CN106011188A - 一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法 - Google Patents

一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法 Download PDF

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Abstract

一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，它涉及一种聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法。本发明方法为：将产PHA混合菌群加入到PHA合成反应体系的主反应区，进行反应，在反应结束后，关闭进料和曝气装置，待沉淀区菌泥全部回流至主反应区后关闭回流装置，去上清液，收集沉淀菌泥，即完成一个完整批次的PHA合成反应。相较于传统的运行模式，该工艺在PHA合成效能(包括最大PHA含量及底物利用效率)上表现的更为优秀，可以有效降低工艺运行成本，并且能够灵活地匹配不同的混和菌群和底物浓度，创造利于PHA合成的反应条件。

Description

一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法
技术领域
本发明属于生物可降解塑料合成和废物资源回收领域，具体说即一种通过在低负荷条件下连续补加底物从而提高混合菌群聚羟基烷酸脂合成产量，降低运行成本，实现底物高效利用的工艺方法。
背景技术
工业化和现代化推动了以传统化工塑料为代表的高分子材料的飞速发展，其大规模应用带来两个主要问题：1)石油资源日渐枯竭；2)传统塑料制品具有不可生物降解的严重缺点，废弃的塑料制品在环境中逐年累积，造成了严重的环境污染。能源危机和环境恶化促使人们寻找新的材料以取代传统的石化塑料，以可再生资源为原料且具有可生物降解性“生态塑料”应运而生。聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHA)就是一种优秀的生态塑料，其具有与传统化工塑料相一致的物化特性，并且易被微生物降解，因此成为替代传统塑料的最佳选择。目前，生物合成PHA的商业化推广以纯菌发酵为主，但是相对较高的原料费用、消毒成本及微生物分离纯化费用限制了PHA的规模化应用。而混和菌群(MixedMicrobial Cultures，MMCs)产PHA工艺则是一种完全开放式的发酵工艺，不需对底物灭菌，生产工艺全程无需严格的措施来控制杂菌污染。食品、发酵等行业排出的废水中含有较高浓度的可降解有机物，这一类的污水处理可通过厌氧发酵、水解酸化等工艺转化为以小分子有机脂肪酸为主的末端产物，在废水产酸调控技术的基础上，混和菌群利用有机废水中碳源合成PHA兼具污染物削减和资源回收的优势。混合菌群PHA合成工艺普遍将PHA合成菌驯化和PHA合成区分开来，对于后者而言，其工艺模式决定驯化成熟的混合菌群能否发挥其最大的合成潜力，且会影响到最终产物的结构与性能，其工艺运行效率与复杂程度成为了混合菌群PHA合成规模化运用的限制因素。虽然驯化菌群的PHA合成属于开放体系发酵，但目前的工艺模式仍是借鉴纯菌发酵领域的成熟方法，并没有结合混菌合成的特点进行相应的改进和优化，PHA合成效能(包括最大PHA含量以及系统底物利用效率)较低，因此创造利于混合菌群发挥最大PHA合成潜能的工艺条件是提高混和菌群工艺产能的重心，在此基础之上寻求进一步降低工艺运行成本将对混和菌群PHA合成的规模化应用产生更为积极的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全新的低负荷连续补料PHA合成工艺，相较于传统的运行模式，该工艺在PHA合成效能(包括最大PHA含量及底物利用效率)上表现的更为优秀，可以有效降低工艺运行成本，并且能够灵活地匹配不同的混和菌群和底物浓度创造利于PHA合成的反应条件。
本发明的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，是按照以下步骤进行的：
一、将驯化成熟的产PHA混合菌群加入到PHA合成反应体系的主反应区，开启曝气系统，然后将碳源底物以恒定流量泵入主反应区，同时开启回流系统，调节曝气系统，使主反应区溶解氧浓度保持在1～5mg/L；
二、设定反应的有效运行时间为10～12小时，在反应结束后，关闭进料和曝气装置，待沉淀区菌泥全部回流至主反应区后关闭回流装置，去上清液，收集沉淀菌泥，即完成一个完整批次的PHA合成反应；
所述的PHA合成反应体系为沉淀池和沉降污泥回流管路的连续搅拌反应器系统，其中，PHA合成反应体系的主反应区和沉淀区的工作体积比设为1：(1.2～1.6)，底物补加量与回流的流量比为1：(1.4～1.8)，且回流流量限制为：4.5≤VS/Qr≤7；其中，Vs为沉淀区有效容积，单位为L；Qr为回流流量，单位为L/h；
所述的恒定流量计算公式如下：
Q s = B L R * X a * V R C s * 24
其中，Qs为恒定流量，单位为L/h；
BLR为生物量负荷，单位为Cmol VFA/Cmol X/d；
Xa为菌泥中活性生物量浓度，单位为Cmol X/L；
VR为主反应区有效容积，单位为L；
Cs为底物中挥发酸分子的浓度，单位为Cmol VFA/L。
本发明与现有混菌PHA相比，具有如下优点：
本发明可以直接将有机废水/废物的酸酵解产物(pH＝4.8-6.5)直接投加于反应体系当中，并获得与使用酸/碱调节的常规合成系统一样的pH稳态环境，在降低工艺的运行成本的同时充分发挥了驯化菌群的PHA合成潜力，相较于常规的补料工艺在终产物的PHA含量上具备优势。
本发明于低负荷条件下形成的底物供不应求的食物/微生物关系使得产PHA混合菌群在获得高PHA合成比例的同时，实现了底物的高效利用，避免了底物浪费。针对不同的驯化工艺得到的混菌浓度以及不同的高浓度有机废水(糖蜜废水、橄榄油废水、造纸废水等)/废物(城市污水厂剩余污泥、餐厨垃圾等)水解酸化系统得到的液相末端挥发酸浓度的差异性，本发明中的补料系统可灵活地调整进料流量使得BLR处于优化参数范围之内，这对于复杂有机废水废物PHA转化的规模化实践具有推动作用。
附图说明
图1为本发明的PHA合成装置，分为主反应区和沉淀区两部分，表示恒流泵，→表示管路；Qs和Qr分别表示底物补加流量和回流流量(L/h)；
图2为本发明的运行效果图，反映PHA合成反应过程的pH自平衡状态，其中表示主反应区中混合液pH值，○表示主反应区内混合液溶解氧值(mg/L)。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种高效连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，具体步骤如下：
一、PHA合成反应主体为带有沉淀池和沉降污泥回流管路的连续搅拌反应器(continuousstirredtankreactor，CSTR)系统，主反应区和沉淀区的工作体积比设为1：(1.2～1.6)，底物补加与回流的流量比设为1：(1.4～1.8)，且回流流量限制为：
4.5≤VS/Qr≤7
(Vs为沉淀区有效容积，L；Qr为回流流量，L/h)；
二、将已知浓度(Xa)驯化成熟的产PHA混合菌群(以下简称菌泥)加入主反应区，开启曝气系统，将已知浓度(Cs)以小分子有机酸(乙酸、丙酸、丁酸及戊酸的不同组合)为主的碳源底物以恒定流量(Qs)泵入主反应区，同时开启回流系统。调节曝气系统，使得主反应区溶解氧浓度处于3mg/L左右；Qs由以下公式确定：
Q s = B L R * X a * V R C s * 24
其中，Qs单位为L/h；
BLR为生物量负荷(Biomass loading rate，BLR)，本发明提出的优化参数为3.5-5.5Cmol VFA/Cmol X/d，属于低负荷条件；
Xa为菌泥中活性生物量浓度，单位为Cmol X/L；
VR为主反应区有效容积，单位为L；
Cs为底物中挥发酸分子的浓度，单位为Cmol VFA/L；
三、反应的有效运行时间为10～12小时，反应结束时，关闭进料和曝气装置，混合液开始静沉，待沉淀区菌泥全部回流至主反应区后关闭回流装置，滗去上清液，收集沉淀菌泥，即完成一个完整批次的PHA合成反应。
本实施方式需满足以下条件:主反应区实施pH和溶解氧在线监测；反应装置位于室温条件下(20度以上)；进料和回流使用可调节转速的恒流泵实现，主反应区需保证曝气的充分和搅拌的均匀以获得均匀的传质效果；主反应区的出口设置在主反应区上部，保证有效容积的同时使混合液以溢流的方式进入沉降区；沉降区底部倾斜角度的设置以保证菌泥的充分回流为宜；沉降区的上清液排出采用溢流方式。
本实施方式可以直接将有机废水/废物的酸酵解产物(pH＝4.8-6.5)投加于反应体系当中，并获得与传统使用酸/碱调节的PHA合成系统一样的pH稳态环境，在降低工艺的运行成本的同时充分发挥了驯化菌群的PHA合成潜力，在不同的pH条件下，相较于常规的补料工艺在终产物的PHA含量上均具备优势。
本实施方式创建的低负荷条件下形成的底物供不应求的食物/微生物关系使得产PHA混合菌群在获得高PHA合成比例的同时，实现了底物的高效利用，避免了底物浪费。针对不同的驯化工艺得到的混菌浓度以及不同的废水/废物水解酸化系统得到的液相末端挥发酸浓度的差异性，本实施方式提出的补料系统可灵活地调整进料流量使得BLR处于优化条件范围之内，这对于复杂有机物废物/生物质PHA转化的规模化实践具有推动作用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：主反应区实施pH和溶解氧在线监测，反应装置位于大于20℃环境内。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：进料和回流使用可调节转速的恒流泵实现。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：主反应区的出口设置在主反应区上部。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：沉淀区去除上清液的方式是采用溢流进行的。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：沉淀区底部倾斜45～65度的。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：主反应区需保证曝气的充分和搅拌的均匀。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：碳源底物是以小分子有机酸为主的碳源底物。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的小分子有机酸为乙酸、丙酸、丁酸及戊酸中的一个或几个按任意比的组合。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的BLR为生物量负荷为3.5～5.5Cmol VFA/Cmol X/d。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对于pH范围在4.8-6.5的高浓度有机废水(糖蜜废水、橄榄油废水、造纸废水等)/废物(城市污水厂剩余污泥、餐厨垃圾等)酸酵解产物，无需进行pH预调节。产物在进入PHA合成系统之前需去除其中的有机物颗粒和菌体(膜滤或离心)以获得最佳的工艺运行效果。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对于营养物质(如氮、磷)含量高的酸酵解产物需进行营养物质的脱除，使C/N≥50，C/P≥100(基于质量比)以获得最佳的工艺运行效果。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：针对不同的驯化工艺得到的菌泥浓度以及不同的废水/废物水解酸化系统得到的液相末端挥发酸浓度(即底物浓度)的差异性，本发明中的补料系统可灵活地调整进料流量使得BLR处于优化参数范围之内。针对极端的运行条件(即菌泥浓度和底物浓度的组合对应的进料流量和回流流量超过步骤1的限制条件)，需对菌泥浓度和底物浓度进行调整(稀释或浓缩)以获得最佳的工艺运行效果。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
本实施例的一种高效连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，具体步骤如下：
一、PHA合成反应主体为带有沉淀池和沉降污泥回流管路的连续搅拌反应器(continuous stirred tank reactor，CSTR)系统，主反应区(500mL)和沉淀区(700mL)的工作体积比设为1：1.4，回流流量设为：0.14L/h；
二、采用模拟糖蜜废水酸酵解产物的复配底物，主要成分是四种挥发酸分子：乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，分别占到总挥发酸含量的47％，5％，46％和2％(基于摩尔量)，pH为5.2；将已知浓度为0.13Cmol/L驯化成熟的产PHA混合菌群(以下简称菌泥)加入主反应区，开启曝气系统，将已知浓度为0.12Cmol/L的以小分子有机酸为主的碳源底物以0.09L/h的恒定流量泵入主反应区，同时开启回流系统(本实施例中生物量负荷BLR为3.86Cmol VFA/Cmol X/d)。调节曝气系统，使得主反应区溶解氧浓度处于3mg/L左右；
三、反应的有效运行时间为12小时，反应结束时，关闭进料和曝气装置，混合液开始静沉，待沉淀区菌泥全部回流至主反应区后关闭回流装置，滗去上清液，收集沉淀菌泥，即完成一个完整批次的PHA合成反应。
本实施例在BLR＝3.86Cmol VFA/Cmol X/d的低负荷条件下，直接补加pH为5.0的底物，获得了与使用酸/碱调节的常规补料工艺一样的pH稳态环境(图2所示)，在降低工艺的运行成本的同时充分发挥了驯化菌群的PHA合成潜力，PHA合成量高于70％，是同底物条件下(pH、浓度)常规补料工艺的7倍之多。同时，本实施例实现了底物的高效利用，系统底物利用效率高达80％，有效避免了底物浪费。

Claims (10)

1.一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将驯化成熟的产PHA混合菌群加入到PHA合成反应体系的主反应区，开启曝气系统，然后将碳源底物以恒定流量泵入主反应区，同时开启回流系统，调节曝气系统，使主反应区溶解氧浓度保持在1～5mg/L；
二、设定反应的有效运行时间为10～12小时，在反应结束后，关闭进料和曝气装置，待沉淀区菌泥全部回流至主反应区后关闭回流装置，去上清液，收集沉淀菌泥，即完成一个完整批次的PHA合成反应；
所述的PHA合成反应体系为沉淀池和沉降污泥回流管路的连续搅拌反应器系统，其中，PHA合成反应体系的主反应区和沉淀区的工作体积比设为1：(1.2～1.6)，底物补加量与回流的流量比为1：(1.4～1.8)，且回流流量限制为：4.5≤Vs/Qr≤7；其中，Vs为沉淀区有效容积，单位为L；Qr为回流流量，单位为L/h；
所述的恒定流量计算公式如下：
Q s = B L R * X a * V R C s * 24
其中，Qs为恒定流量，单位为L/h；
BLR为生物量负荷，单位为Cmol VFA/Cmol X/d；
Xa为菌泥中活性生物量浓度，单位为Cmol X/L；
VR为主反应区有效容积，单位为L；
Cs为底物中挥发酸分子的浓度，单位为Cmol VFA/L。
2.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于主反应区实施pH和溶解氧在线监测，反应装置位于大于20℃环境内。
3.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于进料和回流使用可调节转速的恒流泵实现。
4.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于主反应区的出口设置在主反应区上部。
5.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于沉淀区去除上清液的方式是采用溢流进行的。
6.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于沉淀区底部倾斜45～65度的。
7.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于主反应区需保证曝气的充分和搅拌的均匀。
8.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于碳源底物是以小分子有机酸为主的碳源底物。
9.根据权利要求8所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于所述的小分子有机酸为乙酸、丙酸、丁酸及戊酸中的一个或几个按任意比的组合。
10.根据权利要求1所述的一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，其特征在于所述的BLR为生物量负荷为3.5～5.5Cmol VFA/Cmol X/d。
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