本发明涉及一种厌氧发酵液中己酸回收处理的方法，属于废弃物资源化处理技术、环保净化处理技术领域。
背景技术：
挥发性脂肪酸(volatilefattyacids，vfas)是厌氧消化过程中产生的一类中间产物，利用固体废弃物，如餐厨垃圾、剩余污泥和果蔬废弃物等作为底物发酵生产vfas，一般情况下，混合菌群厌氧发酵所得到vfas主要为乙酸、丙酸、丁酸等小分子酸(shortchaincarboxylicacids，sccas)，这类酸能量密度低、亲水性强、组分复杂，对其后续的分离纯化及资源化利用带来诸多不便。近年来，有机废弃物的羧化物转化平台成为新的研究热点。己酸等中链羧酸(mediumchaincarboxylicacids，mccas)比sccas相比有更高的能量密度、更强的疏水性、微溶于水，便于后续的分离纯化。
己酸是二次厌氧发酵的产物，在产己酸菌群中添加乙醇或者乳酸为电子供体，运用羧酸碳链延伸的反向β-氧化途径(reverseβoxidation)合成。反向β-氧化途径是乙酸和乙醇(或乳酸)合成丁酸和己酸的核心代谢途径。clostridiumkluyveri是此途径的模式菌株。己酸便于在线分离，其可以进一步加工成为柴油等燃料物质以及抗菌剂、化工材料(香水香料、润滑油的粘稠剂、橡胶加工助剂、清漆催干剂等)或食品添加剂，附加值更高。市场调查显示，乙酸(工业级)价格在4000元/吨左右，而己酸(工业级)价格达到20000-30000元/吨，也正因如此，己酸的生物合成已被认为是一种非常有潜力的新型资源化回收技术。
不游离的己酸对厌氧微生物具有毒性，从而抑制反应的进行。目前，针对己酸的毒性，主要有两种不同反应器微生物发酵途径：(1)低ph条件下，单相发酵系统，在线液液萃取；(2)中性条件下，两相发酵系统，得到高浓度mccas且无在线萃取。目前厌氧发酵产己酸主要面临的问题是己酸在溶液中的溶解度低，分子态的己酸对微生物具有毒性，抑制产己酸菌的活性，最终影响反应体系的产己酸速率和效率。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的第一个目的是提供一种新的厌氧发酵过程中提取己酸的方法，是将强碱性离子交换树脂应用到厌氧发酵过程中，在厌氧发酵碳链延伸过程中用离子交换树脂吸附己酸，抑制毒性，强化己酸合成。离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。阴离子交换树脂带有碱性活性基团，其活性基团上连有的活性离子(如：oh-)，在特定条件下能够与溶液中的阴离子进行交换，因此能够有效转移发酵液中的己酸，减弱mcfas对微生物的毒性，促进反应持续稳定进行。
在一种实施方式中，所述厌氧发酵体系含有厌氧颗粒污泥和果蔬废弃物产酸发酵液。
在一种实施方式中，所述厌氧消化体系中厌氧颗粒污泥与产酸发酵液按照质量体积比1:4(g/ml)混合。
在一种实施方式中，所述离子交换树脂包括但不限于d201、d202、d301r、d301g、d4006。
在一种实施方式中，所述离子交换树脂筛选，采用模拟发酵液，成分为：3g/l乙酸、3g/l丁酸和10g/l己酸。
在一种实施方式中，所述离子交换树脂在厌氧产己酸反应过程中连接树脂柱。
在一种实施方式中，采用离子交换树脂吸附，采用naoh溶液进行洗脱。
在一种实施方式中，所述离子交换树脂洗脱液温度为10℃～40℃。
在一种实施方式中，所述离子交换树脂洗脱液温度为10℃、30℃或40℃，洗脱时间为5h。
在一种实施方式中，所述离子交换树脂洗脱液浓度为0.5～2mol/l。
在一种实施方式中，所述离子交换树脂洗脱液浓度为0.5mol/l、1mol/l、1.5mol/l或2mol/l。
在一种实施方式中，所述方法是将果蔬废弃物产酸发酵液、厌氧颗粒污泥混合，反应过程中用离子交换树脂吸附上层发酵液，进行厌氧发酵产己酸；其中厌氧颗粒污泥与果蔬废弃物产酸发酵液按照质量体积比1:4(g/ml)混合；经过树脂吸附后的液体回流入厌氧发酵体系。
在一种实施方式中，发酵液通过蠕动泵打入树脂吸附柱中，吸附后的液体通过回流泵流入厌氧体系。
在一种实施方式中，所述厌氧发酵体系是在厌氧瓶中进行。
在一种实施方式中，所述厌氧发酵过程的反应温度为28～30℃。
在一种实施方式中，所述厌氧消化的初始ph为6.8～7.0。
在一种实施方式中，所述厌氧发酵体系初始ph用naoh溶液调节为7.00±0.2，反应过程中调节ph至6.8～7.0。
本发明还提供所述方法在制备含己酸的产品方面的应用。
有益效果：一般碳链延伸过程中，微生物易受到高浓度乙醇和己酸的毒性抑制，即使反应体系温度、ph，以及乙醇、乙酸、丁酸浓度满足碳链延伸合成己酸的要求，反应仍然停止进行。空白组当己酸浓度达到11.17g·l-1时，碳链延伸过程终止。在稳定的碳链延伸过程中，用树脂d201吸附溶液中的己酸，能够有效缓解碳链延伸过程中己酸对微生物的毒性，当乙醇浓度低于4g·l-1、乙酸浓度低于1g·l-1时补加乙醇至16±0.8g·l-1、乙酸3±0.1g·l-1，以确保反应体系内足够的电子供体和碳源，反应过程中己酸产量可达17.31g·l-1，产率可达1.89g·l-1d-1，己酸累积产量为27.47g·l-1。持续添加乙醇和乙酸，并且不断进行离子交换，能够保证碳链延伸过程的稳定进行。本发明的工艺简单，易于操作，且离子交换树脂多次吸附稳定性实验表明树脂吸附己酸效率高，抗有机污染和抗酸性能力强，循环使用周期好。树脂的应用提高了己酸产率及回收率，提升了厌氧发酵产己酸的效果。本发明具有良好的研究应用前景。
附图说明
图1为实验装置简图；
图2为5种树脂对乙酸、丁酸、己酸的静态吸附平衡；
图3为5种树脂对己酸的静态洗脱效率；
图4为洗脱温度对树脂中己酸的洗脱效率的影响；
图5为洗脱液浓度对树脂中己酸的洗脱效率的影响；
图6为树脂吸附己酸的稳定性实验；
图7为碳链延伸过程中树脂在67、80、89、120天时动态吸附平衡量和洗脱率；
图8为碳链延伸中乙醇、乙酸、丁酸、己酸的变化。
具体实施方式
实施例1：厌氧发酵产己酸
应用如图1所示的实验装置，将厌氧瓶放置在30℃恒温水浴锅中，反应在1l厌氧瓶中进行，反应总体积为500ml，每组实验添加果蔬废弃物产酸相发酵液400ml(发酵液ph＝4.56，醇类和羧酸浓度见表1)，接种厌氧颗粒污泥100g(接种污泥取自无锡某食品加工厂污水厌氧消化罐，ts为8％)。根据乙醇：乙酸+丁酸的电子当量比4:1，另外添加无水乙醇16g·l-1作为电子供体。当反应中己酸产量稳定并不再变化后，每隔一段时间连接树脂柱，发酵液通过进水泵打入树脂柱，吸附后的液体通过回流泵重新流入厌氧瓶。当乙醇浓度低于4g·l-1、乙酸浓度低于1g·l-1时补加乙醇至16±0.8g·l-1、乙酸至3±0.1g·l-1，对照组和树脂组乙醇、乙酸补加量以及树脂吸附时间见表2。对发酵液中醇类和羧酸浓度进行测定，采用气相色谱仪检测。
表1产酸相发酵液中醇类和羧酸浓度(g·l-1)
表2反应过程中树脂柱、乙醇和乙酸投加量对照
注：“+”即表示该项实施。
实施例2：不同树脂对应的吸附效果
将预处理好的15g树脂放于250ml锥形瓶中，同时添加150ml模拟发酵液(ph7.0)，锥形瓶放于30℃恒温箱静置5h，吸附平衡后取上清液测定其中乙酸、丁酸、己酸浓度。5种不同型号的树脂分别对模拟发酵液进行吸附，吸附平衡如图2，在相同的吸附条件下，d201树脂对乙酸、丁酸、己酸的吸附量分别为7.85、9.42和62.0mg·g-1，吸附率分别为27.11、31.73和55.41％；d202树脂对三种酸的吸附量为6.74、8.04和51.44mg·g-1，吸附率分别为24.03、27.81、46.57％。这两种树脂满足树脂吸附足量己酸、少量乙酸和丁酸的要求。
表15种树脂对乙酸、丁酸、己酸的吸附效率
吸附平衡后的树脂，用去离子水冲洗去表面残留液，自然晾干后，放入250ml锥形瓶中，加入150mlnaoh洗脱液进行洗脱。从5种树脂的洗脱率来看(图3)，在相同洗脱条件下，树脂d201、d202、d301r、d301g和d4006对己酸达到洗脱平衡的时间分别为60、90、160、120、120min，洗脱率分别为88％、78％、61％、65％和19％。说明强碱性阴离子交换树脂d201对己酸的吸附和洗脱效果好。
实施例3：树脂d201在不同条件下对己酸的洗脱效果
按照实施例2中吸附方式对d201树脂进行吸附，吸附平衡后将树脂等比例分成7份(每份树脂15g)放入锥形瓶中，每份加入150ml洗脱液，进行洗脱条件研究。图4、5分别为不同洗脱液温度和洗脱液浓度对d201树脂中乙酸、丁酸、己酸的洗脱效率的影响。从图中可以看到，洗脱温度为10℃时对3种酸的洗脱效率低；30℃时洗脱效率提高，对乙酸、丁酸、己酸的洗脱效率分别为95％、86.7％、90.7％；温度40℃时洗脱效率为94.9％、85％、90％，与30℃洗脱率接近，说明升高温度对洗脱率的影响不大。高温在实际应用中会带来更多的能耗问题。因此洗脱温度为30℃。
在30℃下，研究不同浓度naoh洗脱液对树脂中洗脱效果的影响。如图5所示，当洗脱液浓度从0.5mol·l-1上升至1.5mol·l-1时，洗脱率逐渐增加，其中1mol·l-1naoh溶液对三种酸的洗脱效率分别为99.8％、94.7％和95.7％，1.5mol·l-1naoh洗脱率分别为99.8％、95％和95.9％，2mol·l-1naoh溶液对己酸的洗脱率为94.3％。在相似洗脱效果下，引入更多的碱液，将对后续处理带来不便。因此选择洗脱液浓度为1mol·l-1。
实施例4：树脂吸附稳定性实验
按照实施例2的方式用d201树脂对模拟发酵液进行反复吸附和洗脱，测定树脂吸附率和洗脱率，如图6。d201树脂对己酸反复8次吸附后，吸附效率有所下降，但是经过8次吸附后，其吸附率下降的程度是有限的。
在30℃条件下，用1mol·l-1naoh洗脱液对不同吸附次数的树脂分别洗脱，得到相应的洗脱率。根据图6洗脱率变化曲线可知，树脂在50小时内即解吸完全，能够进行下一步再生或回用，树脂经过8次吸附后洗脱率为93.2％，与前几次相比稍有下降。说明树脂d201对己酸的吸附、洗脱能力稳定，循环使用周期等都比较好，节约成本。
实施例5：树脂对碳链延伸过程中己酸产量的影响
实验装置如图1，树脂柱中装入40g树脂d201，对厌氧发酵产己酸实验进行动态吸附。树脂柱连接时间及乙醇、乙酸投加时间见表2。发酵液吸附完全后按照实施例2方式对树脂进行洗脱。在67、80、89、120天，树脂对发酵液动态吸附平衡及对己酸洗脱效率如图7。4次吸附前己酸浓度分别为9.47、9.86、7.21和5.28g·l-1，吸附容量分别为10.36、45.72、29.52和16.07mg·g-1。另外，树脂对乙酸、丁酸的吸附量小，低于11mg·g-1。同时对其他羧酸吸附量少，可忽略。树脂洗脱效率均在93％以上，最大程度的将树脂中的羧酸回收利用。
从图8厌氧发酵体系中乙醇、乙酸、丁酸、己酸的变化来看，对照组前67天时，乙醇从16.70g·l-1逐渐下降至1.37g·l-1；乙酸在12天内累积至2.56g·l-1，随后在67d时降至0.83g·l-1；丁酸浓度在3.5g·l-1左右上下波动；反应中己酸最高浓度为11.17g·l-1。67天后，分别补加乙醇和乙酸至17.44和2.89g·l-1，从图中能够清楚看到，由于高浓度乙醇和己酸的存在，对厌氧微生物产生毒性，即使在足量乙醇、乙酸和丁酸条件下，反应仍被抑制，最终己酸浓度为12.43g·l-1。
树脂组前67天液相中各组分和对照组相似，此时己酸浓度为11.08g·l-1。在67-80d内，树脂吸附后，由于体系内己酸浓度仍较高，乙醇从17.64g·l-1降至16.18g·l-1，乙酸浓度也逐渐消耗，丁酸变化不大，己酸产量为0.39g·l-1；第81-89d，二次吸附后己酸产量逐渐增加至7.22g·l-1，乙醇逐渐消耗至10.89g·l-1，乙酸降至1g·l-1以下，丁酸产生3.91g·l-1；90-96天内，由于乙酸浓度低，乙醇、丁酸、己酸均未有太大变化，在96天补加乙醇后，96-120天内乙醇逐渐降低至4.71g·l-1，同时乙酸迅速被消耗低至0.41g·l-1，丁酸也在117天时达到最大值13.75g·l-1(最高产率为1.11g·l-1d-1)，己酸波动不大，同时说明在碳链延伸过程中乙酸也是己酸合成的关键因素；121-174d内，此时己酸浓度最低降至3.67g·l-1，因此己酸迅速生成，最终己酸最高浓度为17.30g·l-1，最高产率为1.89g·l-1d-1。174天反应过程中，己酸累积产量为27.47g·l-1。说明在碳链延伸过程中利用树脂吸附高浓度己酸，有利于反应持续进行。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。