第27卷第6期可耳生能源Vol 27 No 62009年12月Renewable Energy ResourcesDec,2009餐廚垃圾制備燃料乙醇酶促反應(yīng)條件的研究于紅艷,曹樹勇,奚立民(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江臺州318000摘要:餐廚垃圾的酶解是餐廚垃圾乙醇發(fā)酵的關(guān)鍵步驟。為了更好地發(fā)揮酶的催化作用,提高酶的有效利用率,針對糖化酶及纖維素酶用量、pH值、酶解溫度、酶解時間等條件對酶降解餐廚垃圾的影響規(guī)律進行了探討,優(yōu)化酶促反應(yīng)條件。研究結(jié)果表明,在100g餐廚垃圾樣品中添加15g糖化酶、12g纖維素酶,當pH值為4.8-56酶解溫度為42-58℃、酶解時間為60min時糖化酶和纖維素酶對餐廚垃圾底物表現(xiàn)出較強的酶活力關(guān)鍵詞:餐廚垃圾;糖化酶;纖維素酶;酶解中圖分類號:TK6文獻標志碼:A文章編號: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餐廚垃圾是指在餐飲行業(yè)或居民生活中產(chǎn)生關(guān)鍵步驟,必須將餐廚垃圾中的淀粉、纖維素等的食物加工下腳料(廚余)和食物殘余(泔腳)。餐大分子物質(zhì)水解成小分子物質(zhì),才能為酵母菌提廚垃圾具有含水率高和有機質(zhì)含量高的特點,如供生長繁殖的先決條件。餐廚垃圾中淀粉和纖維何科學(xué)、合理地處置餐廚垃圾,對其進行資源化利素的含量十分豐富,糖化效果的好壞直接影響到用,已經(jīng)成為亟待解決的問題叫。乙醇是一種純凈糖化液、乙醇的產(chǎn)率。為了更好地發(fā)揮酶的催化的汽車燃料,目前,國內(nèi)外多以糧食為原料生產(chǎn)燃作用提高酶的有效利用率,本試驗針對糖化酶及料乙醇叫,利用餐廚垃圾生產(chǎn)燃料乙醇的研究鮮纖維素酶用量、pH值、酶解溫度、酶解時間等條件見報道。乙醇的生產(chǎn)工藝主要包括酶水解后發(fā)對糖化酶、纖維素酶降解廚余垃圾的影響規(guī)律進酵工藝(SHF)和同步糖化發(fā)酵工藝(SF)。兩種行了探討,從而確定最佳酶促反應(yīng)條件工藝都要利用淀粉酶或纖維素酶的水解催化作1試驗內(nèi)容用,使淀粉、纖維素分子逐級水解為麥芽糖或葡萄1.1試驗材料糖,再通過酒精酵母將糖分轉(zhuǎn)化成燃料乙醇。1.11餐廚垃圾餐廚垃圾的酶解是餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的試驗用餐廚垃圾取自某校內(nèi)食堂,包括廚余收稿日期:2009-07-30中國煤化工基金項目:浙江省臺州市科技計劃項目(08KY13)。作者簡介:于紅艷(1976-),女,碩士研究生,講師,主要從事廢棄物資源化利CNMHG于紅艷,等餐廚垃圾制備燃料乙醇酶促反應(yīng)親件的研究垃圾和泔腳,二者質(zhì)量比為46,主要成分為淀粉、溶液中葡萄糖含量。以葡萄糖含量為x軸、吸光纖維素、蛋白質(zhì)脂類和無機鹽。用攪拌機將餐廚度為y軸得到糖含量與吸光度的關(guān)系曲線(圖1)垃圾打成漿,高溫滅菌后保存于冰箱中待用。為了線性回歸方程:y=0.8317x-0.0155,R2=0.9989。保證樣品的均勻性,防止餐廚垃圾中含有的還原性糖類對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響,在酶解反應(yīng)之前,先用乙醚對餐廚垃圾進行脫脂處理,再用乙醇洗滌抽濾等方法進行除糖處理。試驗用餐廚垃圾和原餐廚垃圾的理化性質(zhì)見表表1餐廚垃圾的理化性質(zhì)Table 1 Characteristic of kitchen garbage葡萄糖含量/vg:mli日水分脂肪總糖還原糖非還原糖纖維素圖1葡萄糖標準曲線試驗用餐廚垃圾6900043704.37507Fig 1 Standard curve of glucose原始餐廚垃圾84%42.04345181571821.4糖化酶和纖維素酶酶解餐廚垃圾糖化率的計1.1.2糖化酶算方法試驗用糖化酶為淀粉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/非還水解酶,該酶由黑曲霉經(jīng)液體發(fā)酵后提取而成。糖原性糖含量×100%化酶由天津文華國際貿(mào)易有限公司提供,酶活為纖維素酶糖化率=纖維素酶酶解葡萄糖含量/100000u/g纖維素含量x100%1.1.3纖維素酶2試驗結(jié)果與討論試驗用纖維素酶是一組可降解纖維素生成葡2.1酶用量對餐廚垃圾糖化效果的影響萄糖的酶的總稱,該酶是由非病原性的木霉菌誘糖化酶可以將淀粉類物質(zhì)有效地轉(zhuǎn)化為微生變篩選出的高產(chǎn)菌株經(jīng)液態(tài)發(fā)酵精制而成。纖維物可利用的糖。本試驗在pH值為48,溫度為素酶由天津市諾奧科技發(fā)展有限公司提供,酶活58℃的糖化條件下,向每100g餐廚垃圾樣品中為10000uyg分別添加0.15,0.3,0.6,09,15,30,6.0g糖化酶,1.14儀器設(shè)備酶解效果見圖2(酶解1h)。由圖2可以看出,當試驗儀器包括J200型精密電子天平、酶用量高于15g時,酶解效果變化不大。DSX-280A手提式滅菌鍋、PHS-25C數(shù)顯酸度計、HR2094飛利浦攪拌機、WFJ7200型分光光度計、THZ-82恒溫振蕩器、98-1-B型電子調(diào)溫電熱1.2糖化酶和纖維素酶酶促條件試驗325·準確稱取一定質(zhì)量的餐廚垃圾試驗樣品,調(diào)0.150306091.53節(jié)pH值為48,加50m水后在電子調(diào)溫電熱套糖化酶用量圖2糖化酶用量對糖化率的影響中進行樣品糊化,放入58℃恒溫箱中,加人一定Fg2 Influence of amylase amount on the enzyme activity量酶液,然后放人恒溫振蕩器中,在58℃下酶解在相同條件下,向每100g餐廚垃圾樣品中l(wèi)h,加熱至沸騰滅酶冷卻后移入250ml容量瓶,分別添加1.0,2.0,4.0,8.0,12.0,160,20.0g纖維定容,過濾取濾液50ml,調(diào)節(jié)pH值為70,放入素酶酶解效果見圖3。由圖3可以看出,在相同100m容量瓶中定容,測定樣品吸光度,計算出葡的酶解時間下,不同用量的纖維素酶的糖化率相萄糖含量。試驗以加相同質(zhì)量經(jīng)高溫滅活的酶液差較大。隨著纖維素酶用量的增加,糖化率逐漸提處理作為空白對照。高。當醢田盤γ1?-時/家曲線變得平緩。13葡萄糖分析方法從經(jīng)中國煤化工每的最佳用量分葡萄糖標準曲線繪制:采用DNS法測定標準別為CNMHG可再生能獯009,27(6)使2種酶同時處于最適溫度環(huán)境中,才能取得最佳的糖化效果。本試驗分別選取26,34,42,5058,66℃作為酶解溫度,在纖維素酶加入量為12g糖化酶加人量為1.5gpH值為4.8、酶解時間為1h條件下,不同酶解溫度對糖化率的影響見12481216圖5。纖維酶用量/g圖3纖維素酶用量對糖化率的影響45Fig 3 Influence of cellulose amount on the enzyme activity22pH值對餐廚垃圾糖化效果的影響H值對酶的活力影響較大,過酸或過堿都將引起酶的空間結(jié)構(gòu)的改變,從而使酶喪失活性。此外,pH值還影響底物或中間絡(luò)合物ES的解離狀態(tài),使底物不能與酶的活性中心結(jié)合或者結(jié)合后42505866解溫度C不能生成產(chǎn)物例。本試驗用鹽酸分別將餐廚垃圾圖5酶解溫度對葡萄糖含量的影響底物的pH值調(diào)節(jié)為4.0,44,4.8,5.2,5.6,60,Fig5 Effect of temperaturene enzyme activity64,在纖維素酶加入量為12g糖化酶加入量為由圖5可以看出,酶解溫度對酶的活性及1.5g、酶解溫度為58℃、酶解時間為Ih條件下,糖化率的影響較大。酶解溫度為42-58℃時不同pH值對糖化率的影響見圖4。隨著溫度的升高,糖化酶酶促反應(yīng)速率加快;當酶解溫度超過58℃后,隨著溫度的升高,糖化酶活力急劇下降。隨著酶解溫度的升高,纖維素酶的糖化作用增強,糖化率很快升高;當酶解溫度為58℃時,纖維素酶的催化反應(yīng)速505率達到最大值,超過此溫度后,纖維素酶活性開始下降。這是因為在較低的溫度范圍內(nèi),雙44485.25.6酶均具有一定活性,隨著溫度升高,酶活性升餐廚垃圾pH高,反應(yīng)速率加快,當溫度較高時,酶蛋白逐漸圖4pH值對糖化率的影響Fig 4 Effect of initial pH on the saccharification rate變性,從而導(dǎo)致酶的糖化能力下降。因此,本試由圖4可以看出,當pH值為48時,糖化酶驗確定酶解溫度為42~58℃,最適溫度為58活力最大,葡萄糖產(chǎn)生量占原始餐廚垃圾濕基的℃,此時糖化酶糖化率為4653%,纖維素酶糖0.7292%,糖化率達到4645%;當pH值為48-化率為3694%。6.0時,糖化酶作用效果也較好;隨著pH值的升2.4酶解時間對餐廚垃圾糖化效果的影響高,糖化酶活力不斷下降。當pH值為48~56時在纖維素酶用量為12g、糖化酶用量為15纖維素酶也能很好地發(fā)揮作用,pH值為56時,g、pH值為48酶解溫度為58℃條件下,分別酶纖維素酶活力最大,糖化率達到37.92%;當pH解10,20,40,60,80,100,120min,餐廚垃圾的糖值超過56以后,纖維素酶的活性開始下降。采用化率見圖6。酶解時間不同,相應(yīng)的糖化率也不雙酶糖化餐廚垃圾時,須要使2種酶同時處于最同。酶解時間為10-60min時,糖化率曲線斜率適pH值環(huán)境才能達到最佳的糖化效果。本試驗非常大,表明反應(yīng)速度很快,物料未完全反應(yīng)。中最適pH值為4.8~56。酶解時間超過60min后,糖化率曲線逐漸平2.3酶解溫度對餐廚垃圾糖化效果的影響坦,中國煤化工低,葡萄糖含量大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的速率都和溫度有關(guān),酶催基樸最佳酶解時間化反應(yīng)也不例外。采用雙酶糖化餐廚垃圾時,須要為CNMHG于紅艷,等餐廚垃圾制備燃料乙醇酶促反應(yīng)條件的研究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解時間/min[]. Journal of Fermentation a圖6酶解時間對糖化率的影響998,86(6):569-572.Fig 6 Efect of time on the enzyme activity4]馬鴻志,官利姐,汗群慧,等 Placket- Burman實驗設(shè)3結(jié)束語計優(yōu)化餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)燃料酒精的研究卩環(huán)境科餐廚垃圾的酶解是餐廚垃圾乙醇發(fā)酵的關(guān)鍵學(xué),2008,29(5):1452-1456步驟。試驗結(jié)果表明,餐廚垃圾最適糖化條件:每⑤ aNSEN, SVEN PEDERSEN. Elicien-100g餐廚垃圾樣品中加入1.5g糖化酶、12g纖cies of designed enzyme combinations in releasing ara-binose and xylose from wheat arabinoxylan in an indus維素酶、pH值為4.8-5.6、酶解溫度為42~58℃trial ethanol fermentation residuelJ). Enzyme and Mi酶解時間為60min。該糖化條件溫和,為餐廚垃圾crobial Technology, 2005, 36: 773-784發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇提供了有利的條件。6]胡尚勤利用有機垃圾發(fā)酵生產(chǎn)酒精新能源的研究在進行餐廚垃圾降解轉(zhuǎn)化成糖的試驗中,除可再生能源,2005(1):20-22了添加糖化酶和纖維素酶以外,還可以考慮添加7 SAUER, SIGURSKJOLD)B W, CHRISTENSEN L,et果膠酶、木聚糖酶等。此外,試驗前應(yīng)對餐廚垃圾al. Glucoamylase: structure/function relationships, and進行纖維素破晶預(yù)處理,以強化纖維素酶的作用,protein engineering J]. Biochim Biophys Acta提高餐廚垃圾的糖化效率。2002,154:75-938]許慶芬,呂文訶,石瑛,等.馬鈴薯莖塊還原糖的測定參考文獻:方法比較中國馬鈴蔣.2004,18(16):377-339[U] WAN Q H, NARITA J, XIE W M, et a. Efects ofanaerobic/aerobic incubation and storage temperalure{9」鐘浩,譚興和,熊興耀,等,雙酶法液化及糖化馬鈴薯十粉T藝的研究食品研究與開發(fā),2009,30(1)8-12(上接第45頁)有差距,因此模擬得到的反應(yīng)器時會產(chǎn)生一定誤差。出口氣體組成與試驗值并不完全相同,故產(chǎn)生了兩④本試驗制備的貴金屬催化劑 PlAcE/Al4O3可者計算結(jié)果上的差別。用于柴油自熱重整制氫,并且表現(xiàn)出良好的活性。結(jié)論參考文獻① PlAcE/AlO3催化劑上柴油自熱重整制氫 HUSSAM H IBRAHIM, RAPHAEL O IDEM. Single反應(yīng)行為表明,高溫有利于柴油裂解及水重整反and mixed oxide -supported nickel catalysts for the應(yīng),水碳比的增加有利于甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化、水重整及catalytic partial oxidation reforming of gasoline [J].一氧化碳變換反應(yīng)的進行,同時又可以降低析碳Energy Fuels, 2008, 22: 878-891反應(yīng)發(fā)生的可能性,柴油液空速過大會使物料在[2] M V MUNDSCHAU, CHRISTOPHER G BURK. Dieselfuel reforming using catalytie membrane reactors [JI.反應(yīng)器內(nèi)停留時間縮短,造成氫產(chǎn)率下降。Catalysis Today,2008,136(3-4):190-205②由熱力學(xué)分析和流程模擬結(jié)果可知,在氧3]周琦郭瓦力,任洪宦,等第五屆全國化學(xué)工程與生碳比為06、柴油液空速為024h、水碳比為20、物化T年會論文集C西安:西北大學(xué)化工學(xué)院第五催化劑床層入口溫度為710℃的條件下,柴油重屆全國化T年會組委會,2008整制氫能夠在自熱的狀態(tài)下進行。力面進空煞些油面整制氫催化劑體系③采用 Chemcad軟件模擬柴油制氫流程簡中國煤化工72):2427便可行,但采用Gibs反應(yīng)器模擬柴油制氫體系CNMH學(xué)上業(yè)出版社97949