一种从活性污泥中提取海藻多糖的方法
阅读说明：本技术 一种从活性污泥中提取海藻多糖的方法 (Method for extracting algal polysaccharide from activated sludge ) 是由 薛蔚琦 孙临泉 田泽民 姜维 肖倩 屈茂会 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种从活性污泥中提取海藻多糖的方法,涉及活性污泥回收技术领域。本发明提供的从活性污泥中提取海藻多糖的方法,以污水处理厂的污水生物处理过程所依赖并产生的活性污泥为原料,对活性污泥微生物细胞进行高效破壁,使微生物细胞的内部物质被释放,再优化提取方法,得到纯化的海藻多糖(包括藻石酸、褐藻多糖、卡拉胶及肝素等)。(The invention discloses a method for extracting algal polysaccharide from activated sludge, and relates to the technical field of activated sludge recovery. The method for extracting algal polysaccharide from activated sludge provided by the invention takes the activated sludge depended and generated in the biological sewage treatment process of a sewage treatment plant as a raw material, carries out high-efficiency wall breaking on activated sludge microbial cells to release internal substances of the microbial cells, and optimizes the extraction method to obtain purified algal polysaccharide (comprising alginic acid, fucoidan, carrageenan, heparin and the like).)
技术领域
本发明涉及活性污泥回收处理技术领域，尤其涉及一种从活性污泥中提取海藻多糖的方法。
背景技术
海藻多糖是一类组成结构复杂、种类繁多、应用广泛的细胞间多糖，目前已知其主要存在于海藻及少数动物组织中(牛的肺叶、猪的胃粘膜等)，同时也有极少量存在于一些嗜盐植物与微生物中。海藻多糖的化学性质及生物活性受化学组成、结构及硫酸化程度的影响，主要化学性质及生物活性表现为：凝胶增稠性、抗氧化性、抗凝血性、抑制血管生成(抗肿瘤性)、免疫调节性、抗HSV及抗HIV病毒特性。海藻多糖依照其纯度高低的不同，可被广泛的使用于工业添加剂、食品及化妆品添加剂，以及医药中间体。目前，被广泛应用的海藻多糖主要包括：藻石酸盐、褐藻多糖、卡拉胶、肝素钠等。
由于海藻多糖化学组成与结构复杂，其大规模生产无法采用人工合成的方式。目前全球超过90％的海藻多糖生产依赖于从海藻中直接提取，剩余部分则全部依赖于动物组织提取。虽然自二十世纪五十年代末，人工海藻养殖技术迅速发展，为海藻多糖的生产提供了大量原料，但由于海藻养殖对天气和海水条件依赖高，适宜养殖区域有限，且海藻养殖成本高昂，海藻收集完全依赖人工，加上现有提取方法在提取率方面的限制，全球海藻多糖市场始终处于供不应求的状态，且海藻多糖产品的价格也十分昂贵。此外，人工海藻养殖所产生的大量养殖废水，也已经成为了海藻养殖中不可忽视的环境问题。
活性污泥是污水生物处理所依赖并大量产生的副产物，其实质是利用污水中碳、氮、磷等营养元素大量繁殖的微生物聚集体，因其微生物群落复杂、繁殖量巨大、且外观呈棕褐色、具有稀泥状，得名“活性污泥”。长期以来，活性污泥都被视为污水生物处理过程中产生的大量废物，对活性污泥的处理也是以“无害化及减量化”为目的，主要处理方式包括：卫生填埋、焚烧、厌氧消化、好氧堆肥等。而活性污泥中存在的多种可回收利用的物质则一直被人们所忽视。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种从活性污泥中提取海藻多糖的方法，一方面解决活性污泥的回收处理问题，另一方面缓解当前海藻多糖生产方式单一的问题。
为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：
一种从活性污泥中提取海藻多糖的方法，包括以下步骤：
S1，对活性污泥中的微生物细胞进行高效破壁，得到含有内源物质的泥水混合液；
S2，对含有内源物质的泥水混合液进行离心过滤，除去固相泥饼，得到液相组分；
S3，向液相组分中加入沉淀剂至没有沉淀产生，离心过滤，得到藻石酸盐沉淀以及上清液；
S4，向S3的上清液中加入乙醇，待絮状沉淀完全后离心过滤，保留絮状沉淀；
S5，用饱和NaCl溶液和乙醇反复洗涤所述絮状沉淀，至絮状沉淀溶解于饱和NaCl溶液中无难溶杂质后，再向溶解有絮状沉淀的饱和NaCl溶液中加入乙醇，至沉淀完全，离心过滤，得到海藻多糖沉淀；
S6，向S5的海藻多糖沉淀中加入蒸馏水至溶解完全，利用空间排阻色谱对溶液组分进行分离，在相同操作条件下对比褐藻多糖、卡拉胶及肝素钠出峰时间，对液相分离组分进行收集，干燥，分别得到褐藻多糖、卡拉胶及肝素钠固体。
其进一步地技术方案为，将步骤S3中的藻石酸盐沉淀收集并干燥，即得到藻石酸固体。
其进一步地技术方案为，所述步骤S1中，对活性污泥中的微生物细胞进行高效破壁的具体操作包括如下步骤：
S11，将活性污泥浓缩至悬浮固体浓度为3000-8000mg/L的混合液；
S12，对S11的混合液离心后弃去上层液相，向固相泥饼中加入同等体积蒸馏水，摇匀后再次离心，弃去上层液相，重复该洗泥步骤2至4次，离心后保留固相泥饼；
S13，按泥水体积比1:5(v/v)向S12的固相泥饼中加入蒸馏水并摇匀，得到混合液，将混合液加热至30-50℃，向混合液中通电破壁10至30分钟，得到所述含有内源物质的泥水混合液。
其进一步地技术方案为，所述通电破壁的操作具体为，按照“通电10秒，间歇5秒，再次通电10秒”的周期向混合液中通入5-30V的直流电。
其进一步地技术方案为，所述步骤S2和步骤S3之间还包括浓缩步骤，具体为，将步骤S2得到的液相组分进行超滤，至液相体积浓缩至超滤前的50-60％。
其进一步地技术方案为，所述步骤S3中，沉淀剂为氯化钙。
其进一步地技术方案为，所述乙醇的质量分数为98％。
其进一步地技术方案为，所述步骤S4中，向S3的上清液中加入乙醇至溶液中乙醇的质量分数为60％。
其进一步地技术方案为，所述步骤S4中还包括，加入乙醇后，将溶液置于0℃下静置1-2小时。
其进一步地技术方案为，所述离心过滤的转速为4000-9000rpm。
其进一步地技术方案为，所述步骤S5中，用饱和NaCl溶液和乙醇反复洗涤所述絮状沉淀，具体操作如下：
S51，向絮状沉淀中加入NaCl溶液，至絮状沉淀溶解完全，离心，弃去杂质沉淀，保留离心后的液相；
S52，向离心后的液相中加入乙醇，至沉淀完全；
重复S51-S52，至絮状沉淀溶解于饱和NaCl溶液中无难溶杂质即表示洗涤完成。
需要说明的是，活性污泥中含有丰富的微生物细胞，在提取时需要将微生物细胞中含有的内源物质释放出来，本发明通过步骤S11-S13的方法，对活性污泥微生物细胞进行高效破壁，使微生物细胞的内部物质被释放，进入泥水混合液；此方法高效节能且适宜海藻多糖破壁释放的处理。
此外，除了所要提取的海藻多糖外，破壁后的泥水混合液的液相中含有多种可溶性物质(污水中污染物、微生物细胞内同时释放出的蛋白质、核酸等有机物、污水及微生物释放出的无机物等)，因此还需要采用步骤S2-S4的操作将海藻多糖从多相混合液中提取出来。
再者，本发明考虑到由泥水混合液中直接提取而来的海藻多糖为多种组分的混合物，同时仍然含有部分杂质，因此，通过步骤S2-S5，反复洗涤，从而实现海藻多糖的纯化。
与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：
本发明提供的从活性污泥中提取海藻多糖的方法，以污水处理厂的污水生物处理过程所依赖并产生的活性污泥为原料，对活性污泥微生物细胞进行高效破壁，使微生物细胞的内部物质被释放，再优化提取方法，得到纯化的海藻多糖(包括藻石酸、褐藻多糖、卡拉胶及肝素等)。本发明提供的从活性污泥中提取海藻多糖的方法，开辟了除以海藻和动物组织(胃黏膜)为原料外新的海藻多糖规模化提取方式。本方法不仅能够为污泥资源化提供新的方向和依据，也有工业潜力缓解当前海藻多糖生产方式单一的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的从活性污泥中提取海藻多糖的方法流程图；
图2为实施例1的步骤(6)得到的藻石酸固体粉末；
图3为实施例1的步骤(10)得到的海藻多糖沉淀固体粉末；
图4为实施例1提取的纯化海藻多糖的超高效液相色谱分析图；
图5为实施例1提取的纯化海藻多糖凝胶色谱分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
参见图1，本发明实施例1提供一种从活性污泥中提取海藻多糖的方法，具体步骤如下：
(1)取某市政污水处理厂二沉池浓缩污泥500g(含水率约98％)，加蒸馏水至活性污泥浓缩混合液悬浮固体浓度(MLSS)为5000mg/L；
(2)4500rpm离心后弃去上层液相，向固相泥饼中加入同等体积蒸馏水，摇匀后再次离心，弃去上层液相，重复该洗泥步骤4次，离心后保留固相泥饼；
(3)按泥水比1:5(v/v)向泥饼中加入蒸馏水并摇匀得混合液，将混合液加热至50℃，同时按照“通电10秒，间歇5秒，再次通电10秒”的周期向混合液中通入10V直流电，持续15分钟；
(4)4500rpm离心后保留上层液相；
(5)对步骤(4)中所得液相组份进行超滤，至液相体积浓缩至超滤前的60％；
(6)向超滤浓缩后的液相中加入氯化钙至沉淀完全，4500rpm离心，分离所得沉淀及上层液相，对沉淀进行收集并干燥后得到藻石酸固体；
(7)向(6)中的上层液相中加入98％乙醇，至溶液中乙醇的质量浓度为60％，于0℃静置2小时，待絮状沉淀完全后离心(4500rpm)，弃去上清液，保留絮状沉淀；
(8)向步骤(7)中所得絮状沉淀中加入饱和NaCl溶液，至沉淀完成溶解；8000rpm离心，弃去杂质沉淀，保留离心后的液相
(9)向步骤(8)中所得液相中加入98％乙醇，至沉淀完全；
(10)重复第(8)、(9)步骤，直至向沉淀中加入饱和NaCl并溶解完全后无其他难溶杂质，向溶解后的溶液中加入98％乙醇至沉淀完全，8000rpm离心，得到海藻多糖沉淀；
(11)向海藻多糖沉淀中加入蒸馏水至溶解完全，利用空间排阻色谱对溶液组分进行分离，在相同操作条件下对比褐藻多糖、卡拉胶及肝素钠出峰时间，对液相分离组分进行收集，干燥收集的3个液相组分，分别得到褐藻多糖、卡拉胶及肝素钠固体。
步骤(6)得到的藻石酸固体粉末如图2所示。
步骤(10)得到的海藻多糖沉淀干燥后的固体粉末如图3所示，该海藻多糖沉淀为褐藻多糖、卡拉胶及肝素钠固体的混合物。
对步骤(10)得到的海藻多糖分别进行超高效液相色谱分析和凝胶色谱分析图，具体成分和结果分别见图4和图5。由图可知，采用本发明实施例提供的从活性污泥中提取海藻多糖的方法得到的海藻多糖包括藻石酸、褐藻多糖、卡拉胶及肝素，总量为污泥干重的29％，其中藻石酸占污泥干重的8.6％，褐藻多糖占污泥干重的5.2％，卡拉胶占污泥干重的12.4％，肝素占污泥干重的2.8％，产物纯度较高，具有工业价值。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
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