CN110643645A - 以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业废弃物资源化循环利用领域，具体涉及一种以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法，包括如下步骤：A、预先将污泥进行热处理；B、一级发酵阶段生产短链脂肪酸；C、二级发酵阶段生产中链脂肪酸。本发明还提供一种利用畜禽粪污生产短链脂肪酸的方法，包括如下步骤：①、预先将污泥进行热处理；②、发酵阶段生产短链脂肪酸。本发明生产短链脂肪酸的方法不仅发酵前热处理污泥降低了有机酸甲烷化，发酵系统控制为碱性强化了持续酸化过程，大幅度提高了短链脂肪酸的产量。本发明两阶段发酵的方法使约60％的短链脂肪酸转化为高附加值的中链脂肪酸，为畜禽粪污的资源化利用提供一条新途径。

Description

以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法
技术领域
本发明属于农业废弃物资源化循环利用领域，具体涉及一种以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法，以及一种利用畜禽粪污生产短链脂肪酸的方法。
背景技术
畜牧业的快速发展产生了大量的畜禽粪污，厌氧消化技术是当前处理畜禽粪污的有效途径之一。畜禽粪污厌氧消化过程可产生挥发性脂肪酸和甲烷两种产品，以前的研究多侧重于如何使畜禽粪污高效产甲烷。但近年来研究发现，由于畜禽粪污C/N比较低，其单相厌氧消化过程中易出现高氨氮抑制产甲烷菌代谢活性的问题，造成厌氧消化系统运行稳定性差，甲烷产率低。而相对于甲烷，畜禽粪污厌氧消化过程中的中间代谢产物—挥发性脂肪酸具有更高的价值和更广泛的应用途径，如用于合成聚羟基脂肪酸脂(PHA)、中链脂肪酸等高附加值的产品。
厌氧消化系统中通常含有产酸菌和产甲烷菌两大功能菌群，因此如何降低系统中产甲烷菌的代谢活性，阻断畜禽粪污的甲烷化过程，使厌氧消化停留在产酸阶段，实现有机物的定向有机酸转化具有可创性。近年来，相关发明者采用厌氧酸化工艺进行了有机废弃物的厌氧产酸方面的研究；如专利CN102583917B公开了一种强化市政污泥厌氧产酸的预处理方法，CN105132475A公开了一种剩余污泥蒸汽爆破预处理后厌氧发酵产酸的方法，CN102586344B公开了一种加热循环污泥厌氧发酵高效生产挥发性脂肪酸的方法，CN100526469C公开了采用添加产甲烷菌抑制剂的方式实现污泥定向产乙酸；CN103923951A公开了采用超声/酸预处理的方法强化餐厨垃圾的定向厌氧产酸，CN103509829A公开了一种餐厨垃圾联合剩余污泥发酵制乙酸和丁酸的方法，CN105603011A公开了一种利用餐厨垃圾发酵制备乙酸的方法及所使用的装置。总结发现，现有有机物的酸化工艺多针对市政污泥和餐厨垃圾开展，而针对畜禽粪污的厌氧定向酸化尚未见报道。
在利用有机废弃物厌氧工艺制备高附加值中链脂肪酸方面，国内外学者也进行了相关研究。例如，陈哲柯等以剩余污泥为原料，其厌氧发酵液进行链式延长反应初步获得了己酸(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)；也有研究表明，以食品废弃物和城市有机生活垃圾为原料，通过两阶段厌氧发酵工艺可产生高浓度的己酸。现有研究多采用市政污泥、食品废弃物和城市有机生活垃圾为原料制备高附加值产品，而利用畜禽粪污生产中链脂肪酸的研究尚未见报道。
本发明以成分复杂的畜禽粪污为原料，通过两阶段厌氧消化工艺生产高附加值的中链脂肪酸，尤其是生产的中链脂肪酸中含有高工业应用价值的庚酸，为畜禽粪污的资源化利用提供一条新思路。该方法生产工艺简单，具有良好的经济、社会和环境效益。
发明内容
本发明正是针对上述技术问题，提供一种以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法，为实现畜禽粪污的资源化利用提供一条新思路。
本发明提供一种以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法，包括如下步骤：
A、预先将污泥进行热处理；
B、一级发酵阶段生产短链脂肪酸；初始pH值为10，发酵过程中控制pH值为9.0-10.0；
C、二级发酵阶段生产中链脂肪酸：正己酸、正庚酸、正辛酸。
其中，步骤A所述热处理为70-90℃水浴3-5h，优选85℃水浴加热3h。
其中，步骤B所述一级发酵阶段，具体为将经热处理后的污泥和畜禽粪污混合组成厌氧发酵系统，调节厌氧发酵系统的初始pH值为10.0；进行中温厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸。
其中，步骤B所述一级发酵阶段，发酵浓度为2％VS-6％VS。
其中，步骤B所述一级发酵阶段，污泥按照VS污泥：VS畜禽粪污＝1：(2-10)的比例和畜禽粪污混合，优选VS污泥：VS畜禽粪污＝1：(2-5)。
其中，步骤C所述二级发酵阶段，具体为：加入乙醇作为电子供体驱动碳链延长反应，控制系统pH值为5.0-8.0，优选控制pH值为6.5-7.0。
其中，步骤C所述二级发酵阶段，乙醇的加入量基于摩尔比乙醇/短链脂肪酸＝(2-10):1确定，优选比例为2:1。
其中，所述畜禽粪污优选为猪粪。
考虑到上述以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法，在一级发酵阶段获得的短链脂肪酸在工业中也有广泛的应用价值，本发明还提供一种利用畜禽粪污生产短链脂肪酸的方法，包括如下步骤：
①、预先将污泥进行热处理；
②、发酵阶段生产短链脂肪酸，初始pH值为10，发酵过程中控制pH值为9.0-10.0。
其中，步骤①所述热处理为70-90℃水浴3-5h，优选85℃水浴加热3h。
其中，步骤②所述发酵阶段生产短链脂肪酸，具体为将经热处理后的接种污泥和畜禽粪污混合，调节厌氧发酵的初始pH值为10.0，厌氧发酵过程中控制pH值为9.0-10.0。
其中，所述接种污泥和畜禽粪污混合，污泥按照VS污泥：VS畜禽粪污＝1：(2-10)的比例和畜禽粪污混合，优选VS污泥：VS畜禽粪污＝1：(2-5)。
其中，所述发酵，发酵浓度为2％VS-6％VS。
其中，所述畜禽粪污优选为猪粪。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种利用畜禽粪污两阶段厌氧消化工艺生产中链脂肪酸的方法，发酵底物为畜禽粪污，接种物为厌氧消化污泥，原料来源广泛、运行成本低、产品附加值高，可有效实现畜禽粪污的无害化处理和高值化利用。本发明的工艺操作简单、厌氧发酵条件易于控制、经济成本低廉，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中不同pH条件下猪粪单位VS的挥发性脂肪酸产生量柱状图。
图2为本发明实施例2中不同pH条件二级发酵结束后短链和中链脂肪酸浓度柱状图。
图3为本发明实施例2中不同猪粪发酵浓度二级发酵结束后短链和中链脂肪酸浓度柱状图。
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生产短链脂肪酸
本实施例包括如下步骤：
①、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。
②、将经热处理后的接种污泥和猪粪分别按照VS接种污泥：VS猪粪＝1:1、1:2、1：5和1:10的接种比例混合加入批式厌氧反应器中，初始pH分别设置为未调控、5.0、7.0、10.0；并对初始pH的处理进行发酵过程中不调控pH和调控pH为9.0-10.0的对比，中温厌氧发酵，发酵温度设置为35-38℃。
热处理的选择：接种污泥分别进行70℃水浴3h、85℃水浴3h和90℃水浴3h热处理，VS接种污泥：VS猪粪＝1：5，未调控初始pH，经2周的发酵后3组热处理条件下猪粪的短链脂肪酸VFAs(又可缩写为TVFA)的产量分别为218.2、234.6和235.8mg/gVS。可以看出85℃水浴3h和90℃水浴3h预处理条件下明显提高了产酸效率，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，后续筛选试验将接种污泥预处理条件先设置为85℃水浴3h。
初始pH的选择：热处理方式85℃水浴3h，VS接种污泥：VS猪粪＝1：5，初始pH分别设置为未调控、5.0、7.0、10.0，针对初始pH为10.0的处理组再设置不调控发酵过程pH和调控pH的对比，经2周厌氧发酵后，猪粪单位VS的挥发性脂肪酸产生量柱状图见图1，初始pH值为10.0的处理猪粪的挥发性脂肪酸VFAs产量为460.5mg/gVS，比未调节初始pH的对照组提高了1.2倍，挥发性脂肪酸成分以乙酸、丙酸和正丁酸为主，其含量分别为14700、2930和6900mg/L。实时调节发酵系统pH值的处理猪粪的挥发性脂肪酸VFAs产量为512.2mg/gVS，比未调节初始pH的对照组提高了1.4倍，同时比只初始调节初始pH值设置为10.0的处理组提高了11.2％，挥发性脂肪酸成分以乙酸、丙酸和正丁酸为主，其含量分别为11900、5270和7890mg/L，其乙酸、丙酸和丁酸的含量也高于其它处理。
污泥接种比例的确定：热处理方式85℃水浴3h，初始pH为10.0并实时调控发酵过程pH值为9.0-10.0，VS接种污泥：VS猪粪＝1:1、1:2、1:5和1:10的接种比例混合，具体地当以驯化后的高浓度污泥(VS约6％)为接种物和干清鲜猪粪(VS约20％)为原料，以2L厌氧瓶为发酵装置(有效体积采用1L)时，各混合比例条件下猪粪鲜重均为300g,接种污泥添加量分别为1000g、500g、200g和100g。经14d厌氧酸化后，接种比例VS接种污泥：VS猪粪分别为1:1、1:2、1：5和1:10的处理组中挥发性脂肪酸VFAs产量分别为342.9、439.4、456.5和276.8mg/gVS。其中VS接种污泥：VS猪粪＝1:5时，产酸效果最佳。
实施例2两阶段发酵产中链脂肪酸
首先向批式厌氧反应器中加入适量热处理后(85℃水浴加热3h)的接种污泥，基于猪粪初始发酵浓度分别为2％VS、4％VS、6％VS(以挥发性固体计)加入新鲜猪粪，发酵温度设置为37±1℃，一级发酵初始pH值调节至6.0、8.0、10.0。经3周一级厌氧酸化后，基于乙醇/短链脂肪酸＝2:1(摩尔比)，加入适量乙醇(加入量为12000mg/L)进行二级发酵，发酵温度为30±1℃，按如下设置控制发酵过程pH：一级发酵初始pH值为6.0的处理组二级发酵过程的pH值分别设5.0-5.5和6.5-7.5两个处理，其它一级发酵初始pH值的处理二级发酵过程的pH值控制为6.5-7.5。
pH值条件的优化：基于猪粪初始发酵浓度为4％VS时，3周一级厌氧发酵后，初始pH值10.0处理组的短链脂肪酸产量最高，进一步基于乙醇/短链脂肪酸＝2:1，加入适量乙醇(加入量为20700mg/L)进行二级发酵，且二级发酵pH值控制为6.5-7.5，经8周碳链延长反应后，短链脂肪酸和中链脂肪酸含量见图2，中链脂肪酸的产量为11700mg/L，其中中链脂肪酸占总酸量的55.1％。
猪粪初始发酵浓度的确认：一级发酵初始pH值10.0且二级发酵pH值控制为6.5-7.5的条件下，猪粪初始发酵浓度2％VS、4％VS、6％VS的处理，经3周一级厌氧酸化后，进一步基于乙醇/短链脂肪酸＝2:1，加入适量乙醇进行二级发酵，控制发酵过程pH为6.5-7.5，经8周碳链延长反应后，短链和中链脂肪酸浓度见和图3。其中2％VS处理产酸量最低，可产生5640mg/L中链脂肪酸，占总酸量的53.4％；6％VS的处理二级发酵可产生12500mg/L中链脂肪酸，占总酸量的41.9％，相较于4％VS的处理，中链脂肪酸产量差异不显著，但中链脂肪酸在总酸中的百分含量明显低于4％VS的处理。
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)

1.一种以畜禽粪污为原料两阶段发酵生产中链脂肪酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、预先将污泥进行热处理；
B、一级发酵阶段生产短链脂肪酸；初始pH值为10，发酵过程中控制pH值为9.0-10.0；
C、二级发酵阶段生产中链脂肪酸：正己酸、正庚酸、正辛酸。
2.一种利用畜禽粪污生产短链脂肪酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
①、预先将污泥进行热处理；
②、发酵阶段生产短链脂肪酸，初始pH值为10，发酵过程中控制pH值为9.0-10.0。
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