酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝中沼液有機(jī)酸對(duì)酒精發(fā)酵的影響

翟芳芳, 張靜, 張建華, 孫付保, 張宏建, 毛忠貴＊

(1.江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫 214122;2.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122)

酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝中沼液有機(jī)酸對(duì)酒精發(fā)酵的影響

翟芳芳1,2, 張靜1,2, 張建華1,2, 孫付保1,2, 張宏建1,2, 毛忠貴＊1,2

(1.江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫 214122;2.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122)

木薯酒精蒸餾廢液經(jīng)厭氧沼氣發(fā)酵后的沼液全部回用作為酒精發(fā)酵配料的工藝用水,形成酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝。研究發(fā)現(xiàn),乙酸和丙酸是抑制酒精發(fā)酵的主要的小分子有機(jī)酸。乙酸對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生抑制的有效質(zhì)量濃度為0.4 g/dL,丙酸對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生抑制的有效質(zhì)量濃度為0.1 g/dL,乳酸質(zhì)量濃度達(dá)到2.5 g/dL時(shí)才會(huì)對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生影響。

木薯;酒精發(fā)酵;沼氣發(fā)酵;有機(jī)酸;抑制

酒精工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著重要的作用,酒精不僅廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥、染料、國(guó)防等行業(yè),也是一種可再生能源。近年來(lái),世界上已有2/3的酒精被用作燃料[1]。燃料酒精是目前國(guó)際上受關(guān)注的可再生能源,在汽油或柴油中添加一定比例的燃料酒精,可減少30%以上汽車尾氣排放引起的空氣污染。2006年,中國(guó)酒精產(chǎn)量的1/3是以木薯原料生產(chǎn)的。木薯是非糧原料,木薯生產(chǎn)酒精不與人畜爭(zhēng)糧,但每生產(chǎn)1 t木薯酒精約產(chǎn)生7～15 t廢水。該類廢水含有大量的有機(jī)物及懸浮物,呈酸性,屬酸性高濃度有機(jī)廢水[2]。廢水污染是木薯酒精工業(yè)可持續(xù)發(fā)展中必須解決的問(wèn)題。

目前酒精廢水處理的一般程式是高濃度有機(jī)廢水經(jīng)過(guò)厭氧沼氣發(fā)酵、沼液好氧曝氣過(guò)程,以求最終達(dá)標(biāo)排放。國(guó)家頒布的味精、酒精、醫(yī)藥原料藥、生物制藥、苧麻脫膠、皮革、化纖漿粕工業(yè)等污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最高允許排放質(zhì)量濃度為COD 100 mg/L,而木薯酒精蒸餾廢液的COD在(8～10) ×104mg/L。因此,完全達(dá)標(biāo)排放是非常困難的。

為根治木薯燃料酒精廢水污染的難題,作者所在研究室在多年“大宗發(fā)酵清潔生產(chǎn)”研究的基礎(chǔ)上,提出了以“零能耗,零污染”為目標(biāo)的酒精和沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)的環(huán)形工藝[3]。其關(guān)鍵技術(shù)之一是酒精發(fā)酵與沼氣發(fā)酵的偶聯(lián)匹配問(wèn)題,如沼液中小分子有機(jī)酸對(duì)酵母生長(zhǎng)及其酒精發(fā)酵的影響等問(wèn)題[4-5]。作者對(duì)厭氧沼液中主要小分子有機(jī)酸對(duì)酒精發(fā)酵過(guò)程的影響進(jìn)行了初步研究。

1 材料與方法

1.1 菌種

耐高溫型釀酒高活性干酵母:湖北安琪酵母股份有限公司制造;種子培養(yǎng)基:葡萄糖2 g/dL,酵母膏0.85 g/dL,NH4Cl 0.13 g/dL,MgSO4·7H2O 0.01 g/dL,CaCl20.006 g/dL,p H值自然,0.08 MPa滅菌15 min;28℃、100 r/min培養(yǎng)12 h。

1.2 主要原料與試劑

木薯粉:河南天冠酒精廠提供;液化酶(100 000 U/mL):無(wú)錫杰能科生物工程有限公司提供;糖化酶(1 300 000 U/mL):無(wú)錫杰能科生物工程有限公司提供。

1.3 分析測(cè)試方法

1.3.1 失重 稱量法。

1.3.2 總糖、還原糖的測(cè)定 費(fèi)林試劑熱滴定定糖法[6]。

1.3.3 酒精度測(cè)定 發(fā)酵液100 mL,加水稀釋一倍后蒸餾,用量筒量取餾出液100 mL,測(cè)定其酒度和溫度,查表更正成20℃的酒精度[7]。

1.4 酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝流程

在偶聯(lián)發(fā)酵循環(huán)體系之外,采用木薯原料模擬工業(yè)實(shí)際生產(chǎn),原料粉碎后過(guò)40目篩,料水比1∶3,按照酒精生產(chǎn)的原料處理方式將木薯粉進(jìn)行液化和糖化,氮源為尿素,添加量0.3 g/dL,酵母種子經(jīng)活化后接種體積分?jǐn)?shù)10%,三角瓶中30℃靜止發(fā)酵60 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙酸對(duì)酵母生長(zhǎng)及酒精發(fā)酵的影響

乙酸是沼氣發(fā)酵中甲烷的主要前體物質(zhì),因此在沼液(厭氧消化液)中有少量存在。如果酒精發(fā)酵過(guò)程污染乙酸菌,也會(huì)有乙酸生成。乙酸會(huì)對(duì)酵母的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利的影響。K.C.Tomas報(bào)道,在不添加酵母膏等保護(hù)劑的基本培養(yǎng)基中,乙酸對(duì)酵母的最小抑制質(zhì)量濃度為0.6 g/dL[8]。

按照酒精發(fā)酵的工藝方法進(jìn)行液化糖化,發(fā)酵前向發(fā)酵醪液中添加不同量的乙酸,質(zhì)量濃度梯度分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/dL。

如圖1所示,隨著乙酸質(zhì)量濃度的增大,酒精發(fā)酵受到抑制,酵母開始發(fā)酵的時(shí)間推后,即酵母接種后的延遲期延長(zhǎng)。當(dāng)發(fā)酵液中的初始乙酸質(zhì)量濃度達(dá)到0.4 g/dL時(shí),表現(xiàn)出對(duì)酵母明顯的抑制作用,0.1 g/dL的乙酸對(duì)酵母發(fā)酵沒(méi)有明顯的影響。乙酸質(zhì)量濃度在0.2～0.4 g/dL之間,隨著質(zhì)量濃度的增大,抑制作用更加明顯。乙酸質(zhì)量濃度達(dá)到0.5 g/dL時(shí),酒精發(fā)酵受到強(qiáng)烈的抑制,接種后酵母生長(zhǎng)的延遲期長(zhǎng)達(dá)24 h。

發(fā)酵液中乙酸達(dá)到一定的質(zhì)量濃度時(shí)會(huì)抑制酵母的生長(zhǎng),反映在酒精發(fā)酵的前期,發(fā)酵液中的酵母數(shù)量不增加,但酵母還保持自身活性。發(fā)酵液中的總糖不消耗,還原糖在糖化酶的作用下質(zhì)量濃度不斷升高。當(dāng)酵母增殖達(dá)到一定數(shù)目后,酵母發(fā)酵耗糖及CO2產(chǎn)生速率與不添加乙酸時(shí)主酵期的速率近乎相等。這時(shí)在添加乙酸的發(fā)酵液中出現(xiàn)一段快速耗糖期。經(jīng)過(guò)這段時(shí)期,添加乙酸的發(fā)酵液中的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度只是略高于不添加乙酸的發(fā)酵液中的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度。最終發(fā)酵液中的酒精體積分?jǐn)?shù)表明,一定質(zhì)量濃度的乙酸不會(huì)對(duì)酵母的酒精發(fā)酵能力產(chǎn)生抑制,見(jiàn)圖2。

圖1 不同質(zhì)量濃度乙酸對(duì)酒精發(fā)酵的失重(空)及糖耗(黑)的影響Fig.1 Effect of acetic acid on weight loss(open)and sugar(filled)consumption

圖2 不同質(zhì)量濃度的乙酸對(duì)發(fā)酵液終酒精度的影響Fig.2 Effect of acetic acid on the alcohol concentration

2.2 丙酸對(duì)酵母生長(zhǎng)及酒精發(fā)酵的影響

經(jīng)過(guò)一級(jí)厭氧沼氣發(fā)酵,雖然會(huì)去除80%的COD,但一級(jí)出水的COD還是在10 000 mg/L以上,其中含有大量未轉(zhuǎn)化成沼氣的有機(jī)酸(如乙酸、丙酸、丁酸),會(huì)對(duì)雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝中的酒精發(fā)酵造成影響。在這些有機(jī)酸中,丙酸對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生的抑制是比較強(qiáng)烈的。同時(shí)丙酸也是沼氣發(fā)酵中一個(gè)重要的中間產(chǎn)物,與其他中間產(chǎn)物相比,丙酸向甲烷的的轉(zhuǎn)化速率是最慢的,它是甲烷發(fā)酵的限制性物質(zhì),也是整個(gè)雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝的限制性物質(zhì)。

作者對(duì)丙酸抑制酒精發(fā)酵的質(zhì)量濃度進(jìn)行了研究。按照酒精發(fā)酵的工藝方法進(jìn)行液化糖化,在發(fā)酵前向發(fā)酵液中添加不同量的丙酸。質(zhì)量濃度分別為0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 g/dL,發(fā)酵過(guò)程中的失重及糖耗見(jiàn)圖3。

丙酸對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用,0.1 g/dL的丙酸對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生明顯的抑制作用。同時(shí),丙酸表現(xiàn)出來(lái)的對(duì)酵母生長(zhǎng)和酒精發(fā)酵的抑制形式與乙酸一致,即隨著丙酸質(zhì)量濃度的升高,抑制作用更加明顯。當(dāng)丙酸質(zhì)量濃度達(dá)到0.25 g/dL時(shí),可將酵母起酵時(shí)間延長(zhǎng)至16 h。丙酸質(zhì)量濃度大于0.1 g/dL時(shí),發(fā)酵終點(diǎn)明顯滯后。

2.3 乳酸對(duì)酵母生長(zhǎng)及酒精發(fā)酵的影響

乳酸是由于酒精發(fā)酵時(shí)污染的乳酸菌產(chǎn)生的乳酸脫氫酶使丙酮酸成為受氫體而形成的。作者按照酒精發(fā)酵的工藝流程進(jìn)行液化糖化,在發(fā)酵前向發(fā)酵液中添加不同量的乳酸,乳酸的添加量分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/dL,見(jiàn)圖4。

乳酸對(duì)酵母生長(zhǎng)及酒精發(fā)酵的影響比乙酸要弱,當(dāng)乳酸質(zhì)量濃度達(dá)到2.5 g/dL時(shí)才表現(xiàn)出了與對(duì)照的差異。并且當(dāng)乳酸質(zhì)量濃度達(dá)到2.5 g/dL時(shí),并沒(méi)有延遲酵母的起酵時(shí)間。從失重和糖耗圖中還可以看出,乳酸對(duì)酒精發(fā)酵的影響是降低了酵母生長(zhǎng)和酒精發(fā)酵的速率,使耗糖速率減慢,對(duì)酵母的延遲期并無(wú)影響。K.C.Tomas et al曾報(bào)道,在基本培養(yǎng)基中,乳酸對(duì)酵母的最低抑制質(zhì)量濃度為2.5 g/dL[9-11]。乳酸對(duì)酒精發(fā)酵的抑制情況與乙酸和丙酸不同,對(duì)其抑制機(jī)理的探究還在進(jìn)一步的研究中。在酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝中沼液中乳酸的實(shí)際質(zhì)量濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2.5 g/dL,因此乳酸在偶聯(lián)工藝中并不是主要的抑制物質(zhì)。

圖3 不同質(zhì)量濃度丙酸對(duì)酒精發(fā)酵的失重(空)及糖耗(黑)的影響Fig.3 Effect of propionic acid on weight loss(open)and sugar(filled)consumption

圖4 不同質(zhì)量濃度乳酸對(duì)酒精發(fā)酵的失重(空)及糖耗(黑)的影響Fig.4 Effect of lactic acid on weight loss(open)and sugar(filled)consumption

3 討 論

眾所周知,酒精發(fā)酵發(fā)生污染產(chǎn)生有機(jī)酸將降低原料轉(zhuǎn)化率,但有機(jī)酸對(duì)酵母的生長(zhǎng)及其對(duì)酒精發(fā)酵的影響報(bào)道很少。作者通過(guò)以木薯為原料模擬工業(yè)生產(chǎn),著眼于廢水的資源化,對(duì)酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)新工藝中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),小分子有機(jī)酸是抑制酒精發(fā)酵進(jìn)行的主要物質(zhì)之一。在雙發(fā)酵偶聯(lián)體系中,丙酸是影響最大的有機(jī)酸,它對(duì)酵母的酒精發(fā)酵產(chǎn)生較大抑制,質(zhì)量濃度較高時(shí)也會(huì)抑制沼氣發(fā)酵中甲烷菌的活性。

實(shí)驗(yàn)證明,在實(shí)際的木薯原料發(fā)酵液中,乙酸對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生抑制的有效質(zhì)量濃度為0.4 g/dL,丙酸對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生抑制的有效質(zhì)量濃度為0.1 g/dL,乳酸影響酒精發(fā)酵的有效質(zhì)量濃度為2.5 g/ dL。小分子有機(jī)酸是沼氣發(fā)酵過(guò)程的中間產(chǎn)物,也是產(chǎn)生沼氣的重要底物。沼氣發(fā)酵控制不當(dāng)易偏向丙酸型發(fā)酵,引起丙酸的積累。因此在雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝中,控制沼氣發(fā)酵部分穩(wěn)定高效的運(yùn)行是整個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)的重要前提。

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(責(zé)任編輯:李春麗)

Effect of Organic Acid on the Alcohol Fermentation Process Coupling with Biogas Fermentation

ZHAI Fang-fang1,2, ZHANGJing1,2, ZHAN GJian-hua1,2, SUN Fu-bao1,2, ZHANG Hong-jian1,2, MAO Zhong-gui＊1,2
(1.Key Laboratory of Industrial Biotechnology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;
2.School of Biotechnology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Recycling the stilliage condensates produced into the fermentation phase,coupled with the alcohol fermentation and the anaerobic biogas fermentation.It has been demonstrated that acetic acid and propionic acid exhibited main inhibition effect on the alcohol fermentation.The concentration of acetic acid inhibit alcohol fermentation was 0.4 g/dL and that of propionic acid was 0.1 g/dL.When the lactic acid concentration increase to 2.5 g/dL,a inhibition effect on alcohol process was detected.

cassava;ethanol fermentation;organic acid;inhibition

TQ 920.1

:A

1673-1689(2010)03-0432-05

2009-05-11

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA10Z338)。

＊通信作者:毛忠貴(1954-),男,江蘇溧水人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事清潔生產(chǎn)、功能性物質(zhì)開發(fā)及纖維資源高值轉(zhuǎn)化方面的研究。Email:maozg@vip.163.com