合成PHA工艺计量学和动力学参数

合成PHA工艺计量学和动力学参数聚乙烯、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B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0.60CmolPHA/CmolS,PHA最大贮存含量为70%,饱食期平均贮存速率为13.45CmolPHA/L/ho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0.81CmolPHA/CmolS,高于累积实验中的0.77CmolPHA/CmolS;饱食期平均贮存速率为26.91CmolPHA/L/h，高于累积实验中的19.1CmolPHA/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PHAO4.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0.046Cmmol/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(a)是4.68(Cmol/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0.95CmolX/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0.1428Nmol/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15.30CmolPHA/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18Cm