陳衛(wèi)林，閻曉菲，高蕾，尹明遠(yuǎn)，王小標(biāo)，苗森，董新平，武運(yùn)*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；3.新疆中信國(guó)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(yuǎn)1，王小標(biāo)1，苗森1，董新平3，武運(yùn)1*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；3.新疆中信國(guó)安葡萄酒業(yè)有限公司，新疆瑪納斯832200）

通過(guò)靜態(tài)吸附試驗(yàn)，以固定化改性釀酒廢酵母為吸附劑，研究其對(duì)Pb2+的吸附特性。研究結(jié)果表明：固定化改性釀酒廢酵母對(duì)Pb2+的吸附在60 min時(shí)達(dá)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(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Langmuir方程對(duì)固定化釀酒廢酵母吸附的動(dòng)力學(xué)及吸附平衡進(jìn)行描述。

釀酒廢酵母；固定化；生物吸附；鉛離子

隨著近幾年對(duì)生物吸附的不斷研究，發(fā)現(xiàn)許多藻類、細(xì)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(duì)釀酒廢酵母進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)改性，可以提高其對(duì)重金屬離子的吸附能力[6-9]。改性過(guò)的釀酒廢酵母雖然對(duì)重金屬具有較強(qiáng)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(guò)膜過(guò)濾才能與溶液分開(kāi)，難以實(shí)現(xiàn)固液分離，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定困難。為解決這一問(wèn)題需將改性釀酒廢酵母通過(guò)物理和化學(xué)的方法固定在高分子基質(zhì)上，形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的顆?；蛐∏?。

本研究先將釀酒廢酵母進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)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(duì)鉛（Pb2+）的吸附動(dòng)力學(xué)及等溫吸附規(guī)律，并探討了吸附時(shí)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(duì)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(xué)試劑廠；無(wú)水氯化鈣：江蘇強(qiáng)盛化工有限公司；海藻酸鈉：天津市天達(dá)凈化材料精細(xì)化工廠；明膠：天津市化學(xué)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(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)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(guó)立試驗(yàn)設(shè)備研究所；TD5A-WS臺(tái)式低速離心機(jī)：長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司；MAS9000系列原子吸收光譜儀：北京盈安美誠(chéng)科學(xué)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(guò)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(shí)間270 min、液料比為41∶1（mL∶g）的條件下進(jìn)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(guò)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(bǔ)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(yàn)需要的重金屬濃度對(duì)母液進(jìn)行稀釋混合即可。

1.3.5 吸附時(shí)間對(duì)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(guò)濾，用原子吸收光譜儀對(duì)濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.3.6 初始Pb2+質(zhì)量濃度對(duì)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(guò)濾，用原子吸收光譜儀對(duì)濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.3.7 吸附溫度對(duì)吸附的影響

分別移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于5個(gè)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(guò)濾，用原子吸收光譜儀對(duì)濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.3.8 pH值對(duì)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(guò)濾，用原子吸收光譜儀對(duì)濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.3.9 固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響

分別移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于5個(gè)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(guò)濾，用原子吸收光譜儀對(duì)濾液中Pb2+的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.3.10 計(jì)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(shí)間對(duì)吸附的影響及動(dòng)力學(xué)方程模擬結(jié)果

圖1 吸附時(shí)間對(duì)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(shí)間在0～60 min時(shí)，吸附量隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而快速增加，并且在60 min時(shí)達(dá)到吸附平衡，吸附時(shí)間在60～90 min之間時(shí)，吸附量隨時(shí)間的延長(zhǎng)有所降低，但降低量不大，在90～300 min之間，吸附量隨時(shí)間的延長(zhǎng)基本無(wú)變化，因此確定吸附平衡時(shí)間為60 min。

通常，用于描述重金屬離子吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程有準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，其中準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程描述效果較好[13-15]。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的線性表達(dá)式為：

式中：t為吸附時(shí)間，min；qt為t時(shí)刻的吸附量，mg/g；k2為準(zhǔn)二級(jí)速率常數(shù)，g/（mg·min）；qe為平衡時(shí)刻的吸附量，mg/g。

用上述方程對(duì)釀酒廢酵母吸附Pb2+的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 動(dòng)力學(xué)方程模擬結(jié)果Fig.2 Simulated results of kinetic equation

由圖2可知，當(dāng)Pb2+單獨(dú)存在時(shí)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)其動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行很好的描述。根據(jù)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可得Pb2+的平衡吸附量為0.77 mg/g，實(shí)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(duì)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(duì)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(dá)到飽和。

用Langmuir方程對(duì)等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖4。表達(dá)式見(jiàn)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(shuō)明在等溫吸附試驗(yàn)條件下可以用Langmuir方程對(duì)Pb2+的等溫吸附平衡進(jìn)行描述，將圖4中的方程進(jìn)行計(jì)算獲得Pb2+的最大吸附量為24.75 mg/g。

圖4 釀酒廢酵母對(duì)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(duì)吸附的影響

圖5 吸附溫度對(duì)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(shí)，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(shí)，吸附量隨溫度的增加而急劇增加，吸附溫度在30～50℃范圍時(shí)，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(duì)吸附的影響

圖6 pH值對(duì)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(shí)，吸附量隨pH的增加而快速增加，pH值在4～7范圍時(shí)，吸附量隨pH的增加變化不大，在pH值較低時(shí)Pb2+的吸附量較低可能是由于pH較低時(shí)重金屬溶液中含有大量H+，這些H+與Pb2+競(jìng)爭(zhēng)占據(jù)吸附位點(diǎn)，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(duì)吸附的影響

圖7 固定化改性釀酒廢酵母質(zhì)量濃度對(duì)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(shí)，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(shí)達(dá)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(shí)，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(guò)的釀酒廢酵母進(jìn)行固定化，研究吸附時(shí)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(duì)固定化改性釀酒廢酵母吸附Pb2+的影響，并對(duì)其吸附動(dòng)力學(xué)及等溫吸附進(jìn)行研究，主要研究結(jié)論如下：

固定化改性釀酒廢酵母對(duì)Pb2+的吸附在60 min時(shí)達(dá)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)條件下準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合相關(guān)系數(shù)為0.996 9，根據(jù)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程得到的理論平衡吸附量與實(shí)際最大吸附量相差3.90%，可用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)Pb2+的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行很好的描述。

在等溫吸附試驗(yàn)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(duì)Pb2+的等溫吸附平衡進(jìn)行描述，Pb2+的最大吸附量為24.75 mg/g。

通過(guò)本試驗(yàn)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(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地項(xiàng)目資助（xjaucxy-yjs-20131069）

陳衛(wèi)林（1987-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。

*通訊作者：武運(yùn)（1965-），女，教授，碩士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)與食品安全。