固定化环境工程论文范文

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1在酒精行业中的应用

在纤维乙醇研究领域，针对生产成本高的问题，研究人员选育高产复合系纤维素酶[9]，并尝试进行固定化技术以提高酶的利用率[10]。王振斌[11]等尝试通过使用超声波来对固定化纤维素酶进行预处理，在酶解温度58.73℃，CMC-Na缓冲液pH3.0、超声时间16.88min、超声频率22.33kHz、超声功率26.77W的条件下，固定化纤维素酶活性与未加超声波预处理相比较提高了9.75%。上述研究，提高了发酵速度和设备利用率，使乙醇得率得到较大的提升，这些都推动了酒精行业的不断进步。

2在环保行业中的应用

2.1废气处理方面

活性炭填料床反应器具有较强的抗冲击能力。赵康[24]等建立了海藻酸钙凝胶固定化活性污泥反应器处理丙酮废气的数学模型。由引入颗粒调整系数的概念以解决模型假设与真实情况的差异。在流量为1100mL/min、反应器进口丙酮质量浓度为3051mg/m3时，测定4个采样口和出气口的丙酮浓度，对反应器模型参数进行了校正，得到微生物最大比生长速率为4.17×10-5mg/mg·s，丙酮半饱和常数为76900mg/m3，氧气半饱和常数为273mg/m3，颗粒调整系数为195，丙酮分配系数为0.0024。曹桂萍[25]等考察了在固定床生化反应器中使用海藻酸钠包埋法制备固定化细胞对废气SO2的去除能力，结果发现，当细胞量为0.3g时，海藻酸钠质量浓度为3%，氯化钙质量浓度为4%，固定时间为14h时，在无喷淋液体、气体停留时间为5s，入口浓度低于7mg/L时固定化细胞对废气SO2的净化效率达90%，最大生化去除量为240mg/L·h。徐健全[26]使用固定化混合菌进行油烟废气降解的研究，结果发现，当油烟入口浓度小于400mg/m3，气体流速小于0.6m3/h时，降解效率可达90%以上。以上研究结果从不同方面佐证了固定化技术在去除或降解废气中的应用效果。

2.2废水处理方面

固定化技术因其抗逆性、抗毒性强、对环境适应性强、系统内微生物或酶的浓度和纯度高、反应迅速、固液分离容易，以及可以减少反应器堵塞等特点，使其在废水处理方面应用广泛[27]。周珊[28]等研究发现，使用竹炭固定化假单胞菌在处理高浓度苯酚时具有效率更高和处理量大的优势。竹炭固定化假单胞菌对苯酚的降解效率在pH5～8范围内，以200mL水样中固定化假单胞菌添加量为20g时最高。李二平[29]等研究发现，利用聚乙烯醇-硫酸铵包埋法对硫酸盐还原菌污泥进行固定，采用上流式厌氧反应器对含锌废水进行处理，结果表明，Zn2+去除率达98%以上，出水Zn2+达到国标要求。于光[30]等研究发现，固定化溶藻菌对藻细胞和藻毒素的48h溶解率和降解率分别达到了85.68%和60.16%。司伟磊[31]等研究发现，固定葸醌的聚氨酯泡沫经10次循环使用后，偶氮染料的生物脱色速率仍保持在90%以上。李正魁[32]等研究发现，辐射聚合固定化反硝化菌对污水中硝酸盐去除率可达到78%。其他研究人员开展了固定化微生物对苯胺、甲醇、二氯酚、总氮等污染物的去除研究并取得了良好结果。这些研究为固定化技术在废水治理中的应用提供了有益的借鉴。

3在生物制氢方面的应用

固定化制氢微生物主要有发酵制氢和光合作用制氢两大类。在发酵制氢微生物方面，罗欢和黄兵研究发现，使用海藻酸钠固定微生物进行发酵制氢，其最大累积产氢量为496mL，平均比产氢速率为15.8mL/h·g。在光合作用微生物方面，陈明等研究发现固定化技术能够提高产氢率，并且以海藻酸钠作为载体时的效果最好。同时，在对乙酸、丙酸、丁酸等底物的转化率进行考察时发现，乙酸的最大氢转化率最高，达到65.3%。廖强等研究发现，光合细菌代谢底物为产氢提供还原力氢。随着光照强度的增大和进口流量的增大，固定化光合细菌光生物制氢填充床在产氢速率和底物降解速率呈递增趋势。刘双江等用海藻酸钠固定sphaeroidesH菌株进行豆制品废水产氢实验，氢含量在60%以上，废水COD去除率达41.0%～60.3%。研究还表明，高浓度有机废水的平均产氢速率和化学需氧量(COD)去除率均高于低浓度有机废水，但H2含量较低。朱核光利用琼脂固定R.sphaeroides进行豆腐废水产氢实验，50h连续产氢，最大产氢速率达2.1L/h·m2，TOC去除率达到41%。Yokoi等人对产气肠杆菌HO-39菌株采用多孔玻璃为载体对菌体进行固定时，产氢率提高到850mL/L·h(HRT=lh)，较非固定化细胞的产氢率提高7倍。这些研究成果开辟了生物制氢的新路径，为生物制氢新工艺的开发提供了参考依据。

4在生物柴油方面的应用

酶法生产生物柴油具有反应条件温和、醇用量小、产物易分离及无污染物排放等优点，尤其是对原料要求低，有望降低生物柴油的生产成本，因此，酶法生产生物柴油日益受到人们的青睐。固定化技术的应用，进一步推动了酶法生产生物柴油的研究。吴茜茜等的试验结果表明，在20mL正己烷、加酶量7.5g(12U/g)、脂肪酸10g、酸醇摩尔比为l∶1.2、含水率4%条件下，分3次加入甲醇，40℃反应8h，反应体系酯化率达到了82%。在王学伟的试验中，其同样以正已烷、固定化的脂肪酶、脂肪酸（大豆油）、甲醇为反应物，最终得到脂肪酸甲酯的质量分数高达91.87%。高静等的研究表明，自制的固定化假丝酵母脂肪酶99～125可以较好地合成生物柴油。在最佳实验条件下，反应体系采用石油醚（60～90℃）为溶剂，底物有机溶剂与油的摩尔比为1∶4，反应体系加入油质量的10%的水，采用2次流加甲醇，反应6h，油醇摩尔比1∶3，反应转化率最高可达92%，酶使用7批后，其反应转化率仍然能够达到70%。张媛媛等研究了固定化南极假丝酵母脂肪酶(Candldaantarcticalipasc)的新方法，在固定化酶同时加入聚合物PEG（polyethyleneglycol）进行非共价修饰，可显著提高固定化酶的转酯活力。PEG修饰的固定化酶转酯比活是未经PEG修饰的固定化酶的4.1倍，转酯酶活回收率为604.8%。高静等研究发现，使用木糖对脂肪酶进行保护，其变性温度为144.3℃，比未保护的酶提高了83.8℃。魏作君等将溶胶-凝胶法制备的固定化离子液体进一步应用于脂肪酸与乙醇的酯化反应，正己酸乙酯产率均在90.0%以上。王珊等用活性炭固定产脂肪酶的发酵性丝孢酵母细胞，结果发现，在100mL发酵培养基中(250mL摇瓶)添加1.0g活性炭、于160r/min吸附培养48h，可吸附较多发酵性丝孢酵母细胞。将固定化细胞于4℃保存30d固定化细胞的脂肪酶活力无明显下降。用固定化细胞催化大豆油转酯化反应，连续催化5批后酯化率仍超过50%。但是筛选高活性脂肪酶、对介质耐受性好的脂肪酶，以及提高脂肪酶的使用寿命和转化率仍然是长期的研究课题。笔者有理由相信，随着脂肪酶法合成生物柴油技术的发展与产业化进程的推进，脂肪酶法制备生物柴油将会以其高效、安全、节能、环保、低成本等优点得到广泛推广应用。

5结论与展望

虽然固定化技术在诸多领域已经得到了长足发展，但是在特定行业中，距离其大规模应用还有一系列需要解决的问题。

5.1酒精行业

首先，载体材料或固定化所用的试剂有时会对细胞产生比较大的生理毒性，进而影响目标代谢产物的生物合成。其次，固定化技术使细胞密度过高，导致营养和代谢产物的传质效果较差，影响细胞整体活性，进而影响代谢产物的生物合成。最后，载体固定化细胞的大规模制备过程复杂，容易引起杂菌污染。而且固定化载体材料的使用和不断消耗也带来了附加成本，使其在酒精行业的推广受到一定限制。在酒精行业，新型、低成本、无毒害或低毒害载体与固定化试剂的筛选与研究将是今后研究的方向之一。同时，大规模固定化细胞制备过程及固定化细胞连续酒精发酵过程中的染菌控制也值得重视。

5.2环保与制氢行业

废水、废气中的成分都比较复杂，单一的菌株无法完全降解，因此研究人员需进一步筛选高效率的、通用的菌种，使一种微生物能够降解多种污染物或者是几种微生物能够联合降解不同的污染物；另外，研究人员需开发出适应于工业化复杂体系的具有高强度、高传质性能、低成本特点的载体、适应于工业化的高效固定化反应器。

5.3生物柴油领域

脂肪酶固定化技术的成功与否是脂肪酶法合成生物柴油能否得以工业化应用的关键。脂肪酶采用不同的固定化形式对酶活力、酶对短链醇的耐受性等有着显著的影响，因此，研究人员还需探索理想的固定化形式，以提高单批次的转化率与连续反应的转化率。由于不同的反应介质体系对于固定化脂肪酶催化制备生物柴油的得率也有着显著的影响，因此，需探索能够使底物更好溶解、脂肪酶发生界面活化的介质。只有提高固定化脂肪酶的活性与稳定性，才能使固定化技术在生物柴油领域得到越来越广泛的应用。随着生物技术在国民经济中的地位不断提高，以及固定化技术的不断发展完善和成熟，其必然会在现代工业生产中占据重要的位置，并将发挥越来越重要的作用。

作者：毕生雷张成明李十中刘钺杜风光单位：河南天冠企业集团有限公司清华大学核能与新能源技术研究院北京市生物燃料工程技术研究中心