一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法及其裝置的製作方法
2023-07-08 16:50:06 2
專利名稱：一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及水處理技術，具體說就是一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方
法及其裝置。
(二)
背景技術：
聚羥基烷酸脂(PHA)是一類可由多種微生物在營養不均衡條件下合成的多羥基的脂類長鏈化合物，PHA具有和化學塑料(聚丙烯)相似的物理和化學性質，同時可被微生物在自然條件下完全降解，因此也被稱為生物塑料。使用汙水廠剩餘汙泥為接種汙泥，食品廢水、高濃度有機酸廢液等富含小分子脂肪酸為底物，逐步減少底物中碳源和氮源或者磷源的比例，可以馴化出富含PHA高達40% 80%的細胞乾重比例的活性汙泥，然而如何將PHA從微生物細胞中提取出來成為了回收資源的重要環節。隨著社會和經濟的發展，塑料製品已經在生活中成為不可或缺的重要材料，然而化學塑料穩定性好，在自然條件下甚至需要上百年才能降解，破壞了土壤耕地環境，造成了嚴重的白色汙染問題。可降解生物塑料聚羥基烷酸脂PHA有望成為替代化學塑料的理想材料，然而這種物質通常見於微生物細胞內聚物，目前工業生產主要通過純菌發酵來進行，其高成本和苛刻的培養條件限制了其進一步的擴大應用，使用混合菌種如城市汙水廠活性汙泥來合成PHA成為近年來的研究熱點。通過一定的馴化手段，活性汙泥可以獲得佔細胞淨重20% 80X不等的PHA含量，但是如何將PHA從細胞中提取出來是下一步要解決的問題。對於純菌發酵而言，PHA含量極高(通常> 90% )，雜質少，提取技術相對容易；對於馴化活性汙泥或者混合菌發酵培養而來的微生物細胞而言，雜質含量高，PHA在細胞乾重中比例低(一般不足50% )，提取起來就更容易受到幹擾，進而消耗掉較多的提取藥劑的量，造成PHA溶劑的浪費。
—般的從微生物中提取內含物的方法都經過細胞破碎、內含物釋放、溶劑吸收等過程，部分方法過程往往伴隨著加溫、低溫、加壓、減壓等特殊條件，使有機溶劑進行溶解PHA時，往往伴隨著表面活性劑、非溶劑的溶液等複雜成分，造成有機溶劑的回收方式也往往較為複雜甚至無法回收利用。如果能通過簡單的方式在常溫常壓條件下進行同步回收PHA和其溶劑，則具有工藝簡單、節能環保的多重功效。
(三)
發明內容
本發明的目的在於提供一種能在常溫常壓的條件下，通過簡單的工藝條件，從雜質較多的剩餘活性汙泥或者多種混合培養的富含PHA微生物中同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法及其裝置。 本發明的目的是這樣實現的所述的同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的裝置，它是由鼓風機、乾燥器、PHA氯仿溶液容器、帶有氣體吹掃的布氣裝置、氣體連接管、尾氣排出管、NMP吸收劑容器和尾氣處理裝置組成的，鼓風機連接乾燥器，乾燥器連接帶有氣體吹掃的布氣裝置，帶有氣體吹掃的布氣裝置位於PHA氯仿溶液容器內，PHA氯仿溶液容器通過氣體連接管連接NMP吸收劑容器，NMP吸收劑容器通過尾氣排出管連接尾氣處理裝置。
本發明一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法，步驟如下
步驟 一 預處理將濃度為3000-5000mg/L的活性汙泥溶液與次氯酸鈉溶液按5 % 30 %體積比混合製成混合溶液，加入與混合溶液等體積的氯仿，震蕩或攪拌直至細胞破碎完全，形成均勻乳濁液，離心分離、靜置沉澱或者真空抽濾，去除混合液中殘餘的破碎細胞雜質，取純淨透明的含PHA氯仿溶液部分，進行下一步驟； 步驟二 提取分離將PHA氯仿溶液置於權利要求1所述的一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的裝置中，以1L的含PHA氯仿溶液為例，使用直徑為10cm的PHA回收容器，當氣體流量在1. 5L/s時，可在10 20h內完成PHA的提取和溶劑的揮發回收，環境溫度越高，相應提取時間越短；容器直徑越大，相應的提取時間越短；氣體流量越大，提取時間越短。在使用中可根據所使用的溶液量、氣體量和容器尺寸，進行靈活調整和實驗確定所需參數。進行氣體吹掃，帶有氣體吹掃的布氣裝置的噴口向下開孔，位於液下部分起到液下吹脫作用，液上部分開口可起到表面吹掃作用，鼓風機出口設置乾燥器，防止水汽進入PHA氯仿溶液容器的有機箱內，攜帶著揮發氯仿的氣流進入NMP吸收劑容器，這一容器內放置吸收劑NMP，隨氣體攜帶的氯仿進入後被NMP吸收，含微量氯仿的尾氣進入尾氣處理裝置，被活性炭吸收淨化，從尾氣排出管排出，經過約10-20h的吹掃，PHA氯仿溶液容器中的氯仿揮發完畢，剩餘的白色粉末即為PHA粗產品，當使用含PHA量較低的20 30%的活性汙泥提取時，獲得的PHA粗產品純度可達70X以上；當提取使用的活性汙泥雜質較少時，可獲得更高純度的PHA粗產品。 本發明涉及一種利用富含聚羥基烷酸脂(PHA)的混合菌群活性汙泥為原料，使用簡單的步驟、簡單的溶劑在常規的條件條件下，破碎細胞並提取其內含物PHA的方法，主要涉及汙水廠剩餘汙泥的處置及其資源化方法。本發明一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法及其裝置，通過簡單的方式在常溫常壓條件下進行同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑，具有工藝簡單、節能環保等多重功效。本發明利用馴化過的富含PHA的剩餘活性汙泥，使用次氯酸鈉為細胞壁破碎劑、氯仿為PHA溶劑提取PHA，可獲得PHA比例較高的粗產品，同時利用N-甲基吡咯烷酮(NMP)回收了氯仿溶劑。本發明可以從複雜微生物構成的活性汙泥中獲得PHA較高含率的粗產品，減少了汙泥中雜質的影響，適用範圍較廣，同時，由於在提取過程中使用NMP吸收並回收PHA溶劑氯仿，達到了降低成本、減少溶劑消耗的雙重目的。
(四)
圖1為本發明的同步回收PHA及溶劑氯仿的裝置示意圖。
(五)
具體實施例方式
下面結合附圖舉例對本發明作進一步說明。 實施例1 :結合圖l，本發明所述的一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的裝置，它是由鼓風機(4)、乾燥器(5) 、 PHA氯仿溶液容器(1)、帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)、氣體連接管(6)、尾氣排出管(8)、NMP吸收劑容器(2)和尾氣處理裝置(3)組成的，其特徵在於鼓風機(4)連接乾燥器(5)，乾燥器(5)連接帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)，帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)位於PHA氯仿溶液容器(1)內，PHA氯仿溶液容器(1)通過氣體連接管(6)連接NMP吸收劑容器(2)，NMP吸收劑容器(2)通過尾氣排出管(8)連接尾氣處理裝置(3)。 本發明所述的一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法，其步驟如下
步驟一 預處理將濃度為3000-5000mg/L的活性汙泥溶液與次氯酸鈉溶液按5 % 30 %體積比混合製成混合溶液，加入與混合溶液等體積的氯仿，震蕩或攪拌直至細胞破碎完全，形成均勻乳濁液，離心分離、靜置沉澱或者真空抽濾，去除混合液中殘餘的破碎細胞雜質，取純淨透明的含PHA氯仿溶液部分，進行下一步驟； 步驟二 提取分離將PHA氯仿溶液置於權利要求1所述的一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的裝置中，以1L的含PHA氯仿溶液為例，使用直徑為10cm的PHA回收容器，當氣體流量在1. 5L/s時，可在10 20h內完成PHA的提取和溶劑的揮發回收，環境溫度越高，相應提取時間越短；容器直徑越大，相應的提取時間越短；氣體流量越大，提取時間越短。在使用中可根據所使用的溶液量、氣體量和容器尺寸，進行靈活調整和實驗確定所需參數。進行氣體吹掃，帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)的噴口向下開孔，位於液下部分起到液下吹脫作用，液上部分開口可起到表面吹掃作用，鼓風機(4)出口設置乾燥器(5)，防止水汽進入(1)的有機箱內，攜帶著揮發氯仿的氣流進入(2)，這一容器內放置吸收劑NMP，隨氣體攜帶的氯仿進入(2)後被NMP吸收，含微量氯仿的尾氣進入(3)，被活性炭吸收淨化，從尾氣排出管(8)排出，經過約10-20h的吹掃，(1)中的氯仿揮發完畢，剩餘的白色粉末即為PHA粗產品，當使用含PHA量較低的20 30%的活性汙泥提取時，獲得的PHA粗產品純度可達70%以上；當提取使用的活性汙泥雜質較少時，可獲得更高純度的PHA粗產品。
實施例2 :結合圖1，同步回收PHA及溶劑的方法包括預處理和提取PHA兩個步驟；其中用於提取PHA系統包含4個主要部分，鼓風機及乾燥器；PHA氯仿溶液容器，帶有氣體吹掃的布氣裝置，NMP吸收劑容器，尾氣處理裝置，使用活性炭或其他可有效去除PHA溶劑的成分。各部分工藝裝置簡圖如圖1所示。步驟一 預處理將富含PHA(PHA佔細胞乾重比例宜> 20% )的活性汙泥溶液、根據活性汙泥濃度使用5% 30%體積比的次氯酸鈉溶液混合，活性汙泥濃度越高，使用的次氯酸鈉濃度相應也應越高，並加入與混合溶液等體積的氯仿，震蕩或攪拌直至細胞破碎完全，形成均勻乳濁液；離心分離、靜置沉澱或者真空抽濾，去除混合液中殘餘的破碎細胞雜質，取純淨透明的含PHA氯仿溶液部分，進行下一步驟。步驟二 提取分離將PHA氯仿溶液置於(1)中，根據溶液的溶劑量、環境條件調整適合的氣量，進行氣體吹掃，(7)向下開孔，位於液下部分起到液下吹脫作用，液上部分開口可起到表面吹掃作用，全套裝置是氣密性良好的。鼓風機(4)出口設置乾燥器(5)，防止水汽進入(1)的有機箱內。攜帶著揮發氯仿的氣流進(2)，這一容器內放置吸收劑NMP，隨氣體攜帶的氯仿進入(2)後被NMP吸收，含微量氯仿的尾氣進入(3)，被活性炭等安全裝置吸收淨化，從尾氣排出管(8)排出系統。經過一段時間的吹掃，(l)中的氯仿揮發完畢，剩餘的白色粉末即為PHA粗產品，其純度一般可達70X以上。本發明可選擇的PHA溶劑有氯仿、二氯甲烷等滷代烴，也可選擇烷烴、環烴、芳烴等作為PHA溶劑，選擇的原則是該溶劑易溶PHA、不親水、易揮發；本發明可選擇的吸收劑有NMP、尼龍酸甲酯(NME)等，吸收劑選擇的原則是無毒、難揮發、易溶於所選擇的PHA溶劑，且可與所選擇的PHA溶劑較為方便地在一定條件下分離回收。 實施例3 :申請號CN200480035092. 1的專利文件公開一種從細胞生物質回收多羥基鏈烷酸酯(PHAs)的方法，描述了一種從細菌細胞生物質中回收PHA的方法，該方法需要利用PHA溶劑進行加熱，分離過程中也需要加熱，這造成了能耗的加大和工藝的複雜性；本發明不加熱，在室溫條件下進行，節省能耗；申請號CN96196425. 1的專利提供一種使用臨界的PHA非溶劑加速從生物質中溶劑提取多羥基鏈烷酸酯的方法，主要使用了一種稱為臨界非溶劑類的物質，並且其專利針對的主要對象是植物；申請號CN200580031131. 5的專利是用於從生物質中提取聚羥基鏈烷酸酯的方法，使用了多種壓力和溫度條件，操作方式較為複雜，本在常溫常壓下即可進行，技術條件簡單。CN200580031137.2用於從生物質中提取聚羥基鏈烷酸酯的方法同樣使用了多種壓力和溫度條件，操作複雜。CN96196423. 5從生物質中溶劑提取多羥基鏈烷酸酯的方法主要使用乾燥的生物質，並且需要加熱生物質以獲得PHA液體；CN200310101218. 8從生物質中溶劑提取多羥基鏈烷酸酯的方法同樣主要針對植物，並涉及到蒸發等條件，此外還使用了大量的植物油等混合配方，試劑較為複雜；
CN200580006846. 5聚羥基鏈烷酸酯的製造方法中涉及的提取方法適用於5%重量以下的水分含量的PHA溶劑中提取，而本技術方法可對含水率達到80%以上的溼汙泥中提取PHA;CN200680015347. 7從細胞生物量中提取和回收聚羥基烷酸酯(PHAs)的方法，提取工藝中涉及劇烈攪拌及快速加熱等步驟，工藝條件複雜；CN02130725. 3 —種從細菌菌體內分離提取聚羥基脂肪酸酯的方法針對溼菌體，需要通過既親水又親油的雙親試劑進行預處理；而本發明採用更為常見的氧化劑破碎細胞，對試劑的選擇面更寬成本更低廉；CN200610072867. 3 —種提取微生物胞內聚羥基脂肪酸酯的方法同樣涉及加熱問題。CN200580022100. 3從生物質中溶劑萃取聚羥基鏈烷酸酯涉及加熱蒸發掉部分溶劑的方式，需要加熱、冷卻等工藝，而且沒有提及這些蒸掉溶劑的去向，本發明重要內容之一就是回收蒸發掉的溶劑；CN97106977.8從真養產鹼桿菌中提取聚P _羥基烷酸酯的新方法需要一定的溫度和PH值條件，工藝複雜，且其專利針對的是真養產鹼桿菌這種純菌，而本發明所述的方法針對的是普通活性汙泥。CN200510100329. 6從溼菌體中提取高純度PHAs (聚羥基烷酸酯)的方法針對的主要是菌體發酵液，則其適用範圍受到限制，而本發明中可廣泛地適用於含PHA濃度較低、雜質較多的普通活性汙泥。此外， 一些文獻中提到氯仿和次氯酸鹽彌散的方法抽提PHA，其使用的次氯酸鈉溶劑量較大，增加了成本，獲得的含PHA氯仿溶液往往採取加熱、蒸餾、加其他試劑沉澱等方式分離，較為複雜，本發明中採用另外的溶劑對氯仿進行吸收分離，氯仿的蒸發採用的是曝氣+吹掃的方式，在分離出PHA的同時就實現了氯仿的回收。
權利要求
一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的裝置，它是由鼓風機(4)、乾燥器(5)、PHA氯仿溶液容器(1)、帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)、氣體連接管(6)、尾氣排出管(8)、NMP吸收劑容器(2)和尾氣處理裝置(3)組成的，其特徵在於鼓風機(4)連接乾燥器(5)，乾燥器(5)連接帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)，帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)位於PHA氯仿溶液容器(1)內，PHA氯仿溶液容器(1)通過氣體連接管(6)連接NMP吸收劑容器(2)，NMP吸收劑容器(2)通過尾氣排出管(8)連接尾氣處理裝置(3)。
2. —種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法，其特徵在於所述的方法步驟如下步驟一 預處理將濃度為3000-5000mg/L的活性汙泥溶液與次氯酸鈉溶液按5% `30%體積比混合製成混合溶液，加入與混合溶液等體積的氯仿，震蕩或攪拌直至細胞破碎完全，形成均勻乳濁液，離心分離、靜置沉澱或者真空抽濾，去除混合液中殘餘的破碎細胞雜質，取純淨透明的含PHA氯仿溶液部分，進行下一步驟；步驟二 提取分離將PHA氯仿溶液置於權利要求1所述的一種同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的裝置中，以1L的含PHA氯仿溶液為例，使用直徑為10cm的PHA回收容器，當氣體流量在1. 5L/s時，可在10 20h內完成PHA的提取和溶劑的揮發回收，環境溫度越高，相應提取時間越短；容器直徑越大，相應的提取時間越短；氣體流量越大，提取時間越短。在使用中可根據所使用的溶液量、氣體量和容器尺寸，進行靈活調整和實驗確定所需參數。進行氣體吹掃，帶有氣體吹掃的布氣裝置(7)的噴口向下開孔，位於液下部分起到液下吹脫作用，液上部分開口可起到表面吹掃作用，鼓風機(4)出口設置乾燥器(5)，防止水汽進入(1)的有機箱內，攜帶著揮發氯仿的氣流進入(2)，這一容器內放置吸收劑NMP，隨氣體攜帶的氯仿進入(2)後被NMP吸收，含微量氯仿的尾氣進入(3)，被活性炭吸收淨化，從尾氣排出管(8)排出，經過約10-20h的吹掃，(1)中的氯仿揮發完畢，剩餘的白色粉末即為PHA粗產品，當使用含PHA量較低的20 30%的活性汙泥提取時，獲得的PHA粗產品純度可達`70 %以上；當提取使用的活性汙泥雜質較少時，可獲得更高純度的PHA粗產品。
全文摘要
本發明提供一種能在常溫常壓的條件下，通過簡單的工藝條件，從雜質較多的剩餘活性汙泥或者多種混合培養的富含PHA微生物中同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑的方法及其裝置。它是由鼓風機、乾燥器、PHA氯仿溶液容器、帶有氣體吹掃的布氣裝置、氣體連接管、尾氣排出管、NMP吸收劑容器和尾氣處理裝置組成的，鼓風機連接乾燥器，乾燥器連接帶有氣體吹掃的布氣裝置，帶有氣體吹掃的布氣裝置位於PHA氯仿溶液容器內，PHA氯仿溶液容器通過氣體連接管連接NMP吸收劑容器，NMP吸收劑容器通過尾氣排出管連接尾氣處理裝置。本發明通過簡單的方式在常溫常壓條件下進行同步提取聚羥基烷酸脂和回收溶劑，具有工藝簡單、節能環保等多重功效。
文檔編號C07C67/58GK101709310SQ200910217410
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者呂炳南, 溫沁雪, 陳志強, 陳瑋 申請人:哈爾濱工業大學