一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法
【專利摘要】一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，它涉及一種聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法。本發(fā)明方法為：將產(chǎn)PHA混合菌群加入到PHA合成反應體系的主反應區(qū)，進行反應，在反應結束后，關閉進料和曝氣裝置，待沉淀區(qū)菌泥全部回流至主反應區(qū)后關閉回流裝置，去上清液，收集沉淀菌泥，即完成一個完整批次的PHA合成反應。相較于傳統(tǒng)的運行模式，該工藝在PHA合成效能(包括最大PHA含量及底物利用效率)上表現(xiàn)的更為優(yōu)秀，可以有效降低工藝運行成本，并且能夠靈活地匹配不同的混和菌群和底物濃度，創(chuàng)造利于PHA合成的反應條件。
【專利說明】
-種低負荷連續(xù)流聚哲基燒酸脂混和菌群合成方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于生物可降解塑料合成和廢物資源回收領域，具體說即一種通過在低負 荷條件下連續(xù)補加底物從而提高混合菌群聚徑基燒酸脂合成產(chǎn)量，降低運行成本，實現(xiàn)底 物高效利用的工藝方法。
【背景技術】
[0002] 工業(yè)化和現(xiàn)代化推動了 W傳統(tǒng)化工塑料為代表的高分子材料的飛速發(fā)展，其大規(guī) 模應用帶來兩個主要問題：1)石油資源日漸枯竭;2)傳統(tǒng)塑料制品具有不可生物降解的嚴 重缺點，廢棄的塑料制品在環(huán)境中逐年累積，造成了嚴重的環(huán)境污染。能源危機和環(huán)境惡化 促使人們尋找新的材料W取代傳統(tǒng)的石化塑料，W可再生資源為原料且具有可生物降解性 "生態(tài)塑料"應運而生。聚徑基燒酸醋(Polyhyhowa化anoate,PHA)就是一種優(yōu)秀的生態(tài)塑 料，其具有與傳統(tǒng)化工塑料相一致的物化特性，并且易被微生物降解，因此成為替代傳統(tǒng)塑 料的最佳選擇。目前，生物合成PHA的商業(yè)化推廣W純菌發(fā)酵為主，但是相對較高的原料費 用、消毒成本及微生物分離純化費用限制了PHA的規(guī)?；瘧?。而混和菌群（Mixed Microbial化ltures，MMCs)產(chǎn)PHA工藝則是一種完全開放式的發(fā)酵工藝，不需對底物滅菌， 生產(chǎn)工藝全程無需嚴格的措施來控制雜菌污染。食品、發(fā)酵等行業(yè)排出的廢水中含有較高 濃度的可降解有機物，運一類的污水處理可通過厭氧發(fā)酵、水解酸化等工藝轉(zhuǎn)化為W小分 子有機脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，在廢水產(chǎn)酸調(diào)控技術的基礎上，混和菌群利用有機廢水中 碳源合成PHA兼具污染物削減和資源回收的優(yōu)勢?；旌暇篜HA合成工藝普遍將PHA合成菌 馴化和PHA合成區(qū)分開來，對于后者而言，其工藝模式?jīng)Q定馴化成熟的混合菌群能否發(fā)揮其 最大的合成潛力，且會影響到最終產(chǎn)物的結構與性能，其工藝運行效率與復雜程度成為了 混合菌群PHA合成規(guī)模化運用的限制因素。雖然馴化菌群的PHA合成屬于開放體系發(fā)酵，但 目前的工藝模式仍是借鑒純菌發(fā)酵領域的成熟方法，并沒有結合混菌合成的特點進行相應 的改進和優(yōu)化，PHA合成效能（包括最大PHA含量W及系統(tǒng)底物利用效率)較低，因此創(chuàng)造利 于混合菌群發(fā)揮最大PHA合成潛能的工藝條件是提高混和菌群工藝產(chǎn)能的重屯、，在此基礎 之上尋求進一步降低工藝運行成本將對混和菌群PHA合成的規(guī)模化應用產(chǎn)生更為積極的作 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種全新的低負荷連續(xù)補料PHA合成工藝，相較于傳統(tǒng)的 運行模式，該工藝在PHA合成效能（包括最大PHA含量及底物利用效率)上表現(xiàn)的更為優(yōu)秀， 可W有效降低工藝運行成本，并且能夠靈活地匹配不同的混和菌群和底物濃度創(chuàng)造利于 PHA合成的反應條件。
[0004] 本發(fā)明的一種低負荷連續(xù)流聚徑基燒酸脂混和菌群合成方法，是按照W下步驟進 行的：
[0005] -、將馴化成熟的產(chǎn)PHA混合菌群加入到PHA合成反應體系的主反應區(qū)，開啟曝氣 系統(tǒng)，然后將碳源底物w恒定流量累入主反應區(qū)，同時開啟回流系統(tǒng)，調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)，使主 反應區(qū)溶解氧濃度保持在1~5mg/l;
[0006] 二、設定反應的有效運行時間為10~12小時，在反應結束后，關閉進料和曝氣裝 置，待沉淀區(qū)菌泥全部回流至主反應區(qū)后關閉回流裝置，去上清液，收集沉淀菌泥，即完成 一個完整批次的PHA合成反應；
[0007] 所述的PHA合成反應體系為沉淀池和沉降污泥回流管路的連續(xù)攬拌反應器系統(tǒng)， 其中，PHA合成反應體系的主反應區(qū)和沉淀區(qū)的工作體積比設為1: (1.2~1.6)，底物補加量 與回流的流量比為1:(1.4~1.8)，且回流流量限制為:4.5《Vs/Qr《7;其中，Vs為沉淀區(qū)有 效容積，單位為レQr為回流流量，單位為L/h;
[0008]所述的恒定流量計算公式如下：
[0009]
[0010] 其中，化為恒定流量，單位為LA;
[00川 BLR為生物量負荷，單位為Cmol VFA/Cmol X/d;
[001^ Xa為菌泥中活性生物量濃度，單位為Cmol X/l;
[0013] Vr為主反應區(qū)有效容積，單位為レ
[0014] Cs為底物中揮發(fā)酸分子的濃度，單位為Cmol VFA/L。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有混菌PHA相比，具有如下優(yōu)點：
[0016] 本發(fā)明可W直接將有機廢水/廢物的酸酵解產(chǎn)物(抑=4.8-6.5)直接投加于反應 體系當中，并獲得與使用酸/堿調(diào)節(jié)的常規(guī)合成系統(tǒng)一樣的pH穩(wěn)態(tài)環(huán)境，在降低工藝的運行 成本的同時充分發(fā)揮了馴化菌群的PHA合成潛力，相較于常規(guī)的補料工藝在終產(chǎn)物的PHA含 量上具備優(yōu)勢。
[0017] 本發(fā)明于低負荷條件下形成的底物供不應求的食物/微生物關系使得產(chǎn)PHA混合 菌群在獲得高PHA合成比例的同時，實現(xiàn)了底物的高效利用，避免了底物浪費。針對不同的 馴化工藝得到的混菌濃度W及不同的高濃度有機廢水(糖蜜廢水、橄攬油廢水、造紙廢水 等)/廢物(城市污水廠剩余污泥、餐廚垃圾等)水解酸化系統(tǒng)得到的液相末端揮發(fā)酸濃度的 差異性，本發(fā)明中的補料系統(tǒng)可靈活地調(diào)整進料流量使得BLR處于優(yōu)化參數(shù)范圍之內(nèi)，運對 于復雜有機廢水廢物PHA轉(zhuǎn)化的規(guī)模化實踐具有推動作用。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的PHA合成裝置，分為主反應區(qū)和沉淀區(qū)兩部分，◎表示恒流累，^表 示管路;Qs和Qr分別表示底物補加流量和回流流量化A);
[0019] 圖2為本發(fā)明的運行效果圖，反映 PHA合成反應過程的pH自平衡狀態(tài)，其中?表示主 反應區(qū)中混合液pH值，〇表示主反應區(qū)內(nèi)混合液溶解氧值(mg/L)。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0020] 一：本實施方式的一種高效連續(xù)流聚徑基燒酸脂混和菌群合成方 法，具體步驟如下：
[0021] -、PHA合成反應主體為帶有沉淀池和沉降污泥回流管路的連續(xù)攬拌反應器 (continuousstirredtankreactor，CSTR)系統(tǒng)，主反應區(qū)和沉淀區(qū)的工作體積比設為1: (1.2~1.6)，底物補加與回流的流量比設為1: (1.4~1.8)，且回流流量限制為：
[0022] 4.5《Vs/Qr《7
[0023] (Vs為沉淀區(qū)有效容積，Μ Qr為回流流量，LA);
[0024] 二、將已知濃度(Xa)馴化成熟的產(chǎn)PHA混合菌群下簡稱菌泥)加入主反應區(qū)，開 啟曝氣系統(tǒng)，將已知濃度(Cs)W小分子有機酸（乙酸、丙酸、下酸及戊酸的不同組合)為主的 碳源底物W恒定流量(Qs)累入主反應區(qū)，同時開啟回流系統(tǒng)。調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)，使得主反應區(qū) 溶解氧濃度處于3mg/L左右;Qs由W下公式確定：
[0025]
[00%]其中，化單位為LA;
[0027] BLR為生物量負荷(Biomass loading rate,BLR)，本發(fā)明提出的優(yōu)化參數(shù)為3.5- 5.5Cmol VFA/Cmol X/d，屬于低負荷條件；
[002引Xa為菌泥中活性生物量濃度，單位為Cmol X/1;
[0029] Vr為主反應區(qū)有效容積，單位為レ
[0030] Cs為底物中揮發(fā)酸分子的濃度，單位為Cmol VFA/1;
[0031] Ξ、反應的有效運行時間為10~12小時，反應結束時，關閉進料和曝氣裝置，混合 液開始靜沉，待沉淀區(qū)菌泥全部回流至主反應區(qū)后關閉回流裝置，謹去上清液，收集沉淀菌 泥，即完成一個完整批次的PHA合成反應。
[0032] 本實施方式需滿足W下條件：主反應區(qū)實施pH和溶解氧在線監(jiān)測；反應裝置位于 室溫條件下（20度W上）；進料和回流使用可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的恒流累實現(xiàn)，主反應區(qū)需保證曝氣 的充分和攬拌的均勻W獲得均勻的傳質(zhì)效果;主反應區(qū)的出口設置在主反應區(qū)上部，保證 有效容積的同時使混合液W溢流的方式進入沉降區(qū);沉降區(qū)底部傾斜角度的設置W保證菌 泥的充分回流為宜;沉降區(qū)的上清液排出采用溢流方式。
[0033] 本實施方式可W直接將有機廢水/廢物的酸酵解產(chǎn)物(pH = 4.8-6.5)投加于反應 體系當中，并獲得與傳統(tǒng)使用酸/堿調(diào)節(jié)的PHA合成系統(tǒng)一樣的pH穩(wěn)態(tài)環(huán)境，在降低工藝的 運行成本的同時充分發(fā)揮了馴化菌群的PHA合成潛力，在不同的抑條件下，相較于常規(guī)的補 料工藝在終產(chǎn)物的PHA含量上均具備優(yōu)勢。
[0034] 本實施方式創(chuàng)建的低負荷條件下形成的底物供不應求的食物/微生物關系使得產(chǎn) PHA混合菌群在獲得高PHA合成比例的同時，實現(xiàn)了底物的高效利用，避免了底物浪費。針對 不同的馴化工藝得到的混菌濃度W及不同的廢水/廢物水解酸化系統(tǒng)得到的液相末端揮發(fā) 酸濃度的差異性，本實施方式提出的補料系統(tǒng)可靈活地調(diào)整進料流量使得化R處于優(yōu)化條 件范圍之內(nèi)，運對于復雜有機物廢物/生物質(zhì)PHA轉(zhuǎn)化的規(guī)?；瘜嵺`具有推動作用。
【具體實施方式】 [0035] 二:本實施方式與一不同的是：主反應區(qū)實施抑和溶 解氧在線監(jiān)測，反應裝置位于大于20°C環(huán)境內(nèi)。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0036] 本實施方式與一不同的是:進料和回流使用可調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)速的恒流累實現(xiàn)。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0037] 四：本實施方式與一不同的是:主反應區(qū)的出口設置 在主反應區(qū)上部。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0038] 五:本實施方式與一不同的是:沉淀區(qū)去除上清液的 方式是采用溢流進行的。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0039] 六:本實施方式與一不同的是:沉淀區(qū)底部傾斜45~ 65度的。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0040] 屯:本實施方式與一不同的是:主反應區(qū)需保證曝氣 的充分和攬拌的均勻。其它與一相同。
[0041 ]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:碳源底物是W小分子 有機酸為主的碳源底物。其它與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0042] 九:本實施方式與一不同的是:所述的小分子有機酸 為乙酸、丙酸、下酸及戊酸中的一個或幾個按任意比的組合。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0043] 十:本實施方式與一不同的是:所述的化R為生物量負 荷為3.5~5.5Cmol VFA/Cmol X/d。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0044] 十一:本實施方式與一不同的是:對于抑范圍在4.8- 6.5的高濃度有機廢水(糖蜜廢水、橄攬油廢水、造紙廢水等)/廢物(城市污水廠剩余污泥、 餐廚垃圾等)酸酵解產(chǎn)物，無需進行抑預調(diào)節(jié)。產(chǎn)物在進入PHA合成系統(tǒng)之前需去除其中的 有機物顆粒和菌體(膜濾或離屯、）W獲得最佳的工藝運行效果。其它與一相 同。
【具體實施方式】 [0045] 十二：本實施方式與一不同的是：對于營養(yǎng)物質(zhì)（如 氮、憐)含量高的酸酵解產(chǎn)物需進行營養(yǎng)物質(zhì)的脫除，使C/N>50，C/P>100(基于質(zhì)量比）W 獲得最佳的工藝運行效果。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0046] 十Ξ:本實施方式與一不同的是:針對不同的馴化工 藝得到的菌泥濃度W及不同的廢水/廢物水解酸化系統(tǒng)得到的液相末端揮發(fā)酸濃度（即底 物濃度)的差異性，本發(fā)明中的補料系統(tǒng)可靈活地調(diào)整進料流量使得化R處于優(yōu)化參數(shù)范圍 之內(nèi)。針對極端的運行條件（即菌泥濃度和底物濃度的組合對應的進料流量和回流流量超 過步驟1的限制條件），需對菌泥濃度和底物濃度進行調(diào)整(稀釋或濃縮獲得最佳的工藝 運行效果。其它與一相同。
[0047] 本
【發(fā)明內(nèi)容】
不僅限于上述各實施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個【具體實施方式】的組 合同樣也可W實現(xiàn)發(fā)明的目的。
[004引通過W下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
[0049] 本實施例的一種高效連續(xù)流聚徑基燒酸脂混和菌群合成方法，具體步驟如下：
[0050] -、PHA合成反應主體為帶有沉淀池和沉降污泥回流管路的連續(xù)攬拌反應器 (continuous stirred tank reactor,CSTR)系統(tǒng)，主反應區(qū)巧00血）和沉淀區(qū)（700血）的工 作體積比設為1:1.4，回流流量設為:0.1化A;
[0051] 二、采用模擬糖蜜廢水酸酵解產(chǎn)物的復配底物，主要成分是四種揮發(fā)酸分子：乙 酸、丙酸、下酸和戊酸，分別占到總揮發(fā)酸含量的47% ,5% ,46%和2% (基于摩爾量），抑為 5.2;將已知濃度為0.13〇11〇1/巧川化成熟的產(chǎn)?齡混合菌群（^下簡稱菌泥)加入主反應區(qū)， 開啟曝氣系統(tǒng)，將已知濃度為〇.12Cmol/L的W小分子有機酸為主的碳源底物W0.09LA的 恒定流量累入主反應區(qū)，同時開啟回流系統(tǒng)(本實施例中生物量負荷化R為3.86Cmol VFA/ Cmol X/d)。調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)，使得主反應區(qū)溶解氧濃度處于3mg/L左右；
[0052] Ξ、反應的有效運行時間為12小時，反應結束時，關閉進料和曝氣裝置，混合液開 始靜沉，待沉淀區(qū)菌泥全部回流至主反應區(qū)后關閉回流裝置，謹去上清液，收集沉淀菌泥， 即完成一個完整批次的ΡΗΑ合成反應。
[0化3] 本實施例在化R = 3.86Cmol VFA/Cmol X/d的低負荷條件下，直接補加 pH為5.0的 底物，獲得了與使用酸/堿調(diào)節(jié)的常規(guī)補料工藝一樣的抑穩(wěn)態(tài)環(huán)境（圖2所示），在降低工藝 的運行成本的同時充分發(fā)揮了馴化菌群的PHA合成潛力，PHA合成量高于70%，是同底物條 件下(pH、濃度)常規(guī)補料工藝的7倍之多。同時，本實施例實現(xiàn)了底物的高效利用，系統(tǒng)底物 利用效率高達80%，有效避免了底物浪費。
【主權項】
1. 一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于它是按照以下步驟 進tx的： 一、 將馴化成熟的產(chǎn)PHA混合菌群加入到PHA合成反應體系的主反應區(qū)，開啟曝氣系統(tǒng)， 然后將碳源底物以恒定流量栗入主反應區(qū)，同時開啟回流系統(tǒng)，調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)，使主反應區(qū) 溶解氧濃度保持在1~5mg/L; 二、 設定反應的有效運行時間為10~12小時，在反應結束后，關閉進料和曝氣裝置，待 沉淀區(qū)菌泥全部回流至主反應區(qū)后關閉回流裝置，去上清液，收集沉淀菌泥，即完成一個完 整批次的PHA合成反應； 所述的PHA合成反應體系為沉淀池和沉降污泥回流管路的連續(xù)攪拌反應器系統(tǒng)，其中， PHA合成反應體系的主反應區(qū)和沉淀區(qū)的工作體積比設為1:(1.2~1.6)，底物補加量與回 流的流量比為I: (1.4~1.8)，且回流流量限制為:4.5彡Vs/Qr彡7;其中，Vs為沉淀區(qū)有效容 積，單位為L; Qr為回流流量，單位為L/h; 所述的恒定流量計算公式如下：其中，Qs為恒定流量，單位為L/h; BLR為生物量負荷，單位為Cmol VFA/Cmol X/d; Xa為菌泥中活性生物量濃度，單位為Cmol X/L; Vr為主反應區(qū)有效容積，單位為L; Cs為底物中揮發(fā)酸分子的濃度，單位為CmoI VFA/L。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于主反應區(qū)實施pH和溶解氧在線監(jiān)測，反應裝置位于大于20°C環(huán)境內(nèi)。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于進料和回流使用可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的恒流栗實現(xiàn)。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于主反應區(qū)的出口設置在主反應區(qū)上部。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于沉淀區(qū)去除上清液的方式是采用溢流進行的。6. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于沉淀區(qū)底部傾斜45~65度的。7. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于主反應區(qū)需保證曝氣的充分和攪拌的均勻。8. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于碳源底物是以小分子有機酸為主的碳源底物。9. 根據(jù)權利要求8所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于所述的小分子有機酸為乙酸、丙酸、丁酸及戊酸中的一個或幾個按任意比的組合。10. 根據(jù)權利要求1所述的一種低負荷連續(xù)流聚羥基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征 在于所述的BLR為生物量負荷為3.5~5.5Cmol VFA/Cmol X/d。
【文檔編號】C12P7/62GK106011188SQ201610457753
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】溫沁雪, 黃龍, 陳志強
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學