本文關(guān)鍵詞：檸檬酸—沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)創(chuàng)建及關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：檸檬酸(2-羥基丙烷-1,2,3-三羧酸)是一種重要的有機酸,被廣泛的應(yīng)用于食品、飲料、化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前,生產(chǎn)1 t檸檬酸會產(chǎn)生約8 m3的發(fā)酵性廢水,這些廢水具有高化學(xué)需氧量(COD,15000-20000 mg·L~(-1))和低p H值(4.5-4.8)等特點,不經(jīng)過處理直接排放會對環(huán)境造成嚴重的危害。大多數(shù)檸檬酸廠主要是通過“厭氧-好氧消化”這一工藝對廢水進行處理,但是該方法存在設(shè)備占地大,投資和運行費用高,出水仍然達不到國家工業(yè)廢水排放標準等問題,給企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟和環(huán)保負擔(dān)。針對上述問題,參考“發(fā)酵生態(tài)工程學(xué)”理論,本論文建立了“檸檬酸-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)”;并從厭氧消化和檸檬酸發(fā)酵兩個層面對耦聯(lián)系統(tǒng)的可行性進行了驗證;明確了會對耦聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響的主要抑制物質(zhì)種類,對其影響機制進行了初步研究并建立了相應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化方案。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)基于發(fā)酵生態(tài)工程學(xué)原理,建立了檸檬酸-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,木薯和玉米作為原料經(jīng)過粉碎配料、液化和滅菌后用于檸檬酸發(fā)酵,產(chǎn)生的檸檬酸發(fā)酵廢水經(jīng)過厭氧消化處理和水資源化的深度處理后,作為工藝用水回用到下一批次的檸檬酸發(fā)酵過程中,從而消除檸檬酸發(fā)酵廢水的排放并減少水資源的消耗。研究發(fā)現(xiàn),厭氧消化出水不經(jīng)過資源化處理直接回用于檸檬酸發(fā)酵,會造成檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)量與去離子水發(fā)酵相比降低34.1%,高濃度的氨氮、鈉和鉀等離子是厭氧消化出水中影響檸檬酸發(fā)酵的主要抑制性物質(zhì)。采用001×7強酸型陽離子交換樹脂對厭氧消化出水進行處理,處理后的水回用到檸檬酸發(fā)酵。循環(huán)實驗進行了十批,平均檸檬酸產(chǎn)量與去離子水發(fā)酵持平,厭氧消化過程中平均COD去除率達到94.7±0.8%。這表明循環(huán)過程中檸檬酸發(fā)酵和厭氧消化反應(yīng)器的運行都是穩(wěn)定并且高效的,同時也證明了檸檬酸-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。(2)初步建立了檸檬酸-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)中抑制物質(zhì)的去除策略。采用紫外誘變技術(shù)篩選到了對厭氧消化出水中200 mg·L~(-1)鈉離子和300 mg·L~(-1)鉀離子具有耐受性的黑曲霉菌株A.niger MZ-11,并采用空氣吹脫處理對厭氧消化出水中的高濃度氨氮和部分可沉淀金屬離子進行去除。處理過的厭氧消化出水回用于檸檬酸發(fā)酵,循環(huán)實驗進行了十批,厭氧消化處理穩(wěn)定并且高效,平均甲烷產(chǎn)率達到292.3±25.1 m L·g-1 TCODremoved,與正常沼氣發(fā)酵持平;平均檸檬酸產(chǎn)量為145.9±3.4 g·L~(-1),比去離子水發(fā)酵(149.6 g·L~(-1))水平降低了2.5%。進一步研究發(fā)現(xiàn),高濃度鈉離子是厭氧消化出水中對檸檬酸發(fā)酵造成有害影響的主要抑制因子,循環(huán)過程中其濃度最高達到1000 mg·L~(-1)。(3)考察了厭氧消化出水中高濃度鈉離子對檸檬酸-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)的影響。檸檬酸發(fā)酵過程中加入1000 mg·L~(-1)的鈉離子會影響黑曲霉細胞的正常代謝,造成培養(yǎng)基p H快速下降,黑曲霉細胞分泌的糖化酶和異麥芽糖酶的活力受到影響,部分糊精和異麥芽糖不能有效水解,總的可發(fā)酵糖濃度減少,檸檬酸產(chǎn)量顯著下降。在檸檬酸發(fā)酵初期(4-24 h)流加氫氧化鈉溶液,減緩培養(yǎng)基p H的下降速率,可以有效消除高濃度鈉離子帶來的抑制作用,檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)量顯著增加,達到去離子水發(fā)酵水平。(4)探究了厭氧消化出水中揮發(fā)性脂肪酸對檸檬酸-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)的影響。循環(huán)過程中,厭氧消化出水的揮發(fā)性脂肪酸主要是乙酸和丙酸,它們對檸檬酸發(fā)酵具有潛在的危害。正常條件下(初始p H 4.5),乙酸和丙酸對檸檬酸發(fā)酵的臨界抑制性濃度分別為480和296 mg·L~(-1)。高濃度的乙酸和丙酸會造成檸檬酸發(fā)酵的延滯期變長,黑曲霉細胞活力下降甚至裂解死亡,檸檬酸產(chǎn)量顯著降低。乙酸和丙酸對檸檬酸發(fā)酵的影響與環(huán)境p H有關(guān),p H越低,抑制作用越強。因此,循環(huán)過程中需要確保厭氧消化系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行,以控制厭氧消化出水中的揮發(fā)性脂肪酸濃度在合適的水平內(nèi)。當乙酸和丙酸等揮發(fā)性脂肪酸濃度出現(xiàn)積累時,可以適當提高檸檬酸發(fā)酵的初始p H,以減輕其對整個耦聯(lián)系統(tǒng)的影響。(5)針對厭氧消化出水中氨氮和鈉離子等影響耦聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的抑制因子,提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案并對其工藝可行性和穩(wěn)定性進行了驗證。采用空氣吹脫方法去除厭氧消化出水中會污染電滲析膜的Ca2+和Mg2+,處理過的厭氧消化出水進入到電滲析系統(tǒng),在操作電壓15 V、進料水流速50 m L·min-1條件下,Na~+、NH4+等離子的去除率均超過90%,同時淡水的回收率達到95%。產(chǎn)生的淡水回用到檸檬酸發(fā)酵,并在發(fā)酵開始時加入130 U·g-1糖化酶,厭氧消化出水中抑制因子對檸檬酸發(fā)酵的有害影響被完全消除,檸檬酸產(chǎn)量達到去離子水發(fā)酵水平。對空氣吹脫和電滲析技術(shù)處理厭氧消化出水的工藝可行性和穩(wěn)定性進行了驗證。循環(huán)實驗進行了十批,平均檸檬酸產(chǎn)量達到142.4±2.1 g·L~(-1),與去離子水發(fā)酵(141.6 g·L~(-1))基本持平;同時,厭氧消化操作穩(wěn)定并且高效,平均甲烷產(chǎn)率為297.7±19.8 m L·g-1 TCODremoved,達到正常沼氣發(fā)酵水平。(6)建立了厭氧消化出水回用標準,確保耦聯(lián)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。作為檸檬酸發(fā)酵工藝用水的厭氧消化出水需要滿足以下條件:(1)電導(dǎo)率≤750μS·cm-1;(2)Na~+≤200 mg·L~(-1);(3)K+≤300 mg·L~(-1);(4)氨氮≤50 mg·L~(-1);(5)乙酸≤480 mg·L~(-1);(6)丙酸≤296 mg·L~(-1)。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ921.1;S216.4

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5 ;[J];;年期

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1 徐健;檸檬酸—沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)系統(tǒng)創(chuàng)建及關(guān)鍵技術(shù)研究[D];江南大學(xué);2016年

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本文編號：1263246