合成PHA工藝計(jì)量學(xué)和動力學(xué)參數(shù)

合成PHA工藝計(jì)量學(xué)和動力學(xué)參數(shù)聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等這類傳統(tǒng)塑料的大規(guī)模運(yùn)用，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。這一亟需解決的環(huán)境問題，可以通過尋找一種物化性能相似的可生物降解新材料來解決。聚B羥基烷酸脂(PHA)是一類綠色的可代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料的新材料,利用富含揮發(fā)性脂肪酸的廢水(液)為基質(zhì)富集混合微生物和生產(chǎn)PHA成為前沿研究焦點(diǎn)。本論文考察了“貯存-生長”與沉淀篩選相結(jié)合的策略對富集PHA貯存微生物的影響，開展了在單一反應(yīng)器運(yùn)用按需進(jìn)料方式實(shí)現(xiàn)PHA合成的研究，同時(shí)通過數(shù)學(xué)模型模擬了PHA的貯存過程,最后以造紙廢水發(fā)酵液為原料進(jìn)行了PHA合成的實(shí)驗(yàn)研究，具有重要學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。得出的主要結(jié)論如下：1.提出了一種采用“貯存-生長”策略與沉淀篩選相結(jié)合的策略在序批式反應(yīng)器(SBR1)中富集PHA貯存細(xì)菌的方法,與采用“貯存-生長”策略的序批式反應(yīng)器(SBR2)進(jìn)行比較，結(jié)果表明SBR1中貯存細(xì)菌富集時(shí)間僅需21d,比SBR2快了12d。富集穩(wěn)定后兩個反應(yīng)器的PHA貯存性能相似，最大PHA含量均約為70%。高通量測序表征富集過程2個反應(yīng)器貯存細(xì)菌的相對豐度,發(fā)現(xiàn)貯存細(xì)菌的相對豐度從接種污泥的9.9%增加到SBR1的69%,SBR2的70%。結(jié)果表明，基于“貯存-生長”策略，沉淀篩選加速了貯存細(xì)菌的富集過程但不影響穩(wěn)定后的PHA貯存性能;2.富集所得PHA貯存細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在飽食期，PHA貯存產(chǎn)率系數(shù)(Y_(PHA/S))為0.60CmolPHA/CmolS,PHA最大貯存含量為70%,飽食期平均貯存速率為13.45CmolPHA/L/ho飽食期活性生物質(zhì)(X)濃度基本不變，保持在23Cmmol/L左右。飽食末期經(jīng)過3/4體積的排泥，收獲富含PHA的活性污泥。在饑餓期初期，向反應(yīng)器中投加營養(yǎng)物質(zhì)啟動生物質(zhì)生長過程,X從約5.8Cmmol/L增加到約23Cmmol/L。PHA累積實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PHA在活性生物質(zhì)中的最大含量為86%。3.在運(yùn)行“貯存-生長”策略的基礎(chǔ)上，采用一種基于按需脈沖進(jìn)料的方法，將PHA貯存菌富集與PHA累積相耦合,開發(fā)了在一個SBR反應(yīng)器中合成PHA的新工藝。結(jié)果表明，盡管PHA最大貯存含量83%,低于累積實(shí)驗(yàn)中的86%,但可以在一個反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)貯存菌富集與PHA累積,并簡化PHA的生產(chǎn)步驟。此外,PHA貯存產(chǎn)率系數(shù)(Y_(PHA/S))為0.81CmolPHA/CmolS,高于累積實(shí)驗(yàn)中的0.77CmolPHA/CmolS;飽食期平均貯存速率為26.91CmolPHA/L/h，高于累積實(shí)驗(yàn)中的19.1CmolPHA/L/h,結(jié)果表明按需脈沖進(jìn)料方式呈現(xiàn)出更高的碳轉(zhuǎn)化效率及PHA貯存速率。結(jié)果表明新工藝實(shí)現(xiàn)了單一反應(yīng)器中合成PHAO4.引入基質(zhì)抑制項(xiàng)對模型進(jìn)行修正，依據(jù)修正模型對參數(shù)進(jìn)行校核。校核得到 的飽食期參數(shù)，Y_(PHA/S)是0.60Cmol/Cmol,基質(zhì)半飽和常數(shù)(K_S)是0.046Cmmol/L,最大比基質(zhì)吸收速率(q_(S,max))是1.02CmolS/CmolX/h,PHA抑制項(xiàng)指數(shù)常數(shù)(a)是4.68(Cmol/Cmol)~(1/3)/h,維持系數(shù)m_S是1.2*10~(-5)mol/Cmol/h,基質(zhì)抑制項(xiàng)中系數(shù)A_0是0.31,k_A是1.55*10~(-4);饑餓期參數(shù)，基于PHA的生長產(chǎn)率系數(shù)(Y_(X/PHA))是0.95CmolX/CmolPHA,PHA降解速率常數(shù)(k)是0.2219(Cmol/Cmol)~(1/3)/h,氨氮基于生物質(zhì)的產(chǎn)率(Y_(N/X))是0.1428Nmol/Cmol/h，饑餓期維持系數(shù)m_(ATP)是0.0029mol/Cmol/h。利用校核后的參數(shù)模擬 4種不同基質(zhì)濃度(91,136.5,273及364Cmmol/L)下的PHA合成時(shí)，結(jié)果表明采用低的基質(zhì)濃度可獲得更高的PHA貯存效率。模擬等體積(不同反應(yīng)器初始濃度)脈沖進(jìn)料與不同體積(等反應(yīng)器初始濃度)脈沖進(jìn)料工況下PHA合成情況，結(jié)果表明更多的脈沖次數(shù)有更高的PHA平均貯存效率。5.造紙廢水取自重慶某大型造紙廠，水質(zhì)水樣分析結(jié)果為COD濃度5700±1200mg/L,COD:NH_4~+-N為572~901:1,結(jié)果表明造紙廢水中缺乏營養(yǎng)物質(zhì)。堿法預(yù)處理后的造紙廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)果表明，第8d可以獲得穩(wěn)定的發(fā)酵出水,出水VFA/SCOD為0.81,出水以乙酸、丙酸為主，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別為59.1%,38.3%及2.6%;6.以“貯存-生長”策略為基礎(chǔ)，運(yùn)行以造紙廢水厭氧發(fā)酵液為基質(zhì)生產(chǎn)PHA的反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)飽食期的Y_(PHA/S)為0.56±0.19Cmol/Cmol,飽食末期的PHA最大貯存含量為59.1%±1.6%，平均貯存速率為15.30CmolPHA/L/h。經(jīng)過1/2體積的排泥，收獲富含PHA的活性污泥。饑餓初期投加營養(yǎng)物質(zhì)，生物質(zhì)在饑餓期進(jìn)行生長,X從18Cm