固定化改性酿酒废酵母吸附Pb2+特性研究

陈卫林，阎晓菲，高蕾，尹明远，王小标，苗森，董新平，武运*

（1.新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆农业大学科学技术学院，新疆乌鲁木齐830052；3.新疆中信国安葡萄酒业有限公司，新疆玛纳斯832200）

固定化改性酿酒废酵母吸附Pb2+特性研究

陈卫林1，阎晓菲2，高蕾1，尹明远1，王小标1，苗森1，董新平3，武运1*

（1.新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆农业大学科学技术学院，新疆乌鲁木齐830052；3.新疆中信国安葡萄酒业有限公司，新疆玛纳斯832200）

通过静态吸附试验，以固定化改性酿酒废酵母为吸附剂，研究其对Pb2+的吸附特性。研究结果表明：固定化改性酿酒废酵母对Pb2+的吸附在60 min时达到吸附平衡，吸附量随Pb2+初始质量浓度的增加而增大，最佳吸附温度为30℃，最佳pH值为4.5，最佳改性酿酒废酵母小球质量浓度为22 g/L，并且可以用准二级动力学方程和Langmuir方程对固定化酿酒废酵母吸附的动力学及吸附平衡进行描述。

酿酒废酵母；固定化；生物吸附；铅离子

随着近几年对生物吸附的不断研究，发现许多藻类、细菌、真菌以等微生物都能有效地吸附水溶液中重金属离子[1-5]。酿酒废酵母是酿酒行业的副产物，能够吸附污水中多种重金属离子，若用NaOH对酿酒废酵母进行简单的化学改性，可以提高其对重金属离子的吸附能力[6-9]。改性过的酿酒废酵母虽然对重金属具有较强的吸附能力，但由于其粒径小，游离的酵母吸附金属离子后，必须经过膜过滤才能与溶液分开，难以实现固液分离，这给实际应用带来了一定困难。为解决这一问题需将改性酿酒废酵母通过物理和化学的方法固定在高分子基质上，形成具有一定机械强度的颗粒或小球。

本研究先将酿酒废酵母进行简单的化学改性，再用海藻酸钠和明胶将改性酿酒废酵母固定，制成固定化改性酵母小球，研究其对铅（Pb2+）的吸附动力学及等温吸附规律，并探讨了吸附时间、Pb2+初始浓度、吸附温度、溶液pH值、固定化改性酿酒废酵母浓度对固定化改性酿酒废酵母吸附Pb2+的影响，以期为污水中Pb2+的生物吸附提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酿酒废酵母：新疆乌苏啤酒厂。

硝酸铅：天津市福晨化学试剂厂；无水氯化钙：江苏强盛化工有限公司；海藻酸钠：天津市天达净化材料精细化工厂；明胶：天津市化学试剂三厂。以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

AR2130/C型电子精密天平：奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科技仪器有限公司；THZ-82型气浴恒温振荡器：常州市国立试验设备研究所；TD5A-WS台式低速离心机：长沙湘仪离心机仪器有限公司；MAS9000系列原子吸收光谱仪：北京盈安美诚科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 酿酒废酵母菌体的制备

用去离子水将酿酒废酵母洗涤、离心数次，至上清液澄清，收集菌体，在烘箱中80℃烘至质量恒定，冷却后粉碎成粉，过60目筛，干燥保存备用[10]。

1.3.2 酿酒废酵母菌体的改性

将制备的菌体置于浓度为0.32 mol/L的NaOH溶液中，在改性温度43℃、改性时间270 min、液料比为41∶1（mL∶g）的条件下进行改性，用蒸馏水将改性后的酵母洗涤、离心数次，至上清液呈中性，收集菌体，在烘箱中80℃烘至质量恒定，冷却后粉碎成粉，过60目筛，干燥保存备用[9]。

1.3.3 酿酒废酵母菌体的固定化

分别称取2.0 g海藻酸钠以及1.0 g明胶于烧杯中，加适量蒸馏水，于电磁炉上加热搅拌使其溶解，冷却后加入2.5 g改性酵母并补加蒸馏水至100 mL，搅拌均匀，用注射器将其滴入100 mL 4%的CaCl2溶液中，静置24 h，然后弃去CaCl2溶液并用蒸馏水洗净，4℃保存备用[11-12]。

1.3.4 重金属溶液的配制

精密称取0.159 8 g硝酸铅，用蒸馏水于100 mL容量瓶中定容至刻度，制得1 000 μg/mL的Pb2+溶液，将其作为母液。按试验需要的重金属浓度对母液进行稀释混合即可。

1.3.5 吸附时间对吸附的影响

移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于500 mL三角瓶中，水浴锅中预热至30℃，加入3.2 g固定化改性酿酒废酵母小球，于气浴恒温振荡器中30℃恒温振荡5 min、10 min、15 min、25 min、40 min、60 min、90 min、120 min、180 min、300 min，取样过滤，用原子吸收光谱仪对滤液中Pb2+的质量浓度进行测定。

1.3.6 初始Pb2+质量浓度对吸附的影响

分别移取100 mL质量浓度为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，水浴锅中预热至30℃，分别加入3.2 g固定化改性酿酒废酵母小球，于气浴恒温振荡器中30℃恒温振荡60 min，取样过滤，用原子吸收光谱仪对滤液中Pb2+的质量浓度进行测定。

1.3.7 吸附温度对吸附的影响

分别移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于5个500 mL三角瓶中，水浴锅中分别预热至10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，各加入3.2 g固定化改性酿酒废酵母小球，分别于气浴恒温振荡器中10℃、20℃、30℃、40℃、50℃恒温振荡60 min，取样过滤，用原子吸收光谱仪对滤液中Pb2+的质量浓度进行测定。

1.3.8 pH值对吸附的影响

分别移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于500 mL三角瓶中，将其pH值分别调节为2.0、2.5、3.0、4.0、4.5、5.0、5.5、 6.0、6.5、7.0，水浴锅中预热至30℃，分别加入3.2 g固定化改性酿酒废酵母小球，于气浴恒温振荡器中30℃恒温振荡60 min，取样过滤，用原子吸收光谱仪对滤液中Pb2+的质量浓度进行测定。

1.3.9 固定化改性酿酒废酵母质量浓度对吸附的影响

分别移取100 mL Pb2+（30 μg/mL）溶液于5个500 mL三角瓶中，水浴锅中预热至30℃，分别加入12 g/L、22 g/L、32 g/L、42 g/L、52 g/L固定化改性酿酒废酵母小球，于气浴恒温振荡器中30℃恒温振荡60 min，取样过滤，用原子吸收光谱仪对滤液中Pb2+的质量浓度进行测定。

1.3.10 计算方法

式中：Q为生物吸附量，mg/g；ρ0为吸附前溶液中Pb2+质量浓度，mg/L；ρ1为吸附后溶液中Pb2+质量浓度，mg/L；V为吸附液体积，L；M为吸附剂用量（干质量），g[11]。

2 结果与分析

2.1 吸附时间对吸附的影响及动力学方程模拟结果

图1 吸附时间对Pb2+吸附量的影响Fig.1 Effect of adsorption time on Pb2+biosorption capacity

由图1可知，吸附时间在0～60 min时，吸附量随着吸附时间的延长而快速增加，并且在60 min时达到吸附平衡，吸附时间在60～90 min之间时，吸附量随时间的延长有所降低，但降低量不大，在90～300 min之间，吸附量随时间的延长基本无变化，因此确定吸附平衡时间为60 min。

通常，用于描述重金属离子吸附过程的动力学方程有准一级动力学方程和准二级动力学方程，其中准二级动力学方程描述效果较好[13-15]。准二级动力学方程的线性表达式为：

式中：t为吸附时间，min；qt为t时刻的吸附量，mg/g；k2为准二级速率常数，g/（mg·min）；qe为平衡时刻的吸附量，mg/g。

用上述方程对酿酒废酵母吸附Pb2+的数据进行拟合，结果见图2。

图2 动力学方程模拟结果Fig.2 Simulated results of kinetic equation

由图2可知，当Pb2+单独存在时准二级动力学方程的相关系数R2为0.996 9，具有非常好的拟合度，可以用准二级动力学方程对其动力学过程进行很好的描述。根据准二级动力学方程可得Pb2+的平衡吸附量为0.77 mg/g，实际最大吸附量为0.80 mg/g，相差3.90%，k2=0.17 g/（mg·min）。

2.2 初始Pb2+质量浓度对吸附的影响及等温吸附方程模拟结果

图3 Pb2+初始质量浓度对吸附量的影响Fig.3 Effect of Pb2+initial concentration on biosorption capacity

由图3可知，初始Pb2+质量浓度在30～300 μg/mL范围内，吸附量随Pb2+质量浓度的增加几乎呈线性增加，固定化改性酿酒废酵母还未达到饱和。

用Langmuir方程对等温吸附试验数据进行拟合，拟合结果见图4。表达式见式（3）：

式中：qe为平衡吸附量，mg/g；qmax为最大吸附量，mg/g；b为常数，g/（mg·min）；Ce为离子平衡质量浓度，μg/mL。

由图4可知，Pb2+的Langmuir方程拟合相关系数为0.986 9，这说明在等温吸附试验条件下可以用Langmuir方程对Pb2+的等温吸附平衡进行描述，将图4中的方程进行计算获得Pb2+的最大吸附量为24.75 mg/g。

图4 酿酒废酵母对Pb2+的吸附平衡模拟结果Fig.4 Adsorption equilibrium simulation results of wine yeast on Pb2+

2.3 吸附温度对吸附的影响

图5 吸附温度对吸附的影响Fig.5 Effect of adsorption temperature on biosorption capacity

由图5可知，吸附温度在10～20℃范围时，吸附量随温度的增加而增加，但增加量不大，吸附温度在20～30℃范围时，吸附量随温度的增加而急剧增加，吸附温度在30～50℃范围时，吸附量随温度的增加而增加，但增加量不大，考虑到成本与效果，确定最佳吸附温度为30℃。

2.4 pH值对吸附的影响

图6 pH值对吸附的影响Fig.6 Effect of pH on biosorption capacity

由图6可知，pH值在2～4范围时，吸附量随pH的增加而快速增加，pH值在4～7范围时，吸附量随pH的增加变化不大，在pH值较低时Pb2+的吸附量较低可能是由于pH较低时重金属溶液中含有大量H+，这些H+与Pb2+竞争占据吸附位点，导致Pb2+的吸附量下降。固定化改性酿酒废酵母吸附Pb2+的最佳pH值为4.5。

2.5 固定化改性酿酒废酵母质量浓度对吸附的影响

图7 固定化改性酿酒废酵母质量浓度对吸附的影响Fig.7 Effect of immobilized cell concentration on biosorption capacity

由图7可知，固定化改性酿酒废酵母质量浓度在12～22 g/L范围时，吸附量随固定化改性酿酒废酵母质量浓度的增加而增加，并且在22 g/L时达到最大吸附量2.10 mg/g，固定化改性酿酒废酵母质量浓度在22～52 g/L范围时，吸附量随固定化改性酿酒废酵母质量浓度的增加而降低，故确定最佳固定化改性酿酒废酵母质量浓度为22 g/L。

3 结论

将改性过的酿酒废酵母进行固定化，研究吸附时间、重金属初始质量浓度、吸附温度、溶液pH值、固定化改性酿酒废酵母质量浓度对固定化改性酿酒废酵母吸附Pb2+的影响，并对其吸附动力学及等温吸附进行研究，主要研究结论如下：

固定化改性酿酒废酵母对Pb2+的吸附在60 min时达到吸附平衡，吸附量随Pb2+初始质量浓度的增加而增大，最佳吸附温度为30℃，最佳pH值为4.5，最佳固定化改性酿酒废酵母质量浓度为22 g/L。

在本吸附动力学试验条件下准二级动力学方程的拟合相关系数为0.996 9，根据准二级动力学方程得到的理论平衡吸附量与实际最大吸附量相差3.90%，可用准二级动力学方程对Pb2+的吸附动力学过程进行很好的描述。

在等温吸附试验条件下Langmuir方程拟合相关系数为0.986 9，可以用Langmuir方程对Pb2+的等温吸附平衡进行描述，Pb2+的最大吸附量为24.75 mg/g。

通过本试验得出的以上结论可以为利用酿酒废酵母处理污水中Pb2+提供参考。

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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

自治区产学研联合培养研究生示范基地项目资助（xjaucxy-yjs-20131069）

陈卫林（1987-），男，硕士研究生，研究方向为食品生物技术。

*通讯作者：武运（1965-），女，教授，硕士，研究方向为食品生物技术与食品安全。