餐厨垃圾乙醇发酵过程中副产物累积影响及调控机理研究

The pollution in ethanol fermentation from food waste and byproduct accumulation is a bottleneck restricting its development. During the research in Youth Foundation, the inoculating of lactic acid bacteria, followed with immobilized lactate oxidase conversion and ethanol fermentation were investigated to realize the dual purpose of anti-corruption and increase of ethanol yield. But there still exists low ethanol yield, byproducts accumulated, and did not achieve a continuous fermentation. This study hopes to realize continuous ethanol fermentation from food waste with immobilized yeast, to investigate the accumulation of by-products and their effects on the Intracellular and extracellular metabolic substances, particularly the grease, glycerin, organic acids, salt on the fermentation process. By adopting Oxidation Reduction Potential combined with micro-aeration to improve the yeast biomass, and also elucidated the key enzymes affection and their response to the salt stress. All these aimed to evaluate the control mechanism under salt stress in ethanol fermentation from food waste and provide a theoretical basis for its continuous ethanol fermentation process.

餐厨垃圾乙醇发酵过程中的污染问题和副产物积累是制约其发展的瓶颈问题，在青年基金的研究过程中，以接种乳酸菌进行抑菌，进而通过固定化乳酸氧化酶转化乳酸生成丙酮酸进而产生乙醇，可以实现抑菌和乙醇产率增加的双重目的。但餐厨垃圾乙醇发酵存在产率低，副产物累积，且未实现连续发酵的问题，本研究希望以固定化酵母连续发酵餐厨垃圾产乙醇，明确发酵过程中副产物的积累及对胞内和胞外代谢物质的影响，特别是对于甘油、海藻糖等保护性代谢产物的影响和利用，对于盐分、有机酸等物质的积累和乙醇影响建立相关关系。以氧化还原电位(ORP)及外加还原剂来控制乙醇发酵的关键节点，通过提高酵母的生物量克服副产物对其影响，实现ORP为指标控制微曝气环境实现微生物的生产和乙醇发酵，研究关键酶的变化及调控手段。明确盐胁迫条件下餐厨垃圾乙醇发酵过程中的副产物的积累和相应的调控机理，对实现餐厨垃圾连续乙醇发酵提供理论基础。

餐厨垃圾乙醇发酵过程中的污染问题和副产物积累是制约其发展的瓶颈问题，为解决餐厨垃圾乙醇发酵产率低，副产物累积，糟液排放量大的问题，本研究以糟液回流发酵作为主要技术，研究该技术对发酵过程中副产物的积累及对胞内和胞外代谢物质的影响，针对产生的大量发酵糟液，分别采用了采用微生物燃料电池和电渗析技术开展处理与利用。针对单室燃料电池用于糟液处理的存在问题进行了分析，研究了糟液中的物质对产电效率和微生物组成的影响。利用电渗析回收了积累的乳酸，明确了合适的预处理方法，确定电渗析实验的所需时间、电压、电流、进出水流速等条件。探究糟液中主要影响成分对应电渗析提取乳酸的影响。同时对比了实际发酵液回收乳酸的可行性，并对回收后乳酸回流发酵进行了探讨。. 结果表明，餐厨垃圾乙醇发酵糟液循环5次以内对乙醇产率等无明显抑制作用，累积的乳酸和盐分被确定为影响发酵的主要因素，且乳酸的影响更为明显。通过调节发酵液的OPR，外加碳酸钙等物质可以缓解负面影响，且ORP由于可以使发酵微生物恢复活力效果更好。. MFC能够从餐厨垃圾乙醇发酵糟液中回收电能，由于糟液中的色氨酸芳香族蛋白质，溶解性微生物代谢产物，以及类腐殖酸都得到了累积，发酵产电的效能不理想。糟液含有一定的生物毒性，对发酵微生物产生了负面影响，生物阳极含量最高的菌是Advenella和Moheibacter，产电菌成为非优势菌种；阴极上含量比较高的菌种分别是Advenella、WCHB1-69、Desulfarculus和Mariniphaga。. 利用电渗析提取累积的乳酸效果较好，发酵液中存在甲酸、乙酸、丙酸、甘油的存在对乳酸的提取影响不大，而氯离子则会与乳酸根离子形成较强的阴离子竞争效应，从而抑制乳酸的分离提取。实际糟液乳酸回收率可以达到70%左右，经电渗析处理后的糟液可以再次由于发酵回流，发酵时间再次缩短在24小时以内，同时乙醇产量也比之前有所增加，说明电渗析的操作不仅消除了糟液中乳酸的抑制作用，同时由于糟液的碱性增加，也促进了乙醇的发酵。