CN101993896A - 一种以蓝藻为底物经偶联发酵连续生产氢气和聚羟基烷酸酯的方法 - Google Patents

Abstract

一种以蓝藻为底物经偶联发酵连续生产氢气和聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)的方法，涉及到偶联发酵反应器技术和蓝藻厌氧产氢关键技术，属于环境工程技术和生物能源和生物材料领域。本发明给出了偶联发酵反应器的特征和蓝藻厌氧发酵连续产氢产PHA关键技术：打捞后太湖蓝藻经预处理后，与厌氧微生物菌群在酸化罐内混合并通过厌氧发酵产氢，氢气经排水集气法收集；酸化罐内的发酵液经泵打入偶联的好氧发酵罐内产PHA。本发明的整体工艺的经济和社会效益，可为进一步拓宽蓝藻高值化利用渠道，以及为蓝藻等有机废弃物减量化、无害化、资源化技术提供新的选择。

Description

一种以蓝藻为底物经偶联发酵连续生产氢气和聚羟基烷酸酯的方法

技术领域

一种以蓝藻为底物经偶联发酵连续生产氢气和聚羟基烷酸酯（PHA）的方法，本发明涉及蓝藻等有机废弃物减量化、无害化、资源化领域的环境工程技术，通过偶联发酵装置将打捞后蓝藻分别生物转化为氢气和可降解生物材料。属于环境工程技术领域。

背景技术

随着城市化以及工业化进程的加快，目前我国大部分湖泊均已呈现不同程度的富营养化状态，并成为我国主要环境问题之一。水体的富营养化，以及水文气象的异常变化还直接导致藻类水华的频繁发生，其中蓝藻是引起藻类水华污染的主要藻类。蓝藻爆发不仅污染环境、影响景观、破坏生态，甚至造成饮用水危机，并成为关系到民众饮水安全的国计民生问题。2007年5月爆发的无锡水危机便是太湖的污染所造成，是我国经济发展与环境问题冲突的缩影。因而，解决太湖污染问题不仅对我国经济发展模式具有一定的指导意义，也是响应国家科技中长期发展规划纲要和太湖流域水环境综合治理总体方案的要求。蓝藻的打捞和打捞后的处置是减轻湖泊富营养化危害和改善湖泊质量的一条有效及必要途径。目前，国内外对蓝藻的处置方式多样性，主要有焚烧和产沼气、堆肥、提取藻蛋白、提取色素等（图2）。和其他有机（废弃）物一样，蓝藻厌氧消化过程大致可分为水解、酸化、乙酸化以及甲烷化四个阶段，其中氢气是酸化阶段的主要副产物。

氢能的燃烧值达到142 kJ/g，是汽油热值的3倍，煤热值的4倍，酒精热值的3.9倍，而且氢气燃烧生成水，不会对环境造成污染，因而氢能被誉为“未来燃料”，是21世纪最具发展潜力的清洁能源。此外，氢气不仅是重要的能源载体，而且也是重要的工业原材料，目前已广泛应用于食品工业、化工产品、电子产品等。

同时，作为一类可降解的生物适应性大分子化合物，聚羟基烷酸酯（PHA）通常可由葡萄糖、有机酸等可再生底物发酵而来。近年来，不断有研究表明，PHA除可用于产品包装材料、医药缓释剂以及器官移植外，甲基化的PHA还可用作生物燃料或助燃剂。研究表明，当采用乙酸、丙酸、乳酸以及丁酸等可由农业、工业以及食品等有机废弃物经厌氧发酵而来的廉价原料作为PHA的合成底物时，以丁酸的转化效率为最高；此外，当丁酸、丙酸等混合酸以一定比例进行流加发酵时，PHA产率最高可达0.16 g/L/h；并且，当采用丙酸等有机酸作为合成底物时，采用蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）为生产菌株时，最高可合成HV（3-hydrovalerate）含量达90%的PHA，从而可进一步拓宽PHA的热力学性能和商业应用范围。

因此，蓝藻等有机（废弃）物在厌氧消化过程中，伴随着氢气的生成，同时会产生大量的有机酸，其中所产丁酸不仅与有机废弃物消化过程中氢气积累量呈正相关，而且还是最有利于PHA合成的有机酸之一。

发明内容

本发明的目的是提出一种以打捞后太湖蓝藻为底物，通过偶联发酵的方式，将蓝藻等有机废弃物经厌氧酸化-好氧发酵的组合发酵方式转化为氢能和可降解生物大分子材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案：一种以蓝藻为底物经偶联发酵连续生产氢气和聚羟基烷酸酯（polyhydroxyalkanoates, PHA）的方法，采用偶联发酵装置，以蓝藻为底物，接种物为厌氧微生物菌群。

所述发酵偶联装置由酸化罐和PHA发酵罐组成，其中，酸化罐配备氮气喷射（nitrogen sparging）装置以及pH、氧化还原电位ORP探头，通过硅胶管连接酸化罐和PHA发酵罐并形成迴路，在发酵罐中的迴路管道用超滤膜MWCO≤7000代替。

所述底物蓝藻为打捞后太湖蓝藻，其主要组成为：含水率95%-98%，碳、氮、磷以及灰分分别约为440、68、6.7以及82 mg/g左右。在接种前，蓝藻经碱处理，置于6 mol/L NaOH溶液中搅拌5分钟后，置于室温下12小时以保证预处理效果。

所用接种物厌氧微生物菌群为来自宜兴协联生物化学有限公司的厌氧污泥，在接种前，厌氧污泥经121℃灭菌15分钟以消除其中产甲烷微生物。

酸化罐首先通入氮气以保持严格厌氧环境，其后将蓝藻和厌氧微生物菌群按湿基质量比1:1的比例混合，投入酸化罐，酸化罐起始pH为7.5，温度保持在35℃，酸化罐内产生的氢气通过排水集气法收集到装有2 mol/L NaOH的装置内以吸附其中的CO₂。

当产氢反应进行到12h后，采用蠕动泵将酸化罐内的反应液泵入PHA发酵罐；这样，反应液内分子量小于7000的有机酸、氨氮小分子透过超滤膜渗入发酵罐中作为PHA的发酵底物，并减轻酸化罐内有机酸、氨氮浓度的积累对产氢反应的抑制。

在PHA发酵罐内接入蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）GC Subgroup B作为PHA生产菌，接种量为10%，发酵罐搅拌转速400 r/min，通气量4.5 L/min，通过自动流加3 mol/L氢氧化钠溶液以及3 mol/L盐酸溶液调节pH值为7，发酵时间在48-60小时，通过调节蠕动泵的流量控制进入PHA发酵罐的有机酸、氨氮底物的进料速度，以控制PHA的合成速度；并且，据此控制酸化罐中有机酸、氨氮抑制性小分子代谢物的浓度以最大限度地促进偶联装置的连续运行，从而实现产氢反应和PHA发酵过程的有效偶联。

所用菌种蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）GC Subgroup B已在【Yan Q*, Yu C H, Chan P L, Yu P H F. 2007. Biosynthesis and thermal properties of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-valerate) with large variety of hydroxyvalerate content by Bacillus cereus. Chinese Journal of Polymer Science. 25(4):341-345】公开，本申请人江南大学保证提供该菌株。

本发明的有益效果：本发明解决了大量打捞后蓝藻及其他有机废弃物减量化、无害化和资源化难题，提出一种可同时有效合成生物能源氢气和可降解生物材料PHA的方法，从而拓宽蓝藻等有机废弃物的资源化途径。

附图说明

图1：蓝藻厌氧发酵连续产氢产和PHA偶联装置示意图。包括酸化罐（产氢反应器）和PHA发酵罐，1、氢气储罐，2、蠕动泵，3、厌氧微生物菌群，4、氮气储罐，5、超滤膜装置。

图2：打捞后的蓝藻减量化、无害化及资源化策略示意图。

具体实施方式

首先，经碱法预处理的蓝藻和121℃灭菌后、来自宜兴协联生物化学有限公司的厌氧污泥以湿基质量比1:1在酸化罐混合并启动产氢反应。酸化罐起始pH为7.5，温度保持在35℃，酸化罐内产生的氢气通过排水集气法收集到装有2 mol/L NaOH的装置内以吸附其中的CO₂。

其次，当产氢反应进行到12h后，采用蠕动泵将酸化罐内的反应液泵入PHA发酵罐，反应液内分子量小于7000的有机酸、氨氮小分子透过超滤膜渗入发酵罐中作为PHA的发酵底物，并减轻酸化罐内有机酸、氨氮浓度的积累对产氢反应的抑制。

在PHA发酵罐内接入蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）GC Subgroup B作为PHA生产菌，接种量为10%，发酵罐搅拌转速400 r/min，通气量4.5 L/min，通过自动流加3 mol/L氢氧化钠溶液以及3 mol/L盐酸溶液调节pH值为7，发酵时间在48-60小时。

最后，通过调节蠕动泵的流量控制进入PHA发酵罐的有机酸、氨氮底物的进料速度，以控制PHA的合成速度；并且，据此控制酸化罐中有机酸、氨氮抑制性小分子代谢物的浓度以最大限度地促进偶联装置的连续运行，从而实现产氢反应和PHA发酵过程的有效偶联。即可由调节蠕动泵的流速来控制酸化罐和PHA发酵罐之间的代谢平衡，并保证偶联反应装置的持续稳定运行。

Claims (1)

1.一种以蓝藻为底物经偶联发酵连续生产氢气和聚羟基烷酸酯PHA的方法，其特征在于采用偶联发酵装置，以蓝藻为底物，接种物为厌氧微生物菌群；

所述发酵偶联装置由酸化罐和PHA发酵罐组成，其中，酸化罐配备氮气喷射装置以及pH、氧化还原电位ORP探头，通过硅胶管连接酸化罐和PHA发酵罐并形成迴路，在发酵罐中的迴路管道用超滤膜MWCO≤7000代替；

所述底物蓝藻为打捞后太湖蓝藻，在接种前，蓝藻经碱处理，置于6 mol/L NaOH溶液中搅拌5分钟后，置于室温下12小时以保证预处理效果；

所用接种物厌氧微生物菌群为来自宜兴协联生物化学有限公司的厌氧污泥，在接种前，厌氧污泥经121℃灭菌15分钟以消除其中产甲烷微生物；

酸化罐首先通入氮气以保持严格厌氧环境，其后将蓝藻和厌氧微生物菌群按湿基质量比1:1的比例混合，投入酸化罐，酸化罐起始pH为7.5，温度保持在35℃，酸化罐内产生的氢气通过排水集气法收集到装有2 mol/L NaOH的装置内以吸附其中的CO₂；

当产氢反应进行到12h后，采用蠕动泵将酸化罐内的反应液泵入PHA发酵罐；这样，反应液内分子量小于7000的有机酸、氨氮小分子透过超滤膜渗入发酵罐中作为PHA的发酵底物，并减轻酸化罐内有机酸、氨氮浓度的积累对产氢反应的抑制；

在PHA发酵罐内接入蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）GC Subgroup B作为PHA生产菌，接种量为10%，发酵罐搅拌转速400 r/min，通气量4.5 L/min，通过自动流加3 mol/L氢氧化钠溶液以及3 mol/L盐酸溶液调节pH值为7，发酵时间在48-60小时，通过调节蠕动泵的流量控制进入PHA发酵罐的有机酸、氨氮底物的进料速度，以控制PHA的合成速度；并且，据此控制酸化罐中有机酸、氨氮抑制性小分子代谢物的浓度以最大限度地促进偶联装置的连续运行，从而实现产氢反应和PHA发酵过程的有效偶联。

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