细菌纤维素的发酵生产及其对重金属离子的吸附作用

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对实验室筛选出的驹型杆菌(Komagataeibacter medellinensis)进行研究,在试验中研究了不同的发酵培养条件和营养成分对细菌纤维素合成量(Bacterial Cellulose,简称BC)的影响,并对影响细菌纤维素生产量的因子进行优化。通过对培养基中碳源、氮源、有机酸和磷酸盐,发酵培养条件中pH、接种量、培养温度多个因素进行考察,在单因素实验探究各个培养基组分的浓度对细菌纤维素合成量的影响试验中得出,3个主要要素的响应面试验设计的中心点为30 g/L、2 mL/L、1.0 g/L。最终通过响应面分析法得到发酵培养基的配方,BC的最高合成量能够达到6.281 g/L。确定的最佳培养基组成为:葡萄糖24 g/L,蔗糖17 g/L,酵母浸粉32.153g/L,醋酸2.013 mL/L,KH2PO4 1.026g/L。借助正交试验可以得出最佳的培养条件组合是温度32 oC,接种量2%,初始pH 5.0。依据验证实验得到使用优化后的培养条件发酵生产BC可以得到6.713 g/L。本文借助多种分析仪器对所获得的细菌纤维素进行研究,主要是它的结构及性质。首先利用傅里叶红外光谱分析得到的K.medellinensis C-3-1产物,结果发现与纤维素标品中含有的主要基团相符,并且其主要吸收峰形状和出现的位置与标品一致,说明实验中提取的为细菌纤维素;通过将细菌纤维素溶解利用比色法检测实验室获取的细菌纤维素纯度,结果表明实验室获得的细菌纤维素纯度超过了98%,细菌纤维素的纯度达到较高水平;通过扫描电镜对细菌纤维素进行观察,可看到细菌纤维素呈现出超微的立体网状结构大量微小的超微纤维素丝之间的相互缠绕和无规则的絮状折叠而成。对细菌纤维素进行持水性分析,可以看出细菌纤维素膜具有较高的含水率和吸水性能。由于细菌纤维素是纳米级的超微结构,而干燥的过程会使细菌纤维素原来的结构遭到破坏,不能再恢复到干燥前的溶胀状态,造成纤维素的含水率高于吸水率。考察了细菌纤维素对一些重金属离子的吸附效果。以Cr6+和Cu2+两种金属离子为考察对象,测定在不同条件下:溶液pH、离子初始浓度和吸附剂用量对实验结果的影响,可结果可看出细菌纤维素对Cu2+和Cr6+均有一定的吸附效果,在影响吸附的因素中,对于Cr6+的吸附条件为pH1.5,细菌纤维素用量为1 g/L,离子浓度为100μg/m L时吸附效果最好,对Cu2+的吸附条件为pH为5.0,纤维素用量为1 g/L,离子浓度为100μg/mL时,吸附效果最好。细菌纤维素对Cr6+的吸附效果比Cu2+的要好,单位吸附量分别为16.1mg/g和10.5 mg/g。对吸附了重金属的细菌纤维素做了解吸试验,可以看到经0.02 mol/L HCl溶液能有效解吸后的BC仍然可以很好的吸附Cu2+和Cr6+,在经过两次的解吸后BC对Cu2+和Cr6+的解吸率分别为90.6%和93.2%,故细菌纤维素作为重金属吸附剂可多次重复利用。
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