王柯，楊圣乾，張建華，毛忠貴

1(江南大學(xué)，工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122) 2(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝中酒精發(fā)酵生酸原因解析與控制

王柯1, 2，楊圣乾1, 2，張建華1, 2，毛忠貴1, 2

1(江南大學(xué)，工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122) 2(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

在酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝中，將沼液和酒糟的混合水回用于酒精發(fā)酵過程，可有效解決傳統(tǒng)酒精生產(chǎn)工藝存在的能耗大、廢水處理成本高的問題。但是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，該工藝會(huì)引起酒精發(fā)酵生酸較高。本文對(duì)造成這一問題的原因進(jìn)行了研究，并探索了相應(yīng)的解決方案。結(jié)果表明，沼液和酒糟混合、儲(chǔ)存過程中，沼液中的產(chǎn)酸菌能夠吸收利用酒糟中的營養(yǎng)物質(zhì)快速生長并生成大量揮發(fā)性有機(jī)酸。產(chǎn)酸菌會(huì)對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生競爭性抑制作用，而揮發(fā)性有機(jī)酸則會(huì)對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生毒害作用。通過向沼液中加入適量的克菌靈可有效殺滅產(chǎn)酸菌，延緩混合水的酸化，從而消除對(duì)酒精發(fā)酵的影響。

酒精發(fā)酵；釀酒酵母；厭氧消化；揮發(fā)性有機(jī)酸；克菌靈

燃料乙醇作為一種可再生和環(huán)境友好型的生物質(zhì)燃料，其產(chǎn)業(yè)在近幾十年來得到了迅猛的發(fā)展[1]。但是燃料乙醇產(chǎn)業(yè)也面臨著廢水處理成本高的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。針對(duì)廢水的處理，學(xué)者們展開了廣泛的研究，其主要目標(biāo)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水中能量的回收和水的再利用，如廢水直接回用、單細(xì)胞蛋白(SCP)/生物制品生產(chǎn)、耕地灌溉等等，但是這些技術(shù)存在著能耗大、處理不徹底等問題[3-6]。因此，目前生產(chǎn)上仍然主要采用“固液分離-厭氧消化-好氧消化-深度處理-排放”的處理工藝(圖1a)。該工藝存在投資大、占地面積多、能耗高、浪費(fèi)水資源且難以達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)等問題，不僅影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。為了解決廢水處理這一難題，我們提出了“酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝”[7-8]。在該工藝中，首先利用厭氧消化工藝處理酒糟廢水，該過程可將酒糟廢水中的大部分有機(jī)物降解，降低廢水化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)并產(chǎn)生沼氣。沼氣供給高壓鍋爐替代煤炭，通過“熱電聯(lián)產(chǎn)”技術(shù)獲得蒸汽和電力，回供于生產(chǎn)中的各個(gè)工序；處理后的沼液回用于酒精發(fā)酵過程，整體技術(shù)構(gòu)成一個(gè)閉路循環(huán)工藝圈。該工藝可顯著降低生產(chǎn)過程能源和水資源的消耗，避免廢水的排放，消除污染。但是，沼液成分非常復(fù)雜，其中含有較多的有機(jī)物和無機(jī)鹽，當(dāng)其回用于酒精發(fā)酵時(shí)，可能會(huì)對(duì)酒精發(fā)酵產(chǎn)生負(fù)面影響。研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沼液中含有較高濃度的丙酸時(shí)，酒精發(fā)酵受到明顯的抑制[9]。因此，對(duì)于耦聯(lián)工藝，需要保證厭氧消化的穩(wěn)定高效運(yùn)行，使沼液中丙酸的含量處于較低的水平。另外，由于沼液含有較高的堿度，即具有較強(qiáng)的緩沖能力。當(dāng)其回用配料時(shí)，就需要添加硫酸以調(diào)節(jié)料液的pH至6.0(液化酶的最適pH)，這就向酒精發(fā)酵培養(yǎng)基及后續(xù)的酒糟中引入了硫酸根離子。厭氧消化過程中硫酸鹽會(huì)被硫酸鹽還原菌還原為硫化氫，腐蝕反應(yīng)器且增加沼氣純化成本，高濃度硫化氫還會(huì)毒害釀酒酵母，抑制酒精發(fā)酵[10]。為了解決這個(gè)問題，我們將部分酒糟(含有較低pH)與沼液混合，從而降低回用水的pH，避免了硫酸的使用(圖1b)[11]。

該耦聯(lián)工藝的可行性已在小試和中試水平上得到了驗(yàn)證，目前正在實(shí)際生產(chǎn)中試用。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，酒精發(fā)酵的生酸幅度明顯高于傳統(tǒng)工藝(新鮮水配料)，且酒精產(chǎn)率也有所降低。本研究對(duì)造成這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行了解析，并提出了相應(yīng)的解決方案。

圖1 傳統(tǒng)木薯酒精干磨工藝(a)與酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)(b)流程圖Fig.1 Process diagrams of conventional cassava ethanol process(a) and integrated ethanol-methane fermentation ecosystem (b)

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

釀酒酵母(S.cerevisiae)，湖北宜昌安琪酵母有限公司；木薯，河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司；沼液和酒糟，河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司；α-淀粉酶(100 000 IU/mL)和糖化酶(10 000 IU/mL)，無錫杰能科有限公司；其它試劑均為分析純或優(yōu)級(jí)純市售商品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酒精發(fā)酵種子培養(yǎng)

種子培養(yǎng)基組成：葡萄糖(20 g/L)，酵母膏(8.5 g/L)，NH4Cl (1.3 g/L)，MgSO4·7H2O (0.1 g/L)，CaCl2(0.06 g/L)，pH自然，0.08 MPa滅菌15 min。將酵母接種于含有200 mL種子培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中，放于搖床上，100 r/min和30 ℃條件下培養(yǎng)18 h。

1.2.2 液化液制備與酒精發(fā)酵

將木薯粉(平均粒徑約0.4 mm)和配料水按1∶3(g∶mL)的比例混合，用NaOH或H2SO4溶液調(diào)節(jié)料液pH至6.0，加入耐高溫α-淀粉酶(10 IU/g木薯粉)后，將料液加熱至95 ℃并維持1 h。然后降溫至室溫，添加去離子水彌補(bǔ)液化過程水分損失。121 ℃滅菌15 min。降溫后加入尿素(0.05%，w/v)、糖化酶(130 IU/g木薯粉)和種子培養(yǎng)液(10%，v/v)，啟動(dòng)發(fā)酵。發(fā)酵溫在度控制30 ℃，發(fā)酵周期為48 h。定期測定CO2生成量(該方法用于丁酸對(duì)酒精發(fā)酵影響的研究)。

1.2.3 分析方法

乙酸、丙酸、丁酸、甘油、乳酸、乙醇采用高效液相色譜法(HPLC，Dionex，U-3000，USA)測定。色譜條件：Aminex HPX-87H色譜柱(300 mm×7.8 mm，9 μm，Hercules，CA)；RI檢測器(Shodex RI-101，Japan)和UV檢測器(Dionex，USA)；流動(dòng)相為5 mmol/L H2SO4；柱溫65 ℃；流速0.6 mL/min；進(jìn)樣量20 μL。樣品預(yù)處理：發(fā)酵液離心(10 000×g，10 min)后，上清液經(jīng)0.2 μm膜過濾，取濾液用于HPLC分析。酵母細(xì)胞數(shù)采用血球板計(jì)數(shù)法測定。采用SPSS Statistics 19(IBM，USA)進(jìn)行方差分析(Fisher’s least significant difference，LSD)，當(dāng)P<0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)業(yè)化中耦聯(lián)工藝與傳統(tǒng)工藝中酒精發(fā)酵生酸及酒精濃度對(duì)比

分別比較了傳統(tǒng)工藝和耦聯(lián)工藝條件下連續(xù)20批次的酒精發(fā)酵的酸度和酒精度。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)工藝比較，耦聯(lián)工藝中酒精發(fā)酵結(jié)束后酸度較高，并且隨著耦聯(lián)工藝的進(jìn)行酸度逐漸升高，而平均酒精度相對(duì)較低(圖2)。通過對(duì)混合水儲(chǔ)罐中混合水中揮發(fā)性有機(jī)酸(volatile fatty acids，VFAs)的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，其濃度處于較高水平(圖3)。這可能是由于混合水在儲(chǔ)罐中存留的時(shí)間內(nèi)，其中所含產(chǎn)酸菌(沼液和酒糟中都含有產(chǎn)酸菌)利用混合水中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖，并產(chǎn)生VFAs。另外，隨著工藝的持續(xù)進(jìn)行，儲(chǔ)罐的罐壁上會(huì)黏附產(chǎn)酸菌并不斷增殖，使得混合水中VFAs的濃度不斷增加。當(dāng)這樣的混合水用作酒精發(fā)酵配料水，其中的產(chǎn)酸菌就會(huì)對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生競爭性抑制作用，而VFAs則會(huì)對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生毒害作用。具體表現(xiàn)為，在低pH條件下，乙酸、丙酸等揮發(fā)性有機(jī)酸以未解離狀態(tài)存在，他們通過細(xì)胞膜上Fps1p(一種水-甘油跨膜輸送蛋白)介導(dǎo)的協(xié)助擴(kuò)散方式進(jìn)入酵母細(xì)胞[12]。在胞內(nèi)高pH(接近中性)環(huán)境下，解離為相應(yīng)的鹽和質(zhì)子，造成細(xì)胞質(zhì)酸化，從而抑制胞內(nèi)代謝反應(yīng)[13]。另外致死濃度下，乙酸會(huì)引起胞內(nèi)ROS積累，線粒體中細(xì)胞色素c釋放，線粒體功能紊亂和細(xì)胞凋亡蛋白質(zhì)活力增加，并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡(程序性細(xì)胞死亡)[14]。所以這些VFAs會(huì)進(jìn)一步造成發(fā)酵污染雜菌、酸度升高及酒精度下降。

圖2 不同工藝對(duì)酒精發(fā)酵生酸和酒精度的影響Fig.2 Effect of different process on the acidity and ethanol concentration in the ethanol fermentation

圖3 耦聯(lián)工藝運(yùn)行過程中混合水中VFAs變化趨勢Fig.3 VFAs concentrationsof the mixture in the integrated process

為了證明上述推測，分別取沼液和酒糟進(jìn)行混合(60%沼液+40%酒糟，pH6.10)，并將混合水在55 ℃水浴中保溫(儲(chǔ)罐內(nèi)混合水溫度約50～60 ℃)，每隔2 h取樣測定VFAs濃度。結(jié)果如圖4所示。隨著保溫時(shí)間的延長，混合水中VFAs濃度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢并在14 h時(shí)達(dá)到最大值(3 200 mg/L)，是初始濃度的10倍以上。這一結(jié)果說明，混合水在儲(chǔ)罐中存留的時(shí)間內(nèi)，確實(shí)會(huì)有產(chǎn)酸菌的生長繁殖，并產(chǎn)生大量VFAs。

圖4 保溫過程混合水中VFAs變化趨勢Fig.4 VFAs concentrations in the mixture during the heat preservation process

2.2 混合水酸化原因的探究

為了探究混合水酸化的原因，需要對(duì)產(chǎn)酸菌的來源以及其生長所需的營養(yǎng)來源進(jìn)行檢測。因此分別將沼液、酒糟和混合水置于55 ℃水浴中保溫，每隔4 h取樣檢測，觀察不同水樣甘油和有機(jī)酸隨時(shí)間變化趨勢，結(jié)果如圖5所示。在55 ℃水浴保溫過程中，單獨(dú)的沼液和酒糟不會(huì)產(chǎn)生VFAs，而對(duì)于混合水，在較短的時(shí)間內(nèi)所含VFAs濃度迅速升高，平均生成速率達(dá)到了116.5 mg/(L·h)，出現(xiàn)了明顯的酸化現(xiàn)象(圖5e)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是沼液中含有產(chǎn)酸菌，但是缺乏其生長繁殖所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，而與酒糟混合后，酒糟為產(chǎn)酸菌提供了生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。同時(shí)接近中性的pH以及50～60 ℃的環(huán)境條件有利于微生物的快速繁殖；另外也有可能是酒糟中含有雜菌(酒精發(fā)酵過程中不可避免會(huì)污染雜菌)，但是酒糟較低的pH以及缺少氮源等條件抑制了雜菌的生長，當(dāng)與沼液混合后為雜菌生長提供了適宜的條件，從而導(dǎo)致混合水酸化現(xiàn)象。當(dāng)然，也有可能是兩類菌共同作用的結(jié)果。從圖5a和圖5d可以看出，在混合水保溫過程中，來源于酒糟中的甘油和乳酸濃度不斷下降，說明酒糟中的甘油、乳酸等有機(jī)物可作為產(chǎn)酸菌生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)被消耗；另外在酒糟保溫過程中乳酸濃度有所增加，說明酒糟仍然含有具有活性的產(chǎn)乳酸菌。由圖5b和圖5c可知，混合水酸化過程中主要的揮發(fā)性有機(jī)酸是乙酸和丁酸，在水浴保溫4 h后乙酸和丁酸濃度開始增加，在16～28 h時(shí)丁酸占總揮發(fā)性有機(jī)酸含量的80%以上，說明丁酸是產(chǎn)生的最主要的揮發(fā)性有機(jī)酸。

圖5 保溫過程混合水、沼液和酒糟中甘油和有機(jī)酸的變化Fig.5 Change of the glycerol and organic acids of the mixture, digestate and stillage during the heat preservation process

為了深入了解混合水酸化對(duì)酒精發(fā)酵的影響，研究了丁酸對(duì)釀酒酵母生長和代謝的影響。實(shí)驗(yàn)中，向配料水(自來水)中添加不同濃度的丁酸(0～2 000 mg/L)，配制酒精發(fā)酵培養(yǎng)基，接種后進(jìn)行酒精發(fā)酵。從圖6可以看出，當(dāng)丁酸濃度高于500 mg/L時(shí)，發(fā)酵速率和酵母細(xì)胞數(shù)都有明顯下降，且隨著丁酸濃度的增加，發(fā)酵結(jié)束后的酵母細(xì)胞數(shù)呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。

圖6 丁酸對(duì)酒精發(fā)酵的影響(圖b中不同的字母表示數(shù)值間有顯著性差異)Fig.6 Effect of butyric acid on the ethanol fermentation (Different letters in Fig.b for the same indicator meant significant difference)

這說明丁酸可以顯著抑制釀酒酵母的生長代謝，當(dāng)然混合水中產(chǎn)生的乙酸也會(huì)對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生一定的毒害作用。這也就說明酸化的混合水回用時(shí)，會(huì)抑制釀酒酵母的生長代謝，使得發(fā)酵液中雜菌表現(xiàn)出更強(qiáng)的生長優(yōu)勢，從而導(dǎo)致酒精發(fā)酵酸度升高，酒精產(chǎn)量下降。

為了查明產(chǎn)酸菌的來源，實(shí)驗(yàn)中分別將沼液和酒糟徹底滅菌(121 ℃，30 min)，并配置不同的混合水(60%沼液+40%酒糟)，即沼液+酒糟、滅菌沼液+酒糟、沼液+滅菌酒糟，將這些混合水在55 ℃水浴中保溫，每隔4 h取樣檢測，觀察不同水樣中VFAs隨時(shí)間變化趨勢，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，在沼液未滅菌條件下混合水在保溫過程中出現(xiàn)了VFAs濃度大幅度升高現(xiàn)象；沼液經(jīng)滅菌后，混合水在水浴保溫過程中沒有出現(xiàn)VFAs累積現(xiàn)象，說明導(dǎo)致混合水酸化的產(chǎn)酸菌主要來源于沼液，而酒糟為這些產(chǎn)酸菌長提供了充足的營養(yǎng)物質(zhì)。

圖7 不同配料水中VFAs在保溫過程中的變化Fig.7 Change of theVFAs of different mixture during the heat preservation process

2.3 克菌靈對(duì)混合水酸化的抑制

在酒精生產(chǎn)過程中，克菌靈是常用的殺菌或抑菌劑。它是通過抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成來發(fā)揮抑菌作用。細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)成分主要是胞壁粘肽，由N-乙酰葡萄糖胺和與五肽相連的N-乙酰胞壁酸重復(fù)交替聯(lián)結(jié)而成。胞壁粘肽的合成分為胞漿內(nèi)、胞漿膜與胞漿外3個(gè)階段。克菌靈能阻礙直鏈?zhǔn)亩蔷酆衔镌诎麧{外的交叉聯(lián)接過程。它的作用靶位是胞漿膜上的結(jié)合蛋白，通過抑制轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)太作用，從而阻礙交叉聯(lián)接，阻礙細(xì)胞壁合成，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁缺損[15]。酵母細(xì)胞壁的主要成分是甘露聚糖、葡聚糖、蛋白質(zhì)和幾丁質(zhì)，因而克菌靈不會(huì)抑制酵母細(xì)胞。所以實(shí)驗(yàn)中選擇克菌靈來抑制混合水的酸化。

分別向沼液中加入0、3、6和9 mg/L的克菌靈，然后將沼液與酒糟(60%沼液+40%酒糟)，混合水置于55 ℃水浴中保溫，每隔4 h取樣進(jìn)行檢測，觀察混合水中VFAs變化情況，結(jié)果如圖8所示。

圖8 克菌靈對(duì)混合水酸化的影響Fig.8 Effects of the Kejunling on the acidification of the mixture

克菌靈可延緩混合水酸化的時(shí)間，并且隨著克菌靈濃度的增加，酸化的時(shí)間也不斷增加。當(dāng)克菌靈濃度為9 mg/L時(shí)，混合水出現(xiàn)酸化的時(shí)間已延長到16 h。說明克菌靈在一定時(shí)間內(nèi)可有效抑制混合水中的酸化菌，防止混合水的酸化。但是超過一定時(shí)間后，混合水的酸化仍然不可避免的發(fā)生。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，在添加適量克菌靈的前提下，需要合理控制混合水在儲(chǔ)罐中的停留時(shí)間，并定期對(duì)儲(chǔ)罐及管道進(jìn)行清洗消毒，以防止混合水的酸化。

3 結(jié)論

酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中會(huì)造成酒精發(fā)酵生酸較高，酒精產(chǎn)率下降。造成這一問題的原因是沼液和酒糟在混合、儲(chǔ)存的過程中，沼液中的產(chǎn)酸菌能夠吸收利用酒糟中的營養(yǎng)物質(zhì)(甘油、乳酸等)快速生長繁殖，并產(chǎn)生大量揮發(fā)性有機(jī)酸，這些有機(jī)酸以丁酸為主，而丁酸會(huì)顯著抑制釀酒酵母的生長代謝。另外，產(chǎn)酸菌也會(huì)對(duì)釀酒酵母產(chǎn)生競爭性抑制作用。通過向沼液中添加適量的克菌靈可有效延緩混合水的酸化，通過控制混合水在儲(chǔ)罐中的停留時(shí)間，并定期對(duì)儲(chǔ)罐和管道進(jìn)行清洗消毒，可防止混合水的酸化，并達(dá)到緩解酒精發(fā)酵升酸的目的。

[1] MUSSATTO S I, DRAGONE G, GUIMARES P M R, et al. Technological trends, global market, and challenges of bio-ethanol production[J]. Biotechnology Advances, 2010, 28(6): 817-830.

[2] HICKEY B, MOTYLEWSKI M.Sustainable alternatives for whole stillage management[M]. St. Louis: Fuel Ethanol Workshop, 2007.

[3] SZYMANOWSKA-POWALOWSKA D, LEWANDOWICZ G, KUBIAK P, et al.Stability of the process of simultaneous saccharification and fermentation of corn flour. The effect of structural changes of starch by stillage recycling and scaling up of the process[J]. Fuel, 2014, 119(119):328-334.

[5] BHATTACHARYYA A, SAHA J, HALDAR S, et al.Production of poly-3-(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) byHaloferaxmediterraneiusing rice-based ethanol stillage with simultaneous recovery and re-use of medium salts[J]. Extremophiles, 2014, 18(2): 463-470.

[6] WILKIE A C, RIEDESEL K J, OWENS J M. Stillage characterization and anaerobic treatment of ethanolstillage from conventional and cellulosic feedstocks[J]. Biomass and Bioenergy, 2000, 19:63-102.

[7] 毛忠貴, 張建華. 燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趨勢[J].生物工程學(xué)報(bào), 2008, 24(6): 946-949.

[8] ZHANG C M, MAO Z G, WANG X, et al. Effective ethanol production by reutilizing waste distillage anaerobic digestion effluent in an integrated fermentation process coupled with both ethanol and methane fermentations[J]. Bioprocess Biosystem Engineering, 2010, 33(9):1 067-1 075.

[9] ZHANG C M, DU F G, WANG X, et al. Effect of propanoic acid on ethanol fermentation bySaccharomycescerevisiaein an ethanol-methane coupled fermentation process[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2012, 20(5):942-949.

[10] 劉慧慧, 姜立, 張成明, 等. “酒精沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝”中硫化物對(duì)酒精發(fā)酵的影響[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2012, 38(5): 22-26.

[11] WANG K, ZHANG J H, LIU P, et al. Reusing a mixture of anaerobic digestion effluent and thin stillage for cassava ethanol production[J]. Journal of Cleaner Production, 2014, 75(14):57-63.

[12] MOLLAPOUR M, PIPER P W. Hog1 mitogen-activated protein kinase phosphorylation targets the yeast Fps1 aquaglyceroporin for endocytosis, thereby rendering cells resistant to acetic acid[J]. Molecular and Cellular Biology, 2007, 27(18): 6 446-6 456.

[13] ARNEBORG N, JESPERSEN L, JAKOBSEN M. Individual cells ofSaccharomycescerevisiaeandZygosaccharomycesbailiiexhibit different short-term intracellular pH responses to acetic acid[J].Archives of Microbiology, 2000, 174(1-2): 125-128.

[14] GIANNATTASIO S, GUARAGNELLA N, ZDRALEVIC M, et al. Molecular mechanisms ofSaccharomycescerevisiaestress adaptation and programmed cell death in response to acetic acid[J]. Frontiers in Microbiology, 2013(4): 33.

[15] 張強(qiáng), 陸軍, 侯霖, 等. “克菌靈”在玉米酒精生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]. 釀酒科技, 2006(1): 53-55.

Analysis and control of acidity production in ethanol fermentation during integrated ethanol and methane fermentation process

WANG Ke1,2, YANG Sheng-qian1,2, ZHANG Jian-hua1,2, MAO Zhong-gui1,2

1 (Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China) 2 (School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In the integrated ethanol and methane fermentation process, the mixture of digestate and stillage was reused as process water for the ethanol fermentation, thereby the problems of massive energy consumption and high cost for wastewater treatment faced by ethanol production process was resolved. However, in the industrial application, this integrated process caused high level of acidity production in the ethanol fermentation. In this study, reasons for this problem were explored and corresponding strategies were chosen. Results showed that in the mixing and storing process of digestate and stillage, the acidogenic bacteria in digestate could utilize the nutrient substances contained in stillage to grow and produce a mountain of volatile fatty acids (VFAs). These acidogenic bacteria could out-competeSaccharomycescerevisiaefor substrates, and the VFA could cause toxicity toS.cerevisiaeas well. Adding moderate amount of Kejunling to digestate could kill acidogenic bacteria and delay acidification of the mixture of digestate and stillage, thereby eliminating their effect on the ethanol fermentation.

ethanol fermentation;Saccharomycescerevisiae; anaerobic digestion; volatile fatty acids; Kejunling

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201612002

博士研究生，講師(王柯為通訊作者，E-mail: kewang@jiangnan.edu.cn)。

工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)高效開發(fā)與應(yīng)用”專項(xiàng)科研項(xiàng)目子項(xiàng)目(JUSRP51504)；生物燃料技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KFKT2014001)

2016-08-24，改回日期：2016-09-14