TWI399345B - Method for extracting polyhydroxyalkyl acid esters from waste sludge (1) - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種萃取聚羥基烷基酸酯的方法，特別是指一種自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法。
聚羥基烷基酸酯(Polyhydroxyalkanoates，簡稱為PHAs)為微生物細胞內常見的生物高分子產物，許多微生物在氮、磷、硫、氧或鎂等生長基本元素受限，但外部碳源存在的環境下，可攝取基質合成PHAs。PHAs為由C、H、O所組成的脂肪族聚合物，且是以hydroxyalkanoates(HAs)單元體所聚合而成，不同HA所合成的PHAs種類多達150種。
此外，PHAs本身就是生物可分解塑膠的原料，並具有伸展性與熱塑性等適合進一步加工成型的特性，其性質類似於聚乙烯(PE)或聚苯乙烯(PS)。其中，微生物所合成的PHAs最常見者為PHB(polyhydroxybutyrate)與PHV(polyhydroxyvalerate)。
隨著環保議題發展，生物可分解材料的開發也越來越受到重視，目前生產PHAs的方式主要是透過純菌培養，再經由萃取提取出PHAs，如中華民國第092100912號發明專利案所揭露之「自有機廢料生產可生物降解的熱塑性材料之技術」及第093136492號發明專利案所揭露之「生物可分解聚酯之製造方法」，主要都是先篩選出具有PHAs蓄積能力的特定菌種，並在一預先處理過的含碳源基質進行純菌培養，以增加PHAs的產量，再進行PHAs的萃取與收集。但此種生產方式由於要考量純菌的培養環境，並要對培養基質作預處理，相對需要消耗較多能源，且會增加PHAs的生產成本而較不符經濟效益。
此外，如中華民國第094134397號發明專利申請案所揭露之「聚羥基烷酯之製造方法」及第095107245號發明專利申請案所揭露之「由細胞生質萃取及回收聚羥基烷酸酯(PHAs)之方法」分別提供一種操作上較有效率，及可獲得高純度PHAs之萃取方法，然而上述專利申請案在萃取PHAs的過程中所用的萃取劑(如，三氯甲烷或脂類)成本較高，且對環境的危害也相對較大，且該等萃取技術的應用仍限制在純菌培養的細胞生質，同樣會增加PHAs的生產成本，且其萃取方法只能應用於純菌培養的反應液，而有應用範圍較有限的缺失。
另外，雖然現有文獻已有揭露利用次氯酸鈉萃取PHAs的方法，如，”Berger,E.,Ramsay,B.A.,Ramsay,J.A.,Chavarie,C.(1989). PHBrecovery by hypochlorite digestion of non-PHB biomass.”、”Hahn,S.K.,Chang,Y.K.,Kim,B.S.,Chang,H.N.(1994).Optimization of microbial poly(3-hydroxybutyate) recovery using dispersions of sodium-hypochlorite solution and chloroform.Biotechnology and Bioengineering 144(2),256-261.”，及”唐世珍(2007)”利用微生物生產不同種類聚羥基烷酸(PHAs),”元智大學生物科技暨生物資訊研究所，碩士論文.”等分別揭露次氯酸鈉消化法與次氯酸鈉-氯仿兩相萃取法提取PHAs的技術，但前述文獻方法皆是應用於經純菌培養後的物質，因此，若要以該技術獲得較高純度與高產量的PHAs，還是要先篩選出適當的菌種並提供適當培養基質進行一段時間的純菌培養後才能進行萃取，如此，不但使整體生產時間延長，在純菌培養過程而消耗的基質原料與耗材也將導致PHAs的生產成本高居不下。
鑑於高生產成本一直是阻礙生物可分解材質普及化的主要因素，為了降低PHAs的生產成本並改善其萃取純度，以提升PHAs工業化製造生產的經濟效益，目前仍有持續開發新的PHAs生產方法的需求。
因此，本發明的目的，是在提供一種萃取成本較低，且能有效萃取到高純度聚羥基烷基酸酯(Polyhydroxyalkanoates，簡稱為PHAs)而具有較佳的經濟效益的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法。
於是，本發明自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯(Polyhydroxyalkanoates，簡稱為PHAs)的方法包含下列步驟：
(1)使所收集的含有微生物細胞的廢棄污泥中的較大粒徑砂粒被移除後，量測污泥中固體部分的重量，再進行清洗、移除水分及冷凍處理步驟，以使微生物細胞停止活動；
(2)使該經冷凍處理之污泥進行一預處理步驟，以破壞該經冷凍處理之污泥內之微生物細胞的細胞體；
(3)在經步驟(2)處理的污泥中添加次氯酸鈉水溶液配製出液固比為0.67~4mg/ml的一污泥混合物，以使微生物細胞的細胞壁被破壞並釋出聚羥基烷基酸酯，其中，液固比的定義為步驟(1)所量測之污泥中固體部分的重量與在本步驟所添加的次氯酸鈉水溶液體積的比例；及
(4)使該污泥混合物進行一純化步驟，以移除非聚羥基烷基酸酯物質，並獲得純化的聚羥基烷基酸酯沉澱物。
本發明的有益效果在於：藉由限制該污泥的液固比範圍，並輔以冷凍處理、預處理與純化步驟，就能在不進行純菌培養的情況下直接自所收集的廢棄污泥中萃取出高純度的聚羥基烷基酸酯(PHAs)，因而能增加廢棄污泥再利用價值而有益於環保並能降低萃取的原物料成本，而選用對環境相對較友善的次氯酸鈉作為主要萃取劑則能降低對環境的危害，因此，本發明的方法具有環保、萃取成本較低且能順利獲得高純度PHAs原料等優點，藉此，有助於PHAs普及化，並能進一步發展成工業上製造生產PHAs的方法而深具實用價值。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，本發明自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯(Polyhydroxyalkanoates，簡稱為PHAs)的方法的一第一較佳實施例包含下列步驟：步驟101是使所收集的含有微生物細胞的廢棄污泥中的較大粒徑砂粒被移除後，量測污泥中固體部分的重量，再進行清洗、移除水分及冷凍處理步驟，以使微生物細胞停止活動，並避免原本保存在該廢棄污泥原料中的PHAs被微生物代謝而減少，以免後續萃取出的PHAs的純度與含量降低。其中，是該廢棄污泥是在溫度0℃以下冷凍處理，且為了確保所有微生物皆停止代謝活動，較佳是在-20℃以下冷凍處理，此外，所收集的廢棄污泥會先以3000 r.p.m.離心10分鐘並倒除上層液後，再重複進行蒸餾水清洗、再離心及倒除上層液的步驟，接著，就能將經前述處理的污泥放置於-20℃環境中冷凍保存。
需要補充說明的是，該廢棄污泥的採樣來源為生活污水、畜牧業、發酵業、醫療院所、光電業、染整業或紡織業的好氧消化槽或污泥濃縮槽。
步驟102是使該經冷凍處理之污泥進行一預處理步驟，以預先破壞該經冷凍處理之污泥內之微生物細胞的細胞體，進而增進後續萃取效率。該預處理步驟係進行擇自於以下之至少一個步驟：
(102-1)使該經冷凍處理之污泥進行超音波處理。在此實施例使用超音波處理時，是將該超音波功率設定為9W。其中，超音波功率的設定是參照下列文獻資料：唐世珍(2007)”利用微生物生產不同種類聚羥基烷酸(PHAs),”元智大學生物科技暨生物資訊研究所，碩士論文。
(102-2)將該經冷凍處理之污泥置於溫度30℃以上的環境。在本實施例中，是先參照現有文獻資料，分別在溫度為常溫、37℃、45℃及55℃四種不同溫度條件進行預處理後，再進行PHAs萃取，結果顯示溫度37℃時可獲得較高的PHAs純度，因此，選定溫度37℃為污泥預處理的溫度。其中，預處理的加熱溫度設定是參照下列文獻資料：許旭萍，陳接鋒，謝華玲(2004)“次氯酸鈉-氯仿提取球衣菌PHB的研究,”福建師範大學學報,Vol. 20(1),pp. 74-77。
(102-3)在該經冷凍處理之污泥中添加次氯酸鈉水溶液。本實施例是添加30v/v%的次氯酸鈉水溶液。其中，次氯酸鈉水溶液的濃度設定是參照下列文獻資料：Hahn,S.K.,Chang,Y.K.,Kim,B.S.,Chang,H.N.(1994),144(2),256-261。
步驟103是在經步驟102處理的污泥中添加次氯酸鈉(NaOCl)水溶液配製出液固比為0.67~0.95 mg/ml的一污泥混合物，以使微生物細胞的細胞壁被破壞並釋出聚羥基烷基酸酯。其中，在本說明書中所提到的液固比的定義皆為步驟101所量測之污泥中固體部分的重量與在本步驟所添加的次氯酸鈉水溶液體積的比例。較佳地，該污泥混合物的液固比為0.67~0.85mg/ml。最佳地，該污泥混合物的液固比為0.67mg/ml。若液固比過低，表示污泥量低於次氯酸鈉的可處理量，即次氯酸鈉的可處理容量未完全被利用，導致所萃取出的PHAs的純度與含量也較少，若液固比過高，則表示污泥量過多，導致次氯酸鈉無法有效作用至污泥中的微生物，也將導致萃取出的PHAs的純度與含量減少。其中，次氯酸鈉溶液的濃度也會影響到萃取出的PHAs的純度與含量，且其濃度較佳為10~60 v/v%，更佳為15~25 v/v%。雖然隨著次氯酸鈉的濃度的增加，萃取出的PHAs的純度與含量也會增加，但當次氯酸鈉濃度太高時，次氯酸鈉將不只對微生物細胞壁產生破壞，也可能對PHAs單體造成破壞，反而會導致PHAs純度降低。
步驟104是使該污泥混合物置於溫度30℃~40℃的範圍內反應以增進次氯酸鈉的作用效率。其中較佳是將該污泥混合物置於溫度37℃下進行反應。
值得一提的是，步驟102的預處理除了作用於微生物細胞的整個細胞體外，主要是用於初步破壞最外層的細胞壁的結構，藉此，使次氯酸鈉能更快速地破壞細胞壁及消化或分解微生物細胞內的非PHAs物質，而有助於提升萃取效率。
步驟105是使該污泥混合物進行一純化步驟，以移除非聚羥基烷基酸酯物質，並獲得純化的聚羥基烷基酸酯沉澱物。在本實施例中，是將該污泥混合物進行離心並去上層液後，再以丙酮清洗並進行離心，以移除非聚羥基烷基酸酯物質。其中，為了獲得更高純度的PHAs，可再藉由添加去離子水與離心的方式清洗聚羥基烷基酸酯沉澱物，並將清洗完成的沉澱物放置在105℃烘箱烘乾，就能得到白色的PHAs粉末。
參閱圖2，為本發明自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法的一第二較佳實施例，其包含下列步驗：
步驟201、202分別與步驟101、102相同，在此不再贅述。
步驟203與步驟103的主要差別在於其液固比範圍不同，在此步驟是對污泥添加次氯酸鈉水溶液以配製出液固比為0.67~4mg/ml的一污泥混合物。較佳地，該污泥混合物的液固比為0.67~3mg/ml。最佳地，該污泥混合物的液固比為2mg/ml。藉由將該污泥混合物限制在前述液固比範圍，再經後續的處理程序將有助於萃取出高純度與高含量的PHAs粉末。此外，次氯酸鈉溶液的濃度同樣會影響到萃取出的PHAs的純度與含量，且其濃度較佳為10~100 v/v%，更佳為25~40 v/v%。
步驟204是在該污泥混合物中加入預定量的氯仿，在本實施例中，主要是藉由添加氯仿保護細胞破壞後而釋出的PHAs。且主要是藉此保護自細胞內釋出的PHAs免於受到次氯酸鈉作用而降解，因而有助於進一步提升PHAs的純度與含量。
步驟205是使該污泥混合物置於溫度30℃~40℃的範圍內反應以增進次氯酸鈉的作用效率。其中較佳是將該污泥混合物置於溫度37℃下進行反應。
步驟206是使該污泥混合物進行一純化步驟，以移除非聚羥基烷基酸酯物質，並獲得純化的聚羥基烷基酸酯沉澱物。在本實施例中，是將該污泥混合物進行離心並去除上層液後，再添加濃度95%的冰酒精使聚羥基烷基酸酯單離。聚羥基烷基酸酯沉澱物再經去離子水清洗與烘箱乾燥就能得到白色的PHAs粉末。
以下以下列數個具體例說明本發明的萃取方法確實能直接自廢棄污泥中萃取出高純度的PHAs，且經由施加不同的預處理方式、液固比、次氯酸鈉濃度與反應時間確實能影響最終的萃取效果，要注意的是，在本發明中，是以PHAs的純度與含量作為評估萃取效果的標準，其中，是先量測萃取獲得且經乾燥的PHAs粉末重量W1，再利用氯仿溶解預定量的PHAs粉末後，使用GC-MS進行定量分析並配合內標準法與製作檢量線，以分別求出PHAs粉末中的PHB與PHV的含量C1、C2，利用(C1+C2)/W1公式就能算出所萃取出的PHAs純度，PHAs的含量則是先利用環境檢驗所NIEA W210.57A”水中總溶解固體及懸浮固體檢測方法-103℃~105℃”所述的檢測方法，對所收集且已濾除較大粒徑砂粒或雜質的廢棄污泥作污泥中的固體物分析，即MLSS(Mixed Liquor suspended solid，簡稱為MLSS)分析，再利用該固體物分析值進一步算出每次萃取所用的廢棄污泥中的固體部分重量W2，以(C1+C2)/W2就能獲得PHAs在廢棄污泥固體部分的含量，即本發明所稱的PHAs含量。
其中，進行GC-MS分析時是使用GC-17A capillary column，30 m(長度)×0.25mm(管徑)的毛細管並使用離子火焰偵測器(FID)；攜帶氣體(carrier gas)為氮氣，其流率設定為2 ml/min。每次分析樣品的注入量為2μl，並經由汽門口注入(split ratio 1/20)。注入口與偵測器的溫度分別為230℃與275℃，毛細管所在腔室的溫度程式設定如下：80℃持續4分鐘後，以升溫速率8℃/10min升溫到160℃並在該溫度持續6分鐘。
此外，在進行液固比的配製時，也是利用環境檢驗所NIEA W210.57A”水中總溶解固體及懸浮固體檢測方法-103℃~105℃”的檢測方法先對所收集且已濾除較大粒徑砂粒或雜質的污泥進行固體物分析後，再藉此算出用於萃取的廢棄污泥量其中的固體部分重量W，再針對該次萃取所設定的液固比X算出在前述步驟103或203中所需添加的次氯酸鈉水溶液的體積V。其算式如下：X=W/V，因此，要達到預定液固比所需添加的次氯酸鈉水溶液的體積為：V=W/X。
<具體例1預處理對PHAs萃取之影響>
先使用孔徑約1mm的濾網對收集自生活污水的預定量廢棄污泥進行過濾以濾除較大粒徑的砂粒或雜質後，再取約20~30mg的廢棄污泥並對其進行固體物分析(MLSS分析)以便計算其中的固體部分的重量，接著，再以3000r.p.m.離心去除掉上層殘餘水分後，放入-20℃冰箱冷凍保存，其中，該廢棄污泥也可以不經冷凍直接萃取，但為了停止微生物代謝反應並防止細胞內PHAs含量被代謝而減少，在此所用的廢棄污泥皆是經1小時冷凍保存處理者，共需準備四份經冷凍保存的污泥樣品，接著，分別將下列四種不同的預處理方式施加於前述四份經冷凍處理的污泥：(i)加入5ml的30 v/v%NaOCl水溶液後靜置3小時；(ii)加入5ml的30 v/v%NaOCl水溶液並同時在加熱溫度37℃下靜置3小時；(iii)先以功率9W的超音波處理1分鐘，再加入5ml的30 v/v%NaOCl水溶液後靜置3小時；(iv)先以功率9W的超音波處理1分鐘，再加入5ml的30 v/v%NaOCl並在加熱溫度37℃下靜置3小時。
經預處理後，分別在前述四組樣品中根據每組樣品所算出的污泥固體部分的重量添加30v/v%NaOCl水溶液配製成液固比為1mg/ml的污泥混合物，使該污泥混合物於溫度37℃下靜置15分鐘後，直接離心移除該污泥混合物的液體部分並收集PHAs沉澱物，再利用烘箱烘乾該沉澱物就能分別獲得PHAs粉末，分別量測經(i)、(ii)、(iii)與(iv)預處理的PHAs粉末重量，並利用GC-MS量測該等PHAs粉末中的PHB與PHV含量，就能分別計算出不同預處理條件下PHAs的純度及含量。其結果如下表-1所示：
前述結果說明不同的預處理方式確實會影響到PHAs的萃取結果，並顯示預處理方法(iii)與(iv)所得到的PHA純度最高，其中又以(iv)較佳，因此，後續的具體例將以(iv)的方法進行預處理。
<具體例2不同次氯酸鈉濃度對PHAs萃取結果之影響(針對第一較佳實施例的萃取方法)>
準備12份廢棄污泥樣品，經如具體例1所述的冷凍乾燥處理後，分別對其進行前述(iv)的預處理步驟，接著，配合每份污泥樣品中的固體部分重量值，分別添加不同濃度的次氯酸鈉水溶液將其配製成液固比為1mg/ml的污泥混合物，並於溫度37℃的恆溫水浴器中靜置15分鐘反應，不同樣品所添加的次氯酸鈉水溶液的濃度分別為2、5、10、15、20、25、30、35、40、60、80及100 v/v%。靜置後進行純化步驟時，是先以3000r.p.m.對該污泥混合物離心20分鐘並移除其上層液，再加入10ml丙酮反應20分鐘，再以3000r.p.m.離心20分鐘後移除上層液，就能藉由丙酮清除非聚羥基烷基酸酯物質，並獲得純化的PHAs沉澱物。
其中，不同次氯酸鈉濃度處理的樣品，經量測PHAs粉末重量與進行GC-MS定量分析後，算出其PHAs純度分別為14.0±1.52、19.4±0.90、22.0±2.07、22.8±1.59、20.9±0.89、22.6±1.80、22.1±1.38、24.5±0.99、23.4±1.38、23.6±1.29、23.0±0.89及20.4±1.04 wt%，如圖3所示，為不同次氯酸鈉濃度對PHAs純度的關係曲線圖，可看出當次氯酸鈉濃度由2 v/v%增加至10 v/v%時，PHAs純度會隨著濃度增加，當濃度增加至15~25 v/v%時，PHAs純度曲線漸趨平緩，但當次氯酸鈉曲線增加至60 v/v%後，PHAs純度會開始下降，推測應是所添加的次氯酸鈉水溶液的濃度太高，導致不只微生物的細胞壁受到破壞，自微生物細胞釋出的PHAs單體也會受到破壞而使PHAs純度下降。據此說明次氯酸鈉水溶液的濃度較佳為10~60 v/v%，更佳為15~25 v/v%。後續實驗配製液固比時所添加的次氯酸鈉水溶液將選用濃度為20 v/v%者。
<具體例3不同液固比對PHAs萃取結果之影響(針對第一較佳實施例的萃取方法)>
同具體例1所述的方法準備數份廢棄污泥樣品，分別進行冷凍乾燥與預處理步驟後，再分別添加濃度20 v/v%的次氯酸鈉水溶液配製出液固比分別為0.33、0.40、0.50、0.67、0.75、0.85及0.95 mg/ml的污泥混合物，分別在溫度37℃的恆溫水浴器中靜置15分鐘反應後，再以如具體2所述的方法進行純化步驟獲得純化的PHAs沉澱物，再分別進行相關量測以計算出不同液固比條件的PHAs純度與含量。
結果如圖4所示，前述液固比所對應的PHAs純度分別為11.7±0.05、19.0±0.60、28.2±0.72、53.6±2.73、50.7±2.83、49.7±4.27及39.4±3.07 wt%，而其所對應的PHAs含量分別為13.2±0.06、15.8±0.14、19.6±0.02、26.2±0.28、19.9±0.48、18.4±1.09及16.7±0.22 mgPHA/gVSS，其中，VSS(即Volatile Suspended Solids)係指廢棄污泥中經濾除較大粒徑砂粒後的固體部分，在此以g為單位表示其重量。由圖4的曲線關係圖可看出，當污泥混合物的液固比由0.33mg/ml增加至0.67mg/ml時，PHAs純度及含量皆隨著液固比的比例增加而上升，但當污泥液固比增加至0.67mg/ml後，PHAs純度及含量便開始下降，推測此結果是當污泥液固比較高時，代表所添加的污泥量相對過多，導致次氯酸鈉水溶液破壞微生物細胞的效果變差，進而造成所萃取出的PHAs純度及含量下降。據此說明當液固比為0.67mg/ml可獲得最佳的PHAs萃取結果。
<具體例4不同次氯酸鈉靜置時間對PHAs萃取結果之影響(針對第一較佳實施例的萃取方法)>
依如具體例2所述的方法準備數份廢棄污泥並進行冷凍乾燥、添加次氯酸鈉、靜置與純化等萃取步驟以獲得純化的PHAs沉澱物，其中，將不同樣品配製成液固比為0.67mg/ml的污泥混合物時，所添加的次氯酸鈉水溶液的濃度皆為20 v/v%，但該污泥混合物在溫度37℃的恆溫水浴器中的靜置時間分別設定為15、30、45、60、90、120、240、360、480、600及720分鐘。
如圖5所示，說明前述靜置時間所對應的PHAs純度分別為46.9±6.07、75.3±1.85、54.6±7.35、56.8±9.75、63.6±4.62、58.6±8.90、56.9±1.62、56.2±4.47、60.3±3.99、61.7±2.32及64.4±1.73 wt%。據此說明當靜置時間低於30分鐘時隨著靜置時間增加，PHAs純度有逐漸上升的趨勢，且當靜置時間為30分鐘時，可得最佳的PHAs純度75.3±1.85，當靜置時間超過30分鐘至45分鐘之間，則PHAs純度明顯下降，自45分鐘至720分鐘，PHAs純度未隨著靜置時間長短呈現明顯的變化，據此可合理推測，當靜置時間太長時，由於所添加的次氯酸鈉水溶液對細胞產生破壞作用的時間太長，導致PHAs單體也持續受到破壞，因而使所萃取出的PHAs純度下降。
由具體例2~4的結果可歸納出，在第一較佳實施例的萃取方法中可藉由限制添加在污泥中的次氯酸鈉水溶液濃度為20 v/v%，所配製的污泥混合物的液固比為0.67 mg/ml，及在溫度37℃下靜置時間30分鐘等條件，使所萃取出的PHAs沉澱物具有最佳的純度值。
<具體例5不同次氯酸鈉濃度對PHAs萃取結果之影響(針對第二較佳實施例的萃取方法)>
準備10份廢棄污泥樣品，經如具體例1所述的冷凍乾燥處理後，分別對其進行前述(iv)的預處理步驟，接著，配合每份污泥樣品中的固體部分重量值，分別添加不同濃度的次氯酸鈉水溶液將其配製成液固比為1mg/ml的污泥混合物，混合均勻後再添加10ml的氯仿，並於溫度37℃的恆溫水浴器中靜置15分鐘反應，不同樣品所添加的次氯酸鈉水溶液的濃度分別為5、10、15、20、25、30、40、60、80及100 v/v%。靜置後進行純化步驟時，是先以3000r.p.m.對該污泥混合物離心20分鐘並移除其上層液，再加入濃度95%的冰酒精20ml使PHAs沉澱，並以3000r.p.m.離心20分鐘後移除上層液，如此，就能在離心管底部獲得純化的PHAs沉澱物。
結果下表-2所示，為不同次氯酸鈉濃度處理後的樣品所對應的PHAs純度值：
由表-2的結果可看出，當次氯酸鈉濃度由5 v/v%增加至25 v/v%時，PHAs純度會隨著濃度增加，當濃度增加至25~40 v/v%時，PHAs純度最高(>99.0 wt%)，但當次氯酸鈉水溶液的濃度增加至60 v/v%後，PHAs純度會開始下降，據此推測當所添加的次氯酸鈉水溶液的濃度過高時，除了微生物的細胞壁外，自微生物細胞釋出的PHAs單體也會受到破壞，而導致PHAs純度下降。據此說明次氯酸鈉水溶液的濃度較佳為25~40 v/v%，更佳為30 v/v%。後續實驗配製液固比時所添加的次氯酸鈉水溶液將選用濃度30 v/v%者。此結果也說明第二較佳實施例由於在添加次氯酸鈉水溶液後，還有添加氯仿保護自細胞釋出的PHAs單體，因此，相較於第一較佳實施例，可添加較高濃度的次氯酸鈉水溶液，且由於PHAs受破壞的量減少而可萃取出更高純度的PHAs沉澱物。
<具體例6不同液固比對PHAs萃取結果之影響(針對第二較佳實施例的萃取方法)>
同具體例5所述的方法準備數份廢棄污泥樣品，分別進行冷凍乾燥與預處理步驟後，再分別添加濃度30 v/v%的次氯酸鈉水溶液配製出液固比分別為0.33、0.40、0.50、0.67、1、2、3及4 mg/ml的污泥混合物，經添加氯仿、於溫度37℃下靜置與純化步驟後，就能獲得純化的PHAs沉澱物，接著，再分別量測與計算不同液固比條件的PHAs純度與含量。
結果如圖6所示，前述液固比所對應的PHAs純度分別為16.9±1.46、37.2±6.50、52.5±4.42、87.1±4.10、>99.0、>99.0、91.4±4.42及73.0±3.34 wt%，而其所對應的PHAs含量分別為14.8±0.03、17.8±0.09、22.3±0.19、29.8±0.34、44.6±0.27、73.0±1.74、63.7±1.67及51.6±1.42 mgPHA/gVSS，其中，VSS(Volatile Suspended Solids)係指廢棄污泥中經濾除較大粒徑砂粒後的固體部分，在此以g為單位表示其重量。由圖6的曲線關係圖可看出，當污泥混合物的液固比由0.33mg/ml增加至2 mg/ml時，PHAs純度及含量皆隨著液固比的比例增加而上升，但當污泥液固比增加至2 mg/ml後，PHAs純度及含量便開始下降，推測此結果同樣是由於污泥液固比太高時，所添加的污泥量相對過多，導致次氯酸鈉水溶液破壞微生物細胞的效果變差，並使所萃取出的PHAs純度及含量下降。據此說明當液固比為2 mg/ml可獲得最佳的PHAs萃取結果。
<具體例7不同次氯酸鈉靜置時間對PHAs萃取結果之影響(針對第二較佳實施例的萃取方法)>
根據如具體例5所述的方法準備數份廢棄污泥並進行冷凍乾燥、添加次氯酸鈉、於溫度37℃下靜置與純化等萃取步驟以獲得純化的PHAs沉澱物，其中，將不同樣品配製成液固比為2 mg/ml的污泥混合物時，所添加的次氯酸鈉水溶液的濃度皆為30 v/v%，但不同樣品的污泥混合物在溫度37℃的恆溫水浴器中的靜置時間分別被設定為5、10、15、30、45、60、90、120、240、360、480、600及720分鐘。
結果下表-3所示，為經不同靜置時間處理後所萃取出的PHAs粉末的PHAs純度值：
由表-3的結果可看出，當靜置時間低於45分鐘時，隨著靜置時間增加PHAs純度有逐漸上升的趨勢，且當靜置時間為45分鐘時，可得到PHAs純度>99.0 wt%的最佳純度，當靜置時間超過45分鐘後，則PHAs純度開始下降，據此同樣可合理推測，當靜置時間太長時，由於所添加的次氯酸鈉水溶液對細胞產生破壞作用的時間太長，導致PHAs單體也持續受到破壞，因而使所萃取出的PHAs純度下降。此外，由於該第二較佳實施例有添加氯仿，因此，相對於該第一較佳實施例，該污泥混合物可承受較長的靜置時間且能獲得更佳的PHAs純度。
由具體例5~7的結果可歸納出，在第二較佳實施例的萃取方法中可藉由限制添加在污泥中的次氯酸鈉水溶液濃度為30 v/v%，所配製的污泥混合物的液固比為2 mg/ml及靜置時間為45分鐘等條件，使所萃取出的PHAs沉澱物具有最佳的純度值。
歸納上述，本發明自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，可獲致下述的功效及優點，故能達到本發明的目的：
一、本發明的方法能直接應用於所收集的廢棄污泥，且能在不進行純菌培養步驟的條件下自廢棄污泥萃取出高純度的PHAs，除了可增加生活污水與各種產業廢棄污泥的再利用價值外，還能節省進行純菌培養需要篩選菌種、提供培養基質、培養容器，及使用大量耗材與設備的成本，並能減少進行培養所需花費的時間，使本發明具有能大幅降低PHAs的製造成本與時間的優點，而有助於PHAs普及化並具有較佳的經濟效益。
二、藉由限制該污泥的液固比範圍，並輔以冷凍處理、預處理與純化步驟，就能在不進行純菌培養的情況下直接且順利地自所收集的廢棄污泥中萃取出高純度PHAs，因此，本發明藉由調整液固比就能控制所萃取PHA的純度，且所萃取的PHA純度可達99.0 wt%以上的高純度，使本發明具有方便操作且容易控制產品品質的特性，並具有能進一步發展成工業上製造生產PHAs方法的實用價值。
三、本發明選用對環境相對較友善的次氯酸鈉作為主要萃取劑，故能降低對環境的危害，並具有環保的特性。
四、將本發明方法所萃取出的PHAs粉末與預定比例的澱粉混合後進一步以熱壓成型方式製成一試片，再對該試片進行生物可分解掩埋測試的結果顯示，該試片掩埋49天後的重量為掩埋前重量的23.9%~27.9%，顯示當以本發明的方法所萃取出PHAs進一步製成的塑料成型品時，確實具有生物可分解性，故本發明的方法可用於製造生物可分解商品的原料。
值得說明的是，本發明雖然是直接應用於所收集的廢棄污泥，但不應以此限制其應用範圍，本發明的方法同樣適用於純菌培養的菌體，且同樣能用於獲得高純度的PHAs產物。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
圖1是本發明自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法一第一較佳實施例的一流程圖；
圖2是本發明自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法一第二較佳實施例的一流程圖；
圖3是該第一較佳實施例的萃取方法在不同次氯酸鈉濃度下對PHAs純度的關係曲線圖；
圖4是該第一較佳實施例的萃取方法在不同液固比下對PHAs純度與含量的關係曲線圖；
圖5是該第一較佳實施例的萃取方法在添加次氣酸鈉水溶液後，經不同靜置時間對PHAs純度的關係曲線圖；及
圖6是該第二較佳實施例的萃取方法在不同液固比下對PHAs純度與含量的關係曲線圖。
Claims (9)
- 一種自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，包含下列步驟：(1)使所收集的含有微生物細胞的廢棄污泥中的較大粒徑砂粒被移除後，量測污泥中固體部分的重量，再進行清洗、移除水分及冷凍處理步驟，以使微生物細胞停止活動；(2)使該經冷凍處理之污泥進行一預處理步驟，以破壞該經冷凍處理之污泥內之微生物細胞的細胞體；(3)在經步驟(2)處理的污泥中添加次氯酸鈉水溶液配製出液固比為0.67~4mg/ml的一污泥混合物，以使微生物細胞的細胞壁被破壞並釋出聚羥基烷基酸酯，其中，液固比的定義為步驟(1)所量測的污泥中固體部分的重量與在本步驟所添加的次氯酸鈉水溶液體積的比例；及(4)使該污泥混合物進行一純化步驟，以移除非聚羥基烷基酸酯物質，並獲得純化的聚羥基烷基酸酯沉澱物。
- 依據申請專利範圍第1項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，其中，該步驟(3)之污泥混合物的液固比為0.67~0.95mg/ml。
- 依據申請專利範圍第2項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，其中，在步驟(3)中的次氯酸鈉水溶液的濃度為10~60 v/v%。
- 依據申請專利範圍第2項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，其中，該步驟(4)之純化步驟是將該污泥混合物進行離心並移去上層液後，再以丙酮清洗並進行離心，以清除非聚羥基烷基酸酯物質。
- 依據申請專利範圍第1項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，其中，該步驟(2)的預處理方法係進行擇自於以下之至少一個步驟：(2-1)使該經冷凍處理之污泥進行超音波處理；(2-2)將該經冷凍處理之污泥置於溫度30℃以上的環境；及(2-3)在該經冷凍處理之污泥中添加次氯酸鈉水溶液。
- 依據申請專利範圍第1項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，還包含一在該步驟(3)之後之步驟(3-1)，該步驟(3-1)是使該污泥混合物在溫度37℃下進行反應。
- 依據申請專利範圍第1項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，其中，在步驟(3)中所用的次氯酸鈉水溶液的濃度為10~100 v/v%。
- 依據申請專利範圍第1項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，還包含一在該步驟(3)之後的步驟(3-2)，該步驟(3-2)是在該污泥混合物中添加氯仿。
- 依據申請專利範圍第8項所述的自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，其中，該步驟(4)之純化步驟是將該污泥混合物進行離心並移去上層液後，再添加冰酒精使聚羥基烷基酸酯單離。
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