一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法

1.本发明涉及农业废弃物利用技术领域，特别是涉及一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法。


背景技术：

2.传统的沼气工程在实际运行过程中常因发酵物料特性、发酵装置有机负荷、水力停留时间等因素受到酸氨抑制等问题，需根据发酵系统的实际运行情况制定相应调控策略。针对这些问题，近年来，许多研究通过调控工艺参数、添加微量元素、添加微生物菌剂等解除运行失稳恢复厌氧发酵产沼气，但调整后的沼气工程仍整体存在运行效率不高、经济效益低、产品利用价值不高等问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法。本发明提供的方法通过调控和接种颗粒污泥，将沼气工程产甲烷改成产中链脂肪酸，提高厌氧发酵过程中的底物降解程度及目标产物中链脂肪酸的转化速率，解决了沼气工程运行效益低、经济效益低、产品利用价值不高等问题，对厌氧发酵生产高附加值的产品具有重要的经济价值。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明提供了一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法，包括：
6.以秸秆和牛粪为主要原料进行厌氧发酵，获得产甲烷的厌氧发酵体系，所述产甲烷的厌氧发酵体系包括单相厌氧发酵体系或两相厌氧发酵体系；
7.调控所述产甲烷的厌氧发酵体系内乙酸和乳酸的总浓度至8~10g/l，且乙酸浓度为总挥发性脂肪酸浓度的60wt.%以上，接种终浓度为10wt.%~20wt.%的颗粒污泥，得到产中链脂肪酸的厌氧发酵体系；所述颗粒污泥的制备方法包括：将秸秆、污泥和乳酸混合，厌氧发酵至己酸浓度为3~4g/l，得到所述颗粒污泥；所述秸秆、污泥和乳酸的比例为1l：50ml：10g；
8.当所述厌氧发酵体系为两相厌氧发酵体系时，所述调控在产酸相中进行，所述接种在产甲烷相中进行；当所述厌氧发酵体系为单相厌氧发酵体系时，所述调控和接种在同一厌氧发酵体系中进行。
9.优选的，所述颗粒污泥的制备方法中，所述厌氧发酵的温度为38℃，ph值为5.5，所述秸秆的总固体浓度为2%。
10.优选的，所述调控在所述产甲烷的厌氧发酵体系出现酸抑制时进行，所述调控包括：将进料的秸秆和牛粪的质量比调整为6：4~8：2，添加终浓度为5~10g/l的负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭，水力停留时间调整为9~15天和进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%；所述酸抑制包括：厌氧发酵体系中总有机酸浓度＞14g/l。
11.优选的，所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭的制备方法包括：
12.将生物炭与含zncl2的盐酸溶液混合，得到酸化的生物炭；
13.将所述酸化的生物炭水洗涤至中性后烘干；
14.将烘干后的生物炭与蒽醌-2-羧酸溶液混合，水洗涤至中性后烘干，得到所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭。
15.优选的，所述生物炭与盐酸溶液的质量体积比为10g：1l；所述盐酸溶液中zncl2的浓度为250g/l；所述盐酸溶液中hcl的浓度为1mol/l；所述蒽醌-2-羧酸溶液的浓度为0.8~1mmol/l。
16.优选的，所述调控在所述产甲烷的厌氧发酵体系出现氨抑制时进行，所述调控包括：添加终体积浓度为10%的驯化污泥，调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%和水力停留时间调整为9~15天；所述氨抑制包括：厌氧发酵体系中氨氮浓度≥1500mg/l；
17.所述驯化污泥的制备方法包括：将污泥、乙酸和乳酸混合，进行连续厌氧发酵；所述污泥、乙酸和乳酸的比例为1l：1.9g：3.2g；当污泥对总氮去除率≥75%时，调整进水中氨氮浓度为10mg/l至污泥对总氮去除率＞85%，得到所述驯化污泥。
18.优选的，所述氨抑制为厌氧发酵体系中氨氮浓度＞4000mg/l时，所述调控的方法还包括：添加短乳杆菌（lactobacillus brevis）和植物乳杆菌（lactobacillus plantarum）；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的活菌数分别为1~2亿cfu/g；所述短乳杆菌、植物乳杆菌和补充发酵底物的质量比为10~20：10~20：100。
19.优选的，所述调控在所述产甲烷的厌氧发酵体系由于接种污泥活性低导致产气不理想时进行，所述调控包括：调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，水力停留时间调整为9~15天，添加终浓度为7~10mg/l的fe
3+
、终浓度为0.5~1mg/l的co
3+
和终浓度为0.5~1mg/l的ni
2+
；
20.所述由于接种污泥活性低导致产气不理想的判断标准包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量＜30%和产气率＜100l/kg
·
ts。
21.优选的，当所述厌氧发酵体系为单相厌氧发酵体系且稳定产甲烷时，所述调控包括：调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，水力停留时间调整为9~15天，添加甲烷抑制剂、短乳杆菌和植物乳杆菌；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的活菌数分别为1~2亿cfu/g；所述短乳杆菌、植物乳杆菌和补充发酵底物的质量比为10~20：10~20：100；所述稳定产甲烷包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量≥30%和产气率≥100l/kg
·
ts。
22.优选的，当所述厌氧发酵体系为双相厌氧发酵体系且稳定产甲烷时，所述调控包括：调节产酸相的ph值为4.0~5.5，并将产酸相进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，进料中的秸秆含量调整为＞60wt.%和水力停留时间调整为9~15天；所述稳定产甲烷包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量≥30%和产气率≥100l/kg
·
ts。
23.有益效果：
24.本发明提供了一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法。本发明通过调控将产甲烷的厌氧发酵体系用来产乙酸和乳酸，再接种经驯化得到的颗粒污泥，可以将乙酸和乳酸合成为中链脂肪酸（如己酸），提高厌氧发酵过程中的底物降解程度及目标产物中链脂肪
酸的转化速率，解决了沼气工程运行效益低、经济效益低、产品利用价值不高等问题，对厌氧发酵生产高附加值的产品具有重要的经济价值。
25.进一步的，本发明采用环境因子调控和微生物强化耦合的方式，实现发酵代谢路径由传统产沼气向合成中链脂肪酸的快速改变，加强中链脂肪酸生产，提高原料的降解效率及产物的高值化转化，具体优势如下：
26.（1）本发明在厌氧发酵产沼气过程中出现失稳时，如酸抑制、氨抑制或接种物活性不高的情况下，通过调控物料配比、ph值，外加负载导电介体生物炭、微量元素、产甲烷抑制剂及颗粒污泥的调控方法，实现在较高的有机负荷下，将厌氧发酵产沼气调整为厌氧发酵产中链脂肪酸，避免了中间产物的抑制代谢以及相分离及短链脂肪酸提取分离的过程，解决了厌氧发酵失稳系统物质转化率低、运行稳定性差以及产品质量低等问题，同时厌氧发酵合成中链脂肪酸的工艺能有效提高有机废弃物处理量。
27.（2）本发明在厌氧发酵产沼气运行稳定的厌氧发酵系统中，通过调控物料配比、接种颗粒污泥、添加甲烷抑制剂的调控方法，外加电子供体后引导复合发酵体系向碳链延长反应发展，进行中链脂肪酸生产，同时节约了制备中链脂肪酸的成本，实现了有机废弃物高值化转化。
28.（3）本发明创新提出的厌氧发酵产甲烷改成中链脂肪酸发酵的调控方法在同一发酵装置内进行，最大程度的利用底物发酵过程中产生的乳酸以及乙酸、丙酸等短链脂肪酸，在提升厌氧发酵有机物转化速率的同时实现有机废弃物高值化转化。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
30.图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
31.本发明提供了一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法，包括：
32.以秸秆和牛粪为主要原料进行厌氧发酵，获得产甲烷的厌氧发酵体系，所述厌氧发酵体系包括单相厌氧发酵体系或两相厌氧发酵体系；
33.调控所述厌氧发酵体系内乙酸和乳酸的总浓度至8~10g/l，且乙酸浓度为总挥发性脂肪酸浓度的60wt.%以上，接种终浓度为10wt.%~20wt.%的颗粒污泥，得到产中链脂肪酸的厌氧发酵体系；
34.当所述厌氧发酵体系为两相厌氧发酵体系时，所述调控在产酸相中进行，所述接种在产甲烷相中进行；当所述厌氧发酵体系为单相厌氧发酵体系时，所述调控和接种在同一厌氧发酵体系中进行。
35.本发明优选根据厌氧发酵体系的运行情况进行调控，当调控后的厌氧发酵体系内乙酸和乳酸的总浓度为8~10g/l，且乙酸浓度为总挥发性脂肪酸浓度的60wt.%以上，优选为75wt.%~80wt.%时，接种终浓度为10wt.%~20wt.%的颗粒污泥，得到产中链脂肪酸的厌氧发酵体系；所述颗粒污泥的接种浓度优选为10wt.%。本发明通过调控，使厌氧发酵体系内乙酸和乳酸的总浓度为8~10g/l，且乙酸浓度为总挥发性脂肪酸浓度的60wt.%以上，可以为碳链
延长阶段提供充足的电子供体，从而保证后续高效生产中链脂肪酸。
36.本发明所述颗粒污泥的制备方法包括：将秸秆、污泥和乳酸混合，厌氧发酵至己酸浓度为3~4g/l，得到所述颗粒污泥；所述秸秆、污泥和乳酸的比例为1l：50ml：10g；所述厌氧发酵的温度优选为38℃，ph值优选为5.5；所述秸秆的总固体浓度优选为2%。
37.在本发明中，所述秸秆优选包括黄贮秸秆，更优选为黄贮玉米秸秆。
38.本发明所述颗粒污泥具有碳链延长功能，可以将厌氧发酵体系中的乙酸和乳酸通过碳链延长反应合成中链脂肪酸，促进乳酸、乙酸、中链脂肪酸协同生产。
39.在本发明中，所述厌氧发酵体系的反应装置优选包括全混式厌氧发酵（cstr）产甲烷系统。
40.本发明所述运行情况优选包括：酸抑制、氨抑制、由于接种污泥活性低导致产气不理想或稳定产甲烷。
41.本发明所述酸抑制优选包括：厌氧发酵体系中总有机酸浓度＞14g/l，乙酸浓度为总挥发性脂肪酸浓度的20wt.%~30wt.%，丙酸和丁酸总浓度为总挥发性脂肪酸浓度的65wt.%以上；当所述厌氧发酵体系出现酸抑制时，体系内氢分压升高，ph值＜7，甲烷生产受到抑制，即沼气中甲烷含量低于30%，产气量低于100l/kg
·
ts，故实际应用时，优选监测沼气中的甲烷含量、产气量和体系的ph值，即当体系的ph值＜7，甲烷含量低于30%和产气量低于100l/kg
·
ts时，进行调控；所述调控优选包括：将进料的秸秆和牛粪的质量比调整为6：4~8：2，在所述厌氧发酵体系中添加负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭（bc/aqc），水力停留时间调整为9~15天和进料的总固体浓度（ts）调整为8wt.%~10wt.%；所述水体停留时间优选调整为9~12天，更优选为9天；所述进料的总固体浓度优选调整为8wt.%~9wt.%，更优选为8wt.%；所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭在厌氧发酵体系中的浓度为5~10g/l，优选为5~8g/l，更优选为5g/l。
42.由于黄贮秸秆富含乳酸，通过提高黄贮秸秆比例（从30%~50%提高到60%~80%），总固体浓度（ts）由原定的4%~6%提高至8%~10%，使体系内乳酸和乙酸浓度维持在8~10g/l；厌氧发酵所需停留时间由产甲烷所需的20~30天缩短至生产中链脂肪酸发酵所需的停留时间9~15天，通过一系列调控可以促进厌氧发酵体系产中链脂肪酸。
43.在本发明中，所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭的制备方法优选包括：将生物炭与含zncl2的盐酸溶液混合，得到酸化的生物炭；
44.将所述酸化的生物炭用去离子水洗涤至中性后烘干；
45.将烘干后的生物炭与蒽醌-2-羧酸溶液混合，在30℃的温度条件下振荡24h后，用去离子水洗涤至中性后烘干，得到所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭。
46.本发明优选将生物炭研磨后过100目筛，得到筛下物。本发明对所述生物炭的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。
47.得到筛下物后，本发明优选将所述筛下物与含zncl2的盐酸溶液混合，得到酸化的生物炭。在本发明中，所述生物炭与盐酸溶液的质量体积比优选为10g：1l；所述zncl2的浓度优选为250g/l；所述盐酸溶液中hcl的浓度优选为1mol/l；所述混合方法优选包括：在30℃，120rpm的条件下搅拌0.5h。
48.得到酸化的生物炭后，本发明优选将所述酸化的生物炭用去离子水洗涤至中性后烘干。在本发明中，所述去离子的温度优选为90℃；所述烘干的温度优选为105℃。
49.烘干后，本发明优选将烘干后的生物炭与蒽醌-2-羧酸溶液混合，在30℃的温度条件下振荡24h后，用去离子水洗涤至中性后烘干，得到所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭（bc/aqc）。在本发明中，所述蒽醌-2-羧酸溶液的浓度优选为0.8~1mmol/l，更优选为1mmol/l。
50.本发明利用生物炭（bc）具有多孔结构，比表面积大，表面官能团可以吸附、缓冲、固定微生物，增加体系缓冲能力的作用，通过适宜的方法在生物炭表面负载氧化还原介体蒽醌-2-羧酸（aqc），制备得到的bc/aqc介导的微生物在种间电子传递作用下增强了生化反应，实现乙酸浓度占比提高到60%以上，促进丙酸和丁酸降解，丙酸和丁酸浓度占比降低至30%以下，从而有利于后续颗粒污泥合成中链脂肪酸。
51.本发明所述氨抑制优选包括：厌氧发酵体系中氨氮浓度≥1500mg/l；当所述厌氧发酵体系出现氨抑制时，甲烷生产受到抑制，即沼气中甲烷含量低于30%，产气量低于100l/kg
·
ts，故实际应用时，优选监测沼气中的甲烷含量、产气量和氨氮浓度，即当体系的氨氮浓度≥1500mg/l，甲烷含量低于30%和产气量低于100l/kg
·
ts时，进行调控；所述调控优选包括：在所述厌氧发酵体系中添加终体积浓度为10%的驯化污泥，使所述厌氧发酵体系的氨氮浓度＜1500mg/l，解除氨抑制；当氨抑制解除时，调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，并将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，水力停留时间调整为9~15天；当所述厌氧发酵体系的乳酸和乙酸总浓度＞4g/l时，在所述厌氧发酵体系中添加甲烷抑制剂；所述ph值更优选为5.5，所述水体停留时间优选调整为9~12天，更优选为9天；所述进料的总固体浓度优选调整为8wt.%~9wt.%，更优选为8wt.%；所述甲烷抑制剂优选包括2-溴乙烷磺酸盐（bes）；所述甲烷抑制剂在厌氧发酵体系的终浓度优选为5~10mmol/l，进一步优选为5~8mmol/l，更优选为5mmol/l。
52.本发明通过调整进料的总固体浓度可以促进酸化进行，提高短链酸（乳酸和乙酸）的浓度，当短链酸（乳酸、乙酸）累积到＞4g/l以上时，加甲烷抑制剂，避免有机物被产甲烷菌消耗，抑制甲烷生成，维持系统甲烷产量低于30l/kg
·
ts，再接种具有碳链延长功能的颗粒污泥用于生产中链脂肪酸。
53.在本发明中，当发酵体系内出现高浓度氨氮抑制时浓＞4000mg/l，优选为（4000~7000]mg/l时，由于产甲烷阶段比产酸阶段更容易受到氨抑制，产酸阶段产生的挥发性脂肪酸（vfas）不能及时用于产甲烷，体系内同时出现酸抑制，进一步抑制了产甲烷菌生长代谢，形成反馈抑制，此时所述调控的方法优选还包括：当添加所述驯化污泥至所述厌氧发酵体系的氨氮浓度＜1500mg/l时，在所述厌氧发酵体系中还添加短乳杆菌和植物乳杆菌；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的活菌数分别优选为1~2亿cfu/g；所述植物乳杆菌优选购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号优选为cicc 21790；所述短乳杆菌优选购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号优选为accc 05488；所述短乳杆菌、植物乳杆菌和物料的质量比优选为10~20：10~20：100，更优选为15：15：100；所述物料优选为所述厌氧发酵体系中补充的发酵底物；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的添加方式优选包括通过沼液回流的方式添加；所述回流比优选为40%~60%，进一步优选为50%~60%，更优选为60%。本发明通过提高酸化菌（短乳杆菌和植物乳杆菌）的接种量，促进体系水解酸化，使体系内乙酸和乳酸浓度维持在8~10g/l，且乙酸浓度占总挥发性脂肪酸比例维持在60%以上，从而为碳链延长提供充足的电子受体和电子供体，最后再接种具有碳链延长功能的颗粒污泥用于生产中链脂
肪酸，可以将厌氧发酵产甲烷改为产中链脂肪酸。
54.在本发明中，所述驯化污泥的制备方法优选包括：将污泥、乙酸和乳酸混合，进行厌氧发酵；当污泥对总氮去除率≥75%时，调整厌氧发酵至进水中氨氮浓度为10mg/l至污泥对总氮去除率＞85%，得到所述驯化污泥；所述厌氧发酵的进水中氨氮浓度优选为60mg/l；初始ph优选为7~8，更优选为8；温度优选为30~35℃，更优选为35℃；进水氮负荷优选为4~6kgn/（m3·
d），更优选为6kgn/（m3·
d）；所述污泥、乙酸和乳酸的比例优选为1l：1.9g：3.2g。本发明所述的驯化污泥可以降低体系的氨氮浓度。
55.本发明所述由于接种污泥活性低导致产气不理想的判断标准优选包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量＜30%和产气率＜100l/kg
·
ts；当所述厌氧发酵体系由于接种污泥活性低导致产气不理想时，所述调控优选包括：调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，并将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，水力停留时间调整为9~15天，添加终浓度为7~10mg/l的fe
3+
、终浓度为0.5~1mg/l的co
3+
和终浓度为0.5~1mg/l的ni
2+
；所述ph值更优选为5.5，所述水体停留时间优选调整为9~12天，更优选为9天；所述进料的总固体浓度优选调整为8wt.%~9wt.%，更优选为8wt.%；所述fe
3+
的终浓度优选为8~10mg/l，更优选为10mg/l；所述co
3+
的终浓度优选为0.8~1mg/l，更优选为1mg/l；所述ni
2+
的终浓度优选为0.8~1mg/l，更优选为1mg/l。本发明通过在体系内添加适宜浓度的混合fe
3+
、co
3+
和ni
2+
，增加了发酵系统中微生物群落的多样性和丰富度，有利于产酸微生物、互营微生物以及碳链延长微生物之间的协同作用，提高功能微生物活性，有效促进了产中链脂肪酸的厌氧发酵的启动。
56.本发明所述稳定产甲烷优选包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量≥30%和产气率≥100l/kg
·
ts；当所述厌氧发酵体系为单相厌氧发酵体系且稳定产甲烷时，所述调控优选包括：调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，优选为5.5，并将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，水力停留时间调整为9~15天，在所述厌氧发酵体系中添加甲烷抑制剂、短乳杆菌（lactobacillus brevis）和植物乳杆菌（lactobacillus plantarum）；所述甲烷抑制剂优选包括2-溴乙烷磺酸盐（bes）；所述甲烷抑制剂在厌氧发酵体系的终浓度优选为5~10mmol/l，进一步优选为5~8mmol/l，更优选为5mmol/l；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的活菌数分别为1~2亿cfu/g；所述植物乳杆菌优选购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号优选为cicc 22735；所述短乳杆菌优选购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号优选为cicc 20014；所述短乳杆菌、植物乳杆菌和物料的质量比为10~20：10~20：100；所述物料为所述厌氧发酵体系中每次补充的发酵底物；所述水体停留时间优选调整为9~12天，更优选为9天；所述进料的总固体浓度优选调整为8wt.%~9wt.%，更优选为8wt.%。
57.在本发明中，当所述厌氧发酵体系为双相厌氧发酵体系且稳定产甲烷时，所述调控优选包括：调节产酸相的ph值为4.0~5.5，并将产酸相进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，进料中的秸秆含量调整为＞60wt.%，水力停留时间调整为9~15天；产酸相的ph值优选调整为4.0~5.0，更优选为4.0；所述进料的总固体浓度优选调整为8wt.%~9wt.%，更优选为8wt.%；所述水体停留时间优选调整为9~12天，更优选为9天；进料中的秸秆含量优选调整为60wt.%~80wt.%，更优选为70wt.%。
58.发明采用环境因子调控和微生物强化耦合的方式，实现发酵代谢路径由传统产沼
气向合成中链脂肪酸的快速改变，加强中链脂肪酸生产，提高原料的降解效率及产物的高值化转化。
59.为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
60.实施例1
61.以黄贮玉米秸秆和牛粪混合为发酵原料，在总ts为6wt.%的条件下，秸秆牛粪按5：5的质量比混合后加入5l的发酵装置进行连续式厌氧发酵产甲烷试验，水力停留时间为30天。
62.发酵第15天，体系内甲烷含量为25%，产气量为87l/kg
·
ts，且发酵体系ph为6.7时，此时体系出现酸抑制，将进料秸秆牛粪质量比调整为6：4，通过添加终浓度为5g/l的bc/aqc，接种10wt.%的颗粒污泥，并缩短水力停留时间至9天，进料浓度提高至8%，开始进行中链脂肪酸生产；
63.所述bc/aqc由以下方法制备得到：将生物炭在研钵中研磨后过100目筛，得到筛下生物炭；将所述筛下生物炭加入到含zncl2的的盐酸溶液中，在磁力搅拌器以30℃，120rpm搅拌0.5h，得到酸化的生物炭；所述筛下生物炭与盐酸溶液的质量体积比为10g：1l；所述zncl2的浓度为250g/l；所述盐酸溶液中hcl的浓度为1mol/l；
64.用90℃去离子所述酸化的生物炭至中性后放置于烘箱中105℃烘干至恒重；
65.将烘干后的生物炭浸入配制的1mmol/l的aqc（蒽醌-2-羧酸）溶液中，利用磁力搅拌器搅拌至均匀后置于在30℃的摇床中振荡24h后，用去离子水洗涤固态产物至中性后烘干，即得到bc/aqc；
66.所述颗粒污泥由以下方法制备得到：以总固体浓度为2%的黄贮玉米秸秆为原料，接种污泥和乳酸，在温度38℃，ph为5.5的条件下，进行厌氧发酵至己酸浓度为4g/l，得到所述颗粒污泥；所述污泥于2023年03月22日，购自三河市盈盛生物能源科技有限公司；所述原料、污泥和乳酸的比例为1l：50ml：10g。
67.开始进行中链脂肪酸生产后12天，通过气相色谱仪测定己酸的浓度，样品制备与检测方法参照文献【于佳动，赵立欣，冯晶，等. 序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[j]. 农业工程学报，2018，34(15)：215－221.】，最终测定体系的己酸浓度为5.63g/l
·
d。
[0068]
实施例2
[0069]
以黄贮玉米秸秆和牛粪混合为发酵原料，在总ts为4wt.%的条件下，秸秆牛粪按4：6的质量比混合后加入5l的发酵装置进行连续式厌氧发酵产甲烷试验，水力停留时间为30天。
[0070]
发酵第67天，体系中甲烷含量为26%，产气量为87l/kg
·
ts，且氨氮浓度为2300mg/l，此时体系出现氨抑制，先添加终体积浓度为10%的驯化污泥，降低氨氮浓度至1500mg/l以内，解除氨抑制后调整原料中秸秆和牛粪质量比为7：3，用0.5mol/l盐酸调节发酵体系ph至5.5，当体系内短链脂肪酸浓度积累到4g/l时，添加5mmol/l的bes维持甲烷产量低于100l/kg
·
ts，缩短水力停留时间至9天，提高进料浓度至8%，并接种10wt.%实施例1所述的颗粒污泥，开始进行中链脂肪酸生产；
[0071]
所述驯化污泥由以下方法制备得到：将污泥、乙酸和乳酸混合，在初始进水中氨氮浓度为60mg/l，初始ph为8，温度为35℃和进水氮负荷为6kgn/（m3·
d）的条件下进行厌氧发酵；当污泥对总氮去除率为75%时，调整厌氧发酵至进水中氨氮浓度为10mg/l至污泥对总氮去除率为86%，得到所述驯化污泥；所述污泥、乙酸和乳酸的比例为1l：1.9g：3.2g；
[0072]
开始进行中链脂肪酸生产后12天，通过气相色谱仪测定己酸的浓度，样品制备与检测方法参照文献【于佳动，赵立欣，冯晶，等. 序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[j]. 农业工程学报，2018，34(15)：215－221.】，最终测定体系的己酸浓度为5.11g/l
·
d。
[0073]
实施例3
[0074]
以黄贮玉米秸秆和牛粪混合为发酵原料，在总ts为6wt.%的条件下，秸秆牛粪按7：3的质量比混合后加入5l的发酵装置进行连续式厌氧发酵产甲烷试验，水力停留时间为30天。
[0075]
发酵第74天，由于接种污泥活性低导致产气不理想，厌氧发酵体系的ph值为7.3、氨氮浓度为4800mg/l、沼气中甲烷含量为23%和产气率为76 l/kg
·
ts。用0.5mol/l盐酸调节发酵体系ph至5.5，并加入终浓度为10mg/l的fe
3+
（fecl2·
4h2o溶液）、终浓度为1mg/l的co
3+
（cocl2·
6h2o溶液）和终浓度为1mg/l的ni
2+
（nicl2·
6h2o溶液）。当发酵体系中乙酸占比达75%以上时，接种10wt.%实施例1所述的颗粒污泥，同时缩短水力停留时间至9天，进料浓度提高至8%，开始进行中链脂肪酸生产；
[0076]
开始进行中链脂肪酸生产后12天，通过气相色谱仪测定己酸的浓度，样品制备与检测方法参照文献【于佳动，赵立欣，冯晶，等. 序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[j]. 农业工程学报，2018，34(15)：215－221.】，最终测定体系的己酸浓度为4.87g/l
·
d。
[0077]
实施例4
[0078]
以黄贮玉米秸秆和牛粪混合为发酵原料，在总ts为4wt.%的条件下，秸秆牛粪按7：3的质量比混合后加入5l的发酵装置进行连续式厌氧发酵产甲烷试验，水力停留时间为30天。发酵过程中运行稳定（厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量≥30%和产气率≥100l/kg
·
ts），在发酵第15天提高进料浓度至8%，用0.5mol/l盐酸调节发酵体系ph至5.5，并添加5mmol/l bes、短乳杆菌和植物乳杆菌维持甲烷产量低于100l/kg
·
ts，以及接种10wt.%实施例1所述的颗粒污泥，停留时间缩短至10天，开始进行中链脂肪酸生产；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的活菌数均为1.2亿cfu/g；所述植物乳杆菌购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为cicc 22735；所述短乳杆菌购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为cicc 20014；所述短乳杆菌、植物乳杆菌和补充发酵底物的质量比为10：10：100；
[0079]
开始进行中链脂肪酸生产后12天，通过气相色谱仪测定己酸的浓度，样品制备与检测方法参照文献【于佳动，赵立欣，冯晶，等. 序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[j]. 农业工程学报，2018，34(15)：215－221.】，最终测定体系的己酸浓度为6.05g/l
·
d。
[0080]
实施例5
[0081]
以黄贮玉米秸秆和牛粪混合为发酵原料，在总ts为4wt.%的条件下，秸秆牛粪按7：
3的质量比混合后加入5l的发酵装置进行连续式厌氧发酵产甲烷试验，水力停留时间为30天。发酵过程中运行稳定（厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量≥30%和产气率≥100l/kg
·
ts），在发酵第15天用0.5mmol/l盐酸调节产酸相ph至4.0，当体系内乙酸和乳酸浓度达到10g/l，在产甲烷相中接种10wt.%实施例1所述的颗粒污泥，开始进行中链脂肪酸生产；
[0082]
开始进行中链脂肪酸生产后12天，通过气相色谱仪测定己酸的浓度，样品制备与检测方法参照文献【于佳动，赵立欣，冯晶，等. 序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[j]. 农业工程学报，2018，34(15)：215－221.】，最终测定体系的己酸浓度为6.14g/l
·
d。
[0083]
实施例6
[0084]
一种和实施例1相似的方法，区别在于，制备所述颗粒污泥时的污泥原料于2022年12月21日，购自河北京安生态科技有限公司公司。最终测定体系的己酸浓度为4.1g/l
·
d。
[0085]
实施例7
[0086]
一种和实施例1相似的方法，区别在于，制备所述颗粒污泥时的污泥原料于2022年6月8日，购自河北美客多食品集团股份有限公司公司。最终测定体系的己酸浓度为4.14g/l
·
d。
[0087]
综上所述，本发明提供的方法通过调控和接种颗粒污泥，将沼气工程产甲烷改成产中链脂肪酸，提高厌氧发酵过程中的底物降解程度及目标产物中链脂肪酸的转化速率，解决了沼气工程运行效益低、经济效益低、产品利用价值不高等问题，对厌氧发酵生产高附加值的产品具有重要的经济价值。
[0088]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

技术特征：
1.一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法，其特征在于，包括：以秸秆和牛粪为主要原料进行厌氧发酵，获得产甲烷的厌氧发酵体系，所述产甲烷的厌氧发酵体系包括单相厌氧发酵体系或两相厌氧发酵体系；调控所述产甲烷的厌氧发酵体系内乙酸和乳酸的总浓度至8~10g/l，且乙酸浓度为总挥发性脂肪酸浓度的60wt.%以上，接种终浓度为10wt.%~20wt.%的颗粒污泥，得到产中链脂肪酸的厌氧发酵体系；所述颗粒污泥的制备方法包括：将秸秆、污泥和乳酸混合，厌氧发酵至己酸浓度为3~4g/l，得到所述颗粒污泥；所述秸秆、污泥和乳酸的比例为1l：50ml：10g；当所述厌氧发酵体系为两相厌氧发酵体系时，所述调控在产酸相中进行，所述接种在产甲烷相中进行；当所述厌氧发酵体系为单相厌氧发酵体系时，所述调控和接种在同一厌氧发酵体系中进行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒污泥的制备方法中，所述厌氧发酵的温度为38℃，ph值为5.5，所述秸秆的总固体浓度为2%。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述调控在所述产甲烷的厌氧发酵体系出现酸抑制时进行，所述调控包括：将进料的秸秆和牛粪的质量比调整为6：4~8：2，添加终浓度为5~10g/l的负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭，水力停留时间调整为9~15天和进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%；所述酸抑制包括：厌氧发酵体系中总有机酸浓度＞14g/l。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭的制备方法包括：将生物炭与含zncl2的盐酸溶液混合，得到酸化的生物炭；将所述酸化的生物炭水洗涤至中性后烘干；将烘干后的生物炭与蒽醌-2-羧酸溶液混合，水洗涤至中性后烘干，得到所述负载有蒽醌-2-羧酸的生物炭。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述生物炭与盐酸溶液的质量体积比为10g：1l；所述盐酸溶液中zncl2的浓度为250g/l；所述盐酸溶液中hcl的浓度为1mol/l；所述蒽醌-2-羧酸溶液的浓度为0.8~1mmol/l。6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述调控在所述产甲烷的厌氧发酵体系出现氨抑制时进行，所述调控包括：添加终体积浓度为10%的驯化污泥，调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%和水力停留时间调整为9~15天；所述氨抑制包括：厌氧发酵体系中氨氮浓度≥1500mg/l；所述驯化污泥的制备方法包括：将污泥、乙酸和乳酸混合，进行连续厌氧发酵；所述污泥、乙酸和乳酸的比例为1l：1.9g：3.2g；当污泥对总氮去除率≥75%时，调整进水中氨氮浓度为10mg/l至污泥对总氮去除率＞85%，得到所述驯化污泥。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氨抑制为厌氧发酵体系中氨氮浓度＞4000mg/l时，所述调控的方法还包括：添加短乳杆菌（lactobacillus brevis）和植物乳杆菌（lactobacillus plantarum）；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的活菌数分别为1~2亿cfu/g；所述短乳杆菌、植物乳杆菌和补充发酵底物的质量比为10~20：10~20：100。8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述调控在所述产甲烷的厌氧发酵体系由于接种污泥活性低导致产气不理想时进行，所述调控包括：调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，水力停留时间调整为9~15天，添加
终浓度为7~10mg/l的fe
3+
、终浓度为0.5~1mg/l的co
3+
和终浓度为0.5~1mg/l的ni
2+
；所述由于接种污泥活性低导致产气不理想的判断标准包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量＜30%和产气率＜100l/kg
·
ts。9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述厌氧发酵体系为单相厌氧发酵体系且稳定产甲烷时，所述调控包括：调节厌氧发酵体系的ph值为5.5~6.5，将进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，水力停留时间调整为9~15天，添加甲烷抑制剂、短乳杆菌和植物乳杆菌；所述短乳杆菌和植物乳杆菌的活菌数分别为1~2亿cfu/g；所述短乳杆菌、植物乳杆菌和补充发酵底物的质量比为10~20：10~20：100；所述稳定产甲烷包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量≥30%和产气率≥100l/kg
·
ts。10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述厌氧发酵体系为双相厌氧发酵体系且稳定产甲烷时，所述调控包括：调节产酸相的ph值为4.0~5.5，并将产酸相进料的总固体浓度调整为8wt.%~10wt.%，进料中的秸秆含量调整为＞60wt.%和水力停留时间调整为9~15天；所述稳定产甲烷包括：厌氧发酵体系的ph值为7~7.5、氨氮浓度＜1500mg/l、沼气中甲烷含量≥30%和产气率≥100l/kg
·
ts。

技术总结
本发明涉及农业废弃物利用技术领域，特别是涉及一种将甲烷发酵改成中链脂肪酸发酵的方法。本发明提供的方法采用环境因子调控和微生物强化耦合的方式，实现发酵代谢路径由传统产沼气向合成中链脂肪酸的快速改变，加强中链脂肪酸生产，提高了厌氧发酵过程中的底物降解程度及目标产物中链脂肪酸的转化速率，解决了沼气工程运行效益低、经济效益低、产品利用价值不高等问题，对厌氧发酵生产高附加值的产品具有重要的经济价值。具有重要的经济价值。具有重要的经济价值。


技术研发人员：于佳动 梁依 赵立欣 姚宗路 罗娟 申瑞霞
受保护的技术使用者：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/8/28