餐厨垃圾同步糖化发酵生产燃料酒精的工艺.docx

研究开发餐厨垃圾同步糖化发酵生产燃料酒精的工艺张强（长春理工大学生命科学技术学院，吉林 长春 130022）摘要：餐厨垃圾是指家庭、学校、食堂以及餐饮行业的食物废料和残余，是城市生活垃圾的重要组成部分。本文以学校食堂餐厨垃圾为原料，利用酿酒酵母对餐厨垃圾同步糖化发酵生产燃料酒精的工艺进行了研究。正交 试验表明糖化酶和蛋白酶对酒精发酵影响显著，纤维素酶影响较小，糖化酶最适添加量为 100U/g，蛋白酶最适 添加量为 150U/g，纤维素酶为 100U/g，自然 pH 值（5.3）发酵，最佳的发酵周期是 120h，最终酒精浓度达到54.6g/L。发酵过程无需添加其他营养物质，说明餐厨垃圾本身所含的营养物质即可以满足菌体生长的需要。关键词：生物工程；生物能源；餐厨垃圾；糖化酶；酒精中图分类号：TK 6文献标志码：A文章编号：10006613（2015）01009105DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.01.016Fuel ethanol production from kitchen garbage by simultaneousSaccharification and fermentation (SSF)ZHANG Qiang（School of Life Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）Abstract：Kitchen garbage，namely food waste and residues of households，schools，canteens andcatering industry，is an important component of urban living garbage. In this work，kitchen garbage from school canteens was chosen to produce fuel ethanol by yeast simultaneous saccharification andfermentation (SSF). Glucoamylase and protease were determined to be affecting factors for ethanol production and cellulyse had smaller effect by orthogonal design experiment. The optimum usage ofthe three enzymes were 100 U/g，150 U/g and100 U/g respectively. The final ethanol concentration of54.6g/L was obtained with the optimum conditions of fermentation period of 120h and natural pH of5.3. None of other nutrients added showed that kitchen garbage could meet the requirement of microorganisms in itself without extra supplementation.Key words：biological engineering; bioenergy; kitchen garbage; glucoamylase; ethanol自从 20 世纪 70 年代爆发全球性能源危机以来，生物质能源的开发和利用重新引起了人们的重 视，其中燃料酒精的生产尤为引人注目1-2。目前我国酒精生产主要以玉米、小麦等粮食作 物为原料，从生产成本以及资源再利用两方面考虑，利用富含淀粉及纤维素类的废弃物作为原料则 更具有优势。目前已有利用农业废弃物如玉米秸秆、麦秆、麦糠等进行酒精生产的研究，而利用餐 厨垃圾生产燃料酒精报道很少3。餐厨垃圾是指家庭、学校、食堂以及餐饮行业的食物废料和残余，是城市生活垃圾的重要组成部 分。目前，餐厨垃圾在国内绝大多数城市存在着管 理无序、任意处置等问题，严重威胁着消费者的食 品安全和身体健康。餐厨垃圾中含有丰富的淀粉，收稿日期：2014-05-04；修改稿日期：2014-05-25。基金项目：吉林省科技发展重点项目（20120411）及吉林省教育厅科 学技术研究项目（2014）第 34 号。 第一作者及联系人：张强（1969），男，博士，副教授，主要从事生 物质能源研究。E-mail 。92化工进展2015 年第 34 卷另外还含有蛋白质、纤维素等物质，这些都是酒精极好的发酵原料。利用餐厨垃圾发酵生产酒精，可 以有效解决垃圾的环境污染问题，实现其减量化、无害化与资源化，同时对扩大酒精生产原料来源，降低酒精生产成本都将具有积极的意义4-6。同时 采用同步糖化发酵（SSF） 工艺可以使糖化和发酵 同时进行，很大程度上解除了葡萄糖的不断产生对 酶反馈抑制作用，降低了基质浓度，有利于菌体生 长及酒精合成。本工作采用酿酒酵母对餐厨垃圾发酵生产燃料 酒精工艺进行了研究。通过正交试验确定了适宜的废物，不 同 地区餐厨 垃 圾的组成 会 有明显 差别7-8。本工作的餐厨垃圾取自长春理工大学某学 生食堂，pH 值 5.3，对其主要成分进行了测定，见 表1。从表1 中可以看出，餐厨垃圾糖分含量较高， 主要为淀粉，纤维素含量较低，水分约占 75%。另 外还含有蛋白质等物质，适合进行酒精发酵。表 1餐厨垃圾组成（干基计算）参数含量/%水分74.472.8总糖淀粉糖化酶、蛋白酶、纤维素酶添加量，并对最适值以及发酵周期进行了研究。1材料与方法1.1原料餐厨垃圾取自长春理工大学某学生食堂， 过初步分拣、小型粉碎机粉碎后待用。1.2菌种pH62.312.6蛋白质纤维素2.82.2糖化酶、蛋白酶和纤维素酶添加实验餐厨垃圾含有丰富的淀粉，另外还含有纤维 素、蛋白质等物质，这些都是酒精极好的发酵原 料。但酵母并不能直接利用这些大分子，因此采用 糖化酶、蛋白酶以及纤维素酶可将它们转化为酵母 可利用的小分子，因此首先进行了 3 种酶制剂的单 因素试验。2.2.1糖化酶单因素试验按照发酵工艺，自然 pH 值 5.3，30条件下， 考察糖化酶加入量对酒精得率的影响，结果见图 1。由于淀粉颗粒外层的网络结构极为致密，水分 子要进入淀粉分子中去是很困难的，传统酒精生产工艺中，通过糊化作用可破坏淀粉分子间的氢键， 切断淀粉链。但本实验中餐厨垃圾经过了加热处理，淀粉类物质相当于已经过了糊化过程，故无需 添加淀粉酶。糖化酶能将糊化的淀粉从非还原性末端水解 -1.4 葡萄糖苷键，产生葡萄糖9-10。由图1 可知，添加不同量的糖化酶时，由于生成的还原经活性酿酒干酵母（ADY）：酒用耐高温型，湖北安琪酵母股份有限公司生产。1.3酶制剂糖化酶（100 000U/g），蛋白酶（100 000U/g）， 北京奥博星生物技术有限公司提供。纤维素酶（40 000U/g），北京东华强盛生物技术有限公司提供。1.4餐厨垃圾酒精发酵试验发酵在 500mL 玻璃瓶中进行。称取 100g 餐厨 垃圾，将其粉碎，按一定比例加水，灭菌后加入适 量的酶制剂和 2%活性干酵母，配好发酵栓，发酵 在 30进行。酒精生成量可以通过因 CO2 的释放 引起瓶重变化监测，发酵液中酒精浓度最终通过蒸 馏测得。1.5还原糖、蛋白质含量测定还原糖测定采用 DNS 法，蛋白质的测定采用 凯氏定氮法。1.6酒精含量测定准确量取纱 布滤后的发 酵醪液 100mL 于500mL 蒸馏瓶中，同时加入 100mL 蒸馏水。收集 馏出液 100mL 于 100mL 容量瓶中，再用酒精密度计测其酒精浓度。2结果和讨论2.1餐厨垃圾组成餐厨垃圾是一类高有机质、高含水率的资源型图 1 糖化酶添加量对酒精发酵的影响第 1 期张强等：餐厨垃圾同步糖化发酵生产燃料酒精的工艺93糖不断被菌体所利用，可有效地缓解产物对糖化过程的抑制作用，酒精生成量不断增多。但随着糖化 酶用量增加，酒精浓度有所降低，可能由于释放出来的糖没有被菌体所利用生产酒精，而生成了其他副产物，并且高糖浓度往往会抑制菌体生长代谢11-12。当糖化酶添加量为高达到 50.7g/L。2.2.2蛋白酶单因素试验按照发酵工艺，自然 pH 值 5.3，30条件下， 考察蛋白酶加入量对酒精得率的影响，结果见图 2。100U/g 时酒精浓度最图 3 纤维素酶添加量对酒精发酵的影响表 2 糖化酶、蛋白酶和纤维素酶正交试验结果酒精浓度/gL1序号糖化酶加量蛋白酶加量纤维素酶加量11（50U/mL）112(100U/mL）223（150U/mL）31(100U/g)1(100U/g)41.22342(150U/g)3(200U/g)12(150U/g)3(200U/g)248.639.551.956233154.649.278123131.840.4图 2 蛋白酶添加量对酒精发酵的影响9K1K2K3 k1 k2 k3R3129.33124.92130.830.6387.8蛋白酶可水解糖化醪中的蛋白质，一方面增加了醪液中可被酵母利用的氨基酸，促进酵母生长发 育，减轻酵母氨基酸合成代谢负荷，减少其能量消耗，可提高发酵速度，另外可降低醪液黏度13。从图 2 可知，随着蛋白酶用量增加，酒精浓度有所 降低，主要由于高浓度营养物质的释放会引起菌体 竞争，导致菌体过快生长，不利于酒精形成。当蛋 白酶 添加 量为 150U/g 时酒 精浓 度最 高达 到22.6g/L。酒精浓度总体较低，主要由于缺少糖化 酶，糊化的淀粉没有转化为酵母可利用的糖。2.2.3纤维素酶单因素试验 按照发酵工艺，自然 pH 值 5.3、30条件下，考察纤维酶加入量对酒精得率的影响，结果见图 3。 餐厨垃圾中的纤维素类物质，通过纤维素酶的作用可水解成小分子糖类，有利于酵母菌生长繁 殖12。由图 3 可知，当纤维素酶添加量为 150U/g时酒精浓度最高达到 21.2g/L。2.2.4糖化酶、蛋白酶和纤维素酶正交试验 在上述单因素试验结果基础上，选取糖化酶加入量、蛋白酶加入量以及纤维素酶加入量 3 个因素，每因素 3 水平，以醪液酒精浓度考察指标，进 行正交试验设计，结果如表 2 所示。155.7102.843.1143.6119.341.6131.1125.943.651.934.347.839.743.741.9表 3 方差分析方差来源偏差平方和自由度均方F 值显著性显著AB466.4107.9422233.253.9794.8821.96较显著不显著C误差 e5.684.91222.842.451.15注：F0.05(2，2)=19.00。由表 2 中的正交试验结果和极差分析可知，极差越大，该因素对指标的影响越大，即该因素越重 要。因此，在酒精发酵中 3 种酶主次顺序为糖化酶蛋白酶纤维素酶。据表 3 的方差分析结果，94化工进展2015 年第 34 卷可知在所考察的变量中，糖化酶对酒精发酵的影响最显著，蛋白酶对酒精发酵较显著，而纤维素酶对 酒精发酵的影响不显著，主要由于本实验中餐厨垃圾中纤维素类物质含量较少，使该酶未能充分发挥其作用，因此从成本角度可选择较低添加量。 综 合各因素 得出，糖 化酶最适 添加量 为100U/g，蛋白酶最适添加量为 150U/g，纤维素酶 为 100U/g。按上述最佳条件，做 3 次平行验证实验，酒精浓度为 54.6g/L。2.3不同初始 pH 值对发酵的影响按照发酵工艺，糖化酶、蛋白酶以及纤维素酶 添加量分别为 100U/g、150U/g 和 100U/g，30条 件下，考察不同 pH 值对酒精发酵的影响，结果见 图 4。图 5 发酵周期对酒精发酵的影响可以看出 24h 以后，酒精浓度增加显著，至 120144h 达到最高 54.6 g/L，所以发酵周期选为 120h。3结论餐厨垃圾营养物质含量丰富，通过酿酒酵母对餐厨垃圾发酵生产燃料酒精的工艺研究的结果表 明：糖化酶和蛋白酶添加对酒精发酵影响显著，纤 维素酶影响较小，糖化酶最适添加量为 100U/g， 蛋 白酶最适 添加量为 150U/g ， 纤维素酶 为100U/g，自然 pH 值（5.3）发酵，最佳的发酵周期 是 120h，最终酒精浓度达到 54.6g/L。发酵过程无需添加其他营养物质，说明餐厨垃圾本身所含的营 养物质即可以满足菌体生长的需要。餐厨垃圾作为易腐有机物属于资源型废弃物， 由于其极易被微生物所利用，使得生物降解法成为处理垃圾的主要方法。利用餐厨垃圾发酵生产燃料 酒精，一方面可有效地将垃圾转化为能源，是垃圾再生利用，开发新能源的一条新途径，不仅有利于环 境，而且可以回收能源。另一方面扩大了酒精生产原料来源，对降低燃料酒精生产成本具有积极的意义。图 4 不同 pH 值对酒精发酵的影响pH 值对菌体生长、产物得率以及产物合成方向都有明显的影响。适宜的 pH 值能够促进微生物 的生长以及酒精的生成，pH 值过高或者过低都会影响菌体的生命活动，进而影响酒精的得率。同时pH 值也影响酶的活性。从图 4 中可以看出 pH 值 在 56 左右酒精浓度较高。 因此可选择自然 pH 值5.3 作为最适 pH 值，发酵过程中省去了调节 pH 值的 麻烦。另外发酵在较酸性的条件下进行，可有效的抑制杂菌的生长，有利于提高酒精产量和纯度14。2.4不同发酵周期对酒精发酵的影响按照发酵工艺，糖化酶、蛋白酶以及纤维素酶 添加量分别为 100U/g、150U/g 和 100U/g，30条 件下，自然 pH 值 5.3，考察不同发酵周期对酒精发 酵的影响，结果见图 5。从图 5 中可以看出，发酵时间过短，葡萄糖没 有充分被利用，酒精得率较低; 而发酵时间过长， 酵母的活性开始下降，并且发酵时间的延长将增加染菌的机会，同时增加酒精的生产成本。从图 5 中参考文献1李振宇，李顶杰，黄格省，等. 燃料酒精发展现状及思考J. 化工进展，2013，32（7）：1457-1467.Madhavan A，Srivastava A，Kondo A，et al. 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