基于“贮存-生长”策略合成聚β羟基烷酸脂（PHA）的实验与模拟研究

发布时间：2020-08-06 20:06

【摘要】：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等这类传统塑料的大规模运用,对环境造成了严重的污染。这一亟需解决的环境问题,可以通过寻找一种物化性能相似的可生物降解新材料来解决。聚β羟基烷酸脂(PHA)是一类绿色的可代替传统塑料的新材料,利用富含挥发性脂肪酸的废水(液)为基质富集混合微生物和生产PHA成为前沿研究焦点。本论文考察了“贮存-生长”与沉淀筛选相结合的策略对富集PHA贮存微生物的影响,开展了在单一反应器运用按需进料方式实现PHA合成的研究,同时通过数学模型模拟了PHA的贮存过程,最后以造纸废水发酵液为原料进行了PHA合成的实验研究,具有重要学术意义和实用价值。得出的主要结论如下:1.提出了一种采用“贮存-生长”策略与沉淀筛选相结合的策略在序批式反应器(SBR1)中富集PHA贮存细菌的方法,与采用“贮存-生长”策略的序批式反应器(SBR2)进行比较,结果表明SBR1中贮存细菌富集时间仅需21d,比SBR2快了12d。富集稳定后两个反应器的PHA贮存性能相似,最大PHA含量均约为70%。高通量测序表征富集过程2个反应器贮存细菌的相对丰度,发现贮存细菌的相对丰度从接种污泥的9.9%增加到SBR1的69%,SBR2的70%。结果表明,基于“贮存-生长”策略,沉淀筛选加速了贮存细菌的富集过程但不影响稳定后的PHA贮存性能;2.富集所得PHA贮存细菌的实验结果表明,在饱食期,PHA贮存产率系数(Y_(PHA/S))为0.60Cmol PHA/Cmol S,PHA最大贮存含量为70%,饱食期平均贮存速率为13.45 Cmol PHA/L/h。饱食期活性生物质(X)浓度基本不变,保持在23Cmmol/L左右。饱食末期经过3/4体积的排泥,收获富含PHA的活性污泥。在饥饿期初期,向反应器中投加营养物质启动生物质生长过程,X从约5.8Cmmol/L增加到约23Cmmol/L。PHA累积实验结果表明,PHA在活性生物质中的最大含量为86%。3.在运行“贮存-生长”策略的基础上,采用一种基于按需脉冲进料的方法,将PHA贮存菌富集与PHA累积相耦合,开发了在一个SBR反应器中合成PHA的新工艺。结果表明,尽管PHA最大贮存含量83%,低于累积实验中的86%,但可以在一个反应器中实现贮存菌富集与PHA累积,并简化PHA的生产步骤。此外,PHA贮存产率系数(Y_(PHA/S))为0.81 Cmol PHA/Cmol S,高于累积实验中的0.77Cmol PHA/Cmol S;饱食期平均贮存速率为26.91Cmol PHA/L/h,高于累积实验中的19.1Cmol PHA/L/h,结果表明按需脉冲进料方式呈现出更高的碳转化效率及PHA贮存速率。结果表明新工艺实现了单一反应器中合成PHA。4.引入基质抑制项对模型进行修正,依据修正模型对参数进行校核。校核得到的饱食期参数,Y_(PHA/S)是0.60Cmol/Cmol,基质半饱和常数(K_S)是0.046 Cmmol/L,最大比基质吸收速率(q_(S,max))是1.02CmolS/CmolX/h,PHA抑制项指数常数(α)是4.68(C mol/Cmol)~(1/3)/h,维持系数m_S是1.2*10~(-5) mol/Cmol/h,基质抑制项中系数A_0是0.31,k_A是1.55*10~(-4);饥饿期参数,基于PHA的生长产率系数(Y_(X/PHA))是0.95 CmolX/CmolPHA,PHA降解速率常数(k)是0.2219(Cmol/Cmol)~(1/3)/h,氨氮基于生物质的产率(Y_(N/X))是0.1428 Nmol/Cmol/h,饥饿期维持系数m_(ATP)是0.0029mol/Cmol/h。利用校核后的参数模拟4种不同基质浓度(91,136.5,273及364Cmmol/L)下的PHA合成时,结果表明采用低的基质浓度可获得更高的PHA贮存效率。模拟等体积(不同反应器初始浓度)脉冲进料与不同体积(等反应器初始浓度)脉冲进料工况下PHA合成情况,结果表明更多的脉冲次数有更高的PHA平均贮存效率。5.造纸废水取自重庆某大型造纸厂,水质水样分析结果为COD浓度5700±1200mg/L,COD:NH_4~+-N为572~901:1,结果表明造纸废水中缺乏营养物质。碱法预处理后的造纸废水厌氧发酵产酸结果表明,第8d可以获得稳定的发酵出水,出水VFA/SCOD为0.81,出水以乙酸、丙酸为主,并含有少量的丁酸,出水VFA中的含量乙酸、丙酸及丁酸的占比分别为59.1%,38.3%及2.6%;6.以“贮存-生长”策略为基础,运行以造纸废水厌氧发酵液为基质生产PHA的反应器,发现饱食期的Y_(PHA/S)为0.56±0.19Cmol/Cmol,饱食末期的PHA最大贮存含量为59.1%±1.6%,平均贮存速率为15.30 Cmol PHA/L/h。经过1/2体积的排泥,收获富含PHA的活性污泥。饥饿初期投加营养物质,生物质在饥饿期进行生长,X从18 Cmmol/L增加到34 Cmmol/L。收获生物质的PHA累积实验结果表明,Y_(PHA/S)为0.66±0.09Cmol/Cmol,最大PHA含量72.3±0.8%,平均贮存速率为15.40Cmol PHA/L/h。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X70
【图文】：

微生物,甲基营养菌,产碱杆菌属,红螺菌

1 绪论其中研究最广泛的包括产碱杆菌属（Ralstoniaeutropha）、omas）、甲基营养菌（Methyotrophs）、红螺菌属（Rhodos出了 PHA 产品在微生物胞内存现的状态。

荧光显微镜,调查结果,菌株,甲基营养菌

（Pseudonomas）、甲基营养菌（Methyotrophs）、红螺菌属（Rhodospirilum）。下图 1.2 给出了 PHA 产品在微生物胞内存现的状态。图 1.2 微生物胞内颗粒状 PHA 图Fig 1.2 PHAproduct in cell (Prieto et al. 2016)图 1.3 中，以 R. eutropha H16 为 PHA 贮存细菌，用 Nile 红染色后在荧光显微镜（FM）下观察了 PHA 随时间的贮存过程(Wahl et al. 2012)。明显的，当投加外部基质后，图片观察的亮色逐渐变多，表明了PHA随着时间推移发生了明显的PHA贮存。

厌氧条件,厌氧

图 1.5 PAOs 与 GAOs 在厌氧条件下的 PHA 生产代谢Fig 1.5 PHAproduction of PAOs and GAOs microorganisms during anaerobic phase此外，相关文献报道中，Kasemsap and Wantawin 调查了 PAOs 低聚磷（PP）浓度对 PHA 贮存的影响，pH=8 及 PP 浓度 8%时有最大 PHA 贮存量（51%）(Kasemsap and Wantawin 2007)。Dai 等考察了厌氧、好氧条件下 GAOs 的 PH A 合成能力(Dai et al. 2007)。Bengtsson 利用 GAOs 合成 PHA，最大细胞干重可达60%(Bengtsson 2009)。Pijuan 等利用实验室富集的 EBPR 污泥考察了乙酸、丙酸、丁酸及葡萄糖基质下的 PHA 合成情况(Pijuan et al. 2009)。Rodgers and Wu 考察了EBPR系统活性污泥在厌氧、好氧及厌氧-好氧3种条件下超量投加乙酸基质的PHA合成情况(Rodgers and Wu 2010)。Chang 等比较了厌氧及好氧 EBPR 污泥的 PH A合成效果，结果表明 5d 泥龄的好氧污泥比厌氧污泥 PHA 贮存效果要好，但是 15d泥龄的厌氧污泥贮存效果要好于好氧污泥(Chang et al. 2011)。利用 EBPR 污泥来生产 PHA，结果表明这类贮存菌贮存的 PHA 量少于以单纯 ADF 工艺培养的微生物所产生的 PHA 量。此外，运行 EBPR 系统的反应器通常设置大于 7d 的 SRT，不

【参考文献】