阅读说明：本技术 一种利用瘤胃微生物提高餐厨垃圾糖化渣发酵产酸的方法 (Method for improving acid production of kitchen waste saccharified residue through fermentation by using rumen microorganisms ) 是由 马鸿志 靳勇 林雨佳 高明 汪群慧 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种利用瘤胃微生物提高餐厨垃圾糖化渣发酵产酸的方法,属于固废资源化利用技术领域。该方法首先收集餐厨垃圾,去除浮油后搅碎,按体积比2:1加水,加入糖化酶糖化6小时后离心制备餐厨垃圾糖化渣；然后将餐厨垃圾糖化渣接入驯化的接种污泥,厌氧发酵产酸3～5天得发酵混合液1；再将发酵混合液1接入驯化的瘤胃液,厌氧发酵10～14天,收集发酵混合液2,即为目标发酵液。该方法利用瘤胃微生物中的乳酸分解菌分解糖化渣发酵所产乳酸,后经丙烯酸和琥珀酸途径转化成丙酸,以期获得更多的短链脂肪酸。该方法与接种驯化污泥生产VFAs相比,产率提高了37.49％。该方法不仅可以优化生产短链脂肪酸,同时也实现了餐厨垃圾的资源化利用。(The invention provides a method for improving acid production by fermentation of food waste saccharification residues by using rumen microorganisms, and belongs to the technical field of solid waste resource utilization. Firstly, collecting kitchen waste, removing floating oil, stirring, adding water according to the volume ratio of 2:1, adding saccharifying enzyme for saccharification for 6 hours, and centrifuging to prepare food waste saccharified slag; then inoculating the food waste saccharified residue into domesticated inoculated sludge, and performing anaerobic fermentation to produce acid for 3-5 days to obtain a fermentation mixed solution 1; and then inoculating the fermentation mixed solution 1 into the domesticated rumen fluid, performing anaerobic fermentation for 10-14 days, and collecting the fermentation mixed solution 2 to obtain the target fermentation solution. The method utilizes lactic acid decomposing bacteria in rumen microorganisms to decompose and ferment saccharified residue to produce lactic acid, and then the lactic acid is converted into propionic acid through acrylic acid and succinic acid ways so as to obtain more short-chain fatty acids. Compared with the method for producing VFAs by inoculating and domesticating sludge, the yield of the method is improved by 37.49%. The method can optimize the production of short-chain fatty acid and realize the resource utilization of the kitchen waste.)

一种利用瘤胃微生物提高餐厨垃圾糖化渣发酵产酸的方法

技术领域

本发明涉及固废资源化利用技术领域，特别是指一种利用瘤胃微生物提高餐厨垃圾糖化渣发酵产酸的方法。

背景技术

餐厨垃圾是一种主要来源于企事业单位、餐饮业、农贸市场、食堂和家庭的有机固体废物。餐厨垃圾具有高水分、高有机物含量、易腐发臭、易生物降解等特点，如处理不当会造成资源等浪费和环境的污染。我国餐厨垃圾主要的处理方式是填埋和焚烧，但这两种处理方法会造成一系列环境污染问题，并且浪费了餐厨垃圾本身具有的生物质资源。另外如海洋消纳、作为动物饲料和肥料等方式，也由于越来越严格的环境法律法规被禁止。因此在能源极度紧缺的当今社会，对餐厨垃圾进行有效地资源化利用具有重要的现实意义。

通过厌氧发酵处理餐厨垃圾，既能减少餐厨垃圾对环境造成的二次污染，又能实现资源的回收，目前受到国内外研究者的广泛关注。但大部分研究者集中于通过厌氧发酵产生氢气和甲烷，但氢气和甲烷产量不高且不易运输，导致餐厨垃圾资源化的经济效益不容乐观。利用厌氧微生物将餐厨垃圾中的有机质转化为挥发性脂肪酸，包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸等，这些短链脂肪酸有广泛的用途，如在污水处理厂作为脱氮除磷菌的内源碳，将丁酸和丙酸提取分离后作为发酵工业的生产原料被微生物利用来生产可生物降解塑料，用挥发性脂肪酸作为原料生产生物气体、生物柴油、产电、合成表面活性剂等。

餐厨垃圾经糖化处理后，糖类和蛋白质等大分子物质进一步转化成小分子物质，有利于厌氧发酵的传质效果。糖化离心后，糖化液含餐厨垃圾中的大量糖类物质，而餐厨垃圾糖化渣，是餐厨垃圾经糖化离心后所得固体废物，主要成分包括蛋白质、淀粉和部分可溶性糖等有机物质。糖化渣经厌氧发酵后产生挥发性脂肪酸的同时也产生了大量的乳酸。

反刍家畜瘤胃微生物通常可将饲粮中纤维、淀粉和可溶性糖等碳水化合物经消化代谢转化为丙酮酸，进入三羧酸循环通过不同的代谢途径分别生成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸。瘤胃中的埃氏巨型球菌(Megasphaera elsdenii)是最主要的乳酸分解菌，除了与乳酸产生菌竞争性地利用底物发酵产生的葡萄糖、麦芽糖等外，更偏好分解乳酸作为自身增殖产酸的碳源。M.elsdenii主要通过丙烯酸和琥珀酸两条途径将乳酸转化为丙酸，也可以通过乙酰辅酶A途径产生少量乙酸。

关于餐厨垃圾优化产短链脂肪酸的研究颇多，但是目前尚无关于餐厨垃圾发酵所产乳酸转化为短链脂肪酸的研究，此外，也没有关于餐厨垃圾糖化渣厌氧发酵产短链脂肪酸的研究。

发明内容

本发明为了解决现有利用餐厨垃圾厌氧发酵产酸方法中短链脂肪酸产率低的问题，提供一种利用瘤胃微生物提高餐厨垃圾糖化渣发酵产酸的方法。

该方法包括步骤如下：

(1)收集餐厨垃圾，去除浮油后用搅拌机搅碎，向搅碎后的餐厨垃圾中按体积比2:1～1:1加水，再加入糖化酶，糖化6～8h后离心制备餐厨垃圾糖化渣；

(2)将步骤(1)中得到的餐厨垃圾糖化渣置于反应器中，加水调节TS(Total Solid总固体含量)至10％，然后调节pH值为7；

(3)将步骤(2)中处理后的餐厨垃圾糖化渣置于厌氧发酵罐中，接种驯化污泥进行发酵处理，3～5天后收集发酵混合液1；

(4)将所得的发酵混合液1接入驯化的瘤胃液，厌氧发酵10～14天后，收集发酵混合液2，即得目标发酵液。

其中，步骤(1)中餐厨垃圾主要包括淀粉、糖、纤维素、蛋白质、脂肪等物质。

步骤(1)中加入糖化酶，使糖化液的酶活力为50～100U/g(酶活/发酵液)。

步骤(1)中糖化温度为55～60℃。

步骤(1)中离心转速为200～220r/min。

步骤(3)中驯化污泥为污水处理厂的剩余污泥经10～15天厌氧驯化后所得，其中糖化渣的TS(Total Solid,总固体含量)为26～30％，VS(Volatile Solid,挥发性固体含量)为25～30％，驯化污泥的TS为8～10％，VS为5～7％。污泥接种量与糖化渣的VS之和占总发酵液VS的8～12％。

其中，驯化污泥的驯化方法为：将污水处理厂的剩余污泥在常温下静置24小时，105℃水浴加热2h。随后转移至血清瓶中培养，每天定时(24h)加入餐厨垃圾10g/L进行厌氧驯化培养，当pH值降至6.0～6.5时获得驯化污泥。

步骤(3)中发酵温度为35～37℃。

步骤(4)中驯化的瘤胃液为养殖场中反刍动物进食3～5h后的瘤胃液，驯化的瘤胃液VS为5～7％，瘤胃液接种量保证瘤胃液与糖化渣的VS之和占总发酵液VS的8～12％。

驯化瘤胃液的驯化方法为：从反刍动物体内取300mL瘤胃液迅速转移到500mL发酵罐内，加入37mL矿物质缓冲液(佩芬缓冲液)，每天定时(24h)加入餐厨垃圾10g/L，通过调节缓冲液中NaOH的浓度维持发酵罐内pH为6.0～6.4，温度为37℃，搅拌速度为100r/min。每天检测产生气体中成分的组成，当连续两天气体成分中只有氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时，瘤胃微生物驯化完成。

本发明中所述的矿物质缓冲液主要是佩芬缓冲液、玛考缓冲液等，佩芬缓冲液的组成为NaHCO₃ 5g/L，Na₂HPO₄ 1.9g/L，KCl 0.5g/L，MgCl₂·6H₂O 0.13g/L，CaCl₂ 0.05g/L，尿素0.5g/L；玛考缓冲液的组成为Na₂CO₃ 3.1g/L，K₂CO₃4.0g/L，Na₂HPO₄ 0.9g/L，K₂HPO₄1.1g/L，MgCl₂·6H₂O 0.10g/L，CaCl₂ 0.04g/L，尿素0.5g/L。

步骤(4)中发酵温度为30～37℃。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，主要利用瘤胃微生物中的乳酸分解菌分解糖化渣发酵所产乳酸，后经丙烯酸和琥珀酸途径转化成丙酸，以期获得更多的短链脂肪酸。与未驯化处理的发酵生产相比，本发明的方法与接种驯化污泥生产VFAs相比，效率提高了37.49％。本发明的方法不仅可以优化生产短链脂肪酸，同时也实现了餐厨垃圾的资源化利用。

附图说明

图1为本发明利用瘤胃微生物提高餐厨垃圾糖化渣发酵产酸的方法技术路线图；

图2为本发明实施例中餐厨垃圾糖化渣厌氧发酵产乳酸浓度变化；

图3为本发明实施例中餐厨垃圾糖化渣厌氧发酵产VFAs浓度变化。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种利用瘤胃微生物提高餐厨垃圾糖化渣发酵产酸的方法。

如图1所示，该方法包括步骤如下：

(1)收集餐厨垃圾，去除浮油后用搅拌机搅碎，向搅碎后的餐厨垃圾中按体积比2:1～1:1加水，再加入糖化酶，糖化6～8h后离心制备餐厨垃圾糖化渣；

(2)将步骤(1)中得到的餐厨垃圾糖化渣置于反应器中，加水调节TS(Total Solid总固体)含量至10％，然后调节pH值为7；

(3)将步骤(2)中处理后的餐厨垃圾糖化渣置于厌氧发酵罐中，接种驯化污泥进行发酵处理，3～5天后收集发酵混合液1；

(4)将所得的发酵混合液1接入驯化的瘤胃液，厌氧发酵10～14天后，收集发酵混合液2，即得目标发酵液。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1：

(1)预处理餐厨垃圾糖化渣：预处理餐厨垃圾糖化渣：剔除餐厨垃圾中木制筷子、餐巾纸、玻璃陶瓷片及骨头、鱼刺等不利于发酵的物质，然后用粉碎机粉碎至2mm以下，再将获得的餐厨垃圾按体积比2:1加入蒸馏水，添加糖化酶(酶活/发酵液为100U/g)，以转速150r/min在60℃的水浴锅中水浴加热6h。以4000r/min离心收集糖化渣，测得糖化渣TS为26.33％，VS为25.25％；完成餐厨垃圾糖化渣的预处理。

(2)接种驯化污泥：取自北京市某生活污水处理厂的剩余污泥，其主要微生物为水解和发酵型微生物，具体为专性厌氧的梭菌属、拟杆菌属、丁酸菌属、双歧杆菌属。将剩余污泥进行厌氧培养两周，厌氧培养的温度为37℃，搅拌速度为150r/min，每天投加一次餐厨垃圾(10g/L，补充碳源和氮源)，pH由7.8降至6.5。由此得到TS为8.41％，VS为5.09％的接种驯化污泥。

(3)厌氧发酵：将驯化完成后的厌氧污泥接种到厌氧消化批次式发酵小瓶中，反应器总体积500mL，根据VS比例分配计算得知，经驯化稀释的污泥为310mL，加入190mL加水稀释均匀的餐厨垃圾糖化渣。调节初始pH为6.5，充入氮气曝气10min，控制反应器的温度为37℃，搅拌速度为100r/min，不控制pH，厌氧发酵14天。

餐厨垃圾糖化渣接种驯化污泥厌氧发酵14天后，乳酸浓度升高(由2.18g/L增长为27.79g/L)，而VFAs有所降低，说明驯化污泥中的微生物以产乳酸菌为优势菌种，将糖化渣中的有机物更多的用于生产乳酸，从而提高了乳酸的产量。

实施例2:

(1)配置等比例浓度纯底物：反应总体积为500mL，乳酸钠：乙酸钠：丙酸钾：丁酸钾：戊酸钠＝25:1:1:1:1(浓度比)，SCOD浓度约为50g COD/L的混合溶液。高温灭菌锅中灭菌处理15min后待用。

(2)接种驯化瘤胃微生物：从反刍动物体内取300mL瘤胃液迅速转移到500mL发酵罐内，加入37mL矿物质缓冲液(佩芬缓冲液)，定时(24h)加入餐厨垃圾10g/L，通过调节缓冲液中NaOH的浓度维持发酵罐内pH为6.0～6.4，温度为37℃，搅拌速度为100r/min。每天检测产生气体中成分的组成，当连续两天气体成分中只有氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时，瘤胃微生物驯化完成。

(3)厌氧发酵：将驯化完成后的瘤胃微生物接种到厌氧消化批次式发酵小瓶中，反应器总体积500mL，为配置反应总VS为10％，经驯化稀释的瘤胃液为310mL，加入190mL配制的混合溶液。调节初始pH为6.5，充入氮气曝气10min，控制反应器的温度为37℃，搅拌速度为100r/min，不控制pH，厌氧发酵14天。

纯酸接种驯化的瘤胃液厌氧发酵14天后，乳酸浓度由25.52g/L降低到5.49g/L。

实施例3：

(1)预处理餐厨垃圾糖化渣：预处理餐厨垃圾糖化渣：剔除餐厨垃圾中木制筷子、餐巾纸、玻璃陶瓷片及骨头、鱼刺等不利于发酵的物质，然后用粉碎机粉碎至2mm以下，再将获得的餐厨垃圾按体积比2:1加入蒸馏水，按质量分数2‰g/g添加糖化酶(酶活100U/g)，以转速150r/min在60℃的水浴锅中水浴加热6h。以4000r/min离心收集糖化渣，测得糖化渣TS为26.33％，VS为25.25％；完成餐厨垃圾糖化渣的预处理。

(2)接种驯化污泥和瘤胃微生物：取自北京市某生活污水处理厂的剩余污泥，其主要微生物为水解和发酵型微生物，具体为专性厌氧的梭菌属、拟杆菌属、丁酸菌属、双歧杆菌属。将剩余污泥进行厌氧培养两周，厌氧培养的温度为37℃，搅拌速度为150r/min，每天投加一次餐厨垃圾(10g/L，补充碳源和氮源)，pH降至6.5。由此得到TS为8.41％，VS为5.09％的接种驯化污泥。

从反刍动物体内取300mL瘤胃液迅速转移到500mL发酵罐内，加入37mL矿物质缓冲液(佩芬缓冲液)，定时(24h)加入餐厨垃圾10g/L，通过调节缓冲液中NaOH的浓度维持发酵罐内pH为6.0～6.4，温度为37℃，搅拌速度为100r/min。每天检测产生气体中成分的组成，当连续两天气体成分中只有氢气和二氧化碳而检测不到甲烷时，瘤胃微生物驯化完成。

(3)厌氧发酵：将驯化完成后的厌氧污泥接种到厌氧消化批次式发酵小瓶中，反应器总体积500mL，根据VS比例分配计算得知，经驯化稀释的污泥为310mL，加入190mL加水稀释均匀的餐厨垃圾糖化渣。调节初始pH为6.5，充入氮气曝气10min，控制反应器的温度为37℃，搅拌速度为100r/min，不控制pH，厌氧发酵3天(总VS为10％)。3天后将驯化完成后的瘤胃微生物(72mL)接种到厌氧消化批次式发酵小瓶中(总VS为10％)。调节初始pH为6.5，充入氮气曝气10min，控制反应器的温度为37℃，搅拌速度为100r/min，不控制pH，厌氧发酵14天。

餐厨垃圾糖化渣接种驯化的瘤胃液厌氧发酵14天后，乳酸浓度降低(由27.91g/L降低为15.07g/L)。

如图2和图3所示，图中横坐标A-0表示污泥+糖化渣初始取样，A-14表示污泥+糖化渣反应14天取样；B-0表示瘤胃+混合液1初始取样，B-14表示瘤胃+混合液1反应14天取样；C-0表示瘤胃+纯酸初始取样，C-14表示瘤胃+纯酸反应14天取样。

图2中，在糖化渣+驯化污泥的发酵过程中，驯化污泥中的乳酸菌是优势菌种，乳酸浓度大量增长(由2.18g/L增长为27.79g/L)；在糖化渣+驯化瘤胃的发酵过程中，驯化瘤胃液中的乳酸分解菌成为优势菌种，分解了一部分底物中的乳酸(由27.91g/L降低为15.07g/L)；在纯酸+驯化瘤胃的发酵过程中，瘤胃液中的乳酸分解菌分解了大量的乳酸(由25.52g/L降低到5.49g/L)。

图3中，在糖化渣+驯化污泥的发酵过程中，底物中含有VFAs，驯化污泥中的产酸菌受到抑制，VFAs浓度有所下降(由19.53g/L减少至17.44g/L)；在糖化渣+驯化瘤胃的发酵过程中，驯化瘤胃液中的产酸菌和乳酸分解菌成为优势菌种，分解乳酸的同时生成了大量的VFAs(由18.54g/L增加到25.44g/L)，其比接种驯化污泥生产的VFAs效率提高了37.49％；在纯酸+驯化瘤胃的发酵过程中，瘤胃液中含有少量的VFAs，分解的一部分乳酸生成了微量的VFAs(由5.42g/L增加到6.14g/L)。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。