固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的特性研究

武 運，劉永建，葛 風，田永剛，魏倩蕓，古麗娜孜

固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的特性研究

武 運，劉永建，葛 風，田永剛，魏倩蕓，古麗娜孜

(新疆農業大學食品科學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

用啤酒廢酵母作吸附劑，以海藻酸鈉作包埋劑將酵母固定化制作成小球，分別從吸附時間、溫度、酵母小球用量、Cr6+溶液質量濃度、pH值等因素，研究啤酒廢酵母菌體對Cr6+的吸附特性。確定固定化啤酒廢酵母對Cr6+吸附的最佳條件為：吸附時間1.5h、溫度15℃、酵母小球用量3g/20mL、Cr6+溶液質量濃度40mg/L、pH值為3。在該條件下，對Cr6+最大吸附率為27.6%，最大吸附量為10.8mg/g。其中pH值、Cr6+溶液質量濃度、酵母小球用量3個因素對Cr6+吸附特性影響較大，其余因素影響較小。

啤酒廢酵母；固定化；吸附；Cr6+

隨著工業，特別是化工業的發展，廢水大量排放，土壤和水源中重金屬累積愈來愈多。對廢水處理的方法很多，近年來利用微生物吸附重金屬離子在工業廢水治理中日益受到人們的重視[1]。而采用固定化微生物處理廢水中的重金屬離子，易于控制顆粒大小，且處理效率高，穩定性強，固液分離容易。

啤酒廢酵母對大多數有毒重金屬如Cd、Pb、Cu、Hg、Ni等有良好的吸附效果；啤酒廢酵母是啤酒生產的重要副產物，我國僅2003年一年產生的廢酵母量就達4.9～7.4萬t，這些廢酵母大多作為廢棄物排入啤酒廢水，增加了啤酒廢水的處理負荷和難度[2]。因此，利用這種價廉易得的廢棄啤酒酵母作為吸附材料去除廢水中的重金屬對于環境的治理具有重要的意義。

本研究以啤酒廢酵母作為吸附劑，對影響固定化酵母小球吸附Cr6+的吸附時間、溫度、小球用量、Cr6+溶液質量濃度、pH值等主要因素進行研究，以期為處理廢水中的Cr6+提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

啤酒廢酵母 新疆烏蘇啤酒廠。

K2Cr2O7濟南匯豐達化工有限公司；海藻酸鈉、尿素、丙酮 杭州長青化工有限公司；二苯碳酰二肼天津市光復精細化工研究所。

1.2 儀器與設備

AR2130/C型電子精密天平 奧豪斯國際貿易有限公司；PHS-4型精密pH計、TV-1810型紫外分光光度計上海精密科學儀器有限公司；CS101-1型電熱鼓風干燥箱 重慶試驗設備廠；SHZ-82型水浴恒溫振蕩器 江蘇省金壇市醫療儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 菌體的制備

用去離子水洗滌啤酒廢酵母2～3次，再于3500r/min離心10min后收集菌體，60℃烘干，冷卻后研磨成細小粉末，干燥保存備用[3]。

1.3.2 固定化酵母小球的制備

稱取6g海藻酸鈉，加200g去離子水，80℃水浴加熱約2h至形成均一透明的溶液，冷卻至40℃后與5g酵母粉混勻，用10mL注射器吸取溶液滴入冰水浴狀態下含4g/100mL氯化鈣的飽和硼酸溶液中，制成直徑約為3mm的小球，冷藏24h，洗凈備用[4-5]。

1.3.3 Cr6+溶液的配制

取K2Cr2O7放入鼓風干燥箱內80℃干燥24h，冷卻后快速稱取0.2829g溶解后定容至1000mL，制得100mg/L Cr6+溶液。

1.3.4 顯色劑的配制

稱0.5g二苯碳酰二肼，用125mL丙酮溶解后，移入250mL容量瓶中用蒸餾水定容，再與濃硫酸和濃磷酸各31mL混勻，冷藏12h，避光保存。

1.3.5 標準曲線的繪制

吸取Cr6+溶液5mL移入500mL容量瓶，定容得1mg/L的Cr6+溶液(A液)，分別吸取A液0、2.5、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0mL，移入50mL容量瓶中，定容后分別移入50mL三角瓶中，再向三角瓶中分別加2.5mL顯色劑，混勻后靜置10min，移入1cm石英比色皿中，于540nm波長處比色[6]，繪制標準曲線為：Y=0.0089X+0.0023(R2＝0.9992)，式中：Y為吸光度，X為Cr6+含量/(μg/mL)。

1.4 吸附實驗

配制10～80mg/L的Cr6+溶液，調至pH3～9，吸取20mL移入50mL碘量瓶中，加入1～3g的啤酒廢酵母小球放入5～40℃的水浴振蕩器中，轉速150r/min的條件下，吸附0.5～7h，然后再吸取清液稀釋50倍，加入顯色劑比色并計算質量濃度[7]。

1.5 正交試驗設計

為確定顯著影響固定化啤酒廢酵母體吸附性能的因素及各因素的最佳組合，選取A溫度、B時間、C Cr6+質量濃度、D酵母小球用量設計正交試驗如表1所示。

表1 L9(34)正交試驗因素水平設計表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

1.6 指標測定

式中：Q為吸附量/(mg/g干質量)；V為吸附液體積/L；m為吸附劑干質量/g；ρ0為吸附前溶液中的Cr6+質量濃度/(mg/L)；ρ1為吸附后溶液中的Cr6+質量濃度/ (mg/L)；R為吸附率/%。

2 結果與分析

2.1 吸附時間對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在溫度為25℃，Cr6+溶液初始質量濃度為50mg/L，酵母小球用量為1g/20mL，pH值為7，振蕩器轉速150r/min的條件下，考察吸附時間對吸附率的影響。結果如圖1所示。

圖1 時間對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附率的影響Fig.1 Effect of length of adsorption time on Cr6+adsorption ratio

由圖1可知，在剛開始的1h內吸附率隨時間迅速增加，且在1h時吸附率達到最大值19.8%。此后吸附率隨時間緩慢減小，到7h時減小至13.1%。結果表明用啤酒廢酵母吸附Cr6+并不是吸附時間越長吸附效果越好。

2.2 溫度對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在吸附時間1h，酵母小球用量1g/20mL，pH值為7，振蕩器轉速150r/min的條件下，考察溫度對吸附率的影響，結果如圖2所示。

圖2 溫度對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附率的影響Fig.2 Effect of temperature on Cr6+adsorption ratio

由圖2可知，低溫有利于提高吸附率，在10℃時，吸附率達到最大值15.6%，之后隨著溫度的提高吸附率逐漸降低，低于10%。可推測生物吸附與物理吸附相似也是吸熱反應。

2.3 Cr6+溶液質量濃度對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在吸附時間1h，溫度為10℃，酵母小球用量1g/20mL，pH值為7，振蕩器轉速150r/min的條件下，研究Cr6+溶液質量濃度對吸附量的影響，結果如圖3所示。

圖3 Cr6+溶液質量濃度對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附量的影響Fig.3 Effect of Cr6+concentration on its adsorption quantity

由于在此單因素試驗中除Cr6+溶液質量濃度有變化外，其余都不變，由計算吸附率的公式可知當吸附量最大時吸附率也最大，因此可考察吸附量來描述Cr6+溶液質量濃度對吸附的影響。由圖3可知，Cr6+溶液質量濃度較低時，吸附量隨質量濃度增大而快速增大，當質量濃度為50mg/L時吸附量達到最大值2.265mg/g，但當質量濃度高于50mg/L后，吸附量隨著質量濃度的增加而緩慢減小。可見吸附效果并非底物質量濃度越高越好。

2.4 pH值對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在吸附時間1h，溫度10℃，酵母小球用量1g/20mL，Cr6+質量濃度50mg/L，振蕩器轉速150r/min的條件下，考察pH值對吸附率的影響，結果如圖4所示。

圖4 pH值對固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附率的影響Fig.4 Effect of pH on Cr6+adsorption ratio

由圖4可知，隨著pH值的升高吸附率明顯降低，且pH值在3～4范圍內吸附率下降了5%，變化幅度極大。可推斷酸性條件有利于增大吸附率。

2.5 正交試驗設計

從表2可以看出，吸附率最高的最優組合為A3B3C1D3，即吸附溫度15℃、吸附時間1.5h、Cr6+起始質量濃度40mg/L、酵母小球用量3g/20mL、pH3。其中pH值對吸附率的影響最大，其次是Cr6+起始質量濃度，影響最小的是時間。通過比較實驗，在此條件下固定化啤酒酵母廢菌體吸附水中重金屬Cr6+的最大吸附率為27.6%，最大吸附量為10.8mg/g。

表2 正交試驗結果分析Table 2 Orthogonal array design layout and experimental results

3 討 論

固定化啤酒廢酵母吸附水中重金屬Cr6+的最佳工藝條件是：吸附時間1.5h、吸附溫度15℃、Cr6+溶液起始質量濃度40mg/L、酵母小球添加量3g/20mL、pH3，水浴恒溫振蕩器轉速為150r/min，在此條件下固定化啤酒廢酵母吸附水中重金屬Cr6+的最大吸附率為27.6%，最大吸附量為10.8mg/g。由正交試驗結果得出對吸附效果影響最大的是pH值，其次是Cr6+起始質量濃度，影響最小的是時間。

本實驗只做了固定化酵母對Cr6+的吸附，但是在吸附過程中因為離子之間的相互作用力的存在，在吸附時會受到影響[8-9]，因此在實際應用時還要考慮其他離子對吸附時的干擾。關于這部分還有待于進一步分析研究。

[1]張帥, 程昊. 啤酒廢酵母對Cr(Ⅵ)的吸附[J]. 環境工程學報, 2009, 3 (3): 489-490.

[2]孟慶娟, 劉建平, 戚秀云, 等. 啤酒酵母生物吸附劑的應用研究進展[J]. 東北農業大學學報, 2008, 39(10): 122-126.

[3]寧正祥. 食品成分分析手冊[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 1998: 610-612.

[4]武運, 楊海燕, 朱建雯. 固定化啤酒酵母廢菌體吸附Cu2+的研究[J].新疆農業大學學報, 2007, 30(4): 102-105.

[5]曹德菊, 程培. 3種微生物對Cu、Cd生物吸附效應的研究[J]. 農業環境科學學報, 2004, 23(3): 471-474.

[6]徐惠娟, 廖生赟, 龍敏南, 等. 啤酒酵母生物吸附鎘的研究[J]. 工業微生物, 2004, 34(2): 12-14.

[7]吳德好. 測定飲用水中六價鉻的新方法[J]. 中國衛生檢驗雜志, 2005, 15(7): 832-866.

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Biosorption of Cr6+by Immobilized Waste Beer Yeast Biomass

WU Yun，LIU Yong-jian，GE Feng，TIAN Yong-gang，WEI Qian-yun，GU Linazi
(College of Food Science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Waste beer yeast was embedded into sodium alginate based spheres for providing a bioadsorbent for industrial wastewater treatment. The effects of length of adsorption time, temperature, adsorbent amount, Cr6+concentration and pH on Cr6+adsorption ratio were examined. The optimal adsorption conditions were determined as follows: length of adsorption time 1 h; temperature 15 ℃; adsorbent amount 3 g/20 mL; Cr6+concentration 40 mg/L; and pH 3. Under these conditions, the maximum adsorption ratio was 27.6%, and the maximum adsorption quantity was 10.8 mg/g. pH, Cr6+concentration and adsorbent amount had larger effect on Cr6+adsorption than two other factors.

waste beer yeast；immobilization；biosorption；Cr6+

X703

A

1002-6630(2010)19-0194-03

2010-06-30

新疆教育廳高校科研重點項目(XJEDU2008I60)；新疆農業大學緊缺人才專業大學生創新項目

武運(1965—)，女，副教授，碩士，研究方向為食品生物技術與食品安全。E-mail：wuyunster@sina.com