Способы аккумуляции полигидроксиалканоатов в биомассе со слежением в масштабе времени (варианты)

Способы аккумуляции полигидроксиалканоатов в биомассе со слежением в масштабе времени (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

Эта заявка притязает на приоритет следующей предварительной заявки на патент США: заявки с серийным № 61/285210, поданной 10 декабря 2009 года. Эта заявка включена сюда в ее полном объеме.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Это изобретение относится к аккумуляции полигидроксиалканоатов (PHA) в биомассе в связи с биологической обработкой органических отходов. Настоящее изобретение касается технологии объединения сточных вод с высоким содержанием легко биодеградируемой фракции с химическим потреблением кислорода (RBCOD) с биомассой, обогащенной аккумулирующими PHA бактериями (PAB) и слежения за процессом.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Полигидроксиалканоаты (PHA) являются биополимерами, из которых можно составить конструкционные полимеры или которые можно, кроме того, превратить в другие химикаты-платформы с дополнительным преимуществом, состоящим в полной биодеградируемости. Аккумуляция PHA может использоваться в качестве части общего принципа процесса получения топлива, электрической, тепловой энергии и химикатов из биомассы для процесса обработки сточных вод, включающего:

I. кислотогенную ферментацию органического материала в поступающих сточных водах для продуцирования летучих жирных кислот (VFA);

II. удаление органики из сточных вод и получение биомассы, из сточных вод или другого подходящего источника, с потенциалом в отношении значительной аккумуляции PHA;

III. продукцию и аккумуляцию PHA в полученной биомассе из порции с высоким содержанием RBCOD, происходящей из сточных вод или других внутренних или внешних источников поступления; и

IV. выделение и очистку PHA.

Настоящее изобретение может быть полезным для разрешения ряда проблем, связанных с технологическими качественными параметрами аккумуляции PHA в биомассе с высоким содержанием PAB и обработкой сточной вод, как объяснено далее ниже.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящим изобретением обеспечиваются способы продуцирования и аккумуляции PHA в биомассе с высоким содержанием PAB из RCBOD.

В одном аспекте настоящим изобретением обеспечивается способ продуцирования полигидроксиалканоатов (PHA) в биомассе, включающий подачу органического углеродсодержащего субстрата в биомассу посредством периодической подачи субстрата в биомассу в течение периода времени и контролирование частоты периодической подачи и суммы периодических подач субстрата в биомассу так, чтобы средняя молекулярная масса продуцированных PHA составляла по крайней мере 400000 г/моль.

В другом аспекте настоящим изобретением обеспечивается способ стимуляции аккумуляции PHA в биомассе, включающий подачу органического углеродсодержащего субстрата в биомассу посредством смешивания субстрата, содержащего легко биодеградируемую фракцию с химическим потреблением кислорода, (RBCOD) с биомассой, с образованием смеси биомасса-субстрат, контролирование концентрации RBCOD в смеси биомасса-субстрат так, чтобы во время аккумуляции PHA концентрация RBCOD в смеси биомасса-субстрат в целом сохранялась между 1000 мг-COD/л и 10 мг-COD/л, и причем способ подачи RBCOD в биомассу и контролирования концентрации RBCOD в смеси биомасса-субстрат дает PHA со средней молекулярной массой, превышающей 400000 г/моль.

В третьем аспекте настоящим изобретением обеспечивается способ продуцирования высокомолекулярных PHA в биомассе, включающий подачу органического углеродсодержащего субстрата в аккумулирующую PHA биомассу посредством периодической подачи субстрата в биомассу в течение периода времени и контролирование частоты и суммы подач субстрата так, чтобы интенсивность дыхания биомассы не опускалась более чем на 70% относительно максимальной интенсивности дыхания, которой достигла биомасса в ответ на самую последнюю подачу субстрата.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1. Нормализованные экспериментальные данные 6 исследований, что касается эмпирической модели (уравнения 1) для ответа биомассы на стимулирующее воздействие порции с высоким содержанием VFA.

Фиг 2. Репрезентативный сигнал в виде концентрации растворенного кислорода (DO), используемый для контролирования автоматического добавления субстрата (уравнение 3) в экспериментах по аккумуляции PHA в биомассе с высоким содержанием PAB с использованием импульсов для достижения постоянного стимулирующего воздействия, составляющего 100 мг-COD/л VFA.

Фиг 3. Результаты параллельных экспериментов по аккумуляции, в которых используются сконцентрированные ферментированные сточные воды молочной промышленности в качестве субстрата для подпитываемого процесса аккумуляции PHA.

Фиг. 4. Результаты параллельных экспериментов по аккумуляции, в которых используются сконцентрированные ферментированные сточные воды молочной промышленности в качестве субстрата для подпитываемого процесса аккумуляции PHA.

Фиг. 5. Типичные отклонения в растворенном кислороде в случае аккумуляции PHA в активированном иле с высоким содержанием PAB при использовании ферментированных сточных вод молочной промышленности в качестве субстрата для PHA.

Фиг. 6. В связи с фиг. 5 представлено фактическое значение δ_t в момент ввода в качестве подпитки, а также интенсивность дыхания при минимальном импульсном воздействии относительно максимальной интенсивности, достигаемой в случае соответствующих вводов субстрата.

Фиг. 7. Сводка относящихся к аккумуляции результатов многочисленных экспериментов, в которых рассматриваются результирующая оцененная средняя интенсивность дыхания при минимальном импульсном воздействии, представленная относительно интенсивности сохранившегося дыхания при максимальном импульсном воздействии, и средневзвешенная молекулярная масса аккумулированного РНА.

Фиг. 8. Репрезентативный результат аккумуляции PHA в полупромышленном масштабе (100 л) в биомассе с высоким содержанием PAB, используя в качестве субстрата ферментированные сточные воды молочной промышленности.

Фиг. 9. Репрезентативный пример аэробного процесса аккумуляции PHA с использованием непостоянного объема.

Фиг. 10. Репрезентативный пример аэробного процесса аккумуляции PHA с использованием непостоянного объема.

Фиг. 11. Репрезентативный пример аэробного процесса аккумуляции PHA с использованием постоянного объема.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретения включает новые, но практические технические решения для процесса аккумуляции PHA в биомассе. Задачи, которые могут быть выполнены в результате применения настоящего изобретения, включают:

• Стимуляцию, устойчивость и контролирование ответов в виде аккумуляции PHA при подаче субстратов, таких как сточные воды с высокими, средними и низкими концентрациями RBCOD;

• Контролирование процесса полимеризации PHA в биомассе для достижения высокой молекулярной массы PHA;

• Насыщение или почти насыщение биомассы PHA, где насыщение определяет максимальную аккумулирующую способность PAB в биомассе; и

• Минимальные уровни остающейся RBCOD-фракции и другой растворенной органики, остающейся в сточных водах к концу процесса аккумуляции.

Сточные воды часто характеризуются содержанием органических веществ через химическое потребление кислорода (COD). Общее химическое потребление кислорода (TCOD) сточных вод можно далее классифицировать с помощью стандартных способов в виде растворимой (SCOD) и биодеградируемой (BCOD) фракций. RBCOD образует часть SCOD в сточных водах и может в целом считаться теми органическими соединениями, включающими BCOD, которые могут ассимилироваться для роста биомассы без необходимости промежуточных стадий гидролиза. Соответствующие концентрации TCOD, SCOD, BCOD, RBCOD и так далее в сточных водах можно представить в перерасчете на мг-COD на литр или мг-COD/л, где представляемая масса COD находится в прямой связи с принимаемым во внимание компонентом органического содержания. Микробная активность и другие формы физико-химических процессов могут использоваться для увеличения растворимой, биодеградируемой фракции и даже RBCOD-фракции TCOD сточных вод. Когда сточные воды соответственно охарактеризованы, и известно химическое своеобразие RBCOD, то содержание RBCOD в сточных водах можно прямо представить, например, в виде всех VFA, определяемых в перерасчете на мг-COD/л. RBCOD-фракцию можно также в операционном порядке определить с помощью стандартизованных спирометрических методов, в которых учитывается фракция с COD в сточных водах, которая быстро утилизируется биомассой, когда аликвота сточных вод импульсно подается в биомассу в контролируемых условиях (Henze et al., 2000). Результаты такого операционного измерения RBCOD, основанного на спирометрических методах, могут варьировать в зависимости от того, насколько хорошо биомасса приспособилась к органическим соединениям, которые в противном случае, как можно в целом понять, будут легко внедряться в метаболизм прироста биомассы, например RBCOD. RBCOD-фракцией, представляющей интерес для настоящего изобретения, является RBCOD-фракция, которая после объединения с надлежащим образом приспособленной биомассой, может ассимилироваться этой биомассой и храниться внутриклеточно в виде PHA.

В RBCOD-фракции сточных вод часто доминируют VFA. VFA являются хорошо известными субстратами для продуцирования PHA, но другие формы RBCOD также являются, как известно, субстратами, которые смешанные культуры могут превратить в PHA. Настоящее изобретение включает продукцию PHA из VFA и RBCOD в общем.

Настоящим изобретением, кроме того, обеспечивается подпитываемый процесс обработки сточных вод для биологического удаления RBCOD, используя биомассу, обогащенную аккумулирующими РНА бактериями, и контролируемого превращения RBCOD в PHA. Добавление сточных вод к биомассе контролируют для достижения незначительного увеличения RBCOD в иловой смеси к концу процесса аккумуляции.

Под иловой смесью специалистами, осведомленными об осуществлении на практике биологической обработки сточных вод, обычно подразумевается смесь неочищенных или осветленных сточных вод и активированного ила, содержащегося в аэрационном бассейне, в процессе с использованием активированного ила. Взвешенные твердые вещества в иловой смеси (MLSS) являются концентрацией всех взвешенных твердых веществ (TSS) в иловой смеси, определяемой с помощью стандартных методов, обычно представляемой в миллиграммах на литр (мг/л). Летучие взвешенные твердые вещества в иловой смеси (MLVSS) являются концентрацией летучих взвешенных твердых веществ (VSS), определяемой с помощью стандартных методов, также представляемой в мг/л. В контексте этого изобретения термин «иловая смесь» используется для отображения жидкого содержимого процесса аккумуляции, включающего, но без ограничения, взвешенные твердые вещества активной биомассы и растворенные твердые вещества RBCOD. Поскольку при осуществлении на практике этого изобретения биомассой может быть отработанный активированный ил из процесса биологической обработки сточных вод, иловой смесью процесса аккумуляции считают иловую смесь даже до добавления какой-либо RBCOD-фракции с целью аккумуляции PHA, и ее представляют так же.

Скорость добавления сточных вод, содержащих RBCOD, контролируют, используя процесс слежения в масштабе времени. Процесс слежения может включать стратегии прямого определения качества воды, активности биомассы или свойств биомассы. Процесс слежения может также включать так называемые сигналы «виртуального» сенсора, которые в сочетании со знаниями о конкретном процессе могут использоваться для непрямой интерпретации качества воды, активности биомассы, роста биомассы, аккумуляции PHA и свойств биомассы. Примерами параметров процесса слежения для контролирования процесса являются следующие:

• Спектроскопия в ультрафиолетовой/видимой области (UV/Vis) для непрямого выявления концентрации субстрата (COD) и/или концентрации биомассы (TSS);

• Автоматизированный анализ общего (или растворенного) органического углерода, или химического потребления кислорода, для определения концентрации растворенного субстрата, и/или концентрации биомассы (VSS);

• Спирометрия, основанная, например, на измерениях растворенного кислорода, углекислого газа и/или окислительно-восстановительного потенциала, для контролирования аэрации процесса и для слежения за изменениями интенсивности сохранившегося дыхания биомассы во время последовательных вводов сточных вод в качестве подпиток и ответа на них;

• Концентрация ионов водорода (pH) в качестве «виртуального» сенсора ответа биомассы и метаболической активности на вводы RBCOD в качестве подпиток;

• Турбидиметрические измерения, основанные на методах отражения ближней ИК-области, для определения коэффициента отражения биомассы, который дает косвенное указание на кинетику аккумуляции PHA;

• Рамановская ИК-спектроскопия для непосредственной оценки содержания PHA в биомассе.

Не только количество, но также качество полимера, что касается ряда химических, физических и механических свойств, важно для практического осуществления процесса. Молекулярная масса и распределение по ней являются основными показателями качества, которые влияют на механические свойства полимера. Обычно желательны более высокие молекулярные массы и более узкие распределения по молекулярной массе. Потеря в молекулярной массе может быть жертвой, присущей рентабельному или более экологически безвредному получению полимеров из биомассы. Также известно, что переработка полимеров в расплав приносит дополнительные потери в свойствах материала вследствие снижения молекулярной массы. Поэтому более высокая исходная молекулярная масса после аккумуляции обеспечивает большую гибкость при последующей манипуляции с биополимером, поскольку намного легче разработать контролируемое снижение молекулярной массы, чем противоположное изменение. Одним вариантом осуществления настоящего изобретения является способ продуцирования PHA со средней молекулярной массой (M_w), составляющей по крайней мере 400000 г/моль, предпочтительно более чем 600000 г/моль и более предпочтительно более чем 1000000 г/моль.

Аккумуляция PHA при ферментации на чистых культурах, а также в процессах с использованием непрерывных смешанных культур при использовании VFA является результатом сложной цепи метаболических процессов. Полагают, без ограничения какой-либо конкретной теорией, что посредством контролирования скорости одного или более из этих метаболических процессов в биомассе можно продуцировать РНА с высокой средней молекулярной массой. Можно рассматривать, что, например, кинетика аккумуляции PHA контролируется:

1. R_t, скоростью переноса внеклеточных VFA в клетку,

2. R_c, скоростью превращения VFA в предшественники-мономеры PHA, и

3. R_p, скоростью полимеризации этих предшественников в РНА.

Ведутся споры в отношении степени, в которой бактерии активно контролируют R_t или поток VFA в клетку. Несмотря на эти споры, на скорость переноса через клеточную стенку будет влиять градиент концентрации между внеклеточной и внутриклеточной концентрациями VFA. Внутриклеточная концентрация VFA будет зависеть от баланса между переносом через мембрану в клетку и скоростью «сброса» внутриклеточных VFA.

VFA, поступающие в цитоплазму клетки, могут использоваться для трех возможных метаболических функций. На внутриклеточную концентрацию VFA могут влиять следующие скорости таких функций:

1. R_c, вышеотмеченная скорость превращения VFA в предшественники-мономеры PHA;

2. R_g, скорость анаболического преобразования VFA для прироста не являющейся PHA биомассы. Не являющаяся PHA биомасса может быть в форме активных микроорганизмов, а также других продуктов накопления, таких как внеклеточные полисахариды.

3. R_e, скорость катаболического превращения VFA в H₂O и CO₂ для запуска метаболической активности для непрерывного поддержания, роста и дыхания для аккумуляции PHA.

Следует принять к сведению, что, когда другая не являющаяся PHA органика в качестве предшественников подается в биомассу вместе с RBCOD, такой как VFA, этот источник не являющихся РНА предшественников может удовлетворить требования в отношении R_e вплоть до 100% требований в отношении энергии для биомассы. Однако в случае подачи только RBCOD можно допустить, что R_r, или скорость удаления VFA из сточных вод, зависит от R_g, R_p и R_e, когда R_t и R_c являются довольно быстрыми:

R _r=ƒ(R _g ,R _p ,R _e)

Поскольку энергетические требования для роста и полимеризации соединены со скоростью роста биомассы и/или продукцией PHA, можно считать, что скорость катаболизма VFA ограничивается зависимостью от скоростей роста и полимеризации:

R _e=ƒ(R _g ,R _p)

Поэтому R_r зависит от R_g и R_p, или

R _r=ƒ(R _g ,R _p)

Этот результат означает, что, когда R_t и R_c являются относительно быстрыми, ограничивающими скорость стадиями для удаления VFA являются R_p и/или R_g. Если R_g является незначительной из-за, например, периода голодания и/или недостатка необходимого для роста элемента вроде азота или даже кислорода, то ограничивающей скорость стадией или «узким местом» для удаления VFA является скорость полимеризации PHA или R_p. Предельные для R_p условия создаются, когда условия являются таковыми, что R_t и R_c, собственно говоря, являются значительно более быстрыми, чем R_p, так что R_p не зависит от R_t и/или R_c. Иными словами, в теории предельные для R_p условия или «предельная кинетика полимеризации PHA», как здесь используется, создаются, когда биомасса способна сохранять внутриклеточный пул PHA-мономеров (субстрата), которые питают процесс полимеризации для создания PHA (продукта), так что на скорость полимеризации (R_p) не влияет концентрация PHA-мономеров. Кроме того, когда R_p является ограничивающей скорость стадией, кинетика удаления VFA из иловой смеси является кинетикой нулевого порядка, т.е. не зависит от концентрации VFA в иловой смеси.

Принимая во внимание вышеприведенные теории кинетики полимеризации PHA, предсказывают, что молекулярные массы PHA, продуцированных в биомассе, увеличиваются по мере уменьшения вероятности реакций обрыва цепи во время процесса аккумуляции. В соответствии с этой моделью, вероятность обрыва цепи минимизируется посредством поддержания уровня предшественников в виде PHA-мономеров во время процесса аккумуляции, чтобы не ограничивать скорость полимеризации PHA. На такой уровень предшественников в виде PHA-мономеров может указывать кинетика удаления VFA нулевого порядка, или также максимальная спирометрическая величина, достигаемая в биомассе и сохраняемая в биомассе во время процесса аккумуляции. Кинетика удаления VFA, потребление кислорода, продукция углекислого газа и изменение pH являются примерами параметров, за которыми можно следить в процессе аккумуляции, в качестве средства определения максимальной спирометрической величины, которая была достигнута в биомассе, и того, на какой процент она уменьшается после каждой подачи RBCOD. Несмотря на эти теоретические представления и возможность для других таких представлений, настоящим изобретением обеспечивается выбор времени и подача количества RBCOD в иловую смесь, достаточного для стимуляции максимального ответа биомассы ради аккумуляции PHA для успешного получения полимеров PHA с высокой молекулярной массой параллельно с обработкой сточных вод.

В одном аспекте настоящее изобретение включает продукцию PHA с использованием непрерывных смешанных культур биомассы для обработки органики отходов. Тем не менее, принципы и методы, используемые в настоящем изобретении, могут использоваться в процессах, включающих чистые или смешанные культуры с ограничением бактерий и/или более очищенная RBCOD-фракция или другое исходное сырье для продукции биомассы и/или PHA.

Можно приготовить собираемую из устройств для обработки сточных вод биомассу для аккумуляции PHA после подачи RBCOD-содержащих сточных вод. Биомасса, обогащенная аккумулирующими PHA бактериями, может обычно аккумулировать более 50% PHA от своего общего сухого остатка (активная биомасса плюс PHA). Должна подаваться порция RBCOD для достижения достаточно высокой исходной концентрации, чтобы стимулировать ответ в виде накопления РНА в биомассе, но не слишком высокой концентрации, чтобы привести к какой-либо форме ингибирования метаболизма, которое, возможно, будет наносить ущерб процессу, что касается выхода полимера и продуктивности.

Хотя использование спирометрии биомассы и подпитываемых реакторов стало нормой при исследованиях для определения аккумуляции PHA в системах с использованием смешанных культур, за практическое осуществление технологии в достаточной мере не брались, и оно не было продемонстрировано. Все еще требуется, например, способ спирометрического контроля для точной манипуляции молекулярной массой PHA в подпитываемой структуре и ее оптимизации.

Настоящим изобретением обеспечивается контролируемое добавление RBCOD в биомассу для оптимизации распределения в сторону более высокой молекулярной массы полимера. Одним аспектом настоящего изобретения является способ продуцирования PHA с высокой молекулярной массой в биомассе, включающий:

• подачу органического углеродсодержащего субстрата в аккумулирующую PHA биомассу посредством периодической подачи субстрата в биомассу в течение периода времени, и

• контролирование частоты и суммы подач субстрата так, чтобы интенсивность дыхания биомассы не опускалась более чем на 70% относительно максимальной интенсивности дыхания, которой достигла биомасса в ответ на самую последнюю подачу субстрата.

Можно следить за тем, что определяет достаточно большую величину импульса, и регулировать его в реальном времени на основе наблюдаемой кинетики ответа биомассы. Рабочим диапазоном будут такие вводы массы RBCOD, которые будут периодически подвергать биомассу воздействию максимальных стимулирующих концентраций, предпочтительно в диапазоне между 20 и 500 мг-COD/л и более предпочтительно в диапазоне между 40 и 200 мг-COD/л.

Вводимые количества RBCOD могут быть постоянными, но предпочтительно они будут выше вначале и уменьшаться со временем по мере замедления кинетики полимеризации во время процесса аккумуляции PHA.

Вводы RBCOD в биомассу обеспечивают с достаточной частотой, так чтобы интенсивность сохранившегося дыхания биомассы не опускалась более чем на 70% и предпочтительно более чем на 30% относительно интенсивности дыхания, которая была достигнута в ответ на самый последний ввод RBCOD сточных вод.

Приемлемое снижение интенсивности дыхания для биомассы между вводами RBCOD зависит от суммы случаев ввода. Чем больше сумма случаев ввода или прерываний, тем меньше может снизиться сохранившиеся дыхание между этими случаями, если должна быть максимизирована молекулярная масса.

Высокая исходная концентрация биомассы и низкие концентрации поступающей RBCOD-фракции могут привести к необходимости увеличения суммы случаев стимулирующего воздействия.

Концентрация биомассы увеличивается во время процесса аккумуляции PHA вследствие аккумуляции массы PHA и/или роста микроорганизмов или другой не являющейся PHA биомассы в ходе процесса. Можно провести различие между общей биомассой и активной биомассой. Концентрация активной биомассы в процессе аккумуляции может определяться как общая концентрация биомассы (определяемая в виде летучих взвешенных твердых веществ) минус концентрация PHA.

На среднюю молекулярную массу PHA может оказывать меньшее влияние частота случаев стимулирующего воздействия, когда сохранившиеся дыхание не уменьшается более чем на 30 процентов от существующего максимального потенциала для него.

После насыщения биомассы PHA и в отсутствие одного или более других питательных веществ, необходимых для роста, биомасса может потреблять RBCOD лишь для поддержания клеток и эндогенного дыхания. В этот момент времени продуктивность PHA уменьшается, и становится значительно уменьшенной скорость удаления RBCOD. Обычно именно в этот момент времени прекращают процессы аккумуляции в смешанных культурах. Взвешенную фазу в виде биомассы и водную фазу разделяют, и продукт представляет собой биомассу с высокими уровнями аккумулированных PHA. Однако сток из такого процесса аккумуляции может содержать высокие уровни остаточной RBCOD, что делает необходимой дополнительную обработку, прежде чем конечный сброс стока будет дозволен.

Если биомасса становится насыщенной PHA в присутствии всех других питательных веществ, необходимых для роста, биомасса может потреблять RBCOD для поддержания процессов не относящегося к PHA роста и сохранения, помимо происходящего одновременно накопления PHA. На этой стадии возможно поддержание процесса аккумуляции до такого момента, когда масса PHA в реакторе достигнет оптимального уровня, и/или увеличение остающейся растворимой фракции COD в иловой смеси достигнет выбранного максимального уровня.

Одним вариантом осуществления настоящего изобретения является запуск процесса аккумуляции PHA в непрерывных смешанных культурах, когда сброс вод от процесса аккумуляции биологически обрабатывают, по крайней мере что касается содержания в них RBCOD. Другим осуществлением настоящего изобретения является запуск процессов аккумуляции PHA с использованием реальных сточных вод, когда уровни питательных веществ, отличных от RBCOD, используемые для продукции PHA, стимулируют процесс накопления PHA, объединенного с метаболическими активностями биомассы, не относящимися к приросту PHA.

При практических применениях объем является предельным и представляет значительные затраты на строительство для процесса аккумуляции. Исходное сырье, подходящее для аккумуляции PHA, может не всегда быть в значительной степени сконцентрированным, и поэтому может существовать проблема в достижении концентраций RBCOD, достаточных для достижения оптимальных скоростей аккумуляции PHA и качества PHA. В любом случае более желательными являются более низкие вводимые количества подачи, поскольку, чем выше частота подачи, тем больше существует возможностей для более жесткого контроля процесса, связанных с манипуляцией изменений состава подачи, а также избегания избыточного количества RBCOD в растворе в конце серийного цикла аккумуляции PHA. Подпитываемый процесс с использованием большей частоты ввода в качестве подпитки начинает приближаться к условиям стратегии непрерывной подачи. По мере увеличения частоты подачи различие между стратегией подпитки и стратегией непрерывной подачи становится размытым. Поэтому объемная скорость подачи, а не частота ввода дозы становится эквивалентным параметром при контролировании и в технологическом процессе.

Подпитываемый процесс можно выполнять посредством вводов отдельных доз выбранного объема, применяемых ко всей биомассе в реакторе с полным смешиванием. Подпитываемый процесс можно также выполнять посредством приведения биомассы в боковом потоке или в индивидуальных зонах реактора в контакт с вводом RBCOD, так что организмы в биомассе подвергаются различным стимулам от подачи субстрата и различным периодам прерывания подачи субстрата. Когда биомассу приводят в контакт с субстратом либо в реакторе с полным смешиванием, либо в зонах или в боковых потоках, подача может осуществляться импульсно или постоянно. Прерывание подачи может определяться условиями, когда микроорганизмы в биомассе испытывают снижение питания во времени или пространстве из-за подвергания воздействию среды, в которой существует отрицательный градиент концентрации субстрата. Таким образом, принцип, воплощенный в способе настоящего изобретения для аккумулирования PHA в биомассе, влечет за собой импульсную подачу, а также прерывания подачи. Определенные термины используются здесь для описания как импульсной подачи, так и прерываний подачи. Например, «периодическая подача субстрата в биомассу» или «периодическая подача» включает импульсную подачу, а также обеспечение прерываний подачи и, в частности, включает импульсную подачу субстрата в биомассу или циркуляцию части биомассы из зоны с относительно низкой концентрацией субстрата в зону с относительно высокой концентрацией субстрата при непрерывной или не являющейся непрерывной подаче субстрата. В любом случае способом или процессом является периодическая подача субстрата в биомассу.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения процесс аккумуляции PHA продолжают, пока не достигнуты ограничения практического характера, не достигнуты цели подачи, не видны признаки насыщения в отношении аккумуляции PHA, и/или общая масса PHA в реакторе не достигла намеченного уровня. Признаки этих случаев включают:

• Ограничения практического характера, включающие физические ограничения реактора, такие как имеющийся в распоряжении объем бака для подпитываемого процесса с непостоянным объемом жидкости в реакторе.

• Ограничения практического характера, включающие ограничения в кинетике отделения биомассы от сбрасываемых сточных вод в случае подпитываемого процесса с использованием постоянного объема жидкости в реакторе.

• Цели подачи, включающие добавление RBCOD сточных вод на основе установленных или присущих определенному случаю, зарегистрированных норм выходов в результате превращения биомассы, которые могут меняться от сточных вод к сточным водам. Например, обычно регистрируемый выход в результате превращения в случае ферментированных сточных вод молочной промышленности составляет 0,4 кг-PHA, продуцированные на каждый кг-VFA-COD, который был потреблен. Следовательно, если биомассой является биомасса с известной емкостью аккумуляции PHA до 100% от исходного сухого остатка биомассы, то намеченное добавление сточных вод будет составлять 2,5 кг-COD на килограмм исходной биомассы.

• Признаки насыщения или точка окончания аккумуляции PHA, включающие любые или всякие из следующих определяемых сигналов:

• Начало увеличения RBCOD в используемом для аккумуляции реакторе, остающегося после каждого ввода в качестве подпитки.

• Замедление кинетики поглощения субстрата ниже установленного порогового значения, которое будет специфическим для типа используемых сточных вод.

• Насыщение PHA в биомассе, регистрируемое, используя определение в масштабе времени коэффициента отражения для биомассы в качестве индикаторного параметра.

• Намеченная цифра объемной продуктивности PHA, регистрируемая, используя определение в масштабе времени содержания PHA в биомассе (коэффициента отражения) в сочетании с концентрацией биомассы (мутности иловой смеси) в тех случаях, когда рост биомассы и накопление PHA происходят одновременно.

• Снижение спирометрической величины для биомассы ниже установленного порогового значения, которое будет специфическим для типа используемых сточных вод.

• Регистрируемое смещение спирометрической величины для биомассы в направлении ответа на вводы органических веществ в подпитываемые сточные воды к ответу, например, на вводы азота в сточные воды.

Время, необходимое для максимально возможной аккумуляции PHA в биомассе, может изменяться от партии к партии. Колебания могут иметь место в кинетике и других характеристиках процесса с использованием смешанной культуры вследствие, например, динамики микробной популяции, изменений метаболического состояния (физиологического состояния) и вариаций характеристик подачи поступающих сточных вод. Подходящее для аккумуляции PHA исходное сырье может включать исходное сырье, выбираемое из источников RBCOD, отличных от RBCOD, присущих сточным водам, используемым для получения аккумулирующей PHA биомассы. Такое в корне отличное исходное сырье может повысить экономику всего процесса и может приспособить состав RBCOD к продукции различных видов PHA.

Определение условий подпитки для аккумуляции PHA

Были проведены эксперименты с использованием биомассы в виде активированного ила, который был обогащен в отношении PAB на основе отбора в аэробных условиях с использованием пира-голодания, в двух 4-литровых лабораторных последовательных реакторах периодического действия (SBR). SBR эксплуатировали в виде параллельных процессов биологической обработки сточных вод. Ферментированные сточные воды молочной промышленности использовали в качестве подачи для продуцирования биомассы с высоким содержанием PAB. COD в ферментированных сточных водах молочной промышленности составляла приблизительно 90% от VFA. Ферментированные сточные воды дополняли макро- и микроэлементами сверх метаболических требований для активированного ила. SBR эксплуатировали с использованием равного 1 дню времени гидравлического задержания (HRT) и равного 4 дням времени задержания твердых веществ (SRT). Равное 1 дню HRT основывалось на 2×12-часовых циклах в день, где цикл определялся исходной точкой = 2-л объему иловой смеси в реакторе. В начале цикла 2 л сточных вод быстро подавали в аэробных условиях. Сточные воды и иловую смесь подвергали аэробной реакции с использованием уровня растворенного кислорода свыше 1 мг-О₂/л в течение приблизительно 11 часов. Впоследствии аэрацию и перемешивание прекращали, и допускали оседание активированного ила в иловой смеси в течение 30 минут в режиме покоя. После оседания сливали 2 л супернатанта. В одном из каждых 2 циклов 500 мл иловой смеси откачивали (отбрасывали) для контролирования SRT непосредственно перед тем, как аэрацию и перемешивание прекращали для осаждения. Когда активированный ил отбрасывали из реактора, сливали лишь 1,5 л супернатанта. Цикл пир-голодание представлял собой не более 2 часов пира непосредственно после подачи, а затем не менее 9 часов голодания, как определено благодаря как параллельным и детальным экспериментальным исследованиям цикла, так и обычному слежению за уровнем растворенного кислорода. Реакторы поддерживали неизменяющуюся концентрацию, составляющую приблизительно 2 г/л активированного ила. Схожую систему также использовали в полупромышленном масштабе, в соответствии с чем использовали один SBR с рабочим объемом, равным 400 л.

В одном ряду повторных экспериментов, охватывающем приблизительно 3 месяца работы SBR, отработанную биомассу подвергали импульсным вводам либо концентрированной уксусной кислоты, либо ферментированных сточных вод молочной промышленности. Цель состояла в определении ответа биомассы на стимул «пир» в условиях, когда сохранившееся содержание PHA в биомассе было незначительным. За ответом биомассы на эти вводы субстрата следили на основе отклонений в растворенном кислороде, а также на основе более детальных анализов качества воды в ходе ответа биомассы на соответствующие импульсные вводы органического субстрата. Ответ биомассы можно было смоделировать с помощью зависимости от формы (фиг. 1):

где

q_s = скорость потребления конкретного субстрата (мг-COD/г-биомассы/минуту)

k_s = коэффициент ответа биомассы на стимулирующее воздействие субстрата

s = исходная концентрация субстрата, обеспечивающая стимулирующее воздействие (мг-COD/л)

s_f = оцененная пороговая концентрация субстрата для определяемого ответа биомассы

s_m = концентрация субстрата, при которой достигается максимальный ответ в потреблении субстрата

q_m = максимальная оцененная скорость потребления конкретного субстрата

X = концентрация биомассы

R_r = скорость удаления субстрата из раствора

Полагают, что отклонения от модели при более высоких концентрациях стимула обусловлены аккумуляцией PHA в биомассе после ряда стимулов. После стимуляции биомассы импульсным вводом VFA наблюдали, что скорость удаления VFA (R_r) подчиняется кинетике нулевого порядка до значительно ниже оцененной концентрации s_f, и поэтому q_s была приблизительно постоянной после каждого из уровней соответствующего стимулированного ответа (s). Этот результат означал, что для стимуляции определяемого ответа на пир требуется достаточное колич