專利名稱:一種利用水生植物制備短鏈脂肪酸的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術中處理利用水生植物的方法技術領域：
，具體涉及以水生植物為原料利用微生物厭氧發(fā)酵制備短鏈脂肪酸的方法。
背景技術：
水生植物常被用于吸收水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽，從而使水體得到凈化，達到水體環(huán)境保護的目的，但與此同時卻又會產(chǎn)生大量水生植物的處理問題。目前已有的水生植物后續(xù)利用技術中，有中國專利公開號CN1307838所提到的從水生植物中提取出營養(yǎng)素來加工提煉藥品及飼料添加劑，但該工藝繁瑣，提取成本高；中國專利公開號CN14^314所提到的混合發(fā)酵制造肥料和中國專利公開號CN1263870所提到的采用厭氧發(fā)酵技術制備沼氣的方法，所需的產(chǎn)甲烷微生物生長緩慢，處理能力低，且制得的沼氣不易存儲和運輸。
據(jù)美國《環(huán)境科學與技術》(EnvironmentalScience & ^Technology，Oh SE, Van GinkelS, Logan BE，2003，37 (22)，5186-5190)報道，利用微生物厭氧發(fā)酵工藝所產(chǎn)生的短鏈脂肪酸是重要的化工原料，可以被用于制備生物塑料，甲烷和氫氣等能源物質?，F(xiàn)有微生物厭氧發(fā)酵工藝主要采用的是經(jīng)酸、堿或加熱處理得到的厭氧產(chǎn)酸污泥，且多以單糖或多糖類作為底物，產(chǎn)物收率高，工藝簡單、條件溫和；但由于其培養(yǎng)基中的碳源是葡萄糖、蔗糖、純纖維素等高成本的原料，不太經(jīng)濟；且由于得到的產(chǎn)酸厭氧污泥長時間運行時活性下降，微生物種群容易發(fā)生改變，使得反應器不夠穩(wěn)定。
_ _ 《jS ffi if it t iWi (Applied and Environmental Microbiology, Pavlostathis SG,Miller TL, Wolin MJ，1988，54 (11)，2655-2659)報道的瘤胃純種微生物降解纖維素時使用的由碳酸氫鈉5g/L，磷酸氫二鈉1. 9g/L，氯化鉀0. 5g/L，氯化鈉0. 5g/L， 氯化鎂0. 13g/L，氯化鈣0. 05g/L，尿素0. 5g/L組成的佩芬緩沖液，適宜于降解纖維素類物質的微生物使用。但此前未見被用于以富集、馴化得到能高效降解轉化水生植物的厭氧微生物。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種利用水生植物為原料制備短鏈脂肪酸的方法，以克服現(xiàn)水生植物后續(xù)處理工藝麻煩、處理效率低的缺點，克服現(xiàn)有厭氧發(fā)酵技術原料成本高、長時間運行不穩(wěn)定的缺點，達到有效處理因凈化水體而產(chǎn)生的大量水生植物，降低短鏈脂肪酸生產(chǎn)成本，提高厭氧反應器工作效率的目的。
本發(fā)明利用水生植物制備短鏈脂肪酸的方法，其特征在于包括如下步驟
(1)按水和佩芬緩沖液的體積比為1 1-3配制溶液，再按5_30g/L加入粉碎的水生植物干料，攪拌混合均勻后作為進料液；所述佩芬緩沖液由碳酸氫鈉5g/L，磷酸氫二鈉1. 9g/L，氯化鉀0. 5g/L，氯化鈉0. 5g/L，氯化鎂0. 13g/L，氯化鈣0. 05g/L,尿素0. 5g/L組成；
(2)馴化富集厭氧污泥將取自城市污水廠厭氧消化池的原始污泥加入到連續(xù)流反應器，加水使反應體系的污泥濃度為10-30g/L ；加熱維持反應器運行溫度為25-45°C，攪拌以保持體系混合均勻，以0. 5-2. OL/d的添加速率將水生植物濃度為5-10g/L的進料液加入反應器，再加入碳酸氫鈉調節(jié)反應體系的pH在5. 5-6. 5 ；按0. 05-0. 25L/d的速率排放殘渣；在上述條件下連續(xù)運行至所產(chǎn)氣體成分中檢測不到甲烷時，厭氧污泥的馴化富集完成；
(3)進入穩(wěn)定運行厭氧污泥的馴化富集完成后，繼續(xù)以0. 5-2. OL/d的速率添加濃度改為10-30g/L的水生植物進料液；并調整混合液中加入的碳酸氫鈉量以保持反應體系的pH在5. 5-6. 5，在上述條件下連續(xù)運行至出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，達到穩(wěn)定運行階段；
(4)固液分離當出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，開始收集反應器的連續(xù)出水和排放的殘渣混合液；采用孔徑為0. 25-1. 0微米的濾膜，利用減壓抽濾將液相產(chǎn)物和殘渣進行膜分離，獲得固體殘渣和主要成分為乙酸、丙酸和丁酸的短鏈脂肪酸混合液。
本發(fā)明方法所適用的水生植物原料包括水葫蘆、浮萍、蘆葦、蒲草、美人蕉、黑麥草、香蒲、燈心草、菰、水花生和/或滿江紅。
由于本發(fā)明利用馴化富集的厭氧微生物對水生植物進行厭氧發(fā)酵，利用瘤胃純種微生物培養(yǎng)用的佩芬緩沖液，以水生植物為原料，成功地馴化富集得到高效降解細菌；和現(xiàn)有經(jīng)酸、堿或加熱處理得到的厭氧產(chǎn)酸污泥的工藝過程相比，具備更優(yōu)的穩(wěn)定性，克服了其長時間運行不穩(wěn)定的缺點；和現(xiàn)有利用水生植物產(chǎn)甲烷的工藝相比較，由于本發(fā)明方法中將PH控制在5. 5-6. 5范圍內，能保持細菌的高效降解活性，能將水生植物轉化成短鏈脂肪酸，系統(tǒng)效率更高；和現(xiàn)有利用葡萄糖、蔗糖、純纖維素制備短鏈脂肪酸的工藝相比，本發(fā)明方法提供了制備短鏈脂肪酸的新原料和新方法，克服了現(xiàn)有厭氧污泥制備短鏈脂肪酸成本高的缺點；相對于現(xiàn)有水生植物制備飼料工藝，本發(fā)明方法的處理工藝更為簡單、穩(wěn)定，制得的產(chǎn)品便于運輸和下游工藝利用；本發(fā)明以來源廣泛的水生水生植物為原料，以富集馴化得到的厭氧微生物為接種污泥，有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了水生植物的轉化效率，具有較好的環(huán)保和經(jīng)濟效益。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述。
實施例1 利用水生植物水葫蘆制備短鏈脂肪酸
1、從江河水體中收集水葫蘆，晾干，使用粉碎機械破碎成長度小于8mm的顆粒物； 按水和佩芬緩沖液的體積比為1 1配制溶液，再加入粉碎的水葫蘆干料至5-10g/L，攪拌混合均勻后作為水生植物進料液。所述佩芬緩沖液參考美國《應用環(huán)境微生物》(Applied andEnvironmental Microbiology,Pavlostathis SG，Miller TL, Wolin MJ，1988，54(11)， 2655-2659)報道的瘤胃純種微生物降解纖維素時使用的緩沖液，其組成為碳酸氫鈉5g/ L,磷酸氫二鈉1. 9g/L，氯化鉀0. 5g/L，氯化鈉0. 5g/L，氯化鎂0. 13g/L，氯化鈣0. 05g/L,尿素 0. 5g/L。
2、本實施例中采用總體積為4. 9L的厭氧反應器，其中反應區(qū)體積為2. 5L。加熱并控制反應器的溫度在40°C，攪拌速率為100轉/分鐘，接種后反應器內污泥濃度為IOg/ L,以添加速率為2. 0L/d將濃度為5g/L的水生植物進料液加入反應器，調整加入的碳酸氫鈉濃度維持反應器內PH為5. 5-6.5 ；降解后的殘渣溶液以0. lL/d的排放速率經(jīng)出口排出。 當運行到第20天至30天，所產(chǎn)氣體成分中檢測不到甲烷時，厭氧污泥的馴化富集完成。
3、污泥馴化富集完成后，以2. OL/d的添加速率將濃度改為10g/L的水生植物進料液加入反應器，調整加入的碳酸氫鈉濃度維持反應器內pH為5. 5-6. 5，在上述條件下連續(xù)運行至出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，達到穩(wěn)定運行階段；在此階段，水葫蘆的降解效率可達55-60%，產(chǎn)酸量可達0. 40士0. 02g/g水葫蘆。
經(jīng)采用氣相色譜測定，得知液相中短鏈脂肪酸主要為乙酸、丙酸和丁酸，這三種酸的摩爾比為1 (1-2.5) (0.4-0.8)；短鏈脂肪酸在體系中的濃度或含量達到4. 0-8. Og/ L0所述氣相色譜測定方法可參見《生物資源技術》(Bioresource Technology, Fang HHP, Liu H，2002，82，87-93)。
4、當測到出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，開始收集反應器的連續(xù)出水和排放的殘渣混合液采用孔徑為0. 25微米的醋酸纖維素酯微孔濾膜，利用減壓抽濾，將出水和殘渣溶液進行膜分離，收集液相產(chǎn)物和固體殘渣。固體殘渣可以作為原料在過程1中再利用。
5、利用液相產(chǎn)物為原料制備生物塑料將上述得到的液相產(chǎn)物加入到以活性污泥廠曝氣池污泥為接種污泥的好氧反應器，反應器體積為2. 5L，工作體積為2. 0L，控制污泥停留時間為10天，加熱保持溫度在25°C，每個反應周期為360分鐘，分為進料3分鐘，曝氣反應310分鐘，靜置沉降30分鐘，排水排泥5分鐘，缺氧靜置12分鐘。收集出水和排出的污泥，出水可以作為緩沖鹽溶液在過程1中再利用。排出的污泥中生物塑料質量含量為 30-40%，產(chǎn)率可達0. 4-0. 6g/g短鏈脂肪酸。上述利用液相產(chǎn)物作為原料制備生物塑料的方法，可參見國際水協(xié)雜志《水科學與技術》(Water Science and Technology,Nakajima F, Kamiko N, Yamamoto K，1997，35 (8)，285-291)的相關報道。
實施例2 利用水生植物蒲草制備短鏈脂肪酸
1、收集水生植物蒲草，晾干，使用粉碎機械破碎成長度小于8mm的顆粒物；按水和佩芬緩沖液的體積比為1 2配制溶液，再加入粉碎的蒲草干料至5-30g/L，攪拌混合均勻后作為水生植物進料液。所述佩芬緩沖液的組成為碳酸氫鈉5g/L，磷酸氫二鈉1.9g/L，氯化鉀0. 5g/L，氯化鈉0. 5g/L，氯化鎂0. 13g/L，氯化鈣0. 05g/L,尿素0. 5g/L。
2、本實施例中采用總體積為4. 9L的厭氧反應器，其中反應區(qū)體積為2. 5L。加熱并控制反應器的溫度為35°C，攪拌速率為100轉/分鐘。接種后反應器內污泥濃度為20g/L， 以添加速率為0. 5-2. 0L/d將蒲草濃度為5-10g/L的水生植物進料液加入反應器，調整加入的碳酸氫鈉濃度維持反應器內PH為5. 5-6. 5 ；按0. 05-0. 25L/d的速率排放殘渣。當運行到第40天至50天，氣體中檢測不到甲烷，厭氧污泥的馴化富集完成。
3、污泥馴化富集完成后，以添加速率為0. 5-2. 0L/d將蒲草濃度改為10_30g/L的水生植物進料液加入反應器，調整加入的碳酸氫鈉濃度維持反應器內PH為5. 5-6. 5，攪拌速率為100轉/分鐘，殘渣排放速率為0. 05-0. 25L/d。在上述條件下連續(xù)運行至出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，達到穩(wěn)定運行階段。
在此階段，蒲草的降解效率為50-70 %，產(chǎn)酸可達0.45士0.02g/g蒲草，采用氣相色譜測定得知液相中短鏈脂肪酸主要為乙酸、丙酸和丁酸，三種酸的摩爾比為 1 (1-2.5) (0.4-0.8)；短鏈脂肪酸在體系中的濃度在4. 5-14. 0g/L。[0026]4、當測到出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，開始收集反應器的連續(xù)出水和排放的殘渣混合液采用孔徑為0. 25微米的醋酸纖維素酯微孔濾膜，利用減壓抽濾，將出水和殘渣溶液進行膜分離，收集液相產(chǎn)物和固體殘渣。固體殘渣可作為原料在過程1中重復使用。
5、利用液相產(chǎn)物為原料制備氫氣所采用的圓柱型光合反應器，直徑為30mm，高 400mm,反應區(qū)容積3. 75L ；上述液相產(chǎn)物經(jīng)高壓滅菌后，以2. OL/d的速度連續(xù)地輸入到光合反應器中；光合產(chǎn)氫細菌-嗜酸紅假單胞菌的接種濃度為2g/L，用白幟燈持續(xù)提供強度為6000勒克斯光能。產(chǎn)生的氣體通過濃度為160g/L的氫氧化鈉溶液以去除二氧化碳，再經(jīng)過填充氯化鈣的填充柱以去除水分，收集得到氫氣，氫氣產(chǎn)率為200-400mL/g短鏈脂肪酸。 出水可以作為緩沖液在過程1中重新使用。上述利用液相產(chǎn)物制備氫氣的方法可參見《國際生物腐蝕與降解》international Biodeterioration & Biodegracktion，Shi XY, YuHQ, 2006,58(2),82-88)的相關報道。
實施例3 利用水生植物美人蕉和蘆葦混合物制備短鏈脂肪酸
1、收集水生植物蘆葦和美人蕉，晾干，按美人蕉和蘆葦?shù)闹亓勘葹? 0.5-1.5， 使用粉碎機械破碎成長度小于8mm的混合原料顆粒物；按水和佩芬緩沖液的體積比為 1 2配制溶液，再加入粉碎的蘆葦和美人蕉混合原料顆粒至5-30g/L，攪拌混合均勻后作為水生植物進料液。所述佩芬緩沖液的組成為碳酸氫鈉5g/L，磷酸氫二鈉1. 9g/L，氯化鉀 0. 5g/L，氯化鈉 0. 5g/L，氯化鎂 0. 13g/L，氯化鈣 0. 05g/L,尿素 0. 5g/L。
2、采用的厭氧反應器總體積為4. 9L，其中反應區(qū)體積為2. 5L，控制反應器的溫度為35°C，攪拌速率為100轉/分鐘。接種后反應器內污泥濃度為30g/L，以添加速率為 0. 5-2. OL/d將混合水生植物原料濃度為5-10g/L的進料液加入反應器，調整加入的碳酸氫鈉濃度以維持反應器內PH為5. 5-6. 5 ；降解后的殘渣按0. 05-0. 25L/d的排放速率經(jīng)出口排出。當運行到第40天至50天，氣體中檢測不到甲烷，厭氧污泥的馴化富集完成。
3、污泥馴化富集完成后，以添加速率為0. 5-2. 0L/d將混合水生植物原料濃度改為10-30g/L的進料液加入反應器，調整加入的碳酸氫鈉濃度維持反應器內pH為5. 5-6. 5 ； 攪拌速率為100轉/分鐘。降解后的殘渣按0.25L/d的排放速率經(jīng)出口排出。在上述條件下連續(xù)運行至出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，達到穩(wěn)定運行階段。此時混合物的降解效率為40-60%，產(chǎn)酸可達0. 52 士0. 02g/g水生植物混合物。
采用氣相色譜測定得知，液相中短鏈脂肪酸主要為乙酸、丙酸和丁酸，三種酸的摩爾比為1 (1-2.5) (0.2-0.4)；短鏈脂肪酸在體系中的濃度在2.0-9. 0g/L。
4、當測到出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，開始收集反應器的連續(xù)出水和排放的殘渣混合液；采用孔徑為0. 25微米的醋酸纖維素酯微孔濾膜減壓抽濾，將出水和殘渣溶液進行膜分離，收集液相產(chǎn)物和固體殘渣。固體殘渣可以作為原料在過程1中重復使用。
5、利用液相產(chǎn)物制備甲烷所采用的厭氧產(chǎn)甲烷反應器總體積為5. 0L，其中反應區(qū)體積為3. 0L，控制反應器的溫度為35°C，接種污泥為污水處理廠消化池污泥，污泥濃度為20g/L，將上述液相產(chǎn)物以2. 0L/d的速度連續(xù)地輸入到反應器中，產(chǎn)生的氣體通入濃度為160g/L的氫氧化鈉溶液以去除二氧化碳，再經(jīng)過填充氯化鈣的填充柱以去除水分，收集得到甲烷，甲烷產(chǎn)率為100-200mL/g短鏈脂肪酸。出水可以作為緩沖液在過程1中重新使用。上述利用液相產(chǎn)物制備甲烷的方法可參見《生物化學過程》(Process Biochemistry,Han SK, Kim SH, Shin HS, 2005,40 (8), 2897-2905)的介紹。
實施例4 間歇式工藝利用水生植物水花生制備短鏈脂肪酸
1、收集水生植物水花生，晾干，使用粉碎機械破碎成長度小于8mm的顆粒物。
2、厭氧污泥的馴化富集過程除將水生植物進料液原料改為水花生外，其他同實例 3的過程2—致。
3、所用厭氧發(fā)酵罐體積為2. 5L，工作體積為1. 8L，控制溫度在35°C，按水和佩芬緩沖液的體積比為1 3配制溶液，加入水花生原料，使發(fā)酵罐內初始底物濃度為5-25g/ L，加入馴化富集得到的污泥，使發(fā)酵罐內初始污泥濃度為5-20g/L，攪拌速率為100轉/分鐘，調整加入的碳酸氫鈉濃度保持PH在5. 5-6. 5，至發(fā)酵罐中的脂肪酸濃度不再增加時，該批次生產(chǎn)過程結束。
4、采用氣相色譜測定得知液相中短鏈脂肪酸主要為乙酸、丙酸和丁酸，三種酸的摩爾比為1 (1.5-3) (0. 1-0.5)；短鏈脂肪酸在體系中的濃度在2.0-12g/L。
5、當測得的發(fā)酵罐中的短鏈脂肪酸濃度不再增加時，采用孔徑為1. 0微米的醋酸纖維素酯微孔濾膜減壓抽濾對產(chǎn)物液進行膜分離，收集液相產(chǎn)物和固體殘渣。固體殘渣可作為原料在過程1中重復使用。液相產(chǎn)物可以用來制備生物塑料、制備氫氣或制備甲烷。
實施例5 間歇式工藝利用水生植物黑麥草制備短鏈脂肪酸
1、收集水生植物黑麥草，晾干，使用粉碎機械破碎成長度小于8mm的顆粒物。
2、厭氧污泥的馴化富集過程除將水生植物進料液原料改為黑麥草外，其他同實例 3的過程2—致。
3、厭氧發(fā)酵罐體積為2. 5L，工作體積為1. 8L，按水和佩芬緩沖液的體積比為1 2 配制溶液，加入黑麥草原料，使發(fā)酵罐內初始底物濃度為10g/L，加入馴化富集得到的污泥， 使發(fā)酵罐內初始污泥濃度為10g/L，攪拌速率為100轉/分鐘，調整加入的碳酸氫鈉濃度保持pH在5. 5-6. 5，發(fā)酵罐中的短鏈脂肪酸濃度不再增加時，該批次生產(chǎn)過程結束。
4、加熱保持反應體系溫度分別為25°C，30°C，40°C，45°C，操作過程同過程3時， 所得到的短鏈脂肪酸在體系中的濃度分別為0. 2-0. 3，1. 5-1. 8,3. 5-4. 0,0. 05-0. lg/L， 采用氣相色譜測定得知，液相中短鏈脂肪酸主要為乙酸、丙酸和丁酸，三種酸的摩爾比為 1 (1. 5-3) (0. 1-0. 5)。
5、當測得的發(fā)酵罐中的短鏈脂肪酸濃度不再增加時，采用孔徑為1. 0微米的醋酸纖維素酯微孔濾膜減壓抽濾對產(chǎn)物液進行膜分離，收集液相產(chǎn)物和固體殘渣。固體殘渣可作為原料在過程1中重復使用。液相產(chǎn)物可以用來制備生物塑料、制備氫氣或制備甲烷。
將上述實施例中的原料水葫蘆或蒲草或黑麥草或水花生或美人蕉和蘆葦混合粉碎的原料，改用水生植物浮萍、蘆葦、美人蕉、香蒲、燈心草、菰和滿江紅粉碎的原料，都得到了類似的結果。
權利要求
1.一種利用水生植物制備短鏈脂肪酸的方法，其特征在于包括如下步驟(1)按水和佩芬緩沖液的體積比為1 1-3配制溶液，再按5-30g/L加入粉碎的水生植物干料，攪拌混合均勻后作為進料液；所述佩芬緩沖液由碳酸氫鈉5g/L，磷酸氫二鈉1. 9g/ L，氯化鉀0. 5g/L，氯化鈉0. 5g/L，氯化鎂0. 13g/L，氯化鈣0. 05g/L,尿素0. 5g/L組成；(2)馴化富集厭氧污泥將取自城市污水廠厭氧消化池的原始污泥加入到連續(xù)流反應器，加水使反應體系的污泥濃度為10-30g/L ；加熱維持反應器運行溫度為25-45°C，攪拌以保持體系混合均勻，以0. 5-2. OL/d的添加速率將水生植物濃度為5-10g/L的進料液加入反應器，再加入碳酸氫鈉調節(jié)反應體系的PH在5. 5-6. 5 ；按0. 05-0. 25L/d的速率排放殘渣； 在上述條件下連續(xù)運行至所產(chǎn)氣體成分中檢測不到甲烷時，厭氧污泥的馴化富集完成；(3)進入穩(wěn)定運行厭氧污泥的馴化富集完成后，繼續(xù)以0.5-2. OL/d的速率添加濃度改為10-30g/L的水生植物進料液；并調整混合液中加入的碳酸氫鈉量以保持反應體系的 pH在5. 5-6. 5，在上述條件下連續(xù)運行至出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，達到穩(wěn)定運行階段；(4)固液分離當出水中短鏈脂肪酸濃度不再增加時，開始收集反應器的連續(xù)出水和排放的殘渣混合液；采用孔徑為0. 25-1. 0微米的濾膜，利用減壓抽濾將液相產(chǎn)物和殘渣進行膜分離，獲得固體殘渣和主要成分為乙酸、丙酸和丁酸的短鏈脂肪酸混合液。
2.如權利要求
1所述利用水生植物制備短鏈脂肪酸的方法，特征在于所用的水生植物原料包括水葫蘆、浮萍、蘆葦、蒲草、美人蕉、黑麥草、香蒲、燈心草、菰、水花生和/或滿江紅。
專利摘要
本發(fā)明利用水生植物制備短鏈脂肪酸的方法，特征是按水和佩芬緩沖液體積比1∶1-3配制溶液，按5-30g/L加入粉碎的水生植物干料；以0.5-2.0L/d的添加速率將水生植物濃度為5-10g/L的進料液加入污泥濃度為10-30g/L、運行溫度25-45℃的反應器，以碳酸氫鈉調節(jié)pH在5.5-6.5；按0.05-0.25L/d排放殘渣；所產(chǎn)氣體中檢測不到甲烷時污泥馴化完成；改添加濃度為10-30g/L的水生植物進料液；調節(jié)pH在5.5-6.5，至反應器穩(wěn)定運行降解效率達55-70％，得到主要為乙酸、丙酸和丁酸的短鏈脂肪酸混合液，可作為化工原料使用，附加價值高；固體殘渣可作為原料再利用。
文檔編號C12P7/54GKCN101285077 B發(fā)布類型授權 專利申請?zhí)朇N 200810109004
公開日2012年1月25日 申請日期2008年5月16日
發(fā)明者俞漢青, 劉榮華, 唐勇, 岳正波, 胡真虎, 趙白航 申請人:中國科學技術大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan