废弃豆渣厌氧酸化-碳链增长耦合制备己酸的研究

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近几年,利用碳链增长反应将废弃生物质厌氧发酵产生的小分子有机物合成为中链脂肪酸(MCFAs)受到广泛关注,MCFAs凭借其高能量密度和低溶解度在诸多资源化产物中脱颖而出。复杂生物质豆渣作为大豆制造业的副产品,在我国每年产生约两千万吨。由于其不耐贮藏、口感较差和味道大的问题,豆渣大部分会被直接丢弃,造成资源浪费和环境污染。简单的饲料化处理不能满足当前节约资源和保护环境的国策,也不能响应国家碳达峰和碳中和的阶段目标。因此,本研究将豆渣作为厌氧消化底物用于乳酸的生产,进而将发酵液中的乳酸和短链脂肪酸(SCFAs)升级为己酸,旨在为豆渣的高值资源化利用提供一种新的思路。实验首先以豆渣作为唯一底物,设置底物浓度梯度,在未调控p H的前提下探究将其用于乳酸生产的可行性。结果显示豆渣并不适合直接用于乳酸生产,需要通过相关的处理以提高乳酸的产量。考虑到接种比、p H是厌氧发酵的关键参数,且底物浓度对有机负荷和乳酸产量有一定影响,本实验用统计学软件SPSS设置了三因素、四水平的正交表,利用正交试验考察底物浓度、p H、接种比对豆渣产乳酸的影响。结果表明设置的三个因素都对豆渣产乳酸有显著影响,且接种比为50%,p H=5,底物浓度为40 g/L的处理是豆渣进行乳酸生产的最优组合。此时发酵液内最大氨氮浓度尚未达到对厌氧发酵过程抑制的程度,可以用作己酸制备的底物。以豆渣发酵液为底物,接种驯化的活性污泥,探究在无外界添加外源有机物的条件下并将其直接用于己酸制备的效果。结果表明,前期未调控p H的条件下只有丁酸富集,后续对p H进行调控之后有己酸的合成。为进一步提升己酸产量,乙醇被添加到反应器中,和乳酸作为双电子供体共同用于己酸的制备,实验考察了不同电子供体/电子受体(ED/EA)比值下己酸的制备效果。结果表明,投加一定量的乙醇可以提高底物的转化率和产物的制备速率,且ED/EA为2:1时获得了最大己酸产量2.757 g/L。最后,本研究探索了外加刺五加生物炭和活性炭对己酸制备的促进作用,并通过进一步表征来解释二者对己酸制备的影响及其区别。结果表明,刺五加生物炭的添加能够提高己酸的产量并缩短生产的滞后期,得到最大的己酸浓度为3.05 g/L,此时的己酸选择度为41.15%。活性炭的添加也能起到缩短滞后期并提高己酸的产量,但其效果不如生物炭,二者的区别在于生物炭表面含有与高氧化还原活性有关的C=O官能团。
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