燃料乙醇厭氧出水和好氧出水回用酒精發(fā)酵

張琳 盧宗梅 陳影

摘 ? ? ?要：隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展，化石燃料等不可再生能源不斷消耗，各行業(yè)的能源供給面臨挑戰(zhàn)，以生物燃料乙醇為代表的生物質(zhì)能源蓬勃發(fā)展[1]。生物質(zhì)乙醇生產(chǎn)過(guò)程中廢液量大、環(huán)保處理負(fù)荷高，一直是行業(yè)難題[2]。同時(shí)我國(guó)是一個(gè)水資源緊缺的國(guó)家，節(jié)約用水是個(gè)永恒的話題。如果實(shí)現(xiàn)廢水回用，不僅可以降低廢水的處理成本，而且可以節(jié)約水資源。本研究將燃料乙醇厭氧出水、好氧出水與源水的各項(xiàng)指標(biāo)（pH、固體懸浮物、還原糖、氨氮、總氮、無(wú)機(jī)磷、總磷、有機(jī)酸和金屬離子的濃度）進(jìn)行了對(duì)比分析，考察厭氧出水和好氧出水回收用于酒精發(fā)酵的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明：厭氧出水和好氧出水不會(huì)影響酵母酒精發(fā)酵，將其回收用于酒精發(fā)酵是可行的。這樣即可以降低廢水排放的壓力，降低廢水處理成本，又能開(kāi)辟新水源，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān) ?鍵 ?詞：厭氧出水;好氧出水;回收利用;酒精發(fā)酵

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 085 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2277-05

Abstract： In recent years， the world's biofuel ethanol industry has boomed and grown rapidly， and biofuel ethanol has become the world's most successful alternative to biomass energy [1]. The large quantity of distilled waste liquid and the high pollution load in ethanol production have been the problem that is difficultly solved [2]. At the same time， China is a country with water shortage; water conservation is an eternal topic. If the wastewater reuse is realized， it can not only reduce the cost of wastewater treatment， but also save water resources. In this paper， the indicators of fuel ethanol anaerobic effluent， aerobic effluent and raw water were compared， such as pH， solid suspension， reducing sugar， ammonia nitrogen， total nitrogen， inorganic phosphorus， total phosphorus， organic acids and metal ions. The feasibility of reusing anaerobic effluent and aerobic effluent for alcohol fermentation was investigated. The experimental results showed that anaerobic effluent and aerobic effluent did not affect yeast alcohol fermentation， and it was feasible to recycle it for alcohol fermentation， which could reduce the wastewater discharge， reduce the cost of wastewater treatment， and improve economic efficiency.

Key words： Anaerobic effluent; Aerobic effluent; Recycling; Alcoholic fermentation

隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展，化石燃料等不可再生能源不斷消耗，各行業(yè)的能源供給面臨挑戰(zhàn)，環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯[3]。資料顯示[1]，2017年車(chē)用乙醇汽油占全世界汽油消費(fèi)總量的60%左右。生物燃料乙醇已經(jīng)成為生物質(zhì)能源替代化石燃料的典型代表。

燃料乙醇不僅是優(yōu)良的燃料，還是優(yōu)良的燃油品質(zhì)改善劑，更重要的是其可再生。發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，十分必要。而如何有效地解決燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水量大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、高效清潔生產(chǎn)成了研究重點(diǎn)。中糧（安徽）燃料酒精有限公司每天平均排放約4 000 t廢水，本文從廢水回用于酒精發(fā)酵出發(fā)，對(duì)厭氧出水和好氧出水的指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，研究厭氧出水和好氧出水回配用于酒精發(fā)酵的可行性。

1 ?實(shí)驗(yàn)

1.1 ?菌種

試驗(yàn)所使用的酵母菌為安琪酵母股份有限公司生產(chǎn)的高活性干酵母，菌活力200億·g-1。

1.2 ?培養(yǎng)基

1.2.1 ?原料

玉米粉，過(guò)1.5 mm篩片，20目（830 μm）通過(guò)率≥85%;厭氧出水取自IC出口;好氧出水取自環(huán)保排口;源水為水廠供水;生產(chǎn)線其他調(diào)漿水主要包括精塔釜水、蒸汽凝水、回配清液。

1.2.2 ?調(diào)漿

對(duì)照組：精塔釜水+蒸汽凝水+回配清液（取自生產(chǎn)線，45%）+工藝水（55%，工藝水不滅菌）。

試驗(yàn)組1：精塔釜水+蒸汽凝水+回配清液（取自生產(chǎn)線，45%）+厭氧出水（55%，厭氧出水絮凝過(guò)濾[4]，不滅菌）。

試驗(yàn)組2：精塔釜水+蒸汽凝水+回配清液（取自生產(chǎn)線，45%）+好氧出水（55%，不滅菌）。

以上述混合水為調(diào)漿水，加熱至60 ℃左右，按照料水比1∶2.2調(diào)漿，并調(diào)整pH=5.6～5.8，添加淀粉酶0.15 kg·t-1玉米粉。

1.2.3 ?液化

攪拌轉(zhuǎn)速300 r·min-1，于85 ℃水浴鍋液化1 h，再升溫至95 ℃繼續(xù)液化1.5 ?h。

1.2.4 ?同步糖化發(fā)酵[5]

調(diào)節(jié)pH=4.0～4.4，將3種液化液分別裝于3個(gè)5 L發(fā)酵罐中，裝液量40%，糖化酶添加量0.58 kg·t-1玉米粉，尿素添加量0.6 kg·t-1玉米粉，添加適量的青霉素。

1.3 ?培養(yǎng)方法

1.3.1 ?菌種活化

干酵母活化：取一定量的干酵母，加入3倍重量的溫水（30～35 ℃）活化20～30 min，血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)后接種，接種量為1×108個(gè)·mL-1。

1.3.2 ?發(fā)酵罐控制

接種前向培養(yǎng)基體系通風(fēng)，0.5 h后停止?？刂茰囟葹?2±1 ℃，攪拌轉(zhuǎn)速為100 r·min-1 [6]。

1.4 ?儀器設(shè)備

5 L 發(fā)酵罐，New Brunswick;液相色譜儀Agilent 1200，配備紫外檢測(cè)器和示差檢測(cè)器。

1.5 ?樣品處理方法

1.5.1 ?還原糖、總糖

還原糖測(cè)定按照GB/T 5009.7規(guī)定進(jìn)行，總糖測(cè)定前需硫酸或鹽酸的酸水解處理。

1.5.2 ?有機(jī)酸

液相色譜法[7]（GB 5009.157）測(cè)定。

液相色譜儀Agilent 1200，有機(jī)酸柱子，流動(dòng)相，柱溫控制在65 ℃，流速0.6 mL·min-1，進(jìn)樣量20 mL。

1.5.3 ?無(wú)機(jī)氮、總氮

依據(jù)GB/T 11891水質(zhì) 凱氏氮的測(cè)定。

1.5.4 ? 無(wú)機(jī)磷、總磷

依據(jù)GB/T 11893 水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法。

1.5.5 ?固體懸浮物干重

依據(jù)GB/T 14489.1油料 水分及揮發(fā)物濃度測(cè)定。

1.5.6 ?金屬離子

依據(jù)GB/T 5750.6生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 金屬指標(biāo)。

1.5.7 ?甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)

采用HPLC液相色譜法測(cè)定。

1.5.8 ?黃曲霉毒素

依據(jù)GB/T17480飼料中黃曲霉毒素AFB1的測(cè)定方法。

1.5.9 ?色澤、氣味

采用目視及嗅覺(jué)等感官判斷。

1.5.10 ?pH值

依據(jù)GB/T 6904—2008 工業(yè)循環(huán)冷卻水及鍋爐用水中pH的測(cè)定。

2 ?數(shù)據(jù)及討論

2.1 ?氮

氮源是構(gòu)成菌體物質(zhì)和一些代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)元素。氮源對(duì)微生物的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的意義。酵母的生長(zhǎng)和發(fā)酵都需要氮源，當(dāng)尿素質(zhì)量濃 ? 度 <1 g·L-1時(shí)，尿素質(zhì)量濃度與發(fā)酵酒精質(zhì)量濃度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.941[8-9]。尿素質(zhì)量濃度低，不能滿足酵母生長(zhǎng)繁殖的要求，可能導(dǎo)致酵母生長(zhǎng)停止。微生物的生長(zhǎng)階段分為延遲期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰亡期。酵母在不同的階段產(chǎn)乙醇的速度是不同的，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的酵母產(chǎn)乙醇的速率最大，不再生長(zhǎng)的酵母代謝速率下降。因此氮源質(zhì)量濃度低可能導(dǎo)致酒精的質(zhì)量濃度低，發(fā)酵周期長(zhǎng)。當(dāng)尿素質(zhì)量濃度>1 g·L-1時(shí)，隨著尿素質(zhì)量濃度的升高，酒精質(zhì)量濃度趨于定值。但是隨著尿素質(zhì)量濃度的增大，酵母接入后延遲期縮短，發(fā)酵周期縮短。

當(dāng)厭氧消化出水的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為300 μg·g-1時(shí)，可以完全代替尿素作為發(fā)酵的氮源。表1數(shù)據(jù)顯示厭氧出水和好氧水的氮源均低于300 μg·g-1，理論上說(shuō)不僅不會(huì)對(duì)酒僅發(fā)酵產(chǎn)生不利影響，反而可替代部分氮源，促進(jìn)酒精發(fā)酵。

2.2 ?磷

磷元素是組成酵母細(xì)胞核酸、核蛋白的重要成分，更是許多輔酶及高能磷酸化合物的組分，其磷酸鹽是維持微生物培養(yǎng)基體系電離平衡的必要緩沖物。磷除了參與初級(jí)代謝外，還通過(guò)調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，參與生命活動(dòng)的次級(jí)代謝[10]。厭氧出水中含有的難以處理的磷可以作為酵母菌增值代謝的良好營(yíng)養(yǎng)[11]，見(jiàn)表2。

2.3 ?有機(jī)酸

培養(yǎng)基中的小分子有機(jī)酸對(duì)酵母的生長(zhǎng)有一定作用[12]。當(dāng)培養(yǎng)基中分別含有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙酸和/或乳酸時(shí)，會(huì)對(duì)酵母菌的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生抑制，影響糖的利用，降低乙醇的產(chǎn)率。乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高可能造成酵母死亡。抑制強(qiáng)度為乙酸>乳酸。乙酸的限制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，即當(dāng)發(fā)酵液中的初始乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到或高于0.4%時(shí)[6]，對(duì)酵母產(chǎn)生明顯的抑制。厭氧出水的乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005 2%，不會(huì)對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生影響。乳酸的限制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%。表3顯示，厭氧出水和好氧出水乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未達(dá)到影響酒精發(fā)酵的水平。

2.4 ?金屬離子

金屬離子是微生物的生命代謝活動(dòng)中不可缺少的生長(zhǎng)因子，缺乏或不足均不利于微生物生長(zhǎng)。大多數(shù)酶需要特定的金屬離子激活，如鈣離子。同時(shí)金屬離子還能維持細(xì)胞穩(wěn)定，如鈉離子可以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓。鐵離子對(duì)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的影響，F(xiàn)e3+濃度在3.56 mmol·L-1時(shí)酵母數(shù)量和酒精產(chǎn)量明顯增加[13]。

研究表明[9，13]，K+離子和Na+離子的濃度分別在140 mmol·L-1和70 mmol·L-1以下時(shí)對(duì)淀粉酶的酶活沒(méi)有影響;高濃度的Na+離子不僅對(duì)乙醇有抑制作用，而且還會(huì)造成乙醇的損失;Ca2+濃度在 ? ? ? 10 mmol·L-1以下隨著濃度的增加酶活升高;Mg2+和Fe3+有拮抗作用，Mg2+的濃度在8 mmol·L-1可以有效地消除Fe3+的抑制作用，Mg2+濃度低于14 mmol·L-1的范圍內(nèi)，其濃度與酶活力呈正相關(guān)。表4中的數(shù)據(jù)顯示，厭氧出水和好氧出水的金屬離子濃度均高于源水，但Na+、K+、Ca2+的濃度未達(dá)到抑制淀粉酶的酶活力的濃度要求，且Mg2+在7～8 mmol·L-1，可以消除Fe3+的抑制作用。

Mg2+和Ca2+不僅影響酶活，同時(shí)還可能影響酒精發(fā)酵水平。Mg2+濃度在416.67 mmol·L-1產(chǎn)酒精水平最高。Ca2+在酵母酒精發(fā)酵過(guò)程中能夠促進(jìn)終點(diǎn)酒精度的提高，并能夠縮短發(fā)酵時(shí)間。當(dāng)鈣質(zhì)量濃度小于1.8 g·L-1時(shí)，隨著鈣質(zhì)量濃度的增加，發(fā)酵終點(diǎn)酒精質(zhì)量濃度也逐漸上升;當(dāng)鈣離子缺乏時(shí)，最終酒精質(zhì)量濃度也較低，發(fā)酵時(shí)間也較長(zhǎng);而鈣質(zhì)量濃度>1.8 g·L-1時(shí)，酒度和發(fā)酵周期基本恒定。這可能是由于Ca2+離子是某些酶的特定激活劑和穩(wěn)定劑，能夠增加酶的活性和穩(wěn)定性，加快酒精發(fā)酵過(guò)程，縮短發(fā)酵周期[6]。表4數(shù)據(jù)表明，厭氧出水和好氧出水中的Ca2+、Fe3+、Mg2+幾種金屬離子的濃度水平理論上可以促進(jìn)酒精的產(chǎn)量，提高發(fā)酵水平。

2.5 ?其他指標(biāo)

由表5可以看出，厭氧出水、好氧出水與源水的pH差別不大。調(diào)漿水的pH會(huì)在5.6左右，因此3種水酸堿度不會(huì)有影響發(fā)酵。固體懸浮物檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，厭氧出水（濾后）的固體懸浮物高于好氧出水及源水。醪液懸浮物能夠促進(jìn)酵母細(xì)胞的繁殖，提高發(fā)酵速率，但副產(chǎn)物甘油及小分子揮發(fā)酸的大幅上升，會(huì)降低乙醇的生成量，懸浮物對(duì)乙醇合成的臨界抑制質(zhì)量濃度為0.35 g·L-1（干重）[14]。經(jīng)過(guò)濾處理過(guò)的厭氧水中的固體懸浮物為0.33 g·L-1，不會(huì)對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生抑制，反而可以提高發(fā)酵速率。

2.6 ?發(fā)酵驗(yàn)證

酒精發(fā)酵中發(fā)酵酒度、殘?zhí)琴|(zhì)量分?jǐn)?shù)作為酒精發(fā)酵水平的重要控制指標(biāo)，發(fā)酵液中的酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低體現(xiàn)發(fā)酵水平的高低，反映糖的利用率。表6的發(fā)酵數(shù)據(jù)顯示，好氧出水混合調(diào)漿發(fā)酵的酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，殘還原糖、殘總糖和過(guò)濾總糖最低。厭氧出水混合調(diào)漿與源水混合調(diào)漿發(fā)酵的酒精的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)，殘還原糖和殘總糖無(wú)明顯差異。

甘油是酒精發(fā)酵中的副產(chǎn)物，由于甘油的產(chǎn)生降低了酵母對(duì)糖的利用率，降低了酒精的產(chǎn)率。甘油還可能改變滲透壓，影響酵母的生長(zhǎng)及代謝。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸同樣影響酵母的生長(zhǎng)和代謝。表7的數(shù)據(jù)顯示，同批次間，厭氧出水、好氧出水和源水3種水分別按試驗(yàn)比例進(jìn)行調(diào)漿發(fā)酵的副產(chǎn)物差異不顯著，發(fā)酵終點(diǎn)的pH值差別不大。

2.7 ?發(fā)酵副產(chǎn)品的指標(biāo)

玉米酒糟DDGS是酒精發(fā)酵的副產(chǎn)物，是酒糟和殘液中的固形物濃縮烘干而成的。噸成品酒精的DDGS副產(chǎn)物大約為0.9 t。DDGS作為飼料原料，它的營(yíng)養(yǎng)成分富足。DDGS中總氨基酸和可消化的氨基酸水平與玉米原料相比提高很大，比玉米高出2倍左右。賴(lài)氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.85%左右，異亮氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1.20%左右，蛋氨酸0.50%左右，苯丙氨酸1.50左右，蘇氨酸1.25%左右，色氨酸0.30%左右，DDGS的蛋白質(zhì)也非常高，最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)24%以上，最高可達(dá)到29%左右。DDGS的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，比玉米高出3倍左右。DDGS中含有多種維生素，在養(yǎng)殖業(yè)應(yīng)用廣泛。除常規(guī)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)外，DDGS的色澤、氣味、毒素等指標(biāo)也是考察其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)，指標(biāo)值直接影響其品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和銷(xiāo)售價(jià)格。DDGS的質(zhì)量等級(jí)對(duì)色澤有一定的要求，優(yōu)級(jí)品的色澤為金黃色，顏色不好的灰褐色最多只能是合格品，DDGS中可消化的賴(lài)氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與色澤相關(guān)，色澤可以反映DDGS營(yíng)養(yǎng)水平，色澤影響產(chǎn)品價(jià)格;氣味對(duì)適口性有一定的影響，好的氣味可以提高飼料的適口性，提高動(dòng)物的食欲，增加動(dòng)物的食量，提高生長(zhǎng)速度;毒素會(huì)影響動(dòng)物的免疫系統(tǒng)和器官的功能，對(duì)動(dòng)物的健康有害。黃曲霉毒素的毒副作用特別強(qiáng)，黃曲霉毒素在動(dòng)物體內(nèi)經(jīng)過(guò)肝臟的代謝會(huì)產(chǎn)生毒性更大的產(chǎn)物，這種產(chǎn)物會(huì)與遺傳物質(zhì)結(jié)合，可能導(dǎo)致肝癌，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害動(dòng)物的健康。因此飼料的品質(zhì)指標(biāo)中對(duì)毒素控制非常嚴(yán)格。表8數(shù)據(jù)顯示，厭氧出水、好氧出水及源水用于調(diào)漿發(fā)酵的酒精副產(chǎn)品DDGS的色澤和氣味與源水發(fā)酵無(wú)差異，并且厭氧出水、好氧出水的黃曲霉毒素稍低于源水發(fā)酵。這可能是厭氧出水和好氧氣出水中含有一些降解毒素的物質(zhì)。因此厭氧出水和好氧出水用于酒精發(fā)酵不會(huì)影響副產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

厭氧出水和好氧出水均可以用于酒精發(fā)酵，不但不會(huì)影響酒精發(fā)酵水平，而且不會(huì)影響副產(chǎn)物DDGS的品質(zhì)和質(zhì)量。厭氧出水與源水用于調(diào)漿的發(fā)酵水平相當(dāng)，好氧出水用于調(diào)漿發(fā)酵水平好于其他兩種。厭氧出水回用發(fā)酵，可以更好解決好氧階段投入成本高的問(wèn)題，又可以節(jié)約水資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

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