微生物发酵法合成生物抑尘剂的试验研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 微生物发酵法合成生物抑尘剂的试验研究 王和堂1 ’2 ，贺胜2 ⋯，章琦1 ’2 ，赵侠1 ’2 1 ．中国矿业大学矿山瓦斯粉尘灾害技术基础研究国家级专业中心实验室，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 2 2 1 l1 6 ；3 ．清华大学工程物理系，北京1 0 0 0 8 4 摘要抑尘剂 降尘剂 是提高水介质防尘降尘效率的重要途径，但目前煤矿应用的抑尘剂普遍 为化学抑尘剂，存在表面活性较低、成本较高，降解性差、对环境有污染等问题。为此，提出研制高 表面活性、天然环保的新一代抑尘剂生物抑尘剂。研发了枯草芽孢杆菌发酵合成生物抑尘剂 B D s B i 0 1 0 西c a lD u s ts u p p r e s s a n t 的工艺，并采用响应面分析法和D e s i g nE x p e r t 软件分析了菌株高 产的最优发酵条件；采用x 射线晶体衍射和红外光谱技术探究了B D S 的晶体结构和官能团结构； 采用表面张力仪测试B D S 溶液的表面张力，研究了其在不同温度、酸碱度和盐度条件下的界面性 能和环境耐受能力；采用界面流变仪和扫描电镜测试B D s 的润湿性能，并与化学抑尘剂A E O A l c o h 0 1e t h o x y l a t e 进行了比较。结果表明对枯草芽孢杆菌进行活化、优选和培养可得到含有B D s 的发酵液，然后采用酸化沉淀、超声萃取和减压蒸发方法对发酵液进行提纯，即可提取出B D s ；在温 度A 3 7 ．5 6 ℃、酸碱度曰 7 ．9 9 、摇床转速C 2 2 0r ／m i n 、接种量D 2 ．1 7 ％、装液量E 5 9 ．8 9m L 的发酵条件下，B D s 产量最大，达2 ．0 9g ／L ；B D s 结构上表现为各向同性，是一种具有长烷链和多肽 结构的非晶体活性物质；B D s 的临界胶束质量浓度为3 0m g ／L ，较低的使用浓度即可将水的表面张 力降至2 7m N ／m 以下，在较大的环境参数变化范围内 温度≤7 0 ℃、酸碱度5 ～9 、N a C l 质量分数 ≤1 5 ％ ，溶液表面张力仍保持在2 7 ～3 0m N ／m ；6m g ／L 1 ／5 临界胶束质量浓度 的B D s 溶液与煤 尘的接触角仅为1 1 ．1 9 。，其润湿能力与5 0 0m g ／L 临界胶束质量浓度 的A E O 溶液相比提高 6 3 ．5 ％，表现出优异的润湿性能。研究工作有望为破解传统抑尘剂面临的表面活性和润湿能力较 弱、生物降解性和环保性不足等难题提供借鉴。 关键词粉尘防治；生物抑尘；微生物发酵；合成；抑尘剂；表面活性；润湿性能 中图分类号T D 7 1 4文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 一0 4 7 7 1 2 E x p e r i m e n t a ls t u d yo ns y n t h e s i so fb i o l o 西c a ld u s ts u p p r e s s a n tb y m i c r o b i a lf b r m e n t a t i o n W A N GH e t a n g ‘”，H ES h e n 9 2 ⋯，Z H A N GQ i l ”，Z H A Ox i a l ’2 1 ．№廊加fP n 可勰抽n Ⅱz ＆n ￡e r 如6 0 m ￡o ∥旷B 哪i cR 酣∞r c o ，埘n e ‰s 鲫dD W ￡c o n f 阳z 扎如n o z 嗍，，c 讥o ‰妇巧妙旷删n i 昭Ⅱ凡d 孔c n o z 9 ∥，x 础0 n 2 2 l l l 6 ，劬i 凡n ；2 ．s c 0 0 f ∥s 咖‘y 眈g i 删 凡g ，∞i 凡n 饥z j 圯朋i ￡y ∥肼埘“g 口蒯m n o 切，x 砌o u2 2 l l l 6 ，∞i 嬲；3 ．D 哪r ￡删眦q 厂E 嚼删 凡g 耽”洒， 乃i 增 ∞‰池“ 渺，曰e 彬增1 0 0 0 8 4 ，∞i n 口 A b s t r a c t D u s ts u p p r e s s a n ti sa ni m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h ee m c i e n c yo fw a t e rm e d i u mf o rd u s tc o n t r o l ，a n dc o m 一 收稿日期2 0 2 0 1 2 1 7修回日期2 0 2 卜O 卜1 9责任编辑常明然D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j c nk i j c c s ．x R 2 0 ．1 9 6 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 2 9 0 ；国家重点研发计划课题资助项目 2 0 1 7 Y F c 0 8 0 5 2 0 1 作者简介王和堂 1 9 8 5 一 ，男，湖南耒阳人，教授，博士生导师。E m a i l w a n g h e t a n g c u m t ．e d u ．c n 引用格式王和堂，贺胜，章琦，等．微生物发酵法合成生物抑尘剂的试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 2 4 7 7 4 8 8 ． w A N cH e I a n g ，H Es h e n g ，z H A N GQ i ，e ta 1 ．E x p e “m e n t a ls t u d yo ns y n t h e s i so fb i o l o g i c a ld u s ts u p p r e s s a n tb ym i c m b i a lf e m e n t a t i o n [ J ] ．J o u m a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 4 7 7 4 8 8 ．移动阅读 万方数据 4 7 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 m o nd u s ts u p p r e s s a n tu s e di nc o a lm i n e si sg e n e r a U yc h e m i c a ld u s ts u p p r e s s a n t ．W i t ht h el o ws u d a c ea c t i V i t y ，h i g h e r c o s t ，p o o rb i o d e g r a d a b i l i t y ，a sw e l Ia se n V i r o n m e n tp o U u t i o na n do t h e ri s s u e sa s s o c i a t e dw i t hc h e m i c a ld u s ts u p p r e s s a n t ，t h i sp a p e ra i m st od e V e l o pan e wg e n e r a t i o no fd u s ts u p p r e s s a n t ，b i o l o g i c a ld u s ts u p p r e s s a n t ，w i t hh i g hs u r f a c ea c - t i v i t ya n de n v i r o n m e n t a lp m t e c t i o n ．At e c h n o l o g i c a lp r o c e s sf o rs y n t h e s i z i n gb i o l o g i c a ld u s ts u p p r e s s a n t B D S f m m b a c i U u ss u b t i l i sb yf b 珊e n t a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d ，a n do p t i m a lf 宅瑚e n t a t i o nc o n d i t i o n so fs t r a i n sw e r ea n a l y z e dw i t h r e s p o n s es u a c eo p t i m i z a t i o nm e t h o da n dD e s i g nE x p e r ts o f t w a r e ．X m yd i f f r a c t o m e t e ra n dI n f r a r e ds p e c t l l l mw e r e u s e dt oe x p l o r et h ec r y s t a lt y p ea n df u n c t i o n a lg r o u ps t m c t u r eo fB D S ．T h es u r f a c et e n s i o no fB D Ss o l u t i o nw a st e s t e d b ys u d ’a c et e n s i o m e t e rt os t u d yt h ee n V i m n m e n t a lt o l e r a n c eu n d e rd i f k r e n tt e m p e r a t u r e s ，a c i d i t ya n ds a l i n i t y ，a n dt h e w e t t a b i l i t yo fB D Sw a sc o m p a r e dw i t hA l c o h o le t h o x y l a t e A E O m e a s u r e db yi n t e r f a c er h e o m e t e ra n dS E M ．T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ef e H n e n t a t i o nb r o t hr e c e i v e db ya c t i v a t i o n ，o p t i m i z a t i o na n dc u I t u r eo fB a c i l l u ss u b t i I i si s p u r i f i e dt oo b t a i nB D Sb ya c i d i z i n gp r e c i p i t a t i o n ，u l t r a s o n i ce x t m c t i o na n dv a c u u me v 印o r a t i o n ．T h eB D Sc a nb ep r 0 一 d u c e dt ot h em a x i m u mc a p a c i t yo f2 ．0 9g ／Lu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r e 3 7 ．5 6 ℃，p H 7 ．9 9 ，m t a t i n gs p e e d 2 2 0r ／m i n ，i n o c u l a n t 2 ．1 7 ％，a n dl i q u i dI o a d i n g 5 9 ．8 9m L ．T h eB D Si sa na m o r p h o u sa c t i v ea n ds t m c t u r a l l yi s o t r o p i cs u b s t a n c ew i t hl o n ga l k a n ec h a i n sa n dp o l y p e p t i d e s ．T h es u I f a c et e n s i o no fw a t e rc a nb er e d u c e db e l o w2 7m N ／ mw i t ht h ec r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t m t i o no f3 0m ∥L ，a n dB D Sc a ns t i l lm a i n t a i nt h es u r f a c et e n s i o ni nt h er a n g eo f2 7 3 0N ／mu n d e rt h ec h a n g e a b l ec o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r eb e l o w7 0 ℃，p Hb e t w e e n5 9o rN a C lc o n t e n tb e l o w1 5 ％． 7 r h es u p e r i o rw e t t a b i l i t yo f6m g ／LB D S ，w h i c hc a nr e d u c et h ew e t t i n ga n g l eo fc o a ld u s tt o11 ．19 。，i si n c r e a s e db y 6 3 ．5 ％c o m p a r e dw i t h5 0 0m g ／LA E O ．T h i sr e s e a r c ho fb i 0 1 0 9 i c a ld u s ts u p p r e s s a n ts y n t h e s i z i n gb ym i c r o b i a lf e 咖e n t a t i o ni se x p e c t e dt op r o V i d ean e ww a yo ft h i n k i n ga n dm e t h o dt os o l v et h ep I o b l e m so fw e a ks u r f l a e ea c t i V i t ya n di n - s u m c i e n te n V i m n m e n t a lp m t e c t i o nf a e e db yt r a d i t i o n a ld u s ts u p p r e s s a n t s ． K e yw o r d s d u s tc o n t r o l ；b i o l o g i c a ld u s ts u p p r e s s i o n ；m i c r o b i a lf e r m e n t a t i o n ；s y n t h e s i s ；d u s ts u p p r e s s a n t ；s u r f a c ea c t i v i t y ；w e t t a b i l i t y 煤矿粉尘是煤炭生产过程中产生的固体微细颗 粒的总称，其主要危害可归结为对健康、安全、环境3 个方面的负面影响‘2J 。①常导致尘肺病等职业病， 严重损害煤矿工人的健康；②可发生煤尘爆炸，严重 威胁矿井安全生产；③污染矿内和矿区周边环境，制 约美丽矿山和矿区生态文明建设。因此，粉尘防治是 煤炭工业安全、健康、绿色发展的重大需求。为了防 治煤矿粉尘危害，国内外开展了大量研究，研发了多 种防尘技术，其中湿式防尘是最常用的技术手 段旧qJ ，即以水或水溶液作为润湿、黏结或凝并粉尘 的介质，如煤层注水H 1 、喷雾降尘“ J 、湿式除尘器M J 等。但由于煤尘具有较强的憎水性、水的表面张力较 大，导致清水介质难以与煤尘有效结合1 ，防尘效果 不理想坤J 。抑尘剂 降尘剂 可以改善水对煤尘的亲 和性，增强水介质对煤尘的润湿、黏结或凝并能力，提 高降尘效率，因此成为粉尘防治领域的研究热点之 一。 过去对矿山抑尘剂的研究主要集中在化学抑尘 剂。面向煤炭开采中的防尘，z H A N G 等一1 采用化学 改性的方法，通过天然高分子瓜尔胶与环氧丙烷的亲 核取代反应合成了羟丙基瓜尔胶，制备了一种喷雾用 抑尘剂；J I N 等‘1 03 通过研究脂肪醇酰胺、烷基季铵盐 等表面活性剂复配体系的表面张力及与煤的接触角， 得出了一种煤层注水用抑尘剂配方；孙鑫等u 通过 复合快速渗透剂和两性表面活性剂制备抑尘剂，并在 溶液中加人适量二价金属阳离子提升润湿性能；蒋仲 安和王伟引研究了将氯化钠、十二烷基苯磺酸钠、硫 酸铜和氯化铵作为降尘剂添加至水袋中，可以降低爆 破时的烟尘浓度；Y A N G 等引采用单因素分析法研 究润湿剂、凝聚剂和吸湿无机盐对降尘性能的影响， 并以脂肪醇聚氧乙烯醚、聚丙烯酰胺和氯化钙制备了 一种喷雾用降尘剂；x u 等4 1 采用分子动力学模拟研 究了十二烷基硫酸钠和聚乙烯醇在空气／水界面的结 构。面向煤炭储运过程的防尘，z H 0 u 等副将海藻 酸钠与2 一丙烯酰胺一2 一甲基丙烯磺酸反应，得到的 中间体与丙烯酸接枝共聚，制备出具有较好成膜性和 黏结性的抑尘剂；L I 等钊以羧甲基纤维素钠为基体， 与聚乙烯醇和n 一乙烯基吡咯烷酮接枝共聚合成了一 种用于露天矿的结壳型抑尘剂；罗瑞冬等Ⅲ1 以大豆 分离蛋白为黏结剂，与十二烷基磺酸钠、羧甲基纤维 素钠、甲基硅酸钠等复配制备了一种可在煤堆表面形 成固化层的抑尘剂；杨树莹等副将高分子单体瓜尔 豆胶与表面活性剂曲拉通x 一1 0 0 复配，得到一种针 对褐煤粉尘的结壳型抑尘剂；D I N G 等【l 钊以羟乙基纤 万方数据 第2 别l i 和章等微生物发酵法合成生物抑令剂的试验研究 4 7 9 维素、丙烯酰胺和硬脂基丙烯酸甲酯为原料，采』f j 胶 束聚合法制备了一种可F 1 修复的凝胶抑尘剂。化学 抑 卜剂在煤矿粉尘治理f f f 发挥丫积极作用，但许多化 学抑尘剂存在表『可活性较低、有定的毒性、刺激性 和腐蚀性等问题，Ⅱ降解性差、环保性不足，制约其在 煤矿中的应用。较之化学抑尘剂，生物表面活性剂具 有天然的易降解性和高表面活性，町杜绝二次污染， 且r 叮实现严格意义卜的无毒无害丑。，是新一代抑尘 剂研发的发展方向，j 芬、皇B i o M i | 1 l e cF - ，v i m n m ㈣t 公 司开发了一种生物纳膜抑尘技术，即将水源、生物纳 膜抑尘剂‘j 气源经发生器制备产生的纳膜喷洒f 物 料表面，通过吸附和团聚微细固体颗粒，从而抑制粉 尘的产生和飞扬忙l 。该技术主要针对破碎、筛分和 运输过程的产尘，已在选矿厂、水泥厂、黄金矿山等场 所应用2 2 。4 ，对于矿井采煤、掘进过程的产尘小适 用。M A R Y A M ，w u 等忙卜1 1 采用微生物诱导碳酸钙 沉淀 M I C P 技术 利用脲酶分解尿素牛成C 0 ，、而后 在碱性溶液中与钙盐反应析出碳酸钙 制备脲酶型 生物抑尘剂，并分析r 其同结粉 企和抗风蚀能力；该 抑尘剂主要用于矿物表面固尘或预防土质路面扬尘， 对煤矿井下采掘产尘不适用。 微生物发酵具有安全性高，环境污染小，生产成 本低等优点。17 。，可实现目标产物的灭然环保性和无 毒无害性。因此，笔者提出利用微生物发酵合成生物 抑尘剂B D S 的思路，运用现代实验与测试分析技术 开展1 3 D S 合成试验、发酵工艺优化、结构探究和性能 试验，以期开拓煤矿绿色高效抑尘材料研发新局面。 1 试验方案 1 ．1B D S 合成试验 本文生物抑尘剂 牛物表面活性剂 B D s 合成试 验采门j 的工程细菌为枯草芽孢杆菌 购自北京北纳 创联生物技术研究院，编号B N C c ．1 8 9 9 8 3 ，通过对 枯草芽孢杆菌活化、筛选、培养得到发酵液，然后采用 酸化j C 淀一超声萃取一减压蒸发方法从发酵液中提 纯得到目标产物。合成过程中N B 培养基用于菌株 的活化，B A B 平板用于筛选高产菌株；L B 培养基作 为种子培养基，用于细菌的扩大培养；L a n c J y 培养基 则为细菌发酵合成生物抑尘剂提供营养物质，其原料 来自I 海国药集团。l m s 合成工艺流程如图l 所示。 } ，板恒温培养箱 。画 同崮 崮 酉 图ll { I S 合成工艺示意 } 1 i g ．1S ‘1 1 P n l a l i ‘ “a g r a n l J fB D S8 y 1 1 “1 P s i 8p H ‘P s s 1 菌株活化、筛选与培养。，甬‘先，将冷藏的枯基 ，在3 7 ℃的恒温培养箱中培养1 2 } 1 。待N A 平板 草芽孢杆菌解冻，J J l l 人N B 培养笨充分混合，充分混长出淡粉色菌落，接种至1 ．B 培养暴，在3 7 ℃、 匀，取菌悬液均匀涂布至N A 平板 N B 的固体培养 1 8 0r ／n i 1 1 水浴摇床r f l 扩大培养4 8h 。L B 种子液用 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 p H 7 ．O 的无菌氯化钠一蛋白胨缓冲液分级稀释一定 倍数后均匀涂布于血琼脂平板，在恒温培养箱中 3 7c c 条件下培养1 2h 。其次，因枯草芽孢杆菌的次 级代谢产物具有溶血特性，并且浓度越高，溶血能力 越强，在B A B 平板上形成的光圈相对面积越大，因此 可根据此特性筛选合成目标产物能力较强的菌株，将 筛选后的菌株作为母体转种至L B 培养基中，在水浴 摇床中3 7 ℃扩大培养4 8h ，转速为1 8 0r ／m i n 。最 后，取L B 培养基中溶液接种到L a n d y 培养基中，在水 浴摇床中发酵培养4 8h 。 2 提纯。发酵完成后，发酵液在4c c 温度条 件下恒温水浴3 0m i n ；水浴完成后，将发酵液置于 高速离心机，在相对离心力为8k g 的条件下离心 2 0m i n ；取上清液，用6m o L ／L 浓盐酸调节p H 至 2 ．O ；上清液酸化后，在4 ℃温度条件下静置，在相 对离心力为1 0k g 的条件下离心2 0m i n ，弃上清液； 沉淀用超净水重悬，调节p H 至2 ．0 再次酸洗；离心 后，收集沉淀，即为生物抑尘剂B D s 粗品。将B D S 粗品加入一定量的无水甲醇，经4 0k H z 超声波萃取 3 0m i n ，使其充分溶解于甲醇试剂；在相对离心力为 1 6k g 的条件下离心5m i n ，上清液在5 0 ℃真空为 0 ．5 的旋转蒸发仪中减压蒸发至干；蒸干物加超净 水，用1m o L ／LN a 0 H 调节p H 至1 2 ．0 ，用滤纸过滤； 滤液用6m o L ／L 浓盐酸调节p H 至2 ．0 ；在相对离心 力为1 0k g 的条件下离心2 0m i n ，收集沉淀并干燥。 沉淀干燥物即为B D S 纯品。 1 ．2 发酵条件优化试验 枯草芽孢杆菌是一种好氧型微生物，菌落中的部 分细菌可通过次级代谢生成B D s 。这一类代谢属于 交联复催化反应，受代谢酶控制。这些酶的活性受到 发酵条件的影响，包括环境温度、p H 值、溶氧量、微生 物数量等，不同的发酵条件对应不同的次级代谢强 度，从而调控B D S 的合成。因此，合理的发酵条件既 可以保证枯草芽孢杆菌稳定生长，也可以提高B D s 产量。本文采用B o x B e h n k e n 设计一响应面法 B B D R S M ，通过建立回归方程及绘制响应面图优 化发酵条件。响应面分析法 R e s p o n s eS u 血c eM e t h o d o l o g y ，R S M 是一种充分考虑了各因素交互作用对 目标物影响的一种实验方法，被广泛运用于多因素多 水平实验。发酵条件优化试验采用5 因素3 水平，每 个因素有3 个取值，高值对应编码为 1 ，低值对应编 码为一l ，中间编码为默认值0 。表1 中实验设置不同 的发酵条件，包括发酵液温度 ℃ 、发酵液p H 值、摇 床转速 r ／m i n 、接种量 体积分数，％ 、装液量 m L ，设定总发酵时间为7 2h ，利用D e s 培nE x p e n 软 件编码，得到测试所需编码4 6 组 表2 ，探究多因素 耦合下B D S 的产量与发酵条件的关系。 表1 实验水平编码 T a b l el E x p e r i l I l e n t a ll e v e Ic o d i n gt a b I e 1 ．3B D S 结构探究试验 采用s m a n L a b9k wx 射线衍射仪测试B D s 的 晶体特性，其扫描范围2 p 为o 。～9 0 。，旋转速度为 2 。 ／m i n 。采用N i c o l e tI s 5 0 傅里叶红外光谱 仪 T h e r m oF i s h e rS c i e n t i f i c 测试B D S 对不同波长红 外光的吸收程度，推测它可能含有的官能团结构；先 制备背景试样，将纯溴化钾放到压片磨具中压片，之 后装入样品池，扫描背景谱图，保存；然后在纯溴化钾 压片上滴加B D s 样品，再将制作K B r B D s 的样品放 在支架上，在40 0 0 ～4 0 0c m 。1 波长区域扫描样品，测 试B D s 对不同波长红外光的吸收能力，得到B D s 的 红外光谱图；最后分析测试样的红外光谱图。 1 ．4 B D S 性能试验 1 ．4 ．1 B D s 界面性能试验 先采用表面张力仪w J B 一2 0 0 0 A 测试不同质量浓 度、温度、酸碱度、N a C l 盐度 以下简称盐度 下B D S 的 表面张力，分析B D s 的界面性能和环境耐受性。先配 制等质量浓度梯度的B D s 溶液 质量浓度o ～4 0 m g ／L 、质量浓度梯度1m g ／L ，在2 5 ℃，p H 7 ．O 的无 盐环境下逐次测定每个质量浓度梯度溶液的表面张 力，根据质量浓度变化趋势来判断临界胶束浓度 C M C 。然后按照表3 所示的测试条件依次完成测试。 1 ．4 ．2 B D S 润湿性能试验 通过接触角测试和扫描电镜测试 S E M ，比较 生物抑尘剂B D S 与常用化学抑尘剂的润湿性能。聚 氧乙烯脂肪醇醚A E 0 具有良好的润湿性能一J 、表面 活性和稳定性，价格低廉，应用广泛心8 。29 | 。因此，本 文选择化学抑尘剂A E 0 作为比较对象 预备实验测 得其临界胶束质量浓度c M C 为5 0 0m g ／L 。接触角 测试采用法国T E C L I S 公司的界面流变仪r I ’r a c k e r 图 2 完成；先使用压片机在1 0M P a 下将煤尘 1g ， 20 0 0 目 进行压片制成煤尘样品；将样品溶液分别 吸入注射器中，采用角度法测量4m m 3 的液滴在煤 万方数据 第2 期和常等微生物发酵法合成生物抑，I 剂的试验研究 表2 发酵条件优化实验参数编码 T a b l e2 E n c o d i n gt a b l eO fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sf o rf e r m e n t a t i o nc o n d i t i o nt p t i m i z a t i o n ⋯， 警7 一一 篇篇≮麓蕊。 序号 繁7叫嚣冀罴篇翥。 ll00102 40 0l 2一l010 2 50 01l 3O0 O02 6Ol l00 4OO l2 7l 一l0 500 O02 8l0l0O 6ll 0 2 9O0一llO 7一ll 0O3 0l l0 800013 】O10lO 9O0 0 3 201l0O 1 00l0一l03 30一ll0O l 】00 O03 4Ol J 一】 1 211 0 3 50 001 3O00一ll3 600Ol 一1 1 4一lO0Ol3 7 一100 50 0 3 8OOl01 1 61O0一l03 90一ll00 1 7O 一lOl4 0O0 l1O 1 8Ol0一l04 ll 一lO0 1 90一l Ol4 2Ol0O一1 2 0ll O04 3l000一l 2 l0一l【l04 4 l0 2 2一lO 一14 500OOO 2 3l0004 60 一llO 表3不同条件下的表面张力测试 T a b l e3S u r f a c et e n s i o nt e s t su n d e rd i f f 色r e n tc o n d i t i o l l s 图2 界而流变仪 T I a t k “ F 瞬2 l f l l ‰i a lI ‘1 1 e o m e ㈤‘ T l a ’k 尘样，锚上形成的接触角。电镜扣描测试采用H 本H I T A C Ⅲ公司的扫描电镜R e g u l 。- s 8 1 0 0 完成，分别 观察清水、A F 、B D s 溶液作用下的煤体表而及孔隙 的形貌特征，对比不同溶液对煤体的润湿能力。 为r 直观考察B 1 s 在低浓度下的润湿能力，接 触角测试和S E M 电镜扫描测试中选择清水、 5 0 01 1 1 ∥I ．的A E O 和l ／5 临界胶束质量浓度的B D s 进行比较。 2 试验结果与分析 2 ．1 发酵条件优化及机理 将不同条件的试样在I m Ⅲl y 培养五下发酵4 8l ，， 万方数据 4 8 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 得到了每组发酵条件对应的B I S 产品产量y ，见表 4 ， 表4 各组试验条件下的产量y T a b l e4 R e s p o n s eV a l u e syf o re a c hg r o u pu n d e r e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s∥L ，弘号产量1 7序号产量r序寸产f l } r l1 ．1 91 71 ．3 73 3】．18 21 ．2 91 8 1 ．3 4 3 41 ．7 7 31 ．3 71 9O ．7 63 5O ．7 6 41 ．2 22 01 ．1 63 62 ． l 5 l3 7 2 1 1 ．2 23 7 1 ．3 4 61 ．3 32 21 ．6 43 8l 、1 9 71 ．0 92 31 ．2 23 91 ．18 81 ．3 72 41 ．1 64 01 ．2 6 91 ．3 62 5l3 l4 l1 ．2 8 1 01 ．9 02 6 11 54 21 ．8 l l l1 ．4 52 71 ．5 44 31 ．3 1 2I ．2 82 81 ．2 24 41 ．2 8 13 1 ．8 42 91 ．3 24 51 ．4 8 1 41 ．1 43 01 ．1 94 6J ．2 3 1 51 ．3 43 l0 ．7 9 1 6l2 73 21 ．3 4 将发酵液温度4 ℃ 、发酵液p H 值日、摇床转速 c r ／m i n 、接种连D 体积分数，％ 、装液量E m L 作为自变量，B D s 产品产量作为因变量，基于表4 中 结果，建立二次旧归模型，得到回归方程，如式 1 所 不 l ， 1 ．3 6 00 0 ．0 1 40 0 A 一0 ．2 0 00 B 0 ．0 0 34 C 一0 ．0 3 80 D 一0 ．1 8 00 E 0 ．0 9 10 ，l B 一 0 ．0 3 20 A C 一0 ．0 1 60 0 4 D 0 ．0 3 l0 4 E 0 ．0 4 90 B C 一0 ．1 2 00 B D 0 ．0 1 50 B E 0 ．0 1 60 C D 一0 ．0 0 9 4 C E 一0 ．1 6 00 D E 一 0 ．0 6 00 ，11 0 ．1 5 00 B 二一0 ．0 4 60 C 8 ．8 6 00 D 2 0 ．0 1 90 E 2 1 式中，，，为B D s 产品产量，g ／I 。。 由式 1 可预测得出B D S 的最大产畦为 1 ．9 9g ／L ，此时发酵条件为温度4 3 7 ．5 6 ℃、酸碱度 曰 7 ．9 9 、摇床转速c 2 2 0 ∥n l i n 、接种链D 2 ．1 7 ％、 装液量E 5 9 ．8 9m L ；在该条件下重复实验，得到目 标物产量为2 ．0 9g ／I 。，即预测值的误差为4 ．3 l ％。 而当温度A 3 2 ．1 6 ℃、酸碱度B 6 ．0 1 、摇床转速 c 1 6 21 ．／m i l l 、接种量D 1 ．1 7 ％、装液垃E 2 6 ．4 9m L 时，B D S 产品产量的预测值最低，仅为 0 ．4 3 ∥I 。；通过该条件下的重复实验，得到实际产} 连 为0 ．4 lg ／I ．，预测误差为4 ．6 5 ％。此外，在表4 中发 酵条件3 6 下，B D S 预测产品产量1 ．9 2 ∥L ，实际产量 2 ．0 1g ／L ，预测误差为4 ．4 8 ％。这表明所建模型的预 测误差较小。为了进一步检验预测模型的准确性，考 察了该模型的标准化外部残差正态分布以及标准化 外部残差分布，分别如图3 所示。 标准化外部残篾值 a 1 标准化外部残差I I 态分肴 3 ．7 1 20 9 - -● _ ●● 口 - 口口 口 0 ．．1 - - o ．。- - 一- _ - - ● ● ●- - ● -_ 3 ．7 1 20 9 1 ， 一 ● 竺 撂 爿 罚 口 7 6 ∞ 冈3B D s 产量预测模型规律性检验 F 畴3R 昭】l 撕t e x a m 油t i o n J { B D S m lp r 训 ‘l j I 1 1m 小 图3 a 图示的直线表示模型预测产量的标准化 外部残差累积正态分布线，而散点描述了实际产量的 标准化外部残差所处的累积正态分布位置。由图 3 a 可知，散点靠近正态分布线；图3 1 所示的实 际产量与预测产量的标准化外部残差在“0 线”附近 呈随机分布状态。这表明该预测模型与实际情况吻 合较好，进一步验证了模型的准确性。 由表4 和式 1 可知，不同发酵条件显著影响日 标物产量。事实上，发酵液温度、p H 值、摇床转速、接 4 2 O 2 4 ㈤ 布分正一差●d残靴帅产化2 测准，预标 O b 万方数据 第2 期t 和堂等微叫i 物发酵法合成，卜物抑牛剂的试验研究 4 8 3 种量、装液量对目标物产量影响的显著程度不同，并 目，这些因素之问也相互影响。因此，将上述变髓两两 组合，采用响应而分析法 R s M 设计，根据2 D 等高 线与3 D 相应曲面可得到各发酵凶素问相互影响的 程度及其对目标物产量影响的显著程度。其巾温