餐廚垃圾制備燃料乙醇酶促反應條件的研究

第27卷第6期可耳生能源Vol 27 No 62009年12月Renewable Energy ResourcesDec,2009餐廚垃圾制備燃料乙醇酶促反應條件的研究于紅艷,曹樹(shù)勇,奚立民(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江臺州318000摘要:餐廚垃圾的酶解是餐廚垃圾乙醇發(fā)酵的關(guān)鍵步驟。為了更好地發(fā)揮酶的催化作用,提高酶的有效利用率,針對糖化酶及纖維素酶用量、pH值、酶解溫度、酶解時(shí)間等條件對酶降解餐廚垃圾的影響規律進(jìn)行了探討,優(yōu)化酶促反應條件。研究結果表明,在100g餐廚垃圾樣品中添加15g糖化酶、12g纖維素酶,當pH值為4.8-56酶解溫度為42-58℃、酶解時(shí)間為60min時(shí)糖化酶和纖維素酶對餐廚垃圾底物表現出較強的酶活力關(guān)鍵詞:餐廚垃圾;糖化酶;纖維素酶;酶解中圖分類(lèi)號:TK6文獻標志碼:A文章編號:1671-5292(2009)060046-04Study on enzymatic reaction conditions of fuel ethanolproduction from kitchen garbageYU Hong-yan, CAO Shu-yong, XI Li-min(Taizhou Vocational Technical College, Taizhou 318000, China)Abstract: Enzymolysis is the key to fuel ethanol fermentation from kitchen garbage. In order tobetter play the enzyme catalytic reaction efficiency and effective utilization of enzymes, the influen-ial rules of temperature, pH, the addition of glucoamylase the addition of Cellulase, reaction timewere examined in detail. The results showed that when the addition of glucoamylase 1.5 g/100 gsample the addition of Cellulase 12 g/100 g sample, temperature 42-58C, pH 4.8-5.6, reaction time60 min, the glucoamylase and Cellulase showed strong activity to kitchen garbage substrateKey words kitchen garbage; glucoamylase; cellulase; enzymolysis餐廚垃圾是指在餐飲行業(yè)或居民生活中產(chǎn)生關(guān)鍵步驟,必須將餐廚垃圾中的淀粉、纖維素等的食物加工下腳料(廚余)和食物殘余(泔腳)。餐大分子物質(zhì)水解成小分子物質(zhì),才能為酵母菌提廚垃圾具有含水率高和有機質(zhì)含量高的特點(diǎn),如供生長(cháng)繁殖的先決條件。餐廚垃圾中淀粉和纖維何科學(xué)、合理地處置餐廚垃圾,對其進(jìn)行資源化利素的含量十分豐富,糖化效果的好壞直接影響到用,已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題叫。乙醇是一種純凈糖化液、乙醇的產(chǎn)率。為了更好地發(fā)揮酶的催化的汽車(chē)燃料,目前,國內外多以糧食為原料生產(chǎn)燃作用提高酶的有效利用率,本試驗針對糖化酶及料乙醇叫,利用餐廚垃圾生產(chǎn)燃料乙醇的研究鮮纖維素酶用量、pH值、酶解溫度、酶解時(shí)間等條件見(jiàn)報道。乙醇的生產(chǎn)工藝主要包括酶水解后發(fā)對糖化酶、纖維素酶降解廚余垃圾的影響規律進(jìn)酵工藝(SHF)和同步糖化發(fā)酵工藝(SF)。兩種行了探討,從而確定最佳酶促反應條件工藝都要利用淀粉酶或纖維素酶的水解催化作1試驗內容用,使淀粉、纖維素分子逐級水解為麥芽糖或葡萄1.1試驗材料糖,再通過(guò)酒精酵母將糖分轉化成燃料乙醇。1.11餐廚垃圾餐廚垃圾的酶解是餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的試驗用餐廚垃圾取自某校內食堂,包括廚余收稿日期:2009-07-30中國煤化工基金項目:浙江省臺州市科技計劃項目(08KY13)。作者簡(jiǎn)介:于紅艷(1976-),女,碩士研究生,講師,主要從事廢棄物資源化利CNMHG于紅艷,等餐廚垃圾制備燃料乙醇酶促反應親件的研究垃圾和泔腳,二者質(zhì)量比為46,主要成分為淀粉、溶液中葡萄糖含量。以葡萄糖含量為x軸、吸光纖維素、蛋白質(zhì)脂類(lèi)和無(wú)機鹽。用攪拌機將餐廚度為y軸得到糖含量與吸光度的關(guān)系曲線(xiàn)(圖1)垃圾打成漿,高溫滅菌后保存于冰箱中待用。為了線(xiàn)性回歸方程:y=0.8317x-0.0155,R2=0.9989。保證樣品的均勻性,防止餐廚垃圾中含有的還原性糖類(lèi)對試驗結果產(chǎn)生影響,在酶解反應之前,先用乙醚對餐廚垃圾進(jìn)行脫脂處理,再用乙醇洗滌抽濾等方法進(jìn)行除糖處理。試驗用餐廚垃圾和原餐廚垃圾的理化性質(zhì)見(jiàn)表表1餐廚垃圾的理化性質(zhì)Table 1 Characteristic of kitchen garbage葡萄糖含量/vg:mli日水分脂肪總糖還原糖非還原糖纖維素圖1葡萄糖標準曲線(xiàn)試驗用餐廚垃圾6900043704.37507Fig 1 Standard curve of glucose原始餐廚垃圾84%42.04345181571821.4糖化酶和纖維素酶酶解餐廚垃圾糖化率的計1.1.2糖化酶算方法試驗用糖化酶為淀粉α-1,4葡聚糖葡萄糖糖化酶糖化率=糖化酶酶解葡萄糖含量/非還水解酶,該酶由黑曲霉經(jīng)液體發(fā)酵后提取而成。糖原性糖含量×100%化酶由天津文華國際貿易有限公司提供,酶活為纖維素酶糖化率=纖維素酶酶解葡萄糖含量/100000u/g纖維素含量x100%1.1.3纖維素酶2試驗結果與討論試驗用纖維素酶是一組可降解纖維素生成葡2.1酶用量對餐廚垃圾糖化效果的影響萄糖的酶的總稱(chēng),該酶是由非病原性的木霉菌誘糖化酶可以將淀粉類(lèi)物質(zhì)有效地轉化為微生變篩選出的高產(chǎn)菌株經(jīng)液態(tài)發(fā)酵精制而成。纖維物可利用的糖。本試驗在pH值為48,溫度為素酶由天津市諾奧科技發(fā)展有限公司提供,酶活58℃的糖化條件下,向每100g餐廚垃圾樣品中為10000uyg分別添加0.15,0.3,0.6,09,15,30,6.0g糖化酶,1.14儀器設備酶解效果見(jiàn)圖2(酶解1h)。由圖2可以看出,當試驗儀器包括J200型精密電子天平、酶用量高于15g時(shí),酶解效果變化不大。DSX-280A手提式滅菌鍋、PHS-25C數顯酸度計、HR2094飛利浦攪拌機、WFJ7200型分光光度計、THZ-82恒溫振蕩器、98-1-B型電子調溫電熱1.2糖化酶和纖維素酶酶促條件試驗325·準確稱(chēng)取一定質(zhì)量的餐廚垃圾試驗樣品,調0.150306091.53節pH值為48,加50m水后在電子調溫電熱套糖化酶用量圖2糖化酶用量對糖化率的影響中進(jìn)行樣品糊化,放入58℃恒溫箱中,加人一定Fg2 Influence of amylase amount on the enzyme activity量酶液,然后放人恒溫振蕩器中,在58℃下酶解在相同條件下,向每100g餐廚垃圾樣品中lh,加熱至沸騰滅酶冷卻后移入250ml容量瓶,分別添加1.0,2.0,4.0,8.0,12.0,160,20.0g纖維定容,過(guò)濾取濾液50ml,調節pH值為70,放入素酶酶解效果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出,在相同100m容量瓶中定容,測定樣品吸光度,計算出葡的酶解時(shí)間下,不同用量的纖維素酶的糖化率相萄糖含量。試驗以加相同質(zhì)量經(jīng)高溫滅活的酶液差較大。隨著(zhù)纖維素酶用量的增加,糖化率逐漸提處理作為空白對照。高。當醢田盤(pán)γ1?-時(shí)/家曲線(xiàn)變得平緩。13葡萄糖分析方法從經(jīng)中國煤化工每的最佳用量分葡萄糖標準曲線(xiàn)繪制:采用DNS法測定標準別為CNMHG可再生能獯009,27(6)使2種酶同時(shí)處于最適溫度環(huán)境中,才能取得最佳的糖化效果。本試驗分別選取26,34,42,5058,66℃作為酶解溫度,在纖維素酶加入量為12g糖化酶加人量為1.5gpH值為4.8、酶解時(shí)間為1h條件下,不同酶解溫度對糖化率的影響見(jiàn)12481216圖5。纖維酶用量/g圖3纖維素酶用量對糖化率的影響45Fig 3 Influence of cellulose amount on the enzyme activity22pH值對餐廚垃圾糖化效果的影響H值對酶的活力影響較大,過(guò)酸或過(guò)堿都將引起酶的空間結構的改變,從而使酶喪失活性。此外,pH值還影響底物或中間絡(luò )合物ES的解離狀態(tài),使底物不能與酶的活性中心結合或者結合后42505866解溫度C不能生成產(chǎn)物例。本試驗用鹽酸分別將餐廚垃圾圖5酶解溫度對葡萄糖含量的影響底物的pH值調節為4.0,44,4.8,5.2,5.6,60,Fig5 Effect of temperaturene enzyme activity64,在纖維素酶加入量為12g糖化酶加入量為由圖5可以看出,酶解溫度對酶的活性及1.5g、酶解溫度為58℃、酶解時(shí)間為Ih條件下,糖化率的影響較大。酶解溫度為42-58℃時(shí)不同pH值對糖化率的影響見(jiàn)圖4。隨著(zhù)溫度的升高,糖化酶酶促反應速率加快;當酶解溫度超過(guò)58℃后,隨著(zhù)溫度的升高,糖化酶活力急劇下降。隨著(zhù)酶解溫度的升高,纖維素酶的糖化作用增強,糖化率很快升高;當酶解溫度為58℃時(shí),纖維素酶的催化反應速505率達到最大值,超過(guò)此溫度后,纖維素酶活性開(kāi)始下降。這是因為在較低的溫度范圍內,雙44485.25.6酶均具有一定活性,隨著(zhù)溫度升高,酶活性升餐廚垃圾pH高,反應速率加快,當溫度較高時(shí),酶蛋白逐漸圖4pH值對糖化率的影響Fig 4 Effect of initial pH on the saccharification rate變性,從而導致酶的糖化能力下降。因此,本試由圖4可以看出,當pH值為48時(shí),糖化酶驗確定酶解溫度為42~58℃,最適溫度為58活力最大,葡萄糖產(chǎn)生量占原始餐廚垃圾濕基的℃,此時(shí)糖化酶糖化率為4653%,纖維素酶糖0.7292%,糖化率達到4645%;當pH值為48-化率為3694%。6.0時(shí),糖化酶作用效果也較好;隨著(zhù)pH值的升2.4酶解時(shí)間對餐廚垃圾糖化效果的影響高,糖化酶活力不斷下降。當pH值為48~56時(shí)在纖維素酶用量為12g、糖化酶用量為15纖維素酶也能很好地發(fā)揮作用,pH值為56時(shí),g、pH值為48酶解溫度為58℃條件下,分別酶纖維素酶活力最大,糖化率達到37.92%;當pH解10,20,40,60,80,100,120min,餐廚垃圾的糖值超過(guò)56以后,纖維素酶的活性開(kāi)始下降。采用化率見(jiàn)圖6。酶解時(shí)間不同,相應的糖化率也不雙酶糖化餐廚垃圾時(shí),須要使2種酶同時(shí)處于最同。酶解時(shí)間為10-60min時(shí),糖化率曲線(xiàn)斜率適pH值環(huán)境才能達到最佳的糖化效果。本試驗非常大,表明反應速度很快,物料未完全反應。中最適pH值為4.8~56。酶解時(shí)間超過(guò)60min后,糖化率曲線(xiàn)逐漸平2.3酶解溫度對餐廚垃圾糖化效果的影響坦,中國煤化工低,葡萄糖含量大多數化學(xué)反應的速率都和溫度有關(guān),酶催基樸最佳酶解時(shí)間化反應也不例外。采用雙酶糖化餐廚垃圾時(shí),須要為CNMHG于紅艷,等餐廚垃圾制備燃料乙醇酶促反應條件的研究on preservation and deodorization of kitchen garbage[.050Bioresource Technology, 2002, 84(3): 213-22012] J D MURPHY, K MCCARTHY, Ethanol production0505in Ireland[J]. Applied Energy, 2005, 82: 148-166[3]MURAL T, YOSHINO T, UEDA M, et a. Evaluation ofthe function arming yeast displaying glucoamy lase on1020406080100120its cell surface by direct fermentation of corn to ethanol解時(shí)間/min[]. Journal of Fermentation a圖6酶解時(shí)間對糖化率的影響998,86(6):569-572.Fig 6 Efect of time on the enzyme activity4]馬鴻志,官利姐,汗群慧,等 Placket- Burman實(shí)驗設3結束語(yǔ)計優(yōu)化餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)燃料酒精的研究卩環(huán)境科餐廚垃圾的酶解是餐廚垃圾乙醇發(fā)酵的關(guān)鍵學(xué),2008,29(5):1452-1456步驟。試驗結果表明,餐廚垃圾最適糖化條件:每⑤ aNSEN, SVEN PEDERSEN. Elicien-100g餐廚垃圾樣品中加入1.5g糖化酶、12g纖cies of designed enzyme combinations in releasing ara-binose and xylose from wheat arabinoxylan in an indus維素酶、pH值為4.8-5.6、酶解溫度為42~58℃trial ethanol fermentation residuelJ). Enzyme and Mi酶解時(shí)間為60min。該糖化條件溫和,為餐廚垃圾crobial Technology, 2005, 36: 773-784發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇提供了有利的條件。6]胡尚勤利用有機垃圾發(fā)酵生產(chǎn)酒精新能源的研究在進(jìn)行餐廚垃圾降解轉化成糖的試驗中,除可再生能源,2005(1):20-22了添加糖化酶和纖維素酶以外,還可以考慮添加7 SAUER, SIGURSKJOLD)B W, CHRISTENSEN L,et果膠酶、木聚糖酶等。此外,試驗前應對餐廚垃圾al. Glucoamylase: structure/function relationships, and進(jìn)行纖維素破晶預處理,以強化纖維素酶的作用,protein engineering J]. Biochim Biophys Acta提高餐廚垃圾的糖化效率。2002,154:75-938]許慶芬,呂文訶,石瑛,等.馬鈴薯莖塊還原糖的測定參考文獻:方法比較中國馬鈴蔣.2004,18(16):377-339[U] WAN Q H, NARITA J, XIE W M, et a. Efects ofanaerobic/aerobic incubation and storage temperalure{9」鐘浩,譚興和,熊興耀,等,雙酶法液化及糖化馬鈴薯十粉T藝的研究食品研究與開(kāi)發(fā),2009,30(1)8-12(上接第45頁(yè))有差距,因此模擬得到的反應器時(shí)會(huì )產(chǎn)生一定誤差。出口氣體組成與試驗值并不完全相同,故產(chǎn)生了兩④本試驗制備的貴金屬催化劑 PlAcE/Al4O3可者計算結果上的差別。用于柴油自熱重整制氫,并且表現出良好的活性。結論參考文獻① PlAcE/AlO3催化劑上柴油自熱重整制氫 HUSSAM H IBRAHIM, RAPHAEL O IDEM. Single反應行為表明,高溫有利于柴油裂解及水重整反and mixed oxide -supported nickel catalysts for the應,水碳比的增加有利于甲烷蒸氣轉化、水重整及catalytic partial oxidation reforming of gasoline [J].一氧化碳變換反應的進(jìn)行,同時(shí)又可以降低析碳Energy Fuels, 2008, 22: 878-891反應發(fā)生的可能性,柴油液空速過(guò)大會(huì )使物料在[2] M V MUNDSCHAU, CHRISTOPHER G BURK. Dieselfuel reforming using catalytie membrane reactors [JI.反應器內停留時(shí)間縮短,造成氫產(chǎn)率下降。Catalysis Today,2008,136(3-4):190-205②由熱力學(xué)分析和流程模擬結果可知,在氧3]周琦郭瓦力,任洪宦,等第五屆全國化學(xué)工程與生碳比為06、柴油液空速為024h、水碳比為20、物化T年會(huì )論文集C西安:西北大學(xué)化工學(xué)院第五催化劑床層入口溫度為710℃的條件下,柴油重屆全國化T年會(huì )組委會(huì ),2008整制氫能夠在自熱的狀態(tài)下進(jìn)行。力面進(jìn)空煞些油面整制氫催化劑體系③采用 Chemcad軟件模擬柴油制氫流程簡(jiǎn)中國煤化工72):2427便可行,但采用Gibs反應器模擬柴油制氫體系CNMH學(xué)上業(yè)出版社97949