一种利用餐厨垃圾及废酒糟联合发酵连续制备己酸的方法与流程

2021-02-02 18:02:08|

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本发明涉及到一种利用餐厨垃圾及废酒糟联合发酵连续制备己酸的方法，属于环境保护技术领域。

背景技术：

随着人民生活水平的不断提高以及白酒行业的复苏，餐厨垃圾以及废酒糟的产量也不断增加。餐厨垃圾中含有大量易于生物降解的有机物质而废弃酒糟中含有丰富的微生物菌群，将两者结合进行厌氧发酵，可有效的对能源进行回收利用并减少对环境的污染。

目前，对有机废物进行厌氧发酵资源化的主要产物是甲烷以及乙酸、乳酸、丁酸等短链酸。短链酸虽然在食品、化妆品、医药等行业的到了广泛性应用，但由于短链酸的亲水性较强，如何从发酵液中提取短链酸仍是一项巨大的挑战。近年来，国内外研究表明短链酸可以通过反β氧化过程进行碳链增长生成中链脂肪酸。与乙酸丁酸等短链酸相比己酸等中链酸具有易于从水相中分离、化学附加值更高更有利于用于工业化生产的特点(environ.sci.technol,2017,51(12),7159–7168)。己酸是多种生物燃料及化学产品的重要前体物质，例如己酸可可以用于生产绿色杀菌剂、动物饲料添加剂、调味剂、植物生长促进剂等(ann.anim.sci,2017,17(4),967–977)。但目前国内利用生物方法进行己酸生产的研究较少，且生物法产己酸主要通过外加乙醇(中国发明专利201810301121.8)的方式来得到己酸。然而，乙醇、乳酸等电子供体也是一种价值较高的能源物质，研究人员利用生命周期评价(lca)发现外源添加电子供体是有机废物制备己酸的限制性环境因子(environ.sci.technol,2017,51(12),7159–7168)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用餐厨垃圾及废酒糟联合发酵连续制备己酸的方法。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种利用餐厨垃圾及废酒糟联合发酵连续制备己酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：将餐厨垃圾与废酒糟在发酵罐中充分混合并配水稀释，然后投加微生物筛选剂，进行初期发酵驯化，控制非密闭兼性发酵反应，形成驯化母液；

步骤2)：将新鲜的餐厨垃圾、废酒糟混合后，加入到驯化母液中，然后通入惰性气体，控制密闭厌氧发酵反应，进行碳链增长，形成产己酸发酵体系；

步骤3)：定期将产己酸发酵体系中的发酵液排出，固液分离后，所得液体为含有己酸的发酵液，所得固体与新鲜的餐厨垃圾、废酒糟混合，排入密闭厌氧发酵反应的容器中，进行发酵制备己酸。

优选地，所述的餐厨垃圾包括米饭、谷物及肉类，使用前经粉碎、过筛，其含水率为30-95wt％，tcod为15-180g/l；所述的废酒糟来自于白酒厂的酿酒废渣，其含水率为30-95wt％，tcod为20-220g/l。

优选地，所述步骤1)中餐厨垃圾与废酒糟的化学需氧量(cod)比为1:0.05-0.5。

优选地，所述步骤1)中，初期驯化发酵的温度为20-55℃，初期驯化发酵过程中由碱液调节ph值，调节间隔为1-12h。

更优选地，所述碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液和氨水中的至少一种，浓度为0.5-5mol/l，投加量为0.01-20vol％。

优选地，所述的步骤1)中，微生物筛选剂中含有：l-2-氨基-3-巯基丙酸10-200mg/l，nh4cl20-500mg/l，2-溴乙烷磺酸钠0.1-10g/l，铁刨花0.2-25g/l。微生物筛选剂的目的在于选择性驯化己酸制备所需的电子供体发酵菌群。

优选地，所述的步骤2)中新鲜的餐厨垃圾、废酒糟与驯化母液的质量比为1:0.05-0.5:2-15。

优选地，所述的步骤2)中，厌氧发酵反应的温度为20-55℃，厌氧发酵反应过程中由caco3作为缓冲剂调节ph值，caco3的投加量为餐厨垃圾与废酒糟的总化学需氧量的30％-90％。

优选地，所述的步骤3)中每0.5-6天将产己酸发酵体系中的发酵液排出。

优选地，所述的步骤3)中固体与新鲜的餐厨垃圾、废酒糟的质量比为1:1-6:0.1-0.6。

本发明是一种无需外源电子供体添加，连续制备己酸的方法。餐厨垃圾与废酒糟具有联合发酵的优势；通过加入微生物筛选剂，筛选出电子供体发酵菌群，避免了昂贵的外源电子供体添加；高浓度的电子供体母液与餐厨垃圾、废酒糟再结合，在严格厌氧还原的条件下，有效的促进了己酸的生成；富含产己酸菌群污泥与餐厨垃圾、废酒糟结合回流，有效保障了发酵体系连续产己酸的性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)采用餐厨垃圾、废酒糟联合发酵方式，充分利用了餐厨垃圾有机物丰富，废酒糟微生物丰度高的特点。

(2)通过投加微生物驯化剂，控制兼性发酵反应体系，驯化出了己酸制备所需的电子供体发酵菌群，电子供体浓度明显升高，使得己酸生产活动无需添加昂贵的外源电子供体。

(3)通过通入惰性气体，保证反应体系的还原环境，餐厨垃圾、废酒糟在高还原环境下与富含电子供体的母液相结合，驯化出了产己酸菌群，可有效的提高己酸的产量。

(4)通过将富含产己酸的污泥与餐厨垃圾、废酒糟结合回流，使得反应体系中的产己酸菌群丰度始终维持在较高水平，保证了发酵体系持续生产己酸的性能。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

取食堂餐厨垃圾(主要包括废谷物、肉类等)经粉碎机粉碎后与废酒糟按照cod比6:1的比例混合均匀并配水稀释tcod为42g/l后，置于非密闭兼性发酵反应器中。转速为120rpm，发酵温度为50℃，ph由0.2mol/l的氢氧化钠控制，ph调节间隔为8h，调节ph为7.0±0.2的情况下，加入10mg/l的l-2-氨基-3-巯基丙酸，20mg/l的nh4cl，0.1g/l的2-溴乙烷磺酸钠以及0.2g/l的铁刨花。得到最大电子供体(乙醇、乳酸为主)浓度为13.9gcod/l(不同质量(g/l)的物质，可以换算成gcod/l，例如乳酸的分子式为c3h6o3，1mol的乳酸(约90g)则完全氧化成co2和h2o，需要96go2，则90g/l的乳酸对应96gcod/l。乙醇、丁酸、己酸等物质同理)。

将富含电子供体的母液与餐厨垃圾以及废酒糟按照1:0.3:0.06的质量比进行混合，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，得到最大的己酸浓度为6.8gcod/l。

设置密闭厌氧反应器每3天排出发酵液，发酵固体与餐厨垃圾新鲜餐厨垃圾、废酒糟按照1:3:0.5的质量比，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，连续运行反应器，己酸浓度维持在7.8gcod/l左右。

实施例2

取食堂餐厨垃圾(主要包括废谷物、肉类等)经粉碎机粉碎后与废酒糟按照cod比6:1的比例混合均匀并配水稀释tcod为42g/l后，置于非密闭兼性发酵反应器中。转速为120rpm，发酵温度为50℃，ph由0.2mol/l的氢氧化钠控制，ph调节间隔为8h，调节ph为7.0±0.2的情况下，加入50mg/l的l-2-氨基-3-巯基丙酸，100mg/l的nh4cl，1g/l的2-溴乙烷磺酸钠以及8g/l的铁刨花。得到最大电子供体(乙醇、乳酸为主)浓度为31.7gcod/l。

将富含电子供体的母液与餐厨垃圾以及废酒糟按照1:0.3:0.06的质量比进行混合，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，得到最大的己酸浓度为14.6gcod/l。

设置密闭厌氧反应器每3天排出发酵液，发酵固体与餐厨垃圾新鲜餐厨垃圾、废酒糟按照1:3:0.5的质量比，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，连续运行反应器，己酸浓度维持在15.3gcod/l左右。

实施例3

取食堂餐厨垃圾(主要包括废谷物、肉类等)经粉碎机粉碎后与废酒糟按照cod比6:1的比例混合均匀并配水稀释tcod为42g/l后，置于非密闭兼性发酵反应器中。转速为120rpm，发酵温度为50℃，ph由0.2mol/l的氢氧化钠控制，ph调节间隔为8h，调节ph为7.0±0.2的情况下，加入100mg/l的l-2-氨基-3-巯基丙酸，150mg/l的nh4cl，3g/l的2-溴乙烷磺酸钠以及20g/l的铁刨花。得到最大电子供体(乙醇、乳酸为主)浓度为12.5gcod/l。

将富含电子供体的母液与餐厨垃圾以及废酒糟按照1:0.3:0.06的质量比进行混合，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，得到最大的己酸浓度为5.9gcod/l。

设置密闭厌氧反应器每3天排出发酵液，发酵固体与餐厨垃圾新鲜餐厨垃圾、废酒糟按照1:3:0.5的质量比，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，连续运行反应器，己酸浓度维持在7.1gcod/l左右。

实施例4

设置密闭厌氧反应器每1.25天排出发酵液，发酵固体与餐厨垃圾新鲜餐厨垃圾、废酒糟按照1:3:0.5的质量比，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，连续运行反应器，己酸浓度维持在18.6gcod/l左右。

对比例1

加入微生物筛选剂，只采用餐厨垃圾单独发酵：

取食堂餐厨垃圾(主要包括废谷物、肉类等)经粉碎机粉碎配水稀释tcod为42g/l后，置于非密闭兼性发酵反应器中。转速为120rpm，发酵温度为50℃，ph由0.2mol/l的氢氧化钠控制，ph调节间隔为8h，调节ph为7.0±0.2的情况下，加入50mg/l的l-2-氨基-3-巯基丙酸，100mg/l的nh4cl，1g/l的2-溴乙烷磺酸钠以及8g/l的铁刨花。得到最大电子供体(乙醇、乳酸为主)浓度为8.95gcod/l。

将富含电子供体的母液与餐厨垃圾按照1:0.3的质量比进行混合，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，得到最大的己酸浓度为3.11gcod/l。

设置密闭厌氧反应器每1.25天排出发酵液，发酵固体与餐厨垃圾新鲜餐厨垃圾按照1:3的质量比，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，连续运行反应器，己酸浓度维持在2.78gcod/l左右。

对比例2

加入微生物筛选剂，只采用废酒糟单独发酵：

取废酒糟配水稀释tcod为42g/l后，置于非密闭兼性发酵反应器中。转速为120rpm，发酵温度为50℃，ph由0.2mol/l的氢氧化钠控制，ph调节间隔为8h，调节ph为7.0±0.2的情况下，加入50mg/l的l-2-氨基-3-巯基丙酸，100mg/l的nh4cl，1g/l的2-溴乙烷磺酸钠以及8g/l的铁刨花。得到最大电子供体(乙醇、乳酸为主)浓度为9.48gcod/l。

将富含电子供体的母液与废酒糟按照1:0.05的质量比进行混合，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，得到最大的己酸浓度为6.32gcod/l。

设置密闭厌氧反应器每1.25天排出发酵液，发酵固体与餐厨垃圾新鲜餐厨垃圾按照1:3的质量比，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，连续运行反应器，己酸浓度维持在5.63gcod/l左右。

对比例3

不加微生物筛选剂，采用餐厨垃圾、废酒糟联合发酵：

取食堂餐厨垃圾(主要包括废谷物、肉类等)经粉碎机粉碎后与废酒糟按照cod比6:1的比例混合均匀并配水稀释tcod为42g/l后，置于非密闭兼性发酵反应器中。转速为120rpm，发酵温度为50℃，ph由0.2mol/l的氢氧化钠控制，ph调节间隔为8h，调节ph为7.0±0.2。得到最大电子供体(乙醇、乳酸为主)浓度为5.5gcod/l。

将富含电子供体的母液与餐厨垃圾以及废酒糟按照1:0.3:0.06的质量比进行混合，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，得到最大的己酸浓度为3.2gcod/l。

设置密闭厌氧反应器每1.25天排出发酵液，发酵固体与餐厨垃圾新鲜餐厨垃圾、废酒糟按照1:3:0.5的质量比，并配水稀释至tcod为42g/l后，通入氮气，保证反应体系的严格厌氧，在转速为120rpm，温度为35℃，ph由caco3(12g/l)控制的情况下，连续运行反应器，己酸浓度维持在3.7gcod/l左右。

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