薯蓣皂素废水制备酒精的研究

翟钰鑫

（北方时代建筑设计集团EPC事业部，内蒙古 赤峰 024000）

环保与三废利用

薯蓣皂素废水制备酒精的研究

翟钰鑫

（北方时代建筑设计集团EPC事业部，内蒙古 赤峰 024000）

薯蓣皂素废水属难降解高浓度有机废水，为减少皂素废水对环境的污染，提高资源利用率，本文开展皂素废水接种酵母菌制备酒精的实验研究，考察了酵母菌接种量、pH和发酵时间对酒精产量的影响。使用正交实验方法确定了皂素废水制酒精的最佳工艺条件：当酵母菌接种量为10%、pH=5、发酵时间为42h时，薯蓣皂素废水发酵生产酒精的效果最佳，此时，酒精度可达到3.6%。

皂素废水；资源化利用；酒精；酵母菌

薯蓣皂素是合成甾体激素药物的基础原料，市场需求日趋增加，市场价格持续走高，因此，黄姜种植和薯蓣皂素提取迅速发展。但是，以黄姜为原料制备薯蓣皂素过程会产生大量废水[1-3]，废水中含有大量淀粉、糖类和醇类，若不能妥善处理，不仅带来环境污染，同时也会导致资源的大量浪费。王西峰等人研究了Fenton法[2]、超临界水氧化法[3]对皂素废水的处理，徐朝辉等人研究了曝气内电解-臭氧法对皂素废水的处理效果[4]，但锦锋等人研究了内电解法对皂素废水的处理效果[5]，张志扬等人研究了生物法对皂素废水的处理效果[6]，但是，这些方法存在能耗高、药品使用量高、不适合大规模废水处理的缺点，同时废水中的淀粉、糖类、醇类未能得到资源化利用，造成资源的大量浪费。考虑到废水的成分，结合酒精生产工艺，本文尝试以皂素废水为原料，以酵母菌为接种菌体，利用酵母菌发酵皂素废水，将皂素废水中的淀粉、糖类等转化为工业酒精。通过单因素实验和正交实验方法确定了皂素废水制备工业酒精的实验条件。

1 实验部分

1.1 废水水质

实验所用皂素废水为皂素生产水解车间的一次盐酸水解废水，其水质状况见表1。

表1 废水水质

1.2 实验材料及仪器

实验材料：废水酒精发酵培养基、薯蓣皂素废水、(NH4)2SO4、石灰、发酵培养基(不用灭菌)。酵母菌种由安琪国光高活性干酵母菌经驯化筛选而得。

实验仪器：pH计、精馏柱（自制）、恒温振荡摇床、全自动发酵罐。

1.3 实验方法

酒精指标的测定依据工业酒精国家标准GB 394-1993进行。

酵母菌种的筛选：按一定比例将酵母菌种置于废水培养基中培养，得到酵母菌生长规律曲线。选择处于对数生长期的酵母菌为实验用菌种，并通过移植接种获得酵母菌优势菌群，将所获取的酵母菌优势菌群接种到发酵培养基中进行酒精发酵。

2 实验结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 酵母菌接种量对酒精产量的影响

在20℃、pH=5的条件下，使用摇瓶振荡培养19h，将处于对数生长期的种子液移接入发酵培养基，此时种子细胞数约为0.06亿·mL-1，按4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%的接种量分别接入发酵培养基中进行酒精发酵，厌氧发酵24h，以产生酒精度的大小来确定最佳接种量，结果如图1所示。

图1 酵母菌接种量对酒精生产量的影响

从图1可以看出，当酵母菌接种量低于10%时，所生产酒精的酒精浓度随着酵母菌接种量的增加而增加，当酵母菌接种量超过10%时，所生产酒精的酒精浓度反而随着酵母菌接种量的增加而降低。造成这一现象的原因可能是：在较低的酵母菌接种量条件下，废水中的营养物质充沛，酵母菌得以迅速增殖，形成优势菌群，能够将酵母菌中的淀粉糖转化为还原糖，进而转化为酒精，提高酒精含量即酒精度数。但是当酵母菌接种量过高时，大量增殖的酵母菌菌群需要大量的营养物质维持生长，造成还原糖的大量消耗，导致用于产生酒精的还原糖的量降低，进而导致酒精产量的降低，因此在后续的单因素实验中选取酵母菌的接种量为10%。

2.1.2 pH对酒精产量的影响

在20℃、酵母菌接种量为10%的条件下，使用摇瓶振荡培养19h，厌氧发酵24h，分别在pH=4.0、4.5、5.0、5.5、6.0的条件下进行酒精发酵，考察pH值对酒精度的影响，结果如图2所示。

图2 pH对酒精生产量的影响

从图2可以看出，在pH小于5时，所生产的酒精度随pH值的升高而增加，而当pH大于5时，所产生的酒精度有略微的下降，说明废水适合在pH=5的条件下通过酵母菌发酵制酒精。后续单因素实验中将pH值定为5。

2.1.3 厌氧发酵时间对酒精生产量的影响

在20℃、pH=5、酵母菌接种量为10%的条件下，首先使用摇瓶振荡培养19h，之后进行酵母菌发酵，厌氧发酵时间分别选择15、20、25、30、35、40、45、50、55、60h，进行薯蓣皂素废水的发酵试验。酒精度厌氧发酵时间的变化如图3所示。

图3 发酵时间对酒精生产量的影响

由图3可以看出，厌氧发酵时间为40h时，酒精度达到最大值3.7%；当发酵时间少于40h时，酒精度随发酵时间的增加而增加；当发酵时间大于40h时，酒精度随发酵时间的延长略有降低。

2.2 正交实验结果与讨论

为了进一步得到酵母菌发酵皂素废水制酒精的最佳实验条件，在单因素实验的基础上进行正交实验设计。选择酵母菌接种量、废水pH和厌氧发酵时间为正交实验要素进行正交实验设计，因素水平表如表2所示，正交实验结果如表3所示。

表2 正交实验因素及水平设计

表3 正交实验结果表

由表3可知，以薯蓣皂素废水为原料，酵母菌发酵制酒精过程中，酵母菌接种量对发酵结果的影响最大，其次是发酵的pH，发酵时间对发酵结果影响相对较小。通过正交实验确定的最佳实验条件是A2B2C3，即酵母菌接种量为10%，pH=5，发酵时间为42h，此时其生产的酒精度为3.6%。

3 结论

薯蓣皂素废水中含有大量的淀粉糖、纤维素，可以在合适的条件下使用酵母菌发酵制备工业酒精。通过单因素实验和正交实验考察了废水pH值、酵母菌接种量、厌氧发酵时间对酒精产量的影响。研究发现，以薯蓣皂素废水为原料，酵母菌发酵制酒精过程中，酵母菌接种量对酒精产量的影响最大。正交实验确定的最佳实验条件为：酵母菌接种量为10%，pH=5，发酵时间为42h，此时其生产的酒精度为3.6%。

[1] 张勇，祁恩成，张守诚，等.黄姜-皂素废水综合处理技术的探讨[J].环境科学与技术，2004，27(s1)：123-125.

[2] 王西峰，胡晓莲.UV-Fenton试剂处理皂素生产废水试验研究[J].中国给水排水，2008，24 (13)：58-61.

[3] 王西峰，胡晓莲.超临界水氧化法处理皂素废水[J].环境科学学报，2008，28 (6)：1113-1117.

[4] 徐朝辉，刘小玉，童蕾，等.曝气内电解-臭氧法预处理皂素废水的研究[J].工业水处理，2006，26(10)：52-55.

[5] 但锦锋，祁璟，陆晓华.内电解法预处理皂素废水[J].中国给水排水，2003，19(12)：43-44.

[6] 张志扬，李江华，贾丽云，等.UASB-生物接触氧化-絮凝沉淀法处理皂素废水[J].城市环境与城市生态，2003，16 (5)：32-35.

Preparation of Alcohol with Saponin Wastewater as Raw Material

ZHAI Yuxin
(Engineering Procurement Construction Division of Beifang Shidai Architectural Design Group, Chifeng 024000, China）

As a high-organic containing wastewater, the saponin wastewater was intractable to treatment. A research on the alcohol prouction with saponin wastewater as raw material was carried out to reduce the environmental pollution and improve the resource utilization. Effects of inoculation amount, pH and fermentation time on alcohol yield were investigated. The best experimental conditions were determined by orthogonal experiment. When the amount of yeast inoculum was 10%, pH=5 and fermentation time was 42h, the alcohol content reached to 3.6%.

saponin wastewater; resource utilization; alcohol; yeast

X 703

A

1671-9905(2017)01-0035-03

翟钰鑫（1981-），男，内蒙古赤峰人，学士，工程师，主要从事水处理及市政工程的工程管理与设计工作

2016-11-07