基于污泥蛋白质溶出的酶-热碱联合水解中试研究

为探究剩余污泥酶-热碱联合水解生产蛋白质工艺工业化利用的可能性,建立了1 m3·d-1的剩余污泥(含水率80%)的中试水解系统。通过对酶解时间、复合添加量及碱解温度等关键工艺因素优化,获得了中试规模污泥联合水解的最佳工艺条件;通过酶和热碱水解动力学研究,明确了联合水解过程的限速步骤。结果表明:在日处理量为1 m3剩余污泥(含水80%)的中试水解过程中,酶解时间为1.5 h、复合酶投加量为1%、污泥浓度为30 g·L-1、碱解时间1.5 h、碱解温度80℃时,蛋白质溶出效果最佳,上清液中蛋白质浓度为2 160 mg·L-1;污泥酶解过程符合米氏方程,碱解过程符合零级动力学方程,二者的水解速率分别为0.709 mg·(L·min)-1和11.046mg·(L·min)-1;与碱解相比,酶解是剩余污泥联合水解的限速步骤。研究结果可为污泥联合水解工艺产蛋白质的产业化应用提供必要的技术参数。     

厌氧发酵方式对乳渣废水产酸性能的影响

为了研究厌氧发酵方式对乳渣废水发酵产酸效果的影响,分别对乳渣废水采用自然型发酵、填料型发酵及中性型发酵(pH=7.0±0.2),并进行连续2个周期的厌氧反应。分析乳渣废水中可溶性化学需氧量(SCOD)、蛋白质、多糖、挥发性短链脂肪酸(SCFAs)、水解酶(蛋白酶、α-葡萄苷酶)和辅酶420、NH_4~+-N及PO3-4-P指标的变化。研究发现,中性产酸系统中水解酶活性较高,蛋白质和多糖等物质水解性能较好,使乳渣废水产酸性能最佳,最大SCFAs积累量为12 328.37 mgCOD·L~(-1)。自然发酵产酸系统中水解酶活性最低,系统中残留大量的蛋白质和多糖等物质,最低SCFAs积累量为4322.61 mg COD·L~(-1)。同时发现,3个发酵系统中挥发性短链脂肪酸酸成分具有显著差别,其中自然型发酵系统乙酸积累率最大,可达69.70%,中性发酵系统丙酸积累率最大可达49.27%,填料型发酵系统正丁酸积累率最大可达38.85%。     

沙雷氏菌发酵蓝藻生产蛋白酶

以富含蛋白质的蓝藻作有机氮源进行微生物发酵生产蛋白酶,为蓝藻的资源化利用提供一条新途径。采用单因素实验,研究了影响沙雷氏菌发酵蓝藻生产蛋白酶的培养基主要成分。结果发现,在实验范围内,沙雷氏菌发酵蓝藻生产蛋白酶的最佳碳源是蔗糖,最佳速效氮源是尿素,最佳金属离子(盐)是ZnSO4,最佳产酶促进剂是吐温80。在单因素实验中,发酵上清液的蛋白酶活最高可达到941 U/mL,而且发酵周期短,发酵培养18 h即可达到最高酶(活)值。     

采用阳离子聚丙烯酰胺改善污泥水解液的脱水性能

针对市政污泥水解液脱水困难的问题,研究了阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量、水解液pH值、调理温度、搅拌转速等对污泥水解液脱水性能的影响。结果表明,当CPAM投加量为0.1%,水解液pH值为12.5,调理温度为50℃,搅拌转速为100~150 r·min~(-1)时,污泥水解液的脱水效果最佳,无锡和天津两地污泥水解液的毛细吸水时间(CST)分别下降98.43%和98.01%,调理前后,污泥粒径、Zeta电位、污泥黏度及絮体形态也获得明显改善,同时95%以上的污泥蛋白质保留在清液中,有利于污泥蛋白质的后续回收。     

黑曲霉固态发酵三七渣产淀粉酶的研究

以三七渣为基质,采用黑曲霉固态发酵产淀粉酶,考察了硫酸铵(氮源)添加量、三七渣粒径、固体培养基含水率、发酵温度、发酵时间、菌悬液接种量等因素对产淀粉酶效果的影响,并采用正交实验对发酵条件进行了优化。单因子实验结果表明,黑曲霉固态发酵三七渣产淀粉酶适宜的硫酸铵添加量为40～60mg/g(以干药渣计),最佳三七渣粒径为100目,最适固体培养基含水率为55%,最佳发酵温度为34℃,最适发酵时间为7d,最佳菌悬液接种量为10%(质量分数)。正交实验多重比较的结果表明,优化的发酵条件为:硫酸铵添加量50mg/g,发酵温度34℃,发酵时间5d,在此发酵条件下,黑曲霉固态发酵三七渣产生的淀粉酶的酶活可达84.15U/g(以湿物料计)。     

烟草下脚料发酵制取乙醇

通过单因素实验考察了硫酸浓度、固液比和水解时间对硫酸水解的影响。结果显示最优条件为：硫酸浓度为50%（w/w）,固液比为10%（w/v）,时间为100 min。烟草下脚料在最佳硫酸水解条件下,经5倍稀释,中和pH值至5～6。取经过滤后的水解液（FH）用酿酒酵母（Sacchharomyces cerevisiae）发酵产生乙醇,最大的乙醇浓度和乙醇产量分别为1.09g/L和54.5 g/kg。未过滤水解液（UFH,包括水解残渣）加入纤维素酶（70 U/100 mL）和酿酒酵母（Sacchharomyces cerevisiae）进行发酵,最大的乙醇浓度和乙醇产量分别为1.23 g/L和61.5 g/kg。     

烟草下脚料发酵制取乙醇

通过单因素实验考察了硫酸浓度、固液比和水解时间对硫酸水解的影响。结果显示最优条件为:硫酸浓度为50%(w/w),固液比为10%(w/v),时间为100 min。烟草下脚料在最佳硫酸水解条件下,经5倍稀释,中和pH值至5～6。取经过滤后的水解液(FH)用酿酒酵母(Sacchharomyces cerevisiae)发酵产生乙醇,最大的乙醇浓度和乙醇产量分别为1.09g/L和54.5 g/kg。未过滤水解液(UFH,包括水解残渣)加入纤维素酶(70 U/100 mL)和酿酒酵母(Sacchharomyces cerevisiae)进行发酵,最大的乙醇浓度和乙醇产量分别为1.23 g/L和61.5 g/kg。     

烟草工业废弃物中提取氨基酸

以生产烟碱及茄尼醇后的烟叶废渣为原料,采用酸水解及活性炭脱色处理提取氨基酸,研究了酸水解中HCl用量、水解时间以及活性炭脱色处理中活性炭处理方式、pH、活性炭用量、脱色温度和脱色时间等因素对氨基酸收率和脱色率的影响。结果表明,最佳水解条件:以6 mol/L HCl溶液为水解液,在120℃、料液比1∶18条件下,水解12 h,所得水解液经以下工艺脱色处理:0.25%KOH处理活性炭、pH=10、活性炭用量为2.5%、脱色温度80℃、脱色40 min,所得产物氨基酸收率86.65%,脱色率达84.31%。     

污泥水解蛋白液对食用菌生长的影响研究

将污泥(食品工厂污泥)经过酸碱水解制备水解蛋白液(肽类和氨基酸复合物,属于微生物蛋白)、并与豆粕(植物蛋白)、屠宰厂动物羽毛(动物蛋白)水解蛋白液、以及常规食用菌氮源麸皮、大米制糖厂米渣作为平菇栽培氮源或营养添加剂,测试对平菇的菌丝生长、产量和生物转化率的影响。结果表明,几种水解蛋白液对平菇的菌丝生长、产量、生物转化率影响明显,污泥水解蛋白液对菌丝的生长效果最好,其余2种水解蛋白液也有促进作用。添加污泥水解蛋白液最高产量可达806 g/袋,添加豆粕水解蛋白液的最高产量为532 g/袋,添加屠宰厂动物羽毛水解蛋白液的产最高量为525 g/袋;对照为480 g/袋(常规棉籽壳)。生物转化率分别为161.2%、106.4%和105.0%,而对照生物转化率为96%;增产率分别为67.92%、10.83%和9.38%。因此,污泥、豆粕、屠宰厂动物羽毛蛋白水解液可提高平菇产量,该研究也为污泥资源化利用建立了基础。     

温度和紧实度对秸秆水解产酸的影响

为了解紧实度和温度对秸秆水解产酸过程的影响,以麦秸为原料,在不密封条件下,设置秸秆容重分别为0.03、0.05和0.08 t·m-3,水解温度为10、20和30℃,分析了实验过程中水解酸化液COD、SCOD、pH值、挥发性脂肪酸组成和含量的变化。结果表明:秸秆紧实度对秸秆有机物水解溶出速率影响明显,秸秆紧实度与秸秆有机物水解溶出速率成反比,与水解酸化液COD、SCOD和挥发性脂肪酸含量达到峰值的时间成正比,但在同等体积反应器内紧实度越大秸秆TS负荷越高,有利于提高水解酸化液COD、SCOD和VFAs浓度;秸秆紧实度对秸秆水解产酸产物的组成和含量影响明显,秸秆容重为0.03和0.05 t·m-3的处理水解产酸产物中乙酸占比达75%以上,丙酸、丁酸等含量较低,而秸秆容重为0.08 t·m-3的处理水解产酸产物中以丁酸和乙酸为主,为典型的丁酸型发酵,11 d后转变为丙酸型发酵;实验12 d后,不同紧实度处理水解酸化液中丙酸含量均逐渐增加;温度对秸秆有机物水解溶出的影响明显,水解酸化液COD、SCOD和pH值与温度成正比,温度高对秸秆有机物水解溶出有利,但同时也提高了可分解利用秸秆水解产酸产物的微生物活性,造成实验后期水解产酸产物大量损失。当温度为30℃时,水解产酸时间控制在5 d左右较合适,当温度为20℃时,水解产酸时间控制在2周左右较合适。     

蔗渣发酵生产L-乳酸

酶解是纤维质原料用于生物发酵前的关键步骤。为了找到一种高效、低成本和低能耗的蔗渣酶解工艺,本实验研究了蔗渣酶解的底物浓度、pH、酶用量、温度、时间对蔗渣酶解后还原糖释放量的影响,并对酶解的3个主要因素——温度、pH和酶量进行正交实验分析,最终得到蔗渣浓度为8%,酶液6.9 mL,在温度43.9℃、pH为4.3条件下糖化时间14h,还原糖浓度可达54 g/L以上。将糖化液用于发酵实验,发现干酪乳杆菌N-2在酶解液培养基中45℃发酵120 h乳酸产量达到32.5 g/L;对代谢产物进行高效液相分析发现发酵产物为乳酸,几乎没有其他副产物产生。     

2种处理方法水解剩余污泥蛋白质的研究

运用了木瓜蛋白酶、超声波和蛋白酶联合使用的2种处理方法水解剩余污泥蛋白,以水解液中蛋白质提取率为指标,分析了2种水解处理方法对剩余污泥处理效果的影响。蛋白酶水解提取法的最佳条件是：反应体系木瓜蛋白酶的浓度为6％,固液比为1：4,水解温度为55℃,水解时间为5．5h;蛋白质的提取率为51．71％。超声波和蛋白酶联合的最佳条件是：P=30W,T=45min,蛋白质的提取率为66．60％。结果表明,超声波和蛋白酶联合使用的水解方法优于蛋白酶水解。     

温度对热水解预处理高含固污泥特性的影响

以含固率为10%的污泥为对象,研究不同温度和时间条件下热水解过程中有机物转化规律对污泥特性的影响。结果表明:随着热水解时间的延长和温度的升高,污泥中挥发性悬浮固体(VSS)的水解率逐渐升高。在热水解时间为20 min时,温度由150℃升高到180℃,VSS水解率由22.9%增至38.4%,污泥中VSS由46.28 g/L降低到40.63 g/L。水解液组分分析表明,溶解性化学需氧量(SCOD)主要组成为蛋白质(50%)、碳水化合物(15%~20%)、可挥发性脂肪酸(15%~20%)。水解液中氮主要以有机氮的形式存在。在热水解条件达到165℃、50 min时,氨氮浓度为1.16 g/L,之后,随着温度的升高和时间的延长,氨氮浓度基本不变。     

双酶协同水解剩余污泥条件优化

在碱性蛋白酶∶中性蛋白为3∶1的最优酶配比下,对剩余活性污泥进行水解提取蛋白质实验研究。实验以蛋白质提取率、SCOD/TCOD和有机质减少量三个指标来表现水解效果,探究温度、时间、pH以及加酶量对水解效果的影响。结果表明,蛋白质提取率、SCOD/TCOD和有机质含量变化三者存在较强的相关性,最佳水解条件是pH为9.0,反应时间4 h,加酶量5%和反应温度55℃。最佳水解条件下,污泥蛋白质提取率为65.89%,SCOD/TCOD为61.43%,有机质减少量81.05%。     

基于酸催化的生物质制乙醇工艺条件优化

纤维素乙醇被认为是最佳的替代燃料之一,但依然存在纤维素水解效率低和水解糖液中有害物质影响酵母菌活性等问题,从而导致其生产成本过高,无法实现工业化生产。选取水稻秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、毛竹等4种典型生物质,进行了基于酸催化法与同步酶解发酵法制取纤维素乙醇工艺条件的优选研究,采用DNS还原糖测定法测定原料还原糖转化量以表征预处理效果,并使用气相色谱法测定乙醇转化率。结果表明:水稻以5%固体装载量在125℃下经0.5%稀硫酸处理10 min后,产糖率达28.74%,处理效果在4种生物质中最优;发酵2 d后的水稻和小麦的乙醇转化率分别为51%和54%,显著高于高粱与毛竹;发酵5 d后高粱和毛竹的乙醇转化率达到了61%和65%,高于水稻和小麦。以上结果对改善传统生物质生产纤维素乙醇产率低的问题,具有一定的实际指导意义。     

金属-酶制剂共催化对废次烟草制乙醇的影响

以金属催化剂Mn0.3Zn0.2Fe0.5和复配酶制备的金属-酶制剂共催化发酵废次烟草制乙醇为研究对象,运用FTIR、SEM和BET分析技术表征烟草催化发酵前后形貌及组分变化,通过计算乙醇得率,分析金属-酶制剂促进生物质糖化产乙醇的共催化能效。FTIR分析表明,ME共催化可促进烟草纤维组织中C—O和C—C键解裂,促使木质素中多环苯酚类聚合物降解,SEM表明金属-酶制剂对烟草组织结构的催化浊蚀现象更明显,BET表明植物组织被水解成更小粒径;2 g烟草在0.8 g ME共催化作用下,乙醇产率为91.2 mg·g~(-1),是同步发酵制乙醇的1.5~1.9倍,为非粮作物催化转化制乙醇提供理论依据与实验数据支撑。     

Fenton联合微波/超声波预处理凤眼莲和甘蔗渣及其酶解产糖工艺

选取凤眼莲和甘蔗渣为代表性木质纤维素,以Fenton联合微波/超声波的化学-物理方法,对2种生物质进行预处理,并进行基质化学组分和基质特性、酶解产糖特性及其相互关系研究。对凤眼莲来说,最佳的Fenton-微波预处理为420 W微波预处理3 min+Fenton预处理,预处理后基质的72 h酶解还原糖产率为33.18%;最佳的Fenton-超声波预处理是360 W超声波预处理40 min+Fenton预处理,预处理后基质的72 h酶解还原糖产率为32.61%。甘蔗渣最佳预处理条件分别为:420 W微波预处理3 min+Fenton预处理和480 W超声波预处理50 min+Fenton预处理,预处理后基质的72 h酶解还原糖产率分别为26.47%和24.05%。预处理后样品的保水值相比原料均有提高,纤维素和半纤维素的含量之和也有提高,两者与生物质样品的预处理强度及72 h酶解还原糖产率呈正相关,但预处理前后生物质的结晶度指数与72 h酶解还原糖产率并无明显相关。     

青霉素废菌丝体制备石膏缓凝剂联产活性炭

青霉素废菌丝体是一种制药行业的危险固体废弃物。利用其富含蛋白质的特点,采用微波加热水解法制备一种新型建筑石膏缓凝剂(WPM缓凝剂),同时将制备缓凝剂后的滤渣用于制备活性炭。经过实验研究,确定的缓凝剂制备适宜工艺条件为:温度80℃,pH值11,时间10 min。得到滤渣制备活性炭的最佳工艺条件为:炭化时间为1 h,炭化温度为300℃,活化剂Zn Cl2浓度为20%,液固比为3.0。本工艺较好地解决了焚烧处置、堆放填埋或直接生产活性炭等处理方法造成的环境二次污染问题以及用作动物饲料可能导致的抗生素滥用问题,实现了青霉素废菌丝体的安全、清洁利用。     

纤维素酶、半纤维素酶降解膨化玉米秸秆工艺优化

利用纤维素酶和半纤维素酶协同降解经过膨化预处理的玉米秸秆,以提高玉米秸秆相比于单酶解的产糖量。在单因素实验的基础上,以还原糖产率为响应值,通过响应面来优化设计实验。实验数据分析得出,膨化玉米秸秆酶解的最佳工艺为:pH 4.8,液固比13∶1,酶解时间60 h,酶浓度6 g/L,温度51℃。对比纤维素酶单独作用于玉米秸秆的降解效果,双酶协同酶解使酶解液的还原糖产率提高到24%,还原糖产率提高了14.3%。协同酶解的研究为木质纤维素原料的降解提供了一种新的方式。     

NaOH预处理对秸秆与蓝藻混合厌氧发酵产沼气的影响

以稻秸和蓝藻为原料,在实验室自制小型发酵装置内进行混合物料厌氧发酵实验,研究不同质量分数NaOH预处理对秸秆与蓝藻混合厌氧发酵产沼气的影响。结果表明,经过NaOH预处理后,稻秸组分被破坏,产气量较对照组有明显增加,发酵时间缩短。扫描电镜观察显示,经碱性预处理过的稻草秸秆孔隙度增大,机械组织暴露,酶解的有效比表面积增大,酶解速率加快。NaOH质量分数为6%的处理组产气效果最好,总产气量比对照组高出248%,且甲烷平均含量达到58.89%,预处理效果最为理想。