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化石能源的日益枯竭促进了可再生能源的研究热潮,在众多的选择中,燃料乙醇由于其制备工艺简单,净温室气体排放为零,可与汽油以一定比例混合形成乙醇汽油等优点而备受人们关注。目前,燃料乙醇生产中存在的问题是原料来源多为粮食作物,成本相对较高,生产过程中污染严重。 本研究以城市生活垃圾中的重要组成部分餐厨垃圾为研究对象,充分利用其具有丰富营养的特点,进行生物发酵生产乙醇的系统研究,探讨餐厨垃圾资源化的新方法,并且为乙醇生产寻找新的廉价原料。 对餐厨垃圾中的营养成分和热力学性质进行分析,结果表明餐厨垃圾中淀粉类物质含量丰富,并且含有大量的蛋白质、脂肪和金属离子等物质,具有资源化利用的价值。热力学分析表明餐厨垃圾糊化性质与淀粉类物质相似,糊化热仅为0.1805 J/g,显著低于其他原料,适宜进行无蒸煮的发酵。 利用酵母进行餐厨垃圾乙醇发酵的试验表明,餐厨垃圾可以通过无蒸煮不灭菌的开放式发酵,乙醇浓度可达32g/L,与双酶法和中温发酵结果相当。加入糖化酶和蛋白酶可以提高乙醇发酵的产量,其相应的最佳用量均为100U/g。单因素试验确定相应的最佳反应条件为固液比为1:0.5,接种量为10%,pH4~6,温度35℃左右,发酵时间48~60 h。利用中心复合试验建立以温度,pH,发酵时间为因素的发酵模型,确定了相应的最佳条件为发酵时间67.60 h,pH为4.18,温度为35℃,最佳的乙醇浓度为33.05 g/L,干垃圾乙醇转化率为23%,表明餐厨垃圾乙醇发酵具有较强的实用意义。 为探讨运动发酵单胞菌封闭式发酵餐厨垃圾生产乙醇的可行性,采用Plackett-Burman设计筛选了细菌发酵的影响显著性因素,结果表明餐厨垃圾的丰富营养可以满足微生物的需要,不需要外加其它营养元素。只需按100 U/g分别加入糖化酶和蛋白酶,乙醇浓度可达52 g/L。进一步的统计学试验表明,封闭式细菌发酵的最优条件为时间30.69 h, pH为4.95,温度31.22℃,接种量10%,固液比1:0.5,相应的乙醇浓度为53.20 g/L,乙醇转化率为40.2%。 为了研究细菌在酸性条件下开放式发酵的可行性,对运动发酵单胞菌进行了酸性驯化并利用酸性驯化菌株进行了酸性条件下的开放式发酵。结果表明,酸性驯化菌株可以成功地在酸性条件下实现开放式发酵,相应的最佳条件为pH为4,接种量为9%,发酵温度为29℃,发酵时间为40 h。与酵母开放式发酵相比,酸性驯化后的运动发酵单胞菌具有发酵速度快,乙醇产率高等优点,具有进一步研究的潜力。 餐厨垃圾酒糟含高蛋白及多种金属离子,氨基酸含量丰富,应用其离心液回流发酵可以提高乙醇产率近4%;以其为基础培养基可以制备糖化酶而用于乙醇生产,并且湿酒糟也可以替代麸皮,相应的最佳添加量为1%,糖化酶最高可达近10000 U/ml,所得糖化酶与工业酶制剂发酵效率相当。湿酒糟中蛋白含量近40%,可直接制取饲料以进一步降低成本,提高附加值。 餐厨垃圾发酵生产燃料乙醇及其副产物的应用可以实现垃圾的资源化,在生产过程中实现废物的零排放,并产生高附加值的副产品,具有极大的环境效益、经济效益和社会效益。