一种利用具有高曲率界面纳米气泡水增强有机废弃物厌氧发酵生产中链羧酸的方法

技术领域

本发明属于有机废弃物处理技术领域，特别涉及一种利用具有高曲率界面纳米气泡水增强有机废弃物厌氧发酵生产中链羧酸的方法。

背景技术

有机废弃物作为生物质资源，可通过厌氧发酵技术转化为有机肥料、生物能源和高附加值化学品等。利用有机废弃物进行厌氧发酵制备中链羧酸具有资源利用高效、环境友好、降解性好、产物附加值高等优势。中链羧酸具有6-12个碳原子的羧酸分子，是一种重要的有机化学品，可作为抗菌剂、食品添加剂、液体生物燃料的前体、工业原料、动物饲料中的促进生长的抗生素替代品等。此外，中链羧酸也可作为平台化学品而被进一步加工为香料、润滑油、橡胶、柴油和航空燃料等。

进行链延长反应时存在以下问题：发酵系统电子传输效率低，底物降解不彻底等问题导致中链羧酸合成效率低。因此研究提高链延长反应速率对提高中链羧酸转化率是十分必要的，有助于解决中链羧酸生产效率低的行业难题。

随着纳米技术的发展，纳米气泡水由于具有导电性和产生活性氧(ROS)等特点。可有效提高厌氧发酵系统电子传输效率，提高厌氧菌活性，增强相应酶活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高曲率界面纳米气泡水的制备及其在增强有机废弃物厌氧发酵产中链羧酸中的应用。所述具有高曲率界面纳米气泡水为不同气体与水利用纳米气泡发生器(ZJC-NM-200L，上海众净环保科技有限公司)制备而成，在提高有机废弃物厌氧发酵产中链羧酸浓度时主要作用于链延长过程来提高中链羧酸浓度。

本发明的目的之二是提供不同曲率界面类纳米气泡水的的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，分别从气体钢瓶中取一定量气体至气袋中，后对气袋密封，将气袋出气口连接至纳米气泡发生器进气口，用于制备纳米气泡水；

步骤2，将装有水的烧杯连接至纳米气泡发生器进水口，用于制备具有高曲率界面纳米气泡水(曲率0.01-0.1，最高为空气纳米气泡的0.1)；

步骤3，启动纳米气泡发生器，将气体于水在发生器内回合后形成具有高曲率界面纳米气泡水经出水口流至容器中。

优选的，所述步骤1的气体种类为氮气，氢气，空气，二氧化碳，混合气等各种气体。

优选的，所述步骤2的水位自来水，实验室纯水、超纯水均可，需保持水澄清透明无杂质。

优选的，所述步骤3的纳米气泡发生器设置气体流量为10-200mL/min。

本发明的目的之三是提供不同种类具有高曲率界面纳米气泡水增强厌氧发酵产中链羧酸应用，该纳米气泡水的可增强传质效率、增强厌氧发酵系统电子传输效率、提高厌氧微生物活性，进而增强链延长过程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本方法制备的具有高曲率界面纳米气泡水具有高曲率、传质效率高、比表面积大、气泡停留时间长、使用后无污染、对厌氧发酵系统作用效果好。在强化厌氧发酵链延长过程具有很大的应用潜力。

附图说明

图1纳米气泡特性示意图。

图2为具有高曲率界面纳米气泡水应用于厌氧发酵后己酸浓度变化。

图3为具有高曲率界面纳米气泡水应用于厌氧发酵后庚酸浓度变化。

图4为具有高曲率界面纳米气泡水应用于厌氧发酵后辛酸浓度变化。

具体实施方式

下面结合具体实例进一步阐述本发明。

实施例1

将空气气袋和水连接至纳米气泡发生器(ZJC-NM-200L，上海众净环保科技有限公司)，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至10mL/min，制备具有高曲率界面空气纳米气泡水(曲率0.09)。

实施例2

将空气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至200mL/min，制备具有高曲率界面空气纳米气泡水。

实施例3

将氢气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至10mL/min，制备具有高曲率界面氢气纳米气泡水。

实施例4

将氢气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至200mL/min，制备具有高曲率界面氢气纳米气泡水。

实施例5

将氮气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至10mL/min，制备具有高曲率界面氮气纳米气泡水。

实施例6

将氮气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至200mL/min，制备具有高曲率界面氮气纳米气泡水。

实施例7

将二氧化碳气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至10mL/min，制备具有高曲率界面二氧化碳纳米气泡水。

实施例8

将二氧化碳气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至200mL/min，制备具有高曲率界面二氧化碳纳米气泡水。

实施例9

将氩气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至10mL/min，制备具有高曲率界面氩气纳米气泡水。

实施例10

将氩气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至200mL/min，制备具有高曲率界面氩气纳米气泡水。

实施例11

将氧气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至10mL/min，制备具有高曲率界面氧气纳米气泡水。

实施例12

将氧气气袋和水连接至纳米气泡发生器，启动纳米气泡发生器，调节气体流量旋钮，至气体流量稳定至200mL/min，制备具有高曲率界面氧气纳米气泡水。

实施例13具有高曲率界面纳米气泡水应用实例

发酵瓶内初始pH为5.5，温度30℃，发酵瓶总容积为500mL，有效容积400mL，3个平行。发酵底物为餐厨垃圾发酵后的酸化液体，接种物为运行的链延长反应器厌氧污泥，初始挥发性脂肪酸浓度为12g/L，添加乳酸作为电子供体，乳酸/挥发性脂肪酸质量比为3:1。在发酵瓶中按照表中所示数量添加高曲率界面纳米气泡水，水，底物，接种物和乳酸，之后密封进行发酵。

表1实施例8纳米气泡水在厌氧发酵中应用

己酸浓度变化如表1，发酵进行12天，具有高曲率界面二氧化碳纳米气泡组己酸浓度较对照组显著提高84.09％(p<0.05)。

实施例14具有高曲率界面纳米气泡水应用实例

发酵瓶内初始pH为10，温度35℃，发酵瓶总容积为500mL，有效容积400mL，3个平行。发酵底物为有机生活垃圾发酵后的酸化液体，接种物为运行的链延长反应器厌氧污泥，初始挥发性脂肪酸浓度为9.5g/L，添加乳酸作为电子供体，乳酸/挥发性脂肪酸质量比为3:1。在发酵瓶中按照表中所示数量添加高曲率界面纳米气泡水，水，底物，接种物和乳酸，后密封发酵。

表2具有高曲率界面纳米气泡水在厌氧发酵中应用

己酸浓度变化如表2，发酵进行12天，具有高曲率界面氮气纳米气泡组己酸浓度14.11g/L，较对照组(6.95g/L)提高1.03倍(p<0.05)。

实施例15具有高曲率界面纳米气泡水应用实例

发酵瓶内初始pH为10，温度35℃，发酵瓶总容积为500mL，有效容积400mL，3个平行。发酵底物为牛粪发酵后的酸化液体，接种物为运行的链延长反应器厌氧污泥，初始挥发性脂肪酸浓度为10.88g/L，添加乳酸作为电子供体，乳酸/挥发性脂肪酸质量比为3:1。在发酵瓶中按照表中所示数量添加高曲率界面纳米气泡水，水，底物，接种物和乳酸，后密封发酵。

表3具有高曲率界面纳米气泡水在厌氧发酵中应用

己酸浓度变化如表3，发酵进行12天，具有高曲率界面氩气纳米气泡组己酸浓度最高12.02g/L，较对照组(6.22g/L)显著提高93.25％(p<0.05)。

实施例16具有高曲率界面纳米气泡水应用实例

发酵瓶内初始pH为6.0，温度30℃，发酵瓶总容积为500mL，有效容积400mL，3个平行。发酵底物为牛粪发酵后的酸化液体，接种物为运行的链延长反应器厌氧污泥，初始挥发性脂肪酸浓度为10.5g/L，添加乳酸作为电子供体，乳酸/挥发性脂肪酸质量比为3:1。在发酵瓶中按照表中所示数量添加高曲率界面纳米气泡水，水，底物，接种物和乳酸，后密封发酵。

表4具有高曲率界面纳米气泡水在厌氧发酵中应用

己酸浓度变化如表4，发酵进行12天，具有高曲率界面氧气纳米气泡组己酸浓度较对照组显著提高(p<0.05)。

实施例17具有高曲率界面纳米气泡水应用实例

发酵瓶内初始pH为5.5，温度30℃，发酵瓶总容积为500mL，有效容积400mL，3个平行。1-4天每天取样1次，后2天取样1次，测挥发性脂肪酸浓度。发酵底物为牛粪发酵后的酸化液体，接种物为运行的链延长反应器厌氧污泥，初始挥发性脂肪酸浓度为9.83g/L，添加乳酸作为电子供体，乳酸/挥发性脂肪酸质量比为3:1。设置2个实验组和一个对照组，实验组添加不同种类具有高曲率界面(空气、氢气)纳米气泡水，具体见表5。在发酵瓶中按照表中所示数量添加高曲率界面纳米气泡水，水，底物，接种物和乳酸，后密封发酵。

表5具有高曲率界面纳米气泡水在厌氧发酵中应用

己酸浓度变化如图2，庚酸浓度变化如图3，辛酸浓度变化如图4。己酸浓度最高的为12天的添加具有高曲率界面空气纳米气泡实验组(15.1g/L)，显著高于对照组(7.8g/L)93.59％(p<0.05)。

庚酸的浓度变化规律同己酸，空气纳米气泡组12天时达到峰值1.82g/L，较对照组(0.82g/L)显著提高1.21倍(p<0.05)。氢气纳米气泡可以加快反应速度。碳链长度更长的辛酸变化规律同己酸，整体浓度较低，最高为0.5g/L，具有高曲率界面纳米气泡水增强链延长过程己酸最容易进行，选择性更高。不同曲率界面纳米气泡水分别在中链羧酸浓度和缩短发酵时间上进行增强。

进一步对空气组和CK组进行了16S测序，分析了链延长微生物相对丰度变化和关键代谢路径分析。空气组促进了用于中链羧酸合成相关Caproiciproducens的丰度，Syntrophomonas丰度的增加和电子传递能力的提高提高了不同细菌之间的电子传递效率，导致反应活性的提高了，碳水化合物代谢和ABC转运蛋白代谢途径的增强，促进了牛粪向中链羧酸的转化

本发明制备的具有高曲率界面纳米气泡水具有良好的增强厌氧发酵产中链羧酸的特性，制备成本低、产量大且易于制备，在有机废弃物厌氧发酵过程中增强链延长过程提高中链羧酸产量中具有很好的应用前景。