CN112195196B - 一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法 - Google Patents

一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法，属于有机固体废物资源化利用技术领域。该方法首先将厨余垃圾除去不适宜发酵的物质后粉碎获得垃圾浆液，然后引入隔油罐分离出粗油脂储存至储料罐，引入糖化罐进行批式糖化处理，糖化后进入离心机进行固液分离，糖化渣进入配料罐，糖化液进入储料罐，循环水引进配料罐混合得到糖化渣浆液，糖化渣浆液流入乙酸发酵罐，糖化液流入乙醇发酵罐，同时收集发酵气体，将乙醇发酵液和乙酸发酵液引入己酸发酵罐，添加乙醇或乙酸，将发酵气体通入己酸发酵过程，最终发酵得到粗己酸。本发明使厨余垃圾总的营养成分得到了充分利用，且对碳固定也有一定的效果，具有一定的经济效益和环境效益。

Description

一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法
技术领域
本发明涉及有机固体废物资源化利用技术领域，特别是指一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法。
背景技术
固体废物中的生物质废物——厨余垃圾，其产量巨大，对环境影响日益加重，所以，实现厨余垃圾的资源化利用将是一个很好的处理方式。厨余垃圾有多种用途，如生产沼气、氢和短链脂肪酸(Short Chain Fatty Acid，SCFAs)但产物价值较低，很难与再利用过程中产生的高额成本形成收支平衡，应该进一步探索能够产生高经济价值的产品方式。在厨余垃圾再利用的目标产品中，以疏水性为特征的中链脂肪酸(Medimum Chain FattyAcid，MCFAs)被认为是相比其他产物更有价值、更好利用的最终产物。
厨余垃圾的厌氧发酵产MCFAs过程如下：厨余垃圾在厌氧发酵过程中先被分解为小分子有机物，进一步发酵过程中生产乙醇、乳酸和SCFAs。从SCFAs到MCFAs的链增长过程(Chain Elongation，CE)，涉及电子供体(Electronic Donor，ED)的氧化和反向β氧化循环。电子供体是富含能量的还原化合物，是链增长过程的先决条件。首先，电子供体的氧化提供了反应所需的能量、还原当量(NADH)和必需的中间体乙酰-CoA。目前，乙醇和乳酸被认为是诱导链增长过程的最理想的电子供体，而SCFAs一般作为电子受体，共同参与链增长过程。
厨余垃圾中的有机物含量丰富且复杂，有研究将厨余垃圾糖化离心后的糖化液进行发酵制乙醇，也有研究将仍然含有的糖类和蛋白质的糖化渣进行发酵制SCFAs。基于这些研究，我们认为分步使用厨余垃圾糖化液产乙醇+糖化渣产SCFAs，然后将上述的两种产物混合后产MCFAs，是一种提高厨余利用率和MCFAs产率的方法。
在乙醇和乙酸发酵过程中还会产生二氧化碳气体，以乙醇发酵为例，二氧化碳的产量与乙醇的产量相当。乙酸发酵过程中发酵气组分主要为二氧化碳和氢气。发酵气的排放对于发酵产酸来看是一种碳源的流失。而在链增长过程中，发酵气氛对己酸产量有着重要影响。发酵气氛中二氧化碳分压的增加可以提高乙醇的利用率，同时也能增强发酵体系中的乳酸代谢途径，更能抑制丙酮酸途径，提高发酵体系向己酸发酵潜力。发酵气氛中氢气分压可以提高体系的还原力，但分压过大也会减缓链增长趋势。而在乙酸发酵中，少量的氢气生产可以维持己酸发酵过程中氢气分压，有研究表明发酵过程中氢气分压的维持可以提高己酸产量。因此可以考虑综合利用前端乙酸和乙醇的发酵气体提高己酸浓度。
因此本发明希望充分利用厨余垃圾中的糖类和蛋白类物质，同时利用发酵气体调控中链酸的产量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法。
该方法首先将厨余垃圾除去不适宜发酵的物质，进行粉碎处理获得垃圾浆液，经粉碎的厨余浆液进入隔油罐，通过蒸汽加热分离出粗油脂，除油后的厨余浆液储存至储料罐1，将储液罐1中的厨余浆液倒进糖化罐，加入糖化酶进行批式糖化处理，糖化后浆液进入离心机1进行固液分离，糖化渣进入配料罐1，糖化液进入储料罐2，将循环水引进配料罐1中与糖化渣混合得到糖化渣浆液，糖化渣浆液连续流入乙酸发酵罐，将糖化液引入乙醇发酵罐，接种酵母菌进行批式乙醇发酵，之后乙醇发酵液进入储料罐3，同时收集发酵气体，将乙醇发酵液和乙酸发酵液引入配料罐2，加入乙醇与乙酸发酵并将发酵气体通入己酸发酵罐，将获得的己酸发酵浆液引入离心机，离心液进入电渗析设备，经过浓缩得到粗己酸。
具体包括步骤如下：
(1)去除厨余垃圾中不适宜发酵的物质后进行粉碎处理获得垃圾浆液；
(2)经粉碎后的垃圾浆液进入隔油罐，通过蒸汽加热分离出粗油脂，除油后的垃圾浆液储存至储料罐1以备后续处理；
(3)储料罐1中的垃圾浆液进入糖化罐，加入糖化酶进行批式糖化处理，糖化后浆液进入离心机1，进行固液组分的分离，得到的糖化渣进入配料罐1，糖化液进入储料罐2；
(4)循环水进入配料罐1中，得到糖化渣浆液，糖化渣浆液连续流入乙酸发酵罐，在接种酸化污泥的发酵罐中进行乙酸连续发酵，得到乙酸发酵液，同时收集发酵气体；
(5)糖化液进入乙醇发酵罐，接种酵母菌进行乙醇发酵，之后乙醇发酵液进入储料罐3储存，同时收集发酵气体；
(6)储料罐3中的乙醇发酵液与步骤(4)中得到的乙酸发酵液进入配料罐2，并加入乙醇，配料连续进入己酸发酵罐，接种酸化污泥进行己酸连续发酵，将乙醇发酵罐及乙酸发酵罐中产生的发酵气通过微孔分布器通入己酸发酵罐中；
(7)己酸发酵浆液进入离心机2，离心液进入电渗析设备，经过浓缩得到粗己酸，电渗析过程中淡水室的水作为循环水用于加热器产生蒸汽隔油和乙酸发酵的补充水。
其中，步骤(3)中加入的糖化酶的酶活力为50-100(U/g)，糖化温度为55-65℃，糖化时间为4-8小时；糖化后的糖化液和糖化渣分别进行乙醇和乙酸发酵，再混合乙醇与乙酸、及通入含有CO2的发酵气进行己酸发酵。
步骤(4)中糖化渣浆液乙酸发酵为连续发酵；循环水以固液质量比1:1-1:2的比例与糖化渣混合；酸化污泥接种比为1:2.5-1:5(VS/VS)，发酵温度为30-40℃，水力停留时间为2-7天。
步骤(5)中糖化液乙醇发酵为批式发酵，酵母菌来自活性干酵母，活性干酵母的接种量为0.1-0.2％(w/w)，发酵温度为25℃-37℃，发酵时间为2-5天。
步骤(6)中己酸发酵为连续发酵，乙醇与乙酸摩尔配比为1:1-4:1；酸化污泥接种比为1:2.5-1:5(VS/VS)，发酵温度为30-40℃，水力停留时间为15-90天。
步骤(6)中发酵气成分中CO2含量为50-80％，H2含量为0.5-15％，通气量为1-15m3/(m3·d)。
步骤(7)中使用电渗析浓缩己酸发酵液，得到粗己酸。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明提出一种全新的厨余垃圾处理方法，即综合利用厨余垃圾糖化液和糖化渣分别产生的乙醇和乙酸，收集二氧化碳等发酵气体调节己酸发酵，提高己酸发酵浓度。在这一过程中，厨余垃圾总的营养成分得到了充分利用，且对碳固定也有一定的效果，具有一定的经济效益和环境效益。
附图说明
图1为本发明的两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法工艺流程图；
图2为本发明实施例中1000kg厨余垃圾不外加乙醇时的己酸生产物料衡算图；
图3为本发明实施例中1000kg厨余垃圾外加乙醇时的己酸生产物料衡算图；
图4为本发明实施例中1000kg厨余垃圾外加乙醇并通入发酵气时的己酸生产物料衡算图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法。
如图1所示，本方法首先将厨余垃圾除去不适宜发酵的物质，进行粉碎处理获得垃圾浆液，经粉碎的厨余浆液进入隔油罐，通过蒸汽加热分离出粗油脂，除油后的厨余浆液储存至储料罐1，将储液罐1中的厨余浆液倒进糖化罐，加入糖化酶进行批式糖化处理，糖化后浆液进入离心机1进行固液分离，糖化渣进入配料罐1，糖化液进入储料罐2，将循环水引进配料罐1中与糖化渣混合得到糖化渣浆液，糖化渣浆液连续流入乙酸发酵罐，将糖化液引入乙醇发酵罐，接种酵母菌进行批式乙醇发酵，之后乙醇发酵液进入储料罐3，同时收集发酵气体，将乙醇发酵液和乙酸发酵液引入配料罐2，加入乙醇与乙酸发酵并将发酵气体通入己酸发酵罐，将获得的己酸发酵浆液引入离心机，离心液进入电渗析设备，经过浓缩得到粗己酸。
具体包括步骤如下：
(1)去除厨余垃圾中不适宜发酵的物质后进行粉碎处理获得垃圾浆液；
(2)经粉碎后的垃圾浆液进入隔油罐，通过蒸汽加热分离出粗油脂，除油后的垃圾浆液储存至储料罐1以备后续处理；
(3)储料罐1中的垃圾浆液进入糖化罐，加入糖化酶进行批式糖化处理，糖化后浆液进入离心机1，进行固液组分的分离，得到的糖化渣进入配料罐1，糖化液进入储料罐2；
(4)循环水进入配料罐1中，得到糖化渣浆液，糖化渣浆液连续流入乙酸发酵罐，在接种酸化污泥的发酵罐中进行乙酸连续发酵，得到乙酸发酵液，同时收集发酵气体；
(5)糖化液进入乙醇发酵罐，接种酵母菌进行乙醇发酵，之后乙醇发酵液进入储料罐3储存，同时收集发酵气体；
(6)储料罐3中的乙醇发酵液与步骤(4)中得到的乙酸发酵液进入配料罐2，并加入乙醇，配料连续进入己酸发酵罐，接种酸化污泥进行己酸连续发酵，将乙醇发酵罐及乙酸发酵罐中产生的发酵气通过微孔分布器通入己酸发酵罐中；
(7)己酸发酵浆液进入离心机2，离心液进入电渗析设备，经过浓缩得到粗己酸，电渗析过程中淡水室的水作为循环水用于加热器产生蒸汽隔油和乙酸发酵的补充水。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
一种厨余垃圾分步发酵产中链酸的方法，如图2所示，包括以下具体步骤：
(1)将1000kg原厨余垃圾先除去不适宜发酵的物质，进行粉碎处理获得垃圾浆液；
(2)经粉碎后的厨余垃圾浆液进入隔油罐，通过蒸汽加热分离出粗油脂，得到800kg除油厨余垃圾浆液；
(3)800kg厨余垃圾浆液和1000kg水进入糖化罐，在糖化酶活力为100(U/g)情况下，温度为60℃，糖化6小时；之后糖化浆液经过离心，得到600kg糖化渣和1200kg糖化液；
(4)糖化渣和循环水以固液质量比1:1的比例混合，得到1200kg糖化渣浆液；糖化渣浆液连续流入乙酸发酵罐，接种酸化污泥进行乙酸连续发酵，接种比为1:2.5(VS/VS)，发酵温度为37℃，水力停留时间为3天，得到85kg乙酸；
(5)1200kg糖化液接种活性干酵母的接种量为0.1％(w/w)，发酵温度为25℃，发酵两天得到57kg乙醇；
(6)乙醇发酵液与乙酸发酵浆液混合，此时乙醇与乙酸摩尔配比为1.1:1；配料连续进入己酸发酵罐，接种酸化污泥进行己酸连续发酵，接种比为1:5(VS/VS)，发酵温度为35℃，水力停留时间为30天，得到30kg己酸；
(7)己酸发酵浆液进入离心机2，离心液进入电渗析设配，经过浓缩得到粗己酸。
实施例2
如图3所示，在实施例1的基础上，通过加入乙醇，改变步骤(6)中乙醇与乙酸摩尔配比为3:1，即添加138kg乙醇，接种酸化污泥进行己酸连续发酵，接种比为1:5(VS/VS)，发酵温度为35℃，水力停留时间为30天，得到78kg己酸。
实施例3
如图4所示，在实施例2的基础上，将乙醇及乙酸发酵罐中产生的发酵气通过微孔分布器通入己酸发酵罐中，通气量为3m3/(m3·d)，得到89kg己酸。
可见，本发明工艺产己酸的量最大。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)去除厨余垃圾中不适宜发酵的物质后进行粉碎处理获得垃圾浆液；
(2)经粉碎后的垃圾浆液进入隔油罐，通过蒸汽加热分离出粗油脂，除油后的垃圾浆液储存至储料罐1以备后续处理；
(3)储料罐1中的垃圾浆液进入糖化罐，加入糖化酶进行批式糖化处理，糖化后浆液进入离心机1，进行固液组分的分离，得到的糖化渣进入配料罐1，糖化液进入储料罐2；
(4)循环水进入配料罐1中，得到糖化渣浆液，糖化渣浆液连续流入乙酸发酵罐，在接种酸化污泥的发酵罐中进行乙酸连续发酵，得到乙酸发酵液，同时收集发酵气体；
(5)糖化液进入乙醇发酵罐，接种酵母菌进行乙醇发酵，之后乙醇发酵液进入储料罐3储存，同时收集发酵气体；
(6)储料罐3中的乙醇发酵液与步骤(4)中得到的乙酸发酵液进入配料罐2，并加入乙醇，配料连续进入己酸发酵罐，接种酸化污泥进行己酸连续发酵，将乙醇发酵罐及乙酸发酵罐中产生的发酵气体通过微孔分布器通入己酸发酵罐中；
(7)己酸发酵浆液进入离心机2，离心液进入电渗析设备，经过浓缩得到粗己酸，电渗析过程中淡水室的水作为循环水用于加热器产生蒸汽隔油和乙酸发酵的补充水；
所述步骤(3)中加入的糖化酶的酶活力为50-100，单位为U/g，糖化温度为55-65℃，糖化时间为4-8小时；
所述步骤(6)中发酵气成分中CO2含量为50-80％，H2含量为0.5-15％，通气量为1-15m3/(m3·d)；
所述步骤(4)中糖化渣浆液乙酸发酵为连续发酵；循环水以固液质量比1:1-1:2的比例与糖化渣混合；酸化污泥接种比为1:2.5-1:5，单位为VS/VS，发酵温度为30-40℃，水力停留时间为2-7天；
所述步骤(5)中糖化液乙醇发酵为批式发酵，酵母菌来自活性干酵母，活性干酵母的接种量按质量比为0.1-0.2％w/w，发酵温度为25℃-37℃，发酵时间为2-5天。
2.根据权利要求1所述的两段式发酵提高厨余垃圾产己酸的方法，其特征在于：所述步骤(6)中己酸发酵为连续发酵，乙醇与乙酸摩尔配比为1:1-4:1；酸化污泥接种比为1:2.5-1:5，VS/VS，发酵温度为30-40℃，水力停留时间为15-90天。
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