污泥蛋白發泡劑制備工藝多目標優化研究
崔靜
（天津市裕川微生物制品有限公司，中國，300451）
摘要：為了實現污泥的資源化處理，獲得污泥蛋白發泡劑的最佳制備工藝從而降低污泥的處理成本，在正交試驗的基礎上通過極差分析，考察了反應pH數值、反應溫度T、反應時間t、以及物料含水率W對綜合目標值的影響顯著性；借助matlab軟件，以提取的污泥蛋白初始濃度、蛋白回收率，發泡倍數以及泡沫穩定性為目標函數，對污泥蛋白提取工藝進行模擬分析，做出各目標函數的回歸方程，采用多目標優化法得出最優的提取工藝方案為： W=91%、pH數值為13、T=125℃、t=1.78h。該工藝條件下污泥蛋白回收率為56.65%, 發泡倍數為27.58倍，泡沫穩定性為7.37h。
關鍵字：污泥蛋白；泡沫穩定性；發泡倍數；多目標優化；
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
蛋白型發泡劑是目前的高檔發泡劑，可以用于制造蛋白類泡沫滅火劑或輕質泡沫混凝土，發展前景較好。目前動物蛋白主要有動物蹄角蛋白[1,2]、廢動物毛皮蛋白[3]等，但其原材料資源缺乏，無論何種動物蛋白發泡劑都存在成本高等缺點。剩余污泥中含有大量的細菌、真菌、原生動物和后生動物等，菌體中蛋白質含量高達40%-60%。如果能將污泥中的蛋白回收利用制成發泡劑將極大的降低蛋白型發泡劑的生產成本，解決動物蛋白供應不足的問題，同時又能為污泥的無害化及資源化處理，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胞釋放其內部物質，形成蛋白水溶液，該溶液具有優良的發泡性能。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]認為提取后的污泥蛋白具有很高的營養價值，可以作為動物飼料，通過大白鼠毒性實驗以及尸體解剖發現污泥蛋白對大白鼠的死亡率以及臨床發病率等沒有影響，可以安全作為動物飼料使用。趙順順采用酸水解[6]以及堿水解[7]的方法對污泥蛋白提取的工藝進行了優化研究，同時研究了剩余污泥蛋白質作為動物飼料添加劑[8]的可行性。李亞東等[9-11]對污泥蛋白提取進行了相關研究；崔靜等[12,13]對熱堿水解提取污泥蛋白質的進行了實驗研究，考察了各因素的影響關系以及顯著性，得出了較優的工藝條件。但均未對污泥蛋白作為發泡劑的產品性能進行綜合考慮與工藝優化。
蛋白發泡劑的起泡能力和泡沫穩定性是評價蛋白發泡劑性能的兩個重要方面。熱堿水解條件下污泥蛋白溶解進入液相，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水解成為多肽甚至氨基酸。水解時間越長、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和降解過度造成的氨基酸或低肽，均無良好的起泡性能，必須將蛋白分子量降解到一個合適的范圍之內，使其具有良好的發泡性以及泡沫穩定性。本實驗目的是為了開發一種新型的污泥蛋白發泡劑，產品的發泡性是重要的目標之一。文章中采用鈣鹽作為熱堿水解藥劑，堿性較為溫和，水解蛋白質產生的中間產物較多，在反應過程中發生的美拉德反應較輕，產品品質較好。另外Ca2+的加入能與蛋白質形成配位化合物，體積增大，增加了表面膜的厚度有利于提高發泡劑的泡沫穩定性[14]。文章以正交試驗為基礎，做出性能-組分回歸方程式，確定組分變量范圍，找出最優的提取方案，并通過實驗驗證了其正確性。采用優化后工藝生產的污泥蛋白發泡劑制備的蛋白類泡沫滅火劑經過公安部天津消防研究所滅火實驗表明：污泥蛋白制備的蛋白泡沫滅火劑，滅火時間為3’22”，25%抗燒時間為30’55”，為目前蛋白泡沫滅火劑所能達到的最高（最優）滅火級別，符合國家對泡沫滅火劑及同類產品的相應技術標準。
