄糖成分的亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例7
将聚对苯二甲酸乙二醇酯溶于六氟异丙醇中,得到电纺溶液,并将纤维素溶于上述溶液中,纤维素的含量是聚对苯二甲酸乙二醇酯质量的1%,搅拌均匀后得到电纺混合物,加入储罐中,通过泵或导管连接到三个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为负4千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维材料,用等离子体处理20分钟得到亲水性聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维材料。添加了纤维素成分的亲水性聚对苯二甲酸丙二醇酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例8
将聚己内酯溶于六氟异丙醇中,得到电纺溶液,并将透明质酸溶于上述溶液中,透明质酸是聚己内酯质量的0.5%,搅拌均匀后得到电纺混合物,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为负25千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用等离子体处理5分钟得到亲水性聚己内酯纤维膜。添加了透明质酸成分的亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
实施例9
将聚己内酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中,得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到二个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正15千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用等离子体处理10分钟得到亲水性聚己内酯纤维膜。亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氨气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
面积为2cm×3cm的亲水性聚己内酯纤维膜固定化芽孢杆菌不同时间后的细菌数见表1。结果显示,亲水性聚己内酯纤维膜36小时固定化芽孢杆菌的浓度达到3.0×107个/ml。单位面积固定化芽孢杆菌数为5.0×106个/cm2。
表1亲水性聚己内酯纤维膜固定化芽孢杆菌数
固定化时间 | 细菌培养液(个/ml) | 聚己内酯纤维(个/ml) |
18h24h30h36h | 5.1×1064.3×1077.2×1085.0×109 | 8.5×1052.4×1067.8×1063.0×107 |
实施例10
将聚己内酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中,得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为负5千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用等离子体处理10秒得到亲水性聚己内酯纤维膜。亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
亲水性聚己内酯纤维膜固定化芽孢杆菌后对铜绿微囊藻24h、48h的溶藻率为54%、97%(表2),回收率为104%。亲水性聚己内酯纤维膜本身对藻细胞也有一定吸附抑制作用。
表2亲水性聚己内酯纤维膜固化芽孢杆菌的溶藻率(%)
作用时间(h) | 藻浓度(×107个/ml) | 亲水性聚己内酯纤维膜固定化细菌 | 游离细菌对照 | 亲水性聚己内酯纤维膜 |
02448 | 1.41.551.68 | 05497 | 04393 | 0412 |
实施例11
将聚己内酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中,得到电纺溶液,并将葡萄糖和蛋白胨溶于上述溶液中,葡萄糖是聚己内酯质量的5%,蛋白胨是聚己内酯质量的1%,搅拌均匀后得到电纺混合物,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正30千伏,接收装置接地,进行电纺,制得聚己内酯纤维膜,将聚己内酯纳米纤维膜用等离子体处理30秒得到亲水性聚己内酯纤维膜。添加了葡萄糖和蛋白胨的亲水性聚己内酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
添加了葡萄糖和蛋白胨等成分的亲水性聚己内酯纤维膜固定化芽孢杆菌后对铜绿微囊藻24h、48h的溶藻率为60%、100%(表3)。其回收率为106%。
表3加入添加剂后亲水性聚己内酯纤维膜固定化芽孢杆菌的溶藻率(%)
作用时间(h) | 藻浓度(×107个/ml) | 亲水性聚己内酯纤维膜固化细菌 | 游离细菌对照 | 亲水性聚己内酯纤维膜 |
02448 | 1.41.51.65 | 060100 | 04694 | 0413 |
Claims (5)
1.一种固定化微生物载体,其特征在于该固定化微生物载体是一种纳米级高分子纤维膜,是由亲水性聚酯纳米纤维或者含有添加剂的亲水性聚酯纳米纤维无规堆砌而成,亲水性聚酯纳米纤维为带状纤维,纤维直径为100纳米-5000纳米。
2.根据权利要求1所述的固定化微生物载体,其特征在于高分子纤维膜是聚己内酯、聚对苯二甲酸二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的固定化微生物载体,其特征在于所述的添加剂是单糖、多肽、蛋白质、纤维素及其衍生物中的一种,这些添加剂的含量是聚酯质量的0.1%-10%。
4.一种如权利要求1所述的固定化微生物载体的制备方法,其特征在于该方法是将聚酯溶于溶剂中得到电纺溶液,加入储罐中,通过泵或导管连接到一个或多个喷射头,喷射头接直流高压电场,电压为正或负3千伏-120千伏,接收装置接地,进行电纺,得到聚酯纤维;将聚酯纤维经过等离子体处理10秒-1小时后,纤维表面结合羟基、羧基、氨基中的一种或多种基团,得到亲水性聚酯纳米纤维膜。
5.根据权利要求4所述的固定化微生物载体的制备方法,其特征在于等离子体处理是在氩气、空气、氨气或氮气气氛中进行辉光放电等离子体处理。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |