CN111575322A - 一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法 - Google Patents

一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，包括以下步骤：以含糖废水作为发酵底物，以酵母菌为发酵菌，在第一发酵反应器中进行第一次厌氧发酵，产生乙醇，并将发酵液输入第二发酵反应器；将污泥作为发酵接种物在第二发酵反应器中，进行第二次厌氧发酵，得到中链脂肪酸。与现有技术相比，本发明通过两步发酵的原理，耦合了乙醇的产生过程和中链脂肪酸的产生过程，其中先通过制糖废水添加酵母菌发酵产乙醇，再接种污泥产生中链脂肪酸，发酵过程简单、可操作性强，与传统的中链脂肪酸生产方式相比省去了电子供体的投加，实现了制糖废水和污泥的充分高效利用，也为实际生产过程节约了成本。

Description

一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法
技术领域
本发明涉及水污染控制和资源化领域，尤其是涉及一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法。
背景技术
煤、石油和天然气是目前世界上主要的能源供给方式，这些化石能源需要经过数百万年的时间才能形成，属于不可再生能源。但与此同时，随着经济的发展，对能源的需求也随之不断增加。因此，为了缓解能源的危机，发展可再生能源也成为了全球的共识。通过废弃生物质再次利用，不仅可以生产生物质能源，一定程度缓解能源危机，而且可以用于替代基于化石燃料的下游产物，减轻化石燃料枯竭对人类发展的不利影响。
制糖工业在我国国民经济中占有重要地位，同时也是水污染防治的重点行业之一。制糖工业排出的废水CODCr和氮磷浓度较高，且主要在冬季生产，生产期间水环境容量低，污染物降解速度慢，因此制糖工业废水的排放对区域水环境质量影响较大。另一方面，制糖工业产生的废水也是一种潜在的资源，由于其有机物含量高，且多易被微生物降解，因此可作为厌氧发酵的原料进行再次利用。CN106350448A公开了一种利用含糖废水发酵制氢的污水生物反应装置，包括反应器，所述反应器内通过上下设置的第一隔板和第二隔板将反应器自上而下依次分为进水排气单元、反应单元和出水单元三部分，所述反应器上位于进水排气单元的顶部设置有排气口，所述反应器上位于进水排气单元的侧壁上设置有进水口，所述反应器上位于出水单元的侧壁上设置有出水口，所述反应器上位于出水单元的底部设置有排泥口，所述第一隔板和第二隔板之间填充有聚氯乙烯填料，该技术方案采用下流式反应装置处理高浓度有机废水，同时厌氧生物发酵产生氢气。
通过外加电子供体(乙醇、乳酸等)，可以将有机底物发酵产生的短链脂肪酸经由碳链延长过程生成中链脂肪酸(C6-C12)。中链脂肪酸由于碳链较长，具有更高的能量密度和更强的疏水性，因此可以通过后续提取过程将其从发酵体系中分离出来。中链脂肪酸也是一种高附加值产物，不仅可以直接用作抗菌剂和食品添加剂，而且还可以进一步加工成液体生物燃料，包括柴油和航空燃料。但尽管中链脂肪酸的应用广泛，目前生产它的成本却相当昂贵。中链脂肪酸通常来自于植物或动物油、石油，因此基于废弃生物质进行生产是一种既经济又环保的选择。
传统碳链延伸过程离不开外加电子的投加，常见的电子供体如乙醇、乳酸等价格较高，在长期的稳定生产过程中极大增加了生产的成本，因此限制电子供体投加的稳定生产手段需要进行探索。
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以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，本方法不仅实现了含糖废水的减量排放和再利用，同时通过添加酵母菌先产生乙醇，不需电子供体的投加，为生产过程节约了成本。除此之外，该方法还具有安全稳定、可操作性强的优点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明中以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，包括以下步骤：
以含糖废水作为发酵底物，以酵母菌为发酵菌，在第一发酵反应器中进行第一次厌氧发酵，产生乙醇，并将发酵液输入第二发酵反应器；
将污泥作为发酵接种物在第二发酵反应器中，进行第二次厌氧发酵，得到中链脂肪酸。
进一步地，所述的中链脂肪酸为C6～C12脂肪酸。
进一步地，所述的含糖废水的COD为2000～20000mg/L。制糖工业排出的废水的浓度通常属于该范围。
进一步地，所述的第一次厌氧发酵和第二次厌氧发酵均为连续式发酵。通过连续式发酵获得稳定的发酵反应条件。
进一步地，所述的第一次厌氧发酵过程中，酵母菌浓度为0.1～1.0g/L，发酵液的pH控制为5～10。第一步发酵涉及较宽的pH范围，以在广谱的pH下获得最佳的乙醇产生条件。
进一步优选地，发酵液的pH控制为5。此条件下可获得最高的乙醇产量。
进一步地，所述的第一次厌氧发酵过程中，发酵液的温度为28～40℃，这是一个中温的发酵范围，适合大多数微生物的生长。发酵液的水力停留时间为1～5d，在该时间内，糖分被充分转化成目标物质。发酵时的搅拌转速为160～180rpm，小于160rpm在本技术方案中定义为过低的转速，将无法保持微生物和原料的充分接触，超过180rpm在本技术方案中定义为过高的转速，过高的转速可能会影响微生物的正常生理过程。
进一步地，所述的污泥为市政污水厂的活性污泥。活性污泥中包含能够进行碳链延伸反应生产中链脂肪酸的微生物。
进一步地，所述的第二次厌氧发酵过程中，发酵液的pH为5～7，温度为28～40℃，发酵液的水力停留时间为10～20d，发酵时的搅拌转速160～180rpm。第二次发酵过程的pH和温度选择是基于在该pH条件下，碳链延长的菌种能得到较好的生长，而10～20d的水力停留时间可以使反应物充分反应。
进一步地，第一次厌氧发酵完成后，将第一发酵反应器中的发酵液沉淀得到上清液，将上清液输入第二发酵反应器中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明所用的发酵底物为含糖废水，它来源广泛且富含多种易被微生物降解的有机物，属于再利用价值高的废弃资源，本发明通过两次反应充分地将含糖废水转变为中链脂肪酸。
2)本发明通过两步发酵的原理，耦合了乙醇的产生过程和中链脂肪酸的产生过程，其中先通过制糖废水添加酵母菌发酵产乙醇，再接种污泥产生中链脂肪酸，发酵过程简单、可操作性强，与传统的中链脂肪酸生产方式相比省去了电子供体的投加，实现了制糖废水和污泥的充分高效利用，也为实际生产过程节约了成本。
附图说明
图1为本发明所述两步发酵反应中反应器的结构示意图。
图中，1-配水槽、2-泵、3-pH探头、4-温度探头、5-搅拌器、6-自控装置、7-废气收集槽、8-放料阀、9-污泥槽、10-液相取样口、11-气相取样口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
在配水槽1中用2g/L蔗糖和6g/L甜菜粉配置并模拟含糖废水，通过泵2将含糖废水输送至第一步发酵反应器，接种0.5g/L酵母菌，通过pH探头3调节第一步发酵初始pH为5。保证厌氧环境后密封，通过温度探头4控制反应器温度为35℃、通过搅拌器5转速为160rpm。每隔12h通过液相取样口10取一次样，用气相色谱法测中链脂肪酸的浓度。
待反应稳定后，测得pH＝5时反应器两天内最高的乙醇含量浓度为1993mg/L。
对比实施例2与实施例3，由于初始pH＝5的反应器产乙醇含量最高，故采用这一条件作为最优条件进行下一步发酵反应。
第一步发酵反应结束后，取第一步发酵后的上清液进入第二歩发酵的反应器(内含50g/L城市生活污泥)，通过pH探头调节pH＝5，保证厌氧环境后密封，通过温度探头控制温度为35℃、通过搅拌器控制液体在转速为160rpm的环境中反应。每3天通过液相取样口取一次样，用气相色谱法测中链脂肪酸的浓度，在第12天发现正己酸(碳链数为6，属于中链脂肪酸)最高为495-702mg/L。
实施例2
在配水槽1中用2g/L蔗糖和6g/L甜菜粉配置并模拟含糖废水，通过泵2将含糖废水输送至第一步发酵反应器，接种0.5g/L酵母菌，通过pH探头3调节第一步发酵初始pH为7。保证厌氧环境后密封，通过温度探头4控制反应器温度为35℃、通过搅拌器5转速为170rpm。每隔12h通过液相取样口10取一次样，用气相色谱法测中链脂肪酸的浓度。
待反应稳定后，测得pH＝7的反应器两天内最高的乙醇含量浓度为1765mg/L。
实施例3
在配水槽1中用2g/L蔗糖和6g/L甜菜粉配置并模拟含糖废水，通过泵2将含糖废水输送至第一步发酵反应器，接种0.5g/L酵母菌，通过pH探头3调节第一步发酵初始pH为10。保证厌氧环境后密封，通过温度探头4控制反应器温度为35℃、通过搅拌器5转速为180rpm。每隔12h通过液相取样口10取一次样，用气相色谱法测中链脂肪酸的浓度。
待反应稳定后，pH＝10的反应器在前两天并没有产生乙醇，两天后逐渐开始产生乙醇和正丁酸，在第4天最高的乙醇浓度为388mg/L，正丁酸为1327mg/L。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。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，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以含糖废水作为发酵底物，以酵母菌为发酵菌，在第一发酵反应器中进行第一次厌氧发酵，产生乙醇，并将发酵液输入第二发酵反应器；
将污泥作为发酵接种物加入第二发酵反应器中，进行第二次厌氧发酵，得到中链脂肪酸。
2.根据权利要求1所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的中链脂肪酸为C6～C12脂肪酸。
3.根据权利要求1所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的含糖废水的COD为2000～20000mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的第一次厌氧发酵和第二次厌氧发酵均为连续式发酵。
5.根据权利要求4所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的第一次厌氧发酵过程中，酵母菌浓度为0.1～1.0g/L，发酵液的pH控制为5～10。
6.根据权利要求4所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的第一次厌氧发酵过程中，发酵液的温度为28～40℃，发酵液的水力停留时间为1～5d，发酵时的搅拌转速为160～180rpm。
7.根据权利要求1所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的污泥为市政污水厂的活性污泥。
8.根据权利要求5所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，所述的第二次厌氧发酵过程中，发酵液的pH为5～7，温度为28～40℃，发酵液的水力停留时间为10～20d，发酵时的搅拌转速160～180rpm。
9.根据权利要求8所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，第一次和第二次厌氧发酵过程中，发酵液的pH均控制为5。
10.根据权利要求1所述的一种以含糖废水为原料不加电子供体产中链脂肪酸的方法，其特征在于，第一次厌氧发酵完成后，将第一发酵反应器中的发酵液沉淀得到上清液，将上清液输入第二发酵反应器中。
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