WO2014012418A1 - 一种连续发酵制备高丙酸含量短链脂肪酸的方法 - Google Patents

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WO2014012418A1
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fermentation
anaerobic
sludge
mixture
acid
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PCT/CN2013/077825
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陈银广
李响
孟凡松
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同济大学
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/52—Propionic acid; Butyric acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids

Definitions

  • the invention belongs to the technical field of environmental protection and relates to a preparation method of short-chain fatty acids. Background technique
  • the main processes used for the production of microbial products include continuous fermentation and batch fermentation.
  • the principle of continuous fermentation of propionic acid is that by continuously adding the culture solution to the fermenter and taking out the fermentation broth, the microorganisms in the fermenter can be maintained at a certain stage of growth while reducing the accumulation of metabolites, concentration and metabolism of the culture solution.
  • the product content is relatively stable, and the microorganisms are always maintained in a stable state throughout the fermentation process.
  • continuous fermentation has the advantages of stable product yield and quality, short fermentation cycle, high equipment utilization, and easy optimization of the process. Summary of the invention
  • the present invention adopts the following technical solutions:
  • a method for preparing a short-chain fatty acid comprising the steps of:
  • step (3) Centrifuge the discharged mixture, take out part of the centrifuged lower layer of solid matter (other efflux), add water, mix in a suspension oscillator, and then inject it with fresh sludge, kitchen waste and alkali in step (2).
  • Anaerobic hydrolysis fermenter Centrifugal supernatant is sterilized in a sterilization oven, cooled to room temperature, adjusted to pH 6-8, and injected into an anaerobic acidogenic fermentation tank;
  • a part of the fermentation broth is discharged from the anaerobic acid-producing fermenter at intervals, and the fermented supernatant liquid rich in propionic acid is obtained by centrifugation, and the anaerobic acid-producing fermenter is additionally sterilized.
  • the centrifuged supernatant and the Propionibacterium seed culture solution were passed.
  • the base is calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ).
  • sludge is the primary sludge of the municipal sewage plant or the excess sludge of the concentration tank, wherein the total suspended solids (TSS) content is 15-25 g/L, volatile suspended solids/total suspended solids (VS) /TS) is greater than or equal to 0.65 and moisture content is greater than 98.0%.
  • TSS total suspended solids
  • VS volatile suspended solids/total suspended solids
  • the step (1) of the kitchen waste is to remove the waste such as chopsticks, broken bones, plastic, paper, pieces, etc., and then crushed by a pulverizer, and the water having a sieve of 10 mesh has a water content of 65%-90%, TCOD. It is 75 ⁇ 150 g/L.
  • the step (1) is that the sludge and the kitchen waste are mixed according to the dry weight mass ratio of 0.3:1 to 0.08:1, preferably 0.18:1; after mixing, the water is diluted with a TCOD of 25-45 g/L.
  • the step (1) anaerobic fermentation temperature is 10 ⁇ 65 ° C, preferably 25 ° C
  • the amount of alkali added in the step (1) is 0.5 to 1.5%, preferably 1%, of the total dry weight of the sludge and the kitchen waste mixture.
  • the interval in the step (2) is 20 ⁇ 28h, preferably 24h.
  • the discharge volume of the fermentation mixture in the step (2) is 1/2-1/5 of the volume of the total mixture added to the reactor, preferably
  • the volume of the fresh sludge and the kitchen waste mixture in the step (2) is 30 ⁇ 70%, preferably 50%, of the volume of the discharged mixture; the amount of alkali added is the dry weight of the added fresh sludge and the kitchen waste. 1 to 10%, preferably 3%.
  • the step (3) has a centrifugal speed of 1500 ⁇ 3500 rpm, preferably 2500 rpm, and the centrifugation time is 2-8 min.
  • the step (3) has a sterilization temperature of 121 ° C, a pressure of O.11 OMPa for 10 to 30 min, preferably. 20min.
  • the dry weight of the centrifuged lower solid material taken in the step (3) accounts for 30 to 70%, preferably 50%, of the dry weight of the total dehydrated solid matter.
  • the solid concentration of the mixture injected into the anaerobic hydrolysis reactor is 20-22 g/L.
  • the inoculum amount in the step (4) is 5% to 15%, preferably 10%.
  • the interval time in the step (5) is 20 to 28 hours, preferably 24 hours.
  • the discharge volume of the fermentation liquid in the step (5) is 1/3 to 1/5, preferably 1/4 of all the liquid in the fermenter.
  • the fresh fermentation liquid is added in an amount of 95% to 85%, preferably 90%, of the volume of the discharged fermentation liquid.
  • the inoculum amount of Propionibacterium in the step (5) is 5% to 15%, preferably 10%, of the volume of the discharged fermentation broth.
  • the fermentation liquid in the step (5) has a centrifugal speed of 500 to 2000 rpm, preferably 100 rpm, and a centrifugation time of l to 5 minutes. It is preferably 3 min.
  • the concentration of propionic acid in the fermentation supernatant is 9.5 to 16.8 g COD/L.
  • the short chain fatty acids include acetic acid, propionic acid, isobutyric acid, n-butyric acid, isovaleric acid, and n-valeric acid.
  • the range of values of short-chain fatty acids is determined by a specific process.
  • the acetic acid content in the fermentation supernatant prepared in the step (5) is 2.2-4.8 g COD/L
  • the content of propionic acid is in the range of 9.5- 16.8g COD/L
  • isobutyric acid is 1.2-2.5 g COD/L.
  • the present invention has the following advantages and beneficial effects:
  • FIG. 1 is a flow chart showing a process for continuously fermenting a short-chain fatty acid having a high propionic acid content in an embodiment of the present invention. detailed description
  • the detection indexes of the fermentation supernatant liquid include the total volume of the filtrate, short-chain fatty acids (SCFAs), VSS, and the like.
  • the volatile organic matter in the sludge and kitchen waste mixture can be reduced by 27.8%, and the final fermentation supernatant is propionic acid.
  • Anaerobic hydrolysis fermenter (the volume of the mixture in the tank is about 27L), the initial TCOD is 30 gCOD/L, and the addition of Ca(OH) 2 11.8 g (ie the mass of Ca(OH) 2 is 1.5 of the dry weight of the added mixture. %), stirring at room temperature (25 ° C), anaerobic fermentation;
  • Anaerobic hydrolysis fermenter initial TCOD of 30 gCOD / L, while adding Ca (OH) 2 3.9 g (ie the mass of Ca (OH) 2 is 0.5% of the dry weight of the added mixture), room temperature (25 ° C) Stirring, anaerobic fermentation;
  • the supernatant was injected into the sterilization 8.5L dehydration furnace, at a temperature of 121 ° C, a pressure O.llOMPa sterilization 30min, cooled to room temperature, Ca (OH) 2 the emulsion was adjusted to pH 7, is injected into the anaerobic 40L Acidogenic fermenter;
  • Anaerobic hydrolysis fermenter initial TCOD of 30 gCOD / L, while adding Ca (OH) 2 7.8 g (ie the mass of Ca (OH) 2 is 1% of the dry weight of the added mixture), at temperature io °c Stir anaerobic fermentation;
  • Anaerobic hydrolysis fermenter initial TCOD of 30 gCOD / L, while adding Ca (OH) 2 7.8 g (ie the mass of Ca (OH) 2 is 1% of the dry weight of the added mixture), at a temperature of 65 ° C Stir and perform anaerobic fermentation.
  • the volatile organic matter in the sludge and kitchen waste mixture can be reduced by 24.8%, and the fermentation supernatant contains propionic acid 12.53. gCOD/L (68.3% of total acid).
  • the new method utilizes waste resources, and the substrates used in the existing propionic acid production technology are all pure chemical agents, which are relatively expensive.
  • the yield is greatly improved, and the propionic acid up to 16.7g COD/L can be obtained and the content is as high as 71%, while the conventional anaerobic alkaline fermentation produces acid.
  • the acid content is only 1-3 g COD/L, and the highest content is only 20%.
  • Table 1 shows the Propionibacterium enrichment medium in the examples of the present invention.

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Abstract

一种高丙酸含量短链脂肪酸的制备方法，是将污泥与厨余垃圾混合进行预发酵产生合成丙酸所需要的底物，然后加入丙酸杆菌进行厌氧连续发酵，最终的发酵液中丙酸含量高达总酸的71.2%。

Description

一种连续发酵制备高丙酸含量短链脂肪酸的方法 技术领域
本发明属于环境保护技术领域， 涉及一种短链脂肪酸的制备方法。 背景技术
已有研究表明， PHA (聚羟基脂肪酸酯） 中 PHV (聚羟基戊酸） 含量的适当增加可以改 善塑料的可塑性， 其中通过提高发酵原料中的丙酸含量可以促进 PHV 的合成 （Biotechnol. Bioeng., 2004, 85, 569-579)。 同时， 城市污水厂除磷技术是目前解决富营养化问题的关键技术 之一。据报道， 当进水丙酸 /乙酸碳摩尔比从 0.16提高为 2.06时， 除磷效率相应从 68.1%提高 至 93.5% (Water Research, 2004, 38 (1):27-36)。 鉴于我国城市污水厂进水 COD偏低， 其中短 链脂肪酸 （SCFAs, 包括乙酸和丙酸） 的含量更低， 因此， 增加污水中的丙酸含量 （与乙酸 相比）， 更有利于除磷效果的提高。
有研究报道， 将污水厂产生的污泥进行发酵， 可以产生富含短链脂肪酸的发酵液 (Environmental Science and Technology, 2006, 40: 2025-2029), 并可以通过加入大米或厨余垃 圾提高污泥产生的短链脂肪酸中的丙酸含量 （中国发明专利 200810035585.5; Environmental Science and Technology, 2009, 43(12): 4373-4380)。 但是， 丙酸的含量最高不超过 50%， 有待 于进一步提高。
目前， 用于微生物产物生产的主要工艺包括连续发酵和间歇发酵。 连续发酵产丙酸的原 理是通过向发酵罐内连续加入培养液和取出发酵液， 可使发酵罐中的微生物一直维持在生长 的某个阶段、 同时降低代谢产物的积累， 培养液浓度和代谢产品含量相对稳定， 微生物在整 个发酵过程中即可始终维持在稳定状态。 与间歇发酵相比， 连续发酵具有产品产量和质量稳 定、 发酵周期短、 设备利用率高、 易对过程进行优化等优点。 发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种短链脂肪酸的制备方法。
为实现上述目的， 本发明采用以下技术方案：
一种短链脂肪酸的制备方法， 包含以下步骤：
( 1 ) 将污泥、 厨余垃圾及碱混合并注入厌氧水解发酵罐， 进行厌氧发酵；
(2)每间隔一段时间从厌氧发酵反应器中排出部分体积的发酵混合物，再加入新鲜污泥、 厨余垃圾及碱；
(3 ) 将排出的混合物离心， 取出部分的离心下层固态物质 （其它外排） 加入水后在悬浮 振荡器混合， 然后与步骤（2) 中的新鲜污泥、 厨余垃圾及碱一同注入到厌氧水解发酵罐； 取 离心上清液到灭菌炉中灭菌， 冷却至室温后， pH调至 6-8， 并注入到厌氧产酸发酵罐中；
(4) 制备丙酸杆菌的种子培养液， 并将其加入到厌氧产酸发酵罐中进行发酵产丙酸；
(5 ) 每隔一段时间从厌氧产酸发酵罐中排出部分体积的发酵液， 经离心后获得富含丙酸 的发酵上清液液，同时向厌氧产酸发酵罐中补加灭菌过的离心上清液及丙酸杆菌种子培养液。
所述的碱为氢氧化钙 （Ca(OH)2)。
所述的步骤（ 1 )污泥为城市污水厂初沉污泥或浓缩池剩余污泥，其中，总悬浮固体（TSS) 含量为 15-25g/L、 挥发性悬浮固体 /总悬浮固体 （VS/TS) 大于等于 0.65、 含水率大于 98.0%。
所述的步骤 （1 )厨余垃圾为剔除筷子、 碎骨、 塑料、 纸片、 碎片等废物后， 经粉碎机粉 碎， 过 10目筛的垃圾， 其含水率为 65%-90%， TCOD为 75~150 g/L。
所述的步骤 （1 )污泥与厨余垃圾按干重质量比 0.3:1〜0.08:1混合， 优选为 0.18:1 ; 混合 后加水稀释 TCOD为 25-45g/L。
所述的步骤 （1 ) 厌氧发酵的温度为 10〜65°C， 优选 25°C
所述的步骤（1 )中碱的加入量是污泥与厨余垃圾混合物干重总量的 0.5~1.5%， 优选 1%。 所述的步骤 （2) 中的间隔时间为 20~28h， 优选 24h。
所述的步骤（2)中发酵混合物的排出体积为加入反应器中总混合物体积的 1/2-1/5， 优选
1/3。
所述的步骤（2)中新鲜污泥、厨余垃圾混合物的加入体积是排出混合物体积的 30〜70%， 优选 50%; 碱的加入量是所加新鲜污泥与厨余垃圾混合干重的 1~10%， 优选 3%。
所述的步骤 （3 ) 离心转速为 1500~3500rpm， 优选 2500rpm, 离心时间为 2~8min， 优选 所述的步骤 （3 ) 中灭菌温度 121 °C， 压力 O.llOMPa时间 10〜30min， 优选 20min。 所述的步骤 （3 ) 中所取的离心下层固态物质的干重占总脱水固态物质干重的 30〜70%， 优选 50%。
所述的步骤 （3 ) 中加入水后使注入厌氧水解反应器的混合物固体浓度为 20-22g/L。 所述的步骤 （4) 中的接种量是 5%〜15%， 优选 10%。
所述的步骤（4)中发酵产丙酸的温度为 25〜35°C， 优选 30°C ; pH为 6〜8， 优选 pH=7。 所述的步骤 （5 ) 中间隔时间是指 20~28h， 优选 24h。
所述的步骤 （5 ) 中发酵液的排出体积为发酵罐所有液体的 1/3〜1/5， 优选 1/4。
所述的步骤 （5 ) 中补加新鲜发酵液是排出发酵液体积的 95%~85%， 优选 90%。
所述的步骤 （5 ) 中的丙酸杆菌接种量是排出发酵液体积的 5%〜15%， 优选 10%。
所述的步骤 （5 ) 中的发酵液离心转速 500~2000rpm， 优选 lOOOrpm, 离心时间 l~5min， 优选 3min。
所述的步骤 （5 ) 中， 发酵上清液中丙酸的浓度为 9.5〜16.8gCOD/L。
所述的短链脂肪酸包括乙酸、 丙酸、 异丁酸、 正丁酸、 异戊酸和正戊酸。 短链脂肪酸的 取值范围由具体的工艺决定，在本方法中，步骤 (5 )中制得的发酵上清液中乙酸含量为 2.2-4.8g COD/L, 丙酸的含量范围在 9.5-16.8g COD/L， 异丁酸为 1.2-2.5 g COD/L。
本发明同现有技术相比， 具有如下优点和有益效果：
( 1 ) 利用厨余垃圾及在弱碱条件下促进污泥预发酵产生合成丙酸所需要的底物。
(2) 污泥与厨余垃圾挥发性物质减量近 30%。
(3 ) 污泥最终的发酵液中丙酸含量达到 71.2% (COD当量比）。 附图说明
图 1为本发明实施例中连续发酵制备高丙酸含量短链脂肪酸的工艺流程图。 具体实施方式
下面结合实施例和附图进一步说明本发明。
对发酵上清液液检测指标包括滤液总体积、 短链脂肪酸 (SCFAs)、 VSS等。
实施例 1
( 1 )如图 1所示， 分别取 6L城市生活污水厂浓缩池剩余污泥（TSS 20g/L、 VSS 14g/L)、 5.3L食堂厨余垃圾（剔除筷子、碎骨、 塑料、纸片、碎片等废物， 经粉碎机粉碎， 过 10目筛， 获得含水率为 85%， TCOD 为 96 g/L)，污泥与厨余垃圾干重质量比 0.18:1，加自来水 15.7 L， 注入到 30 L的厌氧水解发酵罐 （罐内混合物体积约为 27L)， 初始 TCOD为 30 gCOD/L, 同 时加 Ca(OH)2 7.8 g (即 Ca(OH)2的质量为所加混合物干重的 1%)， 室温下 （25°C ) 搅拌， 厌 氧发酵；
(2) 每隔 24h从厌氧水解发酵反应器中取出 9L混合物 （占总混合物体积的 1/3 )， 再往 厌氧发酵反应器中补充 4.5L新鲜污泥与厨余垃圾混合物（新鲜物质补加比例为排出混合物体 积的 50%) 和 Ca(OH)2 3.9g (为所加新鲜混合物干重的 3%);
(3 )将排出的混合物在 2500 rpm离心 5 min,获得约 8.5 L的发酵上清液和 0.5 L脱水泥 饼。将脱水后的 0.25 L泥饼（占总脱水泥饼的 50%)及 4.25 L自来水注入到悬浮振荡器振荡， 经充分混合物后 （含固浓度为 20.97 g/L)加入到厌氧水解发酵罐； 将 8.5 L清液注入灭菌炉， 在温度 121 °C、 压力 0.110 MPa灭菌 20 min, 冷却至室温后， 用 Ca(OH)2乳液调节 pH为 7， 注入到 40L的厌氧产酸发酵罐中；
(4)制备丙酸杆菌的种子培养液 3.3L (需富集 4日， 按附表 1进行， 在此 4日内， 继续 在厌氧产酸发酵罐中蓄积脱水上清液至 33L)， 按 10%接种至厌氧产酸发酵罐中， 在 30°C环 境下， 用 Ca(OH)2乳液维持 pH=7并厌氧发酵；
(5 )每隔 24h将厌氧产酸发酵罐中 9L (为总体积的 1/4) 的发酵液外排， 并向厌氧产酸 发酵罐补加 8L (丙酸杆菌接种量是排出发酵液体积的 90%)灭菌脱水上清液及已制备好的丙 酸杆菌种子培养液 1L (丙酸杆菌接种量是排出发酵液体积的 10%)。 将排出的发酵液在 1000 rpm离心 5 min, 获得 8.6 L富含丙酸的发酵液上清液。
经分析， 污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量 27.8%， 最终发酵上清液丙酸为
16.76 gCOD/L, 占总酸的 71.2%。 实施例 2
( 1 )分别取 9 L城市生活污水厂浓缩池剩余污泥（TSS 20g/L、 VSS 14g/L)、 4.8L食堂厨 余垃圾 （剔除筷子、 碎骨、 塑料、 纸片、 碎片等废物， 经粉碎机粉碎， 过 10目筛， 获得含水 率为 65%， TCOD 为 150 g/L)， 力 B自来水 13.2 L, 污泥与厨余垃圾干重质量比 0.3:1， 注入到 30 L的厌氧水解发酵罐 （罐内混合物体积约为 27L)， 初始 TCOD为 30 gCOD/L, 同时补加 Ca(OH)2 11.8 g (即 Ca(OH)2的质量为所加混合物干重的 1.5%)， 室温下 （25°C ) 搅拌， 厌氧 发酵；
(2) 每隔 28h从厌氧水解发酵反应器中取出混合物 9L (占总混合物体积的 1/3 )， 再往 厌氧发酵反应器中补充 6.3L新鲜污泥与厨余垃圾混合物（新鲜物质补加比例 50%)和 Ca(OH)2 18.4g (为所加新鲜混合物干重的 10%);
(3 )将排出的混合物在 1500rpm离心 2min，获得约 8.5L的发酵上清液、 0.5L脱水泥饼。 将脱水后的 0.15L泥饼 （占总脱水泥饼的 30%) 及 2.55L 自来水注入悬浮振荡器振荡， 充分 混合后（含固浓度为 21.42g/L)加入到厌氧水解发酵罐;将 8.5L清液注入灭菌炉，在温度 121 °C、 压力 0.110 MPa灭菌 10 min, 冷却至室温后， 用 Ca(OH)2乳液调节 pH为 7， 注入到 40 L的 厌氧产酸发酵罐中；
(4) 制备丙酸杆菌的种子培养液 1.6 L (需富集 4日后， 在此 4日内， 蓄积脱水上清液 至 32 L)， 按 5%接种至厌氧产酸发酵罐中， 在 35°C环境下， 用 Ca(OH)2乳液维持 pH=8厌氧 发酵；
(5 ) 每隔 28h将厌氧产酸发酵罐中 8.4L (占总体积的 1/4) 的发酵混合物外排， 并向厌 氧产酸发酵罐补加 8L (占外排体积的 95%)灭菌脱水上清液及已制备好的丙酸杆菌种子培养 液 0.4L (占外排体积的 5%)。 将排出的发酵混合物在 500rpm离心 lmin， 获得 8L富含丙酸 的发酵液上清液。
经分析， 污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量 26.5%， 最终发酵上清液中丙酸 ¾ 9.54 gCOD/L (占总酸的 62.5%) 实施例 3
( 1 ) 分别取 2.9 L城市生活污水厂浓缩池剩余污泥 （TSS 20g/L、 VSS 14g/L)、 5.8L食堂 厨余垃圾 （剔除筷子、 碎骨、 塑料、 纸片、 碎片等废物， 经粉碎机粉碎， 过 10目筛， 获得含 水率为 90%， TCOD 为 75 g/L)， 力 B自来水 18.3 L, 污泥与厨余垃圾干重质量比 0.08:1， 注入 到 30 L的厌氧水解发酵罐， 初始 TCOD为 30 gCOD/L, 同时补加 Ca(OH)2 3.9 g (即 Ca(OH)2 的质量为所加混合物干重的 0.5%)， 室温 （25°C ) 搅拌， 厌氧发酵；
(2) 每隔 20h从厌氧水解发酵反应器中取出混合物 9L (占总混合物体积的 1/3 )， 再往 厌氧发酵反应器中补充 2.7L新鲜污泥与厨余垃圾混合物（新鲜物质补加比例 30%)和 Ca(OH)2 0.78g (即 Ca(OH)2的质量为所加新鲜混合物干重的 1%);
(3 )将排出的发酵混合物在 3500rpm离心 8min， 获得约 8.5L的发酵上清液、 0.5L脱水 泥饼。 将脱水后的 0.35L泥饼 （占总脱水泥饼的 70%) 及 5.95L 自来水注入到悬浮振荡器振 荡， 经充分混合后 （含固浓度为 21.87g/L) 加入到厌氧水解发酵罐； 将 8.5L脱水上清液注入 灭菌炉， 在温度 121 °C、 压力 O.llOMPa灭菌 30min， 冷却至室温后， 用 Ca(OH)2乳液调节 pH 为 7， 注入到 40L的厌氧产酸发酵罐中；
(4) 制备丙酸杆菌的种子培养液 4 L (需富集 4日， 在此 4日内， 继续在厌氧产酸发酵 罐中蓄积脱水上清液至 26L)， 按 15%接种至厌氧产酸发酵罐中， 在 25°C环境下， 用 Ca(OH)2 乳液维持 pH=6厌氧发酵；
(5 ) 每隔 20h将厌氧产酸发酵罐中 10L (总体积的 1/3 ) 的发酵液外排， 并向厌氧产酸 发酵罐补加 8.5L (外排体积的 85%)灭菌脱水上清液及已制备好的丙酸杆菌种子培养液 1.5L
(外排体积的 15%)。 将排出的发酵液在 lOOOrpm离心 5min， 获得 9.5 L富含丙酸的发酵液。
经分析， 污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量 24.5%， 发酵上清液丙酸为 15.78 gCOD/L, 占总酸的 64.2%。 实施例 4
( 1 )分别取 6 L城市生活污水厂浓缩池剩余污泥（TSS 20g/L、 VSS 14g/L)、 5.3L食堂厨 余垃圾 （剔除筷子、 碎骨、 塑料、 纸片、 碎片等废物， 经粉碎机粉碎， 过 10目筛， 获得含水 率为 85%， TCOD 为 96 g/L)， 力 B自来水 15.7 L, 污泥与厨余垃圾干重质量比 0.18:1， 注入到 30 L的厌氧水解发酵罐， 初始 TCOD为 30 gCOD/L, 同时补加 Ca(OH)2 7.8 g (即 Ca(OH)2的 质量为所加混合物干重的 1%)， 在温度 io°c下搅拌厌氧发酵；
(2)每隔 24h从厌氧水解发酵反应器中取出 5.4L (总混合物体积的 1/5 )， 再往厌氧发酵 反应器中补充 2.7L新鲜污泥与厨余垃圾混合物（新鲜物质补加比例 50%)和 Ca(OH)2 2.4g ( S卩 Ca(OH)2的质量为所加新鲜混合物干重的 3%)。
(3 ) 将排出的发酵混合物在 2500rpm离心 5min， 获得约 5 L的发酵上清液、 0.4 L脱水 泥饼。 将脱水后的 0.2 L泥饼 （占总脱水泥饼的 50%) 及 2.5 L自来水注入悬浮振荡器振荡， 充分混合物 （含固浓度为 21.71g/L) 后加入到厌氧水解发酵罐； 将上清液注入到灭菌炉， 在 121 °C、 O.llOMPa灭菌 20min， 冷却至室温后， 用 Ca(OH)2乳液调节 pH为 7， 注入到 40L的 厌氧产酸发酵罐中。
(4)制备丙酸杆菌的种子培养液 2.1L (需富集 4日， 在此 4日内， 继续在厌氧产酸发酵 罐中蓄积脱水上清液至 21L)， 按 10%接种至厌氧产酸发酵罐中， 在 30°C环境下， 用 Ca(OH)2 乳液维持 pH=7厌氧发酵。
(5 )每隔 24 h将厌氧产酸发酵罐中 4.6 L (总体积的 1/5 )的发酵混合物外排， 并向厌氧 产酸发酵罐中补加 4.1 L (外排体积的 90%)灭菌脱水上清液及已制备好的丙酸杆菌种子培养 液 0.5 L (外排体积的 10%)。 将排出的混合物在 lOOOrpm离心 5min， 获得 4.4 L富含丙酸的 发酵液。
经分析，污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量 25.3%，发酵上清液中丙酸为 13.14 gCOD/L (占总酸的 68.3%)。 实施例 5
( 1 ) 分别取 6 L城市生活污水厂浓缩池剩余污泥 （TSS 20g/L、 VSS 14g/L)、 5.3 L食堂 厨余垃圾 （剔除筷子、 碎骨、 塑料、 纸片、 碎片等废物， 经粉碎机粉碎， 过 10目筛， 获得含 水率为 85%， TCOD 为 96 g/L)， 力 B自来水 15.7 L, 污泥与厨余垃圾干重质量比 0.18:1， 注入 到 30 L的厌氧水解发酵罐， 初始 TCOD为 30 gCOD/L, 同时补加 Ca(OH)2 7.8 g (即 Ca(OH)2 的质量为所加混合物干重的 1%)， 在温度 65°C下搅拌， 进行厌氧发酵。
(2) 每隔 24h从厌氧水解发酵反应器中取出 13.5L (总混合物体积的 1/2)， 再往厌氧发 酵反应器中补充 4.05L新鲜污泥与厨余垃圾混合物（新鲜物质补加比例 30%)和 Ca(OH)2 3.53g
(即 Ca(OH)2的质量为所加新鲜混合物干重的 3%)。
(3 )将排出的混合物在 2500rpm离心 5min， 获得约 12.2 L的发酵上清液、 1.3 L脱水泥 饼。 将 0.9 L脱水后的泥饼（占总脱水泥饼的 70%)及 8.55 L自来水注入到悬浮振荡器振荡， 充分混合后（含固浓度 21.85g/L)加入到厌氧水解发酵罐；将上清液注入到灭菌炉，在 121 °C、 O.llOMPa灭菌 20min， 冷却至室温后， 用 Ca(OH)2乳液调节 pH为 7， 注入到 40L的厌氧产 酸发酵罐中。
(4)制备丙酸杆菌的种子培养液 3.3L (需富集 4日，在此 4日，蓄积脱水上清液至 33L)， 按 10%接种至厌氧产酸发酵罐中， 在 30°C环境下， 用 Ca(OH)2乳液维持 pH=7厌氧发酵。
(5 ) 每隔 24h将厌氧产酸发酵罐中 12.1 L (总体积的 1/3 ) 的混合物外排， 并向厌氧产 酸发酵罐补加 10.9 L (外排体积的 90%)灭菌脱水上清液及制备好的丙酸杆菌种子培养液 1.2L
(外排体积的 10%)。将排出的混合物在 lOOOrpm离心 5min，获得 11.5 L富含丙酸的发酵液。
经分析， 污泥与厨余垃圾混合物挥发性有机物质可减量 24.8%， 发酵上清液含丙酸 12.53 gCOD/L (占总酸的 68.3%)。
针对上述实施例 1-5给出的测试数据， 将其与现有技术对比有如下优点：
1.联合污泥与厨余垃圾产丙酸的方法未见报道。
2.与其他纯菌产丙酸相比， 该新方法将废物资源化利用， 而现有产丙酸技术使用的基质 都是纯化学药剂， 成本较贵。
3.该方法与现有利用污泥发酵产酸相比， 产量大大提高， 能获得高达 16.7g COD/L的丙 酸及含量高达 71%， 而传统的厌氧碱性发酵产酸获得的丙酸含量仅 1-3 g COD/L, 含量最高 仅 20%。
4.该方法与传统的污泥与厨余垃圾发酵相比， 产量大大提高， 能获得高达 16.7g COD/L 的丙酸及含量高达 71%， 而传统污泥与厨余垃圾厌氧弱碱性 （pH=8)发酵产酸获得的丙酸含 量仅 5-8 g COD/L， 含量最高仅 48%。
表 1 为本发明实施例中丙酸杆菌富集培养基。
表 1
Figure imgf000009_0001
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应用本发明。 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， 本发明不限于这里的实施例， 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

权 利 要 求 书
1.一种连续发酵制备高丙酸含量短链脂肪酸的方法， 其特征在于： 包含以下步骤：
( 1 ) 将污泥、 厨余垃圾及碱混合， 进行厌氧发酵；
(2) 每隔一段时间从厌氧发酵反应器中排出部分体积的发酵混合物， 再加入新鲜污泥、 厨余垃圾及碱；
(3 )将排出的混合物离心， 取一定量的离心下层固态物质加入水后在悬浮振荡器混合后， 与步骤 （2) 中的新鲜污泥、 厨余垃圾及碱一同注入到厌氧水解发酵罐； 取离心上清液到灭菌 炉中灭菌， 冷却至室温后， pH调至 6-8， 并注入到厌氧产酸发酵罐中；
(4) 制备丙酸杆菌的种子培养液， 并将其加入到厌氧产酸发酵罐中进行发酵产丙酸；
(5 ) 每隔一段时间从厌氧产酸发酵罐中排出部分体积的发酵液， 经离心后获得富含丙酸 的发酵上清液， 同时向厌氧产酸发酵罐中补加灭菌过的离心上清液及丙酸杆菌种子培养液。
2.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的碱为氢氧化钙；
或所述的步骤 （1 ) 污泥为城市污水厂初沉污泥或浓缩池剩余污泥， 其中， 总悬浮固体含 量为 15-25g/L、 挥发性悬浮固体 /总悬浮固体 （VS/TS) 大于等于 0.65、 含水率大于 98.0%; 或所述的步骤 （1 ) 厨余垃圾为剔除筷子、 碎骨、 塑料、 纸片、 碎片后， 经粉碎机粉碎， 过 10目筛的垃圾， 其含水率为 65%-90%， TCOD为 75~150 g/L。
3.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的步骤（1 )污泥与厨余垃圾按干重质量 比 0.3:1〜0.08:1混合， 优选为 0.18:1 ; 混合后加水稀释 TCOD为 25-45g/L。
4.根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1 )厌氧发酵的温度为 10〜65°C， 优选 25 °C ;
或所述的步骤（1 )中碱的加入量是污泥与厨余垃圾混合物干重总量的 0.5~1.5%，优选 1%。
5.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的步骤 （2) 中的间隔时间为 20~28h， 优选 24h ；
或所述的步骤 （2) 中发酵混合物的排出体积为加入反应器中总混合物体积的 1/2-1/5， 优 选 1/3；
或所述的步骤（2)中新鲜污泥、厨余垃圾混合物的加入体积是排出混合物体积的 30〜70%， 优选 50%; 碱的加入量是所加新鲜污泥与厨余垃圾混合干重的 1~10%， 优选 3%。
6.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的步骤（3 )离心转速为 1500~3500rpm， 优选 2500rpm, 离心时间为 2~8min， 优选 5min;
或所述的步骤 （3 ) 中灭菌温度 121 °C， 压力 O.l lOMPa时间 10〜30min， 优选 20min。
7.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的步骤（3 )中所取的固态物质的干重占 总脱水固态物质干重的 30〜70%， 优选 50%;
或所述的步骤 （3 ) 中加入水后使注入厌 ' 1?反应器的混合物固体浓度为 20-22g/L。
8.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的步骤 （4) 中的接种量是 5%〜15%， 或所述的步骤（4)中发酵产丙酸的温度为 25〜35°C， 优选 30°C ; pH为 6〜8，优选 pH=7。
9.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的步骤 （5 ) 中间隔时间是指 20~28h， 优选 24h;
或所述的步骤 （5 ) 中发酵液的排出体积为发酵罐所有液体的 1/3〜1/5， 优选 1/4;
或所述的步骤 （5 ) 中补加新鲜发酵液是排出发酵液体积的 95%~85%， 优选 90%。
10.根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于： 所述的步骤 （5 ) 中的丙酸杆菌接种量是排 出发酵液体积的 5%〜 15%， 优选 10%；
或所述的步骤 （5 ) 中的发酵液离心转速 500~2000rpm， 优选 lOOOrpm, 离心时间 l~5min， 优选 3min;
或所述的步骤 （5 ) 中的发酵上清液中丙酸的浓度为 9.5〜16.8gCOD/L。
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