专利名称：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，丙酸的含量最闻不超过50%,有待于进一步提闻。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(I)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)2X所述的步骤(I)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(I)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 150g/L。所述的步骤(I)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(I)厌氧发酵的温度为10 65°C，优选25°C所述的步骤(I)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f 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 5min。所述的步骤(3)中灭菌温度121°C，压力0. IlOMPa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%o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/L0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959^85%，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IOOOrpm,离心时间I 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. 8gC0D/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. 8gC0D/L，丙酸的含量范围在 9. 5-16. 8g C0D/L，异丁酸为 I. 2-2. 5g C0D/L。本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果
(I)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% (C0D当量比)。
图I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。
具体实施例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I (I)如图I所示，分别取6L城市生活污水厂浓缩池剩余污泥(TSS 20g/L、VSS14g/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96g/L)，污泥与厨余垃圾干重质量比0. 18:1，加自来水15. 7L，注入到30L的厌氧水解发酵罐(罐内混合物体积约为27L)，初始TCOD为30gC0D/L，同时加Ca (OH) 27. 8g (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2500rpm离心5min，获得约8. 5L的发酵上清液和0. 5L脱水泥饼。将脱水后的0. 25L泥饼(占总脱水泥饼的50%)及4. 25L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. 97g/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. IlOMPa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，按附表I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IL (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IOOOrpm离心5min，获得8. 6L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. 76gC0D/L，占总酸的71. 2%。实施例2(I)分别取9L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150g/L)，加自来水13. 2L，污泥与厨余垃圾干重质量比0.3:1，注入到30L的厌氧水解发酵罐(罐内混合物体积约为27L)，初始TCOD为30gC0D/L，同时补加Ca(OH)2Il. 8g (即Ca(OH)2的质量为所加混合物干重的I. 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)2IS. 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. IlOMPa灭菌lOmin，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I. 6L (需富集4日后，在此4日内，蓄积脱水上清液至32L)，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为9. 54gC0D/L (占总酸的62. 5%)实施例3(I)分别取2. 9L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75g/L)，加自来水18. 3L，污泥与厨余垃圾干重质量比0. 08:1，注入到30L的厌氧水解发酵罐，初始TCOD为30gC0D/L，同时补加Ca (OH) 23. 9g (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)2O. 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0. IlOMPa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4L(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IOL (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I. 5L (外排体积的15%)。将排出的发酵液在IOOOrpm离心5min，获得9. 5L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. 78gC0D/L，占总酸的 64. 2%。实施例4(I)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96g/L)，加自来水15. 7L，污泥与厨余垃圾干重质量比0. 18:1，注入到30L的厌氧水解发酵罐，初始TCOD为30gC0D/L，同时补加Ca (OH) 27. 8g (即Ca(OH)2的质量为所加混合物干重的1%)，在温度10°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) 22. 4g (即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5L的发酵上清液、0. 4L脱水泥饼。将脱水后的0. 2L泥饼(占总脱水泥饼的50%)及2. 5L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、0. IlOMPa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. IL (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24h将厌氧产酸发酵罐中4. 6L (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. IL (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. 5L (外排体积的10%)。将排出的混合物在IOOOrpm离心5min，获得4. 4L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. 14gC0D/L (占总酸的 68. 3%)。实施例5(I)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96g/L)，加自来水15. 7L，污泥与厨余垃圾干重质量比0. 18:1，注入到30L的厌氧水解发酵罐，初始TCOD为30gC0D/L，同时补加Ca (OH) 27. 8g (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) 23. 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. 2L的发酵上清液、I. 3L脱水泥饼。将0. 9L脱水后的泥饼(占总脱水泥饼的70%)及8. 55L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、0. IlOMPa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0&(011)2乳液维持？11=7厌氧发酵。(5)每隔24h将厌氧产酸发酵罐中12. IL (总体积的1/3)的混合物外排，并向厌氧产酸发酵罐补加10. 9L (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I. 2L(外排体积的10%)。将排出的混合物在IOOOrpm离心5min，获得11. 5L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. 53gC0D/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I.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l_3g C0D/L，含量最闻仅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. 7gC0D/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5-8g C0D/L，含量最高仅48%。表I为本发明实施例中丙酸杆菌富集培养基。表I
权利要求
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I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(I)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(I)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 150g/L。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(I)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I所述的方法，其特征在于所述的步骤(I)厌氧发酵的温度为10 65°C，优选 25 °C ； 或所述的步骤(I)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I所述的方法，其特征在于所述的步骤(2)中的间隔时间为2(T28h，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f 10%，优选3%。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(3)离心转速为1500 3500印111,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0. IlOMPa时间10 30min，优选20min。
7.根据权利要求I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氧水解反应器的混合物固体浓度为20-22g/L。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(4)中的接种量是5% 15%，优选10% ； 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I所述的方法，其特征在于所述的步骤(5)中间隔时间是指2(T28h，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959^85%，优选90%。
10.根据权利要求I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IOOOrpm,离心时间I 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。
全文摘要
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。包含如下步骤(1)将污泥、厨余垃圾及碱混合进行厌氧发酵；(2)每隔一段时间从反应器中排出部分发酵混合物，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，并将其加入到厌氧发酵罐中进行发酵产丙酸；(5)从厌氧发酵罐中排出部分发酵液，经离心后获得富含丙酸的发酵液，同时向厌氧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。
文档编号C12R1/01GK102796774SQ20121026036
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者陈银广, 李响, 孟凡松 申请人:同济大学