木薯渣多級逆流厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)量達到600萬t，其種植面積與產(chǎn)量均占全國的70% 以上［2］。木薯主要用于生產(chǎn)淀粉、酒精等，每生產(chǎn)1 t淀粉，同時會產(chǎn)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(fā)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(fā)酵的進行，游離態(tài)揮發(fā)性有機酸的累積會對產(chǎn)酸細菌產(chǎn)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(fā)酵工藝［8-9］，通過在各級反應瓶間將發(fā)酵的上清液與發(fā)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(chǎn)物反應，降低抑制作用。木薯渣逆流厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中，底物濃度和底物停留時間(SRT)是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的重要因素。合理的發(fā)酵條件有利于木薯渣厭氧發(fā)酵高效產(chǎn)酸，同時有利于提高木薯渣的降解率，在實際生產(chǎn)中更有利于發(fā)酵產(chǎn)物的提取和生產(chǎn)成本的節(jié)約。本實驗在前期研究的基礎(chǔ)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(fā)酵產(chǎn)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(zhì) 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(fā)性固體(VS)含量為97.9%、綜纖維素含量為59.31%、木質(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(fā)酵工藝［8］，每一組逆流發(fā)酵裝置有3個發(fā)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(huán)境，用橡膠塞塞緊，置于35℃ 的恒溫水浴振蕩器中，進行厭氧發(fā)酵。普通厭氧發(fā)酵9 d后，進行逆流操作，3個發(fā)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(fā)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(fā)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(guī)指標 固含量、總有機碳、揮發(fā)性有機物按參考文獻［12］測定，纖維素含量、木質(zhì)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(fā)酵液中揮發(fā)性有機酸(VOA)的測定 從反應瓶中取出5 mL發(fā)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(fā)酵中底物降解率、VOA產(chǎn)率、乙酸產(chǎn)率、VOA轉(zhuǎn)化率和乙酸的轉(zhuǎn)化率計算方法［8］如下:

式中:η1—底物降解率，%;W0—初始VS的質(zhì)量，g;W1—發(fā)酵結(jié)束VS的質(zhì)量，單位g。

式中:η2—VOA產(chǎn)率，g/g;W0—初始VS的質(zhì)量，g;W2—VOA的產(chǎn)量，g。

式中:η3—乙酸產(chǎn)率，g/g;W0—初始VS的質(zhì)量，g;W3—乙酸的產(chǎn)量，g。

式中:η4—VOA轉(zhuǎn)化率，g/g;Wt—反應消耗VS的質(zhì)量，g;W2—VOA的產(chǎn)量，g。

式中:η5—乙酸轉(zhuǎn)化率，g/g;Wt—反應消耗VS的質(zhì)量，g;W3—乙酸的產(chǎn)量，g。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 底物濃度對木薯渣產(chǎn)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(fā)酵工藝中，進行9 d的普通厭氧發(fā)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(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵工藝運行穩(wěn)定后，乙酸濃度穩(wěn)定在1.3 g/L左右，VOA濃度穩(wěn)定在2.3 g/L左右，當?shù)孜餄舛忍岣叩?0 g/L的時候，待發(fā)酵工藝穩(wěn)定運行后，乙酸濃度穩(wěn)定在4.3 g/L左右，VOA濃度穩(wěn)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?shù)孜餄舛壤^續(xù)增加到100 g/L時，發(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵工藝對木薯渣的發(fā)酵產(chǎn)酸能力達到一個較大值，發(fā)酵產(chǎn)生的VOA濃度沒有發(fā)生顯著提高。

由表1可知，底物濃度為20 g/L時VOA和乙酸產(chǎn)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(chǎn)率和乙酸產(chǎn)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(chǎn)率從0.08 g下降到0.07 g，每克初始VS，乙酸產(chǎn)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(chǎn)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(jié)果可知，高底物濃度條件下逆流厭氧發(fā)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(chǎn)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(xù)的利用。在較高的底物濃度下，底物濃度為80 g/L時，VOA的產(chǎn)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(fā)酵結(jié)果。由此可知，底物濃度為80 g/L時，木薯渣厭氧多級逆流發(fā)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(chǎn)酸效果的影響

逆流厭氧發(fā)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(shù))是影響發(fā)酵產(chǎn)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(fā)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(chǎn)酸的效果，分別取1號發(fā)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(fā)酵工藝產(chǎn)酸穩(wěn)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(fā)酵產(chǎn)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(wěn)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(fā)酵產(chǎn)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(wěn)定后乙酸濃度穩(wěn)定在4.30 g/L左右，總VOA濃度穩(wěn)定在6.43 g/L左右。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵工藝，底物停留時間過短或過長都不能達到最佳的產(chǎn)酸效果，本次實驗中最佳的底物停留時間是12 d，此時的產(chǎn)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(zhuǎn)化率、產(chǎn)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(chǎn)率均為最低，分別為20.5%和0.064 g/g，木薯渣中的有機質(zhì)不能被微生物完全利用就被排出發(fā)酵體系，導致底物降解率及VOA和乙酸的產(chǎn)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(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)物的積累，發(fā)酵液中VOA會抑制產(chǎn)酸菌的活性，VOA及乙酸的產(chǎn)率下降。在底物停留時間為12 d時，乙酸和VOA的產(chǎn)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(zhuǎn)化率分別為0.31 g和0.24 g，木薯渣中的有機質(zhì)能夠得到有效利用，能得到較高濃度的VOA，同時能夠使發(fā)酵產(chǎn)物的抑制作用不會影響到產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)化率及產(chǎn)率的影響Table 3 Effects of SRT on substrate decomposition and VOA production during countercurrent anaerobic fermentation

3 結(jié)論

3.1 采用固液相雙向逆流厭氧工藝發(fā)酵木薯渣，底物濃度較低時可以獲得較好的乙酸轉(zhuǎn)化率，但揮發(fā)性有機酸及乙酸的產(chǎn)率較低;底物濃度較高可以獲得較高濃度的揮發(fā)性有機酸及乙酸，酸的產(chǎn)率及轉(zhuǎn)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(fā)性有機酸濃度達到6.75 g/L，乙酸占總揮發(fā)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(fā)酵條件雖然得到優(yōu)化，但是產(chǎn)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(xù)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(fā)酵過程中的產(chǎn)酸效率和有機質(zhì)的降解效果。

［1］中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院.中國熱帶作物栽培學［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1998.

［2］廖善秋，樊幼民.以木薯渣、黃漿為原料生產(chǎn)酒精技術(shù)經(jīng)濟評價［J］.廣西大學學報:自然科學版，1997，22(3):230-234.

［3］黃慧德，劉恩平.木薯產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的途徑與存在問題［J］.熱帶農(nóng)業(yè)科學，2012，32(2):84-87.

［4］蘇啟苞.木薯稈屑、木薯渣栽培杏鮑菇的研究［J］.中國食用菌，2007，26(3):22-23.

［5］何北海，林鹿，孫潤昌，等.木質(zhì)纖維素化學水解產(chǎn)生可發(fā)酵糖研究［J］.化學進展，2007，19(8):1142-1146.

［6］周麗東，周敬紅，齊緣鳳，等.表面活性劑對木薯稈酶水解的影響［J］.生物質(zhì)化學工程，2010，44(4):25-28.

［7］蔣建新，朱莉偉，王堃，等.蒸汽爆破處理胡枝子的同步糖化發(fā)酵制備乙醇研究［J］.生物質(zhì)化學工程，2006，40(增刊):165-168.

［8］郭磊.多級逆流工藝促進城市污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸［J］.生物工程學報，2008，24(7):1233-1239.

［9］任曉，王毅，張全國，等.厭氧與光合微生物聯(lián)合制氫工藝實驗研究［J］.生物質(zhì)化學工程，2012，46(4):1-4.

［10］聶艷秋.初始pH值對產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸/耗氫產(chǎn)乙酸兩段耦合工藝定向生產(chǎn)乙酸的影響［J］.生物工程學報，2007，23(4):687-697.

［11］齊緣鳳，周敬紅.頂空氣相色譜測定蔗渣滲濾液特征化合物研究［J］.廣西大學學報:自然科學版，2011，36(5):815-822.

［12］國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京:中國環(huán)境科學出版社，2002.

［13］石淑蘭，何福望.制漿造紙分析與檢測［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2009.

［14］楊衛(wèi)國，陳家軍.pH值對有機廢水厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵影響研究［J］.環(huán)境工程，2008，26(增刊):136-138.