餐厨垃圾制备燃料乙醇酶促反应条件的研究

第27卷第6期可耳生能源Vol 27 No 62009年12月Renewable Energy ResourcesDec,2009餐厨垃圾制备燃料乙醇酶促反应条件的研究于红艳,曹树勇,奚立民(台州职业技术学院,浙江台州318000摘要:餐厨垃圾的酶解是餐厨垃圾乙醇发酵的关键步骤。为了更好地发挥酶的催化作用,提高酶的有效利用率,针对糖化酶及纤维素酶用量、pH值、酶解温度、酶解时间等条件对酶降解餐厨垃圾的影响规律进行了探讨,优化酶促反应条件。研究结果表明,在100g餐厨垃圾样品中添加15g糖化酶、12g纤维素酶,当pH值为4.8-56酶解温度为42-58℃、酶解时间为60min时糖化酶和纤维素酶对餐厨垃圾底物表现出较强的酶活力关键词:餐厨垃圾;糖化酶;纤维素酶;酶解中图分类号:TK6文献标志码:A文章编号: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餐厨垃圾是指在餐饮行业或居民生活中产生关键步骤,必须将餐厨垃圾中的淀粉、纤维素等的食物加工下脚料(厨余)和食物残余(泔脚)。餐大分子物质水解成小分子物质,才能为酵母菌提厨垃圾具有含水率高和有机质含量高的特点,如供生长繁殖的先决条件。餐厨垃圾中淀粉和纤维何科学、合理地处置餐厨垃圾,对其进行资源化利素的含量十分丰富,糖化效果的好坏直接影响到用,已经成为亟待解决的问题叫。乙醇是一种纯净糖化液、乙醇的产率。为了更好地发挥酶的催化的汽车燃料,目前,国内外多以粮食为原料生产燃作用提高酶的有效利用率,本试验针对糖化酶及料乙醇叫,利用餐厨垃圾生产燃料乙醇的研究鲜纤维素酶用量、pH值、酶解温度、酶解时间等条件见报道。乙醇的生产工艺主要包括酶水解后发对糖化酶、纤维素酶降解厨余垃圾的影响规律进酵工艺(SHF)和同步糖化发酵工艺(SF)。两种行了探讨,从而确定最佳酶促反应条件工艺都要利用淀粉酶或纤维素酶的水解催化作1试验内容用,使淀粉、纤维素分子逐级水解为麦芽糖或葡萄1.1试验材料糖,再通过酒精酵母将糖分转化成燃料乙醇。1.11餐厨垃圾餐厨垃圾的酶解是餐厨垃圾发酵生产乙醇的试验用餐厨垃圾取自某校内食堂,包括厨余收稿日期:2009-07-30中国煤化工基金项目:浙江省台州市科技计划项目(08KY13)。作者简介:于红艳(1976-),女,硕士研究生,讲师,主要从事废弃物资源化利CNMHG于红艳,等餐厨垃圾制备燃料乙醇酶促反应亲件的研究垃圾和泔脚,二者质量比为46,主要成分为淀粉、溶液中葡萄糖含量。以葡萄糖含量为x轴、吸光纤维素、蛋白质脂类和无机盐。用搅拌机将餐厨度为y轴得到糖含量与吸光度的关系曲线(图1)垃圾打成浆,高温灭菌后保存于冰箱中待用。为了线性回归方程:y=0.8317x-0.0155,R2=0.9989。保证样品的均匀性,防止餐厨垃圾中含有的还原性糖类对试验结果产生影响,在酶解反应之前,先用乙醚对餐厨垃圾进行脱脂处理,再用乙醇洗涤抽滤等方法进行除糖处理。试验用餐厨垃圾和原餐厨垃圾的理化性质见表表1餐厨垃圾的理化性质Table 1 Characteristic of kitchen garbage葡萄糖含量/vg:mli日水分脂肪总糖还原糖非还原糖纤维素图1葡萄糖标准曲线试验用餐厨垃圾6900043704.37507Fig 1 Standard curve of glucose原始餐厨垃圾84%42.04345181571821.4糖化酶和纤维素酶酶解餐厨垃圾糖化率的计1.1.2糖化酶算方法试验用糖化酶为淀粉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/非还水解酶,该酶由黑曲霉经液体发酵后提取而成。糖原性糖含量×100%化酶由天津文华国际贸易有限公司提供,酶活为纤维素酶糖化率=纤维素酶酶解葡萄糖含量/100000u/g纤维素含量x100%1.1.3纤维素酶2试验结果与讨论试验用纤维素酶是一组可降解纤维素生成葡2.1酶用量对餐厨垃圾糖化效果的影响萄糖的酶的总称,该酶是由非病原性的木霉菌诱糖化酶可以将淀粉类物质有效地转化为微生变筛选出的高产菌株经液态发酵精制而成。纤维物可利用的糖。本试验在pH值为48,温度为素酶由天津市诺奥科技发展有限公司提供,酶活58℃的糖化条件下,向每100g餐厨垃圾样品中为10000uyg分別添加0.15,0.3,0.6,09,15,30,6.0g糖化酶,1.14仪器设备酶解效果见图2(酶解1h)。由图2可以看出,当试验仪器包括J200型精密电子天平、酶用量高于15g时,酶解效果变化不大。DSX-280A手提式灭菌锅、PHS-25C数显酸度计、HR2094飞利浦搅拌机、WFJ7200型分光光度计、THZ-82恒温振荡器、98-1-B型电子调温电热1.2糖化酶和纤维素酶酶促条件试验325·准确称取一定质量的餐厨垃圾试验样品,调0.150306091.53节pH值为48,加50m水后在电子调温电热套糖化酶用量图2糖化酶用量对糖化率的影响中进行样品糊化,放入58℃恒温箱中,加人一定Fg2 Influence of amylase amount on the enzyme activity量酶液,然后放人恒温振荡器中,在58℃下酶解在相同条件下,向每100g餐厨垃圾样品中lh,加热至沸腾灭酶冷却后移入250ml容量瓶,分别添加1.0,2.0,4.0,8.0,12.0,160,20.0g纤维定容,过滤取滤液50ml,调节pH值为70,放入素酶酶解效果见图3。由图3可以看出,在相同100m容量瓶中定容,测定样品吸光度,计算出葡的酶解时间下,不同用量的纤维素酶的糖化率相萄糖含量。试验以加相同质量经高温灭活的酶液差较大。随着纤维素酶用量的增加,糖化率逐渐提处理作为空白对照。高。当醢田盘γ1?-时/家曲线变得平缓。13葡萄糖分析方法从经中国煤化工每的最佳用量分葡萄糖标准曲线绘制:采用DNS法测定标准别为CNMHG可再生能獯009,27(6)使2种酶同时处于最适温度环境中,才能取得最佳的糖化效果。本试验分别选取26,34,42,5058,66℃作为酶解温度,在纤维素酶加入量为12g糖化酶加人量为1.5gpH值为4.8、酶解时间为1h条件下,不同酶解温度对糖化率的影响见12481216图5。纤维酶用量/g图3纤维素酶用量对糖化率的影响45Fig 3 Influence of cellulose amount on the enzyme activity22pH值对餐厨垃圾糖化效果的影响H值对酶的活力影响较大,过酸或过碱都将引起酶的空间结构的改变,从而使酶丧失活性。此外,pH值还影响底物或中间络合物ES的解离状态,使底物不能与酶的活性中心结合或者结合后42505866解温度C不能生成产物例。本试验用盐酸分别将餐厨垃圾图5酶解温度对葡萄糖含量的影响底物的pH值调节为4.0,44,4.8,5.2,5.6,60,Fig5 Effect of temperaturene enzyme activity64,在纤维素酶加入量为12g糖化酶加入量为由图5可以看出,酶解温度对酶的活性及1.5g、酶解温度为58℃、酶解时间为Ih条件下,糖化率的影响较大。酶解温度为42-58℃时不同pH值对糖化率的影响见图4。随着温度的升高,糖化酶酶促反应速率加快;当酶解温度超过58℃后,随着温度的升高,糖化酶活力急剧下降。随着酶解温度的升高,纤维素酶的糖化作用增强,糖化率很快升高;当酶解温度为58℃时,纤维素酶的催化反应速505率达到最大值,超过此温度后,纤维素酶活性开始下降。这是因为在较低的温度范围内,双44485.25.6酶均具有一定活性,随着温度升高,酶活性升餐厨垃圾pH高,反应速率加快,当温度较高时,酶蛋白逐渐图4pH值对糖化率的影响Fig 4 Effect of initial pH on the saccharification rate变性,从而导致酶的糖化能力下降。因此,本试由图4可以看出,当pH值为48时,糖化酶验确定酶解温度为42~58℃,最适温度为58活力最大,葡萄糖产生量占原始餐厨垃圾湿基的℃,此时糖化酶糖化率为4653%,纤维素酶糖0.7292%,糖化率达到4645%;当pH值为48-化率为3694%。6.0时,糖化酶作用效果也较好;随着pH值的升2.4酶解时间对餐厨垃圾糖化效果的影响高,糖化酶活力不断下降。当pH值为48~56时在纤维素酶用量为12g、糖化酶用量为15纤维素酶也能很好地发挥作用,pH值为56时,g、pH值为48酶解温度为58℃条件下,分别酶纤维素酶活力最大,糖化率达到37.92%;当pH解10,20,40,60,80,100,120min,餐厨垃圾的糖值超过56以后,纤维素酶的活性开始下降。采用化率见图6。酶解时间不同,相应的糖化率也不双酶糖化餐厨垃圾时,须要使2种酶同时处于最同。酶解时间为10-60min时,糖化率曲线斜率适pH值环境才能达到最佳的糖化效果。本试验非常大,表明反应速度很快,物料未完全反应。中最适pH值为4.8~56。酶解时间超过60min后,糖化率曲线逐渐平2.3酶解温度对餐厨垃圾糖化效果的影响坦,中国煤化工低,葡萄糖含量大多数化学反应的速率都和温度有关,酶催基朴最佳酶解时间化反应也不例外。采用双酶糖化餐厨垃圾时,须要为CNMHG于红艳,等餐厨垃圾制备燃料乙醇酶促反应条件的研究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解时间/min[]. Journal of Fermentation a图6酶解时间对糖化率的影响998,86(6):569-572.Fig 6 Efect of time on the enzyme activity4]马鸿志,官利姐,汗群慧,等 Placket- Burman实验设3结束语计优化餐厨垃圾发酵产燃料酒精的研究卩环境科餐厨垃圾的酶解是餐厨垃圾乙醇发酵的关键学,2008,29(5):1452-1456步骤。试验结果表明,餐厨垃圾最适糖化条件:每⑤ aNSEN, SVEN PEDERSEN. Elicien-100g餐厨垃圾样品中加入1.5g糖化酶、12g纤cies of designed enzyme combinations in releasing ara-binose and xylose from wheat arabinoxylan in an indus维素酶、pH值为4.8-5.6、酶解温度为42~58℃trial ethanol fermentation residuelJ). Enzyme and Mi酶解时间为60min。该糖化条件温和,为餐厨垃圾crobial Technology, 2005, 36: 773-784发酵生产燃料乙醇提供了有利的条件。6]胡尚勤利用有机垃圾发酵生产酒精新能源的研究在进行餐厨垃圾降解转化成糖的试验中,除可再生能源,2005(1):20-22了添加糖化酶和纤维素酶以外,还可以考虑添加7 SAUER, SIGURSKJOLD)B W, CHRISTENSEN L,et果胶酶、木聚糖酶等。此外,试验前应对餐厨垃圾al. Glucoamylase: structure/function relationships, and进行纤维素破晶预处理,以强化纤维素酶的作用,protein engineering J]. Biochim Biophys Acta提高餐厨垃圾的糖化效率。2002,154:75-938]许庆芬,吕文诃,石瑛,等.马铃薯茎块还原糖的测定参考文献:方法比较中国马铃蒋.2004,18(16):377-339[U] WAN Q H, NARITA J, XIE W M, et a. Efects ofanaerobic/aerobic incubation and storage temperalure{9」钟浩,谭兴和,熊兴耀,等,双酶法液化及糖化马铃薯十粉T艺的研究食品研究与开发,2009,30(1)8-12(上接第45页)有差距,因此模拟得到的反应器时会产生一定误差。出口气体组成与试验值并不完全相同,故产生了两④本试验制备的贵金属催化剂 PlAcE/Al4O3可者计算结果上的差别。用于柴油自热重整制氢,并且表现出良好的活性。结论参考文献① PlAcE/AlO3催化剂上柴油自热重整制氢 HUSSAM H IBRAHIM, RAPHAEL O IDEM. Single反应行为表明,高温有利于柴油裂解及水重整反and mixed oxide -supported nickel catalysts for the应,水碳比的增加有利于甲烷蒸气转化、水重整及catalytic partial oxidation reforming of gasoline [J].一氧化碳变换反应的进行,同时又可以降低析碳Energy Fuels, 2008, 22: 878-891反应发生的可能性,柴油液空速过大会使物料在[2] M V MUNDSCHAU, CHRISTOPHER G BURK. Dieselfuel reforming using catalytie membrane reactors [JI.反应器内停留时间缩短,造成氢产率下降。Catalysis Today,2008,136(3-4):190-205②由热力学分析和流程模拟结果可知,在氧3]周琦郭瓦力,任洪宦,等第五届全国化学工程与生碳比为06、柴油液空速为024h、水碳比为20、物化T年会论文集C西安:西北大学化工学院第五催化剂床层入口温度为710℃的条件下,柴油重届全国化T年会组委会,2008整制氢能够在自热的状态下进行。力面进空煞些油面整制氢催化剂体系③采用 Chemcad软件模拟柴油制氢流程简中国煤化工72):2427便可行,但采用Gibs反应器模拟柴油制氢体系CNMH学上业出版社97949