一种低负荷连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法技术

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。本发明专利技术方法为：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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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(Mixed Microbial 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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术与现有混菌PHA相比，具有如下优点：本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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为本专利技术的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为本专利技术的运行效果图，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 loadi本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：Qs=BLR*Xa*VRCs*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。...

【技术特征摘要】
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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：温沁雪，黄龙，陈志强，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23