一種利用剩余污泥發(fā)酵液VFAs合成PHBV的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用剩余污泥發(fā)酵液VFAs (揮發(fā)性脂肪酸）合成PHBV的方法，屬 于可生物降解塑料合成領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚羥基脂肪酸醋（Polyhydroxyalkanoates，PHA)是原核微生物在外界環(huán)境碳、 氮營養(yǎng)失衡的情況下作為碳源和能源物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)合成并貯存的一類熱塑性聚酯。目前 一般通過純種細(xì)菌發(fā)酵法小規(guī)模的生產(chǎn)PHA，Shira等以葡萄糖為唯一碳源利用光合菌 Rhodobacter spheroids合成PHA，其產(chǎn)率為6gPHA/L。賀文楠等以葡萄糖為碳源利用菌種 DG17(油田土壤中篩選）通過微生物發(fā)酵方式合成PHA，得到單位微生物中合成高達(dá)65. 6% 比例的PHA。
[0003] 活性污泥這種以細(xì)菌為主的混合菌群也可以用于合成PHA。Lemos等研宄了在馴 化活性污泥的兩個反應(yīng)器中分別加入乙酸和丙酸這樣的單一酸底物時，得到的微生物PHA 產(chǎn)量及組成。結(jié)果表明，合成的聚合物PHA的組成和性質(zhì)隨著加入有機酸的種類和比例的 改變而發(fā)生相應(yīng)的改變。Dionisi等以乙酸、丙酸、乳酸混合物為底物，研宄活性污泥PHA 的儲存情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單一的乙酸、乳酸合成的物質(zhì)為PHB(聚3-羥基丁酸酯），而單一 的丙酸轉(zhuǎn)化為PHV (聚3-羥基戊酸酯），乙酸與乳酸只有和丙酸一起存在時才形成共聚物 PHBV (3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯的共聚物），以三種酸為混合底物，得到的PHA在細(xì)胞 內(nèi)的最大含量為50% (統(tǒng)一以COD為單位）。Bengtsson等研宄了應(yīng)用處理造紙廠污水的 污泥合成PHA的情況，包括三個步驟：一是造紙廢水的厭氧酸化，轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、乳酸、 丁酸、等易合成PHA的混合酸，二是采用好氧動態(tài)供料法對活性污泥進(jìn)行馴化，三是批式試 驗合成PHA，通過這種方法得到的PHA合成量可以達(dá)到細(xì)胞干重的48%。
[0004] PHA的材料學(xué)性質(zhì)主要是由它的單體組成決定，目前發(fā)現(xiàn)的活性污泥利用廢水合 成的PHA聚合物主要是短鏈PHA，其羥基烷酸單體（HA)主要有3-羥基丁酸（HB)、2-甲 基-3-羥基丁酸（HMB)、3_羥基戊酸（HV)、2_甲基-3-羥基戊酸（HMV)。其中，HB和HV聚 合成的PHBV共聚物的性質(zhì)與聚丙烯十分接近。隨著PHBV中HV含量的增加，PHBV的抗沖擊 性、韌度、柔性和加工特性得到加強，因此應(yīng)用前景十分廣泛。林東恩等研宄表明，合成PHA 聚合物的組成與性質(zhì)與加入碳源的種類和比例有關(guān)，并隨碳源的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化。 采用乙酸鈉作為碳源所得到的PHA主要成分是PHB，而且碳源轉(zhuǎn)化率較高。采用丙酸鈉作為 碳源所得到的PHA主要成分是PHV，碳源轉(zhuǎn)化率較低。而采用丁酸鈉作為碳源所得到的PHA 以3HB單體為主，3HV單體為輔的共混共聚物。
[0005] 揮發(fā)性有機酸（VFAs)作碳源，含奇數(shù)碳原子的有機酸（如丙酸、戊酸）會轉(zhuǎn)化成 丙酰-CoA，丙酰-CoA和乙酰-CoA縮合成3HV單體；含偶數(shù)碳原子的有機酸（如乙酸、丁酸） 會轉(zhuǎn)化成3HB單體。由于污泥中同一優(yōu)勢菌群在利用不同類型碳源時，代謝調(diào)控方式不同， 因此活性污泥能夠利用不同類型的碳源合成不同的PHA單體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種利用剩余污泥發(fā)酵液VFAs合成PHBV的方法，以解決現(xiàn) 有技術(shù)中存在的合成可生物降解塑料的碳源成本比較高；合成量偏低的問題。
[0007] 一種利用剩余污泥發(fā)酵液VFAs合成PHBV的方法，包括：首先將剩余污泥在厭氧條 件下進(jìn)行產(chǎn)酸發(fā)酵，生成以乙酸為主的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs)，離心分離得到發(fā)酵液；然后 以剩余污泥發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸為碳源，利用活性污泥中的混合菌群合成PHBV共聚物， 從而降低生產(chǎn)成本。
[0008] 所述的活性污泥來自于城市污水處理廠；剩余污泥為城市污水處理廠的活性污泥 系統(tǒng)中從二次沉淀池或沉淀區(qū)排出系統(tǒng)外的活性污泥。
[0009] 所述的剩余污泥發(fā)酵液的制備方法，包括如下步驟：將剩余污泥在25-35°C，初始 pH為10-11的條件下，發(fā)酵2-3天，吹氮氣保證其處于厭氧狀態(tài)，離心分離得到含VFAs的發(fā) 酵液。此發(fā)酵液中含有以乙酸為主的多種揮發(fā)性脂肪酸，可以作為合成可生物降解塑料的 碳源。
[0010] 上述方法中，優(yōu)選的溫度為30°c，pH為10,發(fā)酵3天。
[0011] 上述方法中，剩余污泥中可加入由剩余污泥馴化得到的接種污泥，以加快產(chǎn)酸速 度。
[0012] 以剩余污泥發(fā)酵液中揮發(fā)性有機酸為碳源，利用活性污泥合成PHBV共聚物的方 法，包括如下步驟：將活性污泥置于序批式反應(yīng)器（SBR反應(yīng)器）中，采用間歇操作方式運行 反應(yīng)器，8h為一個周期，一次性注入稀釋的剩余污泥發(fā)酵液，經(jīng)曝氣、沉淀、排水，再補充等 量碳源，重復(fù)上述操作若干次以提高PHBV合成量，使PHBV的質(zhì)量百分含量達(dá)到污泥干重的 30%以上。
[0013] 合成PHBV共聚物的工藝條件為：溶解氧為0-4mg/L，溫度為30±0. l°C，pH為6-8， 曝氣6h，沉淀lh、排水lh，重復(fù)操作6~8次，得到PHBV共聚物。
[0014] 稀釋的剩余污泥發(fā)酵液中，化學(xué)需氧量（COD)為500-600mg/L。
[0015] 合成PHBV共聚物的具體步驟包括：將活性污泥置于SBR反應(yīng)器中，采用間歇操作 方式運行反應(yīng)器，8h為一個周期，在進(jìn)水時一次性注入稀釋的剩余污泥發(fā)酵液，勻速注入空 氣，控制底物溶液中的溶解氧濃度在〇_4mg/L，溫度30±0. 1°C，pH = 6-8 ;6h后停止曝氣， 沉淀lh ;排出上清液，再補充等量碳源（稀釋的剩余污泥發(fā)酵液），曝氣，沉淀，排水；重復(fù) 上述操作6~8次，即完成。PHBV的質(zhì)量百分含量可達(dá)到污泥干重的30%以上。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點：
[0017] 1)提取的PHA為PHBV共聚物，具有高分解溫度，低熔點溫度。
[0018] 2)該方法利用剩余污泥發(fā)酵液合成共聚體，降低了 PHBV的生產(chǎn)成本，提高了合成 量；同時有利于實現(xiàn)剩余污泥的資源化。
【附圖說明】
[0019] 圖1是接種污泥馴化反應(yīng)裝置示意圖。