PVA-SA共固定技术.doc

聚乙烯纯海藻酸钠共固定化技术固定化技术是从20世纪60年代开始迅速发展的一项新技术，它是通过采用化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，并使其保持活性，反复利用的方法。包括固定化酶技术和固定化细胞技术。微生物包埋定义：是将微生物细胞截留在水部溶性的凝胶聚合物空隙的网络空间中。通过聚合作用或者通过离子网络形成，或通过沉淀作用，或改变溶剂、温度、PH值使细胞截留。凝胶聚合物的网络可以阻止细胞的渗漏，同时能让机子渗入和产物扩散出来。海藻酸钠包埋：海藻酸钠是一种从海藻中提取的天然多糖聚合物,结构是直链型(1 - 4) 链合的古罗糖醛酸与甘露糖醛的共聚物. 其分子链上含有大量的羟基和羧基,用CaCl2 作为交联剂,可形成交联的海藻酸钙聚合物,含水率高,具有好的生物相容性,可用于食品加工、制药。海藻酸钠包埋：具有固定化、成型方便，对微生物毒性小，固定化细胞密度高等优点，是用于包埋固定化微生物的第一个聚合物。缺点：机械强度低，抗降解能力差，同时其凝胶网络的空隙尺寸太大，不适宜大多数酶的固定化。当存在高浓度的K、Mg、磷酸盐以及其它单价金属离子时，海藻酸钠凝胶结构会受到破坏。聚乙烯醇包埋：聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯酯经水解而得的聚合物,无毒性,其分子链上含有大量羟基,分子链间形成氢键,具有较高机械强度和韧性,是一种理想的生物材料,被广泛用作药物缓释基质、接触镜材料,改性后可用作抗凝血材料。聚乙烯醇是一种新型的微生物包埋固定化载体，具有机械强度高、化学性能好、抗微生物分解性能强、对微生物无毒、价格低廉等一系列优点。缺点：成型难，其交联剂硼酸对微生物活性影响较大。聚乙烯醇作为固定化微生物细胞载体又有其一定的局限性，由于在聚乙烯醇固定化过程中引入的交联剂是硼酸溶液，所以在交联过程中，硼酸溶液的酸性对固定化的微生物有一定的抑制作用，致使微生物活性不高；聚乙烯醇是一种高粘性物质，在交联反应过程中容易发生粘连现象，成球困难；聚乙烯醇固定化颗粒在应用中存在很大的水溶胀性，随着使用时间的增长，强度大大减弱，在实际应用中极为不利聚乙烯醇-海藻酸钠共固定：聚乙烯醇和海藻酸钠,两者均为亲水性的聚合物,互溶性好,在以往的研究中,两种材料通常是单独使用,未能将他们的优点结合起来,在材料的弹性和含水率等性能方面不理想,将聚乙烯醇的高强度和海藻酸钙的高含水率相结合,制得具有弹性好、柔韧性大和含水率高的PVA -海藻酸钙复合材料。方法：1) 将PVA和SA加热溶于水，冷却2) 将微生物细胞与上述溶液混合均匀，使PVA与SA的最终浓度为7.5%-10%，0.4%-3%3) 将上述混合液用针型管滴入饱和的硼酸和CaCl2 1.0%-5%4) 低温凝胶10h，使其充分反应5) 滤出颗粒，用0.7%生理盐水侵泡24h,备用包埋固定化细胞颗粒的性能评价1、物理指标：1)机械强度：用压力测试测定，机械强度越大，颗粒的可利用性越强。2)颗粒密度：一定体积内固定化颗粒的量3)形状大小：以圆形或椭圆形为主，据报道，当固定化细胞颗粒的直径大于1mm时，就可能会引起严重的传质限制，并且导致细胞颗粒内分布不均匀。此外减小固定化颗粒的尺寸有利于提高其生产能力和改善其机械强度。成型方法挤压法，通常在2-5mm;乳化技术;喷雾干燥技术。4)传质性能: 加入粉末活性炭以增加固定化颗粒的微TLTL道，提高其传质性能。其测定方法一般为：选用粒径大小相同的数量相等的海藻酸钠小球和PVA小球，分别浸入等量的惰性红墨水中，每隔5分钟取球切片，在放大镜下观察红墨水渗透到固定化小球内部的情况海藻酸钠小球传质较快，25分钟左右，从小球的切片断面上看已经完全被红墨水浸透，而PVA相对传质性能就要差一些，大约需要45分钟左右的时间。可以看出，作为天然载体材料的海藻酸钠和人工合成的高分子载体材料PVA都有较好的传质性，但相对来说，海藻酸钠的传质性能要更好一些。在固定化颗粒的长期运行中，粒径越小越不易发生发胀上浮现象，传质性能也越好，越有利于载体内的细胞生长，因此，在制备条件允许的情况下，固定化颗粒粒径越小越好5)膨胀性2、化学指标:亲水性、溶解性3、生物指标：微生物细胞活性,细胞形态,微生物生长率。包埋固定方法的改进：影响固定化包埋技术的效果的因素：主要包埋剂的浓度，污泥的包埋量，胶联剂的浓度，胶联反应时间，固定化颗粒的粒径等等，而包埋剂的浓度、污泥的包埋量和胶联时间又是这些因素中的主要影响因素。陈敏等在聚乙烯醇的固定化过程中添加了活性碳，不仅使得固定化有吸附和包埋的双重效果，而且改善了通透性并有助于成球。Kuraray等在聚乙稀醇溶液中加入少量海藻酸钠，然后滴入CaCl2溶液中，这样形成的凝胶颗粒的机械强度比一般PVA固定化颗粒高。桥本奖等报道，在PVA固定化过程中添加酪蛋白、铝盐、铜盐、钛盐有利于提高固定化颗粒的强度且减少活性损失。Kuo Cheng Chen等人用聚乙烯醇固定化之后用磷酸进行酯化，以固定凝胶球。李峰等人在用聚乙烯醇作为固定化载体材料的研究中，引入了O.15的海藻酸钠来改善成球的难易性，加入CaC03、Si02、Fe粉来改善球的性能。在PVA溶液中加入少量的Si02、CaC03和Fe粉是目前很多研究者改善PVA凝胶性能所采取的措旌。caC03可以增加PVA颗粒的通透性，同时，又可以提高固定化颗粒的活性；PVA中加入Si02后，不仅增加颗粒的比重，减少在制球和处理。李花子等研究者在使用聚乙烯醇作为包埋剂的研究中，分别是用了延时包埋和加入丙烯酰胺和N-N哑甲基双丙烯酰胺来做为改善固定化凝胶球的方法。Lozinsky和Plieva对PVA凝胶作为固定化载体作了较为全面的总结，他们认为聚乙烯醇凝胶固定化包埋技术优势有：低温制备的PVA凝胶。1)有很高的大小孔隙率，提供最佳的菌体代谢物转运途径；2)有极好的流变学性能(不易脆)，可作为大多数反应器的固定化载体；3)有超常的热稳定性(相比于热可逆性凝胶)；4)对生物降解耐受性很高，对培养介质成分无不良反应；5)生物相容，无毒，低成本。由于在PVAH3803固定化包埋方法中，作为交联剂的饱和硼酸溶液的pH只有4左右，而微生物在这种酸性环境下生长会受到抑制，致使活性下降，同时又影响了PVA的凝胶过程，所以通过调节pH减小在固定化过程中对微生物活性的影响。结合上述，由于加入海藻酸钠作为添加剂，所以采用饱和硼酸溶液中含1的CaCl2，并用Na2C03调节pH值到67为最佳。在进行以上改进的同时，为了避免在PVA交联过程中的粘联现象并加快固定化操作的过程，采用磁力搅拌器作为辅助搅拌，在烧杯作为交联反应器的形式进行操作。PVA-硼酸法在污水处理中的应用现状硼酸法中，PVA的最适浓度为7.510。但PVA凝胶有时由于交联不彻底常会有少量TOC成分溶出，且在高温时强度变低。若在PVA硼酸法固定化微生物制备过程中，用Na2C03，事先将硼酸的pH值调整到67左右，或将制成的凝胶放入水中浸泡几天，可提高其在高温时强度的稳定性。角野报道在PVA凝胶制备过程中加入少量粉末活性炭可提高凝胶强度，同时，这种复合凝胶制成的固定化微生物在进水水质不稳定、难降解组分突然进入处理系统的突然情况下显示出比单一PVA凝胶良好的性能优势。李峰等用PVA硼酸法对活性污泥进行包埋固定化，在序批式反应器(SBR)qb，对某化肥厂的模拟氨氮废水进行了实验室水平的研究，并与悬浮生物法SBR处理进行了比较。在进水COD350mg/L、氨氮60mgL的条件下，其COD去除率达92.66，氨氮去除率达99.7，与悬浮生物法相当。但在好氧条件下TIN去除率高于悬浮生物法，且剩余污泥少，这是因为固定化载体的表面及内部的多孔网状结构为反硝化菌提供了大量缺氧的微环境，因此，即使在好氧条件下也能进行反硝化脱氮。但该研究也表明，微生物在固定化过程中活性损失严重，要经过一段时日运行，处理水平能恢复以至超过悬浮生物法。冷冻解冻法制PVA水凝胶关于冷冻解冻法制PvA水凝胶的机理研究目前比较成熟的主要有以下几点|：凝胶化是网络形成的结果，在凝胶化的初始阶段，发生相分离，形成了高分子聚集区和非聚集区：凝胶在水溶液中的成型首先是高分子侧氢键作用的结果。Lozinsky V I和Plieva F M总结了利用冷冻解冻PvA水溶液制得的水凝胶作为吲定细胞的载体的优越性：PVA水凝胶大量的宏观和微观孔隙给细胞基质及其代谢产物无障碍传递提供了非常便利的条件；非脆性载体优良的流变学特征以及适合多种类型反应器；与通常静热可逆凝胶载体相比，PVA水凝胶具备优良的热稳定性；高度抗生物降解和非常低的对培养基组成的敏感性；