專利名稱：利用活性污泥生產可生物降解塑料的方法
技術領域：
本發明涉及環境生物技術領域，特別涉及一種利用活性污泥生產聚羥基
鏈垸酸酯(PHA)的方法。
背景技術：
聚羥基鏈烷酸酯(PHA)是一種生物聚酯，可由細菌合成作為細菌胞內碳 源和能源的貯存物。PHA具有與傳統塑料聚乙烯和聚丙烯相似的機械性質，并 且無毒無害，可完全生物降解，是一種非常優良的可生物降解塑料。當前， PHA的生產主要是通過純培養發酵工藝。這種工藝需要篩選高貯存能力的菌 株，或通過基因重組技術構建基因工程菌，并在純培養條件下，好氧發酵獲 得較高胞內PHA含量的生物量，之后進行提取獲得PHA。但是，這種方法生產 的raA并沒有得到廣泛的應用，主要原因是生產成本過高，相關報導參見 Khanna S, Srivastava AK (2005) Recent advances in microbial polyhydroxyalkanoates. Process Biochem 40: 607 619，及Lee SY (1996) Plastic bacterial Progress and prospects for polyhydroxyalkanoate production in bacteria. Trends Biotechnol 14: 431 438。商業化的PHA產品，其生產成本常常是聚乙 烯的8 10倍。純菌種的篩選和構建，純培養發酵工藝所需要的高品質底物 (培養液)，以及需無菌操作的純培養發酵過程是構成高成本的主要因素。而 這些因素都是純培養發酵工藝所必需的，因此這種方法生產的PHA，其成本很 難被進一步降低。
活性污泥法是世界范圍內應用最廣泛的污水生物處理方法。最近的研究 表明，在一定條件下，活性污泥可以在其微生物細胞內貯存PHA。但是常規的 活性污泥中，PHA在活性污泥中的微生物細胞內的含量往往質量濃度不足20 %。在純培養體系內，PHA在微生物細胞內的質量濃度含量可達到80X以上。 因此，必須采用特殊的運行方式，提高活性污泥中的微生物細胞的貯存能力，才能使活性污泥合成PHA這種方法具有競爭力。這也是本發明需要解決的主 要技術難點。
發明內容
本發明的目的是提供一種利用活性污泥生產可生物降解塑料的方法，利 用活性污泥合成可生物降解塑料，大幅度提高活性污泥的PHA貯存能力。
本發明的利用活性污泥生產可生物降解塑料的方法包括以下步驟
1) 在一個序批式反應器(SBR)中，以活性污泥為菌種，向序批式反應 器中接種活性污泥，通過動態的底物投加方式將包含揮發性脂肪酸的礦物鹽 培養液加入到序批式反應器中，得到混合液，攪拌并充入空氣開始好氧反應， 在好氧條件下培養活性污泥，得到具有貯存聚羥基鏈烷酸酯能力的活性污泥；
2) 將步驟1)得到的具有貯存聚羥基鏈垸酸酯能力的活性污泥投入到反 應器中， 一次性將包含揮發性脂肪酸的礦物鹽培養液加入到反應器中，得到 混合液，攪拌并向混合液中充入空氣，好氧條件下反應，使活性污泥中的微 生物細胞內貯存的聚羥基鏈烷酸酯達到飽和，此時反應停止；將微生物細胞 內貯存的聚羥基鏈烷酸酯達到飽和的活性污泥進入到下游工序提取聚羥基鏈 垸酸酯產品，即實現了利用活性污泥生產可生物降解塑料產品的目的。
所述的步驟1)或步驟2)混合液中的污泥濃度控制在MLSS二 2500 5000mg/L;培養液的濃度控制在60Cmmol/L 120Cmmol/L。
步驟1)所述的動態的底物投加方式是指在10 30分鐘內將培養液勻速 地投加入序批式反應器中，投加培養液的體積為序批式反應器容積的一半， 以容積為2升的序批式反應器為基準。
所述的步驟l)或步驟2)的培養中包含揮發性脂肪酸的礦物鹽培養液是 在每升去離子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各10 30Cmmol，及160 480mg 的氯化銨或硫酸銨、50 200mg的硫酸鎂或氯化鎂、10 30mg的乙二胺四乙 酸、80 240mg的磷酸氫二鉀、10 60mg的磷酸二氫鉀、30 100mg的氯化鈣、 10 40mg的酵母浸膏和2mL微量元素溶液。微量元素溶液是在每升去離子水 中含有100 300mg的氯化鐵，100 200mg的硼酸，100 200mg的氯化鈷， 100 200mg的氯化錳，100 200mg的硫酸鋅，100 200mgmg的碘化鉀，50 100mg的鉬酸鈉，50 100mg的氯化鎳和10 30 mg的氯化銅。
步驟1)所述的在好氧條件下培養活性污泥的時間是4 12小時。 步驟2)所述的好氧條件下反應的時間是2 12小時。
本方法具有如下優點
1. 本發明的方法操作簡便，無需無菌條件，長期操作沒有染菌之虞。
2. 本方法無需篩選專門菌種，活性污泥來源廣泛，而且一次接種，便可持續 使用。
3. 本發明方法中的活性污泥可以利用低品質的底物，甚至是含有揮發性脂肪 酸的廢水，因而可以大幅度削減生產成本。
4. 本發明的方法無需專門的發酵設備，節省初次投資，為低成本的生產環境 友好型新材料提供了可能。
圖l.本發明活性污泥合成可生物降解塑料一聚羥基鏈垸酸酯(PHA)的工 藝過程圖。 附圖標記
l.培養液儲存罐2.蠕動泵3.序批式反應器4.氣泵 5.反應器
具體實施例方式
實施例1
本發明方法采用工藝過程見圖1。采用動態底物投加方式來培養具有聚羥 基鏈烷酸酯貯存能力的活性污泥。首先，在序批式反應器3(有效容積2升) 中接種1升污水處理廠的活性污泥，之后通過氣泵4充入空氣開始好氧反應， 共歷時6小時。在好氧反應的最初10分鐘內，培養液儲存罐1中的含揮發性 脂肪酸的礦物鹽培養液由蠕動泵2勻速注入序批式反應器3中，培養液的注 入量為1升，混合液中的污泥濃度控制在MLSS二 2500 5000mg/L，培養液的 濃度大約控制在120Cmmol/L。在好氧反應結束前5分鐘，排出83毫升混合液。 之后沉淀10分鐘，開始排出上清液，排上清液5分鐘后，閑置45分鐘。之 后補充培養液至1升進入下一個活性污泥培養循環。好氧反應階段，保證溶 解氧濃度不低于飽和度的40% ，攪拌速率是300轉/分鐘。當SBR運行穩定后，將其排出的活性污泥注入到反應器5中，同時注入 含揮發性脂肪酸的礦物鹽培養液，使混合液體積達到反應器5的有效容積的 80%，混合液中的污泥濃度控制在MLSS二 2500 5000mg/L，培養液的濃度大 約控制在120Cmmol/L。開始好氧反應，好氧反應歷時10小時。溶解氧濃度保 持在70%以上，攪拌速率300轉/分鐘。當供氧量保持不變的情況下，溶解 氧濃度突然躍升時，便可停止反應。此時活性污泥中含有大量的聚羥基鏈垸 酸酯顆粒。通過氨水水解方法可提取聚羥基鏈烷酸酯。此方法中，聚羥基鏈 烷酸酯的產率0. 65 Cmmol / Cmmol，微生物細胞內聚羥基鏈烷酸酯重量占微生 物細胞干重的63%。
采用的培養液在每升去離子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各 15Cmmo1，及320mg的氯化銨、100mg的硫酸鎂、20mg的乙二胺四乙酸、160mg 的磷酸氫二鉀、38mg的磷酸二氫鉀、70mg的氯化鈣、20mg的酵母浸膏和2mL 微量元素溶液。微量元素溶液是在每升去離子水中含有300mg的氯化鐵，150mg 的硼酸，150mg的氯化鈷，120mg的氯化錳，120mg的硫酸鋅，120mg的碘化 鉀，60mg的鉬酸鈉，60mg的氯化鎳和30mg的氯化銅。
實施例2
實施例2與實施例1的工藝過程相同，但具體的運行參數有所不同，不 同之處在于
1) 培養液的投加時間由10分鐘增加到30分鐘；
2) 序批式反應器3的好氧反應時間由6小時增加到12小時；
3) 反應器5的好氧反應時間由10小時增加到12小時；
4) 培養液成分和濃度不同，實施例2所用培養液成分及各成分濃度為 每升去離子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各30Cmmo1，及480mg 硫酸銨、200mg氯化鎂、30mg乙二胺四乙酸、240mg磷酸氫二鉀、 60mg磷酸二氫鉀、100mg氯化f丐、40mg酵母浸膏和2mL微量元素 溶液。微量元素溶液(每升去離子水中包括)200mg氯化鐵，200mg 硼酸，200mg氯化鈷，200mg氯化錳，200mg硫酸鋅，200mg碘化鉀， 100mg鉬酸鈉，100mg氯化鎳，30mg氯化銅。
實施例2中，聚羥基鏈烷酸酯的產率O. 51 Cmmol/Cmmol，微生物細胞內 聚羥基鏈垸酸酯重量占微生物細胞干重的57%。實施例3
實施例3與實施例1的工藝過程相同，但具體的運行參數有所不同，不
同之處在于
1) 培養液的投加時間由10分鐘增加到20分鐘；
2) 序批式反應器3的好氧反應時間由6小時減少到4小時；
3) 反應器5的好氧反應時間由10小時減少到2小時；
實施例3中所用培養液與實施例1中相同，但混合液中的污泥濃度控制 在MLSS= 2500 5000mg/L，培養液的濃度控制在60C腿ol/L。實施例3中， 聚羥基鏈烷酸酯的產率0. 57 Cmmol / Cmmol，微生物細胞內聚羥基鏈烷酸酯重 量占微生物細胞干重的42%
權利要求
1. 一種利用活性污泥生產可生物降解塑料的方法，其特征是，該方法包括以下步驟1)在一個序批式反應器中，以活性污泥為菌種，向序批式反應器中接種活性污泥，通過動態的底物投加方式將包含揮發性脂肪酸的礦物鹽培養液加入到序批式反應器中，得到混合液，攪拌并充入空氣開始好氧反應，在好氧條件下培養活性污泥，得到具有貯存聚羥基鏈烷酸酯能力的活性污泥；2)將步驟1)得到的具有貯存聚羥基鏈烷酸酯能力的活性污泥投入到反應器中，一次性將包含揮發性脂肪酸的礦物鹽培養液加入到反應器中，得到混合液，攪拌并向混合液中充入空氣，好氧條件下反應，使活性污泥中的微生物細胞內貯存的聚羥基鏈烷酸酯達到飽和，此時反應停止；將微生物細胞內貯存的聚羥基鏈烷酸酯達到飽和的活性污泥進入到下游工序提取聚羥基鏈烷酸酯產品。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟1)所述的動態的底物投 加方式是指在10 30分鐘內將培養液勻速地投加入序批式反應器中，投加培 養液的體積為序批式反應器容積的一半，以容積為2升的序批式反應器為基 準。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的步驟l)或步驟2)混合液中的污泥濃度控制在MLSS二 2500 5000mg/L，培養液的濃度控制在 60C畫1 /L 120C, 1 /L 。
4. 根據權利要求1、 2或3所述的方法，其特征是所述的培養液是在每 升去離子水中含有乙酸、丙酸、丁酸和戊酸各10 30Cmmo1，及160 480mg 的氯化銨或硫酸銨、50 200mg的硫酸鎂或氯化鎂、10 30mg的乙二胺四乙 酸、80 240mg的磷酸氫二鉀、10 60mg的磷酸二氫鉀、30 100mg的氯化鈣、 10 40mg的酵母浸膏和2mL的微量元素溶液。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特征是所述的微量元素溶液是在每 升去離子水中含有100 300mg的氯化鐵、100 200mg的硼酸、100 200mg 的氯化鈷、100 200mg的氯化錳、100 200mg的硫酸鋅、100 200mg的碘化鉀、50 100mg的鉬酸鈉、50 100mg的氯化鎳和10 30 mg的氯化銅。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟l)所述的在好氧條件下 培養活性污泥的時間是4 12小時。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟2)所述的好氧條件下反 應的時間是2 12小時。
全文摘要
本發明涉及環境生物技術領域，特別涉及一種利用活性污泥生產可生物降解塑料(聚羥基鏈烷酸酯(PHA))的方法。在序批式反應器中，以活性污泥為菌種，采用動態底物投加方式將包含揮發性脂肪酸的礦物鹽培養液加入到序批式反應器中，在好氧條件下培養具有聚羥基鏈烷酸酯貯存能力的活性污泥。將序批式反應器排出的具有貯存聚羥基鏈烷酸酯能力的活性污泥轉移到另外一個反應器中，同時投加包含揮發性脂肪酸的礦物鹽培養液，經好氧反應，使活性污泥中的微生物細胞內貯存的聚羥基鏈烷酸酯達到飽和。含有聚羥基鏈烷酸酯的污泥進入下游工藝提取聚羥基鏈烷酸酯。本發明的方法，為低成本的生產環境友好型新材料提供了可能。
文檔編號C08G63/78GK101469061SQ200710304780
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者劉俊新, 波 曲 申請人:中國科學院生態環境研究中心