从厨余垃圾发酵中分离和收集有机酸的综合过程Farah Nadia Omar, NorAini Abdul Rahman*, Halimatun Saadiah Hafid, Phang Lai Yee and Mohd Ali Hassan 法拉纳迪尔奥马尔，诺埃尼阿卜杜勒拉赫曼，哈利梅顿沙利哈菲德，莱伊和莫哈末阿里哈桑生物过程技术系，生物技术和生物分子科学，马来西亚博特拉大学学院，43400 沙登，雪兰莪州，马来西亚.2009 年9 月4 号摘要厨余垃圾厌氧消化产生的有机酸通过一种新型综合性的方法收集，该方法由冷凝、 解冻、离心分离和过滤几个步骤组成。改有机酸主要由乳酸(98%)组成。经过 冷凝和解冻过程，70%悬浮固体物将被移除，有机酸的浓度将从59g/L上升到 70g/L。经过过滤工序后有机酸的浓度将提升到224g/L。通过这种综合的收集有 机酸的方法，使得收集过程中 93%固体悬浮物将被移除。同时收集过程中的物料 平衡也将提及到。关键字：厌氧消化，厨余垃圾，有机酸，收集。简介马来西亚显著的经济增长带来了巨大的人口激增，也导致了大量的都市固体 废弃物(MSW)的产生。通常MSW倾倒入垃圾填埋场然后被分解成简单的化合物。 然而，由于土地稀缺和垃圾填埋场的约束，为了减少占有的垃圾填埋场空间其他 方法应该被给予考虑。焚烧处理也是一种选择(Ohkouchi and Inoue, 2006),因 为他是一种简单的最终处理方法，但是在燃烧过程中大量的能量将被浪费(Tsai, 2008).由于MSW的22-54%由食物和有机废物组成(Ka thirvale et al., 2003), 所以将MSW生物转化成有用的产品是可行的同时也将降低处理成本。厨余垃圾含有80%的水分，富含营养物质和微生物很容易被生物降解(Wang et al.,2001)。由于这些特性生物处理方法是被优先考虑的，最实用的生物处理 方法就是厌氧消化。这种方法可确保大量的废弃物的经济性和稳定性，同时只产 生少量的残渣并且也能杀死病原菌(Banarjee et al. , 1999)。厨余垃圾可通过 厌氧发酵产生挥发性脂肪酸、醛类、醇类和二氧化碳(Stabnikova et al.,2006) 除了堆积在垃圾场和被降解外，厨余垃圾还可以被利用于很多领域，例如生物塑 料生产(Sakai et al.,2004)、沼气(Zhu et al.,2008)、生物制氢和乙醇生产(Kim et al., 2004)、堆肥(Tsai,2008;Adhikari et al.,2008)和生产有机酸(Ohkouchi and Inoue,2007;Zhang et al.,2008)。有机酸属于有机化合物，它被广泛的应用于食物和饮料生产、药物生产、美 容品、清洁剂，最近又大量的应用于生物高聚物生产(Sauer et al.,2008)。有 两种途径来生产有机酸：化学合成和生物合成(Altaf et al.,2007)，无论是化 学或生物合成，这一过程的关键阶段都是产品回收。下游过程包括有机酸的分离、 提取、和净化过程，它们占到了有机酸生产成本的60%以上(Han et al.,2000)。 从发酵液中提取有机酸的几种方法有电渗析(Huang et al.,2007)、膜过滤(Kang and Chang,2005)溶剂萃取(Harington and Hossain,2008)、沉淀，树脂吸附(Cao 发酵后的厨余垃圾冷凝和解冻过滤和离心蒸馏高浓度酸液图1.有机酸的收集过程et al.,2002)、以及结晶。在有机酸的收集过程中像过滤和蒸发这样的物理收 集方法被广泛的应用(Mumtaz et al.,2008)。然而，这些方法仍存在一些问题， 像化学品的使用，大批量的生产废弃物，产品的高损耗和高功耗。冷冻和解冻是 一个传统的方法，但却又是现在仍在适用。它可以改善污泥脱水特性(Chu et al.,1999),转换成絮状结构更紧凑的形式(Kawasaki and Matsuda, 1995),减 少污泥的结合水含量(Lee and Hsu, 1994)，以及消除了静态固体有效性(Phang et al., 2002)。因此，本研究的目的是评估一个集成性能从发酵了食物垃圾中收集 有机酸的过程。这项研究还介绍了收集过程中的物料平衡。物料和方法厨余垃圾的厌氧消化在马来西亚雪兰莪州的斯里兰卡扎登当地的咖啡馆和餐馆收集新鲜的厨余 垃圾,使用50公升搅拌式生物反应器进行发酵，大约15公斤的被装入重型的华 林搅拌机，同时加入15公升水调至比例为1:1，发酵条件控制在37C (Sakai and Ezaki, 2006)以及150rpm的转速，进行7天的发酵，并且每天抽样分析。 有机酸的收集图1显示了从厨余垃圾发酵液中收集有机酸的过程，凝结和解冻的方法来 自Phang等(2000)的研究，凝结过程在零下30C的冰柜里彻夜进行，解冻过 程则在烘烤炉中温度控制在60C下进行2-3个小时。冰冻的样品在一毫米口径 的布网上进行，以1000g/15min的速率离心，使用0.8Mm醋酸纤维滤纸，用真空 泵抽滤。使用旋转蒸发器来蒸发(BUchi Rot avapor R-200,Swiss)(Mum taz et al., 2008)直至所需有机酸浓度达到要求，同时每次搜集过程也要抽取样品检查 分析方法总悬浮固体，总凯氏氮(TKN)和化学需氧量是按照标准方法(APHA, 1985) 来确定的，样品以4000g/15min的速率离心。在测定有机酸前上清液要用0.45Pm 的过滤注射器过滤。有机酸的浓度测定采用高效液相色谱离子排斥色谱分析有机 酸(SPDTOA, UV-VIS Detector, LC-10AS Liquid Chroma to graphy Shimadzu, Japan), 300毫米X 7.8毫米，Bio - Rad公司实验室和4毫米硫酸被用来作为 流动相(Oh et al., 2005)。平板计数方法用来计算发酵液中的细菌的数量。 总结厨余垃圾的厌氧消化图2显示了从50L发酵生物反应器中产生的过程，在第三天有机酸的产量 达到最高值57.6g/L。在发酵过程中醋酸的产生则相对较低，其最高的产量在第 6天(10.1 g/L)。有机酸的高产量直到第七天才开始降低。厨余垃圾的发酵没有 做任何的PH的调整，图3显示了厨余垃圾发酵中PH值和细菌分布图，发酵液 pH值第一天的pH为6,而活细胞的数量记录为1.95X108 cfu/mL。发酵的第四 天PH值才开始降低，第四天，由于生物反应容器中的有机酸积累，PH达到3。 在另一方面，活细胞数量开始增加，到第三天它达到最大值(4.5 x 108 cfu/mL)， 然后便随着发酵降低。总悬浮物在整个发酵过程中一直被监测。在发酵过程中， 总的悬浮物也随着时间而下降(数据中未显示)。七天的发酵后，总悬浮物减少到 62%。70 -1=2=4d EE _6)孙poTime (day)-LAAA FA TOA图 2. 50L 生物反应器中有机酸分布图。总的有机酸( -)，乳酸（-）,醋酸（-），蚁酸（-）,结果由多次实验得来。1 -0r0 2-1n10468Time (day)图 3.厨余垃圾发酵中的 PH 值简介（ - - ），细菌分布-），结果由多次实验得来有机酸回收和总悬浮固体消减图 4 显示的有机酸，总悬浮固体总凯氏氮从收集过程中的每个单元操作中 获得。收集过程包括物理分离即冻结、解冻、离心和过滤而蒸发浓缩步骤是通过 消除多余的水来回收有机酸的方法，发酵后有机酸的含量增加了约 56，而总 悬浮物减少了约 62.2，到冷冻和解冻过程中，有机酸含量增长 16，66的 总悬浮固体被去除。离心和过滤对有机酸的浓度没有影响，总悬浮固体从17.89 下降到12.27 g/L。水分在50C的负压下被蒸发掉然后有机酸和部分悬浮固体浓 缩。经过蒸发步骤后，有机酸和总悬浮物含量分别增加了 69 和83。本文对发酵液中的氮含量和回收液培养基进行了研究。厨房垃圾的初始含 氮量为20.1经过七天的发酵，氮含量大约降低了94，在冻结和解冻过程中 TKN并没有明显的减少（0.11%）,过滤后，TKN只有约减少0.23%，这表明氮分 子没有残留到滤纸中。最后经过蒸发步骤后有机酸的含量和 TKN 动增加了。通过 这次成功回收的集成方法褐色的溶液含有 200 g / L 的有机酸。回收的有机酸可 以被用来作为发酵原料的附加值产品的生产。图4有机酸（OA）、乳酸（HLa）、醋酸（HAc）的浓度，总凯氏氮（TKN）和总固体悬浮物（TSS）从每个收集过程的单元操作中获得。讨论厨余垃圾的厌氧消化乳酸是有机酸中的主要成分（98%），其次是醋酸（1.8%）和蚁酸（0.2%）。酒 井和江崎（2006）、张等（2007）以及金等（2008）都发现在厨余垃圾发酵中乳 酸是主要产品。在厨余垃圾的厌氧消化中有几个因素影响乳酸的产量，如接种， 基板特性，pH值和温度(Zhang et al, 2008)。厨房废物含有大量的活性固有的 微生物，在把大分子转化成更简单的分子中发挥着巨大的作用(Wang et al, 2005)。在第一个三天的发酵期中活细胞的数量是增加的，同时也伴随这有机酸 的增长。生物反应器中的有机酸的积累会导致PH值的下降。在复杂的厨余垃圾 基板中似乎也还有微生物。在原有的厨余垃圾中含有大量的乳酸菌以及少量的产 气荚膜梭菌和凝结芽胞杆菌(Zhang et al.,2008)。酒井等人(2000)也报告 说，食物垃圾发酵分离出占主导地位的细菌鉴定为植物乳杆菌和乳杆菌短。乳 酸生产菌在pH从3.5到9.0是最容易增长的，而凝结芽抱杆菌适宜的PH值范围 是 5.0-7.0 (Sakai and Ezaki, 2006)。为了得到高乳酸的产值，厨余垃圾的 艳阳消化的温度被设定在37C，那是因为大部分产乳酸的细菌以及厨余垃圾中 固有的微生物适合这个条件。厨余垃圾中还有大量的有机物、营养物质、碳水化 合物、脂肪和蛋白质。碳水化合物会被降解成蔗糖、果糖、乳糖这些简单的和容 易被那些微生物吸收的物质(Zhang et al.,2008)。欧寇池和井上(2006) 的报告说，总共有58.5-81.8的碳水化合以淀粉的形式存在于厨余垃圾中。因 此，淀粉酶会获得高效表达，而这会导致厨余垃圾中直接产出乳酸。在发酵过程 中，总悬浮粒子固体随时间逐渐下降。有机质首先被胞外酶液化(Banerjee et al., 1999)。基质的溶解在厌氧消化中的关键一步，它可以从总悬浮固体值中预测出。 除了基质溶解外，总悬浮固体会由于厨余垃圾中的原有微生物的消化作用而下降 所有的固体物质被降解转化成有机酸、水、单糖、甲烷、氢气和二氧化碳的各类 物质(Claassen et al.,1999)。有机酸的回收和总悬浮物固体的消减收集过程包括物理分离即冻结、解冻、离心和过滤而蒸发浓缩步骤是通过 消除多余的水来回收有机酸的方法。发酵后有机酸的含量增加了约 56，而总 悬浮物减少了约62.2。厌氧消化包括水解、酸化、产酸甲烷化组成。酸化是 由单糖、脂肪酸和氨基酸转化为挥发性脂肪酸，同时产生副产品氮、二氧化碳和 硫化氢(Stabnikova et al., 2006)。通过冻结和解冻过程中，有机酸含量增加 了16， 66%的总固体悬浮物被去除。攀等人(2002年)报告称，通过冻结和解 冻过程可以除去 77%的总固体悬浮物，达到了棕榈油造纸厂的污水标准。固体悬 浮物是在冻结过程中被分