張宏建，蘇先峰，張建華，毛忠貴

(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122)

檸檬酸是一種三元有機(jī)酸，具有溶解性好、酸味溫和、抗氧化、安全無毒等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在食品[1]、醫(yī)藥[2-3]、紡織[4]、電子[5]、化工[6]、建筑[7]等領(lǐng)域。隨著檸檬酸應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，我國檸檬酸產(chǎn)量也在不斷上升，而每生產(chǎn)1 t檸檬酸就會(huì)產(chǎn)生7～8 m3發(fā)酵性廢水，有時(shí)甚至達(dá)到15 m3 [8-9]，該廢水具有高COD(約20 000 mg/L)和低pH(4.5～4.8)的特點(diǎn)[10]，要達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，處理要求高、難度大，因此處理后的廢水仍會(huì)給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，如何有效地處理檸檬酸產(chǎn)生的高濃有機(jī)廢水，已成為制約檸檬酸行業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。

目前檸檬酸發(fā)酵廢水主要采用生化法(厭氧消化+好氧消化)來處理[11-12]，生化法處理后的廢水仍無法達(dá)到日益要求嚴(yán)格的國家排放標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)一步深度處理才能達(dá)標(biāo)排放[13]。同時(shí)傳統(tǒng)的生化處理工藝投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，尤其是好氧消化處理部分，占用大量的土地和消耗大量的能源，其運(yùn)行成本基本占據(jù)整個(gè)廢水處理過程成本的2/3以上，增加了檸檬酸的生產(chǎn)成本。若能革除運(yùn)行費(fèi)用高的廢水好氧消化處理部分，保留高收益的廢水厭氧消化工藝，將會(huì)有效地提升我國檸檬酸產(chǎn)業(yè)的競爭力。同時(shí)我國也是淡水資源較缺乏的國家之一[14]，若能實(shí)現(xiàn)厭氧消化后廢水回用到生產(chǎn)上，不僅能減少廢水對環(huán)境的污染，還能降低對淡水資源的消耗，從而真正實(shí)現(xiàn)檸檬酸行業(yè)的清潔高效生產(chǎn)。

我國一些學(xué)者曾嘗試采用檸檬酸廢水回用于檸檬酸發(fā)酵的可行性，如中科院張洪勛[15]、河海大學(xué)田偉君[16]等人對檸檬酸中和廢水回用的可行性進(jìn)行了研究，雖可實(shí)現(xiàn)檸檬酸中和廢水的回用，但處理過程主要采用離子交換、添加活性炭等處理方法，該法處理成本高，同時(shí)又產(chǎn)生了新的二次廢水；另外該研究雖革除了廢水的好氧消化部分，但也革除了高收益的厭氧消化工藝，導(dǎo)致了檸檬酸發(fā)酵廢水中的大量有機(jī)物沒能得到利用，也造成資源的浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)效益的低下，因此無法適合工業(yè)化應(yīng)用。

筆者在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了厭氧消化液(anaerobic digestion effluent, ADE)循環(huán)回用生產(chǎn)檸檬酸工藝，即檸檬酸發(fā)酵廢水經(jīng)過厭氧消化處理(厭氧復(fù)合菌群)將廢水中的大量有機(jī)物轉(zhuǎn)化為清潔能源——沼氣，而沼氣經(jīng)過熱電聯(lián)產(chǎn)可轉(zhuǎn)化為熱能、電能供給生產(chǎn)所用；產(chǎn)生的液體(稱為厭氧消化液)作為工藝水進(jìn)行配料生產(chǎn)檸檬酸，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)回用。完全革除高能耗、凈投入、無產(chǎn)出的廢水好氧消化工藝，保留了高收益的廢水厭氧消化工藝。此次重點(diǎn)研究了厭氧消化液作為檸檬酸的工藝用水對液化、發(fā)酵的影響，通過技術(shù)手段來去除厭氧消化液中影響檸檬酸發(fā)酵的關(guān)鍵抑制因子，為保證厭氧消化液循環(huán)回用生產(chǎn)檸檬酸的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)檸檬酸產(chǎn)業(yè)的清潔生產(chǎn)，節(jié)約寶貴的清潔水資源打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

用于生產(chǎn)檸檬酸的菌株黑曲霉(Aspergillusniger)Wml-016為本實(shí)驗(yàn)室自行保藏。耐高溫淀粉酶(20 000 U/mL)為無錫杰能科生物工程有限公司提供；木薯和玉米原料均由河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司提供；中溫厭氧消化污泥由宜興協(xié)聯(lián)生物化學(xué)有限公司提供；其余均為市售化學(xué)試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

5 L自控發(fā)酵罐(LiFlus GX)，韓國生物反應(yīng)器有限公司；5 L上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)，上海大明教育儀器有限公司；超濾膜、納濾膜系統(tǒng)(PL-D3-1812)，安徽普朗膜技術(shù)有限公司；SBA-40B型葡萄糖生物傳感器，山東省科學(xué)院生物研究所；組合搖床(HYL-C)，太倉強(qiáng)樂實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；高效液相色譜儀(Ulti Mate 3000)，美國Dionex公司；分析柱(HPX-87H型離子交換柱)，美國Bio-Rad公司；示差折光檢測器(RI-101)，日本Shodex公司。

1.3 原料預(yù)處理

1.3.1 原料粉碎

木薯和玉米均采用粉碎機(jī)粉碎后并通過60目篩所得到的木薯粉和玉米粉以備實(shí)驗(yàn)使用。

1.3.2 培養(yǎng)基液化

木薯、玉米粉按要求稱取適量，用工藝配料水(分別用自來水和厭氧消化液)按比例配料調(diào)漿，攪拌均勻后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2SO4或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液調(diào)pH至5.8～6.0，并按照試驗(yàn)要求添加耐高溫α-淀粉酶，沸水浴液化，用稀碘液判斷液化終點(diǎn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 種子液制備

按1.3.1制備的木薯粉按料水質(zhì)量比1∶4加入去離子水進(jìn)行配料，制備成種子培養(yǎng)基。料液按照“1.3.2”方法進(jìn)行液化，后待料液冷卻至室溫后，用去離子水補(bǔ)充液化過程中損失的水分，并加入1 g/L的(NH4)2SO4作為培養(yǎng)基的氮源。隨后將料液調(diào)至pH 5.5，于115 ℃條件下滅菌30 min。在無菌室內(nèi)，將5 mL濃度為6.0×106個(gè)/mL的孢子懸液接種到裝有40 mL種子培養(yǎng)基的500 mL的三角瓶中，在(36±1) ℃，200 r/min的搖床中培養(yǎng)20 h。

1.4.2 檸檬酸發(fā)酵

按“1.3.1”制備的木薯粉和玉米粉按質(zhì)量比為4∶1進(jìn)行混合，然后再按料水質(zhì)量比1∶4.5加入工藝用水混合配料，制備檸檬酸發(fā)酵培養(yǎng)基。料液的液化按照“1.3.2”進(jìn)行，液化結(jié)束后用添加去離子水方式來控制最終料液的總糖質(zhì)量濃度為155～160 g/L，于115 ℃條件下滅菌30 min。在無菌室內(nèi)，將6 mL種子液接種到裝有34 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的500 mL的三角瓶中，在(37.5±1) ℃，260 r/min，培養(yǎng)90 h。所有搖瓶實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

5 L發(fā)酵罐中裝入2 720 mL液化后的發(fā)酵培養(yǎng)基，并于115 ℃條件下滅菌30 min。然后添加480 mL的種子液，在(37.5±1) ℃，600 r/min，通氣量為2 L/min，發(fā)酵72 h。

1.4.3 沼氣發(fā)酵條件

沼氣發(fā)酵在5 L上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)中進(jìn)行，污泥接種量按體積分?jǐn)?shù)30%接入?yún)捬躅w粒污泥。通過泵將外置恒溫循環(huán)水送至UASB夾套來維持沼氣發(fā)酵溫度在(35±1) ℃。每天維持UASB進(jìn)1 L的檸檬酸廢水，UASB出水經(jīng)過離心力為4 000×g離心20 min后所得上清液(即為厭氧消化液, ADE)，以供發(fā)酵使用。

1.4.4 空氣吹脫條件

在5 L的廣口瓶中裝入4 L ADE，放置50 ℃的水浴槽中以維持ADE的溫度，通氣量控制在10 L/min，吹脫60 min，然后用去離子水補(bǔ)充吹脫過程損失的水分，并在4 500×g條件下離心20 min，所得上清液以備實(shí)驗(yàn)使用。

1.4.5 超濾和納濾膜處理?xiàng)l件

超濾膜處理?xiàng)l件：膜面積為0.08 m2，截留分子量為20 000 Da；ADE注入貯罐中，經(jīng)循環(huán)泵輸入超濾膜內(nèi)，操作壓力控制在0.6 MPa，操作溫度通過外置冷卻裝置控制進(jìn)料溫度為45 ℃，所得透過液收集以備實(shí)驗(yàn)和納濾膜使用，而濃縮液循環(huán)回至貯罐中繼續(xù)進(jìn)入超濾膜處理，直至濃縮液為原厭氧消化液體積分?jǐn)?shù)的20%時(shí)停止時(shí)操作。

納濾膜處理?xiàng)l件：膜面積為0.27 m2，截留分子量為150 Da；收集的超濾透過液注入納濾膜系統(tǒng)的貯罐中，經(jīng)循環(huán)泵輸入納濾膜內(nèi)，操作壓力控制在1.5 MPa，操作溫度通過外置冷卻裝置控制進(jìn)料溫度為45 ℃，所得透過液收集以備實(shí)驗(yàn)使用，而濃縮液循環(huán)回至貯罐中繼續(xù)進(jìn)入超濾膜處理，直至濃縮液為原厭氧消化液體積分?jǐn)?shù)的30%時(shí)停止操作。

1.5 分析方法

總糖和殘總糖測定：樣品采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的HCl在沸水浴中水解2 h，然后用SBA-40B葡萄糖生物傳感器測定。

檸檬酸濃度測定：采用高效液相色譜(U-3000，Dionex，Sunnyvale CA)測定，液相系統(tǒng)配備離子交換柱(Aminex HPX-87H，300 mm×7.8 mm，Hercules，CA)紫外檢測器(Dionex，USA)和示差檢測器(Shodex RI-101，Tokyo，Japan)。操作條件為柱溫60 ℃，流動(dòng)相5 mmol/L H2SO4，流速0.6 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。

金屬離子測定：采用火焰原子吸收光譜儀(VARIAN，SpectrAA-220，Australia)測定。

檸檬酸發(fā)酵廢水和ADE中的COD、揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acids，VFAs)、乙酸、丙酸、堿度、電導(dǎo)率、氨氮濃度均采用標(biāo)準(zhǔn)方法[17]測定。

數(shù)據(jù)處理：試驗(yàn)結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用spss19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用ANOVA法進(jìn)行組間多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 ADE循環(huán)回用對液化的影響

在檸檬酸生產(chǎn)工藝中，原料液化完全后，才能進(jìn)入下一步發(fā)酵階段，而液化時(shí)間的長短和液化酶的使用量也直接影響了檸檬酸的生產(chǎn)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。分別用去離子水(對照組)和ADE作為工藝水與物料按料水質(zhì)量比為1∶4.5進(jìn)行配料，然后在沸水浴的條件下，加入不同量的液化酶進(jìn)行液化實(shí)驗(yàn)，分析厭氧消化液對液化酶的添加量、液化時(shí)間和DE值的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同配料水對液化時(shí)間和DE值的影響Fig.1 Effects of different kinds of mixing water on liquefaction time and DE value

從圖1(A)可看出，隨著液化酶用量的增加，液化時(shí)間均縮短呈現(xiàn)下降趨勢；且在液化酶用量小于12 U/g時(shí)，ADE液化時(shí)間比對照組略高，當(dāng)液化酶添加量達(dá)到12 U/g時(shí)，液化時(shí)間與對照組基本一致。同時(shí)在液化時(shí)，常利用液化液中DE值的高低來判別液化效果[18]。從圖1(B)可看出，當(dāng)液化酶添加量達(dá)到8 U/g時(shí)，液化液的DE值與對照組基本一致。

在檸檬酸的工業(yè)生產(chǎn)中，木薯原料液化時(shí)液化酶用量一般為10～14 U/g，而從圖1可看出，液化酶用量在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，ADE作為配料水在液化時(shí)間和液化效果與對照組是一致的，因而從液化時(shí)間和液化效果上來看，厭氧消化液作為工藝配料水回用對液化時(shí)間和液化效果均沒有影響。后面原料的液化處理中液化酶添加量均采用12 U/g。

2.2 ADE循環(huán)回用對檸檬酸發(fā)酵的影響

為考察ADE循環(huán)回用對檸檬酸發(fā)酵是否有影響，則采用去離子水作為配料水發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸作為第1批的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)(對照組實(shí)驗(yàn))，發(fā)酵廢水經(jīng)過厭氧消化后產(chǎn)生的ADE作為第2批的配料水進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，以后各批次實(shí)驗(yàn)均采用前一批的ADE進(jìn)行配料，依次共進(jìn)行4批循環(huán)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，隨著循環(huán)批次的增加，其檸檬酸產(chǎn)量依次下降，殘總糖上升，此現(xiàn)象表明在ADE中存在抑制因子對檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)生了抑制，且抑制因子還存在積累現(xiàn)象，因此ADE不能直接進(jìn)行循環(huán)回用。

圖2 不同循環(huán)批對檸檬酸產(chǎn)量和殘總糖質(zhì)量濃度的影響(不同字母表示具有顯著性,p<0.05)Fig.2 Effects of citric acid production and residual total sugar concentration in successive fermentation batches

每批的ADE液作為下批檸檬酸發(fā)酵的配料水，這將黑曲霉的檸檬酸好氧發(fā)酵與甲烷菌系的沼氣厭氧發(fā)酵實(shí)現(xiàn)了耦聯(lián)并形成環(huán)形工藝，雙發(fā)酵工藝互為影響，尤其是甲烷菌系的沼氣發(fā)酵將檸檬酸發(fā)酵廢水中的有機(jī)物進(jìn)行降解，會(huì)產(chǎn)生小分子的氨氮、VFAs等物質(zhì)，這些物質(zhì)存在ADE中，將ADE直接循環(huán)回用會(huì)影響著檸檬酸發(fā)酵穩(wěn)定性，為消除ADE對檸檬酸發(fā)酵的影響，則對ADE中主要成分進(jìn)行分析。分析結(jié)果如表1所示，隨著循環(huán)的進(jìn)行，ADE的COD質(zhì)量濃度基本維持在1 200 mg/L上下，VFAs在300～340 mg/L之間，并沒有明顯增加，氨氮也維持在較低水平(170～190 mg/L)，雖然電導(dǎo)率隨著循環(huán)的進(jìn)行出現(xiàn)顯著升高，由第一批3 940 μS/cm升至5 680 μS/cm，但并沒影響到ADE的COD、VFAs和氨氮濃度，這表明沼氣發(fā)酵是比較穩(wěn)定的。

2.3 氨氮對檸檬酸發(fā)酵的影響

氮源是構(gòu)成微生物合成蛋白質(zhì)和核酸類物質(zhì)的基本元素，對微生物生長和發(fā)酵均有重要的作用。有學(xué)者報(bào)導(dǎo)[19]適宜濃度的氮源有利用于微生物的生長和代謝，從而促進(jìn)產(chǎn)物的合成，但過高濃度的氮源會(huì)加速微生物的快速生長，而過高的菌體量會(huì)增加培養(yǎng)基的黏度和較高的吸氧量，從而也加速了菌體的衰亡，并影響檸檬酸產(chǎn)量。表1數(shù)據(jù)顯示厭氧消化液中氨氮濃度雖比較穩(wěn)定，但在該濃度下的氨氮是否影響檸檬酸發(fā)酵需要進(jìn)一步研究確定。因此以去離子水為配料水的檸檬酸發(fā)酵過程中，采用外源添加氨氮的方式來考察對檸檬酸發(fā)酵的影響。

表1 連續(xù)循環(huán)過程中的厭氧消化液化學(xué)成分分析

從圖3可看出，當(dāng)添加氨氮濃度小于100 mg/L時(shí)，檸檬酸發(fā)酵不受影響，當(dāng)超過這一濃度時(shí)，導(dǎo)致了檸檬酸產(chǎn)量的快速下降，殘總糖質(zhì)量濃度上升。

圖3 氨氮對檸檬酸產(chǎn)量和殘總糖的影響Fig.3 Effects of ammonia nitrogen on citric acid production and residual total sugar concentration

有文獻(xiàn)報(bào)道，空氣吹脫是去除溶液中氨氮的有效方式[20]，于是對厭氧消化液進(jìn)行吹脫處理，從表2可看出，經(jīng)過吹脫處理后的厭氧出水中的氨氮由178 mg/L下降至61 mg/L，去除率達(dá)到65.7%，COD、電導(dǎo)率、VFAs也有輕微的下降。經(jīng)過吹脫處理的ADE回用后檸檬酸產(chǎn)量比未處理的ADE檸檬酸產(chǎn)量高10%，但仍比以去離子水為對照組的檸檬酸產(chǎn)量低(如圖4所示)。這表明ADE中的氨氮濃度抑制了檸檬酸發(fā)酵，雖經(jīng)過吹脫處理后檸檬酸產(chǎn)量有所提高，但仍比對照組低，因此在ADE中仍有其他的抑制因子存在，影響了檸檬酸發(fā)酵。

表2 空氣吹脫處理前后厭氧消化液化學(xué)成分變化

圖4 不同工藝水對檸檬酸產(chǎn)量和殘總糖的影響Fig.4 Effects of different process water on citric acid production and residual total sugar concentration

2.4 VFAs對檸檬酸發(fā)酵的影響

正常情況下，在厭氧消化過程中產(chǎn)甲烷和產(chǎn)酸速率是相匹配的，VFAs不會(huì)出現(xiàn)大量的累積。但厭氧消化過程中，產(chǎn)甲烷菌比產(chǎn)酸菌對于有機(jī)溶劑負(fù)荷波動(dòng)更加敏感，在有機(jī)溶劑負(fù)荷變動(dòng)時(shí)會(huì)造成一定量的VFAs累積，積累的有機(jī)酸并隨著ADE排出反應(yīng)體系[21]。對本實(shí)驗(yàn)ADE中VFAs的成分進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)ADE中VFAs主要是乙酸和丙酸(表3)，分別達(dá)到213 mg/L和102 mg/L。雖然在檸檬酸發(fā)酵過程中，VFAs對檸檬酸影響的報(bào)導(dǎo)文獻(xiàn)較鮮見，但在酵母乙醇發(fā)酵過程中，VFAs對乙醇發(fā)酵的影響有了大量的研究，并發(fā)現(xiàn)較高濃度的乙酸會(huì)抑制酵母的生長[22]，也有研究報(bào)道[23]中顯示，在丙酸達(dá)到45 mmol/L時(shí)，酒精發(fā)酵時(shí)間顯著延長，乙醇產(chǎn)率也大幅下降。因此有必要研究乙酸和丙酸對檸檬酸發(fā)酵的影響。

表3 厭氧消化液中揮發(fā)性脂肪酸組成

單位：mg/L

在發(fā)酵培養(yǎng)基中分別添加一定濃度的乙酸和丙酸，通過搖瓶發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，從圖4(A)可看出，當(dāng)添加的乙酸濃度超過400 mg/L時(shí)，才開始對檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)生影響，造成檸檬酸產(chǎn)量下降和殘總糖的上升，同樣在圖4(B)中也發(fā)現(xiàn)，在添加丙酸濃度超過400 mg/L時(shí)，也造成檸檬酸產(chǎn)量下降和殘總糖的上升。當(dāng)添加的乙酸、丙酸濃度分別達(dá)到1 000、600 mg/L時(shí)，其對應(yīng)檸檬酸濃度分別為116.3、108.6 g/L，這也說明丙酸比乙酸對檸檬酸發(fā)酵抑制作用更強(qiáng)。在正常情況下ADE中的乙酸和丙酸的濃度遠(yuǎn)低于對應(yīng)的抑制濃度400 mg/L，只要控制好沼氣厭氧發(fā)酵，就可穩(wěn)定VFAs在安全水平，ADE中的VFAs不會(huì)對檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)生不利影響。

圖4 乙酸與丙酸對檸檬酸產(chǎn)量和殘總糖的影響Fig.4 Effects of acetic acid and propionic acid on citric acid production and residual total sugar concentration

2.5 金屬離子對檸檬酸發(fā)酵的影響

檸檬酸發(fā)酵過程中，黑曲霉的生長、代謝均需要一定量的微量元素。例如，Mg2+、Zn2+和Cu2+是細(xì)胞中很多生化反應(yīng)的輔酶；Mn2+是細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵酶的重要調(diào)節(jié)因子[24]。但是，過高濃度的金屬離子又會(huì)影響菌體生長代謝從而影響檸檬酸的產(chǎn)量，因而必須對培養(yǎng)基中的金屬離子進(jìn)行限制[25-26]。本研究以木薯、玉米粉為原料來生產(chǎn)檸檬酸，原料為黑曲霉提供適宜濃度的金屬離子以維持微生物的生產(chǎn)代謝。從表1中可看出，第1批ADE中電導(dǎo)率為3 940 μS/cm，當(dāng)循環(huán)到第4批時(shí)其ADE電導(dǎo)率高達(dá)5 680 μS/cm，表明在ADE中含有一定量的金屬離子，且隨著循環(huán)批次的進(jìn)行，金屬離子也發(fā)生了累積，并進(jìn)入下批次的檸檬酸發(fā)酵體系中，從而造成培養(yǎng)基中的金屬離子過剩，可能會(huì)影響到檸檬酸發(fā)酵。因此需要進(jìn)一步確認(rèn)金屬離子是否對檸檬酸發(fā)酵有抑制作用。

對ADE中的金屬離子進(jìn)行了分析，結(jié)果見表4。Na+、K+、Ca2+和Mg2+等4種金屬離子含量相對較高，Zn2+、Fe3+、Cu2+和Mn2+等4種離子含量相對較低。由于ADE堿度高，pH值在7.0～7.5之間，部分高價(jià)離子易以碳酸鹽形式形成沉淀隨污泥排出，而一價(jià)離子Na+、K+則更容易積累，因此以一價(jià)離子作為研究對象，在以去離子水為配料水，采用添加Na2SO4、K2SO4的形式來研究Na+、K+對檸檬酸的影響，結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加的Na+、K+質(zhì)量濃度分別高于200、300 mg/L時(shí)均抑制檸檬酸發(fā)酵，造成檸檬酸產(chǎn)量的下降，殘總糖上升。這說明ADE中所攜帶的金屬離子會(huì)影響檸檬酸的發(fā)酵，從表4中可看出，ADE中Na+質(zhì)量濃度已高于其抑制濃度，且隨著循環(huán)的進(jìn)行，K+很可能積累到其臨界抑制濃度從而影響著檸檬酸發(fā)酵，因此需要對ADE進(jìn)行資源化處理以消除金屬離子對檸檬酸發(fā)酵的影響。當(dāng)然多價(jià)金屬離子在低濃度下也可能會(huì)影響檸檬酸的發(fā)酵，但本研究中沒有對多價(jià)金屬離子作進(jìn)一步研究。

表4 厭氧消化液中金屬離子組成

單位：mg/L

圖5 Na+、K+對檸檬酸產(chǎn)量和殘總糖的影響Fig.5 Effects of Na+ and K+ on citric acid production and residual total sugar concentration

2.6 ADE資源化處理

采用超濾膜對ADE進(jìn)行預(yù)處理，隨后再采用納濾膜對超濾透過液進(jìn)一步資源化處理，處理前后主要離子質(zhì)量濃度如表5所示。ADE經(jīng)過超濾膜處理后其主要離子去除率很低，但經(jīng)過納濾膜處理后主要的離子去除率均較高。多價(jià)離子質(zhì)量濃度很低甚至無法檢出，而K+、Na+質(zhì)量濃度分別為18.40和32.20 mg/L,K+、Na+的去除率均達(dá)到90%以上，氨氮質(zhì)量濃度只有22.10 mg/L，其去除率也達(dá)到80%以上。ADE經(jīng)過超濾和納濾處理后主要的抑制物均低于其臨界的抑制質(zhì)量濃度。

表5 不同水質(zhì)中的離子組成分析

以去離子水為對照組與超濾、納濾膜處理前后的ADE進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)(圖6)，發(fā)現(xiàn)單純經(jīng)過超濾處理后的ADE與未經(jīng)過處理的ADE的檸檬酸產(chǎn)量基本相同，均低于對照組。而經(jīng)過超濾及納濾共同處理后的ADE與去離子水(對照組)檸檬酸產(chǎn)量相一致，說明組合膜技術(shù)(超濾+納濾)能夠有效地去除厭氧消化液中對檸檬酸發(fā)酵的抑制物。說明經(jīng)過超濾和納濾的組合膜技術(shù)處理后的ADE循環(huán)回用是可行的，該工藝的建立減少檸檬酸的廢水污染和新鮮水的消耗，實(shí)現(xiàn)了檸檬酸工業(yè)的無廢制造和節(jié)能減排，對該行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展均具有重要的意義。

a)經(jīng)過超濾膜處理后的厭氧消化液；b)經(jīng)過超濾膜和納濾膜處理后的厭氧消化液圖6 不同處理方式對檸檬酸發(fā)酵的影響Fig.6 Effects of different processing methods on the citric acid fermentation 不同字母表示具有顯著性，p<0.05

3 結(jié)論

為解決檸檬酸發(fā)酵行業(yè)的廢水污染問題，提出采用ADE作為配料水循環(huán)回用生產(chǎn)檸檬酸的新工藝。研究發(fā)現(xiàn)ADE直接循環(huán)回用對原料的液化沒有任何影響，但對檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。進(jìn)一步研究表明，在ADE中的氨氮、VFAs、金屬離子(Na+、K+)在不同程度上抑制檸檬酸的發(fā)酵，導(dǎo)致檸檬酸產(chǎn)量的下降和殘總糖的上升。采用超濾膜、納濾膜對ADE資源化處理后，幾個(gè)關(guān)鍵的抑制物濃度均低于其臨界的抑制濃度，解除了對檸檬酸發(fā)酵的抑制。從而建立了ADE循環(huán)回用生產(chǎn)檸檬酸的新工藝，對實(shí)現(xiàn)檸檬酸行業(yè)的無廢制造和節(jié)能減排具有重要的意義。

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