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利用食物垃圾生产微生物蛋白饲料的发展前景(结)


利用食物垃圾生产微生物蛋白饲料的发展前景
摘要: 摘要:介绍了目前食物垃圾的主要处理方法,重点介绍了利用食物 垃圾生产微生物蛋白饲料。 并根据实验数据进一步说明食物垃圾生产微 生物蛋白饲料的发展前景。 关键词: 关键词:餐厨垃圾;微生物蛋白饲料;发酵;垃圾组分 1 食物垃圾的特征 食物垃圾主要是指食品工业废弃物、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。食物垃圾的 主要特征是 BOD 值高,如直接排放,对环境将造成很大的危害;生物 分解速度快、易腐败。并产生令人厌恶的臭气。食物垃圾数量大,在生 活垃圾中占有很大比例, 大城市及发达的中等城市的食物垃圾在生活垃 圾中的比例一般超过 50%,有的城市甚至超过 70%。 目前, 国内绝大多数城市存在着对食物垃圾管理无序、 任意处置等问题, 食物垃圾己经成为垃圾收集、运输和填埋处理的主要污染源。因此,规 范管理、合理处置食物垃圾并使之资源化极为重要,不但可消除垃圾臭 味,避免环境污染,减少垃圾处理成本。还可以增加社会资源,促进社 会经济发展。 2 目前食物垃圾的主要处理方法 2.1 与一般的生活垃圾一同处理 食物垃圾作为城市生活垃圾的一部分, 目前一般与其它生活垃圾共同处 理,主要处理方法有填埋、焚烧和堆肥等。 填埋法占地面积大,即使是现代化水平较高的规范的卫生填埋场,二次

污染也较严重,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。 2.2 直接饲喂牲畜 单位食堂和餐馆的食物垃圾被养猪户拉走直接饲喂牲畜的现象屡见不 鲜。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; 同时食物垃圾也是“泔水油”的源头,危害百姓健康。作为食物垃圾的一 部分目前已有一些城市规定: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。 2.3 小型生化处理 小型生化处理机处理食物垃圾目前在国内外均有应用, 它利用微生物发 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, 80%以上成为水蒸气和无害气体, 少量的残渣成为有机肥料。 与传统方法相比, 小型生化处理机处理食物垃圾减少了对周围环境的污 染;50~70oC 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,上述因素使得大范围应用生化处理机存在一定的难度。

2.4 食物垃圾粉碎 目前国外家庭用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。 2.5 新兴的食物垃圾处理技术——生物发酵制蛋白饲料 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。 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,可使这些废物无害化、减量化和资源 化。 目前利用食物垃圾生产蛋白饲料的研究主要集中在利用垃圾废液进 行液态发酵培养高蛋白微生物的研究上, 但也有人开始利用食物垃圾进 行固态发酵生产蛋白饲料的研究, 这一技术应是今后食物垃圾处理技术 的重要研究方向。 3 微生物蛋白饲料 饲料的种类很多,每种饲料对蛋白质都有一定的数量要求。在一定的环 境条件下, 微生物通过代谢活动对饲料原料中的某些物质进行分解和转 化, 使原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,微生物得到增殖,由于微生物菌体的单细胞蛋 白含量很高,因而提高了成品饲料的蛋白质含量,这就是广义的微生物 蛋白饲料。 另外若微生物菌种群中含有对牲畜和家禽具有益生功能的饲 用微生物,则微生物蛋白饲料就会具有更好的饲喂效果。 3.1 微生物单

细胞蛋白及其特点 单细胞蛋白(Single Cell Protein,简称 SCP)是由蛋白质、脂肪、碳水化 合物、核酸、维生素和无机化合物等混合组成的细胞质团。很多微生物 如酵母、细菌、真菌、藻类等单细胞蛋白含量均很高。 微生物单细胞蛋白与传统的动植物蛋白相比有如下特点: (1)微生物菌体的蛋白质含量很高,按其干重计算,细菌一般为 40%~8 0%,酵母菌为 40%~60%,霉菌为 15%~50%,藻类为 60%~70%。 微生物蛋白所含人体 8 种必需氨基酸量略高于大豆蛋白质,另外,含有 维生素以及胡萝卜素、麦角固醇等,因此是一种理想的蛋白质资源。 (2)微生物世代时间短,在最佳条件下能以惊人的速率生长。根据计算, 体重为 500kg 的食用牛每天能增加 0.5kg 蛋白质;但在相同的时间里, 在理想的生长条件下,同样质量的酵母菌理论上可产生 1000kg 以上的 蛋白质。 (3)微生物易于变异,可通过各种物理、化学方法进行诱变,或采用基因 重组技术对单细胞蛋白菌种进行遗传性状的改变, 从而较易获得优质高 产的突变株。 (4)微生物的培养不受季节、 气候和地区的限制, 它的生产环境可人为控 制,所以微生物蛋白易于实现工业化生产。此外,微生物能在相对小的 连续发酵反应器中大量培养,占地面积小,据估计一个年产 10 万 t 的 单细胞蛋白工厂, 如以蛋白质含量为 45%的酵母计, 可相当于 3.67 万 h m2 土地所生产的大豆蛋白。 (5)微生物的培养基来源广泛, 可以大量的农业废弃物作为培养基质, 因

此,它的生产原料廉价而充足。 3.2 生产微生物单细胞蛋白的原料 含有大量单细胞蛋白的微生物可以作为饲料添加剂使用, 也可以通过微 生物对饲料原料的发酵作用,直接生产微生物蛋白饲料。 国际上大规模生产 SCP 有近 30a 的历史,现代 SCP 工业是以石油和甲 醇为原料发展起来的,后来又开发了以纤维素类原料、淀粉等可再生资 源生产 SCP 的工艺,原料多采用玉米芯、棉籽壳、亚硫酸纸浆废液、 酒精等。我国近年来 SCP 的研究与生产发展较快,现有 50 多个生产厂 家,以木材水解液、味精和柠檬酸废液等原料生产 SCP。 近年来,利用蔗渣等纤维素原料经微生物发酵转化,生产单细胞蛋白或 蛋白强化饲料的研究,因其原料来源广、成本低、有利解决环境污染等 特点而备受世界各国重视。 美国农业部下属的一个研究所成功开发一种 可将低价值的麦秸、 甘蔗渣等, 经细菌发酵后转化为优质饲料的新技术。 加拿大将蔗渣、 木屑处理后培养毛壳真菌, 可形成含 45%蛋白的蛋白饲 料。 3.3 生产微生物蛋白饲料的菌种 在传统的微生物单细胞蛋白生产工艺中,饲料酵母的应用最为广泛,酵 母蛋白的合成通常使用碳水化合物原料,营养源是以易发酵的单糖、二 糖原料为基础,而木质纤维素材料不利于酵母菌的生产。为了克服单一 酵母菌种酶系不完全的问题, 目前在以纤维素材料生产蛋白饲料的研究 中, 多以多菌种混合发酵为主, 菌种大体可分为两类: 一类为各属霉菌, 如黑曲霉属、木霉属等,利用霉菌具有的多种活力强大的酶系(包括淀 粉酶、蛋白酶、果胶酶和纤维素酶等)对高分子进行降解;个别具有分

解木质纤维素的细菌、放线菌也具有应用价值。另一类为传统的各属酵 母菌,主要有各种饲料酵母、产朊假丝酵母、热带假丝酵母、近平滑假 丝酵母等。两属菌之间的互惠共生关系促进了纤维素材料的转化,达到 微生物生长繁殖、提高饲料蛋白含量的目的。 3.4 微生物蛋白饲料的发酵方法 发酵即通过微生物的代谢活动对原料中的有机物进行分解和转化的过 程。 微生物蛋白饲料的发酵方式主要有固态发酵和液态发酵两种工艺体 系。固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程,是指在没有或几乎没 有自由水存在的条件下,在有一定湿度的水不溶性固体基质中,用一种 或几种微生物进行发酵的一个生物反应过程; 液态发酵是以液相为连续 相的生物反应过程。 由于固态发酵具有产率高、 周期短、 能耗低等特点, 因而日益受到重视。 3.5 生产微生物蛋白饲料的发展趋势 目前国际上生产微生物蛋白饲料表现为 4 个趋势: (1)原料方面:由大量的石油化工原料转向以利用木材废料、秸秆、蔗渣 等可再生资源。 (2)在工厂设置和设备方面: 由大型厂转向中小型厂, 以适应比较分散的 农林原料, 便于运输和处理, 设备向可小规模投产和适于推广方面转化。 (3)在生产目的方面: 由单一生产单细胞蛋白转为综合治理三废, 改善生 态环境,实现产品综合利用,提高产品价值。 (4)在生产工艺方面:由液态发酵技术转向固态发酵技术。

4 食物垃圾主要成分测试分析 对食物垃圾的主要成分进行分析,是食物垃圾资源化利用的前提和基 础。食物垃圾组分较复杂,随采样时间、地点的不同而变化,课题组对 学校食堂的食物垃圾进行了测试分析。 试验中食物垃圾试样选自北京建 筑工程学院学生第三食堂,从残食台上拾取。经过多次取样测定,学校 食堂食物垃圾的主要营养成分见表 1。 表 1 学校食堂食物垃圾主要营养成分测定 由食物垃圾外观和表 1 结果可以看出, 食物垃圾组成成分中固形物含量 很大,多为淀粉类多糖物质,含有大量的淀粉糖类、脂肪和蛋白质,可 以作为培养单细胞蛋白饲料菌种的营养成分。 5 利用食物垃圾生产微生物蛋白饲料的发展前景 5.1 食物垃圾经微生物处理后容易达到饲料标准 我国饲料工业产品标准主要有卫生标准和营养物标准两大类。 在以食物 垃圾为原料生产饲料的过程中先经高温预处理,杀死病原菌和其它杂 菌,使产品满足卫生要求。饲料营养物标准随饲料种类的不同而有所区 别,本文选取最常用的仔猪、生长肥育猪配合饲料作为参照,其主要营 养成分标准见表 2。 表 2 仔猪、生长肥育猪配合饲料主要营养成分标准(%) 注:标准中,各项营养成分指标含量均以 87.5%干物质为基础计算。 从食物垃圾成分和仔猪、 生长肥育猪配合饲料营养成分标准的对比可以 看出,食物垃圾组分中除粗蛋白含量有可能达不到标准外(但也远高于 目前饲料工业的主要原料——玉米),其余指标均能够达到配合饲料标

准,即食物垃圾是很好的饲料原料。同时食物垃圾中含有促进微生物生 长的营养成分,因此,在适宜的外界条件下,通过微生物对食物垃圾的 发酵分解及其自身的生长繁殖, 可以较容易地使食物垃圾中的蛋白质含 量得到提高,达到饲料标准。 5.2 食物垃圾资源丰富 随着经济的发展,城市规模不断扩大,城市人口数量和人民生活水平不 断提高,城市生活垃圾的排放量逐渐增大,据估计 2000 年全国城市生 活垃圾超过 1.5 亿 t,人均年产生量达到 440kg,且生活垃圾总量以每年 8%~10%的速度增长。而在这些生活垃圾中,食物垃圾占有相当大的 比例(一般超过 50%)。 5.3 饲料尤其是微生物蛋白饲料需求量大 随着人民生活水平的提高, 人们对肉类食品的消费数量和质量要求也在 不断提高,这就直接促进了畜牧业的发展,饲料的需求量与 El 俱增。 由于目前饲料的主要原料为粮食,因此禽畜消费粮食的比例也越来越 大。 美国每年禽畜消费的粮食为粮食年产量的 40%。 我国相对美国来说, 禽畜对粮食的消费量要低一些,但我国人口是美国的 5 倍,可耕种面积 还不及美国,因此粮食和饲料不足问题更加突出。我国生产的饲料,尤 其是高蛋白饲料远不能满足国内市场的需求, 每年都要从国外进口优质 饲料。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。 5.4 食物垃圾饲料化可产生较好的经济效益 按常规填埋处理,垃圾处理费约为 70 元/t,目前育肥猪饲料平均价为

1860 元/t。考虑到饲料化处理的设备投资、El 常运转所需的电费、人 工费、 菌种费和食物垃圾回收费等, 根据课题组试验结果, 经初步估算, 若将食物垃圾转化为饲料,可产生较好的经济效益,同时可节省大量土 地。 6 结束语 利用食物垃圾开发新的廉价微生物蛋白饲料, 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。虽然目前利用食 物垃圾生产微生物蛋白饲料的研究相对较少,未形成成熟的技术工艺, 但这是一种值得探索的垃圾处理方法,具有很好的发展前景。


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