校園餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乙醇的工藝研究

校園餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乙醇的工藝研究

近年來，隨著能源需求的增加和石油資源資源的每天消耗，尋找替代能源是必要的。作為一種新型替代能源，燃料乙醇不僅具有完全燃燒、低環(huán)境影響、可再生等優(yōu)點(diǎn)，因此生產(chǎn)工藝的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)意義。利用生物技術(shù)和可再生資源進(jìn)行燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)漸漸成為各國的研究熱點(diǎn)。我國也在新頒布的“十二五”規(guī)劃中提出了大力發(fā)展新能源的目標(biāo)。目前,國內(nèi)外多以糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇,開發(fā)廉價(jià)的原料資源是我國未來生物燃料乙醇的重要發(fā)展方向之一,利用餐廚垃圾作為乙醇發(fā)酵原料研究鮮見報(bào)道。隨著人民生活水平的不斷提高,我國的餐飲服務(wù)業(yè)也得到了快速發(fā)展,滿足了日益增長的物質(zhì)需求;但同時,越來越多的餐廚垃圾對環(huán)境造成的壓力也成為不容忽視的問題。餐廚垃圾易腐爛、易滋生病原菌,嚴(yán)重影響人們的身體健康和生活質(zhì)量,其高含水率和易生物降解等特點(diǎn),給傳統(tǒng)的填埋、堆肥或焚燒等處理處置方式帶來一系列的環(huán)境難題,如產(chǎn)生大量的滲瀝液、惡臭、溫室氣體以及二惡英等,嚴(yán)重污染了空氣、土壤和地下水。厭氧發(fā)酵是最常用的高含水率有機(jī)物能量轉(zhuǎn)化技術(shù),餐廚垃圾含有豐富的營養(yǎng)成分,利用其發(fā)酵生產(chǎn)乙醇是實(shí)現(xiàn)資源化的有效途徑之一。為有效緩解目前常見的酶制劑降解的高昂成本和酶解所需的苛刻環(huán)境條件,本實(shí)驗(yàn)以校園餐廚垃圾為原料,采用微生物預(yù)處理的糖化手段,即利用淀粉酶活性很強(qiáng)的根霉和能產(chǎn)生淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等酶類的枯草芽胞桿菌混合作用把餐廚垃圾水解成酵母菌能利用的可發(fā)酵性糖,在此基礎(chǔ)上再利用高酒精產(chǎn)率的啤酒酵母發(fā)酵產(chǎn)乙醇。通過單因素實(shí)驗(yàn),以乙醇產(chǎn)量為響應(yīng)值,對發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化,尋找最佳制備的工藝條件,為其燃料化利用提供理論依據(jù),從根本上實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾變廢為寶。1材料和方法1.1發(fā)酵指標(biāo)分析餐飲垃圾取自赭山校區(qū)食堂,經(jīng)初步分揀,用小型粉碎機(jī)打成漿后保存于4℃冰箱中待用。發(fā)酵原料成分測定:TS、VS含量及pH值參照沼氣發(fā)酵常規(guī)分析法測定,TS:(105±5)℃的恒溫箱中烘至恒重;VS:(550±5)℃馬弗爐中灼燒至恒重,稱重后計(jì)算;pH采用精確的PHS-3C型pH計(jì)測定;總糖測定:DNS法;蛋白質(zhì)含量測定參照凱氏定氮法;粗脂肪測定參照索氏提取法;纖維素測定:比色法;淀粉測定:酸水解法(GB/T5009.9-2003)。1.2培養(yǎng)草芽胞桿菌本實(shí)驗(yàn)使用的菌種均為微生物實(shí)驗(yàn)室保存菌種:酵母菌(啤酒酵母和假絲酵母),根霉和枯草芽胞桿菌。酵母菌和根霉分別接種在PDA斜面上,30℃和28℃條件下培養(yǎng)5~7d后,制成孢子懸濁液(孢子濃度:約107/mL);枯草芽胞桿菌接種在牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基斜面上28℃條件下培養(yǎng)1d,制成菌懸濁液(菌體濃度:約107/mL)備用。1.3餐廚垃圾制備乙醇厭氧發(fā)酵采用250mL的三角燒瓶作為反應(yīng)容器,每瓶分裝100g處理好的餐廚垃圾,8層紗布封口,121℃滅菌30min,冷卻待用。糖化預(yù)處理:滅菌后的餐廚垃圾,每瓶依次添加根霉孢子懸濁液(5mL),28℃處理4d,再添加芽胞桿菌懸濁液(10mL),28℃糖化處理1d,獲得餐廚垃圾的糖化液,備用。1.4氧化碳的產(chǎn)率根據(jù)影響發(fā)酵的條件,進(jìn)行不同處理。將糖化預(yù)處理后的三角燒瓶瓶口扎上一次性手套袋密封,內(nèi)含少量氧氣供應(yīng)酵母菌前期短暫的有氧呼吸并收集厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳。發(fā)酵實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定在酵母菌適宜的30℃,保證其生長繁殖旺盛,有利于發(fā)酵進(jìn)行。選取乙醇產(chǎn)率(%)作為測試指標(biāo)。在發(fā)酵過程中,為獲取最好的乙醇產(chǎn)量,依次對預(yù)處理、含水率、酵母菌種、酵母接種量以及發(fā)酵時間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)處理,得到最優(yōu)的發(fā)酵條件。(1)糖化預(yù)處理為檢測糖化預(yù)處理后餐廚垃圾的乙醇產(chǎn)量,在含水率、酵母菌種類和接種量、發(fā)酵時間一致的情況下,測定經(jīng)酵母發(fā)酵后的乙醇產(chǎn)量。(2)餐廚垃圾糖化液含水率餐廚垃圾本身含水率22.79%,餐廚垃圾糖化預(yù)處理添加菌液后含水率32.86%,在條件相同的情況下,分別向糖化液中添加0、25、50和75mL的水,即餐廚垃圾糖化液含水率分別為32.86%、44.85%、53.20%和59.36%,再添加酵母菌發(fā)酵,以確定合適的發(fā)酵含水率。(3)酵母菌種的確定在確定合適的含水率之后,在此基礎(chǔ)上,分別接種啤酒酵母、假絲酵母、啤酒酵母:假絲酵母(1∶1)進(jìn)行乙醇發(fā)酵,以確定合適的發(fā)酵菌種,未接酵母菌組為對照。(4)酵母接種量對發(fā)酵的影響在確定合適的酵母菌種后,其它條件不變,分別按0、1%、5%、10%、15%和20%的接種量添加酵母菌進(jìn)行乙醇發(fā)酵,確定合適的酵母接種比例。(5)發(fā)酵時間在確定最佳的含水率、菌種和接種量的基礎(chǔ)上,分別發(fā)酵3、4和5d,依次測定乙醇產(chǎn)量,以確定最佳的發(fā)酵時間。1.5乙醇含量測定選用RE-5286A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將發(fā)酵后的100g樣品進(jìn)行蒸餾,取餾出液用重鉻酸鉀比色法測定乙醇含量。測定原理:在硫酸介質(zhì)中,乙醇可定量被重鉻酸鉀氧化,生成綠色的三價(jià)鉻,最大吸收波長λmax為610nm,其吸光值與乙醇濃度成正比,據(jù)此建立了測定乙醇的方法。2結(jié)果與分析2.1餐廚垃圾中糖含量單餐飲垃圾具體成分測定結(jié)果為,TS值為22.79%,VS值94.35%,總糖57.95%,淀粉43.58%,粗蛋白15.04%,粗脂肪10.25%,粗纖維2.45%,pH值為6.34,以此可以看出餐廚垃圾中糖含量最高,占57.95%,這為乙醇發(fā)酵提供了較好的發(fā)酵原材料,有利于乙醇發(fā)酵的進(jìn)行。2.2標(biāo)準(zhǔn)乙醇曲線的構(gòu)建按實(shí)驗(yàn)方法,繪制了乙醇標(biāo)準(zhǔn)曲線,見圖1。本文選用610nm為測量波長。2.3乙醇產(chǎn)量分析在啤酒酵母15%接種量,30℃發(fā)酵3d的條件下,經(jīng)過根霉和芽胞桿菌菌液糖化預(yù)處理的餐廚垃圾,產(chǎn)乙醇量大大提高,可達(dá)5.87%,而未預(yù)處理組的乙醇平均產(chǎn)量僅為1.87%。由此分析可知,利用含淀粉酶活性強(qiáng)的根霉和含豐富的淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶的枯草芽胞桿菌進(jìn)行糖化預(yù)處理,它們能夠有效地把餐廚垃圾水解成酵母菌能利用的可發(fā)酵性糖,此法較之利用價(jià)格不菲的糖化酶催化,既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本,也能達(dá)到相同的糖化效果,有利于接下來的乙醇發(fā)酵順利進(jìn)行。2.4乙醇糖化液含水率在乙醇發(fā)酵過程中選擇適當(dāng)?shù)墓桃罕仁种匾?因?yàn)橐掖及l(fā)酵是產(chǎn)物抑制型發(fā)酵,若含水率低,底物的濃度過大,滲透壓升高,其生產(chǎn)的速率會減弱甚至停止;增大含水率,乙醇發(fā)酵液濃度降低,產(chǎn)物抑制作用減弱,但會增加蒸餾的能耗。在向糖化液中添加0、25、50、75mL的水,也即餐廚垃圾糖化液含水率分別為32.86%、44.85%、53.20%和59.36%時,乙醇產(chǎn)量分別為5.87%、5.27%、4.81%和4.38%。由此可知,經(jīng)過糖化預(yù)處理的餐廚垃圾,選擇啤酒酵母接種量15%,在30℃的條件下發(fā)酵3d,未添加水直接接種發(fā)酵產(chǎn)乙醇量最高,達(dá)5.87%,隨著添加水量的增加沒有促進(jìn)乙醇產(chǎn)量的提高,反而逐漸下降,當(dāng)含水率達(dá)59.36%時,乙醇產(chǎn)量降低至4.38%。由此分析可知,由于餐廚垃圾本身含水率22.79%,在使用根霉和芽胞桿菌液糖化預(yù)處理的過程中添加的菌懸液也含有水分,使得糖化液的含水率達(dá)到32.86%,因此乙醇發(fā)酵過程中餐廚垃圾經(jīng)糖化以后不需外加水分。這樣即減少蒸餾的能耗,又避免產(chǎn)生大量的廢液,減少了環(huán)境的壓力,使得餐廚垃圾發(fā)酵制備乙醇實(shí)驗(yàn)增大了可行度。2.5不同假絲酵母的產(chǎn)量本實(shí)驗(yàn)選用啤酒酵母和假絲酵母進(jìn)行乙醇發(fā)酵,由于不同酵母的性能差異,實(shí)驗(yàn)在接種量為15%的前提下,設(shè)定單一啤酒酵母、單一假絲酵母以及啤酒酵母∶假絲酵母=1∶1三種情況,在30℃發(fā)酵3d的情況下,得乙醇的產(chǎn)量分別為2.37%,2.17%,2.19%。由此可知,啤酒酵母的產(chǎn)量最高,混合酵母次之,假絲酵母最低。而根據(jù)兩種酵母的性能比較可知,啤酒酵母產(chǎn)乙醇能力強(qiáng),而假絲酵母產(chǎn)醇香能力強(qiáng),故而在短期(3d)發(fā)酵中,為了獲取更高的乙醇產(chǎn)量,選用單一啤酒酵母發(fā)酵效果好。2.6燃料乙醇發(fā)酵d菌種接種量是厭氧處理餐廚垃圾十分重要的影響因子之一,為確定合適的酵母接種量,選擇單一的啤酒酵母,并設(shè)置6個濃度梯度:0%、1%、5%、10%、15%、20%,在30℃發(fā)酵3d的情況下進(jìn)行燃料乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。由圖2可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),隨著接種量的逐漸增大,乙醇產(chǎn)量逐漸增大。接種量為5%和10%時,乙醇產(chǎn)量較少,說明發(fā)酵液中接種的生物量不夠,進(jìn)一步加大接種量至15%和20%時,乙醇產(chǎn)量增加,說明較大接種量可以有效促進(jìn)乙醇產(chǎn)量的提高,但20%接種量的效果并沒進(jìn)一步增加乙醇產(chǎn)量,說明發(fā)酵液中15%的接種量已經(jīng)飽和,過量的接種量會導(dǎo)致發(fā)酵液中的糖分不能維持酵母自身的生存和繁殖,酵母開始提前同化發(fā)酵液中產(chǎn)生的乙醇,反而使得乙醇濃度下降,且成本增高。因此,在本實(shí)驗(yàn)中,采取15%接種量較合適。2.7啤酒酵母接種量對乙醇產(chǎn)量的影響在確定了合適的酵母菌種和接種量之后,進(jìn)一步確定較合適的發(fā)酵時間。發(fā)酵時間過短,底物利用不充分,影響乙醇的產(chǎn)率;而發(fā)酵時間過長,底物量不足,酵母之間的抑制作用增強(qiáng),酵母的活性開始下降,并且增加乙醇的生產(chǎn)成本。圖3為利用啤酒酵母15%接種量,30℃發(fā)酵條件下,分別測定發(fā)酵時間為3、4和5d的乙醇產(chǎn)量的變化。從圖3中可以看出3d以后,乙醇濃度增加顯著,至5d時達(dá)到最高,為6.67%。由結(jié)果分析可知,在實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置了緩沖氣囊使得啤酒酵母有一個適應(yīng)和增殖的過程,因而延長了整個發(fā)酵過程,直至接入啤酒酵母5d時達(dá)到乙醇產(chǎn)量最高值,這與陳小翠等研究的發(fā)酵時間為101.5h乙醇產(chǎn)量最高情況6.93%接近。另外,考慮整個發(fā)酵產(chǎn)乙醇的時間過長,生產(chǎn)成本增加,且底物量有限,實(shí)驗(yàn)沒有進(jìn)一步延長發(fā)酵,選定5d為乙醇產(chǎn)量的最高時期。3實(shí)驗(yàn)可行性分析(1)將餐廚垃圾先利用根霉和芽胞桿菌糖化后,再經(jīng)啤酒酵母發(fā)酵,可從餐廚垃圾中生成燃料乙醇,本次實(shí)驗(yàn)獲取的較適宜的發(fā)酵條件為:不需外加水分,選擇啤酒酵母接種量為15%,在啤酒酵母適宜的30℃條件下,發(fā)酵時間為5d。在綜上條件下,乙醇產(chǎn)量最高可以達(dá)到6.67%。據(jù)乙醇產(chǎn)量分析,本實(shí)驗(yàn)利用混菌水解后厭氧發(fā)酵的產(chǎn)量較目前常用的酶水解后發(fā)酵工藝效果相近。因此,在有效利用微生物資源,發(fā)揮微生物獨(dú)特的“分解者”的作用,在無外加酶催化的情況下本實(shí)驗(yàn)的效果佳,可行性較高。(2)在將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為乙醇的處理過程中,如何將餐飲廢物轉(zhuǎn)化為單糖是關(guān)鍵步驟,只有將其水解成酵母菌能利用的單糖,然后才能通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇。利用微生物糖化后發(fā)酵工藝是解決糖化的有效途徑,目前鮮見報(bào)道,這種方式較目前常見的采用微波、強(qiáng)酸、雙酶、高溫和高壓等條件將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為單糖生產(chǎn)成本低廉,操作簡單,同時,這也是開發(fā)餐廚垃圾資源,變廢為寶的一條新途徑。目前燃料乙醇的生產(chǎn)原料取材大多直接取自糧食作物