CN111394397A - 一种利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有机固体废物资源化处理技术领域。公开了一种利用餐厨垃圾为原料通过两阶段发酵制备已酸的方法，实现餐厨垃圾资源化制取高值液体化学品，解决了目前餐厨垃圾资源化产品价值较低的问题，并为已酸的发酵生产寻找低成本生物质原料。本发明将集中收运的餐厨垃圾作为发酵原料进行分拣磨碎，糖化后接种活性干酵母TH AADY得到乙醇发酵液，高温灭菌后加入市售乙酸制备已酸发酵培养基，接种Clostridium kluyveri ATCC 8527菌株发酵制取己酸。本发明利用餐厨垃圾为生产原料，经两段厌氧生物发酵合成高附加值已酸，该工艺底物碳源转化率高，生产速率快，其生产成本较采用市售乙醇直接生物合成已酸的常规方法降低80％～90％。

Description

一种利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法
技术领域
本发明涉及有机固体废物资源化处理技术领域，尤其涉及添加活性干酵母THAADY，以及一种产己酸梭状芽孢杆菌Clostridium kluyveri ATCC 8527，通过两阶段厌氧发酵利用餐厨垃圾制备己酸的方法。
背景技术
近年来，由于石化资源储量的逐年降低，全球变暖和气候变迁的日益加重，以及石油供应地区的持续冲突家具所导致的石油供应波动。目前现行国家法律对不可再生能源的使用存在诸多限制，导致利用生物技术来获取可再生生物质能源变得越来越重要。己酸在水中的溶解度较乙醇、短链脂肪酸更低，仅为10.82g/L，故较短链脂肪酸更易于从发酵液中选择性分离，较乙醇蒸馏消耗更少的能量。此外，由于己酸具有较高的O/C比，故成为羧酸盐平台中比其它产品(如甲烷、乳酸、乙醇和短链羧酸)更有利的高附加值产品。己酸一般用作生产液体燃料的前体，如经由加氢还原为己醇，经由酮化反应，生成十一烷酮。此外，己酸的商业用途主要用作合成化学制品的前体，如：抗生素、抑菌剂、防腐剂、润滑剂、食品添加剂、染料和橡胶。
目前生物质己酸的发酵生产主要是利用废弃生物质，如餐厨垃圾为原料，经水解后在产酸菌的厌氧发酵作用下获得短链脂肪酸，加入乙醇在己酸菌的厌氧发酵作用下获得。然而当前生物质己酸生产过程成本较高，缺乏商业竞争力，导致其发展受到一定限制，主要是由于以下几点原因：(1)发酵效率低：废弃剩余物质经由水解、酸化后得到的短链脂肪酸(VFA)成分复杂，包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、乳酸等。其中丙酸、异丁酸、戊酸、异戊酸无法作为底物用于己酸合成，导致己酸己酸合成效率的降低；(2)乙醇的添加使得己酸的生产成本大大提高。目前研究多采用以VFA中间产物，外加乙醇的发酵模式，需要添加大量的乙醇导致己酸合成成本增加。为解决以上限制问题，提高生物质己酸的市场竞争力，选用廉价的生产原料、开发建立高效廉价的生产工艺，已成为目前己酸发酵研究的热点。
一般市政集中收运餐厨垃圾、工业生产中淀粉加工业残渣和面包等含淀粉类食物生产残渣、农业含淀粉作物等。传统含淀粉类生物质废物预处理后需经过产酸发酵，再接入乙醇和相关的菌株进行发酵产己酸。专利CN104328144B利用木质纤维素作为发酵原料，在加入乙醇的条件下发酵产己酸。上述专利发明在发酵过程中加入乙醇使发酵成本依然较高。本发明在不添加乙醇条件下，通过发酵餐厨垃圾及含淀粉生物质废物先发酵产乙醇，再利用该乙醇发酵液进行己酸生成有效解决了以上问题，节约了生产成本、降低了能耗，经济、社会和环境效益显著。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术存在的问题，本发明目的在于开发一种可广泛利用低值原料，在不添加乙醇的情况下，发酵生产高附加值己酸的方法，为餐厨垃圾的高附加值资源化利用提供一条新途径。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，将餐厨垃圾进行分拣除杂后粉碎，调节固液比制餐厨垃圾发酵原料浆，加入糖化酶并接种耐高温酿酒活性干酵母TH AADY，经一段发酵结束后离心取上清液得到乙醇发酵液，加入市售乙酸，高温灭菌后接种发酵菌株Clostridium kluyveri ATCC 8527的发酵种子液，在一定温度条件下进行二段的产己酸发酵，发酵种子液需经过菌株活化和富集而获得。
进一步地，所述餐厨垃圾包括市政分类集中收运餐厨垃圾，以及食品工业生产所产生的淀粉质加工剩余物，如工业面粉加工剩余物、生面粉浆、土豆等淀粉加工业的淀粉残渣以及玉米、木薯等粮食产品或其加工剩余物
进一步地，所述菌株Clostridium kluyveri ATCC 8527可以利用餐厨垃圾乙醇发酵液进行产己酸发酵。
进一步地，所述餐厨垃圾经分拣去除不可发酵的杂物后粉粹，调节固液比(w/v)1:5～3:1，加入糖化酶于50℃～60℃下糖化2h，接种耐高温酿酒活性干酵母TH AADY在25℃～37℃下开放式厌氧发酵48～72h。
进一步地，所述发酵种子液中的己酸菌株经活化和富集后获得，复活步骤为：-80℃条件下保藏Clostridium kluyveri ATCC 8527菌株，适量接入已酸菌培养基中，厌氧培养24h后作为活化种子液用于后续菌株富集中。
进一步地，所述己酸菌培养基的配方为：每升去离子水中加10～25g乙醇、5～10g乙酸钠、1～5g酵母浸粉、0.2～0.5g磷酸氢二钾、0.2～0.5g磷酸二氢钾、7～10g 2-(N-吗啉)乙磺酸、1～5g NaHCO3、0.2～0.5g L-半胱氨酸。
进一步地，所述的发酵菌株活化和富集方法步骤为：将Clostridium kluyveriATCC 8527活化种子液接入已酸菌培养基，接种量为10％(v/v)，厌氧培养24h后作为富集种子液用于后续生产中。
进一步地，所述已酸生产主发酵培养基采用餐厨垃圾乙醇发酵液为原料，向其中添加少量乙酸，调节乙醇/乙酸摩尔比例0.5:1～5:1，添加7～10g/L 2-(N-吗啉)乙磺酸、1～5g/L NaHCO3、0.2～0.5g/L L-半胱氨酸调节培养基pH值5.5～7.0，121℃灭菌15分钟，用于后续产已酸厌氧发酵。
进一步地，所述已酸生产主发酵培养基接种Clostridium kluyveri ATCC 8527发酵富集种子液的接种量为10％(v/v)，发酵温度35℃～40℃，并在厌氧条件下发酵72～96h生产己酸。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明所述方法利用市政集中收运餐厨垃圾厌氧发酵制备乙醇发酵液，再接种己酸菌厌氧发酵生产己酸。该方法不需外加大量市售乙醇作为发酵碳源，采用大量来源广泛的生物质废物作为主要原料，降低生产成本，有效解决了传统己酸生产原料成本问题，同时为餐厨垃圾的资源化提供一条新途径，实现餐厨垃圾的高附加值资源化，获得更高的经济收益。
附图说明
图1为市售乙醇与餐厨垃圾乙醇发酵液分别为己酸发酵底物的情况下，接种Clostridium kluyveri ATCC 8527发酵产己酸过程中菌浊与pH值的变化。
图2为市售乙醇(A)与餐厨垃圾乙醇发酵液(B)分别为己酸发酵底物的情况下，接种Clostridium kluyveri ATCC 8527发酵产己酸过程中乙醇、乙酸以及己酸的浓度变化。
图3为餐厨垃圾乙醇发酵液作为己酸发酵底物，接种Clostridium kluyveri ATCC8527，不同乙醇/乙酸摩尔比例(0.5:1～5:1)的条件下，各个发酵过程中己酸的浓度变化。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例将餐厨垃圾进行分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，调节固液比1:2(w/v)，随后破碎磨浆，制成发酵原料浆，加入糖化酶并接种耐高温酿酒活性干酵母THAADY，35℃条件下发酵48h后离心取上清液，即获得乙醇发酵液。
利用餐厨垃圾乙醇发酵液为己酸发酵基质，稀释调节乙醇浓度16g/L，添加乙酸3g/L、5g/L 2-(N-吗啉)乙磺酸、2.5g/L NaHCO3、0.5g/L L-半胱氨酸，调节培养基pH值6.8，在121℃灭菌15分钟，待其自然冷却后，在无菌条件下向其中接种菌株Clostridiumkluyveri ATCC8527的富集种子液，接种量为10％(v/v),通入无菌氮气10min，在37℃条件下厌氧发酵96h，制取己酸10.2g/L，最高己酸生成速率达0.299g/L/h，说明餐厨垃圾乙醇发酵液可以用作已酸生产原料。其发酵过程中的动力学参数见表1，发酵过程中pH值、菌体生成情况如图1所示，其中的乙醇、乙酸及己酸浓度变化如图2中所示。
对比例1
直接利用市售乙醇为发酵碳源，分别添加乙醇浓度16g/L，乙酸3g/L、5g/L 2-(N-吗啉)乙磺酸、2.5g/L NaHCO3、0.5g/L L-半胱氨酸，调节培养基pH值6.8，在121℃灭菌15分钟，待其自然冷却后，在无菌条件下向其中接种菌株Clostridium kluyveri ATCC8527的富集种子液，接种量为10％(v/v),通入无菌氮气10min，在37℃条件下厌氧发酵96h，制取己酸13.0g/L，最高己酸生成速率达0.334g/L/h，其已酸生产强度及产量仅略高于餐厨垃圾乙醇发酵液，因此餐厨垃圾两阶段产己酸仍具有相当的市场竞争力，有一定的应用价值。其发酵过程中的动力学参数见表1，发酵过程中pH值、菌体生成情况如图1所示，其中的乙醇、乙酸及己酸浓度变化如图2中所示。
实施例2
本实施例将餐厨垃圾进行分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，调节固液比1:2(w/v)，随后破碎磨浆，制成发酵原料浆，加入糖化酶并接种耐高温酿酒活性干酵母THAADY，35℃条件下发酵60h后离心取上清液，即获得乙醇发酵液。
利用餐厨垃圾乙醇发酵液和市售乙酸作为已酸发酵共碳源，分别调节乙醇/乙酸摩尔比例为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0，并外加10g/L 2-(N-吗啉)乙磺酸、2.5g/L NaHCO3、0.5g/L L-半胱氨酸，调节培养基pH值7.0，在121℃灭菌15分钟，待餐厨垃圾已酸发酵培养基均自然冷却后，在无菌条件下向其中全部接种菌株Clostridium kluyveri ATCC 8527的富集种子液，接种量为10％(v/v),通入无菌氮气10min，在37℃条件下厌氧发酵96h，制取己酸。各实验组发酵过程中已酸生成情况如图3所示。
实施例中己酸产量见表1：
表1己酸生产过程中的发酵动力学参数
Figure BDA0002414963210000061
上述实施例与对比例中，具体公开的数据选取、任何原料的选取等均不用于限定权利要求书中所保护的范围，选取权利要求书的各数值范围中的任何具体数值、原料等，均可完整的实施本发明的技术方案。

Claims (9)

1.一种利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，将餐厨垃圾进行分拣除杂后粉碎，调节固液比制餐厨垃圾发酵原料浆，加入糖化酶并接种耐高温酿酒活性干酵母THAADY，经一段发酵结束后离心取上清液得到乙醇发酵液，加入市售乙酸，高温灭菌后接种发酵菌株Clostridium kluyveriATCC 8527的发酵种子液，在一定温度条件下进行二段的产己酸发酵，发酵种子液需经过菌株活化和富集而获得。
2.根据权利要求1所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，餐厨垃圾为原料，包括市政分类集中收运餐厨垃圾，以及食品工业生产所产生的淀粉质加工剩余物，包括工业面粉加工剩余物、生面粉浆、土豆淀粉加工业的淀粉残渣以及玉米、木薯等粮食产品或其加工剩余物。
3.根据权利要求1所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，所述菌株Clostridium kluyveri ATCC 8527可以利用餐厨垃圾乙醇发酵液进行产己酸发酵。
4.根据权利要求1所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，餐厨垃圾经分拣去除不可发酵的杂物后粉粹，调节固液比(w/v)1:5～3:1，加入糖化酶于50℃～60℃下糖化2h，接种耐高温酿酒活性干酵母TH AADY在25℃～37℃下开放式厌氧发酵48～72h。
5.根据权利要求1所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，发酵种子液中的己酸菌株经活化和富集后获得，复活步骤为：-80℃条件下保藏Clostridium kluyveriATCC 8527菌株，适量接入已酸菌培养基中，厌氧培养24h后作为活化种子液用于后续菌株富集中。
6.根据权利要求5所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，所述己酸菌培养基的配方为：每升去离子水中加10～25g乙醇、5～10g乙酸钠、1～5g酵母浸粉、0.2～0.5g磷酸氢二钾、0.2～0.5g磷酸二氢钾、7～10g 2-(N-吗啉)乙磺酸、1～5g NaHCO3、0.2～0.5g L-半胱氨酸。
7.根据权利要求5所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，所述己酸菌富集步骤为：将Clostridium kluyveri ATCC 8527活化种子液接入已酸菌培养基，接种量为10％(v/v)，厌氧培养24h后作为富集种子液用于后续生产中。
8.根据权利要求1所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，已酸生产主发酵培养基采用餐厨垃圾乙醇发酵液为原料，向其中添加少量乙酸，调节乙醇/乙酸摩尔比例0.5:1～5:1，添加7～10g/L2-(N-吗啉)乙磺酸、1～5g/L NaHCO3、0.2～0.5g/L L-半胱氨酸调节培养基pH值5.5～7.0，121℃灭菌15分钟，用于后续产已酸厌氧发酵。
9.根据权利要求1所述的利用餐厨垃圾发酵生产己酸的方法，其特征在于，已酸生产主发酵培养基接种Clostridium kluyveri ATCC 8527发酵富集种子液的接种量为10％(v/v)，发酵温度35℃～40℃，并在厌氧条件下发酵72～96h生产己酸。
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