一种利用生物炭实现餐厨垃圾一罐式快速产己酸的方法

本发明涉及一种利用生物炭实现餐厨垃圾一罐式快速产己酸的方法，属于餐厨垃圾资源化。

背景技术：

1、厌氧发酵技术是目前餐厨垃圾主要的资源化方式，其占地较小、能耗低，且能回收生物质能源如甲烷、乳酸、乙醇和短链脂肪酸等。然而，甲烷难以储存，并且存在泄漏风险，作为温室气体容易引发严重的环境问题；乳酸、乙醇和短链脂肪酸存在能量密度低、水溶性强而难以分离和经济价值较低的问题。与甲烷和短链脂肪酸相比，己酸能量密度更高，溶解度相对较低，因此易于从发酵体系中分离。己酸也可经过进一步加工制造燃料、饲料添加剂和抗菌剂等，经济价值高。因此，将餐厨垃圾转化为己酸是实现餐厨垃圾高值资源化的有效途径。

2、己酸的产生依赖于微生物碳链增长反应，主要利用乙醇和乳酸等作为电子供体，乙酸、丙酸和丁酸等作为电子受体，通过反-β氧化(rbo)和脂肪酸合成(fab)两种代谢途径实现碳链增长产己酸。目前，餐厨垃圾发酵产己酸过程主要存在产物毒性抑制、电子传递效率低、产己酸功能菌群驯化周期长和需要投加外源电子供体等问题，导致产己酸效率低。

3、综上所述，餐厨垃圾高值资源化产己酸亟需开发一种可同时缓解产物毒性抑制、提高电子传递效率、缩短产己酸功能菌群驯化周期、且实现内源电子供体供给的发酵方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是：为了解决目前餐厨垃圾产己酸过程中存在电子传递效率低、产物毒性抑制、产己酸功能菌群驯化周期长和需要外源电子供体投加等技术问题，本发明提供了一种利用生物炭和酒曲调控餐厨垃圾高值化产己酸的方法，该方法能促进餐厨垃圾发酵过程内源电子供体快速产生和利用，克服发酵过程中的抑制效应，快速驯化产己酸功能菌群，并优化传统两阶段发酵产己酸工艺，实现一罐式高效发酵产己酸。

2、为了实现解决上述技术问题的目的，本发明提供一种利用生物炭实现餐厨垃圾一罐式快速产己酸的方法，包括以下步骤：

3、步骤一、将取自餐厨垃圾处理厂的厌氧沼渣通过水热法或热解处理制备成生物炭，利用生物炭调控餐厨垃圾浆液接种酒曲进行好氧预发酵反应，并同时施加电刺激和抑菌素；

4、步骤二、将步骤一好氧预发酵后离心得到的固体物作为厌氧发酵产己酸的接种物，餐厨垃圾浆液作为发酵底物，投加蛋壳粉作为ph调节剂，2-溴乙烷磺酸钠(2-bes)抑制产甲烷菌，并投加步骤一得到的生物炭调控厌氧发酵菌群；厌氧发酵完成后，取发酵基质离心进行固液分离，离心后上清液即富含高浓度己酸。

5、优选地，所述步骤一中水热法制备生物炭的过程包括：将沼渣和去离子水混合后进行水热反应，反应结束后抽滤收集固体物，洗涤并烘干、研磨和过筛即得。

6、优选地，所述水热反应的温度为180～220℃，时间为2～3h，所述过筛为过100～150目筛。

7、优选地，所述步骤一中热解处理制备生物炭的过程包括：沼渣烘干后在惰性氛围下进行热解处理，热解所得产物洗涤并烘干、研磨和过筛即得。

8、优选地，所述热解处理包括：首先通入流速为100～150ml/min的高纯氮气5～10min，然后在热解温度为600～800℃，氮气流速为50～60ml/min条件下热解2～3h；所述过筛为过100～150目筛。

9、优选地，所述步骤一中餐厨垃圾浆液的浓度为30～50g vss/l。

10、优选地，所述步骤一的好氧预发酵反应中，所述生物炭的投加量为5～10g/l；所述餐厨垃圾浆液和酒曲的投加比按照vss进行计算，为5～6:1。

11、优选地，所述步骤一的好氧预发酵反应采用间接性好氧曝气模式，具体包括：发酵前，发酵罐首先连接曝气头进行微氧曝气5～10min，通氧流速为0.1～0.5l/min；接着发酵罐连接连通器通氧使发酵在整个发酵周期处于好氧发酵状态，通氧流速为1～2l/min，或者将发酵罐与大气连通(采用孔径为0.5～0.9mm的针管连通大气)，同时每隔2d在流速0.1～0.5l/min下进行微氧曝气5～10min；所述好氧预发酵反应的温度为35～38℃，时间为6天。

12、优选地，所述步骤一的好氧预发酵反应中所用生物炭还进行了改性处理，所述改性处理包括：将制备的生物炭洗净后烘干磨碎成粉，然后进行碱液处理、酸液处理或超声处理。

13、其中，所述碱液处理具体包括：将磨成粉的生物炭在碱液中浸渍处理，然后洗涤、烘干并研磨过筛；所述酸液处理具体包括：将磨成粉的生物炭在酸液中浸渍处理，然后洗涤、烘干并研磨过筛；所述超声处理具体包括：将磨成粉的生物炭与水混合后进行超声处理，然后洗涤、烘干并研磨过筛。

14、优选地，所述碱液为0.1～0.5mol/l的氢氧化钠溶液，所述生物炭与碱液的质量体积比为1g：2～4ml；所述酸液为0.1～0.5mol/l的盐酸溶液，所述生物炭与酸液的质量体积比为1g：2～4ml；所述浸渍处理的时间为10～15h；所述超声处理的时间为20～60min。

15、优选地，所述步骤一中好氧预发酵反应中投加的抑菌素为乳酸链球菌素(1000iu/mg)，其投加量为100～1000mg/l。

16、优选地，所述步骤二的厌氧发酵中，所述生物炭的投加量为5～40g/l；所述酒曲和餐厨垃圾浆液的投加比按照vss进行计算，为5～8:1；所述2-溴乙烷磺酸钠的投加量为0.1～10g/l。

17、优选地，所述步骤二的厌氧发酵过程采用梯级升温程序进行分段发酵，所述分段发酵具体包括：先在27～30℃下发酵3～7d，然后升温至35～37℃下发酵9～15d。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、(1)本发明以餐厨垃圾浆液为发酵底物，通过好氧预发酵实现酒厂废弃酒曲的再活化以及酵母菌的富集，在厌氧发酵2-4天内，内源乙醇即可快速积累(10.52～17.23gcod/l)。

20、(2)本发明无需外源添加电子供体，通过在厌氧发酵过程中投加沼渣水热炭和沼渣热解炭以提高电子传递效率，实现内源乙醇的高效利用，在发酵第12-18天实现己酸的快速生产；最大己酸产量可高达23.66g cod/l；该方法解决了目前碳链增长产己酸技术中的产物毒性抑制和电子传递效率低等难题，应用前景广泛。

21、(3)本发明通过接种酒曲，构建真菌-细菌相互合作的复杂微生物体系，并借助沼渣水热炭和沼渣热解炭对真菌-细菌混合微生物体系进行定向调控，加快真菌和细菌之间的种间电子传递并强化其相互合作关系，富集了产己酸功能菌群，其中产己酸功能菌的相对丰度可高达30.3％。

技术特征：

1.一种利用生物炭实现餐厨垃圾一罐式快速产己酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中水热法制备生物炭的过程包括：将沼渣和去离子水混合后进行水热反应，反应结束后抽滤收集固体物，洗涤并烘干、研磨和过筛即得；所述水热反应的温度为180～220℃，时间为2～3h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中热解处理制备生物炭的过程包括：沼渣烘干后在惰性氛围下进行热解处理，热解所得产物洗涤并烘干、研磨和过筛即得；所述热解处理的温度为600～800℃，时间为2～3h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中餐厨垃圾浆液的浓度为30～50g vss/l。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一的好氧预发酵反应中，所述改性生物炭的投加量为5～10g/l；所述餐厨垃圾浆液和酒曲的投加比按照vss进行计算，为5～6:1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一的好氧预发酵反应采用间接性好氧曝气模式，具体包括：发酵前，发酵罐首先连接曝气头进行微氧曝气5～10min，通氧流速为0.1～0.5l/min；接着发酵罐连接连通器通氧使发酵在整个发酵周期处于好氧发酵状态，通氧流速为1～2l/min，或者将发酵罐与大气连通，同时每隔2d在流速0.1～0.5l/min下进行微氧曝气5～10min；所述好氧预发酵反应的温度为35～38℃，时间为6天。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一的好氧预发酵反应中所用生物炭还进行了改性处理，所述改性处理包括：将制备的生物炭洗净后烘干磨碎成粉，然后进行碱液处理、酸液处理或超声处理。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中好氧预发酵反应中投加的抑菌素为乳酸链球菌素，其投加量为100～1000mg/l。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二的厌氧发酵中，所述生物炭的投加量为5～40g/l；所述酒曲和餐厨垃圾浆液的投加比按照vss进行计算，为5～8:1；所述2-溴乙烷磺酸钠的投加量为1～10g/l。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二的厌氧发酵过程采用梯级升温程序进行分段发酵，所述分段发酵具体包括：先在27～30℃下发酵3～7d，然后升温至35～37℃下发酵9～15d。

技术总结本发明公开了一种利用生物炭实现餐厨垃圾一罐式快速产己酸的方法。本发明以餐厨垃圾浆液为发酵底物，酒厂废弃酒曲作为接种物，首先通过好氧预发酵实现了酒曲的重新活化，富集了产乙醇酵母菌，在发酵2‑4天内实现了内源乙醇的快速积累，在后续的厌氧发酵过程中，通过投加沼渣制备的生物炭，在一罐式反应器内实现了内源乙醇的快速利用并加速电子传递，于发酵第12‑18天实现了己酸的快速生产。本发明通过接种酒曲，构建真菌‑细菌相互合作的复杂微生物体系，并借助沼渣生物炭富集产乙醇酵母和产己酸功能菌群，该方法解决了目前碳链增长产己酸技术中面临的产物毒性抑制、电子传递效率低、碳链增长功能菌群难富集和需要外源电子供体供给的难题。技术研发人员：李响,马永红,徐先宝,顾霞,成双兰,段旭,张余镕,薛罡受保护的技术使用者：东华大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2