餐厨垃圾同步糖化发酵产乳酸与双水相分离

论文摘要

餐厨垃圾含水率与挥发性有机质含量高,极易腐败,成为恶臭的主要来源,并且其含有大量的致病菌,容易造成疾病的传播。另一方面,餐厨垃圾富含碳水化合物及丰富的营养,包括脂肪、蛋白质和多种糖类,可作为生物质能源,具有广阔的利用前景。目前厌氧产甲烷技术是餐厨垃圾资源化的主流技术,但其存在发酵时间长,沼气产率低等问题。本课题组以往研究表明餐厨垃圾厌氧消化过程中大量产生的乳酸容易抑制产甲烷菌的活性,并造成餐厨垃圾利用率低等问题。而乳酸作为一种工业原料广泛运用于食品、医药、化工等领域;并且由乳酸还可合成生物可降解性塑料,成为石油化工生产通用塑料的替代品。相比于厌氧产甲烷,生物发酵产乳酸具有成本低,生物质利用率高,副产物少,工艺简单,对环境污染小等特点。因此,开发高效的餐厨垃圾厌氧发酵产乳酸技术可望成为一种有效实现餐厨垃圾减量化、无害化和资源化的新途径。为提高餐厨垃圾中生物质的降解率、最大程度地实现餐厨垃圾减量化与资源化,本论文对餐厨垃圾同步糖化发酵产乳酸和双水相技术提取乳酸进行了研究,着重对影响这两种过程的限制因素及其改善措施进行系统研究:针对餐厨垃圾极易腐化,容易在运输过程中产生恶臭,滋生腐败菌的问题,本文研究了添加同型乳杆菌快速保存餐厨垃圾的方法;针对传统乳酸发酵工艺流程长,操作复杂,乳酸产率低的问题,本文将同步糖化发酵技术运用到餐厨垃圾发酵中,分析α-淀粉酶、蛋白酶、Yeast extract、温度及CaCO3对餐厨垃圾同步糖化发酵的影响规律,并提出提高餐厨垃圾发酵速率的措施;针对传统的乳酸提取工艺流程长,消耗化工原料多,且最终产品收率低的问题,本文首次将双水相技术运用到餐厨垃圾发酵中提取乳酸,探究了乳酸菌在双水相体系中的分配规律,确定影响分配的主要因素,分析了聚合物浓度、分子量及乳酸菌接种率对双水相体系发酵的影响,并考查了餐厨垃圾多批次连续发酵提取乳酸的效果。主要研究结果如下:⑴从餐厨垃圾中分离筛选出若干乳酸菌株,经生理生化试验初筛得到一株同型乳杆菌。进一步经API 50 CH系统及16sDNA分子生物学技术鉴定,鉴定为同型Lactobacillus plantarum乳杆菌,并命名为Lactobacillus plantarum BP04。生长曲线与产酸能力表明该菌株生长周期短,经12 h生长可达到稳定期,且具有良好的产酸能力,可达到138.09 g/L。⑵研究了投加Lactobacillus plantarum BP04快速保存餐厨垃圾的方法。实验结果表明接种Lactobacillus plantarum BP04有利于在保存前期加速乳酸的生成,快速降低发酵液pH值,达到抑制肠道菌等病原菌与腐败菌的滋生。提高接种率,有利于控制Lactobacillus brevis与Leuconostoc lactis等异型乳酸菌的生长,加速发酵类型由异型向同型转化。乳酸是餐厨垃圾保存过程中最主要的有机酸,其变化趋势反应了不同菌属的细菌在保存过程中的相互作用规律。⑶运用二阶响应曲面法分析α-淀粉酶、蛋白酶、Yeast extract、温度及CaCO3对餐厨垃圾同步糖化发酵的影响规律。响应曲面法回归模型表明一次项中蛋白酶、温度及CaCO3对乳酸产量有显著正影响,而α-淀粉酶与Yeast extract影响不显著;蛋白酶与温度的交互项对乳酸产量有高度显著的负作用。餐厨垃圾同步糖化发酵产乳酸的优化条件为:α-淀粉酶13.86 U/g,蛋白酶2.12 U/g,温度29.31℃,CaCO3 62.67 g/L,对应的乳酸产量为98.51 g/L,垃圾利用率为88.75%。提高乳酸菌接种率有利于加速餐厨垃圾中可溶性碳水化合物的降解,提高α-淀粉酶的水解效率;增加CaCO3投加量有助于加速还原糖降解,并促使水解与发酵平衡向水解阶段转变。⑷运用Plackett-Burman与响应曲面法组合设计分析Lactobacillus plantarum BP04乳酸菌在双水相体系中的分配行为。实验结果表明Lactobacillus plantarum BP04在PEG/DEX体系中为单相分配,绝大部分分配于下相与两相界面,其分配系数K不受成相聚合物分子量、浓度、电解质及pH值变化的影响。Plackett-Burman试验结果表明聚合物分子量对体积比有高度显著的负影响,而细胞浓度、电解质、静置时间及pH值无显著影响。响应曲面法结果表明聚合物浓度变化对体积比有高度显著影响,其中PEG10000为正线性相关,DEX20000为负的二次函数关系,而PEG10000与DEX20000无相互影响。响应曲面法所得优化条件为:PEG10000 6%、DEX20000 13.85%,对应体积比最小值为0.815。⑸研究了餐厨垃圾发酵时PEG/DEX双水相体系提取乳酸的情况。实验结果显示PEG/DEX体系具有良好的生物相容性,能有效从餐厨垃圾发酵体系中提取乳酸。相比于常规发酵体系,PEG10000/DEX20000对Lactobacillus plantarum BP04生长影响不大;而乳酸平均生成速率在12～24 h为0.20 g/（L·h）左右,低于常规发酵体系的0.683 g/（L·h）。上下相聚合物浓度的变化对餐厨垃圾发酵影响不明显。PEG/DEX体系在发酵过程中,体积比稳定,不受产物与基质浓度变化的影响。PEG分子量增加对发酵影响不大;而DEX分子量从20000增加到40000,乳酸生成速率相应由0.631 g/（L·h）降至0.518 g/（L·h）,乳酸产量也由33 g/L降至22 g/L。提高接种率可缩短乳酸菌的停滞期,并加速乳酸生成,当接种率为1%、4%和8%时,6～48 h内乳酸平均生成速率分别为0.558 g/（L·h）、0.602 g/（L·h）、0.649 g/（L·h）。在PEG10000/DEX20000体系进行的多批次连续发酵结果表明,由于DEX相很好地富集乳酸菌,每批次发酵时乳酸菌能保持高浓度,乳酸菌生长不经历停滞期、对数期,相比于传统发酵极大缩短发酵时间;在不投加缓冲剂的情况下,餐厨垃圾发酵单批次乳酸产率大于0.30 g/g,累积产率大于0.45 g/g。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语
• 图索引
• 表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 餐厨垃圾概括及资源化技术
• 1.1.1 餐厨垃圾的性质、产生特性及危害
• 1.1.2 餐厨垃圾资源化技术简介
• 1.2 乳酸发酵工艺
• 1.2.1 乳酸的性质及其运用
• 1.2.2 发酵的生物化学与微生物学
• 1.2.3 发酵工艺流程
• 1.3 双水相分离技术（ATPS）
• 1.3.1 ATPS 的形成
• 1.3.2 ATPS 技术的特点
• 1.3.3 基本原理
• 1.3.4 影响分配的因素
• 1.3.5 ATPS 系统的运用
• 1.3.6 ATPS 在乳酸提取的运用
• 1.4 研究目的、意义和内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 参考文献
• 第2章 研究方法与分析测试
• 2.1 实验设备与仪器
• 2.2 测试指标与分析方法
• 2.3 试验设计方法
• 参考文献
• 第3章 同型乳酸菌的分离与鉴定
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 乳酸菌的分离与初筛
• 3.2.3 菌株鉴定
• 3.2.4 同型乳酸菌生长曲线
• 3.2.5 同型乳酸菌产酸能力
• 3.2.6 测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 乳酸菌的分离与筛选
• 3.3.2 鉴定
• 3.3.3 生长曲线
• 3.3.4 产酸能力
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第4章 餐厨垃圾快速保存研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 垃圾来源、成分
• 4.2.2 菌种
• 4.2.3 试验设计
• 4.2.4 微生物学分析
• 4.2.5 理化分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 乳酸菌、肠道菌、酵母菌与霉菌的生长关系
• 4.3.2 pH 值与酸度变化
• 4.3.3 乳酸菌属变化情况
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第5章 餐厨垃圾同步糖化发酵产乳酸
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 分析方法
• 5.2.3 响应曲面法设计
• 3影响'>5.2.4 接种率与 CaCO₃影响
• 5.2.5 响应曲面法数据分析
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 响应曲面试验结果分析
• 5.3.2 接种率影响
• 5.3.3 碳酸钙影响
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第6章 Lactobacillus plantarum BP04 在双水相中 的分配
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 相图制作
• 6.2.3 乳酸菌在 ATPS 中的分配
• 6.2.4 Plackett-Burman 设计
• 6.2.5 响应曲面法优化设计
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 相图
• 6.3.2 Plackett-Burman 试验结果分析
• 6.3.3 响应曲面法试验结果分析
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第7章 餐厨垃圾发酵时双水相提取乳酸
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 材料
• 7.2.2 试验过程
• 7.2.3 分析方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 聚合物浓度影响
• 7.3.2 聚合物分子量影响
• 7.3.3 接种率影响
• 7.3.4 多批次连续发酵
• 7.4 小结
• 参考文献
• 第8章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 博士期间发表学术论文
• 致谢