CN107354181A - 一种利用阴极还原调控有机废物协同发酵l‑乳酸的方法 - Google Patents

一种利用阴极还原调控有机废物协同发酵l‑乳酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用阴极还原调控有机废物协同发酵L‑乳酸的方法，包括以下步骤，搭建阴极还原发酵反应器，按照一定比例将发酵底物、发酵启动剂加入阴极发酵反应器中，利用电极在其发酵环境中提供阴极还原环境，调控发酵微生物定向代谢，产生L‑乳酸。在发酵阶段每天加入一定量阴极还原平衡剂，在发酵一定时间可获得高纯度的L‑乳酸。该方法辅助的药剂无毒，且流程、设备简单，效果显著。

Description

一种利用阴极还原调控有机废物协同发酵L-乳酸的方法
技术领域
本发明涉及一种阴极还原调控有机废物协同发酵L-乳酸的方法，属于有机废物资源循环利用技术领域。
背景技术
餐厨垃圾作为生活中常见的垃圾，具有有机物含量丰富、水分含量高、易腐烂等特点。在一般的水处理体系中，其作为有机垃圾被水中的微生物分解消化得以处理。该过程中一般会产生少量的中间产物，如各类长链酸以及烷烃等。而乳酸作为一种工业常用原料，具有极高的价值，其会在厌氧发酵过程中产生并被分解。
在厨余垃圾的发酵体系中，乳酸的总产量较低，且在产生过程中极易被分解，乳酸的手性是L-乳酸与D-乳酸的混合光学体。通过调节剩余污泥与餐厨垃圾协同发酵体系的碱度可调控乳酸的产量和L-乳酸光学纯度(CN201410109858.1)，但会降低产生速率，且额外添加的盐分增加了后续分离的难度。利用纯化后的菌种发酵可以增强乳酸的光学活性以提高其价值，但同时不可避免地面临着纯菌保存成本高、抗冲击能力弱和乳酸产量低等问题。强化厌氧环境中微生物分解餐厨垃圾并得到大量的、有效的、可利用的产品，是对垃圾的剩余价值再提取的方法，是符合绿色发展理念的方法，是一个值得深入研究的课题。
目前的研究中认为，通过改变发酵体系的一些参数，能够在一定程度上增加乳酸总产量，但难以脱离附加带有一定环境污染性的物质或效果难以得到较大的突破。到目前为止，寻求一个高效的、无环境污染的方法来提取有机废物(如本例中的厨余垃圾)的剩余价值是一个难题。
发明内容
本发明的目的是：高效提高有机废物在厌氧发酵过程中L-乳酸的产量。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种利用阴极还原调控有机废物协同发酵L-乳酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建阴极还原发酵反应器，阴极发酵反应器包括阳极反应平衡室、阴极发酵室、饱和氯化钾琼脂盐桥、搅拌装置、保温装置、电源，阳极反应平衡室及阴极发酵室位于反应器本体内，由保温装置保持反应器本体的温度，阴极发酵室底部设有搅拌装置，与电源正极相连的电极伸入阳极反应平衡室内，与电源负极相连的电极伸入阴极发酵室内，阳极反应平衡室和阴极发酵室间用饱和氯化钾琼脂盐桥连接，电极采用多孔石墨电极，配置阳极反应平衡剂、发酵启动剂和阴极还原平衡剂，发酵启动剂将于阴极还原发酵反应器启动时添加，阴极平衡剂将于阴极还原发酵反应器发酵过程中添加；
(2)配置有机废物作为发酵底物，按照一定比例将发酵底物、发酵启动剂加入阴极发酵反应器的阴极发酵室中，混合搅拌形成混合液启动发酵反应；
往阳极反应平衡室内加入阳极反应平衡剂；
(3)开启阴极还原发酵反应器的搅拌装置和保温装置，使阴极还原发酵反应器中的体系在一定温度下保温强化发酵，同时打开电源控制电压；
(4)在发酵阶段每天往阴极还原发酵反应器内加入一定量阴极还原平衡剂使体系保持在以平衡发酵体系及强化产物生成，发酵一定天数后可做乳酸的测定与提取。
优选地，所述的步骤(1)中阳极反应平衡剂为5～34g/L的KCl溶液。
优选地，所述的步骤(1)中发酵启动剂为城市生活污水厂二沉池的浓缩污泥，总悬浮固体TSS含量为5～25g/L，VSS/TSS在0.50以上，每升污泥驯化添加1～10g/L的L-乳酸溶液1～100mL，混合培养5～50h。
优选地，所述的步骤(1)中阴极还原平衡剂为特制的Ca(OH)2乳浊液，配置浓度为10～1000mg/L。
优选地，所述的步骤(2)中发酵底物为有机废物，如餐厨垃圾、食品加工厂废物，该底物的总悬浮固体TSS含量为10～300g/L，VSS/TSS在0.8以上。发酵底物和发酵启动剂的VSS投配比值为0.1～10；
优选地，所述的步骤(3)中一定温度为25～60℃，控制阴极电压为-100～-1000mV。
优选地，所述的步骤(4)中每日添加的阴极还原平衡剂量为发酵反应混合液体积的0.1％～1.0％，发酵天数控制在2-10天。
本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明方法使用的药剂和手段对水质没有危害，使用的污泥不需要特殊培养，操作过程安全。
(2)本发明方法中所采用的电极为石墨电极，价格低廉，且在使用过程中不会发生明显耗损；使用的电压较低，且实际电流较小，是一个十分环保、低耗的方法。
(3)本发明方法能在短时间内显著提高厨余垃圾在污泥厌氧发酵条件下L-乳酸的产量。
(4)本发明方法能在短时间内显著提高厨余垃圾在污泥厌氧发酵条件下得到的L-乳酸的光学纯度。
附图说明
图1为本发明中使用的阴极还原发酵反应器的示意图。
具体实施方式
对体系检测指标包括污泥TSS与VSS、餐厨垃圾TSS与VSS、总乳酸浓度。具体测定方法见[水与废水检测分析方法(第四版)中国环境科学出版社，北京，2002]。
以下实施例均使用了如图1所示的阴极还原发酵反应器。阴极发酵反应器是一种强化发酵微生物转化有机废物生产L-乳酸的发酵反应器，主要包括阳极反应平衡室、阴极发酵室、盐桥、搅拌控温系统、稳压供电系统系统等。在阳极反应平衡室、阴极发酵室上安装好电极、稳压供电系统和搅拌控温系统，将阳极反应平衡剂放置在阳极反应平衡室，将发酵底物、发酵启动剂组成的混合液放置在阴极发酵室中，在阳极反应平衡室和阴极发酵室间用饱和氯化钾琼脂盐桥连接。
实施例1
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝12.3g/L，VSS＝7.9g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为45.5％，可挥发性有机物占总重比例为44.0％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置阳极反应平衡剂，将20g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(4)配置发酵启动剂，在1L浓缩污泥中加入50mL的L-乳酸，混合培养24h。
(5)配置阴极还原平衡剂，将50mg的Ca(OH)2溶解在100mL去离子水中，得到0.5g/L的Ca(OH)2溶液。
(6)将阳极反应平衡剂放置在阳极反应平衡室，将发酵底物、发酵启动剂组成的混合液放置在阴极发酵室中，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为-400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(7)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的阴极还原平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中L-乳酸的产量相比于一般发酵体系提高了42.3％，光学纯度提高了60.2％。
实施例2
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝15.5g/L，VSS＝10.2g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为45.2％，可挥发性有机物占总重比例为43.9％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置阳极反应平衡剂，将15g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成15g/L的KCl溶液。
(4)配置发酵启动剂，在1L浓缩污泥中加入46mL的L-乳酸，混合培养24h。
(5)配置阴极还原平衡剂，将100mg的Ca(OH)2溶解在100mL去离子水中，得到1.0g/L的Ca(OH)2溶液。
(6)将阳极反应平衡剂放置在阳极反应平衡室，将发酵底物、发酵启动剂组成的混合液放置在阴极发酵室中，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为-400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(7)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的阴极还原平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中L-乳酸的产量相比于一般发酵体系提高了37.6％，光学纯度提高了36.0％。
实施例3
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝18.9g/L，VSS＝12.2g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为46.8％，可挥发性有机物占总重比例为45.0％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置阳极反应平衡剂，将14g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成14g/L的KCl溶液。
(4)配置发酵启动剂，在1L浓缩污泥中加入70mL的L-乳酸，混合培养24h。
(5)配置阴极还原平衡剂，将50mg的Ca(OH)2溶解在100mL去离子水中，得到0.5g/L的Ca(OH)2溶液。
(6)将阳极反应平衡剂放置在阳极反应平衡室，将发酵底物、发酵启动剂组成的混合液放置在阴极发酵室中，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为-400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(7)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的阴极还原平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中L-乳酸的产量相比于一般发酵体系提高了77.9％，光学纯度提高了89.5％。
实施例4
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝12.7g/L，VSS＝7.6g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为45.2％，可挥发性有机物占总重比例为44.3％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置阳极反应平衡剂，将20g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成20g/L的KCl溶液。
(4)配置发酵启动剂，在1L浓缩污泥中加入50mL的L-乳酸，混合培养24h。
(5)配置阴极还原平衡剂，将100mg的Ca(OH)2溶解在100mL去离子水中，得到1.0g/L的Ca(OH)2溶液。
(6)将阳极反应平衡剂放置在阳极反应平衡室，将发酵底物、发酵启动剂组成的混合液放置在阴极发酵室中，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为-400±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(7)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的阴极还原平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中L-乳酸的产量相比于一般发酵体系提高了60.3％，光学纯度提高了51.7％。
实施例5
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝20.1g/L，VSS＝11.3g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为46.2％，可挥发性有机物占总重比例为45.5％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置阳极反应平衡剂，将15g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成15g/L的KCl溶液。
(4)配置发酵启动剂，在1L浓缩污泥中加入50mL的L-乳酸，混合培养24h。
(5)配置阴极还原平衡剂，将100mg的Ca(OH)2溶解在100mL去离子水中，得到1.0g/L的Ca(OH)2溶液。
(6)将阳极反应平衡剂放置在阳极反应平衡室，将发酵底物、发酵启动剂组成的混合液放置在阴极发酵室中，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为-300±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(7)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的阴极还原平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中L-乳酸的产量相比于一般发酵体系提高了39.4％，光学纯度提高了38.5％。
实施例6
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝16.8g/L，VSS＝11.6g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为43.5％，可挥发性有机物占总重比例为42.2％。
(2)将石墨柱打磨后洗净，放置在105℃烘箱内烘干12小时。取一定量的污泥置于烧杯中按一般厌氧污泥培养方法培养，并将石墨柱置于该烧杯中静置48小时。
(3)配置阳极反应平衡剂，将25g固体KCl溶解于1000mL的去离子水中，配成25g/L的KCl溶液。
(4)配置发酵启动剂，在1L浓缩污泥中加入100mL的L-乳酸，混合培养24h。
(5)配置阴极还原平衡剂，将80mg的Ca(OH)2溶解在100mL去离子水中，得到0.8g/L的Ca(OH)2溶液。
(6)将阳极反应平衡剂放置在阳极反应平衡室，将发酵底物、发酵启动剂组成的混合液放置在阴极发酵室中，将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，实际电压为-500±10mV，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(7)每24小时对厌氧反应器内溶液取样，并加入一定量的阴极还原平衡剂以保持系统pH稳定。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。检测后发现样品中L-乳酸的产量相比于一般发酵体系提高了35.4％，光学纯度提高了44.1％。
对比例1传统餐厨垃圾厌氧反应方法：
(1)从城市生活污水厂二沉池取得新鲜污泥，进行初步沉淀。获取一定量的餐厨垃圾，对沉淀后的污泥与餐厨垃圾中的干物质进行测定。测定后得污泥的TSS＝14.5g/L，VSS＝9.1g/L；餐厨垃圾的总干重占总重比例为43.1％，可挥发性有机物占总重比例为42.5％。
(2)配置发酵液，在厌氧反应器中加入659.3mL的沉淀后的污泥，84.7g的用搅拌器打碎后的厨余垃圾，加入去离子水使总体积为1000mL，得到污泥TSS＝9.6g/L，VSS＝6.0g/L，餐厨垃圾TSS＝36.5g/L，VSS＝36.0g/L的发酵液。
(3)将厌氧反应器至于加热装置中，设定加热温度为45±1℃，密封厌氧反应器后进行持续发酵。
(4)每24小时对厌氧反应器内溶液取样。将样品离心并过滤0.22微米孔径的滤膜后经行检测。
从上述实施例和对比例的检测结果可知，与餐厨垃圾厌氧反应方法相比，按照本发明方法对污泥进行厌氧发酵处理后，产品L-乳酸的产量会得到显著的提高，其光学纯度也得到了明显的提升。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用阴极还原调控有机废物协同发酵L-乳酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建阴极还原发酵反应器，阴极发酵反应器包括阳极反应平衡室、阴极发酵室、饱和氯化钾琼脂盐桥、搅拌装置、保温装置、电源，阳极反应平衡室及阴极发酵室位于反应器本体内，由保温装置保持反应器本体的温度，阴极发酵室底部设有搅拌装置，与电源正极相连的电极伸入阳极反应平衡室内，与电源负极相连的电极伸入阴极发酵室内，阳极反应平衡室和阴极发酵室间用饱和氯化钾琼脂盐桥连接，电极采用多孔石墨电极，配置阳极反应平衡剂、发酵启动剂和阴极还原平衡剂，发酵启动剂将于阴极还原发酵反应器启动时添加，阴极平衡剂将于阴极还原发酵反应器发酵过程中添加；
(2)配置有机废物作为发酵底物，按照一定比例将发酵底物、发酵启动剂加入阴极发酵反应器的阴极发酵室中，混合搅拌形成混合液启动发酵反应；
往阳极反应平衡室内加入阳极反应平衡剂；
(3)开启阴极还原发酵反应器的搅拌装置和保温装置，使阴极还原发酵反应器中的体系在一定温度下保温强化发酵，同时打开电源控制电压；
(4)在发酵阶段每天往阴极还原发酵反应器内加入一定量阴极还原平衡剂使体系保持在以平衡发酵体系及强化产物生成，发酵一定天数后可做乳酸的测定与提取。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中阳极反应平衡剂为5～34g/L的KCl溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中发酵启动剂为城市生活污水厂二沉池的浓缩污泥，总悬浮固体TSS含量为5～25g/L，VSS/TSS在0.50以上，每升污泥驯化添加1～10g/L的L-乳酸溶液1～100mL，混合培养5～50h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中阴极还原平衡剂为特制的Ca(OH)2乳浊液，配置浓度为10～1000mg/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中发酵底物为有机废物，如餐厨垃圾、食品加工厂废物，该底物的总悬浮固体TSS含量为10～300g/L，VSS/TSS在0.8以上。发酵底物和发酵启动剂的VSS投配比值为0.1～10。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中一定温度为25～60℃，控制阴极电压为-100～-1000mV。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中每日添加的阴极还原平衡剂量为发酵反应混合液体积的0.1％～1.0％，发酵天数控制在2-10天。
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