固定化改性釀酒廢酵母吸附Pb2+特性研究

陳衛(wèi)林，閻曉菲，高蕾，尹明遠，王小標，苗森，董新平，武運*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學科學技術(shù)學院，新疆烏魯木齊830052；3.新疆中信國安葡萄酒業(yè)有限公司，新疆瑪納斯832200）

固定化改性釀酒廢酵母吸附Pb2+特性研究

陳衛(wèi)林1，閻曉菲2，高蕾1，尹明遠1，王小標1，苗森1，董新平3，武運1*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學科學技術(shù)學院，新疆烏魯木齊830052；3.新疆中信國安葡萄酒業(yè)有限公司，新疆瑪納斯832200）

通過靜態(tài)吸附試驗，以固定化改性釀酒廢酵母為吸附劑，研究其對Pb2+的吸附特性。研究結(jié)果表明：固定化改性釀酒廢酵母對Pb2+的吸附在60 min時達到吸附平衡，吸附量隨Pb2+初始質(zhì)量濃度的增加而增大，最佳吸附溫度為30℃，最佳pH值為4.5，最佳改性釀酒廢酵母小球質(zhì)量濃度為22 g/L，并且可以用準二級動力學方程和Langmuir方程對固定化釀酒廢酵母吸附的動力學及吸附平衡進行描述。

釀酒廢酵母；固定化；生物吸附；鉛離子

隨著近幾年對生物吸附的不斷研究，發(fā)現(xiàn)許多藻類、細菌、真菌以等微生物都能有效地吸附水溶液中重金屬離子[1-5]。釀酒廢酵母是釀酒行業(yè)的副產(chǎn)物，能夠吸附污水中多種重金屬離子，若用NaOH對釀酒廢酵母進行簡單的化學改性，可以提高其對重金屬離子的吸附能力[6-9]。改性過的釀酒廢酵母雖然對重金屬具有較強的吸附能力，但由于其粒徑小，游離的酵母吸附金屬離子后，必須經(jīng)過膜過濾才能與溶液分開，難以實現(xiàn)固液分離，這給實際應(yīng)用帶來了一定困難。為解決這一問題需將改性釀酒廢酵母通過物理和化學的方法固定在高分子基質(zhì)上，形成具有一定機械強度的顆粒或小球。

本研究先將釀酒廢酵母進行簡單的化學改性，再用海藻酸鈉和明膠將改性釀酒廢酵母固定，制成固定化改性酵母小球，研究其對鉛（Pb2+）的吸附動力學及等溫吸附規(guī)律，并探討了吸附時間、Pb2+初始濃度、吸附溫度、溶液pH值、固定化改性釀酒廢酵母濃度對固定化改性釀酒廢酵母吸附Pb2+的影響，以期為污水中Pb2+的生物吸附提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

釀酒廢酵母：新疆烏蘇啤酒廠。

硝酸鉛：天津市福晨化學試劑廠；無水氯化鈣：江蘇強盛化工有限公司；海藻酸鈉：天津市天達凈化材料精細化工廠；明膠：天津市化學試劑三廠。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AR2130/C型電子精密天平：奧豪斯國際貿(mào)易（上海）有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技儀器有限公司；THZ-82型氣浴恒溫振蕩器：常州市國立試驗設(shè)備研究所；TD5A-WS臺式低速離心機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；MAS9000系列原子吸收光譜儀：北京盈安美誠科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 釀酒廢酵母菌體的制備

用去離子水將釀酒廢酵母洗滌、離心數(shù)次，至上清液澄清，收集菌體，在烘箱中80℃烘至質(zhì)量恒定，冷卻后粉碎成粉，過60目篩，干燥保存?zhèn)溆肹10]。

1.3.2 釀酒廢酵母菌體的改性

將制備的菌體置于濃度為0.32 mol/L的NaOH溶液中，在改性溫度43℃、改性時間270 min、液料比為41∶1（mL∶g）的條件下進行改性，用蒸餾水將改性后的酵母洗滌、離心數(shù)次，至上清液呈中性，收集菌體，在烘箱中80℃烘至質(zhì)量恒定，冷卻后粉碎成粉，過60目篩，干燥保存?zhèn)溆肹9]。

1.3.3 釀酒廢酵母菌體的固定化

分別稱取2.0 g海藻酸鈉以及1.0 g明膠于燒杯中，加適量蒸餾水，于電磁爐上加熱攪拌使其溶解，冷卻后加入2.5 g改性酵母并補加蒸餾水至100 mL，攪拌均勻，用注射器將其滴入100 mL 4%的CaCl2溶液中，靜置24 h，然后棄去CaCl2溶液并用蒸餾水洗凈，4℃保存?zhèn)溆肹11-12]。

1.3.4 重金屬溶液的配制

精密稱取0.159 8 g硝酸鉛，用蒸餾水于100 mL容量瓶中定容至刻度，制得1 000 μg/mL的Pb2+溶液，將其作為母液。按試驗需要的重金屬濃度對母液進行稀釋混合即可。

1.3.5 吸附時間對吸附的影響

移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于500 mL三角瓶中，水浴鍋中預(yù)熱至30℃，加入3.2 g固定化改性釀酒廢酵母小球，于氣浴恒溫振蕩器中30℃恒溫振蕩5 min、10 min、15 min、25 min、40 min、60 min、90 min、120 min、180 min、300 min，取樣過濾，用原子吸收光譜儀對濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進行測定。

1.3.6 初始Pb2+質(zhì)量濃度對吸附的影響

分別移取100 mL質(zhì)量濃度為30 μg/mL、60 μg/mL、90 μg/mL、120 μg/mL、150 μg/mL、180 μg/mL、210 μg/mL、240 μg/mL、270 μg/mL、300 μg/mL的Pb2+，于500 mL三角瓶中，水浴鍋中預(yù)熱至30℃，分別加入3.2 g固定化改性釀酒廢酵母小球，于氣浴恒溫振蕩器中30℃恒溫振蕩60 min，取樣過濾，用原子吸收光譜儀對濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進行測定。

1.3.7 吸附溫度對吸附的影響

分別移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于5個500 mL三角瓶中，水浴鍋中分別預(yù)熱至10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，各加入3.2 g固定化改性釀酒廢酵母小球，分別于氣浴恒溫振蕩器中10℃、20℃、30℃、40℃、50℃恒溫振蕩60 min，取樣過濾，用原子吸收光譜儀對濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進行測定。

1.3.8 pH值對吸附的影響

分別移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于500 mL三角瓶中，將其pH值分別調(diào)節(jié)為2.0、2.5、3.0、4.0、4.5、5.0、5.5、 6.0、6.5、7.0，水浴鍋中預(yù)熱至30℃，分別加入3.2 g固定化改性釀酒廢酵母小球，于氣浴恒溫振蕩器中30℃恒溫振蕩60 min，取樣過濾，用原子吸收光譜儀對濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進行測定。

1.3.9 固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度對吸附的影響

分別移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于5個500 mL三角瓶中，水浴鍋中預(yù)熱至30℃，分別加入12 g/L、22 g/L、32 g/L、42 g/L、52 g/L固定化改性釀酒廢酵母小球，于氣浴恒溫振蕩器中30℃恒溫振蕩60 min，取樣過濾，用原子吸收光譜儀對濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進行測定。

1.3.10 計算方法

式中：Q為生物吸附量，mg/g；ρ0為吸附前溶液中Pb2+質(zhì)量濃度，mg/L；ρ1為吸附后溶液中Pb2+質(zhì)量濃度，mg/L；V為吸附液體積，L；M為吸附劑用量（干質(zhì)量），g[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附時間對吸附的影響及動力學方程模擬結(jié)果

圖1 吸附時間對Pb2+吸附量的影響Fig.1 Effect of adsorption time on Pb2+biosorption capacity

由圖1可知，吸附時間在0～60 min時，吸附量隨著吸附時間的延長而快速增加，并且在60 min時達到吸附平衡，吸附時間在60～90 min之間時，吸附量隨時間的延長有所降低，但降低量不大，在90～300 min之間，吸附量隨時間的延長基本無變化，因此確定吸附平衡時間為60 min。

通常，用于描述重金屬離子吸附過程的動力學方程有準一級動力學方程和準二級動力學方程，其中準二級動力學方程描述效果較好[13-15]。準二級動力學方程的線性表達式為：

式中：t為吸附時間，min；qt為t時刻的吸附量，mg/g；k2為準二級速率常數(shù)，g/（mg·min）；qe為平衡時刻的吸附量，mg/g。

用上述方程對釀酒廢酵母吸附Pb2+的數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見圖2。

圖2 動力學方程模擬結(jié)果Fig.2 Simulated results of kinetic equation

由圖2可知，當Pb2+單獨存在時準二級動力學方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.996 9，具有非常好的擬合度，可以用準二級動力學方程對其動力學過程進行很好的描述。根據(jù)準二級動力學方程可得Pb2+的平衡吸附量為0.77 mg/g，實際最大吸附量為0.80 mg/g，相差3.90%，k2=0.17 g/（mg·min）。

2.2 初始Pb2+質(zhì)量濃度對吸附的影響及等溫吸附方程模擬結(jié)果

圖3 Pb2+初始質(zhì)量濃度對吸附量的影響Fig.3 Effect of Pb2+initial concentration on biosorption capacity

由圖3可知，初始Pb2+質(zhì)量濃度在30～300 μg/mL范圍內(nèi)，吸附量隨Pb2+質(zhì)量濃度的增加幾乎呈線性增加，固定化改性釀酒廢酵母還未達到飽和。

用Langmuir方程對等溫吸附試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果見圖4。表達式見式（3）：

式中：qe為平衡吸附量，mg/g；qmax為最大吸附量，mg/g；b為常數(shù)，g/（mg·min）；Ce為離子平衡質(zhì)量濃度，μg/mL。

由圖4可知，Pb2+的Langmuir方程擬合相關(guān)系數(shù)為0.986 9，這說明在等溫吸附試驗條件下可以用Langmuir方程對Pb2+的等溫吸附平衡進行描述，將圖4中的方程進行計算獲得Pb2+的最大吸附量為24.75 mg/g。

圖4 釀酒廢酵母對Pb2+的吸附平衡模擬結(jié)果Fig.4 Adsorption equilibrium simulation results of wine yeast on Pb2+

2.3 吸附溫度對吸附的影響

圖5 吸附溫度對吸附的影響Fig.5 Effect of adsorption temperature on biosorption capacity

由圖5可知，吸附溫度在10～20℃范圍時，吸附量隨溫度的增加而增加，但增加量不大，吸附溫度在20～30℃范圍時，吸附量隨溫度的增加而急劇增加，吸附溫度在30～50℃范圍時，吸附量隨溫度的增加而增加，但增加量不大，考慮到成本與效果，確定最佳吸附溫度為30℃。

2.4 pH值對吸附的影響

圖6 pH值對吸附的影響Fig.6 Effect of pH on biosorption capacity

由圖6可知，pH值在2～4范圍時，吸附量隨pH的增加而快速增加，pH值在4～7范圍時，吸附量隨pH的增加變化不大，在pH值較低時Pb2+的吸附量較低可能是由于pH較低時重金屬溶液中含有大量H+，這些H+與Pb2+競爭占據(jù)吸附位點，導(dǎo)致Pb2+的吸附量下降。固定化改性釀酒廢酵母吸附Pb2+的最佳pH值為4.5。

2.5 固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度對吸附的影響

圖7 固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度對吸附的影響Fig.7 Effect of immobilized cell concentration on biosorption capacity

由圖7可知，固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度在12～22 g/L范圍時，吸附量隨固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度的增加而增加，并且在22 g/L時達到最大吸附量2.10 mg/g，固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度在22～52 g/L范圍時，吸附量隨固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度的增加而降低，故確定最佳固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度為22 g/L。

3 結(jié)論

將改性過的釀酒廢酵母進行固定化，研究吸附時間、重金屬初始質(zhì)量濃度、吸附溫度、溶液pH值、固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度對固定化改性釀酒廢酵母吸附Pb2+的影響，并對其吸附動力學及等溫吸附進行研究，主要研究結(jié)論如下：

固定化改性釀酒廢酵母對Pb2+的吸附在60 min時達到吸附平衡，吸附量隨Pb2+初始質(zhì)量濃度的增加而增大，最佳吸附溫度為30℃，最佳pH值為4.5，最佳固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度為22 g/L。

在本吸附動力學試驗條件下準二級動力學方程的擬合相關(guān)系數(shù)為0.996 9，根據(jù)準二級動力學方程得到的理論平衡吸附量與實際最大吸附量相差3.90%，可用準二級動力學方程對Pb2+的吸附動力學過程進行很好的描述。

在等溫吸附試驗條件下Langmuir方程擬合相關(guān)系數(shù)為0.986 9，可以用Langmuir方程對Pb2+的等溫吸附平衡進行描述，Pb2+的最大吸附量為24.75 mg/g。

通過本試驗得出的以上結(jié)論可以為利用釀酒廢酵母處理污水中Pb2+提供參考。

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Characteristics of Pb2+biosorption by immobilized modified waste Saccharomyces cerevisiae

CHEN Weilin1,YAN Xiaofei2,GAO Lei1,YIN Mingyuan1,WANG Xiaobiao1,MIAO Sen1,DONG Xinping3,WU Yun1*
(1.College of Food Science and Pharmaceutical Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China; 2.College of Science and Technology,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China; 3.Citic Guoan Wine Co.,Ltd,Manas 832200,China)

The Pb2+biosorption characteristics by immobilized modified waste Saccharomyces cerevisiae were studied using static adsorption experiment.The experimental results indicated that the adsorption of Pb2+by the immobilized cells reached equilibrium at the 60 min,and the adsorption capacity increased with the increase of initial Pb2+concentration.The optimum adsorption condition was temperature 30℃,pH 4.5,immobilized waste S.cerevisiae cells concentration 22 g/L.The Pseudo-second order kinetics and Langmuir adsorption equation can be used to describe immobilized modified waste S.cerevisiae adsorption kinetics and Pb2+adsorption equilibrium.

waste Saccharomyces cerevisiae;immobilization;biosorption;Pb2+

TS261.1

A

0254-5071（2014）10-0045-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.10.011

2014-08-21

自治區(qū)產(chǎn)學研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地項目資助（xjaucxy-yjs-20131069）

陳衛(wèi)林（1987-），男，碩士研究生，研究方向為食品生物技術(shù)。

*通訊作者：武運（1965-），女，教授，碩士，研究方向為食品生物技術(shù)與食品安全。