本发明专利技术提供了一种餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的方法及装置，属于生物工程技术领域。首先，餐厨垃圾去杂处理后制浆，加入α淀粉酶和糖化酶连续水解后制得水解液，葡萄糖浓度为180～210g/L；利用水解液进行乙醇发酵获得乙醇浓度为80～90g/L的乙醇发酵液；利用乙醇发酵液进行乙酸发酵获得乙酸浓度为30～35g/L的乙酸发酵液；将乙醇发酵液和乙酸发酵液混合，利用多级逆流超声固定床发酵罐，借助克氏梭菌生物被膜和低频超声作用进行中链羧酸发酵，获得的中链羧酸浓度在21.5g/L以上，经分离后获得的中链羧酸纯度在95％以上。本发明专利技术实现了廉价中链羧酸生产，具有较高的经济效益。同时，单位体积己酸发酵原料产生4.5～5.8L氢气，还可以收集的氢气作为附加产物。还可以收集的氢气作为附加产物。还可以收集的氢气作为附加产物。
【技术实现步骤摘要】
一种餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的方法及装置
[0001]本专利技术属于生物工程
，涉及餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的方法及装置。
技术介绍
[0002]中链羧酸作为中间体，在化工、食品和药品行业具有广泛的应用。目前的化学法合成中链羧酸具有污染重、成本高的问题，采用生物法合成中链羧酸具有广阔的发展前景。乙醇和乙酸是合成中链羧酸常用的电子供体和电子受体，微生物不能直接利用纯品乙醇和乙酸合成中链羧酸，需将乙醇和乙酸稀释至低浓度才能被微生物利用，但稀释过程将使中链羧酸发酵下游过程额外产生大量废水，不利用中链羧酸经济性能提高。同时，工业乙醇和乙酸的价格较高，通常为4000～7000元/吨，不利于中链羧酸成本降低。
[0003]餐厨垃圾是一类富含碳水化合物的有机固体废弃物，碳水化合物经过水解后能够产生葡萄糖等还原糖，利用酵母菌和醋酸菌能够将糖类物质转化为中链羧酸合成所需的乙醇和乙酸，这表明，采用餐厨垃圾为唯一碳源能够实现中链羧酸合成，以餐厨垃圾为原料能够降低生物法合成中链羧酸的成本，提高中链羧酸的经济性能。
[0004]目前，餐厨垃圾向中链羧酸的转化技术尚处于实验室研究阶段，且餐厨垃圾的中链羧酸产量较低。由于餐厨垃圾中往往含有较高浓度的抑制物等，如高浓度K
+
和Na
+
，对微生物细胞活性具有较强的抑制作用，限制了中链羧酸产量提高。采用厌氧污泥等混菌体系进行中链羧酸合成能够增强微生物群落对抑制物的耐受性，但厌氧污泥体系内产生的副产物较多，如丙酸、戊酸和异戊酸等，不利于中链羧酸的分离纯化，同时过多的碳源转化为丙酸、戊酸和异戊酸等，会影响中链羧酸的产量。单菌体系内，虽然中链羧酸的选择性较高，但细胞对抑制物的耐受性较低，在高浓度底物及产物情况下，细胞失活导致发酵终止，构建高效的餐厨垃圾连续转化中链羧酸系统、提高细胞的耐受性是迫切需要解决的问题。
技术实现思路
[0005]为了提高餐厨垃圾发酵效率和中链羧酸产量，本专利技术提供一种餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的方法及装置，以避免外源性乙醇的使用，降低成本，提高餐厨垃圾中碳源的利用率；提高中链羧酸发酵体系菌群的活性，促进中链羧酸的合成速率，提高中链羧酸的产率及产物纯度。
[0006]一种用于餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的发酵装置，其特征在于，包括数个串联的逆流超声固定床发酵罐，所述逆流超声固定床发酵罐内部中部位置设有填料区，底物入口位于罐体的底部，所述填料区下方为液体混合区，罐体的上部设有超声探头、气体入口、气体出口、安全阀及发酵液出口，罐体的外部依次包覆加热层和保温层；所述超声波探头与超声波控制系统相连，所述加热层与温控系统相连。
[0007]进一步地，所述超声波探头的超声功率为20KHz，超声散射范围为60
°
。
[0008]进一步地，所述填料区有可拆卸的填料阻隔网间隔而成。
[0009]基于所述的发酵装置的餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010]S1.餐厨垃圾水解液制备方法：将餐厨垃圾去杂处理后，粉碎、研磨成浆液；取浆液置于连续搅拌发酵罐内并加入淀粉酶和糖化酶，在50
‑
60℃下以60～80r/min的搅拌速率连续水解18～24h后制得餐厨垃圾水解液，其中，葡萄糖浓度在180～210g/L之间；
[0011]S2.乙醇和乙酸溶液制备方法：
[0012]S2.1乙醇制备，在发酵罐加入经过灭菌的餐厨垃圾水解液，配制成乙醇发酵体系并搅匀，接种酵母菌后发酵罐封口，设置发酵罐温度27～33℃、搅拌桨转速120～150r/min，发酵30～36h后制得乙醇发酵液，乙醇浓度80～90g/L；
[0013]S2.2乙酸制备，稀释S2.2获得的乙醇发酵液至乙醇浓度在40～45g/L后，配制乙酸发酵体系，接种醋酸菌(Acetobacter sp.CICC 20441)后，设置发酵温度27～33℃、转速120～150r/min，发酵72～84h后获得乙酸发酵液，乙酸浓度为30～35g/L；
[0014]S3.克氏梭菌生物被膜构建：将小麦秸秆装在固定床发酵罐的填充区，以DSM 52培养基为底物，采用惰性气体与CO2的混合气体制造厌氧环境，发酵液的初始pH为7.2～7.5，将固定床发酵罐温度调节至35～42℃，接种5％～10％克氏梭菌Clostridium kluyveri DSM 555，静置发酵5～7d后在小麦秸秆上形成克氏梭菌生物被膜；
[0015]S4.中链羧酸连续发酵：采用S2.1中获得的乙醇发酵液和S2.2中获得的乙酸发酵液配制中链羧酸发酵体系；以克氏梭菌生物被膜为菌源进行连续中链羧酸发酵，控制中链羧酸发酵液在单个逆流超声固定床发酵罐中的水力停留时间为2～5d，在发酵过程中间断式开启超声波探头并收集超声出的气体；
[0016]S5.中链羧酸分离：将连续过程获得的中链羧酸发酵液进行3000rpm离心20min，得到上清液和沉淀，将上清液pH调节至2～3后静置1h，利用油水分离器获得的有机相即为中链羧酸，水相经过膜透析将溶解的中链羧酸分离；将有机相与水相中获得的中链羧酸混合，最终获得的中链羧酸纯度高于90％。
[0017]进一步地，所述步骤S1中，餐厨垃圾粉碎、研磨的方法为：首先用粉碎机粉碎至3mm以下，再在1MPa压强下研磨成浆液。
[0018]进一步地，所述步骤S1中加入的淀粉酶和糖化酶量均为100～200U/g，以餐厨垃圾干重计。
[0019]进一步地，所述步骤S2.1的乙醇发酵体系中加入酵母浸粉5g/L，KH2PO
4 2.5g/L，MgSO4·
7H2O 0.25g/L，无水CaCl
2 0.25g/L，吐温80 0.5％，115℃灭菌15min；
[0020]步骤S2.2的乙酸发酵体系中加入葡萄糖20g/L，酵母浸粉10g/L，K2HPO
4 3g/L，MgSO4·
7H2O 1g/L，pH值为5.0
±
0.2，121℃灭菌20min。
[0021]进一步地，步骤S3中，所述小麦秸秆的粒径为5～10mm。
[0022]进一步地，所述步骤S4的中链羧酸发酵体系中，乙醇和乙酸摩尔比为8:3～12:3，乙醇和乙酸总浓度为660～720mmol/L，pH为9.0～9.5。
[0023]进一步地，所述步骤S4中，超声波探头开启的频率是2次/h，每次开启时长为1min；超声频率为20KHz。
[0024]固定床发酵罐提高中链羧酸发酵效率和产量的机理在于：
[0025](1)餐厨垃圾经粉碎、研磨后，在淀粉酶和糖化酶糖化作用下得到的水解液中葡萄
糖的浓度高于180g/L，有利于高浓度乙醇的合成，经乙醇发酵过程能够获得乙醇浓度为80～90g/L的乙醇发酵液，该浓度的乙醇发酵液的乙醇含量超过了后续中链羧酸发酵体系对乙醇的需求，整个中链羧酸的发酵过程中无需添加外源乙醇，从而大大降低成本本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的发酵装置，其特征在于，包括数个串联的逆流超声固定床发酵罐，所述逆流超声固定床发酵罐内部中部位置设有填料区，底物入口位于罐体的底部，所述填料区下方为液体混合区，罐体的上部设有超声探头、气体入口、气体出口、安全阀及发酵液出口，罐体的外部依次包覆加热层和保温层；所述超声波探头与超声波控制系统相连，所述加热层与温控系统相连。2.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的发酵装置，其特征在于，所述超声波探头的超声功率为20KHz，超声散射范围为60
°
。3.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的发酵装置，其特征在于，所述填料区有可拆卸的填料阻隔网间隔而成；逆流超声固定床发酵罐的串联数量为5个。4.基于权利要求1
‑
3中任一项所述的发酵装置的餐厨垃圾连续发酵制备中链羧酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.餐厨垃圾水解液制备方法：将餐厨垃圾去杂处理后，粉碎、研磨成浆液；取浆液置于连续搅拌发酵罐内并加入淀粉酶和糖化酶，在50
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60℃下以60～80r/min的搅拌速率连续水解18～24h后制得餐厨垃圾水解液，其中，葡萄糖浓度在180～210g/L之间；S2.乙醇和乙酸溶液制备方法：S2.1乙醇制备，在发酵罐加入经过灭菌的餐厨垃圾水解液，配制成乙醇发酵体系并搅匀，接种酵母菌后发酵罐封口，设置发酵罐温度27～33℃、搅拌桨转速120～150r/min，发酵30～36h后制得乙醇发酵液，乙醇浓度80～90g/L；S2.2乙酸制备，稀释S2.2获得的乙醇发酵液至乙醇浓度在40～45g/L后，配制乙酸发酵体系，接种醋酸菌(Acetobacter sp.CICC 20441)后，设置发酵温度27～33℃、转速120～150r/min，发酵72～84h后获得乙酸发酵液，乙酸浓度为30～35g/L；S3.克氏梭菌生物被膜构建：将小麦秸秆装在固定床发酵罐的填充区，以DSM 52培养基为底物，采用惰性气体与CO2的混合气体制造厌氧环境，发酵液的初始pH为7.2～7.5，将固定床发酵罐温度调节至35～42℃，接种5％～10％克氏梭菌Clostridium kluyveri DSM 555，静置发酵5～7d后在小麦秸秆上形成...
【专利技术属性】
技术研发人员：张存胜，符佳琦，张文慧，王尚，齐向辉，霍书豪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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