CN117625701A - 一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机废弃物资源化利用领域，公开了一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，聚羟基脂肪酸酯包括聚羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯，发酵底物包括餐厨垃圾、酒糟、活性污泥及其混合物，所述方法包括以下步骤：将餐厨垃圾和酒糟混合，热碱预处理后接种厌氧污泥进行产酸，然后进行过滤；对含有PHAs合成菌的活性污泥进行序列间歇式好氧驯化；取步骤a产酸后的过滤清液，然后接种步骤b中进行驯化后的活性污泥，进行连续曝气好氧发酵，采用乙二胺四乙酸‑十二烷基硫酸钠法得到PHAs。本方案采用原料为常见有机废弃物，量大且廉价易得；利用活性污泥中大量的PHAs合成菌生产PHAs，降低PHAs的生产成本，同时实现活性污泥的资源利用化。
Description
技术领域
本发明涉及有机废弃物资源化利用领域，具体涉及一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法。
背景技术
聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates，PHAs)是一种可生物降解的新型可塑原料，它具备传统塑料制品相似的材料学特性，但PHAs可在自然环境被完全降解，是环境友好的可降解材料。PHAs的推广应用是解决污染和改善生态环境的有效途径，为此PHAs的低成本生产和应用也得到了广泛关注。
当前PHAs发酵生产工艺主要通过葡萄糖、玉米浆等为碳源，在高碳低氮的失衡条件下进行合成。但是这种PHAs生产方式原料成本高，影响制约了PHAs的规模化生产和应用。为此，有必要开发一种新的低成本原料合成PHAs的方法。
发明内容
本发明意在提供一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，以解决目前PHAs生产成本高的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，所述聚羟基脂肪酸酯包括聚羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯，所述发酵底物包括餐厨垃圾、酒糟、活性污泥及其混合物，所述方法包括以下步骤：
a.将餐厨垃圾和酒糟混合，热碱预处理后接种厌氧污泥进行产酸，然后进行过滤；
b.对含有PHAs合成菌的活性污泥进行序列间歇式好氧驯化；
c.取步骤a产酸后的过滤清液，然后接种步骤b中进行驯化后的活性污泥，进行连续曝气好氧发酵，采用乙二胺四乙酸-十二烷基硫酸钠(EDTA-SDS)法得到PHAs。
优选的，作为一种改进，所述步骤a中餐厨垃圾与酒糟以比例1:5混合形成底物，底物总固含量为19％～21％，调节底物PH至9～11进行75～85℃预处理条件下25～35min，然后接种总固体含量30％厌氧污泥开始产酸发酵。
优选的，作为一种改进，所述步骤a中餐厨垃圾与酒糟以比例1:5混合形成底物，底物总固含量为20％，调节底物PH至10进行80℃预处理条件下30min，然后接种总固体含量30％厌氧污泥在35℃开始产酸发酵12d。
优选的，作为一种改进，所述步骤b中的活性污泥为取自市政污水处理厂的好氧池沉淀的活性污泥。利用活性污泥中大量的PHAs合成菌生产PHAs，降低PHAs的生产成本，同时实现活性污泥的资源利用化。
优选的，作为一种改进，所述步骤b中采用乙酸和丙酸为碳源接种活性污泥进行序列间歇式好氧驯化，调整初始PH为7.0，以24h为一个驯化周期进行驯化，每个周期的运行方式为：进水、好氧曝气、排泥、沉淀和出水。
优选的，作为一种改进，所述进水量和出水量为反应器有效容积的2/5～3/5，所述好氧曝气时空气流速为0.3～0.5L空气/L污泥/min，所述进水时间为10～30min，所述沉淀时间为10～30min，所述出水时间为10～30min。
优选的，作为一种改进，所述步骤b中用于驯化活性污泥的培养基成分为：乙酸钠1000mg/L、丙酸钠200mg/L、NH4Cl 194mg/L、KH2PO4 107mg/L、MgSO4·7H2O 306mg/L、CaCl254mg/L、FeCl3·3H2O 9.8mg/L、蛋白陈334mg/L、酵母膏124mg/L以及其他营养元素，所述其他营养元素中C:N:P＝100:5:1。
优选的，作为一种改进，所述乙酸钠和丙酸钠每个驯化周期后按照20％提高浓度再驯化。逐步增加驯化泥对高COD的适应性。
优选的，作为一种改进，所述步骤c中取步骤a产酸后的过滤清液，稀释至COD浓度6800～7100mg/L，加入驯化后的的活性污泥后调整浓度为1.5～2.2g/L，其中发酵的培养基为限N、P培养基，所述限N、P培养基单位为mg COD/L，每1L限N、P培养基成分：KCl1.30 g、CaCl20.30 g、FeCl3·6H2O0.05 g、MgSO4·7H2O1.70 g和酵母提取物0.69g。
优选的，作为一种改进，所述步骤c中空气曝气强度为0.3～0.5L空气/L污泥/min。
本发明技术效果：
(1)采用原料为常见有机废弃物，量大且廉价易得；
(2)通过餐厨垃圾与酒糟混合，并结合热处理，将有机质固体物料中的大分子物质转化为小分子组分，有效提升产酸发酵；
(3)优化耦合工艺，提高COD转化率及PHAs的累计率，实现了PHAs在MLVSS中的最高含量为50％以上，COD转化得率25％以上；
(4)利用活性污泥中大量的PHAs合成菌生产PHAs，降低PHAs的生产成本，同时实现活性污泥的资源利用化。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图。
图2为本发明实施例中挥发性脂肪酸浓度与发酵天数的变化图。
图3为本发明实施例中PHAs产量与时间的变化图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例：
原料成本高是制约PHAs的规模化生产和应用关键因素之一，为降低生产成本，可利用废弃生物质和混合菌生产PHAs的方法，混合菌群生产PHAs工艺相对于纯培养生产PHAs工艺来说，生产过程不需要严格控菌，操作要求更低。活性污泥本身含有大量的PHAs合成菌，将其用来生产PHAs，不仅可实现活性污泥的资源化利用，也能降低PHAs的生产成本，是其资源化利用的一种新思路。本方案采用有机废弃物作为发酵底物生产PHAs，其中有机废弃物包括：餐厨垃圾、酒糟、活性污泥及其混合物。具体来说，本实施例提供一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，如附图1所示，包括以下步骤：
步骤1：将餐厨垃圾和酒糟混合，热碱预处理后接种厌氧污泥进行产酸，然后进行过滤。
具体地将餐厨垃圾(含固率＝8％左右)和酒糟(含固率＝45％左右)以比例1:5混合形成底物，底物总固含量为19％～21％(本实施例中为20％)，其中，酒糟外观整体呈土黄色，较为松散，有明显稻壳成分。含水率为54.85％，挥发性固体含量88.94％，干基稻壳含量约为50.31％。餐厨垃圾取自除油后的储存罐，含水率91.6％，挥发性固体含量89.70％。
热碱预处理后接种厌氧污泥进行产酸，本实施例中调节底物PH至9～11(本实施例中PH为10)进行75～85℃(本实施例中温度为80)预处理条件下25～35min(本实施例中时间为30min)，然后接种总固体含量30％厌氧污泥在35℃开始产酸发酵12d，在第12天的产酸液总挥发性脂肪酸浓度到达46.8g/L，最后进行过滤。如附图2所示，挥发性脂肪酸为乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸的混合物，pH为6.2。
步骤2：对含有PHAs合成菌的活性污泥进行序列间歇式好氧驯化。
其中，活性污泥为取自市政污水处理厂的好氧池沉淀的活性污泥。利用活性污泥中大量的PHAs合成菌生产PHAs，降低PHAs的生产成本，同时实现活性污泥的资源利用化。
其中，采用乙酸和丙酸为碳源接种活性污泥进行序列间歇式好氧驯化，调整初始PH为7.0，以24h为一个驯化周期进行驯化，每个周期的运行方式为：进水、好氧曝气、排泥、沉淀和出水，驯化完成时出水COD去除率95％左右，累积产PHAs占MLSS(污泥浓度)的含量达60％以上。其中，进水量和出水量为反应器有效容积的2/5～3/5(本实施例中为3/5)，好氧曝气时空气流速为0.3～0.5L空气/L污泥/min(本实施中为0.45L空气/L污泥/min)，进水时间为10～30min(本实施例中为20min)，沉淀时间为10～30min(本实施例中为20min)，出水时间为10～30min(本实施例中为20min)。
驯化活性污泥的培养基成分为：乙酸钠1000mg/L、丙酸钠200mg/L、NH4Cl 194mg/L、KH2PO4 107mg/L、MgSO4·7H2O 306mg/L、CaCl2 54mg/L、FeCl3·3H2O 9.8mg/L、蛋白陈334mg/L、酵母膏124mg/L以及其他营养元素，其他营养元素中C:N:P＝100:5:1。
本实施例中驯化5个周期，驯化完成时出水COD去除率95％左右，累积产PHAs占MLSS(污泥浓度)的含量达60％以上即可。以1L反应器为例，乙酸钠和丙酸钠每个驯化周期后按照20％左右提高浓度再驯化，乙酸钠和丙酸钠每个周期的浓度如表1所示：
表1驯化培养基中碳源各阶段的添加量
步骤3：取步骤1产酸后的过滤清液，然后接种步骤2中进行驯化后的活性污泥，进行连续曝气好氧发酵，采用乙二胺四乙酸-十二烷基硫酸钠法得到PHAs。
本步骤中取步骤a产酸后的过滤清液，稀释至COD浓度6800～7100mg/L(本实施例中为7000mg/L)，加入驯化后的的活性污泥后调整浓度为1.5～2.2g/L(本实施例中为2g/L)，其中发酵的培养基为限N、P培养基，限N、P培养基单位为mg COD/L，每1L限N、P培养基成分：KCl 1.30g、CaCl2 0.30g、FeCl3·6H2O 0.05g、MgSO4·7H2O 1.70g和酵母提取物0.69g。
其中空气曝气强度为0.3～0.5L空气/L污泥/min(本实施中为0.45L空气/L污泥/min)，10h时PHAs/MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)含量取得最大值为50％，COD转化得率25％以上。
本步骤中的产生的聚羟基脂肪酸酯包括聚羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)。
本实施例中的乙二胺四乙酸-十二烷基硫酸钠(EDTA-SDS)法为：
(1)取累积了PHAs的活性污泥1L于5000g相对离心力下离心10min取其沉淀，于-20℃下冷冻24h。
(2)加入适量丙酮混匀，5000g相对离心力下离心10min取其沉淀，用去离子水洗涤两次。并离心取沉淀。
(3)向沉淀中加入100m L的EDTA(7g/L)溶液和100mL的SDS(10g/L)溶液。在一定温度(本实施例可选择30℃、60℃、70℃和80℃)下搅拌反应60min。
(4)5000g相对离心力下离心10min取沉淀。并用去离子水洗涤两次，离心取沉淀。
(5)将洗涤过后的沉淀物于真空干燥箱中60℃干燥12h得到PHAs。
本发明采用的原料为常见有机废弃物，量大且廉价易得；通过餐厨垃圾与酒糟混合，并结合热处理，将有机质固体物料中的大分子物质转化为小分子组分，有效提升产酸发酵；优化耦合工艺，提高COD转化率及PHAs的累计率，如图3所示，实现了PHAs在MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)中的最高含量为50％以上；本发明既可以解决有机废弃物造成环境污染的问题，又可拓宽PHAs的原料来源，一定程度上降低PHAs生产成本。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述聚羟基脂肪酸酯包括聚羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯，所述发酵底物包括餐厨垃圾、酒糟、活性污泥及其混合物，所述方法包括以下步骤：
a.将餐厨垃圾和酒糟混合，热碱预处理后接种厌氧污泥进行产酸，然后进行过滤；
b.对含有PHAs合成菌的活性污泥进行序列间歇式好氧驯化；
c.取步骤a产酸后的过滤清液，然后接种步骤b中进行驯化后的活性污泥，进行连续曝气好氧发酵，采用乙二胺四乙酸-十二烷基硫酸钠法得到PHAs。
2.根据权利要求1所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述步骤a中餐厨垃圾与酒糟以比例1:5混合形成底物，底物总固含量为19％～21％，调节底物PH至9～11进行75～85℃预处理条件下25～35min，然后接种总固体含量30％厌氧污泥开始产酸发酵。
3.根据权利要求2所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述步骤a中餐厨垃圾与酒糟以比例1:5混合形成底物，底物总固含量为20％，调节底物PH至10进行80℃预处理条件下30min，然后接种总固体含量30％厌氧污泥在35℃开始产酸发酵12d。
4.根据权利要求1所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述步骤b中的活性污泥为取自市政污水处理厂的好氧池沉淀的活性污泥。
5.根据权利要求1所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述步骤b中采用乙酸和丙酸为碳源接种活性污泥进行序列间歇式好氧驯化，调整初始PH为7.0，以24h为一个驯化周期进行驯化，每个周期的运行方式为：进水、好氧曝气、排泥、沉淀和出水。
6.根据权利要求5所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述进水量和出水量为反应器有效容积的2/5～3/5，所述好氧曝气时空气流速为0.3～0.5L空气/L污泥/min，所述进水时间为10～30min，所述沉淀时间为10～30min，所述出水时间为10～30min。
7.根据权利要求5所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述步骤b中用于驯化活性污泥的培养基成分为：乙酸钠1000mg/L、丙酸钠200mg/L、NH4Cl194mg/L、KH2PO4107mg/L、MgSO4·7H2O306mg/L、CaCl254mg/L、FeCl3·3H2O9.8mg/L、蛋白陈334mg/L、酵母膏124mg/L以及其他营养元素，所述其他营养元素中C:N:P＝100:5:1。
8.根据权利要求7所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述乙酸钠和丙酸钠每个驯化周期后按照20％提高浓度再驯化。
9.根据权利要求1所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述步骤c中取步骤a产酸后的过滤清液，稀释至COD浓度6800～7100mg/L，加入驯化后的的活性污泥后调整浓度为1.5～2.2g/L，其中发酵的培养基为限N、P培养基，所述限N、P培养基单位为mg COD/L，每1L限N、P培养基成分：KCl1.30 g、CaCl20.30 g、FeCl3·6H2O0.05g、MgSO4·7H2O1.70 g和酵母提取物0.69g。
10.根据权利要求9所述的一种有机废弃物发酵生产聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：所述步骤c中空气曝气强度为0.3～0.5L空气/L污泥/min。
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