CN112359081A - 一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法及装置 - Google Patents

一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法和装置，属于农业有机废弃物资源化利用技术领域。本发明对尾菜浆液依次进行臭氧曝气、纤维素酶催化反应和木质素酶催化反应，之后加入第一碳源和厌氧菌剂，进行第一阶段厌氧发酵，分离第一上清液；之后加入水、第二碳源，进行第二阶段厌氧发酵，将两次所得上清液加热混合，即得有机酸混合物。本发明能在较为简单的发酵条件下实现藤蔓类尾菜的快速产酸，且具有较高的干物质转化率；同时，所得发酵产物为有机酸混合液，具有较高的碳氮比，可以直接还田使用，能够活化设施土壤中的养分、提高养分流动性、刺激土壤微生物及植物根系的生长；同时高碳氧比还能避免土壤原有有机碳过快消耗的问题。

Description

一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法及装置
技术领域
本发明涉及农业有机废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法及装置。
背景技术
我国设施蔬菜产量已达2.5亿吨，占蔬菜总产量的30％，设施蔬菜快速发展的同时也产生了大量尾菜。设施尾菜中藤蔓类尾菜(西红柿藤、瓜类藤等)与叶菜、烂果等相比，纤维素、木质素含量高，不易分解，自然降解周期长，最为难处理。藤蔓类尾菜含水量大，普遍在85％以上，后处理过程中水分调控困难，经济性差，好氧堆肥方式对藤蔓类尾菜不适宜；受品种适口性等影响，藤蔓类尾菜多无法直接作为饲料进行过腹还田；同时，藤蔓类尾菜具周期性持续产生、无法短时间统一收割等特点，收集处理人工成本高，处理产物少有实际应用出口，总体循环效益低。
目前对该类高含水量有机物料的资源化处理，以沼气发酵为主要技术途径。沼气化处理时有机物料先经酸化分解在微生物的作用下产生乙酸、丙酸、丁酸和醇类等，再经甲烷菌的作用产生甲烷，进而形成沼气。但受配套设施、运维水平、气候差异等影响，有机物料的沼气化应用无论从生产段及使用段均有限制性，如产生的大量沼气不能快速消纳，需要较大的存储空间，在农村应用时安全隐患较大；沼气处理的周期较长，物料周转率低，对藤蔓类尾菜所需处理运维场地要求更高。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法及装置。本发明提供的方法和装置能够高效、低成本地对藤蔓类尾菜进行资源化处理，具有较高的干物质转化率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法，包括以下步骤：
(1)将粉碎的藤蔓类尾菜与水混合，调节pH值≤6，得到尾菜浆液；
(2)向所述尾菜浆液中曝臭氧，在加热条件下进行曝气反应，得到曝气反应液；
(3)向所述曝气反应液中加入纤维素酶，进行纤维素酶催化反应，得到第一催化反应液；
(4)向所述第一催化反应液中加入木质素酶，进行木质素酶催化反应，得到第二催化反应液；
(5)向所述第二催化反应液中依次加入第一碳源和厌氧菌剂，使所得混合液的碳氮比为30～35，进行第一阶段厌氧发酵，得到第一上清液和第一下层混合物，分离出第一上清液备用；
(6)将所述第一下层混合物与水、第二碳源混合，使所得混合液的碳氮比≥35，进行第二阶段厌氧发酵，得到第二上清液和第二下层混合物；
(7)将所述第一上清液与第二上清液加热混合，得到有机酸混合液。
优选的，所述步骤(2)中加热的温度为60～75℃；所述曝气使尾菜浆液中的臭氧溶解量≥2.5mg/L。
优选的，所述步骤(3)中纤维素酶的加入量的最小值根据式1计算：
Figure BDA0002772179120000021
式1中，Qa为纤维素酶加入量的最小值，g；
m为藤蔓类尾菜的干物质重，g；
Ua为使用的纤维素酶的标称酶活力，无单位；
α为系数，为所述步骤(1)中水与藤蔓类尾菜湿重的比值，无单位；
所述纤维素酶的最大投加量为藤蔓类尾菜干物质重的1％；
所述纤维素酶催化反应的温度为60～75℃，时间为6～12h。
优选的，所述步骤(4)中木质素酶的加入量的最小值根据式2计算：
Figure BDA0002772179120000022
式2中，Qb为木质素酶加入量的最小值，g；
m为藤蔓类尾菜的干物质重，g；
Ub为使用的木质素酶的标称酶活力，无单位；
α为系数，为所述步骤(1)中水与藤蔓类尾菜湿重的比值，无单位；
所述木质素酶的最大投加量为藤蔓类尾菜干物质重的0.5％；
所述木质素酶催化反应的温度为40～60℃，时间为4～10h。
优选的，所述第一碳源和第二碳源独立为蔗糖、葡萄糖和果糖中的一种或几种；所述第一碳源的加入量为藤蔓类尾菜湿重的6～12％，第二碳源的加入量为藤蔓类尾菜湿重的2～3.5％；
所述厌氧菌剂包括乳酸菌和丁酸梭菌剂；所述厌氧菌剂的体积为第二催化反应液体积的1～3％；所述厌氧菌剂的浓度为2～8亿cfu/mL。
优选的，所述第一阶段厌氧发酵的温度为35～38℃，时间为60～72h；
所述步骤(6)中下层混合物与水、第二碳源混合后的pH值为6～7；
所述第二阶段厌氧发酵的温度为35～38℃，时间为24～48h。
优选的，所述步骤(7)中加热混合的温度为65～75℃，时间为30～45min。
本发明提供了一种两段式厌氧发酵产酸装置，包括发酵反应罐1；所述发酵反应罐1设有进料口2、出料口3和第一出液口4；所述发酵反应罐1内部设有可升降的压滤盘5，内部底部设有臭氧曝气装置6；所述发酵反应罐1的腔内与换热器7连通；
入口与所述发酵反应罐1的第一出液口4连通的过滤池8；
入口与所述过滤池8出口连通的存储混合罐9；所述存储混合罐9设有第二出液口10；所述存储混合罐9底部设有加热管11。
优选的，所述发酵反应罐1顶部设有电动机12，所述电动机12与压滤盘5通过丝杠连接。
优选的，所述存储混合罐9内设有搅拌器14。
本发明提供了一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法，本发明先对尾菜浆液进行加热和臭氧曝气，通过加热和臭氧的氧化效果杀灭尾菜中的微物，为后续厌氧菌剂接种发酵创造有益条件，并利用臭氧的氧化强性促使尾菜中的部分有机组分氧化分解，为后续发酵提供便利；之后依次进行纤维素酶催化反应和木质素酶催化反应，能够将藤蔓类尾菜中的纤维素和木质素分解，转化为葡萄糖；之后加入第一碳源和厌氧菌剂，在厌氧条件及厌氧微生物适宜的碳氮比下，已被纤维素酶和木质素酶分解的藤蔓类尾菜进行第一阶段厌氧发酵，分离第一上清液；将所得下层混合物与水，第二碳源混合，进行第二阶段厌氧发酵，将两次所得上清液加热混合，即得有机酸混合物，通过加热混合，使厌氧菌剂及纤维素酶、木质素酶灭活。本发明能在较为简单的发酵条件下实现藤蔓类尾菜的快速产酸，且具有较高的干物质转化率；同时，所得发酵产物为有机酸混合液，具有适宜的pH值和碳氮比，经稀释后可以直接还田使用，发酵产物中的有机酸成分能够活化设施土壤中的养分、提高被土壤固持养分的流动性，同时能够刺激土壤微生物及植物根系的生长；同时适宜的碳氧比还能避免碳氮比较低造成的土壤原有有机碳过快消耗的问题。
本发明提供了一种两段式厌氧发酵产酸装置，包括发酵反应罐1，过滤池8和存储混合罐9；所述发酵反应罐1内部设有可升降的压滤盘5，内部底部设有臭氧曝气装置6；所述发酵反应罐1的腔内与换热器7连通；所述存储混合罐9底部设有加热管11。尾菜在发酵的过程中，可升降的压滤盘5能够使尾菜一直处于水面以下，从而达到厌氧状态；第一阶段厌氧发酵后，产生的第一上清液经过滤池8过滤后进入存储混合罐9进行存储，第二阶段厌氧发酵后，产生的第二上清液进入存储混合罐9与第一上清液进行加热混合，得到有机酸混合液。本发明提供的装置结构简单，能够有效实现藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸。
附图说明
图1是本发明两段式厌氧发酵产酸装置的结构示意图，其中，1-发酵反应罐，2-进料口，3-第一出料口，4-出液口，5-压滤盘，6-臭氧曝气装置，7-换热器，8-过滤池，9-存储混合罐，10-第二出液口，11-加热管，12-电动机，13-第一水泵，14-搅拌器，15-第二水泵；
图2是本发明实施例1所得有机酸混合液的液相色谱图；
图3是本发明实施例2所得有机酸混合液的液相色谱图。
具体实施方式
本发明提供了一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法，包括以下步骤：
(1)将粉碎的藤蔓类尾菜与水混合，调节pH值≤6，得到尾菜浆液；
(2)向所述尾菜浆液中曝臭氧，在加热条件下进行曝气反应，得到曝气反应液；
(3)向所述曝气反应液中加入纤维素酶，进行纤维素酶催化反应，得到第一催化反应液；
(4)向所述第一催化反应液中加入木质素酶，进行木质素酶催化反应，得到第二催化反应液；
(5)向所述第二催化反应液中依次加入第一碳源和厌氧菌剂，使所得混合液的碳氮比为30～35，进行第一阶段厌氧发酵，得到第一上清液和第一下层混合物，分离出第一上清液备用；
(6)将所述第一下层混合物与水、第二碳源混合，使所得混合液的碳氮比≥35，进行第二阶段厌氧发酵，得到第二上清液和第二下层混合物；
(7)将所述第一上清液与第二上清液加热混合，得到有机酸混合液。
本发明将粉碎的藤蔓类尾菜与水混合，调节pH值≤6，得到尾菜浆液。本发明对所述藤蔓类尾菜的种类没有特殊的要求，本领域熟知的藤蔓类尾菜均适用本申请的方法；作为本发明具体的实施例，所述藤蔓类尾菜为西红柿藤、甜瓜藤、黄瓜藤、丝瓜藤、南瓜藤、苦瓜藤和西葫芦藤中的一种或几种。本发明在粉碎前，优选对藤蔓类尾菜进行初筛，以除去尾菜中的塑料、砂石等不可发酵的杂质。在本发明中，粉碎后的藤蔓类尾菜的粒径优选≤1cm，更优选为0.1～1cm。
在本发明中，所述水的质量优选为藤蔓类尾菜湿重的3～5倍，更优选为3～3.5倍。本发明对所述水的种类没有特殊的要求，使用本领域熟知的水源即可，具体的如自来水、河水或井水。在本发明中，所述水的导电率优选≤800μs/cm，更优选为100～600μs/cm。本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的如搅拌混合。本发明将混合后的藤蔓类尾菜和水的pH值调节至≤6，优选调节至5.5～6。在本发明中，调节pH值使用的酸性调节剂优选为有机酸，进一步优选为乙酸。
得到所述尾菜浆液后，本发明向所述尾菜浆液中通入臭氧，在加热条件下进行曝气反应，得到曝气反应液。在本发明中，所述加热的温度优选为60～75℃，更优选为65～70℃；所述曝气后尾菜浆液中的臭氧溶解量优选≥2.5mg/L，更优选为3～5mg/L；所述曝气反应的时间优选为30～45min，更优选为35～40min。本发明通过所述曝气反应，能够通过加热和臭氧的氧化效果杀灭尾菜中的微物，为后续厌氧菌剂接种发酵创造有益条件，并利用臭氧的氧化强性促使尾菜中的部分有机组分氧化分解，为后续发酵提供便利。
所述曝气反应后，本发明向所述曝气反应液中加入纤维素酶，进行纤维素酶催化反应，得到第一催化反应液。本发明对所述纤维素酶的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的纤维素酶即可，具体的如外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶中的一种或几种。在本发明中，所述纤维素酶的酶活力单位优选为1万u～10万u/g，更优选为3万u～7万u/g。在本发明中，所述纤维素酶的加入量的最小值优选根据式1计算：
Figure BDA0002772179120000061
式1中，Qa为纤维素酶加入量最小值，g；
m为藤蔓类尾菜的干物质重，g；
Ua为使用的纤维素酶的标称酶活力，无单位；
α为系数，为所述步骤(1)中水与藤蔓类尾菜湿重的比值，无单位；
所述纤维素酶的最大投加量优选为藤蔓类尾菜干物质重的1％。在本发明中，所述纤维素酶的投加量优选为藤蔓类尾菜干物质重的0.5～0.8％，更优选为0.8％。在本发明中，一般情况下纤维素酶的最小投加量为尾菜干物质重的0.3％。
在本发明中，所述纤维素酶催化反应的温度优选为60～75℃，更优选65～70℃；时间优选为6～12h，更优选为8～10h。在所述纤维素酶催化反应的过程中，本发明优选每隔1h对反应液进行一次搅拌，所述搅拌的转速优选为15～30r/min。本发明通过所述搅拌，能够使酶与反应底物更加充分的接触，并避免由于处理过程中尾菜密度较小，上浮于发酵液表层形成好氧-厌氧的兼氧环境，不利于后续发酵过程中厌氧发酵环境的形成。
所述纤维素酶催化反应后，本发明向所述第一催化反应液中加入木质素酶，进行木质素酶催化反应，得到第二催化反应液。本发明对所述木质素酶的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的木质素酶即可，具体的如木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶中的一种或几种。在本发明中，所述木质素酶的活力单位优选为1万u～5万u/g，更优选为2万u～4万u/g。
在本发明中，所述木质素酶的加入量的最小值优选根据式2计算：
Figure BDA0002772179120000071
式2中，Qb为木质素酶加入量最小值，g；
m为藤蔓类尾菜的干物质重，g；
Ub为使用的木质素酶的标称酶活力，无单位；
α为系数，为所述步骤(1)中水与藤蔓类尾菜湿重的比值，无单位；
所述木质素酶的最大投加量优选为藤蔓类尾菜干物质重的0.5％。在本发明中，所述木质素酶的投加量优选为藤蔓类尾菜干物质重的0.2～0.4％。在本发明中，一般情况下木质素酶的最小投加量为尾菜干物质重的0.1％。
在本发明中，所述木质素酶催化反应的温度优选为40～60℃，更优选为50℃；时间优选为4～10h，更优选为6～8h。在所述木质素酶催化反应的过程中，本发明优选每隔1h对反应液进行一次搅拌，所述搅拌的转速优选为15～30r/min。本发明通过所述搅拌，能够使酶与反应底物更加充分的接触，并避免由于处理过程中尾菜密度较小，上浮于发酵液表层形成好氧-厌氧的兼氧环境，不利于后续发酵过程中厌氧发酵环境的形成。
所述木质素酶催化反应后，本发明向所述第二催化反应液中依次加入第一碳源和厌氧菌剂，进行第一阶段厌氧发酵，得到第一上清液和第一下层混合物，分离出第一上清液备用。在本发明中，所述第一碳源优选为红糖、白糖、葡萄糖和糖蜜中的一种或几种，所述第一碳源的加入量优选为藤蔓类尾菜湿重的6～12％，更优选为8～10％。在本发明中，所述厌氧菌剂为激活后的厌氧菌剂，所述厌氧菌剂优选包括乳酸菌和丁酸梭菌剂，所述乳酸菌和丁酸梭菌剂的体积比优选1:0.5～1，更优选为1:1。本发明对所述乳酸菌和丁酸梭菌剂的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的乳酸菌和丁酸梭菌剂即可。作为本发明的一个具体实施例，所述丁酸菌为武陟县泓企生物科技有限公司生产的丁酸菌，所述乳酸菌为武陟县泓企生物科技有限公司生产的乳酸菌。在本发明中，所述厌氧菌剂的加入体积优选为第二催化反应液体积的1～3％，更优选为2％；所述厌氧菌剂的浓度优选为2～8亿cfu/mL，更优选为4～6亿cfu/mL。在本发明中，所述厌氧菌剂为激活后的厌氧菌剂；本发明对所述厌氧菌剂的激活方法没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的激活方法即可。作为本发明的一个具体实施例，所述乳酸菌的激活方法优选包括以下步骤：
将乳酸菌按0.2‰的比例加入红糖含量为10wt％的溶液中进行菌种激活，在35℃下厌氧发酵48h，得到激活后的乳酸菌。
所述丁酸梭菌剂的激活方法优选包括以下步骤：
将丁酸梭菌菌种按0.5‰的比例加入红糖含量为5wt％的溶液中进行菌种激活，35℃厌氧发酵48小时，得到激活后的丁酸梭菌。
本发明优选将激活后的乳酸菌菌液与激活后的丁酸梭菌菌液混合，得到厌氧菌剂。
在本发明中，所述第一阶段厌氧发酵的温度优选为35～38℃，更优选为36～37℃；时间优选为60～72h，更优选为65～70h。在第一阶段厌氧发酵的过程中，本发明优选进行快速放气，并避免外部空气进入。本发明通过所述第一阶段厌氧发酵，能够初步实现尾菜的发酵产酸。
所述第一阶段厌氧发酵后，本发明优选进行静置沉淀，得到第一上清液和第一下层混合物，所述第一下层混合物中包括未完全发酵反应的尾菜残渣。在本发明中，所述静置沉淀的时间优选为4～6h，更优选为5h；本发明分离出第一上清液备用，所述分离的方式优选为吸出。分离出第一上清液后，本发明优选对第一上清液进行过滤，所述过滤的方法优选为过80～100目筛。
将所述第一下层混合物与水，第二碳源混合，进行第二阶段厌氧发酵，得到第二上清液和第二下层混合物。本发明优选先将第一下层混合物与水混合，所述下层混合物与水混合后的pH值优选为6～7，更优选为6.5。在本发明中，所述第二碳源的种类与第一碳源相同，在此不再赘述。在本发明中，所述第二碳源的加入量优选为藤蔓类尾菜湿重的2～3.5％，更优选为2.5～3％；所述第二阶段厌氧发酵的温度优选为35～38℃，更优选为36～37℃，时间优选为24～48h，更优选为30～42h。
本发明将所述第一上清液与第二上清液加热混合，得到有机酸混合液。本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的混合方式即可。在本发明中，所述加热混合的温度优选为65～75℃，更优选为68～72℃，时间优选为30～45min，更优选为35～40min。本发明通过所述加热混合，能够在较为节省发酵过程能耗的前提下，将发酵菌种及发酵酶灭活，避免后续储运过程中，发酵菌继续活动产气并出现涨瓶现象，并在不添加添加防腐剂的基础上，维持组分稳定。
本发明所得有机酸混合液具有适宜的pH值和碳氮比，经稀释后可以直接还田使用，发酵产物中的有机酸成分能够活化设施土壤中的养分、提高被土壤固持养分的流动性，同时能够刺激土壤微生物及植物根系的生长；同时适宜的碳氧比还能避免碳氮比较低造成的土壤原有有机碳过快消耗的问题。在本发明中，所述稀释后的有机酸混合液中有机酸的总含量优选为20～100mmol/kg，更优选为40～80mmol/kg。
本发明提供了一种两段式厌氧发酵产酸装置，包括发酵反应罐1；所述发酵反应罐1设有进料口2、出料口3和第一出液口4；所述发酵反应罐1内部设有可升降的压滤盘5，内部底部设有臭氧曝气装置6；所述发酵反应罐1的腔内与换热器7连通；
入口与所述发酵反应罐1的第一出液口4连通的过滤池8；
入口与所述过滤池8出口连通的存储混合罐9；所述存储混合罐9设有第二出液口10；所述存储混合罐9底部设有加热管11。
本发明提供的两段式厌氧发酵产酸装置包括发酵反应罐1。本发明对所述发酵反应罐1的材质、规格没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的发酵反应罐1即可。在本发明中，所述发酵反应罐1设有进料口2、出料口3和第一出液口4；所述进料口2优选设置于发酵反应罐1的顶部，用于藤蔓类尾菜、水和其他原料的进料；出料口3优选设置于发酵反应罐1的底部，用于反应残留物的出料；所述第一出液口4优选设置于发酵反应罐1的侧壁，用于排出第一上清液和第二上清液。
在本发明中，所述发酵反应罐1内部设有可升降的压滤盘5。在本发明中，所述压滤盘5的内径优选与发酵反应罐1的内径相同，或优选小于发酵反应罐内径5～8mm，更优选为6～7mm；所述压滤盘5上设有多个通孔，所述通孔的孔径优选为1～3mm，更优选为2mm。在本发明中，所述发酵反应罐1顶部优选设有电动机12，所述电动机12与压滤盘5通过丝杠连接。本发明通过电动机12控制压滤盘5的升降。
在本发明中，所述发酵反应罐1内部底部设有臭氧曝气装置6。本发明对所述臭氧曝气装置6没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的曝气装置即可。
在本发明中，所述发酵反应罐1的腔内与换热器7连通。在本发明中，所述换热器7优选通过管路与发酵反应罐1内部连通；当需要进行加热时，发酵反应罐内的液体发酵反应罐1与换热器7间进行循环，实现加热的同时达到混合的目的。在本发明中，所述换热器7与发酵反应罐1间优选设置有第一水泵13，以实现液体的顺利流通。本发明对所述第一水泵13的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的水泵即可。
本发明提供的两段式厌氧发酵产酸装置包括入口与所述发酵反应罐1的第一出液口4连通的过滤池8。在本发明中，所述过滤池8内优选设有过滤网，所述过滤网的材质优选为不锈钢；所述过滤网的孔径优选为100～200目，更优选为120～150目。
本发明提供的两段式厌氧发酵产酸装置包括入口与所述过滤池8出口连通的存储混合罐9；本发明对所述存储混合罐9的材质、种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的存储混合罐9即可。在本发明中，所述存储混合罐9设有第二出液口10，所述第二出液口10优选设置于存储混合罐9底部。在本发明中，所述存储混合罐9底部设有加热管11，本发明对所述加热管11的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的加热管11即可。
在本发明中，存储混合罐9内优选设有搅拌器14。本发明对所述搅拌器14的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的搅拌器14即可，具体优选为电动搅拌器。
在本发明中，所述过滤池8与存储混合罐9间优选设置有第二水泵15，以实现液体的顺利流通。本发明对所述第二水泵15的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的水泵即可。
在本发明中，所述两段式厌氧发酵产酸装置的结构示意图如图1所示。
在本发明中，基于上述两段式厌氧发酵产酸装置进行藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法，优选包括以下步骤：
(1)粉碎的藤蔓类尾菜和水从进料口2进入发酵反应罐1混合，通过进料口2向发酵反应罐1中加入pH值调节剂，调节pH值≤6，得到尾菜浆液；
(2)开启臭氧曝气装置6，进行曝气反应，得到曝气反应液；
(3)通过进料口2向所述曝气反应液中加入纤维素酶，进行纤维素酶催化反应，得到第一催化反应液；
(4)通过进料口2向所述第一催化反应液中加入木质素酶，进行木质素酶催化反应，得到第二催化反应液；
(5)通过进料口2向所述第二催化反应液中依次加入第一碳源和厌氧菌剂，使所得混合液的碳氮比为30～35，进行第一阶段厌氧发酵，得到第一上清液和第一下层混合物，分离出第一上清液，所述第一上清液经过滤池8过滤后进入存储混合罐9内存储备用；
(6)通过进料口2向所述第一下层混合物中加入水、第二碳源，使所得混合液的碳氮比≥35，进行第二阶段厌氧发酵，得到第二上清液和第二下层混合物；
(7)所述第二上清液经过滤池8过滤后进入存储混合罐9，与第二上清液加热混合，得到有机酸混合液；所述第二下层混合物通过出料口3排出。
在本发明中，所述曝气反应、纤维素酶催化反应、木质素酶催化反应、第一阶段厌氧发酵、第二阶段厌氧发酵和加热混合的具体操作参数与上文相同，在此不再赘述。
下面结合实施例对本发明提供的藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法及装置进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)取新鲜甜瓜藤，经烘干计算干物质量为13.8％，将甜瓜藤粉碎成0.5～1cm，取200g粉碎甜瓜藤，加入600mL电导率为342μs/cm的自来水，得到720mL混合尾菜液，经测定所得混合液pH为8.19，滴加36wt％的乙酸，使溶液pH变为5.65，放入1000mL丝口瓶中。
(2)对pH调节后混合液加热至70℃，并使用臭氧发生器进行曝气，通过调节臭氧发生器的产气量使混合液中的臭氧浓度控制在4mg/L，曝气30min，待曝气结束后，按式1计算投加酶活力单位为10万U的纤维素酶0.9g，70℃厌氧酶催化反应10小时，每一小时通过摇晃反应瓶的方式进行混合；待纤维素酶催化后，反应混合液降温至52℃时，投加酶活力单位为5万U的漆酶(木质素酶，液态)0.4mL，酶催化6小时，期间每1小时间隔通过摇瓶方式混合。
(3)待混合液温度降到40℃时，向混合液中投加红糖16g作为碳源，同时投加激活后的乳酸菌和丁酸梭菌菌剂各10mL；保持混合液温度稳定在37℃进行第一阶段厌氧发酵72小时，发酵期间可以快速开盖的方式放出内部产生气体，并避免外部空气进入；
其中，乳酸菌和丁酸梭菌菌剂的激活方法为：将乳酸菌和丁酸梭菌菌种分别按0.2‰和0.5‰的比例加入红糖含量分别为10％和5％的溶液中进行菌种激活，35℃厌氧发酵48小时，即得激活菌剂。
(4)第一阶段厌氧发酵后，将上清液倒出，补加自来水300mL，此时混合液的pH值为6.4，投加红糖4g，保持37℃厌氧发酵48小时，完成第二阶段发酵，将第二阶段反应上清液与第一阶段发酵反应上清液混合加热至70℃保持30分钟，得到有机酸混合液。
经测定所得有机酸混合液的pH为3.87，有机酸混合液以酸味为主并伴有部分甜瓜清香，无臭味。将所得有机酸混合液配制成有机酸浓度为20～100mmol/kg的溶液，可以直接还田使用。
对所得有机酸混合液进行液相色谱分析，结果如图2所示。图2中色谱峰1为甲酸，色谱峰2乳酸，色谱峰3为乙酸。经测算，所得有机酸混合液中乳酸和乙酸含量分别为54.6g/L和37.1g/L，甲酸含量1.2g/L，参与发酵的甜瓜藤尾菜的干物质转化率达到74.6％。经总有机碳分析仪测定，混合液的可溶性总碳量为42.1g/L；经凯氏定氮仪测定混合液总氮含量为1.05g/L，折算混合液碳氮比为40.1。
实施例2
(1)取新鲜西红柿藤，经烘干计算其干物质量为11.5％，将西红柿藤粉碎至0.5～1cm粒径，取1000g粉碎西红柿藤，加入3000mL电导率为360μs/cm的自来水，得4100mL混合尾菜液，经测定所得西红柿藤混合液的pH为7.39，滴加36wt％的乙酸使溶液pH变为5.6，放入密封不锈钢发酵桶中。
(2)对发酵桶采用整体放入烘箱的方式加热至70℃，加热的同时，使用臭氧发生器进行曝气，通过调节臭氧发生器的产气量使混合液中的臭氧浓度控制在3.5mg/L，曝气30min，保持30分钟，待曝气结束后，投加酶活力单位为10万U的纤维素酶3.5g，搅拌均匀；烘箱设定温度70℃保持10小时，使发酵桶内温度温度在70℃，每一小时通过手动搅拌的方式进行混合，进行纤维素酶催化；待纤维素酶催化后，反应混合液降温至55℃时，按技术方案公式计算投加酶活力单位为5万U的漆酶(木质素酶，液态)1.5mL，酶催化7小时，期间每1小时间隔通过手动搅拌的方式混合。
(3)待混合液温度降到42℃时，向混合液中投加红糖80g作为碳源，同时投加激活后的乳酸菌和丁酸梭菌菌剂各50mL；保持混合液温度稳定在36℃厌氧发酵72小时，通过发酵桶上部水封放气阀进行被动放气，并保持桶内为厌氧状态；第一阶段发酵后，将上清液倒出，补加自来水1600mL，此时混合液的pH值为6.1，投加红糖22g，保持36℃厌氧发酵50小时，完成第二阶段发酵，过滤去除残渣；将第一阶段反应上清液重新投入发酵桶中与第二阶段发酵反应液混合，上清液于烘箱中混合加热至70℃保持30分钟，得到有机酸混合液。
经测定所得有机酸混合液的pH为3.32，液体以酸味为主，无臭味。将所得有机酸混合液配制成有机酸浓度为20～100mmol/kg的溶液，可以直接还田使用。
对所得有机酸混合液进行经液相色谱分析，结果如图3所示。图3中色谱峰1为草酸，色谱峰2为乳酸，色谱峰3为乙酸，色谱峰4为酒石酸。经测算，所得有机酸混合液中草酸含量2.3g/L，乳酸含量为35.3g/L，乙酸含量为6.4g/L，酒石酸5.6g/L，反应西红柿藤尾菜的干物质转化率达到71.1％。经测定，混合液的可溶性总碳含量达到20.7g/L，总氮含量为0.43g/L，碳氮比为48.1。
以上所述仅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 (10)

1.一种藤蔓类尾菜两段式厌氧发酵产酸的方法，包括以下步骤：
(1)将粉碎的藤蔓类尾菜与水混合，调节pH值≤6，得到尾菜浆液；
(2)向所述尾菜浆液中曝臭氧，在加热条件下进行曝气反应，得到曝气反应液；
(3)向所述曝气反应液中加入纤维素酶，进行纤维素酶催化反应，得到第一催化反应液；
(4)向所述第一催化反应液中加入木质素酶，进行木质素酶催化反应，得到第二催化反应液；
(5)向所述第二催化反应液中依次加入第一碳源和厌氧菌剂，使所得混合液的碳氮比为30～35，进行第一阶段厌氧发酵，得到第一上清液和第一下层混合物，分离出第一上清液备用；
(6)将所述第一下层混合物与水、第二碳源混合，使所得混合液的碳氮比≥35，进行第二阶段厌氧发酵，得到第二上清液和第二下层混合物；
(7)将所述第一上清液与第二上清液加热混合，得到有机酸混合液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中加热的温度为60～75℃；所述曝气使尾菜浆液中的臭氧溶解量≥2.5mg/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中纤维素酶的加入量的最小值根据式1计算：
Figure FDA0002772179110000011
式1中，Qa为纤维素酶加入量的最小值，g；
m为藤蔓类尾菜的干物质重，g；
Ua为使用的纤维素酶的标称酶活力，无单位；
α为系数，为所述步骤(1)中水与藤蔓类尾菜湿重的比值，无单位；
所述纤维素酶的最大投加量为藤蔓类尾菜干物质重的1％；
所述纤维素酶催化反应的温度为60～75℃，时间为6～12h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中木质素酶的加入量的最小值根据式2计算：
Figure FDA0002772179110000021
式2中，Qb为木质素酶加入量的最小值，g；
m为藤蔓类尾菜的干物质重，g；
Ub为使用的木质素酶的标称酶活力，无单位；
α为系数，为所述步骤(1)中水与藤蔓类尾菜湿重的比值，无单位；
所述木质素酶的最大投加量为藤蔓类尾菜干物质重的0.5％；
所述木质素酶催化反应的温度为40～60℃，时间为4～10h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一碳源和第二碳源独立为蔗糖、葡萄糖和果糖中的一种或几种；所述第一碳源的加入量为藤蔓类尾菜湿重的6～12％，第二碳源的加入量为藤蔓类尾菜湿重的2～3.5％；
所述厌氧菌剂包括乳酸菌和丁酸梭菌剂；所述厌氧菌剂的体积为第二催化反应液体积的1～3％；所述厌氧菌剂的浓度为2～8亿cfu/mL。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阶段厌氧发酵的温度为35～38℃，时间为60～72h；
所述步骤(6)中下层混合物与水、第二碳源混合后的pH值为6～7；
所述第二阶段厌氧发酵的温度为35～38℃，时间为24～48h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中加热混合的温度为65～75℃，时间为30～45min。
8.一种两段式厌氧发酵产酸装置，包括发酵反应罐(1)；所述发酵反应罐(1)设有进料口(2)、出料口(3)和第一出液口(4)；所述发酵反应罐(1)内部设有可升降的压滤盘(5)，内部底部设有臭氧曝气装置(6)；所述发酵反应罐的腔内(1)与换热器(7)连通；
入口与所述发酵反应罐(1)的第一出液口(4)连通的过滤池(8)；
入口与所述过滤池(8)出口连通的存储混合罐(9)；所述存储混合罐(9)设有第二出液口(10)；所述存储混合罐(9)底部设有加热管(11)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述发酵反应罐(1)顶部设有电动机(12)，所述电动机(12)与压滤盘(5)通过丝杠连接。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述存储混合罐(9)内设有搅拌器(14)。
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