容積負(fù)荷變化模式對(duì)嗜鹽混合菌發(fā)酵乙酸合成PHB的影響

崔有為，張宏宇，冀思遠(yuǎn)，施云鵬

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

容積負(fù)荷變化模式對(duì)嗜鹽混合菌發(fā)酵乙酸合成PHB的影響

崔有為，張宏宇，冀思遠(yuǎn)，施云鵬

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

以嗜鹽混合菌發(fā)酵生產(chǎn)PHB具有免滅菌程序、易提取、產(chǎn)量高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛關(guān)注。本研究集中考察了嗜鹽混合菌（MMCs）發(fā)酵生產(chǎn)PHB過程中調(diào)整容積負(fù)荷的方式對(duì)PHB生產(chǎn)的影響。在研究中通過比較恒定接種生物量改變底物濃度以及恒定底物濃度調(diào)整接種生物量兩種調(diào)整方式下PHB發(fā)酵生產(chǎn)的最大細(xì)胞含量、PHB最大容積產(chǎn)率以及表觀動(dòng)力學(xué)，確定了MMCs的最佳OLR，以及兩種變化方式的本質(zhì)差異。研究結(jié)果表明，兩種方式下隨著OLR升高，細(xì)胞內(nèi)最大PHB的積累量和PHB容積產(chǎn)率也隨著增加。本研究發(fā)展的嗜鹽MMCs最佳OLR=0.91 kg·(kg·d)?1。在相同的OLR下，高的接種生物量始終具有高的碳源轉(zhuǎn)化率和底物消耗速率。為此，采用高接種生物量發(fā)酵生產(chǎn)PHB可以提高PHB生產(chǎn)效率并降低PHB的成本。

聚羥基丁酸酯（PHB）；有機(jī)容積負(fù)荷（OLR）；污泥濃度；底物濃度；嗜鹽混合菌

引 言

很多微生物（包括細(xì)菌和古菌）在不平衡生長時(shí)會(huì)在體內(nèi)積累聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）。聚合物PHA具有良好的物理特性、生物相容性和生物可降解性，被認(rèn)為是替代以石油為原材料化工合成塑料的重要物質(zhì)[1]。PHA替代工業(yè)塑料可以解決塑料填埋產(chǎn)生的污染問題，并對(duì)緩解石油等化石燃料短缺問題具有重要意義[2-5]。但是，生物生產(chǎn)PHA從成本上無法和化學(xué)合成的塑料競爭。為此，基于生物合成PHA的研究都集中在如何降低成本上。目前，以混合微生物（mixed microbial cultures，MMCs）替代純菌（pure cultures，PCs）生產(chǎn)PHA由于可以減少滅菌程序和可以使用廢棄底物被認(rèn)為是降低PHA生產(chǎn)成本的有效方式[6-8]。近年來，選擇富集活性污泥中具有高積累PHA能力的MMCs研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。采用好氧動(dòng)態(tài)進(jìn)料方式（aerobic dynamic feeding，ADF）下選擇的活性污泥中PHA積累微生物比例會(huì)大大增加[9-10]。在此基礎(chǔ)上可以利用單一或者復(fù)合底物，甚至是廢棄物合成PHA[6,11-12]。除了淡水MMCs，嗜鹽微生物（halophiles）被報(bào)道具有比淡水微生物更強(qiáng)的PHA積累能力[13]。Haloarcula marismortui[14]，Cupriavidus necator[15]，Halomonas campisalis[16]等嗜鹽PCs都被報(bào)道可以儲(chǔ)存高含量的PHA，并且在回收細(xì)胞內(nèi)PHA上也具有成本優(yōu)勢(shì)。但是，嗜鹽MMCs的研究還未見報(bào)道。

在前期的研究中采集入海口底泥利用ADF篩選方式成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)嗜鹽MMCs的富集和篩選[17]。在此基礎(chǔ)上，本研究將集中討論影響嗜鹽MMCs發(fā)酵生產(chǎn)PHA能力的過程因素。目前，生物生產(chǎn)PHA普遍采用兩步法，即第1步篩選富集高PHA積累能力的菌群；第2步在限氮條件下進(jìn)行PHA發(fā)酵生產(chǎn)。在兩步法工藝中的第2步，接種富集的MMCs在營養(yǎng)物質(zhì)限制的條件下發(fā)酵使MMCs最大程度地將外源碳合成PHA是決定PHA生產(chǎn)能力和產(chǎn)量的關(guān)鍵一步。在影響發(fā)酵的條件因素中，發(fā)酵使用的底物量和初始接種的生物量的比值（F/M）決定了有機(jī)物的利用速度，生物增殖速度以及溶解氧利用速率，被認(rèn)為是影響發(fā)酵生產(chǎn)PHA產(chǎn)量的重要因素[6-7,12,18]。在活性污泥法工藝中，F(xiàn)/M 是通過有機(jī)容積負(fù)荷（organic loading rate, OLR）表征的。Venkateswar等[7]在研究中通過改變進(jìn)水有機(jī)物濃度而調(diào)整OLR發(fā)現(xiàn)PHA積累量和OLR呈正比，即進(jìn)水有機(jī)物濃度越高M(jìn)MC積累的PHA越高。然而，Dai等[12]在利用從小黑楊水解產(chǎn)生的木質(zhì)素材料生產(chǎn)PHA的實(shí)驗(yàn)中同樣改變OLR，卻發(fā)現(xiàn)PHB的積累量僅僅取決于最初的糖負(fù)荷，而和反應(yīng)器中的總糖濃度無關(guān)。這兩個(gè)研究雖然都是基于OLR的探索，但是由于不同的變化OLR方式（Venkateswar等的研究通過改變進(jìn)水有機(jī)物濃度，Dai等的研究通過改變污泥濃度）得出了相反的結(jié)論。這說明F/M作為一個(gè)綜合因素，通過改變有機(jī)物濃度或者污泥濃度會(huì)對(duì)混合菌PHA積累產(chǎn)生不同的影響。在發(fā)酵階段可以通過一次投加進(jìn)水和分批投加進(jìn)水方式來實(shí)現(xiàn)OLR的調(diào)控[6-7]。分批投加底物的方式本質(zhì)是固定接種微生物濃度，通過若干次改變底物濃度來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的有機(jī)物濃度變化，即動(dòng)態(tài)的OLR的調(diào)節(jié)。從這個(gè)角度看，分批投加底物本質(zhì)上是若干個(gè)一次性投加底物的組合?；诖耍狙芯酷槍?duì)嗜鹽MMCs系統(tǒng)采用一次性投加底物的方式研究OLR變化模式對(duì)PHA積累的影響，從操作策略層面探索利用嗜鹽MMCs最大限度地提高PHA產(chǎn)率和提高碳源利用率的方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 嗜鹽PHA積累混合菌的選擇和富集

實(shí)驗(yàn)中所用的嗜鹽污泥采自河北省秦皇島市某河道入?？诘啄?。該地為人類活動(dòng)較為頻繁地區(qū)。將采集的河底淤泥經(jīng)過反復(fù)淘洗得到嗜鹽活性污泥[17,19]，接種該污泥到間歇發(fā)酵反應(yīng)器中進(jìn)行PHA積累菌群的篩選。菌群選擇反應(yīng)器為雙層玻璃夾心反應(yīng)器，有效體積為2 L。反應(yīng)器外接恒溫水浴裝置保證在整個(gè)過程中溫度控制在（30±0.1）℃。發(fā)酵反應(yīng)器配有曝氣充氧設(shè)備和攪拌裝置。在該發(fā)酵反應(yīng)器中采用ADF方式，按照J(rèn)ohnson等[9]提出的篩選方法進(jìn)行PHA菌群的選擇。具體篩選參數(shù)為：每天2個(gè)發(fā)酵周期，每個(gè)周期12 h，包括進(jìn)水5 min，好氧曝氣11.5 h，沉淀20 min，排水5 min。污泥齡（sludge retention time，SRT）控制在15 d。選擇期間使用的底物中乙酸濃度為（863±30）mg·L?1（由分析純的乙酸鈉配制）。營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素濃度見表1。底物中鹽度以投加NaCl保持穩(wěn)定在（30±1）g·L?1，實(shí)現(xiàn)高鹽環(huán)境以保證嗜鹽微生物能夠進(jìn)行正常的代謝活動(dòng)。同時(shí)在底物中投加硫脲（20 mg·L?1）以達(dá)到抑制硝化作用的目的。按照該方式連續(xù)運(yùn)行200多個(gè)周期，完成了對(duì)MMCs的篩選。

表1 合成廢水組分Table 1 Component of synthetic wastewater/mg·L?1

1.2 OLR變化方式對(duì)嗜鹽MMC生產(chǎn)PHB影響實(shí)驗(yàn)

OLR變化方式對(duì)嗜鹽MMC生產(chǎn)PHB影響實(shí)驗(yàn)是針對(duì)兩步法生產(chǎn)PHA中的第2步發(fā)酵過程而開展的實(shí)驗(yàn)。即采用富集的MMC進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)PHA，考察發(fā)酵中OLR對(duì)該菌群發(fā)酵生產(chǎn)PHA能力。實(shí)驗(yàn)中通過固定污泥濃度改變進(jìn)水底物濃度和固定進(jìn)水底物濃度改變污泥濃度兩種變化方式調(diào)整了4個(gè)OLR梯度，即0.55，0.75，0.95，1.50 kg·(kg·d)?1。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。固定進(jìn)水乙酸濃度改變MLVSS實(shí)驗(yàn)中，發(fā)酵底物進(jìn)水乙酸濃度保持在（2500±100）mg·L?1，通過調(diào)節(jié)污泥濃度改變OLR；固定污泥濃度改變發(fā)酵底物乙酸濃度實(shí)驗(yàn)中的MLVSS保持在（1400±100）mg·L?1，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水底物濃度改變OLR。8組實(shí)驗(yàn)的連續(xù)發(fā)酵時(shí)間均為48 h。每組實(shí)驗(yàn)都設(shè)置1組平行實(shí)驗(yàn)，兩次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果。根據(jù)報(bào)道兩步法生產(chǎn)PHA的第2步要求嚴(yán)格限制氨氮的投加從而抑制微生物的生長實(shí)現(xiàn)PHA在細(xì)胞內(nèi)的最大積累[20]。因此，在發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中的發(fā)酵底物只含有乙酸和營養(yǎng)元素，不含有氨氮。除氨氮外，其他營養(yǎng)元素和微量元素濃度同表1。

1.3 分析方法

氨氮、MLSS和MLVSS采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[21]。乙酸含量的測(cè)定采用氣相色譜分析法（Agilent 7890A氣相色譜儀）[21]。PHA含量在樣本經(jīng)過前處理后采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行氣相色譜分析[22]。樣品前處理具體操作過程如下：從反應(yīng)器中取出40 ml泥水混合物，4000 r·min?1離心后棄去上清液，加入1 ml次氯酸鈉消毒液以使微生物失活，水洗兩遍后冷凍干燥。稱取凍干后的污泥樣品約25 mg于具塞消解管中，依次加入2 ml氯仿、2 ml苯甲酸鈉溶液，于105℃消解20 h，冷卻后加入1 ml去離子水，搖勻、離心，取下層有機(jī)相于盛有0.5 g左右無水硫酸鈉的2 ml塑料離心管中，搖勻。8000 r·min?1轉(zhuǎn)速下離心5 min，隨后取有機(jī)相進(jìn)行氣相色譜分析。由于實(shí)驗(yàn)采用單一乙酸作為底物，嗜鹽混合污泥合成的PHA是單一的聚羥基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）[23]，未在PHA中測(cè)量檢出其他單體組分。

表2 批次實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter applying in batch experiments

1.4 表觀參數(shù)的計(jì)算

PHA容積產(chǎn)率

細(xì)胞內(nèi)PHA濃度

碳源的PHA轉(zhuǎn)化率

PHA 比合成速率

底物比吸收速率

式中，WP為PHA質(zhì)量，mg；m為PHA分子量，其中PHB為21.5 mg·(mmol C)?1；CDW為細(xì)胞干重（cell dry weight），mg；T為達(dá)到PHA積累最大值時(shí)長，h；PHA0為初始細(xì)胞內(nèi)的PHA含量，mmol C·L?1；PHAmax為細(xì)胞內(nèi)的PHA含量最大值，mmol C·L?1；S0為初始乙酸濃度，多次投加時(shí)為投加乙酸濃度的總和，mmol C·L?1；Sf為PHA含量最大時(shí)乙酸濃度，mmol C·L?1；Xa為反應(yīng)器中生物量，mmol C·L?1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 改變污泥濃度調(diào)整OLR對(duì)PHB積累的影響

由于在發(fā)酵反應(yīng)中氮素被限制而微生物無法增殖[24]，因此在整個(gè)發(fā)酵過程中，微生物濃度和初始接種在發(fā)酵反應(yīng)中的生物量一致。根據(jù)以往報(bào)道[12]，在PHA合成混合菌系統(tǒng)中，普通發(fā)酵OLR在0.9 kg·(kg·d)?1左右。為充分驗(yàn)證變化OLR方式對(duì)發(fā)酵的影響規(guī)律的重現(xiàn)性, 實(shí)驗(yàn)從低到高設(shè)置4個(gè)OLR梯度。本實(shí)驗(yàn)恒定底物濃度為（2500±100）mg·L?1，降低接種生物量調(diào)整OLR分別達(dá)到0.56，0.75，0.91和1.49 kg·(kg·d)?1。圖1（a）～（d）分別是發(fā)酵期間4個(gè)OLR反應(yīng)器內(nèi)的底物利用和PHA合成情況。從圖中可以看出 OLR從0.56 kg·(kg·d)?1增長至0.91 kg·(kg·d)?1，PHB積累的最大細(xì)胞含量從23.3%逐漸增加到37.2%，而PHB的容積產(chǎn)率從557.6 mg·L?1逐漸下降到524.2 mg·L?1。由于微生物在限制氮素的條件下無法進(jìn)行細(xì)胞增殖，為此PHB的容積產(chǎn)率直接由最大的PHB細(xì)胞含量和微生物量決定。盡管PHB最大細(xì)胞含量隨著相對(duì)外源碳源供給量的增加而逐漸增加，但是生物量仍然是PHB容積產(chǎn)率的決定因素。OLR影響PCs發(fā)酵最大PHA積累已被報(bào)道[25]，本研究結(jié)果也表明在MMCs體系內(nèi)，相對(duì)高的碳源供給量促進(jìn)微生物內(nèi)PHB的積累。但是，繼續(xù)增加OLR到1.49 kg·(kg·d)?1時(shí)，細(xì)胞內(nèi)PHB最大含量卻下降至23.6%，而PHB的容積產(chǎn)率也下降至204.1 mg·L?1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用過小的生物接種量，雖然可以極大地提高碳源的可利用性，但是最終卻沒有提高細(xì)胞內(nèi)最大PHB積累量和最大的PHB產(chǎn)量。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于過低的生物量會(huì)導(dǎo)致底物利用速率的下降，致使利用乙酸合成能量只能維持生物存活，而無法將外源有機(jī)物持續(xù)轉(zhuǎn)化成內(nèi)源PHB。此外，由于過低的PHB細(xì)胞含量不利于PHB的提取，所以綜合4個(gè)OLR實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定最優(yōu)的OLR=0.91 kg·(kg·d)?1。從圖1還可以看出降低接種生物量提高OLR還會(huì)影響到PHB積累和底物降解的同步性。4個(gè)OLR下發(fā)酵細(xì)胞達(dá)到最大PHB含量的時(shí)間依次是10，10，12和24 h，乙酸降解完成時(shí)間分別是8，12，12和48 h。在OLR=0.56～0.91 kg·(kg·d)?1范圍內(nèi)，乙酸降解完成時(shí)間均和細(xì)胞內(nèi)PHA積累最大時(shí)刻同步發(fā)生。說明乙酸被微生物充分利用而合成PHB。但是，在OLR=1.49 kg·(kg·d)?1下，PHB積累結(jié)束時(shí)間早于乙酸降解完成時(shí)間達(dá)到24 h。這種現(xiàn)象證明相對(duì)過高的碳源供給不利于PHB的積累。

圖1 調(diào)節(jié)污泥濃度改變嗜鹽活性污泥系統(tǒng)OLR實(shí)驗(yàn)的PHB生產(chǎn)能力及其碳源利用情況Fig.1 PHB production capability and carbon source utilization in batch experiments of changing OLRs by adjusting halophilic activated sludge concentrations

2.2 改變底物濃度調(diào)整OLR對(duì)PHB積累的影響

恒定初始接種生物量[MLVSS=（1400±100）mg·L?1]，通過改變底物中乙酸濃度使OLR達(dá)到0.54、0.76、0.91和1.47 kg·(kg·d)?1。圖2（a）～（d）分別是發(fā)酵期間4個(gè)OLR反應(yīng)器內(nèi)的底物利用和PHB合成情況。從圖中可以看出，OLR由0.54 kg·(kg·d)?1增加至0.91 kg·(kg·d)?1時(shí)，隨著發(fā)酵底物中有機(jī)酸量的增加，細(xì)胞內(nèi)最大PHB的積累量也隨著增加，分別為14.7%、21.6%、37.2%。同時(shí)，發(fā)酵的PHB容積產(chǎn)率也逐漸增加，分別是205.9，305.4和524.2 mg·L?1。以PHB產(chǎn)率和PHB細(xì)胞含量作為指標(biāo)分析OLR=0.91 kg·(kg·d)?1為最優(yōu)的OLR。但是，持續(xù)增加底物供給量至OLR=1.47 kg·(kg·d)?1，發(fā)酵獲得的細(xì)胞內(nèi)最大PHB的積累量和PHB容積產(chǎn)率都降低。這樣的變化規(guī)律和恒定底物濃度改變接種量的實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)基本相同。此外，過高的底物供給也導(dǎo)致了PHB積累先于底物降解完成的情況。在OLR=0.54～0.91 kg·(kg·d)?1下，乙酸的降解完成的時(shí)間和細(xì)胞PHB積累最大所需的時(shí)間一致，分別為6、8、12 h。然而當(dāng)OLR增加到1.47 kg·(kg·d)?1時(shí)，細(xì)胞內(nèi)PHB達(dá)到積累最大所需的時(shí)間也延長至24 h。在發(fā)酵的48 h內(nèi)乙酸持續(xù)被利用，乙酸總消耗量僅為約2700 mg，低于OLR=0.54 kg·(kg·d)?1時(shí)乙酸消耗量（2800 mg）。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于過高的發(fā)酵底物濃度抑制了微生物活性，同時(shí)也抑制生物的PHA合成。

圖2 調(diào)節(jié)進(jìn)水底物濃度改變嗜鹽活性污泥系統(tǒng)OLR實(shí)驗(yàn)的PHB生產(chǎn)能力及其碳源利用情況Fig.2 PHB production capability and carbon source utilization in batch experiment of changing OLR by adjusting influent substrate concentration in halophilic system

2.3 不同OLR改變方式發(fā)酵PHB的表觀動(dòng)力學(xué)比較

根據(jù)生物積累PHB的線性模型[26]，OLR會(huì)影響PHB積累和底物利用，而在相同OLR下同時(shí)改變污泥濃度和底物濃度也可能會(huì)引起底物利用及PHB積累量的改變。批次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表觀動(dòng)力學(xué)分析見表3。在恒定進(jìn)水底物濃度、降低污泥濃度提高OLR發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，OLR從0.56 kg·(kg·d)?1升高至0.91 kg·(kg·d)?1時(shí)，底物利用速率沒有明顯變化，但PHB合成速率qP逐漸增加。說明在此范圍內(nèi)降低污泥濃度提高OLR，不會(huì)改變碳源轉(zhuǎn)化成PHB的比率和底物的利用速率，但是卻加快了儲(chǔ)存速率。所以，在OLR=0.56～0.91 kg·(kg·d)?1范圍內(nèi)盡管OLR的增加會(huì)導(dǎo)致PHB積累速率的增加，但由于碳源轉(zhuǎn)化率不變，等量的碳源投加不會(huì)改變PHB總產(chǎn)量。當(dāng)OLR增加到1.49 kg·(kg·d)?1時(shí)，qP與qS明顯下降，碳源的轉(zhuǎn)化率也隨之降低。因此污泥濃度降低導(dǎo)致的 OLR過高抑制了微生物對(duì)底物的攝取速率，從而減緩了PHB合成速率，并且對(duì)微生物細(xì)胞存儲(chǔ)PHB能力有抑制作用。恒定污泥濃度、增加進(jìn)水底物濃度提高OLR發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，OLR=0.54 kg·(kg·d)?1、OLR=0.76 kg·(kg·d)?1和OLR=0.91 kg·(kg·d)?1時(shí)底物消耗速率差異不明顯，PHB合成速率有明顯的上升趨勢(shì)，從0.018 mmol C·(mmol C·h)?1增加到0.030 mmol C·(mmol C·h)?1。同時(shí)，碳源的轉(zhuǎn)化率也隨之上升。所以O(shè)LR在0.54～0.91 kg·(kg·d)?1范圍內(nèi)，污泥濃度恒定時(shí)PHB合成速率和產(chǎn)量與底物濃度呈正相關(guān)，底物增加促進(jìn)微生物將更多的碳源用于存儲(chǔ)合成PHB。

從2.1節(jié)和2.2節(jié)的數(shù)據(jù)可以看出，兩種變化OLR的方式似乎對(duì)PHB最大細(xì)胞積累含量的影響趨勢(shì)趨同，即OLR在0.55～0.95 kg·(kg·d)?1范圍內(nèi)PHB最大細(xì)胞積累含量隨著OLR的增加而有所提高。這種不同調(diào)節(jié)OLR方式產(chǎn)生的影響趨同，其本質(zhì)上是由于相對(duì)過量的外源碳源會(huì)促進(jìn)PHB的積累導(dǎo)致的[25]。但是，這兩種OLR調(diào)整方式在動(dòng)力學(xué)水平上卻存在著顯著的差異。在相同的OLR下，高的接種生物量始終具有高的碳源轉(zhuǎn)化YPHA/S和底物消耗速率qS。在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)PHB的過程中，高的YPHA/S是發(fā)酵生產(chǎn)的目標(biāo)，它意味著高的PHB生產(chǎn)效率和低的PHB成本。此外，根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)的數(shù)據(jù)，在相同的OLR下，高污泥接種量還會(huì)顯著提升PHB的容積產(chǎn)率和產(chǎn)量。為此，在使用相同OLR發(fā)酵生產(chǎn)PHB過程中，提高生物接種量會(huì)提高碳源的利用率及其PHB產(chǎn)量，對(duì)于降低PHB生產(chǎn)成本是有益的。本研究確定的嗜鹽MMCs發(fā)酵最佳OLR=0.91 kg·(kg·d)?1，對(duì)應(yīng)的接種生物量為1410 mg MLVSS·L?1，底物乙酸濃度為2400 mg·L?1。

表3 不同調(diào)節(jié)方式下改變OLR時(shí)PHB合成的表觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Parameters of observed kinetics under different adjusting method to change OLR

3 結(jié) 論

本研究以篩選的嗜鹽MMCs作為對(duì)象，集中研究了發(fā)酵生產(chǎn)PHB中OLR的影響。研究表明以嗜鹽MMCs發(fā)酵生產(chǎn)PHB，不同調(diào)節(jié)OLR方式會(huì)對(duì)PHB發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)生影響。在OLR=0.54～0.91 kg·(kg·d)?1內(nèi)，提高OLR會(huì)提高PHB最大細(xì)胞積累含量和PHB容積產(chǎn)率。在相同的OLR下，高生物接種量具有高的PHB積累速率qP、碳源轉(zhuǎn)化率YPHA/S和PHB容積產(chǎn)率。污泥濃度一定，提高進(jìn)水底物濃度會(huì)提升微生物細(xì)胞內(nèi)PHB的積累量和反應(yīng)器中PHB的總產(chǎn)量，并會(huì)提高底物向PHB的轉(zhuǎn)化率。在相同負(fù)荷下，提高接種生物量可以促進(jìn)嗜鹽MMCs發(fā)酵的效率，降低PHB生產(chǎn)成本。研究也證明了采用嗜鹽MMCs在開放性的環(huán)境下生產(chǎn)PHA是可行的。同時(shí)，MMCs對(duì)OLR表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性。與PCs相比，MMCs有無需滅菌、底物負(fù)荷適應(yīng)范圍廣、易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。

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Influence of organic loading rate change modes on PHB production by halophilic sludge fermenting acetate acid

CUI Youwei, ZHANG Hongyu, JI Siyuan, SHI Yunpeng
(College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)

Polyhydroxybutyrate (PHB) production by halophilic mixed consortia draws a lot of attention because of its great advantages, such as no sterilization, extraction convenience and high production. In this study, halophilic mixed microbial cultures were used to investigate the influence of adjusting modes of the organic loading rate on PHB production. Two adjusting modes were applied including adjusting sludge concentration with a consistent substrate concentration and substrate concentration with a consistent sludge concentration. The maximum PHB content in cells, maximum PHB volumetric yield and kinetics were compared to confirm the optimum OLR and the key difference in the two modes. The experimental results showed that the high OLR led to a high PHB content in cells and a high PHB volumetric yield. In this study, 0.91 kg ?(kg ?d)-1was proved to be the optimum OLR for halophilic MMCs. On condition of identical OLR, the high sludge concentration led to high carbon source conversion ratio and substrate consumption rate. Then, a high sludge concentration can enhance PHB productivity and depress PHB production cost.

polyhydroxybutyrate (PHB); organic loading rate (OLR); sludge concentration; influence substrate concentration; halophilic mixed microbial cultures

Dr. CUI Youwei, cyw@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150287

X 703

：A

：0438—1157（2015）10—4177—08

2015-03-10收到初稿，2015-05-25收到修改稿。

聯(lián)系人及

：崔有為（1977—），男，博士，副教授。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478011，51178004）；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（8132013）；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目。

Received date: 2015-03-10.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51478011, 51178004), Natural Science Foundation of Beijing (8132013) and the Importation and Development of High-Caliber Talents Project of Beijing Municipal Institutions.