CN116710569A - 生产中链脂肪酸的方法 - Google Patents
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Abstract
一种从有机废料(3)中生产中链脂肪酸(2)的方法(1)，其特征在于，所述方法(1)包含以下步骤：·将有机废料(3)分离(4)成固体部分(5)和液体部分(6)；·在后发酵(7)中，发酵液体部分(6)；·通过生物质分离步骤(12)的方式将至少部分发酵液体部分(11)分离成低污泥含量流出物(14)和高污泥含量流出物(13)；·从低污泥含量流出物(14)中提取(15)中链脂肪酸(2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产中链脂肪酸的方法，更具体地，其是一种从有机废料中生产中链脂肪酸的方法。
背景技术
传统上，中链脂肪酸是从椰子油和棕榈油中提取的。
这种方法的缺点是获得的中链脂肪酸相对较少。
另一缺点是椰子油和棕榈油形成了生产中链脂肪酸的不可持续来源。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决上述和其他缺点之一的方案。
为此，本发明涉及一种从有机废料中生产中链脂肪酸的方法，其中所述方法包含以下步骤：
-在主发酵中发酵有机废料，由此有机废料至少部分转化为乳酸；
-将有机废料分离成固体部分和液体部分；
-在后发酵中发酵液体部分，由此至少一部分乳酸转化为中链脂肪酸；
-通过生物质分离步骤的方式将所述至少部分发酵的液体部分分离成低污泥含量流
出物和高污泥含量流出物；
-从低污泥含量流出物中提取中链脂肪酸。
这种方法的优点是其是一种生产中链脂肪酸的可持续方法。
另一优点是，其是一种处理生物废物的可持续和生态的方法，从而获得具有更高附加值的生物产品(与传统生物废料处理方法相比)。
这种方法的另一优点是，所述方法是一种原位生产中链脂肪酸的生产方法，其中，乳酸作为中间产物。
所述方法允许将有机废料加工成中链脂肪酸，而不必要要求额外添加和/或原位生产乙醇。
乳酸的危害和/或毒性比乙醇小，因此不需要很严格的安全措施和/或检查。
将有机废料分离成固体部分和液体部分前可以进行混合步骤，从而将废料与生物质混合。
当将有机废料与生物质混合时，还可以添加微生物和/或添加剂，例如酶和/或特定营养素，例如微量元素和/或矿物质和/或维生素和/或类似物等。
这样的优点是所述添加剂能够刺激废料的发酵。
优选地，在上述混合步骤之后进行主发酵，从而使废料发酵。
在主发酵和后发酵情况下，发酵步骤之间可以有混合步骤，其中将工艺水添加到发酵的混合物中。
该工艺水可以在从低污泥含量流出物中分离出中链脂肪酸后获得。
在后发酵和/或主发酵期间，可以形成工艺气体，所述工艺气体优选包含氢气。
上述氢气可以用于质子的电解生产。
这样的优点是所述方法可以提供用于调节pH的必要物质，而不必添加额外的酸和/或碱。
发酵混合物(溶液中有中链脂肪酸)，可以通过一个或多个膜过滤器进行过滤，从而保留生物质，并且将中链脂肪酸保留在低污泥含量流出物中。
这样的优点是，所述生物质可以重复利用，例如在生物质与有机废料混合期间或者在一个或两个发酵步骤期间。
上述方法使用预先存在的装置，如储罐、反应器、压机、离心机等，因此所述方法应用相对简单。
所述方法的不同步骤可以具有间歇操作，由此能量吸收步骤可以交替，使得功耗可以下降，这在生态和经济上都是有利的。
在优选实施方式中，所述方法和可用于此目的的装置通过太阳能和/或风能和/或从本方法获得的沼气来提供电力。
这种形式的能量也有助于质子和/或氢氧根离子(可用于调节pH)的电解生产。
此外，优选地，外部仅供应有限量的化学品和/或水和/或生物质和/或类似物。
所述方法可以提供各种内部再循环可能性，例如，重复使用化学品和/或化合物和/或水和/或生物质和/或它们的一种或多种组合和/或类似物。
附图说明
为了更好地展示本发明的特征，下文参考附图以实施例的方式描述根据本发明的生产中链脂肪酸的方法的一些优选应用，而无任何限制性质，其中：
图1示意性示出了根据本发明的连续生产步骤；
图2示出了图1的替代方法。
具体实施方式
图1所示的方法1旨在从有机废料3中生产中链脂肪酸2。
中链脂肪酸2，被理解为指具有至少六个碳原子的脂肪酸，例如己酸、庚酸、辛酸等。
不同肥料流体3均适合用作生产这种中链脂肪酸2的底物，例如厨余垃圾和/或食物废料和/或其他选择性收集的简单可分解的有机废料3和/或者具有类似特性的其他类型的有机底物。
这样的废料3可以包含液体废料和固体废料或者它们的组合。
为此，有机废料3可在主发酵21中通过水解被分解和转化为乳酸，乳酸作为分解过程的中间产物和链延长的底物。
在主发酵21期间，乳酸可被部分转化为生产中链脂肪酸的中间产物，例如短链脂肪酸，如乙酸和丁酸，也可转化为最终产物中链脂肪酸2，包括己酸。
发酵的有机废料3被分离4成固体部分5和液体部分6。
这种液体部分6可以通过筛或压机或类似的方式分离4废料3获得。
随后，液体组分6在后发酵7中发酵，由此至少一部分乳酸转化为作为最终产物的中链脂肪酸2。
优选地，上述液体部分6仍然包含小的有机颗粒，例如纤维或类似物，所述颗粒在有机废料3的筛分和/或压制中不会被保留。
这些有机颗粒可以在后发酵7中被转化为乳酸，之后所述乳酸的至少一部分可以在后发酵7中转化成中链脂肪酸2。
从而，可以获得更多的中链脂肪酸2。
固体部分5可以通过厌氧消化8的方式转化为沼气9和/或肥料10。
优选地，已知干式厌氧堆肥(DRANCO)系统使用于此。
后发酵7可以在连续搅拌槽反应器(CSTR)、升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、填充床反应器或类似物中进行。
在后发酵7后，通过生物质分离步骤12的方式(例如离心和/或微滤)，将发酵混合物11分离成主要含有能催化发酵7的活性微生物的高污泥含量流出物13，和富含中链脂肪酸2的低污泥含量流出物14。
分离发酵混合物11被理解为指通过生物质分离步骤12的方式分离至少部分发酵的液体部分。
上述低污泥含量流出物14也可以是无污泥的。
随后，所述低污泥含量流出物14被用于从低污泥含量流出物14中提取15中链脂肪酸2。
这可以通过例如流体-流体提取或电化学提取15实现，例如，由此可以使用或可以不使用膜过滤。
如图2所示，优选地，首先对废料3进行预处理17，以保护废料16免受任何不希望的杂质污染，例如树枝、石头、塑料等。
在废料3的这种预处理17中，除其他外，可以使用筛网，其可以旋转和/或转鼓和/或类似，或不旋转和/或转鼓和/或类似。
此外，还可以在预处理17期间通过机械的方式处理废料3，例如通过压碎和/或切片和/或切碎和/或类似，以刺激有机化合物的释放。
优选地，有机废料3在厌氧条件下与生物质19混合18以形成混合物20，所述生物质19优选来自生产过程中的另一步骤。
该方法可以提供不同的再循环步骤以能够再利用生物质19。
因此，生物质19可以从主发酵21和/或将固体部分5和液体部分6分离4之后和/或生物质分离步骤12之后获得，所述获得的生物质19能够通过在混合18废料3或预处理的废料31时加入而被再利用。
生物质19含有特定的链延长微生物，例如Caprociproducens sp和/或Ruminococcaceae sp和/或Clostridium kluyveri和/或Pseudoramibacter sp和/或乳酸生成细菌，例如Lactobacillus sp和/或Olsenella sp和/或类似物，因此利于中链脂肪酸2的生产。
在将生物质19与废料3或预处理的废料31混合18之后，混合物20可以进行主发酵21，由此混合物(20)在特定条件下发酵。
在所述主发酵21期间，有机废料3或预处理的废料31至少部分发酵成乳酸。
在优选实施方式中，在所述主发酵21期间产生的乳酸在主发酵21中至少部分转化为中链脂肪酸2。
此外，在主发酵21期间，也可以产生工艺气体22，所述工艺气体22能够转化为甲烷。
优选地，所述工艺气体22被排放到上述固体部分5的厌氧消化8中。
上述处工艺气体22可以含有氢气，所述氢气能够被添加到主发酵21中以刺激微生物链延长。
优选地，所述氢气也用于质子的电解生产，由此向方法1提供内部酸供应。
在主发酵21和/或后发酵7期间，也可能产生乙醇。
这种可能的乙醇原位生产对于将生物废料加工成乳酸和链延长(例如将乳酸延伸成中链脂肪酸2)来说都不是必需的。
此外，方法1旨在生产乳酸，其随后通过微生物链延长转化为中链脂肪酸2。
在优选的方法中，在主发酵21和/或后发酵7期间不产生和/或添加大量乙醇。
在上述主发酵21之后，发酵混合物23可以被混合24，其中工艺水25和/或淡水30可以被添加到混合物23中。
该工艺水25来自方法1中的后部步骤，并且可以在生物质分离步骤12之后和/或在提取步骤15之后获得。
可以经由提取步骤15将工艺水25间接排放至混合步骤24，工艺水可以在生物质分离步骤12之后获得，由此发酵混合物23随后可以与排放的工艺水25混合24。
在生物质分离步骤12和提取步骤15之间，可以提供旁路32以使上述步骤12、15彼此独立操作。
优选地，所述工艺水25含有相对低浓度的中链脂肪酸2。
如果需要或期望使或保持有机和无机化合物的浓度在所期望的限度内，可以加入淡水30。
淡水30被理解为指自来水、雨水、地下水和/或类似物。
将工艺水25与发酵混合物23混合24之后，优选地，将所述混合物23至少分离4为上述液体部分6和固体部分5。由此在这种情况下，液体部分6将被供应至后发酵7。
还可以将有机废料3和/或预处理的废料31和/或发酵混合物23分离4成液体部分6、固体部分5和富含生物质的部分19。
控制主发酵21和/或后发酵7，使得通过微生物链延长过程形成主要为己酸的中链脂肪酸2。
为此，有机废料3可以在主发酵21期间通过水解分解和转化为乳酸，乳酸作为分解过程的中间产物和链延长的底物。
在主发酵21期间，乳酸可以部分转化为生产中链脂肪酸的中间产物，例如短链脂肪酸，如乙酸和丁酸，并转化为最终产物中链脂肪酸2，包括己酸。
在乳酸的生产中，罐中的pH可能会下降，这与具有pH上升作用的微生物链延长相反，从而使罐中的pH保持平衡。
因此，仅通过，例如所需的质子或氢氧根离子和/或酸和/或碱的加入，来对pH进行最低限度的调节。
在后发酵7期间，液体部分6被发酵，控制反应器或罐中的条件，使得仍然存在于反应器中的乳酸和/或乙酸和/或丁酸可以转化为中链脂肪酸2，例如己酸，作为最重要的最终产物。
此外，在所述后发酵7期间，可以将优选地富含乳酸的液体废料26直接添加到所述反应器中。
然而，如图2所示，可以首先分离4所述液体废料26，例如通过筛网的方式，然后液体部分可以用于后发酵7。
中链脂肪酸的生产在上述发酵步骤或步骤7、21中进行，只要链延长有机体不被底物或最终产物本身抑制即可。
上述高污泥含量流出物13可以用作生物质19，可以在主发酵21之前与废料3或预处理的废料31混合18。
这种高污泥含量流出物13可以在后发酵7和生物质分离步骤12之间多次循环，从而控制污泥33在后发酵7罐中的停留时间。
在这种情况下，低污泥含量流出物14在溶液中含有相对大量的脂肪酸。
因此，在低污泥含量流出物14中存在多种碳酸，例如：乙酸、丙酸、(异)丁酸、(异)戊酸、(异)己酸、庚酸和/或辛酸。
作为用于中链脂肪酸2的下游提取系统15的结果，可以获得以己酸、庚酸和辛酸为主的最终产物。
因此，这些上述中链脂肪酸2可以通过流体-流体提取或电化学提取或类似方式提取15，其中所述中链脂肪酸2也可以从低污泥含量流出物14中提取。
该提取步骤15产生中链脂肪酸2(例如己酸)和水溶液27，所述水溶液污泥含量低并且含少量至不含中链脂肪酸2。
如图2的实施例所示，在有机废料3与生物质19混合18期间，还可以添加一种或多种添加剂28，例如酸和/或碱和/或酶和/或一种或多种营养素，如矿物质、微量元素、维生素。
此外，在上述混合18期间，如果废料3/生物质19的比例需要适用于向系统中添加更高占比的微生物生物质19，特别是如果希望调节链伸长有机体的占比，则可以添加外部培养的微生物组29。
优选地，所述培养的微生物组29含有细菌，例如Caprociproducens sp和/或Ruminococcaceae sp和/或Clostridium kluyveri和/或Pseudoramibacter sp和/或乳酸生成细菌，例如Lactobaciculus sp和/或Olsenella sp和/或类似物。
根据使用的反应器，在后发酵7期间，生物质和液体部分6的停留时间可以分别设置，从而能够抑制与生长更慢的微生物(例如产甲烷菌)的竞争反应。
在生物质分离步骤12中，发酵混合物11可以被过滤，从而去除大于0.2至5μm的组分，由此中链脂肪酸2保留于过滤后的低污泥含量流出物14中。
不排除低污泥含量流出物14可以多次循环，例如以增加来自有机废料3的中链脂肪酸2的产量。
因此，也可以在提取15中链脂肪酸2之后，通过水溶液27的方式将低污泥含量流出物14中的短链脂肪酸引导回到后发酵7，使得所述短链脂肪酸仍然可以转化为中链脂肪酸2。
生物质19也可以在生物质分离步骤12之后被再利用，其中生物质19可以被添加到后发酵7的罐中，或者在主发酵21之前与有机废料3混合18。
以这种方式，进入的废料3和/或预处理的废料31和/或混合物20和/或液体部分6可以被大量的活性生物质19接种，从而催化发酵7、21。
在该生物质分离步骤12中，可以分离剩余污泥33，所述污泥33能够在厌氧消化8中添加。
该污泥33包含生物质19，其中，使得剩余的生物质19可以从罐和/或反应器中去除。
在后发酵7期间，可以产生工艺气体22，所述工艺气体22能够被供应至主发酵7并且以此方式最终置于厌氧消化8中。
或者，将产生的工艺气体22从后发酵7的罐中直接排放至固体部分5的厌氧消化8中。
在分离4废料3或固体部分5和液体部分6中的发酵混合物23期间，干扰物质34也可以从系统中被分离和去除。
在优选实施方式中，主发酵21期间罐中温度在25℃至60℃之间波动，更优选地在30℃至50℃之间，最优选地在35℃至45℃之间，从而使微生物可以在最佳条件下生长。
优选地，在所述主发酵步骤21，罐中的pH值是处于低操作pH值(4-6之间)，并且干物质含量优选为10％-35％。
通常，主发酵步骤21优选持续1-10天。
在优选实施方式中，后发酵7优选持续6小时至10天之间，干物质含量1％-15％；更优选地，2％-10％，最优选地，4％-8％。
在具体实施方式中，后发酵7期间，罐中温度在22℃至55℃之间波动，更优选地，在28℃至45℃之间，最优选地，在30℃至37℃之间，从而使微生物能够在最佳条件下生长。
根据所述后发酵7使用的罐，可以设定污泥33在后发酵7罐中的停留时间，且如果需要，可以将污泥33排放至厌氧消化8中。
这提供了可以抑制与微生物(如产甲烷菌)的任何竞争反应的优势。
优选地，但不是必须地，罐中的pH值在后发酵7期间高于在主发酵21期间，优选地，pH值在5至7之间。
如果需要或期望，可以在后发酵7和主发酵21期间调节罐内pH值。
在优选实施方式中，通过添加质子来降低pH值，从处理气体22获得质子。
然而，如果期望或需要，也可以向罐或反应器中加入酸或碱，以使pH值处于所期望的限度内。
本发明不限于作为实施例所描述并在附图中展示的实施方式，然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可以根据不同的变型来实现这样的方法。
Claims (19)
1.一种从有机废料(3)中生产中链脂肪酸(2)的方法(1)，其特征在于，所述方法(1)包含以下步骤：
-在主发酵(21)中发酵有机废料，由此有机废料(3)至少部分转化为乳酸；
-将有机废料(3)分离(4)成固体部部分(5)和液体部分(6)；
-在后发酵(7)中发酵液体部分(6)，由此至少一部分乳酸转化为中链脂肪酸(2)；
-通过生物质分离步骤(12)的方式将至少部分发酵的液体部分(11)分离成低污泥含量流出物(14)和高污泥含量流出物(13)；
-从低污泥含量流出物(14)中提取(15)中链脂肪酸(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述主发酵(21)之前，将可能预处理(17)的有机废料(3)与生物质(19)混合(18)以形成混合物(20)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当将所述有机废料(3)与所述生物质(19)混合(18)时，可以添加添加剂(28)，以刺激所述有机废料(3)的发酵(7、21)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述添加剂(28)含有酸和/或碱和/或酶和/或一种或多种营养素，例如矿物质、微量元素、维生素。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述主发酵(21)在10％-35％之间的相对高的干物质含量下进行。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述主发酵(21)在微生物生长温度下进行，所述温度在25℃-60℃之间；优选地在30℃-50℃之间；最优选地在35℃-45℃之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述主发酵物(21)的pH值在4-6之间，并且通过添加酸或碱，或通过添加质子和/或氢氧根离子的方式进行调节。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述主发酵(21)最少持续1天，最多持续10天。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述主发酵(21)之后，进行混合步骤(24)以形成至少部分发酵混合物(23)，其中将工艺水(25)添加到至少部分发酵混合物(23)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述后发酵(7)持续6小时至10天。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，后发酵(7)中的pH值为5-7。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述后发酵(7)在干物质含量为1％-15％，更优选地2％-10％，最优选地4％-8％的条件下进行。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述后发酵(7)在微生物生长温度下进行，所述温度在22℃-55℃之间；优选地在28℃-45℃之间；最优选地在30℃-37℃之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用包括流体-流体提取或电化学提取或类似方法从低污泥含量流出物(14)中提取(15)中链脂肪酸(2)。
15.根据权利要求2至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述混合物(20)含有乳酸和/或可转化为乳酸的底物，所述乳酸和/或底物能够在主发酵(21)中转化为中间产物，例如短链脂肪酸，并转化为最终产物中链脂肪酸(2)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，可能预处理(17)的废料(3)或发酵混合物(23)含有乳酸和/或短链脂肪酸和/或类似物，其能在后发酵(7)中转化为最终产物中链脂肪酸(2)。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在后发酵(7)和/或主发酵(21)中，乳酸和/或短链脂肪酸通过微生物链延长的方式转化为包括己酸在内的中链脂肪酸(2)，由此能制备作为中间产物的乳酸和/或短链脂肪酸酯。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体部分(5)通过厌氧消化(8)的方式转化为肥料(10)和/或沼气(9)。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在后发酵(7)和/或主发酵(21)中获得工艺气体(22)，所述工艺气体(22)被直接和/或间接排放至厌氧消化(8)中。
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