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生物破乳剂产生菌的特性及破乳效能研究

侯宁  
【摘要】:生物破乳剂作为一种高效、无毒、无二次污染、具有可生物降解性和安全性的绿色生物制剂,代表了破乳剂的重要研发方向之一。高效、环保的生物破乳剂替代化学破乳剂使用,对于提高原油乳状液的脱水率及对含油污水的处理效率,减少不必要的环境污染,实现可持续发展具有重要意义。 目前,生物破乳剂的研究主要停留在对于破乳菌株的筛选、生长及破乳条件优化方面,针对破乳菌的发酵动力学、生物破乳剂破乳有效成分以及生物破乳剂破乳机理的研究甚少。以破乳菌的分离、筛选为基础,开展了破乳菌生长特性的研究,并分析其发酵动力学特征;考察了破乳菌产破乳剂的特性,以及环境因素对其破乳效能的影响;分析了生物破乳剂的破乳有效成分,阐明其理化性质;对破乳过程进行解析,并初步探讨其破乳机制。 建立了一套高效、便捷的破乳菌种筛选方法,采用此方法分离、筛选得到1株高效破乳菌,其全培养液针对O/W型模型乳状液24h破乳率在85.0%以上,48h破乳率可达100%;经生理生化及16S rDNA鉴定,明确该菌为莫海威芽孢杆菌(Bacillus mojavensis),实验室编号XH-1。连续传代稳定性实验证明,XH-1菌株具有较强的破乳遗传稳定性。 通过破乳实验及生物量的测定,对影响破乳菌产破乳剂能力及生长的培养和营养条件进行考查。确定其最佳培养条件为:初始pH 6.5,培养温度30℃,摇床转速140rpm,培养时间18h~20h。研究发现,破乳菌XH-1用于生长和产破乳剂的碳源和氮源具有广谱性,其中最适碳源为葡萄糖(10g/L)与液体石蜡(2% (v/v))组成的混合碳源,最适氮源为NH4NO3(4.0g/L)与酵母膏(1.0g/L)组成的混合氮源。在对影响生物破乳剂破乳效能的环境因素的考察中发现:生物破乳剂的破乳率随时间的变化近似为一级反应;确定在5mL模型乳状液中破乳菌全培养液的最适投加量为1.0mL;破乳适宜环境pH5.0~9.0;最佳破乳温度30℃~50℃。 对破乳菌分批发酵过程进行了研究,根据其发酵过程的特点,在Logistic方程和Luedeking-Piret方程的基础上,建立了菌株XH-1发酵过程中菌体生长、基质消耗和产物形成的动力学方程。采用Origin7.5软件对试验数据进行处理,得到了破乳菌的分批发酵动力学模型参数,模型预测值和实验值吻合较好,说明所建立的方程能较好地预测其实际发酵过程,具有很好的适用性。根据显微观察和理化分析,明确了该生物破乳剂的破乳有效成分为蛋白类物质,其存在于细胞外,粘连在菌体四周或游离于发酵液中,而菌体本身不具有破乳能力。采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)的方法对具有破乳效能的蛋白质进行分离,发现其存在于50KD~80KD分子量之间的一条差异条带中;用鸟枪法(Shotgun)对获得的蛋白质进行分析,鉴定得到20种蛋白质,其中6种为未知功能或未命名蛋白质,其余14种蛋白质的破乳功能也未见报道。 考察了生物破乳剂的破乳行为,并结合破乳活性成分的理化特点,对其破乳过程进行解析,初步探讨其破乳机制。在此基础上,结合相关理论,提出了蛋白质协同作用破乳假说。分析乳状液的Zeta电位随生物破乳剂投加量及破乳率的变化关系,发现在破乳过程中,没有出现明显的电中和现象;通过研究模型乳状液油水界面张力与破乳效果的关系及蛋白质破乳剂结构与界面张力的关系,发现蛋白质破乳剂利用其两亲性及大分子结构,可在界面体现很好伸展性及吸附功能,从而体现优异的破乳性能;在其破乳过程中,包括置换作用和增溶作用:在低破乳剂用量下,以置换作用为主,随破乳剂用量的增加界面张力降低,破乳率升高;在较高破乳剂用量下,以增溶作用为主,随破乳剂用量的进一步增加,界面张力升高,破乳率降低。


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