全 文 ：收稿日期:2008-05-22
作者简介:刘振扬(1952-),男,吉林人,大学,副教授,主要从事食品
发酵专业教学与科研工作。共完成科研项目十三项,获过省和国家奖
励。共撰写论文三十多篇,有的论文被国外权威刊物(CA)(INSPEC)
选摘。
废啤酒酵母吸附镉离子的特性探讨
刘振扬 1,刘 超 2
(1.东北电力大学应用技术学院,吉林 吉林132012;2.吉林农业科技学院,吉林 吉林 132101)
摘 要:主要研究啤酒酵母对镉离子的生物吸附过程,分析啤酒酵母吸附镉离子的速度、温度、pH等的影响因
数。探讨利用啤酒废酵母处理含镉废水的工业途径。
关键词:啤酒酵母;镉离子;生物吸附;含镉废水
中图分类号:TS262.5;TS261.11 文献标识码:B
ApproachontheCharacteristicsofAbsorbingtheCadmium
WithWasteBrewersYeast
LIUZhen-yang1 LIUChao2
(1ColegeofAppliedTechnicalofNortheastDianLiUniversity,Jilin132012,Jilin,China;
2JinlinAgricultureScienceAndTechnologyColege,Jilin132101,Jilin,China)
Abstract:Inthisarticlewestudiedtheprogressofadsorbingthecadmiuminefluentwaterbybiologicalwayswithwastebrewersyeast.
Wehaveanalyzedthefactorsasspeed,temperatureandpHduringadsorbing.Andweapproachtheindustrywaystodealtheefluent
waterwithcadmiumsowecanfindabetermethodtomanageitwithcheapandwidespreadbiologicabsorbingmaterials.
Keywords:brewersyeast;cadmium;biologicadsorbing;efluentwater
0 概述
人类在生活和生产活动中产生大量废水、污水。水污染包
括重金属离子污染[1]。作为“五毒”之一的镉,一般通过呼吸道
和消化道进入人体,与肌体中各种含硫基的酶结合,从而抑制
酶的活性和生理功能。此外,水溶性镉很容易通过土壤转移到
蔬菜、作物中去,间接引起人畜中毒[2]。
利用微生物吸附重金属具有许多优点:吸附快速;pH和
温度条件范围宽;在低浓度下,金属可以被选择性去除,处理
效率高;投资少,运行费用低;可有效地去回收一些贵重金属
等[3]。用啤酒废酵母处理含镉废水的工业方法具有巨大的民生
和经济效益。
1 实验室研究方法
1.1 材料与设备
实验材料:啤酒厂废酵母经去离子水处理后烘干备用。镉
标准溶液按国内(GB7471-87)标准进行配制,在实验中所用
的含镉溶液,是根据实验需要利用镉标准溶液和蒸馏水再进
行配制的。
仪器设备:光电分析天平、电热恒温水浴锅、酸度计、多头
磁力搅拌器、电热干燥箱、离心沉淀机、原子吸收分光光度计、
X-射线光电子光能谱仪、红外光谱仪等。
1.2 啤酒废酵母的实验室吸附条件
1.2.1 pH对啤酒酵母吸附量的影响
第35卷 第5期
2008年 9月
酿 酒
LIQUOR MAKING
Vol.35.№.5
Sep.,2008
文章编号:1002-8110(2008)05-0067-03
4 结论
长期以来,我国啤酒行业一直停留于较低的自动水平上。
发酵过程温度控制作为一个大时滞、强关联的多变量时变系
统,使得常规PID控制难以解决静态与动态性能、鲁棒性与控
制性能之间的矛盾。仿真结果说明了本文提出的方法很好的
解决了这个矛盾。
[参考文献]
[1]王骥程,祝和云.化工过程控制工程[M].化学工业出版社,2002,2:
281-283
[2]郑恩让,张玲.内模控制在造纸生产定量控制中的应用[J].化工自
动化及仪表,2001,28(3):23-24
[3]薛福珍,庞国仲,胡京华.啤酒发酵温度的多变量控制[J].自动化学
报,2002,28(1):150-154
[4]叶建华.锅炉燃烧送引风多变量互耦模型及解耦控制[J].动力工
程,1992,12(1):39-44
[5]庞国仲,孙丽华.多变量时滞系统鲁棒稳定性 [J].自动化学报,
1997,23(1):100-102
[6]王蕊,苗宝增.啤酒发酵过程P-Fuzzy-PI结合Smith预估补偿控制
[J].啤酒科技,2007,6(6):65-67
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酿酒酵母对Cd2+的吸附最适pH为5～9,在任何极限pH
条件下都会降低 Cd2+的吸附量,尤其是在 pH较低的情况下。
吸附时间5h,Cd2+初始浓度50mg/L,酵母浓度1g/L,pH分别为
2,3,4,5,6,7时,进行吸附实验。从图1中可以看出,随着溶液
pH增大,吸附率也逐渐增大。在pH6时,吸附率最大。当pH继
续增大到 pH7时,溶液中出现少量沉淀,吸附率有所下降[4]。
图1 pH对吸附率的影响
1.2.2 温度对吸附量的影响
以酵母浓度为 0.5g/L,Cd2+浓度为 50mg/L(pH6,吸附时间
为5h)条件下做Cd2+试验。结果可知温度在0～28℃时吸附量
均保持在较高的水平[3]。
1.2.3 离子浓度与菌体浓度对吸附量的影响
在不同酵母浓度(0.1g/L,0.5g/L,1.0g/L,2.0g/L)及不同 Cd2+
浓度(10mg/L,50mg/L,100mg/L,200mg/L)下做 Cd2+试验(pH6,
温度为28℃及吸附时间为0.5h),结果表明菌体浓度对吸附剂
的影响很显著,低浓度菌液(0.1g/L)对金属的吸附率较低,随着
菌体浓度的增加,吸附率逐渐增大,在实验范围内 Cd2+浓度
为 100mg/L,酵母浓度为 2.0g/L,反应时间为 0.5h时,吸附率
达到最高为92.2%,此时吸附量为51.5mgCd2+/g干酵母[4]。
1.3 确定吸附力学实验
取一定体积含 Cd2+溶液,用稀 NaOH和 HNO3溶液调节
体系pH为7,然后将此离子溶液与一定体积的菌悬浮液混合,
磁力搅拌,立即计时。体系初始体积为1000mL,菌体浓度2g/L,
初始 Cd2+浓度为 50mg/L。每隔一定时间取 3mL菌悬液,离心
分离,测上清液Cd2+含量。
在Cd2+离子的初始浓度为50mg/L,反应温度28℃,pH为
6,溶液体积 100mL,干酵母投加量 1g的条件下,考察了吸附
时间对啤酒酵母吸附Cd2+的影响。溶液中剩余离子浓度及生
物吸附量与吸附时间的关系曲线图[3]。
图2 吸附量随时间变化
图3 剩余浓度随时间变化
由图2,3可知,在10min内,生物吸附量约为 60min时吸
附量的 95%,随着时间的延长吸附率几乎保持不变。根据菌
体吸附剂对 F-吸附的这种“两段式”特征可推测 Cd2+的吸附
机制可能为:吸附的第一阶段具有吸附速度快、可逆、无选择
性等特点。吸附的第二阶段的特点为吸附速度慢、单层吸附、
有选择性和不可逆[5],这与有关文献中报道的“吸附 +细胞膜
传输”模型相符[7]。从实际应用角度考虑,由于在第一吸附阶段
的吸附效率最高,因此可选取吸附前10min为一个吸附时间
段,从而确定了吸附最佳时间提高了设备的利用效率,降低了
操作成本。
2 啤酒废酵母作为污水处理吸附剂的工业探讨
2.1 啤酒废酵母作为吸附剂加工方法
2.1.1 啤酒酵母工业制备
啤酒废酵母是啤酒生产重要的副产物,现代锥罐发酵其
酵母产量约为啤酒产量的0.2%～0.3%(干基质量分数)。若按
2001年我国啤酒总产量 2274万吨啤酒计算,每年我国将有
45.5～68.3万吨的啤酒废酵母[7]。
根据对啤酒废酵母综合利用的相关报道,以及对《啤酒废
酵母生产蛋白饲料》的工业设计及其生产实践。确定啤酒废酵
母提取方法。
加工流程:
废酵母泥→加水冲洗→过筛除杂→离心分离→预处理
→干燥→干生物吸附剂 ↓
加碱
2.1.2 流程说明
啤酒发酵的麦汁中尚有分离不净的大麦果皮、种皮及酒
花碎片,加工时必须将大麦果皮及酒花碎片除去。
加水稀释:采用5℃的冷水稀释,加水量不低于3倍。
过筛除杂:将稀释的酵母泥充分搅拌均匀,用 100目的筛
子筛分一次,即可除去全部可见杂质。
沉降分离:经过筛分后的酵母乳液,静止 30～40min,倾
出上清液,得到不含杂质的酵母乳液。将筛分后的酵母乳液,
进行离心分离。离心机转数为2000/min,离心5min,即得酵母
泥。
预处理:将其酵母泥调配成乳液,加添加剂,搅拌均匀,使
其成为均匀的乳状液准备进行干燥处理。
干燥:将酵母乳液进行喷雾干燥。
100
50
0
吸
附
率
/%
2 4 6 8
pH
8
6
4
2
0
吸
附
量
/m
g·
g-
1
0 20 40 60 80
时间/min
第五期 2008酿 酒
10
8
6
4
2
0
0 20 40 60 80
剩
余
浓
度
/m
g·
g-
1
时间/min
·68·
干燥后的酵母冷却、包装。既得到廉价的处理含镉工业
废水的生物吸附剂—啤酒酵母粉。
2.2 用啤酒废酵母处理含镉废水的工艺探讨
2.2.1 工艺流程
通过对一些报道[5][6]中小型实验的结果分析,同时又进行
某电镀厂废水的实验。确定啤酒酵母处理含镉废水的工艺流
程:
酵母吸附剂
↓
工业废水→调节池→生物吸附→沉淀池→废水排放
↓
助滤剂→过滤
↓
金属回收
2.2.2 流程说明
调节:首先对含镉废水进行除杂,然后加酵母吸附剂,进行
搅拌。
生物吸附:采用气浮式搅拌三级循环进行吸附流程。经吸
附后的废水检测达标后排放。
沉淀:含镉工业废水经啤酒酵母处理后,在沉降池中进行
沉淀。啤酒酵母的沉降时间为30～45min。上清液达到排放标
准,进行排放。其浑浊液进行压滤。
压滤:在浑浊液中加入助滤剂(粉碎后稻壳)进行压滤。
干燥:为便于储存,将滤饼进行干燥。可用滚筒干燥机进
行干燥。
焚烧:采用焚烧富积含有金属的啤酒酵母滤饼的方法。将
得到金属含量很高的灰烬,进行重金属回收。
根据酵母吸附能力为每克可吸附 Cd2+46.5mg,初步估算,
1t干酵母可处理含 Cd2+100mg/L的废水 465t,可回收金属镉
46.5kg的氧化物。
在实际工业生产过程中,不同行业产生中废水的水质是
不一样的,即使同一生产流程,其生产中废水的水质也是时刻
在变化。在实际生产中可以根据废水性质变化情况进行相应
工艺参数的调节。
3 结论
用啤酒废酵母,作为含镉废水的吸附剂,通过实验认为是
可行的。啤酒酵母对隔离子的吸附时间短(15min);pH范围宽
(4～8);酵母的单位吸附量大(46.5mg/g)。对于高浓度的含镉
溶液,酵母表现出较强的吸附能力。废水经二次吸附处理后均
能达到排放标排。
用啤酒酵母吸附工业废水中重金属离子流程,还没有应
用于工业生产。本工艺是一种设想,采用三级间接吸附,是为
了节省酵母,同时增加重金属的积累。采用焚烧法,是因为啤
酒废酵母来源广、价格底。采用稻壳等有机物做助滤剂是为便
于焚烧回收重金属。
4 前景展望
从近年来发展起来的重金属废水处理新方法来看,主要
是为了满足当今日益严格的环保要求,使重金属废水得到最
终妥善的处置。利用吸附法进行废水中有毒重金属的去除及
稀有贵金属的回收,具有高效、经济、简便、选择性好的优点,
特别是处理传统方法不能处理的低浓度重金属废水具有独特
的应用价值。因此是一种应用前景很广阔的重金属废水的处
理手段。
随着对生物吸附剂研究的不断深入, 生物吸附技术在
废水净化和重金属富集回收等方面具有了广阔的应用前景。
针对不同的吸附质体系, 当前已发现并研究了大量具有吸
附能力的生物吸附剂, 但在以下几个方面仍有待发展与完
善[8]:
4.1 通过对生物吸附剂吸附机理的研究,利用预处理和基因工
程等技术构建出具有较强吸附能力和适应能力的生物吸附剂;
4.2 采用固定化技术,将生物吸附剂与生物酶 /酶系结合在
一起,从而有效促进废水中有机物的脱除与降解;
4.3 对于可再生重复使用的生物吸附剂,加强对其再生工艺
和应用条件的研究;
4.4 采用合适的方法,解决废弃生物吸附剂与富集物的回收
利用与处理问题;
4.5 针对不同的应用领域和使用目的,开发出具有工业化价
值的生物吸附剂及其应用工艺。
[参考文献]
[1]孙希君.水污染及污水处理.哈尔滨学院学报,2002,23(8)
[2]戴世明,吕锡武.镉污染的水处理技术研究进展.安全与环境工程,
2006,13(3),63-65
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防治,2004,34(2),95-97
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2006,6,85-88
[5]赵振国.吸附作用应用原理[M].北京:化学工业出版社,2005:11
[6]夏君,翟建国,马锦民等.含锌废水的微生物处理技术[J].化工环
保,2005,25(3),191-194.
[7]顾国贤.新世纪中国啤酒工业发展展望.酿酒科技.2002,(4),28-30
[8]王岚,王龙耀.生物吸附剂及其应用研究进展.天津化工.2006,20(5)
刘振扬,等:废啤酒酵母吸附镉离子的特性探讨第五期 2008
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酿酒酵母对Cd2+的吸附最适pH为5～9,在任何极限pH
条件下都会降低 Cd2+的吸附量,尤其是在 pH较低的情况下。
吸附时间5h,Cd2+初始浓度50mg/L,酵母浓度1g/L,pH分别为
2,3,4,5,6,7时,进行吸附实验。从图1中可以看出,随着溶液
pH增大,吸附率也逐渐增大。在pH6时,吸附率最大。当pH继
续增大到 pH7时,溶液中出现少量沉淀,吸附率有所下降[4]。
图1 pH对吸附率的影响
1.2.2 温度对吸附量的影响
以酵母浓度为 0.5g/L,Cd2+浓度为 50mg/L(pH6,吸附时间
为5h)条件下做Cd2+试验。结果可知温度在0～28℃时吸附量
均保持在较高的水平[3]。
1.2.3 离子浓度与菌体浓度对吸附量的影响
在不同酵母浓度(0.1g/L,0.5g/L,1.0g/L,2.0g/L)及不同 Cd2+
浓度(10mg/L,50mg/L,100mg/L,200mg/L)下做 Cd2+试验(pH6,
温度为28℃及吸附时间为0.5h),结果表明菌体浓度对吸附剂
的影响很显著,低浓度菌液(0.1g/L)对金属的吸附率较低,随着
菌体浓度的增加,吸附率逐渐增大,在实验范围内 Cd2+浓度
为 100mg/L,酵母浓度为 2.0g/L,反应时间为 0.5h时,吸附率
达到最高为92.2%,此时吸附量为51.5mgCd2+/g干酵母[4]。
1.3 确定吸附力学实验
取一定体积含 Cd2+溶液,用稀 NaOH和 HNO3溶液调节
体系pH为7,然后将此离子溶液与一定体积的菌悬浮液混合,
磁力搅拌,立即计时。体系初始体积为1000mL,菌体浓度2g/L,
初始 Cd2+浓度为 50mg/L。每隔一定时间取 3mL菌悬液,离心
分离,测上清液Cd2+含量。
在Cd2+离子的初始浓度为50mg/L,反应温度28℃,pH为
6,溶液体积 100mL,干酵母投加量 1g的条件下,考察了吸附
时间对啤酒酵母吸附Cd2+的影响。溶液中剩余离子浓度及生
物吸附量与吸附时间的关系曲线图[3]。
图2 吸附量随时间变化
图3 剩余浓度随时间变化
由图2,3可知,在10min内,生物吸附量约为 60min时吸
附量的 95%,随着时间的延长吸附率几乎保持不变。根据菌
体吸附剂对 F-吸附的这种“两段式”特征可推测 Cd2+的吸附
机制可能为:吸附的第一阶段具有吸附速度快、可逆、无选择
性等特点。吸附的第二阶段的特点为吸附速度慢、单层吸附、
有选择性和不可逆[5],这与有关文献中报道的“吸附 +细胞膜
传输”模型相符[7]。从实际应用角度考虑,由于在第一吸附阶段
的吸附效率最高,因此可选取吸附前10min为一个吸附时间
段,从而确定了吸附最佳时间提高了设备的利用效率,降低了
操作成本。
2 啤酒废酵母作为污水处理吸附剂的工业探讨
2.1 啤酒废酵母作为吸附剂加工方法
2.1.1 啤酒酵母工业制备
啤酒废酵母是啤酒生产重要的副产物,现代锥罐发酵其
酵母产量约为啤酒产量的0.2%～0.3%(干基质量分数)。若按
2001年我国啤酒总产量 2274万吨啤酒计算,每年我国将有
45.5～68.3万吨的啤酒废酵母[7]。
根据对啤酒废酵母综合利用的相关报道,以及对《啤酒废
酵母生产蛋白饲料》的工业设计及其生产实践。确定啤酒废酵
母提取方法。
加工流程:
废酵母泥→加水冲洗→过筛除杂→离心分离→预处理
→干燥→干生物吸附剂 ↓
加碱
2.1.2 流程说明
啤酒发酵的麦汁中尚有分离不净的大麦果皮、种皮及酒
花碎片,加工时必须将大麦果皮及酒花碎片除去。
加水稀释:采用5℃的冷水稀释,加水量不低于3倍。
过筛除杂:将稀释的酵母泥充分搅拌均匀,用 100目的筛
子筛分一次,即可除去全部可见杂质。
沉降分离:经过筛分后的酵母乳液,静止 30～40min,倾
出上清液,得到不含杂质的酵母乳液。将筛分后的酵母乳液,
进行离心分离。离心机转数为2000/min,离心5min,即得酵母
泥。
预处理:将其酵母泥调配成乳液,加添加剂,搅拌均匀,使
其成为均匀的乳状液准备进行干燥处理。
干燥:将酵母乳液进行喷雾干燥。
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