校園餐廚垃圾發酵產乙醇的工藝研究

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、低環境影響、可再生等優點，因此生產工藝的研究具有重要的經濟價值和生態意義。利用生物技術和可再生資源進行燃料乙醇的工業化生產漸漸成為各國的研究熱點。我國也在新頒布的“十二五”規劃中提出了大力發展新能源的目標。目前,國內外多以糧食為原料生產燃料乙醇,開發廉價的原料資源是我國未來生物燃料乙醇的重要發展方向之一,利用餐廚垃圾作為乙醇發酵原料研究鮮見報道。隨著人民生活水平的不斷提高,我國的餐飲服務業也得到了快速發展,滿足了日益增長的物質需求;但同時,越來越多的餐廚垃圾對環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,嚴重影響人們的身體健康和生活質量,其高含水率和易生物降解等特點,給傳統的填埋、堆肥或焚燒等處理處置方式帶來一系列的環境難題,如產生大量的滲瀝液、惡臭、溫室氣體以及二惡英等,嚴重污染了空氣、土壤和地下水。厭氧發酵是最常用的高含水率有機物能量轉化技術,餐廚垃圾含有豐富的營養成分,利用其發酵生產乙醇是實現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境條件,本實驗以校園餐廚垃圾為原料,采用微生物預處理的糖化手段,即利用淀粉酶活性很強的根霉和能產生淀粉酶、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酵性糖,在此基礎上再利用高酒精產率的啤酒酵母發酵產乙醇。通過單因素實驗,以乙醇產量為響應值,對發酵條件進行優化,尋找最佳制備的工藝條件,為其燃料化利用提供理論依據,從根本上實現餐廚垃圾變廢為寶。1材料和方法1.1發酵指標分析餐飲垃圾取自赭山校區食堂,經初步分揀,用小型粉碎機打成漿后保存于4℃冰箱中待用。發酵原料成分測定:TS、VS含量及pH值參照沼氣發酵常規分析法測定,TS:(105±5)℃的恒溫箱中烘至恒重;VS:(550±5)℃馬弗爐中灼燒至恒重,稱重后計算;pH采用精確的PHS-3C型pH計測定;總糖測定:DNS法;蛋白質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培養草芽胞桿菌本實驗使用的菌種均為微生物實驗室保存菌種: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基斜面上28℃條件下培養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酵采用250mL的三角燒瓶作為反應容器,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氧化碳的產率根據影響發酵的條件,進行不同處理。將糖化預處理后的三角燒瓶瓶口扎上一次性手套袋密封,內含少量氧氣供應酵母菌前期短暫的有氧呼吸并收集厭氧發酵產生的二氧化碳。發酵實驗溫度設定在酵母菌適宜的30℃,保證其生長繁殖旺盛,有利于發酵進行。選取乙醇產率(%)作為測試指標。在發酵過程中,為獲取最好的乙醇產量,依次對預處理、含水率、酵母菌種、酵母接種量以及發酵時間進行單因素實驗處理,得到最優的發酵條件。(1)糖化預處理為檢測糖化預處理后餐廚垃圾的乙醇產量,在含水率、酵母菌種類和接種量、發酵時間一致的情況下,測定經酵母發酵后的乙醇產量。(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%,再添加酵母菌發酵,以確定合適的發酵含水率。(3)酵母菌種的確定在確定合適的含水率之后,在此基礎上,分別接種啤酒酵母、假絲酵母、啤酒酵母:假絲酵母(1∶1)進行乙醇發酵,以確定合適的發酵菌種,未接酵母菌組為對照。(4)酵母接種量對發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行乙醇發酵,確定合適的酵母接種比例。(5)發酵時間在確定最佳的含水率、菌種和接種量的基礎上,分別發酵3、4和5d,依次測定乙醇產量,以確定最佳的發酵時間。1.5乙醇含量測定選用RE-5286A旋轉蒸發器將發酵后的100g樣品進行蒸餾,取餾出液用重鉻酸鉀比色法測定乙醇含量。測定原理:在硫酸介質中,乙醇可定量被重鉻酸鉀氧化,生成綠色的三價鉻,最大吸收波長λmax為610nm,其吸光值與乙醇濃度成正比,據此建立了測定乙醇的方法。2結果與分析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%,這為乙醇發酵提供了較好的發酵原材料,有利于乙醇發酵的進行。2.2標準乙醇曲線的構建按實驗方法,繪制了乙醇標準曲線,見圖1。本文選用610nm為測量波長。2.3乙醇產量分析在啤酒酵母15%接種量,30℃發酵3d的條件下,經過根霉和芽胞桿菌菌液糖化預處理的餐廚垃圾,產乙醇量大大提高,可達5.87%,而未預處理組的乙醇平均產量僅為1.87%。由此分析可知,利用含淀粉酶活性強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行糖化預處理,它們能夠有效地把餐廚垃圾水解成酵母菌能利用的可發酵性糖,此法較之利用價格不菲的糖化酶催化,既節約了實驗成本,也能達到相同的糖化效果,有利于接下來的乙醇發酵順利進行。2.4乙醇糖化液含水率在乙醇發酵過程中選擇適當的固液比十分重要,因為乙醇發酵是產物抑制型發酵,若含水率低,底物的濃度過大,滲透壓升高,其生產的速率會減弱甚至停止;增大含水率,乙醇發酵液濃度降低,產物抑制作用減弱,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,乙醇產量分別為5.87%、5.27%、4.81%和4.38%。由此可知,經過糖化預處理的餐廚垃圾,選擇啤酒酵母接種量15%,在30℃的條件下發酵3d,未添加水直接接種發酵產乙醇量最高,達5.87%,隨著添加水量的增加沒有促進乙醇產量的提高,反而逐漸下降,當含水率達59.36%時,乙醇產量降低至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到32.86%,因此乙醇發酵過程中餐廚垃圾經糖化以后不需外加水分。這樣即減少蒸餾的能耗,又避免產生大量的廢液,減少了環境的壓力,使得餐廚垃圾發酵制備乙醇實驗增大了可行度。2.5不同假絲酵母的產量本實驗選用啤酒酵母和假絲酵母進行乙醇發酵,由于不同酵母的性能差異,實驗在接種量為15%的前提下,設定單一啤酒酵母、單一假絲酵母以及啤酒酵母∶假絲酵母=1∶1三種情況,在30℃發酵3d的情況下,得乙醇的產量分別為2.37%,2.17%,2.19%。由此可知,啤酒酵母的產量最高,混合酵母次之,假絲酵母最低。而根據兩種酵母的性能比較可知,啤酒酵母產乙醇能力強,而假絲酵母產醇香能力強,故而在短期(3d)發酵中,為了獲取更高的乙醇產量,選用單一啤酒酵母發酵效果好。2.6燃料乙醇發酵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,并設置6個濃度梯度:0%、1%、5%、10%、15%、20%,在30℃發酵3d的情況下進行燃料乙醇發酵實驗。由圖2可知,實驗結果表明,在一定范圍內,隨著接種量的逐漸增大,乙醇產量逐漸增大。接種量為5%和10%時,乙醇產量較少,說明發酵液中接種的生物量不夠,進一步加大接種量至15%和20%時,乙醇產量增加,說明較大接種量可以有效促進乙醇產量的提高,但20%接種量的效果并沒進一步增加乙醇產量,說明發酵液中15%的接種量已經飽和,過量的接種量會導致發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酵液中產生的乙醇,反而使得乙醇濃度下降,且成本增高。因此,在本實驗中,采取15%接種量較合適。2.7啤酒酵母接種量對乙醇產量的影響在確定了合適的酵母菌種和接種量之后,進一步確定較合適的發酵時間。發酵時間過短,底物利用不充分,影響乙醇的產率;而發酵時間過長,底物量不足,酵母之間的抑制作用增強,酵母的活性開始下降,并且增加乙醇的生產成本。圖3為利用啤酒酵母15%接種量,30℃發酵條件下,分別測定發酵時間為3、4和5d的乙醇產量的變化。從圖3中可以看出3d以后,乙醇濃度增加顯著,至5d時達到最高,為6.67%。由結果分析可知,在實驗裝置中設置了緩沖氣囊使得啤酒酵母有一個適應和增殖的過程,因而延長了整個發酵過程,直至接入啤酒酵母5d時達到乙醇產量最高值,這與陳小翠等研究的發酵時間為101.5h乙醇產量最高情況6.93%接近。另外,考慮整個發酵產乙醇的時間過長,生產成本增加,且底物量有限,實驗沒有進一步延長發酵,選定5d為乙醇產量的最高時期。3實驗可行性分析(1)將餐廚垃圾先利用根霉和芽胞桿菌糖化后,再經啤酒酵母發酵,可從餐廚垃圾中生成燃料乙醇,本次實驗獲取的較適宜的發酵條件為: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,發酵時間為5d。在綜上條件下,乙醇產量最高可以達到6.67%。據乙醇產量分析,本實驗利用混菌水解后厭氧發酵的產量較目前常用的酶水解后發酵工藝效果相近。因此,在有效利用微生物資源,發揮微生物獨特的“分解者”的作用,在無外加酶催化的情況下本實驗的效果佳,可行性較高。(2)在將餐廚垃圾轉化為乙醇的處理過程中,如何將餐飲廢物轉化為單糖是關鍵步驟,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酵轉化為乙醇。利用微生物糖化后發酵工藝是解決糖化的有效途徑,目前鮮見報道,這種方式較目前常見的采用微波、強酸、雙酶、高溫和高壓等條件將餐廚垃圾轉化為單糖生產成本低廉,操作簡單,同時,這也是開發餐廚垃圾資源,變廢為寶的一條新途徑。目前燃料乙醇的生產原料取材大多直接取自糧食作物