19 卷 4 期
2003 年 7 月生 物 工 程 学 报
Chinese Journal of Biotechnology
Vol,19 No,4
July 2003
收稿日期,2003201219,修回日期,2003203210。
基金项目,国家自然科学基金资助项目 (No,29876026) 。
3 通讯作者。 Tel,86259225916401 ;Fax,86259222186392 ; E2mail,liuying6401 @sina,com
用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂胡洪波 1 刘月英 13 傅锦坤 2 薛 茹 2 古萍英 2
(厦门大学 1 生命科学学院,2 化学化工学院,厦门 361005)
摘 要 比较了 5 种固定弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 菌体的方法,其中明胶 2海藻酸钠包埋法为固定菌体的最佳方法。
扫描电子显微镜观察表明,XP05 菌体较均匀地分布于包埋基质中。固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 受吸附时间、固定化菌体浓度、溶液的 pH值和 Pt4 + 起始浓度的影响。吸附作用是一个快速的过程 ;吸附 Pt4 + 的最适 pH 值为 115 ;在 50
～ 250 mg Pt4 + PL 范围内,吸附量与 Pt4 + 起始浓度成线性关系,吸附过程符合 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温模型。
在 Pt4 + 起始浓度 250 mgPL、固定化菌体 210 gPL,pH 115 和 30 ℃条件下,振荡吸附 60 min,吸附量为 3513 mgPg。 015
molPL HCl 能使吸附在固定化菌体上的 Pt 解吸 9817 %。从废铂催化剂处理液回收铂的结果表明,在 Pt4 + 起始浓度
11118 mgPL、固定化菌体 410 gPL,pH 115 和 30 ℃条件下,振荡吸附 60 min,吸附量为 2019 mgPg。在填充床反应器中,
在 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL、流速 112 mlPmin、固定化菌体 1186 g 的条件下,饱和吸附量达 2417 mgPg ; 固定化 XP05 菌体经 4 次吸附 2解吸循环后吸附率仍达 78 %。
关键词 生物吸附,固定化菌体,弗劳地柠檬酸杆菌,铂中图分类号 Q67 文献标识码 A 文章编号 100023061 (2003) 0420456206
许多研究表明,生物吸附技术在金属的去除或回收中具有良好的应用潜力 \[1 - 3 \]。在微生物吸附贵金属的研究中,我们曾对游离菌体吸附 Au3 + \[4,5 \]、
Ag + \[6 \],Pd2 + \[7 \]和 Pt4 + \[8 \]等贵金属的特性进行了研究。虽然游离菌体可从溶液中吸附回收贵金属,但用游离菌体作为吸附剂存在不少缺点。例如颗粒小,菌体与排出水难以分离,菌体无法重复利用等。
如果用固定化技术使菌体固定化就可克服上述缺点。已有关于固定化菌体吸附重金属的一些报道 \[9,10 \],但有关贵金属的报道极少 \[11,12 \]。本文报道固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 吸附 Pt4 + 的特性及其从废铂催化剂处理液回收铂的研究结果。
1 材料与方法
111 菌体的培养与制备培养基与培养条件,
斜面培养,培养基为牛肉膏 013～ 015 g,蛋白胨
115 g,NaCl 015 g,琼脂 2 g,蒸馏水 100 mL,pH 712～
714,30 ℃培养 24 h。
液体种子培养,培养基除不加琼脂外,其他成份与斜面培养基相同,250 mL 三角瓶装培养基 50 mL,
接斜面菌种一环,30 ℃下振荡培养 18 h。
扩大培养,培养基与液体种子培养基相同,500
mL 三角瓶装培养基 100 mL,接种子液 5 mL,30 ℃下振荡培养 24 h。
菌体的制备,培养物经离心 (3500 rPmin,15 min)
收集菌体,用去离子水洗涤 2～ 3 次,菌体于 80 ℃下烘干,冷却研磨 (过 150 目筛 ),死的干菌体粉置干燥器中室温保存备用。
112 固定化菌体的制备固定化 XP05 菌体的制备如下,
卡拉胶包埋法,将 4 g 卡拉胶,1gXP05 菌体加入
100 mL 生理盐水中,加热使卡拉胶溶解后于 4 ℃冰箱中放置 30 min,用刀片切成边长 2 mm 左右的胶块,然后在 013 molPL KCl 溶液中浸泡 4 h,蒸馏水洗净后备用。
明胶 2海藻酸钠包埋法,称取 5 g 明胶,1 g 海藻酸钠和 1gXP05 菌体,混匀后加入 100 mL 蒸馏水,加热并搅拌使明胶和海藻酸钠溶解,然后冷却至室温,
用带有 9 号针头的注射器挤入含 4 %CaCl2 的饱和硼酸溶液中并不断搅拌,静置固化 4 h 后用蒸馏水
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洗净,备用。
海藻酸钠包埋法,以 2 g 海藻酸钠为包埋剂,其它的同上。
PVA2海藻酸钠包埋法,以 4 g 或 5 g 聚乙烯醇
(PVA)和 1 g 海藻酸钠为包埋剂,其它的同上。
113 固定化菌体的分批吸附试验准确称取 2010 mg 固定化菌体 (以干重计 ) 加入
1010 mL 一定浓度的 Pt4 + 溶液,按不同的试验要求振荡 (130 rPmin) 吸附一定时间,上清液用微孔滤膜
(孔径 0122μ m,滤膜对 Pt4 + 的吸附可忽略不计 ) 过滤。分析滤液中残留的 Pt4 + 含量,计算菌体对 Pt4 +
的吸附率和吸附量 \[8 \],菌体浓度以 g 固定化菌体 (干重 )PL 溶液表示。
114 固定化菌体的分批洗脱试验将固定化菌体与铂离子溶液于 30 ℃下振荡吸附 60 min,弃上清液,用 pH 115 的水洗涤 2 次后加入
1010 mL 洗脱剂,于 30 ℃下振荡洗脱一定时间,测洗脱液中铂离子的含量,按下式计算洗脱率,
洗脱率 = (洗脱的铂量 P吸附铂的总量 ) × 100 %
115 填充床反应器中固定化菌体的连续吸附和洗脱试验连续吸附试验,将固定化菌体装入底部填有一层玻璃棉的玻璃柱 (115 cm × 20 cm) 中,堆积高度为
15 cm ± 015 cm。将一定浓度的 Pt4 + 溶液以一定的流速从吸附柱上方流经吸附柱进行吸附,利用自动部分收集器收集流出液,定时测定 Pt4 + 的浓度。当流出液中的 Pt4 + 浓度达到进料液浓度的 2 %～ 5 %时,
可认为吸附柱达到穿透 ;当流出液的 Pt4 + 浓度达到进料液浓度的 95 %～ 98 %时,可认为吸附柱已达到饱和,即停止进液。按下式计算穿透时的吸附量 Qb
和饱和时的吸附量 Q ∞,
Qb (mgPg) = Co tbμ P1000 W
Q ∞ (mgPg) = ( Co tfμ - Ci Vi )P1000 W
式中 Co,进料浓度 (mgPL),tb,穿透时间 (min),
tf,吸附总时间 (min),Ci,流出液总浓度 (mgPL),Vi,
流出液总体积 (mL),W,填充量 (g,以干重计 ),μ,流速 (mLPmin)
连续洗脱试验,从吸附柱上方加入洗脱剂,以
115 mLPmin 的流速进行洗脱。用自动部份收集器收集洗脱液,定时测定 Pt4 + 的浓度,直至洗脱液中 Pt4 +
浓度小于 10 mgPL。
116 从废铂催化剂中回收铂的试验废铂催化剂的处理,将以 γ 2Al2O3 为载体的废铂催化剂 ( PtPγ 2Al2O3 ) 置于王水中,加热使之溶解,
过滤弃不溶物。用原子吸收光谱仪测处理液的铂含量,备用。
废铂催化剂处理液吸附试验,用废铂催化剂处理液代替 K2 PtCl6 溶液,其他步骤与 113 相同。
117 铂的分析用氯化亚锡法 \[13 \]和原子吸收法 (AA800 原子吸收分光光度计,美国 Perkin2Elmer 公司 ) 测定溶液的
Pt 离子含量。
118 扫描电子显微镜 ( SEM)观察将经真空干燥的固定化菌体颗粒置于溅射仪中镀金 100 × 10 - 10 m,然后在 LEO 场发射扫描电子显微镜 (德国 LEO 公司 )下观察。
2 结果与讨论
211 菌体固定化方法的选择试验比较了几种固定 XP05 菌体的方法。结果
(表 1)表明,包埋剂 PVA、海藻酸钠、卡拉胶、明胶等对 Pt4 + 有一定的吸附能力,但固定化 XP05 菌体吸附
Pt4 + 的能力比其相应包埋剂的高得多,其中以 5 %明胶 + 1 %海藻酸钠为包埋基质制备的固定化菌体不但对 Pt4 + 的吸附率最高 (8613 %),而且成球性好、机械强度高和耐酸性好。在扫描电镜下观察该固定化菌体颗粒,可见被包埋的 XP05 细胞呈杆状,菌体完整,并较均匀地分布于包埋基质中。以下试验采用
5 %明胶 + 1 %海藻酸钠为包埋剂制备固定化菌体。
表 1 不同固定化方法的比较
Table 1 Comparison of various immobilized methods
Matrix EfficiencyP% Immobilized method EfficiencyP%
2 %Karaya gum 517 Karaya gum + Biomass 6812
2 %AS 2414 2 %AS + Biomass 7114
4 %PVA + 1 %AS 1916 4 %PVA + 1 %AS + Biomass 7611
5 %PVA + 1 %AS 2010 5 %PVA + 1 %AS + Biomass 7419
5 %Gelatinum + 1 %AS 2013 5 %Gelatinum + 1 %AS + Biomass 8613
Adsorptive conditions,Pt4 + initial concentration ( Ci) = 50 mgPL,Adsorbent (matrix or immobilized biomass) concentration ( Cb) = 210 gPL,pH 210,
30 ℃,60 min1 AS,Alginate sodium
7544 期 胡洪波等,用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂
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212 固定化菌体的预处理据报道 \[12,14 \],对固定化菌体进行交联处理或其他化学处理可以增强其机械强度和吸附金属的能力。试验分别用不同浓度的甲醛、戊二醛,NaOH 和
HCl 浸泡过夜处理固定化菌体,然后用蒸馏水漂洗 3
次后作吸附 Pt4 + 的实验。结果 (表 2) 表明,固定化菌体经预处理后吸附 Pt4 + 的能力却都有不同程度的下降。其他研究者也有类似的报道,例如 Pethkar 等人 \[12\]用多种物理和化学的方法预处理芽枝状枝孢霉
( Cladosporium adosporiode)菌体珠,发现只有用二甲基亚砜预处理的可提高其对 Au 离子的吸附率,其它的方法均使其吸附率下降。强酸、强碱预处理和交联反应的强酸强碱环境破坏吸附剂中起吸附作用的多糖,
可能是使吸附剂吸附金属能力下降的主要原因 \[15\]。
以下试验所用的固定化菌体均未作处理。
表 2 预处理对固定化菌体吸附 Pt4 + 的影响
Table 2 Effect of pretreatment on immobilized XP05
biomass adsorbing Pt4 +
Treatment EfficiencyP% Treatment EfficiencyP%
Untreated 8613 5 % Formaldehyle 7918
0105 molPL NaOH 6213 1 % Glutaraldehyde 8118
011molPL NaOH 5618 215 % Glutaraldehyde 8517
011molPL HCl 8311 5 % Glutaraldehyde 8516
0105molPL HCl 8318 012 molPL HCl 7716
Adsorptive conditions,Ci = 50 mgPL,pH210,Cb = 210 gPL,30 ℃,60
min
213 pH值的影响许多研究表明,吸附系统的 pH 值是影响菌体吸附金属的重要因素。溶液的 pH 值不仅影响菌体表面功能基团的解离状况,而且影响溶液中金属离子的存在形式。 Brierley 等人 \[11 \]用 MRA (一种金属去除剂 )回收 Pt4 +,溶液的 pH 值为 317 ;而吴锦远等人 \[17 \]用纤维素基磁性聚偕肟胺树脂吸附 Pt4 +,吸附系统的 pH值为 118。游离的 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的最适 pH值为 210。为了确定固定化菌体吸附 Pt4 +
的最适 pH值,将 Pt4 + 溶液调至不同的 pH 值进行吸附试验。结果 (图 1) 表明,固定化 XP05 菌体吸附
Pt4 + 的最适 pH 为 115,随着溶液 pH 值的提高吸附率明显下降。这是由于固定化菌体上的羧基和胺基电离产生较多的带负电荷的基团,使固定化菌体减少了与 PtCl6 4 + 结合的带正电荷的基团数,同时由于
pH > 3 时,H2 PtCl6 的解离作用受抑制,因此吸附量下降。说明该固定化菌体适于从酸性溶液中回收
Pt。
图 1 pH值对固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的影响
Fig11 Effect of pH values on immobilized XP05
biomass adsorbing Pt4
214 吸附时间的影响在 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL、固定化菌体浓度 210
gPL,pH 115 和 30 ℃ 的条件下振荡吸附 10,20,30,45、
60,90 和 120 min,结果吸附率分别为 4714 %,5619 %、
6515 %,8218 %,8613 %,9316 %和 100 %,即吸附 120
min 吸附率达最大 (100 %),但在最初的 10 min 内吸附率就达 4714 %。一般待去除或回收金属的废液、废水,其容积大而金属离子含量低,因此,从大规模工业应用的观点来看,微生物吸附金属的速率是一个重要的参数。固定化 XP05 菌体吸附金属的速率虽然不如其游离菌体快 (在最初的 8 min 内,吸附率可达最大吸附率的 7811 %),但对 Pt4 + 的吸附仍是一个快速的过程,这一特性有利于实际应用。
215 固定化菌体浓度的影响在 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL,pH 115,30 ℃和不同的固定化菌体浓度下吸附 60 min。结果 (图 2)表明,
吸附量与固定化菌体的浓度呈负相关,当固定化菌体浓度为 015 gPL 时,吸附量最大为 2719 mgPg ;但吸附率与固定化菌体浓度呈正相关,当固定化菌体浓度为 4 gPL 时,吸附率达 100 %,说明要从 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL 的溶液回收铂,用 4 gPL 的固定化菌体浓度已足够。上述的结果与无根根霉 ( Rhizopus ar2
rhizus)废菌丝体吸附 Zn\[16 \]和固定化芽枝状枝孢霉菌体珠吸附 Au\[12 \]的结果相似。说明在一定的金属离子浓度下,随着吸附剂浓度的提高,金属离子被吸附剂吸附的量越多,即吸附率越高 ;但单位吸附剂所吸附的金属离子量则减少,因此吸附量降低。
216 Pt4 + 起始浓度的影响用不同起始浓度的 Pt4 + 溶液进行吸附试验。结果 (图 3) 表明,在 Pt4 + 起始浓度 50～ 250 mgPL 范围内,固定化菌体对 Pt4 + 的吸附量与 Pt4 + 浓度成线性关系。
854 生 物 工 程 学 报 19 卷
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图 2 固定化菌体浓度对吸附作用的影响
Fig12 Effect of immobilized biomass concentration
on adsorption of Pt4 +
——— ● Efficiency ; ——— ○ Capacity
图 3 Pt4 + 起始浓度对固定化菌体吸附 Pt4 + 的影响
Fig13 Effect of initial Pt4 + concentration on immobilized
XP05 biomass adsorbing Pt4 +
一个好的生物吸附过程模型不仅有助于分析和解释生物吸附的实验数据,而且可以正确地估计吸附条件变化的影响,以确定最佳的吸附条件,进行正确的工业设计。黄单胞菌 \[18 \]和黄孢展齿革菌丝球 \[19 \]吸附 Pb2 + 可用 Langmiur 方程描述 ;固定化芽枝状枝孢霉菌体珠吸附 Au3 + 过程符合 Freundlich 模型 \[12 \];纤维素基磁性聚偕肟胺树脂吸附 PtCl6 2 - 和
AuCl4 -,符合 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温方程 \[17 \]。为了求得吸附量与吸附平衡时 Pt4 + 浓度之间的关系,分别用 Langmuir 和 Freundlich 方程式来拟合实验数据,并采用最小二乘法求得 Langmuir 和
Freundlich 方程的各种参数,见表 3。
表 3 Langmuir 和 Freundlich模型的参数值
Table 3 Parameters of Langmuir and Freundlich models
Models Parameters Relativity ( r2) Fitting equation
Langmuir Qmax = 371037 mgPg
b = 01072
01996 CePQ = 01387 + 01027Ce
Freundlich k = 141791
n = 61135
01895 ln Q = 21694 + 01163 lnCe
从拟合的相关系数 r (表 3) 表明,固定化 XP05
菌体吸附 Pt4 + 可用 Langmiur 和 Freundlich 等温吸附方程来描述。说明固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 是一种化学的、平衡的和可饱和的机制 \[18 \],同时也是一种吸附部位的能量以指数分布、表面不均匀和静态的 ( Immobile )吸附作用 \[12 \]。
217 固定化菌体从废铂催化剂处理液中回收铂的试验在 pH 210、固定化菌体浓度 410 gPL,30 ℃、废铂催化剂处理液的 Pt4 + 浓度分别为 111176 mgPL 和
5519 mgPL 的条件下吸附 60 min,固定化 XP05 菌体对 Pt4 + 的吸附率分别为 7419 %和 79153 %,吸附量分别为 20194 mgPg 和 11111mgPg。
218 固定化菌体的洗脱试验固定化菌体是否可重复使用,在于能否找到一种合适的洗脱剂及洗脱条件。为此,试验比较了 6
种洗脱剂。除 EDTA 为饱和溶液外,其他洗脱剂的浓度均为 015 molPL,洗脱时间为 60 min。结果表明,
HCl,HNO3,硫脲,EDTA、尿素和 HAC 的洗脱率分别为 9817 %,9816 %,9715 %,7518 %,7315 % 和
6119 %。
用不同浓度的 HCl 作洗脱剂探讨洗脱剂浓度的影响。结果 HCl 浓度为 0105,0110,0125,0150,0175
和 1100 molPL 时,洗脱率 8618 %,8911 %,9313 %、
9816 %,9413 %和 7213 %,即 HCl 浓度在 015 molPL
以下时,洗脱率随 HCl 浓度的提高而提高 ;但当 HCl
浓度大于 015 molPL 时,洗脱率有所下降。用酸性洗脱剂效果较好,可能是在酸性溶液中由于 H+,H3O +
离子与固定化菌体细胞壁上带正电荷的结合位点竞争结合 PtCl6 2 -,使得吸附在菌体上的铂被洗脱下来。用浓度较高的 HCl 溶液洗脱菌体所吸附的铂时,HCl 可能使吸附剂上更多的功能基团暴露出来,
而与 PtCl6 2 - 结合,影响了洗脱效果。
为了探讨洗脱时间的影响。试验用 015 molPL
HCl 洗脱固定化菌体吸附的 Pt4 +,洗脱 5,15,30,60
和 90 min,结果洗脱率分别为 4911 %,7214 %、
8612 %,9817 %和 9818 %,说明洗脱速度很快。
219 固定化菌体的重复使用为了考察生物吸附剂的使用寿命,将洗脱后的固定化菌体用蒸馏水洗涤,然后再次吸附。结果 (表
4)表明,吸附剂重复使用 4 次,其吸附效果依然比较好,吸附率达 7716 % ;重复使用至第 5 次吸附率才明显下降。其重复使用寿命与经甲醛 2碱处理的黄孢展齿革菌丝球相当 \[19 \],比固定化芽枝状枝孢霉菌体
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的长 \[12 \]。固定化芽枝状枝孢霉菌体吸附金,用
1 molPL 的硫脲或 012 molPL 的氰化钠 2乙醇溶液洗脱,洗脱率达 99 %,但洗脱后的固定化菌体则不能再用于吸附金。
表 4 固定化菌体的重复使用
Table 4 The reapplication of immobilized biomass
Cycle EfficiencyP% CapacityP(mgPg) DesorptionP%
1 8412 2110 9818
2 8119 2015 9819
3 8012 2010 9912
4 7716 1914 9914
5 7015 1716 9912
6 6214 1516 9911
2110 固定化菌体的动态吸附和动态洗脱金属溶液的浓度、流速,pH 值以及吸附系统的温度等都会影响填充床中固定化菌体吸附金属的能力。当 Pt4 + 溶液分别以 112 mLPmin 和 117 mLPmin
的流速流经吸附柱时,其动态吸附的参数和结果如表 5 和图 4 所示。
表 5 不同流速下动态吸附过程的参数和结果
Table 5 The result and parameter of dynamic adsorption
under different flow rates
Flow rateP(mLPmin) bbPmin t ∞ Pmin QbP(mgPg) Q ∞ P(mgPg)
112 150 330 1713 2417
117 90 230 1513 2413
Adsorptive conditions,Ci = 50 mgPL,pH 115,30 ℃,immobilized bio2
mass,1185 g(dry weight)
图 4 不同流速下的动态吸附曲线
Fig14 The curves of dynamic adsorption under
different flow rates
由图 4 可知,流速加快,穿透时间 (出口浓度达到 1 mgPL 的时间 ) 缩短,穿透吸附量减小。在实际应用中,总是希望达到穿透之前的废水处理量能够尽量的多。但流速如果太慢,柱内的液体的返流及纵向混合严重,使操作时间延长。故应对流速做适当控制,使整个填充床得到充分利用。
用流速为 115 mLPmin 的 015 molPL HCl 洗脱被吸附在固定化菌体上的铂,得到如图 5 所示的洗脱曲线。
图 5 固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 后的动态洗脱曲线
Fig15 The curve of dynamic desorption
从图 5 中可见,在最初的 90 min 内,洗脱液中的
Pt4 + 浓度随着洗脱时间的延长而提高,90 min 时达到最大值 12113 mgPL,90 min 后则随着洗脱时间的延长而降低。该洗脱作用是一个较快的过程。
3 小 结固定化 XP05 菌体对 Pt4 + 的吸附特性是 XP05 菌体和固定化基质的吸附特性的综合结果。固定化
XP05 菌体吸附 Pt4 + 的特性与游离菌体的有些不同,
例如固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的最适 pH 值为 115,
比游离菌体 (最适 pH值 210)的降低了 015 ;对 Pt4 + 的吸附速率比游离菌体的慢一些 ;吸附能力比游离菌体
(6414 mgPg)的低。但与游离菌体一样,固定化菌体对
Pt4 + 的吸附受溶液的 pH 值、菌体浓度,Pt4 + 起始浓度等的影响。固定化菌体吸附 Pt4 + 也是一种快速和可逆的过程。在分批实验中,固定化 XP05 菌体吸附量为 3512 mg Pt4 + Pg ; 在填充床反应器中的饱和吸附量达 2417 mg Pt4 + Pg ; 用固定化菌体从废铂催化剂处理液回收铂,吸附量为 2019 mgPg。固定化 XP05 菌体经
4 次吸附 2解吸循环后吸附率仍达 78 %,说明该固定化菌体有较好的应用前景。
REFERENCES(参考文献 )
\[ 1 ] Veglio F,Beolchini F,Removal of metals by biosorption,a review.
Hydrometallurgy,1997,44,301 - 316
\[ 2 ] Kraatochvil D,Volesky B,Advances in the biosorption of heavy
metals,Trends in Biotechnology,1998,16(7),291 - 300
\[ 3 ] WANGJ L (王建龙 ),HAN Y J (韩英健 ),QIAN Y(钱易 ),Ad2
vance in the microbial sorption of metal ions,Microbiology (微生物学通报 ),2000,27(6),449 - 452
\[ 4 ] LIU Y Y(刘月英 ),FU J K(傅锦坤 ),CHEN P(陈平 ) et al,Stu2
dies on biosorption of Au3 + by Bacillus megaterium,Acta Microbio2
logica Sinica (微生物学报 ),2000,40 (4),425 - 429
\[ 5 ] Liu Y Y,Fu J K,Hu H B et al,Properties and characterization of
064 生 物 工 程 学 报 19 卷
1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd,All rights reserved.
Au3 + 2adsorption by mycelial waste of Streptomyces aureoaciences.
Chinese Science Bulletin,2001,46 (20),1709 - 1712
\[ 6] FU J K(傅锦坤 ),LIU Y Y(刘月英 ),GU P Y(古萍英 ) et al.
Spectroscopic characterization on the biosorption and bioreductuion of
Ag(1) by Lactobacillus sp,A09,Acta Physico2Chimica Sinica (物理化学学报 ),2000,16 (9),779 - 782
\[ 7 ] LIU Y Y(刘月英 ),FU J K(傅锦坤 ),LI R Z(李仁忠 ) et al.
Studies on biosorption of Pd2 + by bacteria,Acta Microbiologica Sini2
ca (微生物学报 ),2000,40 (5),535 - 539
\[ 8 ] Liu Y Y,Fu J K,Zhou Z H et al,A study of Pt4 + 2adsorption and
its reduction by Bacillus megaterium,Chemical Research in Chinese
Universities,2000,16 (3),246 - 249
\[ 9 ] Ting Y P,Sun G,Comparative study on polyvinyl alcohol and algi2
nate for cell immobilization in biosorption,Water science & Technolo2
gy,2000,42 (5 - 6),85 - 90
\[10 \] Texier A C,Andrè s Y,Cloirec Le,Selective biosorption of lanthanide
(La,Eu,Yb) ions by an immobilized bacterial biomass,Water Sci2
ence & Technology,2001,42(5～ 6),91 - 94
\[11 \] Brierly J A,Vance D B,Recovery of precious metals by microbial
biomass,Biohydrometal,Proceedings of international symposia,1987
(Pub,1988),pp,477 - 485
\[12 \] Pethkar A V,Paknikar K M,Recovery of gold from solutions using
Cladosporium cladosporioides biomass beads,Journal of Biotechnolo2
gy,1998,63,121 - 136
\[13 \] CAI S X (蔡树型 ),HUANG C(黄超 ),Analysis of Precious met2
als,Beijing,Metallurgical Industry Press(冶金工业出版社 ),1984
\[14 \] Kapoor A,Viraraghavan T,Biosorption of heavy metals on Aspergil2
lus niger,Bioresource Technology,1998,12(2),91 - 95
\[15 \] CHEN M (陈 ),GAN Y R(甘一如 ),Biosorption of heavy metal.
Chemical Industry and Engineering (化学工业与工程 ),1999,16
(1),19 - 25
\[16 \] Fourest E,Roux J C,Heavy metal biosorption by fungal mycelial by2
products,mechanisms and influence of pH,Applied Microbiology and
Biotechnology,1992,37,399 - 403
\[17 \] WU J Y (吴锦远 ),YANG C X (杨超雄 ),Studies on cellulose2
based magnetic poly amidoxime adsorbents Ⅱ,Adsorption kinetics of
BMAO for noble2metal complex anions,Journal of Cellulose Science
and Technology (纤维素科学与技术 ),1998,6(2),45 - 56
\[ 18 \] Morron M L,Ben O N,Gonzalez M T et al,Myxococcus xanthus bi2
omass as biosorbent for lead,Journal of Applied Microbiology,1998,
84,63 - 67
\[19 \] WU J (吴涓 ),LI Q B(李清彪 ),DENG X(邓旭 ) et al,Studies on
biosorption of Pb2 + by Phanerochaete chrysosporium,Acta Microbio2
logica Sinica (微生物学报 ),1999,39 (1),87 - 90
Recovery of Platinum with Immobilized Citrobacter freudii XP05 Biomass
HU Hong2Bo1 LIU Yue2Ying13 FU Jin2Kun2 XUE Ru2 GU Ping2Ying2
(1 School of Life Sciences,2 School of Chemistry & Chemistry Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
Abstract The objective of this work was to develop a valuable adsorbent for recovery of platinum by studying the properties of
Pt4 + 2adsorption with immobilized Citrobacter freudii XP05 biomass,Five methods for immobilization of Citrobacter freudii XP05
biomass were compared,The method with gelatin2alginate sodium as entrapment matrix was considered to be the optimal,Spheri2
cal and uniform beads were produced and the SEM micrograph indicated that the cell of strain XP08 were uniformly dispersed
within the matrix,The adsorption of Pt4 + by immobilized XP05 biomass was affected with adsorptive time,pH value of the solu2
tion,immobilized biomass concentration,Pt4 + initial concentration The adsorption was a rapid process,The optimal pH value for
Pt4 + adsorption was 115,and its adsorptive capacity increased linearly with increasing Pt4 + initial concentrations in the range of
50～ 250 mgPL,The experimental data could be fitted to Langmuir and Freundlich models of adsorption isotherm,The adsorptive
capacity reached 3512 mgPg under the conditions of 250 Pt4 + mgPL,210 gPL immobilized biomass,pH 115 and 30 ℃ for 60
min,9817 % of Pt4 + adsorbed on immobilized biomass could be desorbed with 015 mol HClPL,The characteristics of dynamic
adsorption and desorption of immobilized XP05 biomass in packed2bed reactor were investigated,The saturation uptake was
24166 mg Pt4 + Pg under the conditions of flow rate 112 mLPmin,pH 115,50 mg Pt4 + PL and 1185 g biomass(dry weight),Ad2
sorptive efficiency of Pt4 + by the immobilized XP05 biomass was above 78 % for 4 cycles of adsorption and desorption.
The recovery of platinum from waste platinum catalyst was studied,The adsorptive capacity was 20194 mg Pt4 + Pg immobi2
lized biomass under the conditions of 410 gPL immobilized XP05 biomass,117176 mg Pt4 + PL and pH 115 for 60 min,The immo2
bilized XP05 biomass is potentially applicable to the recovery of platinum from waste and wastewater containing platinum.
Key words biosorption,immobilized biomass,Citrobacter freudii,platinum
Received,0121922003
This work was supported by Grant from NSFC(No,29876026),
3 Corresponding author,Tel,86259225916401 ; Fax,86259222186392 ; E2mail,liuying6401 @sina,com
1644 期 胡洪波等,用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂
1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd,All rights reserved.
2003 年 7 月生 物 工 程 学 报
Chinese Journal of Biotechnology
Vol,19 No,4
July 2003
收稿日期,2003201219,修回日期,2003203210。
基金项目,国家自然科学基金资助项目 (No,29876026) 。
3 通讯作者。 Tel,86259225916401 ;Fax,86259222186392 ; E2mail,liuying6401 @sina,com
用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂胡洪波 1 刘月英 13 傅锦坤 2 薛 茹 2 古萍英 2
(厦门大学 1 生命科学学院,2 化学化工学院,厦门 361005)
摘 要 比较了 5 种固定弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 菌体的方法,其中明胶 2海藻酸钠包埋法为固定菌体的最佳方法。
扫描电子显微镜观察表明,XP05 菌体较均匀地分布于包埋基质中。固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 受吸附时间、固定化菌体浓度、溶液的 pH值和 Pt4 + 起始浓度的影响。吸附作用是一个快速的过程 ;吸附 Pt4 + 的最适 pH 值为 115 ;在 50
～ 250 mg Pt4 + PL 范围内,吸附量与 Pt4 + 起始浓度成线性关系,吸附过程符合 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温模型。
在 Pt4 + 起始浓度 250 mgPL、固定化菌体 210 gPL,pH 115 和 30 ℃条件下,振荡吸附 60 min,吸附量为 3513 mgPg。 015
molPL HCl 能使吸附在固定化菌体上的 Pt 解吸 9817 %。从废铂催化剂处理液回收铂的结果表明,在 Pt4 + 起始浓度
11118 mgPL、固定化菌体 410 gPL,pH 115 和 30 ℃条件下,振荡吸附 60 min,吸附量为 2019 mgPg。在填充床反应器中,
在 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL、流速 112 mlPmin、固定化菌体 1186 g 的条件下,饱和吸附量达 2417 mgPg ; 固定化 XP05 菌体经 4 次吸附 2解吸循环后吸附率仍达 78 %。
关键词 生物吸附,固定化菌体,弗劳地柠檬酸杆菌,铂中图分类号 Q67 文献标识码 A 文章编号 100023061 (2003) 0420456206
许多研究表明,生物吸附技术在金属的去除或回收中具有良好的应用潜力 \[1 - 3 \]。在微生物吸附贵金属的研究中,我们曾对游离菌体吸附 Au3 + \[4,5 \]、
Ag + \[6 \],Pd2 + \[7 \]和 Pt4 + \[8 \]等贵金属的特性进行了研究。虽然游离菌体可从溶液中吸附回收贵金属,但用游离菌体作为吸附剂存在不少缺点。例如颗粒小,菌体与排出水难以分离,菌体无法重复利用等。
如果用固定化技术使菌体固定化就可克服上述缺点。已有关于固定化菌体吸附重金属的一些报道 \[9,10 \],但有关贵金属的报道极少 \[11,12 \]。本文报道固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 吸附 Pt4 + 的特性及其从废铂催化剂处理液回收铂的研究结果。
1 材料与方法
111 菌体的培养与制备培养基与培养条件,
斜面培养,培养基为牛肉膏 013～ 015 g,蛋白胨
115 g,NaCl 015 g,琼脂 2 g,蒸馏水 100 mL,pH 712～
714,30 ℃培养 24 h。
液体种子培养,培养基除不加琼脂外,其他成份与斜面培养基相同,250 mL 三角瓶装培养基 50 mL,
接斜面菌种一环,30 ℃下振荡培养 18 h。
扩大培养,培养基与液体种子培养基相同,500
mL 三角瓶装培养基 100 mL,接种子液 5 mL,30 ℃下振荡培养 24 h。
菌体的制备,培养物经离心 (3500 rPmin,15 min)
收集菌体,用去离子水洗涤 2～ 3 次,菌体于 80 ℃下烘干,冷却研磨 (过 150 目筛 ),死的干菌体粉置干燥器中室温保存备用。
112 固定化菌体的制备固定化 XP05 菌体的制备如下,
卡拉胶包埋法,将 4 g 卡拉胶,1gXP05 菌体加入
100 mL 生理盐水中,加热使卡拉胶溶解后于 4 ℃冰箱中放置 30 min,用刀片切成边长 2 mm 左右的胶块,然后在 013 molPL KCl 溶液中浸泡 4 h,蒸馏水洗净后备用。
明胶 2海藻酸钠包埋法,称取 5 g 明胶,1 g 海藻酸钠和 1gXP05 菌体,混匀后加入 100 mL 蒸馏水,加热并搅拌使明胶和海藻酸钠溶解,然后冷却至室温,
用带有 9 号针头的注射器挤入含 4 %CaCl2 的饱和硼酸溶液中并不断搅拌,静置固化 4 h 后用蒸馏水
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洗净,备用。
海藻酸钠包埋法,以 2 g 海藻酸钠为包埋剂,其它的同上。
PVA2海藻酸钠包埋法,以 4 g 或 5 g 聚乙烯醇
(PVA)和 1 g 海藻酸钠为包埋剂,其它的同上。
113 固定化菌体的分批吸附试验准确称取 2010 mg 固定化菌体 (以干重计 ) 加入
1010 mL 一定浓度的 Pt4 + 溶液,按不同的试验要求振荡 (130 rPmin) 吸附一定时间,上清液用微孔滤膜
(孔径 0122μ m,滤膜对 Pt4 + 的吸附可忽略不计 ) 过滤。分析滤液中残留的 Pt4 + 含量,计算菌体对 Pt4 +
的吸附率和吸附量 \[8 \],菌体浓度以 g 固定化菌体 (干重 )PL 溶液表示。
114 固定化菌体的分批洗脱试验将固定化菌体与铂离子溶液于 30 ℃下振荡吸附 60 min,弃上清液,用 pH 115 的水洗涤 2 次后加入
1010 mL 洗脱剂,于 30 ℃下振荡洗脱一定时间,测洗脱液中铂离子的含量,按下式计算洗脱率,
洗脱率 = (洗脱的铂量 P吸附铂的总量 ) × 100 %
115 填充床反应器中固定化菌体的连续吸附和洗脱试验连续吸附试验,将固定化菌体装入底部填有一层玻璃棉的玻璃柱 (115 cm × 20 cm) 中,堆积高度为
15 cm ± 015 cm。将一定浓度的 Pt4 + 溶液以一定的流速从吸附柱上方流经吸附柱进行吸附,利用自动部分收集器收集流出液,定时测定 Pt4 + 的浓度。当流出液中的 Pt4 + 浓度达到进料液浓度的 2 %～ 5 %时,
可认为吸附柱达到穿透 ;当流出液的 Pt4 + 浓度达到进料液浓度的 95 %～ 98 %时,可认为吸附柱已达到饱和,即停止进液。按下式计算穿透时的吸附量 Qb
和饱和时的吸附量 Q ∞,
Qb (mgPg) = Co tbμ P1000 W
Q ∞ (mgPg) = ( Co tfμ - Ci Vi )P1000 W
式中 Co,进料浓度 (mgPL),tb,穿透时间 (min),
tf,吸附总时间 (min),Ci,流出液总浓度 (mgPL),Vi,
流出液总体积 (mL),W,填充量 (g,以干重计 ),μ,流速 (mLPmin)
连续洗脱试验,从吸附柱上方加入洗脱剂,以
115 mLPmin 的流速进行洗脱。用自动部份收集器收集洗脱液,定时测定 Pt4 + 的浓度,直至洗脱液中 Pt4 +
浓度小于 10 mgPL。
116 从废铂催化剂中回收铂的试验废铂催化剂的处理,将以 γ 2Al2O3 为载体的废铂催化剂 ( PtPγ 2Al2O3 ) 置于王水中,加热使之溶解,
过滤弃不溶物。用原子吸收光谱仪测处理液的铂含量,备用。
废铂催化剂处理液吸附试验,用废铂催化剂处理液代替 K2 PtCl6 溶液,其他步骤与 113 相同。
117 铂的分析用氯化亚锡法 \[13 \]和原子吸收法 (AA800 原子吸收分光光度计,美国 Perkin2Elmer 公司 ) 测定溶液的
Pt 离子含量。
118 扫描电子显微镜 ( SEM)观察将经真空干燥的固定化菌体颗粒置于溅射仪中镀金 100 × 10 - 10 m,然后在 LEO 场发射扫描电子显微镜 (德国 LEO 公司 )下观察。
2 结果与讨论
211 菌体固定化方法的选择试验比较了几种固定 XP05 菌体的方法。结果
(表 1)表明,包埋剂 PVA、海藻酸钠、卡拉胶、明胶等对 Pt4 + 有一定的吸附能力,但固定化 XP05 菌体吸附
Pt4 + 的能力比其相应包埋剂的高得多,其中以 5 %明胶 + 1 %海藻酸钠为包埋基质制备的固定化菌体不但对 Pt4 + 的吸附率最高 (8613 %),而且成球性好、机械强度高和耐酸性好。在扫描电镜下观察该固定化菌体颗粒,可见被包埋的 XP05 细胞呈杆状,菌体完整,并较均匀地分布于包埋基质中。以下试验采用
5 %明胶 + 1 %海藻酸钠为包埋剂制备固定化菌体。
表 1 不同固定化方法的比较
Table 1 Comparison of various immobilized methods
Matrix EfficiencyP% Immobilized method EfficiencyP%
2 %Karaya gum 517 Karaya gum + Biomass 6812
2 %AS 2414 2 %AS + Biomass 7114
4 %PVA + 1 %AS 1916 4 %PVA + 1 %AS + Biomass 7611
5 %PVA + 1 %AS 2010 5 %PVA + 1 %AS + Biomass 7419
5 %Gelatinum + 1 %AS 2013 5 %Gelatinum + 1 %AS + Biomass 8613
Adsorptive conditions,Pt4 + initial concentration ( Ci) = 50 mgPL,Adsorbent (matrix or immobilized biomass) concentration ( Cb) = 210 gPL,pH 210,
30 ℃,60 min1 AS,Alginate sodium
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212 固定化菌体的预处理据报道 \[12,14 \],对固定化菌体进行交联处理或其他化学处理可以增强其机械强度和吸附金属的能力。试验分别用不同浓度的甲醛、戊二醛,NaOH 和
HCl 浸泡过夜处理固定化菌体,然后用蒸馏水漂洗 3
次后作吸附 Pt4 + 的实验。结果 (表 2) 表明,固定化菌体经预处理后吸附 Pt4 + 的能力却都有不同程度的下降。其他研究者也有类似的报道,例如 Pethkar 等人 \[12\]用多种物理和化学的方法预处理芽枝状枝孢霉
( Cladosporium adosporiode)菌体珠,发现只有用二甲基亚砜预处理的可提高其对 Au 离子的吸附率,其它的方法均使其吸附率下降。强酸、强碱预处理和交联反应的强酸强碱环境破坏吸附剂中起吸附作用的多糖,
可能是使吸附剂吸附金属能力下降的主要原因 \[15\]。
以下试验所用的固定化菌体均未作处理。
表 2 预处理对固定化菌体吸附 Pt4 + 的影响
Table 2 Effect of pretreatment on immobilized XP05
biomass adsorbing Pt4 +
Treatment EfficiencyP% Treatment EfficiencyP%
Untreated 8613 5 % Formaldehyle 7918
0105 molPL NaOH 6213 1 % Glutaraldehyde 8118
011molPL NaOH 5618 215 % Glutaraldehyde 8517
011molPL HCl 8311 5 % Glutaraldehyde 8516
0105molPL HCl 8318 012 molPL HCl 7716
Adsorptive conditions,Ci = 50 mgPL,pH210,Cb = 210 gPL,30 ℃,60
min
213 pH值的影响许多研究表明,吸附系统的 pH 值是影响菌体吸附金属的重要因素。溶液的 pH 值不仅影响菌体表面功能基团的解离状况,而且影响溶液中金属离子的存在形式。 Brierley 等人 \[11 \]用 MRA (一种金属去除剂 )回收 Pt4 +,溶液的 pH 值为 317 ;而吴锦远等人 \[17 \]用纤维素基磁性聚偕肟胺树脂吸附 Pt4 +,吸附系统的 pH值为 118。游离的 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的最适 pH值为 210。为了确定固定化菌体吸附 Pt4 +
的最适 pH值,将 Pt4 + 溶液调至不同的 pH 值进行吸附试验。结果 (图 1) 表明,固定化 XP05 菌体吸附
Pt4 + 的最适 pH 为 115,随着溶液 pH 值的提高吸附率明显下降。这是由于固定化菌体上的羧基和胺基电离产生较多的带负电荷的基团,使固定化菌体减少了与 PtCl6 4 + 结合的带正电荷的基团数,同时由于
pH > 3 时,H2 PtCl6 的解离作用受抑制,因此吸附量下降。说明该固定化菌体适于从酸性溶液中回收
Pt。
图 1 pH值对固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的影响
Fig11 Effect of pH values on immobilized XP05
biomass adsorbing Pt4
214 吸附时间的影响在 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL、固定化菌体浓度 210
gPL,pH 115 和 30 ℃ 的条件下振荡吸附 10,20,30,45、
60,90 和 120 min,结果吸附率分别为 4714 %,5619 %、
6515 %,8218 %,8613 %,9316 %和 100 %,即吸附 120
min 吸附率达最大 (100 %),但在最初的 10 min 内吸附率就达 4714 %。一般待去除或回收金属的废液、废水,其容积大而金属离子含量低,因此,从大规模工业应用的观点来看,微生物吸附金属的速率是一个重要的参数。固定化 XP05 菌体吸附金属的速率虽然不如其游离菌体快 (在最初的 8 min 内,吸附率可达最大吸附率的 7811 %),但对 Pt4 + 的吸附仍是一个快速的过程,这一特性有利于实际应用。
215 固定化菌体浓度的影响在 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL,pH 115,30 ℃和不同的固定化菌体浓度下吸附 60 min。结果 (图 2)表明,
吸附量与固定化菌体的浓度呈负相关,当固定化菌体浓度为 015 gPL 时,吸附量最大为 2719 mgPg ;但吸附率与固定化菌体浓度呈正相关,当固定化菌体浓度为 4 gPL 时,吸附率达 100 %,说明要从 Pt4 + 起始浓度 50 mgPL 的溶液回收铂,用 4 gPL 的固定化菌体浓度已足够。上述的结果与无根根霉 ( Rhizopus ar2
rhizus)废菌丝体吸附 Zn\[16 \]和固定化芽枝状枝孢霉菌体珠吸附 Au\[12 \]的结果相似。说明在一定的金属离子浓度下,随着吸附剂浓度的提高,金属离子被吸附剂吸附的量越多,即吸附率越高 ;但单位吸附剂所吸附的金属离子量则减少,因此吸附量降低。
216 Pt4 + 起始浓度的影响用不同起始浓度的 Pt4 + 溶液进行吸附试验。结果 (图 3) 表明,在 Pt4 + 起始浓度 50～ 250 mgPL 范围内,固定化菌体对 Pt4 + 的吸附量与 Pt4 + 浓度成线性关系。
854 生 物 工 程 学 报 19 卷
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图 2 固定化菌体浓度对吸附作用的影响
Fig12 Effect of immobilized biomass concentration
on adsorption of Pt4 +
——— ● Efficiency ; ——— ○ Capacity
图 3 Pt4 + 起始浓度对固定化菌体吸附 Pt4 + 的影响
Fig13 Effect of initial Pt4 + concentration on immobilized
XP05 biomass adsorbing Pt4 +
一个好的生物吸附过程模型不仅有助于分析和解释生物吸附的实验数据,而且可以正确地估计吸附条件变化的影响,以确定最佳的吸附条件,进行正确的工业设计。黄单胞菌 \[18 \]和黄孢展齿革菌丝球 \[19 \]吸附 Pb2 + 可用 Langmiur 方程描述 ;固定化芽枝状枝孢霉菌体珠吸附 Au3 + 过程符合 Freundlich 模型 \[12 \];纤维素基磁性聚偕肟胺树脂吸附 PtCl6 2 - 和
AuCl4 -,符合 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温方程 \[17 \]。为了求得吸附量与吸附平衡时 Pt4 + 浓度之间的关系,分别用 Langmuir 和 Freundlich 方程式来拟合实验数据,并采用最小二乘法求得 Langmuir 和
Freundlich 方程的各种参数,见表 3。
表 3 Langmuir 和 Freundlich模型的参数值
Table 3 Parameters of Langmuir and Freundlich models
Models Parameters Relativity ( r2) Fitting equation
Langmuir Qmax = 371037 mgPg
b = 01072
01996 CePQ = 01387 + 01027Ce
Freundlich k = 141791
n = 61135
01895 ln Q = 21694 + 01163 lnCe
从拟合的相关系数 r (表 3) 表明,固定化 XP05
菌体吸附 Pt4 + 可用 Langmiur 和 Freundlich 等温吸附方程来描述。说明固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 是一种化学的、平衡的和可饱和的机制 \[18 \],同时也是一种吸附部位的能量以指数分布、表面不均匀和静态的 ( Immobile )吸附作用 \[12 \]。
217 固定化菌体从废铂催化剂处理液中回收铂的试验在 pH 210、固定化菌体浓度 410 gPL,30 ℃、废铂催化剂处理液的 Pt4 + 浓度分别为 111176 mgPL 和
5519 mgPL 的条件下吸附 60 min,固定化 XP05 菌体对 Pt4 + 的吸附率分别为 7419 %和 79153 %,吸附量分别为 20194 mgPg 和 11111mgPg。
218 固定化菌体的洗脱试验固定化菌体是否可重复使用,在于能否找到一种合适的洗脱剂及洗脱条件。为此,试验比较了 6
种洗脱剂。除 EDTA 为饱和溶液外,其他洗脱剂的浓度均为 015 molPL,洗脱时间为 60 min。结果表明,
HCl,HNO3,硫脲,EDTA、尿素和 HAC 的洗脱率分别为 9817 %,9816 %,9715 %,7518 %,7315 % 和
6119 %。
用不同浓度的 HCl 作洗脱剂探讨洗脱剂浓度的影响。结果 HCl 浓度为 0105,0110,0125,0150,0175
和 1100 molPL 时,洗脱率 8618 %,8911 %,9313 %、
9816 %,9413 %和 7213 %,即 HCl 浓度在 015 molPL
以下时,洗脱率随 HCl 浓度的提高而提高 ;但当 HCl
浓度大于 015 molPL 时,洗脱率有所下降。用酸性洗脱剂效果较好,可能是在酸性溶液中由于 H+,H3O +
离子与固定化菌体细胞壁上带正电荷的结合位点竞争结合 PtCl6 2 -,使得吸附在菌体上的铂被洗脱下来。用浓度较高的 HCl 溶液洗脱菌体所吸附的铂时,HCl 可能使吸附剂上更多的功能基团暴露出来,
而与 PtCl6 2 - 结合,影响了洗脱效果。
为了探讨洗脱时间的影响。试验用 015 molPL
HCl 洗脱固定化菌体吸附的 Pt4 +,洗脱 5,15,30,60
和 90 min,结果洗脱率分别为 4911 %,7214 %、
8612 %,9817 %和 9818 %,说明洗脱速度很快。
219 固定化菌体的重复使用为了考察生物吸附剂的使用寿命,将洗脱后的固定化菌体用蒸馏水洗涤,然后再次吸附。结果 (表
4)表明,吸附剂重复使用 4 次,其吸附效果依然比较好,吸附率达 7716 % ;重复使用至第 5 次吸附率才明显下降。其重复使用寿命与经甲醛 2碱处理的黄孢展齿革菌丝球相当 \[19 \],比固定化芽枝状枝孢霉菌体
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的长 \[12 \]。固定化芽枝状枝孢霉菌体吸附金,用
1 molPL 的硫脲或 012 molPL 的氰化钠 2乙醇溶液洗脱,洗脱率达 99 %,但洗脱后的固定化菌体则不能再用于吸附金。
表 4 固定化菌体的重复使用
Table 4 The reapplication of immobilized biomass
Cycle EfficiencyP% CapacityP(mgPg) DesorptionP%
1 8412 2110 9818
2 8119 2015 9819
3 8012 2010 9912
4 7716 1914 9914
5 7015 1716 9912
6 6214 1516 9911
2110 固定化菌体的动态吸附和动态洗脱金属溶液的浓度、流速,pH 值以及吸附系统的温度等都会影响填充床中固定化菌体吸附金属的能力。当 Pt4 + 溶液分别以 112 mLPmin 和 117 mLPmin
的流速流经吸附柱时,其动态吸附的参数和结果如表 5 和图 4 所示。
表 5 不同流速下动态吸附过程的参数和结果
Table 5 The result and parameter of dynamic adsorption
under different flow rates
Flow rateP(mLPmin) bbPmin t ∞ Pmin QbP(mgPg) Q ∞ P(mgPg)
112 150 330 1713 2417
117 90 230 1513 2413
Adsorptive conditions,Ci = 50 mgPL,pH 115,30 ℃,immobilized bio2
mass,1185 g(dry weight)
图 4 不同流速下的动态吸附曲线
Fig14 The curves of dynamic adsorption under
different flow rates
由图 4 可知,流速加快,穿透时间 (出口浓度达到 1 mgPL 的时间 ) 缩短,穿透吸附量减小。在实际应用中,总是希望达到穿透之前的废水处理量能够尽量的多。但流速如果太慢,柱内的液体的返流及纵向混合严重,使操作时间延长。故应对流速做适当控制,使整个填充床得到充分利用。
用流速为 115 mLPmin 的 015 molPL HCl 洗脱被吸附在固定化菌体上的铂,得到如图 5 所示的洗脱曲线。
图 5 固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 后的动态洗脱曲线
Fig15 The curve of dynamic desorption
从图 5 中可见,在最初的 90 min 内,洗脱液中的
Pt4 + 浓度随着洗脱时间的延长而提高,90 min 时达到最大值 12113 mgPL,90 min 后则随着洗脱时间的延长而降低。该洗脱作用是一个较快的过程。
3 小 结固定化 XP05 菌体对 Pt4 + 的吸附特性是 XP05 菌体和固定化基质的吸附特性的综合结果。固定化
XP05 菌体吸附 Pt4 + 的特性与游离菌体的有些不同,
例如固定化 XP05 菌体吸附 Pt4 + 的最适 pH 值为 115,
比游离菌体 (最适 pH值 210)的降低了 015 ;对 Pt4 + 的吸附速率比游离菌体的慢一些 ;吸附能力比游离菌体
(6414 mgPg)的低。但与游离菌体一样,固定化菌体对
Pt4 + 的吸附受溶液的 pH 值、菌体浓度,Pt4 + 起始浓度等的影响。固定化菌体吸附 Pt4 + 也是一种快速和可逆的过程。在分批实验中,固定化 XP05 菌体吸附量为 3512 mg Pt4 + Pg ; 在填充床反应器中的饱和吸附量达 2417 mg Pt4 + Pg ; 用固定化菌体从废铂催化剂处理液回收铂,吸附量为 2019 mgPg。固定化 XP05 菌体经
4 次吸附 2解吸循环后吸附率仍达 78 %,说明该固定化菌体有较好的应用前景。
REFERENCES(参考文献 )
\[ 1 ] Veglio F,Beolchini F,Removal of metals by biosorption,a review.
Hydrometallurgy,1997,44,301 - 316
\[ 2 ] Kraatochvil D,Volesky B,Advances in the biosorption of heavy
metals,Trends in Biotechnology,1998,16(7),291 - 300
\[ 3 ] WANGJ L (王建龙 ),HAN Y J (韩英健 ),QIAN Y(钱易 ),Ad2
vance in the microbial sorption of metal ions,Microbiology (微生物学通报 ),2000,27(6),449 - 452
\[ 4 ] LIU Y Y(刘月英 ),FU J K(傅锦坤 ),CHEN P(陈平 ) et al,Stu2
dies on biosorption of Au3 + by Bacillus megaterium,Acta Microbio2
logica Sinica (微生物学报 ),2000,40 (4),425 - 429
\[ 5 ] Liu Y Y,Fu J K,Hu H B et al,Properties and characterization of
064 生 物 工 程 学 报 19 卷
1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd,All rights reserved.
Au3 + 2adsorption by mycelial waste of Streptomyces aureoaciences.
Chinese Science Bulletin,2001,46 (20),1709 - 1712
\[ 6] FU J K(傅锦坤 ),LIU Y Y(刘月英 ),GU P Y(古萍英 ) et al.
Spectroscopic characterization on the biosorption and bioreductuion of
Ag(1) by Lactobacillus sp,A09,Acta Physico2Chimica Sinica (物理化学学报 ),2000,16 (9),779 - 782
\[ 7 ] LIU Y Y(刘月英 ),FU J K(傅锦坤 ),LI R Z(李仁忠 ) et al.
Studies on biosorption of Pd2 + by bacteria,Acta Microbiologica Sini2
ca (微生物学报 ),2000,40 (5),535 - 539
\[ 8 ] Liu Y Y,Fu J K,Zhou Z H et al,A study of Pt4 + 2adsorption and
its reduction by Bacillus megaterium,Chemical Research in Chinese
Universities,2000,16 (3),246 - 249
\[ 9 ] Ting Y P,Sun G,Comparative study on polyvinyl alcohol and algi2
nate for cell immobilization in biosorption,Water science & Technolo2
gy,2000,42 (5 - 6),85 - 90
\[10 \] Texier A C,Andrè s Y,Cloirec Le,Selective biosorption of lanthanide
(La,Eu,Yb) ions by an immobilized bacterial biomass,Water Sci2
ence & Technology,2001,42(5～ 6),91 - 94
\[11 \] Brierly J A,Vance D B,Recovery of precious metals by microbial
biomass,Biohydrometal,Proceedings of international symposia,1987
(Pub,1988),pp,477 - 485
\[12 \] Pethkar A V,Paknikar K M,Recovery of gold from solutions using
Cladosporium cladosporioides biomass beads,Journal of Biotechnolo2
gy,1998,63,121 - 136
\[13 \] CAI S X (蔡树型 ),HUANG C(黄超 ),Analysis of Precious met2
als,Beijing,Metallurgical Industry Press(冶金工业出版社 ),1984
\[14 \] Kapoor A,Viraraghavan T,Biosorption of heavy metals on Aspergil2
lus niger,Bioresource Technology,1998,12(2),91 - 95
\[15 \] CHEN M (陈 ),GAN Y R(甘一如 ),Biosorption of heavy metal.
Chemical Industry and Engineering (化学工业与工程 ),1999,16
(1),19 - 25
\[16 \] Fourest E,Roux J C,Heavy metal biosorption by fungal mycelial by2
products,mechanisms and influence of pH,Applied Microbiology and
Biotechnology,1992,37,399 - 403
\[17 \] WU J Y (吴锦远 ),YANG C X (杨超雄 ),Studies on cellulose2
based magnetic poly amidoxime adsorbents Ⅱ,Adsorption kinetics of
BMAO for noble2metal complex anions,Journal of Cellulose Science
and Technology (纤维素科学与技术 ),1998,6(2),45 - 56
\[ 18 \] Morron M L,Ben O N,Gonzalez M T et al,Myxococcus xanthus bi2
omass as biosorbent for lead,Journal of Applied Microbiology,1998,
84,63 - 67
\[19 \] WU J (吴涓 ),LI Q B(李清彪 ),DENG X(邓旭 ) et al,Studies on
biosorption of Pb2 + by Phanerochaete chrysosporium,Acta Microbio2
logica Sinica (微生物学报 ),1999,39 (1),87 - 90
Recovery of Platinum with Immobilized Citrobacter freudii XP05 Biomass
HU Hong2Bo1 LIU Yue2Ying13 FU Jin2Kun2 XUE Ru2 GU Ping2Ying2
(1 School of Life Sciences,2 School of Chemistry & Chemistry Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
Abstract The objective of this work was to develop a valuable adsorbent for recovery of platinum by studying the properties of
Pt4 + 2adsorption with immobilized Citrobacter freudii XP05 biomass,Five methods for immobilization of Citrobacter freudii XP05
biomass were compared,The method with gelatin2alginate sodium as entrapment matrix was considered to be the optimal,Spheri2
cal and uniform beads were produced and the SEM micrograph indicated that the cell of strain XP08 were uniformly dispersed
within the matrix,The adsorption of Pt4 + by immobilized XP05 biomass was affected with adsorptive time,pH value of the solu2
tion,immobilized biomass concentration,Pt4 + initial concentration The adsorption was a rapid process,The optimal pH value for
Pt4 + adsorption was 115,and its adsorptive capacity increased linearly with increasing Pt4 + initial concentrations in the range of
50～ 250 mgPL,The experimental data could be fitted to Langmuir and Freundlich models of adsorption isotherm,The adsorptive
capacity reached 3512 mgPg under the conditions of 250 Pt4 + mgPL,210 gPL immobilized biomass,pH 115 and 30 ℃ for 60
min,9817 % of Pt4 + adsorbed on immobilized biomass could be desorbed with 015 mol HClPL,The characteristics of dynamic
adsorption and desorption of immobilized XP05 biomass in packed2bed reactor were investigated,The saturation uptake was
24166 mg Pt4 + Pg under the conditions of flow rate 112 mLPmin,pH 115,50 mg Pt4 + PL and 1185 g biomass(dry weight),Ad2
sorptive efficiency of Pt4 + by the immobilized XP05 biomass was above 78 % for 4 cycles of adsorption and desorption.
The recovery of platinum from waste platinum catalyst was studied,The adsorptive capacity was 20194 mg Pt4 + Pg immobi2
lized biomass under the conditions of 410 gPL immobilized XP05 biomass,117176 mg Pt4 + PL and pH 115 for 60 min,The immo2
bilized XP05 biomass is potentially applicable to the recovery of platinum from waste and wastewater containing platinum.
Key words biosorption,immobilized biomass,Citrobacter freudii,platinum
Received,0121922003
This work was supported by Grant from NSFC(No,29876026),
3 Corresponding author,Tel,86259225916401 ; Fax,86259222186392 ; E2mail,liuying6401 @sina,com
1644 期 胡洪波等,用固定化弗劳地柠檬酸杆菌 XP05 从溶液中回收铂
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