传统发酵技术的微生物，新锐特刊王和堂教授

圣人 2023-02-03 16:52:09 506

传统发酵技术的微生物，新锐特刊王和堂教授单位王和堂1，贺胜2 3，章琦1 2，赵侠1 2（2）揭示了发酵条件对生物抑尘剂合成产量的影响机制，初步建立了生物抑尘剂产量预测模型，获得了生物抑尘剂产量最大化的发酵工艺参数。（3）在实验室合成了一种高表面活性的生物抑尘剂，初步探究了它的微观结构，分析了温度、酸碱度、盐度等环境参数对其界面性能的影响规律，实验证明了其优异的界面性能、环境耐受性和低浓度下的强润湿性能。作者

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传统发酵技术的微生物，新锐特刊王和堂教授(1)

创

新点

（1）提出了微生物发酵法合成生物抑尘剂的思路与方法，有望为解决传统抑尘剂表面活性较低、成本高、难降解、环保性不足等问题提供新途径。

（2）揭示了发酵条件对生物抑尘剂合成产量的影响机制，初步建立了生物抑尘剂产量预测模型，获得了生物抑尘剂产量最大化的发酵工艺参数。

（3）在实验室合成了一种高表面活性的生物抑尘剂，初步探究了它的微观结构，分析了温度、酸碱度、盐度等环境参数对其界面性能的影响规律，实验证明了其优异的界面性能、环境耐受性和低浓度下的强润湿性能。

作者

王和堂¹，贺胜^{2 3}，章琦^{1 2}，赵侠^{1 2}

单位

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；2. 中国矿业大学安全工程学院；3. 清华大学工程物理系

研究背景

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。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、喷雾降尘、湿式除尘器等。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防尘效果不理想。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。

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BDS(Biological Dust Suppressant)的工艺并采用响应面分析法和Design Expert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BDS的晶体结构和官能团结构;采用表面张力仪测试BDS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BDS 的润湿性能并与化学抑尘剂AEO(Alcohol ethoxylate)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BDS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BDS;在温度A=37.56℃、酸碱度B=7.99、摇床转速C=220r/min、接种量D=2.17%、装液量E=59.89mL的发酵条件下 BDS产量最大达2.09g/ L;BDS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。

BDS的临界胶束质量浓度为30mg/L 较低的使用浓度即可将水的表面张力降至27mN/m以下在较大的环境参数变化范围内(温度≤7℃、酸碱度5~9、NaCl质量分数≤15%) 溶液表面张力仍保持在27~30mN/m;6mg/L(1/5临界胶束质量浓度)的BDS溶液与煤尘的接触角仅为11.19° 其润湿能力与500mg/ L( 临界胶束质量浓度) 的AEO溶液相比提高63.5% 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。

部分图片

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BDS合成工艺示意

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界面流变仪(Tracker)

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BDS产量预测模型规律性检验

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发酵条件对BDS产量影响的显著性(温度、pH)

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2种极端条件下的发酵特点

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BDS结构特性

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BDS环境耐受能力测试

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AEO与BDS润湿性能比较

作者简介

传统发酵技术的微生物，新锐特刊王和堂教授(10)

王和堂，男，1985年12月生，湖南耒阳人，中共党员。研究生学历，博士（后），中国矿业大学教授，博士生导师。中国科协青年人才托举工程入选者（2017），孙越崎青年科技奖获得者（2018），全国高校矿业石油及安全工程领域优秀青年科技人才（2020），江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师（2019）。现任矿山瓦斯粉尘灾害技术基础研究国家级专业中心实验室副主任。兼任《煤炭学报》《International Journal of CoalScience & Technology》科学编辑，《International Journal of Mining Science and Technology》青年编委，中国职业安全健康协会通风安全与健康专业委员会青年常委。

从事粉尘防治与职业健康、通风与防灭火、空气污染控制等领域的研究工作。主持国家自然科学基金2项，国家重点研发计划子课题1项，中国博士后科学基金2项；作为骨干参与国家自然科学基金重点项目2项。研究成果获省部级（全国性行业协会）科学技术一等奖3项、二等奖5项；发表学术论文80余篇，其中SCI收录54篇（第一/通讯作者36篇，JCR一区35篇），入选热点论文1篇、高被引论文6篇；出版专著1部；获国家授权发明专利22件。曾任澳大利亚科廷大学博士学位论文评审专家，国际期刊《Advances in Polymer Technology》客座主编。是《Journalof Hazardous Materials》等20余本国际重要期刊的审稿人。曾在国务院学位委员会安全科学与工程学科评议组领导下，作为主要执笔人之一编制了《职业安全与健康》研究生核心课程指南。

来源：

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 2021 46(2):477-488.

WANG Hetang HE Sheng ZHANG Qi et al. Experimental study on synthesis of biological dust suppressant by microbial fermentation[J]. Journal of China Coal Society 2021 46(2):477-488.

责任编辑：常明然

编辑整理：郭晓炜

审核：常琛

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