食物垃圾微生物处理技术的研究进展

zhang8826857

随着经济的发展，城市规模的迅速扩大和城市人口的快速增加，全国城市生活垃圾据估计每年超过1.3亿t，人均年产量已达到440kg，且生活垃圾总量以每年8％～10％的速度增长。目前用于城市生活垃圾处理的费用已达100元／t以上，且在不断增加之中。

城市生活垃圾的多少及成分与城市人口、经济发展水平、居民收入和消费水平、消费习惯等有关。在我国城市生活垃圾中，食物垃圾比重较大，一般为50％左右。食物垃圾主要来源于食品工业废弃物、家庭及饮食业在清洗、烹饪过程中扔掉的食物、吃剩的残渣剩菜和因保管不善而变质的食物。食物垃圾数量大，BOD值高，如直接排放，对环境将造成很大的危害。若用食物垃圾直接喂养生猪，可能造成人畜之间疫病的交叉传染。2004年9月8日，北京市十二届人大常委会第十四次会议对《北京市动物防疫条例（草案）》进行初审，草案明确规定，动物养殖场不得使用饭店、宾馆、餐厅、食堂产生的未经过无害化处理的餐厨垃圾饲喂动物，这就意味着今后必须对饲喂动物的餐厨垃圾进行处理。

鉴于以上原因，城市生活垃圾尤其是食物垃圾的无害化、减量化、资源化处理已成为一个十分迫切需要解决的社会问题，引起世界各国政府的高度重视。

1食物垃圾的各种处理方法及存在的问题

1.1固体废物传统处理方法

固体废物（包括生活垃圾）的传统处理方法有填埋、焚烧和堆肥。

填埋法占地面积大，二次污染严重且臭味四处飘散；焚烧法建设投资和运行费用较高，且垃圾在焚烧时会产生二恶英等有害气体；堆肥法处理周期长，易造成二次污染，所生产的堆肥成本较高。上述问题对传统处理方法的应用产生了不利影响。

1.2新兴的食物垃圾处理技术

1.2.1小型生化处理机

国内外目前对食物垃圾的生物处理和处置，应用比较多的是小型生化处理机，生化处理机是利用微生物发酵技术，培养出高温好氧性微生物复合菌种，经过对食物垃圾12～48h降解发酵，使之80％以上成为水蒸气和无害气体，少量的残渣成为有机肥料。生化处理机添加的微生物菌群为有效微生物菌群，它由整个生态系统的五大类微生物中的80余种微生物构成，主要成员有放线菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌。

与传统方法相比，小型生化处理机减少了对周围环境的污染；50～70℃的发酵温度能够杀灭垃圾中的有害细菌和寄生虫；食物垃圾经处理后减量达80％以上。但是，生化处理机能耗大，垃圾处理后再利用率很低（只有10％～20％），菌种生态安全及毒理评价尚需一段时间的检验，上述因素使得大面积应用生化处理机存在一定的难度和风险。

1.2.2食物垃圾粉碎机

目前国外家庭食物垃圾粉碎机一般安装在厨房水槽下，将食物垃圾粉碎研磨后，细小颗粒随流水一起排入污水系统。

由于食物垃圾有机质含量高，当粉碎进入下水道后，必然增加城市污水厂的处理负荷。若直接排到自然水域中，易导致水体富营养化，使水体中的藻类及浮游生物大量繁殖，造成水体的溶解氧下降，其它水生生物大量死亡，从而使水体生态环境遭到破坏。

1.2.3生物发酵制蛋白饲料技术

随着畜牧业生产的集约化，必须保证家畜食用一定数量的蛋白质。据联合国粮农组织（FAO）统计，到20世纪末，全球的蛋白质短缺量约为2500万t。为此，各国都在致力于加速开发新的廉价蛋白饲料，对微生物合成产物如酵母、细菌、真菌、藻类等单细胞蛋白给予极大关注。近年来，利用农副产品下脚料及食品加工业的废渣废液，通过微生物发酵生产单细胞蛋白饲料，取得了一系列的研究成果。

目前发酵工业使用的主要是深层液态发酵，对食物垃圾的发酵研究只是对其中的废液进行液态发酵。液态发酵原料需经过较复杂的加工，好氧发酵过程中氧气的传递需消耗较大的能量，而且使用液体培养基和较大的生物反应器，因此生产率较低。由于液态发酵存在上述问题，现在国内外正在积极研究利用固态发酵技术生产蛋白饲料。

2固态发酵技术的应用

固态发酵技术通过微生物的代谢活动对有机废弃物和秸秆、蔗渣等粗物质进行分解和转化，使饲料中不易被牲畜和家禽利用的大分子物质转变成为易于消化吸收的小分子物质，同时，微生物自身的菌体蛋白提高了饲料的蛋白质含量。

2.1固态发酵的特点

一般发酵工艺过程按照培养基物理性状不同分为固态发酵和液态发酵。固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程，是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固体基质中，用一种或几种微生物进行的一个生物反应过程；而液态发酵是以液相为连续相的生物反应过程。

固态发酵起源于中国，具有几千年的历史。近年来，由于固态发酵具有节水、节能的独特优势，属于清洁生产技术，逐步得到世界各国的重视。固态发酵与液态发酵相比具有独特的优势：在固态发酵中，微生物是在接近于自然条件的状况下生长的，有可能产生一些通常在液体培养中不产生的酶和其他代谢产物；微生物生长和代谢所需的氧大部分来自于气相，因此，固态发酵的气体传递速率比液态发酵高得多；发酵结束时培养基是湿物料状态，产物浓度高；使用浓缩的培养基和较小的固态发酵生物反应器，因此生产率高；提取工艺简单可控，没有大量有机废液产生，能耗小。

2.2饲料的发酵

传统固态发酵技术应用于生产发酵饲料，是利用原料中各种有益微生物的作用，把谷物糠麸、蔗渣和秸秆等农作物粗饲料加工成养分高、适口性好的饲料，以提高它们的营养价值，减少对环境的污染。研究表明，发酵过程中微生物的作用，主要有霉菌把粗纤维、淀粉、果胶等不易消化吸收的成份转化成各种糖类，酵母菌和乳酸菌利用这些糖类合成营养成份较高、适口性好的物质，因此质量好的发酵饲料具有甜、酸、香味。

2.3固态发酵生产微生物蛋白饲料的菌种

利用固态发酵技术生产蛋白饲料的关键是筛选和培养具有优良特性的菌种，理想的微生物菌种应具备下列条件：（1）安全性好，活性强；（2）能够利用多糖的混合物；（3）能较好地同化基质碳源和无机氮源；（4）能够深入到物料中，也能穿入基质细胞内；（5）生长迅速，抗杂菌能力强，染菌概率小；（6）可以在含水量低的基质中生长；（7）能够耐受高浓度的营养盐；（8）菌体本身蛋白质含量较高。通常采用的菌种为丝状微生物即真菌和放线菌，如酿酒酵母、产脘假丝酵母、热带假丝酵母、米曲霉、黑曲霉、白地霉等。

现代微生物发酵多为纯种发酵，即用纯的单一菌落进行发酵，但是，在长期的实验和生产实践中，人们不断的发现许多重要生化过程是单株微生物不能完成或只能微弱地进行的，必须依靠两种或多种微生物共同培养来完成，即混合发酵。混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完成的复杂代谢作用。如霉菌和酵母菌的混合培养，霉菌可分解纤维素和淀粉，而酵母菌主要利用糖原，菌群的协同作用提高了对底物的利用效率及产品的蛋白质含量和营养功能，达到了更好的发酵效果。



固态发酵生产微生物蛋白饲料的一般工艺

固态发酵原料经分类筛选、蒸汽灭菌等预处理后，将经过筛选和扩大培养后的菌种接入进行发酵，发酵后的原料经干燥后成为成品。固态发酵原料固含物量大，所以需要较大数量的微生物菌群参与发酵，一般要求达到发酵原料的10％以上，因此菌种需要逐级扩大培养，达到预定的菌种浓度后即成为接种液。预处理后的原料添加无机氮源、营养盐后，与接种液搅拌混合，进入发酵生产过程。传统发酵通常采用发酵池或酿酒制曲的曲盘等，但这种反应器机械化程度低，劳动强度大，无法控制发酵条件，因而限制了其应用范围，目前已开发应用的固态发酵反应器有转鼓式、水平桨式搅拌反应器等。固态发酵反应器要有良好的搅拌、通气、散热、冷却系统，能够进行无菌操作，控制发酵过程中的温湿度和水分等。

2.5固态发酵的主要缺点

固态发酵的主要缺点是固态发酵在传质、传热等方面缺乏有效的研究、菌种经多级培养和敞开式发酵易受杂菌感染，占地面积大，机械化程度差。杂菌污染是固态发酵生产中普遍存在的问题，生产中应采用能够蒸汽灭菌的反应器，用于通风的空气要经过过滤除菌，此外，亦可通过控制pH值来避免杂菌的污染，例如酵母菌和霉菌适宜于偏酸性的条件而细菌适宜于中性和碱性条件。目前工业上已采用一些新技术对生产工艺进行改进，如菌种改多级培养为恒化器连续培养；采用机械化操作的发酵反应器；自动控制通风、温湿度，采用立体发酵代替平面池发酵以节省占地等。

3固态发酵处理食物垃圾的应用前景

目前，对食物垃圾的处理多以堆肥及物理处理为主，利用微生物处理食物垃圾生产微生物蛋白饲料的研究相对较少，公开论著也很少，未形成成熟的技术工艺，且只限于液态发酵处理食物垃圾废液。随着固态发酵工艺理论的成熟和新型固态发酵反应器的研制和应用，利用农牧产品发酵生产微生物蛋白饲料已经可行。目前世界范围内的蛋白质资源短缺问题日益严重，而微生物菌体的蛋白质含量很高，且微生物世代时间短，在最佳环境条件下生长速率惊人，故微生物是一种理想的蛋白质资源。同时，食物垃圾中富含大量糖类、纤维素等可再生生物资源，因此利用固态发酵技术处理食物垃圾，开发新的廉价蛋白饲料，具有独特的优势和广阔的前景，既可解决当前世界蛋白饲料严重短缺的问题，又可使食物垃圾减量化、无害化，是一种值得探索的垃圾处理方法。

xyg1225

谢谢，学习了！