專利名稱：一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的方法及其反應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微生物發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同時生產(chǎn)生物燃料和重要化工產(chǎn)品的方法及其反應(yīng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
能源是維持人類生活和促進社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。采用可再生能源取代化石能源是解決化石能源枯竭、環(huán)境惡化等全球性問題的重要途徑之一，也是當前關(guān)注和研究的熱點?；旌暇簠捬醢l(fā)酵技術(shù)具有能夠利用多種有機底物、操作簡單、運行成本低等優(yōu)點，同時能夠生產(chǎn)多種重要的生物燃料和工業(yè)化學(xué)品。所以，混合菌群厭氧發(fā)酵技術(shù)是解決當前能源和環(huán)境等問題的潛在路徑之一。通過降低反應(yīng)器污泥停留時間，厭氧發(fā)酵可以用于生產(chǎn)氫氣。但是在該運行模式下，液相產(chǎn)物為混合的脂肪酸，需要消耗大量的能量才能實現(xiàn)其分離和純化。氫氣分壓是控制液相產(chǎn)物的重要因素，降低氫氣分壓可以使得液相產(chǎn)物僅為單一的脂肪酸一乙酸。在產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中，嗜氫產(chǎn)甲烷菌能夠降氫氣分壓，不過液相中的脂肪酸同時也被嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為甲烷，所以產(chǎn)物幾乎全部是甲烷。脂肪酸是重要的工業(yè)化學(xué)品，也可以作為化工原料進一步生產(chǎn)多種產(chǎn)品和生物燃料。所以，以有機污染物為底物利用厭氧發(fā)酵同時生產(chǎn)甲烷和脂肪酸，兼具生產(chǎn)生物燃料和工業(yè)化學(xué)品的優(yōu)點，是一項潛在的新型生物技術(shù)，同時也具有廣闊的應(yīng)用前景。通過純菌復(fù)配技術(shù)可以實現(xiàn)上述目的一同時生產(chǎn)甲烷和單一的脂肪酸，不過純菌發(fā)酵過程具有運行成本高、底物需要滅菌處理、等缺點，并不適合大規(guī)模應(yīng)用。但是，由于在混合菌群中選擇性富集嗜氫產(chǎn)甲烷菌同時抑制嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌活性非常困難，目前還沒有通過混合菌群厭氧發(fā)酵同時生產(chǎn)甲烷和脂肪酸的研究報道
發(fā)明內(nèi)容
為了解決在混合菌群中選擇性富集嗜氫產(chǎn)甲烷菌同時抑制嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌活性的問題，本發(fā)明目的在于提供一種通過環(huán)境條件控制混合菌群組成用以同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的反應(yīng)系統(tǒng)。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:首先，本發(fā)明提供了一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的方法，具體包括如下步驟:( I)發(fā)酵初始，將厭氧微生物和培養(yǎng)基加入到發(fā)酵體系中，控制發(fā)酵體系的轉(zhuǎn)速為300-450轉(zhuǎn)/分鐘，pH值為6.5-7.5，控制發(fā)酵體系的初始溫度為20-55°C ；(2)發(fā)酵初期，按照序批模式向發(fā)酵體系中加入有機底物，使有機底物的濃度維持在0.05至2.0g/L之間，逐步升高反應(yīng)體系的溫度，直至發(fā)酵體系的溫度升至臨界溫度，該過程時間為20-40天；(3)待發(fā)酵體系的溫度升至臨界溫度時，維持該溫度恒定，繼續(xù)按照序批模式向發(fā)酵體系中加入有機底物，使有機底物的濃度維持在0.05至5.0g/L之間，該過程時間為8-15天;(4)發(fā)酵穩(wěn)定期，按照連續(xù)流模式向發(fā)酵體系中加入有機底物，進水中有機底物濃度為0.5-50.0g/L,反應(yīng)器的水力學(xué)停留時間(HRT)為2_30天。優(yōu)選的，所述微生物包括耐高溫的細菌和嗜氫產(chǎn)甲烷古菌，如Thermoanaerobacter tengcongensis (耐高溫細菌) 和 Methanothermobacterthermautotrophicus (耐高溫古菌)。優(yōu)選的，步驟⑵中所述臨界溫度為65_75°C，升溫速度為0.3_5°C/天；其中，所述臨界溫度是指能富集嗜氫產(chǎn)甲烷菌同時抑制嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌活性的最適溫度。優(yōu)選的，所述培養(yǎng)基沒有特別的限制，本實施例用的培養(yǎng)基，如(單位是:mg/L)NH4Cl, 500 ；KH2PO4, 200 ;Na2S04，40 ;KC1，50 ；CaCl2,10 ；MgCl2.6H20，70 ；MnCl2.4H20,0.8 ；CoCl2.2H20,1.2 ；FeS04.7H20, 3.2 ；A1C13,0.5 ；NaMO4.2H20，0.1 ；H3B03,0.2 ；NiCl2.6H20,0.5 ；CuCl2.2H20,1.1 ；ZnSO4.2H20, 3.2 ；EDTA (Na.型)，3.0。優(yōu)選的，所述有機底物包括葡萄糖，蔗糖，甘油等可生物降解的有機物。優(yōu)選的，步驟(2)、(3)中所述反應(yīng)器的進水中有機底物濃度為0.05_30g/L。進一步地，本發(fā)明提供了一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的反應(yīng)系統(tǒng)包括:反應(yīng)器，以及分別與該反應(yīng)器貫通的有機底物供應(yīng)裝置，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置，液相代謝產(chǎn)物回收裝置，氣相代謝產(chǎn)物回收裝置，PH值檢測裝置和pH值控制裝置。優(yōu)選的，所述反應(yīng)器上還設(shè)有溫度控制裝置和攪拌裝置。更優(yōu)選的，所述攪拌裝置為磁力攪拌裝置。優(yōu)選的，所述反應(yīng)器上還設(shè)有液體取樣口。優(yōu)選的，所述反應(yīng)器頂蓋上還設(shè)有氣體取樣口。優(yōu)選的，所述有機底物供應(yīng)裝置和/或培養(yǎng)基供應(yīng)裝置中設(shè)有進水控制泵。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點是:(I)在序批式反應(yīng)器中逐漸升高溫度，利于富集培養(yǎng)適應(yīng)高溫的厭氧發(fā)酵菌群；(2)通過高溫這一環(huán)境因素控制古菌菌群分布，抑制嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的活性，從而孤立富集嗜氫產(chǎn)甲烷菌。(3)通過連續(xù)運行模式，可以獲得純度更高的含有嗜氫產(chǎn)甲烷菌的厭氧菌群。總之，本發(fā)明提供的同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的方法能夠通過環(huán)境條件控制混合菌群的組成，使得混合菌群的氣相和液相代謝產(chǎn)物簡單化。該方法可以控制古菌以嗜氫產(chǎn)甲烷菌為主，使得反應(yīng)器的氣相產(chǎn)物即生物氣包含甲烷和二氧化碳，而液相產(chǎn)物則是乙酸，從而成功實現(xiàn)了厭氧發(fā)酵同時生產(chǎn)生物燃料和重要化工產(chǎn)品。


圖1為本發(fā)明實施例所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中附圖標記如下:反應(yīng)器1，磁子11，進水口 12，出水口 14，出氣口 15，pH計插入口 16，以及酸液進樣口 17，堿液進樣口 18，氣體取樣口 19，有機底物供應(yīng)裝置2，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3，液相代謝產(chǎn)物回收裝置4，氣相代謝產(chǎn)物回收裝置5，pH值檢測裝置6，控制泵21、31。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及其具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護方位并不局限于以下實例，應(yīng)包含權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。實施例1同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的反應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示，一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的反應(yīng)系統(tǒng)包括:反應(yīng)器1，以及分別與該反應(yīng)器I貫通的有機底物供應(yīng)裝置2，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3，液相代謝產(chǎn)物回收裝置4，氣相代謝產(chǎn)物回收裝置5，pH值檢測裝置6和pH值控制裝置。其中，所述反應(yīng)器I上設(shè)有分別與所述有機底物供應(yīng)裝置2，液相代謝產(chǎn)物回收裝置4，氣相代謝產(chǎn)物回收裝置5，pH值檢測裝置6，pH值控制裝置7相貫通的進水口 12、出水口 14、出氣口 15、pH計插入口 16、以及酸液進樣口 17和堿液進樣口 18 ;所述培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3與所述有機底物供應(yīng)裝置2共用所述進水口 12。本實施例中，所述pH值檢測裝置6為pH計6、所述pH值控制裝置優(yōu)選酸/堿液滴定裝置(圖中未示出)，本實施例中所述PH值的控制是分別通過反應(yīng)器I頂蓋上設(shè)有的酸液進樣口 17和堿液進樣口 18來進行酸堿的滴定來完成。所述反應(yīng)器I上還設(shè)有溫度控制裝置和攪拌裝置。本實施例中，所述攪拌裝置是在反應(yīng)器I的底部設(shè)有磁子11，所述溫度控制裝置是所述反應(yīng)器I的底部設(shè)計成具有加熱功能，以確保反應(yīng)器I在設(shè)定的溫度下反應(yīng)(圖中未示出)。為了隨時能夠檢測反應(yīng)體系的變化，所述反應(yīng)器I的側(cè)壁上還設(shè)有液體取樣口13。

為了隨時能夠檢測反應(yīng)體系生產(chǎn)出氣體的變化，所述反應(yīng)器I頂蓋上還設(shè)有氣體取樣口 19。為了控制有機底物和培養(yǎng)基的用量，所述有機底物供應(yīng)裝置2和/或培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3中設(shè)有進水控制泵21、31。實施例2所用裝置采用實施例1中的裝置，如圖1所示。反應(yīng)器材質(zhì)為玻璃。外殼內(nèi)徑12cm，高17cm。在距下端2cm，6cm，11cm，12cm處分別設(shè)有進水口 12，下取樣口 13，上取樣口13和出水口 14。發(fā)酵方法如下:向厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中加入接種物和培養(yǎng)基。接種物為安徽豐原生物化學(xué)股份有限公司處理朽1檬酸廢水的厭氧污泥，其是包含Thermoanaerobacter tengcongensis (耐高溫細菌)和Methanothermobacter thermautotrophicus (耐高溫古菌)的混合菌群。反應(yīng)器的進水為葡萄糖，濃度10g/L，反應(yīng)器的HRT為20天。培養(yǎng)基組成為(單位是:mg/L)NH4Cl, 500 ；KH2PO4, 200 ;Na2S04，40 ;KC1，50 ；CaCl2,10 ；MgCl2.6H20，70 ；MnCl2.4H20，0.8 ；CoCl2.2H20,1.2 ；FeS04.7H20, 3.2 ；A1C13,0.5 ；NaMO4.2H20，0.1 ；H3B03,0.2 ；NiCl2.6H20,0.5 ；CuCl2.2H20,1.1 ；ZnSO4.2H20, 3.2 ；EDTA (Na+ 型)，3.0。控制發(fā)酵體系的初始溫度為35。。。首先按照序批模式運行，向發(fā)酵體系中加入有機底物lg/L葡萄糖，使得有機底物的濃度維持在0.05至2.0g/L之間。將反應(yīng)器轉(zhuǎn)速設(shè)為300至450轉(zhuǎn)/分鐘之間，pH值維持在6.5-7.5之間，并將反應(yīng)器溫度在20-40天內(nèi)逐步升至70°C。每天從取樣口取液相樣品，檢測反應(yīng)器內(nèi)葡萄糖濃度，手動添加有機底物，使得底物濃度維持在0.1至lg/L之間。在如上條件下，運行5天后，將反應(yīng)器溫度在之后20天時間內(nèi)逐漸升高至70°C。并且在70°C條件下，連續(xù)運行10天以底物降解能力為指標檢測反應(yīng)器的運行狀況是否穩(wěn)定。然后，按照如下條件開始連續(xù)流運行:進水葡萄糖濃度為9g/L，HRT為10天。通過反應(yīng)器出水中有機底物的濃度，調(diào)節(jié)進水條件(包括底物濃度和HRT)使得進水負荷維持在
0.2-5.0g-COD/ 升 / 天。結(jié)果表明，反應(yīng)器出水以乙酸為主，濃度為4.5g/L左右，丙酸和丁酸的濃度僅為
0.3和0.lg/L。甲烷的產(chǎn)量為0.17L/(L-reactor.day)。乙酸和甲烷的計量關(guān)系分別為:
1.5和1.2mol/mol-glucose。當HRT降為5天時，反應(yīng)器依舊運行穩(wěn)定，反應(yīng)器出水中乙酸的濃度為4.4g/L左右，丙酸和丁酸的濃度僅為0.2和0.05g/L。甲烷的產(chǎn)量為0.33L/(L-reactor.day)。乙酸和甲燒的計量關(guān)系分別為:1.6和1.0mol/mol-glucose。上述兩種運行條件下，乙酸占反應(yīng)器液相代謝產(chǎn)物的含量均超過90%。此外，反應(yīng)器出水中葡萄糖的濃度均低于0.lg/L。本實施例中臨界值的測定:通過構(gòu)建克隆文庫對微生物菌群分析表明，古菌中嗜氫產(chǎn)甲烷菌主要是嗜氫產(chǎn)甲燒菌Methanothermobacter thermautotrophicus和Methanobacterium thermoaggregans,總含量達到古菌總量的98%以上。而嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌則低于2%。這說明，通過環(huán)境條件即反應(yīng)器溫度維持在70°C，可以控制古菌菌群分布，實現(xiàn)利用有機底物同時生產(chǎn)生物氣和純度較高的單一脂肪酸的目的。此外，細菌主要包括Thermoanaerobacter tengcongensis和Caldanaerobacter subterraneus,達到細菌總克隆數(shù)的 75.5%。實施例3間歇模式下，通過環(huán)境條件控制混合菌群組成用以同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的反應(yīng)器系統(tǒng)采用與實施例1相同的反應(yīng)系統(tǒng)，采用實施例2中自豐原生物化學(xué)股份有限公司處理檸檬酸廢水的厭氧污泥為接種源。培養(yǎng)基組成為(單位是:mg/L)NH4Cl, 500 ；KH2PO4, 200 ;Na2S04，40 ;KC1，50 ；CaCl2,10 ；MgCl2.6H20，70 ；MnCl2.4H20,0.8 ；CoCl2.2H20,1.2 ；FeSO4.7H20，3.2 ；A1C13,0.5 ；NaMO4.2H20，0.1 ；H3B03,0.2 ；NiCl2.6H20,
0.5 ；CuCl2.2H20,1.1 ； ZnSO4.2H20，3.2 ；EDTA (Na+ 型)，3.0。pH 值維持在 6.5-7.5 之間，溫度為70°C。以間歇模式運行10天，每天分三次加入葡萄糖，其濃度為6.0g/L。乙酸的濃度達到35g/L，而丙酸和丁酸的濃度均低于1.0g/L,因此，乙酸占反應(yīng)器液相代謝產(chǎn)物的含量也超過90%。甲烷的產(chǎn)量為1.07L/(L-reactor.day)。乙酸和甲烷的計量關(guān)系分別為:1.3 和 L lmol/mol-glucose。在實施例2和3中，采用不同的實驗條件均表明，以葡萄糖為底物，通過將溫度維持在70°C下，可以使得代謝產(chǎn)物簡化為甲烷和乙酸，其產(chǎn)量分別是1.0-1.2mol/mol-glucose 和1.3-1.6mol/mol_glucose。并且，乙酸的含量達到液相中代謝總量的90%以上。因此，實施例2和3中均得到了本發(fā)明所要的結(jié)果。上述實例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，例如，將反應(yīng)器運行模式改為生物膜反應(yīng)器、厭氧濾池、UASB, EGSB等，或者采用替他的運行條件，如更高的溫度、其他的pH值和有機底物等，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)·。
權(quán)利要求
1.一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的方法，具體包括如下步驟 (1)發(fā)酵初始，將厭氧微生物和培養(yǎng)基加入到發(fā)酵體系中，控制發(fā)酵體系的轉(zhuǎn)速為300-450轉(zhuǎn)/分鐘，pH值為6. 5-7. 5，控制發(fā)酵體系的初始溫度為20-55°C ； (2)發(fā)酵初期，按照序批模式向發(fā)酵體系中加入有機底物，使有機底物的濃度維持在O.05至2. Og/L之間，逐步升高反應(yīng)體系的溫度，直至發(fā)酵體系的溫度升至臨界溫度，該過程時間為20-40天； (3)待發(fā)酵體系的溫度升至臨界溫度時，維持該溫度恒定，繼續(xù)按照序批模式向發(fā)酵體系中加入有機底物，使有機底物的濃度維持在O. 05至5. Og/L之間，該過程時間為8-15天； (4)發(fā)酵穩(wěn)定期，按照連續(xù)流模式向發(fā)酵體系中加入有機底物，進水中有機底物濃度為O.5-30. Og/L,反應(yīng)器的水力學(xué)停留時間為2-30天。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述微生物包括耐高溫的細菌和嗜氫產(chǎn)甲燒古菌。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟⑵中所述臨界溫度為65-75°C，升溫速度為O. 3-5°C /天。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述有機底物包括葡萄糖，蔗糖，甘油。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟(2)、(3)中所述反應(yīng)器的進水中有機底物濃度為O. 05-50g/L。
6.一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的裝置，其特征在于，包括反應(yīng)器，以及分別與該反應(yīng)器貫通的有機底物供應(yīng)裝置，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置，液相代謝產(chǎn)物回收裝置，氣相代謝產(chǎn)物回收裝置，PH值檢測裝置和pH值控制裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)器上還設(shè)有溫度控制裝置和攪拌>j-U ρ α裝直。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)器上還設(shè)有液體取樣口。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)器頂蓋上還設(shè)有氣體取樣口。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述有機底物供應(yīng)裝置和/或培養(yǎng)基供應(yīng)裝置中設(shè)有進水控制泵。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的方法，具體包括將厭氧微生物和培養(yǎng)基加入到發(fā)酵體系中，控制發(fā)酵體系的轉(zhuǎn)速，pH值和溫度；發(fā)酵初期，按照序批模式向發(fā)酵體系中加入有機底物，逐步升高反應(yīng)體系的溫度，直至發(fā)酵體系的溫度升至臨界溫度；隨后維持該溫度恒定，繼續(xù)按照序批模式向發(fā)酵體系中加入有機底物；之后按照連續(xù)流模式向發(fā)酵體系中加入有機底物。本發(fā)明還提供了一種同時生產(chǎn)生物氣和脂肪酸的反應(yīng)系統(tǒng)。本發(fā)明通過環(huán)境條件控制混合菌群的組成，使得發(fā)酵體系的氣相和液相代謝產(chǎn)物簡單化。使得反應(yīng)器的氣相產(chǎn)物即生物氣包含甲烷和二氧化碳，而液相產(chǎn)物則是乙酸，從而成功實現(xiàn)了混合菌群厭氧發(fā)酵同時生產(chǎn)生物燃料和重要化工產(chǎn)品。
文檔編號C12M1/36GK103255182SQ20131014402
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者曾建雄, 張放, 張巖, 陳曼, 褚培娜, 丁靜, 申曉菲 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)