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《浙江大学》 2002年
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生物表面活性剂的合成及其促进有机物降解的研究

钱欣平  
【摘要】: 生物表面活性剂无毒,可以生物降解,对环境影响很小,具有较低的临界胶束浓度和较高的表面活性,因此是合成表面活性剂的理想替代品。生物表面活性剂能够促进微生物对难溶有机物的利用和降解。本文的目的主要是利用分泌生物表面活性剂的微生物来降解有机污染物。 以水溶性底物甘油作为碳源,选用铜绿假单胞杆菌合成鼠李糖脂的发酵体系作为研究对象。采用多种流加方式进行发酵,实验分析细胞浓度、碳源浓度和氮源浓度对发酵过程的影响。当摇瓶培养基中含有3%甘油和4g/L硝酸钠时,接种后60h细胞浓度达到最大值4.08g/L,糖脂最终浓度为15g/L,糖脂对于甘油的产率为0.35g/g。 实验表明,氮源是细胞生长的促进因子,碳源是细胞生长的必需因子。糖脂的合成属于部分生长伴随型。底物甘油的消耗既用于细胞生长又用于产物合成。建立非结构化动力学模型,采用龙格-库塔法解方程,通过遗传算法优化模型参数。模型计算值与实验值十分吻合。分析模型,较低的细胞生长速率有利于糖脂的合成,当细胞生长速率为0.051g/L/h时,糖脂比合成速率达到最大值0.088/h。 以菜油作为唯一碳源,分析油浓度和摇床转速等对发酵过程的影响。测定鼠李糖脂作为生物表面活性剂的基础理化性质,从胶束形成的角度分析它促进有机物乳化和溶解的性能。鼠李糖脂的临界胶束浓度为58mg/L,实验条件下对菜油的增溶度约为0.22g/g,计算鼠李糖脂混合物的HLB值在8~16的范围内。在表面活性剂的作用下,发酵液的乳化能力和乳化稳定性得到提高。当菜油含量达到10%时,发酵液的乳化能力开始下降。加入少量电解质和正丁醇等有机物可以降低CMC,提高生物表面活性剂的效能。 采用不同型式的生物反应器和搅拌桨进行油发酵实验。由于生物表面活性剂的发泡特性,实验所用气升式反应器中有机物的降解结果不是十分理想。研究搅拌反应器中的流体力学和传递特性,分析操作条件对混合和传质过程的影响。由于生物表面活性剂的发泡特性限制了通气量的调节,因此搅拌转速是影响氧气体积传质系数和油滴直径的重要因素,进而影响着微生物的生长。 11 浙江大学博士学位论文 研究微生物降解有机物的发酵过程,大部分生物表面活性剂是在稳定生长期 合成的,因此它属于次级代谢产物。生物表面活性剂可以通过促进有机物的分散 和溶解来刺激细胞对油的吸收利用。搅拌速率和油含量对降解过程影响较大,说 明油滴粒径是一关键指标,细胞生长主要发生在油滴表面。 建立可以反映生物表面活性剂特殊作用,并成功模拟有机物降解过程的机理 性动力学模型。模型反映两种微生物摄取有机物的方式,区分生物表面活性剂的 乳化作用和增溶作用。模型是包含9个参数,涉及4个变量的微分方程组,描述 了细胞生长、表面活性剂合成以及有机物的摄取过程。模型中假设乳化油的消耗 主要用于细胞生长,而维持能来源于细胞对增溶在胶束中的油的代谢过程。 通过拟合间歇式搅拌反应器中的发酵数据,获得模型参数。建立的模型可以 很好地解释实验现象。通过对模型的分析,证实在本实验体系中,生物表面活性 剂的主要作用是降低油滴直径,促进细胞在油/水界面上的吸附。 尝试各种方式的双碳源发酵工艺。当培养基中同时含有甘油和菜油两种碳源 时,细胞主要通过代谢菜油进行生长和繁殖,甘油对细胞生长的贡献不大。但是, 添加甘油,使菜油的增溶状况得到明显增强,发酵液的乳化能力和乳化稳定性得 到显著提高,同时菜油的降解率提高至 80%~90%。 最后,针对该项利用生物表面活性剂特殊功能的生物治理技术,考察其实际 应用效果。实验结果,废油对微生物活性的影响较小。采用简单的操作工序,便 可以取得理想的降解效果,其中油炸废油的降解率达到 94.8%,降解速率为 1.59 g/Lth。
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