一种混合菌群产聚羟基脂肪酸酯的调控方法

本发明属于环境生物技术和可生物降解塑料合成，涉及一种混合菌群产聚羟基脂肪酸酯的调控方法。

背景技术：

1、聚羟基脂肪酸酯（pha）是微生物在碳源充足、营养失衡条件下合成的细胞内碳源储藏物质，具有良好的生物可降解性和生物相容性，被认为是替代传统石油基塑料的理想材料。目前，利用混合菌群生产pha是降低生产成本、实现有机废水资源化的主流路径。

2、现有混合菌群生产pha工艺通常包含两个阶段：富集阶段——通过“丰盛-饥饿”循环模式驯化获得高pha合成能力的稳定菌群；合成阶段——采用分批补料模式使菌群在丰盛状态下持续积累pha。然而，该方法仍面临pha总产量低、生产成本高的技术瓶颈。

3、pha总产量由单位细胞的pha合成能力（pha占细胞干重比）与反应器中活性微生物总量（生物量）共同决定。研究表明，最大化细胞储存能力与最大化生物量积累所需的代谢条件存在固有冲突：高溶解氧环境有利于微生物快速增殖以获得高生物量，但往往会将更多碳流引向呼吸产能和生长代谢，削弱pha合成效率；低溶解氧环境虽可诱导pha积累，但微生物生长受到抑制，总产量难以提升。因此，如何解耦并协同优化这两项竞争性指标，是提高pha总产量的关键科学问题。

4、曝气量是直接影响溶解氧水平的核心工程参数，也是生物反应器的主要能耗来源。然而，现有研究多采用恒定曝气策略，并仅以pha占细胞干重比作为评价指标，未系统考察曝气量对生物量积累及两者协同贡献于总产量的影响。另外，部分研究者尝试通过控制溶解氧（do）或体积氧传质系数（kla）来优化pha合成，但do在低浓度区实时监测准确性易受干扰，kla为衍生参数存在滞后性，难以直接指导工程放大。此外，曝气能耗通常占反应器运行成本的40%～70%，目前缺乏以降低曝气能耗为目标、同时保障pha高产的系统调控方法。

5、可见，现有混合菌群pha生产方法存在总产量受限、能耗高等技术缺陷，仍然需要解决以下技术问题：

6、（1）现有技术未系统揭示曝气量对pha合成能力与生物量积累的差异化影响，缺乏基于总产量最大化目标的曝气调控策略。

7、（2）现有曝气调控依赖do或kla等间接指标，存在监测滞后、标定困难、放大性差等问题。

8、（3）现有工艺未将节能降耗与产能提升协同优化，曝气能耗占运行成本比重高。

9、因此，如何调控混合菌群产聚羟基脂肪酸酯的合成过程，并实现在更低能耗下获得更高产量的pha，是现阶段亟需解决的问题。

10、基于上述原因，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作方便、能耗低、便于提高pha产量的混合菌群产聚羟基脂肪酸酯的调控方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种混合菌群产聚羟基脂肪酸酯的调控方法，包括以下步骤：

4、s1、富集具有合成聚羟基脂肪酸酯能力的混合菌群，在富集过程中根据曝气量调控菌群的组成和生物浓度；

5、s2、将步骤s1中获取的混合菌群接种到反应器中进行培养，在培养过程中根据曝气量调控聚羟基脂肪酸酯的合成过程。

6、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，所述曝气量的调节范围为0.1 l/m3·min～1.0 l/m3·min。

7、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，在根据曝气量调控聚羟基脂肪酸酯的合成过程中，调节曝气量为0.4 l/m3·min～0.6 l/m3·min，用于提高pha占细胞干重比。

8、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，在根据曝气量调控聚羟基脂肪酸酯的合成过程中，调节曝气量为0.8 l/m3·min～1.0 l/m3·min，用于提高生物浓度。

9、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，在根据曝气量调控聚羟基脂肪酸酯的合成过程中，调节曝气量为0.6 l/m3·min～1.0 l/m3·min，用于提高pha的产量。

10、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，在调节曝气量的过程中，当反应器体积或构型改变时，通过保持与所述曝气量对应的体积曝气强度或氧传质系数进行等效应放大。

11、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，在调节曝气量的过程中，还包括根据外电路电流信号对曝气量进行反馈调控；所述反馈调控为：设定电流变化阈值，所述电流变化阈值为正常运行状态下平均电流值的10%～30%，当电流在设定时间内持续下降超过设定的电流变化阈值时，降低曝气量，若曝气量超出要求的调节范围，则停止培养；当电流在设定时间内持续上升超过设定的电流变化阈值时，提高曝气量，若曝气量超出要求的调节范围，则停止培养；所述设定时间为反应器内一个水力停留时间的1/20～1/10。

12、上述的调控方法，进一步改进的，所述外电路电流信号由外部电路监测系统检测得到；所述外部电路监测系统包括设置在所述反应器内部的工作电极、对电极，以及与所述工作电极和所述对电极连接的恒电位仪和数据记录装置；所述恒电位仪施加的恒定电压为+0.6 v，相对于对电极。

13、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s1中，获取具有合成聚羟基脂肪酸酯能力的混合菌群，包括以下步骤：以活性污泥为接种源，在序批式反应器中以“丰盛-饥饿”交替模式运行，投加含碳、氮、磷的富集阶段底物进行培养，运行至菌群聚羟基脂肪酸酯合成能力稳定，得到具有合成聚羟基脂肪酸酯能力的混合菌群；所述培养过程中还包括对体系进行曝气；所述曝气过程中的曝气量控制为0.1 l/m3·min～1.0 l/m3·min。

14、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s1中，所述富集阶段底物为含混合脂肪酸的厌氧发酵液；所述混合脂肪酸为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸；所述富集阶段底物中总cod浓度为2.0 g/l～4.0 g/l，碳氮质量比为15～30∶1。

15、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，所述培养过程中，还包括投加碳、氮、磷源底物；所述碳、氮、磷源底物为含混合脂肪酸的厌氧发酵液；所述混合脂肪酸为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸；所述碳、氮、磷源底物中总cod浓度为8.0 g/l～15.0 g/l，碳氮质量比为15～30∶1。

16、上述的调控方法，进一步改进的，步骤s2中，所述培养过程中投加碳源底物的调控方式为：当反应体系ph值升高至9.5±0.5并维持5 min不变时，补加浓缩2～4倍的碳源底物，维持微生物持续处于丰盛代谢状态。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、（1）针对现有合成方法中存在的总产量受限、能耗高等技术缺陷，本发明创造性的提出了一种混合菌群产聚羟基脂肪酸酯的调控方法，基于系统的曝气量梯度实验，首次揭示曝气量对混合菌群pha合成能力与生物量积累的非线性、差异化调控规律，并在培养过程中根据曝气量调控聚羟基脂肪酸酯的合成过程，并根据曝气量，获得了对pha合成能力、生物量浓度及pha总产量的曝气操作窗口，进而可以根据曝气量的调节，提高pha占细胞干重比、生物浓度和pha的产量。本发明调控方法，通过调节曝气量可以调控聚羟基脂肪酸酯的合成过程，在降低能耗的同时也能显著提高pha产量，具有操作方便、能耗低、便于提高pha产量等优点，使用价值高，应用前景好。

19、（2）本发明中，在调节曝气量的过程中，还包括根据外电路电流信号对曝气量进行反馈调控，通过构建耦合外电路监测的生物电化学系统，实时跟踪微生物电子传递链活性，为曝气调控提供在线生理指示信号，从而建立一种可量化、可放大的pha高产节能新工艺。