嗜鹽古菌在開(kāi)放條件下連續(xù)處理糖蜜酒精廢水生產(chǎn)pha的方法
【專(zhuān)利摘要】嗜鹽古菌在開(kāi)放條件下連續(xù)處理糖蜜酒精廢水生產(chǎn)PHA的方法,屬于PHA的生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】。包括以下步驟:Haloferax?mediterranei菌種活化、在種子培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)、SBR反應(yīng)器內(nèi)以糖蜜酒精廢水進(jìn)行菌種放大培養(yǎng)、連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)以糖蜜廢水進(jìn)行連續(xù)PHA生產(chǎn)、回收排除的剩余污泥中的PHA。連續(xù)流工藝簡(jiǎn)單,相比較發(fā)酵工藝,無(wú)需反復(fù)更換發(fā)酵液,無(wú)需反復(fù)接種菌泥,連續(xù)進(jìn)水連續(xù)出水,各工藝參數(shù)趨于恒定值,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,便于自動(dòng)控制,易于工程操作,PHA產(chǎn)量高,實(shí)現(xiàn)了PHA的連續(xù)生產(chǎn),同時(shí)也做到了剩余污泥的資源化利用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】嗜鹽古菌在開(kāi)放條件下連續(xù)處理糖蜜酒精廢水生產(chǎn)PHA的 方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于PHA的生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種利用嗜鹽古菌Haloferax mediterranei在連續(xù)推流反應(yīng)器中處理糖蜜酒精廢水合成聚羥基脂肪酸酯(PHA)的技術(shù) 方法。該發(fā)明特別適用于糖蜜酒精廢水的預(yù)處理進(jìn)行資源回收,具有廢物利用、能源生產(chǎn)和 資源回收的多重優(yōu)勢(shì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前,全球范圍內(nèi),PHA的工業(yè)化生產(chǎn)普遍采用單底物進(jìn)行純菌批次生物發(fā)酵的 方法。例如,美國(guó)Metabolix公司創(chuàng)造了基因重組的Escherichia coli K12菌株,以葡 萄糖為底物進(jìn)行發(fā)酵,24h可獲得90 %細(xì)胞干重的PHA產(chǎn)品生產(chǎn)。德國(guó)Biomer公司利用 Alcaligenes latus菌株,以蔗糖為底物發(fā)酵進(jìn)行PHA的工業(yè)生產(chǎn)。中國(guó)清華大學(xué)與廣東 江門(mén)生物技術(shù)開(kāi)發(fā)中心有限公司、韓國(guó)科技院(韓國(guó))和寶潔公司(USA)合作,已成功進(jìn)行 了 Aeromonas hydrophila發(fā)酵合成PHA的工業(yè)生產(chǎn)。但是間歇發(fā)酵過(guò)程有明顯的缺陷:① 發(fā)酵過(guò)程中要不斷的向發(fā)酵罐中加入酸堿溶液控制pH,要配置專(zhuān)門(mén)的投加設(shè)備;每個(gè)周期 結(jié)束后發(fā)酵罐要進(jìn)行清洗、消毒;每周期要重新更換發(fā)酵液等,使得人力、物力、動(dòng)力消耗較 大;②生產(chǎn)周期較短,由于分批發(fā)酵時(shí)菌體有一定的生長(zhǎng)規(guī)律,都要經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng) 期、穩(wěn)定期和衰亡期,而且每批發(fā)酵都要經(jīng)菌種擴(kuò)大發(fā)酵、設(shè)備沖洗、滅菌等階段;③生產(chǎn)效 率低,由于在整個(gè)發(fā)酵周期中包括放料、洗罐、加料、滅菌等時(shí)間,實(shí)際有效發(fā)酵時(shí)間短,發(fā) 酵效率很低。為此,如果將間歇發(fā)酵改為連續(xù)生產(chǎn)將克服上述問(wèn)題,提高PHA生產(chǎn)效率,降 低PHA生產(chǎn)成本。
[0003] 在連續(xù)流生物技術(shù)層面,利用工業(yè)廢水作為底物在污水生物處理過(guò)程中收獲PHA 是解決在這一問(wèn)題很好的方式。利用廢水尤其是某些工業(yè)廢水中高含量的有機(jī)物作為碳 源,在進(jìn)行廢水處理的同時(shí)收獲PHA,不僅解決了污水處理問(wèn)題,也使合成PHA過(guò)程中底物 單一性得到改善,對(duì)PHA組分的多樣性提供保證。這樣的方式一方面突破了現(xiàn)在PHA生產(chǎn) 依賴(lài)純菌發(fā)酵的現(xiàn)狀,另一方面也使污水處理和資源回收有效的結(jié)合。因此可以有效地提 高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。
[0004] 糖蜜酒精產(chǎn)業(yè)是我國(guó)目前重要的工業(yè)產(chǎn)業(yè)。該行業(yè)產(chǎn)生的廢水具有有機(jī)含量高、 揮發(fā)性有機(jī)成分高的特性。本發(fā)明方法針對(duì)糖蜜酒精廢水利用嗜鹽古菌H. mediterranei, 在連續(xù)推流反應(yīng)器內(nèi)中對(duì)有機(jī)物廢物進(jìn)行資源回收,實(shí)現(xiàn)在開(kāi)放環(huán)境中PHA的連續(xù)生產(chǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種在連續(xù)推流反應(yīng)器中回收糖蜜酒精廢水合成PHA,實(shí) 現(xiàn)PHA連續(xù)生產(chǎn)的方法。該方法可以大大降低PHA工業(yè)生產(chǎn)成本,從而使PHA更具市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)力,應(yīng)用更廣泛。
[0006] 嗜鹽古菌在開(kāi)放條件下連續(xù)處理糖蜜酒精廢水生產(chǎn)PHA的方法,其特征在于,采 用的裝置為公知的污水處理領(lǐng)域連續(xù)推流工藝反應(yīng)器、鼓風(fēng)曝氣裝置、SBR反應(yīng)器,利用上 述的裝置馴化培養(yǎng)嗜鹽古菌H. mediterranei,在開(kāi)放條件下實(shí)現(xiàn)PHA的連續(xù)生產(chǎn),主要包 括以下步驟:
[0007] 步驟1,將菌株H. mediterranei按照公知的菌種活化方法進(jìn)行活化;
[0008] 步驟2,挑取活化后的純菌株到滅菌后的液體種子培養(yǎng)基,搖床震蕩培養(yǎng),轉(zhuǎn)速 150rpm,溫度37°C,溶解氧濃度> 3mg/L,培養(yǎng)48h ;5000rpm轉(zhuǎn)速下離心懸濁液收獲菌體,然 后將收獲的菌體再次放入滅菌后的種子培養(yǎng)基中,同樣條件下培養(yǎng)24h ;再次以5000rpm轉(zhuǎn) 速離心收獲培養(yǎng)的菌體,然后將離心收獲的菌體全部置于SBR反應(yīng)器中;
[0009] 步驟3,向盛有放大菌體的SBR反應(yīng)器中加入糖蜜酒精廢水,運(yùn)行SBR反應(yīng)器,控制 反應(yīng)條件為溫度室溫,溶解氧> 3mg/L,曝氣時(shí)間20-23h,沉淀l-4h,然后排掉上清液;反復(fù) 重復(fù)操作10-20次,直至SBR內(nèi)的菌體干重達(dá)到3000mg/L以上;
[0010] 步驟4,將沉淀收獲的SBR反應(yīng)器中的菌體全部轉(zhuǎn)到連續(xù)流反應(yīng)器中,啟動(dòng)連續(xù)流 工藝裝置,連續(xù)處理鹽度范圍在40-100g/L的糖蜜酒精廢水,連續(xù)流的工藝參數(shù)為:水力停 留時(shí)間12-20h,有機(jī)負(fù)荷為0. 86-1. 43kgC0DAkgMLSS d),曝氣池溶解氧濃度彡3mg/L,污 泥停留時(shí)間4-6d,污泥回流比為200-300%,運(yùn)行溫度為室溫,二沉池沉淀時(shí)間3-5h ;
[0011] 步驟5,連續(xù)運(yùn)行步驟4連續(xù)推流工藝20-30d后,對(duì)每日從二沉池排出的剩余污泥 進(jìn)行PHA的提取和生產(chǎn)。
[0012] 連續(xù)運(yùn)行步驟4連續(xù)推流工藝20-30d后,系統(tǒng)對(duì)糖蜜酒精廢水的C0D去除率可以 達(dá)到80%,糖蜜酒精廢水轉(zhuǎn)化成PHA的轉(zhuǎn)化率為0. 5-0.8g PHA/g C0D,連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)的PHA 為共聚物PHBV。PHA的含量達(dá)到約菌體干重的40%以上。
[0013] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014] (1)目前國(guó)內(nèi)的PHA生產(chǎn)主要集中于單底物發(fā)酵工藝,使用單底物成本很高,并且 合成PHA的組分單一,PHA應(yīng)用范圍較窄。本發(fā)明利用工業(yè)廢水的復(fù)雜底物,不僅改善了底 物的單一性,同時(shí)進(jìn)行了廢水的資源化;
[0015] (2)本發(fā)明中使用嗜鹽菌,優(yōu)點(diǎn)在于:①高鹽環(huán)境限制了其他非嗜鹽微生物的生 長(zhǎng),因此可以省略嚴(yán)格的滅菌程序;②嗜鹽微生物胞內(nèi)積累的PHA在淡水環(huán)境很容易通過(guò) 溶胞釋放,便于下游回收PHA。③嗜鹽微生物積累的產(chǎn)物PHA多為特殊的共聚物,其物理性 能更適合生產(chǎn)應(yīng)用,因此應(yīng)用前景更好。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)進(jìn)一步降低PHA生產(chǎn)成本,擴(kuò)大PHA適 用范圍具有重要的意義。
[0016] (3)連續(xù)流工藝簡(jiǎn)單,相比較發(fā)酵工藝,無(wú)需反復(fù)更換發(fā)酵液,無(wú)需反復(fù)接種菌泥, 連續(xù)進(jìn)水連續(xù)出水,各工藝參數(shù)趨于恒定值,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,便于自動(dòng)控制,易于工程操作;
[0017] (4)該工藝無(wú)需發(fā)酵罐沖洗裝置、pH調(diào)節(jié)裝置等硬件設(shè)備,減少設(shè)備成本,同時(shí)節(jié) 約能耗;
[0018] (5)連續(xù)流工藝的污泥產(chǎn)量高,從二沉池排出的剩余污泥直接用于PHA的提取和 生產(chǎn),PHA產(chǎn)量高,實(shí)現(xiàn)了 PHA的連續(xù)生產(chǎn),同時(shí)也做到了剩余污泥的資源化利用。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明,但本發(fā)明并不限于以下實(shí) 施例。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 在實(shí)施例中,所用菌種為Haloferax mediterranei,菌種編號(hào)ATCC 33500。
[0022] 該菌株的種子培養(yǎng)基配方為:每1L去離子水對(duì)應(yīng)蛋白胨7. 5g、酵母提取物10g、檸 檬酸鈉3g、硫酸鎂20g、氯化鉀2g、硫酸亞鐵0. Olg、氯化鈉200g所組成的培養(yǎng)基,調(diào)節(jié)pH 至 7. 2。
[0023] 具體實(shí)施步驟如下:
[0024] 步驟1,將購(gòu)買(mǎi)到的菌株H. mediterranei按照公知的菌種活化方法進(jìn)行活化。
[0025] 步驟2,挑取活化后的純菌株到200ml滅菌后的液體種子培養(yǎng)基,搖床震蕩培養(yǎng), 溫度37°C,轉(zhuǎn)速150rpm,溶解氧濃度> 3mg/L,培養(yǎng)48h。5000rmp轉(zhuǎn)速下離心菌懸液收獲菌 體,然后將離心后的菌體全部轉(zhuǎn)入到1L滅菌后的液體種子培養(yǎng)基中,37°C下?lián)u床震蕩培養(yǎng) 24h,轉(zhuǎn)速150rpm,將1L菌懸液再次離心,再次以5000rpm轉(zhuǎn)速離心收獲培養(yǎng)的菌體。然后 將離心收獲的菌體全部置于10L SBR反應(yīng)器中。
[0026] 步驟3,向盛有放大菌體的SBR反應(yīng)器中加入8L糖蜜酒精廢水,運(yùn)行SBR反應(yīng)器。 控制反應(yīng)條件為溫度室溫,溶解氧濃度> 3mg/L,曝氣20h,沉淀4h,排掉4L上清液。然后加 入4L糖蜜酒精廢水,按照上述步驟重復(fù)操作12次。SBR內(nèi)菌體干重達(dá)到3500mg/L。
[0027] 步驟4,將沉淀收獲的SBR反應(yīng)器中的菌體轉(zhuǎn)到連續(xù)流反應(yīng)器中,開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)流 馴化培養(yǎng)。糖蜜酒精廢水C0D濃度為2500mg/L,進(jìn)水C/N= 50,鹽度=50g/L。水力停留時(shí) 間12h,有機(jī)負(fù)荷為1. 43kgC0DAkgMLSS d),曝氣池溶解氧濃度彡3mg/L,污泥停留時(shí)間5d, 污泥回流比為300%,運(yùn)行溫度為室溫,二沉池沉淀時(shí)間4h。污泥主要在曝氣區(qū)消耗廢水 中的碳源合成PHA。
[0028] 步驟5,連續(xù)運(yùn)行連續(xù)推流工藝25d后,系統(tǒng)對(duì)糖蜜酒精廢水的C0D去除率可以達(dá) 到50%以上。糖蜜酒精廢水轉(zhuǎn)化成PHA的轉(zhuǎn)化率為0. 588g PHA/g C0D。生產(chǎn)的PHA為共 聚物PHBV。PHA的含量達(dá)到約菌體干重的21 %。
[0029] 步驟6,對(duì)每日排出連續(xù)流系統(tǒng)的剩余污泥進(jìn)行PHA回收。
[0030] 實(shí)施例2
[0031] 在實(shí)施例中,所用菌種為Haloferax mediterranei,菌種編號(hào)ATCC 33500。
[0032] 該菌株的種子培養(yǎng)基配方為:每1L去離子水對(duì)應(yīng)蛋白胨7. 5g、酵母提取物10g、檸 檬酸鈉3g、硫酸鎂20g、氯化鉀2g、硫酸亞鐵0. 01g、氯化鈉200g所組成的培養(yǎng)基,調(diào)節(jié)pH 至 7. 2。
[0033] 具體實(shí)施步驟如下:
[0034] 步驟1,將購(gòu)買(mǎi)到的菌株H. mediterranei按照公知的菌種活化方法進(jìn)行活化。
[0035] 步驟2,挑取活化后的純菌株到200ml滅菌后的液體種子培養(yǎng)基,搖床震蕩培養(yǎng), 溫度37°C,轉(zhuǎn)速150rpm,溶解氧濃度> 3mg/L,培養(yǎng)48h。5000rmp轉(zhuǎn)速下離心菌懸液收獲菌 體,然后將離心后的菌體全部轉(zhuǎn)入到1L滅菌后的液體種子培養(yǎng)基中,37°C下?lián)u床震蕩培養(yǎng) 24h,轉(zhuǎn)速150rpm,將1L菌懸液再次離心,再次以5000rpm轉(zhuǎn)速離心收獲培養(yǎng)的菌體。然后 將離心收獲的菌體全部置于10L SBR反應(yīng)器中。
[0036] 步驟3,向盛有放大菌體的SBR反應(yīng)器中加入8L糖蜜酒精廢水,運(yùn)行SBR反應(yīng)器。 控制反應(yīng)條件為溫度室溫,溶解氧濃度> 3mg/L,曝氣20h,沉淀4h,排掉4L上清液。然后加 入4L糖蜜酒精廢水,按照上述步驟重復(fù)操作12次。SBR內(nèi)菌體干重達(dá)到3500mg/L。
[0037] 步驟4,將沉淀收獲的SBR反應(yīng)器中的菌體轉(zhuǎn)到連續(xù)流反應(yīng)器中,開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)流 馴化培養(yǎng)。糖蜜酒精廢水C0D濃度為2500mg/L,進(jìn)水C/N= 50,鹽度=50g/L。水力停留時(shí) 間16h,有機(jī)負(fù)荷為1. 07kgC0DAkgMLSS d),曝氣池溶解氧濃度彡3mg/L,污泥停留時(shí)間5d, 污泥回流比為300%,運(yùn)行溫度為室溫,二沉池沉淀時(shí)間4h。污泥主要在曝氣區(qū)消耗廢水中 的碳源合成PHA。
[0038] 步驟5,連續(xù)運(yùn)行連續(xù)推流工藝25d后,系統(tǒng)對(duì)糖蜜酒精廢水的C0D去除率可以達(dá) 到80%以上。糖蜜酒精廢水轉(zhuǎn)化成PHA的轉(zhuǎn)化率為0. 76g PHA/g C0D。生產(chǎn)的PHA為共聚 物PHBV。PHA的含量達(dá)到約菌體干重的43%。
[0039] 步驟6,對(duì)每日排出連續(xù)流系統(tǒng)的剩余污泥進(jìn)行PHA回收。
[0040] 實(shí)施例3
[0041] 在實(shí)施例中,所用菌種為Haloferax mediterranei,菌種編號(hào)ATCC 33500。
[0042] 該菌株的種子培養(yǎng)基配方為:每1L去離子水對(duì)應(yīng)蛋白胨7. 5g、酵母提取物10g、檸 檬酸鈉3g、硫酸鎂20g、氯化鉀2g、硫酸亞鐵0. 01g、氯化鈉200g所組成的培養(yǎng)基,調(diào)節(jié)pH 至 7. 2。
[0043] 具體實(shí)施步驟如下:
[0044] 步驟1,將購(gòu)買(mǎi)到的菌株H. mediterranei按照公知的菌種活化方法進(jìn)行活化。
[0045] 步驟2,挑取活化后的純菌株到200ml滅菌后的液體種子培養(yǎng)基,搖床震蕩培養(yǎng), 溫度37°C,轉(zhuǎn)速150rpm,溶解氧濃度> 3mg/L,培養(yǎng)48h。5000rmp轉(zhuǎn)速下離心菌懸液收獲菌 體,然后將離心后的菌體全部轉(zhuǎn)入到1L滅菌后的液體種子培養(yǎng)基中,37°C下?lián)u床震蕩培養(yǎng) 24h,轉(zhuǎn)速150rpm,將1L菌懸液再次離心,再次以5000rpm轉(zhuǎn)速離心收獲培養(yǎng)的菌體。然后 將離心收獲的菌體全部置于10L SBR反應(yīng)器中。
[0046] 步驟3,向盛有放大菌體的SBR反應(yīng)器中加入8L糖蜜酒精廢水,運(yùn)行SBR反應(yīng)器。 控制反應(yīng)條件為溫度室溫,溶解氧濃度> 3mg/L,曝氣20h,沉淀4h,排掉4L上清液。然后加 入4L糖蜜酒精廢水,按照上述步驟重復(fù)操作12次。SBR內(nèi)菌體干重達(dá)到3500mg/L。
[0047] 步驟4,將沉淀收獲的SBR反應(yīng)器中的菌體轉(zhuǎn)到連續(xù)流反應(yīng)器中,開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)流 馴化培養(yǎng)。糖蜜酒精廢水C0D濃度為2500mg/L,進(jìn)水C/N = 50,鹽度=50g/L。水力停留 時(shí)間20h,有機(jī)負(fù)荷為0. 857kgC0DAkgMLSS d),曝氣池溶解氧濃度彡3mg/L,污泥停留時(shí)間 5d,污泥回流比為300%,運(yùn)行溫度為室溫,二沉池沉淀時(shí)間4h。污泥主要在曝氣區(qū)消耗廢 水中的碳源合成PHA。
[0048] 步驟5,連續(xù)運(yùn)行連續(xù)推流工藝25d后,系統(tǒng)對(duì)糖蜜酒精廢水的C0D去除率可以達(dá) 到70%以上。糖蜜酒精廢水轉(zhuǎn)化成PHA的轉(zhuǎn)化率為0.680g PHA/g C0D。生產(chǎn)的PHA為共 聚物PHBV。PHA的含量達(dá)到約菌體干重的34%。
[0049] 步驟6,對(duì)每日排出連續(xù)流系統(tǒng)的剩余污泥進(jìn)行PHA回收。
【權(quán)利要求】
1. 嗜鹽古菌在開(kāi)放條件下連續(xù)處理糖蜜酒精廢水生產(chǎn)PHA的方法,其特征在于,采用 的裝置為污水處理領(lǐng)域連續(xù)推流工藝反應(yīng)器、鼓風(fēng)曝氣裝置、SBR反應(yīng)器,利用上述的裝置 馴化培養(yǎng)嗜鹽古菌H. mediterranei,在開(kāi)放條件下實(shí)現(xiàn)PHA的連續(xù)生產(chǎn),主要包括以下步 驟: 步驟1,將菌株H. mediterranei進(jìn)行活化; 步驟2,挑取活化后的純菌株到滅菌后的液體種子培養(yǎng)基,搖床震蕩培養(yǎng),轉(zhuǎn)速 150rpm,溫度37°C,溶解氧濃度> 3mg/L,培養(yǎng)48h ;5000rpm轉(zhuǎn)速下離心懸濁液收獲菌體,然 后將收獲的菌體再次放入滅菌后的種子培養(yǎng)基中,同樣條件下培養(yǎng)24h ;再次以5000rpm轉(zhuǎn) 速離心收獲培養(yǎng)的菌體,然后將離心收獲的菌體全部置于SBR反應(yīng)器中; 步驟3,向盛有放大菌體的SBR反應(yīng)器中加入糖蜜酒精廢水,運(yùn)行SBR反應(yīng)器,控制反應(yīng) 條件為溫度室溫,溶解氧> 3mg/L,曝氣時(shí)間20-23h,沉淀l-4h,然后排掉上清液;反復(fù)重復(fù) 操作10-20次,直至SBR內(nèi)的菌體干重達(dá)到3000mg/L以上; 步驟4,將沉淀收獲的SBR反應(yīng)器中的菌體全部轉(zhuǎn)到連續(xù)流反應(yīng)器中,啟動(dòng)連續(xù)流工藝 裝置,連續(xù)處理鹽度范圍在40-100g/L的糖蜜酒精廢水,連續(xù)流的工藝參數(shù)為:水力停留時(shí) 間12-20h,有機(jī)負(fù)荷為0. 86-1. 43kgCODAkgMLSS d),曝氣池溶解氧濃度彡3mg/L,污泥停 留時(shí)間4-6d,污泥回流比為200-300%,運(yùn)行溫度為室溫,二沉池沉淀時(shí)間3-5h ; 步驟5,連續(xù)運(yùn)行步驟4連續(xù)推流工藝20-30d后,對(duì)每日從二沉池排出的剩余污泥進(jìn)行 PHA的提取和生產(chǎn)。
2. 按照權(quán)利要求1的方法,其特征在于,連續(xù)運(yùn)行步驟4連續(xù)推流工藝20-30d后,系 統(tǒng)對(duì)糖蜜酒精廢水的COD去除率達(dá)到80%,糖蜜酒精廢水轉(zhuǎn)化成PHA的轉(zhuǎn)化率為0. 5-0. 8g PHA/g COD,PHA的含量達(dá)到約菌體干重的40%以上。
【文檔編號(hào)】C02F3/12GK104195185SQ201410324698
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】崔有為, 冀思遠(yuǎn), 張宏宇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)