一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法与流程

1.本发明属于外源脲酶固化，特别涉及一种在高温条件下经济高效地产生碳酸钙的方法。


背景技术：

2.生物矿化作用是一种很普遍的自然现象，几乎每一种生物都能合成矿物。其中近三分之二是钙矿，并且相当一部分具有胶结功能。它们通过其自身的生命活动，与周围环境介质之间不断发生着酶化作用，逐渐形成碳酸钙。微生物诱导碳酸钙沉淀(micp)也成为加固土体的新研究方向，但micp对环境产生了不可忽视的负面影响。近些年来，使用酶诱导产生碳酸钙沉淀(eicp)矿化成为许多学者关注的热点，对比micp，eicp具有反应迅速，环境友好，适用范围广等优势。
3.实际工况中，需要加固土体所处的环境错综复杂，例如在石油与天然气的开采过程中就会经常遇到高温环境，在高温环境下如何应用eicp是亟待解决的问题。脲酶是eicp反应最核心的物质，脲酶活性决定酶促反应的速率，最终反映在碳酸钙的生成量及其生成速率上。酶作为一种蛋白质，高温会影响其活性甚至使其失活，影响eicp在高温环境下的应用。
4.国外学者whiffinvs在文章《microbial caco3 precipitation for the production ofbiocement》中指出温度对脲酶活性的影响。文献指出，脲酶活性在15
‑
25℃保持稳定，在 25
‑
60℃之间随温度增加线性增长，在75℃时达到峰值，在温度达到75℃后失活，温度越高失活速率越快。为确保高温试验的合理性，本文依据该文献给出的数据进行试验流程设计。


技术实现要素：

5.本发明考虑大豆溶液浓度与温度对脲酶活性的影响，提供一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法。
6.为实现上述目标，本发明的技术方案如下：
7.一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法，包括以下步骤：
8.步骤1，配置大豆溶液和胶凝液，低温静置；所述大豆溶液浓度范围为20
‑
100g/l，浓度梯度为20g/l，所述胶凝液内容物为尿素与氯化钙，尿素浓度为1mol/l,氯化钙浓度为 0.67mol/l；
9.步骤2，取步骤1中静置的大豆溶液，搅拌均匀后离心，离心后取上清液低温冷藏备用；
10.步骤3，将步骤2中获得的上清液与胶凝液各等体积混合，在高温条件下养护一段时间后，对混合液离心，离心后过滤，将过滤后产物置于烘箱中烘干；
11.步骤4，称量烘干的离心管与滤纸m1，对离心管与滤纸进行酸洗操作，酸洗后置于烘箱中烘干，称量酸洗后离心管与滤纸的质量m2，二者之差m2‑
m1即为反应产生碳酸钙的含
量。
12.优选地，步骤1所述大豆溶液所使用的豆粉为精磨豆粉，粒径为5
‑
20μm，大豆溶液与胶凝液的保存方法为：使用保鲜膜密封保存于4℃冰箱内。
13.优选地，步骤1所述配置溶液的具体方法为：
14.a)使用电子天平称取大豆豆粉10
‑
50g，误差要求在
±
0.0.1g范围内。量取500ml蒸馏水置于干净无水的烧杯中，将豆粉溶于蒸馏水中，使用搅拌器搅拌3min中，确保豆粉充分溶解；
15.b)使用电子天平称取尿素60g，称取醋酸钙105.8g，误差要求在
±
0.0.1g范围内。量取1000ml蒸馏水置于干净无水的烧杯中，将尿素与氯化钙溶于蒸馏水中，使用搅拌器搅拌 3min中，确保尿素与氯化钙充分溶解。
16.c)使用微量移液器取搅拌均匀后的胶凝液15ml置于离心管中，以备后用；
17.优选地，步骤2离心的具体操作方法为：
18.a)将低温静置的大豆溶液搅拌均匀倒入离心管中，每个离心管倒入45ml，共计使用12 只离心管；
19.b)使用试管离心机进行离心，分两组进行，每组离心6只离心管。离心时间为10分钟，离心速度为3000转/分钟；
20.c)离心后将上清液倒入干净的烧杯中，过程中注意不要将豆渣倒入，将12只离心管中清液全部倒入烧杯后，使用保鲜膜密封于4℃低温静置；
21.优选地，步骤3中上清液与胶凝液体积取15ml，养护温度为65/75/85℃，养护时间为 3h，离心时间为5min。过滤后的滤纸与离心管均需要进行烘干操作，以确保结果的准确性。
22.优选地，步骤3与步骤4中烘干温度均为75℃，烘干时间均为24h。
23.优选地，步骤4中酸洗的具体步骤如下：
24.a)在离心管中加入稀盐酸20ml，静置2分钟，使用振捣棒捣碎离心管中的沉淀物，使其与盐酸充分反应，反应时间为2分钟；
25.b)再次加入稀盐酸20ml，在过程中将挂壁的反应产物冲洗到底部，震荡离心管使其充分反应；
26.c)观察静置的离心管底部是否有沉淀，若有则重复步骤b)2
‑
3次，直至离心管中无明显沉淀物，且无其气泡产生，将离心管中的溶液过滤；
27.d)观察离心管中是否还有残留泡沫挂壁，若有则使用稀盐酸清晰，将混合液倒入漏斗过滤；待过滤完毕，将离心管与滤纸一同放入烘箱中烘干，酸洗操作完成。注意在酸洗过程中做好标记，确保离心管与滤纸一一对应
28.针对目前应用状况，本发明的优点如下，
29.本发明在高温条件下经济高效地产生碳酸钙沉淀，选择大豆作为脲酶来源，选择尿素与氯化钙作为胶凝液，将大豆溶液与胶凝液混合，在高温条件下培养后，对混合液离心、烘干、酸洗、再烘干，得出生成碳酸钙的质量，从而得出不同温度下的最佳大豆溶液浓度，确定适宜反应温度。该方法操作容易，碳酸钙产率高且经济高效。
附图说明
30.图1为高温下生成及测量碳酸钙的工艺流程
具体实施方式
31.实施例1：
32.一种在高温条件下经济高效地生成碳酸钙的方法，该方法的主要步骤：
33.1)称量粒径在5
‑
20μm的精磨豆粉，称量量如表1所示。取干燥洁净烧杯量取蒸馏水 500ml，将豆粉溶于蒸馏水中，大豆溶液浓度如表1所示。并使用磁力搅拌器搅拌5分钟。称量尿素60g，氯化钙105.8g，取干燥洁净烧杯量取蒸馏水1000ml，将尿素与氯化钙溶于蒸馏水中，使用磁力搅拌器搅拌5分钟，将大豆溶液与胶凝液密封放入4℃的冰箱中保存。
34.2)将静置的大豆溶液取出，搅拌均匀后倒入12只离心管中，每只离心管中溶液体积为 45ml。使用离心机离心大豆溶液，离心时间为10分钟，离心转速为3000转/分钟，离心分两组进行，每组六只。取离心后的上清液密封于4℃的冰箱中保存，此清液即为脲酶溶液。
35.3)取出胶凝液，使用微量移液枪取15ml置于离心管中，取出静置的脲酶溶液，取15ml 与胶凝液等体积混合，后将离心管置于65℃的恒温水浴箱中反应3小时。
36.4)反应结束后，对反应所用离心管进行离心操作，离心时间为5分钟，离心转速为3000 转/分钟。离心后过滤产物，取滤纸与离心管置于75℃烘箱中烘干24小时。
37.5)取出滤纸与离心管，称量其质量。后进行酸洗操作，待离心管中不再存在沉淀物，且液面不再产生气泡为止，将滤纸与离心管置于75℃烘箱中烘干24小时。
38.6)取出滤纸与离心管，称量其质量，可得出碳酸钙生成量，计算后可得碳酸钙产率。
39.7)试验设置两组平行样，取测试结果的均值作为最终结果。使用碳酸产率/大豆溶液浓度来反应该温度下特定浓度大豆溶液的经济效益，所得碳酸钙质量、产率及经济效益见表2。
40.表1大豆用量及大豆溶液浓度(500ml)
[0041][0042][0043]
表2碳酸钙质量、产率及经济效益
[0044][0045]
实施例2：
[0046]
采用同实施例1的方法配置大豆溶液与胶凝液，制备如表1所示的大豆溶液，最终得到脲酶溶液。将等体积15ml的脲酶溶液与胶凝液混合，置于75℃的恒温水浴箱中反应3小时，对产物离心过滤，烘干后进行酸洗操作，烘干酸洗后的产物，称量可得碳酸钙生成量，计算可得碳酸钙产率及对应的经济效益，见表3.
[0047]
表3碳酸钙质量、产率及经济效益
[0048][0049]
实施例3：
[0050]
采用同实施例1的方法配置大豆溶液与胶凝液，制备如表1所示的大豆溶液，最终得到脲酶溶液。将等体积15ml的脲酶溶液与胶凝液混合，置于85℃的恒温水浴箱中反应3小时，对产物离心过滤，烘干后进行酸洗操作，烘干酸洗后的产物，称量可得碳酸钙生成量，计算可得碳酸钙产率及对应的经济效益，见表4。
[0051]
表4碳酸钙质量、产率及经济效益
[0052]
[0053][0054]
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。