申請日2014.01.13
公開(公告)日2015.12.23
IPC分類號C12P7/62; C02F3/34; C02F3/12
摘要
本公開涉及從開放的混合培養(yǎng)物生產(chǎn)富含PHA的生物質(zhì)的方法。含有生物質(zhì)的混合液被導入分批進料反應器。反應器包括至少一個生物質(zhì)刺激區(qū)和至少一個生物質(zhì)維持區(qū)。含有RBCOD、生物可利用的N和生物可利用的P的進料被導入分批進料反應器。至少部分生物質(zhì)的呼吸速率在刺激區(qū)通過將進料導入分批進料反應器并使生物質(zhì)暴露于相對高濃度的RBCOD，被間歇地和重復地刺激。然后將生物質(zhì)轉(zhuǎn)移至維持區(qū)，在那里生物質(zhì)暴露于相對低濃度的RBCOD。此后，生物質(zhì)在刺激區(qū)和維持區(qū)之間來回循環(huán)。貫穿這些方法，在進料中N和/或P相對于RBCOD的濃度通過控制進料中N與RBCOD之比和/或P與RBCOD之比進行控制。
權利要求書
1.一種從開放的混合培養(yǎng)物生產(chǎn)富含PHA的生物質(zhì)的根據(jù)需求進料的分批進料方法，其包括：
將含有生物質(zhì)的混合液導入包括至少一個生物質(zhì)刺激區(qū)和至少一個生物質(zhì)維持區(qū)的分批進料反應器;
提供含有易生物降解的化學需氧量(RBCOD)以及生物可利用的氮(N)和磷(P)的進料;
調(diào)節(jié)相對于RBCOD濃度的生物可利用的N濃度，得到平均N與RBCOD之比在2-15mg-N/g-RBCOD的范圍內(nèi)的經(jīng)調(diào)節(jié)的進料;
調(diào)節(jié)相對于RBCOD濃度的生物可利用的P濃度，得到平均P與RBCOD之比在0.5-3mg-P/g-RBCOD的范圍內(nèi)的經(jīng)調(diào)節(jié)的進料;
通過使部分生物質(zhì)在刺激區(qū)暴露于經(jīng)調(diào)節(jié)的進料，間歇地和重復地刺激反應器中的至少部分生物質(zhì)的生物質(zhì)呼吸速率，以致刺激生物質(zhì)至平均大于其現(xiàn)存最大呼吸速率的50%;
在將部分生物質(zhì)在刺激區(qū)暴露于經(jīng)調(diào)節(jié)的進料后，將至少一部分的所述部分生物質(zhì)從刺激區(qū)轉(zhuǎn)移至維持區(qū)，在那里平均RBCOD濃度少于在刺激區(qū)的平均RBCOD濃度的一半;和
使含有生物質(zhì)的混合液在刺激區(qū)和維持區(qū)之間來回循環(huán)，以使部分生物質(zhì)反復地暴露，以達到供應給刺激區(qū)的經(jīng)調(diào)節(jié)進料的高呼吸速率，和其中在維持區(qū)中的生物質(zhì)另外以較低的RBCOD濃度維持。
2.權利要求1的方法，其還包括將經(jīng)調(diào)節(jié)的進料以與由生物質(zhì)呼吸速率產(chǎn)生的需求量成比例的速率供應給刺激區(qū)。
3.權利要求1的方法，其中來自至少兩個不同的來源的進料經(jīng)混合，以在供應給刺激區(qū)的進料中提供相對于RBCOD的選擇濃度的氮。
4.權利要求1的方法，其中來自至少兩個不同的來源的進料經(jīng)混合，以在供應給刺激區(qū)的進料中提供相對于RBCOD的選擇濃度的磷。
5.權利要求1的方法，其包括測量在分批進料反應器中和/或供應給分批進料反應器的磷、氮和/或RBCOD的濃度，并響應于測量的濃度，調(diào)節(jié)在供應給刺激區(qū)的進料中的氮、磷和/或RBCOD的濃度。
6.權利要求1的方法，其包括測量在分批進料反應器中的生物質(zhì)的生物質(zhì)PHA含量和/或生物質(zhì)PHA含量的時間變化率，并響應于測量的含量或含量隨時間的變化，調(diào)節(jié)在供應給刺激區(qū)的進料中確立的氮、磷和/或RBCOD的濃度。
7.權利要求1的方法，其包括測量分批進料反應器中的生物質(zhì)的生物質(zhì)呼吸速率和/或生物質(zhì)呼吸速率的時間變化率，和響應于測量的呼吸速率或呼吸速率隨時間的變化，調(diào)節(jié)在供應給刺激區(qū)的進料中的氮、磷或RBCOD的濃度。
8.權利要求1的方法，其包括測量分批進料反應器中的生物質(zhì)的COD消耗率和/或COD消耗率的時間變化率，并響應于測量的COD消耗率或COD消耗率隨時間的變化，調(diào)節(jié)在供應給刺激區(qū)的進料中的氮、磷或RBCOD的濃度。
9.權利要求1的方法，其包括權利要求6、7和8的方法的至少兩個的組合。
10.權利要求1的方法，其中分批進料反應器包括至少兩個罐，其中至少一個罐包括刺激區(qū)和至少一個罐包括維持區(qū)和其中給分批進料反應器的進料被導向包括刺激區(qū)的罐。
11.權利要求1的方法，其中刺激區(qū)的容積足夠大，以提供安排在刺激區(qū)的生物質(zhì)至少20秒的水力保留時間。
12.權利要求1的方法，其中刺激區(qū)的容積被整合到維持區(qū)的容積中，但其中刺激區(qū)的容積至少部分地通過物理結構與維持區(qū)隔開。
13.權利要求1的方法，其包括在生物廢水處理系統(tǒng)中生物處理廢水流和從廢水流分離混合液和生物質(zhì)并將混合液和生物質(zhì)導向分批進料反應器。
14.權利要求1的方法，其包括繼續(xù)使含有生物質(zhì)的混合液在刺激區(qū)和維持區(qū)之間來回循環(huán)并繼續(xù)維持磷和氮與RBCOD的比例在所述范圍內(nèi)直至生物質(zhì)的PHA含量平均大于0.40g-PHA/g-VSS。
15.權利要求1的方法，其包括從在分批進料操作期間和批處理終止之前的過程收獲至少部分生物質(zhì)。
16.權利要求15的方法，其包括一旦生物質(zhì)PHA含量大于0.40g-PHA/g-VSS，從在分批進料操作期間的過程開始收獲至少部分生物質(zhì)。
17.權利要求1的方法，其中刺激生物質(zhì)呼吸速率使得刺激生物質(zhì)至平均大于其現(xiàn)存最大呼吸速率的70%。
18.權利要求1的方法，其中生物質(zhì)在被導向分批進料反應器之前從生物廢水處理過程收獲，并且其中收獲的生物質(zhì)的PHA含量少于干燥生物質(zhì)重量的10%。
19.權利要求1的方法，其包括在將混合液導入分批進料反應器之前預處理混合液，其中預處理混合液包括使混合液變稠，以便減少在導向分批進料反應器的混合液中的磷和氮的濃度。
20.權利要求19的方法，其中在混合液變稠后，向混合液中加入稀釋劑，以進一步減少混合液中的磷和氮的濃度。
21.一種根據(jù)需求進料的分批進料方法，其用于從開放的混合培養(yǎng)物生產(chǎn)富含PHA的生物質(zhì)，該方法包括：
將含有生物質(zhì)的混合液導入包括至少一個生物質(zhì)刺激區(qū)和至少一個生物質(zhì)維持區(qū)的分批進料反應器;
將進料導入分批進料反應器，其中進料包含RBCOD以及生物可利用的N和P;
通過將進料導入分批進料反應器并使生物質(zhì)暴露于刺激區(qū)中相對高濃度的RBCOD，間歇地和重復地刺激至少部分生物質(zhì)的呼吸速率;
在生物質(zhì)已經(jīng)暴露于刺激區(qū)中相對高濃度的生物質(zhì)后，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)移至維持區(qū)，并在那里生物質(zhì)暴露于相對低濃度的RBCOD;
使生物質(zhì)在刺激區(qū)和維持區(qū)之間來回循環(huán);和
通過控制進料中N與RBCOD的比率或P與RBCOD的比率，控制在導入分批進料反應器的進料中的N或P相對于RBCOD的濃度。
22.權利要求21的方法，其包括通過調(diào)節(jié)相對于RBCOD濃度的生物可利用的N濃度，得到具有平均N與RBCOD之比在2-15mg-N/g-RBCOD范圍內(nèi)的經(jīng)調(diào)節(jié)的進料，和調(diào)節(jié)相對于RBCOD濃度的生物可利用的P濃度，得到具有平均P與RBCOD之比在0.5to3mg-P/g-RBCOD范圍內(nèi)的進料，控制相對于進料中RBCOD的N和P濃度。
23.權利要求21的方法，其包括測量在分批進料反應器的混合液中的N和P濃度并調(diào)節(jié)進料中N與RBCOD的比率或P與RBCOD的比率，得到在預定范圍內(nèi)的選擇的比率。
24.權利要求21的方法，其包括測量推斷分批進料反應器中生物質(zhì)PHA含量、生物質(zhì)呼吸速率和/或COD消耗率的變化的信號，并基于這些信號中的一個或多個，調(diào)節(jié)進料中的N與RBCOD的比率或P與RBCOD的比率，得到在預定范圍內(nèi)的選擇的比率。
25.權利要求23的方法，其中使用傳感器測量在分批進料反應器的混合液中或在進料中的N、P和RBCOD，且傳感器可操作地將數(shù)據(jù)傳輸至控制器，在那里數(shù)據(jù)代表了P、N和/或RBCOD濃度，且其中控制器可操作地控制N與RBCOD的比率和P與RBCOD的比率，以致平均起來所述比率落入預選擇的范圍內(nèi)。
26.權利要求24的方法，其中使用傳感器測量或推斷生物質(zhì)PHA含量、生物質(zhì)呼吸速率和/或COD消耗率的比例變化，并且傳感器可操作地將數(shù)據(jù)傳輸至控制器，在那里數(shù)據(jù)代表了在進料供應中的P、N和/或RBCOD濃度，和其中控制器可操作地控制N與RBCOD的比率和P與RBCOD的比率，以致平均起來所述比率落入預選擇的范圍內(nèi)。
27.權利要求21的方法，其包括通過調(diào)節(jié)相對于RBCOD濃度的生物可利用的N濃度，得到具有平均N與RBCOD之比在2-15mg-N/g-RBCOD的范圍內(nèi)的經(jīng)調(diào)節(jié)的進料，控制進料中相對于RBCOD的N濃度。
28.權利要求21的方法，其包括通過調(diào)節(jié)相對于RBCOD濃度的生物可利用的P濃度，得到具有平均P與RBCOD之比在0.5-3mg-P/g-RBCOD范圍內(nèi)的進料，控制進料中相對于RBCOD的P濃度。
29.權利要求21的方法，其包括測量分批進料反應器中的生物質(zhì)的生物質(zhì)PHA含量和/或生物質(zhì)PHA含量的時間變化率，并響應于測量的含量或含量隨時間的變化，調(diào)節(jié)在供應給刺激區(qū)的進料中確立的氮、磷和/或RBCOD的濃度。
30.權利要求21的方法，其包括測量分批進料反應器中的生物質(zhì)的生物質(zhì)呼吸速率和/或生物質(zhì)呼吸速率的時間變化率，和響應于測量的呼吸速率或呼吸速率隨時間的變化，調(diào)節(jié)在供應給刺激區(qū)的進料中的氮、磷或RBCOD的濃度。
31.權利要求21的方法，其包括繼續(xù)使含有生物質(zhì)的混合液在刺激區(qū)和維持區(qū)之間來回循環(huán)，并繼續(xù)維持磷和氮與RBCOD的比率在所述范圍內(nèi)，直至生物質(zhì)的PHA含量平均大于0.40g-PHA/g-VSS。
32.權利要求21的方法，其中刺激生物質(zhì)呼吸速率使得刺激生物質(zhì)至平均大于其現(xiàn)存最大呼吸速率的70%。
說明書
用于在得自廢水處理的生物質(zhì)的分批進料過程中增加多羥基烷酸酯(PHA)的生產(chǎn)率的方法
相關申請
本申請依據(jù)35U.S.C.§119(e)，要求以下美國臨時申請的優(yōu)先權：2013年1月11日提交的申請系列號61/751449。該申請通過引用以其全文結合到本文中。
背景
為除去化學需氧量(COD)的廢水的生物處理產(chǎn)生生物質(zhì)。廢棄的生物質(zhì)代表一種固體廢物處置問題。已引起極大關注的一個機會是由生物質(zhì)例如來自廢水處理的活性污泥產(chǎn)生生物可降解的聚合物。這樣，產(chǎn)生的廢污泥改為變成可從處理過程收獲的有價值的副產(chǎn)物。
已知可收獲生物質(zhì)處理廢水并使其積聚多羥基烷酸酯(PHA)，一組由某些細菌天然產(chǎn)生的、作為中間的碳和能源庫的聚酯。PHA是可從生物質(zhì)回收并轉(zhuǎn)化為有市場價值的生物可降解的塑料(其可用于廣泛范圍的實際應用)的生物聚合物(見例如，US2010/0200498、WO2011/070544A2、WO2011/073744A1、WO2012/022998A1、WO2012/023114A1)。
調(diào)節(jié)生物質(zhì)中PHA的熱穩(wěn)定性以在從生物質(zhì)回收PHA期間維持PHA分子量并改進產(chǎn)品質(zhì)量(值)的實施方案已描述于WO2012/022998A1中。合起來說，以上引用的公開提供將污染控制和殘留物處理的設施與具有已知實用和經(jīng)濟價值的生物可降解的和生物基聚合物的生產(chǎn)整合的方案�；谏鲜龉_，污染控制設施可能現(xiàn)今已經(jīng)改變(并且在沒有重大修改的許多情況下)，以致污泥處置的經(jīng)濟負擔抵消了富含PHA的生物質(zhì)生產(chǎn)的利益。
通過將這種生物質(zhì)處置至PHA積聚過程，從而使易生物降解的COD(RBCOD)，例如作為主要有機底物的揮發(fā)性脂肪酸，以受控制的方式進料至廢棄(收獲的)生物質(zhì)中，將有效的廢棄生物質(zhì)(例如來自生物處理系統(tǒng)的過剩的活性污泥)，從過程殘留物轉(zhuǎn)化為增值的粗產(chǎn)物，即富含PHA的生物質(zhì)。在生物質(zhì)中積聚PHA并生產(chǎn)含有高分子量PHA的富含PHA的生物質(zhì)的實施方案描述于WO2011/070544A2中。
描述于WO2011/070544A2中的方法和過程的應用一般允許PHA在生物質(zhì)的混合培養(yǎng)物中積聚。所謂混合培養(yǎng)物是意指包含多于一種類型的細菌種群的混合物的生物質(zhì)。生物質(zhì)一般期望為富含可將RBCOD轉(zhuǎn)化為PHA的細菌種群。盡管任何這樣的富集，混合培養(yǎng)物生物質(zhì)還將在生物質(zhì)(其不貯藏PHA并且，如果刺激的話，它們將消耗RBCOD以生產(chǎn)含非-PHA的生物質(zhì))中含有其它種類的細菌。如果生物質(zhì)的PHA質(zhì)量的生產(chǎn)率變得少于非-PHA生物質(zhì)的生產(chǎn)率，則優(yōu)選的積聚過程條件喪失。
在WO2011/070544A2中，教導了刺激和維持過程區(qū)如何可被用來維持用于工業(yè)規(guī)模混合培養(yǎng)物PHA積聚的根據(jù)需求進料過程。維持區(qū)一般維持呼吸的生物質(zhì)在相對低的RBCOD濃度的環(huán)境中。刺激區(qū)一般在任何給定的時間使部分生物質(zhì)暴露于相對高的RBCOD濃度并且以這樣做的工作來刺激整個過程生物質(zhì)至高水平的呼吸，這在很大程度上歸因于將RBCOD轉(zhuǎn)化成儲存的PHA的代謝過程。這種整體的高生物質(zhì)呼吸速率驅(qū)動底物的需求，并且基于維持這種高生物質(zhì)呼吸速率的控制底物供應藉此可建立“根據(jù)需求進料”的工藝控制策略。因為生物質(zhì)另外維持在相對低的RBCOD濃度區(qū)，因此存在對可獲得的底物的限制。非-PHA生物質(zhì)生產(chǎn)，即是說經(jīng)細胞分裂的生物質(zhì)生長，顯示當?shù)孜餄舛认鄬Φ蜁r，呼吸速率通常如例如莫諾方程(MonodEquation)所述與底物濃度成比例。通過控制底物供應以在維持區(qū)中維持相對低的底物水平，非-PHA生物質(zhì)生產(chǎn)的水平可通過在該過程中給出對由儲存PHA的細菌的呼吸和RBCOD消耗的優(yōu)先選擇而減少。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，儲存PHA的細菌的呼吸和活性可通過使生物質(zhì)周期地和反復地經(jīng)歷與維持區(qū)隔開的刺激區(qū)中“盛宴(feast)”的條件而維持。這種盛宴刺激的條件不必是需氧的，但充足(雖然短暫)的暴露時間似乎是需要的。在實踐中，人們喜歡保持這種刺激期相對短，以限制非-儲存PHA的細菌在該過程中增加呼吸的開始。盡管對于過程和洞察生物質(zhì)呼吸的未來發(fā)展的其它解釋的可能性，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，一般來說，達到從低水平的內(nèi)源性呼吸至高呼吸速率和對于儲存PHA的生物質(zhì)的完全刺激的必要時間具有少于1分鐘的時間尺度量級。
發(fā)明概述
本文的方法涉及從開放的培養(yǎng)物生產(chǎn)富含PHA的生物質(zhì)。含有生物質(zhì)的混合液被導入分批進料反應器。反應器包括至少一個生物質(zhì)刺激區(qū)和至少一個生物質(zhì)維持區(qū)。提供的進料包含生物可降解的化學需氧量(RBCOD)、生物可利用的氮(N)和生物可利用的磷(P)。調(diào)整進料中相對于RBCOD的生物可利用的N和P的濃度，以使平均N與RBCOD的比率在2mg-N/g-RBCOD和15mg-N/g/RBCOD之間和平均P與RBCOD的比率在0.5mg-P/g-RBCOD和3mg-P/g-RBCOD之間。在反應器中的部分生物質(zhì)暴露于在刺激區(qū)中的調(diào)節(jié)的進料。這刺激了生物質(zhì)呼吸速率。提供調(diào)節(jié)的進料，以使經(jīng)刺激的生物質(zhì)的平均呼吸速率為大于生物質(zhì)現(xiàn)存最大呼吸速率的50%。然后將暴露于調(diào)節(jié)的進料的部分生物質(zhì)轉(zhuǎn)移至維持區(qū)。在維持區(qū)，平均RBCOD濃度被維持在少于刺激區(qū)中的平均RBCOD濃度的一半。在刺激區(qū)和維持區(qū)之間循環(huán)含有生物質(zhì)的混合液。這導致部分生物質(zhì)反復地暴露于進料并在刺激區(qū)達到高呼吸速率，同時維持生物質(zhì)部分在這種升高的呼吸速率下，即使在維持區(qū)的低RBCOD濃度下。
所述方法還涉及一種用于在來自開放的混合培養(yǎng)物的生物質(zhì)中生產(chǎn)PHA的分批進料過程，即通過以在分批進料過程期間促進PHA在生物質(zhì)中的貯藏以及與非-PHA生物質(zhì)共同生長至少一定的時間段的這樣一種方式供應底物，從而：
a.使分批進料過程持續(xù)一段時間，伴有在生物質(zhì)中的增加或穩(wěn)定水平的PHA含量;
b.在生物質(zhì)中達到的穩(wěn)定水平的PHA含量為大于0.40g-PHA/g-VSS，優(yōu)選地大于0.50g-PHA/g-VSS，且最優(yōu)選地大于0.60g-PHA/g-VSS;
c.易生物降解的有機底物或易生物降解的化學需氧量(RBCOD)與生物可利用的氮(N)和磷(P)一起供應，其中N/COD比率平均在2-15mg-N/g-RBCOD的范圍內(nèi)，和P/COD比率平均在0.5-3mg-P/g-RBCOD的范圍內(nèi);
d.生物質(zhì)作為整體或部分被反復地刺激以維持平均高于50和優(yōu)選地高于70%的最大現(xiàn)存呼吸速率，同時另外維持在平均碳底物濃度低于100且優(yōu)選地低于10mg-RBCOD/L的條件下;
e.在任何一個時間將部分生物質(zhì)循環(huán)至升高底物濃度的區(qū)，并通過暴露于高于100mg-RBCOD/L但優(yōu)選地低于500mg-RBCOD/L且最優(yōu)選地低于2000mg-RBCOD/L的平均有機底物峰濃度，刺激至最大現(xiàn)存呼吸速率;
f.在供應給分批進料過程的生物質(zhì)中PHA的初始含量少于0.10g-PHA/g-VSS，優(yōu)選地少于0.05g-PHA/g-VSS且最優(yōu)選地少于0.02g-PHA/g-VSS;
g.在所述過程中的生物質(zhì)的初始濃度大于500mg-VSS/L，但優(yōu)選地大于1000mg-VSS/L且最優(yōu)選地大于2000mg-VSS/L;和
