厌氧消化出水中氨氮浓度对乙醇发酵的影响研究

李冬梅 段文龙 王柯 张建华

摘 要：酒糟在厌氧消化过程中，其中所含蛋白质等有机氮物质会降解产生氨而留在厌氧消化出水中。当厌氧消化出水回用于乙醇发酵配料水时，氨可作为酵母生长的氮源，但也可影响酵母代谢，从而影响乙醇产量。本论文旨在研究氨对乙醇发酵的影响及提出可能的解决办法。

关键词：厌氧消化 水 氨氮 浓度 乙醇发酵 影响研究

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0134-02

全球对石油储备量的担忧以及化石燃料过度消耗造成的环境问题使得开发一种可再生和环境友好型燃料迫在眉睫。生物质燃料就是其中一种化石燃料替代品（Zi et al.，2013）。而在目前，燃料乙醇是其中一种最重要的生物质燃料，主要可以用糖或淀粉原料发酵生产（Bai et al.， 2008）。在淀粉质原料中，玉米由于其淀粉含量高、产量大等优点，无疑是一种很好的燃料乙醇生产原料，在美国和中国主要以玉米为原料生产乙醇（黄宇彤 et al.， 2002）。但是，在木薯乙醇生产过程中，会产生大量高COD、高固形物含量的酸性废水（酒糟）（吴建华 et al.， 2006），正在限制乙醇工业的发展。在国内的乙醇厂中，酒糟的处理工艺一般为“固液分离-厌氧消化-好氧消化-深度处理-排放”。但是好氧消化和深度处理能耗大，而且还会产生大量剩余污泥需要额外处理，造成该工艺成本极高，降低了企业的效益（尹军 et al.， 2001）。

为了解决木薯乙醇酒糟处理面临的问题，我们提出将厌氧消化出水回用于乙醇发酵过程配料，而不再经好氧消化处理。这样既可降低能耗和水耗，同时可实现废水的零排放。但是，厌氧消化出水中含有大量的有机物和无机物，可能会对乙醇发酵产生潜在的抑制作用。因此，有必要通过分析厌氧消化出水中潜在的抑制性物质来验证厌氧消化出水作为乙醇发酵配料水的可行性。

1 材料与方法

1.1 材料

菌种：安琪酵母。

玉米：购自南阳当地市场。

中温厌氧消化出水：取自河南天冠企业集团厌氧消化罐。

酶制剂：液体耐高温α-淀粉酶（20000 U/mL）、液体糖化酶（130000 U/mL），由无锡杰能科生物工程有限公司提供；

其他所用试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 种子培养

种子培养基（g/L）：葡萄糖20，酵母膏8.5，NH4Cl 1.3，MgSO4·7H2O 0.1，CaCl2 0.06，pH 6.8，0.08MPa 灭菌15min。

培养条件：30 ℃，200 r/min下培养18 h；

1.2.2 发酵培养基制备与发酵。

将玉米粉和配料水按1∶3（w/v）的比例混合，拌匀后用硫酸调节pH至6.0，以10 U/g木薯粉的量的耐高温α-淀粉酶，于沸水浴中液化1 h；冷却后调pH至5.0。添加去离子水以弥补液化过程损失的水分。分装、灭菌（115 ℃，20 min）。冷却后加入120 U/g木薯粉的糖化酶、10%种子液、氮源（氮源的量有实验设计决定），于30℃恒温培养箱中进行同步糖化厌氧发酵48 h。

1.3 分析方法

乙醇、总糖、甘油、乙酸、乳酸浓度用高效液相色谱HPLC（DionexUltiMate 3000，美国）测定，示差折光检测器为日本Shodex RI-101，检测柱为Bio-Rad HPX-87H离子交换柱，色谱条件：柱温60 ℃，流动相5 mmol/L硫酸，流速0.6 mL/min，进样量20μL。酵母数量用血球计数板测定。氨氮的测定采用标准方法。（APHA，1995）

2 结果与讨论

2.1 厌氧消化出水对乙醇发酵的影响

为了分析厌氧消化出水对乙醇发酵的影响，设计如下实验。将中温厌氧消化出水、自来水和氨溶液（添加与中温厌氧消化出水相等浓度氨氮的自来水）分别作为配料水进行乙醇发酵，比较三种配料水发酵的效果，结果如表1所示。从表1可以看出，自来水配料发酵与氨溶液配料发酵比较，后者的乙醇度要低于前者，说明在氨氮浓度为476 mg/L时，氨氮影响了乙醇发酵中酵母的代谢，使得乙醇产率降低。氨溶液配料发酵与厌氧消化出水比较，两者乙醇度相当，说明厌氧消化出水中除了氨氮外，其他物质对乙醇发酵无影响。另外，还可看出，配料水中氨氮还会增加甘油的产量。上述实验结果表明高浓度氨氮会降低乙醇产量，因此，需详细研究氨氮对乙醇发酵的影响。

2.2 尿素对乙醇发酵的影响

在目前的乙醇生产过程，为加快酵母增殖和乙醇发酵速率，尿素被经常用来作为酵母生长的氮源，且尿素的添加量取决于酵母种类和原料类型。笔者研究了0～1100 mgl/L尿素浓度梯度对乙醇发酵的影响规律，结果发现尿素浓度为300 mg/L时，乙醇产量最大（见图1）。如果按含氮量折算，300 mg/L的尿素相当于140 mg/L氨氮，这一结果和前面的最适浓度200 mg/L并不一致，这是因为酵母对尿素和氨氮的代谢途径不同，因此简单地从氮的浓度衡量两者对乙醇发酵的影响。

2.3 中温厌氧消化出水中氨氮对乙醇发酵的影响

采用空气吹脱的方法制备氨氮浓度100～500 mg/L的厌氧消化出水进行配料发酵试验，结果表明，在厌氧消化出水中氨氮浓度为300 mg/L时，乙醇发酵浓度最高。和图2最适氨氮浓度200 mg/L的实验结果比较，乙醇发酵对厌氧消化出水中的氨氮浓度需求提高了100 mg/L，这可能和厌氧消化出水中含有其他杂质有关。另一方面，相同浓度的乙醇产量，同样也可在尿素浓度为300 mg/L的发酵中获得。因此，当厌氧消化出水中的氨氮浓度为300 mg/L时，可以完全代替尿素作为发酵的氮源。而当厌氧消化出水中的氨氮浓度高于300 mg/L时，需要采取技术手段脱除多余部分氨氮。中温厌氧出水回用，意味着可以节约300 mg/L的尿素，按照吨乙醇需要发酵液8m3计算，吨乙醇可节约2.4 kg，经济效益显著。

4 结论

当氨氮浓度控制在一定水平，厌氧消化出水可回用与玉米乙醇发酵，而对发酵不产生负面影响。而且，氨氮可取代尿素作为酵母生长的氮源，从而降低了添加氮源增加的生产成本。该工艺可降低玉米乙醇生产过程的能耗和水耗，同时实现零废水排放这一目标。