一种采用电发酵强化短链挥发性脂肪酸加链产己酸的方法
阅读说明：本技术 一种采用电发酵强化短链挥发性脂肪酸加链产己酸的方法 (Method for producing caproic acid by adopting electric fermentation to strengthen short-chain volatile fatty acid addition ) 是由 张宇 孙睿 刘德丽 高秀君 于 2021-03-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用电发酵强化短链挥发性脂肪酸加链产己酸的方法。本方法要解决目前采用的短链挥发性脂肪酸加链产己酸方法的成本高,需外加电子供体,己酸转化率低等突出问题,旨在通过利用微生物电解池提高己酸产率并连续回收己酸。微生物电解池为己酸生产提供了一条新途径。方法如下：一、组装并连接数据记录仪；二、电极材料预处理；三、组装反应器；四、MEC的接种启动与功能微生物的驯化；五、在厌氧条件下进行正式电发酵实验,完成电发酵强化短链脂肪酸加链产己酸方法。本发明以附着在电极上的微生物作为自再生催化剂,以原位产生的电极电子和氢气为还原力促进己酸合成,是一种快速、高效的产己酸方法。(The invention discloses a method for producing hexanoic acid by reinforcing short-chain volatile fatty acid addition through electric fermentation. The method aims to solve the outstanding problems of high cost, additional electron donor, low conversion rate of the caproic acid and the like of the conventional method for producing the caproic acid by adding the short-chain volatile fatty acid, and aims to improve the yield of the caproic acid and continuously recover the caproic acid by using a microbial electrolytic cell. The microbial electrolytic cell provides a new way for producing the caproic acid. The method comprises the following steps: firstly, assembling and connecting a data recorder; secondly, pretreating electrode materials; thirdly, assembling a reactor; fourth, inoculating and starting MEC and domesticating functional microorganisms; and fifthly, performing formal electric fermentation experiments under anaerobic conditions to finish the method for producing the caproic acid by reinforcing the short-chain fatty acid by electric fermentation. The invention takes the microorganisms attached to the electrode as the self-regeneration catalyst, and takes the electrode electrons and hydrogen generated in situ as the reducing power to promote the synthesis of the caproic acid, thereby being a quick and efficient method for producing the caproic acid.)
技术领域
本方法涉及一种采用电发酵强化短链挥发性脂肪酸加链产己酸的方法。
背景技术
随着社会生产的发展，对燃料和化学品的需求不断增加导致有机废物的数量也在不断增加。目前使用的燃料和化学品主要来源于化石资源，利用玉米、甘蔗和棕榈等粮食作物的生产正在扩大。但是化石资源的大量消耗加剧了环境污染和全球变暖，使用粮食作物进行燃料和化学品生产可能与人类粮食生产竞争。从混合有机废物中生产高价值的附加产品，如厌氧发酵产生沼气和堆肥厌氧消化产小分子脂肪酸，但是发酵的底物含水量很高，在发酵液中提取混溶发酵产品存在一个巨大的成本因素。己酸作为一种新兴的微生物燃料可以从低品位混合有机废物中产生。己酸具有低溶解性和高能量密度，被认为是非常有潜力的生物燃料。而且己酸具有广泛的应用，可直接用作饲料添加剂、抗菌素和植物生长促进剂，还可作为润滑油、香水、涂料添加剂和药品等各种商品的前体。
厌氧发酵产己酸是目前研究的较为广泛的一种己酸生产方法，通过反β氧化循环，以乙醇、甲醇、乳酸等还原性化学品为外加电子供体，乙酸钠为底物进行己酸的合成。但是在此合成过程中外加电子供体导致合成体系经济性较差。微生物电解池（MEC）由于其底物范围广，反应周期短，能量回收率高而成为废物资源化的重要手段之一，并且微生物电解池在回收高价值发酵产品中具有广泛的应用。MEC技术也被认为是目前可持续能源和生化产品生产的最有效的方法。
发明内容
本发明目的是要利用微生物电解池提高短链挥发性脂肪酸向己酸的转化率，并且改善传统厌氧发酵过程中占地面积大，连续运行效果差等弊端。
微生物电催化强化短链挥发性脂肪酸加链产己酸的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、组装并连接数据记录仪：数据记录仪用于实时记录反应器的电流数据变化情况；
二、电极材料预处理：阳极材料为碳刷，先用去离子水洗去碳刷表面杂质，然后用丙酮浸泡 24 h后放入马弗炉中，于400~600℃下烧 30 min，最后置于去离子水中备用（目的为去除碳刷上的有机物质）；阴极材料为碳布，根据每平方厘米阴极表面需要0.5mg铂碳计算，先称量90mg10%（（指铂碳中铂的质量百分比含量））的铂碳，然后加入75μL去离子水，涡旋振荡后加入600μL的5%的Nafion膜溶液（5%指的是Nafion膜溶液中的树脂固含量）和300μL的异丙醇，涡旋振荡，然后将溶解成糊状的铂碳均匀的刷在碳布上，干燥24h以备用（膜溶液为粘合剂，可将铂碳成功附着在碳布表面。铂碳为催化剂，碳布上负载铂碳催化剂可提高电催化性能）；
三、组装单室MEC反应器：采用单极室微生物电解池，阳极为碳刷，阴极为碳布，电解池容积为100~250mL，电解池材料为玻璃，整个装置为密封厌氧环境；
四、MEC的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动单室MEC反应器，外加0.8~1.2V电压，同时接入10 Ω电阻以测定反应器电流；将厌氧瓶内驯化好的产己酸菌与培养基以1：10的体积比加入单室MEC反应器进行启动，其中乙酸钠浓度为1~3 g/L，乙醇浓度为0~12mL/L（不同比例的乙酸钠/乙醇影响己酸产率）；5 d为一个周期，等待电流周期性变化稳定且产电峰值稳定时即完成MEC反应器的接种启动和功能微生物的驯化；
五、在厌氧条件下进行正式电发酵实验：调整乙酸钠浓度为1.5g/L，乙醇浓度为0~6 mL/L，室温运行5~7天，用气相色谱仪测定底物及产物浓度变化。
利用MEC处理系统可以在阳极氧化乙酸盐并在生物学上将阴极处的质子还原为氢，这种系统中的氢气生产已被证明是高能效和高选择性的，并且氢气也可以作为电子供体，原位参与己酸合成过程，而且电极也可以提供部分电子供体，实现无外加电子供体条件下己酸合成。
步骤四中每升培养基底液中各组成成分含量为:磷酸二氢铵3.6 g/L, 六水合氯化镁0.33 g/L，七水合硫酸镁 0.2 g/L，二水合氯化钙 0.5 g/L，氯化钾0.15 g/L，碳酸钾4g/L，氢氧化钠3.7 g/L，矿物质10mL/L，维生素10mL/L。上述培养液能够确保功能微生物的驯化满足电发酵的需求。
本发明的有益成果：本发明采用厌氧发酵辅以电刺激促进短链脂肪酸向己酸转化。在多次接种产己酸微生物后反应器可以稳定运行，附着在电极上的微生物可以进行自我再生，作为一种自再生催化剂促进短链脂肪酸向己酸的转化，同时在电催化过程中，电极可为反应提供部分电子供体。
附图说明
图1为实施例和对比实验一在运行过程中挥发酸浓度与处理时间的关系图。
图2为实施例和对比实验一在运行前后的电子分布图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
一、组装并连接数据记录仪：选用keithley2700数据记录仪，数据记录仪用于实时记录反应器的电流数据变化情况；
二、电极材料预处理：阳极材料为碳刷，先用去离子水洗去碳刷表面杂质，然后用丙酮浸泡 24 h后放入马弗炉中，于450℃下烧30 min，最后置于去离子水中备用；阳离子交换膜置于饱和氯化钠溶液中浸泡 24 h，之后用去离子水润洗干净备用；阴极材料为碳布，根据每平方厘米阴极表面需要0.5g铂碳计算，先称量90mg10%的铂碳，然后加入75μL去离子水，涡旋振荡后加入600μL的5%的Nafion膜溶液和300μL的异丙醇，涡旋振荡，然后将溶解成糊状的铂碳均匀的刷在碳布上，干燥24h以备用；
三、组装单室MEC反应器：采用单极室微生物电解池，阳极为碳刷，阴极为碳布，电解池容积为200mL，电解池材料为玻璃，整个装置为密封厌氧环境；
四、MEC的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动单室MEC反应器，外加0.8V~0.9V电压，同时接入10Ω电阻以测定反应器电流。将厌氧瓶内驯化好的产己酸菌与培养基以1：10的体积比加入单室MEC反应器进行启动，其中乙酸钠浓度为2g/L，乙醇浓度为0~8mL/L； 5d为一个周期，等待电流周期性变化稳定且产电峰值稳定时即完成MEC反应器的接种启动和功能微生物的驯化；
五、在厌氧条件下进行正式电发酵实验：调整乙酸钠浓度为1.5g/L，室温运行5~7天，用气相色谱仪测定底物及产物浓度变化。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中可采用任何可实时记录数据的数据控制仪。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是：步骤二中阴极材料可以采用碳刷，碳布或碳毡等其他材料。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中碳刷经丙酮浸泡去除杂质后可以在400~600℃烧30min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中可使用容积为100~250mL的MEC反应器。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中外加电压可以为0.8~1.2V其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四、五中乙酸钠投加量可以为1~3g/L，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四、五中乙醇投加量可以为0~12mL/L，其它与具体实施方式一相同。
采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例采用微生物电催化强化短链挥发性脂肪酸加链产己酸的方法具体是按照以下步骤进行的：
一、组装并连接数据记录仪：选用keithley2700数据记录仪，数据记录仪用于实时记录反应器的电流数据变化情况；
二、电极材料预处理：阳极材料为碳刷，先用去离子水洗去碳刷表面杂质，然后用丙酮浸泡24 h后放入马弗炉中，于450℃下烧30 min，最后置于去离子水中备用；阳离子交换膜置于饱和氯化钠溶液中浸泡24 h，之后用去离子水润洗干净备用；阴极材料为碳布，根据每平方厘米阴极表面需要0.5g铂碳计算，先称量90mg10%的铂碳，然后加入75μL去离子水，涡旋振荡后加入600μL的5%的Nafion膜溶液和300μL的异丙醇，涡旋振荡，然后将溶解成糊状的铂碳均匀的刷在碳布上，干燥24h以备用；
三、组装单室MEC反应器：采用单极室微生物电解池，阳极为碳刷，阴极为碳布，电解池容积为200mL，电解池材料为玻璃，整个装置为密封厌氧环境；
四、MEC的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动单室MEC反应器，外加0.8V电压，同时接入10Ω电阻以测定反应器电流。将厌氧瓶内驯化好的产己酸菌与培养基以1：10的体积比加入单室MEC反应器进行启动，其中乙酸钠浓度为2g/L，乙醇浓度为8mL/L；5d为一个周期，等待电流周期性变化稳定且产电峰值稳定时即完成MEC反应器的接种启动和功能微生物的驯化；
五、在厌氧条件下进行正式电发酵实验：调整乙酸钠浓度为1.5g/L,乙醇浓度为6mL/L，室温运行5~7天，用气相色谱仪测定底物及产物浓度变化。
对比实验一：
未进行微生物电催化强化短链挥发性脂肪酸加链产己酸的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、电极材料预处理：阳极材料为碳刷，先用去离子水洗去碳刷表面杂质，然后用丙酮浸泡24 h后放入马弗炉中，于450℃下烧30 min，最后置于去离子水中备用；阳离子交换膜置于饱和氯化钠溶液中浸泡24 h，之后用去离子水润洗干净备用；阴极材料为碳布，根据每平方厘米阴极表面需要0.5g铂碳计算，先称量90mg10%的铂碳，然后加入75μL去离子水，涡旋振荡后加入600μL的5%的Nafion膜溶液和300μL的异丙醇，涡旋振荡，然后将溶解成糊状的铂碳均匀的刷在碳布上，干燥24h以备用；
二、组装单室MEC反应器：采用单极室微生物电解池，阳极为碳刷，阴极为碳布，电解池容积为200mL，电解池材料为玻璃，整个装置为密封厌氧环境；
三、厌氧发酵的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动单室厌氧反应器。将厌氧瓶内驯化好的产己酸菌与培养基以1：10的体积比加入单室厌氧反应器进行启动，其中乙酸钠浓度为2g/L；5d为一个周期，待底物及产物；
四、在厌氧条件下进行正式电发酵实验：调整乙酸钠浓度为1.5g/L，室温运行5~7天，乙醇浓度为6mL/L，用气相色谱仪测定底物及产物浓度变化。
图1为实施例和对比实验一在运行过程中挥发酸浓度与处理时间的关系图。图1A为开路条件下反应器中底物及产物浓度变化，图1B为闭路条件下反应器中底物及产物浓度变化。从图中可以看出外加电压实验组己酸含量明显增加，最终达到了8722.4920 mg COD/L，是单纯厌氧发酵过程的1.28倍。外加电压组和纯厌氧发酵组中乙酸钠和乙醇消耗情况基本一致，但是在外加电压组己酸的产量更大，丁酸产量较少，这表明外加电压可以促进丁酸向己酸转化这一过程的进行。
图2为实施例和对比实验一在运行前后的电子分布图。从图中可以看出外加电压组的电子供体较纯厌氧发酵试验组增加了一种电子供体-电流，反应结束后两组的电子回收率分别为93.05%和94.60%，外加电压组的电子回收率有微弱的提高，但是在外加电压组己酸中回收的电子为75.5%，是纯厌氧发酵组的1.32倍，这表明外加电压可以促进产物中己酸的电子回收。
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