CN101469061B

CN101469061B - 利用活性污泥生产可生物降解塑料的方法

Info

Publication number: CN101469061B
Application number: CN2007103047809A
Authority: CN
Inventors: 刘俊新; 曲波
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2027-12-29
Also published as: CN101469061A

Abstract

本发明涉及环境生物技术领域，特别涉及一种利用活性污泥生产可生物降解塑料(聚羟基链烷酸酯(PHA))的方法。在序批式反应器中，以活性污泥为菌种，采用动态底物投加方式将包含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液加入到序批式反应器中，在好氧条件下培养具有聚羟基链烷酸酯贮存能力的活性污泥。将序批式反应器排出的具有贮存聚羟基链烷酸酯能力的活性污泥转移到另外一个反应器中，同时投加包含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液，经好氧反应，使活性污泥中的微生物细胞内贮存的聚羟基链烷酸酯达到饱和。含有聚羟基链烷酸酯的污泥进入下游工艺提取聚羟基链烷酸酯。本发明的方法，为低成本的生产环境友好型新材料提供了可能。

Description

利用活性污泥生产可生物降解塑料的方法

技术领域

本发明涉及环境生物技术领域，特别涉及一种利用活性污泥生产聚羟基链烷酸酯(PHA)的方法。

背景技术

聚羟基链烷酸酯(PHA)是一种生物聚酯，可由细菌合成作为细菌胞内碳源和能源的贮存物。PHA具有与传统塑料聚乙烯和聚丙烯相似的机械性质，并且无毒无害，可完全生物降解，是一种非常优良的可生物降解塑料。当前，PHA的生产主要是通过纯培养发酵工艺。这种工艺需要筛选高贮存能力的菌株，或通过基因重组技术构建基因工程菌，并在纯培养条件下，好氧发酵获得较高胞内PHA含量的生物量，之后进行提取获得PHA。但是，这种方法生产的PHA并没有得到广泛的应用，主要原因是生产成本过高，相关报导参见Khanna S，Srivastava AK(2005)Recent advances in microbialpolyhydroxyalkanoates.Process Biochem 40：607～619，及Lee SY(1996)Plasticbacterial？Progress and prospects for polyhydroxyalkanoate production in bacteria.Trends Biotechnol 14：431～438。商业化的PHA产品，其生产成本常常是聚乙烯的8～10倍。纯菌种的筛选和构建，纯培养发酵工艺所需要的高品质底物(培养液)，以及需无菌操作的纯培养发酵过程是构成高成本的主要因素。而这些因素都是纯培养发酵工艺所必需的，因此这种方法生产的PHA，其成本很难被进一步降低。

活性污泥法是世界范围内应用最广泛的污水生物处理方法。最近的研究表明，在一定条件下，活性污泥可以在其微生物细胞内贮存PHA。但是常规的活性污泥中，PHA在活性污泥中的微生物细胞内的含量往往质量浓度不足20％。在纯培养体系内，PHA在微生物细胞内的质量浓度含量可达到80％以上。因此，必须采用特殊的运行方式，提高活性污泥中的微生物细胞的贮存能力，才能使活性污泥合成PHA这种方法具有竞争力。这也是本发明需要解决的主要技术难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用活性污泥生产可生物降解塑料的方法，利用活性污泥合成可生物降解塑料，大幅度提高活性污泥的PHA贮存能力。

本发明的利用活性污泥生产可生物降解塑料的方法包括以下步骤：

1)在一个序批式反应器(SBR)中，以活性污泥为菌种，向序批式反应器中接种活性污泥，通过动态的底物投加方式将包含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液加入到序批式反应器中，得到混合液，搅拌并充入空气开始好氧反应，在好氧条件下培养活性污泥，得到具有贮存聚羟基链烷酸酯能力的活性污泥；

2)将步骤1)得到的具有贮存聚羟基链烷酸酯能力的活性污泥投入到反应器中，一次性将包含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液加入到反应器中，得到混合液，搅拌并向混合液中充入空气，好氧条件下反应，使活性污泥中的微生物细胞内贮存的聚羟基链烷酸酯达到饱和，此时反应停止；将微生物细胞内贮存的聚羟基链烷酸酯达到饱和的活性污泥进入到下游工序提取聚羟基链烷酸酯产品，即实现了利用活性污泥生产可生物降解塑料产品的目的。

所述的步骤1)或步骤2)混合液中的污泥浓度控制在MLSS＝2500～5000mg/L；培养液的浓度控制在60Cmmol/L～120Cmmol/L。

步骤1)所述的动态的底物投加方式是指在10～30分钟内将培养液匀速地投加入序批式反应器中，投加培养液的体积为序批式反应器容积的一半，以容积为2升的序批式反应器为基准。

所述的步骤1)或步骤2)的培养中包含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液是在每升去离子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各10～30Cmmol，及160～480mg的氯化铵或硫酸铵、50～200mg的硫酸镁或氯化镁、10～30mg的乙二胺四乙酸、80～240mg的磷酸氢二钾、10～60mg的磷酸二氢钾、30～100mg的氯化钙、10～40mg的酵母浸膏和2mL微量元素溶液。微量元素溶液是在每升去离子水中含有100～300mg的氯化铁，100～200mg的硼酸，100～200mg的氯化钻，100～200mg的氯化锰，100～200mg的硫酸锌，100～200mgmg的碘化钾，50～100mg的钼酸钠，50～100mg的氯化镍和10～30mg的氯化铜。

步骤1)所述的在好氧条件下培养活性污泥的时间是4～12小时。

步骤2)所述的好氧条件下反应的时间是2～12小时。

本方法具有如下优点：

1.本发明的方法操作简便，无需无菌条件，长期操作没有染菌之虞。

2.本方法无需筛选专门菌种，活性污泥来源广泛，而且一次接种，便可持续使用。

3.本发明方法中的活性污泥可以利用低品质的底物，甚至是含有挥发性脂肪酸的废水，因而可以大幅度削减生产成本。

4.本发明的方法无需专门的发酵设备，节省初次投资，为低成本的生产环境友好型新材料提供了可能。

附图说明

图1.本发明活性污泥合成可生物降解塑料一聚羟基链烷酸酯(PHA)的工艺过程图。

附图标记

1.培养液储存罐 2.蠕动泵 3.序批式反应器 4.气泵 5.反应器

具体实施方式

实施例1

本发明方法采用工艺过程见图1。采用动态底物投加方式来培养具有聚羟基链烷酸酯贮存能力的活性污泥。首先，在序批式反应器3(有效容积2升)中接种1升污水处理厂的活性污泥，之后通过气泵4充入空气开始好氧反应，共历时6小时。在好氧反应的最初10分钟内，培养液储存罐1中的含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液由蠕动泵2匀速注入序批式反应器3中，培养液的注入量为1升，混合液中的污泥浓度控制在MLSS＝2500～5000mg/L，培养液的浓度大约控制在120Cmmol/L。在好氧反应结束前5分钟，排出83毫升混合液。之后沉淀10分钟，开始排出上清液，排上清液5分钟后，闲置45分钟。之后补充培养液至1升进入下一个活性污泥培养循环。好氧反应阶段，保证溶解氧浓度不低于饱和度的40％，搅拌速率是300转/分钟。

当SBR运行稳定后，将其排出的活性污泥注入到反应器5中，同时注入含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液，使混合液体积达到反应器5的有效容积的80％，混合液中的污泥浓度控制在MLSS＝2500～5000mg/L，培养液的浓度大约控制在120Cmmol/L。开始好氧反应，好氧反应历时10小时。溶解氧浓度保持在70％以上，搅拌速率300转/分钟。当供氧量保持不变的情况下，溶解氧浓度突然跃升时，便可停止反应。此时活性污泥中含有大量的聚羟基链烷酸酯颗粒。通过氨水水解方法可提取聚羟基链烷酸酯。此方法中，聚羟基链烷酸酯的产率0.65Cmmol/Cmmol，微生物细胞内聚羟基链烷酸酯重量占微生物细胞干重的63％。

采用的培养液：在每升去离子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各15Cmmol，及320mg的氯化铵、100mg的硫酸镁、20mg的乙二胺四乙酸、160mg的磷酸氢二钾、38mg的磷酸二氢钾、70mg的氯化钙、20mg的酵母浸膏和2mL微量元素溶液。微量元素溶液是在每升去离子水中含有300mg的氯化铁，150mg的硼酸，150mg的氯化钴，120mg的氯化锰，120mg的硫酸锌，120mg的碘化钾，60mg的钼酸钠，60mg的氯化镍和30mg的氯化铜。

实施例2

实施例2与实施例1的工艺过程相同，但具体的运行参数有所不同，不同之处在于：

1)培养液的投加时间由10分钟增加到30分钟；

2)序批式反应器3的好氧反应时间由6小时增加到12小时；

3)反应器5的好氧反应时间由10小时增加到12小时；

4)培养液成分和浓度不同，实施例2所用培养液成分及各成分浓度为：

每升去离子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各30Cmmol，及480mg硫酸铵、200mg氯化镁、30mg乙二胺四乙酸、240mg磷酸氢二钾、60mg磷酸二氢钾、100mg氯化钙、40mg酵母浸膏和2mL微量元素溶液。微量元素溶液(每升去离子水中包括)：200mg氯化铁，200mg硼酸，200mg氯化钴，200mg氯化锰，200mg硫酸锌，200mg碘化钾，100mg钼酸钠，100mg氯化镍，30mg氯化铜。

实施例2中，聚羟基链烷酸酯的产率0.51Cmmol/Cmmol，微生物细胞内聚羟基链烷酸酯重量占微生物细胞干重的57％。

实施例3

实施例3与实施例1的工艺过程相同，但具体的运行参数有所不同，不同之处在于：

1)培养液的投加时间由10分钟增加到20分钟；

2)序批式反应器3的好氧反应时间由6小时减少到4小时；

3)反应器5的好氧反应时间由10小时减少到2小时；

实施例3中所用培养液与实施例1中相同，但混合液中的污泥浓度控制在MLSS＝2500～5000mg/L，培养液的浓度控制在60Cmmol/L。实施例3中，聚羟基链烷酸酯的产率0.57Cmmol/Cmmol，微生物细胞内聚羟基链烷酸酯重量占微生物细胞干重的42％。

Claims

1.一种利用活性污泥生产可生物降解塑料的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

1)在一个序批式反应器中，以活性污泥为菌种，向序批式反应器中接种活性污泥，通过动态的底物投加方式将包含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液加入到序批式反应器中，得到混合液，搅拌并充入空气开始好氧反应，在好氧条件下培养活性污泥，得到具有贮存聚羟基链烷酸酯能力的活性污泥；

2)将步骤1)得到的具有贮存聚羟基链烷酸酯能力的活性污泥投入到反应器中，一次性将包含挥发性脂肪酸的矿物盐培养液加入到反应器中，得到混合液，搅拌并向混合液中充入空气，好氧条件下反应，使活性污泥中的微生物细胞内贮存的聚羟基链烷酸酯达到饱和，此时反应停止；将微生物细胞内贮存的聚羟基链烷酸酯达到饱和的活性污泥进入到下游工序提取聚羟基链烷酸酯产品；

所述的培养液是在每升去离子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各10～30Cmmol，及160～480mg的氯化铵或硫酸铵、50～200mg的硫酸镁或氯化镁、10～30mg的乙二胺四乙酸、80～240mg的磷酸氢二钾、10～60mg的磷酸二氢钾、30～100mg的氯化钙、10～40mg的酵母浸膏和2mL的微量元素溶液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤1)所述的动态的底物投加方式是指在10～30分钟内将培养液匀速地投加入序批式反应器中，投加培养液的体积为序批式反应器容积的一半，以容积为2升的序批式反应器为基准。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的步骤1)或步骤2)混合液中的污泥浓度控制在MLSS＝2500～5000mg/L，培养液的浓度控制在60Cmmol/L～120Cmmol/L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的微量元素溶液是在每升去离子水中含有100～300mg的氯化铁、100～200mg的硼酸、100～200mg的氯化钴、100～200mg的氯化锰、100～200mg的硫酸锌、100～200mg的碘化钾、50～100mg的钼酸钠、50～100mg的氯化镍和10～30mg的氯化铜。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤1)所述的在好氧条件下培养活性污泥的时间是4～12小时。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤2)所述的好氧条件下反应的时间是2～12小时。