餐廚垃圾和廢水生產(chǎn)油脂技術(shù)

　　微生物在一定條件下能將碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭绒D(zhuǎn)化為菌體內(nèi)大量貯存的油脂，如果油脂含量超過細(xì)胞干重的20%，則此微生物稱為產(chǎn)油微生物。研究開發(fā)微生物油脂不僅可緩解動植物油脂不足，且可用來生產(chǎn)功能性油脂，甚至可替代植物油制造生物柴油，緩解全球能源危機(jī)。當(dāng)前油脂制備的主要原料是動植物，但因動植物生長周期長，供給季節(jié)性強(qiáng)等原因需要開辟一條獲取油脂資源的新途徑。微生物油脂又稱單細(xì)胞油脂，是由酵母、霉菌、細(xì)菌和藻類等微生物在一定條件下利用碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭瑸樘荚丛诰w內(nèi)產(chǎn)生的大量油脂。由于其細(xì)胞繁殖快、生產(chǎn)周期短、所需的原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，可作為食用油脂、功能性油脂及生物柴油的油源，目前能夠用于生產(chǎn)油脂的微生物種類有酵母菌、霉菌、細(xì)菌和藻類等，其中以酵母菌和霉菌類的真核微生物居多。產(chǎn)油酵母是指油脂含量達(dá)到其細(xì)胞干重的25%的酵母，主要的菌種有Lipomyces starkeyi，Rhodosporidium toruloides，Rhodotorula glutinis和Yarrowia lipolytica，據(jù)報道有的油脂酵母其油脂積累可達(dá)其細(xì)胞干重的80%。產(chǎn)油酵母能在各種碳源上生長，可用各種工業(yè)和生活廢液生產(chǎn)微生物油脂。

　　近年來我國城鎮(zhèn)生活污水的排放量在逐年增加，占中國廢水排放總量的55.3%。此外，我國城市餐廚垃圾以每年10%的速度增長，年產(chǎn)量達(dá)25200萬t。根據(jù)上述問題以及食物垃圾有機(jī)物、油脂和鹽分含量高和城市生活污水的特點(diǎn)，本文利用前期篩選到的酵母產(chǎn)油菌，研究其與藻類聯(lián)合利用食物垃圾與城市污水生產(chǎn)油脂和清潔廢水，以期對餐廚垃圾和城市廢水的處理有一定的指導(dǎo)意義。

　　一、材料與方法

　　1.1 菌種與原料

　　三株油脂酵母菌分別為Y1，Y2和Y3，實(shí)驗室現(xiàn)存；淡水小球藻chlorellavulgads，F(xiàn)ACHB26，中國科學(xué)院武漢水生研究所；餐廚垃圾取自宜春學(xué)院學(xué)生食堂；廢水和處理后的潔凈水取自宜春某廢水處理廠。

　　1.2 培養(yǎng)基

　　斜面培養(yǎng)基，PDA或YEPD;種子培養(yǎng)基，葡萄糖10、蛋白胨1、酵母提取物1g/L、pH6.0。

　　1.3儀器與設(shè)備

　　LH-C3檢測儀，杭州陸恒生物科技有限公司;手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器，上海三甲醫(yī)療器械有限公司；SOX-250BS-Ⅱ生化培養(yǎng)箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；FA1004電子天平，常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司；WFJ7200型可見分光光度計，尤尼柯儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海陽光實(shí)驗儀器有限公司；離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠

　　1.4 測定方法

　　1.4.1 糖的測定和總N，總P與COD(化學(xué)需氧量)的測定

　　液相色譜(Agilent)，分析柱為BioRadAminexHPX-87H，300×7.8mm，折光檢測器，柱溫60℃，流動相為50mol/L的H2SO4，流速為0.8mL/min，進(jìn)樣量10μL。COD(化學(xué)需氧量)：重鉻酸鉀光度法，檢測波長為420nm；總N：納氏試劑光度法，檢測波長為520nm；總P：鉬藍(lán)光度法，檢測波長為620nm。

　　1.4.2 生物量測定

　　取一定體積的發(fā)酵液，以3000r/m離心10min，所得酵母細(xì)胞用去離子水洗2次，在65℃烘至恒重，稱重得W。

　　1.4.3 油脂的提取和測定

　　用研缽充分研磨一定質(zhì)量的酵母干菌體，使細(xì)胞完全破碎，菌體按固、液質(zhì)量比1∶3加入石油醚，在索氏抽提器進(jìn)行酵母油脂的提取，經(jīng)旋轉(zhuǎn)、蒸發(fā)和濃縮，獲得油脂，稱重得W1。

　　1.5 試驗方法

　　1.5.1 餐廚垃圾水解液的制備

　　將200mL3%的硫酸加入至100g餐廚垃圾中，在121℃水解30min，所得水解液用氫氧化鈉中和，液態(tài)水解液與固態(tài)渣離心分離，適當(dāng)稀釋的水解液通過0.2μm孔徑濾膜過濾，再進(jìn)行色譜分析糖的組成。

　　1.5.2 酵母在餐廚垃圾水解液中的生長

　　葡萄糖15，蛋白胨6，酵母提取物6(g/L)，pH6.0;餐廚垃圾水解液直接作為培養(yǎng)液。

　　1.5.3 酵母在廢水中的生長

　　廢水分別加10、50g/L葡萄糖和50g/L葡萄糖再加10g/L蛋白胨和10g/L酵母提取物，上述3組培養(yǎng)基在121℃滅菌20min；滅菌和不滅菌城市廢水直接作為培養(yǎng)液。

　　1.5.4 酵母在餐廚垃圾水解液和廢水中的聯(lián)合培養(yǎng)

　　餐廚垃圾水解液與廢水以質(zhì)量比1∶4的比例混合，接種10%的酵母種子液，在28℃培養(yǎng)6d，90%的細(xì)胞懸浮液離心，收集酵母細(xì)胞，其余10%細(xì)胞懸浮液再與上述離心過的上清混合，在上述條件下培養(yǎng)6d，再接種3%小球藻(chlorellavulgads)在光照、室溫條件下培養(yǎng)6d。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 餐廚垃圾水解液的化學(xué)組成

　　餐廚垃圾水解液化學(xué)組成如表1，從表1中可看出：垃圾水解液中含量最大的為葡萄糖46.8g/L，占總糖的92.4%，而含量最少的是阿拉伯糖，占總糖的1.8%，此外，餐廚垃圾中還含氮和磷，這表明只要條件合適，微生物就可在其中生長。

　　2.2 酵母菌株在餐廚垃圾水解液中的培養(yǎng)

　　為了檢測酵母菌能否在餐廚垃圾水解液中生長，圖1為三株酵母在餐廚垃圾水解液和基礎(chǔ)培養(yǎng)基中各培養(yǎng)6d的生長情況，從圖1可知：油脂酵母Y1和Y2在餐廚垃圾水解液中培養(yǎng)的生物量好于在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中培養(yǎng)的生物量，它們在垃圾水解液中的生物量分別為23.2g/L和18.2g/L，這說明此三株酵母菌可以利用餐廚垃圾中碳源和氮源，表明可利用它們在餐廚垃圾中生產(chǎn)油脂。

　　2.3 三株酵母菌在廢水中的培養(yǎng)

　　為了檢驗酵母菌能否在廢水中生長，在廢水中添加碳源(葡萄糖)和氮源(蛋白胨和酵母提取物)，Y1、Y2和Y3在廢水中培養(yǎng)6d，結(jié)果如圖2：三株菌中生長較好的為Y1，其生物量為17.5g/L；同時在只添加葡萄糖而沒有添加蛋白胨和酵母提取物的廢水中培養(yǎng)，三株酵母的生物量也都超過了8.2g/L，暗示三株油脂酵母都能利用廢水中的N。

　　酵母菌在廢水中培養(yǎng)的生物量和油脂含量結(jié)果如表2。從表2可看出，三株菌都能在經(jīng)過滅菌或沒滅菌處理的廢水中生長，可能是廢水中營養(yǎng)含量低，與加了碳源和氮源的廢水相比，三株菌在廢水中的生長較差，油脂含量也低，最好的Y1油脂含量為12.7%。

　　表3為酵母在廢水中培養(yǎng)前后N的變化，根據(jù)表3可知：三株油脂酵母在沒滅菌的廢水中培養(yǎng)去除的N更多，其中去除最多是油脂酵母Y1，去除的N是30.4mg/L，最少的酵母是油脂酵母Y2。廢水通過酵母培養(yǎng)后，殘留在廢水中的N在28.9~37.8mg/L之間。

　　酵母在廢水中COD去除情況如表4。從表4結(jié)果可知，沒滅菌的廢水比滅過菌的廢水去除的COD濃度更大，這也許是沒滅菌的廢水中其他的微生物去除了一部分COD，COD去除最大為油脂酵母Y1，其在沒滅菌的廢水中去除了219.6mg/L的COD，結(jié)果說明三株酵母菌去除COD效果都較好。

　　表5為三株酵母菌去除廢水中的P情況，滅菌和沒滅菌的廢水中經(jīng)過三株酵母菌的處理后，大多數(shù)P都得以去除，廢水中殘留的P在1.3~8.9mg/L，其中去除P最多的是油脂酵母Y1，P去除量為22.4mg/L，油脂酵母Y3在沒滅菌的廢水中去除P較少為12.0mg/L。

　　2.4 酵母和藻類微生物聯(lián)合處理餐廚垃圾和廢水生產(chǎn)油脂

　　上述研究結(jié)果表明三株酵母菌都能在餐廚垃圾和廢水中較好的生長，為此我們嘗試把餐廚垃圾水解液與廢水混合，通過圖3的方式進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，對酵母和藻類聯(lián)合利用餐廚垃圾和凈化廢水進(jìn)行初步的研究。餐廚垃圾酸水解后稀釋4倍和廢水混合，上述三株酵母在混合液中培養(yǎng)階段(1)和(2)均培養(yǎng)6d，從表6可知：油脂酵母Y1對COD、N和P的去除效果好于其他兩株菌。

　　鑒于在培養(yǎng)階段(1)還有較多的COD、N和P沒有去除，餐廚垃圾水解液和廢水完成第一階段發(fā)酵后分離收獲酵母，再接種酵母種子液進(jìn)行第二次培養(yǎng)。從結(jié)果可知第二次培養(yǎng)的酵母生物量較低，可能跟餐廚垃圾水解和廢水的營養(yǎng)在培養(yǎng)階段1受到部分消耗有關(guān)。在此基礎(chǔ)上我們又進(jìn)行藻類培養(yǎng)，目的是進(jìn)一步除掉垃圾和廢水中的COD、N和P，結(jié)果表明經(jīng)過藻類培養(yǎng)，餐廚垃圾和廢水中的COD、N和P基本去除完全，效果最好的為Y1，其餐廚垃圾和廢水混合液中的COD、N和P分別為1500、37.8和3.2mg/L，基本達(dá)到能凈化廢水的目的。其中效果最好的是Y1油脂產(chǎn)量可達(dá)16.9g/L。

　　三、結(jié)論

　　三株酵母菌在餐廚垃圾和廢水處理中最好的為Y1，油脂產(chǎn)量可達(dá)16.9g/L，餐廚垃圾和廢水混合液中的COD、N和P分別為1500、37.8和3.2mg/L，可基本達(dá)到利用餐廚垃圾生產(chǎn)油脂和凈化廢水的目的。(來源：宜春學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院)