PHA生产工艺技术研究进展

随着生物基可降解材料领域逐步拓展,逐渐涌现出一批新兴的材料,聚羟基脂肪酸酯(PHA)便是其中之一,它具有完全可降解的特性,同时结合生物发酵催化合成技术已经实现了大规模工业化生产。然而PHA的生产成本一直是困扰研究和行业发展的重要难题,寻找和开发可替代单一碳源的高成本工艺及原料已经箭在弦上。阐述了混合微生物培养(MMC)技术、活性污泥发酵工艺以及非粮原料在PHA合成上的应用,希望能够给生物基可降解材料的深入研究提供新思路,同时也是对近20年来在该领域的技术发展动向进行总结,以期对PHA的工业化提供理论指导。

食品工厂活性污泥积累生物降解塑料PHA的研究

对 4家食品和生活污水处理厂活性污泥积累和发酵生产PHA的能力进行了研究。结果表明 ,不同来源活性污泥自然积累PHA的能力有较大差异 ,以广州广美食品厂能力最强 ;不同工厂活性污泥经过驯化、发酵后 ,均可有效富集PHA积累菌 ,PHA产量大幅度提高 ,产物经核磁共振 (1 H NMR)和熔点分析 ,为羟基丁酸与羟基戊酸的共聚物 (PHBV)。

土著PHA合成菌回注法提高活性污泥积累聚羟基脂肪酸酯能力

在活性污泥驯化之初加入少量土著聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成菌（0.10-0.25g/L），通过10 d厌氧-好氧或好氧-沉淀方式进行污泥驯化后, 以葡萄糖或乙酸钠为碳源进行PHA发酵. 研究了驯化前后土著PHA合成菌回注组和对照组驯化过程中的总菌数，PHA合成菌数的变化，以及对PHA发酵产率的影响.结果表明：在回注组污泥中PHA合成菌的增长速率和增长量均高于对照组，各种污泥积累PHA占挥发性悬浮固体的比例提高了21.44%-43.18％.

活性污泥合成PHA及其对磁场的响应研究

在好氧瞬时供料工艺下,采用逐步增加负荷法对活性污泥进行驯化,控制每个周期丰盛-匮乏时间比为1∶3.当有机负荷为5420mgCOD·L-1时,PHA(polyhydroxyalkanoate)含量可达48.6%;当有机负荷为720mgCOD·L-1时,PHA的合成速率最高达到0.18mgCOD/mgCODX·h.取驯化好的污泥在不同磁场强度下进行PHA的合成,实验发现磁场对聚羟基丁酸(hydroxybutyrate,HB)和聚羟基戊酸(hydroxyvalerate,HV)的合成产生影响.磁场强度为7mT时,活性污泥中HB含量最高;在磁场强度为21mT时,活性污泥中HV含量最高;在磁场强度为11mT时,活性污泥中PHA含量最高.强度为7mT的磁场对HB聚合酶活性促进作用最大;强度为21mT的磁场对HV聚合酶活性促进作用最大.

PBS/PHAs的熔融行为和非等温结晶动力学

用示差扫描量热仪测定了聚羟基丁酸酯(PHAs)/聚丁二酸丁二醇酯(PBS)共混体系的熔融和非等温结晶动力学。结果发现:PHAs和PBS之间存在着相互作用。用Jeziorny方程对共混体系的非等温结晶动力学进行了研究,说明PHAs的加入对PBS的结晶动力学参数影响不大,PHAs的加入没有起到异相成核的作用,而是使PBS的结晶生长更加完善。用Kissinger方程计算了体系的结晶活化能,发现PHAs的加入使结晶活化能先升高后降低。

活性污泥利用混合碳源合成PHAs的工艺条件优化

利用SBR反应器驯化具合成聚羟基烷酸酯(PHAs)能力的活性污泥,以乙酸∶丙酸=1∶2为混合碳源,通过调控pH、COD浓度、改变碳源投加方式,对活性污泥合成PHA的工艺参数进行优化。实验结果表明:pH控制为5、7、9时,pH=7的中性环境更有利于剩余污泥贮存PHAs,贮存量可达51.9 mg/g;COD浓度为200、400、600 mg/L条件下,COD=400 mg/L时剩余污泥贮存PHAs的能力较强,最高产率约为60.27 mg/g;采用3次投加碳源的方式使PHAs的产率提高到初始量的3.7倍以上,高于一次性投加碳源方式。

聚羟基脂肪酸脂(PHAS)的应用前景

PHAS 具有良好的力学性能并可完全生物降解 通过PHAS 的发现、发展过程 ,提出寻找可合成短链和长链单体共聚的微生物已成为PHAS 家族的主要研究方向 同时根据PHAS 的生物活性、机械特性 ,说明其将会在生物医用材料。

IL-2和PHA对淋巴细胞穿孔素溶血活性及相关因子的影响

目的 :了解IL - 2和PHA对外周血淋巴细胞 (L)穿孔素 (PFP)溶血活性的影响及作用途径。方法 :检测了L在rIL - (1 0 0 0u/ml)和PHA -P 2 μg/ml刺激下的PFP的溶血百分率及IL - 1 β和IL - 6浓度。 结果 :IL - 2使PBMC的PFP溶血百分率降低 ,IL - 6分泌减少 ;PHA使PFP溶血百分率升高 ,IL - 6分泌增加 ,IL - 1 β减少。结果表明IL - 2和PHA对PBMC的PFP溶血活性的影响不同 ,且对IL - β和IL - 6分泌的影响也不相同。 结论

污泥PHA积累条件优化及细菌分离鉴定

聚羟基脂肪酸酯(PHA)的污泥资源化是普遍看好的污泥处理技术之一,但原始条件下PHA的积累量很低.拟采用好氧瞬时供料工艺对活性污泥合成PHA的碳源、氮源、pH、曝气时间等进行优化,分离PHA积累菌种.通过16SrDNA扩增和基因测序对其进行鉴定.结果表明,污泥积累PHA最佳条件:10mL/L乙醇,5.5g/L硝酸钠,pH=8.3,每12h曝气1h.富集培养后PHA含量由0.70g/L提高至5.20g/L;分离得到PHA积累细菌B16菌株,分子生物学鉴定显示B16菌株为Alcaligenes faecalis,该细菌最佳生长pH为7.0,PHA的最大积累量为10.6g/L.

胞内贮存物聚羟基烷酸酯(PHAs)的分析方法研究进展

聚羟基烷酸酯(PHAs)是许多纯种微生物及活性污泥在非平衡生长条件下作为碳源和能源贮存在细胞内的胞内贮存物。PHAs具有可完全生物降解性、生物相容性,可以替代传统的塑料运用于众多领域,因而引起科研领域和工业界的广泛关注。文章主要综述了PHAs分析方法的研究进展,包括PHAs的物理化学性质、生产工艺和定性定量的分析方法。

PHA-CD3AK细胞的制备及其对恶性肿瘤的疗效

目的:探讨植物血凝素(PHA)、抗CD3单克隆抗体(anti-CD3McAb)和rhIL-2共同诱导的PHA-CD3AK(PHA-CD3McAb actinated killer cell)细胞的临床应用质量控制,及其对恶性肿瘤的疗效。方法:选取陕西省友谊医院肿瘤生物诊疗科53例中晚期肿瘤患者(宫颈癌9例,肺癌6例,肾癌6例,非霍奇金淋巴瘤5例,肝癌5例,胃癌7例,食道癌5例,恶性黑素瘤5例,直肠癌5例),分离患者外周血单个核细胞,加入PHA、anti-CD3McAb、rhIL-2体外诱导制备自体PHA-CD3AK细胞。质量控制检测细胞数量和活细胞比例、细胞毒活性、内毒素和感染源,流式细胞术检测免疫表型。将检测合格的自体PHA-CD3AK细胞静脉回输至患者体内,每2d回输1次,每疗程6次,共2个疗程,观察治疗效果和不良反应。结果:制备的PHA-CD3AK细胞符合预期免疫活性细胞质控的各项要求。治疗后患者外周血CD3+、CD4+、CD8+T细胞和CD16+56+细胞(NK细胞)比例分别为(49.36±9.21)%、(34.85±4.35)%、(29.20±5.12)%和(21.15±6.50)%,较治疗前均显著升高(均P<0.05)。大部分患者治疗后全身症状明显改善(43/53),其中完全缓解6例、部分缓解14例、微效10例、稳定14例、进展9例,总有效率达56.6%,临床受益率达83.0%。所有患者治疗后相关化验指标均未出现异常变化,也未出现明显的全身毒性反应。结论:PHA-CD3AK细胞制剂质量控制指标切实可行,其对恶性肿瘤的疗效确切,并能有效提高患者的免疫功能。

活性污泥合成聚羟基烷酸(PHAs)的研究进展

聚羟基烷酸(PHAs)是微生物合成的作为碳源和能源的贮存物。PHA同时也是一种可完全生物降解的塑料,由于其良好的环境效应及机械性能,受到广泛关注。使用活性污泥及廉价基质合成PHA以降低生产成本有很好的应用前景。文章综述了活性污泥合成PHA的最新研究进展,包括活性污泥合成PHA的工艺、影响因素及提高PHA合成量的策略。

PHA诱导的CIK细胞的生物学特性及其对K562细胞杀伤活性影响的研究

本研究探讨植物血凝素(PHA)诱导的细胞因子诱导的杀伤细胞(CIK)与传统方法制备的CIK细胞的体外增殖能力、效应细胞含量和对K562细胞杀伤活性影响并分析其差异。分离健康人外周血单个核细胞(PBMNC),分甲、乙两组,其中甲组用传统培养方法从PBMNC制备的传统CIK细胞,乙组采用PHA诱导单个核细胞制备获得的新型CIK细胞。在培养过程中,每3 d统计各组细胞培养体系中细胞活率和细胞绝对值,并在培养至第15天时,用流式细胞仪分别检测两组细胞免疫表型,统计CD3+CD56+、CD3+CD8+和CD3+CD4+细胞占各培养体系总细胞数的比例;同时用CCK-8试剂盒分别检测两组细胞在不同效靶比时对K562细胞的杀伤活性。结果表明:采用PHA诱导制备新型CIK细胞的方法比传统方法更能促进细胞增殖(P<0.05),且细胞活率都保持在90%以上。两组CD3+CD8+、CD3+CD56+细胞比例都显著升高。与传统方法比,新方法的CD3+CD8+细胞升高比例存在显著差异(P<0.05),CD3+CD56+细胞提升比例不存在差异,同时CD3+CD4+下降的比例也不存在差异。效靶比为5∶1、10∶1、20∶1、40∶1时,PHA诱导制备的新型CIK细胞比传统方法制备的CIK细胞对K562细胞的杀伤活性更强(P<0.05),且随着效靶比的升高两种效应细胞对K562细胞的杀伤活力的差异明显性也增加。结论:与传统方法相比,PHA可明显提高CIK细胞的增殖能力,调高CD3+CD8+细胞的比例,增强CIK细胞对K562细胞的杀伤活性,这为白血病及其他肿瘤的细胞免疫治疗提供一种新来源的CIK细胞和可靠依据。

用于合成PHA活性污泥的驯化培养

活性污泥用于可降解塑料聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)生产前需进行驯化培养,以增强其合成能力.为提高PHA产量,对比考察了单阶段驯化和双阶段驯化两种模式对底物利用、活性污泥性质以及合成PHA的影响.结果表明:单阶段模式下乙酸利用速率为8.8 mg/(L.min),活性污泥质量浓度为2 000 mg/L左右,PHA单位乙酸合成效率为0.19 g/g,PHA含量在进水后90 min时达到最大值;双阶段模式下各项指标均有提高,利用率为27.3 mg/(L.min),活性污泥质量浓度为4 500 mg/L左右,PHA单位乙酸合成效率提高到0.24 g/g,PHA含量在进水后30 min时达到最大值.因此,双阶段模式比单阶段模式更适于培养具有高PHA合成能力的活性污泥.

污泥厌氧发酵及污泥发酵液产PHA的研究

随着“限塑令”政策的升级,生物可降解塑料的研发和推广成为当下热点。聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为一种新兴的生物可降解塑料,有着无限的潜力。利用剩余污泥来生产PHA,不仅节约成本,还有很好的环境效益,实现了废弃资源的再利用。本文主要针对污泥厌氧发酵以及菌种合成PHA的影响因素进行分析,阐述当前剩余污泥发酵液产PHA的研究进展,并对污泥厌氧发酵产PHA的发展前景进行展望。

碳源类型对活性污泥合成PHA和微生物群落的影响

为探究过硫酸氢钾复合盐(PMS)耦合剩余污泥碱性发酵获取碳源合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)的可行性,分别采用剩余污泥碱性(pH=10)发酵液(简称“pH10发酵液”)、PMS耦合剩余污泥碱性(pH=10)发酵液(简称“pH10+PMS发酵液”)作为碳源,研究活性污泥混合菌群在富集和合成阶段产PHA的情况以及微生物群落结构的变化。结果表明,当分别以pH10发酵液、pH10+PMS发酵液作为碳源时,富集阶段PHA的最大合成量分别为10.61%和12.22%,合成阶段PHA的累积合成量分别为42.84%和52.53%;采用不同碳源时富集产PHA的微生物群落结构存在差异性,与pH10发酵液碳源组相比,pH10+PMS发酵液碳源组中与PHA合成相关的功能菌群即副球菌属、陶厄氏菌属和甲基杆菌属的含量更高,更有利于PHA的合成,因此pH10+PMS发酵液为更适宜的碳源。

基于OUR-HPR测量在线估计活性污泥合成PHA量

活性污泥工艺是一种具有重要应用前景的工业化生产聚羟基烷酸酯(PHA)的方法.当前PHA测量主要采用离线分析方法,时间滞后、分析操作复杂,不适于PHA生产过程控制.本研究基于活性污泥同时储存生长-溶解性微生物产物模型(SSAG-SMP),认为在饱食(外部有机碳基质充足)期间,聚羟基烷酸酯(PHA)的合成速率与氧利用速率(OUR)及氢离子产生速率(HPR)呈线性关系,建立了一种基于OUR-HPR在线测量数据估计活性污泥合成PHA量的方法.本研究对乙酸作基质的不同浓度情况进行模拟,结果表明OUR及HPR的PHA合成的氧气消耗分数(kPHA,OUR)和质子消耗分数(kPHA,HPR)为常数,分别是0.67和0.57.利用建立的线性关系来预测饱食期PHA含量,结果显示预测值与实测值较为吻合,说明提出的基于OURHPR测量在线估计PHA合成量的方法可行.

3种短链脂肪酸对活性污泥储存PHA的影响

采用经乙酸钠驯化培养具有一定聚羟基烷酸酯(PHA)储存能力的活性污泥,考察乙酸、丙酸和丁酸3种短链脂肪酸,以及乙酸、丁酸分别与丙酸按1∶1、1∶2、2∶1比例组合成的6种混合酸作为碳源时对活性污泥中PHA的储存和转化的影响。实验结果表明,在3种短链脂肪酸中,以丁酸为碳源得到活性污泥PHA储存量最高,为40.53 mg/g;在混合酸中,乙酸与丙酸按1∶2组合时,系统PHA储存量最高,为773.4 mg/g。混合酸相对于单一的脂肪酸碳源更有利于活性污泥储存PHA。在混合酸总量一定的条件下,随着丙酸比例的增加,乙酸与丙酸混合比丁酸与丙酸混合更有利于微生物的PHA储存。

SBR启动方式对活性污泥合成PHA的影响

驯化活性污泥合成聚羟基烷酸酯(PHA)时,启动方式不同,PHA的合成规律有明显差别。将城市污水厂二沉池剩余污泥接种至SBR,当控制COD∶N∶P=100∶10∶2(物质的量之比,下同)、采用厌氧/好氧交替运行的方式进行启动后,通过逐步限制磷源进行驯化,可以获得在厌氧条件下合成PHA为主的混合菌群;当控制COD∶N∶P=100∶5∶1、采用完全好氧7～10 d的方式进行启动后,通过逐步限制磷源并以厌氧/好氧交替运行的方式进行驯化,可以获得在好氧条件下合成PHA的菌群。由此可知,通过不同的启动方式可控制合成PHA的主要菌群类型。

剩余污泥在微氧条件下利用VFAs合成PHAs的工况优化

针对2种脱氮除磷工艺的剩余污泥,在微氧条件下,以花生渣厌氧发酵产生的VFAs为碳源,控制反应时间为5 h,DO≤0.2 mg·L-1,COD为650~750 mg.L-1,对比2种不同工艺的剩余污泥合成聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的量,并探究了增设前置曝气对微氧条件下剩余污泥合成PHAs的影响。结果表明,在微氧条件下,连续流中同步亚硝化反硝化脱氮除磷系统二沉池的剩余污泥(R1)和采用A2O工艺的实际水厂的剩余污泥(R2)合成PHAs最高量分别为108.6 mg·g-1和58.58 mg·g-1,R1比R2更具有合成PHAs的能力;在增设前置曝气实验中,曝气时间的延长和曝气量的增大均可促进PHAs的合成;当曝气气量为50 L·h-1时,曝气20 min后,R1合成的PHAs最高为172.5 mg·g-1。氧化还原电位(Eh)是微氧条件下PHAs合成过程中的重要指示参数,当Eh值为最低时,PHAs合成量最多。以上结果可为脱氮除磷工艺剩余污泥利用廉价碳源合成PHAs提供参考。