新型破碎壓榨聯(lián)合生物工藝處理餐廚垃圾中試研究

雷永康，熊春江，姜蘇峻，林蔣海，劉澤寰

廣東啟智生物科技有限公司，廣東 廣州 510530

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新型破碎壓榨聯(lián)合生物工藝處理餐廚垃圾中試研究

雷永康，熊春江，姜蘇峻，林蔣海，劉澤寰*

廣東啟智生物科技有限公司，廣東 廣州 510530

采用新型破碎壓榨預(yù)處理、油液渣三相分離的聯(lián)合生物工藝(CBP)處理廣州市餐廚垃圾，研究該工藝對餐廚垃圾減量率、產(chǎn)乙醇量、回收油脂和高蛋白酒糟的效能。結(jié)果表明：1)新型破碎壓榨預(yù)處理后，餐廚垃圾減量率達90%以上，且壓榨渣的干基低位燃燒值為4 885 kJ/kg，達到GB/T 18750—2008《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》的垃圾焚燒標(biāo)準(zhǔn)。2)在偏酸性(pH為3.62)和含鹽量較高(鹽分濃度為8.03 g/L)的環(huán)境下，酵母代謝工程菌(噬污酵母)在24 h內(nèi)對餐廚垃圾總糖轉(zhuǎn)化為乙醇的效率高達91.78%，說明酵母代謝工程菌具有耐鹽耐酸性及糖醇轉(zhuǎn)化的高效性。3)聯(lián)合生物加工工藝對餐廚垃圾的油脂回收率為89.78%，對高蛋白酒糟的回收率為98.39%，且產(chǎn)品特性達到GB/T 25866—2010《玉米干全酒糟(玉米DDGS)》高脂型一級標(biāo)準(zhǔn)；對乙醇回收率為94.99%，且產(chǎn)品特性達到GB/T 394.1—2008《工業(yè)酒精》一級標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合生物加工工藝對餐廚垃圾處理具有減量化程度高、發(fā)酵周期短、產(chǎn)品回收率高且品質(zhì)好的優(yōu)勢。

餐廚垃圾；破碎壓榨；聯(lián)合生物加工；噬污酵母

餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱。餐廚垃圾屬于特殊垃圾，其含有少量有毒有害物質(zhì)(如重金屬等)，且含大量的營養(yǎng)物質(zhì)。從物理組成上來說，主要包括面食、蔬菜和肉食類食物等；從化學(xué)組成上來說，主要包括淀粉、糖、纖維素、蛋白類、脂類和無機鹽等，同時還富含Ca、Na、Mg、K等微量元素。因此，餐廚垃圾具有廢物和資源的雙重特性，是一種資源化利用價值高的廢物，對其進行資源化處理能變廢為寶、變害為利，從而實現(xiàn)人與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

目前，國內(nèi)外餐廚垃圾資源化處理技術(shù)主要有焚燒發(fā)電、衛(wèi)生填埋、堆肥、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)菌體蛋白飼料等。已有研究表明，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣可達508.3 mLg(以揮發(fā)性固體計)[1]，在55 ℃、65%左右接種率和90%以上原料含水率條件下，現(xiàn)場厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾產(chǎn)沼氣率最佳[2]；對單一餐廚垃圾[3]或餐廚垃圾聯(lián)合混合物(如水葫蘆[4])進行堆肥資源化利用，在30 ℃以下效果更佳；也有大量研究表明[5-8]，利用單一或多菌種混合發(fā)酵處理餐廚垃圾，最終能獲得含粗蛋白高達28%的蛋白飼料。這些傳統(tǒng)的處理工藝為餐廚垃圾的資源化處理提供了理論指導(dǎo)和經(jīng)驗借鑒，但其受到餐廚垃圾含水率、溫度和固體含量等因素的影響，在一定程度上造成餐廚垃圾的預(yù)處理條件苛刻、運行效率低和高成本等劣勢。因而，尋求餐廚垃圾減量率高、運行周期短、產(chǎn)品量大質(zhì)優(yōu)的新型工藝有待突破。

餐廚垃圾中含有大量的淀粉、糖類和纖維素類物質(zhì)，具有生物乙醇轉(zhuǎn)化的可行性。已有研究表明[9]，利用根霉和枯草芽胞桿菌進行糖化預(yù)處理和發(fā)酵處理餐廚垃圾，5 d后產(chǎn)乙醇率可達6.67%，在適宜條件下用糖化酶和酵母菌同步糖化發(fā)酵，乙醇產(chǎn)量最高為0.15 mLg(以餐廚垃圾量計)[10]；利用商業(yè)糖化酶、纖維素酶和釀酒酵母同步糖化發(fā)酵處理餐廚垃圾，乙醇產(chǎn)量達0.2 gg(干重)[11]；利用淀粉類水解酶和釀酒酵母同步糖化發(fā)酵處理餐廚垃圾，發(fā)酵15 h后乙醇產(chǎn)量達最大值，為0.23 gg(干重)[12]。這些研究為實現(xiàn)餐廚垃圾生物乙醇轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)，但研究主要集中在同步糖化發(fā)酵法(SSF)，操作步驟繁瑣，投資成本高，而利用聯(lián)合生物工藝(CBP)進行餐廚垃圾生物乙醇轉(zhuǎn)化的研究鮮見報道。

筆者采用新型破碎壓榨預(yù)處理、油液渣三相分離的聯(lián)合生物工藝最大化回收油脂和高蛋白酒糟后，再利用自主研發(fā)的酵母代謝工程菌株(噬污酵母)直接以餐廚垃圾為原料在同一體系內(nèi)同時產(chǎn)酶、酶解，并對其進行生物發(fā)酵產(chǎn)乙醇的試驗，以期減少商業(yè)化酶使用、降低成本、簡化工藝，從而實現(xiàn)餐廚垃圾的減量化、無害化及轉(zhuǎn)化為生物乙醇和高蛋白酒糟的資源化，為我國餐廚垃圾的資源化利用提供新思路、新工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

餐廚垃圾收集于廣州市和佛山市周邊以粵菜系為主的飯店、餐館。噬污酵母(專利號:ZL201310742190.X)及新型破碎壓榨設(shè)備由廣東啟智生物科技有限公司研發(fā)部提供。

2016年8月2—30日進行試驗，每周進料1次，共4次，每次試驗所用餐廚垃圾收集于同一區(qū)域的飯店、餐館。餐廚垃圾來料后(不包括日常生活中所丟棄的城市固體廢物，如渣土瓦塊、玻璃、織物等)，用校準(zhǔn)過的磅秤稱量，并記錄總質(zhì)量；餐廚垃圾采用破碎機破碎，其工作能力為6 t/h；破碎后的餐廚垃圾送入壓榨機進行壓榨處理，物料被反復(fù)擠壓，壓榨渣與壓榨液被有效分離；稱量并記錄壓榨渣總質(zhì)量，收集壓榨渣和壓榨液用于測燃燒值、含水率、鹽分和酸解總糖濃度。

壓榨液經(jīng)過蒸汽滅菌30 min后，冷卻到30 ℃左右，加入噬污酵母在容積為5 t的發(fā)酵罐中發(fā)酵；發(fā)酵初期保持通氧，發(fā)酵24 h后，取發(fā)酵醪測乙醇濃度；發(fā)酵醪經(jīng)過油液渣三相分離，收集油脂和發(fā)酵醪渣(即高蛋白酒糟)，剩余發(fā)酵醪輸送到蒸餾塔進行蒸餾以回收乙醇；最后將發(fā)酵醪蒸餾后的殘液和發(fā)酵醪渣合并送入到多效蒸發(fā)器濃縮，再將濃縮后液體進行烘干以回收高蛋白酒糟。

1.2 樣品處理

采集壓榨渣和壓榨液樣品后，立即測定其含水率、酸解總糖和鹽分；剩余的壓榨渣和壓榨液樣品在105 ℃烘箱中殺青30 min后，保持85 ℃恒溫烘至恒重，用于測定總蛋白和油脂以及產(chǎn)品特性分析；壓榨液經(jīng)過24 h發(fā)酵后，從發(fā)酵罐中采集發(fā)酵醪，經(jīng)過離心、過濾、酸化后，測乙醇濃度；發(fā)酵醪經(jīng)過蒸餾后取乙醇用于產(chǎn)品特性分析。所有指標(biāo)參數(shù)均平行測定3次，取平均值。

1.3 分析方法與數(shù)據(jù)處理

含水率采用烘干-稱重法測定；pH采用pHS-3C型pH計(上海雷磁儀器廠)測定；鹽分采用重鉻酸鉀-硝酸銀滴定法測定；燃燒值采用氧彈量熱法測定(GB 213—2008《煤的發(fā)熱量測定方法》)；總糖濃度采用酸水解-高效液相法測定(以轉(zhuǎn)化葡萄糖濃度計)；總蛋白濃度采用凱氏定氮法測定(GB/T 6432—94《飼料粗蛋白質(zhì)的測定方法》)；油脂濃度采用索氏脂肪提取儀提取法測定(GB/T 6433—2006《飼料中粗脂肪的測定》)；乙醇濃度采用高效液相法測定。

采用Excel 2010進行試驗數(shù)據(jù)記錄和整理，pH、酸解總糖濃度、鹽分、含水率、乙醇濃度指標(biāo)采用鮮樣測定，總蛋白濃度、油脂濃度采用烘干樣測定，再換算成鮮重濃度。計算公式如下：

糖醇轉(zhuǎn)化率=乙醇產(chǎn)量/(葡萄糖總量×0.51)×100%

理論乙醇產(chǎn)量=壓榨液總質(zhì)量×

壓榨液酸水解轉(zhuǎn)化總糖濃度×0.51

理論油脂產(chǎn)量=壓榨液油脂濃度×壓榨液總質(zhì)量

理論高蛋白酒糟產(chǎn)量=壓榨液總質(zhì)量×壓榨液

干物質(zhì)率-理論油脂產(chǎn)量-理論乙醇產(chǎn)量

2 結(jié)果與討論

2.1 新型破碎壓榨預(yù)處理

2.1.1 對減量率的影響

減量化、資源化和無害化是垃圾處理遵循的三大原則，而減量化原則是從源頭上削減，最終減少處理量。從表1可以看出，采用新型破碎壓榨設(shè)備在

同一條件下運行后，餐廚垃圾的減量率均達90%以上；壓榨后的廢渣主要含少量的食物殘渣、塑料、沙等，以及未經(jīng)壓榨與壓榨液共同流出的小粒徑殘渣，且其干基低位燃燒值保持在4 885 kJ/kg，達到GB/T 18750—2008《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》的垃圾焚燒標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過新型破碎壓榨預(yù)處理后，餐廚垃圾將實現(xiàn)很大程度的減量化，為城市垃圾減容和“垃圾圍城”解困，少量壓榨廢渣并入到城市環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)或焚燒發(fā)電等資源化再利用。

表1 餐廚垃圾減量率

2.1.2 對主要理化指標(biāo)的影響

由表2可知，經(jīng)過新型破碎壓榨處理后，壓榨液平均總糖濃度為4.52%，pH為3.62，含水率為85.79%，鹽分濃度為8.03 gL，屬于偏酸性和含鹽量較高的發(fā)酵環(huán)境。

表2 主要理化指標(biāo)

注：均以鮮重計。全文同。

pH、含水率、鹽分濃度等是檢驗餐廚垃圾處理工藝優(yōu)劣的重要因素。已有研究表明，當(dāng)pH低于6.1或者高于8.3時，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制，厭氧發(fā)酵反應(yīng)可能停止[13]，pH為7時，微生物的合成代謝能力旺盛，厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣率達到最優(yōu)[14]；在餐廚垃圾初始含水率約55%的條件下，高溫好氧消化效果和水溶性TOC降解率最佳[15]；添加10 g/L鹽分時，厭氧發(fā)酵脫氫酶活性受到輕度抑制，沼氣量減少17%[16]。而在偏酸性和含鹽量較高的環(huán)境下，噬污酵母不受影響，能高效利用壓榨液中的總糖，實現(xiàn)生物乙醇轉(zhuǎn)化和蛋白降解。

2.2 聯(lián)合生物工藝試驗

2.2.1 對主要產(chǎn)品的影響

餐廚垃圾中有機質(zhì)濃度高，且蛋白、油脂濃度遠高于其他垃圾，有很高的回收利用價值，是制備動物飼料和有機物的豐富資源。從表3可看出，壓榨渣總蛋白、油脂濃度平均值分別為9.13%和2.76%，壓榨液總蛋白、乙醇、油脂濃度平均值分別為2.14%、2.07%、4.55%，說明經(jīng)過新型破碎壓榨預(yù)處理后，大部分油脂被壓出，仍有少部分蛋白和油脂殘留在壓榨渣中。

表3 主要產(chǎn)品濃度

傳統(tǒng)的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵需要較長周期，處理進度慢，所以處理量不大。利用釀酒酵母對餐廚垃圾進行120 h發(fā)酵后，乙醇濃度可達54.6 g/L[17]。而由表3可知，在24 h內(nèi)，噬污酵母對餐廚垃圾的平均糖醇轉(zhuǎn)化率達91.78%。因此，聯(lián)合生物工藝具有發(fā)酵周期短、處理進度快、糖醇轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)點，可有效實現(xiàn)餐廚垃圾的資源化利用。

2.2.2 主要產(chǎn)品的回收率

產(chǎn)品回收率直接影響餐廚垃圾資源化處理工藝的可行性。由表4可知，經(jīng)過新型破碎壓榨預(yù)處理、油液渣三相分離的聯(lián)合生物工藝后，餐廚垃圾油脂、高蛋白酒糟和乙醇平均回收率分別為89.78%、98.39%和94.99%。有研究表明[18]，在160 ℃下濕熱處理80 min，流速低于0.825 ms時，可回收75%的油脂；利用餐廚垃圾混合1.5%尿素在30 ℃發(fā)酵48 h后，可回收含蛋白28.57%的粗蛋白飼料[8]；利用餐廚垃圾添加10%麥麩和4%豆粕在32 ℃厭氧培養(yǎng)48 h后，可回收含蛋白20.25%的粗蛋白飼料[19]。顯然，在主要產(chǎn)品乙醇、油脂和高蛋白酒糟的回收方面，該聯(lián)合生物工藝具有良好的效果，而且條件溫和、工藝操作簡單。

表4 主要產(chǎn)品回收率

2.3 主要產(chǎn)品的特性

將從餐廚垃圾回收的油脂、高蛋白酒糟和乙醇送檢并對其產(chǎn)品特性進行分析，與相對應(yīng)國內(nèi)通用標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)指標(biāo)進行了對比，主要產(chǎn)品品質(zhì)如表5所示。由表5可知，回收油脂中有效成分濃度達99.5%；回收乙醇中乙醇濃度為97.8%，其他指標(biāo)均在規(guī)定范圍內(nèi)，達到GB/T 394.1—2008《工業(yè)酒精》一級標(biāo)準(zhǔn)；高蛋白酒糟中粗蛋白、粗脂肪濃度分別為37.27%和9.49%，霉菌總數(shù)和黃曲霉毒素B1濃度等達到GB/T 25866—2010《玉米干全酒糟蛋白飼料(DDGS)》的營養(yǎng)和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，屬于高脂型一級蛋白飼料。

表5 主要產(chǎn)品品質(zhì)

3 結(jié)論

(1)通過新型破碎壓榨預(yù)處理，餐廚垃圾的減量率達到90%以上，壓榨渣干基低位燃燒值為4 885 kJ/kg，達到GB/T 18750—2008《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》垃圾焚燒標(biāo)準(zhǔn)。餐廚垃圾能在較短的工藝周期內(nèi)快速實現(xiàn)減量和分流，最終實現(xiàn)無害化。

(2)酵母代謝工程菌(噬污酵母)在24 h內(nèi)對餐廚垃圾總糖轉(zhuǎn)化為乙醇的效率高達91.78%，能快速和最大化實現(xiàn)餐廚垃圾的糖醇轉(zhuǎn)化；聯(lián)合生物加工工藝能最大程度地回收油脂、高蛋白酒糟，其回收率分別為89.78%和98.39%。

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《環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報》征稿啟事

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Pilot-scale study on food waste by combined processes of new-type breaking and squeezing pretreatment and consolidated bio-processing (CBP)

LEI Yongkang, XIONG Chunjiang, JIANG Sujun, LIN Jianghai, LIU Zehuan

Guangdong Qizhi Biotechology Co., Ltd., Guangzhou 510530, China

The new-type breaking and squeezing equipment and combined oil-liquid-sludge separation technology with consolidated bio-processing (CBP) were used to study the effect on the reduction rate of food waste, the ethanol production, and the recovery of waste oil and high-protein vinasse. The results showed that: 1) the reduction rate of food waste reached above 90% and the low combustion value of dry slag attained 4 885 kJkg, reaching the national incineration standard. 2) In the salinity and acidic conditions, the sugar-alcohol conversion rate by yeast metabolic engineering bacteria was as high as 91.78% within 24 hours, which explained the bacteria had salt-tolerant and acid-resistance, and the high conversion efficiency from sugar to alcohol. 3) The recovery rate of waste oil and high-protein vinasse was 89.78% and 98.39%, respectively, and the product feature reached the high lipid standard of distillers dried grains with solubles (DDGS). The recovery rate of alcohol was 94.99%, and the product features reached the Class Ⅰ of national industrial alcohol standard. The consolidated bio-processing(CBP) had the advantage of high reduction rate, short fermentation period, and high recovery rate.

food waste; breaking and squeezing pretreatment; consolidated bio-processing(CBP); dirt-edible yeast

2017-01-03

廣州開發(fā)區(qū)院士專家創(chuàng)業(yè)項目(2016-L416)

雷永康(1989—)，男，碩士，研究方向為餐廚垃圾資源化處理，330515180@qq.com

*責(zé)任作者：劉澤寰(1972—)，男，研究員，博士，研究方向為生化與分子生物領(lǐng)域，zhliu@jnu.edu.cn

X705

1674-991X(2017)04-0477-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.065

雷永康，熊春江，姜蘇峻,等.新型破碎壓榨聯(lián)合生物工藝處理餐廚垃圾中試研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2017,7(4):477-482.

LEI Y K, XIONG C J, JIANG S J, et al.Pilot-scale study on food waste by combined processes of new-type breaking and squeezing pretreatment and consolidated bio-processing (CBP)[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):477-482.