餐廚垃圾開放式高效定向乳酸生物轉(zhuǎn)化：微生物群落變化及生物固碳效能分析

劉 碩，汪群慧，李 媛，馬曉宇，朱文彬，王锘涵，孫海曙，高 明

（北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

譯者：劉 碩；審查：汪群慧；單位：北京科技大學(xué)

1 研究亮點(diǎn)

*餐廚垃圾高效生產(chǎn)115 g/L 乳酸，產(chǎn)量為0.97 g/g，最大生產(chǎn)速率為6.08 g/（L·h）；

*糖化和pH 控制對(duì)于定向乳酸生物轉(zhuǎn)化至關(guān)重要；

*Enterococcus mundtiiCGMCC 2227 適用于開放式餐廚垃圾發(fā)酵；

*生物固碳使二氧化碳排放量減少了21 kg/t。

2 背景

高壓滅菌在發(fā)酵底物培養(yǎng)基中引起美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致糖損失和生產(chǎn)成本增加。無滅菌的開放式發(fā)酵系統(tǒng)省去了高壓滅菌操作，節(jié)省了能源。但開放體系容易被其他微生物污染，產(chǎn)生的乳酸會(huì)迅速降解為乙酸。因此，開放系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。本研究旨在探究在綠色低碳戰(zhàn)略下實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的資源化利用，探索一種開放、高效和定向的乳酸生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。

3 研究方法

餐廚垃圾取自某高校學(xué)生食堂，經(jīng)分揀除雜、粉碎、糖化后，置于工作容積為400 mL 的發(fā)酵罐中，不滅菌但接種Enterococcus mundtiiCGMCC 22227，通過充氮維持厭氧條件，在43 ℃條件下進(jìn)行乳酸開放發(fā)酵，接種比為10%（v/v），以不接菌或不糖化的餐廚垃圾開放式發(fā)酵作空白對(duì)照，分別采用實(shí)時(shí)pH 控制或調(diào)節(jié)初始pH 的調(diào)節(jié)策略。

4 主要研究結(jié)果

糖化處理增加了餐廚垃圾底物中葡萄糖的初始濃度，促進(jìn)了土著產(chǎn)乳酸菌對(duì)底物的利用，未接菌的對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，土著產(chǎn)乳酸菌占優(yōu)勢(shì)，抑制了土著產(chǎn)乙酸和乙醇細(xì)菌的存活。接種了Enterococcus mundtiiCGMCC 2227 的實(shí)驗(yàn)組，顯著提高了餐廚垃圾底物中乳酸的產(chǎn)量和總糖的乳酸轉(zhuǎn)化率，并抑制了土著產(chǎn)乳酸菌產(chǎn)生副產(chǎn)物。同時(shí)，較高的初始可發(fā)酵糖濃度可以大幅提高乳酸的產(chǎn)率，縮短發(fā)酵時(shí)間，從而降低乳酸的生產(chǎn)成本。連續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)控pH 為6.8 比僅調(diào)控初始pH 的最大乳酸濃度提高了4.2 倍。僅使用餐廚垃圾中的土著產(chǎn)乳酸菌進(jìn)行發(fā)酵，無法使得微生物群落中的土著產(chǎn)乳酸菌一直處于優(yōu)勢(shì)菌群的地位，產(chǎn)乙酸和產(chǎn)乙醇菌的生長增加了副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

5 結(jié)論與展望

本研究以糖化餐廚垃圾為原料，在開放模式下，連續(xù)實(shí)時(shí)控制pH 為6.8，添加蒙氏腸球菌，建立了高效的生物乳酸生產(chǎn)工藝。結(jié)果表明，Enterococcus mundtiiCGMCC 2227 能夠適應(yīng)復(fù)雜的餐廚垃圾底物，在開放體系中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。定向乳酸生物轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出生物固碳能力，與未接菌實(shí)驗(yàn)組相比，每噸餐廚垃圾至少減少21 kg 的二氧化碳排放。