污泥蛋白發(fā)泡劑制備工藝多目標(biāo)優(yōu)化研究
崔靜
（天津市裕川微生物制品有限公司，中國(guó)，300451）
摘要：為了實(shí)現(xiàn)污泥的資源化處理，獲得污泥蛋白發(fā)泡劑的最佳制備工藝從而降低污泥的處理成本，在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)極差分析，考察了反應(yīng)pH數(shù)值、反應(yīng)溫度T、反應(yīng)時(shí)間t、以及物料含水率W對(duì)綜合目標(biāo)值的影響顯著性；借助matlab軟件，以提取的污泥蛋白初始濃度、蛋白回收率，發(fā)泡倍數(shù)以及泡沫穩(wěn)定性為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)污泥蛋白提取工藝進(jìn)行模擬分析，做出各目標(biāo)函數(shù)的回歸方程，采用多目標(biāo)優(yōu)化法得出最優(yōu)的提取工藝方案為： W=91%、pH數(shù)值為13、T=125℃、t=1.78h。該工藝條件下污泥蛋白回收率為56.65%, 發(fā)泡倍數(shù)為27.58倍，泡沫穩(wěn)定性為7.37h。
關(guān)鍵字：污泥蛋白；泡沫穩(wěn)定性；發(fā)泡倍數(shù)；多目標(biāo)優(yōu)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
蛋白型發(fā)泡劑是目前的高檔發(fā)泡劑，可以用于制造蛋白類泡沫滅火劑或輕質(zhì)泡沫混凝土，發(fā)展前景較好。目前動(dòng)物蛋白主要有動(dòng)物蹄角蛋白[1,2]、廢動(dòng)物毛皮蛋白[3]等，但其原材料資源缺乏，無(wú)論何種動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑都存在成本高等缺點(diǎn)。剩余污泥中含有大量的細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等，菌體中蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%-60%。如果能將污泥中的蛋白回收利用制成發(fā)泡劑將極大的降低蛋白型發(fā)泡劑的生產(chǎn)成本，解決動(dòng)物蛋白供應(yīng)不足的問(wèn)題，同時(shí)又能為污泥的無(wú)害化及資源化處理，降低污泥處理成本提供新的出路。
文章采用熱堿水解法破壞微生物細(xì)胞釋放其內(nèi)部物質(zhì)，形成蛋白水溶液，該溶液具有優(yōu)良的發(fā)泡性能。Chisht等[4]采用氫氧化鈉和氯化鈉作為增溶劑研究了蛋白提取的效果。Jiyeon等[5]認(rèn)為提取后的污泥蛋白具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可以作為動(dòng)物飼料，通過(guò)大白鼠毒性實(shí)驗(yàn)以及尸體解剖發(fā)現(xiàn)污泥蛋白對(duì)大白鼠的死亡率以及臨床發(fā)病率等沒(méi)有影響，可以安全作為動(dòng)物飼料使用。趙順順采用酸水解[6]以及堿水解[7]的方法對(duì)污泥蛋白提取的工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，同時(shí)研究了剩余污泥蛋白質(zhì)作為動(dòng)物飼料添加劑[8]的可行性。李亞?wèn)|等[9-11]對(duì)污泥蛋白提取進(jìn)行了相關(guān)研究；崔靜等[12,13]對(duì)熱堿水解提取污泥蛋白質(zhì)的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了各因素的影響關(guān)系以及顯著性，得出了較優(yōu)的工藝條件。但均未對(duì)污泥蛋白作為發(fā)泡劑的產(chǎn)品性能進(jìn)行綜合考慮與工藝優(yōu)化。
蛋白發(fā)泡劑的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)蛋白發(fā)泡劑性能的兩個(gè)重要方面。熱堿水解條件下污泥蛋白溶解進(jìn)入液相，形成大分子蛋白溶液，液相中的大分子蛋白在熱堿條件下繼續(xù)水解成為多肽甚至氨基酸。水解時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越高，其水解越徹底，水解后的分子鏈越短。降解不足的大分子蛋白質(zhì)和降解過(guò)度造成的氨基酸或低肽，均無(wú)良好的起泡性能，必須將蛋白分子量降解到一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，使其具有良好的發(fā)泡性以及泡沫穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱碎_(kāi)發(fā)一種新型的污泥蛋白發(fā)泡劑，產(chǎn)品的發(fā)泡性是重要的目標(biāo)之一。文章中采用鈣鹽作為熱堿水解藥劑，堿性較為溫和，水解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物較多，在反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的美拉德反應(yīng)較輕，產(chǎn)品品質(zhì)較好。另外Ca2+的加入能與蛋白質(zhì)形成配位化合物，體積增大，增加了表面膜的厚度有利于提高發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性[14]。文章以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，做出性能-組分回歸方程式，確定組分變量范圍，找出最優(yōu)的提取方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。采用優(yōu)化后工藝生產(chǎn)的污泥蛋白發(fā)泡劑制備的蛋白類泡沫滅火劑經(jīng)過(guò)公安部天津消防研究所滅火實(shí)驗(yàn)表明：污泥蛋白制備的蛋白泡沫滅火劑，滅火時(shí)間為3’22”，25%抗燒時(shí)間為30’55”，為目前蛋白泡沫滅火劑所能達(dá)到的最高（最優(yōu)）滅火級(jí)別，符合國(guó)家對(duì)泡沫滅火劑及同類產(chǎn)品的相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
