槽式超声波作用下污泥蛋白质提取规律研究

徐 晖

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

槽式超声波作用下污泥蛋白质提取规律研究

徐 晖

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

针对污泥蛋白质的提取，试验探讨槽式超声波作用下pH值、超声波频率、超声功率、作用时间和固液比等因素对污泥蛋白质提取效果的影响，研究槽式超声波对污泥蛋白质提取的可行性及适宜的操作条件。结果表明：槽式超声波可有效提取活性污泥中蛋白质成分，碱液与低频槽式超声波对蛋白质的提取有协同作用。碱性条件下，随着pH值的增大污泥蛋白质提取率上升显著，随着超声功率的增大和固液比的减小及作用时间的延长污泥蛋白提取率上升然后趋于稳定。通过正交试验，确定pH值12，超声功率70 W，作用时间30 min，固液比1︰3，为槽式超声波提取污泥蛋白质的适宜操作条件，其提取率为22.4%。

槽式超声波；空化作用；活性污泥；污泥蛋白质；提取率

0 引言

蛋白泡沫灭火剂发泡性能好，泡沫稳定，对扑救化工、油类火灾具有很好的效果，是消防部队一种储存性战备物资。目前，消防部队所用蛋白泡沫灭火剂主要采用动物蛋白，成本高、气味大、对环境存在二次污染，急需寻找替代产品[1-2]。而活性污泥作为城镇污水处理厂的一种固体废物，污泥微生物细胞中含有较多的蛋白质成分，对微生物进行细胞破壁处理后能够提取其中的蛋白质成分，可作为蛋白泡沫灭火剂的原料，是一种优良的动物蛋白泡沫灭火剂替代产品，具有非常大的研究价值和应用潜力[3-5]。污泥蛋白质泡沫灭火剂的研究中污泥微生物蛋白质的提取是该领域研究的关键技术之一。

污泥微生物蛋白质的提取技术主要包括热水解、酸或碱水解、酶水解和超声波水解技术等[6]。其中，微生物超声波破壁技术是利用超声波在液相产生空化作用，形成高温、高压环境以及较大的水力剪切力，促使污泥微生物细胞壁破裂，加速污泥微生物细胞蛋白质成分的溶出。超声波提取技术可以实现常温常压下污泥蛋白质的提取，操作过程简单，利于节能和控制[7-11]，是具有应用前景的污泥蛋白质提取技术。目前，国内外学者对污泥微生物蛋白质提取的研究工作以热酸和热碱水解方面居多，对超声波提取污泥蛋白质尤其是槽式超声波提取方面研究较少，值得进一步深入研究。本文以槽式超声波对污泥蛋白质的提取为对象，试验分析槽式超声波条件下各因素变化对污泥蛋白质提取率的影响，以期揭示槽式超声波提取污泥蛋白质的基本规律。

1 试验部分

1.1 试验仪器及材料

试验在槽式超声波反应器进行，反应器见图1所示，槽式超声波频率45 kHz、80 kHz可调，电功率100 W。反应容器采用200 mL烧杯，烧杯上部敞开，烧杯底部距离超声波槽底部2 cm，超声波中注入1.5 L水作为传导介质。试验过程中所用主要仪器设备有槽式超声波反应器、台式离心机、721分光光度计、精密pH计、万分之一电子天平、真空干燥箱等。试验材料采自河北省廊坊市污水处理厂脱水后的剩余污泥，污泥在4 ℃条件下冷藏，以防污泥中有机物变质。试验用污泥样品基本理化指标为：pH值7.46，含水率86.52%，蛋白质含量31.15%。

1.超声波发生器；2.换能器；3.烧杯；4.热电偶；5.加热器；6.反应槽

1.2 试验方法及数据处理

试验过程中分别称取约20 g污泥样品放入200 mL烧杯中，加入一定量的蒸馏水搅匀，调制成污泥混合液。用1 mol·L-1的NaOH溶液和体积分数为60%的H2SO4调节污泥体系pH值，在超声波反应器中进行污泥破壁提取蛋白质试验；反应后的污泥样品在3 600 r·min-1转速的台式离心机中离心20 min，取上清液用考马斯亮蓝(G-250)法测定其蛋白质的含量。

选取污泥蛋白质提取率为评价指标。污泥蛋白质提取率计算公式为：

(1)

污泥含水率计算公式为：

(2)

2 结果与分析

2.1 槽式超声波提取与热碱提取效果比较

称取2份20 g污泥样品于200 mL烧杯中，加入蒸馏水控制固液比为1︰2.5。用1 mol·L-1NaOH溶液调节pH值为10，一组放置于恒温磁力搅拌器中，100 ℃条件下热搅拌100 min；另一组在槽式超声波反应器中提取，选取频率45 kHz，超声时间控制在30 min。结果见图2所示。由图2可见，槽式超声波作用和热碱作用均可提取出污泥中的蛋白质成分，槽式超声波作用30 min后污泥蛋白质提取率为15%，热碱作用100 min后蛋白质提取率为12.2%，槽式超声波作用不仅能够提取出污泥中蛋白质成分，并且提取效果比热碱提取效果好。前人研究发现，利用探头式超声波在液相中产生空化效应，形成的高温高压环境能增大细胞膜内外压力差，致使细胞膜局部破裂，使细胞膜内的蛋白质向液相扩散[6]。本试验结果表明槽式超声波产生的空化作用也足够使污泥蛋白细胞壁破裂，加速细胞膜内蛋白质的溶出提取，是一种切实可行的方法。通过与热碱作用提取效果的比较，表明槽式超声波的使用可以显著缩短蛋白质提取的时间以及降低提取的温度，实现常温条件下污泥细胞蛋白质的溶出，操作过程简单，便于节能和控制。

图2 槽式超声波与热碱作用下蛋白质提取率

2.2 槽式超声波频率对蛋白质提取的影响

试验选取45 kHz和80 kHz两种频率条件下进行，比较两种频率下污泥蛋白质的提取效果。结果见图3所示。由图3可知，45 kHz频率条件下污泥蛋白质提取率为15.0%，80 kHz频率条件下污泥蛋白质提取率为12.2%。相同条件下，对于槽式超声波而言，低频率可以从污泥中提取出更多的蛋白质成分，与文献报道一致[12]。由于超声波频率的大小会直接影响空化作用的形成，而空化作用会随着超声频率的升高而降低。低频率的槽式超声波作用在液相中产生的空化效应更有利于污泥蛋白质的提取，故后续试验均在45 kHz频率下进行。

2.3 污泥体系pH值对蛋白质提取的影响

相关资料表明，污泥溶胞过程中，体系pH值对溶胞效果影响较大[13]。选取污泥体系pH值范围1

图3 两种超声波频率下蛋白质提取率

～12进行试验，试验中固液比1︰2.5，超声功率50 W，反应时间30 min，其他试验条件同上。结果见图4。由图4可见，槽式超声波条件下，不同污泥体系pH环境对污泥细胞中蛋白质提取率影响显著，酸性和碱性条件下均能成功提取污泥中蛋白质，酸性越强或碱性越强提取效果越好，并且碱性条件下能得到更高的蛋白质提取率，表明槽式超声波与碱溶液协同作用时更容易提取污泥细胞中的蛋白质成分。这是由于污泥微生物细胞壁中脂肪含量较多，脂肪成分更容易在碱性溶液中水解，致使细胞破裂程度增加。碱性环境下，随着体系pH值的升高，蛋白质的提取率呈上升趋势，pH为7.46时提取率为5.71%，pH为12时提取率达到17.4%，pH为13时达到18.43%。在体系pH值范围7～12区间，蛋白质提取率上升迅速，当体系pH值超过12后污泥蛋白质提取率上升变缓，且pH为13时，试验过程中发现污泥混合液粘稠，上清液颜色加深呈棕褐色，离心过滤困难。所以，采用槽式超声波与碱溶液协同提取污泥蛋白质的过程中，溶液pH值应选取10～12范围之间为佳。

图4 污泥体系pH值对蛋白质提取的影响

2.4 槽式超声波功率对蛋白质提取的影响

槽式超声波功率主要体现强度对污泥细胞破壁溶胞的影响。前人研究成果表明超声空化作用的大小与超声功率即超声强度有关，液相中超声波强度增加，空化强度也会随之增大，但达到一定数值后，空化会趋于饱和。本试验过程选取槽式超声波功率范围20～100 W。其他试验条件为污泥体系pH值10，固液比1︰2.5，反应时间30 min。结果见图5所示。由图5可见，槽式超声波的功率对污泥细胞蛋白质提取的影响比较显著。在20～80 W超声波功率范围内，随着超声波功率的增加污泥蛋白质提取率不断增大，但当功率增加到80 W以上，超声波强度不会继续增大蛋白质提取率甚至有所下降。这与前人的研究成果一致，当超声波功率增大到一定程度后，会在液相中产生大量的无用气泡，反而降低了空化强度，从而导致污泥蛋白质提取率随着超声波功率的增大不再继续上升甚至有所降低。超声功率应控制在60～80 W范围内为佳。

图5 超声波功率对蛋白质提取率的影响

2.5 槽式超声波作用时间对蛋白质提取的影响

超声时间的长短主要影响污泥细胞破裂释放蛋白质反应进行的程度。试验过程选取反应时间范围为10～60 min。其他试验条件：槽式超声功率80 W，pH值为10，室温条件，固液比1︰2.5。结果见图6。由图6可见，槽式超声波作用下，随着作用时间的增加，污泥蛋白质提取率不断上升然后趋于稳定，超声作用40 min时，蛋白质的提取率达到最大值；之后，随着作用时间的继续增加，蛋白质提取率变化不显著。作用时间10～40 min范围时，蛋白质提取率不断上升即上清液中蛋白质含量增加，污泥微生物细胞破碎程度增大，表明此时间范围内超声产生的空化效应主要用于破碎污泥微生物细胞壁，蛋白质成分的释放占主导地位。作用时间40 min之后，蛋白质提取率比较稳定甚至出现少许下降，即上清液中蛋白质含量有所减少，表明此时空化效应对蛋白质起到一定的降解作用，出现了蛋白质提取率略有降低的情况。所以，超声波提取污泥蛋白质的作用时间应控制在20～50 min范围内为佳。

图6 超声波作用时间对蛋白质提取率的影响

2.6 污泥体系固液比对蛋白质提取的影响

污泥体系固液比是指污泥与加水量之间的比值，固液比大小直接影响污泥的浓度大小。污泥蛋白质提取过程中，固液比小则污泥浓度低，会延长后期蛋白质浓缩所需的时间，影响后续污泥浓缩操作；而固液比过大即污泥浓度过大时，则无法充分浸没污泥样品。因此，试验过程中应控制适当的固液比范围，在满足试验条件的前提下尽量降低反应污泥固液比。试验过程选取污泥体系固液比范围1︰1.5～1︰4.5，其他试验条件为污泥体系pH值10，超声功率50 W，作用时间30 min。结果见图7。由图7可见，槽式超声波作用下，固液比的减小对污泥蛋白质的提取有利，但是当固液比超过1︰2.5后提取率趋于稳定，继续降低固液比蛋白质提取率不再继续增加。这可能是由于当固液比较大时，污泥体系中水含量较少，污泥细胞没有完全浸没，影响了细胞的破解效果；而当含水量增加到污泥被完全浸没后，试验结果表明固液比对污泥细胞蛋白质提取没有太大影响。考虑到后续浓缩工艺的选取和能耗，固液比可以控制在1︰1.5～1︰3.5之间。

2.7 槽式超声波提取污泥蛋白质的正交试验分析

结合上述单因素试验结果，以污泥蛋白质提取率为评价指标，选取体系pH值、固液比、超声波功率和作用时间进行4因素4水平的正交试验，通过Excel软件对正交试验结果进行方差分析，找出影响槽式超声波提取污泥微生物蛋白质的主要影响因素，并提出较佳的超声波污泥蛋白质提取方案。正交试验方案和分析结果见表1所示。由表1结果可知，4个因素对污泥蛋白质提取率影响大小依次为体系pH值>超声作用时间>超声波功率>固液比。体系pH值12，超声波作用时间30 min，超声功率70 W，固液比1︰3是槽式超声波提取污泥蛋白质的较优方案，在此操作条件下进行试验，得到污泥蛋白质提取率为22.4%。可见，槽式超声波对污泥细胞破壁以及蛋白质的溶出具有较好的效果，并且与探头式超声波相比，槽式超声波更容易实现污泥蛋白质的提取。

图7 固液比对蛋白质提取率的影响

表1 污泥蛋白提取正交试验结果

3 结论

污泥蛋白质利用中蛋白质的提取属于关键技术之一，本文通过对槽式超声波条件下各影响因素的研究，探讨槽式超声波对污泥蛋白质的提取规律，提出可行性的操作方案。试验结果表明槽式超声波可以有效提取污泥微生物中蛋白质成分，便于连续操作以及自动控制。低频率的槽式超声波与碱液作用更有利于污泥蛋白质的提取。碱性条件下随着体系pH值增大提取率呈现上升趋势；随着超声波功率的增大和固液比的减小及超声作用时间的延长使污泥蛋白提取率上升然后趋于稳定值。槽式超声波条件下，污泥蛋白质提取率影响程度大小顺序依次为体系pH值>超声作用时间>超声波功率>固液比。体系pH值12，超声波处理时间30 min，超声功率70 W，固液比1︰3是槽式超声波提取污泥蛋白质的较优方案，在此操作条件下进行试验，得到污泥蛋白质提取率为22.4%。

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(责任编辑 马 龙)

A Study on the Protein Extraction from Activated Sludge by Ultrasonic Generating Trough

XU Hui

(DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The extraction process of sludge protein by ultrasonic generating trough was researched in this paper. The influences of pH value，ultrasonic frequency, ultrasonic power, ultrasonic time and solid-liquid ratio on extraction efficiency of sludge protein were investigated, the feasibility of sludge protein extraction using ultrasonic generating trough and the optimum operating conditions were researched, too. The experimental results show that the cavitations generated by ultrasonic generating trough extracts protein from the activated sludge effectively, and alkaline liquor and low frequency ultrasonic generating tough have a synergy effect on extracting protein from sludge. Under alkaline conditions, the extraction efficiency increases with that of pH value rapidly, and the extraction efficiency increases firstly and then attains a stable value with that of the ultrasonic power and ultrasonic action time, and with decreasing of solid-liquid ratio. Finally, the orthogonal experiments are performed to determine the suitable operating conditions of sludge protein extraction under ultrasonic generating trough condition are as follows: pH value 12，ultrasonic power 70 W，ultrasonic action time 30 minute and solid-liquid ratio 1︰3, and the extraction efficiency of sludge protein reach 22.4% under this conditions.

ultrasonic generating trough; cavitation; activated sludge; sludge protein; extraction efficiency

2016-05-30

武警学院青年教师基金项目(QNJS 201328)

徐晖(1980— )，女，重庆合川人，讲师。

X705；D631.6

A

1008-2077(2016)12-0011-05