固定化環境工程論文范文

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1在酒精行業中的應用

在纖維乙醇研究領域，針對生產成本高的問題，研究人員選育高產復合系纖維素酶[9]，并嘗試進行固定化技術以提高酶的利用率[10]。王振斌[11]等嘗試通過使用超聲波來對固定化纖維素酶進行預處理，在酶解溫度58.73℃，CMC-Na緩沖液pH3.0、超聲時間16.88min、超聲頻率22.33kHz、超聲功率26.77W的條件下，固定化纖維素酶活性與未加超聲波預處理相比較提高了9.75%。上述研究，提高了發酵速度和設備利用率，使乙醇得率得到較大的提升，這些都推動了酒精行業的不斷進步。

2在環保行業中的應用

2.1廢氣處理方面

活性炭填料床反應器具有較強的抗沖擊能力。趙康[24]等建立了海藻酸鈣凝膠固定化活性污泥反應器處理丙酮廢氣的數學模型。由引入顆粒調整系數的概念以解決模型假設與真實情況的差異。在流量為1100mL/min、反應器進口丙酮質量濃度為3051mg/m3時，測定4個采樣口和出氣口的丙酮濃度，對反應器模型參數進行了校正，得到微生物最大比生長速率為4.17×10-5mg/mg·s，丙酮半飽和常數為76900mg/m3，氧氣半飽和常數為273mg/m3，顆粒調整系數為195，丙酮分配系數為0.0024。曹桂萍[25]等考察了在固定床生化反應器中使用海藻酸鈉包埋法制備固定化細胞對廢氣SO2的去除能力，結果發現，當細胞量為0.3g時，海藻酸鈉質量濃度為3%，氯化鈣質量濃度為4%，固定時間為14h時，在無噴淋液體、氣體停留時間為5s，入口濃度低于7mg/L時固定化細胞對廢氣SO2的凈化效率達90%，最大生化去除量為240mg/L·h。徐健全[26]使用固定化混合菌進行油煙廢氣降解的研究，結果發現，當油煙入口濃度小于400mg/m3，氣體流速小于0.6m3/h時，降解效率可達90%以上。以上研究結果從不同方面佐證了固定化技術在去除或降解廢氣中的應用效果。

2.2廢水處理方面

固定化技術因其抗逆性、抗毒性強、對環境適應性強、系統內微生物或酶的濃度和純度高、反應迅速、固液分離容易，以及可以減少反應器堵塞等特點，使其在廢水處理方面應用廣泛[27]。周珊[28]等研究發現，使用竹炭固定化假單胞菌在處理高濃度苯酚時具有效率更高和處理量大的優勢。竹炭固定化假單胞菌對苯酚的降解效率在pH5～8范圍內，以200mL水樣中固定化假單胞菌添加量為20g時最高。李二平[29]等研究發現，利用聚乙烯醇-硫酸銨包埋法對硫酸鹽還原菌污泥進行固定，采用上流式厭氧反應器對含鋅廢水進行處理，結果表明，Zn2+去除率達98%以上，出水Zn2+達到國標要求。于光[30]等研究發現，固定化溶藻菌對藻細胞和藻毒素的48h溶解率和降解率分別達到了85.68%和60.16%。司偉磊[31]等研究發現，固定葸醌的聚氨酯泡沫經10次循環使用后，偶氮染料的生物脫色速率仍保持在90%以上。李正魁[32]等研究發現，輻射聚合固定化反硝化菌對污水中硝酸鹽去除率可達到78%。其他研究人員開展了固定化微生物對苯胺、甲醇、二氯酚、總氮等污染物的去除研究并取得了良好結果。這些研究為固定化技術在廢水治理中的應用提供了有益的借鑒。

3在生物制氫方面的應用

固定化制氫微生物主要有發酵制氫和光合作用制氫兩大類。在發酵制氫微生物方面，羅歡和黃兵研究發現，使用海藻酸鈉固定微生物進行發酵制氫，其最大累積產氫量為496mL，平均比產氫速率為15.8mL/h·g。在光合作用微生物方面，陳明等研究發現固定化技術能夠提高產氫率，并且以海藻酸鈉作為載體時的效果最好。同時，在對乙酸、丙酸、丁酸等底物的轉化率進行考察時發現，乙酸的最大氫轉化率最高，達到65.3%。廖強等研究發現，光合細菌代謝底物為產氫提供還原力氫。隨著光照強度的增大和進口流量的增大，固定化光合細菌光生物制氫填充床在產氫速率和底物降解速率呈遞增趨勢。劉雙江等用海藻酸鈉固定sphaeroidesH菌株進行豆制品廢水產氫實驗，氫含量在60%以上，廢水COD去除率達41.0%～60.3%。研究還表明，高濃度有機廢水的平均產氫速率和化學需氧量(COD)去除率均高于低濃度有機廢水，但H2含量較低。朱核光利用瓊脂固定R.sphaeroides進行豆腐廢水產氫實驗，50h連續產氫，最大產氫速率達2.1L/h·m2，TOC去除率達到41%。Yokoi等人對產氣腸桿菌HO-39菌株采用多孔玻璃為載體對菌體進行固定時，產氫率提高到850mL/L·h(HRT=lh)，較非固定化細胞的產氫率提高7倍。這些研究成果開辟了生物制氫的新路徑，為生物制氫新工藝的開發提供了參考依據。

4在生物柴油方面的應用

酶法生產生物柴油具有反應條件溫和、醇用量小、產物易分離及無污染物排放等優點，尤其是對原料要求低，有望降低生物柴油的生產成本，因此，酶法生產生物柴油日益受到人們的青睞。固定化技術的應用，進一步推動了酶法生產生物柴油的研究。吳茜茜等的試驗結果表明，在20mL正己烷、加酶量7.5g(12U/g)、脂肪酸10g、酸醇摩爾比為l∶1.2、含水率4%條件下，分3次加入甲醇，40℃反應8h，反應體系酯化率達到了82%。在王學偉的試驗中，其同樣以正已烷、固定化的脂肪酶、脂肪酸（大豆油）、甲醇為反應物，最終得到脂肪酸甲酯的質量分數高達91.87%。高靜等的研究表明，自制的固定化假絲酵母脂肪酶99～125可以較好地合成生物柴油。在最佳實驗條件下，反應體系采用石油醚（60～90℃）為溶劑，底物有機溶劑與油的摩爾比為1∶4，反應體系加入油質量的10%的水，采用2次流加甲醇，反應6h，油醇摩爾比1∶3，反應轉化率最高可達92%，酶使用7批后，其反應轉化率仍然能夠達到70%。張媛媛等研究了固定化南極假絲酵母脂肪酶(Candldaantarcticalipasc)的新方法，在固定化酶同時加入聚合物PEG（polyethyleneglycol）進行非共價修飾，可顯著提高固定化酶的轉酯活力。PEG修飾的固定化酶轉酯比活是未經PEG修飾的固定化酶的4.1倍，轉酯酶活回收率為604.8%。高靜等研究發現，使用木糖對脂肪酶進行保護，其變性溫度為144.3℃，比未保護的酶提高了83.8℃。魏作君等將溶膠-凝膠法制備的固定化離子液體進一步應用于脂肪酸與乙醇的酯化反應，正己酸乙酯產率均在90.0%以上。王珊等用活性炭固定產脂肪酶的發酵性絲孢酵母細胞，結果發現，在100mL發酵培養基中(250mL搖瓶)添加1.0g活性炭、于160r/min吸附培養48h，可吸附較多發酵性絲孢酵母細胞。將固定化細胞于4℃保存30d固定化細胞的脂肪酶活力無明顯下降。用固定化細胞催化大豆油轉酯化反應，連續催化5批后酯化率仍超過50%。但是篩選高活性脂肪酶、對介質耐受性好的脂肪酶，以及提高脂肪酶的使用壽命和轉化率仍然是長期的研究課題。筆者有理由相信，隨著脂肪酶法合成生物柴油技術的發展與產業化進程的推進，脂肪酶法制備生物柴油將會以其高效、安全、節能、環保、低成本等優點得到廣泛推廣應用。

5結論與展望

雖然固定化技術在諸多領域已經得到了長足發展，但是在特定行業中，距離其大規模應用還有一系列需要解決的問題。

5.1酒精行業

首先，載體材料或固定化所用的試劑有時會對細胞產生比較大的生理毒性，進而影響目標代謝產物的生物合成。其次，固定化技術使細胞密度過高，導致營養和代謝產物的傳質效果較差，影響細胞整體活性，進而影響代謝產物的生物合成。最后，載體固定化細胞的大規模制備過程復雜，容易引起雜菌污染。而且固定化載體材料的使用和不斷消耗也帶來了附加成本，使其在酒精行業的推廣受到一定限制。在酒精行業，新型、低成本、無毒害或低毒害載體與固定化試劑的篩選與研究將是今后研究的方向之一。同時，大規模固定化細胞制備過程及固定化細胞連續酒精發酵過程中的染菌控制也值得重視。

5.2環保與制氫行業

廢水、廢氣中的成分都比較復雜，單一的菌株無法完全降解，因此研究人員需進一步篩選高效率的、通用的菌種，使一種微生物能夠降解多種污染物或者是幾種微生物能夠聯合降解不同的污染物；另外，研究人員需開發出適應于工業化復雜體系的具有高強度、高傳質性能、低成本特點的載體、適應于工業化的高效固定化反應器。

5.3生物柴油領域

脂肪酶固定化技術的成功與否是脂肪酶法合成生物柴油能否得以工業化應用的關鍵。脂肪酶采用不同的固定化形式對酶活力、酶對短鏈醇的耐受性等有著顯著的影響，因此，研究人員還需探索理想的固定化形式，以提高單批次的轉化率與連續反應的轉化率。由于不同的反應介質體系對于固定化脂肪酶催化制備生物柴油的得率也有著顯著的影響，因此，需探索能夠使底物更好溶解、脂肪酶發生界面活化的介質。只有提高固定化脂肪酶的活性與穩定性，才能使固定化技術在生物柴油領域得到越來越廣泛的應用。隨著生物技術在國民經濟中的地位不斷提高，以及固定化技術的不斷發展完善和成熟，其必然會在現代工業生產中占據重要的位置，并將發揮越來越重要的作用。

作者：畢生雷張成明李十中劉鉞杜風光單位：河南天冠企業集團有限公司清華大學核能與新能源技術研究院北京市生物燃料工程技術研究中心