一种污水发酵木质碳源合成PHBV的方法技术

本发明专利技术公开了一种污水发酵木质碳源合成PHBV的方法，包括以下步骤：1)通过对木质生物资源以高温高压水热预处理法进行水解、酶解；2)以木材水解‑酶解液(还原糖)为碳源，利用含活性污泥的污水对其厌氧发酵生成挥发性脂肪酸(VFAs)；3)以VFAs为碳源，通过好氧动态供料法对含活性污泥的污水进行驯化，富集可合成聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的微生物；4)通过调节VFAs组分(偶数碳酸和奇数碳酸)比例、碳源浓度(以VFAs浓度计)、pH值和C/N比等因素，合成具有不同HB/HV比例的PHBV。本发明专利技术实现了废弃木质资源的高效高值化利用，变废为宝；其次，将污水发酵产物转化成具有良好利用价值的环境友好型塑料PHAs，这对于环境保护和资源可持续发展具有重大现实意义。

A method of synthesizing PHBV from lignin carbon source by sewage fermentation

【技术实现步骤摘要】
一种污水发酵木质碳源合成PHBV的方法
本专利技术属于生物质资源高效高值利用、可生物降解塑料和固体废弃物处理领域，涉及一种污水发酵木质碳源合成聚3-羟基丁酸酯3-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)的方法。
技术介绍
塑料是人们日常生活中必不可缺的材质，由于塑料产品具备的密度小、强度高、重量轻、耐腐蚀、成型加工方便、电绝缘性能优异以及价格低廉等优良特性获得了飞速发展。然而，石油基塑料造成的化石燃料消耗和全球环境问题引起了广泛关注，这使得人们对利用自然资源合成的可再生生物基产品产生了极大兴趣。聚羟基脂肪酸酯(PHAs)是一种具有生物降解性和生物相容性的环境友好型高分子塑料，与传统塑料的物理性质类似。其中聚3-羟基丁酸酯/3-羟基戊酸酯(PHBV)的结构单元由3-羟基丁酸酯(3HB)和3-羟基戊酸酯(3HV)组成，二者分别决定最终产品的脆性和韧性，通过调节二者的比例可获得具有不同性能的PHBV，满足不同的需求，扩大其应用领域。然而目前合成PHBV的方法主要采用纯菌法，以葡萄糖或人工配制的有机酸作为碳源，生产过程中要求灭菌消毒，生产成本几乎是传统塑料的4-9倍，限制了其工业化生产。目前，合成PHBV的廉价碳源主要有糖质碳源、甲醇和有机酸碳源。其中糖质碳源包括葡萄糖、蔗糖、淀粉等；有机酸碳源包括乙酸、丙酸、丁酸或混合酸。以甲醇为碳源合成PHBV时，由于甲醇菌积累PHB的含量不高，PHB回收成本大，使得PHB的分子量较小；而以糖质为碳源时，合成PHBV的含量较有机酸为碳源的低。所以以混合酸为碳源合成PHBV具有重要的研究意义。木质生物质资源作为一种可再生的资源，来源广泛，包括农业秸秆类废弃物、林木及林产加工废弃物等，但利用率及回收率低，因此对其进行资源化利用势在必行。有研究发现，木质生物质资源中的纤维素和半纤维素可水解成小分子糖类，作为污泥厌氧产酸的碳源使用时，产生的挥发性脂肪酸(VFAs)种类多样化，包括乙酸、丙酸、丁酸等，可作为混合菌种合成PHAs的有效底物。因此，本专利技术利用回收的木质生物质水解产生混合的小分子糖类，以糖类水解液结合污水厌氧生产VFAs喂养活性污泥混合菌群合成PHBV。本专利技术利用废弃的木质生物质资源和污水发酵后驯化混合菌群合成PHBV，使用廉价碳源代替工业生产的昂贵底物，大大降低了PHBV的生产成本，为推进PHAs产品的市场化起到重要作用。同时，通过改变合成条件可调控PHAs中PHB和PHV的比例，使合成的PHBV具有不同的性能，可满足不同的需求，扩大其应用范围。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的不足，提供一种污水发酵木质碳源合成聚3-羟基丁酸酯3-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)的方法。本专利技术为解决
技术介绍
中的技术问题，采用的技术方案是一种污水发酵木质碳源合成聚3-羟基丁酸酯3-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)的方法，主要步骤如下：1)将木粉和超纯水经高温高压反应釜反应，冷却后稀释，向稀释后的水解液中加入酶解液，灭菌后抽滤备用；2)将步骤1)所得滤液加入污水中，加入氮源、磷源和微量元素驯化，驯化后的污水发酵产酸，得到碳源VFAs；3)对污水中聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的混合菌群进行驯化富集：(1)配制污水进水液：以步骤3)得到的VFAs为碳源，控制碳源浓度为1000mg/L(以COD计)，氮源浓度为50mg/L，磷源浓度为10mg/L，每1L进水包括100mg/LMgSO4和1mg/L微量元素液；(2)将污水投加在2L容器中驯化培养，驯化周期的运行方式为进水→曝气+搅拌→沉淀→出水，运行周期为12h；(3)运行周期中沉淀段时间为1h，进水和出水均为500ml；4)合成PHAs：(1)将驯化后污水投加在500mL容器中，污水的初始MLSS为2000mg/L，合成周期的运行方式为进水→曝气+搅拌→沉淀→出水，运行周期为12h；(2)配制污水进水液：以步骤3)中得到的VFAs为碳源，碳源浓度(按VFAs浓度计)为800-1000mg/L，氮源浓度为100-300mg/L，磷源浓度为20-60mg/L，每1L进水包括100mg/LMgSO4和1mg/L微量元素液；(3)合成PHAs时，控制VFAs(偶数碳酸和奇数碳酸)比例为88:12-49:51，碳源浓度(以VFAs浓度计)为800-1000mg/L，pH值为7-9，C/N比为100:3-100:7。所述步骤4)-(3)中优选条件为：VFAs组分比例为63:37，碳源浓度为1000mg/L，不控制pH，C/N比为100:5，此时合成的PHAs产量达到最大值。所述步骤1)中木粉为工农业的木质废弃物粉碎过筛获得，工业上的废弃物如木材加工厂、家具厂等加工剩余物和废木屑等，农业废弃物如秸秆、蔗渣等。所述步骤2)和步骤3)中污水分别为含厌氧活性污泥的污水和好氧活性污泥的污水。所述步骤2)和步骤3)中污水的菌群包括芽孢杆菌属、色杆菌属、诺卡氏菌属、变形杆菌属、志贺氏菌属、沙门氏菌属、埃希氏菌属、假单胞菌属、酵母菌属、放线菌属、黄色杆菌属中的一种或多种。所述步骤2)和步骤3)中微量元素液组成为40mg/LCaCl2，3mg/LFeCl3·3H2O，0.24mg/LZnSO4·7H2O，0.3mg/LCoCl2·6H2O，0.3mg/LMnCl2·4H2O，0.3mg/LH3BO3，0.06mg/LCuSO4·5H2O，0.06mg/LKI。所述步骤2)和步骤3)中氮源优选NH4Cl，磷源优选KH2PO4。所述步骤3)-(2)中进水中营养元素优选比例为：C:N:P＝100:5：1。所述步骤2)中进水pH值为7±0.2，通入的氮气含量充足以去除氧气，保持厌氧状态。所述步骤3)-(2)中进水pH值为7±0.2，通入的氧气量充足。所述步骤2)中合成的VFAs组分主要为乙酸、丙酸和丁酸的混合酸。所述步骤4)中合成的PHAs成分为PHBV。所述步骤4)-(3)中合成的PHB和PHV比例可调控，可获得不同性能的PHBV，从而扩大其应用范围。所述步骤2)和步骤3)中“进水”是指每一个反应时间周期内的初始进水，“出水”指每一个反应时间周期结束后的出水。所述步骤4)中还包括连续监测所述微生物中合成PHAs的含量。所述步骤4)中调节加入容器中的VFAs组分比例、碳源浓度、pH值和C/N比等因素，可以调节PHB和PHV的比例，可满足不同性能的要求，扩大了其应用范围。在PHAs合成过程中，在第6个周期结束后对污水进行取样测量，将混合液离心后，取沉淀在-50℃冷冻干燥，经酯化使用气相色谱测定PHAs的产量及成分。PHAs的产量及成分测定的具体操作步骤如下：吸取8mL污水在10000rpm下离心10min，取下部菌体在-50℃条件下冷冻干燥24h，干燥后称重并记录。PHA酯化反应液的配制：准确称取1.0g苯甲酸(分析纯)，与100mL甲醇(色谱纯)混合，再加入10mL浓硫酸(优级纯)，超声5min至完全溶解，制得酯化反应液。样品制备过程：称取一定量干燥后的菌体于酯化管中，加入2mL氯仿、1mL酯化反应液，100℃反应4h，冷却至室温后加入1mL高纯水，剧烈震荡，于4℃静置。当下层有机相澄清时，用1mL注射针管吸取下层有机相1.0-1.5mL转移至气相色谱进样瓶内，即可进样。色谱条件：进样口：温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种污水发酵木质碳源合成PHBV的方法，其特征在于，主要步骤如下：1)将木粉和超纯水经高温高压反应釜反应，冷却后稀释，向稀释后的水解液中加入酶解液，灭菌后抽滤备用；2)将步骤1)所得滤液加入污水中，加入氮源、磷源和微量元素驯化，驯化后的污水发酵产酸，得到碳源VFAs；3)对污水中聚羟基脂肪酸酯的混合菌群进行驯化富集：(1)配制污水进水液：以步骤2)得到的碳源VFAs，控制碳源浓度为1000mg/L(以COD计)，氮源浓度为50mg/L，磷源浓度为10mg/L，每1L进水包括100mg/L MgSO4和1mg/L微量元素液；(2)将污水投加在2L容器中驯化培养，驯化周期的运行方式为进水→曝气+搅拌→沉淀→出水，运行周期为12h；(3)运行周期中沉淀段时间为1h，进水和出水均为500ml；4)合成PHAs：(1)将驯化后污水投加在500mL容器中，污水的初始MLSS为2000mg/L，合成周期的运行方式为进水→曝气+搅拌→沉淀→出水，运行周期为12h；(2)配制污水进水液：以步骤3)中得到的VFAs为碳源，碳源浓度(按VFAs浓度计)为800‑1000mg/L，氮源浓度为100‑300mg/L，磷源浓度为20‑60mg/L，每1L进水包括100mg/L MgSO4和1mg/L微量元素液；(3)合成PHAs时，控制VFAs中偶数碳酸和奇数碳酸的比例为88:12‑49:51，碳源浓度(以VFAs浓度计)为800‑1000mg/L，pH值为7‑9，C/N比为100:3‑100:7。...

【技术特征摘要】
1.一种污水发酵木质碳源合成PHBV的方法，其特征在于，主要步骤如下：1)将木粉和超纯水经高温高压反应釜反应，冷却后稀释，向稀释后的水解液中加入酶解液，灭菌后抽滤备用；2)将步骤1)所得滤液加入污水中，加入氮源、磷源和微量元素驯化，驯化后的污水发酵产酸，得到碳源VFAs；3)对污水中聚羟基脂肪酸酯的混合菌群进行驯化富集：(1)配制污水进水液：以步骤2)得到的碳源VFAs，控制碳源浓度为1000mg/L(以COD计)，氮源浓度为50mg/L，磷源浓度为10mg/L，每1L进水包括100mg/LMgSO4和1mg/L微量元素液；(2)将污水投加在2L容器中驯化培养，驯化周期的运行方式为进水→曝气+搅拌→沉淀→出水，运行周期为12h；(3)运行周期中沉淀段时间为1h，进水和出水均为500ml；4)合成PHAs：(1)将驯化后污水投加在500mL容器中，污水的初始MLSS为2000mg/L，合成周期的运行方式为进水→曝气+搅拌→沉淀→出水，运行周期为12h；(2)配制污水进水液：以步骤3)中得到的VFAs为碳源，碳源浓度(按VFAs浓度计)为800-1000mg/L，氮源浓度为100-300mg/L，磷源浓度为20-60mg/L，每1L进水包括100mg/LMgSO4和1mg/L微量元素液；(3)合成PHAs时，控制VFAs中偶数碳酸和奇数碳酸的比例为88:12-49:51，碳源浓度(以VFAs浓度计)为800-1000mg/L，pH值为7-9，C/N比为100:3-100:7。2.根据权利要求1所述的一种污水发酵木质碳源合成PHBV的方法，其特征在于，所述步骤1)中木粉为工农业的木质废弃物粉碎过筛获得。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓军，李冬娜，尹芬，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12