餐廚垃圾接種酵母菌固態(tài)厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇的可行性研究

王銘，全文潔，尚洪磊，龔天成，楊天學(xué)*，席北斗

1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽 550025

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)一步提高，我國生活垃圾產(chǎn)量逐年增加，2020年達(dá)到2.35×108t[1]，廚余垃圾是生活垃圾的主要組成，包括餐廚垃圾、家庭廚余垃圾和其他廚余垃圾[2]，占生活垃圾總量的36%~52%[3]，由于含水率和有機(jī)物含量高、可生化性強(qiáng)等特性[4]，收集和儲(chǔ)存過程中容易發(fā)生腐爛變質(zhì)[5]，并易產(chǎn)生滲濾液污染、臭氣等二次污染問題，容易引發(fā)傳染病，危害人體健康[6-8].通過厭氧發(fā)酵將廚余垃圾轉(zhuǎn)化成燃料乙醇是其資源化處理技術(shù)之一，日益受到研究和工程技術(shù)人員的重視[9-10].

為提高乙醇產(chǎn)量，已有學(xué)者進(jìn)行了廚余(餐廚)垃圾預(yù)處理等復(fù)雜過程后產(chǎn)乙醇的研究，如Matsakas等[11]開展了廚余垃圾水熱預(yù)處理后生產(chǎn)乙醇的研究，結(jié)果顯示最終乙醇產(chǎn)量為107.58 g/kg〔以總固體(TS)計(jì)〕，比未水熱預(yù)處理的乙醇產(chǎn)量增加了13.16%；另有研究人員通過生物酶促反應(yīng)來進(jìn)行預(yù)處理，如Walker等[12]將廚余垃圾酶解后進(jìn)行乙醇發(fā)酵，最終乙醇濃度為8 mg/mL；曹銘等[13]利用經(jīng)過復(fù)合酶預(yù)處理后的餐廚垃圾生產(chǎn)乙醇，最終乙醇濃度達(dá)54 g/L；Zhao等[14]使用微波預(yù)處理餐廚垃圾的酶水解產(chǎn)物作為底物，最終乙醇產(chǎn)量為0.344 g/g(相當(dāng)于理論乙醇產(chǎn)量的93.1%).另外，通過滅菌與強(qiáng)化微生物結(jié)合以及糖化等預(yù)處理方法，也可以提高乙醇的產(chǎn)量，如劉愛民等[15]將滅菌后的餐廚垃圾經(jīng)根霉和枯草芽胞桿菌預(yù)處理后生產(chǎn)乙醇，乙醇產(chǎn)量最高達(dá)6.67%；高明等[16]將餐廚垃圾進(jìn)行糖化預(yù)處理并結(jié)合糟液回流技術(shù)生產(chǎn)乙醇，最終乙醇產(chǎn)量維持在25.5~35.5 g/L.

目前厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇預(yù)處理階段仍存在工藝流程復(fù)雜、時(shí)間長、成本高等難題，曹銘等[13]研究指出，餐廚垃圾制乙醇生產(chǎn)具有預(yù)處理步驟繁瑣、成本高的問題，且發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾底物復(fù)雜、黏度大，嚴(yán)重影響酶解效率，選用高效液化酶和糖化酶復(fù)配能夠降低原料黏度、提高傳質(zhì)效率，得到的預(yù)處理效果更優(yōu)；仉磊等[17]研究發(fā)現(xiàn)，纖維素酶等水解酶的大量使用會(huì)使生產(chǎn)成本大幅提升，酶解預(yù)處理成本高是目前利用生物質(zhì)制備乙醇工藝的難題.滅菌預(yù)處理也存在類似問題，如劉愛民等[15]將餐廚垃圾滅菌后添加根霉孢子懸濁液預(yù)處理4 d，再添加芽胞桿菌懸濁液預(yù)處理1 d，利用得到的糖化液進(jìn)行乙醇發(fā)酵，雖產(chǎn)乙醇效果較好，但預(yù)處理過程相對復(fù)雜；張坤等[18]發(fā)現(xiàn)，相比于未處理的餐廚垃圾，滅菌預(yù)處理后其產(chǎn)氣提升效果不明顯，獲得的效益提升與消耗的能量成本相比得不償失.另外也有學(xué)者嘗試將乙醇前提物提取出來進(jìn)行發(fā)酵，如李英[19]在進(jìn)行餐廚垃圾厭氧發(fā)酵研究時(shí)，利用淋濾水解技術(shù)對餐廚垃圾進(jìn)行分離提質(zhì)預(yù)處理，雖然提高了發(fā)酵效果，但增加了大量的預(yù)處理時(shí)間.此外，預(yù)處理階段需要對廚余垃圾的產(chǎn)乙醇前體物還原糖的水解生成量以及還原糖水解前體物淀粉進(jìn)行控制，以保證厭氧發(fā)酵中乙醇生成路徑的通暢[15-16].

傳統(tǒng)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷是主流技術(shù)工藝路徑[10]，其物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程為有機(jī)物?乙醇?乙酸?甲烷，產(chǎn)乙醇是厭氧發(fā)酵重要的前置環(huán)節(jié)；通過有機(jī)物快速轉(zhuǎn)化為乙醇，可以避免反應(yīng)無序產(chǎn)生其他次生代謝物[13]，提高餐廚垃圾厭氧發(fā)酵水平.該研究擬通過直接向未進(jìn)行處理的餐廚垃圾中接種酵母菌，分析直接接種酵母菌發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)乙醇的產(chǎn)生量，并與滅菌預(yù)處理發(fā)酵產(chǎn)乙醇情況進(jìn)行對比，深入分析乙醇前體物還原糖以及還原糖水解前體物淀粉的降解規(guī)律，從而為餐廚垃圾收儲(chǔ)過程臭氣控制、物質(zhì)資源化提供理論和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

餐廚垃圾取自北京市某單位食堂，經(jīng)初步分揀，用小型粉碎機(jī)打成漿后于?18℃下冷凍保存.物料基本理化特性：總固體含量(total solid,TS)為15.00%，揮發(fā)性固體含量(volatile solid,VS)為13.40%，總糖含量為57.95%，還原糖含量為12.81%，淀粉含量為43.90%，pH為4.2.

1.2 試驗(yàn)方案

共設(shè)置2組試驗(yàn)，分別為底物滅菌預(yù)處理試驗(yàn)組和直接接種試驗(yàn)組，基于前期預(yù)試驗(yàn)的研究結(jié)果，將酵母菌接種量(m/m)分別設(shè)定為0、3%、6%、9%，其中，滅菌預(yù)處理試驗(yàn)組依次記為t1(空白)、t2、t3、t4，直接接種試驗(yàn)組依次記為T1(空白)、T2、T3、T4；厭氧發(fā)酵時(shí)間梯度分別設(shè)定為0、4、8、12、16、20和24 h(每個(gè)時(shí)間點(diǎn)取1瓶進(jìn)行測試)，試驗(yàn)總計(jì)使用56個(gè)500 mL血清瓶，其中每個(gè)血清瓶中裝有250 g餐廚垃圾，于28℃恒溫條件下進(jìn)行，試驗(yàn)開始前通入氮?dú)庖源_保厭氧環(huán)境.所用酵母菌種為安琪活性干酵母菌，接種方式為粉料直投，每個(gè)血清瓶上方連接2個(gè)集氣袋收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，進(jìn)行后續(xù)指標(biāo)測定.

1.3 指標(biāo)測定方法

試驗(yàn)原料成分測定：總固體、揮發(fā)性固體含量采用重量法測量，將總固體于105℃的恒溫烘箱中烘至恒質(zhì)量，揮發(fā)性固體于550℃馬弗爐中灼燒至恒質(zhì)量，稱量后計(jì)算其含量；pH采用pH計(jì)(梅特勒托利多FE20K，美國)測定；還原糖含量采用可見分光光度法測定[20]；淀粉含量采用蒽酮比色法測定；乙醇濃度采用氣相色譜法測量[21]，所用儀器為氣相色譜儀(安捷倫7890B，美國).

1.4 分析方法

采用修正的Gompertz模型〔見式(1)〕分析乙醇發(fā)酵動(dòng)力學(xué)過程[22]，該研究通過對濃度和時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，判斷發(fā)酵的延滯期以及發(fā)酵底物的產(chǎn)乙醇潛能.

式中：y為累積乙醇產(chǎn)量，g/L；Rm為單位最大乙醇產(chǎn)率，g/(L ·h)；Pm為最終乙醇潛力，g/L；e為自然常數(shù)，其值為2.713；λ為延滯期，h；t為發(fā)酵時(shí)間，h.

數(shù)據(jù)處理及圖表繪制運(yùn)用Originpro 2021軟件，并運(yùn)用Auto2Fit軟件對模型的各參數(shù)進(jìn)行回歸分析，通過全局優(yōu)化算法進(jìn)行迭代運(yùn)算，最終得到各參數(shù)值.

2 結(jié)果與討論

2.1 乙醇產(chǎn)生規(guī)律及其動(dòng)力學(xué)

2.1.1 酵母菌強(qiáng)化產(chǎn)乙醇效果

發(fā)酵基質(zhì)中乙醇濃度及其變化規(guī)律可以反映接種酵母菌對餐廚垃圾固態(tài)厭氧發(fā)酵的影響及效果.如圖1所示，直接接種組和滅菌預(yù)處理組的不接種空白對照(T1組、t1組)中，乙醇濃度在發(fā)酵的0~24 h內(nèi)均處于較低水平，且接種酵母菌(T2組、T3組、T4組、t2組、t3組、t4組)后乙醇濃度是未接種(T1組、t1組)的8.41~31.50倍，說明酵母菌的添加能夠促進(jìn)餐廚垃圾固體厭氧發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，這與劉愛民等[15]發(fā)現(xiàn)酵母菌可以促進(jìn)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)榻湍妇哂袑⑦€原糖轉(zhuǎn)化為乙醇的功能[23-24]，且餐廚垃圾能夠成為酵母菌生長繁殖的營養(yǎng)基質(zhì)[25]，因此，接種酵母菌能夠提升發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)乙醇濃度.

圖1 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)乙醇濃度的變化Fig.1 Changes of ethanol concentration in anaerobic fermentation system

另外，餐廚垃圾直接接種的T2、T3、T4試驗(yàn)組乙醇濃度最大值在11.86~12.09 g/L之間，明顯高于餐廚垃圾經(jīng)滅菌后再接種酵母菌的試驗(yàn)組，說明直接接種酵母菌的產(chǎn)乙醇效果優(yōu)于滅菌預(yù)處理組，這是由于餐廚垃圾中原有的雜菌對乙醇發(fā)酵具有積極作用，可能由于餐廚垃圾中存在細(xì)菌[26]、真菌[27]等微生物，能夠促進(jìn)餐廚垃圾中的有機(jī)物水解產(chǎn)生還原糖，接入的酵母菌能夠?qū)⑦€原糖轉(zhuǎn)化為乙醇，從而提高了乙醇產(chǎn)量；也有可能是由于餐廚垃圾中本就含有能夠?qū)⑦€原糖轉(zhuǎn)化為乙醇的微生物，它們與接入的酵母菌一起將還原糖轉(zhuǎn)化為乙醇[28-29].

2.1.2 產(chǎn)乙醇動(dòng)力學(xué)

為了量化分析酵母菌接種量對產(chǎn)乙醇過程的影響，該研究基于修正的Gompertz模型進(jìn)行乙醇產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)分析[30]，結(jié)果(見表1)顯示，擬合得到的R2為0.874~0.996，均大于0.85，擬合程度較高，說明接種酵母菌產(chǎn)乙醇發(fā)酵符合修正的Gompertz動(dòng)力學(xué)方程.

Pm值的大小可以反映出發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)乙醇的潛力大小，從表1可以看出，未接種試驗(yàn)組Pm僅為1.28 g/L，遠(yuǎn)低于接種組，且隨著酵母菌接種量的增加，Pm不斷升高，與此同時(shí)，代表單位容積時(shí)間情況下最大乙醇產(chǎn)率的Rm與Pm的變化趨勢相一致，空白對照組Rm僅為0.21 g/(L ·h)，遠(yuǎn)小于接種試驗(yàn)組，說明接種酵母菌可以增加餐廚垃圾固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)乙醇的潛力.但是，隨著酵母菌接種量由3%升至9%，Pm僅由10.75 g/L升至11.51 g/L，而T2、T3和T4試驗(yàn)組的Rm分別為3.29、3.25和3.88 g/(L ·h)，未表現(xiàn)出上升趨勢，說明在該試驗(yàn)條件下，酵母菌接種量對餐廚垃圾產(chǎn)乙醇的潛力影響不大.

表1 不同接種條件下修正的Gompertz模型參數(shù)Table 1 Parameters of the modified Gompertz model for different inoculum conditions

2.2 乙醇前體物還原糖的產(chǎn)生情況

還原糖是產(chǎn)乙醇重要的前體物，分析其含量變化可反映乙醇產(chǎn)量受發(fā)酵底物中營養(yǎng)物質(zhì)的影響.由圖2可見，雖然各試驗(yàn)組還原糖含量總體上均呈降低趨勢，但0~4 h內(nèi)空白對照組還原糖含量出現(xiàn)小幅上升，而接種試驗(yàn)組還原糖含量快速下降為43.37~46.55 mg/g，降幅為64.89%~67.29%，這說明接種酵母菌能夠在發(fā)酵初期就可以發(fā)揮作用，快速將系統(tǒng)內(nèi)的還原糖轉(zhuǎn)化為乙醇，這與乙醇濃度的分析結(jié)果相一致.另外，也可以說明接種酵母菌能夠加速系統(tǒng)內(nèi)不穩(wěn)定物質(zhì)向乙醇的轉(zhuǎn)化[31]，避免還原糖在其他類型微生物的作用下向丙酸、丁酸、甲烷等物質(zhì)轉(zhuǎn)化[26]，從而加速餐廚垃圾的穩(wěn)定化進(jìn)程，減少二次污染物的產(chǎn)生[32].

圖2 各試驗(yàn)組還原糖含量的變化Fig.2 Changesin reduced sugar content in each experimental group

另外，從圖2還可以看出，在4~24 h內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)還原糖含量基本趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的上升和下降趨勢，可能是發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)還原糖未產(chǎn)生和降解，或者產(chǎn)生量和轉(zhuǎn)化量出現(xiàn)平衡狀態(tài)，但是關(guān)聯(lián)乙醇產(chǎn)生規(guī)律可知，該時(shí)間段內(nèi)接種酵母菌的試驗(yàn)組乙醇含量也未出現(xiàn)明顯的上升或下降趨勢，說明系統(tǒng)內(nèi)還原糖的狀態(tài)是未出現(xiàn)明顯的產(chǎn)生和降解，主要是由于乙醇的累積作用抑制了微生物的活性[33]，還原糖含量或者乙醇濃度可能成為乙醇產(chǎn)生的限制因素[34].與此同時(shí)，3個(gè)接種試驗(yàn)組(T2、T3、T4)的還原糖含量上升趨勢和最高含量均未出現(xiàn)明顯差異，再疊加發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)乙醇產(chǎn)生量并未隨著接種量的增加而發(fā)生明顯變化，說明酵母菌接種量對于餐廚垃圾中有機(jī)物水解產(chǎn)生還原糖的速率沒有影響，可能是因?yàn)槭苓€原糖的水解前體物淀粉濃度的限制，無法滿足更多酵母菌水解作用[35].

2.3 還原糖前體物淀粉的產(chǎn)生情況

為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)內(nèi)停止產(chǎn)生還原糖是否受其前體物淀粉的影響，該研究對發(fā)酵基質(zhì)中的淀粉進(jìn)行了檢測分析，結(jié)果如圖3所示，空白對照組淀粉的最大水解率為19.36%，明顯低于接種組，說明接種酵母菌可以顯著增加餐廚垃圾固體發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)淀粉的水解率[36].淀粉含量的差異主要發(fā)生在0~4 h內(nèi)，這可能是由于酵母菌接種量的增加增強(qiáng)了系統(tǒng)內(nèi)微生物的豐度[37]，從而提高了淀粉水解速率[38].與此同時(shí)，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，接種酵母菌的試驗(yàn)組中淀粉含量均出現(xiàn)下降，但0~24 h內(nèi)淀粉水解率僅為27.90%~37.57%，發(fā)酵24 h后，淀粉含量(274.02~316.51 mg/g)仍較高，說明系統(tǒng)內(nèi)還原糖停止產(chǎn)生不是由于淀粉的不足導(dǎo)致的，可能是由于隨著發(fā)酵的進(jìn)行，產(chǎn)生的一些次生代謝物(如NaCl、油脂類等物質(zhì))抑制了淀粉的水解[39]，因此，如果要進(jìn)一步提升餐廚垃圾固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)乙醇的效率，提高淀粉水解產(chǎn)生還原糖成為亟待解決的難題.

圖3 各試驗(yàn)組淀粉含量的變化Fig.3 Change of starch content in each experimental group

3 結(jié)論

a)餐廚垃圾直接接種酵母菌進(jìn)行厭氧發(fā)酵，可以促進(jìn)乙醇的產(chǎn)生，乙醇濃度最高為11.86~12.09 g/L，是未接種情況下的8.41~31.50倍.直接接種的產(chǎn)乙醇效果優(yōu)于滅菌后再接種的效果，修正的Gompertz模型分析也佐證了接種酵母菌能夠顯著提高餐廚垃圾固體發(fā)酵產(chǎn)乙醇的水平，并且隨著接種量的增加，乙醇產(chǎn)生速率和總量也不斷上升.

b)接種酵母菌可促使系統(tǒng)內(nèi)還原糖轉(zhuǎn)化為乙醇，還原糖的降解率由32.90%升至69.26%，尤其是在0~4 h內(nèi)，接種組還原糖降解量占整個(gè)發(fā)酵過程的64.99%~67.29%，但4~24 h內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)還原糖含量基本維持在40.76~46.87 mg/g之間，也導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)乙醇產(chǎn)生量處于較低水平，成為乙醇產(chǎn)生的限制因素.

c)接種酵母菌可以顯著增加餐廚垃圾固體發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)淀粉的水解率，淀粉水解效率由空白對照組的19.36%升至27.90%~37.57%，且淀粉含量的差異主要發(fā)生在0~4 h內(nèi)，空白對照組淀粉含量的下降速率明顯低于接種組；但發(fā)酵24 h后，淀粉含量(274.02~316.51 mg/g)仍較高，可見，提高淀粉水解產(chǎn)生還原糖成為提升餐廚垃圾固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)乙醇的效率亟待解決的難題.