木薯燃料乙醇沼氣雙發酵耦聯工藝中氨氮的調控*

楊西昭 ，毛忠貴，王柯，張成明

1(江南大學工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇無錫，214122)2(江南大學 生物工程學院，江蘇無錫，214122)

為緩解化石能源危機，燃料乙醇在全球得到大力推廣。我國根據實際國情提出“非糧”燃料乙醇，其中木薯燃料乙醇成為重點發展項目，它呈現出良好的經濟效益和社會效益［1－2］。然而生產1t燃料乙醇，會產生16 t左右的高有機濃度廢水，造成了極大的污染和水資源浪費。乙醇沼氣雙發酵耦聯工藝較好地解決了這一問題［2－3］。

氨氮是工藝中需要注意的重要指標。回用的厭氧出水中的氨氮可作為氮源為酵母所利用，但乙醇發酵液化和滅菌過程中氨會和還原糖產生美拉德反應，從而降低乙醇產量。另外厭氧消化產生氨氮的過程伴隨著堿度的產生，而堿度的產生會增加發酵液化過程硫酸的使用量。

本文研究了耦聯工藝循環過程中氨氮的變化情況，并考查了氨氮對乙醇發酵和沼氣發酵的影響。同時研究了氨氮調控工藝以期完善雙發酵耦聯工藝，為其應用提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料

菌種:釀酒酵母，市售安琪耐高溫活性干酵母;污泥:活性污泥，泰興市金江化學工業有限公司;原料:木薯，河南天冠企業集團;糖化酶(130 000 U/mL)耐高溫α-淀粉酶(20 000 U/mL)，無錫杰能科生物工程有限公司市售商品;其它試劑均為分析純或優級純。

1.2 方法

1.2.1 乙醇發酵

種子培養基:葡萄糖20 g/L，酵母膏8.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.1 g/L，CaCl20.06 g/L，NH4Cl 1.3 g/L。115℃，20 min 滅菌。

種子培養條件:接1環生長良好的斜面酵母至200 mL種子培養基中，在搖床上，30℃，200 r/min培養18 h。

原料預處理:將木薯粉碎，過40目篩，稱取木薯粉30 g加90 mL水，用2 mol/L NaOH和30%(m/m)H2SO4調節料液pH至6.0。按10 U/g木薯粉加入耐高溫 α-淀粉酶，沸水浴液化1 h。冷卻后，用 2%H2SO4調節料液pH至4.0，115℃滅菌20 min。

發酵條件:接種量10%(V/V)，尿素0.05%(m/V)，糖化酶130 U/g木薯粉，30℃，發酵時間48 h。

蒸餾廢液處理條件:待蒸餾廢水冷卻后，于5 000 r/min離心20 min，上清液加入10g/L的干酵母后4℃保存，用做厭氧發酵進樣。

1.2.2 沼氣發酵

厭氧發酵為高溫-中溫串聯兩級沼氣發酵，蒸餾廢液首先經過高溫厭氧處理，然后高溫厭氧出水經過中溫厭氧處理。

高溫沼氣發酵條件:在三角瓶中發酵，發酵溫度55℃，有效體積800 mL，污泥接種量50%(V/V)，進樣量40 mL/d。

中溫沼氣發酵條件:在三角瓶中發酵，發酵溫度35℃，有效體積400 mL，污泥接種量50%(V/V)，進樣量40 mL/d。

沼氣收集:排水法收集沼氣。

高、中溫出水處理:5 000 r/min離心20 min后收集上清液于4℃保存，高溫出水用做中溫厭氧發酵進樣，中溫出水用做乙醇發酵配料。

1.2.3 氨氮調控工藝

在調控工藝中對蒸餾廢液進行固液分離以去除其中的酵母細胞。55℃下對中溫厭氧出水通空氣2h進行脫氨處理以去除氨氮。對照工藝中固液分離后的酵母損失通過向清液中添加活性干酵母來彌補(如圖1所示)。

圖1 調控工藝與對照工藝示意圖

1.2.4 分析方法

COD:重鉻酸鉀滴定法［4］。

氨氮:靛酚藍反應法［4］。

乙醇度:等體積蒸餾法［5］。

堿度:0.02 mol/L 鹽酸滴定法［4］。

pH:pH測定儀。

乙醇、甘油:高效液相色譜法(HPLC)檢測。

色譜條件:美國 Dionex UltiMate 3000 HPLC，示差折光檢測器日本Shodex RI-101，紫外檢測器Dionex UltiMate 3000，分析柱Bio-Rad HPX-87 H離子交換柱，柱溫60℃，流動相0.005 mol/L H2SO4，流速0.6 mL/min，進樣量 20 μL。

2 結果與討論

2.1 不同工藝中氨氮的變化

乙醇蒸餾廢液中的酵母菌體、未利用完的氮源、原料夾帶的氮是廢水中氨氮的主要來源。蒸餾廢液中的氮主要以有機氮形式存在，通過厭氧消化階段的氨化作用轉化為氨氮。由于耦聯工藝中革除了好氧生物處理工藝，所以不能通過硝化與反硝化作用去除氨氮［6］，只能依賴于厭氧沼氣發酵過程中氣液兩相中氨(NH3)的平衡來實現氨氮去除。但在乙醇發酵過程中，pH在4.0～6.0，氨氮以NH4+存在，因而無法通過乙醇發酵過程中CO2的逸出去除，所以，在耦聯工藝中出現氨氮的累積。如圖2所示，在循環進行至第7批時，氨氮濃度在811 mg/L處達到平衡。而在調控工藝中，氨氮濃度無明顯增幅，穩定在350 mg/L左右，較對照工藝下降了130%，這說明調控較大程度地減少了氨氮的累積。

圖2 不同循環工藝中中溫出水中氨氮的變化

2.2 調控工藝對乙醇發酵的影響

如圖3所示，對照工藝中乙醇產量在第4批后出現明顯下降，即氨氮濃度累積至550 mg/L時乙醇產量下降。而調控工藝中乙醇產量維持穩定。對于乙醇發酵過程的主要副產物甘油，在對照工藝中的第4批后有明顯下降趨勢，至第7批時，乙醇產量較控制組已降低10%，說明氨氮的控制對系統起到了明顯的調控作用，也證明了氨氮調控的必要性。另外調控工藝中甘油產量維持穩定。相關文獻［7－8］表明，氨氮本身不會對酵母生長產生影響，并且可作為氮源利用。但是在液化、滅菌等過程中氨與葡萄糖等還原糖會產生美拉德反應，導致參與乙醇發酵的糖總量降低，從而造成乙醇產量下降。為了證明該結論，對經液化和滅菌的培養基中還原糖的含量進行了測定分析，還原糖的含量約為50 g/L。但是由于還原糖測定方法(菲林試劑滴定法)的系統誤差較大，造成對照組和控制組培養基中的還原糖含量無明顯差別。于是我們配制葡萄糖濃度為50g/L的溶液和氨氮濃度分別為100 mg/L、350 mg/L、500 mg/L的溶液，并模擬液化和滅菌過程，以分析葡萄糖含量的變化情況。當氨氮濃度為100 mg/L時葡萄糖無明顯減少;300 mg/L時葡萄糖減少量約為1.0 g/L;濃度達到500 mg/L時，葡萄糖濃度降低了4.4 g/L，約為總濃度的8%。美拉德反應過程中會產生α-氨基酮、醛等中間產物，最終生成類黑素，這些物質會對酵母生長造成不利影響［9－10］。另外循環過程中累積的一些乙醇發酵抑制物，也是導致乙醇產量下降的原因之一。而氨氮調控工藝在避免氨氮累積的同時，也去除了這些抑制物，鞏固了乙醇產量的穩定。

圖3 不同工藝中乙醇及甘油產量的變化

2.3 調控工藝對沼氣發酵的影響

圖2和圖3表明氨氮調控工藝起到了很好的調控作用，但是實際生產的要求更高，既要保證乙醇產量的穩定，又要保證沼氣發酵的穩定運行。因此又考察了中溫厭氧出水pH、COD、堿度等重要水質指標及沼氣產量的變化情況。

2.3.1 中溫出水pH值的變化情況

如圖4所示，2種工藝的中溫出水pH均為7.5～8.0，對照工藝中pH因氨氮的持續增多略微上升，調控工藝后4個循環批次pH值有略微下降趨勢，但屬于正常波動。沼氣發酵環境中的pH主要受有機酸的影響，發酵產酸階段和產甲烷階段都不會受到氨氮的直接影響［11］，即有機酸的產生與降解都不會受到氨氮的直接影響，因此厭氧體系中的pH值保持穩定。

2.3.2 中溫出水COD的變化情況

圖4 不同循環工藝中高溫出水、中溫出水pH值的變化

本研究采用高溫、中溫兩級沼氣發酵體系。乙醇蒸餾廢液進入高溫反應器進行處理，然后高溫出水進入中溫反應器進一步處理。乙醇蒸餾廢液離心后上清液的COD約為20 000 mg/L。如圖5所示，兩種工藝的中溫出水COD都在2 200 mg/L左右，即經過高、中溫2級厭氧處理后，達到了80%以上的COD去除率。圖4和圖5的結果表明，氨氮的累積沒有直接影響到厭氧體系中微生物對有機物的降解，即本研究中氨氮沒有影響沼氣厭氧發酵的正常進行。

圖5 不同循環工藝中中溫出水COD的變化

2.3.3 中溫出水堿度的變化情況

有機氮通過微生物氨化作用轉化為氨氮的過程中，會引起厭氧環境中堿度的產生。如圖6所示，對照工藝中的堿度明顯高于調控工藝。在第3個循環批次以后，調控工藝中的堿度達到穩定，處于2 700～3 000 mg CaCO3/L，而對照工藝中堿度呈上升趨勢，在循環至第7批時，其濃度達到3 900 mg CaCO3/L。這是由于在氨化反應的同時會產生堿度物質［12］。而堿度的累積會造成乙醇發酵時調酸用H2SO4使用量的增加，進而引入過多的SO42－，而過多的 SO42－會對沼氣發酵造成不良影響［13］。

2.3.4 沼氣產量的變化情況

進一步考察了2種工藝中沼氣產量的變化情況。如圖7所示，在7個循環批次中兩種工藝的沼氣產量出現相同趨勢的波動，但總的沼氣產量基本持平。(收集裝置的氣密性欠佳，造成第3、5批的沼氣收集量下降)相關文獻［14］表明，氨氮濃度在800 mg/L左右時可促進產甲烷菌活力，但氨氮濃度進一步升高達到1 500 mg/L以上時，則會影響產甲烷菌活力。本研究中沒用出現抑制現象。

圖6 不同循環工藝中中溫出水堿度的變化

圖7 不同工藝中沼氣產量的變化(沼氣產量為高、中溫沼氣產量總和)

3 結論

隨著循環批次的增加，氨氮會形成累積，循環至第7批次時其濃度達到811 mg/L。而在氨氮調控工藝中，氨氮累積得到較好遏制，濃度穩定在350 mg/L左右。氨氮的累積會對乙醇發酵產生抑制作用，因為氨與還原糖產生美拉德反應，導致乙醇發酵時總糖量減少，乙醇產量下降。但氨氮的累積沒有對厭氧體系中的pH、COD、沼氣產量造成影響，只是間接造成堿度的上升。綜上所述，氨氮調控工藝對氨氮起到了良好的調控作用，并且可以穩定地循環運行。

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