丝绸工业废水中丝胶蛋白质的回收技术

丝绸工业废水中丝胶蛋白质的回收技术
田亚峰,段亚峰,尉 霞
(西北纺织工学院,陕西西安710048)
摘要:从丝绸工业废水的特点和丝胶结构与性质出发,论述了从废水中提取丝胶蛋白质的方法,提出膜分离技术回收丝胶蛋白质的工艺流程与技术关键,以及丝胶粉的制备方法与性能。

关键词:丝绸;工业废水;丝胶;蛋白质;回收
中图分类号:TS149 文献标识码:B 文章编号:1001-7003(2001)07-0023-03
收稿日期:2001-03-21
作者简介:田亚峰,女,1970年生,工程师,丝绸工程专业在读研究生。

桑蚕茧丝是一种天然的蛋白质纤维,它主要由70%~80%的丝素,20%~30%的丝胶及少量蜡质和无机物等组成。

丝绸加工主要是在水介质中进行的,由蚕茧经过缫丝、织造、练染后整理加工,丝素被利用,而绝大部分丝胶则在煮茧与缫丝副产品加工、绢纺制绵、丝绸精练等工序中随生产废水被排放。

中国每年生产桑蚕生丝约6~8万t,就有2~3万t 的丝胶蛋白质随废水流失,资源流失率约25%。

因此,丝绸废水成为直接影响桑蚕丝绸产业生产成本的重要因素之一。

目前,丝绸企业不管是采用何种水处理方法,考虑的是丝绸废水的特点及处理后达标排放问题,尽管近几年对废水处理后又进行了回用,然而却对丝绸废水中所含的具有极大经济价值的丝胶蛋白质回收利用问题未予考虑。

丝绸工业废水处理研究的方向应该是:不仅保证生产废水经处理后能达标排放或循环使用,而且还要将丝绸废水中丝胶蛋白质分离出来,并开发出新型丝绸副产品,使其能够发挥应有的经济价值。

1 丝胶的性质与经济价值
丝胶由18种氨基酸组成,主要成分的丝氨酸、谷氨酸、天门冬氨酸、乙氨酸是球状蛋白质,易溶于水。

其主要用途:
(1)由于所含的18种氨基酸大多是人体所必需的,不仅具有良好的营养价值,而且还具有极大的药用价值。

因此用丝胶可直接制成各种食品、饮料
等。

丝胶对油脂类食品具抗氧化性能,是极有前途的食品营养添加剂和油脂类食品的天然抗氧化剂。

(2)丝胶由于具有美白、保湿、抗氧化功能,因此含丝胶的化妆品特别受人们关注,如以丝胶为主要添加剂的润肤霜、洁面乳、洗面奶、防晒霜等。

(3)丝胶可作为纺织品保健涂层整理材料、工业乳化剂、胶着剂。

(4)丝胶水解后可以制取氨基酸。

(5)丝胶可用以制造青霉素等抗菌素的培养基。

(6)丝胶蛋白质水解成混合氨基酸,用以制备氨基酸合铜,可作农作物种子的消毒用。

2 丝胶的结构与提取方法
2 1 丝胶蛋白质结构
近半个世纪来,国内外学者对丝胶的结构与性能进行了深入研究,发现丝胶蛋白质分子量为1 4~25 6万道尔顿,分子中含有两条肽链通过二硫键连接的结构。

丝胶蛋白质可分为四组:分子量约15 8万、17 9万的蛋白质分布在茧丝丝胶的外层;分子量约22 0万、25 7万的蛋白质分布在茧丝丝胶外中层;分子量约12 6万的蛋白质则在茧丝外中内层丝胶中均存在;分子量低于12 6万的10种蛋白质同为一组,分布在茧丝丝胶中内层。

丝胶蛋白质在水中基本上是由外及内逐步溶解,同时,碱可催化丝胶水解。

分子量较高的丝胶蛋白质在70 以上的热水中易水解,分子量下降严重,分子量较低的蛋白质(约13万以下者)相对稳定,且蛋白质水解肽片分子量约13万以下丝胶时,进一步水解的速度减慢。

丝胶蛋白质在废水中是以负离子形式存在的,
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丝 绸 2001年第7期
技术应用
分子量为1 4~13万,属于胶体粒子颗粒,其等电点pH为3 8~4 5,随温度、浓度的变化,丝胶蛋白液容易发生凝胶溶胶的变化。

温度下降到20 左右即会成为凝胶状,温度50~60 时,经过一段时间,会发生热变性。

2 2 丝胶提取方法
2 2 1 化学法
(1)化学混凝法:在丝胶蛋白质废水中加入絮凝剂如铝盐、铁盐等,破坏蛋白质胶体溶液的稳定,从而使蛋白沉淀得以分离。

(2)酸析法:在丝胶蛋白质废水中,加入HCl 或稀H2SO4使pH值为3 8~4 5,在等电点条件下使丝胶蛋白质沉淀分离。

(3)有机溶液沉淀法:用酒精或丙酮沉淀蛋白质,利用它们的吸水性来破坏蛋白质胶粒的水化层而使蛋白质沉淀。

此法适用于浓缩后的丝胶溶液。

2 2 2 物理法
(1)离心法:由于丝胶蛋白液属于胶体溶液,根据废水中各成分比重不同,经高速离心机作用后,把胶体层与水层分开以达到分离的目的。

(2)膜分离法:丝胶蛋白质由于分子大,几乎不能穿过半透膜,而小分子和离子,则能穿过半透膜。

因此实验室中常利用这一特性来提纯蛋白质,工业上可用膜分离组件来扩大分离能力。

分析以上各方法可知,工业上用化学方法分离丝胶蛋白质,提取率低,一般为45%~55%,投资大,操作麻烦。

而且化学混凝法还由于得到的丝胶蛋白质中残留化学试剂,从而影响蛋白质的利用价值。

如用FeSO4作为混凝剂,得到蛋白质和铁的复合产物,它可作为一种铁肥用于农作物施肥,但附加值低。

酸析法在工业处理设备及其过滤用给排水管道方面有较高要求,应采用耐腐蚀的材料,所得丝胶蛋白质含有HCl或NaCl,用做食品时无妨碍,用于医药却受到限制。

而用有机溶液沉淀蛋白质时,如酒精接触时间稍久,会使蛋白质发生变性,且有机溶液本身易燃,易挥发而不易保存,使用不便。

离心分离法操作麻烦,运行费用高,而且要得到比较纯净的丝胶蛋白质必须进行多级离心分离。

膜分离法所得丝胶蛋白质较纯净,且操作方便,膜分离技术被广泛应用于工业上物质的分离、提纯及浓缩。

3 膜分离技术的特点及其在丝胶蛋白质回收中的应用
3 1 膜分离技术的特点
膜的种类有型膜和液膜,型膜又分为有机膜和无机膜。

膜分离技术是一门新兴的发展迅速的高新技术。

型膜分离的基本机理是膜孔选择性筛分作用。

膜过滤根据膜孔尺寸和天然水中微粒的尺寸可以分为4种,由所截留颗粒大小划分为微滤(0 1~ 10 m),超滤(0 01~0 1 m),纳滤(0 001~ 0 01 m,介于反渗透和超滤之间),反渗透(< 0 001 m)。

反渗透膜可以除去水中各种离子,主要应用于电厂锅炉水处理、海水淡化、饮用水、超纯水制备、废水净化等。

超滤膜主要应用于工业废水处理、生物制品浓缩分离、饮用水制备、食品工业、制药工业等。

微滤膜主要应用于生物制品、医药卫生、超纯水制备、饮料等饮用水的过滤等。

纳滤用于工业废水处理等。

膜分离技术发展很快,随着新的膜材料的研制及应用,膜技术又有新的发展,应用范围不断扩大,尤其是超滤膜,应用于工业废水中的物质回收与再利用,由于回收成分无污染、纯度高,回收率高,因而发挥着其独特的优势。

3 2 膜分离技术回收丝胶蛋白质
丝绸废水主要由缫丝厂副产品加工车间、绢纺厂精练车间、丝绸印染厂精练车间产生,因其排放量相对小,从中的有机物含量多,无机物含量少的这一特点,废水中丝胶蛋白质宜在主排污车间排污口收集,预处理过滤后再经过膜分离组件(超滤器)分离,然后将废水回用或进入下一级(如活性污泥法)处理,最后,将所得丝胶蛋白质进一步浓缩,用95%的酒精处理过滤后干燥。

3 2 1 工艺流程
废水 初滤 集水池 泵 超滤器 排放或回用
丝胶蛋白液 95%酒精浓缩 过滤 干燥 丝胶粉
3 2 2 几项技术参数
(1)膜的选择
由于丝胶蛋白质在废水中的分子量为1 4~13万,因此,宜选择分子量大于1万的超滤膜将废水中丝胶蛋白质与水分子有机物和无机物碱剂等分离。

(2)膜的透过率
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技术应用 丝 绸 2001年第7期
膜材料选择混合膜或高强抗污染的膜,使水的透过率与蛋白质的截留效果都比较好。

如PS1(截留分子量1万),截流率98 3%,但透水速度低(6 8L/h m2),经过与SPS共混,截流率虽下降到92%,但透水速度提高(17 7L/h m2)。

(3)膜污染与膜清洗
造成膜污染主要是丝胶蛋白质及少量脂肪,所以除需反冲洗来清除膜表面蛋白质外,还应用碱性溶液(如0 1NaOH、0 5NaClO等)浸泡、冲洗。

由于丝胶废水中的COD c r值比较大,有时高达35000mg/L,可根据其水质,在膜分离组件前对丝胶废水进行预处理。

如酸析法,在溶液中加入HCl,在pH3 8~4 5时使丝胶蛋白质沉淀,COD cr去除率约45%~55%,以减少膜分离器的有机物负荷,缓解膜污染。

用酸析法所使用设备必须耐腐蚀。

4 丝胶粉的制备与性能
经超滤所得丝胶蛋白液还会有少量杂质,需进一步提纯。

工艺流程为:丝胶蛋白液 浓缩 95%酒精处理 抽滤 干燥 丝胶粉。

这样从废水中分离制得的丝胶粉是易溶于水的,其氨基酸组成中极性氨基酸含量占氨基酸总量的70%以上,因此在冷水中有良好的溶解性。

而且易溶性丝胶粉中,颗粒形态呈球状,绝大部分颗粒直径为5~10 m,最大不超过20 m(而难溶性固体粉末丝胶颗粒直径为30 m)。

这种易溶性丝胶粉,给应用带来极大的方便。

5 结语
综上所述,丝绸工业废水处理是我国传统优势产业中迫切需要解决的技术问题,同时也是茧丝绸生产挖潜与产业改造升级的重要途径之一,其理论研究与技术应用具有重大的学术意义与经济价值。

目前的研究与实践已取得显著成绩,但这仅仅是个开端,艰巨的任务和明朗的前景在等待着学术界和产业界的联手合作与共同努力。

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(上接第19页)
6 主要性能指标
本系统主要性能指标如下。

(1)传感器路数有四种选择(1、2、3和4路)。

(2)温度测量范围0~105 ,精确度0 5 。

(3)系统热响应时间为1 5s。

(4)单工数据分时发送,载频315MHz,作用距离25m。

(5)数据传送密度160位/s。

(6)系统误码率接近于零。

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