毕业设计 外文翻译

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从厨余垃圾发酵中分离和收集有机酸的综合过程FarahNadiaOmar,Nor’AiniAbdulRahman*,HalimatunSaadiahHafid,PhangLaiYeeandMohdAliHassan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(OhkouchiandInoue,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(Kathirvaleetal.,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(Wangetal.,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(Banarjeeetal.，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(Stabnikovaetal.,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(Sakaietal.,2004)、沼气(Zhuetal.,2008)、生物制氢和乙醇生产(Kimetal.,2004)、堆肥(Tsai,2008;Adhikarietal.,2008)和生产有机酸(OhkouchiandInoue,2007;Zhangetal.,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(Saueretal.,2008)。有两种途径来生产有机酸：化学合成和生物合成(Altafetal.,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(Hanetal.,2000)。从发酵液中提取有机酸的几种方法有电渗析(Huangetal.,2007)、膜过滤(KangandChang,2005)溶剂萃取(HaringtonandHossain,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etal.,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(Mumtazetal.,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(Chuetal.,1999)，转换成絮状结构更紧凑的形式(KawasakiandMatsuda，1995)，减少污泥的结合水含量(LeeandHsu，1994)，以及消除了静态固体有效性(Phangetal.,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37℃(SakaiandEzaki,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30℃的冰柜里彻夜进行，解冻过程则在烘烤炉中温度控制在60℃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0.8µm醋酸纤维滤纸，用真空泵抽滤。使用旋转蒸发器来蒸发(BüchiRotavaporR-200,Swiss)(Mumtazetal.,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0.45µm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(SPD-10A,UV-VISDetector,LC-10ASLiquidChromatographyShimadzu,Japan)，300毫米×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(Ohetal.,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(10.1g/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1.95×108cfu/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(4.5x108cfu/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%。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。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12.27g/L。水分在50℃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200g/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(Zhangetal，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(Wangetal，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(Zhangetal.,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，而凝结芽孢杆菌适宜的PH值范围是5.0-7.0(SakaiandEzaki,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37℃，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(Zhangetal.,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(Banerjeeetal.,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(Claassenetal.,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(Stabnikovaetal., 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离的，在同一时间，浓缩过程中出现的所有的水分子通过静电引力结合这使得它不可能为其他粒子或分子被冰晶体的一部分从而使他们后来一起被淘汰(Martel,2000)。离心和过滤对有机酸的浓度没有影响。总固体悬浮物的浓度从17.89减少到12.27g/L。有机酸中的水分在50℃的容器中被蒸发，其余的水分则在固体悬浮物中。蒸发过后，有机酸和总悬浮固形物的含量分别提高了69和83％。除了碳，氮在发酵中也是一个关键的物质。厨余垃圾中的产酸菌种要以氮作为有机酸的生产(OhkouchiandInoue,2007)。厨余垃圾中的初始氮含量为20.1％，经过七年的发酵天氮减少了94％。张等人（2008）报道厨房废物氮含量为17.8％，而马等人（2009）显示他们的厨房垃圾（15.56％）略低。经过冻融过程，TKN并没有明显减少（0.11％）。冷冻和解冻的方法进行调理污泥和悬浮固体的去除（攀等人。，2003，而过滤也是消除固体悬浮物的物理方法。蒸发多余的水分也是个浓缩有机酸的方法(Mumtazetal.,2008)。蒸发后，有机酸含量和TKN都增加。在这个过程中，水被浓缩，因此，有机酸浓度在剩下的解决方案和之前相比有机酸的浓度和TKN分别增加了3倍和5倍。通过此综合方法，200g/L浓度的有机酸最后被回收。有机酸的回收可被用作发酵原料来增加其附加值。物料平衡分离和回收过程的物料平衡图5中给出。通过使用物理分离冷冻、解冻和过滤组合，93％的悬浮固体被去除。蒸发过程中，将近25％的水份在蒸汽中去除，36％被蒸馏浓缩。从整体实验，总浓酸（223.9g/L）的可从废物中回收原料的厨房体重分别为20％（w/w）。一些改进和修改应进行，如先进的过滤系统的使用来的到更高的浓度的酸。 图5.从厨余垃圾中收集有机酸的物料平衡结论有机酸可以通过厨余垃圾的厌氧消化产生，分别采用冻融、离心、过滤、蒸发的方法来收集。93%的总固体悬浮物可以通过冻融和过滤方法去除掉。采用综合方法，约20%（w/w）的有机酸(224g/L)可以从发酵的厨余垃圾中收集。鸣谢笔者要感谢马来西亚科学和技术创新部门（MOSTI）在研究期间的资金和技术支持。一研究生从马拉西亚博特拉大学(UPM)获得了奖学金，同时马来西亚的一些主要学者也促成了该研究。参考文献略