CN117721158A

CN117721158A - 一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法

Info

Publication number: CN117721158A
Application number: CN202311750822.7A
Authority: CN
Inventors: 谢爱迪; 谢书轩; 吴青梅
Original assignee: Hefei Feimu Biotechnology Co ltd
Current assignee: Hefei Feimu Biotechnology Co ltd
Priority date: 2023-12-19
Filing date: 2023-12-19
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2043-12-19
Also published as: CN117721158B

Abstract

本发明公开了一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，包括如下步骤，步骤一：混合物料，控温、需氧发酵，所述的物料包括皂脚、醋酸杆菌、甲烷杆菌和水，进行皂的酸化同时耦合脂肪酶对油脂的水解，生成的粗脂肪酸。将富含有机质的水层排入发酵罐B、油层（粗脂肪酸）排入C罐。步骤二：发酵罐B厌氧发酵，产气结束后，升温使微生物变性、灭活，经离心使固相、油相和水相分离，固相和水相用于生态有机肥，油相合并到粗脂肪酸罐C中。步骤三：粗脂肪酸经过加热脱水干燥后，精馏得到成品脂肪酸。本发明操作简单、成本低、环境友好并且分别得到脂肪酸、生物甲烷、生态有机肥、进一步提高生产收益，生产过程安全可靠便，于推广应用。

Description

一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法

技术领域：

本申请涉及一种脂肪酸和生物甲烷的制造方法。具体涉及一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，属于皂脚资源化生物技术领域。

背景技术：

面向“双碳”目标与产业变革的重大需求，提高生物法对能量的利用效率，利用自然界存在的油脂、碳水化合物、蛋白质三大重要物质，形成生物法制造路线，实现工业绿色化，通过生物发酵的工艺优化、控制、以及分离、纯化等手段，展示生物法高效低成本生产的优势，从而实现生物甲烷、脂肪酸转化的多细胞体系设计构建，充分发挥合成生物学的“赋能”潜质，推动生物技术替代传统产业的革命。

油脂是食品中不可缺少的重要成分之一。由于油料种子生长的过程成熟度、真菌污染、霉变等因素，致使制备的植物毛油，直接食用有安全隐患。那么植物油精炼是食用油不可或缺的一个环节。精炼时产生的皂脚(GB/T8873-2008)是精炼过程中最大的副产品。

全国每年皂脚产量约260万吨左右(油脂协会数据)，其主要成分是脂肪酸钠(钾)、中性油脂、碳水化合物、蛋白质、色素、维生素等与水的混合物，传统处理工艺普遍采用：酸化法，即用10-16％的稀硫酸或浓盐酸进行酸化处理，得到脂肪酸和中性油脂(甘油三酯)的混合油层(轻相)；溶于水的硫酸钠或氯化钠、色素、碳水化合物、蛋白质等悬浮物的混合水层(重相)，利用密度差将混合油层和水层分离。

上述传统的皂脚处理工艺即：酸化法，有着多种不足之处：

其一，加入无机酸分出的油层(轻相)，是脂肪酸和中性油的混合物，酸值为50-120不能直接精馏得到脂肪酸(酸值200左右)。

其二，加入无机酸与皂脚中的钠、钾离子结合，生成硫酸钠(钾)、氯化钠(钾)等盐类物质，即混合水层(重相)。同时还有过量的酸、糖份、饼粕(蛋白质)含无机盐的废水是当前治理的难题。

随着国家对环境保护、资源利用的日益重视，生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法显得尤为重要。

来源于植物油基的脂肪酸是重要的生物化学品中间体，广泛应用于日化、橡胶、医药以及生物能源领域。

生物甲烷(CH₄)是餐厨垃圾、植物秸秆、畜禽粪便、废弃植物饼粕，通过微生物厌氧发酵，产生沼气的主要成份。生物甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)干重整是合成气(H₂+CO)生产的负碳新路径。可用于生产：零碳甲醇(CH₃OH)、可持续性生物航煤(SAF)的重要原料，生物制造促进以生物质为原料转化合成能源化学品与材料，脱离石油化学工业路线新模式，具有低碳循环，绿色清洁等典型特征。

发明内容：

本发明提供:一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，解决了现有皂脚无机酸化法回收脂肪酸工艺的不足以及脂肪酸纯度不高、水相含盐等问题。本发明首次提出：皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷；皂脚资源最大化利用，工艺简单、绿色清洁、便于推广应用。

为了达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于，所述生物法即微生物菌群多样性鉴定及影响，其生长和繁殖对提供基质营养包括皂脚中脂质、糖份、蛋白质、矿物质，维生素和生物活性化合物等，为微生物的生长和增殖提供了理想的环境。

植物油毛油制取过程，因饼粕经过超高温灭菌操作，所以毛油精炼过程所得皂脚也是无菌的。

一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，包括如下步骤：

(1)将皂脚加入带有控温装置的发酵罐中，用一定量的去离水，20-60℃温度下加入醋酸杆菌占皂基的0.8-3.0％，同时加入甲烷杆菌菌株占皂基的1.0-5.0％。开动搅拌，混合均匀，控制一定的粘度和温度以及皂基的PH值。

(2)保持发酵温度20-60℃，皂基的PH为6-8，通入无菌空气，通气量为占混合物料体积的25-50％，这样保证了醋酸杆菌在有氧条件下生长旺盛，产酸量大；同时甲烷杆菌菌群在有氧条件产酸。在发酵罐中，通过对发酵温度、PH值、气量、皂基中甘油浓度、糖浓度和氮源进行控制，培养24h，粗脂肪酸由于密度小于水，浮在发酵罐的上层，取样，检验酸值，合格后，通过发酵罐的分油装置排出到脂肪酸储罐，精馏得到脂肪酸成品。

(3)分去油层的发酵液，控制发酵温度40-68℃，停止通入无菌空气，由两段发酵的需氧段转换成厌氧段，需氧的醋酸杆菌在无氧条件下生长受抑制；甲烷杆菌群落，厌氧条件下，菌株细胞工厂构建及产物合成强化，以及磷酸化激酶产生多维度协同调控厌氧菌株，使分去油层(脂肪酸)富含碳源的发酵液，转化为生物甲烷(CH₄)，产气结束后，发酵液升温70-100℃，微生物变性、灭活，三相分离完成少量脂肪酸的提取，得到水和渣，即是传统的沼液和沼渣，用于生态有机肥。

进一步地，步骤(1)中，发酵罐为水溶控温内置冷却盘管，带有可调速搅拌。

所述醋酸杆菌为醋酸杆菌属(Acetobacter)，幼龄菌为革兰氏阴性菌，老龄菌往往变为革兰氏阳性菌。无芽孢，能运动或不能运动，需氧。该属菌有较强的氧化能力，容易通过富营养物质发酵产酸，我们已发现，芽孢杆菌、乳酸菌或链球菌属的细菌，可以代谢皂脚中的营养物质，产生有机酸用来分解皂脚。菌种来源中国微生物菌种中心。甲烷杆菌菌种，可以是市售或市政污泥培养选育。属于微生物群落，鉴定的微生物包括：甲烷杆菌、甲烷梭菌属，假单胞菌、乳球菌、芽孢杆菌属、酵母菌、解脂耶氏酵母、大肠杆菌等。这些微生物的发酵温度20-60℃，优选40-45℃。需氧条件下，会产出醋酸、丙酸、丁酸、乳酸、乙醇酸、丙酮酸等有机酸。可以酸化分解皂脚。在酸化过程中，皂脚中的钠(钾)离子缓冲了酸发酵的PH值，并防止PH值过低，抑制微生物的活性，并降低有机酸的产量。由微生物细胞产酸过程中合成的脂肪酶、磷脂酶会耦合酶解分离出的脂质，提升酸值。

进一步地，步骤(2)中，需氧发酵温度20-60℃，通入无菌空气，通气量占混合物料体积的25-50％，微生物菌群，会合成出有机酸和脂肪酶水解以及磷酸化激酶等。

皂脚的混合物在需氧发酵时，产生的有机酸包括醋酸、丙酸、丁酸、乙醇酸、丙酮酸中的一种或几种，中和或酸化皂脚中的脂肪酸钠或脂肪酸钾，生成脂肪酸；同时微生物代谢产生的脂肪酶耦合水解甘油三酯，产生脂肪酸和甘油，甘油可作为有机碳源；混合物经需氧发酵后，生成的脂肪酸油相和含有溶于水的有机碳源的混合水相由于密度差，会分层。

进一步地，步骤(2)中的反应式如下(反应是同步耦合进行)RCOONa(K)+CH₃COOH(或其他有机酸)→RCOOH+CH₃COONa(K)

所述脂肪酸的酸值/(mgKOH/g)GB/T5530,检验达到195-200mgKOH/g为水解(酸化)合格，进一步精馏得到脂肪酸成品。

进一步地，步骤(3)中，分出发酵罐上层油层(脂肪酸)，需氧发酵转换为厌氧模式，升高温度控制40-60℃。

富含有机碳源的水层，经厌氧发酵产生生物甲烷(CH₄)；其中有机碳源包括有机酸、有机盐、蛋白质、甘油、碳水化合物等。在厌氧条件下，生物菌群会将发酵液中有机酸、有机盐、蛋白质、甘油、碳水化合物等有机碳源转化为生物甲烷(CH₄)，一直到无甲烷(CH₄)放出，为反应终点。

进一步地，步骤(3)中，生物甲烷生成结束后，发酵液升温70-100℃，其目的：使微生物菌群失活，转化为沼渣、沼液类生态有机肥。

附图说明

图1为本发明方法的工艺流程图

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明提供的皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法进行详细的说明。

实施例1

本实施例的一种皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，首先对皂脚进行检测：无致病菌、酸化后酸值70mgKOH/g以上、皂化值195mgKOH/g、糖份及淀粉≥8.0％、蛋白质≥3.0％、且含有磷脂、矿物质、维生素类等生物质基质。然后，将检测合格的皂脚称取1000公斤泵入3m³需氧水解酸化罐A，控温生物发酵，水浴加热控温30-33℃开启搅拌；其次，称取占皂脚重量1.0％醋酸杆菌10公斤和2.0％甲烷杆菌菌株20公斤，用它们两倍重量的去离水60公斤，混合成糊状后加入发酵罐3m³ A中，恒温后，通入无菌空气，通气量占混合物料体积的25％，气压不低1.5kg/cm²。控温、需氧、搅拌条件下生物发酵24h，取上层油样，化验酸值160mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g，继续生物水解耦合反应至48h。取油样，化验酸值190mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g。停止通气和搅拌，静置分层90分钟，将下层水层(重相)含有丰富的有机碳源和微生物，排入厌氧发酵罐2m³B罐，上层油相(粗脂肪酸)排入1m³C罐，将发酵罐B加热控温40-45℃，开启搅拌，促进热交换并传质均匀，厌氧发酵产生30-40m³的生物甲烷，无气体产生时，将厌氧发酵罐升温100℃保持10min，降温40℃经离心分离得到油层16.6公斤、水300公斤、渣30公斤(有机肥)。合并C罐和离心分出的油层为粗脂肪酸共计416.6公斤，精馏得到脂肪酸成品395.8公斤，收率大于95.0％。

实施例2

本实施例的一种皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，称取同实施例1一样质量的皂脚，占皂脚重量2.0％醋酸杆菌20公斤和4.0％甲烷杆菌菌株40公斤，用它们两倍重量的去离水120公斤，混合成糊状后和皂脚1000公斤加入发酵罐3m³A中，恒温(30-33℃)后，通入无菌空气，通气量占混合物料体积的25％，气压不低1.5kg/cm²。控温、需氧、搅拌条件下生物发酵24h，取上层油样，化验酸值190mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g，粗脂肪酸合格，停止通气和搅拌，静置分层90分钟，将下层水层(重相)含有丰富的有机碳源和微生物，排入厌氧发酵罐2m³B罐，上层油相(粗脂肪酸)排入1m³C罐，将发酵罐B加热控温40-45℃,开启搅拌，促进热交换并传质均匀，厌氧发酵产生30-40m³的生物甲烷，无气体产生时，将厌氧发酵罐升温100℃保持10min，降温40℃经离心分离得到水360公斤、渣80公斤(有机肥)。干燥C罐的油层为粗脂肪酸共计430公斤，精馏得到脂肪酸成品416.3公斤，收率大于96.8％。

实施例3

本实施例的一种皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，称取同实施例1一样质量的皂脚，占皂脚重量2.0％醋酸杆菌20公斤和4.0％甲烷杆菌菌株40公斤，用它们两倍重量的去离水120公斤，混合成糊状后和皂脚1000公斤加入发酵罐3m³A中，恒温(30-33℃)后，不通入空气，控温、厌氧、搅拌条件下生物发酵24h，取上层油样，化验酸值100mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g，再延长发酵时间至48h，取上层油样，化验酸值100mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g，证明延长时间并未发生酸化和耦合反应，静置分层90分钟，将下层水层(重相)含有丰富的有机碳源和微生物，排入厌氧发酵罐2m³B罐，上层油相(粗脂肪酸)排入1m³C罐，将发酵罐B加热控温40-45℃,开启搅拌，促进热交换并传质均匀，厌氧发酵产生15-20m³的生物甲烷，无气体产生时，将厌氧发酵罐升温100℃保持10min，降温40℃经离心分离得到水390公斤、渣100公斤(有机肥)。干燥C罐的油层为粗脂肪酸共计400.0公斤，精馏得到脂肪酸成品188.8公斤，收率大于47.2％。

实施例4

本实施例的一种皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，称取同实施例1一样质量的皂脚，占皂脚重量3.0％醋酸杆菌30公斤和5.0％甲烷杆菌菌株50公斤，用它们两倍重量的去离水160公斤，混合成糊状后和皂脚1000公斤加入发酵罐3m³A中，恒温(30-33℃)后，通入无菌空气，通气量占混合物料体积的25％，气压不低1.5kg/cm²。控温、需氧、搅拌条件下生物发酵24h，取上层油样，化验酸值190mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g，粗脂肪酸合格停止通气和搅拌，静置分层90分钟，将下层水层(重相)含有丰富的有机碳源和微生物，排入厌氧发酵罐2m³B罐，上层油相(粗脂肪酸)排入1m³C罐，将发酵罐B加热控温40-45℃，开启搅拌，促进热交换并传质均匀，厌氧发酵产生30-40m³的生物甲烷，无气体产生时，将厌氧发酵罐升温100℃保持10min，降温40℃经离心分离得到水450公斤、渣130公斤(有机肥)。干燥C罐的油层(脱水)得到粗脂肪酸共计415.6公斤，精馏得到脂肪酸成品399.4公斤，收率大于96.1％。

实施例5

本实施例的一种皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，称取同实施例1一样质量的皂脚，占皂脚重量2.0％醋酸杆菌20公斤和4.0％甲烷杆菌菌株40公斤，用它们两倍重量的去离水120公斤，混合成糊状后和皂脚1000公斤加入发酵罐3m³A中，恒温(25-30℃)后，通入无菌空气，通气量占混合物料体积的25％，气压不低1.5kg/cm²。控温、需氧、搅拌条件下生物发酵24h，取上层油样，化验酸值170mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g，继续生物水解耦合反应至36h，再取样化验酸值190mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g，粗脂肪酸合格，停止通气和搅拌，静置分层90分钟，将下层水层(重相)含有丰富的有机碳源和微生物，排入厌氧发酵罐2m³B罐，上层油相(粗脂肪酸)排入1m³C罐，将发酵罐B加热控温40-45℃，开启搅拌，促进热交换并传质均匀，厌氧发酵产生30-40m³的生物甲烷，无气体产生时，将厌氧发酵罐升温100℃保持10min，降温40℃经离心分离得到水400公斤、渣110公斤(有机肥)。干燥C罐的油层为粗脂肪酸共计408.1公斤，精馏得到脂肪酸成品380.8公斤，收率大于93.3％。

实施例6

本实施例的一种皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，首先对皂脚进行检测：无致病菌、酸化后酸值70mgKOH/g、皂化值195mgKOH/g、糖份及淀粉≥5.0％、蛋白质≥3.0％、且含有磷脂、矿物质、维生素类等生物质基质。然后，将检测合格的皂脚称取1000公斤泵入3m³需氧水解酸化罐A，控温生物发酵，水浴加热控温30-33℃开启搅拌；不加任何微生物，恒温后，通入无菌空气，通气量占混合物料体积的25％，气压不低1.5kg/cm²。控温、供氧、搅拌条件下发酵24h，发现罐A内皂脚外观没有变化，取样酸化检验酸和和皂化值与原料的相同，没有发生水解反应。同时，也分不出水层，无法进行下一步操作。

以上所述仅为本发明部分实施例，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、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：混合物料，控温、需氧发酵在A罐中完成，所述的物料包括皂脚100重量份、醋酸杆菌、甲烷杆菌和水；搅拌控温20-60℃，通入无菌空气进行需氧发酵，通气量占混合物料体积的25-50%，气压不低1.5kg/cm²；发酵24-48小时，完成皂脚的酸化同时耦合脂肪酶对油的水解，生成的粗脂肪酸由于和水的密度差，浮在上层；将富含有机质的水层排入发酵罐B、油层排入C罐；

步骤二：富含有机质的水层进入发酵罐B，升高温度40-68℃，由步骤一的需氧工段转换成厌氧发酵，甲烷杆菌群落在厌氧条件下，厌氧菌株细胞工厂开始构建及产生合成强化，以及磷酸化激酶产生多维度协同调控厌氧菌株，使分去油层的发酵液，转化为生物甲烷（CH₄），产气结束后，发酵液升温70-100℃，微生物变性、灭活，经离心使固相、油相和水相分离，固相和水相用于生态有机肥，油相合并到粗脂肪酸罐C中；

步骤三：用皂脚生物法水解耦合制备的粗脂肪酸，在C罐中经过加热脱水干燥后，精馏得到成品脂肪酸。

2.根据权利要求1所述的一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物

甲烷的方法，其特征在于所述的皂脚要符合，无致病菌、酸化后酸值70mgKOH/g以上、皂化值195mgKOH/g、糖份及淀粉≥8.0%、蛋白质≥3.0%、且含有磷脂、矿物质、维生素类等生物质基质。

3.根据权利要求1所述的一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于加入醋酸杆菌占皂脚重量的0.8-3.0%；甲烷杆菌株占皂脚重量的1.0-5.0%。

4.根据权利要求1所述的一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于，通入无菌空气前控制皂基的pH为6-8。

5.根据权利要求1所述的一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于，水的加入量为2倍于微生物的重量。

6.根据权利要求1所述的一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于皂脚的混合物在需氧发酵时，产生的有机酸包括醋酸、丙酸、丁酸、乙醇酸、丙酮酸中的一种或几种，中和或酸化皂脚中的脂肪酸钠或脂肪酸钾，生成脂肪酸；同时微生物代谢产生的脂肪酶耦合水解甘油三酯，产生脂肪酸和甘油，甘油可作为有机碳源；混合物经需氧发酵后，生成的脂肪酸油相和含有溶于水的有机碳源的混合水相由于密度差，会分层。

7.根据权利要求1所述的一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于步骤二中，富含有机碳源的水层，经厌氧发酵产生生物甲烷（CH₄）；其中有机碳源包括有机酸、有机盐、蛋白质、甘油、碳水化合物等。

8.根据权利要求1所述的一种用皂脚生物法水解耦合制备脂肪酸联产生物甲烷的方法，其特征在于步骤三中，皂脚生物法水解耦合制备的粗脂肪酸，汇集一起经过加热脱水干燥，精馏得到成品脂肪酸，收率最高达到96.8%。