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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

        2016-06-07 06:21:34陳善平宋立杰趙由才同濟(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
        中國環(huán)境科學(xué) 2016年1期
        關(guān)鍵詞:酵母菌

        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.

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