CN110643644B - 利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有机废弃物资源化循环利用领域，涉及一种利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法，其包括如下步骤：S1.对接种污泥先进行热处理；S2.在热处理后的接种污泥中加入混合短链脂肪酸溶液；S3.加入乙醇驱动混合短链脂肪酸的碳链延长反应以生产中链脂肪酸。本发明实现了复杂的混合短链脂肪酸在同一开放培养体系中完成多步碳链延长反应，较其他以往研究，该方法可同步生产己酸、庚酸和辛酸等多种中链脂肪酸，且该方法无需灭菌，操作简便，能够适应任意组分比例的短链脂肪酸，得到的己酸、庚酸、辛酸易分离、经济附加值高。

Description

利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法
技术领域
本发明属于有机废弃物资源化循环利用领域，具体涉及一种利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法。
背景技术
短链脂肪酸是有机废弃物厌氧消化过程中的关键中间代谢产物，一方面可用于生产沼气，另一方面可通过反向β氧化(碳链延长反应)合成高附加价值的中链脂肪酸。相对于短链脂肪酸，中链脂肪酸作为一种重要的羧酸平台化合物，具有以下特点：(1)在水中的溶解度相对较低(≤1％)，易分离提取；(2)可用于合成生物燃料的前体，据报道中链脂肪酸可通过Kolbe脱羧反应转化为C6-C12的直链烷烃，作为航空燃油使用；(3)在橡胶、树脂合成工业、生物抑菌剂和制药工业上有重要应用，可合成香料用于食品等工业。
近年来，采用厌氧发酵工艺生产中链脂肪酸受到日益关注。在电子供体的驱动下，短链脂肪酸可发生反向β氧化进而合成中链脂肪酸，且研究发现Clostridium kluyverixx是目前公认的最主要的中链脂肪酸合成菌种，其可将乙酸和乙醇转化为高浓度的己酸；另外该菌种也可利用合成气废水(一种高乙醇/乙酸比废水)进行碳链延长反应，进一步生成己酸和辛酸。另外国内专利CN 107142288 A也公开了一种混合菌群发酵合成气产乙酸和辛酸的方法。陈哲柯等利用剩余污泥厌氧发酵液进行链式延长反应也获得了己酸，但初级发酵液中短链脂肪酸成分相对简单(主要为乙酸和丁酸)，产物中仅检测到了己酸(陈哲柯.基于厌氧发酵的剩余污泥产中链脂肪酸研究.湖南大学,2018)。总结发现，现有研究或专利多针对单一底物或成分相对简单的乙酸-乙醇废水，且产物一般以单一的己酸为主；而针对利用混合短链脂肪酸溶液同时生产多种中链脂肪酸的研究未见报道。且畜禽粪污的厌氧发酵液含有多种短链脂肪酸，因此相比于采用单一底物以及含有乙酸或乙醇的废水，采用混合脂肪酸溶液进行链式延长反应生产中链脂肪酸具有更广泛的应用前景。
发明内容
本发明正是针对上述技术问题，提供一种利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸(MCCA)的方法，包括如下步骤：
S1.对接种污泥先进行热处理；所述热处理为85℃水浴加热3-5h；
S2.在热处理后的接种污泥中加入混合短链脂肪酸溶液；
S3.加入乙醇驱动混合短链脂肪酸的碳链延长反应以生产中链脂肪酸，控制碳链延长反应过程的pH值在6.5-7.0，乙醇的添加量基于乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为(2-5):1确定。
其中，所述乙醇的添加量基于乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为2:1。
本发明的有益效果：
本发明针对畜禽粪便发酵液复杂的短链脂肪酸成分，经大量研究确定了利用其生产中链脂肪酸—正己酸，以及一般有机物发酵中较难得到的正庚酸和正辛酸的方法。
本发明利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法预先将污泥进行85℃水浴加热3-5h的方式预处理，降低接种污泥中产甲烷菌的代谢活性，降低有机酸的甲烷化作用，无需添加其他化学抑制剂。
本发明利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法控制发酵过程的pH值在6.5-7.0，以维持中链脂肪酸合成菌群的代谢活性，同时避免分子态有机酸对微生物菌群的抑制作用。
附图说明
图1是本发明实施例1中发酵过程中pH控制为不同范围时中链脂肪酸含量分布图；
图2是本发明实施例1中不同乙醇/短链脂肪酸比条件下中链脂肪酸产量分布图；
图3是本发明实施例1中参数验证发酵过程中中链脂肪酸含量分布图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
畜禽粪便发酵得到的混合短链脂肪酸溶液包含的成分复杂，经测定一般包括乙酸2000～8000mg/L、丙酸500～3000mg/L、正丁酸500～4000mg/L、异丁酸300～2000mg/L、正戊酸100～2000mg/L和异戊酸100～2000mg/L。
本实施例包括如下步骤：
A、预先将接种污泥进行热处理；接种污泥预处理条件分别为70℃水浴3h、85℃水浴3h和90℃水浴3h。
B、发酵底物：首先在2000mL厌氧发酵瓶中(有效体积1500mL)加入150mL接种污泥，再次加入畜禽粪便发酵得到的混合短链脂肪酸溶液(C2～C5)，测定发酵系统中各短链脂肪酸的初始含量约为(mg/L)：乙酸4500、丙酸1500、正丁酸500、异丁酸300、正戊酸150和异戊酸300。基于乙醇/短链脂肪酸的摩尔比分别为1:1、2:1、4:1、8:1，加入适量的乙醇作为电子供体进行混合培养，乙醇初始浓度分别约为5000mg/L、10000mg/L、20000mg/L、40000mg/L。
3)发酵条件：向厌氧瓶中充入N2约5min保持瓶内厌氧状态，控制发酵过程的pH值分别为6.5-7.0、5.0-6.0，在中温条件下(30±1℃)进行混合厌氧培养约60d。
污泥预处理方式的选择：经60d的链式延长反应，在发酵过程pH值控制为6.5-7.0，乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为2:1的条件下，污泥未经预处理的对照组、70℃热处理3h、85℃热处理3h和90℃热处理3h的处理组中MCCA(正己酸、正庚酸和正辛酸)的产量分别为641.9、2972.9、5434.7和4852.2mg/L。可以看出85℃水浴3h和90℃水浴3h预处理条件下具有较高的中链脂肪酸产率，但85℃水浴3h和90℃水浴3h对产酸效率的影响无明显差异，考虑能效，污泥预处理方式最优选为85℃热处理3h。
发酵过程pH的控制：污泥采用85℃水浴3h处理，在上述底物浓度和乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为2:1的条件下，发酵过程pH分别控制为6.5-7.0和5.0-6.0，经60d的链式延长反应，厌氧发酵系统中中链脂肪酸的发酵曲线图见图1：pH控制6.5-7.0的处理中正己酸、正庚酸和正辛酸浓度分别为3600mg/L、1730mg/L和800mg/L，链脂肪酸(C6～C8)占总羧酸量的60.0％；pH控制5.0-6.0的厌氧发酵系统中，己酸、庚酸和辛酸浓度分别为890mg/L、300mg/L和290mg/L，中链脂肪酸(C6～C8)占总羧酸量的22.8％。
乙醇添加量的选择：在污泥采用85℃水浴3h处理，pH控制6.5-7.0，上述底物浓度中添加乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为1:1、2:1、4:1、8:1的条件下，中链脂肪酸的发酵曲线图见图2，可知乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为2:1时，正己酸、正庚酸和正辛酸浓度分别为3600mg/L、1730mg/L和800mg/L，中链脂肪酸占总羧酸量的60.0％，而同等条件下，乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为1:1时，己酸、庚酸和辛酸浓度分别为968mg/L、172mg/L和186mg/L，中链脂肪酸占总羧酸量的21.1％，产量远远小于乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为2:1的处理。而当乙醇/短链脂肪酸的摩尔比设置为4:1时，己酸、庚酸和辛酸浓度分别为6275mg/L、1190mg/L和806mg/L，中链脂肪酸(C6～C8)占总羧酸量的55.8％，相较于乙醇/短链脂肪酸为2:1，并未明显提高发酵液系统中MCCA的百分含量；乙醇/短链脂肪酸调整为8:1时，己酸、庚酸和辛酸浓度分别为8390mg/L、1560mg/L和1830mg/L，相较于2:1，乙醇/短链脂肪酸调整为8:1明显提高了正辛酸的含量，但发酵系统中中链脂肪酸的百分含量相对较低，中链脂肪酸(C6～C8)仅占总羧酸量的45.9％。由此可见，乙醇宜按照乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为2:1添加。
为验证上述参数选择，采用另一批次的畜禽粪便发酵得到的混合短链脂肪酸溶液作为底物，经测定混合短链脂肪酸溶液(C2～C5)的浓度(mg/L)分别为：乙酸6500、丙酸2200、正丁酸800、异丁酸500、正戊酸450和异戊酸300。接种的污泥预处理方式为85℃热处理3h，基于乙醇/短链脂肪酸＝2:1(摩尔比)，加入适量的乙醇作为电子供体进行混合培养，其初始浓度约为15000mg/L。发酵过程的pH值控制为6.5-7.0。
中链脂肪酸的发酵曲线图见图3，该底物浓度和pH控制条件下，经60d的链式延长反应，厌氧发酵系统中己酸、庚酸和辛酸浓度分别为3790mg/L、2130mg/L和1065mg/L；中链脂肪酸(C6～C8)占总羧酸量的56.8％。结果验证了上述优化的参数在不同批次的畜禽粪便发酵液中均能取得良好效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.对接种污泥先进行热处理；所述热处理为85℃水浴加热3-5h；
S2.在热处理后的接种污泥中加入畜禽粪便发酵得到的混合短链脂肪酸溶液，所述混合短链脂肪酸溶液包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸和异戊酸；
S3.加入乙醇驱动混合短链脂肪酸的碳链延长反应以生产中链脂肪酸，控制碳链延长反应过程的pH值在6.5-7.0，乙醇的添加量基于乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为(2-5):1确定。
2.如权利要求1所述的利用畜禽粪便发酵液生产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述乙醇的添加量基于乙醇/短链脂肪酸的摩尔比为2:1。
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