单一反应器中两步法生产生物合成塑料PHA的方法与流程

文档序号:15457481发布日期:2018-09-15 01:31

本发明涉及PHA生产技术领域,具体涉及一种单一反应器中两步法生产生物合成塑料PHA的方法。



背景技术:

传统塑料制品(Conventional plastics)在日常生活中的广泛使用对环境产生了有害影响,这是因为其较低的可生物降解性、生物不兼容性及不可再生的特点。因而,急需寻找一种具有相似特性但环境友好的新材料。聚羟基脂肪酸(PHA)是一类微生物胞内贮存物,可作为胞内碳源及能量储备。PHA的物化特性与传统塑料制品相似,但具有可生物降解及可再生的特点,使其越来越受到研究者们的关注。

为了降低PHA的生产费用及大规模的生产,通常用混合培养代替纯培养进行PHA生产。典型的PHA生产过程包括3步:厌氧发酵产酸、PHA贮存细菌的富集及PHA累积。第一步的厌氧发酵产酸是为了将废弃物或废水转化为挥发性脂肪酸(VFAs),这类短链酸更易于PHA贮存细菌的吸收及PHA的贮存,并将应用于接下来两步的PHA生产过程。第二步的富集过程有两个基本的目的:1)富集具有贮存PHA能力的细菌;2)维持贮存细菌高的生长速率以供第三步PHA生产阶段的使用。PHA贮存细菌的富集通常采用典型的ADF(Aerobic dynamic feeding)工艺来实现。碳基质与营养物质在饱食(外部基质充足)初期同时加入富集系统,形成短的饱食期时长及长的饥饿期(外部基质缺乏)时长,非贮存细菌不具有贮存功能因而不能忍受较长的饥饿期从而被筛选掉。第三步PHA的累积过程是利用第二步过程中富集的稳态污泥在限营养条件下实现PHA的生产最大化。然而,第二步饱食期末获得的是富含PHA的污泥,可直接用于PHA的回收,同时,第三步PHA的累积过程被认为大大增加了PHA的生产成本。



技术实现要素:

本发明的目的是针对上述问题提供一种工艺简单、生产效率高的单一反应器中两步法生产生物合成塑料PHA的方法。

实现该目的的技术方案是:

一种单一反应器中两步法生产生物合成塑料PHA的方法,包括如下步骤:

步骤一、反应器启动阶段:将泥水混合物投入序批式反应器中,运行反应器,每个反应周期为16~20h,前5~7h为生产期,剩下的时间为生长期,在生产期开始时投加碳源,在生产期末尾时排出70~80%体积的泥水混合物,在生长期开始时投加营养物质溶液;

步骤二、反应器运行阶段:运行步骤一直到反应器的运行达到稳定,然后开始运行步骤二,步骤二中将碳基质的投加方式改变为按需脉冲投加,运行周期及营养投加比例、微量元素配方、曝气条件均与步骤一的设置一致。

在上述技术方案中,步骤一中的每日碳源的进料负荷为5.0~5.6g COD/L/d,步骤二中的COD的负荷为7.5~8.1g COD/L/d。

在上述技术方案中,所述碳基质为乙酸钠。

在上述技术方案中,所述反应器为SBR反应器。

在上述技术方案中,所述反应周期为18h,前360min为生产期,剩余的720min为生长期,在生产期末尾时排出3/4体积的泥水混合物。

在上述技术方案中,每个反应周期中加入的营养物质溶液中包括溶液A50ml,溶液B 2ml,烯丙基硫脲5.5mg/L及2.25L水;其中每升溶液A中含有:17.905g(NH4)2SO4,17.522g KH2PO4,7.115g MgSO4·7H2O,2.776g KCl;每升溶液B中含有:0.12g ZnSO4·7H2O,0.15g CaCl2·7H2O,0.12gMnCl2·4H2O,0.06g Na2MoO4·2H2O,0.03g CuSO4·5H2O,0.15g CoCl2·6H2O,3.0g EDTA,1.5g FeCl3·7H2O,0.15g H3BO3。

在上述技术方案中,反应器内的温度为30℃。

在PHA生产初期投加碳基质,在生物质生长初期投加营养物质,将碳基质与营养物质分开投加使非贮存细菌在饱食期和饥饿期均处于生长限制状态。这一新策略称为双生长限制策略,对应的将典型的ADF筛选策略称为单生长限制策略。新的策略为3步PHA生产工艺的PHA贮存细菌的富集步骤与PHA累积步骤的耦合提供了理论支撑。因此,在单一反应器中进行PHA的生产实现PHA贮存细菌的富集步骤与PHA累积步骤的耦合中不仅可以简化PHA的生产步骤,还为PHA的生产提供了一个新的思路。

本发明以乙酸钠作为碳基质为例来说明单一反应器中两步法生产生物合成塑料PHA这一问题,因而,PHA的产品是聚羟基丁酸(PHB)。PHA通常包括PHB,聚羟基丁戊酸(PHV)及聚二甲基三羟基戊酸(PH2MV)。依据PHA生产代谢模型,两个乙酰辅酶A(acetyl-coenzyme-A,Ac-CoA)单体合成一个PHB单体,一个乙酰辅酶A单体与一个丙酰辅酶A(propionyl-coenzyme-A,Pr-CoA)单体合成一个PHV单体,而两个丙酰辅酶A单体合成一个PH2MV单体。乙酸被微生物吸收转化为乙酰辅酶A,丙酸被微生物吸收转化为丙酰辅酶A。

本发明的有益效果是:1)实现了单一反应器中两步生产生物合成塑料PHA,简化了PHA的生产步骤;2)碳基质投加采用的按需脉冲投加的方式,可以强化反应器的PHB贮存效果,系统可吸收更多的碳基质贮存为PHB,收获的PHB产量从约2.7gPHB/L/d增加到约5.3gPHB/L/d,增长了约1倍;微生物中贮存的最大PHB百分含量从70%增加到83%,提升了13%(图4)。

附图说明

图1为本发明方法生产PHB示意图,其中,a为步骤一启动期,b为步骤二运行期。

图2为应用按需投加控制后运行期一个典型周期生产期DO、OUR及dOUR/dt用于指示碳基质投加的信号曲线。

图3为应用按需投加控制后运行期一个典型周期的实验结果,其中,a为生产期,b为生长期,图中cum.Ac表示累积投加的乙酸钠浓度,X表示生物质含量。

图4为反应器中生产过程PHB累积性能变化,其中,a为步骤一启动期,b为步骤二运行期。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明,但并不因此而限制本发明。

下述实施例中的实验方法,如无特别说明,均为常规方法。

实施例1单一反应器中两步法生产生物合成塑料PHA的方法

按照如下步骤操作:

步骤一:反应器的启动阶段

采用碳基质与营养物质分开投加的双生子限制策略来实现启动过程。在生产期(饱食期)初期投加碳基质,限制细菌的生长保证碳基质尽可能向PHB的贮存过程转化。在生长期(饥饿期)投加营养物质,反应器中此时基本不存在外部碳基质,保证了贮存细菌利用贮存过程贮存的PHB来进行生长,同时可将非贮存细菌筛选掉,实施的示意图可见图1a。

污泥来源:重庆市某城市污水处理厂曝气池。

碳基质与营养物质投加:采用SBR反应器。PHA生产(饱食)初期投加碳基质,每日乙酸钠(NaAc)的进料负荷约为5.3g COD/L/d,投加通过蠕动泵实现。生长(饥饿)初期投加的营养物质同时包含Mg,Ca等微量元素满足生长的需要,保证COD:N:P约为69:0.95:1。

周期设置;SBR反应器的有效体积为3.4L,将污泥加入反应器中保证污泥浓度(SS)约为5000mg/L。反应器运行周期为18h,包括生产期(饱食期)360min(初始15min投加碳源乙酸钠溶液,投加量为250ml;末尾3min通过电池阀排3/4泥水混合物),生长期(饥饿期)720min(初始15min投加营养物质溶液2.3L)。每个周期加入的营养物质溶液中包括溶液A 50ml,溶液B 2ml,烯丙基硫脲(ATU,用于防止硝化作用)5.5mg/L及接近2.25L水。其中每升溶液A中含有:17.905g(NH4)2SO4,17.522g KH2PO4,7.115g MgSO4·7H2O,2.776g KCl。每升溶液B中含有:0.12g ZnSO4·7H2O,0.15g CaCl2·7H2O,0.12gMnCl2·4H2O,0.06g Na2MoO4·2H2O,0.03g CuSO4·5H2O,0.15g CoCl2·6H2O,3.0g EDTA,1.5g FeCl3·7H2O,0.15g H3BO3。

其它条件:设置的SBR反应器的污泥停留时间(Sludge Retention Time,SRT)及水力停留时间(Hydraulic RetentionTime,HRT)均为1d。运行过程中通过曝气泵曝气保证溶解氧(DO)高于2mg/L。温度(T)通过恒温水浴锅保持在30℃左右。pH不控制,约在8-9范围内,有利于贮存细菌的筛选、生长。

产品获得:上述周期设置的在生产期末期排放的是3/4体积的富含PHB的活性污泥,可以直接用于提取PHB产品。

步骤二:反应器的运行阶段

当步骤一运行达到稳定状态后开始运行步骤二。本实施例中,步骤一运行大概33天后达到稳定状态。

步骤二是在步骤一的基础上强化反应器中PHB的贮存产量。单次投加大量的碳基质会对PHB合成产生抑制作用,本发明PHB生产步骤是在脉冲投加碳基质条件下实现的。基质采用脉冲投加的方式可以极大地提高PHB在胞内的贮存效果,因为脉冲投加方式可避免基质抑制的影响,实施的示意图可见图1b。

碳基质投加:将碳基质的投加方式改变为按需脉冲投加,实现按需脉冲投加的设备参照专利ZL2009101043126中的设备。按需脉冲投加是基于基质被消耗完全后,溶解氧(DO)信号有一个骤降来指示的,也可以通过氧吸收速率(OUR)信号的陡然上升或是dOUR/dt信号的骤降来指示,结果见图2。为了保证反应器的稳定运行,保持生产期与生长期的时长与步骤一的一致,因而,需控制碳基质的投加总量,此时,COD的负荷约为7.8gCOD/L/d。

条件设置:运行周期及营养投加比例、微量元素配方、曝气等条件均与步骤一的设置一致。

产品获得:与步骤一的相同,生产(饱食)期将外部碳基质吸收贮存为PHA产品,在生产期末期排放的3/4体积富含PHB的活性污泥,可以直接用于提取PHB产品。此时,得到的PHB产品高于步骤一的收获量,见图4。而生长(饥饿)期投加营养物质后,利用排泥后剩余的1/4体积的PHB提供生物质(X)生长的能量,经过生长过程生物质含量可以恢复到排泥前的水平,见图3b。

步骤一是为了获取稳定的具有PHA贮存能力的活性污泥,步骤二是利用步骤一的稳定污泥在一个单一反应器中进行两步生产PHA。两步生产包括PHA生产期与生物质生长期两个过程,第一步生产期通过按需脉冲投加碳源贮存为PHA,末期通过3/4体积的排泥收获PHA;第二步是在生长初期投加营养物质,利用排泥后剩余的1/4体积PHA提供生物质生长的能量,经过生长过程可恢复生物质浓度。本发明收获的污泥中PHA含量达83%,收获量为5.3gPHA/L/d,实现了单一反应器中生产PHA,简化了PHA的生产步骤。

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