CN103255182B - 一种同时生产生物气和脂肪酸的方法及其反应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种同时生产生物气和脂肪酸的方法，具体包括将厌氧微生物和培养基加入到发酵体系中，控制发酵体系的转速，pH值和温度；发酵初期，按照序批模式向发酵体系中加入有机底物，逐步升高反应体系的温度，直至发酵体系的温度升至临界温度；随后维持该温度恒定，继续按照序批模式向发酵体系中加入有机底物；之后按照连续流模式向发酵体系中加入有机底物。本发明还提供了一种同时生产生物气和脂肪酸的反应系统。本发明通过环境条件控制混合菌群的组成，使得发酵体系的气相和液相代谢产物简单化。使得反应器的气相产物即生物气包含甲烷和二氧化碳，而液相产物则是乙酸，从而成功实现了混合菌群厌氧发酵同时生产生物燃料和重要化工产品。
Description
技术领域
本发明涉及微生物发酵技术领域，具体涉及一种同时生产生物燃料和重要化工产品的方法及其反应系统。
背景技术
能源是维持人类生活和促进社会经济发展的重要基础之一。采用可再生能源取代化石能源是解决化石能源枯竭、环境恶化等全球性问题的重要途径之一，也是当前关注和研究的热点。混合菌群厌氧发酵技术具有能够利用多种有机底物、操作简单、运行成本低等优点，同时能够生产多种重要的生物燃料和工业化学品。所以，混合菌群厌氧发酵技术是解决当前能源和环境等问题的潜在路径之一。
通过降低反应器污泥停留时间，厌氧发酵可以用于生产氢气。但是在该运行模式下，液相产物为混合的脂肪酸，需要消耗大量的能量才能实现其分离和纯化。氢气分压是控制液相产物的重要因素，降低氢气分压可以使得液相产物仅为单一的脂肪酸——乙酸。在产甲烷反应器中，嗜氢产甲烷菌能够降氢气分压，不过液相中的脂肪酸同时也被嗜乙酸产甲烷菌转化为甲烷，所以产物几乎全部是甲烷。脂肪酸是重要的工业化学品，也可以作为化工原料进一步生产多种产品和生物燃料。所以，以有机污染物为底物利用厌氧发酵同时生产甲烷和脂肪酸，兼具生产生物燃料和工业化学品的优点，是一项潜在的新型生物技术，同时也具有广阔的应用前景。
通过纯菌复配技术可以实现上述目的——同时生产甲烷和单一的脂肪酸，不过纯菌发酵过程具有运行成本高、底物需要灭菌处理、等缺点，并不适合大规模应用。但是，由于在混合菌群中选择性富集嗜氢产甲烷菌同时抑制嗜乙酸产甲烷菌活性非常困难，目前还没有通过混合菌群厌氧发酵同时生产甲烷和脂肪酸的研究报道。
发明内容
为了解决在混合菌群中选择性富集嗜氢产甲烷菌同时抑制嗜乙酸产甲烷菌活性的问题，本发明目的在于提供一种通过环境条件控制混合菌群组成用以同时生产生物气和脂肪酸的方法。
本发明的另一目的是提供一种同时生产生物气和脂肪酸的反应系统。
为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：
首先，本发明提供了一种同时生产生物气和脂肪酸的方法，具体包括如下步骤：
（1）发酵初始，将厌氧微生物和培养基加入到发酵体系中，控制发酵体系的转速为300-450转/分钟，pH值为6.5-7.5，控制发酵体系的初始温度为20-55℃；
（2）发酵初期，按照序批模式向发酵体系中加入有机底物，使有机底物的浓度维持在0.05至2.0g/L之间，逐步升高反应体系的温度，直至发酵体系的温度升至临界温度，该过程时间为20-40天；
（3）待发酵体系的温度升至临界温度时，维持该温度恒定，继续按照序批模式向发酵体系中加入有机底物，使有机底物的浓度维持在0.05至5.0g/L之间，该过程时间为8-15天；
（4）发酵稳定期，按照连续流模式向发酵体系中加入有机底物，进水中有机底物浓度为0.5-50.0g/L，反应器的水力学停留时间（HRT）为2-30天。
优选的，所述微生物包括耐高温的细菌和嗜氢产甲烷古菌，如Thermoanaerobacter tengcongensis（耐高温细菌）和Methanothermobacterthermautotrophicus（耐高温古菌）。
优选的，步骤(2)中所述临界温度为65-75℃，升温速度为0.3-5℃/天；其中，所述临界温度是指能富集嗜氢产甲烷菌同时抑制嗜乙酸产甲烷菌活性的最适温度。
优选的，所述培养基没有特别的限制，本实施例用的培养基，如（单位是：mg/L）NH4Cl，500；KH2PO4，200；Na2SO4，40；KCl，50；CaCl2，10；MgCl2·6H2O，70；MnCl2·4H2O，0.8；CoCl2·2H2O，1.2；FeSO4·7H2O，3.2；AlCl3，0.5；NaMO4·2H2O，0.1；H3BO3，0.2；NiCl2·6H2O，0.5；CuCl2·2H2O，1.1；ZnSO4·2H2O，3.2；EDTA（Na+型)，3.0。
优选的，所述有机底物包括葡萄糖，蔗糖，甘油等可生物降解的有机物。
优选的，步骤(2)、(3)中所述反应器的进水中有机底物浓度为0.05-30g/L。
进一步地，本发明提供了一种同时生产生物气和脂肪酸的反应系统包括：反应器，以及分别与该反应器贯通的有机底物供应装置，培养基供应装置，液相代谢产物回收装置，气相代谢产物回收装置，pH值检测装置和pH值控制装置。
优选的，所述反应器上还设有温度控制装置和搅拌装置。更优选的，所述搅拌装置为磁力搅拌装置。
优选的，所述反应器上还设有液体取样口。
优选的，所述反应器顶盖上还设有气体取样口。
优选的，所述有机底物供应装置和/或培养基供应装置中设有进水控制泵。
相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：
（1）在序批式反应器中逐渐升高温度，利于富集培养适应高温的厌氧发酵菌群；
（2）通过高温这一环境因素控制古菌菌群分布，抑制嗜乙酸产甲烷菌的活性，从而孤立富集嗜氢产甲烷菌。
（3）通过连续运行模式，可以获得纯度更高的含有嗜氢产甲烷菌的厌氧菌群。
总之，本发明提供的同时生产生物气和脂肪酸的方法能够通过环境条件控制混合菌群的组成，使得混合菌群的气相和液相代谢产物简单化。该方法可以控制古菌以嗜氢产甲烷菌为主，使得反应器的气相产物即生物气包含甲烷和二氧化碳，而液相产物则是乙酸，从而成功实现了厌氧发酵同时生产生物燃料和重要化工产品。
附图说明
图1为本发明实施例所用装置的结构示意图。
其中附图标记如下：
反应器1，磁子11，进水口12，出水口14，出气口15，pH计插入口16，以及酸液进样口17，碱液进样口18，气体取样口19，有机底物供应装置2，培养基供应装置3，液相代谢产物回收装置4，气相代谢产物回收装置5，pH值检测装置6，控制泵21、31。
具体实施方式
下面结合附图及其具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护方位并不局限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
实施例1同时生产生物气和脂肪酸的反应系统
如图1所示，一种同时生产生物气和脂肪酸的反应系统包括：反应器1，以及分别与该反应器1贯通的有机底物供应装置2，培养基供应装置3，液相代谢产物回收装置4，气相代谢产物回收装置5，pH值检测装置6和pH值控制装置。其中，所述反应器1上设有分别与所述有机底物供应装置2，液相代谢产物回收装置4，气相代谢产物回收装置5，pH值检测装置6，pH值控制装置7相贯通的进水口12、出水口14、出气口15、pH计插入口16、以及酸液进样口17和碱液进样口18；所述培养基供应装置3与所述有机底物供应装置2共用所述进水口12。
本实施例中，所述pH值检测装置6为pH计6、所述pH值控制装置优选酸/碱液滴定装置（图中未示出），本实施例中所述pH值的控制是分别通过反应器1顶盖上设有的酸液进样口17和碱液进样口18来进行酸碱的滴定来完成。
所述反应器1上还设有温度控制装置和搅拌装置。本实施例中，所述搅拌装置是在反应器1的底部设有磁子11，所述温度控制装置是所述反应器1的底部设计成具有加热功能，以确保反应器1在设定的温度下反应（图中未示出）。
为了随时能够检测反应体系的变化，所述反应器1的侧壁上还设有液体取样口13。
为了随时能够检测反应体系生产出气体的变化，所述反应器1顶盖上还设有气体取样口19。
为了控制有机底物和培养基的用量，所述有机底物供应装置2和/或培养基供应装置3中设有进水控制泵21、31。
实施例2
所用装置采用实施例1中的装置，如图1所示。反应器材质为玻璃。外壳内径12cm，高17cm。在距下端2cm，6cm，11cm，12cm处分别设有进水口12，下取样口13，上取样口13和出水口14。
发酵方法如下：
向厌氧发酵反应器中加入接种物和培养基。接种物为安徽丰原生物化学股份有限公司处理柠檬酸废水的厌氧污泥，其是包含Thermoanaerobactertengcongensis（耐高温细菌）和Methanothermobacter thermautotrophicus（耐高温古菌）的混合菌群。反应器的进水为葡萄糖，浓度10g/L，反应器的HRT为20天。培养基组成为（单位是：mg/L）NH4Cl，500；KH2PO4，200；Na2SO4，40；KCl，50；CaCl2，10；MgCl2·6H2O，70；MnCl2·4H2O，0.8；CoCl2·2H2O，1.2；FeSO4·7H2O，3.2；AlCl3，0.5；NaMO4·2H2O，0.1；H3BO3，0.2；NiCl2·6H2O，0.5；CuCl2·2H2O，1.1；ZnSO4·2H2O，3.2；EDTA（Na+型)，3.0。控制发酵体系的初始温度为35℃。
首先按照序批模式运行，向发酵体系中加入有机底物1g/L葡萄糖，使得有机底物的浓度维持在0.05至2.0g/L之间。将反应器转速设为300至450转/分钟之间，pH值维持在6.5-7.5之间，并将反应器温度在20-40天内逐步升至70℃。
每天从取样口取液相样品，检测反应器内葡萄糖浓度，手动添加有机底物，使得底物浓度维持在0.1至1g/L之间。在如上条件下，运行5天后，将反应器温度在之后20天时间内逐渐升高至70℃。并且在70℃条件下，连续运行10天以底物降解能力为指标检测反应器的运行状况是否稳定。
然后，按照如下条件开始连续流运行：进水葡萄糖浓度为9g/L，HRT为10天。通过反应器出水中有机底物的浓度，调节进水条件（包括底物浓度和HRT）使得进水负荷维持在0.2-5.0g-COD/升/天。
结果表明，反应器出水以乙酸为主，浓度为4.5g/L左右，丙酸和丁酸的浓度仅为0.3和0.1g/L。甲烷的产量为0.17L/(L-reactor·day)。乙酸和甲烷的计量关系分别为：1.5和1.2mol/mol-glucose。当HRT降为5天时，反应器依旧运行稳定，反应器出水中乙酸的浓度为4.4g/L左右，丙酸和丁酸的浓度仅为0.2和0.05g/L。甲烷的产量为0.33L/(L-reactor·day)。乙酸和甲烷的计量关系分别为：1.6和1.0mol/mol-glucose。上述两种运行条件下，乙酸占反应器液相代谢产物的含量均超过90%。此外，反应器出水中葡萄糖的浓度均低于0.1g/L。
本实施例中临界值的测定：
通过构建克隆文库对微生物菌群分析表明，古菌中嗜氢产甲烷菌主要是嗜氢产甲烷菌Methanothermobacter thermautotrophicus和Methanobacteriumthermoaggregans，总含量达到古菌总量的98%以上。而嗜乙酸产甲烷菌则低于2%。这说明，通过环境条件即反应器温度维持在70℃，可以控制古菌菌群分布，实现利用有机底物同时生产生物气和纯度较高的单一脂肪酸的目的。此外，细菌主要包括Thermoanaerobacter tengcongensis和Caldanaerobactersubterraneus，达到细菌总克隆数的75.5%。
实施例3间歇模式下，通过环境条件控制混合菌群组成用以同时生产生物气和脂肪酸的反应器系统采用与实施例1相同的反应系统，采用实施例2中自丰原生物化学股份有限公司处理柠檬酸废水的厌氧污泥为接种源。培养基组成为（单位是：mg/L）NH4Cl，500；KH2PO4，200；Na2SO4，40；KCl，50；CaCl2，10；MgCl2·6H2O，70；MnCl2·4H2O，0.8；CoCl2·2H2O，1.2；FeSO4·7H2O，3.2；AlCl3，0.5；NaMO4·2H2O，0.1；H3BO3，0.2；NiCl2·6H2O，0.5；CuCl2·2H2O，1.1；ZnSO4·2H2O，3.2；EDTA（Na+型)，3.0。pH值维持在6.5-7.5之间，温度为70℃。以间歇模式运行10天，每天分三次加入葡萄糖，其浓度为6.0g/L。乙酸的浓度达到35g/L，而丙酸和丁酸的浓度均低于1.0g/L，因此，乙酸占反应器液相代谢产物的含量也超过90%。甲烷的产量为1.07L/(L-reactor·day)。乙酸和甲烷的计量关系分别为：1.3和1.1mol/mol-glucose。
在实施例2和3中，采用不同的实验条件均表明，以葡萄糖为底物，通过将温度维持在70℃下，可以使得代谢产物简化为甲烷和乙酸，其产量分别是1.0-1.2mol/mol-glucose和1.3-1.6mol/mol-glucose。并且，乙酸的含量达到液相中代谢总量的90%以上。因此，实施例2和3中均得到了本发明所要的结果。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，例如，将反应器运行模式改为生物膜反应器、厌氧滤池、UASB、EGSB等，或者采用替他的运行条件，如更高的温度、其他的pH值和有机底物等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种同时生产生物气和脂肪酸的方法，具体包括如下步骤：
(1)发酵初始，将厌氧微生物和培养基加入到发酵体系中，控制发酵体系的转速为300-450转/分钟，pH值为6.5-7.5，控制发酵体系的初始温度为20-55℃；
(2)发酵初期，按照序批模式向发酵体系中加入有机底物，使有机底物的浓度维持在0.05至2.0g/L之间，逐步升高反应体系的温度，直至发酵体系的温度升至临界温度，该过程时间为20-40天；所述临界温度为65-75℃，升温速度为0.3-5℃/天；
(3)待发酵体系的温度升至临界温度时，维持该温度恒定，继续按照序批模式向发酵体系中加入有机底物，使有机底物的浓度维持在0.05至5.0g/L之间，该过程时间为8-15天；
(4)发酵稳定期，按照连续流模式向发酵体系中加入有机底物，进水中有机底物浓度为0.5-30.0g/L，反应器的水力学停留时间为2-30天。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微生物包括耐高温的细菌和嗜氢产甲烷古菌。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机底物包括葡萄糖，蔗糖，甘油。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)、(3)中所述反应器的进水中有机底物浓度为0.05-50g/L。
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