固定化啤酒废酵母吸附Cr6+的特性研究

武 运，刘永建，葛 风，田永刚，魏倩芸，古丽娜孜

固定化啤酒废酵母吸附Cr6+的特性研究

武 运，刘永建，葛 风，田永刚，魏倩芸，古丽娜孜

(新疆农业大学食品科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

用啤酒废酵母作吸附剂，以海藻酸钠作包埋剂将酵母固定化制作成小球，分别从吸附时间、温度、酵母小球用量、Cr6+溶液质量浓度、pH值等因素，研究啤酒废酵母菌体对Cr6+的吸附特性。确定固定化啤酒废酵母对Cr6+吸附的最佳条件为：吸附时间1.5h、温度15℃、酵母小球用量3g/20mL、Cr6+溶液质量浓度40mg/L、pH值为3。在该条件下，对Cr6+最大吸附率为27.6%，最大吸附量为10.8mg/g。其中pH值、Cr6+溶液质量浓度、酵母小球用量3个因素对Cr6+吸附特性影响较大，其余因素影响较小。

啤酒废酵母；固定化；吸附；Cr6+

随着工业，特别是化工业的发展，废水大量排放，土壤和水源中重金属累积愈来愈多。对废水处理的方法很多，近年来利用微生物吸附重金属离子在工业废水治理中日益受到人们的重视[1]。而采用固定化微生物处理废水中的重金属离子，易于控制颗粒大小，且处理效率高，稳定性强，固液分离容易。

啤酒废酵母对大多数有毒重金属如Cd、Pb、Cu、Hg、Ni等有良好的吸附效果；啤酒废酵母是啤酒生产的重要副产物，我国仅2003年一年产生的废酵母量就达4.9～7.4万t，这些废酵母大多作为废弃物排入啤酒废水，增加了啤酒废水的处理负荷和难度[2]。因此，利用这种价廉易得的废弃啤酒酵母作为吸附材料去除废水中的重金属对于环境的治理具有重要的意义。

本研究以啤酒废酵母作为吸附剂，对影响固定化酵母小球吸附Cr6+的吸附时间、温度、小球用量、Cr6+溶液质量浓度、pH值等主要因素进行研究，以期为处理废水中的Cr6+提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

啤酒废酵母 新疆乌苏啤酒厂。

K2Cr2O7济南汇丰达化工有限公司；海藻酸钠、尿素、丙酮 杭州长青化工有限公司；二苯碳酰二肼天津市光复精细化工研究所。

1.2 仪器与设备

AR2130/C型电子精密天平 奥豪斯国际贸易有限公司；PHS-4型精密pH计、TV-1810型紫外分光光度计上海精密科学仪器有限公司；CS101-1型电热鼓风干燥箱 重庆试验设备厂；SHZ-82型水浴恒温振荡器 江苏省金坛市医疗仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 菌体的制备

用去离子水洗涤啤酒废酵母2～3次，再于3500r/min离心10min后收集菌体，60℃烘干，冷却后研磨成细小粉末，干燥保存备用[3]。

1.3.2 固定化酵母小球的制备

称取6g海藻酸钠，加200g去离子水，80℃水浴加热约2h至形成均一透明的溶液，冷却至40℃后与5g酵母粉混匀，用10mL注射器吸取溶液滴入冰水浴状态下含4g/100mL氯化钙的饱和硼酸溶液中，制成直径约为3mm的小球，冷藏24h，洗净备用[4-5]。

1.3.3 Cr6+溶液的配制

取K2Cr2O7放入鼓风干燥箱内80℃干燥24h，冷却后快速称取0.2829g溶解后定容至1000mL，制得100mg/L Cr6+溶液。

1.3.4 显色剂的配制

称0.5g二苯碳酰二肼，用125mL丙酮溶解后，移入250mL容量瓶中用蒸馏水定容，再与浓硫酸和浓磷酸各31mL混匀，冷藏12h，避光保存。

1.3.5 标准曲线的绘制

吸取Cr6+溶液5mL移入500mL容量瓶，定容得1mg/L的Cr6+溶液(A液)，分别吸取A液0、2.5、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0mL，移入50mL容量瓶中，定容后分别移入50mL三角瓶中，再向三角瓶中分别加2.5mL显色剂，混匀后静置10min，移入1cm石英比色皿中，于540nm波长处比色[6]，绘制标准曲线为：Y=0.0089X+0.0023(R2＝0.9992)，式中：Y为吸光度，X为Cr6+含量/(μg/mL)。

1.4 吸附实验

配制10～80mg/L的Cr6+溶液，调至pH3～9，吸取20mL移入50mL碘量瓶中，加入1～3g的啤酒废酵母小球放入5～40℃的水浴振荡器中，转速150r/min的条件下，吸附0.5～7h，然后再吸取清液稀释50倍，加入显色剂比色并计算质量浓度[7]。

1.5 正交试验设计

为确定显著影响固定化啤酒废酵母体吸附性能的因素及各因素的最佳组合，选取A温度、B时间、C Cr6+质量浓度、D酵母小球用量设计正交试验如表1所示。

表1 L9(34)正交试验因素水平设计表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

1.6 指标测定

式中：Q为吸附量/(mg/g干质量)；V为吸附液体积/L；m为吸附剂干质量/g；ρ0为吸附前溶液中的Cr6+质量浓度/(mg/L)；ρ1为吸附后溶液中的Cr6+质量浓度/ (mg/L)；R为吸附率/%。

2 结果与分析

2.1 吸附时间对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+的影响

在温度为25℃，Cr6+溶液初始质量浓度为50mg/L，酵母小球用量为1g/20mL，pH值为7，振荡器转速150r/min的条件下，考察吸附时间对吸附率的影响。结果如图1所示。

图1 时间对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+吸附率的影响Fig.1 Effect of length of adsorption time on Cr6+adsorption ratio

由图1可知，在刚开始的1h内吸附率随时间迅速增加，且在1h时吸附率达到最大值19.8%。此后吸附率随时间缓慢减小，到7h时减小至13.1%。结果表明用啤酒废酵母吸附Cr6+并不是吸附时间越长吸附效果越好。

2.2 温度对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+的影响

在吸附时间1h，酵母小球用量1g/20mL，pH值为7，振荡器转速150r/min的条件下，考察温度对吸附率的影响，结果如图2所示。

图2 温度对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+吸附率的影响Fig.2 Effect of temperature on Cr6+adsorption ratio

由图2可知，低温有利于提高吸附率，在10℃时，吸附率达到最大值15.6%，之后随着温度的提高吸附率逐渐降低，低于10%。可推测生物吸附与物理吸附相似也是吸热反应。

2.3 Cr6+溶液质量浓度对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+的影响

在吸附时间1h，温度为10℃，酵母小球用量1g/20mL，pH值为7，振荡器转速150r/min的条件下，研究Cr6+溶液质量浓度对吸附量的影响，结果如图3所示。

图3 Cr6+溶液质量浓度对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+吸附量的影响Fig.3 Effect of Cr6+concentration on its adsorption quantity

由于在此单因素试验中除Cr6+溶液质量浓度有变化外，其余都不变，由计算吸附率的公式可知当吸附量最大时吸附率也最大，因此可考察吸附量来描述Cr6+溶液质量浓度对吸附的影响。由图3可知，Cr6+溶液质量浓度较低时，吸附量随质量浓度增大而快速增大，当质量浓度为50mg/L时吸附量达到最大值2.265mg/g，但当质量浓度高于50mg/L后，吸附量随着质量浓度的增加而缓慢减小。可见吸附效果并非底物质量浓度越高越好。

2.4 pH值对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+的影响

在吸附时间1h，温度10℃，酵母小球用量1g/20mL，Cr6+质量浓度50mg/L，振荡器转速150r/min的条件下，考察pH值对吸附率的影响，结果如图4所示。

图4 pH值对固定化啤酒废酵母吸附Cr6+吸附率的影响Fig.4 Effect of pH on Cr6+adsorption ratio

由图4可知，随着pH值的升高吸附率明显降低，且pH值在3～4范围内吸附率下降了5%，变化幅度极大。可推断酸性条件有利于增大吸附率。

2.5 正交试验设计

从表2可以看出，吸附率最高的最优组合为A3B3C1D3，即吸附温度15℃、吸附时间1.5h、Cr6+起始质量浓度40mg/L、酵母小球用量3g/20mL、pH3。其中pH值对吸附率的影响最大，其次是Cr6+起始质量浓度，影响最小的是时间。通过比较实验，在此条件下固定化啤酒酵母废菌体吸附水中重金属Cr6+的最大吸附率为27.6%，最大吸附量为10.8mg/g。

表2 正交试验结果分析Table 2 Orthogonal array design layout and experimental results

3 讨 论

固定化啤酒废酵母吸附水中重金属Cr6+的最佳工艺条件是：吸附时间1.5h、吸附温度15℃、Cr6+溶液起始质量浓度40mg/L、酵母小球添加量3g/20mL、pH3，水浴恒温振荡器转速为150r/min，在此条件下固定化啤酒废酵母吸附水中重金属Cr6+的最大吸附率为27.6%，最大吸附量为10.8mg/g。由正交试验结果得出对吸附效果影响最大的是pH值，其次是Cr6+起始质量浓度，影响最小的是时间。

本实验只做了固定化酵母对Cr6+的吸附，但是在吸附过程中因为离子之间的相互作用力的存在，在吸附时会受到影响[8-9]，因此在实际应用时还要考虑其他离子对吸附时的干扰。关于这部分还有待于进一步分析研究。

[1]张帅, 程昊. 啤酒废酵母对Cr(Ⅵ)的吸附[J]. 环境工程学报, 2009, 3 (3): 489-490.

[2]孟庆娟, 刘建平, 戚秀云, 等. 啤酒酵母生物吸附剂的应用研究进展[J]. 东北农业大学学报, 2008, 39(10): 122-126.

[3]宁正祥. 食品成分分析手册[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 1998: 610-612.

[4]武运, 杨海燕, 朱建雯. 固定化啤酒酵母废菌体吸附Cu2+的研究[J].新疆农业大学学报, 2007, 30(4): 102-105.

[5]曹德菊, 程培. 3种微生物对Cu、Cd生物吸附效应的研究[J]. 农业环境科学学报, 2004, 23(3): 471-474.

[6]徐惠娟, 廖生赟, 龙敏南, 等. 啤酒酵母生物吸附镉的研究[J]. 工业微生物, 2004, 34(2): 12-14.

[7]吴德好. 测定饮用水中六价铬的新方法[J]. 中国卫生检验杂志, 2005, 15(7): 832-866.

[8]RIORDAN C, BUSTARD M, PUTT R, et al. Removal of uranium fromsolution using residual brewery yeast: combined biosorption aprecipitation[J]. Biotechnology Letters, 1997, 19(4): 385-387.

[9]WONG P K, SO C M. Copper accumulation by a strain of Pseudomonas putida[J]. Micobios, 1993, 73(295): 113-121.

Biosorption of Cr6+by Immobilized Waste Beer Yeast Biomass

WU Yun，LIU Yong-jian，GE Feng，TIAN Yong-gang，WEI Qian-yun，GU Linazi
(College of Food Science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Waste beer yeast was embedded into sodium alginate based spheres for providing a bioadsorbent for industrial wastewater treatment. The effects of length of adsorption time, temperature, adsorbent amount, Cr6+concentration and pH on Cr6+adsorption ratio were examined. The optimal adsorption conditions were determined as follows: length of adsorption time 1 h; temperature 15 ℃; adsorbent amount 3 g/20 mL; Cr6+concentration 40 mg/L; and pH 3. Under these conditions, the maximum adsorption ratio was 27.6%, and the maximum adsorption quantity was 10.8 mg/g. pH, Cr6+concentration and adsorbent amount had larger effect on Cr6+adsorption than two other factors.

waste beer yeast；immobilization；biosorption；Cr6+

X703

A

1002-6630(2010)19-0194-03

2010-06-30

新疆教育厅高校科研重点项目(XJEDU2008I60)；新疆农业大学紧缺人才专业大学生创新项目

武运(1965—)，女，副教授，硕士，研究方向为食品生物技术与食品安全。E-mail：wuyunster@sina.com