水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法及装置

1.本发明涉及脂肪酸制备技术领域，尤其涉及水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法及装置。

背景技术：

2.本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息并且不构成现有技术。
3.目前，水果在经过运输、储存、销售链条中损失率约占20-30%，处理方式一般和生活垃圾一起焚烧、填埋等，但极易造成二次污染，随着我国生活垃圾强制分类逐步推行，为水果废弃物分类单独处理提供了良好的大环境。同时，我国城市污水处理厂进水cod普遍过低，低于200 mg/l。在水质处理排放提标后，对污水处理脱氮具有更高的要求，为了达到良好的脱氮效果，污水处理厂普遍采用补加碳源方式进行，但是需要加入新的葡萄糖、乙酸钠、甲醇及其以上混合物等，尤其是乙酸钠作为碳源应用最为广泛利用。
4.利用水果废弃物通过厌氧发酵生产沼气能源化利用是一种新型的能源回收的方法。现有公开的技术中，暴露出，厌氧发酵产沼物料停留时间长，可以达到20天以上、场地占地面积大以及自身季节性的问题不能保证反应装置全年稳定运行，因此利用水果废弃物厌氧产沼气的技术并不广泛。

技术实现要素：

5.发明人通过研究发现：将水果废弃物固体转化为挥发性脂肪酸，同其他碳源种类相比，挥发性脂肪酸更容易被脱氮菌利用；除用作污水处理厂复合碳源，挥发性脂肪酸还可作为生物合成生产如生物塑料、生物柴油的原料等高附加值产品，高浓度挥发性脂肪酸生产具有节约后续分离、提取和利用成本的优点。但如何利用水果废弃物厌氧发酵反应器生产高浓度挥发性脂肪酸，尤其是大规模运行的反应器启动是面临的主要难题，且目前没有可以参考的资料。
6.本公开的目的在于提供水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法及装置，通过本公开的步骤1-步骤5的发酵作业同时配合发酵装置，来解决现有技术无法在面向需要进行大规模反应器启动时，合理利用反应器进行水果废弃物厌氧发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的技术问题。
7.据本公开的一个方面，提供水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，包括以下步骤：步骤1.预处理原料，选用水果废弃物全果先进行粉碎制浆，粉碎至粒径为1mm-5 mm，不进行稀释处理；步骤2.取污泥中温甲烷发酵流出液，加入反应罐中作为厌氧发酵生产高浓度脂肪酸的种子污泥；步骤3.控制反应罐内温度为35℃-37℃，加入水果废弃物原料并开始搅拌，使原料和种子污泥混合均匀，进行厌氧发酵；步骤4.基于步骤3，反应过程中逐步增加水果废弃物的添加量，每次添加后均需稳定维持3-7天厌氧发酵；步骤5.跟踪检测厌氧发酵过程中的脂肪酸产生情况；步骤6.重复上述步骤1-步骤4，直至完成发酵作业，即停止重复。
8.发明人在日常工作中，发现很多能源的运输以及产生，需要借助更多新的物资进行，这样做必定会增加资源的不合理利用的情况，因此寻求一种兼具经济和环保效益的资源化利用方法很有必要，基于此，申请人在一次偶然的新闻阅读中，发现现在的水果等果蔬的运输，会出现大量的浪费以及破损，尤其在长途运输中，但是这些损坏或者浪费的水果虽然无法很好进行食用，但是可以利用其自身含有的成分，进行最大限度地利用，解决环保问题的同时，可以兼顾经济效益，因此基于上述研发了本公开的方法以及对应的装置。
9.本公开的一些实施例中，所述步骤2具体包括如下内容：种子污泥为城市污泥中温甲烷发酵流出液，其中流出液包括沼渣和沼液。
10.本公开的一些实施例中，所述步骤3具体包括如下内容：种子污泥加入到厌氧发酵反应器中，在35℃-37℃的温度下保持静置24 小时后进行搅拌，搅拌速度为：0rpm-300 rpm。
11.本公开的一些实施例中，所述步骤4具体包括如下内容：所述步骤4具体包括如下内容：加入水果废弃物原料时，添加量的添加方式采用从低有机物负荷到高有机物负荷的方式，每组负荷稳定运行时间3天-7天后，添加另一组载荷，其中低有机物负荷为2 g/kg-种子污泥/d，高有机物负载荷22 g/kg-种子污泥/d。
12.本公开的一些实施例中，所述步骤4具体还包括如下内容：检测反应罐内脂肪酸浓度稳定时，维持有机物负荷为12-22 g/kg-种子污泥/d。
13.本公开的一些实施例中，所述步骤4具体包括如下内容：反应罐内进行稳定厌氧发酵过程中，不调整ph值。
14.本公开的一些实施例中，所述步骤5还包括如下内容：检测反应罐内的脂肪酸积累且ph值逐步下降至ph6.0以下时，用2m-4m naoh调节ph值至6.0。
15.据本公开的另一个方面，水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的装置，包括应用权利要求1所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法；包括装置本体，所述装置本体内包括依次可拆卸连接的发酵模块，自动进出料模块以及ph自动控制模块，所述发酵模块、所述自动进出料模块以及所述ph自动控制模块间隔设置；所述发酵模块包括反应罐以及活动连接在所述反应罐内的搅拌桨，所述搅拌桨形状为异形；所述自动进出料模块包括依次活动连接的中央控制器、液位计、进料泵、原料容器、出料泵、出料容器以及排气系统；所述ph自动控制模块内设置有用于反馈数据的ph检测器。
16.本公开的一些实施例中，所述搅拌桨与所述中央控制器电连接，工作时，所述中央控制器控制所述搅拌桨转动。
17.本公开的一些实施例中，所述中央控制器控制通过控制所述液位计进行控制原料添加量和排液量；所述中央控制器控制所述原料泵和所述出料泵的启动或者停止本公开与目前公开的技术相比，具有如下的优点和有益效果：本公开的步骤预处理原料、取污泥中温甲烷发酵流出液、控制反应罐内温度为35℃-37℃、反应过程中逐步增加水果废弃物的添加量、跟踪检测厌氧发酵过程中的脂肪酸产生情况的步骤，可以实现在面向大规模的启动过程中，无任何外加产甲烷菌抑制物的条件下，巧妙利用厌氧消化酸化阶段来抑制产甲烷菌的活性，发酵方法的启动过程简单，便于操作，较高程度的达到废物资源化利用的效果；本公开的装置设置的发酵模块、自动进出料模块以及ph控制模块可实现生产过程
全自动化、操作简便，较高程度保证了在厌氧发酵下产生高浓度挥发性脂肪酸的效果。
附图说明
18.图1是本发明的处理流程图；图2是本发明的装置示意图；图3是本发明的不同有机物负荷下有机物浓度及组分情况。
19.附图说明：附图2中为实际试验作业时的实际装置示意图；附图3中横坐标为发酵天数，a纵坐标vfas为有机酸浓度，hrt为水力停留时间；b individul vfas, vfas中各种有机酸的比例，如乙酸、丙酸、和丁酸等。
具体实施方式
20.请一并参考说明附图1-说明附图2，本实施例提供了水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法及装置，该水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法及装置已经处于实际实验使用阶段。
21.在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。
22.实施例1本实施例至少包括，水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，包括以下步骤：步骤1.预处理原料，选用水果废弃物全果先进行粉碎制浆，粉碎至粒径为1mm-5 mm，不进行稀释处理，其中，水果原料废弃物种类分别为西瓜、苹果、香蕉，当然也可以选择其余原料，只要原料中n元素含量不高即可，选取比例为4:3:1（根据国家统计年鉴的产量定），按照该比例混合，破碎为1mm-5 mm，分装成小袋，放于4℃冰箱保存，取出后直接用做厌氧发酵生产脂肪酸底物，不进行稀释；经测定，主要理化性质如下：总固体含量ts为9.84%（湿基）;有机固体含量 vts为9.61%（湿基）;可溶性cod含量 scod为 91.07 g/l; ph 4.83; c/n比为37.80；vfas未检出。
23.步骤2.取污泥中温甲烷发酵流出液，加入反应罐中作为厌氧发酵生产高浓度脂肪酸的种子污泥；步骤3.控制反应罐内温度为35℃-37℃，较佳的温度为35℃，之后加入水果废弃物原料并开始搅拌，使原料和种子污泥混合均匀，进行厌氧发酵；步骤4.基于步骤3，反应过程中逐步增加水果废弃物的添加量，每次添加均需稳定维持3-7天厌氧发酵；步骤5.跟踪检测厌氧发酵过程中的脂肪酸产生情况；步骤6.重复上述步骤1-步骤4，直至完成发酵作业，即停止重复，步骤2具体包括如下内容：种子污泥为城市污泥中温甲烷发酵流出液，其中流出液包括沼渣和沼液，步骤3具体包括如下内容：种子污泥加入到厌氧发酵反应器中，在35℃-37℃的温度下保持静置24 小时后进行搅拌，搅拌速度为：0rpm-300 rpm，优选地，本实施例较佳的实施方式是采用200rpm，可以高效进行搅拌，促进厌氧发酵产生脂肪酸，同时过快增加能耗，过慢不利于充分分散物料，以及不利于物料和微生物的充分接触；步骤4具
体包括如下内容：加入水果废弃物原料时，添加量的添加方式采用从低有机物负荷到高有机物负荷的方式，每个负荷下稳定运行时间3天-7天，其中低有机物负荷为2 g/kg-种子污泥/d，高有机物负载荷22 g/kg-种子污泥/d，步骤4具体还包括如下内容：检测反应罐内脂肪酸浓度稳定时，维持有机物负荷为12-22 g/kg-种子污泥/d。
24.实施例2本实施例仅记载与实施例1不同的内容，包括加入水果废弃物原料时，添加量的添加方式采用从低有机物负荷到高有机物负荷的方式，每个负荷下稳定运行时间3天-7天，本实施例较佳的运行天数为7天，其中低有机物负荷为2 g/kg-种子污泥/d，高有机物负载荷22 g/kg-种子污泥/d，检测反应罐内脂肪酸浓度稳定时，维持有机物负荷为12-22 g/kg-种子污泥/d，需要说明的是，每组载荷加入后，均需要反应3-7天后，再加入另一组新的载荷反应3-7天。
25.实施例3本实施例仅记载与实施例2不同的内容：包括内容：加入水果废弃物原料时，添加量的添加方式采用从低有机物负荷到高有机物负荷的方式，每组负荷稳定运行时间3天-7天后，添加另一组载荷，其中低有机物负荷为2 g/kg-种子污泥/d，高有机物负载荷22 g/kg-种子污泥/d，步骤4具体包括如下内容：反应罐内进行稳定厌氧发酵过程中，不调整ph值。
26.实施例4本实施例仅记载与实施例1不同的内容：检测反应罐内的脂肪酸积累且ph值逐步下降至ph6.0以下时，用2m-4m naoh调节ph值至6.0，本实施例较佳的选取量为2m，可以有效将ph值控制在6.0，同时传统的污水处理厂加入的碳源是钠盐形式，例如乙酸钠，发明人经过实验以及钠盐理论知识，分析得出naoh为最佳中和试剂。
27.需要说明的是，上述方法的实施过程为有中温湿式甲烷发酵反应器处理城市污泥（反应器控制温度35-37 ℃，固含量约5 %），取其流出液固含量约5 %，用作厌氧发酵产酸种子污泥。将种子污泥倒入3 l装置中，如图2所示，倒入量约2.4 kg（保证工作体积为反应器体积的80 %），利用恒温水浴循环水保持夹层水温35℃，搅拌速度200rpm/min，同时将粉碎的水果废弃物加入到反应装置中，进行厌氧发酵，产生的气体用外部硅胶管连接到电磁流量计进行计量。取新鲜水果废弃物，加入到发酵罐中（按照有机负荷为2 g 有机物/l/天加入）。然后合上盖子，持续发酵1天（发酵的同时收集沼气，发酵完之后可以得到发酵残留物：污泥）。1天后停止搅拌，从反应罐中取出发酵产物（维持反应罐内污泥量为2.4 kg）；然后重复补充相同量的水果废弃物原料，重复以上操作（添加原料、发酵、取料）。3-7天后将有机负荷提高至4，6g/l/d，并分别稳定3-7天。当有机负荷增加至8 g/l/d时，气体产生量显著下降，发酵罐内ph持续下降。当ph下降至6.0以下时，利用2mnaoh溶液调节反应器内液体至约6.0。
28.此时反应器内脂肪酸浓度达到约50-60 g-cod/l；继续增加有机负荷至10，12，14，16，18，20, 22 g/l/d时，此时反应器内脂肪酸浓度约50-60 g-cod/l保持稳定。继续增加有机物至24 g/l/d，发酵罐内有机酸浓度略有下降，为维持厌氧反应器系统稳定，根据水果废弃物处理量，推荐有机物负荷为8-22 g有机物/l/d。发酵液中挥发性脂肪酸成分主要为乙酸和丁酸（两者占比达80%以上），适于用作污水处理脱氮碳源，达到以废治废的目的。
29.本公开的另一方面，水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的装置，应用水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法。
30.实施例1包括装置本体，装置本体内包括依次可拆卸连接的发酵模块，自动进出料模块以及ph自动控制模块，其中可拆卸连接的方式为插接，滑动连接等，本实施例较佳的实施方式为插接，可以提高装置的使用适配度，在本公开中可以较好适应发酵反应产物的收集与流动。发酵模块、自动进出料模块以及ph自动控制模块间隔设置，其中，间隔的距离根据实际工作需要进行适应性调整，此处不做具体限定；发酵模块包括反应罐以及活动连接在反应罐内的搅拌桨，搅拌桨形状为异形，搅拌速度0rpm-300 rpm，优选为200 rpm，搅拌桨和中央控制器相连，控制搅拌桨的停止和启动。
31.自动进出料模块包括依次活动连接的中央控制器、液位计、进料泵、原料容器、出料泵、出料容器以及排气系统；ph自动控制模块内设置有用于反馈数据的ph检测器，中央控制器控制通过控制液位计进行控制原料添加量和排液量；中央控制器控制原料泵和出料泵的启动或者停止，排气管上气体流量计连接中央控制器记录气体产生体积。
32.本装置通过ph检测器进行数据反馈，自动控制2m hcl和2m naoh的添加，将反应器ph控制在5.9-6.1范围，需要注意的是：ph自动控制模块与中央控制器相连，发酵罐搅拌停止时，ph自动控制模块不工作，即装置内不添加hcl或naoh溶液。
33.为了更好理解本公开，现描述本公开的一次实际工作原理：设定中央控制器参数和ph自动控制模块的参数，然后人工控制向反应罐中添加水果废弃物原料和厌氧种子污泥（按照体积比例1：4添加，停留时间5天），本公开的装置即开始运行。
34.装置开始运行后，ph自动控制模块即开始运行，供给酸液或者碱液或者酸液和碱液，调节罐内液体ph为5.9-6.1，此ph范围既保证了产酸菌的最佳工作状态（较佳的调节至6.0），又抑制了产甲烷菌活性，避免挥发性脂肪酸向甲烷转化，24小时后，由中央控制器控制发酵罐内的搅拌桨停止运转，使产酸菌体沉淀；同时ph自动控制模块停止工作，即不向反应罐内供给酸液或碱液。
35.30分钟后，出料泵开始运转，排出发酵罐内1/5物料（通过液位计控制，排液量可调）。排料完毕后，排料泵停止，同时原料泵自动打开开始供给原料，罐内液体增加至工作体积（液位计控制）后原料泵停止。
36.接着发酵罐搅拌桨自动运行，ph自动控制模块开始进行ph自动调节，开始下一批次发酵，并在24小时后重复以上操作。发酵过程中排气管上气体流量计连接中央控制器记录气体产生体积。
37.另外，发明人在研究中发现，水果废弃物具有较高c/n比，碳含量高，氮含量较低，若通过厌氧发酵高效率转化为挥发性脂肪酸（如高浓度、短停留时间），产生的脂肪酸可潜在的用作污水脱氮用外加复合碳源，也是一种有效的水果废弃物资源化利用方法。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.预处理原料，选用水果废弃物全果先进行粉碎制浆，粉碎至粒径为1mm-5 mm，不进行稀释处理；步骤2.取污泥中温甲烷发酵流出液，加入反应罐中作为厌氧发酵生产高浓度脂肪酸的种子污泥；步骤3.控制反应罐内温度为35℃-37℃，加入水果废弃物原料并开始搅拌，使原料和种子污泥混合均匀，进行厌氧发酵；步骤4.基于步骤3，反应过程中逐步增加水果废弃物的添加量，每次添加后均需稳定维持3-7天厌氧发酵；步骤5.跟踪检测厌氧发酵过程中的脂肪酸产生情况；步骤6.重复上述步骤1-步骤4，直至完成发酵作业，即停止重复。2.根据权利要求1所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下内容：种子污泥为城市污泥中温甲烷发酵流出液，其中流出液包括沼渣和沼液。3.根据权利要求1所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下内容：种子污泥加入到厌氧发酵反应器中，在35℃-37℃的温度下保持静置24 小时后进行搅拌，搅拌速度为：0rpm-300 rpm。4.根据权利要求1所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下内容：加入水果废弃物原料时，添加量的添加方式采用从低有机物负荷到高有机物负荷的方式，每组负荷稳定运行时间3天-7天后，添加另一组载荷，其中低有机物负荷为2 g/kg-种子污泥/d，高有机物负载荷22 g/kg-种子污泥/d。5.根据权利要求1或4所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤4具体还包括如下内容：检测反应罐内脂肪酸浓度稳定时，维持有机物负荷为12-22 g/kg-种子污泥/d。6.根据权利要求4所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下内容：反应罐内进行稳定厌氧发酵过程中，不调整ph值。7.根据权利要求1所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其特征在于，所述步骤5还包括如下内容：检测反应罐内的脂肪酸积累且ph值逐步下降至ph6.0以下时，用2m-4m naoh调节ph值至6.0。8.水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的装置，其特征在于，应用权利要求1所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法；包括装置本体，所述装置本体内包括依次可拆卸连接的发酵模块，自动进出料模块以及ph自动控制模块，所述发酵模块、所述自动进出料模块以及所述ph自动控制模块间隔设置；所述发酵模块包括反应罐以及活动连接在所述反应罐内的搅拌桨，所述搅拌桨形状为异形；所述自动进出料模块包括依次活动连接的中央控制器、液位计、进料泵、原料容器、出料泵、出料容器以及排气系统；所述ph自动控制模块内设置有用于反馈数据的ph检测器。
9.根据权利要求8所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的装置，其特征在于，所述搅拌桨与所述中央控制器电连接，工作时，所述中央控制器控制所述搅拌桨转动。10.根据权利要求8所述的水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的装置，其特征在于，所述中央控制器控制通过控制所述液位计进行控制原料添加量和排液量；所述中央控制器控制所述原料泵和所述出料泵的启动或者停止。

技术总结

本发明涉及脂肪酸制备技术领域，尤其涉及水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的方法，其包括步骤1.预处理原料；步骤2.获取污泥发酵流出液；步骤3.控制反应罐内温度；步骤4.反应过程中逐步增加水果废弃物的添加量；步骤5.跟踪检测脂肪酸产生情况；步骤6.重复上述步骤；还包括水果废弃物发酵生产高浓度挥发性脂肪酸的装置，包括装置本体，发酵模块，自动进出料模块以及pH自动控制模块，本公开的方法实现面向大规模的启动过程中，较高程度的达到废物资源化利用的效果；同时本公开的装置设置的发酵模块、自动进出料模块以及pH控制模块可实现生产过程全自动化、保证在厌氧发酵下产生高浓度挥发性脂肪酸的效果。度挥发性脂肪酸的效果。度挥发性脂肪酸的效果。