專利名稱：聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例調(diào)控的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚羥基垸酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例調(diào)控的方法。
背景技術(shù)：
塑料制品以其質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)良特性以及價格低廉迅速的進(jìn)入 人類生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，并得到廣泛的應(yīng)用，推動了人類進(jìn)步和工農(nóng)業(yè)的發(fā) 展，但是隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展同時也暴露了填埋、焚燒塑料垃圾帶來的種種 弊端，給自然環(huán)境帶來了嚴(yán)重的危害。因此，加強(qiáng)可降解塑料的研究與開發(fā)， 爭取在工藝上取得突破并應(yīng)用于實(shí)際，生產(chǎn)出具有生物可降解性、且價格合理 的塑料制品，對于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
各種可生物降解的聚合材料中，聚羥基烷酯(polyhydroxyalkanoates,PHAs)
是一類由原核微生物在碳、氮營養(yǎng)失衡的情況下，作為碳源和能源貯存而合成 的一類熱塑性聚酯。目前已發(fā)現(xiàn)的PHA有很多種單體結(jié)構(gòu)，并且還在不斷地增 加。根據(jù)單體結(jié)構(gòu)或含量的不同，PHA有較寬的性能譜，可呈現(xiàn)從堅硬到柔軟 到彈性的一系列變化。PHA不僅具有與聚丙烯等化學(xué)合成高分子材料相似的性 質(zhì),而且還有一般化學(xué)合成高分子材料沒有的性質(zhì)，如生物可降解性、生物相容 性、壓電性、光學(xué)活性等特殊性質(zhì)，且其合成原料為糖和脂肪酸等可再生資源。 所以，PHA被認(rèn)為能取代傳統(tǒng)的不可降解塑料，有效緩解資源緊張和環(huán)境危機(jī) 的現(xiàn)狀而受到世界各國的重視。
聚3-羥基丁酸酯(PHB),它是PHA中發(fā)現(xiàn)最早、研究最多的一種。PHB與聚 丙烯在分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)方面有許多相似之處,其熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié) 晶度和拉伸強(qiáng)度等相近。PHB具有密度大、光學(xué)活性好、透氧性低、抗紫外線 輻射、生物降解性、生物相容性、壓電性和抗凝血性等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),但它在 常溫下既硬又脆,在熔融狀態(tài)下極不穩(wěn)定,易于分解,加工范圍窄,機(jī)械性能和耐溶 劑性能差,使應(yīng)用受到很大限制。因此對PHB進(jìn)行改性成為研究熱點(diǎn)。在PHB 中加入HV生成共聚物PHBV,是已獲得工業(yè)應(yīng)用的共聚改性方法。隨HV含量 提高，共聚物熔點(diǎn)在HV含量40% 60%時達(dá)到最低點(diǎn),隨后又緩慢提高。玻璃化 轉(zhuǎn)變溫度也隨HV含量的提高而有所降低。共聚物剛性降低,韌性、沖擊性和熱 穩(wěn)定性提高。
調(diào)控聚合羥基垸酯PHAs中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯的比例
3由于活性污泥合成PHA受到運(yùn)行工藝、碳源組成、氨氮濃度、污泥停留時 間、pH值、磁場強(qiáng)度等因素的影響，因此可對活性污泥合成PHA的反應(yīng)條件 進(jìn)行優(yōu)化，以提高活性污泥中PHA的含量。此外，不同的PHA單體具有不同 的物理性質(zhì)。例如聚3-羥基丁酸酯PHB的單聚物在常溫下既硬又脆，在熔融狀 態(tài)下極不穩(wěn)定，易于分解，加工范圍窄，使應(yīng)用受到很大限制。而在PHB中加 入HV生成的共聚物PHBV，其性質(zhì)剛性降低，韌性、沖擊性和熱穩(wěn)定性提高。 HB與HV的合成與碳源底物成分相關(guān)，所以在活性污泥合成PHA條件下，對 碳源底物組成與合成PHA組份之間的關(guān)系深入探索，可取各類單體優(yōu)勢以合成。
聚羥基烷酯的合成量研究表明，通過控制并改變反應(yīng)器中的不同底物類型 和濃度比例，能使微生物合成不同類型的聚合物，其HV/HB的比例存在差異， 特性也有所不同。另外，通過調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器中的pH值在一定程度上也能夠影 響合成聚羥基烷酯中PHV/HB的比例。本次的研究方法是通過外加磁場磁感應(yīng) 強(qiáng)度的控制從而調(diào)節(jié)合成聚羥基烷酯中PHV/HB的比例， 一定范圍的磁感應(yīng)強(qiáng) 度下，低磁感應(yīng)強(qiáng)度有利于PHB的合成，而高磁感應(yīng)強(qiáng)度有利于PHV的合成。 此方法操作簡單，成本低廉。
磁場影響酶活性的機(jī)理
關(guān)于磁場對酶的作用己經(jīng)開展了一系列研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于Na，K腺苷三 磷酸酶及細(xì)胞色素氧化酶這兩種普遍存在于細(xì)胞膜中，磁場的作用可以加快酶 促反應(yīng)。而一些酶(如過氧化物酶、多酚氧化酶等)中具有微量的順磁性過渡金屬 原子(或離子),而這些原子(或離子)在酶中起著重要的作用(如輔基、輔酶),因此 磁場對它們的影響,可能影響到酶的活性等；酶促反應(yīng)中存在著未配對電子,磁場 可通過影響反應(yīng)中間產(chǎn)物的電子自旋狀態(tài)而影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種聚羥基垸酯中聚羥基丁酸 酯和聚羥基戊酸酯比例調(diào)控的方法。
聚羥基垸酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例調(diào)控方法包括如下步驟
1) 總有機(jī)負(fù)荷以化學(xué)需氧量計為10 1000mg/L，按乙酸與丙酸的體積比分
別為100%~0.1%: 0.1%~100%配制混合酸液作為碳源底物；
2) 取污水廠剩余污泥預(yù)曝氣4~5天將原底物耗盡，在好氧瞬時供料模式下， 采用逐步增加負(fù)荷法培養(yǎng)馴化活性污泥，生物反應(yīng)器處在中心磁場強(qiáng)度為7 25mT的穩(wěn)恒磁場中；
3) 將碳源底物加至1 5L含馴化微生物的生物反應(yīng)器中，在生物反應(yīng)器周
4圍施加磁場，外加磁場分3組磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為7 9mT和21 25mT及0
0. 2mT，每個磁場條件運(yùn)行3 5個周期，定時采樣測定聚羥基垸酯中聚羥基垸 酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例。
所述的穩(wěn)恒磁場是通過設(shè)置兩個最大表面強(qiáng)度為700mT的永久磁鐵間距離 而形成不同強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場，永久磁鐵間距離為8 40cm。
所述每個磁場條件運(yùn)行3個周期包括IO分鐘進(jìn)料，反應(yīng)階段0.3 2天， 底物豐盛匱乏比率為1: 3 4，最后1 2分鐘泥水排出，泥水一同排出使污泥 停留時間等于水力停留時間，控制泥齡在9 10天，溶解氧控制在飽和溶解氧的 80%以上。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果1)該活性污泥的馴化方法能夠產(chǎn) 生大量高聚羥基烷酯存儲能力的活性微生物；2)本調(diào)節(jié)方法直接通過外界施加 磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度來調(diào)控聚羥基烷酯中丁酸酯和戊酸酯的比例，可操作性強(qiáng)， 運(yùn)行簡單，裝置簡易；3)利用外加磁場的方法可以優(yōu)化調(diào)控聚羥基烷酯中丁酸 酯和戊酸酯的比例，從而為優(yōu)化PHAs的性能，提供一條新路徑。
具體實(shí)施例方式
具有高聚羥基垸酯存儲能力微生物的具體馴化方式取污水廠剩余污泥預(yù)
曝氣4天將原底物耗盡，接種到有效容積為5L的反應(yīng)器中馴化，MLSS為2g/L。 選用起始負(fù)荷為360mgCOD/L，在30天內(nèi)反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷依次增加為 720mgCOD/L， 1450mgCOD/L， 2170mgCOD/L， 3240mgCOD/L， 4360mgCOD/L， 5420mgCOD/L， 6480mgCOD/L，每個負(fù)荷重復(fù)3個周期。
以(NH4)2S04為氮源，K2HP04和KH2P04為磷源，控制C: N: P為100: 5:
1。 其它營養(yǎng)元素CaCl2*2H20 (50mg/L), MgS04*7H20 (100mg/L), FeCl3'6H20 (2mg/L), Na2EDTA(3mg/L), ZnS04'7H20 (0.1mg/L)， MnCl2'4H20 (0.03mg/L), H3B03 (0.3mg/L), CoCl2'6H20 (0.2mg/L), NiCl2'6H20 (0.02mg/L), CuCl2'2H20 (O.Olmg/L), NaMoO4*2H2O(0.03 mg/L)。在培養(yǎng)介質(zhì)中還加入硫脲(20mg/L)以抑 制氮的硝化。上述的營養(yǎng)液pH調(diào)整為7.0后加入反應(yīng)器中。不控制反應(yīng)器中的 pH，讓其自然變化，反應(yīng)器溫度控制在25"C左右。運(yùn)行周期包括10分鐘進(jìn) 料，反應(yīng)階段1天。據(jù)豐盛期長短而定，保證底物豐盛底物豐盛匱乏比率為 1: 3~4，最后2分鐘泥水排出。泥水一同排出使污泥停留時間等于水力停留時 間，控制泥齡在9 10天。溶解氧控制在飽和溶解氧的80%以上，定時采樣測定 底物消耗、聚羥基垸酯等含量。
實(shí)施例11) 總有機(jī)負(fù)荷以化學(xué)需氧量計為10mg/L，按乙酸與丙酸的體積比分別為
100%: 0.1%配制混合酸液作為碳源底物；
2) 取污水廠剩余污泥預(yù)曝氣4天將原底物耗盡，在好氧瞬時供料模式下， 采用逐步增加負(fù)荷法培養(yǎng)馴化活性污泥，生物反應(yīng)器處在中心磁場強(qiáng)度為7mT 的穩(wěn)恒磁場中，所述的穩(wěn)恒磁場是通過一設(shè)置兩個最大表面強(qiáng)度為700mT的永 久磁鐵間距離而形成不同強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場，永久磁鐵間距離為40cm;
3) 將碳源底物加至1L含馴化微生物的生物反應(yīng)器中，反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定時 污泥濃度為1.5mgVSS/L左右而底物的消耗速率基本恒定。在生物反應(yīng)器周圍施 加磁場，外加磁場分3組磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為7mT和21mT及0mT，每個磁場 條件運(yùn)行3個周期，營養(yǎng)液添加和運(yùn)行方式同馴化階段。所述每個磁場條件運(yùn) 行3個周期包括IO分鐘進(jìn)料，反應(yīng)階段0.3天，底物豐盛匱乏比率為l: 3, 最后1分鐘泥水排出，泥水一同排出使污泥停留時間等于水力停留時間，控制 泥齡在9天，溶解氧控制在飽和溶解氧的80%以上，定時采樣測定聚羥基烷酯 中聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例。
實(shí)施例2
1) 總有機(jī)負(fù)荷以化學(xué)需氧量計為1000mg/L，按乙酸與丙酸的體積比分別為 0.1%: 100%配制混合酸液作為碳源底物；
2) 取污水廠剩余污泥預(yù)曝氣5天將原底物耗盡，在好氧瞬時供料模式下， 采用逐步增加負(fù)荷法培養(yǎng)馴化活性污泥，生物反應(yīng)器處在中心磁場強(qiáng)度為25mT 的穩(wěn)恒磁場中，所述的穩(wěn)恒磁場是通過設(shè)置兩個最大表面強(qiáng)度為700mT的永久 磁鐵間距離而形成不同強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場，永久磁鐵間距離為8cm;
3) 將碳源底物加至5L含馴化微生物的生物反應(yīng)器中，反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定時 污泥濃度為1.5mgVSS/L左右而底物的消耗速率基本恒定。為減少碳源底物用于 污泥的生長，降低氨氮的加入量，控制C:N:P為100: 2.5: 1。在生物反應(yīng)器周 圍施加磁場，外加磁場分3組磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為9mT和25mT及0.2mT，每 個磁場條件運(yùn)行5個周期，營養(yǎng)液添加和運(yùn)行方式同馴化階段。所述每個磁場 條件運(yùn)行5個周期包括IO分鐘進(jìn)料，反應(yīng)階段2天，底物豐盛匱乏比率為l: 4，最后2分鐘泥水排出，泥水一同排出使污泥停留時間等于水力停留時間，控 制泥齡在10天，溶解氧控制在飽和溶解氧的80%以上，定時采樣測定聚羥基烷 酯中聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例。
實(shí)施例3
1)總有機(jī)負(fù)荷以化學(xué)需氧量計為720mg/L，按乙酸與丙酸的體積比為80%:20%的比例配制混合液作為碳源底物；
2) 在好氧瞬時供料模式下，采用逐步增加負(fù)荷法馴化活性污泥，序批式生 物反應(yīng)器處在中心磁場強(qiáng)度為18mT的穩(wěn)恒磁場中。好氧瞬時供料模式為控制 底物豐盛期-底物匱乏期比率為1: 3。所述的穩(wěn)恒磁場是通過設(shè)置兩個最大表面 強(qiáng)度為700mT的永久磁鐵間距離而形成不同強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場，永久磁鐵間距離 為20cm。
3) 取馴化好的污泥加入到有效容積為1L的生物反應(yīng)器中進(jìn)行批式實(shí)驗(yàn)， 反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定時污泥濃度為1.5mgVSS/L左右而底物的消耗速率基本恒定。為 減少碳源底物用于污泥的生長，降低氨氮的加入量，控制C:N:P為100: 2.5: 1。 在反應(yīng)器周圍施加磁場，外加磁場分3組磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為7mT和21mT及 對照組O.lmT，每個磁場條件運(yùn)行3個周期，營養(yǎng)液添加和運(yùn)行方式同馴化階段。 所述每個磁場條件運(yùn)行3個周期包括IO分鐘進(jìn)料，反應(yīng)階段2天，最后l分 鐘泥水排出，泥水一同排出使污泥停留時間等于水力停留時間，控制泥齡在9 天，溶解氧控制在飽和溶解氧的80%以上。反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定后定時采樣測定聚 羥基烷酯中聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例。
實(shí)施例4
1) 總有機(jī)負(fù)荷以化學(xué)需氧量計為700mg/L，按乙酸與丙酸的體積比為20%: 80%的比例配制混合液作為碳源底物；
2) 在好氧瞬時供料模式下，采用逐步增加負(fù)荷法馴化活性污泥，序批式生 物反應(yīng)器處在中心磁場強(qiáng)度為21mT的穩(wěn)恒磁場中。好氧瞬時供料模式為控制 底物豐盛期-底物匱乏期比率為1: 4。所述的穩(wěn)恒磁場是通過設(shè)置兩個最大表面 強(qiáng)度為700mT的永久磁鐵間距離而形成不同強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場，永久磁鐵間距離 為15cm。
3) 取馴化好的污泥加入到有效容積為1L的生物反應(yīng)器中進(jìn)行批式實(shí)驗(yàn)， 反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定時污泥濃度為1.5mgVSS/L左右而底物的消耗速率基本恒定。為 減少碳源底物用于污泥的生長，降低氨氮的加入量，控制C:N:P為100: 2.5: 1。 營養(yǎng)液添加和運(yùn)行方式同馴化階段。在反應(yīng)器周圍施加磁場，外加磁場分3組: 磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為7mT、 21mT及0.1mT，每個磁場條件運(yùn)行4個周期，營養(yǎng)液 添加和運(yùn)行方式同馴化階段。所述每個磁場條件運(yùn)行4個周期包括IO分鐘進(jìn) 料，反應(yīng)階段2天，最后l分鐘泥水排出，泥水一同排出使污泥停留時間等于 水力停留時間，控制泥齡在10天，溶解氧控制在飽和溶解氧的80%以上。反應(yīng) 器達(dá)到穩(wěn)定后定時采樣測定聚羥基烷酯中聚羥基垸酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基
7戊酸酯比例。 測試方法
1、 碳源底物消耗情況的測定方法如下準(zhǔn)確采集10 mL活性污泥水樣，采 用兩步離心法，先用離心沉淀器5000r/min離心10min ，再取上清液加入甲酸調(diào) pH值至3以下，用高速離心機(jī)在10000r/min離心5分鐘，上清液取出密閉。用 氣相色譜儀進(jìn)行測定。
2、 聚羥基烷酯合成量的測定方法如下準(zhǔn)確采集實(shí)驗(yàn)活性污泥樣品10mL, 用離心沉淀器在5000r/min離心10分鐘，去上清液，將濃縮泥樣置于0°C以下的 冰柜中進(jìn)行冷凍。24小時后將冷凍污泥置于真空干燥箱中，溫度置于70°C-80°C 之間，抽真空加熱48小時，去除水分得到干污泥。將干污泥稱重后轉(zhuǎn)移到酯化 瓶中進(jìn)行酯化，加入2mL酯化劑(HC1和正丙醇，體積比l: 4)， 2 mL有機(jī)溶 劑1， 2-二氯乙垸，再加入200pL的內(nèi)標(biāo)物苯甲酸。蓋緊瓶塞，置于烘箱中， 溫度置于105'C，加熱反應(yīng)8小時，間或取出震蕩，使其完全反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束冷 卻后，加入2mL蒸熘水，震蕩60秒，靜置分層，取下層有機(jī)相用氣相色譜儀 進(jìn)行測定。
權(quán)利要求
1.一種聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例調(diào)控的方法，其特征包括如下步驟1)總有機(jī)負(fù)荷以化學(xué)需氧量計為10～1000mg/L，按乙酸與丙酸的體積比分別為100％～0.1％∶0.1％～100％配制混合酸液作為碳源底物；2)取污水廠剩余污泥預(yù)曝氣4～5天將原底物耗盡，在好氧瞬時供料模式下，采用逐步增加負(fù)荷法培養(yǎng)馴化活性污泥，生物反應(yīng)器處在中心磁場強(qiáng)度為7～25mT的穩(wěn)恒磁場中；3)將碳源底物加至1～5L含馴化微生物的生物反應(yīng)器中，在生物反應(yīng)器周圍施加磁場，外加磁場分3組磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為7～9mT和21～25mT及0～0.2mT，每個磁場條件運(yùn)行3～5個周期，定時采樣測定聚羥基烷酯中聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例 調(diào)控的方法，其特征在于所述的穩(wěn)恒磁場是通過設(shè)置兩個最大表面強(qiáng)度為 700mT的永久磁鐵間距離而形成不同強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場，永久磁鐵間距離為8 40cm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚羥基垸酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例 調(diào)控的方法，其特征在于所述每個磁場條件運(yùn)行3 5個周期包括IO分鐘進(jìn)料， 反應(yīng)階段0.3 2天，底物豐盛匱乏比率為l: 3~4，最后1 2分鐘泥水排出，泥 水一同排出使污泥停留時間等于水力停留時間，控制泥齡在9 10天，溶解氧控 制在飽和溶解氧的80%以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚羥基烷酯中聚羥基丁酸酯和聚羥基戊酸酯比例調(diào)控的方法。包括如下步驟1)總有機(jī)負(fù)荷為10～1000mg/L，按乙酸與丙酸體積比為100％～0.1％0.1％～100％配制碳源底物；2)取污水廠剩余污泥預(yù)曝氣耗盡底物，在好氧瞬時供料模式下，采用逐步增加負(fù)荷法培養(yǎng)馴化活性污泥，生物反應(yīng)器處于7～25mT的穩(wěn)恒磁場中；3)將碳源底物加至1～5L污泥馴化后的生物反應(yīng)器中，其周圍施加不同強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場，運(yùn)行3～5個周期，定時采樣測定不同聚羥基烷酯含量。本發(fā)明直接通過外界施加不同強(qiáng)度磁場來調(diào)控聚羥基烷酯中丁酸酯和戊酸酯的比例，可操作性強(qiáng)，運(yùn)行簡單，裝置簡易。因此利用外加磁場的方法能為優(yōu)化PHAs的性能，提供一條新路徑。
文檔編號C08G63/06GK101538357SQ20091009773
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者夏云峰, 紅 陳, 皓 黃 申請人:浙江大學(xué)