（环境工程专业论文）餐厨垃圾发酵生产乳酸的研究.pdf

堕尘鎏三兰：2 土茎堡篁兰 a b s t r a c t k i t c h e nw a s t e ( k w ) i st h em a i ns o u r c eo fd e c a y , o d o u ra n dl e a c h a t ei n c o l l e c t i o na n d t r a n s p o r t a t i o nd u e t oi t sh i g hv o l a t i l es o l i d sa n dm o i s t u r ec o n t e n t m o s tf o o dw a s t eh a sb e e nl a n d f i l l e dt o g e t h e rw i t hm t m i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ， r e s u l t i n gi nv a r i o u sp r o b l e m ss u c ha so d o u re m a n a t i o n ，v e r m i na t t r a c t i o n t o x i c g a se m i s s i o na n dg r o u n d w a t e rc o n t a m i n a t i o n k i t c h e nw a s t e ，al a r g ep o r t i o no f m s wi sb i o d e g r a d a b l ed u et oi t sa b u n d a n to r g a n i cc o m p o n e n t s k i t c h e nw a s t ei s a l s or e n e w a b l er e s o u r c e c o m i n g f r o m b i o m a s s t h e r e f o r e ，t h e r e s e a c ho n b i o e n e r g ya n db i o c h e m i c a lp r o d u c t i o nf r o mk i t c h e nw a s t ei sv e r yh o t i nt h i s s t u d y , t h ek i t c h e nw a s t ew a su s e d t o p r o d u c el a c t i ca c i d ，w h i c hi s au s e f u l c h e m i c a l as t r a i no fl a c t o b a c i l l u sp l a n t a r u mw a su s e df o rl a c t i ca c i dp r o d u c t i o n f r o mk i t c h e nw a s t eb ys i m u l t a n e o u ss a c c h a r i f i c a t i o na n df e r m e n l a t i o n ( s s f ) t i l e r e s u l td e m o n s t r a t e dt h a te n z y m e sc o u l de n h a n c et h el a c t i ca c i dp r o d u c t i o n ，a n d t h a tt h ep e r i o d so fo p e nf e r m e n t a t i o nw h i c hc o u l dp r o c e e di ns i m p l e rf a c i l i t i e s w i t h o u ta d d i t o r ye n e r g yf o rs t e r i l i z a t i o n ，w a s2 5 hm u c hs h o r t e rt h a nt h a to fc l o s e f e r m e n t a t i o n c o m p a r e dw i t ht h e f e r m e n t a t i o nu s i n gt a pw a t e rt o a d j u s t t h e i n i t i a lw a t e rr a t i o ，t h ef e r m e n t a t i o n u s i n g k i t c h e nw a s t ef i l t r a t e ( k w f ) w a s q u i c k e r , s ot h ef e r m e n t i o nw i t hk i t e h e nw a s t e r w a t e r i sf e a s i b l e p l a c k e t t b u r m a n e x p e r i m e n t a ld e s i g n w a su s e dt os c r e e nt h em o s t s i g n i f i c a n t f e r m e n t a t i o nf a c t o r ss u c ha sl p l a n t a r u m ，e n z y m e s ，s t e r i l i z a t i o n ， n i t r o g e ns o u r c e s ，p h o s p h o r u ss o u r c e s ，s u r f a c ea c t i v ea g e n t ，m i n e r a ls a l t sa n d s o o n l p l a n t a r u m ，c e l l u l a s e ，t w e e n 8 0 ，a m y l a s e ，s t e r i l i z a t i o n w e r e s i g n i f i c a n t f a c t o r s ，a n ds t e r i l i z a t i o nw a sd e t e r m i n e dt ob ean e g a t i v es i g n i f i c a n tf a c t o r t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nl a c t i ca c i da n dt h ef i v e f a c t o r s ( l p l a n t a r u m ( l ) ， c e l l u l a s e ( c ) ，t w e e n 8 0 ( t w ) 4 m y l a s e ( a ) a n d t h eo b v i o u s s i g n i f i c a n t f a c t o r t e m p e r a t u r e ) w a s d e s c r i b e dv i ac e n t r a l c o m p o s i t e ( r e s p o n s es u r f a c e ) e x p e r i m e n t a ld e s i g n t h eo p t i m a l t e c h n i c sf o rl a c t i ca c i d p r o d u c t i o n w e r e d e t e r m i n e d ：l = 6 6 ( v v ) ，c = 1 7 6 k u 1 0 0 9 k w ，a = 6 4 k u l o o g k w ， t w = o 1 6 9 2 0 0 m l ，t = - 4 5 。c ，t h el a c t i ca c i dw a s6 6 1 3 9 la f t e rf e r m e n t i o nf o r 2 5 h 儿 堕垒鋈三些查兰堡圭：兰鎏兰 s u b s t i t u t i n gt h ee n z y m e sf o ram i c r o o r g a n i s mw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e t r i a lo f a s p e r g i l l u sn i g e rs h o w e d t h a ta n i g e rc o u l db eu s e df o rs a c c h a r i f i c a t i o n a sab i o e a t a l y s tt h a th a dc e l l u l o s ea c t i v i t y e m p l o y i n ga n i g e r ，t h el a c t i ca c i d c o n c e n t r a t i o nc o u l dr e a c h6 1 3 0 9 la f t e rf e r m e n t a t i o nw i t h o u tl p l a n t a r u mf o r 2 7 h p o p u l a t i o na n a l y s i s o ft h i sf e r m e n t a t i o ns h o w e d t h a tl a c t i ca c i d b a c t e r i a ( l a b ) c o u l d b r e e di nt h ef e r m e n t a t i o nn a t u r a l l y , a n dt h a tt h e p r o c e s sw a s ac o f e r m e n t a t i o nb ya n i g e ra n dl a b d u et ot h ea n i g e r ss l o wg r o w t h ，i tw a s n e c e s s a r yt or e u s ei m m o b i l i z e da n i g e r c o r n c o bc a r r i e ri m m o b i l i z i n ga n i g e r u n n u t r i t i o n a l l yc o u l db er e u s e df i v e t i m e sa n dt h ei a c t i ca c i dc o n c e n t r a t i o n s c o u l db ea b o v e5 1 9 2 9 l ，b u t c e l l u l o s ef o a mc a r r i e r i m m o b i l i z i n ga n i g e r n u t r i t i o n a l l yc o u l db er e u s e do n l y t h r e et i m e s l a c t i ca c i dp r o d u c t i o nf r o mk i t c h e nw a s t eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s s i m p l en u t r i t i o n ，s h o r tp e r i o d s ，h i g hp r o d u c t i v i t ya n dp u r i t y , i ti sf e a s i b l e k e y w o r d s k i t c h e n w a s t e ，l a c t i ca c i d ，a s p e r g i l l u sn i g e r ，i m m o b i l i z a t i o n ， s t a t i s t i c a le x p e r i m e n t a ld e s i g n 。i i i 哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景与研究目的 第1 章绪论 餐厨垃圾常与城市垃圾一起填埋，由于含有大量的水和可挥发性有机物， 餐厨垃圾是垃圾收集与运输过程的腐败、臭味、沥出液之源，带来臭味、毒 气、污染地下水等一系列环境问题。餐厨垃圾又是一种生物质废弃物，有机物 含量高，具有资源化的可行性。 乳酸是一种重要的有机酸，在化工、食品、医药等行业有着广泛的应用， 近年来聚乳酸类生物降解塑料的开发，使乳酸的需求量猛增。乳酸生产一般用 化学合成法和发酵法。其中发酵法通常采用玉米、小麦、红薯等粮食作物为原 料，利用乳酸细菌发酵生产乳酸。乳酸菌对营养的要求苛刻，在单一粮食作物 发酵生产乳酸的过程中，需要添加氮源、磷源等辅助生长因子。 利用有机废物生物发酵生产乳酸，是从降低乳酸的生产成本以及有利于环 境保护的双重目的出发的，日益受到人们的重视。本研究以餐厨垃圾作为原料 生产乳酸，发酵后的残渣可以用作优质饲料，最大限度地利用了餐厨垃圾，提 供了一种工艺简单、能耗低的乳酸发酵方法。 1 2 餐厨垃圾的资源化 能源问题和环境问题是全世界共同关注的问题。能源是经济发展的关键， 能源能引发战争。环境质量是生活水平的一个指标，环境影响经济的可持续发 展。有机废弃物的资源化可以缓解能源和环境问题，达到一箭双雕的效果。除 了以石油、煤这样不可再生的形式储蓄能量外，大自然还更多地以可再生能源 的形式储蓄能量，如：太阳能、水能、地热能、海洋能、氢能、生物斛“。自 然界存在大量的生物质：木材、农作物、草本植物、水生植物等可再生生物质 以及木材加工废弃物、农作物废弃物、食品工业废弃物、动物体废物、工业残 渣、生活垃圾等生物质废弃物担】。生物质将太阳能通过光合作用吸收，以生 物能的形式储蓄起来，在这个过程中生物质还因吸收c 0 2 可以缓解温室效 应。 生物质以一种低效率的光合作用方式，将太阳能转化为生物质能的过程需 哈尔滨工业大学硕十学位论文 要大量的土地、水分、营养，作物的种植、收割、运输都需要大量的人力物 力，这阻碍了生物质作物的能源化j 。充分利用有机含量丰富的生物质废弃物 ( 表1 1 ) 、工业有机废弃物可以降低生物质能源化的生产成本，提高环境质 e 里。 表1 - 1 各种生物质废弃物的组成( ) t a b l e1 - 1c o m p o s i t i o no fv a r i o u sb i o m a s sr a wm a t e r i a l sf 1 c o r nw h e a t r i c e r i c eb a g g a s s en e w s -c o t t o o d o u g l a s s t o v e rs t r a ws t r a wh u l l sf i b e r p r i n tg i nt r a s h f i r c a r b o h y b o h y d r a t e g l u c o s e ( c 6 )3 9 o3 6 6 4 1 o 3 6 13 8 1 6 4 4 2 0 o5 0 0 m a n n o s ef c 6 10 30 81 83 0 1 6 62 11 2 0 g a l a c t o s ef c 6 ) 0 ，8 2 40 4 0 ，j 】 - 0 ，1l ，3 x y l o s ef c 5 1 1 4 81 9 21 4 81 4 o2 3 34 64 63 4 a r a b i n o s er c 5 )3 22 44 52 62 50 52 31 1 t b t a lc 64 0 ，13 9 8 4 3 2 3 9 23 9 28 12 2 26 3 3 t b t a lc 51 82 1 61 9 31 6 62 5 85 16 ，94 5 n o n c a r b o h y b o h y d r a t e l i g n i n 1 5 11 4 5 a s h4 3 9 6 p r o t e i n4 03 0 9 91 9 4 1 2 4 2 0 1 1 8 4 2 8 3 0 2 1 o 0 4 1 7 6 1 4 8 3 0 2 8 3 0 2 i 2 1 有机废弃物的资源化 有机废弃物资源化的主要途径有生物产甲烷、生物产氢、生物产电、生物 产酒精、生物产化工材料。在这几方面的生物转化过程中涉及的反应如表1 2 所示【5 1 。 f 1 ) 生物产甲烷由于具有低消耗、产污泥少等优点，有机物质厌氧消化产 甲烷的工艺( 图1 1 ) 已经应用了大概一个世纪。产甲烷( 表1 2 ，1 1 ) 需要( i ) 水 解，( “) 发酵，( i i i ) 乙酰化，( i v ) 甲烷化这四个步骤和a , b ，c ，d ，e 五类微生物。甲烷经 常被用做燃料，近年来也作为化工原料生产甲醇和合成气( 表1 2 ，1 2 ，1 3 ) 。 ( 2 ) 生物产氢生物产氢与生物产甲烷有很多共同的地方( 图1 - 1 ) ，但生物产 氢必须限制耗氢类微生物c 和d 。通过加热活性污泥类接种体去除杂菌，只留 下c l o s t r i d i a c e a e , s t r e p t o c o c c a c e a e , s p o r o l a c t o b a c i l l a c e a e ，l a c h n o s p i r a c e a e ， t h e r m o a n a e r o b a c t e r i a c e a 等孢子类产氢微生物。较高的稀释率和较低的p h 也能控制耗氢菌，限制反应4 、5 及8 的逆反应( 表l 一2 ) 发生，限制丁酸型 发酵( 表1 2 ，2 ) 和乙醇( 表1 2 ，3 ) 及其他有机酸的生成。催化法甲烷产 氢( 表1 2 ，1 2 ，1 3 ) 也是可行的。 塑垒堡三些当兰蟹圭兰窒丝圣 表1 2 生物质资源化中的反应 t a b l e1 2r e a c t i o n sf o rt h ed i f f e r e n tf b i o ) p r o c e s ss t r a t e g i e s b i o t i co ra b i o t i cp r o c e s s r e a c t i o n n 0 h y d r o g e nf e r m e n t a t i o nt oa c e t i ca c i d c 6 h 1 2 0 6 + 2 h 2 0 = 4 h 2 + 2 c h 3 c o o h + 2 c 0 2 l , a h y d r o g e nf e r m e n t a t i o nt ob u t y r i ca c i d c 6 h 1 2 0 6 = 2 h 2 + c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 c 0 22 ，a f e r m e n t a t i o nt oe t h a n o l c 6 h 1 2 0 6 = 2 c h 3 c h 2 0 h + 2 c 0 2 3 ，a p r o p i o n i ca c i dp r o d u c t i o nw i t hh y d r o g e nc 6 h 1 2 0 6 + 2 h 2 = 2 c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 4 ，a e t h a n o lp r o d u c t i o nw i t hh y d r o g e n c h3 c o o h + h 2 = c h 3 c h 2 0 h + h 2 05 s y n t r o p h i cp r o p i o n i ca c i do x i d a t i o nc h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 = c h 3 c o o h + 3 h 2 + c 0 2 6 , b s y n t r o p h i cb u t y r i ca c i do x i d a t i o n c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 = 2 c h 3 c o o h + 2 h 27 ，b s y n t r o p h i ca c e t i ca c i do x i d a t i o nc h 3 c o o h + 2 h 2 0 = 4 h 2 + 2 c 0 2 8 ，c h y d r o g e n o t r o p i em e t h a n o g e n e s i s 4 h 2 + c 0 2 = c h 4 + 2 h 2 09 ，d a c e t o c l a s t i cm e t h a n o g e n e s i sc h 3 c o o h = c 地+ c 0 21 0 ，e m e t h a n tf o r m a t i o nf t o mg l u c o s e c 6 h 1 2 0 6 = 3 c h 4 十3 c 0 2 l l + + c a t a y t i cm e t h m 口cc o n v e r s i o nt os y n g a s c h 4 + 1 4 2 0 = 3 h ，+ c o 1 2 c a t a l y t i cg a s s h i f tr e a c t i o nc o + h 2 0 = h 2 + c 0 2 1 3 h y d r o g e nf u n le e l i 2 h 2 + 0 2 = 2 h 2 0 + e l e c t r i c i t y 1 4 m e t h a n ef u e l c e l l c h 一2 0 2 = c 0 ，+ 2 h z o + e l e c t r i c i t y 1 5 m f c c 6 h 1 2 0 6 + 6 0 2 = 6 c 0 2 + 6 h 2 0 + e l e c t r i c i t y 1 6 c e l l u l o s eb i o c o n v e r s i o n 【- c 羽i 1 0 6 - 】。+ a h 2 0 = b c h 3 c o o h + c c h 3 c h 2 0 h + e h 2 + d c 0 2 1 7 p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e sf o r m a t i o n a c 6 h 1 2 0 6 + b0 2 = 卜c o o h ( c h 2 ) 3 c 0 0 - 】。+ ch 2 0 1 8 旦z 望磐坐i ! ! 【：竺基u q t ：】口型婪j ：2 望z q ：! 越坚z 2 j ：2 9 越坚：z q ：型：! z ! 坚z ；q j! ! + 字母与图1 一i 中的字母相对应；* a b c d e 图i - 1 厌氧消化产甲烷原理图 f i g 1 - 1i n t r i c a t ef o o dw e bo f m e t h a n o g e n i ca n a e r o b i cd i g e s t i o n 另外，液相催化重整技术可以有效地将生物质或生物质废弃物中的碳水化 3 哈尔滨工业大学硕士学位论文 合物转化成氢气。c o r t r i g h t ，rd 等人用基于铂的催化剂，在一个5 0 0 k 的液相 反应釜内，将糖、酒精催化重整生产氢气。发现低分子量的乙烯基类化合物和 甲醇基本上能全部重整生成氢气和c 0 2 睥】。h u b e r ，gw 等人也研究了液相重整 催化技术生产氢气 7 1 和烷烃 8 1 ，认为生产燃料酒精需要发酵和蒸馏过程，蒸馏 过程需要消耗能量。烷烃会自发与水分离，不需要蒸馏。 ( 3 ) 生物产电近两年来，l o g a n 9 j 等人开始了微生物燃料电池( m i c r o b i a l f u e lc e l l s ，m f c ) 的研究。原理上，微生物燃料电池与氢电池相似。阳极的h + 通 过电解液膜向阴极移动，电子沿着导线向同一方向移动。氢电池中，h 2 在阳极 上氧化成h + ，同时释放电子；阴极0 2 接受电子后被还原生成水( 表1 2 ，1 4 ) 。 微生物电池中，厌氧微生物在正极氧化有机物，释放电子到阴极还原氧气生成 水。有很多微生物包括活性污泥均能在阳极把电子传送到阴极，报道过的微生 物种类有： g e o b a c l e r a c e a e ，d e s u l f u r o m o n a c e a e ， a l t e r o m o n a d a c e a e ， e n t e r o b a c t e r i a c e a e , p a s t e u r e l l a c e a e ，c l o s t r i d i a c e a e ，a e r o m o n a d a c e a e ， c o m a m o n a d a c e a e 。微生物产电尚处于实验室阶段，所产电流密度还很低。 图1 - 2 微生物燃料电池 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f ad u a l - c h a m b e rm i c r o b i a lf u e lc e l l ( m f c ) ( 4 ) 生物产酒精目前，生产酒精的原料主要为玉米、蔗糖等粮食性作物， 成本昂贵。科学家们正努力利用有机废弃物生产酒精，技术已达到了中试水 平。可以利用的有机废弃物有生活垃圾、农业废弃物如玉米秸秆、有机质类工 业废弃物如纸厂废料。汽车可使用1 0 到8 5 的乙醇混合燃料，重型汽车甚至 可以使用1 0 0 的酒精。生物质及生物质废弃物生产酒精过程如图1 - a m 示1 1 。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 图1 - 3 生物质发酵生产酒精 f i g1 - 3e t h a n o lp r o d u c t i o nf r o m b i o m a s s ( 5 ) 生物产化工材料利用有机废弃物生产生物塑料【l “、酶制剂、饲料、有 机酸及其他化工原料已经有大量报道。 生物法资源化有机废弃物的有效措施有：1 筛选能够降解纤维素、半纤维 素、木质素的菌种，通过基因工程提高菌种的功能性【1 2 】；2 开发新的发酵工 艺，降低生产成本；3 开发经济的、有效的产品分离技术。 1 2 2 餐厨垃圾的处理现状 餐厨垃圾是一种生物质废弃物，有机物含量高。利用餐厨垃圾生产生物能 r b i o e n e r g y ) 和生物化学产品( b i o c h e m i c a l ) 具有经济、环境的双重功效。目 前，餐厨垃圾主要的处理方式如表1 3 所示。 ( 1 ) 发酵生产乳酸k i mk w a n g1 1k i m f l 驯使用糖化酶、口淀粉酶、蛋白酶、 德氏乳杆菌，同时糖化发酵餐厨垃圾4 8 小时，乳酸浓度为8 0g l 。但在不加 氮源的情况下，乳酸产量只有2 7g l 。本文使用黑曲霉开放式发酵餐厨垃圾 2 7 小时，乳酸浓度能达到6 1 3 0 9 l ：使用酶制剂的情况下，发酵2 5 小时后乳 酸浓度能达到6 6 1 3 9 l 。 ( 2 ) 消化发酵产p h a 美国g u o c h e n gd u 1 7 】等人利用食品垃圾生产p h a ( 图1 - 4 ) 。厌氧消化反应器a 中的液相经过膜m 过滤，将其中的有机酸提供给 反应器b 的r a l s t o n i ae u t r o p h a ，发酵生产p h a 。反应器a 中的有机酸有乙酸、丙 酸、丁酸、乳酸，浓度分别为5 5 、1 8 、2 7 4 、3 2 7g j l 。反应器b 中的细胞干重 篁查鎏：! ：些查兰堡圭耋兰鲨兰 围2 2 7 9 l ，细胞中的p h a 浓度达到7 2 6 ( w w ) 。 表1 3 餐厨垃圾的处理方式 t a b l el 一3d i s p o s a l so f k i t c h e nw a s t e 方式产品功能文献 溶解，矿化 c h e m o s p h e r e ( 2 0 0 5 ) ”1 分解 b i o r e s o u r c et e c h n o l o g y ( 2 0 0 2 ) ”“ 好氧处理，真空干燥饲料 饲料 b i o r e s o u r c et e c h n o l o g y ( 2 0 0 5 ) ” ， 厌氧堆肥肥料 生物肥 w a s t em a n a g e m e n t & r e s e a r c h ( 2 0 0 5 ) ”“ 消化发酵p h a 生物塑料e n v i r o n s c i t e c h n 0 1 ( 2 0 0 2 ) ” 厌氧消化 甲烷生物能 e n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g y ( 2 0 0 5 ) ” 厌氧消化氢气 生物能b i o d e g r a d a t i o n ( 2 0 0 5 ) ” 厌氧消化氢气，甲烷生物能p r o c e s sb i o c h e m i s t r y ( 2 0 0 5 ) ” 发酵乳酸有机酸本文( 2 0 0 5 ) 图1 4 垃圾消化发酵生产p h a f i g l 一4s e t u po f p h ap r o d u c t i o n f r o mf o o dw a s t e ( 3 ) 发酵产氢产甲烷 匡ls u n k e eh a n 将垃圾放入渗滤床( l e a c h i n g - b e d ) 中酸化产氢，生成的脂肪酸及酒精等副产物作为u a s b 反应器的进料，发 6 哈尔滨工业大学硕士学位论文 酵产甲烷。h a n g s i k s h i n 1 9 3 等人也做了餐厨垃圾产氢的研究，发现产氢效果与 有机负荷、水力停留时间、p h 有关。产氢最佳条件为8g v s l 。1 d ，h r t 为5 天， p h 5 5 士0 1 。产氢速度、氢气浓度、产率、碳水化合物分解效率分别为1 0 l h 2 i d ，6 0 5 ( v v ) ，2 2m o l h 2 m o l 己醣，9 0 。产物主要是氢气和c 0 2 ，没有甲 烷。 ( 4 ) 堆制生物肥s t a b n i k o v a ，o l e n a 1 6 j 向餐厨垃圾中添加2 0 的园林垃圾， 在好氧、搅拌、5 5 6 5 度的条件下混合堆1 0 天。将所得的生物肥料以4 的比 例添加到土壤中，种植的番薯产量提高1 倍。另外，y u l i n gw e i 芷1 发现堆肥 中的餐厨垃圾能吸收c r ( v i ) ，发生氧化还原反应后c r ( v i ) 以c r ( o h ) 3 ( 1 8 0 - 2 4 9 ) 、c r ( m ) ( 5 1 7 _ 6 9 0 ) 、c r ( v i ) ( 6 1 _ 2 8 5 ) - - 种形式存在。 ( 5 ) 生产饲料w s k w a k i l5 j 将餐厨垃圾、家禽粪便、面包肥料混合后好氧 处理，干燥做成饲料。按5 0 的比例混合玉米一大豆喂猪，发现畜体特征、猪 肉脂肪酸的组成、猪肉质量、肉味与对照相比均没有变化，只是猪肉颜色要苍 白些。 1 3 微生物发酵法生产乳酸 1 3 1 乳酸的性质和应用 ( 1 ) 乳酸的性质乳酸( l a c t i ca c i d ) ，化学名为a 羟基丙酸( a h y d r x y p r o p i o n i ca c i d ) ，分子式为：c 2 h 5 0 c o o h ，是一个简单的羟基酸。乳酸分子中 有一个不对称的碳原子，因此具有旋光性，d 乳酸为左旋性，l 乳酸为右旋 性，d l 一乳酸为消旋性。乳酸许多物理性质不受光学组成的影响，是结晶酸中 的一个重要的例外。乳酸相对分子质量为9 0 0 8 ，相对密度在2 5 时约为 1 2 0 6 ，熔点为5 2 7 5 2 8 ，结构式表示如下： c 0 0 h h o _ 1 ，一hh c h sc h 3 l - ( + ) 一孚l 酸d - ( 一) 一孚l 酸 乳酸易与水互溶，不容易结晶析出。乳酸浓度达到6 0 以上时，会具有 很高的吸湿性。通常乳酸为无色或微黄色液体，在6 7 1 3 3 p a 的真空条件下反 复分馏，可得到高纯度的乳酸，进而获得单斜晶体的结晶乳酸。 一卜 一 哈尔滨工业大学硕士学位沦文 由于乳酸分子中具有羟基和羧基，所以有自动酯化能力。乳酸越浓，这种 趋势就越强。若加热脱水，乳酸可通过自身酯化为环状的内交酯，形成树脂状 高分子的聚乳酸。 f 2 ) 乳酸的应用乳酸是一种重要的有机酸。乳酸、乳酸盐及其衍生物，广 泛应用于食品、医药、饲料、化工等领域。由于乳酸的酸性柔和且稳定，有助 于食品的风味，在食品工业上广泛用作酸味剂、防腐剂和还原剂。可用于清凉 饮料、糖果、糕点的生产，也可用于鱼、肉、蔬菜的加工和保藏。与柠檬酸、 苹果酸等食用酸相比，具有很强的竞争力。在美国，乳酸用于软饮料，很大程 度地取代了柠檬酸、磷酸等。在啤酒制造上，美国禁止使用磷酸等无机酸调节 p h 值，已经全部改用乳酸。 l 一乳酸经过聚合可生成直链或环状的聚乳酸。聚乳酸系无毒的高分子化合 物，具有生物相容性，在人体内能被分解成乳酸为人体代谢，不弓1 起变态反 应。因此可用于生产如下产品：缓释胶囊试剂，可使血液中药物浓度相对降 低，提高疗效，降低副作用；制成生物降解纤维，可用来制成手术缝合线，随 伤口愈合而被有机体分解吸收，不需拆线；聚乳酸与其他材料共聚制成的生物 降解塑料，可用作生产缓释农药，延长农药使用时间，提高使用效率；制成生 物植片，以修复骨折或其他肌体损伤。世界卫生组织鉴于d 一乳酸对人体有危 害作用，提倡在食品、医药领域，使用l 乳酸，因而l 一乳酸生产有突破性发 展。荷兰、巴西、西班牙、美国、日本相继扩建和新建了具有相当规模的l 一 乳酸厂，其中尤以美国为甚。估计目前世界乳酸产量达1 0 万吨年，而美国的 生产能力约4 2 5 万吨年。我国的l 一乳酸普遍存在因产品纯度而影响销售的问 题，生产效益较低，故发展不快。 1 3 2 乳酸发酵的研究进展 乳酸的生产方法包括化学合成法、发酵法和酶法。发酵法生产乳酸具有成 本低的特点，已经成为乳酸生产的发展趋势。表1 4 介绍了一些乳酸发酵的研 究进展。 可以用作生产乳酸原料的有机废弃物有：1 农作物废弃物，如麦秆、稻 壳、玉米芯、玉米秸秆等；2 工业废弃物，如乳清、食品垃圾、造纸污泥、 酒糟、纺织废料等；3 生活垃圾：如餐厨垃圾、废纸等。乳酸菌的降解能力有 羹 藿似粑热情懈吲嚣兰嚣嚣s世ooiq1b迥井o曹坦井p捶皿随惦懈“，糕*嗣惦僻1sq豁对髅情懈m对滋岛捌翌憔僻ut。 。仪幡憾秣。”迥k噼蛊廿箍议帮讯状霜嘲钆链辞 一捌毒限惰琳：sb秀goom名一导匠一壶聪聪惜群z 一曩蛏惜搽+口删嚣蟮雾如妪器蜓域陋长g喂妒晕x 窨一二u * 电1 9 卜n 急甚葛鼍 “oo”j事_)u苗日葶q嗣。11譬 时i _ u 。 一口心 n n 日目一二。 一n 一 寸蚤卜 o oo口日k 一卜n n n i z - 一口n o n 一 j n c j 鲁口西n 寸 日一口目h 一寸n 口n o n _ 【 目日旨hn c 】 o a i 日q 们 一n c j n 寸 n n h口日暑器o i i c j n _ l o n 芒日目q o 口 i o c jq目一i一n丛 n 口i 目 hqlh_，i 1 - n 一 崎一 寸寸 日0 8 回i 丛 卜奇 寸_ 【 暑o 们 【9 盟 暑口 石盟 日o j 0 回 寻n t n a 力 。t i z z n n i n u 一，暑on幽砷j暑。_【一u厂i，暑o_io砷 一宙o_【一uo， _ 【宙= 砷 g口蔓旦oj bno譬缸or芏簖 望ar=“口ou rllu口h枣。暑龟。曲盖 客叩目z8譬苦譬do童酲 岭，lb警警量鲁x基冀q 十 峙口rr寸a)i善4臣ozttl筐 + 苗s耳q + 冒s粤q + 窘害誊q粤吣飞壹芒母q 十 一叶叶富zla口畸_ 忡母o r uuh吨la口。_ h迎童8芷譬882aj卤 一i工u瑚u ro芒at童krl 。+n已u岫u q誉sk 鲎8。a基80。o蔓饕lu!。芎碧譬瓮b11舞_ s毒k拦髓s鲁奄目 moo苗享_)0器鲁目当u篇譬 毫。篁目苗goug08；毫。譬言q器量。苫 、h瓷oa听d11io且飞g譬s钆 一吕oo一，嚣n嚣ou毫ou du苗wtoqeo苗舅每已ondu鲁苗吕ou一鲁曲j一o乱v。b苫置是。 一鲁叫；d叶口点一墨白暑罾o苗。事 3舞皇。与hoo；一百u_!目。一誊扫苗q嗣事1，苦=专芑蓉_目苯暑茸o_ip茸骞。与量g j 瓷o o l q宕oojoj耻oneooooo；一。比瓷。一i口岳j声oo暑。口暑苫每；i粤o=bo_【v一宕oon廿*譬10苫 一哥b皇目毫口ialj2cl 广i奇q2u量、io昏一。苗时誊奇口 搽匠 。赫糨 滋 熏粗 器世 口oil。np宝(i pio对u墨譬蠢声oj。一目j0 噬封星镒辞钆划爨s划挺寸一懈 议甜牮扑刊匿扑k爿h醛簧誓 哈尔滨工业大学硕士学位论文 限，大部分废弃物的乳酸发酵都要经过酸解或酶解过程。产乳酸的菌种有：乳 酸菌、米根霉、链球菌，本课题尝试了黑曲霉在餐厨垃圾发酵生产乳酸的应 用。乳酸细菌缺乏合成某些氨基酸、维生素的能力，大部分乳酸发酵需要补 加氮源、部分氨基酸、微量元素等生长因子。在有机物废弃物的乳酸发酵中， 常向发酵培养基中添加玉米浆、酵母等廉价辅料。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题以餐厨垃圾为原料，同步糖化发酵生产乳酸，涉及的主要内容有： 1 利用乳酸菌l p l a n t a r u m 和工业酶制剂同步糖化发酵餐厨垃圾生产乳 酸，通过p l a c k e t t - b u r m a n 和中心复合实验设计寻找乳酸发酵的最佳工 艺条件。 2 黑曲霉可以作为酶制剂的替代菌株，协同乳酸菌发酵餐厨垃圾生产乳 酸。实验采用玉米芯作为载体，研究了黑曲霉的固定化乳酸发酵。 3 对开放式发酵和封闭式发酵进行了比较，确定了最佳发酵方式。 本课题的技术路线如图1 5 所示。 酶制剂量垫琶趔嬲堕替 开放式发酵 固液比的确定 菌株筛选 酶效果考察 因素筛选 ( p l a c k e t t - b u r m a n 设计) 因素优化 ( 中心复合设计) 极值的检验 + 黑曲霉 黑曲霉的效果 ( 与酶制剂比较) 玉米芯载体 黑曲霉的固定化 固定化黑曲霉的 循环使用 垃圾液中的发酵i发酵液成分分析 圈】一5 课题的技术路线 f i g 1 - 5t e c h n i c a l c o u r s eo f t h i ss t u d y 竹尔滨工业大学硕士学位论文 第2 章酶制剂同步糖化发酵生产乳酸 利用组分复杂的有机废弃物，生产生物化学产品( b i o c h e m i c a l ) 的发酵 过程中，一般需要糖化和发酵这两个步骤。大部分代谢生产产品的微生物不能 直接利用原料，首先需要酶制剂或者另一种微生物来糖化原料。糖化和发酵这 两个步骤可以分步进行，但同步糖化发酵更利于降低糖化产物对糖化的反馈抑 制作用，广泛用于发酵工艺中。 2 1 材料和方法 2 i i 实验材料 f 1 ) 餐厨垃圾餐厨垃圾取自哈尔滨工业大学食堂，过滤去除垃圾液后，粉 碎，保存于2 0 c 的冰箱内，待用。餐厨垃圾组分特征如表2 1 所示。 表2 1 餐厨垃圾的组分特征 t a b l e2 1p r o x i m a t ea n a l y s i so f k i t e h e nw a s t er k w ) ( ) t sd ss sp h总糖粗蛋自粗脂肪粗纤维 1 7 2 27 5 89 6 4 6 0 86 2 6 81 5 5 61 8 0 62 2 6 ( 2 ) 菌种菌种分离于自然发酵的餐厨垃圾，筛选出产酸效果较好的有 t d l 7 5 ，f h l 6 4 ，t 5 0 ，其相应特性见表2 2 。 表2 - 2 菌种特性 t a b l e2 - 2c h a r a c t e r i s t i c so f e x p e r i m e n t a lm i c r o o r g a n i s m s ( 3 ) 酶制剂工业级酶制剂购于黑龙江肇东国科北方酶制剂有限公司，酶制 竺尘鎏三、监查耋堡圭兰堡墼圣 剂的性能特征见表2 - 3 。 表2 - 3 酶制剂特性 t a b l e2 - 3c h a r a c t e r i s t i c so f e n z y m e s 墼塑型墼堑! 生重旦坚! 星堡!道型塑星! 量焦! 翌 糖化酶g l u c o a m y l a s e 10 0 0 0 0 3 0 5 5 ( 4 0 4 5 ) 4 0 6 5 ( 6 0 ) 淀粉酶a m y l a s e 4 0 0 0 5 0 8 0