一种农业废弃物通过发酵方式生产中链羧酸的方法与应用技术

本发明专利技术属于农业废弃物利用领域，具体涉及一种农业废弃物通过发酵方式生产中链羧酸的方法与应用。本发明专利技术的方法中，发酵底物为畜禽粪污和农业废弃物的混合物，所述农业废弃物为农作物秸秆和/或果蔬废弃物；所述方法包括：A、一级发酵阶段：发酵菌为乳酸菌，发酵温度为45‑60℃，pH值为4.0‑6.0；B、二级发酵阶段：采用驯化的污泥作为接种物进行厌氧发酵，发酵温度为25‑40℃，pH值为4.0‑7.0。本发明专利技术通过两阶段梯度控温发酵的方法在不添加外源电子供体的条件下，从畜禽粪污和农业废弃物中获得高附加值的中链羧酸，为农业废弃物的高值化利用提供一条可行的新途径。

【技术实现步骤摘要】
一种农业废弃物通过发酵方式生产中链羧酸的方法与应用
本专利技术属于农业废弃物利用领域，具体涉及一种农业废弃物通过发酵方式生产中链羧酸的方法与应用。
技术介绍
畜禽粪污、农作物秸秆、果蔬废弃物等农业生产生活有机废弃物资源量大，有机组分含量高，是良好的生物质资源。厌氧消化产沼气技术是常用的处理该类废弃物的方法，但由于单一沼气产品效能低，市场竞争力较弱。相对于沼气，生物质资源两阶段厌氧发酵工艺转化生产的中链羧酸（己酸、庚酸、辛酸等）具有更广泛的用途和市场价值，该工艺主要包括2个步骤：1）一级发酵有机废弃物定向转化为短链羧酸；2）二级发酵将短链羧酸通过碳链延长反应合成中链羧酸。近年来，通过有机废弃物转化生产中链羧酸的研究得到了广泛关注，例如，陈哲柯等以剩余污泥为原料，其厌氧发酵液进行链式延长反应初步获得了己酸（陈哲柯.基于厌氧发酵的剩余污泥产中链脂肪酸研究.湖南大学,2018）。也有研究表明，以食品废弃物和城市有机生活垃圾为原料，通过两阶段厌氧发酵工艺可产生高浓度的己酸。但现有技术中链羧酸转化工艺均需外源添加乙醇作为电子供体，而Chen等通过全生命周期评价分析得出，乙醇是该合成工艺的最主要环境影响因素和成本来源（ChenWS,StrikDP,BuismanCJ,etal.ProductionofCaproicAcidfromMixedOrganicWaste:AnEnvironmentalLifeCyclePerspective[J].EnvironmentalScience&Technology,2017,51(12):7159-7168.）。因此，降低乙醇添加量或不添加外源电子供体是提高该工艺经济性的关键。对此，中国专利CN104357496B公开了一种通过微生物催化乳酸合成己酸的方法，并指出乳酸可有效替代乙醇，驱动碳链延长反应，促进中链羧酸的合成。中国专利CN105420168B也公开了一种利用乳酸合成己酸的瘤胃梭菌及其应用方法，实现了不添加乙醇的己酸合成。但它们对于在不添加乙醇的情况下，同时制备获得多种中链羧酸的方案并没有进行研究记载。通常地，有机物一级厌氧酸化过程产物以挥发性短链羧酸为主，如中国专利CN105132475A、CN100526469C、CN103923951A、CN103509829A和CN105603011A等公开了利用剩余污泥、餐厨垃圾等废弃物产乙酸、丁酸等挥发性短链羧酸的方法。也有中国专利CN104911128B公开了一种利用嗜热厌氧杆菌将葡萄糖/果糖等转化为乳酸的方法，但针对直接以畜禽粪污等农业废弃物为原料，在不添加外源电子供体的情况下，定向转化获得多种中链羧酸的研究尚未见报道，现有仍沿用着在禽粪污等农业废弃物发酵过程中外源添加电子供体的思路，生产成本有待进一步降低。
技术实现思路
本专利技术为解决畜禽粪污等农业废弃物两级发酵产中链羧酸过程需添加乙醇、乳酸或甲醇等外源电子供体的缺陷，提供了一种可降低农业源生物质资源定向转化生产中链羧酸的成本的方案。具体地，本专利技术的技术方案如下：一种农业废弃物通过发酵方式生产中链羧酸的方法，发酵底物为畜禽粪污和农业废弃物的混合物，所述农业废弃物为农作物秸秆和/或果蔬废弃物；所述方法包括：A、一级发酵阶段：发酵菌为乳酸菌，发酵温度为45-60℃，pH值为4.0-6.0；B、二级发酵阶段：采用驯化的污泥进行厌氧发酵，发酵温度为25-40℃，pH值为4.0-7.0。本专利技术通过对畜禽粪污与其他农业废弃物为原料制备中链羧酸的现有技术进行了深入研究，提出了一种可无需增加外源电子供体，即可实现中链羧酸高效生产的方案。具体地，本专利技术通过各阶段不同发酵剂的选择，配合对发酵过程的分阶段不同控制，使得在一级发酵阶段可定向生成具有特定比例关系的乳酸和多种挥发性脂肪酸，从而在后续的二级发酵阶段实现多种中链羧酸的同时高效生产。本专利技术所述挥发性脂肪酸为乙酸、丙酸、丁酸等。中链羧酸为正己酸、正庚酸、正辛酸等。优选本专利技术中，一级发酵阶段的发酵温度为50-55℃，pH值为4.5-5.5，这一条件可提高产乳酸菌的底物竞争能力，以利于优势乳酸菌的富集和发酵，并实现特定比例乳酸与多种挥发性脂肪酸的定向转化。二级发酵阶段的发酵温度为25-35℃，pH值为5.0-6.5，以提升己酸的产量和生产效率，并进一步在保证高效生产己酸、辛酸的基础上，实现丙酸和乳酸经反向β氧化作用获得庚酸。本专利技术中，所述发酵底物为畜禽粪污和农作物秸秆的混合物，所述混合物的碳氮比为（30-40）：1；或，所述发酵底物为畜禽粪污和果蔬废弃物的混合物，所述混合物的碳氮比为（30-40）:1。本专利技术发现，当进一步控制发酵底物中畜禽粪污和农业废弃物的比例，使其处于本专利技术限定的碳单比时，可有助于特定比例乳酸与多种挥发性脂肪酸的获得，进而保证最终中链羧酸的生产。本专利技术所述农作物秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种或多种；所述果蔬废弃物为水果或蔬菜种植过程中产生的腐烂的果实、秧、藤、叶以及加工过程中的尾料；所述农作物秸秆的总固体含量为30-70%，挥发性固体含量为85-95%TS（基于总固体含量），粗纤维含量为35-55%，碳氮比为（45-60）：1；果蔬废弃物的总固体含量2-20%，挥发性固体含量90-98%TS（基于总固体含量），总糖含量为10-20%（基于鲜重），碳氮比为（40-100）：1。本专利技术中，所述乳酸菌包括双歧杆菌、嗜热链球菌、植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、保加利亚乳杆菌中的一种或多种。本专利技术步骤A中，发酵浓度为2%VS-15%VS（以挥发性固体计）；菌液接种量为2%-8%（V/V），菌液中的活菌数为106-109CFU/mL。步骤B中，所述驯化的污泥的接种量为5%-20%（V/V），优选为10%。制备方法为：以乙醇和/或乳酸为电子供体，将处理有机废水的厌氧发酵罐中的颗粒污泥，在25-40℃，pH值5.0-6.5的发酵体系下驯化。经驯化后的污泥中主要微生物种类为碳链延长菌。一般驯化时间为2个月左右，以实现富集碳链延长菌群的目的为准。本专利技术驯化后的污泥中主要菌群为克鲁维氏梭菌（Clostridiumkluyveri）10-25%、普雷沃氏菌（Prevotellaceae）20-30%、琥珀酸弧菌（Succinivibrionaceae）10-15%、拟杆菌（Bacteroidales）5-10%、柔式螺旋体菌（Spirochaetaceae）5-10%、理研菌（Rikenellaceae）2-8%、纤维杆菌（Fibrobacteraceae）2-5%、毛螺旋菌（Lachnospiraceae）2-5%、瘤胃菌（Ruminococcaceae）2-5%、其他10-15%。本专利技术还提供一种上述方法在生产中链羧酸中的应用。另外，考虑到上述畜禽粪污与其他农业废弃物两阶段梯度控温混合发酵产中链羧酸的方法中，在一级发酵阶段获得的短链羧酸在工业中也有广泛的应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种农业废弃物通过发酵方式生产中链羧酸的方法，其特征在于，发酵底物为畜禽粪污和农业废弃物的混合物，所述农业废弃物为农作物秸秆和/或果蔬废弃物；所述方法包括：/nA、一级发酵阶段：发酵菌为乳酸菌，发酵温度为45-60℃，pH值为4.0-6.0；/nB、二级发酵阶段：采用驯化的污泥进行厌氧发酵，发酵温度为25-40℃，pH值为4.0-7.0。/n

【技术特征摘要】
1.一种农业废弃物通过发酵方式生产中链羧酸的方法，其特征在于，发酵底物为畜禽粪污和农业废弃物的混合物，所述农业废弃物为农作物秸秆和/或果蔬废弃物；所述方法包括：
A、一级发酵阶段：发酵菌为乳酸菌，发酵温度为45-60℃，pH值为4.0-6.0；
B、二级发酵阶段：采用驯化的污泥进行厌氧发酵，发酵温度为25-40℃，pH值为4.0-7.0。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一级发酵阶段的发酵温度为50-55℃，pH值为4.5-5.5。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，二级发酵阶段的发酵温度为25-35℃，pH值为5.0-6.5。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵底物为畜禽粪污和农作物秸秆的混合物，所述混合物的碳氮比为（30-40）:1；
或，所述发...

【专利技术属性】
技术研发人员：董红敏，张万钦，尹福斌，曹起涛，连天境，王顺利，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11