微生物發(fā)酵法合成生物抑塵劑的試驗(yàn)研究

王和堂，賀 勝，章 琦，趙 俠

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦山瓦斯粉塵災(zāi)害技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.清華大學(xué) 工程物理系,北京 100084)

煤礦粉塵是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體微細(xì)顆粒的總稱，其主要危害可歸結(jié)為對(duì)健康、安全、環(huán)境3個(gè)方面的負(fù)面影響[1-2]。① 常導(dǎo)致塵肺病等職業(yè)病，嚴(yán)重?fù)p害煤礦工人的健康;② 可發(fā)生煤塵爆炸，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn);③ 污染礦內(nèi)和礦區(qū)周邊環(huán)境，制約美麗礦山和礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)。因此，粉塵防治是煤炭工業(yè)安全、健康、綠色發(fā)展的重大需求。為了防治煤礦粉塵危害，國(guó)內(nèi)外開展了大量研究，研發(fā)了多種防塵技術(shù)，其中濕式防塵是最常用的技術(shù)手段[2-3]，即以水或水溶液作為潤(rùn)濕、黏結(jié)或凝并粉塵的介質(zhì)，如煤層注水[4]、噴霧降塵[5]、濕式除塵器[6]等。但由于煤塵具有較強(qiáng)的憎水性、水的表面張力較大，導(dǎo)致清水介質(zhì)難以與煤塵有效結(jié)合[7]，防塵效果不理想[8]。抑塵劑(降塵劑)可以改善水對(duì)煤塵的親和性，增強(qiáng)水介質(zhì)對(duì)煤塵的潤(rùn)濕、黏結(jié)或凝并能力，提高降塵效率，因此成為粉塵防治領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

過(guò)去對(duì)礦山抑塵劑的研究主要集中在化學(xué)抑塵劑。面向煤炭開采中的防塵，ZHANG等[9]采用化學(xué)改性的方法，通過(guò)天然高分子瓜爾膠與環(huán)氧丙烷的親核取代反應(yīng)合成了羥丙基瓜爾膠，制備了一種噴霧用抑塵劑;JIN等[10]通過(guò)研究脂肪醇酰胺、烷基季銨鹽等表面活性劑復(fù)配體系的表面張力及與煤的接觸角，得出了一種煤層注水用抑塵劑配方;孫鑫等[11]通過(guò)復(fù)合快速滲透劑和兩性表面活性劑制備抑塵劑，并在溶液中加入適量二價(jià)金屬陽(yáng)離子提升潤(rùn)濕性能;蔣仲安和王偉[12]研究了將氯化鈉、十二烷基苯磺酸鈉、硫酸銅和氯化銨作為降塵劑添加至水袋中，可以降低爆破時(shí)的煙塵濃度;YANG等[13]采用單因素分析法研究潤(rùn)濕劑、凝聚劑和吸濕無(wú)機(jī)鹽對(duì)降塵性能的影響，并以脂肪醇聚氧乙烯醚、聚丙烯酰胺和氯化鈣制備了一種噴霧用降塵劑;XU等[14]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了十二烷基硫酸鈉和聚乙烯醇在空氣/水界面的結(jié)構(gòu)。面向煤炭?jī)?chǔ)運(yùn)過(guò)程的防塵，ZHOU等[15]將海藻酸鈉與2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯磺酸反應(yīng)，得到的中間體與丙烯酸接枝共聚，制備出具有較好成膜性和黏結(jié)性的抑塵劑;LI等[16]以羧甲基纖維素鈉為基體，與聚乙烯醇和n-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚合成了一種用于露天礦的結(jié)殼型抑塵劑;羅瑞冬等[17]以大豆分離蛋白為黏結(jié)劑，與十二烷基磺酸鈉、羧甲基纖維素鈉、甲基硅酸鈉等復(fù)配制備了一種可在煤堆表面形成固化層的抑塵劑;楊樹瑩等[18]將高分子單體瓜爾豆膠與表面活性劑曲拉通X-100復(fù)配，得到一種針對(duì)褐煤粉塵的結(jié)殼型抑塵劑;DING等[19]以羥乙基纖維素、丙烯酰胺和硬脂基丙烯酸甲酯為原料，采用膠束聚合法制備了一種可自修復(fù)的凝膠抑塵劑。化學(xué)抑塵劑在煤礦粉塵治理中發(fā)揮了積極作用，但許多化學(xué)抑塵劑存在表面活性較低、有一定的毒性、刺激性和腐蝕性等問(wèn)題，且降解性差、環(huán)保性不足，制約其在煤礦中的應(yīng)用。較之化學(xué)抑塵劑，生物表面活性劑具有天然的易降解性和高表面活性，可杜絕二次污染，且可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的無(wú)毒無(wú)害[20]，是新一代抑塵劑研發(fā)的發(fā)展方向。芬蘭BioMintec Environment公司開發(fā)了一種生物納膜抑塵技術(shù)，即將水源、生物納膜抑塵劑與氣源經(jīng)發(fā)生器制備產(chǎn)生的納膜噴灑于物料表面，通過(guò)吸附和團(tuán)聚微細(xì)固體顆粒，從而抑制粉塵的產(chǎn)生和飛揚(yáng)[21]。該技術(shù)主要針對(duì)破碎、篩分和運(yùn)輸過(guò)程的產(chǎn)塵，已在選礦廠、水泥廠、黃金礦山等場(chǎng)所應(yīng)用[22-24]，對(duì)于礦井采煤、掘進(jìn)過(guò)程的產(chǎn)塵不適用。MARYAM,WU等[25-26]采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)技術(shù)(利用脲酶分解尿素生成CO2、而后在堿性溶液中與鈣鹽反應(yīng)析出碳酸鈣)制備脲酶型生物抑塵劑，并分析了其固結(jié)粉塵和抗風(fēng)蝕能力;該抑塵劑主要用于礦物表面固塵或預(yù)防土質(zhì)路面揚(yáng)塵，對(duì)煤礦井下采掘產(chǎn)塵不適用。

微生物發(fā)酵具有安全性高，環(huán)境污染小，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[27]，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的天然環(huán)保性和無(wú)毒無(wú)害性。因此，筆者提出利用微生物發(fā)酵合成生物抑塵劑BDS的思路，運(yùn)用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)與測(cè)試分析技術(shù)開展BDS合成試驗(yàn)、發(fā)酵工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)探究和性能試驗(yàn)，以期開拓煤礦綠色高效抑塵材料研發(fā)新局面。

1 試驗(yàn)方案

1.1 BDS合成試驗(yàn)

本文生物抑塵劑(生物表面活性劑)BDS合成試驗(yàn)采用的工程細(xì)菌為枯草芽孢桿菌(購(gòu)自北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院，編號(hào)BNCC.189983)，通過(guò)對(duì)枯草芽孢桿菌活化、篩選、培養(yǎng)得到發(fā)酵液，然后采用酸化沉淀→超聲萃取→減壓蒸發(fā)方法從發(fā)酵液中提純得到目標(biāo)產(chǎn)物。合成過(guò)程中NB培養(yǎng)基用于菌株的活化，BAB平板用于篩選高產(chǎn)菌株;LB培養(yǎng)基作為種子培養(yǎng)基，用于細(xì)菌的擴(kuò)大培養(yǎng);Landy培養(yǎng)基則為細(xì)菌發(fā)酵合成生物抑塵劑提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其原料來(lái)自上海國(guó)藥集團(tuán)。BDS合成工藝流程如圖1所示。

圖1 BDS合成工藝示意Fig.1 Schematic diagram of BDS synthesis process

(1)菌株活化、篩選與培養(yǎng)。首先，將冷藏的枯草芽孢桿菌解凍，加入NB培養(yǎng)基充分混合，充分混勻，取菌懸液均勻涂布至NA平板(NB的固體培養(yǎng)基)，在37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h。待NA平板長(zhǎng)出淡粉色菌落，接種至LB培養(yǎng)基，在37 ℃、180 r/min水浴搖床中擴(kuò)大培養(yǎng)48 h。LB種子液用pH=7.0的無(wú)菌氯化鈉-蛋白胨緩沖液分級(jí)稀釋一定倍數(shù)后均勻涂布于血瓊脂平板，在恒溫培養(yǎng)箱中37 ℃條件下培養(yǎng)12 h。其次，因枯草芽孢桿菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物具有溶血特性，并且濃度越高，溶血能力越強(qiáng)，在BAB平板上形成的光圈相對(duì)面積越大，因此可根據(jù)此特性篩選合成目標(biāo)產(chǎn)物能力較強(qiáng)的菌株，將篩選后的菌株作為母體轉(zhuǎn)種至LB培養(yǎng)基中，在水浴搖床中37 ℃擴(kuò)大培養(yǎng)48 h，轉(zhuǎn)速為180 r/min。最后，取LB培養(yǎng)基中溶液接種到Landy培養(yǎng)基中，在水浴搖床中發(fā)酵培養(yǎng)48 h。

(2)提純。發(fā)酵完成后，發(fā)酵液在4 ℃溫度條件下恒溫水浴30 min;水浴完成后，將發(fā)酵液置于高速離心機(jī)，在相對(duì)離心力為8 kg的條件下離心20 min;取上清液，用6 mol/L濃鹽酸調(diào)節(jié)pH至2.0;上清液酸化后，在4 ℃溫度條件下靜置，在相對(duì)離心力為10 kg的條件下離心20 min，棄上清液;沉淀用超凈水重懸，調(diào)節(jié)pH至2.0再次酸洗;離心后，收集沉淀，即為生物抑塵劑BDS粗品。將BDS粗品加入一定量的無(wú)水甲醇，經(jīng)40 kHz超聲波萃取30 min，使其充分溶解于甲醇試劑;在相對(duì)離心力為16 kg的條件下離心5 min，上清液在50 ℃真空為0.5的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中減壓蒸發(fā)至干;蒸干物加超凈水，用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH至12.0，用濾紙過(guò)濾;濾液用6 mol/L濃鹽酸調(diào)節(jié)pH至2.0;在相對(duì)離心力為10 kg的條件下離心20 min，收集沉淀并干燥。沉淀干燥物即為BDS純品。

1.2 發(fā)酵條件優(yōu)化試驗(yàn)

枯草芽孢桿菌是一種好氧型微生物，菌落中的部分細(xì)菌可通過(guò)次級(jí)代謝生成BDS。這一類代謝屬于交聯(lián)復(fù)催化反應(yīng)，受代謝酶控制。這些酶的活性受到發(fā)酵條件的影響，包括環(huán)境溫度、pH值、溶氧量、微生物數(shù)量等，不同的發(fā)酵條件對(duì)應(yīng)不同的次級(jí)代謝強(qiáng)度，從而調(diào)控BDS的合成。因此，合理的發(fā)酵條件既可以保證枯草芽孢桿菌穩(wěn)定生長(zhǎng)，也可以提高BDS產(chǎn)量。本文采用Box-Behnken設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法(BBD-RSM)，通過(guò)建立回歸方程及繪制響應(yīng)面圖優(yōu)化發(fā)酵條件。響應(yīng)面分析法(Response Surface Methodology，RSM)是一種充分考慮了各因素交互作用對(duì)目標(biāo)物影響的一種實(shí)驗(yàn)方法，被廣泛運(yùn)用于多因素多水平實(shí)驗(yàn)。發(fā)酵條件優(yōu)化試驗(yàn)采用5因素3水平，每個(gè)因素有3個(gè)取值，高值對(duì)應(yīng)編碼為+1，低值對(duì)應(yīng)編碼為-1，中間編碼為默認(rèn)值0。表1中實(shí)驗(yàn)設(shè)置不同的發(fā)酵條件，包括發(fā)酵液溫度(℃)、發(fā)酵液pH值、搖床轉(zhuǎn)速(r/min)、接種量(體積分?jǐn)?shù)，%)、裝液量(mL)，設(shè)定總發(fā)酵時(shí)間為72 h，利用Design Expert軟件編碼，得到測(cè)試所需編碼46組(表2)，探究多因素耦合下BDS的產(chǎn)量與發(fā)酵條件的關(guān)系。

表1 實(shí)驗(yàn)水平編碼Table 1 Experimental level coding table

1.3 BDS結(jié)構(gòu)探究試驗(yàn)

采用SmartLab 9 kW X射線衍射儀測(cè)試BDS的晶體特性，其掃描范圍2θ為0°～90°，旋轉(zhuǎn)速度為2(°)/min。采用Nicolet IS50傅里葉紅外光譜儀(Thermo Fisher Scientific)測(cè)試BDS對(duì)不同波長(zhǎng)紅外光的吸收程度，推測(cè)它可能含有的官能團(tuán)結(jié)構(gòu);先制備背景試樣，將純溴化鉀放到壓片磨具中壓片，之后裝入樣品池，掃描背景譜圖，保存;然后在純溴化鉀壓片上滴加BDS樣品,再將制作KBr-BDS的樣品放在支架上，在4 000～400 cm-1波長(zhǎng)區(qū)域掃描樣品，測(cè)試BDS對(duì)不同波長(zhǎng)紅外光的吸收能力，得到BDS的紅外光譜圖;最后分析測(cè)試樣的紅外光譜圖。

1.4 BDS性能試驗(yàn)

1.4.1BDS界面性能試驗(yàn)

先采用表面張力儀WJB-2000A測(cè)試不同質(zhì)量濃度、溫度、酸堿度、NaCl鹽度(以下簡(jiǎn)稱鹽度)下BDS的表面張力，分析BDS的界面性能和環(huán)境耐受性。先配制等質(zhì)量濃度梯度的BDS溶液(質(zhì)量濃度0～40 mg/L、質(zhì)量濃度梯度1 mg/L)，在25 ℃,pH=7.0的無(wú)鹽環(huán)境下逐次測(cè)定每個(gè)質(zhì)量濃度梯度溶液的表面張力，根據(jù)質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)來(lái)判斷臨界膠束濃度CMC。然后按照表3所示的測(cè)試條件依次完成測(cè)試。

1.4.2BDS潤(rùn)濕性能試驗(yàn)

通過(guò)接觸角測(cè)試和掃描電鏡測(cè)試(SEM)，比較生物抑塵劑BDS與常用化學(xué)抑塵劑的潤(rùn)濕性能。聚氧乙烯脂肪醇醚AEO具有良好的潤(rùn)濕性能[9]、表面活性和穩(wěn)定性，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛[28-29]。因此，本文選擇化學(xué)抑塵劑AEO作為比較對(duì)象(預(yù)備實(shí)驗(yàn)測(cè)得其臨界膠束質(zhì)量濃度CMC為500 mg/L)。接觸角測(cè)試采用法國(guó)TECLIS公司的界面流變儀Tracker(圖2)完成;先使用壓片機(jī)在10 MPa下將煤塵(1 g，2 000目)進(jìn)行壓片制成煤塵樣品;將樣品溶液分別吸入注射器中，采用角度法測(cè)量4 mm3的液滴在煤塵樣品上形成的接觸角。電鏡掃描測(cè)試采用日本HITACHI公司的掃描電鏡Regulus8100完成，分別觀察清水、AEO、BDS溶液作用下的煤體表面及孔隙的形貌特征，對(duì)比不同溶液對(duì)煤體的潤(rùn)濕能力。

表2 發(fā)酵條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)編碼Table 2 Encoding table of experimental parameters for fermentation condition optimization

為了直觀考察BDS在低濃度下的潤(rùn)濕能力，接觸角測(cè)試和SEM電鏡掃描測(cè)試中選擇清水、500 mg/L的AEO和1/5臨界膠束質(zhì)量濃度的BDS進(jìn)行比較。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵條件優(yōu)化及機(jī)理

將不同條件的試樣在Landy培養(yǎng)基下發(fā)酵48 h，得到了每組發(fā)酵條件對(duì)應(yīng)的BDS產(chǎn)品產(chǎn)量Y，見(jiàn)表4。

表4 各組試驗(yàn)條件下的產(chǎn)量YTable 4 Response values Y for each group under experimental conditions g/L

將發(fā)酵液溫度A(℃)、發(fā)酵液pH值B、搖床轉(zhuǎn)速C(r/min)、接種量D(體積分?jǐn)?shù)，%)、裝液量E(mL)作為自變量，BDS產(chǎn)品產(chǎn)量作為因變量，基于表4中結(jié)果，建立二次回歸模型，得到回歸方程，如式(1)所示：

Y=1.360 0+0.014 00A-0.200 0B+

0.003 4C-0.038 0D-0.180 0E+0.091 0AB-

0.032 0AC-0.016 00AD+0.031 0AE+

0.049 0BC-0.120 0BD+0.015 0BE+

0.016 0CD-0.009 4CE-0.160 0DE-

0.060 0A2-0.150 0B2-0.046 0C2+

8.860 0D2-0.019 0E2

(1)

式中，Y為BDS產(chǎn)品產(chǎn)量，g/L。

由式(1)可預(yù)測(cè)得出BDS的最大產(chǎn)量為1.99 g/L，此時(shí)發(fā)酵條件為溫度A=37.56 ℃、酸堿度B=7.99、搖床轉(zhuǎn)速C=220 r/min、接種量D=2.17%、裝液量E=59.89 mL;在該條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到目標(biāo)物產(chǎn)量為2.09 g/L，即預(yù)測(cè)值的誤差為4.31%。而當(dāng)溫度A=32.16 ℃、酸堿度B=6.01、搖床轉(zhuǎn)速C=162 r/min、接種量D=1.17%、裝液量E=26.49 mL時(shí)，BDS產(chǎn)品產(chǎn)量的預(yù)測(cè)值最低，僅為0.43 g/L;通過(guò)該條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)際產(chǎn)量為0.41 g/L，預(yù)測(cè)誤差為4.65%。此外，在表4中發(fā)酵條件36下，BDS預(yù)測(cè)產(chǎn)品產(chǎn)量1.92 g/L，實(shí)際產(chǎn)量2.01 g/L，預(yù)測(cè)誤差為4.48%。這表明所建模型的預(yù)測(cè)誤差較小。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，考察了該模型的標(biāo)準(zhǔn)化外部殘差正態(tài)分布以及標(biāo)準(zhǔn)化外部殘差分布，分別如圖3所示。

圖3 BDS產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型規(guī)律性檢驗(yàn)Fig.3 Regularity examination of BDS yield prediction model

圖3(a)圖示的直線表示模型預(yù)測(cè)產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)化外部殘差累積正態(tài)分布線，而散點(diǎn)描述了實(shí)際產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)化外部殘差所處的累積正態(tài)分布位置。由圖3(a)可知，散點(diǎn)靠近正態(tài)分布線;圖3(b)所示的實(shí)際產(chǎn)量與預(yù)測(cè)產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)化外部殘差在“0線”附近呈隨機(jī)分布狀態(tài)。這表明該預(yù)測(cè)模型與實(shí)際情況吻合較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

由表4和式(1)可知，不同發(fā)酵條件顯著影響目標(biāo)物產(chǎn)量。事實(shí)上，發(fā)酵液溫度、pH值、搖床轉(zhuǎn)速、接種量、裝液量對(duì)目標(biāo)物產(chǎn)量影響的顯著程度不同，并且這些因素之間也相互影響。因此，將上述變量?jī)蓛山M合，采用響應(yīng)面分析法(RSM)設(shè)計(jì)，根據(jù)2D等高線與3D相應(yīng)曲面可得到各發(fā)酵因素間相互影響的程度及其對(duì)目標(biāo)物產(chǎn)量影響的顯著程度。其中溫度與pH值的影響最為顯著，如圖4所示。

為了進(jìn)一步探究發(fā)酵液溫度和酸堿度對(duì)目標(biāo)物產(chǎn)量的影響，選擇目標(biāo)物產(chǎn)量最高的試驗(yàn)組所對(duì)應(yīng)的溫度A=37.56 ℃、酸堿度B=7.99作為極優(yōu)發(fā)酵條件，目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量最低的試驗(yàn)組對(duì)應(yīng)的溫度A=32.16 ℃、酸堿度B=6.01作為極差發(fā)酵條件，其余條件保持一致，均為目標(biāo)物質(zhì)量濃度最高的試驗(yàn)組所對(duì)應(yīng)的搖床轉(zhuǎn)速C=220 r/min、接種量D=2.17%、裝液量E=59.89 mL，發(fā)酵72 h，每隔3 h測(cè)定發(fā)酵液中生物量(菌濃度)OD600值和BDS產(chǎn)量，結(jié)果分別如圖5所示。

由圖5(a)可看出，在2種極端條件下的生物總量大致接近，表明在本試驗(yàn)涉及極端溫度和酸堿度的發(fā)酵環(huán)境下，細(xì)菌自身的生長(zhǎng)受環(huán)境的影響程度不顯著。而圖5(b)證明在極端溫度和酸堿度的發(fā)酵環(huán)境下，枯草芽孢桿菌發(fā)酵合成BDS的能力存在顯著差別。并且由圖4可知，溫度和酸堿度相互之間會(huì)產(chǎn)生顯著影響。原因在于發(fā)酵產(chǎn)BDS的次級(jí)代謝過(guò)程同時(shí)受到A，B兩種調(diào)節(jié)控制，如圖5所示。2種調(diào)節(jié)的初始條件都由生物生長(zhǎng)信號(hào)comA所激發(fā)，A調(diào)節(jié)促進(jìn)目標(biāo)物生產(chǎn)，B調(diào)節(jié)抑制目標(biāo)物生產(chǎn)。這兩個(gè)調(diào)節(jié)分別受蛋白酶ProX與ProY的影響。溫度直接影響A調(diào)節(jié)，適宜溫度下ProX酶活性遠(yuǎn)高于ProY，從而A調(diào)節(jié)相對(duì)于B調(diào)節(jié)明顯占優(yōu)，但溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)會(huì)導(dǎo)致ProX酶失去作用，難以產(chǎn)生BDS;酸堿度直接影響B(tài)調(diào)節(jié)，當(dāng)酸堿度高于或低于平衡值時(shí)，為維持膜電荷平衡，K+→KC反應(yīng)加劇，促進(jìn)SPA→SPA～P反應(yīng)，為ProY促進(jìn)SrfC的表達(dá)供能，從而促進(jìn)B調(diào)節(jié)，間接抑制了A調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致BDS產(chǎn)量下降。若酸堿度大幅偏離平衡值，酶ProX失去作用，也無(wú)法產(chǎn)生BDS。

圖4 發(fā)酵條件對(duì)BDS產(chǎn)量影響的顯著性(溫度、pH)Fig.4 Effect of fermentation conditions on BDS yield (temperature and pH)

圖5 2種極端條件下的發(fā)酵特點(diǎn)Fig.5 Fermentation characteristics under two extreme conditions

因此，溫度和酸堿度不僅自身顯著影響目標(biāo)物產(chǎn)量，而且由于溫度直接控制A調(diào)節(jié)，酸堿度直接控制B調(diào)節(jié)，二者相互關(guān)聯(lián)，最終導(dǎo)致了溫度和酸堿度在共同影響目標(biāo)物產(chǎn)量方面有著顯著的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)對(duì)實(shí)踐中合理調(diào)節(jié)發(fā)酵參數(shù)從而提高目標(biāo)物產(chǎn)量有著重要意義。

2.2 BDS微觀結(jié)構(gòu)初探

采用X射線衍射儀測(cè)試得到了BDS在不同角度X射線下的衍射特性，如圖6(a)所示。從圖6(a)不難看出BDS的X射線譜圖呈現(xiàn)單一彌散峰的狀態(tài)，不具備絕大多數(shù)晶體的X射線衍射特性。并且X射線峰的峰寬較大，呈峰包形態(tài)，表明BDS結(jié)晶程度極差。彌散峰出現(xiàn)位置在2θ=19.18°附近，峰值為8 173 s-1，這是由氧化物形成的X射線峰。由此可推斷BDS的物相形態(tài)為一種非晶體有機(jī)物。

圖6 BDS結(jié)構(gòu)特性Fig.6 Structural characteristics of BDS

2.3 BDS的界面性能

生物抑塵劑在煤礦的應(yīng)用中會(huì)面臨溫度、酸堿度或鹽度等環(huán)境參數(shù)波動(dòng)變化帶來(lái)的挑戰(zhàn)。因此，有必要考察分析BDS在復(fù)雜環(huán)境下是否具備良好的界面性能。下面以BDS在溫和環(huán)境(A=25 ℃,pH=7.0,NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)時(shí)的表面張力作為對(duì)照，討論BDS溶液的表面張力隨溫度、酸堿度或鹽度的變化關(guān)系。

如圖7(a)為溫和環(huán)境下BDS溶液表面張力隨質(zhì)量濃度的變化關(guān)系。圖7(a)顯示在該環(huán)境條件下，隨著質(zhì)量濃度的升高，溶液表面活性分子數(shù)目逐漸增加，表面張力逐漸降低，使得液相分子容易在疏水介質(zhì)(如煤塵)表面鋪展，從而增強(qiáng)潤(rùn)濕能力。當(dāng)BDS質(zhì)量濃度超過(guò)30 mg/L時(shí)，溶液表面活性劑分子吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，表面張力降至26.94 mN/m，即為BDS的臨界膠束質(zhì)量濃度CMC，當(dāng)質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時(shí)，表面張力基本不變;雖然BDS分子在溶液表面排列“雜亂無(wú)章”，但相同質(zhì)量濃度溶液在不同位置測(cè)得的表面張力相同，這表明BDS的界面性質(zhì)具有各向同性的特點(diǎn)，即不隨方向而改變。由2.2節(jié)中分析可知，BDS的疏水基團(tuán)為長(zhǎng)烷鏈或其同系物，親水基團(tuán)為多肽酯環(huán)，含—CO—NH—,—COOH和—COOR—等親水結(jié)構(gòu);長(zhǎng)烷鏈BDS向溶液表面快速吸附的動(dòng)力，拉拽大分子多肽環(huán)狀結(jié)構(gòu)在溶液表面充分鋪展，使單個(gè)分子在溶液表面具有較大面積。因此，這一吸附過(guò)程具有單位面積吸附能量少的特點(diǎn)，其物理表現(xiàn)為如圖7(a)所示的低表面張力。

圖7 BDS環(huán)境耐受能力測(cè)試Fig.7 Test of environmental tolerance for BDS

為探究BDS對(duì)溫度、酸堿度和鹽度的環(huán)境耐受能力，選擇質(zhì)量濃度為CMC±5 mg/L，即25，30和35 mg/L溶液分別在溫度為5～100 ℃，pH值為0～14，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～40%的環(huán)境中測(cè)試溶液表面張力，分別如圖7(b)～(d)所示。由圖7(b)可知，低溫狀態(tài)下BDS的界面性能幾乎不受影響，而當(dāng)溫度逐漸升高，表面張力逐漸增大。當(dāng)溫度低于70 ℃時(shí)，溶液的表面張力小于30 mN/m，能保持優(yōu)良的界面性能;而當(dāng)溫度繼續(xù)增加時(shí)，其界面性能快速下降。這是因?yàn)锽DS分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中含有電負(fù)性較強(qiáng)的N，O原子，在環(huán)內(nèi)形成分子內(nèi)氫鍵，維持環(huán)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。溫度升高時(shí)，分子內(nèi)氫鍵在一定程度上維持分子空間結(jié)構(gòu)，吸附在溶液表面的BDS分子，其親水多肽環(huán)狀結(jié)構(gòu)的鋪展形態(tài)未明顯改變，表面張力維持穩(wěn)定。而當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)，分子內(nèi)氫鍵失穩(wěn)或破壞，分子結(jié)構(gòu)在高溫下形變，導(dǎo)致BDS無(wú)法在溶液表面充分鋪展，單位面積分子的Gibbs吸附能增加，表面張力亦增加，界面性能減弱。因而表現(xiàn)出如圖7(b)所示的變化規(guī)律。

BDS在偏酸性或偏堿性環(huán)境中的表面張力變化情況如圖7(c)所示。在中性狀態(tài)下，BDS溶液的表面張力最低，而在pH為5～9的弱酸或弱堿環(huán)境下，BDS溶液的表面張力小于30 mN/m，能維持高表面活性，而當(dāng)酸堿度處于中強(qiáng)度或高強(qiáng)度狀態(tài)時(shí)，BDS溶液的表面張力隨酸堿度增加而快速增加，良好的界面性能逐漸喪失。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要是:當(dāng)酸堿度變化時(shí)，溶液中H+或OH-開始與BDS分子中的肽鍵發(fā)生水解。當(dāng)酸堿度較低(pH為5～9)時(shí)，由于溶液H+或OH-質(zhì)量濃度不足，水解效應(yīng)不明顯，BDS分子未發(fā)生明顯形變。而當(dāng)酸堿度進(jìn)一步增加，BDS的環(huán)狀結(jié)構(gòu)因水解而逐漸破壞，單個(gè)BDS分子在溶液表面鋪展的面積減小。此外，BDS水解形成的離子從溶液體相逐漸吸附至表面相，使兩相逐漸失去電中性，BDS形成的離子向表面相吸附的過(guò)程中受到電場(chǎng)力干擾，使單個(gè)BDS粒子吸附至表面相所需的能量增加，因此，單位面積分子吸附至溶液表面所需能量增加，表面張力增大，界面性能減弱。而BDS分子在堿性溶液中的抗形變能力強(qiáng)于在酸性溶液中的抗形變能力，這是由于在堿性條件下，先與BDS分子中的—COOH反應(yīng)。因而表現(xiàn)出如圖7(c)所示的變化規(guī)律。

而BDS在不同鹽度條件下的表面張力變化情況如圖7(d)所示。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～8%時(shí)，BDS溶液表面張力隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而下降;當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)，表面張力隨之增加，但在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤15%的環(huán)境中表面張力仍能保持在30 mN/m以下，具有較穩(wěn)定的界面性能。NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)BDS溶液界面性能的影響機(jī)制較為復(fù)雜。分析認(rèn)為，由于BDS分子中存在極性原子N，O，局部電矩矢量和不為0，影響周圍正負(fù)離子分布，形成局部電場(chǎng)，使電偶極子有振蕩趨勢(shì)，另一方面，N，O分子內(nèi)氫鍵束縛電偶極子振蕩。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，N偶極子和O偶極子受分子間氫鍵約束而不會(huì)發(fā)生振蕩。而偶極子周圍的“正負(fù)離子對(duì)”在電偶極子影響下繞N，O偶極子周期性運(yùn)動(dòng)，從而吸附在N，O原子周圍，使溶液中的BDS分子產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得溶液表面張力進(jìn)一步降低。而當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，偶極子的振蕩趨勢(shì)破壞分子間氫鍵，從而產(chǎn)生N，O偶極子的振蕩，帶動(dòng)環(huán)狀BDS發(fā)生扭轉(zhuǎn)或彎曲，使單個(gè)吸附在溶液表面的面積降低，單位面積分子Gibbs吸附能增加，表面張力的增大，界面性能減弱。因而表現(xiàn)出如圖7(d)所示的變化規(guī)律。

2.4 BDS的潤(rùn)濕性能

由2.3節(jié)中可知BDS的臨界膠束質(zhì)量濃度CMC為30 mg/L;以水作為參照，測(cè)試得到清水、500 mg/L的AEO、6 mg/L(1/5臨界膠束質(zhì)量濃度)BDS與煤塵表面接觸30 s時(shí)的接觸角，如圖8(a)～(c)所示。采用掃描電鏡SEM測(cè)試比較清水、500 mg/L的AEO和6 mg/L的BDS在煤塵表面的潤(rùn)濕情況，圖8(d)～(f)為2萬(wàn)倍率下觀察得到的3種情形下的煤樣表面形貌。

由圖8(a)～(c)可知，500 mg/L的AEO和6 mg/L的BDS均可以增強(qiáng)水對(duì)煤塵的潤(rùn)濕能力，二者與煤塵表面接觸角分別為30.68°和11.19°，與水相比分別提高了66.63%和87.83%，并且BDS的提高幅度比AEO高出21%。由圖8(d)～(f)所示的煤孔隙形貌可以發(fā)現(xiàn)，水潤(rùn)濕的煤孔隙最為疏松，而500 mg/L的AEO和6 mg/L的BDS潤(rùn)濕煤表面后，溶液滲透到孔隙內(nèi)部，形成液膜包裹煤孔隙內(nèi)介質(zhì)，起到對(duì)原生粉塵的抑制作用。而圖8(f)顯示的液膜更為密實(shí)地包裹煤孔隙內(nèi)介質(zhì)，表明6 mg/L的BDS潤(rùn)濕煤表面后滲透到煤孔隙內(nèi)部并包裹粉塵顆粒的能力強(qiáng)于500 mg/L的AEO。這是主要是因?yàn)锳EO是親水基團(tuán)分布較散的表面活性劑，而BDS的親水基分布更加集中，且成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，BDS單個(gè)分子吸附在溶液表面的面積比AEO更大。因此，BDS達(dá)到飽和吸附狀態(tài)的質(zhì)量濃度比AEO低，相同質(zhì)量濃度下BDS的表面張力遠(yuǎn)低于AEO;固體表面相同時(shí)，BDS的潤(rùn)濕固體能力遠(yuǎn)強(qiáng)于AEO。

3 結(jié) 論

(1)微生物發(fā)酵法合成生物抑塵劑的工藝主要分為2個(gè)階段:① 對(duì)菌株進(jìn)行活化、篩選、培養(yǎng)，得到發(fā)酵液，② 對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行酸化沉淀、超聲萃取、減壓蒸發(fā)，提純得到目標(biāo)產(chǎn)物;該工藝合成條件溫和、安全性好，合成速率快，制備成本低，具有良好的發(fā)展前景。

圖8 AEO與BDS潤(rùn)濕性能比較Fig.8 Comparison of wettability between AEO and BDS

(2)發(fā)酵條件的差異以及發(fā)酵階段不同，生物抑塵劑合成效率也不同;以溫度、酸堿度、搖床轉(zhuǎn)速、接種量和裝液量5個(gè)發(fā)酵條件參數(shù)為自變量，BDS產(chǎn)量為因變量建立的二次回歸預(yù)測(cè)模型能較好地預(yù)測(cè)目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量和指導(dǎo)工藝優(yōu)化;微生物發(fā)酵條件的優(yōu)化可以有效提升發(fā)酵效率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

(3)在一定范圍內(nèi)，隨著濃度的增加，BDS的界面性能也隨之提升，并在低質(zhì)量濃度下即可將水的表面張力降至26.94 mN/m，具有優(yōu)異的表面活性;當(dāng)酸堿度、溫度和鹽度等環(huán)境條件在較大范圍波動(dòng)時(shí)，BDS溶液仍能保持高表面活性，具備良好的環(huán)境耐受性;當(dāng)BDS使用質(zhì)量濃度僅為化學(xué)表面活性劑AEO使用質(zhì)量濃度1.2%時(shí)，BDS對(duì)煤塵的潤(rùn)濕效果仍然優(yōu)于AEO，在潤(rùn)濕性能和經(jīng)濟(jì)性方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

(4)基于X射線衍射試驗(yàn)和傅里葉紅外光譜試驗(yàn)及理論分析，本文合成的生物抑塵劑BDS是一種各向同性的非晶體活性物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)存在長(zhǎng)烷鏈和肽鍵—NH—CO—，即BDS是一種帶有長(zhǎng)烷鏈的環(huán)狀多肽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特性是其具有良好環(huán)境耐受性、優(yōu)異界面性能和潤(rùn)濕性能的內(nèi)因。

參考文獻(xiàn)(Reference):

[1] 袁亮.煤礦粉塵防控與職業(yè)安全健康科學(xué)構(gòu)想[J].煤炭學(xué)報(bào),2020,45(1):1-7.

YUAN Liang.Scientific conception of coal mine dust control and occupational safety[J].Journal of China Coal Society,2020,45(1):1-7.

[2] 王德明.礦塵學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2015.

[3] 程衛(wèi)民,周剛,陳連軍,等.我國(guó)煤礦粉塵防治理論與技術(shù)20年研究進(jìn)展及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2020,48(2):1-20.

CHENG Weimin,ZHOU Gang,CHEN Lianjun,et al.Research progress and prospect of dust control theory and technology in China’s coal mines in the past 20 years[J].Coal Science and Technology,2020,48(2):1-20.

[3] WANG Hetang,WANG Chen,WANG Deming.The influence of for-ced ventilation airflow on water spray for dust suppression on heading face in underground coal mine[J].Powder Technology,2017,320:498-510.

[4] 彭亞,蔣仲安,付恩琦,等.綜采工作面煤層注水防塵優(yōu)化及效果研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2018,46(1):224-230.

PENG Ya,JIANG Zhong’an,FU Enqi,et al.Study on seam water injection and dust control optimization and effect of fully-mechanized coal mining face[J].Coal Science and Technology,2018,46(1):224-230.

[5] 聶文,程衛(wèi)民,周剛,等.掘進(jìn)機(jī)外噴霧負(fù)壓二次降塵裝置的研制與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2446-2452.

NIE Wen,CHENG Weimin,ZHOU Gang,et al.Research and application on external spray secondary dust falling device with negative pressure of road header[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2446-2452.

[6] 劉建,姚海飛,魏傳光,等.掘進(jìn)工作面濕式離心除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(3):424-428.

LIU Jian,YAO Haifei,WEI Chuanguang,et al.The structural optimization and numerical simulation of wet centrifugal precipitator at working face of driving airway[J].Journal of China Coal Society,2010,35(3):424-428.

[7] NIE W,MA X,CHENG W,et al.A novel spraying/negative-pressure secondary dust suppression device used in fully mechanized mining face:A case study[J].Process Safety & Environmental Protection:Transactions of the Institution of Chemical Engineers Part B,2016,103:126-135.

[8] XU Chaohang,WANG Deming,WANG Hetang,et al.Experimental investigation of coal dust wetting ability of anionic surfactants with different structures[J].Process Safety and Environmental Protection,2019,121:69-76.

[9] ZHANG Haihan,NIE Wen,YAN Jiayi,et al.Preparation and performance study of a novel polymeric spraying dust suppression agent with enhanced wetting and coagulation properties for coal mine[J].Powder Technology,2020,364:901-914.

[10] JIN Longzhe,JIANG Nannan,CHEN Shaojie.Experimental study on the impact of complex surfactant in coal-water contact angle[A].Second International Symposium on Mine Safety Science and Engineering[C].Beijing,2014.

[11] 孫鑫,程衛(wèi)民,周剛,等.煤礦用新型抑塵劑的研究與應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,11(3):91-94.

SUN Xin,CHENG Weimin,ZHOU Gang,et al.Research and application of new dust suppressant for mine[J].Journal of Safety and Environment,2011,11(3):91-94.

[12] 蔣仲安,王偉.降低爆破煙塵的降塵劑配方的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(10):1720-1724.

JIANG Zhong’an,WANG Wei.Research on optimal formula of dustfall agent to remove blasting smoke[J].Journal of China Coal Society,2011,36(10):1720-1724.

[13] YANG J,LIU D D,LIU B J,et al.Research on mine dustfall agents based on the mechanism of wetting and coagulation[J].International Journal of Minerals Metallurgy and Materials,2014,21(3):205-209.

[14] XU Chaohang,TARAKNATH M,RONALD G L,et al.A molecular dynamics simulation of the structure of sodium lauryl ether sulfate and poly(vinyl alcohol) at the air/water interface[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2019,563:84-94.

[15] ZHOU Gang,DING Jianfei,SUN Jian,et al.Preparation and performance of a composite gel as a dust suppressant for coal transportation and storage[J].Journal of Applied Polymer Science,2019,136(31):47819.

[16] LI Shuailong,ZHOU Gang,LIU Zongqi,et al.Synthesis and performance characteristics of a new ecofriendly crust-dust suppressant extracted from waste paper for surface mines[J].Journal of Cleaner Production,2020,258:120620.

[17] 羅瑞冬,林木松,羅運(yùn)柏,等.新型煤塵抑塵劑的制備及特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(S2):454-459.

LUO Ruidong,LIN Musong,LUO Yunbo,et al.Preparation and properties of a new type of coal dust suppressant[J].Journal of China Coal Society,2016,41(S2):454-459.

[18] 楊樹瑩,周磊,楊林軍,等.高分子抑塵劑對(duì)褐煤礦場(chǎng)細(xì)顆粒物的抑制特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2019,44(2):528-535.

YANG Shuying,ZHOU Lei,YANG Linjun,et al.Inhibition characteristics of polymer suppressant on fine particles in lignite mines[J].Journal of China Coal Society,2019,44(2):528-535.

[19] DING Jianfei,ZHOU Gang,LIU Dong,et al.Synthesis and performance of a novel high-efficiency coal dust suppressant based on self-healing gel[J].Environmental Science & Technology,2020,54(13):7992-8000.

[20] 徐成勇,魯時(shí)瑛,諸葛健.發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑[[J].微生物學(xué)通報(bào)，2003,30(3):85-90.

XU Chengyong,LU Shiying,ZHUGE Jian.Biosurfactant production by fermentation[J].Journal of Microbiology,2003,30(3):85-90.

[21] 柏美迪康環(huán)?？萍?上海)有限公司.生物納膜抑塵技術(shù)[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2015(6):71-71.

Bioimintec Environment (Shanghai)Co.,Ltd.Restrained dust technology for bio-receiving membrane[J].China Environmental Protection Industry,2015(6):71-71.

[22] 安太平,黃瑛彩.生物納膜抑塵技術(shù)在南山礦選礦廠的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014,28(3):180,191.

AN Taiping,HUANG Yingcai.Application of biofilm dust suppressant technology in Nanshan ore dressing plant[J].Modern Mining,2014,28(3):180,191.

[23] 李聯(lián)康.生物納膜源頭抑塵技術(shù)在水泥行業(yè)中的應(yīng)用前景[J].水泥,2019(3):53-55.

LI Liankang.Application prospect of biofilm source dust suppressant technology in cement industry[J].Cement,2019(3):53-55.

[24] 劉利波,郝玉春.生物納膜綜合抑塵系統(tǒng)在黃金礦山的應(yīng)用與實(shí)踐[J].中國(guó)設(shè)備工程,2018(10):16-17.

LIU Libo,HAO Yuchun.Application and practice of biofilm integrated dust suppression system in gold mines[J].China Plant Engineering,2018(10):16-17.

[25] NAEIMI Maryam,CHU Jian.Comparison of conventional and bio-treated methods as dust suppressants[J].Environmental Science and Pollution Research,2017,24(29):23341-23350.

[26] WU Mingyue,HU Xiangming,ZHANG Qian,et al.Preparation and performance evaluation of environment-friendly biological dust suppressant[J].Journal of Cleaner Production,2020,273:123162.

[27] 羅大珍,林稚蘭.現(xiàn)代微生物發(fā)酵及技術(shù)教程[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.

[28] 吳超.化學(xué)抑塵[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2003.

[29] YUAN Mingyue,NIE Wen,ZHOU Weiwei,et al.Determining the effect of the non-ionic surfactant AEO9 on lignite adsorption and wetting via molecular dynamics (MD) simulation and experiment comparisons[J].Fuel,2020,278:118339.