木薯渣多級逆流厭氧發酵產酸條件的探討

朱玉連，聶偉，李瑞，孔巧平，古碧，周敬紅

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004)

木薯是我國僅次于水稻、甘薯、甘蔗、玉米的第五大作物［1］，2010年廣西省木薯種植面積達到了30萬公頃，產量達到600萬t，其種植面積與產量均占全國的70% 以上［2］。木薯主要用于生產淀粉、酒精等，每生產1 t淀粉，同時會產出3 t木薯渣［3］。木薯渣中含有大量碳水化合物，如纖維素、半纖維素和淀粉［4］。在厭氧發酵過程中，這些底物降解速率有很大差別，淀粉降解速率快，而纖維素、半纖維素則難以利用，降解率低［5-7］。隨著發酵的進行，游離態揮發性有機酸的累積會對產酸細菌產生抑制效應，導致底物降解率的下降。本研究針對木薯渣成分的特點，采用多級逆流厭氧發酵工藝［8-9］，通過在各級反應瓶間將發酵的上清液與發酵物底物進行逆向流動，使難降解的殘余底物與新鮮料液接觸提高底物降解率，同時使新加入木薯渣混合物與較高濃度的產物反應，降低抑制作用。木薯渣逆流厭氧發酵產酸過程中，底物濃度和底物停留時間(SRT)是影響厭氧發酵產酸的重要因素。合理的發酵條件有利于木薯渣厭氧發酵高效產酸，同時有利于提高木薯渣的降解率，在實際生產中更有利于發酵產物的提取和生產成本的節約。本實驗在前期研究的基礎上，研究不同底物濃度和不同底物停留時間對木薯渣多級逆流厭氧發酵產酸情況及木薯渣降解率的影響。

1 實驗

1.1 原料與實驗方法

1.1.1 木薯渣來源與性質 木薯渣(底物)取自廣西明陽生化有限公司，此木薯渣是新鮮壓榨出來的，存放時間不長。木薯渣的總固形物(TS)含量為41.1%。絕干木薯渣的揮發性固體(VS)含量為97.9%、綜纖維素含量為59.31%、木質素含量為5.88%、淀粉含量為10.4% 和總有機碳(TOC)為 46.1%。

1.1.2 接種污泥性質及馴化 接種所用厭氧顆粒污泥含水率是93.6%，TS為6.4%，VS為85.3%。將厭氧污泥接種到有效容積為1 L的錐形瓶中，然后將錐形瓶放入105℃ 恒溫烘箱中，加熱2 h，以殺滅種泥中的產甲烷菌等非芽孢菌，處理完后的污泥置于4℃ 冰箱中保存［10］。

1.1.3 實驗方法 本實驗采用固液相雙向逆流發酵工藝［8］，每一組逆流發酵裝置有3個發酵瓶，分別編號1、2、3，向3個瓶中分別加入相同濃度的木薯渣和相同濃度的接種污泥，底物與接種物按5∶1的比例加入接種污泥，加水至2 000 mL，充氮氣保持錐形瓶中的厭氧環境，用橡膠塞塞緊，置于35℃ 的恒溫水浴振蕩器中，進行厭氧發酵。普通厭氧發酵9 d后，進行逆流操作，3個發酵瓶中分離出的固體和液體流動方向相反，1號瓶中分離出的固體加入到2號瓶中，2號瓶中的固體加入到3號瓶中，3號瓶中的固體用來測發酵過程中木薯渣降解率，同時向1號瓶中補充新鮮的木薯渣和接種污泥。3號瓶中分離出的液體加入到2號瓶中，2號瓶中的液體加入到1號瓶中，1號瓶中的液體用來分析發酵液中的有機酸濃度，分析采用氣相色譜儀［11］測定，同時向3號瓶中補充新鮮的料液。

1.2 分析測定方法

1.2.1 常規指標 固含量、總有機碳、揮發性有機物按參考文獻［12］測定，纖維素含量、木質素含量按參考文獻［13］測定。淀粉按GB/T 5009.9-2008進行分析。

1.2.2 發酵液中揮發性有機酸(VOA)的測定 從反應瓶中取出5 mL發酵液置于離心管中，20 000 r/min離心10 min，用標準取樣器取上清液2 mL注入頂空瓶中，密封。氣相色譜儀條件如下:采用頂空進樣，頂空進樣器平衡溫度90℃，色譜柱型號DB-FFAP，加熱室溫度150℃，檢測器溫度250℃。升溫程序:柱箱初始溫度50℃，然后以20℃/min升溫速率，升到130℃，保留1 min，然后以5 ℃ /min 升溫速率，升到 160 ℃，保留 1 min［14］。

1.3 各項指標的計算

木薯渣厭氧發酵中底物降解率、VOA產率、乙酸產率、VOA轉化率和乙酸的轉化率計算方法［8］如下:

式中:η1—底物降解率，%;W0—初始VS的質量，g;W1—發酵結束VS的質量，單位g。

式中:η2—VOA產率，g/g;W0—初始VS的質量，g;W2—VOA的產量，g。

式中:η3—乙酸產率，g/g;W0—初始VS的質量，g;W3—乙酸的產量，g。

式中:η4—VOA轉化率，g/g;Wt—反應消耗VS的質量，g;W2—VOA的產量，g。

式中:η5—乙酸轉化率，g/g;Wt—反應消耗VS的質量，g;W3—乙酸的產量，g。

其中:底物為加入發酵瓶中的木薯渣;初始VS量為發酵初始時發酵瓶中木薯渣的揮發性固體含量。

2 結果與討論

2.1 底物濃度對木薯渣產酸效果的影響

實驗選用的5個底物(木薯渣)濃度分別為20、40、60、80和100 g/L。木薯渣多級逆流厭氧發酵工藝中，進行9 d的普通厭氧發酵后，開始每隔3 d進行一次逆流操作。隨著逆流操作的進行，不同底物濃度下發酵產物乙酸濃度和VOA濃度的變化如圖1所示。

圖1 木薯渣濃度對乙酸(a)和VOA(b)濃度的影響Fig.1 Effect of concentration of cassava dregs on the concentration of acetic acid(a)and VOA(b)

由圖1可知，隨著底物濃度的增大，發酵產物乙酸和VOA的濃度不斷增大。在底物濃度為20 g/L時，逆流發酵工藝運行穩定后，乙酸濃度穩定在1.3 g/L左右，VOA濃度穩定在2.3 g/L左右，當底物濃度提高到80 g/L的時候，待發酵工藝穩定運行后，乙酸濃度穩定在4.3 g/L左右，VOA濃度穩定在6.2 g/L左右，與底物濃度為20 g/L時有了明顯的提高，當底物濃度繼續增加到100 g/L時，發酵產物乙酸和VOA的濃度與底物濃度為80 g/L的時候相比，提高幅度很小，此時逆流發酵工藝對木薯渣的發酵產酸能力達到一個較大值，發酵產生的VOA濃度沒有發生顯著提高。

由表1可知，底物濃度為20 g/L時VOA和乙酸產率為最高，每克初始VS達到0.11 g VOA，每克初始VS達到0.06 g AC，隨著底物濃度從40 g/L增大到80 g/L，VOA產率和乙酸產率變化不大，但乙酸占VOA中的比例從61.1% 增加到69.2%;底物濃度從80 g/L增大到100 g/L時，每克初始VS，VOA產率從0.08 g下降到0.07 g，每克初始VS，乙酸產率從0.05 g下降到0.04 g，乙酸占VOA中的比例下降到67.5%，底物降解率也下降至20.7%。

表1 底物濃度對底物的降解率、VOA和乙酸產率的影響Table 1 Effects of substrate concentration on the production of VOA and the substrate decomposition

由以上實驗結果可知，高底物濃度條件下逆流厭氧發酵，可以得到較高濃度的乙酸和VOA;低底物濃度條件下，VOA的產率最高，底物的降解率也較好。但是在較低的底物濃度，VOA及乙酸濃度也低，不利于后續的利用。在較高的底物濃度下，底物濃度為80 g/L時，VOA的產率維持在較高的水平，為0.08 g，同時VOA及乙酸的濃度分別為6.23和4.31 g/L，均高于其他底物濃度水平的發酵結果。由此可知，底物濃度為80 g/L時，木薯渣厭氧多級逆流發酵可以達到資源化利用的最佳效果。

2.2 底物停留時間對木薯渣產酸效果的影響

逆流厭氧發酵工藝中底物停留時間(SRT，新加的底物從進入1號瓶到排出3號瓶共需的天數)是影響發酵產酸的一個重要因素。實驗中取4組2 L的錐形瓶，每一組的底物停留時間分別為6、9、12和15 d，取同等絕干量的木薯渣和接種污泥(底物濃度為80 g/L)，分別添加到發酵瓶中。底物停留時間為6 d，逆流操作開始后每隔2 d進行一次逆流操作;底物停留時間為9 d，逆流操作開始后每隔3 d進行一次逆流操作;底物停留時間為12 d，逆流操作開始后每隔4 d進行一次逆流操作;底物停留時間為15 d，逆流操作開始后每隔5 d進行一次逆流操作。

比較4個底物停留時間(6、9、12和15 d)產酸的效果，分別取1號發酵瓶中的上清液進行分析，乙酸及VOA濃度變化見圖2。逆流發酵工藝產酸穩定后，不同底物停留時間下乙酸和VOA的濃度變化如表2。

圖2 底物停留時間對木薯渣發酵產乙酸和VOA濃度的影響Fig.2 Effects of SRT on the concentration of acetic acid and VOA

表2 逆流工藝穩定后底物停留時間對乙酸和VOA濃度的影響Table 2 Effect of SRT on concentration of acetic acids and VOA after countercurrent process stability

由圖2和表2可知，隨著底物停留時間的從6 d增加到12 d，逆流工藝發酵產生的乙酸和VOA濃度分別從3.39和5.16 g/L提高到5.12和6.75 g/L。可知底物停留時間為15 d時，工藝穩定后乙酸濃度穩定在4.30 g/L左右，總VOA濃度穩定在6.43 g/L左右。實驗結果發現，底物停留時間少于12 d的時候，隨著底物停留時間的延長，發酵產生的乙酸和VOA濃度不斷提高，但底物停留時間增加到15 d時，發酵產生的乙酸和總VOA濃度并未隨時間的延長而提高，反而有所下降。木薯渣逆流厭氧發酵工藝，底物停留時間過短或過長都不能達到最佳的產酸效果，本次實驗中最佳的底物停留時間是12 d，此時的產酸效果最好。

木薯渣在不同底物停留時間下的降解率、VOA和乙酸轉化率、產率見表3。在底物停留時間為6 d時，木薯渣的降解率及VOA產率均為最低，分別為20.5%和0.064 g/g，木薯渣中的有機質不能被微生物完全利用就被排出發酵體系，導致底物降解率及VOA和乙酸的產率較低;隨著底物停留時間的延長，木薯渣的降解率不斷提高，VOA和乙酸的產率增加，乙酸占總VOA中的比例不斷提高，但較長的停留時間，會因發酵產物的積累，發酵液中VOA會抑制產酸菌的活性，VOA及乙酸的產率下降。在底物停留時間為12 d時，乙酸和VOA的產率為最高，每克VS分別達到0.064 g和0.084 g，乙酸占VOA中的比例達到最高，為75.9%，每克VS，VOA和乙酸的轉化率分別為0.31 g和0.24 g，木薯渣中的有機質能夠得到有效利用，能得到較高濃度的VOA，同時能夠使發酵產物的抑制作用不會影響到產酸菌的活性。

綜合比較可知，在底物停留時間為12 d時，木薯渣的產乙酸及VOA效果為最佳。

表3 底物停留時間對底物降解率、VOA和乙酸轉化率及產率的影響Table 3 Effects of SRT on substrate decomposition and VOA production during countercurrent anaerobic fermentation

3 結論

3.1 采用固液相雙向逆流厭氧工藝發酵木薯渣，底物濃度較低時可以獲得較好的乙酸轉化率，但揮發性有機酸及乙酸的產率較低;底物濃度較高可以獲得較高濃度的揮發性有機酸及乙酸，酸的產率及轉化率也較高。

3.2 在底物濃度為80 g/L，底物停留時間在12 d時為最佳，揮發性有機酸濃度達到6.75 g/L，乙酸占總揮發性有機酸中的比例達到75.9%，底物降解率達到27.1%。

3.3 木薯渣厭氧發酵條件雖然得到優化，但是產酸效果和木薯渣降解率仍達不到較高的水平，仍有大量的纖維素和半纖維素沒有得到有效降解，在后續的研究中，有必要針對木薯渣中存在大量的纖維素和半纖維素的特點，進行有效的預處理，以提高木薯渣在厭氧發酵過程中的產酸效率和有機質的降解效果。

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