李 陽,周 濤,陳善平,張 駿,宋立杰,趙由才*(.同濟(jì)大學(xué),污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 0009；.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司,上海 003)

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溫度對(duì)接種酵母菌和醋酸菌餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸的影響

李 陽1,周 濤1,陳善平2,張 駿1,宋立杰2,趙由才1*(1.同濟(jì)大學(xué),污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092；2.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司,上海 200232)

摘要：通過間歇實(shí)驗(yàn),探究了溫度(25,35,45,55℃)對(duì)餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌后產(chǎn)乙酸和揮發(fā)性脂肪酸的影響.結(jié)果表明,控制溫度在25℃時(shí),發(fā)酵液中乙酸濃度遠(yuǎn)高于35、45和55℃,發(fā)酵8d后,乙酸的產(chǎn)量最大,達(dá)到0.59g/L;最大的VFA濃度在25℃下獲得,達(dá)34.49g/L.VFA中以乙酸為主,并有少量丙酸和丁酸產(chǎn)生.隨溫度的逐漸升高,TS和VS去除率先上升后下降,在35℃時(shí),發(fā)酵底物餐廚垃圾的TS和VS去除率最高,為30%和60%左右.

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；酵母菌；醋酸菌；乙酸；溫度

* 責(zé)任作者, 教授, zhaoyoucai@#edu.cn

近年來,由于人民生活水平的提高和城市化進(jìn)程的加快,餐廚垃圾的產(chǎn)生量逐年增長.在亞洲國家,2005～2025年間,城市中產(chǎn)生的餐廚垃圾將從每年的2.78億t增加到4.16億t[1],上海市每天餐廚垃圾的產(chǎn)生量超過1300t[2].餐廚垃圾具有高含水率、高有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn),作為生活垃圾主要組成部分,收集或處理不當(dāng)不僅會(huì)造成二次污染,同時(shí)也會(huì)影響人類的健康、城市市容和環(huán)境衛(wèi)生.

目前,國內(nèi)外的研究主要集中于通過將餐廚垃圾或已接種污泥等其他物質(zhì)的餐廚垃圾進(jìn)行厭氧發(fā)酵,轉(zhuǎn)化為氫氣[3]、沼氣[4]、乙醇[5-7]、乳酸[8]或有機(jī)肥[9]等.另有部分研究集中于將餐廚垃圾進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸[10-13],但關(guān)于餐廚垃圾微氧條件下生產(chǎn)乙酸的研究卻鮮有報(bào)道.覃莉等[14]通過單因素試驗(yàn)篩選了酵母菌和醋酸菌混合發(fā)酵生產(chǎn)醋酸的最佳工藝條件,得出酵母菌醋酸菌混合發(fā)酵在醋酸的生產(chǎn)上是可行的這一結(jié)論.

溫度是控制餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)酸重要條件之一,主要原因在于溫度對(duì)酶活性具有較大程度的影響,對(duì)微生物的生長代謝具有重要作用.因此,本文在之前研究[15]的基礎(chǔ)上系統(tǒng)考察了微氧條件下,不同溫度對(duì)接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乙酸的影響,并對(duì)發(fā)酵過程機(jī)制做了初步探討.

1 材料與方法

1.1 餐廚垃圾來源和特性

實(shí)驗(yàn)餐廚垃圾取自上海市同濟(jì)大學(xué)某食堂,剔除其中的骨頭等硬物及塑料袋、筷子等雜物后用食物粉碎機(jī)將其粉碎后用2mm篩網(wǎng)過篩.餐廚垃圾包含米飯、蔬菜、肉、蛋等,其基本特性如表1所示.餐廚垃圾處理后置于4℃環(huán)境下防止預(yù)酸化.試驗(yàn)所用酵母菌為安琪高活性干酵母(固體),其主要成分為釀酒酵母,來自湖北安琪酵母股份有限公司;醋酸菌為滬釀1.01號(hào)醋酸菌(固體),其主要成分為釀造醋酸,上海佳民釀造食品有限公司釀造一廠.

表1 餐廚垃圾的測(cè)定指標(biāo)及性能Table 1 Representative composition and parameters of food wastes used for acetic acid fermentation

1.2 實(shí)驗(yàn)條件和操作

實(shí)驗(yàn)稱取300g經(jīng)過處理的餐廚垃圾放置在500mL血清瓶中,向1、2、3、4號(hào)瓶添加10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的高活性干酵母和10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的醋酸菌,分別將1、2、3、4號(hào)瓶置于25、35、45、55℃恒溫水浴鍋中,每種溫度設(shè)置3個(gè)瓶作為平行樣.血清瓶塞連接注射針頭,通過測(cè)定ORP值嚴(yán)格控制含氧量,將ORP值限制在- 250 ～ l50mV范圍內(nèi),形成微氧環(huán)境.前2d每8h測(cè)定發(fā)酵液pH 值, 2d后每24h測(cè)定發(fā)酵液pH值,并取樣測(cè)定發(fā)酵液中揮發(fā)性有機(jī)酸(乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸)的濃度.

1.3 分析方法

TS、VS、凱氏氮和COD采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[16].pH值采用pH計(jì)測(cè)定(PHS-3C,上海雷磁), ORP值采用ORP計(jì)測(cè)定(PHS-3C,上海雷磁), VFA經(jīng)過預(yù)處理后測(cè)定.預(yù)處理方法為:取樣后將樣品以5000r/min 離心20min,上清液經(jīng)0.45μm 微孔濾膜過濾.揮發(fā)性脂肪酸采用氣相色譜法測(cè)定,選用美國安捷倫公司氣相色譜儀Agilent 6890N(FID氫火焰離子化檢測(cè)器).測(cè)試條件:進(jìn)樣口溫度為200℃,檢測(cè)器溫度為220℃,不分流進(jìn)樣,進(jìn)樣量1μL,色譜柱為DB-WAX-etr極性柱(30.0m×0.53mm×1.00μm),條件為恒溫恒壓,壓力為30.37kPa.

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)發(fā)酵液中pH值的影響

接種酵母菌和醋酸菌后的餐廚垃圾在微氧發(fā)酵過程中,進(jìn)行水解酸化過程,不斷產(chǎn)生VFA.VFA是餐廚垃圾降解時(shí)產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物,當(dāng)產(chǎn)生的VFA不能及時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí),會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸生成速度大于消耗速度,從而出現(xiàn)酸積累使pH值下降[5].

圖1 溫度對(duì)發(fā)酵液pH值的影響Fig.1 Effect of different temperatures on pH value over time of fermentation liquid

由圖1可見,在微氧發(fā)酵過程中,餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌后快速完成水解酸化階段.pH值隨著餐廚垃圾微氧發(fā)酵過程的進(jìn)行先快速下降后逐漸放緩,最后趨于穩(wěn)定在3.50～4.50.控制溫度為25℃時(shí),pH值在微氧發(fā)酵的第5d開始趨于穩(wěn)定;控制溫度為35℃時(shí),pH值在微氧發(fā)酵的第3d開始趨于穩(wěn)定;控制溫度為45℃時(shí),pH值在微氧發(fā)酵的第16h開始趨于穩(wěn)定;控制溫度為55℃時(shí),pH值在微氧發(fā)酵的第8h開始趨于穩(wěn)定.隨著控制溫度的升高,pH值達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間逐漸縮短,發(fā)酵過程中餐廚垃圾水解酸化速率加快,說明了溫度是影響發(fā)酵物水解的一個(gè)重要因素,溫度升高會(huì)加快發(fā)酵底物的水解速率,這與吳云等[17]的研究結(jié)果一致.

2.2 溫度對(duì)發(fā)酵液中乙酸產(chǎn)量的影響

圖2和圖3顯示了不同溫度條件下VFA濃度與乙酸濃度的變化.接種酵母菌和醋酸菌后的餐廚垃圾在微氧發(fā)酵過程中,在4個(gè)溫度條件下乙酸濃度高低依次為25℃>35℃>45℃>55℃.控制溫度為25℃,發(fā)酵時(shí)間為8d時(shí)乙酸濃度升高,達(dá)到最大值64g/L;控制溫度為35℃時(shí),乙酸濃度呈直線上升,發(fā)酵32h 后,最大乙酸濃度達(dá)到27g/L,之后緩慢下降至趨于穩(wěn)定;控制溫度為45℃和55℃時(shí),乙酸濃度快速升高,分別發(fā)酵16h與24h后,乙酸濃度達(dá)到11g/L,之后緩慢下降至趨于穩(wěn)定.

圖2 溫度對(duì)VFA產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of different temperatures on VFA yield over time of fermentation liquid

溫度為35、45、55℃時(shí)的乙酸和VFA產(chǎn)量要低于25℃時(shí)的產(chǎn)量,這可能是因?yàn)槲⑸镏邪l(fā)酵菌群多為中溫菌群[18],溫度過低和過高都會(huì)影響發(fā)酵菌群正常的生命活動(dòng).隨著溫度從25℃逐漸升高至55℃時(shí),乙酸產(chǎn)量、VFA產(chǎn)量逐漸降低.因此確定了接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸的最佳溫度為25℃.

圖3 溫度對(duì)乙酸產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of different temperatures on acetic acid production over time of fermentation liquid

2.3 溫度對(duì)發(fā)酵液中VFA組分及其產(chǎn)量的影響

對(duì)發(fā)酵液中的VFA組分進(jìn)行了分析.不同溫度條件下VFA組分與產(chǎn)量對(duì)比如圖4所示,結(jié)果表明,發(fā)酵液中存在乙酸、丙酸、正丁酸等.在4個(gè)溫度條件下,VFA中主要組分都是乙酸,乙酸比例均≥79%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),而丙酸和正丁酸的產(chǎn)量都較低.其中,控制溫度為25℃時(shí),VFA中主要組分為乙酸、丙酸、正丁酸,且隨著發(fā)酵的進(jìn)行,乙酸產(chǎn)量逐漸升高,約占VFA總量的80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),丙酸產(chǎn)量下降至0,正丁酸產(chǎn)量保持穩(wěn)定低量,約占20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));控制溫度為35℃時(shí),VFA中主要組分為乙酸、丙酸,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,乙酸產(chǎn)量先逐漸增加,后趨于穩(wěn)定;控制溫度為45℃時(shí),VFA中主要組分為乙酸、丙酸,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,乙酸產(chǎn)量升高,約占93%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));控制溫度為55℃時(shí),VFA中主要組分為乙酸、丙酸,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,乙酸和丙酸產(chǎn)量變化不大,分別約占79%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和 21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).與35℃中溫條件下的試驗(yàn)結(jié)果相比較,25℃條件下丙酸比例有所上升,乙酸比例有所下降;45℃與55℃條件下乙酸比例略微下降,丁酸的比例有所上升,這與趙杰紅等[18]的研究結(jié)果相一致.

圖4 不同溫度條件下VFA組分與產(chǎn)量對(duì)比Fig.4 Comparison of VFA components and yield under different temperature conditions

由本研究結(jié)果可以看出,控制溫度為25℃時(shí),乙酸的產(chǎn)生量大,達(dá)到31.8g/L,VFA的產(chǎn)生量大,達(dá)到39.2g/L;控制溫度為35℃時(shí),乙酸在VFA中的比例最大,48h后比例可達(dá)100%;控制溫度為45℃和55℃時(shí),乙酸與VFA產(chǎn)量下降.控制不同的溫度條件可以分別獲得高的乙酸產(chǎn)量、VFA產(chǎn)量或較高乙酸比例的VFA.因此,可以根據(jù)不同的需求,控制溫度在25℃或35℃以獲得高的乙酸產(chǎn)量、VFA產(chǎn)量或較高乙酸比例的VFA.

2.4 溫度對(duì)發(fā)酵液中VS去除率的影響

揮發(fā)性固體(VS)去除率是衡量發(fā)酵底物降解程度的關(guān)鍵性指標(biāo),目前它被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)產(chǎn)酸過程中體系發(fā)酵底物的降解程度.圖5表示不同溫度下發(fā)酵液中TS及VS去除率,可以看出隨著溫度的逐漸升高,TS和VS去除率經(jīng)歷先上升后下降的過程.在35℃時(shí),發(fā)酵底物餐廚垃圾的TS和VS去除率最高,為30%和60%左右.而在溫度為55℃時(shí)最低,TS去除率為10.37%,僅為35℃時(shí)TS去除率的1/3;VS 去除率為38.09%,僅為35℃時(shí)VS去除率的1/2.溫度逐漸升高至30℃附近時(shí),發(fā)酵液中水解酸化菌的數(shù)量增多,活性增強(qiáng),對(duì)外界條件變化的適應(yīng)能力相對(duì)增強(qiáng)[19],且恰在外加菌種(酵母菌和醋酸菌)最適生長溫度范圍內(nèi),因此在25℃和35℃時(shí)TS和VS去除率要高于45℃和55℃.

2.5 餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發(fā)酵產(chǎn)酸機(jī)制研究

在水解發(fā)酵階段,餐廚垃圾中不溶性的大分子有機(jī)物首先被轉(zhuǎn)化為能被細(xì)菌所利用的小分子有機(jī)物.之后在微生物的作用下,轉(zhuǎn)化為長鏈脂肪酸、糖類、氨基酸等物質(zhì),最終形成以短鏈揮發(fā)性有機(jī)酸(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等)和乙醇為主的末端發(fā)酵產(chǎn)物[20].餐廚垃圾進(jìn)行發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸,而其中乙酸占主導(dǎo)地位.

圖5 不同溫度條件下發(fā)酵液中TS去除率與VS去除率Fig.5 The removal rate of TS and VS in fermentation liquids under different temperature conditions

水解是限制有機(jī)物降解的主要因素[21].提高溫度可以加快有機(jī)物質(zhì)的水解,溫度越高,有機(jī)質(zhì)分子活動(dòng)越強(qiáng)烈,且能夠增加某些有機(jī)物質(zhì)的溶解性,使有機(jī)質(zhì)更易降解,且在其他條件不變的情況下,碳水化合物更易被水解[22].接種酵母菌后,餐廚垃圾在微氧或兼性環(huán)境下更容易被水解,如淀粉、蛋白質(zhì).酵母菌將餐廚垃圾中小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇和水,醋酸菌能將乙醇氧化成乙酸,已經(jīng)成為工業(yè)制醋的主要方式.

發(fā)酵液可以在微氧條件下水解酸化階段去除部分易降解有機(jī)物質(zhì),主要強(qiáng)化了兼性水解酸化菌的生理代謝功能,且促進(jìn)了難生物降解物質(zhì)的水解酸化效果.同時(shí)可使VFA濃度大幅上升,能夠改善生物降解性能[23].因此,相較于傳統(tǒng)的厭氧條件進(jìn)行發(fā)酵,餐廚垃圾發(fā)酵液在微氧條件下能夠更好地進(jìn)行降解,同時(shí)滿足酵母菌和醋酸菌的生長環(huán)境條件.

此外,微生物的生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝與溫度有密切的關(guān)系,不同微生物生長對(duì)溫度的要求不同,過高或過低的溫度對(duì)微生物的生長不利.酵母菌的最適生長溫度一般在20～30℃,醋酸菌的最適生長溫度30～35℃,氧化酒精生成醋酸的能力強(qiáng).接種酵母菌和醋酸菌后餐廚垃圾中的有機(jī)物經(jīng)歷了水解階段以后,在酵母菌的作用下進(jìn)行小分子轉(zhuǎn)化為乙醇;在醋酸菌的作用下將乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸,從而進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)酸.在微氧發(fā)酵中,維持相對(duì)較低的發(fā)酵溫度可以增強(qiáng)接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾產(chǎn)乙酸容量,促進(jìn)菌體生長,進(jìn)而為發(fā)酵后期提供穩(wěn)定的產(chǎn)乙酸能力.

3 結(jié)論

3.1 接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸,溫度對(duì)乙酸的產(chǎn)生量影響顯著.

3.2 控制溫度為25℃時(shí),乙酸的產(chǎn)生量達(dá)到31.8g/L, VFA的產(chǎn)生量達(dá)到39.2g/L;控制溫度為35℃ 時(shí),乙酸在VFA中的比例最大, 48h后比例可達(dá)100%;控制溫度為45℃和55℃ 時(shí), 乙酸與VFA產(chǎn)量下降.可以根據(jù)不同的需求, 控制溫度在25℃或35℃以獲得高的乙酸產(chǎn)量、VFA產(chǎn)量或較高乙酸比例的VFA.

3.3 接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾微氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸的最佳溫度為25 ℃.

3.4 控制溫度為25℃時(shí),發(fā)酵液中產(chǎn)生乙酸、正丁酸;控制溫度為35℃時(shí),只產(chǎn)生乙酸;控制溫度為45℃和55℃時(shí),同時(shí)產(chǎn)生乙酸和正丁酸.

3.5 隨溫度的逐漸升高,TS和VS去除率先上升后下降,在35℃時(shí),發(fā)酵底物餐廚垃圾的TS和VS去除率最高,為30%和60%左右.微氧條件強(qiáng)化了兼性水解酸化菌的生理代謝功能,改善了生物降解性能,促進(jìn)了難生物降解物質(zhì)的水解酸化效果.

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Effects of temperature on the production of acetic acid from food wastes by yeast and acetic acid bacteria during micro-aerobic fermentation.

LI Yang1, ZHOU Tao1, CHEN Shan-ping2, ZHANG Jun1, SONG Li-jie2, ZHAO You-cai1*(1.The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Institute for Design and Research on Environmental Engineering Co., Ltd, Shanghai 200232, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：175～180

Abstract：This study carried out batch experiments to explore the effects of temperature at 25, 35, 45, 55℃ on acetic acid and volatile fatty acids production from food wastes with yeast and acetic acid bacteria as inoculums during micro-aerobic fermentation.The results showed that the concentration of acetic acid fermentation is the maximum of 0.59g/L at 25℃after eight days’ fermentation, much higher than those at 35, 45 and 55℃, with the highest concentration of VFA up to 34.49g/L at 25℃.VFA thus produced contains acetic acid mostly, with a few amount of propionate and butyrate.The optimum temperature on acetic acid production of food wastes inoculated yeast and acetic acid bacteria during micro-aerobic fermentation is 25℃.With the temperature gradually increased, TS and VS removal rate increased at first and then decreased.At 35℃, TS and VS removal rate of fermentation substrates is the highest, about 30% and 60%, respectively.

Key words：food wastes；yeast；acetic acid bacteria；acetic acid；temperature

中圖分類號(hào)：X705

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)01-0175-06

收稿日期：2015-05-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278350)

作者簡介：李 陽(1991-),女,黑龍江哈爾濱人,同濟(jì)大學(xué)碩士研究生,主要從事餐廚垃圾處理處置與資源化研究.