专利名称：生物污泥中蛋白质提取方法
技术领域：
本发明涉及一种城市污水生物处理过程中所产生的生物污泥中蛋白质提取方法，属于固体废物处理与资源化领域。
背景技术：
随着社会经济的发展与城市化进程的加快，城镇污水及其污泥数量快速增加。我国“十一五”规划报告中明确指出污水排放化学需氧量减排要在“十五”基础上减排10%。因此，近年来，我国污水厂数量得到飞快增加，随之而来的是大量的生物污泥。生物污泥是以微生物为主体，与污水中悬浮物、胶体物质组成的絮状混合物然，其中含有大量的蛋白质资源。文献报道剩余污泥中粗蛋白质含量可达40%以上，因此，其蛋白质资源具有较高的利用价值。目前，对于污泥蛋白质的用途主要有以下几类作为动物饲料，作为泡沫灭火器的原料，或制备生物胶粘剂。显然，这几种用途中，动物饲料的市场前景更为广阔。但作为动物饲料有严格的饲料标准，特别是对于重金属砷、铅、镉、汞以及铬等方面有较为严格的含量要求。目前文献报道的污泥蛋白质提前方法较多是碱法。该方法有利于污泥的溶胞破壁，释放出其中的蛋白质，但该方法存在的最大问题是存在较为严重的美德拉反应，产生较多的副反应，而且提取液颜色黑而粘，不利于蛋白质的分离，而且其蛋白质质量较差。酸法容胞则可以避免美德拉反应，提取液颜色较为清亮，蛋白质质量较好。但传统的酸法直接提取法存在重金属溶出问题，容易使蛋白质产品中重金属离子超标。因此，需要开发出一种新型生物污泥蛋白质提前与分离工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种城镇污水生物处理过程中生物污泥中蛋白质提取于分离工艺，可为污泥的处理与资源化提供技术选择。本发明的技术方案如下一种生物污泥中蛋白质提取方法，步骤如下I)酸洗脱水的生物污泥加水，然后加入浓盐酸，使含水率和浓盐酸含量分别为96%和10%，随后搅拌30min，再进行离心分离，使污泥含水率为92% ；2)高温酸溶胞将第一步处理后的污泥放入容器中，然后放入高温消解装置中，加热至120°C后放置2h 8h，然后进行离心处理，得到离心溶液；3)等电点的确定取第二步得到的溶液至少6份，每份10ml，用氢氧化钠溶液调节一系列PH，室温下放置12h，随后进行高速离心分离，并测定的上清液的pH，然后采用Folin 一酚试剂法(Lowry法)测定上清液中蛋白质含量，以pH为横坐标、蛋白质浓度为纵坐标作图，以蛋白质浓度最低所对应的pH确定为其等电点pi ；4)等电点结晶用氢氧化钠溶液对第二步得到的离心溶液剩余部分进行滴定至第三步确定的等电点pH，析出蛋白质固体，放置4h，然后采用离心分离分离蛋白质固体，再用95%乙醇对该固体进行搅拌洗涤，洗涤后再次进行离心分离得到蛋白质固体；
5)干燥把得到的固体在烘箱中进行干燥，干燥温度为45°C。具体说明如下蛋白质等电点确定取每份IOml的溶胞提取液至少6份，采用氢氧化钠调节一系列不同PH值，pH范围为固体开始出现至固体开始减少，并放置12h，然后对上述多份式样进行离心分离，对上清液采用分光光度法在蛋白质的特征波长280nm处测定蛋白质含量，并测定对应上清液的PH，随后以pH为横坐标，蛋白质含量为纵坐标作图，依据数据确定蛋白质含量最小时对应的PH即为提取蛋白质的等电点。蛋白质等电点析出在常温条件下，依据实验确定的蛋白质等电点数据，采用氢氧化钠调节溶液的PH至等电点，此时蛋白质析出，随后进行离心分离，得到蛋白质固体。随后采用95%乙醇进行洗涤，并再次离心分离得到蛋白质。蛋白质固体干燥蛋白质为生物资源，其干燥温度不能太高，否则，蛋白质容易变性，使蛋白质的利用度大大降低。本工艺中蛋白质干燥温度为45°C。关于水和浓盐酸的加入方法是“先加入水后再加浓盐酸”，96%的含水率包括混合体系中所有水分，浓盐酸的质量含量是指约38%的浓盐酸在混合物中质量含量；对于步骤2) “加热至120°C”是依据试验过程中高压消解设备自身最高温度来确定的。由于酸法溶胞过程在低温下较慢，因此溶胞的实验设备采用了具有一定压力下可加热到120°C的设备进行热法酸溶胞。因此，主要是通过改变加热时间来调节其溶胞效果。等电点的确定过程中需要取部分溶胞液，通过调节不同的pH，析出蛋白质质后获得不同pH下溶液中剩余蛋白质浓度,通过蛋白质浓度和pH关系确定蛋白质浓度最低所对应的PH作为蛋白质的等电点。当然，在确定等电点过程中滤液份数越多越有利于等电点的准确确定，实验表明采用6份即可确定出等电点。本研究中等电点的确定只需要一次操作过程即可，其余实验中等电点均采用该数据。等电点结晶过程中“放置4小时”是研究中最小的放置时间，可以更长。理论上放置时间越长，蛋白质固体析出的量应该越多些，但时间太长，不利于操作，则固体的析出量的增加也不明显，因此太长的放置时间没有必要。洗涤溶剂用95%乙醇即可，如果用“无水乙醇”其价格要高，而“95%乙醇”是正规的商品，且相对于无水乙醇价格要低些。本发明所提供的生物污泥中蛋白质提取工艺包括酸洗、离心分离、洗涤、干燥等环节。洗涤采用丙酮或乙醇。本发明提供一种新的生物污泥中蛋白质提取与析出方法，其蛋白质产品中重金属含量符合国家饲料标准。该工艺得到的蛋白质产品纯度可达102% (以牛血清蛋白质为标准)。
图I蛋白质提取液等电点确定曲线。图2实施例I中蛋白质产品扫描电镜照片。图3蛋白质产品的红外谱图。图4蛋白质产品的X —射线荧光分析图谱。
具体实施例方式实施例I.取某污水厂脱水污泥500g (含水率80%)，加入蒸馏水1750g和浓盐酸250g，随后在常温下搅拌30min，并进行离心过滤，滤出滤液至含水率为92 %，然后，把泥放入容器中，再放入高温消解装置，在120°C，加热2h，冷却后进行离心过滤，得到滤液约450ml，取出滤液60ml (其余滤液放入冰箱中保存)，平均分为6份，各自放入50ml小烧杯中，用氢氧化钠溶液调节一系列pH，分别为3. 0,4. 2,5. 2,5. 6、6. 0和7. 0，室温下1放置12h，随后进行高速离心分离，保留上清液，并测定上述对应上清液的PH，分别为2. 9、3. 6、4. 7、5. 3、5. 6和6. 5，然后采用菲琳一酚法测定上清液中蛋白质含量(以牛血清蛋白质为标准)，以PH为横坐标、蛋白质浓度为纵坐标作图(见附图1)，确定其等电点Pl为5. 3。随后对剩余滤液，用10%的氢氧化钠调节PH至5. 3，常温放置4h，随后进行离心分离，再用95%乙醇对固体进行洗涤，随后在进行离心分离，得到的固体放入干燥表面皿中，放入45°C烘箱中进行干燥，干燥后称重得到淡黄色固体物质7. 02g。用菲琳一酚法测定其蛋白质的质量含量为103.8% (以牛血清白蛋白为监测标准)。红外图谱如图3所示。红外谱图中3406.31cm-l为蛋白质肽键中N-H伸缩振动，2967. 15cm-l为C-H键的伸缩振动，1656. 65cm_l为蛋白质肽键中的C=O伸缩振动，酰胺I谱带，1551. 16cm-l为蛋白质肽键中一 CONH—中的N-H键弯曲振动和C-N键伸缩振动引起的，酰胺II谱带。X—射线荧光分析图谱如图4所示。重金属铬、镉、汞以及砷元素均未检出，铅(以PbO计)在可监测的元素(原子序数大于11)中质量含量为0.02%，因此，该方法提取的蛋白质完全符合蛋白质饲料的重金属及砷的质量标准。实施例2.与实施例I相同，仅是加热时间分别为5h和8h，且无需再确定蛋白质等电点，得到的滤液直接在实施例I确定的等电点下进行蛋白质析出，随后采用95%乙醇进行洗涤，并进行干燥，得到的固体物质分别为14.43g和16.76g。其蛋白质含量分别为102. 1%和99. 8%。相应的重金属铬、镉、汞以及砷均未检出，铅(以PbO计)质量含量分别为0. 02%和
0.03%，符合蛋白质饲料对质量标准要求。本发明公开和提出的的生物污泥中蛋白质提取方法，是污水生物处理中排水中悬浮粒子浓度测定的一种简便、快速、准确的测定方法。本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变污泥悬浊液浓度的制备方法或检测目标即可实现。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求
1.一种生物污泥中蛋白质提取方法，其特征是步骤如下 1)酸洗脱水的生物污泥加水，然后加入浓盐酸，使含水率和浓盐酸含量分别为96%和10%，随后搅拌30min，再进行离心分离，使污泥含水率为92% ； 2)高温酸溶胞将第一步处理后的污泥放入容器中，然后放入高温消解装置中，加热至120°C后放置2h 8h,然后进行离心处理,得到离心溶液； 3)等电点的确定取第二步得到的溶液至少6份，每份10ml，用氢氧化钠溶液调节一系列PH，室温下放置12h，随后进行高速离心分离，并测定的上清液的PH，然后采用菲琳一酚法测定上清液中蛋白质含量，以PH为横坐标、蛋白质浓度为纵坐标作图，以蛋白质浓度最低所对应的pH确定为其等电点pi ； 4)等电点结晶用氢氧化钠溶液对第二步得到的离心溶液剩余部分进行滴定至第三步确定的等电点PH，析出蛋白质固体，放置4h，然后采用离心分离分离蛋白质固体，再用95%乙醇对该固体进行搅拌洗涤，洗涤后再次进行离心分离得到蛋白质固体； 5)干燥把得到的固体在烘箱中进行干燥，干燥温度为45°C。
全文摘要
本发明公开了一种生物污泥中蛋白质提取方法，主要包括污泥酸洗、高温酸溶胞、等电点确定、等电点结晶、有机溶剂洗涤和低温干燥环节。分离得到的蛋白质固体呈淡黄色粉末，蛋白质采用以牛血清蛋白为标准的紫外分光光度法监测的纯度可大于99.8％。产品的红外光谱证明该固体粉末具有显著的蛋白质结构特征。产品的X－射线荧光分析表明该方法分离得到的蛋白质无重金属汞、镉、铬以及有毒元素砷，仅含有少量的铅，且铅(以PbO计)质量含量小于0.03％，符合蛋白质饲料对该指标的要求。本发明提出的污水生物处理过程中产生的污泥中蛋白质的分离与资源化方法，为城市污泥的资源化处理提供一个有益方法。
文档编号C02F11/00GK102977181SQ20121050179
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者刘勇, 郭祥 申请人:天津大学