餐廚垃圾含水率與揮發(fā)性有機質含量高,極易腐敗,成為惡臭的主要來源,并且其含有大量的致病菌,容易造成疾病的傳播。另一方面,餐廚垃圾富含碳水化合物及豐富的營養(yǎng),包括脂肪、蛋白質和多種糖類,可作為生物質能源,具有廣闊的利用前景。目前厭氧產甲烷技術是餐廚垃圾資源化的主流技術,但其存在發(fā)酵時間長,沼氣產率低等問題。本課題組以往研究表明餐廚垃圾厭氧消化過程中大量產生的乳酸容易抑制產甲烷菌的活性,并造成餐廚垃圾利用率低等問題。而乳酸作為一種工業(yè)原料廣泛運用于食品、醫(yī)藥、化工等領域;并且由乳酸還可合成生物可降解性塑料,成為石油化工生產通用塑料的替代品。相比于厭氧產甲烷,生物發(fā)酵產乳酸具有成本低,生物質利用率高,副產物少,工藝簡單,對環(huán)境污染小等特點。因此,開發(fā)高效的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產乳酸技術可望成為一種有效實現(xiàn)餐廚垃圾減量化、無害化和資源化的新途徑。 為提高餐廚垃圾中生物質的降解率、最大程度地實現(xiàn)餐廚垃圾減量化與資源化,本論文對餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵產乳酸和雙水相技術提取乳酸進行了研究,著重對影響這兩種過程的限制因素及其改善措施進行系統(tǒng)研究:針對餐廚垃圾極易腐化,容易在運輸過程中產生惡臭,滋生腐敗菌的問題,本文研究了添加同型乳桿菌快速保存餐廚垃圾的方法;針對傳統(tǒng)乳酸發(fā)酵工藝流程長,操作復雜,乳酸產率低的問題,本文將同步糖化發(fā)酵技術運用到餐廚垃圾發(fā)酵中,分析α-淀粉酶、蛋白酶、Yeast extract、溫度及CaCO3對餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵的影響規(guī)律,并提出提高餐廚垃圾發(fā)酵速率的措施;針對傳統(tǒng)的乳酸提取工藝流程長,消耗化工原料多,且最終產品收率低的問題,本文首次將雙水相技術運用到餐廚垃圾發(fā)酵中提取乳酸,探究了乳酸菌在雙水相體系中的分配規(guī)律,確定影響分配的主要因素,分析了聚合物濃度、分子量及乳酸菌接種率對雙水相體系發(fā)酵的影響,并考查了餐廚垃圾多批次連續(xù)發(fā)酵提取乳酸的效果。主要研究結果如下: ⑴從餐廚垃圾中分離篩選出若干乳酸菌株,經生理生化試驗初篩得到一株同型乳桿菌。進一步經API 50 CH系統(tǒng)及16sDNA分子生物學技術鑒定,鑒定為同型Lactobacillus plantarum乳桿菌,并命名為Lactobacillus plantarum BP04。生長曲線與產酸能力表明該菌株生長周期短,經12 h生長可達到穩(wěn)定期,且具有良好的產酸能力,可達到138.09 g/L。 ⑵研究了投加Lactobacillus plantarum BP04快速保存餐廚垃圾的方法。實驗結果表明接種Lactobacillus plantarum BP04有利于在保存前期加速乳酸的生成,快速降低發(fā)酵液pH值,達到抑制腸道菌等病原菌與腐敗菌的滋生。提高接種率,有利于控制Lactobacillus brevis與Leuconostoc lactis等異型乳酸菌的生長,加速發(fā)酵類型由異型向同型轉化。乳酸是餐廚垃圾保存過程中最主要的有機酸,其變化趨勢反應了不同菌屬的細菌在保存過程中的相互作用規(guī)律。 ⑶運用二階響應曲面法分析α-淀粉酶、蛋白酶、Yeast extract、溫度及CaCO3對餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵的影響規(guī)律。響應曲面法回歸模型表明一次項中蛋白酶、溫度及CaCO3對乳酸產量有顯著正影響,而α-淀粉酶與Yeast extract影響不顯著;蛋白酶與溫度的交互項對乳酸產量有高度顯著的負作用。餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵產乳酸的優(yōu)化條件為:α-淀粉酶13.86 U/g,蛋白酶2.12 U/g,溫度29.31℃,CaCO3 62.67 g/L,對應的乳酸產量為98.51 g/L,垃圾利用率為88.75%。提高乳酸菌接種率有利于加速餐廚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投加量有助于加速還原糖降解,并促使水解與發(fā)酵平衡向水解階段轉變。 ⑷運用Plackett-Burman與響應曲面法組合設計分析Lactobacillus plantarum BP04乳酸菌在雙水相體系中的分配行為。實驗結果表明Lactobacillus plantarum BP04在PEG/DEX體系中為單相分配,絕大部分分配于下相與兩相界面,其分配系數K不受成相聚合物分子量、濃度、電解質及pH值變化的影響。Plackett-Burman試驗結果表明聚合物分子量對體積比有高度顯著的負影響,而細胞濃度、電解質、靜置時間及pH值無顯著影響。響應曲面法結果表明聚合物濃度變化對體積比有高度顯著影響,其中PEG10000為正線性相關,DEX20000為負的二次函數關系,而PEG10000與DEX20000無相互影響。響應曲面法所得優(yōu)化條件為:PEG10000 6%、DEX20000 13.85%,對應體積比最小值為0.815。 ⑸研究了餐廚垃圾發(fā)酵時PEG/DEX雙水相體系提取乳酸的情況。實驗結果顯示PEG/DEX體系具有良好的生物相容性,能有效從餐廚垃圾發(fā)酵體系中提取乳酸。相比于常規(guī)發(fā)酵體系,PEG10000/DEX20000對Lactobacillus plantarum BP04生長影響不大;而乳酸平均生成速率在12～24 h為0.20 g/(L·h)左右,低于常規(guī)發(fā)酵體系的0.683 g/(L·h)。上下相聚合物濃度的變化對餐廚垃圾發(fā)酵影響不明顯。PEG/DEX體系在發(fā)酵過程中,體積比穩(wěn)定,不受產物與基質濃度變化的影響。PEG分子量增加對發(fā)酵影響不大;而DEX分子量從20000增加到40000,乳酸生成速率相應由0.631 g/(L·h)降至0.518 g/(L·h),乳酸產量也由33 g/L降至22 g/L。提高接種率可縮短乳酸菌的停滯期,并加速乳酸生成,當接種率為1%、4%和8%時,6～48 h內乳酸平均生成速率分別為0.558 g/(L·h)、0.602 g/(L·h)、0.649 g/(L·h)。在PEG10000/DEX20000體系進行的多批次連續(xù)發(fā)酵結果表明,由于DEX相很好地富集乳酸菌,每批次發(fā)酵時乳酸菌能保持高濃度,乳酸菌生長不經歷停滯期、對數期,相比于傳統(tǒng)發(fā)酵極大縮短發(fā)酵時間;在不投加緩沖劑的情況下,餐廚垃圾發(fā)酵單批次乳酸產率大于0.30 g/g,累積產率大于0.45 g/g。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2008
【中圖分類】：X799.3
【部分圖文】：
圖 1-3 固態(tài)發(fā)酵生產微生物蛋白飼料工藝[12]1-3 Process of solid-state fermentation for producing mycropro的品質繁多，有記載的大約 3000 多種，但應用于有機垃圾堆在正蚓科和巨蚓科的幾個屬種。其中 Eisenia foetida 是應用最
14圖 1-4 乳酸菌及相關革蘭氏陽性菌進化樹[30]re 1-4 Phylogenetic tree construction of currently sequenced genomctic acid bacteria and related Gram-positive bacteria based on higconserved genes.桿菌與人類生活關系密切，無論在食品發(fā)酵，還是工業(yè)乳酸發(fā)酵以乳桿菌的菌株都得到廣泛的運用。在食品發(fā)酵中，乳桿菌產生的有
圖 3-2 BP04 菌株菌落形態(tài)ure 3-2 Colony morphology of Isolate BP04 on MRS圖 3-3 BP04 菌株掃描電鏡照片canning electron microscopy (SEM) photographs of
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本文編號：
2844048
