摘要
聚羟基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoate，PHA）是一种由微生物合成的高分子生物聚酯，其经提取回收后的加工产品不仅具有与传统化工塑料相似的材料性能，还具有良好的可生物降解性，被视为可取代传统化工塑料的优势替代品。但目前工业化生产中普遍应用纯菌发酵合成PHA的生产模式，其高昂的生产成本限制了PHA的规模化应用。 活性污泥合成PHA技术是近三十年间为了进一步降低PHA生物合成过程中发酵生产成本而发展起来的一项生物技术，从其发展至今已有大量研究解决了限制其PHA产量方面的瓶颈问题，但针对活性污泥中PHA提取工艺的研究却未得到充分的重视，以往涉及到活性污泥中PHA提取的相关研究报道大部分沿用了纯菌模式中的PHA提取工艺。然而，由于活性污泥的微生物组成结构与纯菌体系的相比更为复杂，沿用工艺使得活性污泥的PHA提取需要更多的能耗和药剂损耗、更长的提取周期，且PHA的回收效果在同等能耗水平上与纯菌模式的相比较不理想。此外，纯菌PHA提取工艺中多使用卤化溶剂作为PHA的提取剂，对操作人员有毒害、对环境污染较大，与当下倡议绿色环保、可持续发展的社会理念并不相符。因此，有必要针对活性污泥发展绿色有效的PHA提取工艺，加大其相关的研究力度。 本课题的研究目的是以合成PHA的活性污泥为研究对象，以降低PHA提取工艺能耗、缩短PHA提取周期为出发点，针对活性污泥PHA提取工艺中的工艺参数以及提取性能进行比较和优化，探寻简化可行的、可放大规模生产的PHA提取工艺。主要研究了从活性污泥中提取PHA的两种方法。其一为有机溶剂萃取法，采用沸点较低、对环境污染较小、名为碳酸二甲酯（Dimethyl carbonate，DMC）的绿色有机溶剂作为PHA的提取剂从活性污泥中回收PHA；其二为化学消解法，即采用化学药剂次氯酸钠和十二烷基硫酸钠（Sodium dodecyl sulfate，SDS）进行复合消解操作：使用次氯酸钠溶液于预处理阶段裂解活性污泥的细胞壁、细胞膜，使其胞内内含物裂解释放后、利用SDS的乳化性能以促进非PHA成分物质溶解成水溶性物质，经后纯化处理回收PHA。通过检测、计算PHA的回收率以及纯度，对实验参数进一步优化，并对优化工况进行放大提取，以验证本次实验中两种提取方法的有效性。 实验结果表明：使用碳酸二甲酯（DMC）作为提取剂的有机溶剂萃取法所获得的PHA的回收率及纯度均较高，经过优化后可获得较高纯度及回收率的工况参数为：使用25%(v/v)次氯酸钠预处理30min，添加活性污泥与DMC的固液比为0.025后将混合物置于90℃的情况下反应60min，使用水或甲醇后处理纯化5min，所获得的PHA回收率为89.03%，PHA产品纯度为98.92%，回收性能与氯仿溶剂的相似。而使用SDS作为消解剂的化学消解法所获得的PHA产品纯度约为70%，通过优化实验后的工况条件为：10mL浓度为25%（v/v）次氯酸钠进行30min预处理，采用活性污泥干重:SDS用量=1:2进行30min的化学消解，后处理纯化步骤过程中所使用PHA提取物和甲醇用量的重量比比值为2:1。实验表明，在活性污泥的PHA提取工艺中，预处理操作和后处理纯化操作是必须的，这两步操作对PHA的提取纯度有较大的提升。 PHA提取样品性能的参数比较分析表明，使用DMC进行有机溶剂萃取所获得的PHA样品呈透明膜状，具有与聚丙烯相似的机械性能，柔韧性较好、热塑性能良好，但其提取过程涉及较多的能耗使用；而使用次氯酸钠+SDS进行化学消解提取所获得的PHA样品呈白色粉末状，虽不适用于热塑性应用，但可作为化学品的中间体平台，应用于其他非热聚合物的生产。综合以上分析，两种方法在成本上与样品性能中各有可取之处，在实际生产中可结合生产成本、目标产品需求及生产成本的预算来选择相应的提取方法。
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