CN108866116B - 利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，以城市处理污水后得到的污泥废弃物作为原料，以挥发性脂肪酸作为碳链延伸的底物，以醇类物质作为给电子体，在厌氧反应条件下，制备得到中链脂肪酸。与现有技术相比，本发明解决了现有制备中链脂肪酸所需粮食作物产生的植物油与人类温饱需要的粮食存在的竞争性，同时解决了有机固体废弃物处理难，能耗大的问题。

Description

利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法

技术领域

本发明属于环境工程，固体废物污染控制技术领域，尤其是涉及一种利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法。

背景技术

发现储存油田的缓慢进程与人类对石油日益加快的消耗速率势必会导致石油危机的爆发。目前，利用风能、光能、氢能和厌氧发酵等可再生技术产生可再生能源的工艺正快速发展，对于可再生化学物质的制备也需要利用可再生技术。而当今社会目前产生的有机废弃垃圾日益增多，富含碳的废弃物具有较高的化学需氧量，如不妥善处置，会对生态系统的平衡造成威胁，但通过有效处理，可将其中含有的碳物质转化为燃料或化学药剂。因此，找到将有机废弃物转化为可再生资源的技术方法十分迫切。中链脂肪酸是指碳原子数目在6-10之间的直链单分子羧酸，是产生化学燃料和其他化学物质的前导物，具有更高的能量密度，较小的水中溶解度，可以采用简单有效的方法分离而不需耗费能源，从而最终减少对石油燃料的依赖，是解决石油危机的重要突破口。综上，中链脂肪酸的优点主要包括：(1)可以直接利用废弃污泥转化，既解决能源危机，又对有机废弃物进行处理，一举两得；(2)操作环境简单；(3)能量耗费少，成本消耗低；(4)能量密度大；(5)在水中溶解度低，易于分离，减少分离需要的能量消耗。传统制备中链脂肪酸的方法是用粮油作物产生的植物油(棕榈仁油、椰子油和蓖麻子油等)，这些植物生长后产生的种子能够制备中链脂肪酸，进一步产生燃料和化学物质，然而，利用植物果实产生中链脂肪酸的方法会与人类粮食生产产生竞争，造成水资源的浪费和生物多样性的损失。采用从工业、生活过程中产生的有机废弃物作为原料对于制备中链脂肪酸是一种可替换性选择。这类废弃物是充足的、可再生的，不会与人类所需粮食作物竞争的，而且，作为废弃污染物，这类物质必须被处理防止造成环境污染。目前，还未见到利用有机废弃物制备中链脂肪酸的研究报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用碳链延伸技术以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，以解决现有储存资源不足，且有机废弃物产量日益增多，需要处置防止造成环境污染的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，以城市处理污水后得到的污泥废弃物作为原料，以挥发性脂肪酸作为碳链延伸的底物，以醇类物质作为给电子体，在厌氧反应条件下，制备得到中链脂肪酸。

所述污泥废弃物中包括能驯化出产生中链脂肪酸的微生物，微生物可以选用梭式芽孢杆菌、埃氏巨型球菌、红螺菌属等微生物。

作为碳链延伸底物的挥发性脂肪酸必须是短链羧酸，例如可以采用乙酸或丙酸。

作为给电子体的醇类物质所起的作用是便于和碳源发生反应，促进微生物向碳链延伸方向进行，可以选用甲醇、乙醇、丙三醇等。

所述醇类物质及挥发性脂肪酸碳原子摩尔比例在1:2到5:1之间均可。

所述的利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，反应在中温条件下进行(25℃-40℃)、pH值4.0-8.0、搅拌速率在100-180rpm之间、完全厌氧条件下进行。

所述污泥废弃物中还加入甲烷抑制剂，含量为5-15g/l。

所述营养媒介物为生长元素溶液、维生素溶液、痕量金属元素溶液。

所述甲烷抑制剂为磺化溴乙烷。

本发明摒弃传统方法采用粮食作物产生的植物油为来源制备中链脂肪酸，而利用有机固体废弃物作为反应原料，添加碳链延伸底物(短链羧酸)和给电子体，在厌氧条件下发酵产生中链脂肪酸。反应过程中为保证反应发酵罐的严格厌氧性，必须吹脱氮气以赶走原有存在的空气，保证污泥内的微生物在绝对厌氧环境下发生反应，产生中链脂肪酸。除此，还需在反应器中添加甲烷抑制剂(磺化溴乙烷)，因为微生物在厌氧条件下一般会进行乙酸产甲烷化或利用氢气产甲烷化反应，与产中链脂肪酸微生物进行底物竞争。将全部反应物添加到反应器内，将反应器内调节到产中链脂肪酸所需的最适条件下：pH设定在4-8之间，温度25°-40度，一定的搅拌周期(半连续反应器内)或震荡速率(批示实验中)，稳定操作30天左右，就能得到一定量的中链脂肪酸。

与现有技术相比，本发明有效利用有机废弃物作为原料，既降低了传统制备中链脂肪酸需要的粮食作物与人类农作物种植之间的竞争，又合理经济的对固体废弃物进行了处理，除此，反应产物中的中链脂肪酸具有优良的化学性质，可以作为化学燃料的添加剂，减少人类对传统石油资源的依赖；塑料、橡胶制品中的有效成分，对医学、化学、生物学等方向产生重大的意义。

附图说明

图1为使用的半连续发酵反应器的结构示意图。

图中，1-进液口、2-搅拌叶片、3-pH电极、4-氧化还原电极、5-取液口、6-水浴加热层、7-水浴加热控制计、8-气体排放口、9-气体流量计、10-PLC控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明通过城市污水处理系统得到的污泥，利用废弃污泥通过碳链延伸技术制备中链脂肪酸的步骤如下：

1)反应器：碳链延伸技术制备中链脂肪酸采用的反应器为带水浴加热层的半连续发酵罐，其结构如图1所示。污泥由进液口1进入反应器内，由取液口5排出反应器，在搅拌叶片2的作用下混合均匀。反应器外套设有水浴加热层6，水浴加热层6通过水浴加热控制计7在设定温度下对反应发酵罐加热，pH电极3和氧化还原电极4插入到液面下，将数据同监测到发酵罐中的温度一同传输到PLC控制器10，能实时监测反应器内的pH和氧化还原电位，使反应条件在设定下运行，另外反应器还连接有气体流量计9控制并测量其中的气体流动，气体流量计9上开设有气体排放口8；

2)配制污泥生长所需的媒介物，包括生长元素溶液、痕量金属元素溶液、维生素溶液以及甲烷抑制剂(防止污泥中的产甲烷微生物利用有机物发酵产生甲烷，减少中链脂肪酸的生成)；

3)将一定量的污泥按比例添加媒介物，添加碳源(碳链扩增的底物)和给电子体(与碳源底物反应并供给能量)；

4)将高纯氮气通入反应瓶内以去除反应器内存留的氧气，保证整个反应在厌氧条件下进行。将所有氧气排除后，迅速盖上进液活塞；

5)根据微生物最适生长条件设置反应发酵罐中的各项参数条件；

6)持续培养几天后，测定反应瓶中产生的羧酸量，重复操作4)和操作5)，反应瓶稳定运行一个月后，就能得到一定量的中链脂肪酸。

以下为更加具体的实施方式。

实施例1：

进行碳链延伸制备中链脂肪酸的技术采用一个半连续发酵反应器，有效体积10L；污泥由进液口进入反应器，搅拌方式为周期正转，污泥出水口位于反应器底端，反应器污泥龄设置为20天，反应器上安装PLC控制器，能根据设置参数自动调节反应器内搅拌周期、pH值、温度值。反应器的初始运行条件为：污泥进出量500ml、进泥时间为5min，出泥时间10min，pH控制在5±0.2，温度设定为35±2°，搅拌混合3min后，污泥反应10min。

将来自城市污水处理后得到的剩余污泥通入到上述反应器中，之后再加入微生物生长所需的营养媒介物和甲烷抑制剂(磺化溴乙烷)，防止微生物利用营养物产生甲烷减少碳链延伸反应，最后加入进行碳链延伸的底物，100mM乙酸和300mM乙醇(酸与醇物质的量比例为1:3，为水研究杂志记载最佳反应条件)，按上述方式稳定运行一个月，每间隔5-7天用气相检测器测定排出污泥内中链脂肪酸的产量。反应器运行第15天，出现少量的正己酸(碳原子数目为6的中链脂肪酸)，反应器运行第28天，检测到有正己酸、正辛酸(碳原子数目为8的中链脂肪酸)的产出。

产生中链脂肪酸的污泥内，还检测到有正丁醇和正己醇的存在，正丁醇(碳原子数目为4的醇类物质)在工业上可用于制造邻苯二甲酸、脂肪族二元酸等增塑剂，被广泛应用于各种塑料和橡胶制品中，也是有机合成中制丁醛、丁酸、丁胺和乳酸丁酯等物质的原料，具有十分广泛的工业应用；正己醇(碳原子数目为6的醇类物质)可用于制香料用酯类和药物，还是一种重要的石油添加剂。因此，通过上述反应得到的除中链脂肪酸外的这两种物质，也是十分重要的有机质。并且该实验可长期运行，最终得到较多的中链脂肪酸，可大规模的用于工业生产中。

实施例2：

进行碳链延伸制备中链脂肪酸的技术采用一个有效体积为11.5L的半连续发酵反应器。污泥由进液口进入反应器，污泥出水口位于反应器底端，反应器污泥龄设置为23天，反应器上安装PLC控制器，能根据设置参数自动调节反应器内搅拌周期、pH值、温度值。反应器的初始运行条件为：污泥进出量500ml、进泥时间为5min，出泥时间10min，pH控制在5±0.2，温度设定为35±2°，搅拌方式为周期正转，搅拌混合3min后，污泥反应10min。

将来自城市污水处理后得到的剩余污泥通入到上述反应器中，之后再加入微生物生长所需的营养媒介物和甲烷抑制剂(磺化溴乙烷)，防止微生物利用营养物产生甲烷减少碳链延伸反应，最后加入进行碳链延伸的底物，100mM丙酸和300mM乙醇(酸与醇物质的量比例为1:3，为水研究杂志记载最佳反应条件)，按上述方式稳定运行一个月，每间隔5-7天用气相检测器测定排出污泥内中链脂肪酸的产量。反应器运行第10天，出现少量的正戊酸(碳原子数目为5的短链脂肪酸)，反应器运行第27天，检测到有0.42g/L正庚酸(碳原子数目为7的中链脂肪酸)的存在。

实施例3：

利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，以城市处理污水后得到的污泥废弃物作为原料，以挥发性脂肪酸作为碳链延伸的底物，以醇类物质作为给电子体，在厌氧反应条件下，制备得到中链脂肪酸。

其中，使用污泥废弃物中包括能驯化出产生中链脂肪酸的微生物，例如可以采用的微生物种群包括梭式芽孢杆菌、埃氏巨型球菌或红螺菌属中的一种或几种，加入的挥发性脂肪酸为乙酸，醇类物质为甲醇，控制醇类物质及挥发性脂肪酸碳原子摩尔比在1:2，上述原料在25℃的条件下，控制pH值4.0、搅拌速率在100rpm的完全厌氧条件下进行。

除此之外，为了获得更好的效果，还可以在污泥废弃物中加入磺化溴乙烷作为甲烷抑制剂，含量为5g/l，以及加入包括生长元素溶液、维生素溶液或痕量金属元素溶液等作为营养媒介物。

实施例4：

利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，以城市处理污水后得到的污泥废弃物作为原料，以挥发性脂肪酸作为碳链延伸的底物，以醇类物质作为给电子体，在厌氧反应条件下，制备得到中链脂肪酸。

其中，使用污泥废弃物中包括能驯化出产生中链脂肪酸的微生物，例如可以采用的微生物种群包括梭式芽孢杆菌、埃氏巨型球菌或红螺菌属中的一种或几种，加入的挥发性脂肪酸为丙酸，醇类物质为丙三醇，控制醇类物质及挥发性脂肪酸碳原子摩尔比在1:5，上述原料在25℃的条件下，控制pH值8.0、搅拌速率在180rpm的完全厌氧条件下进行。

除此之外，为了获得更好的效果，还可以在污泥废弃物中加入磺化溴乙烷作为甲烷抑制剂，含量为15g/l，以及加入包括生长元素溶液、维生素溶液或痕量金属元素溶液等作为营养媒介物。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，其特征在于，该方法采用一个半连续发酵反应器，在pH=5±0.2，温度为35±2℃的厌氧反应条件下反应，以城市处理污水后得到的污泥废弃物作为原料，以挥发性脂肪酸作为碳链延伸的底物，以醇类物质作为给电子体，所述醇类物质及挥发性脂肪酸碳原子摩尔比在1:2到5:1之间，所述污泥废弃物能在该厌氧反应条件下驯化出促进产生中链脂肪酸的微生物，所述促进产生中链脂肪酸的微生物包括梭式芽孢杆菌、埃氏巨型球菌或红螺菌属中的一种或几种；

所述挥发性脂肪酸为乙酸、丙酸或正丁酸中的一种或几种；所述醇类物质为甲醇、乙醇或丙三醇中的一种或几种；所述污泥废弃物中还加入磺化溴乙烷作为甲烷抑制剂，含量为5-15g/l；所述污泥废弃物中还加入营养媒介物，包括生长元素溶液、维生素溶液或痕量金属元素溶液。

2.根据权利要求1所述的利用碳链延伸以有机废弃物为原料制备中链脂肪酸的方法，其特征在于，反应控制搅拌速率在100-180 rpm的完全厌氧条件下进行。

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