用于在得自废水处理的生物质的分批进料过程中增加多羟基烷酸酯(pha)的生产率的方法
【专利说明】用于在得自废水处理的生物质的分批进料过程中増加多哲 基烧酸醋（PHA)的生产率的方法
[oow] 相关申请 本申请依据35U.S.C. § 119(e)，要求W下美国临时申请的优先权：2013年1月11 日提交的申请系列号61/751449。该申请通过引用W其全文结合到本文中。 柳0引背景 为除去化学需氧量（COD)的废水的生物处理产生生物质。废弃的生物质代表一种固体 废物处置问题。已引起极大关注的一个机会是由生物质例如来自废水处理的活性污泥产生 生物可降解的聚合物。运样，产生的废污泥改为变成可从处理过程收获的有价值的副产物。
[0003] 已知可收获生物质处理废水并使其积聚多径基烧酸醋（PHA)，一组由某些细 菌天然产生的、作为中间的碳和能源库的聚醋。PHA是可从生物质回收并转化为有市 场价值的生物可降解的塑料（其可用于广泛范围的实际应用）的生物聚合物（见例 如，US2010/0200498、W0 2011/070544A2、W0 2011/073744AUW0 2012/022998AUW0 2012/023114A1)。
[0004] 调节生物质中PHA的热稳定性W在从生物质回收PHA期间维持PHA分子量并改进 产品质量（值）的实施方案已描述于W0 2012/022998A1中。合起来说，W上引用的公开提 供将污染控制和残留物处理的设施与具有已知实用和经济价值的生物可降解的和生物基 聚合物的生产整合的方案。基于上述公开，污染控制设施可能现今已经改变（并且在没有 重大修改的许多情况下），W致污泥处置的经济负担抵消了富含PHA的生物质生产的利益。
[0005]通过将运种生物质处置至PHA积聚过程，从而使易生物降解的COD (RBC0D)，例如 作为主要有机底物的挥发性脂肪酸，W受控制的方式进料至废弃（收获的）生物质中，将有 效的废弃生物质（例如来自生物处理系统的过剩的活性污泥），从过程残留物转化为增值 的粗产物，即富含PHA的生物质。在生物质中积聚PHA并生产含有高分子量PHA的富含PHA 的生物质的实施方案描述于W0 2011/070544A2中。
[0006] 描述于W0 2011/070544A2中的方法和过程的应用一般允许PHA在生物质的混合 培养物中积聚。所谓混合培养物是意指包含多于一种类型的细菌种群的混合物的生物质。 生物质一般期望为富含可将RBC0D转化为PHA的细菌种群。尽管任何运样的富集，混合培 养物生物质还将在生物质（其不胆藏PHA并且，如果刺激的话，它们将消耗RBC0DW生产 含非-PHA的生物质）中含有其它种类的细菌。如果生物质的PHA质量的生产率变得少于 非-PHA生物质的生产率，则优选的积聚过程条件丧失。
[0007] 在W0 2011/070544A2中，教导了刺激和维持过程区如何可被用来维持用于工业 规模混合培养物PHA积聚的根据需求进料过程。维持区一般维持呼吸的生物质在相对低的 RBC0D浓度的环境中。刺激区一般在任何给定的时间使部分生物质暴露于相对高的RBC0D 浓度并且W运样做的工作来刺激整个过程生物质至高水平的呼吸，运在很大程度上归因于 将RBC0D转化成储存的PHA的代谢过程。运种整体的高生物质呼吸速率驱动底物的需求， 并且基于维持运种高生物质呼吸速率的控制底物供应藉此可建立"根据需求进料"的工艺 控制策略。因为生物质另外维持在相对低的RBC0D浓度区，因此存在对可获得的底物的限 审ij。非-PHA生物质生产，即是说经细胞分裂的生物质生长，显示当底物浓度相对低时，呼吸 速率通常如例如莫诺方程（MonodEquation)所述与底物浓度成比例。通过控制底物供应 W在维持区中维持相对低的底物水平，非-PHA生物质生产的水平可通过在该过程中给出 对由储存PHA的细菌的呼吸和RBC0D消耗的优先选择而减少。
[0008] 发明人发现，储存PHA的细菌的呼吸和活性可通过使生物质周期地和反复地经历 与维持区隔开的刺激区中"盛宴（feast)"的条件而维持。运种盛宴刺激的条件不必是需氧 的，但充足（虽然短暂）的暴露时间似乎是需要的。在实践中，人们喜欢保持运种刺激期相 对短，W限制非-储存PHA的细菌在该过程中增加呼吸的开始。尽管对于过程和桐察生物 质呼吸的未来发展的其它解释的可能性，发明人发现，一般来说，达到从低水平的内源性呼 吸至高呼吸速率和对于储存PHA的生物质的完全刺激的必要时间具有少于1分钟的时间尺 度重级。
[0009] 发明概述 本文的方法设及从开放的培养物生产富含PHA的生物质。含有生物质的混合液被导 入分批进料反应器。反应器包括至少一个生物质刺激区和至少一个生物质维持区。提供的 进料包含生物可降解的化学需氧量（RBC0D)、生物可利用的氮（脚和生物可利用的憐（P)。 调整进料中相对于RBC0D的生物可利用的N和P的浓度，W使平均N与RBC0D的比率在2 mg-N/g-RBCOD和 15mg-N/g/RBCOD之间和平均P与RBC0D的比率在 0. 5mg-P/g-RBCOD和 3mg-P/g-RBCOD之间。在反应器中的部分生物质暴露于在刺激区中的调节的进料。运刺激 了生物质呼吸速率。提供调节的进料，W使经刺激的生物质的平均呼吸速率为大于生物质 现存最大呼吸速率的50%。然后将暴露于调节的进料的部分生物质转移至维持区。在维持 区，平均RBC0D浓度被维持在少于刺激区中的平均RBC0D浓度的一半。在刺激区和维持区 之间循环含有生物质的混合液。运导致部分生物质反复地暴露于进料并在刺激区达到高呼 吸速率，同时维持生物质部分在运种升高的呼吸速率下，即使在维持区的低RBC0D浓度下。
[0010] 所述方法还设及一种用于在来自开放的混合培养物的生物质中生产PHA的分批 进料过程，即通过W在分批进料过程期间促进PHA在生物质中的胆藏W及与非-PHA生物质 共同生长至少一定的时间段的运样一种方式供应底物，从而： a. 使分批进料过程持续一段时间，伴有在生物质中的增加或稳定水平的PHA含量； b. 在生物质中达到的稳定水平的PHA含量为大于0. 40g-PHA/g-VSS，优选地大于 0. 50g-PHA/g-VSS，且最优选地大于 0. 60g-PHA/g-VSS ; C.易生物降解的有机底物或易生物降解的化学需氧量（RBC0D)与生物可利用的氮 (脚和憐（巧一起供应，其中N/C0D比率平均在2-15mg-N/g-RBCOD的范围内，和P/C0D比 率平均在0. 5-3mg-P/g-RBCOD的范围内； d. 生物质作为整体或部分被反复地刺激W维持平均高于50和优选地高于70%的最大 现存呼吸速率，同时另外维持在平均碳底物浓度低于100且优选地低于10mg-RBCOD/L的 条件下； e. 在任何一个时间将部分生物质循环至升高底物浓度的区，并通过暴露于高于100 mg-RBCOD/L但优选地低于500mg-RBCOD/L且最优选地低于2000mg-RBCOD/L的平均有机 底物峰浓度，刺激至最大现存呼吸速率； f. 在供应给分批进料过程的生物质中PHA的初始含量少于0. 10 g-PHA/g-VSS，优选 地少于0. 05 g-PHA/g-VSS且最优选地少于0. 02 g-PHA/g-VSS ; g.在所述过程中的生物质的初始浓度大于500mg-VSSA，但优选地大于1000mg-VSS/L且最优选地大于2000mg-VSS/L;和 附图简述 图1是显示对于FWP作为RBCOD和乙酸盐作为RBCOD的PHA积聚潜力（PAP) (g-PHA/g-VS巧的图。
[0011]图2是显示对于乙酸盐作为RBC0D，PHA含量（g-PHA/g-VS巧和生产或消耗的质量(g)随时间（小时）推移的图。 阳01引图3是显示对于FWP作为RBC0D，PHA含量（g-PHA/g-VS巧和生产或消耗的质量 (g)随时间（小时）推移的图。
[0013] 图4是显示对于FWP作为RBCOD和乙酸盐作为RBCOD的RBCOD的生物质产量 (g-COD/g-COD)的图。
[0014] 图5是显示PHA积聚潜力（PAP) (g-PHA/g-VS巧对比生物质无机含量和PHA的相 对初始质量（g/g)的图。
[0015] 图6是显示N/C0D或P/C0D对比消耗的N或P的百分量的图。
[0016] 图7是显示N/C0D比率（mgN/gCOD)对比相对质量增加（g/g)的图。
[0017] 图8是显示P/C0D比率（mgP/gCOD)对比相对质量增加（g/g)的图。
[0018] 图9是显示在废水处理过程中实施本发明的实施方案的示意图。
[0019] 图10是不意图。
[0020] 图11是显示控制给予PHA积聚系统的分批进料反应器的各种成分的进料和浓度 的控制示意流程图。
[0021] 图12是控制给予PHA积聚系统的分批进料反应器的各种成分的进料和浓度的控 制系统不意图。 阳0巧发明详述 在混合培养物中的废水生物处理和PHA生产已被证实为一种两阶段的程序。
[0023] 在第一个阶段中，生产生物质度iPP-生物质生产过程），同时W富集具有显著 的PHA-储存效能的生物质的方式提供水质量改善的设施。可W参阅本领域（包括US 2010/0200498、W0 2010/073744A1 和W0 2012/023114A1)的实施例的公开内容。从BiPP收 获的生物质被用作生产PHA的来源。一般来说，从BiPP收获的生物质具有可W忽略的PHA 含量。来自运种收获的生物质的PHA含量应少于干燥生物质重量（g-PHA/g-VS巧的10%，但 更优选地少于5%和甚至更优选地少于2%。
[0024] 在第二个阶段中，从BiPP收获的剩余生物质被用于分批进料PHA生产过程（PPP)。 PPP的目的是在运种生物质中获得高度的PHA积聚。生物质的PHA含量应高于有机干燥固 体含量（g-PHA/g-VS巧的40%，但优选地高于50%，和甚至更优选地高于60%。生物质的高 PHA含量应在尽可能短的时期内达到。一般来说，在生物质中达到最大PHA含量的PHA积聚 过程应该少于48小时，优选地少于24小时，和甚至更优选地少于12小时。 阳0巧]重要的是认识PPP中的现存PHA生产率和平均PHA生产率之间的差别。在营养饥 饿的PHA生产过程中，现存PHA生产率在开始时一般较高并在生物质达到其PHA积聚潜力 (PA巧后数小时可W忽略不计。然而，发明人发现，当足够的营养物与高呼吸速率和限制的 可用性的COD组合提供时，现存PHA生产率可W持续且可W是更高的平均生产率。如果营 养物W合适的量供应，储存PHA的生物体的生长和PHA胆藏可W持续，从而现存PAP由生物 质呈现，且同时，活性生物质总含量随时间增加。增加的平均PHA积聚率，与在经历受限过 程时间的PPP中积聚PHA的活性生物质的共同增加结合，将导致过程生产率的改进。因此， 在实践中，由于向并非RBC0D的过程添加足够的附加营养物，在已达到生物质的最大PAP很 久W后，可多产地操作PPP。从而，为了增加生产率，分批进料混合培养物PHA积聚过程可W 操作更长得多的时间段。为避免在该过程中积聚太高的生物质浓度，可随时间的推移逐渐 地，而非刚好在批处理过程终止的时间点收获富含PHA的生物质。一般来说，PHA积聚过程 可操作大于12小时，优选地大于24小时，和甚至更优选地大于48小时，只要生物质的PHA 含量随着共同发生的非-PHA生物质生产而持续不变。对于PPP的可利用的时间限制依赖 于含有RBC0D、N和P的给料的供应率和从BiPP收获的生物质的供应率。
[0026] COD的供应率促进PHA的胆藏，从而底物根据需要W进料率和应用的手段供应，所 述手段（优先地通过倾向于更快速地吸收碳超过PHA的那些微生物）维持高呼吸速率。如 在此所证实的，在PPP开始时，经刺激进入PHA胆藏的最大呼吸的那些微生物也可能同时增 加活性生物质与PHA胆藏活性。运显示当生物质增加时，同时生物质的PHA含量的速率增 加大于或等于0。
[0027] 在此讨论的实验结果提示，在收获的能够胆藏PHA的BiPP生物质中的那些微生物 可促使在COD同化中维持动态竞争优势。低于正好活性生物质生长的水平和高于营养物饥 饿的水平的