CN101285077B - 一种利用水生植物制备短链脂肪酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明利用水生植物制备短链脂肪酸的方法，特征是按水和佩芬缓冲液体积比1∶1-3配制溶液，按5-30g/L加入粉碎的水生植物干料；以0.5-2.0L/d的添加速率将水生植物浓度为5-10g/L的进料液加入污泥浓度为10-30g/L、运行温度25-45℃的反应器，以碳酸氢钠调节pH在5.5-6.5；按0.05-0.25L/d排放残渣；所产气体中检测不到甲烷时污泥驯化完成；改添加浓度为10-30g/L的水生植物进料液；调节pH在5.5-6.5，至反应器稳定运行降解效率达55-70％，得到主要为乙酸、丙酸和丁酸的短链脂肪酸混合液，可作为化工原料使用，附加价值高；固体残渣可作为原料再利用。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术中处理利用水生植物的方法技术领域，具体涉及以水生植物为原料利用微生物厌氧发酵制备短链脂肪酸的方法。
背景技术
水生植物常被用于吸收水体中氮、磷等营养盐，从而使水体得到净化，达到水体环境保护的目的，但与此同时却又会产生大量水生植物的处理问题。目前已有的水生植物后续利用技术中，有中国专利公开号CN1307838所提到的从水生植物中提取出营养素来加工提炼药品及饲料添加剂，但该工艺繁琐，提取成本高；中国专利公开号CN1428314所提到的混合发酵制造肥料和中国专利公开号CN1263870所提到的采用厌氧发酵技术制备沼气的方法，所需的产甲烷微生物生长缓慢，处理能力低，且制得的沼气不易存储和运输。
据美国《环境科学与技术》(Environmental Science & Technology，Oh SE，Van GinkelS，Logan BE，2003，37(22)，5186-5190)报道，利用微生物厌氧发酵工艺所产生的短链脂肪酸是重要的化工原料，可以被用于制备生物塑料，甲烷和氢气等能源物质。现有微生物厌氧发酵工艺主要采用的是经酸、碱或加热处理得到的厌氧产酸污泥，且多以单糖或多糖类作为底物，产物收率高，工艺简单、条件温和；但由于其培养基中的碳源是葡萄糖、蔗糖、纯纤维素等高成本的原料，不太经济；且由于得到的产酸厌氧污泥长时间运行时活性下降，微生物种群容易发生改变，使得反应器不够稳定。
美国《应用环境微生物》(Applied and Environmental Microbiology，Pavlostathis SG，Miller TL，Wolin MJ，1988，54(11)，2655-2659)报道的瘤胃纯种微生物降解纤维素时使用的由碳酸氢钠5g/L，磷酸氢二钠1.9g/L，氯化钾0.5g/L，氯化钠0.5g/L，氯化镁0.13g/L，氯化钙0.05g/L，尿素0.5g/L组成的佩芬缓冲液，适宜于降解纤维素类物质的微生物使用。但此前未见被用于以富集、驯化得到能高效降解转化水生植物的厌氧微生物。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用水生植物为原料制备短链脂肪酸的方法，以克服现水生植物后续处理工艺麻烦、处理效率低的缺点，克服现有厌氧发酵技术原料成本高、长时间运行不稳定的缺点，达到有效处理因净化水体而产生的大量水生植物，降低短链脂肪酸生产成本，提高厌氧反应器工作效率的目的。
本发明利用水生植物制备短链脂肪酸的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按水和佩芬缓冲液的体积比为1∶1-3配制溶液，再按5-30g/L加入粉碎的水生植物干料，搅拌混合均匀后作为进料液；所述佩芬缓冲液由碳酸氢钠5g/L，磷酸氢二钠1.9g/L，氯化钾0.5g/L，氯化钠0.5g/L，氯化镁0.13g/L，氯化钙0.05g/L，尿素0.5g/L组成；
(2)驯化富集厌氧污泥：将取自城市污水厂厌氧消化池的原始污泥加入到连续流反应器，加水使反应体系的污泥浓度为10-30g/L；加热维持反应器运行温度为25-45℃，搅拌以保持体系混合均匀，以0.5-2.0L/d的添加速率将水生植物浓度为5-10g/L的进料液加入反应器，再加入碳酸氢钠调节反应体系的pH在5.5-6.5；按0.05-0.25L/d的速率排放残渣；在上述条件下连续运行至所产气体成分中检测不到甲烷时，厌氧污泥的驯化富集完成；
(3)进入稳定运行：厌氧污泥的驯化富集完成后，继续以0.5-2.0L/d的速率添加浓度改为10-30g/L的水生植物进料液；并调整混合液中加入的碳酸氢钠量以保持反应体系的pH在5.5-6.5，在上述条件下连续运行至出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，达到稳定运行阶段；
(4)固液分离：当出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，开始收集反应器的连续出水和排放的残渣混合液；采用孔径为0.25-1.0微米的滤膜，利用减压抽滤将液相产物和残渣进行膜分离，获得固体残渣和主要成分为乙酸、丙酸和丁酸的短链脂肪酸混合液。
本发明方法所适用的水生植物原料包括水葫芦、浮萍、芦苇、蒲草、美人蕉、黑麦草、香蒲、灯心草、菰、水花生和/或满江红。
由于本发明利用驯化富集的厌氧微生物对水生植物进行厌氧发酵，利用瘤胃纯种微生物培养用的佩芬缓冲液，以水生植物为原料，成功地驯化富集得到高效降解细菌；和现有经酸、碱或加热处理得到的厌氧产酸污泥的工艺过程相比，具备更优的稳定性，克服了其长时间运行不稳定的缺点；和现有利用水生植物产甲烷的工艺相比较，由于本发明方法中将pH控制在5.5-6.5范围内，能保持细菌的高效降解活性，能将水生植物转化成短链脂肪酸，系统效率更高；和现有利用葡萄糖、蔗糖、纯纤维素制备短链脂肪酸的工艺相比，本发明方法提供了制备短链脂肪酸的新原料和新方法，克服了现有厌氧污泥制备短链脂肪酸成本高的缺点；相对于现有水生植物制备饲料工艺，本发明方法的处理工艺更为简单、稳定，制得的产品便于运输和下游工艺利用；本发明以来源广泛的水生水生植物为原料，以富集驯化得到的厌氧微生物为接种污泥，有效地降低了生产成本，提高了水生植物的转化效率，具有较好的环保和经济效益。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：利用水生植物水葫芦制备短链脂肪酸
1、从江河水体中收集水葫芦，晾干，使用粉碎机械破碎成长度小于8mm的颗粒物；按水和佩芬缓冲液的体积比为1∶1配制溶液，再加入粉碎的水葫芦干料至5-10g/L，搅拌混合均匀后作为水生植物进料液。所述佩芬缓冲液参考美国《应用环境微生物》(Applied andEnvironmental Microbiology，Pavlostathis SG，Miller TL，Wolin MJ，1988，54(11)，2655-2659)报道的瘤胃纯种微生物降解纤维素时使用的缓冲液，其组成为：碳酸氢钠5g/L，磷酸氢二钠1.9g/L，氯化钾0.5g/L，氯化钠0.5g/L，氯化镁0.13g/L，氯化钙0.05g/L，尿素0.5g/L。
2、本实施例中采用总体积为4.9L的厌氧反应器，其中反应区体积为2.5L。加热并控制反应器的温度在40℃，搅拌速率为100转/分钟，接种后反应器内污泥浓度为10g/L，以添加速率为2.0L/d将浓度为5g/L的水生植物进料液加入反应器，调整加入的碳酸氢钠浓度维持反应器内pH为5.5-6.5；降解后的残渣溶液以0.1L/d的排放速率经出口排出。当运行到第20天至30天，所产气体成分中检测不到甲烷时，厌氧污泥的驯化富集完成。
3、污泥驯化富集完成后，以2.0L/d的添加速率将浓度改为10g/L的水生植物进料液加入反应器，调整加入的碳酸氢钠浓度维持反应器内pH为5.5-6.5，在上述条件下连续运行至出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，达到稳定运行阶段；在此阶段，水葫芦的降解效率可达55-60％，产酸量可达0.40±0.02g/g水葫芦。
经采用气相色谱测定，得知液相中短链脂肪酸主要为乙酸、丙酸和丁酸，这三种酸的摩尔比为1∶(1-2.5)∶(0.4-0.8)；短链脂肪酸在体系中的浓度或含量达到4.0-8.0g/L。所述气相色谱测定方法可参见《生物资源技术》(Bioresource Technology，Fang HHP，Liu H，2002，82，87-93)。
4、当测到出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，开始收集反应器的连续出水和排放的残渣混合液：采用孔径为0.25微米的醋酸纤维素酯微孔滤膜，利用减压抽滤，将出水和残渣溶液进行膜分离，收集液相产物和固体残渣。固体残渣可以作为原料在过程1中再利用。
5、利用液相产物为原料制备生物塑料：将上述得到的液相产物加入到以活性污泥厂曝气池污泥为接种污泥的好氧反应器，反应器体积为2.5L，工作体积为2.0L，控制污泥停留时间为10天，加热保持温度在25℃，每个反应周期为360分钟，分为：进料3分钟，曝气反应310分钟，静置沉降30分钟，排水排泥5分钟，缺氧静置12分钟。收集出水和排出的污泥，出水可以作为缓冲盐溶液在过程1中再利用。排出的污泥中生物塑料质量含量为30-40％，产率可达0.4-0.6g/g短链脂肪酸。上述利用液相产物作为原料制备生物塑料的方法，可参见国际水协杂志《水科学与技术》(Water Science and Technology，Nakajima F，Kamiko N，Yamamoto K，1997，35(8)，285-291)的相关报道。
实施例2：利用水生植物蒲草制备短链脂肪酸
1、收集水生植物蒲草，晾干，使用粉碎机械破碎成长度小于8mm的颗粒物；按水和佩芬缓冲液的体积比为1∶2配制溶液，再加入粉碎的蒲草干料至5-30g/L，搅拌混合均匀后作为水生植物进料液。所述佩芬缓冲液的组成为：碳酸氢钠5g/L，磷酸氢二钠1.9g/L，氯化钾0.5g/L，氯化钠0.5g/L，氯化镁0.13g/L，氯化钙0.05g/L，尿素0.5g/L。
2、本实施例中采用总体积为4.9L的厌氧反应器，其中反应区体积为2.5L。加热并控制反应器的温度为35℃，搅拌速率为100转/分钟。接种后反应器内污泥浓度为20g/L，以添加速率为0.5-2.0L/d将蒲草浓度为5-10g/L的水生植物进料液加入反应器，调整加入的碳酸氢钠浓度维持反应器内pH为5.5-6.5；按0.05-0.25L/d的速率排放残渣。当运行到第40天至50天，气体中检测不到甲烷，厌氧污泥的驯化富集完成。
3、污泥驯化富集完成后，以添加速率为0.5-2.0L/d将蒲草浓度改为10-30g/L的水生植物进料液加入反应器，调整加入的碳酸氢钠浓度维持反应器内pH为5.5-6.5，搅拌速率为100转/分钟，残渣排放速率为0.05-0.25L/d。在上述条件下连续运行至出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，达到稳定运行阶段。
在此阶段，蒲草的降解效率为50-70％，产酸可达0.45±0.02g/g蒲草，采用气相色谱测定得知液相中短链脂肪酸主要为乙酸、丙酸和丁酸，三种酸的摩尔比为1∶(1-2.5)∶(0.4-0.8)；短链脂肪酸在体系中的浓度在4.5-14.0g/L。
4、当测到出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，开始收集反应器的连续出水和排放的残渣混合液：采用孔径为0.25微米的醋酸纤维素酯微孔滤膜，利用减压抽滤，将出水和残渣溶液进行膜分离，收集液相产物和固体残渣。固体残渣可作为原料在过程1中重复使用。
5、利用液相产物为原料制备氢气：所采用的圆柱型光合反应器，直径为30mm，高400mm，反应区容积3.75L；上述液相产物经高压灭菌后，以2.0L/d的速度连续地输入到光合反应器中；光合产氢细菌-嗜酸红假单胞菌的接种浓度为2g/L，用白帜灯持续提供强度为6000勒克斯光能。产生的气体通过浓度为160g/L的氢氧化钠溶液以去除二氧化碳，再经过填充氯化钙的填充柱以去除水分，收集得到氢气，氢气产率为200-400mL/g短链脂肪酸。出水可以作为缓冲液在过程1中重新使用。上述利用液相产物制备氢气的方法可参见《国际生物腐蚀与降解》(International Biodeterioration & Biodegradation，Shi XY，YuHQ，2006，58(2)，82-88)的相关报道。
实施例3：利用水生植物美人蕉和芦苇混合物制备短链脂肪酸
1、收集水生植物芦苇和美人蕉，晾干，按美人蕉和芦苇的重量比为1∶0.5-1.5，使用粉碎机械破碎成长度小于8mm的混合原料颗粒物；按水和佩芬缓冲液的体积比为1∶2配制溶液，再加入粉碎的芦苇和美人蕉混合原料颗粒至5-30g/L，搅拌混合均匀后作为水生植物进料液。所述佩芬缓冲液的组成为：碳酸氢钠5g/L，磷酸氢二钠1.9g/L，氯化钾0.5g/L，氯化钠0.5g/L，氯化镁0.13g/L，氯化钙0.05g/L，尿素0.5g/L。
2、采用的厌氧反应器总体积为4.9L，其中反应区体积为2.5L，控制反应器的温度为35℃，搅拌速率为100转/分钟。接种后反应器内污泥浓度为30g/L，以添加速率为0.5-2.0L/d将混合水生植物原料浓度为5-10g/L的进料液加入反应器，调整加入的碳酸氢钠浓度以维持反应器内pH为5.5-6.5；降解后的残渣按0.05-0.25L/d的排放速率经出口排出。当运行到第40天至50天，气体中检测不到甲烷，厌氧污泥的驯化富集完成。
3、污泥驯化富集完成后，以添加速率为0.5-2.0L/d将混合水生植物原料浓度改为10-30g/L的进料液加入反应器，调整加入的碳酸氢钠浓度维持反应器内pH为5.5-6.5；搅拌速率为100转/分钟。降解后的残渣按0.25L/d的排放速率经出口排出。在上述条件下连续运行至出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，达到稳定运行阶段。此时混合物的降解效率为40-60％，产酸可达0.52±0.02g/g水生植物混合物。
采用气相色谱测定得知，液相中短链脂肪酸主要为乙酸、丙酸和丁酸，三种酸的摩尔比为1∶(1-2.5)∶(0.2-0.4)；短链脂肪酸在体系中的浓度在2.0-9.0g/L。
4、当测到出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，开始收集反应器的连续出水和排放的残渣混合液；采用孔径为0.25微米的醋酸纤维素酯微孔滤膜减压抽滤，将出水和残渣溶液进行膜分离，收集液相产物和固体残渣。固体残渣可以作为原料在过程1中重复使用。
5、利用液相产物制备甲烷：所采用的厌氧产甲烷反应器总体积为5.0L，其中反应区体积为3.0L，控制反应器的温度为35℃，接种污泥为污水处理厂消化池污泥，污泥浓度为20g/L，将上述液相产物以2.0L/d的速度连续地输入到反应器中，产生的气体通入浓度为160g/L的氢氧化钠溶液以去除二氧化碳，再经过填充氯化钙的填充柱以去除水分，收集得到甲烷，甲烷产率为100-200mL/g短链脂肪酸。出水可以作为缓冲液在过程1中重新使用。上述利用液相产物制备甲烷的方法可参见《生物化学过程》(Process Biochemistry，Han SK，Kim SH，Shin HS，2005，40(8)，2897-2905)的介绍。
实施例4：间歇式工艺利用水生植物水花生制备短链脂肪酸
1、收集水生植物水花生，晾干，使用粉碎机械破碎成长度小于8mm的颗粒物。
2、厌氧污泥的驯化富集过程除将水生植物进料液原料改为水花生外，其他同实例3的过程2一致。
3、所用厌氧发酵罐体积为2.5L，工作体积为1.8L，控制温度在35℃，按水和佩芬缓冲液的体积比为1∶3配制溶液，加入水花生原料，使发酵罐内初始底物浓度为5-25g/L，加入驯化富集得到的污泥，使发酵罐内初始污泥浓度为5-20g/L，搅拌速率为100转/分钟，调整加入的碳酸氢钠浓度保持pH在5.5-6.5，至发酵罐中的脂肪酸浓度不再增加时，该批次生产过程结束。
4、采用气相色谱测定得知液相中短链脂肪酸主要为乙酸、丙酸和丁酸，三种酸的摩尔比为1∶(1.5-3)∶(0.1-0.5)；短链脂肪酸在体系中的浓度在2.0-12g/L。
5、当测得的发酵罐中的短链脂肪酸浓度不再增加时，采用孔径为1.0微米的醋酸纤维素酯微孔滤膜减压抽滤对产物液进行膜分离，收集液相产物和固体残渣。固体残渣可作为原料在过程1中重复使用。液相产物可以用来制备生物塑料、制备氢气或制备甲烷。
实施例5：间歇式工艺利用水生植物黑麦草制备短链脂肪酸
1、收集水生植物黑麦草，晾干，使用粉碎机械破碎成长度小于8mm的颗粒物。
2、厌氧污泥的驯化富集过程除将水生植物进料液原料改为黑麦草外，其他同实例3的过程2一致。
3、厌氧发酵罐体积为2.5L，工作体积为1.8L，按水和佩芬缓冲液的体积比为1∶2配制溶液，加入黑麦草原料，使发酵罐内初始底物浓度为10g/L，加入驯化富集得到的污泥，使发酵罐内初始污泥浓度为10g/L，搅拌速率为100转/分钟，调整加入的碳酸氢钠浓度保持pH在5.5-6.5，发酵罐中的短链脂肪酸浓度不再增加时，该批次生产过程结束。
4、加热保持反应体系温度分别为25℃，30℃，40℃，45℃，操作过程同过程3时，所得到的短链脂肪酸在体系中的浓度分别为0.2-0.3，1.5-1.8，3.5-4.0，0.05-0.1g/L，采用气相色谱测定得知，液相中短链脂肪酸主要为乙酸、丙酸和丁酸，三种酸的摩尔比为1∶(1.5-3)∶(0.1-0.5)。
5、当测得的发酵罐中的短链脂肪酸浓度不再增加时，采用孔径为1.0微米的醋酸纤维素酯微孔滤膜减压抽滤对产物液进行膜分离，收集液相产物和固体残渣。固体残渣可作为原料在过程1中重复使用。液相产物可以用来制备生物塑料、制备氢气或制备甲烷。
将上述实施例中的原料水葫芦或蒲草或黑麦草或水花生或美人蕉和芦苇混合粉碎的原料，改用水生植物浮萍、芦苇、美人蕉、香蒲、灯心草、菰和满江红粉碎的原料，都得到了类似的结果。
Claims (2)
1. 一种利用水生植物制备短链脂肪酸的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按水和佩芬缓冲液的体积比为1∶1-3配制溶液，再按5-30g/L加入粉碎的水生植物干料，搅拌混合均匀后作为进料液；所述佩芬缓冲液由碳酸氢钠5g/L，磷酸氢二钠1.9g/L，氯化钾0.5g/L，氯化钠0.5g/L，氯化镁0.13g/L，氯化钙0.05g/L，尿素0.5g/L组成；
(2)驯化富集厌氧污泥：将取自城市污水厂厌氧消化池的原始污泥加入到连续流反应器，加水使反应体系的污泥浓度为10-30g/L；加热维持反应器运行温度为25-45℃，搅拌以保持体系混合均匀，以0.5-2.0L/d的添加速率将水生植物浓度为5-10g/L的进料液加入反应器，再加入碳酸氢钠调节反应体系的pH在5.5-6.5；按0.05-0.25L/d的速率排放残渣；在上述条件下连续运行至所产气体成分中检测不到甲烷时，厌氧污泥的驯化富集完成；
(3)进入稳定运行：厌氧污泥的驯化富集完成后，继续以0.5-2.0L/d的速率添加浓度改为10-30g/L的水生植物进料液；并调整混合液中加入的碳酸氢钠量以保持反应体系的pH在5.5-6.5，在上述条件下连续运行至出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，达到稳定运行阶段；
(4)固液分离：当出水中短链脂肪酸浓度不再增加时，开始收集反应器的连续出水和排放的残渣混合液；采用孔径为0.25-1.0微米的滤膜，利用减压抽滤将液相产物和残渣进行膜分离，获得固体残渣和主要成分为乙酸、丙酸和丁酸的短链脂肪酸混合液。
2. 如权利要求1所述利用水生植物制备短链脂肪酸的方法，特征在于所用的水生植物原料包括水葫芦、浮萍、芦苇、蒲草、美人蕉、黑麦草、香蒲、灯心草、菰、水花生和/或满江红。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |