專利名稱：一種合成微生物聚酯的污水生物絮凝法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種合成微生物聚酯的污水生物絮凝法，屬功能高分子材料的生物合成技術(shù)。
微生物聚酯是一類存在于微生物細胞中的生物高分子(或稱為聚羥基烷酸酯PHA)，具有熱塑性、易加工性、生物相容性、完全生物降解性和較好的機械性能，因而作為生物活性高分子和可降解塑料有著巨大的應(yīng)用前景。微生物聚酯一般采用生物發(fā)酵的方法合成，但由于造價昂貴，使其推廣應(yīng)用受到極大的限制。如何大幅度降低微生物聚酯的成本一直是國內(nèi)外有關(guān)研究者努力解決的一大難題。目前，微生物聚酯的生物發(fā)酵一般利用單一菌種和純碳源，例如Alcaligenes eutrophus N 9A以果糖為碳源積累聚羥基丁酸酯(PHB),Thiocystis violacea以乙酸為碳源積累PHB,Haloferarm editerranei以淀粉為碳源產(chǎn)生聚羥基丁酸-羥基戊酸共聚物，Pseudomonas acidovorans以辛酸為碳源、Protomonas extorquens以甲醇為碳源合成3-羥基丁酸酯、3-羥基戊酸酯、4-羥基戊酸酯共聚物等等。它們的共同特點是利用了單一的自然界菌種或人工誘變菌種，碳源基本上都是寶貴的農(nóng)副產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品，成本較高，發(fā)酵過程操作復(fù)雜，需嚴格控制，而且大多數(shù)存在菌種不穩(wěn)定，產(chǎn)率低等問題，難以實現(xiàn)工業(yè)化。例如英國ICI公司利用真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌突變株以葡萄糖為碳源合成聚羥基丁酸酯(PHB)，已達到500噸/年的生產(chǎn)規(guī)模，積累PHB為干細菌的75％以上，產(chǎn)品價格為3～4$/Kg，遠遠高于一般合成塑料，目前難以被市場接受。此外，微生物聚酯種類繁多，其組成結(jié)構(gòu)不同，性能也有很大差別，而現(xiàn)在研究較多的基本上是PHB及其共聚物的生物合成，對于脂肪族聚酯這一類材料的其它品種的生物合成及結(jié)構(gòu)性能研究是遠遠不夠的。所以我們認為，在合成不同組成和結(jié)構(gòu)的微生物聚酯并降低其生物合成成本方面，還有許多問題尚未得到完善解決。
本發(fā)明的目的就是為了克服和解決現(xiàn)有采用生物發(fā)酵方法合成微生物聚酯存在只利用自然界單一純菌種、消耗大量農(nóng)副產(chǎn)品及工業(yè)產(chǎn)品資源、合成成本高、發(fā)酵過程操作控制復(fù)雜，且存在菌種不穩(wěn)定、產(chǎn)率低、難以獲得多種組成、多種結(jié)構(gòu)的微生物聚酯，難于實現(xiàn)工業(yè)化，難于推廣應(yīng)用等的缺點和問題，研究發(fā)明一種利用污水生物處理過程，采用自然界的混合菌種，用取之不盡的污水為有機營養(yǎng)物，廢物利用，變廢為寶，節(jié)省大量的農(nóng)副產(chǎn)品及工業(yè)產(chǎn)品，合成設(shè)備簡單，成本低，操作控制簡便，便于工業(yè)化，便于推廣應(yīng)用，可合成不同組成和不同結(jié)構(gòu)的微生物聚酯的污水生物絮凝法。
本發(fā)明是通過下述方法技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明的原理是根據(jù)污水的生物處理過程中產(chǎn)生生物絮凝，而生物絮凝的產(chǎn)生與PHA在細胞內(nèi)的積累成正比，因此在污水的生物處理中控制細菌的生長環(huán)境可獲得PHA。具體方法是利用生活污水和工業(yè)廢水為營養(yǎng)物，接種活性污泥，采用微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)和間歇式好氣培養(yǎng)兩步法合成PHA(1)微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)將取得的工業(yè)廢水或生活污水經(jīng)過濾凈化處理后，接種活性污泥放入

圖1所示的PHA合成裝置中，通入氮氣5～15分鐘并保持10分鐘；為了穩(wěn)定污水品質(zhì)，大量產(chǎn)生和繁殖可積累PHA的優(yōu)勢菌，加入一定濃度的微量調(diào)節(jié)物；乙酸50～200毫克/升、丙酸鈉100～250毫克/升、酵母10～80毫克/升、流酸胺10～100毫克/升、硫酸鎂50～150毫克/升、氯化鈣10～100毫克/升、氯化鉀5～50毫克/升、磷酸氫鉀15～100毫克/升、蛋白胨40～160毫克/升等，調(diào)節(jié)使其pH=7～8；通入0.01～0.05米3/小時微量氧氣進行微嗜氣培養(yǎng)10～20小時，溫度為25～30℃；加大供氧量至0.1～0.5米3/小時，進行好氣馴化培養(yǎng)10～24小時。為了增加生物絮凝，在微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)過程中進行換水處理4～8次，操作方法如下停止通氣30～50分鐘，待生物絮凝沉淀后，倒出三分之一的上層清液，再加入等量的新鮮污水和微量調(diào)節(jié)物；(2)間歇式好氣培養(yǎng)在上述微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)的污水生物絮體中加入乙酸鈉或丙酸鈉、葡萄糖等，促使絮體細菌內(nèi)的PHA大量積累，其濃度為1％～5％(重量百分比)，按0.3～1.2米3/小時的速度連續(xù)通入壓縮空氣，進行好氣培養(yǎng)12～48小時；(3)PHA的提取將上述培養(yǎng)液靜置2～3小時，待生物絮體完全沉淀后倒去上層清液，所得固體物經(jīng)離心分離、清洗和干燥后得到干菌體，采用通用有機溶劑法或表面活性劑加次碳酸鈉處理法提取PHA。
上面所述的圖1所示的PHA合成裝置，它由氧氣罐1、氮氣罐2、氣門閥3、加料口4、尾氣出口5、發(fā)酵罐6、換水口7、排料口8共同連接構(gòu)成，其相互連接關(guān)系為氧氣罐1和氮氣罐2通過管道和氣門閥3與發(fā)酵罐6相側(cè)頂部，換水口7通過管道及閥門安裝于發(fā)酵罐6的右側(cè)中部，排料口8通過管道及閥門安裝于發(fā)酵罐右側(cè)下部。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下的優(yōu)點和有益效果(1)用本發(fā)明方法所獲得的PHA是以下多種羥基烷酸酯的共聚物或共混物β-羥基丁酸酯，β-羥基戊酸酯，4-羥基戊酸酯，β-羥基葵酸酯，羥基十六酸酯，羥基十六碳烯酸酯，羥基十八碳烯酸酯，羥基十四酸酯等，根據(jù)污水成分、微量調(diào)節(jié)物和補充碳源的不同，以上各成分所占的比例不同，分子量為50000～1500000，其分子結(jié)構(gòu)式和含量范圍見表1；(2)采用本方法可獲得不同組成和不同結(jié)構(gòu)的聚羥基烷酸酯，以乙酸鈉或丙酸鈉為補充碳源時，PHA共聚物分子鏈上有羥基十六碳烯酸酯和羥基十八碳烯酸酯等彈性鏈段，降低了PHA的脆性，通過雙鍵的交聯(lián)反應(yīng)使其形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可大大提高材料的韌性和機械強度；(3)本方法合成的PHA的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為10～80℃，熔點為50～170℃，熱分解溫度為200～300℃，可在較低的溫度范圍進行塑化成型加工，該聚合物可于1～2年內(nèi)在自然環(huán)境下或生物活體內(nèi)完全降解，有著廣泛的應(yīng)用前景，如生物組織工程材料，具有藥物緩釋作用的人體或環(huán)境適應(yīng)載體，可完全生物降解的特殊或通用塑料制品等等；(4)本合成方法利用污水和自然界存在的混合菌種直接發(fā)酵合成PHA，節(jié)省大量寶貴的農(nóng)副產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品資源，大大降低了合成成本，達到了廢物利用，變廢為寶的效果；本方法所需設(shè)備簡單，操作控制簡便，有利于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，有利于PHA的推廣應(yīng)用。
表1所得PHA的分子結(jié)構(gòu)式和含量范圍
下面對說明書附圖進一步說明如下圖1為聚羥基烷酸酯PHA生物合成裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為氧氣罐、2為氮氣罐、3為氣門閥、4為加料口、5為尾氣出口、6為發(fā)酵罐、7為換水口、8為排料口。
發(fā)明人經(jīng)過長期的研究，有很多成功的實施例。其實方式是只要說明書所述的采用微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)和間歇式好氣培養(yǎng)兩步法合成PHA，就能夠成功實施。下面舉如下三個實施例實施例1取工業(yè)廢水1000毫升經(jīng)過濾凈化處理后接種活性污泥，加入圖1所示的PHA生物合成裝置中，通入氮氣10分鐘，保持10分鐘；加入微量調(diào)節(jié)物成份及其用量見表2，調(diào)節(jié)至pH=7，通入微量氧氣0.02米3/小時，微嗜氣培養(yǎng)10小時，增加供氧量至0.15米3/小時，進行好氣馴化14小時，培養(yǎng)溫度25～28℃，中間換水4次；微嗜氣培養(yǎng)結(jié)束后有大量生物絮凝，此時加入補充碳源乙酸鈉12克，通入壓縮空氣0.3米3/小時，好氣馴化培養(yǎng)24小時；停止通氧后，靜置2小時，待生物絮體完全沉淀后倒去上層清夜，所得固體物經(jīng)離心分離、清洗和干燥后得到干菌體8.36克；將干菌體在氯仿中加熱抽提24小時，加入正己烷使PHA沉淀，經(jīng)過濾，干燥后得PHA0.919克，產(chǎn)率為干菌重的11.2％。采用氣相普-質(zhì)譜分析法、核磁共振法、凝膠滲透色普及熱分析等方法對所得PHA的結(jié)構(gòu)、分子量和性能進行分析測試。
表2微量調(diào)節(jié)物的成分及其用量乙酸 117毫克/升乙酸鈉130毫克/升酵母 37毫克/升硫酸胺70毫克/升硫酸鎂89毫克/升氯化鉀70毫克/升氯化鈣17毫克/升磷酸氫鉀 60毫克/升蛋白胨100毫克/升實施例2除下面的特別說明外，其它合成條件與實施例1相同。微嗜氣馴化所用微量調(diào)節(jié)物磷酸氫鉀100毫克/升，乙酸88毫克/升，通氧量為0.25米3/小時，培養(yǎng)20小時；好氣培養(yǎng)加入補充碳源乙酸鈉25克/升。
實施例3微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)條件與實施例2相同，加入補充碳源丙酸鈉20克/升，好氣培養(yǎng)18小時。
對上述三個實施例的不同條件下合成的PHA，其性能比較如下表3所示表3不同條件合成的PHA的性能比較
權(quán)利要求
1.一種合成微生物聚酯的污水生物絮凝法，其特征在于利用生活污水和工業(yè)廢水為營養(yǎng)物，接種活性污泥，采用微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)和間歇式好氣培養(yǎng)兩步法合成PHA(1)微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)將取得的工業(yè)廢水或生活污水經(jīng)過濾凈化處理后，接種活性污泥，放入PHA合成裝置中，通入氮氣5～15分鐘并保持10分鐘；為了穩(wěn)定污水品質(zhì)，大量產(chǎn)生和繁殖可積累PHA的優(yōu)勢菌，加入一定濃度的微量調(diào)節(jié)物；乙酸50～200毫克/升、丙酸鈉100～250毫克/升、酵母10～80毫克/升、流酸胺10～100毫克/升、硫酸鎂50～150毫克/升、氯化鈣10～100毫克/升、氯化鉀5～50毫克/升、磷酸氫鉀15～100毫克/升、蛋白胨40～160毫克/升等，調(diào)節(jié)使其pH=7～8；通入0.01～0.05米3/小時微量氧氣進行微嗜氣培養(yǎng)10～20小時，溫度為25～30℃；加大供氧量至0.1～0.5米3/小時，進行好氣馴化培養(yǎng)10～24小時。為了增加生物絮凝，在微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)過程中進行換水處理4～8次，操作方法如下停止通氣30～50分鐘，待生物絮凝沉淀后，倒出三分之一的上層清液，再加入等量的新鮮污水和微量調(diào)節(jié)物；(2)間歇式好氣培養(yǎng)在上述微嗜氣-好氣馴化培養(yǎng)的污水生物絮體中加入乙酸鈉或丙酸鈉、葡萄糖等，促使絮體細菌內(nèi)的PHA大量積累，其濃度為1％～5％(重量百分比)，按0.3～1.2米3/小時的速度連續(xù)通入壓縮空氣，進行好氣培養(yǎng)12～48小時；(3)PHA的提取將上述培養(yǎng)液靜置2～3小時，待生物絮體完全沉淀后倒去上層清液，所得固體物經(jīng)離心分離、清洗和干燥后得到干菌體，采用通用有機溶劑法或表面活性劑加次碳酸鈉處理法提取PHA。
全文摘要
本發(fā)明是一種合成微生物聚酯的污水生物絮凝法,它是利用污水為菌源和營養(yǎng)物,采用微嗜氣－好氣馴化培養(yǎng)和間歇好氣培養(yǎng)合成PHA,具體為:將污水凈化后放入合成裝置中,通入氮氣并保持一定時間產(chǎn)生繁殖菌種,加入一定濃度微量調(diào)節(jié)物調(diào)節(jié)至pH=7～8,通入微量氧氣進行微嗜氣培養(yǎng)一定時間,再好氣培養(yǎng)一定時間,再加入乙酸鈉或丙酸鈉、葡萄糖等,并連續(xù)通入壓縮空氣進行好氣培養(yǎng)一定時間,最后提取PHA。本方法合成設(shè)備簡單、操作簡便、成本低,便于工業(yè)化,便于PHA推廣應(yīng)用。
文檔編號C02F1/54GK1225338SQ9812648
公開日1999年8月11日 申請日期1998年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月28日
發(fā)明者鄭裕東, 鐘青華, 李吉波, 黃炯亮, 肖詩鐵 申請人:華南理工大學(xué)