甘油基混合培养物合成PHA及其模拟与在线监测

摘要

以其较好的物理（机械）、化学、生物相容性和可生物降解性，聚β羟基烷酸盐（PHA）成为替代石化塑料的可再生生物高分子材料。目前，工业合成PHA主要采用纯培养和基因工程的方法，工艺复杂、操作成本高，严重制约了PHA商业化。活性污泥具有合成PHA的能力，使得混合培养物成为可能可供选择的PHA合成方法。本文以甘油作为基质，在饱食-饥饿运行模式的序批式反应器(SBR)中富集得到合成PHA的混培物，评估其利用甘油和其它基质的合成PHA的能力；在合成PHA的过程中，同时监测氧利用速率(OUR)、化学需要量(COD)以及PHA浓度，研究饱食期内PHA合成速率与OUR的关系；基于同时贮存与生长的活性污泥模型，建立了OUR与PHA合成速率之间的线性方程；利用在线OUR数据，实时估计PHA合成量。研究成果对于改善活性污泥法合成PHA的性能，工业合成PHA的在线测量和控制，均具有重要的理论价值和应用意义。
　　（1）以甘油作为基质富集混培物对基质的利用具有广谱性，能够利用甘油、葡萄糖、乳酸、乙酸、丙酸、丁酸多种基质合成PHA。以甘油和葡萄糖作为基质时，产生聚β羟基丁酸酯(PHB)和聚葡萄糖(PG)两种聚体；以乳酸、乙酸、丁酸合作为基质时，产生PHB聚体；以丙酸作为基质时，产生PHB与聚β羟基戊酸酯(PHV)两种聚体。相同浓度甘油、葡萄糖、乳酸、乙酸、丙酸、丁酸作为基质时，PHA产率（mgCODPHA/mgCOD基质）关系为：乳酸（0.60）>乙酸（0.56）>丙酸（0.39）>葡萄糖（0.34）>丁酸（0.36）>甘油（0.26），最大PHA含量（％）关系为：乳酸（31.1）>乙酸（27.0）>丙酸（21.2）>葡萄糖（19.0）>丁酸（16.5）>甘油（14.5）。甘油和葡萄糖产率较低的原因可能是两种基质在呼吸实验过程中基质加入后曝气量不足，DO浓度较低时有利于PG合成，使PHA产率降低。
　　（2）乙酸与丙酸混合基质合成PHA时，PHA产率（mgCODPHA/mgCOD基质）关系为：乙酸/丙酸3:1（0.54）>乙酸/丙酸1:1（0.51）>乙酸/丙酸1:3（0.45）；最大PHA含量（%）关系为：乙酸/丙酸3:1（24.0）>乙酸/丙酸1:1（22.0）>乙酸/丙酸1:3（19.8）；随着混合基质中乙酸比例的升高，PHA产量增大，但PHV相对含量下降；乙酸/丙酸为3:1和1:1时，微生物贮存速率/生长速率分别为1.57与1.33，微生物利用外部基质主要进行贮存；甘油、葡萄糖、乳酸、乙酸、乙酸、丙酸、丁酸为基质合成PHA时，通过监测OUR与合成PHA的量，建立了速率OUR与合成PHA的速率之间的线性关系。
　　（3）丙酸和乙酸/丙酸混合物作为基质时，同时贮存与生长模型对OUR模拟结果与实验结果相一致；模拟结果显示了各个过程对于OUR的贡献，丙酸做基质时，生长过程氧气的消耗速率显著高于贮存过程，微生物主要进行细胞生长；乙酸/丙酸为1:1及3:1时贮存过程氧气的消耗速率高于生长过程，微生物主要进行胞内有机质贮存；乙酸/丙酸为1:3时，生长过程氧气消耗速率高于贮存过程，微生物主要进行细胞生长。
　　（4）在不同乙酸/丙酸下，基于在线OUR测量值与建立的耗氧量与PHA的线性方程对PHA的合成量进行预测，结果显示PHA的预测值与实测值相吻合，验证基于OUR在线监测数据估计PHA合成量的准确性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3论文的研究内容和技术路线

2 材料与方法

2.1 PHA混培物的富集

3 混培物利用不同基质合成PHA的特征

3.1多种单基质合成PHA的特征

3.2乙酸/丙酸混合基质合成PHA的特征

3.3混培物合成PHA速率与OUR的关系

3.4本章小结

4 基于同时贮存与生长的活性污泥模型对PHA合成的模拟

4.1 同时贮存与生长活性污泥模型的建立

4.2模拟结果与分析

4.3本章小结

5 基于在线OUR测量估计PHA的合成量

5.1以丙酸作为基质合成PHA

5.2以乙酸/丙酸作为基质合成PHA

5.3乙酸/丙酸作为基质时PHA的预测

5.4本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录

A.作者攻读硕士学位期间发表的论文

B.作者攻读硕士学位期间参研的课题

C.作者攻读硕士学位期间参与的教学实践