餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乳酸與雙水相分離.pdf

1、餐廚垃圾含水率與揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)含量高，極易腐敗，成為惡臭的主要來源，并且其含有大量的致病菌，容易造成疾病的傳播。另一方面，餐廚垃圾富含碳水化合物及豐富的營養(yǎng)，包括脂肪、蛋白質(zhì)和多種糖類，可作為生物質(zhì)能源，具有廣闊的利用前景。目前厭氧產(chǎn)甲烷技術(shù)是餐廚垃圾資源化的主流技術(shù)，但其存在發(fā)酵時間長，沼氣產(chǎn)率低等問題。本課題組以往研究表明餐廚垃圾厭氧消化過程中大量產(chǎn)生的乳酸容易抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，并造成餐廚垃圾利用率低等問題。而乳酸作為一種工業(yè)原料廣

2、泛運(yùn)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域；并且由乳酸還可合成生物可降解性塑料，成為石油化工生產(chǎn)通用塑料的替代品。相比于厭氧產(chǎn)甲烷，生物發(fā)酵產(chǎn)乳酸具有成本低，生物質(zhì)利用率高，副產(chǎn)物少，工藝簡單，對環(huán)境污染小等特點。因此，開發(fā)高效的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)乳酸技術(shù)可望成為一種有效實現(xiàn)餐廚垃圾減量化、無害化和資源化的新途徑。 為提高餐廚垃圾中生物質(zhì)的降解率、最大程度地實現(xiàn)餐廚垃圾減量化與資源化，本論文對餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乳酸和雙水相技術(shù)提取乳酸

3、進(jìn)行了研究，著重對影響這兩種過程的限制因素及其改善措施進(jìn)行系統(tǒng)研究：針對餐廚垃圾極易腐化，容易在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生惡臭，滋生腐敗菌的問題，本文研究了添加同型乳桿菌快速保存餐廚垃圾的方法；針對傳統(tǒng)乳酸發(fā)酵工藝流程長，操作復(fù)雜，乳酸產(chǎn)率低的問題，本文將同步糖化發(fā)酵技術(shù)運(yùn)用到餐廚垃圾發(fā)酵中，分析α-淀粉酶、蛋白酶、YeasteXtract、溫度及CaCO3對餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵的影響規(guī)律，并提出提高餐廚垃圾發(fā)酵速率的措施；針對傳統(tǒng)的乳酸提取工藝流

4、程長，消耗化工原料多，且最終產(chǎn)品收率低的問題，本文首次將雙水相技術(shù)運(yùn)用到餐廚垃圾發(fā)酵中提取乳酸，探究了乳酸菌在雙水相體系中的分配規(guī)律，確定影響分配的主要因素，分析了聚合物濃度、分子量及乳酸菌接種率對雙水相體系發(fā)酵的影響，并考查了餐廚垃圾多批次連續(xù)發(fā)酵提取乳酸的效果。主要研究結(jié)果如下： (1)從餐廚垃圾中分離篩選出若干乳酸菌株，經(jīng)生理生化試驗初篩得到一株同型乳桿菌。進(jìn)一步經(jīng)API50CH系統(tǒng)及16sDNA分子生物學(xué)技術(shù)鑒定，鑒定

5、為同型Lactobacillusplantarum乳桿菌，并命名為LactobacillusplantarumBP04。生長曲線與產(chǎn)酸能力表明該菌株生長周期短，經(jīng)12h生長可達(dá)到穩(wěn)定期，且具有良好的產(chǎn)酸能力，可達(dá)到138.09g/L。 (2)研究了投加LactobacillusplantarumBP04快速保存餐廚垃圾的方法。實驗結(jié)果表明接種LactobacillusplantarumBP04有利于在保存前期加速乳酸的生成，快

6、速降低發(fā)酵液pH值，達(dá)到抑制腸道菌等病原菌與腐敗菌的滋生。提高接種率，有利于控制Lactobacillusbrevis與Leuconostoclactis等異型乳酸菌的生長，加速發(fā)酵類型由異型向同型轉(zhuǎn)化。乳酸是餐廚垃圾保存過程中最主要的有機(jī)酸，其變化趨勢反應(yīng)了不同菌屬的細(xì)菌在保存過程中的相互作用規(guī)律。 (3)運(yùn)用二階響應(yīng)曲面法分析α-淀粉酶、蛋白酶、Yeastextract、溫度及CaCO3對餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵的影響規(guī)律。響

7、應(yīng)曲面法回歸模型表明一次項中蛋白酶、溫度及CaCO3對乳酸產(chǎn)量有顯著正影響，而α-淀粉酶與Yeastextract影響不顯著；蛋白酶與溫度的交互項對乳酸產(chǎn)量有高度顯著的負(fù)作用。餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乳酸的優(yōu)化條件為：α-淀粉酶13.86U/g，蛋白酶2.12U/g，溫度29.31℃，CaCO362.67g/L，對應(yīng)的乳酸產(chǎn)量為98.51g/L，垃圾利用率為88.75％。提高乳酸菌接種率有利于加速餐廚垃圾中可溶性碳水化合物的降解，提高α-

8、淀粉酶的水解效率；增加CaCO3投加量有助于加速還原糖降解，并促使水解與發(fā)酵平衡向水解階段轉(zhuǎn)變。 (4)運(yùn)用Plackett-Burman與響應(yīng)曲面法組合設(shè)計分析LactobacillusplantarumBP04乳酸菌在雙水相體系中的分配行為。實驗結(jié)果表明LactobacillusplantarumBP04在PEG/DEX體系中為單相分配，絕大部分分配于下相與兩相界面，其分配系數(shù)K不受成相聚合物分子量、濃度、電解質(zhì)及pH值變

9、化的影響。Plackett-Burman試驗結(jié)果表明聚合物分子量對體積比有高度顯著的負(fù)影響，而細(xì)胞濃度、電解質(zhì)、靜置時間及pH值無顯著影響。響應(yīng)曲面法結(jié)果表明聚合物濃度變化對體積比有高度顯著影響，其中PEG10000為正線性相關(guān)，DEX20000為負(fù)的二次函數(shù)關(guān)系，而PEG10000與DEX20000無相互影響。響應(yīng)曲面法所得優(yōu)化條件為：PEG100006％、DEX2000013.85％，對應(yīng)體積比最小值為0.815。 (5)

10、研究了餐廚垃圾發(fā)酵時PEG/DEX雙水相體系提取乳酸的情況。實驗結(jié)果顯示PEG/DEX體系具有良好的生物相容性，能有效從餐廚垃圾發(fā)酵體系中提取乳酸。相比于常規(guī)發(fā)酵體系，PEG10000/DEX20000對LactobacillusplantarumBP04生長影響不大；而乳酸平均生成速率在12～24h為0.20g/(L·h)左右，低于常規(guī)發(fā)酵體系的0.683g/(L·h)。上下相聚合物濃度的變化對餐廚垃圾發(fā)酵影響不明顯。PEG/DEX體

11、系在發(fā)酵過程中，體積比穩(wěn)定，不受產(chǎn)物與基質(zhì)濃度變化的影響。PEG分子量增加對發(fā)酵影響不大；而DEX分子量從20000增加到40000，乳酸生成速率相應(yīng)由0.631g/(L·h)降至0.518g/(L·h)，乳酸產(chǎn)量也由33g/L降至22g/L。提高接種率可縮短乳酸菌的停滯期，并加速乳酸生成，當(dāng)接種率為1％、4％和8％時，6～48h內(nèi)乳酸平均生成速率分別為0.558g/(L·h)、0.602g/(L·h)、0.649g/(L·h)。在PE