活性污泥合成聚羥基脂肪酸酯工藝過程研究進展

郭子瑞，黃　龍，陳志強，溫沁雪，任南琪

(城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，150090 哈爾濱)

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活性污泥合成聚羥基脂肪酸酯工藝過程研究進展

郭子瑞，黃龍，陳志強，溫沁雪，任南琪

(城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，150090 哈爾濱)

摘要:聚羥基脂肪酸酯(PHAs)是原核微生物在營養(yǎng)物質缺乏的情況下，作為儲備碳源而在細胞內存儲的聚合脂類物質，因其與普通塑料物理化學性質相近且具有良好的降解性和生物相容性等特性，可節(jié)約石化資源，成為生物合成可降解材料研究的熱點.近年來大量研究表明，利用市政污泥的混合菌群合成PHA可以大幅降低成本，有利于PHA合成產業(yè)化發(fā)展及廢物資源化利用.本文總結了利用活性污泥合成PHA工藝中產PHA混合菌群富集階段和PHA合成階段的相關研究進展.闡明PHA菌群的篩選階段工藝(從厭氧-好氧交替模式到好氧動態(tài)排水模式)和PHA積累的工藝過程(從批次實驗到連續(xù)流)；重點闡述合成PHA的富集和積累階段給料模式的工藝優(yōu)化；并對合成PHA工藝研究的新思路及現(xiàn)有PHA合成工藝的動力學模型進行了總結.基于現(xiàn)有混合菌群合成PHA方法的研究進展，對未來PHA的研究方向提出建議和展望.

關鍵詞:聚羥基脂肪酸脂;混合菌群;PHA菌群的富集與合成

聚羥基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates, 簡稱PHAs) 是由許多原核微生物在營養(yǎng)不均衡的生長條件下，存在于微生物體內的一類3-羥基脂肪酸組成的高分子生物聚酯.其生理功能是作為微生物體內的碳源和能量的儲存物質.當微生物生長環(huán)境中有過量的碳源存在而缺乏必要的營養(yǎng)物質時，其體內氧化還原失衡，能量和還原當量過剩，微生物需要將過量的能量儲存一起.由于PHA是一種滲透壓惰性的物質，在微生物體內大量積累也不會影響到細胞的滲透壓，是一種理想的儲存載體;而當碳源缺乏時，其他營養(yǎng)元素充足，PHA又可以作為碳源被降解利用.PHA具有與傳統(tǒng)石化塑料如聚乙烯、聚丙烯等類似的材料學性質，可由碳水化合物、脂肪酸等可再生資源合成，并且在環(huán)境中可以完全降解進入自然界生態(tài)循環(huán)，具有替代傳統(tǒng)不可降解塑料的潛力.可用于制造生物可降解的包裝材料、生物可降解和生物相容性醫(yī)用植入材料、可控藥物緩釋載體和各種環(huán)保化工產品，如熱熔膠、壓敏膠和水溶膠等，是一種環(huán)境友好型的綠色塑料.目前，生物合成PHA的方法主要有3類，即細菌發(fā)酵法、基因工程法和活性污泥法.前兩種工藝運行過程中要求滅菌消毒，保證發(fā)酵系統(tǒng)無雜菌存在，工藝成本昂貴.大規(guī)模生產PHA的首要目標便是降低生產成本，近年來，大量研究集中于混合菌群的富集馴化工藝.由于城市污水處理廠的活性污泥可以作為混合菌群的良好來源，活性污泥利用廉價碳源合成PHA成為研究熱點[1-3].而且本課題組前期的研究結果表明，利用活性污泥混合菌群達到的PHA含量占細胞干質量的比例甚至可超過部分純菌培養(yǎng)[4-5].通過污水中的有機物質合成PHA，是利用生物技術實現(xiàn)變廢為寶的有效途徑.一方面，通過反應降解了有機污染物，起到污泥間接減量、污泥資源化的功能，還具有廢水處理、有機廢物資源化回收等多重功效，從而實現(xiàn)了環(huán)境保護這個大主題.另一方面，將環(huán)境污染物質轉化為具有良好利用價值的環(huán)境友好塑料，對于可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義.

活性污泥合成PHA的工藝研究中，普遍采用三段式方法：1) 底物準備階段，制備適于PHA合成的底物，如工業(yè)與農業(yè)廢水等含有復雜底物，需通過厭氧預處理將其轉化為揮發(fā)性脂肪酸以適合微生物吸收利用；2)將活性污泥中的混合菌群進行馴化，通常使用底物充盈和饑餓模式(feast and famine，即好氧動態(tài)補料, ADF)篩選出能夠合成PHA的菌群；3) 利用第二階段富集出的混合菌群，在限制氮源的情況下實現(xiàn)PHA在混合菌群細胞內的大量合成，見圖1.三段式工藝的優(yōu)點是混菌不需要對培養(yǎng)基進行滅菌處理，不需要對發(fā)酵過程嚴格控制，節(jié)省能量[6].

圖1　三段式工藝流程

其中厭氧酸化過程(三段式中第一段)普遍采用半連續(xù)或連續(xù)流厭氧混合反應器對原始底物(富含碳水化合物的廢水/廢物)進行水解、發(fā)酵，工藝較為成熟，不作為本文討論的重點內容.本文對目前活性污泥合成PHA的工藝研究做一綜述，重點介紹利用混合菌群合成PHA工藝中PHA合成菌群篩選階段(三段式中的第二段)和PHA積累階段(三段式中的第三段)的改進及相關新工藝的研發(fā)進展，并簡述動力學模型在PHA合成工藝優(yōu)化中的應用，最后對現(xiàn)有工藝合成PHA的經濟性能進行總結.

1產PHA混合菌群富集階段

活性污泥是污水處理廠常用的污水生物凈化處理主體，是一種具有多種細菌、原生動物、后生動物的復雜生態(tài)系統(tǒng).近年來，有研究發(fā)現(xiàn)活性污泥混合菌群中存在有合成PHA能力的菌種，此類微生物會以積累PHA作為一種抗逆機制，這為低成本合成PHA提供了充足的原材料，是污泥資源化利用的又一個渠道.在PHA生產過程中，菌群篩選是最關鍵的一步，通過定向的篩選策略獲得穩(wěn)定和高產的PHA菌群是此階段的核心問題.

1.1厭氧-好氧工藝

厭氧-好氧活性污泥工藝最早用于上世紀70年代的污水處理工程，也是最早意識到在活性污泥中積累PHA的工藝——強化生物除磷(enhanced biological phosphate removal, EBPR).廢水處理工藝中的聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)是典型具有PHA合成能力的混合菌群，EBPR是這兩類微生物在厭氧/好氧交替的條件下進行.厭氧階段，以多聚磷酸鹽釋放或糖原的分解提供能量，在廢水中吸收短鏈脂肪酸等有機底物，以PHA的形式在細胞內貯存碳源；好氧階段，微生物則分解細胞內存儲的PHA，通過氧化磷酸化獲得能量，進行自身增殖并攝取環(huán)境中的磷.Chua等[7]提出的厭氧-好氧工藝模型以傳統(tǒng)的活性污泥處理污水為基礎，增加了產PHA馴化環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)了污水處理與合成PHA的雙重效果，但PHA產量有限，占細胞干質量的31%左右.Serafim[8]與Takabaka等[9]的研究表明，厭氧-好氧交替模式下微生物的代謝機制也存在多樣性，其中典型的PAOs代謝包括在厭氧階段胞內多聚磷酸鹽的分解、胞外磷的釋放、碳源基質的攝取和PHA的積累，這種機制下微生物積累PHA能力較低；而在厭氧階段細胞處于休眠狀態(tài)，在好氧階段的初期快速吸收外部碳源并完成PHA存儲,且在碳源用完后繼續(xù)利用PHA吸收磷的機制使微生物合成PHA占細胞干質量達40%以上.Satoh等[10]對厭氧-好氧和微氧-好氧工藝進行對比，發(fā)現(xiàn)前者微生物PHA占細胞干質量的33%，而后者PHA的最大積累量可達62%.鄭裕東等[11]研究了厭氧-好氧模式下的 PHA 合成，發(fā)現(xiàn)在一般的污水處理中PHA 的含量極少，大部分有機物在細胞內轉化為糖原、聚磷酯等，PHA 比重較低.當通入少量氧氣形成微氧環(huán)境時，微生物就可以通過氧化少量有機物進行合成代謝，當控制的氧氣量較嚴格且適當時，微生物傾向于大量積累 PHA.

1.2好氧瞬時供料(ADF)工藝

通常ADF的運行在SBR中進行，此工藝是Majone等[12]在1996年首次提出，完全在好氧條件下的工藝合成PHA，稱為好氧動態(tài)補料(aerobic dynamic feeding，也是充盈饑餓模式，F(xiàn)F).通過控制反應器內底物濃度變化，使微生物反復處于充盈和饑餓的狀態(tài).經過ADF工藝馴化的菌群的特點是微生物會立刻將底物用于合成PHA, 待碳源匱乏時分解PHA獲得能源維持細胞分裂以及生存所需能量.ADF工藝具有微生物代謝路徑明確，且SBR反應器容易控制，可以根據(jù)不同供料方式、反應周期等做出調整，對工藝優(yōu)化參數(shù)調控效果顯著等優(yōu)點[13]，在近十幾年快速發(fā)展.研究發(fā)現(xiàn)，經ADF工藝馴化后的混合菌群可達89%[14]，接近純菌合成PHA的產率，是混菌合成PHA領域熱門的研究工藝之一.

大量文獻與本課題組前期研究證明，ADF工藝中底物濃度[15-17]與有機負荷、碳氮比、充盈和饑餓的周期持續(xù)時間、污泥停留時間SRT、充盈和饑餓階段持續(xù)時間比值、溫度、pH、反應器內溶解氧含量等均可以作為馴化富集階段工藝優(yōu)化的控制參數(shù)[13-15].Serafim等[8]通過瞬態(tài)進料方法獲得了占細胞干質量達 78.5%的 PHA ；Cai等[18]使用中溫厭氧產酸相出水進行 PHA 的合成試驗，通過動態(tài)供料方式實現(xiàn)了56.5%的 PHA 積累，其中 PHB與PHV比為88∶12，PHA 產率為 310 mg/(g·h). Dionisi等[19]對動態(tài)進料過程中的微生物群落進行了 DGGE分析，甲基桿菌科(Methylobacteriaceae)、黃桿菌Flavobacteriumsp.、假絲酵母菌Meganemaperideroedes、陶厄氏菌Thauerasp.是混菌中的 4 種優(yōu)勢菌.Dionisi等[20]對不同周期長度條件下的ADF工藝富集PHA效果進行了研究，結果表明，較長周期可起到良好的產PHA菌富集效果，但周期不宜超過12 h.若微生物底物吸收速率較高，即在單個周期內更小的充盈和饑餓的持續(xù)時間比值，可得到更強的PHA合成能力.

目前，關于利用混合菌群富集PHA的研究取得眾多突破性進展，多處于實驗室研究階段，半工業(yè)化規(guī)模和工業(yè)化生產的研究少見報道.Tamis等[21]采用工業(yè)廢水為底物開展了半工業(yè)化的PHA生產，即接種混合菌群到200 L的SBR中對PHA菌群富集，然后將富集到的菌群投入到200 L的反應器中使其單位細胞內的PHA含量最大化，最終其PHA產量為(0.70±0.05) g/g.此產量雖低于實驗室規(guī)模，對于實現(xiàn)利用混合菌群合成PHA的產業(yè)化仍非常重要.

1.3好氧動態(tài)排水(ADD)工藝

在ADF工藝合成PHA基礎上，針對ADF模式在PHA富集階段表現(xiàn)不穩(wěn)定和富集時間過長的問題[14,22]，本課題組開展了PHA富集階段的優(yōu)化研究，即好氧動態(tài)排水工藝(aerobic dynamic discharge，ADD)，見圖2.研究發(fā)現(xiàn)當微生物具有PHA合成能力時，此類菌群占優(yōu)勢的活性污泥的細胞會重于非PHA合成菌群，故沉降性會增強，即細胞內存儲物含量與沉降性有關，此結論與Rittmann等[23]的研究一致.利用此特點將PHA合成菌與非PHA合成菌通過沉降性能區(qū)分，從而進行合成PHA菌群的快速穩(wěn)定富集.Chen等[24]通過沉降性對污泥進行篩選，稱為“物理選擇壓”，通過長期的famine階段對污泥進行的篩選稱為“生態(tài)選擇壓”.ADD工藝便是在原有ADF生態(tài)選擇壓的基礎上增加了物理選擇壓，增加了對污泥篩選的力度.反應器運行30 d左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，與其他條件等同采用ADF工藝的反應器相比，ADD工藝運行模式下，污泥在充盈階段底物吸收速率更快，且其充盈和饑餓的持續(xù)時間之比更小，可實現(xiàn)30 d運行后微生物PHA含量占細胞干質量達74%以上，其在降低污泥混菌馴化的時間成本方面效果顯著.

圖2　ADD運行模式工藝流程

2PHA合成階段

PHA積累階段主要利用馴化階段篩選到的PHA合成菌群進行PHA貯存量的提升.此過程的影響因素包括底物、pH、溫度、有機負荷等已有綜述報道，本文主要針對PHA積累階段進料方式進行詳細探討.

2.1批次試驗工藝

采用批次實驗工藝進行PHA合成是使得PHA含量最大化的最好方法.然而,細胞生長和PHA積累需要保持平衡，以避免PHA積累不完全導致其含量偏低.由于PHA 菌群的特性是營養(yǎng)物質受限條件下會促使細胞吸收底物合成PHA，在批次試驗中，許多研究均采取比馴化階段更高有機負荷但不含營養(yǎng)成分的底物，同時實時監(jiān)測溶解氧.當溶解氧突然躍增即表示底物基本消耗完成，此時沉淀并去除上清液，繼續(xù)投加底物，即保證微生物始終在碳源充足的環(huán)境中生存，以令其達到細胞內合成PHA含量的極限[19].Katrcoglu等[25]通過監(jiān)測溶解氧和限制氮源來進行PHA合成，在生物生長階段不限制氮源，監(jiān)測溶解氧變化；后續(xù)PHA合成階段限制氮源供給，其最大生物增長速率可達0.265 h-1.Johnson從已穩(wěn)定運行4年的SBR反應器中取泥，投加比SBR反應器中高5.5倍濃度的乙酸碳源，持續(xù)批次運行12 h得到最大PHA產量為89%細胞干質量，此項研究表明利用混菌合成PHA近乎接近純菌生產PHA的水平.

2.2連續(xù)補料工藝

如2.1所述，大部分研究者認為批次補料的模式加入底物可以克服底物的抑制作用，然而Albuquerque等[1]認為，以上模式會使PHA產率降低，因為進行批次補料會中斷反應進行，導致反應過程受阻而消耗掉部分PHA，于是首先嘗試在PHA積累階段進行批次補料試驗與連續(xù)補料工藝對微生物合成PHA能力的對比.結果顯示，采用連續(xù)流工藝后，微生物在PHA積累階段始終處于底物濃度穩(wěn)定豐富狀態(tài)，底物比吸收速率和PHA比合成速率均比采用批次試驗的污泥高.經過6 h的試驗后，采用連續(xù)流工藝的反應器內微生物最大PHA含量為72%，高于采用批次試驗的65%.而且由于連續(xù)流工藝中，當采用混合酸作為底物時，混合酸中各成分比例在PHA積累過程中保持一致，使得PHA最終產物中HB與HV比率僅與細胞對各組分底物吸收速率的不同有關，這為通過調控底物成分定向控制PHA產物成分提供了可能.然而，Serafim等[8]針對連續(xù)補料和分批補料有不同的結論.將碳濃度為180 mmol/L的乙酸分2種方式加入到反應器中，即連續(xù)補料和分批次補料模式.當批次補料時，將乙酸按碳濃度60 mmol/L分3次加入.加入控制點由溶解氧(DO)控制，通過對底物被耗盡時微生物進行檢測獲得了相應的實驗結果.連續(xù)補料合成的PHA占細胞干質量的比例為56.2%，而分批次加入的比例可達78.5%.因此，Serafim認為通過對DO的控制、底物分批次加入消除了高濃度帶來的抑制作用，還大大提高了PHA占細胞干質量的比例.

已有的PHA批次合成工藝在PHA含量上均取得了可觀的結果，但是工藝底物利用效率(微生物凈底物攝取量/供給反應體系的總底物量)偏低的問題并未引起足夠的關注.另外，產PHA混合菌群在利用以小分子有機酸為主要成分的底物時，會出現(xiàn)反應液pH上升的現(xiàn)象，這是由于微生物在攝取游離酸分子時引起了反應體系內相應酸水解平衡向生成氫氧根離子一側的移動.陳志強等[24]采用改進的連續(xù)補料工藝(如圖3所示)，直接使用pH未調節(jié)(5.0)的廢糖蜜酸酵解產物進行補料，在較低的生物量負荷(biomass loading rate，BLR)條件下，反應體系達到了酸堿自平衡狀態(tài)，在獲得較高PHA合成量(70.4%)的同時大幅度提升了工藝的底物利用效率.該工藝在底物制備、運行效率上均具備成本優(yōu)勢[26].

圖3　PHA合成階段主要工藝模式

3其他PHA合成菌富集工藝

與傳統(tǒng)的三段式不同，Rhu等[27]所采用PHA的合成流程是將微生物的富集馴化和PHA的合成在物理上是一體的，即使用同一種反應器，在時間上分為富集馴化和PHA合成，其運行方式最大可以積累PHA的量占細胞干質量的51%，PHA 的組分主要是 PHB和PHV.兩段式 PHA 合成工藝具有操作簡易及PHA產能可預知的優(yōu)點，并且能夠抗負荷波動沖擊.將兩段式工藝與剩余污泥定向產酸耦合，則能夠在碳源利用和菌群富集兩個階段均實現(xiàn)污泥減量，有廣闊的應用前景.陳瑋等[28-29]提出了一種快速馴化污泥利用小分子有機酸合成聚羥基烷酸脂PHA的工藝，同樣將PHA合成菌群的馴化與富集在一個反應器中完成.通過逐步減少氮、磷元素和一次性削減50%氮、磷元素對馴化結果進行考察，前者PHA的產率提升速度較慢，但反應器穩(wěn)定期較長，后者PHA產率提升很快但穩(wěn)定期較短.研究成果可以起到間接的污泥過程減量作用，同時令高濃度有機廢水得到資源回收，實現(xiàn)廢物的循環(huán)利用.課題的研究表明，試驗提出的采用兩段式運行,通過逐步減少營養(yǎng)元素氮、磷的同步富集和馴化細菌合成PHA的途徑是可行的.楊雪等[30-31]也采用兩段式工藝，初步探索了污泥水解液合成 PHA 的研究，經20多天的富集后 SBR 反應器污泥平均 PHA 含量僅為污泥干質量的40%～50%.

此外，清華大學王慧教授課題組[32]提出采用模擬污泥水解液作為碳源，在不限氮、磷條件下從活性污泥中獲取菌群，直接在充盈和饑餓模式進一步積累得到微生物的最大PHA含量.通過控制碳源濃度來實現(xiàn)充盈和饑餓的交替(碳源濃度小于0.25倍初始碳源濃度為判斷進入饑餓的標準)，每個周期人工保持饑餓時長為3倍的充盈時長，每個周期末通過離心機將泥水分離，去除上清液，再重復向污泥中注入碳源.直到持續(xù)3個周期的feast階段時長、生物量、剩余碳源濃度保持穩(wěn)定，則完成預處理進行批次試驗.此研究提出的不限氮實現(xiàn)微生物PHA積累工藝中，人工控制充盈和饑餓的時長比例而不是整個周期長度，實際使得污泥經歷了200 h左右的famine階段(單周期288 h)，“過度饑餓”使微生物在重新獲得碳源的同時大量生長與貯存PHA作為備用碳源，從而達到一步獲得62.43%的最大PHA含量的菌群.

4數(shù)值模型與參數(shù)控制

在活性污泥富集并合成PHA的過程中，往往需要通過數(shù)學模型的手段對微生物微觀代謝過程進行定量的認識，以及對反應器運行過程中難以測得的運行參數(shù)進行識別和評估，從而實現(xiàn)對混合菌群富集過程的模擬預測，對反應器運行機制進行優(yōu)化控制.

4.1代謝模型

ASM3(activated sludge model number 3)是近年來用于定量描述活性污泥代謝過程的主要模型之一，以化學需氧量(COD)為計量單位，涉及到活性污泥碳氧化過程和硝化、反硝化過程，不包括生物除磷.其側重點從ASM1的水解轉向為有機物的貯存，因此，也可以用于模擬好氧異養(yǎng)菌吸收底物并存儲PHA的過程[33].基于微生物在1個充盈和饑餓交替周期內的新陳代謝模型，最早由Aalst于1997年發(fā)表[34]，后經不斷完善[35-38]已經可以從底物吸收、PHA合成、生物量增殖、PHA降解、細胞呼吸作用、微生物維持生存等幾個典型過程定量分析并預測組分隨時間變化規(guī)律.其中涉及的動力學參數(shù)一方面可體現(xiàn)出產PHA混合菌群的基本性質，一方面也是調控優(yōu)化反應器參數(shù)的重要依據(jù).2009年Johnson建立的針對ADF工藝的混合菌群模型[14]見表1.模型描述了微生物在一個充盈-饑餓周期內的代謝過程：1)微生物吸收碳源，消耗ATP的同時合成乙酰輔酶A、二氧化碳和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)；2)PHB的聚合和維持；3)PHB分解過程；4)細胞的分解代謝作用；5)氧化與磷酸化作用；6)細胞生長與繁殖；以及7)在缺乏底物攝入的情況下，細胞內ATP逐漸減少，處在維持基本生命體征的狀態(tài)，直到ATP基本耗盡.Reis課題組[39]在2012年針對揮發(fā)性脂肪酸的成分和富集階段的時長對于PHA存貯效率的影響，提出代謝通量分析(metabolicux analysis) 和通量平衡分析(flux balance analysis)，模型表明影響微生物菌群代謝機制結果的主要是縮短三羧酸循環(huán)的通量，使得PHA合成量最大化.

表1　活性污泥富集與合成PHA過程新陳代謝模型

4.2參數(shù)控制

利用人工神經網絡技術可以實現(xiàn)對反應器多影響因素耦合作用下，各因素對PHA合成影響的敏感性排名，從而更有利于識別出反應器運行過程中的控制參數(shù)[40].利用現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)在反應器運行過程中進行實時監(jiān)測與自動控制，可進一步完善對活性污泥富集、合成PHA工藝的優(yōu)化.Serafim等[8]利用Labview軟件，通過溶解氧(DO)在線監(jiān)測建立SBR智能補料系統(tǒng).即當反應器內DO迅速上升時對其補料，通過控制補料次數(shù)達到控制feast持續(xù)時間，保持famine時間穩(wěn)定的目的，并在富集階段達到65%最大PHA含量；在底物消耗的過程中，隨著有機酸濃度、氨氮濃度降低(細胞不吸收氫離子H+和NH4+)，以及在細胞呼吸作用下產生的CO2會有一部分合成碳酸氫鹽，均導致反應器運行過程中pH的不穩(wěn)定.Tsuge等[41]成功地解決了該問題并以pH為指標控制微生物內環(huán)境為適合其合成PHA的狀態(tài)；在已建立的活性污泥合成PHA模型基礎上，可進行大量模擬試驗，進一步論證復合酸中各成分對合成PHA的影響，以及充盈和饑餓的循環(huán)過程中周期、pH、溫度等影響參數(shù)的敏感性和發(fā)展規(guī)律，并結合現(xiàn)有的在線監(jiān)測設備實現(xiàn)反應器的自控與優(yōu)化.尤其在更加便攜的熒光光譜設備發(fā)展的條件下[42-43]，將會實現(xiàn)污泥生物量和細胞PHA含量的在線監(jiān)測，使建立PHA富集過程全參數(shù)化控制與優(yōu)化系統(tǒng)成為可能.

5工藝整體經濟性能分析

活性污泥PHA合成工藝的經濟性能可以用工藝末端產品的價格來衡量.相較于純菌PHA合成工藝，關于混合菌群PHA產品價格分析的研究較少，這主要是由于成型的混菌工藝尚未進入規(guī)模化運行階段，難以獲得標準的運行參數(shù)和條件.陳瑋[28]對PHA粗提過程進行了經濟性能分析，定義成本即啟動馴化合成PHA反應器的藥劑費按平均的啟動+馴化時間為25 d期間,人工配水馴化所需消耗的配水藥劑的量計算.而提取成本按馴化階段的藥劑費用+提取階段的試劑費用計算.得到的粗提PHA過程的經濟成本見表2.

表2　提取1 kg PHA粗產品的成本估算

Gurieff等[44]利用食品加工廢水作為底物，使用典型的三段式工藝合成PHA，通過對過程中各碳源物質的流向分析，核算出混菌工藝產出PHA產品的價格，并與市場上商用的聚乙烯以及純菌發(fā)酵PHA的價格進行了比對(圖4).研究認為，由于在廢棄資源利用上帶來的成本節(jié)約，混菌合成的PHA價格相較于其他兩者占優(yōu)勢.

圖4混合菌群PHA產品與純菌發(fā)酵產品以及商用高密度聚乙烯的價格比對

PHA合成工藝過程的經濟性能分析有3個重要參數(shù)，一是PHA產量的最大化，盡可能將底物消耗完全，底物占其合成PHA成本的50%以上.二是單位體積的PHA生產量，決定了PHA合成的效率.三是PHA純度，即單位細胞中的PHA含量，在PHA回收過程中，需要進行細胞破壁和純化.PHA含量直接影響后續(xù)成本，純度越低，提取成本越高.

6結果與展望

利用活性污泥生產PHA可實現(xiàn)利用生物可降解材料替代石化塑料從而減輕環(huán)境壓力，同時實現(xiàn)污泥減量和廢物資源化，避免其形成二次污染，具有廣闊的應用前景和經濟前景.綜合文獻報道的研究成果可知，如今基本采用好氧反應器充盈與饑餓模式來進行高效的產PHA菌群富集與PHA合成.對反應器的基本調控參數(shù)優(yōu)化，如周期時長、feast持續(xù)時間、環(huán)境溫度、pH、底物種類與濃度、有機負荷等已做了大量工作，這些參數(shù)對微生物環(huán)境影響的認識基本成熟，利用這些成果已經可以成功富集出PHA最大含量占細胞干質量90%的混合菌群.然而需要一個漫長富集時間依然是很多文獻中沒有解決的問題，也成為利用活性污泥大規(guī)模合成PHA的商業(yè)化運營的瓶頸之一.而好氧動態(tài)排水(ADD)工藝在原有充盈與饑餓模式的基礎上引入物理選擇壓概念，較好地解決了快速富集的問題.然而針對ADD模式，從運行工藝參數(shù)到模型建立機制研究，仍然有很多需要進一步探討的問題.此外，通過對混合菌群數(shù)值模型的建立，日趨完善的反應器自動控制系統(tǒng)也將成為研究的熱點.實現(xiàn)高效富集，降低PHA合成工藝運行成本，將圍繞廢棄碳源資源化和PHA合成工藝的低成本展開.

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(編輯劉彤)

Advances in polyhydroxyalkanoates synthesis by activated sludge

GUO Zirui, HUANG Long, CHEN Zhiqiang, WEN Qinxue, REN Nanqi

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology), 150090 Harbin, China)

Abstract:Polyhydroxyalkanoates (PHA) are biopolymers which can be accumulated by prokaryotic microorganism as intracellular reserve carbon source in the absence of nutrients resource. PHA, being the potential substitute of the conventional plastics due to their similar physical and chemical properties as those petroleum-based traditional plastic as well as good degradability and biocompatibility, would save fossil resources and hence became a hotspot in the biosynthesis of degradable materials research field. Numerous studies in recent years proved that the activated sludge with mixed microbial culture can significantly reduce the costs of PHA synthesis, and further beneficial to the industrialization of PHA synthesis and wastes reclamation. This paper systematically summarized the research progress of activated sludge-based PHA synthesis in the enrichment and accumulation phase, illustrated the PHA enrichment bacteria selection process (from AN/AE mode to aerobic dynamic discharge mode) and accumulation phase (from fed-batch to continuous feeding mode), and emphasized the feeding mode optimization on the PHA enrichment and accumulation phase. Meanwhile, new ideas of research on PHA synthesis and the dynamic model of PHA synthesis were summarized. The paper also proposed some suggestions for the future research focus on the PHA production based on recent research progress on PHA synthesis with mix culture method.

Keywords:polyhydroxyalkanoateds (PHA); mixed cultures; PHA-producing microorganisms′ enrichment and accumulation

中圖分類號:X172

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)02-0001-08

通信作者:陳志強(1974—)，czqhit@163.com.

作者簡介:郭子瑞(1985—)，女，博士研究生；陳志強(1974—)，男，教授，博士生導師;任南琪(1959—)，男，博士生導師，中國工程院院士.

基金項目:國家自然科學基金(51378142);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0156);城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室開放課題(2015DX10).

收稿日期:2015-06-12.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.001