CN104561144A - 一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法 - Google Patents

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张传潘
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Abstract

一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，涉及聚羟基烷酸酯。以月桂酸钠为唯一底物碳源，对原始污泥进行驯化，利用驯化稳定的活性污泥合成聚-3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯。当以1.5g/L月桂酸钠为唯一碳源，均分三次投加，在连续曝气条件和缺氮缺磷下，污泥可累积PHBHHx的最高浓度为505.5mg/L。首次利用活性污泥混合微生物合成PHBHHx，经红外吸收光谱和热重分析，证实得到PHBHHx样品与纯菌合成的PHBHHx标准品有接近的化学结构和物理性质。设备简单，操作容易，无需要求无菌工作条件，剩余污泥来源丰富，因此在生产工农业所需塑料制品方面具有很大的应用前景。

Description

一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法
技术领域
本发明涉及聚羟基烷酸酯，尤其是涉及一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法。
背景技术
聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates，PHAs)，是一种广泛存在原核微生物体内，由于原核微生物在受到某种基本营养成分的供给限制时，将过量碳源以能源形式储存起来而合成的一类高分子生物聚酯。PHA具有类似于化工塑料的物化特性和独特的生物可降解性，而且具有完全生物可降解性以及生物相容性等合成塑料所不具备的特性，属于“绿色化”的高分子材料，因此，开发PHA系列产品越来越受到人们关注。
PHA由不同的羟基烷酸单体通过硫酯聚合形成，如聚-3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯(poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)，PHBHHx)，单体为3-HB和3-HHx的共聚物。PHBHHx属中长链PHA(单体碳原子数目为6个以上)，与现有其他短链PHA产品(如聚羟基丁酸酯(Polyhydroxybutyrate，PHB)、聚羟基戊酸酯(Polyhydroxyvalerate，PHV)和聚-3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯(poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)，PHBHV))相比，PHBHHx具有更好的物理和机械性能，有利于材料成型加工，在生物相容性和组织应用工程方面，PHBHHx也比其他PHA具有更好的应用前景。
目前，人们多利用纯菌发酵来合成PHBHHx，此种合成方法不但工艺条件苛刻，合成成本也很高。市政污水处理厂有大量剩余活性污泥，利用其中的混合微生物菌群生产PHAs，无需灭菌处理，工艺控制简单，底物来源广泛，可极大降低生产成本。目前利用污泥合成PHA的种类多为短链PHA(林东恩，张逸传，郭世骚，沈家瑞。活性污泥好氧/厌氧合成聚-3-羟基丁酸酯[J].华南理工大学学报(自然科学版),2002,30(9):100-104；陈银广，李暮，孟凡松，罗景阳，陈红.一种合成高羟基戊酸含量聚羟基烷酸酯的方法[P].中国，2013:CN103290073A)，或单体成分不明确的PHA(刘俊新，曲波.利用活性污泥生产可生物降解塑料的方法[P].中国，2009:CN 101469061A；陈志强，陈玮，温沁雪，吕炳南.一种利用水处理剩余污泥合成聚羟基烷酸脂的方法[P].中国，2010:CN 101735440A)。尚未见利用活性污泥合成PHBHHx的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法。
本发明包括以下步骤：
1)以月桂酸钠为唯一底物碳源，对原始污泥进行驯化；使用合成底物进水的配方如下，单位为/L污泥混合液：月桂酸钠，1g；MgSO4·7H2O，0.6g；NH4Cl，0.016g；EDTA，0.1g；K2HPO4，0.092g；KH2PO4，0.045g；CaCl2·2H2O，0.07g；蛋白胨0.334g；酵母膏，0.124g；微量元素，2mL；
2)以月桂酸钠为唯一底物碳源，利用驯化稳定的活性污泥合成聚-3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯(poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)，PHBHHx)，接种量MLSS为2g/L；使用合成底物进水的配方为(/L)：月桂酸钠，0.5～1.5g；NH4Cl，0～0.16g；K2HPO4，0～0.092g。
在步骤1)中，所述微量元素的配方可为(/L)：FeCl3·6H2O，1.5g；H3BO4，0.15g；CoCl2·6H2O，0.12g；MnCl2·4H2O，0.12g；ZnSO4·7H2O，0.12g；Na2MoO4·2H2O，0.06g；CuSO4·5H2O，0.03g；KI，0.03g；硫脲，0.01g；
所述驯化可在序批式反应器中进行，每个驯化周期为24h，每个周期运行方式为：进水(5min)+好氧曝气(23.5h)+沉淀(20min)+出水(5min)；反应器内MLSS保持为2±0.5g/L；每个周期检测COD、pH值、MLSS和DO，待上述值稳定时，结束步骤1)，进入步骤2)；所述驯化的温度可为25～30℃；
所述曝气的方式可采用连续曝气，60min曝气+30min搅拌，60min曝气+60min搅拌，120min曝气+120min搅拌中的一种，曝气时保持曝气量为2L/min，搅拌时停止曝气。
在步骤2)中，所述驯化可在批式反应器中进行，可增设搅拌器；所述碳源月桂酸钠可以在反应器启动时一次全部加入或在反应过程中均分至少2次加入，每次间隔4h，每次反应的温度可为25～30℃，反应的时间可为12～16h。
试验表明，本发明得到的PHBHHx的最高浓度为505.5mg/L，其中HB和HHx的浓度分别是463.8mg/L和41.7mg/L，分别占污泥干重的16.9％和2.3％，分子量为200000～3000000Da。
本发明首次利用活性污泥混合微生物合成PHBHHx，经红外吸收光谱和热重分析，证实本发明得到PHBHHx样品与纯菌合成的PHBHHx标准品有接近的化学结构和物理性质。
本发明设备简单，操作容易，无需要求无菌工作条件，剩余污泥来源丰富，因此在生产工农业所需塑料制品方面具有很大的应用前景。
附图说明
图1是实施例1中，分次投加碳源时PHBHHx浓度的变化，其中曲线d有最高PHBHHx浓度值。
图2是实施例2中，采用不同曝气方式时PHBHHx浓度的变化，其中曲线a有最高PHBHHx浓度值。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：分次投加碳源时，氮源和磷源对活性污泥累积PHBHHx的影响
使用1L批式反应器，由曝气头连续曝气2L/min，无搅拌，反应16h，温度30℃。在保持总碳源量为1.5g/L月桂酸钠条件下，分别在第0，4，8h投加0.5g月桂酸钠，四个批次实验中氮源和磷源的浓度条件如下：(a)有氮有磷，NH4Cl，0.16g/L+K2HPO4，0.092g/L；(b)有氮缺磷，NH4Cl，0.16g/L+K2HPO4，0g/L；(c)缺氮有磷，NH4Cl，0g/L+K2HPO4，0.092g/L；(d)缺氮缺磷，NH4Cl，0g/L+K2HPO4，0g/L。从图1中可以看出，(d)缺氮缺磷时PHBHHx的浓度在四个批次条件下是最高的，此时PHB、PHHx、PHBHHx的浓度分别是463.8、41.7和505.5mg/L，分别占污泥干重的16.9％、2.3％和19.2％。这说明，缺氮缺磷条件下有利于PHBHHx的合成。
实施例2：在缺氮缺磷条件下，不同曝气方式对活性污泥累积PHBHHx的影响
使用1L批式反应器，在保持总碳源量为1.5g/L月桂酸钠条件下，分别在第0，4，8h投加0.5g月桂酸钠，缺氮缺磷，即NH4Cl 0g/L+K2HPO40g/L，反应16h，温度30℃。四个批次实验中曝气条件如下：(a)连续曝气；(b)60min曝气+30min搅拌；(c)60min曝气+60min搅拌；(d)120min曝气+120min搅拌。曝气时保持曝气量2L/min，搅拌时停止曝气。从图2中可以看出，(a)连续曝气时PHBHHx的浓度在四个批次条件下是最高的，此时PHB、PHHx、PHBHHx的浓度分别是463.8、41.7和505.5mg/L，比累积量第二位的(b)批次分别高出205.9，16.6，161.2mg/L。这说明，连续曝气的有氧条件下有利于PHBHHx的合成。

Claims (8)

1.一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)以月桂酸钠为唯一底物碳源，对原始污泥进行驯化；使用合成底物进水的配方如下，单位为/L污泥混合液：月桂酸钠，1g；MgSO4·7H2O，0.6g；NH4Cl，0.016g；EDTA，0.1g；K2HPO4，0.092g；KH2PO4，0.045g；CaCl2·2H2O，0.07g；蛋白胨0.334g；酵母膏，0.124g；微量元素，2mL；
2)以月桂酸钠为唯一底物碳源，利用驯化稳定的活性污泥合成聚-3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯，接种量MLSS为2g/L；使用合成底物进水的配方为：月桂酸钠，0.5～1.5g/L；NH4Cl，0～0.16g/L；K2HPO4，0～0.092g/L。
2.如权利要求1所述一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于在步骤1)中，所述微量元素的配方为：FeCl3·6H2O，1.5g/L；H3BO4，0.15g/L；CoCl2·6H2O，0.12g/L；MnCl2·4H2O，0.12g/L；ZnSO4·7H2O，0.12g/L；Na2MoO4·2H2O，0.06g/L；CuSO4·5H2O，0.03g/L；KI，0.03g/L；硫脲，0.01g/L。
3.如权利要求1所述一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于在步骤1)中，所述驯化是在序批式反应器中进行，每个驯化周期为24h，每个周期运行方式为：进水5min+好氧曝气23.5h+沉淀20min+出水5min；反应器内MLSS保持为2±0.5g/L；每个周期检测COD、pH值、MLSS和DO，待COD、pH值、MLSS和DO值稳定时，结束步骤1)，进入步骤2)。
4.如权利要求1所述一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于在步骤1)中，所述驯化的温度为25～30℃。
5.如权利要求1所述一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于在步骤1)中，所述曝气的方式采用连续曝气，60min曝气+30min搅拌，60min曝气+60min搅拌，120min曝气+120min搅拌中的一种，曝气时保持曝气量为2L/min，搅拌时停止曝气。
6.如权利要求1所述一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于在步骤2)中，所述驯化是在批式反应器中进行。
7.如权利要求1所述一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于在步骤2)中，所述驯化在批式反应器中设搅拌器。
8.如权利要求1所述一种利用剩余活性污泥生产中长链聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于在步骤2)中，所述碳源月桂酸钠在反应器启动时一次全部加入或在反应过程中均分至少2次加入，每次间隔4h，每次反应的温度为25～30℃，反应的时间为12～16h。
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