薯蕷皂素廢水制備酒精的研究

翟鈺鑫

（北方時代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)EPC事業(yè)部，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

環(huán)保與三廢利用

薯蕷皂素廢水制備酒精的研究

翟鈺鑫

（北方時代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)EPC事業(yè)部，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

薯蕷皂素廢水屬難降解高濃度有機(jī)廢水，為減少皂素廢水對環(huán)境的污染，提高資源利用率，本文開展皂素廢水接種酵母菌制備酒精的實(shí)驗(yàn)研究，考察了酵母菌接種量、pH和發(fā)酵時間對酒精產(chǎn)量的影響。使用正交實(shí)驗(yàn)方法確定了皂素廢水制酒精的最佳工藝條件：當(dāng)酵母菌接種量為10%、pH=5、發(fā)酵時間為42h時，薯蕷皂素廢水發(fā)酵生產(chǎn)酒精的效果最佳，此時，酒精度可達(dá)到3.6%。

皂素廢水；資源化利用；酒精；酵母菌

薯蕷皂素是合成甾體激素藥物的基礎(chǔ)原料，市場需求日趨增加，市場價格持續(xù)走高，因此，黃姜種植和薯蕷皂素提取迅速發(fā)展。但是，以黃姜為原料制備薯蕷皂素過程會產(chǎn)生大量廢水[1-3]，廢水中含有大量淀粉、糖類和醇類，若不能妥善處理，不僅帶來環(huán)境污染，同時也會導(dǎo)致資源的大量浪費(fèi)。王西峰等人研究了Fenton法[2]、超臨界水氧化法[3]對皂素廢水的處理，徐朝輝等人研究了曝氣內(nèi)電解-臭氧法對皂素廢水的處理效果[4]，但錦鋒等人研究了內(nèi)電解法對皂素廢水的處理效果[5]，張志揚(yáng)等人研究了生物法對皂素廢水的處理效果[6]，但是，這些方法存在能耗高、藥品使用量高、不適合大規(guī)模廢水處理的缺點(diǎn)，同時廢水中的淀粉、糖類、醇類未能得到資源化利用，造成資源的大量浪費(fèi)?？紤]到廢水的成分，結(jié)合酒精生產(chǎn)工藝，本文嘗試以皂素廢水為原料，以酵母菌為接種菌體，利用酵母菌發(fā)酵皂素廢水，將皂素廢水中的淀粉、糖類等轉(zhuǎn)化為工業(yè)酒精。通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)方法確定了皂素廢水制備工業(yè)酒精的實(shí)驗(yàn)條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 廢水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用皂素廢水為皂素生產(chǎn)水解車間的一次鹽酸水解廢水，其水質(zhì)狀況見表1。

表1 廢水水質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：廢水酒精發(fā)酵培養(yǎng)基、薯蕷皂素廢水、(NH4)2SO4、石灰、發(fā)酵培養(yǎng)基(不用滅菌)。酵母菌種由安琪國光高活性干酵母菌經(jīng)馴化篩選而得。

實(shí)驗(yàn)儀器：pH計(jì)、精餾柱（自制）、恒溫振蕩搖床、全自動發(fā)酵罐。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

酒精指標(biāo)的測定依據(jù)工業(yè)酒精國家標(biāo)準(zhǔn)GB 394-1993進(jìn)行。

酵母菌種的篩選：按一定比例將酵母菌種置于廢水培養(yǎng)基中培養(yǎng)，得到酵母菌生長規(guī)律曲線。選擇處于對數(shù)生長期的酵母菌為實(shí)驗(yàn)用菌種，并通過移植接種獲得酵母菌優(yōu)勢菌群，將所獲取的酵母菌優(yōu)勢菌群接種到發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行酒精發(fā)酵。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 酵母菌接種量對酒精產(chǎn)量的影響

在20℃、pH=5的條件下，使用搖瓶振蕩培養(yǎng)19h，將處于對數(shù)生長期的種子液移接入發(fā)酵培養(yǎng)基，此時種子細(xì)胞數(shù)約為0.06億·mL-1，按4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%的接種量分別接入發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行酒精發(fā)酵，厭氧發(fā)酵24h，以產(chǎn)生酒精度的大小來確定最佳接種量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 酵母菌接種量對酒精生產(chǎn)量的影響

從圖1可以看出，當(dāng)酵母菌接種量低于10%時，所生產(chǎn)酒精的酒精濃度隨著酵母菌接種量的增加而增加，當(dāng)酵母菌接種量超過10%時，所生產(chǎn)酒精的酒精濃度反而隨著酵母菌接種量的增加而降低。造成這一現(xiàn)象的原因可能是：在較低的酵母菌接種量條件下，廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)充沛，酵母菌得以迅速增殖，形成優(yōu)勢菌群，能夠?qū)⒔湍妇械牡矸厶寝D(zhuǎn)化為還原糖，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為酒精，提高酒精含量即酒精度數(shù)。但是當(dāng)酵母菌接種量過高時，大量增殖的酵母菌菌群需要大量的營養(yǎng)物質(zhì)維持生長，造成還原糖的大量消耗，導(dǎo)致用于產(chǎn)生酒精的還原糖的量降低，進(jìn)而導(dǎo)致酒精產(chǎn)量的降低，因此在后續(xù)的單因素實(shí)驗(yàn)中選取酵母菌的接種量為10%。

2.1.2 pH對酒精產(chǎn)量的影響

在20℃、酵母菌接種量為10%的條件下，使用搖瓶振蕩培養(yǎng)19h，厭氧發(fā)酵24h，分別在pH=4.0、4.5、5.0、5.5、6.0的條件下進(jìn)行酒精發(fā)酵，考察pH值對酒精度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 pH對酒精生產(chǎn)量的影響

從圖2可以看出，在pH小于5時，所生產(chǎn)的酒精度隨pH值的升高而增加，而當(dāng)pH大于5時，所產(chǎn)生的酒精度有略微的下降，說明廢水適合在pH=5的條件下通過酵母菌發(fā)酵制酒精。后續(xù)單因素實(shí)驗(yàn)中將pH值定為5。

2.1.3 厭氧發(fā)酵時間對酒精生產(chǎn)量的影響

在20℃、pH=5、酵母菌接種量為10%的條件下，首先使用搖瓶振蕩培養(yǎng)19h，之后進(jìn)行酵母菌發(fā)酵，厭氧發(fā)酵時間分別選擇15、20、25、30、35、40、45、50、55、60h，進(jìn)行薯蕷皂素廢水的發(fā)酵試驗(yàn)。酒精度厭氧發(fā)酵時間的變化如圖3所示。

圖3 發(fā)酵時間對酒精生產(chǎn)量的影響

由圖3可以看出，厭氧發(fā)酵時間為40h時，酒精度達(dá)到最大值3.7%；當(dāng)發(fā)酵時間少于40h時，酒精度隨發(fā)酵時間的增加而增加；當(dāng)發(fā)酵時間大于40h時，酒精度隨發(fā)酵時間的延長略有降低。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了進(jìn)一步得到酵母菌發(fā)酵皂素廢水制酒精的最佳實(shí)驗(yàn)條件，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選擇酵母菌接種量、廢水pH和厭氧發(fā)酵時間為正交實(shí)驗(yàn)要素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表如表2所示，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由表3可知，以薯蕷皂素廢水為原料，酵母菌發(fā)酵制酒精過程中，酵母菌接種量對發(fā)酵結(jié)果的影響最大，其次是發(fā)酵的pH，發(fā)酵時間對發(fā)酵結(jié)果影響相對較小。通過正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳實(shí)驗(yàn)條件是A2B2C3，即酵母菌接種量為10%，pH=5，發(fā)酵時間為42h，此時其生產(chǎn)的酒精度為3.6%。

3 結(jié)論

薯蕷皂素廢水中含有大量的淀粉糖、纖維素，可以在合適的條件下使用酵母菌發(fā)酵制備工業(yè)酒精。通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)考察了廢水pH值、酵母菌接種量、厭氧發(fā)酵時間對酒精產(chǎn)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，以薯蕷皂素廢水為原料，酵母菌發(fā)酵制酒精過程中，酵母菌接種量對酒精產(chǎn)量的影響最大。正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳實(shí)驗(yàn)條件為：酵母菌接種量為10%，pH=5，發(fā)酵時間為42h，此時其生產(chǎn)的酒精度為3.6%。

[1] 張勇，祁恩成，張守誠，等.黃姜-皂素廢水綜合處理技術(shù)的探討[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2004，27(s1)：123-125.

[2] 王西峰，胡曉蓮.UV-Fenton試劑處理皂素生產(chǎn)廢水試驗(yàn)研究[J].中國給水排水，2008，24 (13)：58-61.

[3] 王西峰，胡曉蓮.超臨界水氧化法處理皂素廢水[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28 (6)：1113-1117.

[4] 徐朝輝，劉小玉，童蕾，等.曝氣內(nèi)電解-臭氧法預(yù)處理皂素廢水的研究[J].工業(yè)水處理，2006，26(10)：52-55.

[5] 但錦鋒，祁璟，陸曉華.內(nèi)電解法預(yù)處理皂素廢水[J].中國給水排水，2003，19(12)：43-44.

[6] 張志揚(yáng)，李江華，賈麗云，等.UASB-生物接觸氧化-絮凝沉淀法處理皂素廢水[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2003，16 (5)：32-35.

Preparation of Alcohol with Saponin Wastewater as Raw Material

ZHAI Yuxin
(Engineering Procurement Construction Division of Beifang Shidai Architectural Design Group, Chifeng 024000, China）

As a high-organic containing wastewater, the saponin wastewater was intractable to treatment. A research on the alcohol prouction with saponin wastewater as raw material was carried out to reduce the environmental pollution and improve the resource utilization. Effects of inoculation amount, pH and fermentation time on alcohol yield were investigated. The best experimental conditions were determined by orthogonal experiment. When the amount of yeast inoculum was 10%, pH=5 and fermentation time was 42h, the alcohol content reached to 3.6%.

saponin wastewater; resource utilization; alcohol; yeast

X 703

A

1671-9905(2017)01-0035-03

翟鈺鑫（1981-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，學(xué)士，工程師，主要從事水處理及市政工程的工程管理與設(shè)計(jì)工作

2016-11-07