摘要
在双碳背景下，传统石油基塑料带来的白色污染问题以及碳排放问题愈演愈烈，转而研究具有良好热塑加工性、可生物降解性和生物相容性的生物塑料(聚-β-羟基丁酸酯，PHB),其不失为一种可行途径。在众多合成方式中，借助蓝藻光合作用吸收CO2的同时合成PHB似乎是生产PHB的理想宿主。本研究利用人工配水模拟污水来培养蓝藻并生产PHB,进一步探究其环境条件来优化生产PHB条件。与此同时，为降低蓝藻生产PHB成本，考虑借助农业固废作为固相碳源供蓝藻生长的同时积累PHB。此外，为规模化培养蓝藻生产PHB,借助柱式反应器来实现这一目标，并为实际工程应用提供一定的技术参考。 本研究首先探究了在三种搅拌强度作用下对蓝藻生长以及合成PHB的影响。结果表明，过低的搅拌强度(150r/min)不足以使藻细胞悬浮生长;实验过程中发现有部分藻沉积在容器底部，不利于藻细胞对光照吸收以及营养物质吸收;而过高搅拌强度(450r/min)虽然会使得更多CO2溶解于藻液中供藻细胞利用，使得藻液的pH较低，只会促进藻细胞的增值，对胞内PHB合成起不到实质性促进作用。比较而言，300r/min搅拌强度可以兼顾到前面两者所遇到的问题，在保证生物量的同时，可以将碳更好地向PHB方向固定，最终收获到1.17g/L生物量与9.2％的PHB(以细胞干重计，DCW)。另外通过营造不同夜间运行环境使蓝藻在黑暗条件下进行不同代谢途径。最终发现，夜间静置形成缺氧环境最适合蓝藻合成PHB，在该环境中，藻细胞内的糖原物质可以部分转化为诸如乙酸、乙醇等这类合成PHB的前体物质，最终可收获15.2％(DCW)的PHB产量。 其次，本研究为了降低培养蓝藻生产PHB碳源成本，选择农业固废进行浸出实验，1g麦秆在500mL水中可以浸出230mg/LCOD及1.35mg/L磷酸盐，玉米芯与锯末也可浸出可观的COD。随后选用这三种农业固废充当培养蓝藻生长及合成PHB的固相碳源并探究其可行性。根据培养周期内平均比生长率、平均细胞产率以及对应的PHB产量综合判断，确定玉米芯是最适合蓝藻生长和合成PHB的固相碳源，并且最合适的投加量为1g,最终可收获0.56g/L的生物量和7.03％的PHB含量。 最后利用柱式反应器来培养蓝藻，通过调整水力停留时间(HRT)、无机碳以及磷酸盐的投加来提高反应器内生物量。结果发现，藻类对PO43-需求很高，藻细胞吸收PO43-后，一方面用以维持自身细胞结构，另一方面用来合成ATP用以为细胞的生命活动提供能量，经过前四个运行工况的调整，反应器内的生物量可达到0.97g/L。随后在无机营养受限的情形下分三次加入总量为40mg/L的乙酸钠刺激蓝藻合成PHB,最终可收获18.4％(DCW)的PHB含量并且保持反应器内藻类良好的沉降性(SVI=84mL/g)，有利于后续的藻水分离。
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