CN115354064B

CN115354064B - 一种厌氧干发酵两相分区生产中链脂肪酸的方法

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Publication number: CN115354064B
Application number: CN202211289922.XA
Authority: CN
Inventors: 赵立欣; 梁依; 于佳动; 姚宗路; 罗娟
Original assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Current assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-10-21
Also published as: US20240132924A1; CN115354064A

Abstract

本发明提供了一种厌氧干发酵两相分区生产中链脂肪酸的方法，属于农业废弃物资源化利用技术领域。本发明利用厌氧干发酵传质传热慢这一特点使同一发酵装置内天然划分为两相，在同一发酵装置内实现边生产电子受体和电子供体，边合成中链脂肪酸。同时通过发酵装置上部外加高效分解菌剂、下部接种具有碳链延长功能的污泥、调控物料停留时间，缩短了水解酸化和碳链延长周期，在提升厌氧发酵有机酸转化速率的同时实现农业废弃物高值化转化。

Description

一种厌氧干发酵两相分区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利用技术领域，具体涉及一种厌氧干发酵两相分区生产中链脂肪酸的方法。

背景技术

秸秆等纤维素类生物质中含有丰富的碳源，是一种非常理想的生产短链脂肪酸的原料，常与牛粪、猪粪等富含蛋白质的畜禽粪便进行共发酵，平衡发酵体系养分。但由于短链脂肪酸易溶于水，从发酵液中回收短链脂肪酸较为困难。与之相比，中链脂肪酸由于具有疏水性强、附加值高等优点，更容易从发酵液中提取，且中链脂肪酸可作为前体应用于生产药物、食品添加剂、润滑剂和溶剂等。

碳链延长是合成中链脂肪酸的重要途径，该技术可以将厌氧发酵中间产物乙酸、丁酸等短链脂肪酸转化为中链脂肪酸，不仅可以实现农业废弃物资源化，还可以生产具有高附加值的中链脂肪酸，同时较传统化工方法合成中链脂肪酸相比节省更多成本。

目前，利用厌氧发酵技术合成中链脂肪酸工艺主要分为单相合成工艺和两相合成工艺。其中，单相合成工艺是在相同环境条件下完成所有的反应阶段，但是由于在水解酸化产短链脂肪酸过程中自发产生甲烷，降低了中链脂肪酸转化速率。而两相合成工艺是将水解酸化产短链脂肪酸阶段和碳链延长合成中链脂肪酸阶段分开进行，两相分体式工艺匹配难度大。

因此，如何在一体式发酵装置内完成厌氧发酵水解酸化产短链酸过程和碳链延长过程，同时提高中链脂肪酸转化速率效率，亟需进一步深入探索。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种厌氧干发酵两相分区生产中链脂肪酸的方法，本发明实现了农业废弃物厌氧干法两相分区产中链脂肪酸的一体式发酵，且能够提高中链脂肪酸转化速率。

本发明提供了一种厌氧干发酵两相分区生产中链脂肪酸的方法，包括以下步骤：

1）将秸秆、畜禽粪便和复合菌剂混合，得到发酵料；所述复合菌剂包括植物乳杆菌和梭菌属；

2）在厌氧干发酵装置的底部接种污泥，在所述污泥的上部填入所述发酵料，进行3~7d第一厌氧干发酵；所述污泥为经酸驯化的污泥；

3）在所述第一厌氧干发酵后，采用连续进出料的方式进行第二厌氧干发酵；

所述第二厌氧干发酵的物料停留时间和进出料的频率根据第一厌氧干发酵后厌氧干发酵装置上部1/4~1/3区域的物料平均pH和平均氧化还原电位确定；

当物料平均pH低于5.5且平均氧化还原电位低于-350mV时，所述第二厌氧干发酵的物料停留时间为7~15天；所述第二厌氧干发酵的进出料频率为48~72 h/次；

当物料平均pH为5.5~6.5和/或平均氧化还原电位为-350~-150mV时，所述第二厌氧干发酵的物料停留时间为5~7天；所述第二厌氧干发酵的进出料频率为12~24 h/次；

当物料平均pH高于6.5且平均氧化还原电位高于-150mV时，所述第二厌氧干发酵的物料停留时间为3~5天；所述第二厌氧干发酵的进出料频率为6~12 h/次；

4）对所述第二厌氧干发酵的发酵产物进行固液分离，收集含有中链脂肪酸的液体组分。

优选的，所述秸秆包括黄贮秸秆；所述畜禽粪便包括牛粪。

优选的，所述秸秆和畜禽粪便的质量比为（6:4）~（7:3）；所述复合菌剂占秸秆和畜禽粪便总质量的10%~20%。

优选的，所述植物乳杆菌和梭菌属的有效活菌数独立为1~2亿/g；所述植物乳杆菌和梭菌属的有效活菌数之比为1：1；所述植物乳杆菌的保藏编号为：CICC 21790；所述梭菌属的保藏编号为CICC 24702。

优选的，所述第一厌氧干发酵或第二厌氧干发酵的温度独立为35~45℃。

优选的，所述第二厌氧干发酵的pH值为5.5~6。

优选的，当发酵装置上部1/4~1/3区域产生的液体向下部1/4~1/3区域流动过程中液体下降速率低于1.0~1.5g/L或发酵装置下部1/4~1/3区域的物料孔隙度低于25%~30%时，降低物料停留时间为9天。

优选的，在收集含有中链脂肪酸的液体组分后，还包括提取所述液体组分中的中链脂肪酸。

优选的，在提取所述液体组分中的中链脂肪酸后，还包括在所述厌氧干发酵装置中乳酸和乙酸的总浓度低于8~10g/L时，将所述提取后的剩余液回流至厌氧干发酵装置中。

优选的，所述提取后的剩余液的回流量占进料量质量的10%~20%。

本发明提供了一种厌氧干发酵两相分区生产中链脂肪酸的方法。本发明采用包括植物乳杆菌和梭菌属的复合菌剂对农业废弃物进行发酵，能够高效水解产短链酸；其次，本发明通过调控物料配比、进料方式和物料停留时间，进而调控物料孔隙度、产短链酸速率、液体下降速率及物料孔隙度，建立两相分区，使发酵装置上部1/4~1/3区域持续产短链酸，形成水解酸化产短链酸区域；中部1/4~1/3区域为过渡区域；下部1/4~1/3区域持续合成中链脂肪酸，形成碳链延长合成中链脂肪酸区域。发酵装置上部1/4~1/3区域产生的短链脂肪酸随液体向下部1/4~1/3区域流动，使得下部1/4~1/3区域的pH值降低，正好适合碳链延长菌合成中链脂肪酸，易于碳链延长反应的进行，并在接种的具有碳链延长功能的颗粒污泥的作用下更加高效合成中链酸。本发明的方法基于建立的两相分区一体，实现发酵体系下部1/4~1/3区域pH值自行调节。

与现有单相合成工艺相比，本发明提高了中链脂肪酸生产速率，且几乎不会产生甲烷；与现有两相一体式合成工艺相比，本发明避免了相分离及短链脂肪酸提取分离的过程，节约了制备中链脂肪酸的成本。本发明利用厌氧干发酵传质传热慢这一特点，使同一发酵装置内天然划分为两相，在同一发酵装置内实现边生产电子受体和电子供体，边合成中链脂肪酸。同时通过发酵装置上部外加高效分解菌剂、下部接种具有碳链延长功能的颗粒污泥、调控物料停留时间，缩短了水解酸化和碳链延长周期，在提升厌氧发酵有机酸转化速率的同时实现农业废弃物高值化转化。

附图说明

图1为本发明实施例1的装置流程图；

图2为本发明实施例1的工艺流程图。

具体实施方式

4）对所述第二厌氧干发酵的发酵产物进行固液分离，收集含有中链脂肪酸的液体组分；

本发明首先将秸秆、畜禽粪便和复合菌剂混合，得到发酵料；所述复合菌剂包括植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）和梭菌属（Clostridium sp.）。

在本发明中，所述秸秆优选的包括黄贮秸秆；所述畜禽粪便优选的包括牛粪。在本发明中，所述秸秆和畜禽粪便的质量比优选为（6:4）~（7:3），这一比例下的碳氮比更有助于微生物生长代谢，促进底物转化，提高有机酸产量；所述秸秆和畜禽粪便的固形物含量物＞25%；所述复合菌剂优选占秸秆和畜禽粪便总质量的10%~20%，更优选为15%。

在本发明中，所述植物乳杆菌和梭菌属的有效活菌数独立优选为1~2亿/g；所述植物乳杆菌和梭菌属的有效活菌数之比优选为1：1；所述植物乳杆菌和梭菌属优选的购自于中国农业微生物菌种保藏管理中心；所述植物乳杆菌和梭菌属的作用是产乳酸和挥发性脂肪酸；所述植物乳杆菌的保藏编号优选为：CICC 21790；所述梭菌属的保藏编号优选为CICC24702。

本发明通过耦合调控原料配比、添加高效分解菌剂定向产乙酸和乳酸，分别作为电子受体和电子供体，不需外加电子供体，较传统化工方法制备中链脂肪酸相比，降低了制备成本。

得到发酵料后，本发明在厌氧干发酵装置的底部接种污泥，在所述污泥的上部填入所述发酵料，进行3~7d第一厌氧干发酵；所述污泥为经酸驯化的污泥。在本发明中，所述第一厌氧干发酵是预酸化过程。

在本发明中，所述发酵料的填入量以填至厌氧干发酵装置的有效容积即可。

在本发明中，所述污泥优选为经乳酸驯化的污泥；所述经乳酸驯化的污泥的制备方法优选为：将厌氧污泥中加入浓度为10g/L的乳酸后于发酵罐中进行发酵；所述发酵的温度为38℃；所述发酵的pH值优选为5.5；所述发酵的时间以发酵体系内己酸浓度达到3~4g/L为准；所述经酸驯化的污泥能够缩短发酵时间，同时提高有机废弃物的转化效率，进而提高原料降解效率及有机酸产量。

在本发明中，所述第一厌氧干发酵的温度优选为35~45℃，更优选为40℃。

在所述第一厌氧干发酵后，本发明采用连续进出料的方式进行第二厌氧干发酵；所述第二厌氧干发酵的物料停留时间和进出料的频率根据第一厌氧干发酵后厌氧干发酵装置上部1/4~1/3区域的物料平均pH和平均氧化还原电位确定；在本发明中，不同底物配比均根据第一厌氧干发酵后厌氧干发酵装置上部1/4~1/3区域的物料平均pH和平均氧化还原电位确定；

当物料平均pH高于6.5且平均氧化还原电位高于-150mV时，所述第二厌氧干发酵的物料停留时间为3~5天；所述第二厌氧干发酵的进出料频率为6~12 h/次。

在本发明中，所述第二厌氧干发酵的发酵装置下部1/4~1/3区域的pH值优选为5.5~6.5，更优选为5.8~6。

在本发明中，当发酵装置上部1/4~1/3区域产生的液体向下部1/4~1/3区域流动过程中液体下降速率低于1.0~1.5g/L或发酵装置下部1/4~1/3区域的物料孔隙度低于25%~30%时，降低物料停留时间为9天。

在本发明中，所述厌氧干发酵装置下部1/4~1/3区域自行调节pH值至5.5~6.5，通过调控物料配比及物料停留时间，使厌氧干发酵装置上部1/4~1/3区域水解酸化结束后富含乙酸和乳酸的物料随着进出料的下沉及物质自身流动，输送到厌氧干发酵装置下部1/4~1/3区域，实现下部1/4~1/3区域环境pH始终维持在5.5~6.5，同时该条件易于碳链延长反应的进行。

物料停留时间是待处理物料在反应器内的平均停留时间，物料停留时间为发酵装置容积和添加物料量的比值。本发明通过改变进出物料量来调控物料停留时间为9~15d且短链酸停留时间为3~7d，进而维持体系内产酸速率在3~4g/L·d和液体下降速率为0.24~0.31 L/d；所述液体下降速率根据每天渗滤液收集量和发酵装置容积来计算；渗滤液收集量为0.05~0.08 L/L·d且物料孔隙度为30%~40%构建上部区域水解酸化产乙酸和乳酸并和下部合成中链脂肪酸区域耦联的过渡体系，从而构建成建立中链脂肪酸两相分区一体。

在所述第二厌氧干发酵后，本发明对所述第二厌氧干发酵的发酵产物进行固液分离，收集含有中链脂肪酸的液体组分。

在本发明中，所述固液分离的方式优选为通过厌氧干发酵装置内的带孔隔板，将发酵液收集到装置底部。

在本发明中，在收集含有中链脂肪酸的液体组分后，优选的还包括提取所述液体组分中的中链脂肪酸。

在本发明中，在提取所述液体组分中的中链脂肪酸后，优选的还包括在所述厌氧干发酵装置中乳酸和乙酸的总浓度低于8~10g/L时，将所述提取后的剩余液回流至厌氧干发酵装置中。在本发明中，所述提取后的剩余液的回流量优选的占进料量质量的10%~20%，更优选为15%；所述提取后的剩余液优选的通过喷淋的方式回流至厌氧干发酵装置中；所述提取后的剩余液的喷淋频率优选为4~6次/天；所述剩余提取液的喷淋量优选为1~2L/次。

在本发明中，在所述固液分离后，优选的还包括收集固体组分，所述固体组分含有丰富的碳链延长菌，一部分可用作污泥再使用，使用浓度优选为物料质量的10%~20%，剩余部分可用于制备有机肥。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

实施例1的装置流程图和工艺流程图分别参见图1和图2。

（1）以玉米秸秆和牛粪混合为发酵原料，在总TS为30%的条件下，秸秆与牛粪按质量比7:3混合得到混合料，混合料再与高效分解菌剂按质量比1:10混合，充分搅拌后加入10L的发酵装置进行厌氧发酵；

高效分解菌剂为购自于中国工业微生物菌种保藏管理中心的植物乳杆菌和梭菌属组成的复合菌剂，植物乳杆菌和梭菌属的有效活菌数分别为2亿/g；所述植物乳杆菌的保藏编号为：CICC 21790；所述梭菌属的保藏编号为CICC 24702；

同时，在反应启动前将具有碳链延长功能的污泥接入反应器底部，添加量为有效容积的1/3（物料添加量与底物污泥接种量总和为发酵装置有效容积）。在发酵温度为38℃，预酸化3天，使发酵体系内获得乳酸和乙酸浓度为14.4 g/L，发酵环境pH为5.5，并可维持酸性环境至第9天。

具有碳链延长功能的污泥的制备方法：将厌氧污泥中加入浓度为10g/L的乳酸后于发酵罐中进行发酵至发酵体系内己酸浓度达到3~4g/L；所述发酵的温度为38℃。

（2）在预酸化3天后，改变进出料方式为每天连续进出料，物料的停留时间为11天，产酸速率在3.7 g/L·d，物料孔隙度为30%，发酵11天后稳定在30%以上，渗滤液收集量在1.5 L/L·d，连续发酵20天后，渗滤液收集量低于0.5 L/L·d，调整物料停留时间至9天，发酵15天后出料中己酸浓度为5.4 g/L·d。

（3）发酵液固液分离后，出料中得到的发酵固体一部分用作接种物，剩余部分用于制备有机肥；而液相收集在储液罐后经提取得中链脂肪酸后，剩余液体作为接种物回流喷淋至混料装置。

对比例1

一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤（1）中的发酵原料为玉米秸秆和猪粪。

对比例2

一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤（1）中的发酵原料为玉米秸秆和鸡粪。

对比例3

一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤（1）中的秸秆与牛粪的质量比为6:4。

对比例4

一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤（1）中的秸秆与牛粪的质量比为5:5。

对比例5

一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤（2）中的停留时间为5天。

对比例6

一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤（2）中的停留时间为7天。

对比例7

一种与实施例1相似的方法，区别在于，步骤（2）中的停留时间为15天。

测定实施例1以及对照例1~7的方法的发酵产物的乳酸、乙酸和己酸浓度以及产酸速率和物料孔隙度；其中，有机酸含量通过气相色谱仪测定，样品制备与检测方法参照文献[于佳动，赵立欣，冯晶，等. 序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[J]. 农业工程学报，2018，34(15)：215－221.]；物料孔隙度依据土壤基本性质检测方法测定，参考文献[沈其荣. 土壤肥料学通论[M]. 北京：高等教育出版社，2001]。结果参见表1。

表1 不同组乳酸、乙酸和己酸浓度以及产酸速率和物料孔隙度

由表1可知，通过测定发酵过程中乳酸、乙酸和己酸浓度以及产酸速率和物料孔隙度可知，实施例1的产酸速率较猪粪和鸡粪（对比例1~2）分别最高提高33.57%，38.06%，最高到3.70 g/L·d。而随着底物配比中牛粪比例的增加，物料孔隙度平均比实施例1降低18%，乳酸、乙酸和己酸浓度以及产酸速率呈下降趋势，秸秆和牛粪配比为7:3更有助于水解产酸微生物生长代谢，乳酸和乙酸浓度最高达14.4 g/L·d。提高物料停留时间（对比例7）物料孔隙度增加，但产酸速率下降至2.65 g/L·d，缩短物料停留时间，物料孔隙度差异不显著。

可见，以秸秆和牛粪混合作为底物共发酵，提高底物中秸秆占比，适当提高物料停留时间，维持物料孔隙度在30%左右，有助于提高物料转化速率和产酸速率。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种厌氧干发酵两相分区生产中链脂肪酸的方法，包括以下步骤：

1）将秸秆、畜禽粪便和复合菌剂混合，得到发酵料；所述复合菌剂包括植物乳杆菌和梭菌属；所述畜禽粪便为牛粪；所述秸秆和畜禽粪便的质量比为（6:4）~（7:3）；所述复合菌剂占秸秆和畜禽粪便总质量的10%~20%；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述秸秆包括黄贮秸秆。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述植物乳杆菌和梭菌属的有效活菌数独立为1~2亿/g；所述植物乳杆菌和梭菌属的有效活菌数之比为1：1；所述植物乳杆菌的保藏编号为：CICC 21790；所述梭菌属的保藏编号为CICC 24702。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一厌氧干发酵或第二厌氧干发酵的温度独立为35~45℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二厌氧干发酵过程中发酵装置下部1/4~1/3区域的pH值为5.5~6.5。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当发酵装置上部1/4~1/3区域产生的液体向下部1/4~1/3区域流动过程中液体下降速率低于1.0~1.5g/L或发酵装置下部1/4~1/3区域的物料孔隙度低于25%~30%时，降低物料停留时间为9天。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在收集含有中链脂肪酸的液体组分后，还包括提取所述液体组分中的中链脂肪酸。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在提取所述液体组分中的中链脂肪酸后，还包括在所述厌氧干发酵装置中乳酸和乙酸的总浓度低于8~10g/L时，将所述提取后的剩余液回流至厌氧干发酵装置中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述提取后的剩余液的回流量占进料量质量的10%~20%。