申请日2014.01.13
公开(公告)日2015.12.23
IPC分类号C12P7/62; C02F3/34; C02F3/12
摘要
本公开涉及从开放的混合培养物生产富含PHA的生物质的方法。含有生物质的混合液被导入分批进料反应器。反应器包括至少一个生物质刺激区和至少一个生物质维持区。含有RBCOD、生物可利用的N和生物可利用的P的进料被导入分批进料反应器。至少部分生物质的呼吸速率在刺激区通过将进料导入分批进料反应器并使生物质暴露于相对高浓度的RBCOD，被间歇地和重复地刺激。然后将生物质转移至维持区，在那里生物质暴露于相对低浓度的RBCOD。此后，生物质在刺激区和维持区之间来回循环。贯穿这些方法，在进料中N和/或P相对于RBCOD的浓度通过控制进料中N与RBCOD之比和/或P与RBCOD之比进行控制。
权利要求书
1.一种从开放的混合培养物生产富含PHA的生物质的根据需求进料的分批进料方法，其包括：
将含有生物质的混合液导入包括至少一个生物质刺激区和至少一个生物质维持区的分批进料反应器;
提供含有易生物降解的化学需氧量(RBCOD)以及生物可利用的氮(N)和磷(P)的进料;
调节相对于RBCOD浓度的生物可利用的N浓度，得到平均N与RBCOD之比在2-15mg-N/g-RBCOD的范围内的经调节的进料;
调节相对于RBCOD浓度的生物可利用的P浓度，得到平均P与RBCOD之比在0.5-3mg-P/g-RBCOD的范围内的经调节的进料;
通过使部分生物质在刺激区暴露于经调节的进料，间歇地和重复地刺激反应器中的至少部分生物质的生物质呼吸速率，以致刺激生物质至平均大于其现存最大呼吸速率的50%;
在将部分生物质在刺激区暴露于经调节的进料后，将至少一部分的所述部分生物质从刺激区转移至维持区，在那里平均RBCOD浓度少于在刺激区的平均RBCOD浓度的一半;和
使含有生物质的混合液在刺激区和维持区之间来回循环，以使部分生物质反复地暴露，以达到供应给刺激区的经调节进料的高呼吸速率，和其中在维持区中的生物质另外以较低的RBCOD浓度维持。
2.权利要求1的方法，其还包括将经调节的进料以与由生物质呼吸速率产生的需求量成比例的速率供应给刺激区。
3.权利要求1的方法，其中来自至少两个不同的来源的进料经混合，以在供应给刺激区的进料中提供相对于RBCOD的选择浓度的氮。
4.权利要求1的方法，其中来自至少两个不同的来源的进料经混合，以在供应给刺激区的进料中提供相对于RBCOD的选择浓度的磷。
5.权利要求1的方法，其包括测量在分批进料反应器中和/或供应给分批进料反应器的磷、氮和/或RBCOD的浓度，并响应于测量的浓度，调节在供应给刺激区的进料中的氮、磷和/或RBCOD的浓度。
6.权利要求1的方法，其包括测量在分批进料反应器中的生物质的生物质PHA含量和/或生物质PHA含量的时间变化率，并响应于测量的含量或含量随时间的变化，调节在供应给刺激区的进料中确立的氮、磷和/或RBCOD的浓度。
7.权利要求1的方法，其包括测量分批进料反应器中的生物质的生物质呼吸速率和/或生物质呼吸速率的时间变化率，和响应于测量的呼吸速率或呼吸速率随时间的变化，调节在供应给刺激区的进料中的氮、磷或RBCOD的浓度。
8.权利要求1的方法，其包括测量分批进料反应器中的生物质的COD消耗率和/或COD消耗率的时间变化率，并响应于测量的COD消耗率或COD消耗率随时间的变化，调节在供应给刺激区的进料中的氮、磷或RBCOD的浓度。
9.权利要求1的方法，其包括权利要求6、7和8的方法的至少两个的组合。
10.权利要求1的方法，其中分批进料反应器包括至少两个罐，其中至少一个罐包括刺激区和至少一个罐包括维持区和其中给分批进料反应器的进料被导向包括刺激区的罐。
11.权利要求1的方法，其中刺激区的容积足够大，以提供安排在刺激区的生物质至少20秒的水力保留时间。
12.权利要求1的方法，其中刺激区的容积被整合到维持区的容积中，但其中刺激区的容积至少部分地通过物理结构与维持区隔开。
13.权利要求1的方法，其包括在生物废水处理系统中生物处理废水流和从废水流分离混合液和生物质并将混合液和生物质导向分批进料反应器。
14.权利要求1的方法，其包括继续使含有生物质的混合液在刺激区和维持区之间来回循环并继续维持磷和氮与RBCOD的比例在所述范围内直至生物质的PHA含量平均大于0.40g-PHA/g-VSS。
15.权利要求1的方法，其包括从在分批进料操作期间和批处理终止之前的过程收获至少部分生物质。
16.权利要求15的方法，其包括一旦生物质PHA含量大于0.40g-PHA/g-VSS，从在分批进料操作期间的过程开始收获至少部分生物质。
17.权利要求1的方法，其中刺激生物质呼吸速率使得刺激生物质至平均大于其现存最大呼吸速率的70%。
18.权利要求1的方法，其中生物质在被导向分批进料反应器之前从生物废水处理过程收获，并且其中收获的生物质的PHA含量少于干燥生物质重量的10%。
19.权利要求1的方法，其包括在将混合液导入分批进料反应器之前预处理混合液，其中预处理混合液包括使混合液变稠，以便减少在导向分批进料反应器的混合液中的磷和氮的浓度。
20.权利要求19的方法，其中在混合液变稠后，向混合液中加入稀释剂，以进一步减少混合液中的磷和氮的浓度。
21.一种根据需求进料的分批进料方法，其用于从开放的混合培养物生产富含PHA的生物质，该方法包括：
将含有生物质的混合液导入包括至少一个生物质刺激区和至少一个生物质维持区的分批进料反应器;
将进料导入分批进料反应器，其中进料包含RBCOD以及生物可利用的N和P;
通过将进料导入分批进料反应器并使生物质暴露于刺激区中相对高浓度的RBCOD，间歇地和重复地刺激至少部分生物质的呼吸速率;
在生物质已经暴露于刺激区中相对高浓度的生物质后，将生物质转移至维持区，并在那里生物质暴露于相对低浓度的RBCOD;
使生物质在刺激区和维持区之间来回循环;和
通过控制进料中N与RBCOD的比率或P与RBCOD的比率，控制在导入分批进料反应器的进料中的N或P相对于RBCOD的浓度。
22.权利要求21的方法，其包括通过调节相对于RBCOD浓度的生物可利用的N浓度，得到具有平均N与RBCOD之比在2-15mg-N/g-RBCOD范围内的经调节的进料，和调节相对于RBCOD浓度的生物可利用的P浓度，得到具有平均P与RBCOD之比在0.5to3mg-P/g-RBCOD范围内的进料，控制相对于进料中RBCOD的N和P浓度。
23.权利要求21的方法，其包括测量在分批进料反应器的混合液中的N和P浓度并调节进料中N与RBCOD的比率或P与RBCOD的比率，得到在预定范围内的选择的比率。
24.权利要求21的方法，其包括测量推断分批进料反应器中生物质PHA含量、生物质呼吸速率和/或COD消耗率的变化的信号，并基于这些信号中的一个或多个，调节进料中的N与RBCOD的比率或P与RBCOD的比率，得到在预定范围内的选择的比率。
25.权利要求23的方法，其中使用传感器测量在分批进料反应器的混合液中或在进料中的N、P和RBCOD，且传感器可操作地将数据传输至控制器，在那里数据代表了P、N和/或RBCOD浓度，且其中控制器可操作地控制N与RBCOD的比率和P与RBCOD的比率，以致平均起来所述比率落入预选择的范围内。
26.权利要求24的方法，其中使用传感器测量或推断生物质PHA含量、生物质呼吸速率和/或COD消耗率的比例变化，并且传感器可操作地将数据传输至控制器，在那里数据代表了在进料供应中的P、N和/或RBCOD浓度，和其中控制器可操作地控制N与RBCOD的比率和P与RBCOD的比率，以致平均起来所述比率落入预选择的范围内。
27.权利要求21的方法，其包括通过调节相对于RBCOD浓度的生物可利用的N浓度，得到具有平均N与RBCOD之比在2-15mg-N/g-RBCOD的范围内的经调节的进料，控制进料中相对于RBCOD的N浓度。
28.权利要求21的方法，其包括通过调节相对于RBCOD浓度的生物可利用的P浓度，得到具有平均P与RBCOD之比在0.5-3mg-P/g-RBCOD范围内的进料，控制进料中相对于RBCOD的P浓度。
29.权利要求21的方法，其包括测量分批进料反应器中的生物质的生物质PHA含量和/或生物质PHA含量的时间变化率，并响应于测量的含量或含量随时间的变化，调节在供应给刺激区的进料中确立的氮、磷和/或RBCOD的浓度。
30.权利要求21的方法，其包括测量分批进料反应器中的生物质的生物质呼吸速率和/或生物质呼吸速率的时间变化率，和响应于测量的呼吸速率或呼吸速率随时间的变化，调节在供应给刺激区的进料中的氮、磷或RBCOD的浓度。
31.权利要求21的方法，其包括继续使含有生物质的混合液在刺激区和维持区之间来回循环，并继续维持磷和氮与RBCOD的比率在所述范围内，直至生物质的PHA含量平均大于0.40g-PHA/g-VSS。
32.权利要求21的方法，其中刺激生物质呼吸速率使得刺激生物质至平均大于其现存最大呼吸速率的70%。
说明书
用于在得自废水处理的生物质的分批进料过程中增加多羟基烷酸酯(PHA)的生产率的方法
相关申请
本申请依据35U.S.C.§119(e)，要求以下美国临时申请的优先权：2013年1月11日提交的申请系列号61/751449。该申请通过引用以其全文结合到本文中。
背景
为除去化学需氧量(COD)的废水的生物处理产生生物质。废弃的生物质代表一种固体废物处置问题。已引起极大关注的一个机会是由生物质例如来自废水处理的活性污泥产生生物可降解的聚合物。这样，产生的废污泥改为变成可从处理过程收获的有价值的副产物。
已知可收获生物质处理废水并使其积聚多羟基烷酸酯(PHA)，一组由某些细菌天然产生的、作为中间的碳和能源库的聚酯。PHA是可从生物质回收并转化为有市场价值的生物可降解的塑料(其可用于广泛范围的实际应用)的生物聚合物(见例如，US2010/0200498、WO2011/070544A2、WO2011/073744A1、WO2012/022998A1、WO2012/023114A1)。
调节生物质中PHA的热稳定性以在从生物质回收PHA期间维持PHA分子量并改进产品质量(值)的实施方案已描述于WO2012/022998A1中。合起来说，以上引用的公开提供将污染控制和残留物处理的设施与具有已知实用和经济价值的生物可降解的和生物基聚合物的生产整合的方案。基于上述公开，污染控制设施可能现今已经改变(并且在没有重大修改的许多情况下)，以致污泥处置的经济负担抵消了富含PHA的生物质生产的利益。
通过将这种生物质处置至PHA积聚过程，从而使易生物降解的COD(RBCOD)，例如作为主要有机底物的挥发性脂肪酸，以受控制的方式进料至废弃(收获的)生物质中，将有效的废弃生物质(例如来自生物处理系统的过剩的活性污泥)，从过程残留物转化为增值的粗产物，即富含PHA的生物质。在生物质中积聚PHA并生产含有高分子量PHA的富含PHA的生物质的实施方案描述于WO2011/070544A2中。
描述于WO2011/070544A2中的方法和过程的应用一般允许PHA在生物质的混合培养物中积聚。所谓混合培养物是意指包含多于一种类型的细菌种群的混合物的生物质。生物质一般期望为富含可将RBCOD转化为PHA的细菌种群。尽管任何这样的富集，混合培养物生物质还将在生物质(其不贮藏PHA并且，如果刺激的话，它们将消耗RBCOD以生产含非-PHA的生物质)中含有其它种类的细菌。如果生物质的PHA质量的生产率变得少于非-PHA生物质的生产率，则优选的积聚过程条件丧失。
在WO2011/070544A2中，教导了刺激和维持过程区如何可被用来维持用于工业规模混合培养物PHA积聚的根据需求进料过程。维持区一般维持呼吸的生物质在相对低的RBCOD浓度的环境中。刺激区一般在任何给定的时间使部分生物质暴露于相对高的RBCOD浓度并且以这样做的工作来刺激整个过程生物质至高水平的呼吸，这在很大程度上归因于将RBCOD转化成储存的PHA的代谢过程。这种整体的高生物质呼吸速率驱动底物的需求，并且基于维持这种高生物质呼吸速率的控制底物供应藉此可建立“根据需求进料”的工艺控制策略。因为生物质另外维持在相对低的RBCOD浓度区，因此存在对可获得的底物的限制。非-PHA生物质生产，即是说经细胞分裂的生物质生长，显示当底物浓度相对低时，呼吸速率通常如例如莫诺方程(MonodEquation)所述与底物浓度成比例。通过控制底物供应以在维持区中维持相对低的底物水平，非-PHA生物质生产的水平可通过在该过程中给出对由储存PHA的细菌的呼吸和RBCOD消耗的优先选择而减少。
发明人发现，储存PHA的细菌的呼吸和活性可通过使生物质周期地和反复地经历与维持区隔开的刺激区中“盛宴(feast)”的条件而维持。这种盛宴刺激的条件不必是需氧的，但充足(虽然短暂)的暴露时间似乎是需要的。在实践中，人们喜欢保持这种刺激期相对短，以限制非-储存PHA的细菌在该过程中增加呼吸的开始。尽管对于过程和洞察生物质呼吸的未来发展的其它解释的可能性，发明人发现，一般来说，达到从低水平的内源性呼吸至高呼吸速率和对于储存PHA的生物质的完全刺激的必要时间具有少于1分钟的时间尺度量级。
发明概述
本文的方法涉及从开放的培养物生产富含PHA的生物质。含有生物质的混合液被导入分批进料反应器。反应器包括至少一个生物质刺激区和至少一个生物质维持区。提供的进料包含生物可降解的化学需氧量(RBCOD)、生物可利用的氮(N)和生物可利用的磷(P)。调整进料中相对于RBCOD的生物可利用的N和P的浓度，以使平均N与RBCOD的比率在2mg-N/g-RBCOD和15mg-N/g/RBCOD之间和平均P与RBCOD的比率在0.5mg-P/g-RBCOD和3mg-P/g-RBCOD之间。在反应器中的部分生物质暴露于在刺激区中的调节的进料。这刺激了生物质呼吸速率。提供调节的进料，以使经刺激的生物质的平均呼吸速率为大于生物质现存最大呼吸速率的50%。然后将暴露于调节的进料的部分生物质转移至维持区。在维持区，平均RBCOD浓度被维持在少于刺激区中的平均RBCOD浓度的一半。在刺激区和维持区之间循环含有生物质的混合液。这导致部分生物质反复地暴露于进料并在刺激区达到高呼吸速率，同时维持生物质部分在这种升高的呼吸速率下，即使在维持区的低RBCOD浓度下。
所述方法还涉及一种用于在来自开放的混合培养物的生物质中生产PHA的分批进料过程，即通过以在分批进料过程期间促进PHA在生物质中的贮藏以及与非-PHA生物质共同生长至少一定的时间段的这样一种方式供应底物，从而：
a.使分批进料过程持续一段时间，伴有在生物质中的增加或稳定水平的PHA含量;
b.在生物质中达到的稳定水平的PHA含量为大于0.40g-PHA/g-VSS，优选地大于0.50g-PHA/g-VSS，且最优选地大于0.60g-PHA/g-VSS;
c.易生物降解的有机底物或易生物降解的化学需氧量(RBCOD)与生物可利用的氮(N)和磷(P)一起供应，其中N/COD比率平均在2-15mg-N/g-RBCOD的范围内，和P/COD比率平均在0.5-3mg-P/g-RBCOD的范围内;
d.生物质作为整体或部分被反复地刺激以维持平均高于50和优选地高于70%的最大现存呼吸速率，同时另外维持在平均碳底物浓度低于100且优选地低于10mg-RBCOD/L的条件下;
e.在任何一个时间将部分生物质循环至升高底物浓度的区，并通过暴露于高于100mg-RBCOD/L但优选地低于500mg-RBCOD/L且最优选地低于2000mg-RBCOD/L的平均有机底物峰浓度，刺激至最大现存呼吸速率;
f.在供应给分批进料过程的生物质中PHA的初始含量少于0.10g-PHA/g-VSS，优选地少于0.05g-PHA/g-VSS且最优选地少于0.02g-PHA/g-VSS;
g.在所述过程中的生物质的初始浓度大于500mg-VSS/L，但优选地大于1000mg-VSS/L且最优选地大于2000mg-VSS/L;和
