厭氧消化出水中氨氮濃度對乙醇發酵的影響研究

李冬梅 段文龍 王柯 張建華

摘 要：酒糟在厭氧消化過程中，其中所含蛋白質等有機氮物質會降解產生氨而留在厭氧消化出水中。當厭氧消化出水回用于乙醇發酵配料水時，氨可作為酵母生長的氮源，但也可影響酵母代謝，從而影響乙醇產量。本論文旨在研究氨對乙醇發酵的影響及提出可能的解決辦法。

關鍵詞：厭氧消化 水 氨氮 濃度 乙醇發酵 影響研究

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0134-02

全球對石油儲備量的擔憂以及化石燃料過度消耗造成的環境問題使得開發一種可再生和環境友好型燃料迫在眉睫。生物質燃料就是其中一種化石燃料替代品（Zi et al.，2013）。而在目前，燃料乙醇是其中一種最重要的生物質燃料，主要可以用糖或淀粉原料發酵生產（Bai et al.， 2008）。在淀粉質原料中，玉米由于其淀粉含量高、產量大等優點，無疑是一種很好的燃料乙醇生產原料，在美國和中國主要以玉米為原料生產乙醇（黃宇彤 et al.， 2002）。但是，在木薯乙醇生產過程中，會產生大量高COD、高固形物含量的酸性廢水（酒糟）（吳建華 et al.， 2006），正在限制乙醇工業的發展。在國內的乙醇廠中，酒糟的處理工藝一般為“固液分離-厭氧消化-好氧消化-深度處理-排放”。但是好氧消化和深度處理能耗大，而且還會產生大量剩余污泥需要額外處理，造成該工藝成本極高，降低了企業的效益（尹軍 et al.， 2001）。

為了解決木薯乙醇酒糟處理面臨的問題，我們提出將厭氧消化出水回用于乙醇發酵過程配料，而不再經好氧消化處理。這樣既可降低能耗和水耗，同時可實現廢水的零排放。但是，厭氧消化出水中含有大量的有機物和無機物，可能會對乙醇發酵產生潛在的抑制作用。因此，有必要通過分析厭氧消化出水中潛在的抑制性物質來驗證厭氧消化出水作為乙醇發酵配料水的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

菌種：安琪酵母。

玉米：購自南陽當地市場。

中溫厭氧消化出水：取自河南天冠企業集團厭氧消化罐。

酶制劑：液體耐高溫α-淀粉酶（20000 U/mL）、液體糖化酶（130000 U/mL），由無錫杰能科生物工程有限公司提供；

其他所用試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 種子培養

種子培養基（g/L）：葡萄糖20，酵母膏8.5，NH4Cl 1.3，MgSO4·7H2O 0.1，CaCl2 0.06，pH 6.8，0.08MPa 滅菌15min。

培養條件：30 ℃，200 r/min下培養18 h；

1.2.2 發酵培養基制備與發酵。

將玉米粉和配料水按1∶3（w/v）的比例混合，拌勻后用硫酸調節pH至6.0，以10 U/g木薯粉的量的耐高溫α-淀粉酶，于沸水浴中液化1 h；冷卻后調pH至5.0。添加去離子水以彌補液化過程損失的水分。分裝、滅菌（115 ℃，20 min）。冷卻后加入120 U/g木薯粉的糖化酶、10%種子液、氮源（氮源的量有實驗設計決定），于30℃恒溫培養箱中進行同步糖化厭氧發酵48 h。

1.3 分析方法

乙醇、總糖、甘油、乙酸、乳酸濃度用高效液相色譜HPLC（DionexUltiMate 3000，美國）測定，示差折光檢測器為日本Shodex RI-101，檢測柱為Bio-Rad HPX-87H離子交換柱，色譜條件：柱溫60 ℃，流動相5 mmol/L硫酸，流速0.6 mL/min，進樣量20μL。酵母數量用血球計數板測定。氨氮的測定采用標準方法。（APHA，1995）

2 結果與討論

2.1 厭氧消化出水對乙醇發酵的影響

為了分析厭氧消化出水對乙醇發酵的影響，設計如下實驗。將中溫厭氧消化出水、自來水和氨溶液（添加與中溫厭氧消化出水相等濃度氨氮的自來水）分別作為配料水進行乙醇發酵，比較三種配料水發酵的效果，結果如表1所示。從表1可以看出，自來水配料發酵與氨溶液配料發酵比較，后者的乙醇度要低于前者，說明在氨氮濃度為476 mg/L時，氨氮影響了乙醇發酵中酵母的代謝，使得乙醇產率降低。氨溶液配料發酵與厭氧消化出水比較，兩者乙醇度相當，說明厭氧消化出水中除了氨氮外，其他物質對乙醇發酵無影響。另外，還可看出，配料水中氨氮還會增加甘油的產量。上述實驗結果表明高濃度氨氮會降低乙醇產量，因此，需詳細研究氨氮對乙醇發酵的影響。

2.2 尿素對乙醇發酵的影響

在目前的乙醇生產過程，為加快酵母增殖和乙醇發酵速率，尿素被經常用來作為酵母生長的氮源，且尿素的添加量取決于酵母種類和原料類型。筆者研究了0～1100 mgl/L尿素濃度梯度對乙醇發酵的影響規律，結果發現尿素濃度為300 mg/L時，乙醇產量最大（見圖1）。如果按含氮量折算，300 mg/L的尿素相當于140 mg/L氨氮，這一結果和前面的最適濃度200 mg/L并不一致，這是因為酵母對尿素和氨氮的代謝途徑不同，因此簡單地從氮的濃度衡量兩者對乙醇發酵的影響。

2.3 中溫厭氧消化出水中氨氮對乙醇發酵的影響

采用空氣吹脫的方法制備氨氮濃度100～500 mg/L的厭氧消化出水進行配料發酵試驗，結果表明，在厭氧消化出水中氨氮濃度為300 mg/L時，乙醇發酵濃度最高。和圖2最適氨氮濃度200 mg/L的實驗結果比較，乙醇發酵對厭氧消化出水中的氨氮濃度需求提高了100 mg/L，這可能和厭氧消化出水中含有其他雜質有關。另一方面，相同濃度的乙醇產量，同樣也可在尿素濃度為300 mg/L的發酵中獲得。因此，當厭氧消化出水中的氨氮濃度為300 mg/L時，可以完全代替尿素作為發酵的氮源。而當厭氧消化出水中的氨氮濃度高于300 mg/L時，需要采取技術手段脫除多余部分氨氮。中溫厭氧出水回用，意味著可以節約300 mg/L的尿素，按照噸乙醇需要發酵液8m3計算，噸乙醇可節約2.4 kg，經濟效益顯著。

4 結論

當氨氮濃度控制在一定水平，厭氧消化出水可回用與玉米乙醇發酵，而對發酵不產生負面影響。而且，氨氮可取代尿素作為酵母生長的氮源，從而降低了添加氮源增加的生產成本。該工藝可降低玉米乙醇生產過程的能耗和水耗，同時實現零廢水排放這一目標。