厭氧消化出水中氨氮濃度對(duì)乙醇發(fā)酵的影響研究

李冬梅 段文龍 王柯 張建華

摘 要：酒糟在厭氧消化過(guò)程中，其中所含蛋白質(zhì)等有機(jī)氮物質(zhì)會(huì)降解產(chǎn)生氨而留在厭氧消化出水中。當(dāng)厭氧消化出水回用于乙醇發(fā)酵配料水時(shí)，氨可作為酵母生長(zhǎng)的氮源，但也可影響酵母代謝，從而影響乙醇產(chǎn)量。本論文旨在研究氨對(duì)乙醇發(fā)酵的影響及提出可能的解決辦法。

關(guān)鍵詞：厭氧消化 水 氨氮 濃度 乙醇發(fā)酵 影響研究

中圖分類號(hào)：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0134-02

全球?qū)κ蛢?chǔ)備量的擔(dān)憂以及化石燃料過(guò)度消耗造成的環(huán)境問(wèn)題使得開(kāi)發(fā)一種可再生和環(huán)境友好型燃料迫在眉睫。生物質(zhì)燃料就是其中一種化石燃料替代品（Zi et al.，2013）。而在目前，燃料乙醇是其中一種最重要的生物質(zhì)燃料，主要可以用糖或淀粉原料發(fā)酵生產(chǎn)（Bai et al.， 2008）。在淀粉質(zhì)原料中，玉米由于其淀粉含量高、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)疑是一種很好的燃料乙醇生產(chǎn)原料，在美國(guó)和中國(guó)主要以玉米為原料生產(chǎn)乙醇（黃宇彤 et al.， 2002）。但是，在木薯乙醇生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量高COD、高固形物含量的酸性廢水（酒糟）（吳建華 et al.， 2006），正在限制乙醇工業(yè)的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)的乙醇廠中，酒糟的處理工藝一般為“固液分離-厭氧消化-好氧消化-深度處理-排放”。但是好氧消化和深度處理能耗大，而且還會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥需要額外處理，造成該工藝成本極高，降低了企業(yè)的效益（尹軍 et al.， 2001）。

為了解決木薯乙醇酒糟處理面臨的問(wèn)題，我們提出將厭氧消化出水回用于乙醇發(fā)酵過(guò)程配料，而不再經(jīng)好氧消化處理。這樣既可降低能耗和水耗，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)廢水的零排放。但是，厭氧消化出水中含有大量的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，可能會(huì)對(duì)乙醇發(fā)酵產(chǎn)生潛在的抑制作用。因此，有必要通過(guò)分析厭氧消化出水中潛在的抑制性物質(zhì)來(lái)驗(yàn)證厭氧消化出水作為乙醇發(fā)酵配料水的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

菌種：安琪酵母。

玉米：購(gòu)自南陽(yáng)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。

中溫厭氧消化出水：取自河南天冠企業(yè)集團(tuán)厭氧消化罐。

酶制劑：液體耐高溫α-淀粉酶（20000 U/mL）、液體糖化酶（130000 U/mL），由無(wú)錫杰能科生物工程有限公司提供；

其他所用試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 種子培養(yǎng)

種子培養(yǎng)基（g/L）：葡萄糖20，酵母膏8.5，NH4Cl 1.3，MgSO4·7H2O 0.1，CaCl2 0.06，pH 6.8，0.08MPa 滅菌15min。

培養(yǎng)條件：30 ℃，200 r/min下培養(yǎng)18 h；

1.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基制備與發(fā)酵。

將玉米粉和配料水按1∶3（w/v）的比例混合，拌勻后用硫酸調(diào)節(jié)pH至6.0，以10 U/g木薯粉的量的耐高溫α-淀粉酶，于沸水浴中液化1 h；冷卻后調(diào)pH至5.0。添加去離子水以彌補(bǔ)液化過(guò)程損失的水分。分裝、滅菌（115 ℃，20 min）。冷卻后加入120 U/g木薯粉的糖化酶、10%種子液、氮源（氮源的量有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)決定），于30℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行同步糖化厭氧發(fā)酵48 h。

1.3 分析方法

乙醇、總糖、甘油、乙酸、乳酸濃度用高效液相色譜HPLC（DionexUltiMate 3000，美國(guó)）測(cè)定，示差折光檢測(cè)器為日本Shodex RI-101，檢測(cè)柱為Bio-Rad HPX-87H離子交換柱，色譜條件：柱溫60 ℃，流動(dòng)相5 mmol/L硫酸，流速0.6 mL/min，進(jìn)樣量20μL。酵母數(shù)量用血球計(jì)數(shù)板測(cè)定。氨氮的測(cè)定采用標(biāo)準(zhǔn)方法。（APHA，1995）

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧消化出水對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

為了分析厭氧消化出水對(duì)乙醇發(fā)酵的影響，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。將中溫厭氧消化出水、自來(lái)水和氨溶液（添加與中溫厭氧消化出水相等濃度氨氮的自來(lái)水）分別作為配料水進(jìn)行乙醇發(fā)酵，比較三種配料水發(fā)酵的效果，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，自來(lái)水配料發(fā)酵與氨溶液配料發(fā)酵比較，后者的乙醇度要低于前者，說(shuō)明在氨氮濃度為476 mg/L時(shí)，氨氮影響了乙醇發(fā)酵中酵母的代謝，使得乙醇產(chǎn)率降低。氨溶液配料發(fā)酵與厭氧消化出水比較，兩者乙醇度相當(dāng)，說(shuō)明厭氧消化出水中除了氨氮外，其他物質(zhì)對(duì)乙醇發(fā)酵無(wú)影響。另外，還可看出，配料水中氨氮還會(huì)增加甘油的產(chǎn)量。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高濃度氨氮會(huì)降低乙醇產(chǎn)量，因此，需詳細(xì)研究氨氮對(duì)乙醇發(fā)酵的影響。

2.2 尿素對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

在目前的乙醇生產(chǎn)過(guò)程，為加快酵母增殖和乙醇發(fā)酵速率，尿素被經(jīng)常用來(lái)作為酵母生長(zhǎng)的氮源，且尿素的添加量取決于酵母種類和原料類型。筆者研究了0～1100 mgl/L尿素濃度梯度對(duì)乙醇發(fā)酵的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)尿素濃度為300 mg/L時(shí)，乙醇產(chǎn)量最大（見(jiàn)圖1）。如果按含氮量折算，300 mg/L的尿素相當(dāng)于140 mg/L氨氮，這一結(jié)果和前面的最適濃度200 mg/L并不一致，這是因?yàn)榻湍笇?duì)尿素和氨氮的代謝途徑不同，因此簡(jiǎn)單地從氮的濃度衡量?jī)烧邔?duì)乙醇發(fā)酵的影響。

2.3 中溫厭氧消化出水中氨氮對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

采用空氣吹脫的方法制備氨氮濃度100～500 mg/L的厭氧消化出水進(jìn)行配料發(fā)酵試驗(yàn)，結(jié)果表明，在厭氧消化出水中氨氮濃度為300 mg/L時(shí)，乙醇發(fā)酵濃度最高。和圖2最適氨氮濃度200 mg/L的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，乙醇發(fā)酵對(duì)厭氧消化出水中的氨氮濃度需求提高了100 mg/L，這可能和厭氧消化出水中含有其他雜質(zhì)有關(guān)。另一方面，相同濃度的乙醇產(chǎn)量，同樣也可在尿素濃度為300 mg/L的發(fā)酵中獲得。因此，當(dāng)厭氧消化出水中的氨氮濃度為300 mg/L時(shí)，可以完全代替尿素作為發(fā)酵的氮源。而當(dāng)厭氧消化出水中的氨氮濃度高于300 mg/L時(shí)，需要采取技術(shù)手段脫除多余部分氨氮。中溫厭氧出水回用，意味著可以節(jié)約300 mg/L的尿素，按照噸乙醇需要發(fā)酵液8m3計(jì)算，噸乙醇可節(jié)約2.4 kg，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

當(dāng)氨氮濃度控制在一定水平，厭氧消化出水可回用與玉米乙醇發(fā)酵，而對(duì)發(fā)酵不產(chǎn)生負(fù)面影響。而且，氨氮可取代尿素作為酵母生長(zhǎng)的氮源，從而降低了添加氮源增加的生產(chǎn)成本。該工藝可降低玉米乙醇生產(chǎn)過(guò)程的能耗和水耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)零廢水排放這一目標(biāo)。