CN1087005C - 一种合成微生物聚酯的污水生物絮凝法 - Google Patents

一种合成微生物聚酯的污水生物絮凝法 Download PDF

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本发明是一种合成微生物聚酯的污水生物絮凝法，它是利用污水为菌源和营养物，采用微嗜气一好气驯化培养和间歇好气培养合成PHA，具体为：将污水净化后放入合成装置中，通入氮气并保持一定时间产生繁殖菌种，加入一定浓度微量调节物调节至pH＝7～8，通入微量氧气进行微嗜气培养一定时间，再好气培养一定时间，再加入乙酸钠或丙酸钠、葡萄糖等，并连续通入压缩空气进行好气培养一定时间，最后提取PHA。本方法合成设备简单、操作简便、成本低，便于工业化，便于PHA推广应用。

Description

一种合成微生物聚酯的污水生物絮凝法
本发明是一种合成微生物聚酯的污水生物絮凝法，属功能高分子材料的生物合成技术。
微生物聚酯是一类存在于微生物细胞中的生物高分子(或称为聚羟基烷酸酯PHA)，具有热塑性、易加工性、生物相容性、完全生物降解性和较好的机械性能，因而作为生物活性高分子和可降解塑料有着巨大的应用前景。微生物聚酯一般采用生物发酵的方法合成，但由于造价昂贵，使其推广应用受到极大的限制。如何大幅度降低微生物聚酯的成本一直是国内外有关研究者努力解决的一大难题。目前，微生物聚酯的生物发酵一般利用单一菌种和纯碳源，例如：Alcaligenes eutrophusN 9A以果糖为碳源积累聚羟基丁酸酯(PHB)，Thiocystis violacea以乙酸为碳源积累PHB，Haloferarm editerranei以淀粉为碳源产生聚羟基丁酸-羟基戊酸共聚物，Pseudomonas acidovorans以辛酸为碳源、Protomonas extorquens以甲醇为碳源合成3--羟基丁酸酯、3--羟基戊酸酯、4--羟基戊酸酯共聚物等等。它们的共同特点是利用了单一的自然界菌种或人工诱变菌种，碳源基本上都是宝贵的农副产品或工业产品，成本较高，发酵过程操作复杂，需严格控制，而且大多数存在菌种不稳定，产率低等问题，难以实现工业化。例如：英国ICI公司利用真养产碱杆菌突变株以葡萄糖为碳源合成聚羟基丁酸酯(PHB)，已达到500吨/年的生产规模，积累PHB为干细菌的75％以上，产品价格为3～4$/Kg，远远高于一般合成塑料，目前难以被市场接受。此外，微生物聚酯种类繁多，其组成结构不同，性能也有很大差别，而现在研究较多的基本上是PHB及其共聚物的生物合成，对于脂肪族聚酯这一类材料的其它品种的生物合成及结构性能研究是远远不够的。所以我们认为，在合成不同组成和结构的微生物聚酯并降低其生物合成成本方面，还有许多问题尚未得到完善解决。
本发明的目的就是为了克服和解决现有采用生物发酵方法合成微生物聚酯存在只利用自然界单一纯菌种、消耗大量农副产品及工业产品资源、合成成本高、发酵过程操作控制复杂，且存在菌种不稳定、产率低、难以获得多种组成、多种结构的微生物聚酯，难于实现工业化，难于推广应用等的缺点和问题，研究发明一种利用污水生物处理过程，采用自然界的混合菌种，用取之不尽的污水为有机营养物，废物利用，变废为宝，节省大量的农副产品及工业产品，合成设备简单，成本低，操作控制简便，便于工业化，便于推广应用，可合成不同组成和不同结构的微生物聚酯的污水生物絮凝法。
本发明是通过下述方法技术方案来实现的：本发明的原理是根据污水的生物处理过程中产生生物絮凝，而生物絮凝的产生与PHA在细胞内的积累成正比，因此在污水的生物处理中控制细菌的生长环境可获得PHA。具体方法是利用生活污水和工业废水为营养物，接种活性污泥，采用微嗜气一好气驯化培养和间歇式好气培养两步法合成PHA：(1)微嗜气一好气驯化培养：将取得的工业废水或生活污水经过滤净化处理后，接种活性污泥放入图1所示的PHA合成装置中，通入氮气5～15分钟并保持10分钟；为了稳定污水品质，大量产生和繁殖可积累PHA的优势菌，加入一定浓度的微量调节物；乙酸50～200毫克/升、丙酸钠100～250毫克/升、酵母10～80毫克/升、硫酸铵10～100毫克/升、硫酸镁50～150毫克/升、氯化钙10～100毫克/升、氯化钾5～50毫克/升、磷酸氢钾15～100毫克/升、蛋白胨40～160毫克/升等，调节使其pH＝7～8；通入0.01～0.05米3/小时微量氧气进行微嗜气培养10～20小时，温度为25～30℃；加大供氧量至0.1～0.5米3/小时，进行好气驯化培养10～24小时；为了增加生物絮凝，在微嗜气一好气驯化培养过程中进行换水处理4～8次，操作方法如下：停止通气30～50分钟，待生物絮凝沉淀后，倒出三分之一的上层清液，再加入等量的新鲜污水和微量调节物；(2)间歇式好气培养：在上述微嗜气—好气驯化培养的污水生物絮体中加入乙酸钠或丙酸钠、葡萄糖等，促使絮体细菌内的PHA大量积累，其浓度为重量百分比1％～5％，按0.3～1.2米3/小时的速度连续通入压缩空气，进行好气培养12～48小时；(3)PHA的提取：将上述培养液静置2～3小时，待生物絮体完全沉淀后倒去上层清液，所得固体物经离心分离、清洗和干燥后得到干菌体，采用通用有机溶剂法或表面活性剂加次碳酸钠处理法提取PHA。
上面所述的图1所示的PHA合成装置，它由氧气罐1、氮气罐2、气门阀3、加料口4、尾气出口5、发酵罐6、换水口7、排料口8共同连接构成，其相互连接关系为：氧气罐1和氮气罐2通过管道和气门阀3与发酵罐6相侧顶部，换水口7通过管道及阀门安装于发酵罐6的右侧中部，排料口8通过管道及阀门安装于发酵罐右侧下部。
本发明与现有技术相比有如下的优点和有益效果：(1)用本发明方法所获得的PHA是以下多种羟基烷酸酯的共聚物或共混物：β-羟基丁酸酯，β-羟基戊酸酯，4-羟基戊酸酯，β-羟基葵酸酯，羟基十六酸酯，羟基十六碳烯酸酯，羟基十八碳烯酸酯，羟基十四酸酯等，根据污水成分、微量调节物和补充碳源的不同，以上各成分所占的比例不同，分子量为50000～1500000，其分子结构式和含量范围见表1；(2)采用本方法可获得不同组成和不同结构的聚羟基烷酸酯，以乙酸钠或丙酸钠为补充碳源时，PHA共聚物分子链上有羟基十六碳烯酸酯和羟基十八碳烯酸酯等弹性链段，降低了PHA的脆性，通过双键的交联反应使其形成网状结构，可大大提高材料的韧性和机械强度；(3)本方法合成的PHA的玻璃化转变温度为10～80℃，熔点为50～170℃，热分解温度为200～300℃，可在较低的温度范围进行塑化成型加工，该聚合物可于1～2年内在自然环境下或生物活体内完全降解，有着广泛的应用前景，如生物组织工程材料，具有药物缓释作用的人体或环境适应载体，可完全生物降解的特殊或通用塑料制品等等；(4)本合成方法利用污水和自然界存在的混合菌种直接发酵合成PHA，节省大量宝贵的农副产品和工业产品资源，大大降低了合成成本，达到了废物利用，变废为宝的效果；本方法所需设备简单，操作控制简便，有利于实现大规模工业化生产，有利于PHA的推广应用。表1  所得PHA的分子结构式和含量范围
Figure C9812648600051
下面对说明书附图进一步说明如下：图1为聚羟基烷酸酯PHA生物合成装置结构示意图。图中：1为氧气罐、2为氮气罐、3为气门阀、4为加料口、5为尾气出口、6为发酵罐、7为换水口、8为排料口。
发明人经过长期的研究，有很多成功的实施例。其实方式是只要说明书所述的采用微嗜气—好气驯化培养和间歇式好气培养两步法合成PHA，就能够成功实施。下面举如下三个实施例：
实施例1：取工业废水1000毫升经过滤净化处理后接种活性污泥，加入图1所示的PHA生物合成装置中，通入氮气10分钟，保持10分钟；加入微量调节物成份及其用量见表2，调节至pH＝7，通入微量氧气0.02米3/小时，微嗜气培养10小时，增加供氧量至0.15米3/小时，进行好气驯化14小时，培养温度25～28℃，中间换水4次；微嗜气培养结束后有大量生物絮凝，此时加入补充碳源乙酸钠12克，通入压缩空气0.3米3/小时，好气驯化培养24小时；停止通氧后，静置2小时，待生物絮体完全沉淀后倒去上层清夜，所得固体物经离心分离、清洗和干燥后得到干菌体8.36克；将干菌体在氯仿中加热抽提24小时，加入正已烷使PHA沉淀，经过滤，干燥后得PHA0.919克，产率为干菌重的11.2％。采用气相普-质谱分析法、核磁共振法、凝胶渗透色普及热分析等方法对所得PHA的结构、分子量和性能进行分析测试。表2微量调节物的成分及其用量
 乙酸        117毫克/升
 乙酸钠      130毫克/升
 酵母        37毫克/升
 硫酸胺      70毫克/升
 硫酸镁      89毫克/升
 氯化钾      70毫克/升
 氯化钙      17毫克/升
 磷酸氢钾    60毫克/升
 蛋白胨      100毫克/升
实施例2：除下面的特别说明外，其它合成条件与实施例1相同。微嗜气驯化所用微量调节物：磷酸氢钾100毫克/升，乙酸88毫克/升，通氧量为0.25米3/小时，培养20小时；好气培养加入补充碳源乙酸钠25克/升。
实施例3：微嗜气-好气驯化培养条件与实施例2相同，加入补充碳源丙酸钠20克/升，好气培养18小时。
对上述三个实施例的不同条件下合成的PHA，其性能比较如下表3所示：表3不同条件合成的PHA的性能比较
Figure C9812648600071

Claims (1)

1、一种合成微生物聚酯的污水生物絮凝法，其特征在于利用生活污水和工业废水为营养物，接种活性污泥，采用微嗜气—好气驯化培养和间歇式好气培养两步法合成聚羟基烷酸酯：(1)微嗜气—好气驯化培养：将取得的工业废水或生活污水经过滤净化处理后，接种活性污水，放入聚羟基烷酸酯合成装置中，通过入氮气3～15分钟并保持10分钟；为了稳定污水品质，大量产生和繁殖可积累聚羟基烷酸酯的优势菌，加入一定浓度的微量调节物；乙酸50～200毫克/升、丙酸钠100～250毫克/升、酵母10～80毫克/升、硫酸胺10～100毫克/升、硫酸镁50～150毫克/升、氯化钙10～100毫克/升、氯化钾5～50毫克/升、磷酸氢钾15～100毫克/升、蛋白胨40～160毫克/升等，调节使其pH＝7～8；通入0.01～0.05米3/小时微量氧气进行微嗜气培养10～20小时，温度为25～30℃；加大供氧量至0.1～0.5米3/小时，进行好气驯化培养10～24小时；为了增加生物絮凝，在微嗜气一好气驯化培养过程中进行换水处理4～8次，操作方法如下：停止通气30～50分钟，待生物絮凝沉淀后，倒出三分之一的上层清液，再加入等量的新鲜污水和微量调节物；(2)间歇式好气培养：在上述微嗜气—好气驯化培养的污水生物絮体中加入乙酸钠或丙酸钠、葡萄糖等，促使絮体细菌内的聚羟基烷酸酯大量积累，其浓度为重量百分比1％～5％，按0.3～1.2米3/小时的速度连续通入压缩空气，进行好气培养12～48小时；(3)聚羟基烷酸酯的提取：将上述培养液静置2～3小时，待生物絮体完全沉淀后倒去上层清液，所得固体物经离心分离、清洗和干燥后得到干菌体，采用通用有机溶剂法或表面活性剂加次碳酸钠处理法提取聚羟基烷酸酯。
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