由紫金牛叶杆菌降解硅氧烷的方法
【专利摘要】本发明涉及一种由紫金牛叶杆菌降解硅氧烷的方法。把紫金牛叶杆菌加入含有D4的营养液中，对其进行驯化和富集，然后把获得的目标菌接种于生物滴滤塔中，利用塔中的填料上的生物膜对能源气中的硅氧烷进行脱除或降解。营养液配方为：基本培养基、微量元素、维生素溶液和八甲基环四硅氧烷，最后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液把营养液pH调至6.7～6.8。本发明能利用D4这样的有机硅化合物作为碳源和能源进行代谢，并且85%的D4被降解为Me2Si(OH)2，而15%的D4被降解为Me2Si(OH)-O-Me2Si(OH)、Me3SiO(CO)2OSiMe3、D5和和H4SiO4。本方法成本低且环境友好，效率高，效果好。
【专利说明】由紫金牛叶杆菌降解硅氧烷的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境微生物学【技术领域】，特别是涉及一种由紫金牛叶杆菌降解硅氧烷的方法。
【背景技术】
[0002]聚二甲基硅氧烷(PDMS)是被用在医疗保健、个人护理、食物、日常消费品和工业中的一族有机硅化合物，这些化合物从废水或垃圾处理厂的污水中挥发分解形成挥发性的甲基硅氧烷(VMSs)，所以生物气中经常会包含微量的VMSs。当包含VMSs的生物气在产生热量或者动力的过程中，硅被释放出来并和空气中的O2反应生成SiO2,高达几厘米厚，沉积在活塞、汽缸盖、减压阀和发动机引擎上，很难通过化学或者机械的方法去除，长时间下来，便导致设备效率的降低和维修费用的增加。
[0003]天然气或者生物气的来源不同，其中VMSs的含量不同，垃圾填埋池所产生生物气中VMSs的含量为50mg.π-3，比发酵气中的含量高。有报道说，浓度最高的可达140mg.π-3，这个数字是远远高于15mg.π-3 (这是大多数设备制造商，为了让设备无障碍使用，而设定的一个数值)。在所有的VMSs中，八甲基环四硅氧烷(D4)含量最多，它占到所有VMSs的60%以上，所以发展生物气前处理技术是十分必要的，这可以帮助脱除VMSs，尤其是D4。对于一个I丽的发动机，生物气流率在240m3.tT1，D4浓度为12mg.m_3时，一年下来生成硅酸盐的量将达到21kg。制造商们为内燃机燃烧的油中设置的硅含量极限为Img.L—1，硅化合物沉积在发动机表面严重妨碍热传递和热交换。如果发生在涡轮机内，会导致叶片磨损，所以在燃气润轮发动机中使用生物气时，娃的含量要小于IOppb ;在发散控制系统内，SiO2或者娃酸盐沉积物的形成会降低催化剂活性，影响催化剂活性位的催化还原能力，导致几天之内催化剂床层无法恢复，进而降低沉积物的脱除能力；当生物气用在燃料电池中时，也是由于硅的沉积物覆盖催化剂活性位，导致降低电压或者电流密度。
[0004]当前脱除生物气中硅氧烷的技术主要有活性炭吸附法和溶剂吸收法，然而回收吸附剂和溶剂再生成本较高。为了更好的促进吸附，很多地方采用冷却以降低气体的湿度，这就增加了能耗，再加上回收吸附剂，造成了高的操作费用和维修费用。所以关于生物气中硅氧烷的移除，当下的研究方向开始转向低成本的、环境友好的生物技术上。而生物滴滤塔作为一种新的工艺，尤其受到研究者和工业界的广泛关注。
[0005]Toru Matsui等研究了吸附剂对生物气中八甲基环四硅氧烷的吸附，发现活性炭的吸附率为5.6%~19.2%，分子筛的吸附率为0.4%~7.7%，硅胶的吸附率稍高，也只有
14.4%ο
[0006]R.Grumping等发现，D4接种过的活性污泥100天后，菌液中DMSD的浓度为
7.3mg.Kg—1，这相当于3%的D4得到了降解，两个月后，检测发现DMSD的浓度有所降低，这可能是由于进一步生物降解或者吸附所致。
[0007]Marc A.等用污水处理厂取的活性污泥接种到生物滴滤塔中，考察了脱除八甲基环四硅氧烷的效果，经过一年的操作发现，当D4进口浓度在45±5mg.m_3时，停留时间为19.5min时，脱除浓度大约为45%。
[0008]微生物降解成本低，环境友好。但是现有文献报道中所采用的微生物降解效率都不高，原因之一可能是没有找到合适的菌种。经过查阅文献资料，得知紫金牛叶杆菌能够有效降解有机物，降低水体环境和土壤环境的二次污染，到目前为止，尚未发现有将此菌种用于降解D4的报道。
[0009]本发明把紫金牛叶杆菌接种于营养液，加D4，先在摇瓶中驯化富集，后将富集所得菌液装入生物滴滤塔塔，并通入含D4的模拟能源气，挂膜并不断提高D4浓度以驯化，取得了很好的降解效果，实验证明紫金牛叶杆菌能有效降解D4。
【发明内容】
[0010]针对能源气中D4脱除的问题，结合相关文献和发明，本发明把紫金牛叶杆菌加入含有D4的营养液中，对其进行驯化和富集，然后把获得的目标菌接种于生物滴滤塔中，最后利用塔中的填料上的生物膜对能源气中的硅氧烷进行脱除或降解。
[0011]本发明的技术方案如下:
[0012]一种由紫金牛叶杆菌降解硅氧烷的方法，把紫金牛叶杆菌加入含有D4的营养液中，对其进行驯化和富集，然后把获得的目标菌接种于生物滴滤塔中，利用塔中的填料上的生物膜对能源气中的硅氧烷进行脱除或降解。
[0013]由紫金牛叶杆菌降解硅氧烷的方法步骤如下:
[0014]I)配制营养液:
[0015]2)把紫金牛叶杆菌接种于营养液中，25?35oC恒温摇床内富集，每两个星期倒出1/3的菌液，并补充等量的新鲜营养液，同时每次以5-10mg.m_3浓度增加D4的浓度；如此富集培养60天；
[0016]3)将步骤2)中富集60天得到的菌液和步骤I)的营养液按体积比1:4的比例混合，装入生物滴滤塔4的塔釜中，塔内的微生物利用循环液中的营养成分和能源气中的D4进行代谢，当塔中营养液PH值下降到5.90和6.05之间并且不再变化时，表明微生物膜在填料上生长达到平衡。
[0017]所述的营养液配方为:1L的基本培养基，2?3mL的微量元素，2?3mL的维生素溶液，IOmg八甲基环四硅氧烷，最后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液把营养液pH调至6.7?6.8。
[0018]所述的基本培养基配方如下:以总体积为IL计:
[0019]0.5 ?1.5g KH2PO4,
[0020]0.5 ?1.5g K2HPO4,
[0021]0.5 ?1.5g KNO3,
[0022]0.5 ?1.5g NaCl，
[0023]0.1 ?0.4g MgSO4,
[0024]0.02 ?0.03gCaCl2.2H20，
[0025]其余成分为去离子水。
[0026]所述的微量元素溶液配方如下:以总体积为500mL计:
[0027]3 ?3.5mLHCl，
[0028]0.5 ?Ig FeCl2.4H20，[0029]0.02 ~0.04g H3BO3,
[0030]0.04 ~0.06g MnCl2.4H20,
[0031]0.05 ~0.08g CoCl2.6Η20,
[0032]0.03 ~0.05g ZnCl2,
[0033]0.01 ~0.02g NiCl2.6Η20,
[0034]0.005 ~0.01g CuCl2.2Η20,
[0035]0.01 ~0.05g NaMoO4.2H20,
[0036]0.5 ~1.0g EDTANa4 (H2O)4,
[0037]其余成分为去离子水，用氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节微量元素溶液pH到4.2-4.3。
[0038]所述的维生素溶液配方如下:以总体积为IOOmL计:0.01~0.3g维生素B2，其余成分为去离子水。
[0039]生物滴滤塔的操作方法是:用增压泵往生物滴滤塔塔内不断循环打液；同时，从气瓶出来的天然气流经装有D4的储罐，用鼓泡法制备出浓度为IOmg m_3含有D4的天然气，经过混合器中充分混合后，进入生物滴滤塔。
[0040]本方法成本低且环境友好，效率高，效果好。
[0041]本发明的效果测试如下:
[0042]在如图2所示的装置中，考察了不同D4浓度(50mg.m_3到2000mg.m_3)、不同能源气流速(停留时间从2min到7min)、不同营养液流速下塔内所布生物膜对D4的降解效果，并对降解产物进行检测和定量分析。降解效果如图3所示，当进口浓度为50mg.m-3时，无论停留时间有多短，降解效率都在90%以上；当进口浓度为IOOmg.m-3时，当停留时间大于0.5min时，降解效率都高于90%，当停留时间低于0.5min时，也都在80%以上；当进口浓度2000mg.m_3，停留时间大于6min时，降解效率也能高于80%，而停留时间小于Imin时，降解效率才小于60%。通过GC-MC测定分析可知，本发明能利用D4这样的有机硅化合物作为碳源和能源进行代谢，并且85%的D4被降解为Me2Si (OH)2,而15%的D4被降解为Me2Si (OH) -O-Me2Si (OH)、Me3SiO (CO) 20SiMe3、D5 和和 H4SiO4。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1.紫金牛叶杆菌在加D4的培养基中的生长曲线；
[0044]图2.用于测试D4降解效果的工艺流程图；
[0045]1、能源气瓶；2、D4储存瓶；3、混合器；4、生物滴滤塔；5、泵；6、吸收液图
[0046]7、放空；I’、滴滤塔前取样口 ；2’、滴滤塔后取样口 ；
[0047]3.停留时间和进口浓度对D4降解效果的影响；
[0048]a.D4 浓度:50mg.m-3 ；b.D4 浓度:1OOmg.m-3 ;c.D4 浓度:1OOOmg.m-3 ；d.D4 浓度:2000mg.m-3。
图3.考察了不同D4浓度、不同能源气流速、不同营养液流速下塔内所布生物膜对D4的降解效果。
【具体实施方式】[0049]下面根据附图具体实施例，对本发明做进一步的详细说明:
[0050]I)配制营养液:
[0051 ] (I)配制基本培养基如下:
[0052]0.5 ~1.5g.L-1KH2PO4,
[0053]0.5 ~1.5g.L1K2HPO4,
[0054]0.5 ~1.5g.L-1KNO3,
[0055]0.5 ~1.5g.L 1NaCl,
[0056]0.1 ~0.4g.[1MgSO4,
[0057]0.02 ~0.03g.L-1CaCl2.2H20,
[0058]其余成分为去离子水，总体积为1L。
[0059]( 2)配制微量元素溶液如下:
[0060]3-3.5mL HCl,
[0061]0.5 ~Ig FeCl2.4H20,
[0062]0.02 ~0.04g H3BO3,
[0063]0.04 ~0.06g MnCl2.4H20,
[0064]0.05 ~0.08g CoCl2.6H20, [0065]0.03 ~0.05g ZnCl2,
[0066]0.01 ~0.02g NiCl2.6H20,
[0067]0.005 ~0.01g CuCl2.2Η20,
[0068]0.01 ~0.05g NaMoO4.2Η20,
[0069]0.5 ~1.0g EDTANa4 (H2O) 4 ；
[0070]其余成分为去离子水，总体积为500mL。
[0071]最后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液调节微量元素溶液pH到4.2-4.3。
[0072](3)配制维生素溶液:
[0073]0.01 ~0.3g 维生素 B2 ; [0074]其余成分为去离子水，总体积为100mL。
[0075](4)营养液配制如下:1L的基本培养基，2-3mL的微量元素，2_3mL的维生素溶液，IOmg八甲基环四硅氧烷,最后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液把营养液pH调至6.7~6.8。
[0076]2)把紫金牛叶杆菌接种于营养液中，25~35oC恒温摇床内富集，每两个星期倒出1/3的菌液，并补充等量的新鲜营养液，同时增加D4浓度，每次约5-10mg.π3 ;如此富集培养60天。
[0077]3)将步骤2)中富集60天得到的菌液和步骤I)的营养液按体积比1:4的比例混合，装入如图2所示的生物滴滤塔4的塔釜中，并用增压泵5往生物滴滤塔塔内不断循环打液。同时，从气瓶I出来的天然气(大量的CH4和少量的O2)流经装有D4的储罐2，用鼓泡法制备出浓度为IOmg m_3含有D4的天然气，经过混合器3中充分混合后，进入生物滴滤塔
4。这样，塔内的微生物利用循环液中的营养成分和能源气中的D4进行代谢。由于营养成分不断被微生物消耗，所以每两天排出1/3的代谢过的营养液，并补入新鲜营养液。为了对微生物进一步驯化，按照每天增加5mg π3的浓度梯度不断增加能源气中D4的浓度。20天后，肉眼看到生物滴滤塔4中填料上长出一层薄薄的生物膜，当塔中营养液pH值基本不再变化时，表明微生物膜在填料上生长达到平衡。能源气中的D4经过塔内微生物膜的降解作用后从塔顶排出，进入吸收液6，部分组分被吸收后，直接放空。阀门I’和2’是取样口。
[0078]5)微生物膜在填料上生长达到平衡后，便可对生物滴滤塔内微生物对D4的降解效果进行考察。
[0079]紫金牛叶杆菌可从山东大学资源与环境微生物保藏中心购买，菌种保藏号为CCREMSDMCC210379。
[0080]实施例1:
[0081]I把紫金牛叶杆菌加入如下液体培养基中:(1)配制基本培养基:lg L-1KH2PO4,Ig L-1K2HPO4, Ig L^1KNO3, Ig L^1NaCl,0.2g I^1MgSO4,0.026g I1CaCl2.2H20 ; (2)配制微量元素溶液:HC1,3.38mL ；FeCl2.4Η20，0.75g ;Η3Β03，0.03g ；MnCl2.4Η20，0.05g ；CoCl2.6Η20,0.06g ；ZnCl2,0.035g ；NiCl2.6H20,0.0125g ；CuCl2.2H20,0.0075g ；NaMoO4.2H20,0.0125g ；EDTANa4(H2O)4，0.75g ;最后加H2O至500mL,并调节pH到4.2 (3)配制维生素溶液=IOOmL水中加0.01g维生素B2 ； (4)取IL的基本培养基，2mL的微量元素溶液，2mL的维生素溶液，和IOmg.L-1八甲基环四硅氧烷(D4)作为唯一的碳源和能源；(5) pH调至6.7，在30oC恒温摇床内驯化，每两个星期倒出1/3的菌液，并补充等量的新鲜营养液，同时增加D4浓度，每次约5mg.L'如此培养6个月；
[0082]2把富集培养得到的菌液和营养液按1:4的比例混合装入生物滴滤塔塔釜，用增压泵往塔内循环打液，并不断通入含有D4的能源气(大量的CH4和少量的02)，D4浓度从IOmg.m-3开始并按照每天5mg m-3的浓度梯度增加到IOOmg.m-3,每2天排出1/3的代谢过的营养液，并补入新鲜营养液，使微生物驯化，并在塔内填料上生长。
[0083]3连续两天排出的营养液pH值降到5.93并且不再变化时，，说明填料上的微生物生长量达到平衡，这时开始在装置中考察不同条件下微生物对D4的脱除效果。
[0084]4对不同条件下进出口能源气中D4的含量以及营养液中代谢产物进行检测，发现纯化得到的该菌种确实对D4有非常好的降解效果:当进口浓度为50mg.m-3时，无论停留时间有多短，降解效率都在90%以上；当进口浓度为IOOmg ^nT3W,当停留时间大于0.5min时，降解效率都高于90%，当停留时间低于0.5min时，也都在80%以上；当进口浓度2000mg.m-3，停留时间大于6min时，降解效率也能高于80%，而停留时间小于Imin时，降解效率才小于60%。这种效果以前从未有过文献报道；
[0085]5对降解产物进行检测分析，发现大于85%的D4被降解为Me2Si (OH)2,而15%的D4被降解为 Me2Si (OH) -O-Me2Si (OH)、Me3SiO (CO) 20SiMe3、D5 和和 H4SiO4。
[0086]6在D4降解过程中pH可下降至5.5，这与硅酸的验证实验相吻合。这说明紫金牛叶杆菌是一种产酸菌，因此在D4代谢的过程中，要及时补充碱液，以保证此微生物的正常代谢。
[0087]实施例2:
[0088]I把紫金牛叶杆菌加入如下液体培养基中:(I)基本培养基:1.2g L^1KH2PO4,1.2gL-1K2HPO4,1.2g L-1KNO3,1.2g L-1NaCl，0.3g L-1MgSO4,0.030g L-1CaCl2.2H20 ; (2)微量元素溶液:HC1,3.38mL ；FeCl2.4H20，0.75g ；H3B03,0.03g ；MnCl2.4H20，0.05g ；CoCl2.6H20,0.06g ；ZnCl2,0.04g ；NiCl2.6H20，0.015g ；CuCl2.2H20，0.01g ；NaMoO4.2H20，0.013g ；EDTANa4 (H2O) 4，0.80g ;最后加H2O至500mL,并调节pH到4.3 ；(3)维生素溶液:100mL水中加0.01g维生素B2 ;(4)取IL的基本培养基，3mL的微量元素溶液，3mL的维生素溶液，和IOmg.L-1八甲基环四硅氧烷(D4)作为唯一的碳源和能源,并向混合液中加入IOmg.L-1八甲基环四硅氧烷(D4)作为唯一的碳源和能源；(5) pH调至6.75，在28oC恒温摇床内驯化并富集6个月，每两个星期倒出1/3的菌液，并补充等量的新鲜营养液，同时增加D4浓度，每次约IOmg.L'如此培养6个月；[0089]2把富集培养得到的菌液和营养液按1:4的比例混合装入生物滴滤塔塔釜，用增压泵往塔内循环打液，并不断通入含有D4的能源气(大量的CH4和少量的02)，D4浓度从IOmg.m-3开始并按照每天IOmg m-3的浓度梯度增加到IOOmg.m-3,每2天排出1/3的代谢过的营养液，并补入新鲜营养液，使微生物驯化，并在塔内填料上生长。
[0090]3连续两天排出的营养液pH值降到6.02并且不再变化时，说明填料上的微生物生长量达到平衡，这时开始在装置中考察不同条件下微生物对D4的脱除效果。
[0091]4对不同条件下进出口能源气中D4的含量以及营养液中代谢产物进行检测，发现纯化得到的该菌种确实对D4有非常好的降解效果:当进口浓度为50mg.m-3时，无论停留时间有多短，降解效率都在90%以上；当进口浓度为IOOmg ^nT3W,当停留时间大于0.5min时，降解效率都高于90%，当停留时间低于0.5min时，也都在80%以上；当进口浓度2000mg.m-3，停留时间大于6min时，降解效率也能高于80%，而停留时间小于Imin时，降解效率才小于60%。这种效果以前从未有过文献报道；
[0092]5对降解产物进行检测分析，发现大于85%的D4被降解为Me2Si (OH)2,而15%的D4被降解为 Me2Si (OH) -O-Me2Si (OH)、Me3SiO (CO) 20SiMe3、D5 和和 H4SiO4。
[0093]6在D4降解过程中pH可下降至6.0，这与硅酸的验证实验相吻合。这说明紫金牛叶杆菌是一种产酸菌，因此在D4代谢的过程中，要及时补充碱液，以保证此微生物的正常代谢。
【权利要求】
1.一种由紫金牛叶杆菌降解硅氧烷的方法，其特征是把紫金牛叶杆菌加入含有八甲基环四硅氧烷(D4)的营养液中，对其进行驯化和富集，然后把富集的菌液接种于生物滴滤塔中，利用塔中的填料上的生物膜对能源气中的硅氧烷进行脱除或降解。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是步骤如下: O配制营养液: 2)把紫金牛叶杆菌接种于营养液中，25~35oC恒温摇床内富集，每两个星期倒出1/3的菌液，并补充等量的新鲜营养液，同时每次以5-10mg.m-3浓度增加D4的浓度。如此富集培养60天； 3)将步骤2)中富集60天得到的菌液和步骤I)的营养液按体积比1:4的比例混合，装入生物滴滤塔4的塔釜中，塔内的微生物利用循环液中的营养成分和能源气中的D4进行代谢，当塔中营养液PH值下降到5.90和6.02之间并且基本不再变化时，表明微生物膜在填料上生长达到平衡。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的营养液配方为:1L的基本培养基，2~3mL的微量元素，2~3mL的维生素溶液，10~1OOmg八甲基环四硅氧烷，最后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液把营养液PH调至6.7~6.8。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的基本培养基配方如下:以总体积为IL计:
0.5 ~1.5g KH2PO4,
0.5 ~1.5g K2HPO4,
0.5 ~1.5g KNO3,
0.5 ~1.5g NaCl，
0.1 ~0.4g MgSO4,
0.02 ~0.03gCaCl2.2H20, 其余成分为去离子水。
5.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的微量元素溶液配方如下:以总体积为5 O OmL 计:
3 ~3.5mL HCl，
0.5 ~Ig FeCl2.4H20,
0.02 ~0.04g H3BO3,
0.04 ~0.06g MnCl2.4H20,
0.05 ~0.08g CoCl2.6H20,
0.03 ~0.05g ZnCl2,
0.01 ~0.02g NiCl2.6H20,
0.005 ~0.01g CuCl2.2Η20,
0.01 ~0.05g NaMoO4.2Η20,
0.5 ~1.0g EDTANa4 (H2O)4, 其余成分为去离子水，用氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节微量元素溶液pH到4.2-4.3。
6.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的维生素溶液配方如下:以总体积为IOOmL计:0.01~0.3g维生素B2,其余成分为去离子水。
7.如权利要 求3所述的方法，其特征是生物滴滤塔的操作方法是:用增压泵往生物滴滤塔塔内不断循环打液；同时，从气瓶出来的天然气流经装有D4的储罐，用鼓泡法制备出所需浓度的含有D4的天然气，在混合器中充分混合后，进入生物滴滤塔。
【文档编号】B01D53/72GK103638807SQ201310616736
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】徐姣, 张卫江, 王佳佳 申请人:天津大学