一种连续发酵制备高光学纯度D-乳酸的方法与流程

本发明属于环境保护、废物资源化技术领域，尤其涉及一种增强型有机废物联合多段式发酵，并通过外加适量金属元素促进产生D-乳酸的发酵方法。

背景技术：

乳酸是自然界中最小的手性分子，广泛存在于人类及动植物体内，由于其旋光性的不同，乳酸可分为L-乳酸和D-乳酸两种构型。L-乳酸合成的聚乳酸易被生物降解，是一种前景良好的原料，D-乳酸则多被应用于合成制造农药、手性药物，并用于制造聚乳酸。最初人们选择化学合成的方式合成乳酸，受资源限制，目前发酵产D-乳酸多通过单独培养产乳酸菌群，如菊糖芽孢乳杆菌发酵可产128g/L D-乳酸，其光学纯度在98％以上(周丽，田康明，陈献忠，等.微生物发酵产光学纯度D-乳酸研究进展[J].中国生物工程杂志，2010，30(10)：114-124.)。再如工程菌LHY02利用木糖和混合糖发酵，基质含10％木糖时，D-乳酸产量达到84.4g/L，发酵强度为0.93g/L/h(鲁泓鹰.一株高效利用木糖产D-乳酸大肠杆菌工程菌的构建及其发酵研究[D].湖北工业大学，2015.)。

然而实际应用过程中纯菌培养操作要求严格，易被杂菌感染，增加了工业应用的成本。城市污水处理厂剩余污泥富含大量微生物种群，其中即包含产乳酸菌。若以剩余污泥作为发酵微生物，复杂的环境可以增加发酵基质的稳定性。用餐厨垃圾对剩余污泥进行调质，即补充碳水化合物含量，同时调整pH、底物浓度、温度至最优条件，即可稳定产生D-乳酸。

技术实现要素：

本发明所要解决的是目前常用发酵产D-乳酸方法在制备过程中易被杂菌感染的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种连续发酵制备高光学纯度D-乳酸的方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

(1)将有机废物注入中温水解装置内进行第一阶段中温水解，温度控制在25-40℃；

(2)第一阶段中温水解结束后，将发酵液移至高温产酸发酵罐，投加零价铁，发酵液pH调至3-7，温度控制在40-60℃，进行第二阶段高温发酵；

(3)每1-4d从高温产酸发酵罐内移出10％-50％的发酵混合液，同时在高温产酸发酵罐中补充步骤(1)得到的水解混合物、零价铁，持续步骤(2)的高温发酵产酸过程；

(4)将取出的发酵混合液进行泥水分离，部分固体物质经悬浮振荡器回用至高温产酸发酵罐，所得上清液即富含高光学纯度D-乳酸。

优选地，所述步骤(1)中的有机废物具体为：剩余污泥与餐厨垃圾按VSS比为1∶1-1∶10的比例混合得到的调质污泥。

更优选地，所述剩余污泥取自城镇污水处理厂二沉池，经沉淀3-5h去除上清液。

更优选地，所述餐厨垃圾采用米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油和肉骨中的任意一种或几种的混合物，经机械打碎后过筛即可。

更优选地，所述调质污泥总VSS为20-60g/L。

优选地，所述步骤(1)中第一阶段中温水解过程中须搅拌，搅拌转速为150-200rpm/min；水解1-2d。

优选地，所述步骤(2)中零价铁的投入量为0.01-0.2g/gvss。

优选地，所述步骤(2)中第二阶段高温发酵过程中须搅拌，搅拌转速为100-150rpm/min；发酵1-4d。

优选地，所述步骤(2)中所采用的pH调节剂为1-4mol/lNaOH和1-5mol/l HCL。

优选地，所述步骤(4)中发酵混合液的泥水分离通过离心机离心完成，离心速度为1000-8000rpm/min，离心时间为5-20min。

优选地，所述步骤(4)中泥水分离所得的固体物质部分回用，回用体积为所有固体物质体积的10～70％，加自来水经悬浮振荡器后移至高温产酸发酵罐继续发酵。

本发明通过对典型有机废物进行联合多段式发酵的方式，以少量零价铁作为有效催化剂及营养元素，降低工业操作要求的同时显著提高D-乳酸产量，是一种高效的资源化方式，可实现在15d内达到0.20-0.55g/gvss的D-乳酸产量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

①本发明方法中，用餐厨垃圾调质剩余污泥，综合利用剩余污泥中的产乳酸菌及餐厨垃圾充足的碳水化合物，弥补了剩余污泥蛋白质较多，碳氮比失衡的不足，有利于微生物充分利用发酵基质。不同于单一微生物发酵产D-乳酸，本方法体系操作性更强，体系更稳定。

②本发明方法中，第一阶段水解过程选用中温环境，适合大部分微生物生长生存，此过程进行充分可保障后续发酵；后阶段高温环境利于乳酸菌繁殖产乳酸，利于筛选有用菌。

③本发明方法中，第二阶段高温发酵投加少量零价铁，可有效促进乳酸脱氢酶的活性，显著提高D-乳酸产量。

④本发明方法中，第二阶段发酵结束移出发酵混合液后，固体物质回用于高温产酸发酵罐内，可充分减少产乳酸菌的排出，提高发酵罐产乳酸活性，同时达到剩余污泥最大减量化。

⑤本发明方法中，有目的性地连续发酵效率明显高于单一方式的发酵，且产出效率更高。

附图说明

图1为本发明提供的连续发酵制备高光学纯度D-乳酸的方法的流程图。

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1-4中采用的NaOH、HCl、还原铁粉均购自国药集团；乳酸检测方法采用液相色谱法。

实施例1

一种连续发酵制备高光学纯度D-乳酸的方法：

①取城镇污水厂二沉池污泥，沉淀4h浓缩污泥，去除上清液；餐厨垃圾机械打碎后过筛。分别测定剩余污泥及餐厨垃圾的VSS，按照餐厨垃圾VSS：剩余污泥VSS＝1∶1的比例混合，总VSS 32g/L；

②取1L调质污泥注入水解反应器，温度调至40℃，搅拌器转速调至150rpm，水解1d；

③第一次发酵结束后将水解反应器内发酵液移至高温产酸发酵罐，温度调至60℃，投加0.01g/L零价铁，2M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至3，搅拌器转速100rpm；

④每隔1d从高温产酸发酵罐内移出100mL发酵混合液(占总体积10％)，同时向发酵罐中补加100mL第一阶段水解混合物及0.01g/L零价铁；

⑤在转速8000r的条件下，离心发酵液10min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量；

⑥将所取发酵液进行泥水分离后，取所得固体物质的50％(体积比)回用至发酵体系，经悬浮振荡器回用至高温产酸发酵罐，高温发酵过程持续进行。

经检测，上清液中D-乳酸含量为0.31g/gvss，光学纯度75％。

实施例2

一种连续发酵制备高光学纯度D-乳酸的方法：

①取城镇污水厂二沉池污泥，沉淀4.5h浓缩污泥，去除上清液；餐厨垃圾机械打碎后过筛。分别测定剩余污泥及餐厨垃圾的VSS，按照餐厨垃圾VSS：剩余污泥VSS＝1∶7的比例混合，总VSS 50g/L；

②取1L调质污泥注入水解反应器，温度调至30℃，搅拌器转速调至200rpm，水解2d；

③第一次发酵结束后将水解反应器内发酵液移至高温产酸发酵罐，温度调至50℃，投加0.06g/L零价铁，2M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至4，搅拌器转速150rpm；

④每隔2d从高温产酸发酵罐内移出300mL发酵混合液(占总体积的30％)，同时向发酵罐中补加300mL第一阶段水解混合物及0.06g/L零价铁；

⑤在转速5000r的条件下，离心发酵液15min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量；

⑥将所取发酵液进行泥水分离后，取所得固体物质的70％(体积比)回用至发酵体系，经悬浮振荡器回用至高温产酸发酵罐，高温发酵过程持续进行。

经检测，上清液中D-乳酸含量为0.55g/gvss，光学纯度82％。

实施例3

一种连续发酵制备高光学纯度D-乳酸的方法：

①取城镇污水厂二沉池污泥，沉淀4h浓缩污泥，去除上清液；餐厨垃圾机械打碎后过筛。分别测定剩余污泥及餐厨垃圾的VSS，按照餐厨垃圾VSS：剩余污泥VSS＝1∶10的比例混合，总VSS 47g/L；

②取1L调质污泥注入水解反应器，温度调至25℃，搅拌器转速调至150rpm，水解1d；

③第一次发酵结束后将水解反应器内发酵液移至高温产酸发酵罐，温度调至40℃，投加0.20g/L零价铁，4M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至5，搅拌器转速150rpm；

④每隔3d从高温产酸发酵罐内移出450mL发酵混合液(占总体积的45％)，同时向发酵罐中补加450mL第一阶段水解混合物及0.20g/L零价铁；

⑤在转速8000r的条件下，离心发酵液10min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量；

⑥将所取发酵液进行泥水分离后，取所得固体物质的10％(体积比)回用至发酵体系，经悬浮振荡器回用至高温产酸发酵罐，高温发酵过程持续进行。

经检测，上清液中D-乳酸含量为0.28g/gvss，光学纯度78％。

实施例4

一种连续发酵制备高光学纯度D-乳酸的方法：

①取城镇污水厂二沉池污泥，沉淀4h浓缩污泥，去除上清液；餐厨垃圾机械打碎后过筛。分别测定剩余污泥及餐厨垃圾的VSS，按照餐厨垃圾VSS：剩余污泥VSS＝1∶6的比例混合，总VSS 37g/L；

②取1L调质污泥注入水解反应器，温度调至30℃，搅拌器转速调至200rpm，水解2d；

③第一次发酵结束后将水解反应器内发酵液移至高温产酸发酵罐，温度调至55℃，投加0.05g/L零价铁，2M NaOH溶液作为pH调节剂，调整发酵液pH至7，搅拌器转速150rpm；

④每隔4d从高温产酸发酵罐内移出500mL发酵混合液(占总体积的50％)，同时向发酵罐中补加500mL第一阶段水解混合物及0.05g/L零价铁；

⑤在转速6000r的条件下，离心发酵液15min，所得上清液过滤分离微生物，检测乳酸含量；

⑥将所取发酵液进行泥水分离后，取所得固体物质的10％(体积比)回用至发酵体系，经悬浮振荡器回用至高温产酸发酵罐，高温发酵过程持续进行。

经检测，上清液中D-乳酸含量为0.20g/gvss，光学纯度65％。