污泥蛋白发泡剂制备工艺多目标优化研究
崔静
(天津市裕川微生物制品有限公司,中国,300451)
摘要:为了实现污泥的资源化处理,获得污泥蛋白发泡剂的最佳制备工艺从而降低污泥的处理成本,在正交试验的基础上通过极差分析,考察了反应pH数值、反应温度T、反应时间t、以及物料含水率W对综合目标值的影响显著性;借助matlab软件,以提取的污泥蛋白初始浓度、蛋白回收率,发泡倍数以及泡沫稳定性为目标函数,对污泥蛋白提取工艺进行模拟分析,做出各目标函数的回归方程,采用多目标优化法得出最优的提取工艺方案为: W=91%、pH数值为13、T=125℃、t=1.78h。该工艺条件下污泥蛋白回收率为56.65%, 发泡倍数为27.58倍,泡沫稳定性为7.37h。
关键字:污泥蛋白;泡沫稳定性;发泡倍数;多目标优化;
Study on the extraction of protein foaming agent from sludge by multi-objective optimization
Jing Cui
Tianjin Yuchuan Microbial Products Co., Ltd, China, 300451)
Abstract: The influence extent to the target function of reaction pH value, reaction temperature T, reaction time t, and material moisture content W was carried out through the range analysis based on the orthogonal experiment in order to obtain the best sludge protein foaming agent preparation technology which can reduce the sludge treatment costs and realize the sludge disposal and resource. The optimization technological program was worked out based on the regression equation set up by Matlab using multiple objectives optimization and the results were W =91%, PH number is 13, T=125℃ and t=1.78h. The performance index of production was that the protein recovery was 56.65%, expansion rate of foam was 27.58 and the foam stability time was 7.37h.
Keywords: Sludge protein; Expansion rate of foam; Multiple objectives optimization.
前言
蛋白型发泡剂是目前的高档发泡剂,可以用于制造蛋白类泡沫灭火剂或轻质泡沫混凝土,发展前景较好。目前动物蛋白主要有动物蹄角蛋白[1,2]、废动物毛皮蛋白[3]等,但其原材料资源缺乏,无论何种动物蛋白发泡剂都存在成本高等缺点。剩余污泥中含有大量的细菌、真菌、原生动物和后生动物等,菌体中蛋白质含量高达40%-60%。如果能将污泥中的蛋白回收利用制成发泡剂将极大的降低蛋白型发泡剂的生产成本,解决动物蛋白供应不足的问题,同时又能为污泥的无害化及资源化处理,降低污泥处理成本提供新的出路。
文章采用热碱水解法破坏微生物细胞释放其内部物质,形成蛋白水溶液,该溶液具有优良的发泡性能。Chisht等[4]采用氢氧化钠和氯化钠作为增溶剂研究了蛋白提取的效果。Jiyeon等[5]认为提取后的污泥蛋白具有很高的营养价值,可以作为动物饲料,通过大白鼠毒性实验以及尸体解剖发现污泥蛋白对大白鼠的死亡率以及临床发病率等没有影响,可以安全作为动物饲料使用。赵顺顺采用酸水解[6]以及碱水解[7]的方法对污泥蛋白提取的工艺进行了优化研究,同时研究了剩余污泥蛋白质作为动物饲料添加剂[8]的可行性。李亚东等[9-11]对污泥蛋白提取进行了相关研究;崔静等[12,13]对热碱水解提取污泥蛋白质的进行了实验研究,考察了各因素的影响关系以及显著性,得出了较优的工艺条件。但均未对污泥蛋白作为发泡剂的产品性能进行综合考虑与工艺优化。
蛋白发泡剂的起泡能力和泡沫稳定性是评价蛋白发泡剂性能的两个重要方面。热碱水解条件下污泥蛋白溶解进入液相,形成大分子蛋白溶液,液相中的大分子蛋白在热碱条件下继续水解成为多肽甚至氨基酸。水解时间越长、温度越高,其水解越彻底,水解后的分子链越短。降解不足的大分子蛋白质和降解过度造成的氨基酸或低肽,均无良好的起泡性能,必须将蛋白分子量降解到一个合适的范围之内,使其具有良好的发泡性以及泡沫稳定性。本实验目的是为了开发一种新型的污泥蛋白发泡剂,产品的发泡性是重要的目标之一。文章中采用钙盐作为热碱水解药剂,碱性较为温和,水解蛋白质产生的中间产物较多,在反应过程中发生的美拉德反应较轻,产品品质较好。另外Ca2+的加入能与蛋白质形成配位化合物,体积增大,增加了表面膜的厚度有利于提高发泡剂的泡沫稳定性[14]。文章以正交试验为基础,做出性能-组分回归方程式,确定组分变量范围,找出最优的提取方案,并通过实验验证了其正确性。采用优化后工艺生产的污泥蛋白发泡剂制备的蛋白类泡沫灭火剂经过公安部天津消防研究所灭火实验表明:污泥蛋白制备的蛋白泡沫灭火剂,灭火时间为3’22”,25%抗烧时间为30’55”,为目前蛋白泡沫灭火剂所能达到的最高(最优)灭火级别,符合国家对泡沫灭火剂及同类产品的相应技术标准。