TWI717569B

TWI717569B - 萃取聚羥基烷基酸酯(PHAs)之方法

Info

Publication number: TWI717569B
Application number: TW106137883A
Authority: TW
Inventors: 蔡勇斌; 呂孟珊; 楊智其; 徐顥; 林展緯
Original assignee: 國立暨南國際大學
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2021-02-01
Also published as: US20190127727A1; US10711263B2; TW201918503A

Abstract

本發明提供一種萃取聚羥基烷基酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHAs)之方法，該方法包括前處理步驟以及萃取步驟：在前處理步驟中移除含有微生物之廢棄污泥之水分，使含有微生物之廢棄污泥之水分含量低於40%；並在萃取步驟時對該廢棄污泥施加高壓脈衝電場，以破壞該微生物並釋出PHAs，其中高壓脈衝電場介於50伏特至400伏特之間，該高壓脈衝電場的施加時間介於5至90秒之間，該高壓脈衝電場的施加頻率介於500Hz至1000Hz之間，據此在使用較少的化學藥劑用量的情況下萃取PHAs。

Description

萃取聚羥基烷基酸酯(PHAs)之方法

本發明有關一種萃取方法，尤指一種自廢棄污泥中萃取聚羥基烷基酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHAs)之方法。

聚羥基烷基酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHAs,下稱PHAs)是一種生物合成塑膠材料，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，其優良的熱塑性及生物降解性使以該種生物合成塑膠來取代石油衍生性塑膠的想法變成可能。

因此，許多研究團隊對此投入研究，並提出各種萃取PHAs的方法。譬如，美國專利公告號US7378266提供一種利用生物質以溶劑為底之萃取PHAs的改良方法，包括下述步驟：a)將含有PHAs的生物質與選自低鏈酮和其混合物中之溶劑混配形成生物質液，其中該生物質液包括低於約25%的水；b)在從約70℃至約120℃的範圍內之溫度下混合該生物質液；c)在至少約40℃的溫度下，從該生物質液分離出PHAs以形成富含PHAs液；d)將該富含PHAs液與水混合形成沉澱出的PHAs與一不純的溶劑液，其中該水係與富含PHAs液以從至少約3份的水對1份PHAs之比例混合；及e)從該不純的溶劑液萃取該沉澱出的PHAs。

另，中華民國發明專利公告號I399345提供一種自廢棄污泥萃取聚羥基烷基酸酯的方法，係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；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；添加次氯酸鈉水溶液配製出液固比為0.67~4 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；最後，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。

美國專利公告號US7378266係由譬如植物或細菌之生物系統中以溶劑萃取PHAs、中華民國發明專利公告號I399345則在不進行純菌培養的情況下直接自廢棄污泥中萃取出高純度PHAs，然而，上述兩前案都需使用到可觀用量的化學藥劑來破壞微生物細胞達到萃取PHAs的目的，其次，目前PHAs的生產成本很高，限制了PHAs工業生產的可能性而無法被廣泛應用，此外，一般化學萃取法所需的時間較長，不利於商業化。緣此，亟需開發出一種更為經濟的PHAs生產製造方法，其步驟及成本均達到工業生產可接受的範圍。

本發明的主要目的，係為了同時解決習知萃取PHAs之方法成本耗費過高以及因大量使用化學藥劑造成環境傷害的缺點。

為了達到上述目的，本發明提供一種萃取PHAs之方法，包括：前處理步驟，移除一含有微生物之廢棄污泥之水分，使該含有微生物之廢棄污泥之水分含量低於40%；以及萃取步驟：利用一高壓脈衝法進行，係對該廢棄污泥施加一高壓脈衝電場，以破壞該微生物並釋出PHAs，其中該高壓脈衝電場介於50伏特至400伏特之間，該高壓脈衝電場的施加時間介於5至90秒之間，該高壓脈衝電場的施加頻率介於500Hz至1000Hz之間。

本發明一實施例中，該萃取步驟更包括一化學萃取法，係先以該高壓脈衝法對該廢棄污泥進行一初步萃取之後，再使用一化學萃取法進行一二次萃取。

本發明一實施例中，該前處理步驟之後更包括一活化步驟。該活化步驟係先對該廢棄污泥進行一發酵處理，將該經發酵處理之該廢棄污泥與水等比例混合並曝氣以令該廢棄污泥具有一80%以上之飽和溶氧量後，進行一好氧動態進流(aerobic dynamic feeding, ADF)處理。

是以，本發明相較於習知技術所能達到的功效在於：本發明萃取PHAs之方法中利用高壓脈衝法取代習知技術中仰賴化學藥劑來破壞微生物細胞之技術，減少化學藥劑的使用，為一種環保的PHAs萃取方法。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

第一實施例

『圖1』為本發明一實施例的萃取PHAs之方法之流程圖，該方法主要包括：前處理步驟(S1)、以及萃取步驟(S2)。

於前處理步驟(S1)中，係先移除一含有微生物之廢棄污泥之水分，使該含有微生物之廢棄污泥之水分含量低於40%。上述「含有微生物之廢棄污泥」可為採樣自生活污水、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的廢棄污泥，而其中所包含的微生物種類並無特別之限制，只要該種微生物可以蓄積合成或分解PHAs即可，截至目前的研究，超過250種包括革蘭氏陰性或陽性菌的微生物具有此能力，非限制之實例包括Alcaligenes eutrophs 、Alcaligenes latus 、或Azotobacter vinelandii 等。至於移除水分的方法亦無特別限制，舉例來說，可先靜置該含有微生物之廢棄污泥一段時間令固體沉澱後，移除上層液以使該廢棄污泥之水分含量低於40%，如30%、20%、或10%，以利後續萃取步驟進行。

隨後，進行萃取步驟(S2)。本實施例中，該萃取步驟(S2)主要為一高壓脈衝法。該高壓脈衝法(electroporation)技術原理是利用極短時間的大脈衝電場，使微生物細胞短暫產生一些微小孔隙，據此達PHAs萃取效果。該高壓脈衝法之操作參數可為以50伏特至400伏特、500Hz至1000Hz的頻率對該廢棄污泥施予一高壓電場5至90秒來破壞微生物細胞，完成PHAs萃取。其中，該高壓電場的電場強度可為102 V/mm以上，但本發明對此並無特別之限制，而可依實際情況進行調整。

於一具體實例中，測試當該高壓脈衝法之操作參數分別為100V、200V及400V，時間設定為15秒、30秒、45秒、及60秒，且頻率設定為1000Hz時，所萃取出來的PHAs的純度、含量、及其成分組成，請參考『圖2A』、『圖2B』及『圖2C』。

由上述結果可以發現，在不同參數的操作條件下，對於PHAs純度及含量均無顯著的影響，PHAs純度在27.6±0.09 wt%至31.3±0.33 wt%之間，PHAs含量則介於608±0.16至727±6.89 mgPHA/gVSS。進一步分析PHAs成分組成，結果發現亦無顯著影響。

第二實施例

於本發明第二實施例萃取PHAs的方法，請參考『圖3』之流程圖，其與第一實施例的區別，除了在該萃取步驟(S2)中更包括一化學萃取法外，於前處理步驟(S1)以及萃取步驟(S2)之間也更包括一活化步驟(S1a)以增加PHAs的含量。

第二實施例的該前處理步驟(S1)與第一實施例相同，均為使該廢棄污泥之水分含量低於40%以利後續萃取步驟進行，在此不再贅述。

隨後進行的該活化步驟(S1a)，其目的在於增加該廢棄污泥中之微生物蓄積PHAs的量。先對該廢棄污泥進行一發酵處理，該發酵處理係將該廢棄污泥的酸鹼值調整在約pH=11±0.5後，放置在20℃至50℃的溫度下培養約2至7天進行發酵，於一較佳實施例中，係放置於40℃恆溫震盪培養箱中培養約5天。接下來，於25℃下將該經發酵處理之該廢棄污泥與水等比例混合並曝氣，令該廢棄污泥具有一80%以上之飽和溶氧量後，進行一好氧動態進流(aerobic dynamic feeding, ADF)處理。

該好氧動態進流(aerobic dynamic feeding, ADF) 是過飽/過飢交替培養過飢交替培養(feast and famine cycling)之實際應用，為一種可以提高微生物中PHAs的生產及存儲速率的方法。本實施例中，係以前述發酵處理過後所產生的一發酵液作為該好氧動態進流處理過程中所使用之一處理液，利用該發酵液當成碳源時，不需調整任何液體中磷與氮的比例，故能藉由控制發酵液中氨氮與磷的含量來增加PHAs產率。該發酵液中包括至少兩種C₂ -C₆ 揮發性脂肪酸，且該C₂ -C₆ 揮發性脂肪酸可選自由乙酸、丙酸、丁酸、及戊酸所組成之群組。於本實施例之該發酵液中所含的揮發性脂肪酸濃度為400 mg/L，其中乙酸及丙酸之含量最高，然本發明對於該發酵液或該處理液中各種揮發性脂肪酸之濃度及其中之組成比例並無特別之限制。

除此之外，在其他實施例中，亦可使用其他的處理液而未必得選用前述之發酵液。只要該處理液中包括至少兩種C₂ -C₆ 揮發性脂肪酸即可，該C₂ -C₆ 揮發性脂肪酸可選自由乙酸、丙酸、丁酸、及戊酸所組成之群組。在第一次添加該處理液的同時，該處理液之中的碳源進入槽體之後因微生物利用該處理液之中的碳源而消耗氧氣，使得該飽和溶氧量隨之下降。當碳源快利用完畢後該飽和溶氧量隨之上升至70%即進行第二次添加，並且反覆進行此步驟數次，於一較佳實施例中，係添加5次該處理液，然本發明並不限於此，亦可隨著實際需求增加或減少添加該處理液的次數。

於該好氧動態進流步驟之後遂進行該萃取步驟(S2)。本實施例中，該萃取步驟(S2)包括一高壓脈衝法以及一化學萃取法：先利用高壓脈衝法，以50伏特至400伏特、500Hz至1000Hz的頻率對該廢棄污泥施予一高壓電場5至90秒來破壞微生物細胞，完成一初步萃取；接下來，再使用該化學萃取法進行一二次萃取，以破壞該微生物並釋出PHAs。

於本實施例中，該廢棄污泥可經離心後移除上層液並放入-20℃冰箱冷凍保存，接下來，以超音波碎機，功率9W處理1分鐘進一步破壞微生物細胞後，加入濃度為1 w/v%的該表面活性劑(如十二烷基硫酸鈉)進行該第一處理時間，該第一處理時間可介於15至60分鐘。

隨後，將該廢棄污泥以3000rpm離心20分鐘之後移除上層液，並加入一介於5 v/v%至70 v/v%之濃度的該次氯酸鈉，混合均勻之後使其反應該第二處理時間之後，再以3000rpm離心20分鐘，於底部之白色粉末為PHAs，此步驟中，定義將進行量測的該廢棄污泥中固體部分的重量與所添加的該次氯酸鈉水溶液體積的比例為『廢棄污泥固液比』，則較佳為1.00 mL/mg。

由於次氯酸鈉具有較強氧化力，在萃取中主要功用為清除該廢棄污泥中非PHAs物質，若該第二反應時間拉長，將會令長鏈的PHAs斷鍵，影響其中聚羥丁酯(PHB)及聚羥戊酯(PHV)的組成比例，本實施例中，該第二反應時間可視情況及需求進行5分鐘至3小時，本發明對此並無特別之限制。

在第二實施例中，該高壓脈衝法之操作條件係以100伏特、1000Hz的頻率對該廢棄污泥施予一高壓電場15秒；而該化學萃取法之操作條件係在廢棄污泥固液比為1.00 mL/mg的情況下，以濃度為10% (v/v)的次氯酸鈉處理5分鐘，其結果如『圖4A』、『圖4B』，結合該高壓脈衝法與該化學萃取法之複合萃取法所得的PHAs純度及含量分別是50.1±2.79 wt%及620±35.58 mgPHA/gVSS，較單純使用高壓脈衝法的結果(其PHAs純度為28.5±1.04 wt%、PHAs含量為638±35.21 mgPHA/gVSS)更高。

第三實施例

本實施例中針對該高壓脈衝法的操作進行微幅調整、並考量該些操作參數對於PHAs之中PHB及PHV的組成比例影響。

首先，在該高壓脈衝電場的施加時間為15秒、頻率為1000Hz時，分別以100V、200V及400V對該廢棄污泥施加該高壓脈衝電場，並測試在不同伏特數的情況下對於PHAs的純度、含量、及其成分組成的影響。請參考『圖5A』，顯示不同伏特數時對於所萃取出的PHAs的純度有顯著的影響(P=0.001)，100V時所得的PHAs純度明顯高於200V與400V。關於PHAs含量，請參考『圖5B』，所得到的PHAs含量分別為589±0.10 wt%、640±0.49 wt%、及647±5.98wt%，經統計檢定結果顯示不同伏特數對所萃取出的PHAs 含量有顯著的影響(P=0.002)，200V與400V之間雖無顯著差異，但200V與400V所得PHAs含量則明顯高於100V。進一步探討PHAs組成，不同伏特數對PHB 及PHV 組成無顯著影響，如『圖5C』。

接下來，以100V、1000Hz 的頻率分別對該廢棄污泥處理15秒、30秒、45秒及60秒以進行PHAs萃取。關於PHAs的純度，請參考『圖6A』，15秒、30秒、以及45秒所得PHAs純度明顯高於60秒，至於15秒、30秒及45秒三者間無顯著差異。

『圖6B』則可觀察到當以不同的時間進行萃取時，PHAs含量由多至少依序為：60秒＞30秒＞45秒＞15秒。進一步探討PHAs 組成，如『圖6C』，顯示時間的差異對於PHB 及PHV 組成也無顯著影響。

最後探討不同頻率之影響，在此所使用的操作條件為100V、時間30秒，頻率則分別為500Hz、666Hz及1000Hz。

請參考『圖7A』，當頻率則分別為500Hz、666Hz及1000Hz 時，所得到的PHAs純度分別是50.5±0.01、76.1±0.92 及83.1±1.75wt%，經統計檢定結果顯示不同頻率對所萃取出的PHAs純度有顯著的影響(P=0.001)，隨著頻率增加所得之PHAs純度亦增加。

而在『圖7B』中可見PHAs含量分別為509±14.10、617±0.35 及705±1.22 wt%，經統計檢定結果顯示不同頻率對於所萃取出的PHAs含量亦有顯著的影響(P=0.001)，500Hz＞ 666Hz＞1000Hz。

進一步探討PHAs 組成，如『圖7C』，不同頻率對PHB及PHV組成也有顯著影響：隨著頻率增加，PHA中PHB 比例逐漸減少而PHV的比例增加。從不同頻率實驗結果得知，最適頻率為500Hz。

綜合以上測試結果發現，當調整該高壓脈衝法而以100伏特、500Hz 的頻率對該廢棄污泥施予一高壓電場30秒時，經由15次反覆量測所測得的PHAs純度均在71.3%至85.9%之範圍內，與單純化學法獲得的PHAs純度相距不遠。

與習知單純使用化學萃取法時，其最適操作條件分別為次氯酸鈉濃度60 v/v%，污泥液固比為1.00 mL/mg，該次氯酸鈉浸置時間為60分鐘。

本發明中，單純使用高壓脈衝法進行PHAs的萃取已可獲得不錯的PHAs純度及含量，如進一步結合該高壓脈衝法與該化學萃取法時，該次氯酸鈉濃度及處理時間分別下降為10 v/v 及5分鐘。顯見於本發明中可有效減少化學藥劑使用量，具有取代習知技術中仰賴化學藥劑來破壞微生物細胞之技術之潛力，為一種環保的PHAs萃取方法。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

S1、S1a、S2‧‧‧步驟

『圖1』為本發明第一實施例的萃取PHAs之方法之流程圖。『圖2A』為本發明第一實施例的萃取PHAs之方法之PHAs純度結果。『圖2B』為本發明第一實施例的萃取PHAs之方法之PHAs含量結果。『圖2C』為本發明第一實施例的萃取PHAs之方法之PHAs成分組成結果。『圖3』為本發明第二實施例的萃取PHAs之方法之流程圖。『圖4A』為本發明第二實施例的萃取PHAs之方法之PHAs純度結果。『圖4B』為本發明第二實施例的萃取PHAs之方法之PHAs含量結果。『圖5A』為本發明第三實施例中，以不同的伏特數進行萃取PHAs時，PHAs純度結果。『圖5B』為本發明第三實施例中，以不同的伏特數進行萃取PHAs時，PHAs含量結果。『圖5C』為本發明第三實施例中，以不同的伏特數進行萃取PHAs時，PHAs成分分析結果。『圖6A』為本發明第三實施例中，以不同的時間進行萃取PHAs時，PHAs純度結果。『圖6B』為本發明第三實施例中，以不同的時間進行萃取PHAs時，PHAs含量結果。『圖6C』為本發明第三實施例中，以不同的時間進行萃取PHAs時，PHAs成分分析結果。『圖7A』為本發明第三實施例中，以不同的頻率進行萃取PHAs時，PHAs純度結果。『圖7B』為本發明第三實施例中，以不同的頻率進行萃取PHAs時，PHAs含量結果。『圖7C』為本發明第三實施例中，以不同的頻率進行萃取PHAs時，PHAs成分分析結果。

S1、S2‧‧‧步驟

Claims

一種萃取聚羥基烷基酸酯(PHAs)之方法，包括以下步驟：前處理步驟：移除一含有微生物之廢棄污泥之水分，使該含有微生物之廢棄污泥之水分含量低於40%；以及萃取步驟：利用一高壓脈衝法對該廢棄污泥進行一初步萃取之後，再使用一化學萃取法進行一二次萃取，其中該高壓脈衝法係對該廢棄污泥施加一高壓脈衝電場，以破壞該微生物並釋出聚羥基烷基酸酯(PHAs)，其中該高壓脈衝電場介於100伏特至400伏特之間，該高壓脈衝電場的施加時間介於15至60秒之間，該高壓脈衝電場的施加頻率介於500Hz至1000Hz之間。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該化學萃取法為一表面活性劑-次氯酸鈉萃取法，係先以一表面活性劑以一第一處理時間處理該廢棄污泥後，再加入該次氯酸鈉以一第二處理時間處理該廢棄污泥，其中，該第一處理時間係15分鐘至3小時，且該第二處理時間係5分鐘至3小時。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該表面活性劑係十二烷基硫酸鈉，且該表面活性劑的濃度為1%(w/v)。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該次氯酸鈉具有一介於5 v/v%至70v/v%之間的濃度。