CN102676481A - 一种广谱性复合微生物酶制剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广谱性复合微生物酶制剂，该酶制剂，包括：脂肪水解酶、纤维水解素酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶；所述酶制剂各组分含量：纤维素酶活力5000～20000U/g·min，蛋白酶活力1000～10000U/g·min，脂肪酶活力500～10000U/g·min，淀粉酶活力400～8000U/g·min。该方法是利用酶制剂中各种降解酶的协同作用，将纤维素、淀粉、脂肪、蛋白质等大分子有机物降解为小分子，可用于高效降解家庭餐厨垃圾，实现其减量化、稳定化、卫生化和资源化利用。避免了使用微生物菌剂对餐厨垃圾进行生化处理过程中水汽条件不好控制、易产生厌氧及出现臭气和毒素的弊端。

Description

一种广谱性复合微生物酶制剂及其应用

技术领域

本发明属于环境治理领域，涉及一种广谱性复合微生物酶制剂及其应用，具体涉及一种用于餐厨垃圾的快速发酵和资源化利用的广谱性复合微生物酶制剂及其使用方法。

背景技术

餐厨垃圾约占城市生活垃圾的40％，达到城市垃圾总量的17％以上。餐厨垃圾主要包括家庭、食堂、学校及餐饮行业等产生的食物加工废料和餐桌剩余，成分比较复杂，是水、油、蔬菜、米面，鱼、肉、骨头等多种物质的混合。餐厨垃圾中糖类、蛋白质、淀粉和动物脂肪等为主，且盐分、油脂含量高。餐厨垃圾产量巨大，并且由于其高含水率和极易腐烂变质的特性，特别是在夏季，随意堆放的餐厨垃圾在极短的时间内就会腐败变质，产生恶臭。不仅在收集、清运过程中会造成一定的环境污染，同时也是大气污染和苍蝇孳生的重要原因。少数不法分子用这些餐厨垃圾提炼所谓的“地沟油”，含有大量的致癌物质，食用后对人体健康产生恶劣影响。一部分百姓用餐厨垃圾直接喂家畜和家禽，生产所谓的“垃圾猪”等。随着对环境保护意识的提高，家庭生活垃圾的处理也越来越受到政府及公民的重视。

餐厨垃圾以淀粉、食物纤维、脂肪、蛋白质等有机物为主，如何充分利用餐厨垃圾中的有机营养物质，同时达到减量化和资源化的目的，对于社会环境的可持续发展具有重要意义。目前，我国对于包括餐厨垃圾在内的城市生活垃圾主要的处理方法主要包括卫生填埋、焚烧、微生物处理等，其微生物处理方法最符合社会和环境可持续发展的要求。

餐厨垃圾微生物分解技术是利用微生物的代谢活动，发生氧化还原、脱羧基、脱氨基、脱水、酯化等种种反应，将大分子的有机物降解为小分子有机物，生产饲料或肥料，“变废为宝”。餐厨垃圾在一定的水分、C/N比和氧气条件下，通过微生物的代谢作用，将有机物转变为肥料的过程中，有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质物质，对环境不构成危害。

餐厨垃圾的微生物分解技术包括好氧过程和厌氧过程。好氧过程如好氧堆肥，是在有氧的条件下，借助好氧微生物的作用来进行的。好氧分解过程是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体共同作用而实现的动态过程，在该过程中的每一个微生物群体都有在相对较短时间内适合自身生长繁殖的环境条件，对某一种或某一类特定的有机物质的分解起作用。微生物通过自身的生命活动-氧化、还原、合成等过程，把有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长活动所需要的能量，把另一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体。

餐厨垃圾好氧微生物分解过程如堆肥过程中，堆体内并不可能实现完全的有氧状态，会存在局部的或一定程度的厌氧过程。厌氧堆肥是在无氧条件下，借助厌氧微生物的作用来进行的，厌氧微生物的分解作用概括成为三阶段理论：水解阶段、酸化和乙酸化阶段、甲烷化阶段三个部分。水解阶段的功能主要是在水解和发酵细菌群的共同作用下将复杂有机物质如：纤维素、淀粉等水解为单糖后，再酵解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸、脱氨基成有机酸和氨；酯类水解为脂肪酸和醇，例如乙醇、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。微生物的厌氧水解过程中会产生有机酸、醇、氨、硫化氢、磷化氢等。因此厌氧过程中微生物发酵产生臭气和毒素，危害环境，也限制了该技术进入家庭和宾馆饭店。

无论好氧分解还是厌氧水解作用，微生物对于大分子有机物的降解都是通过分泌的胞外酶来实现的。微生物胞外酶是指那些在细胞内合成后穿过细胞膜在细胞外具有水解作用的一类酶。通过水解作用，胞外酶使多糖、蛋白质、核酸等天然高聚物分解，逐步变为可穿过细胞质膜而被吸收利用的小分子物质(葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等)。

餐厨垃圾微生物酶处理技术是生物酶技术在餐厨垃圾生物处理中最好的应用，不是利用微生物菌体的分解作用，而是直接采用核心的微生物酶的分解作用，抓住了微生物降解作用的核心。没有微生物的参与，也就是可以避免厌氧微生物厌氧分解会产生硫化氢、氨气、硫醇、吲哚等臭气的发生。同时不需要提供好氧微生物所需要的氧气，减少了能源的消耗。在餐厨垃圾的微生物好氧分解过程中，最关键的核心问题是调节好水气条件，既要保证微生物有足够的水分满足生理要求，又必须控制水分不能产生厌氧。而采用酶制剂技术就不需要调节过程中的水气条件，从而使得有机物酶降解过程高效进行。因此采用酶制剂用于餐厨垃圾的酶水解，避免了餐厨垃圾发酵过程中水汽条件不好控制的弊端，不需调节水汽条件，不存在出现臭气和毒素的可能，使得餐厨垃圾生物处理技术可以进入家庭和饭店。

中国专利CN1375216公开了一种用作饲料添加剂的菌酶制剂协同发酵工艺。其工艺流程为：分别将多个产酶菌种和多个益生菌菌种在斜面上培养成熟后，制成孢子悬浮液，再分别将各菌种孢子悬浮液按比例混合，然后分别将种子培养基分别接入产酶和益生菌混合菌种孢子悬浮液，最后种子培养基经过培养长出丰满孢子，将产酶菌种子液和益生菌种子液按比例混合，制成菌酶混合接种剂；混合发酵培养基按一定接种量接入菌酶混合接种剂，接着发酵培养；发酵结束后的产物，经后处理成菌酶制剂。本发明优点是：混合产酶、益生菌发酵，其酶系的产酶量又较混合产酶菌发酵有较大的提高。混合产酶菌与益生菌复合混合发酵，各菌种间这种协同增效作用更大。

中国专利CN101225004公开了一种利用复合发酵剂生产土壤生物肥料的制作方法。其发酵剂由能有效分解作物秸秆和畜禽粪便的多种微生物和酶制剂组成，在生产过程中采用糖水解液作活化剂，通过厌氧复合发酵，巧妙的利用大量作物秸秆和畜禽粪便中不同的营养组分，生产一种肥效高、成本低、周期短的土壤生物肥料，能有效改善土壤团粒结构、增加土壤腐殖质、减少生物病虫害的发生。是一种安全高效、生产成本低的生态农业产品，便于在大型养殖场、种植场推广的农业技术产品。

中国专利CN101082053公开了一种食品垃圾的生物发酵方法。它涉及一种垃圾的生物发酵方法。它解决了目前食品垃圾中生物大分子难以直接被产物发酵生产菌株有效利用和使用商业酶制剂生产成本升高的缺陷。食品垃圾按以下步骤生物发酵：(一)将食品垃圾滤干接种黑曲霉发酵制备糖化酶曲；(二)将糖化酶曲和生物发酵菌种加入到新鲜的食品垃圾中发酵；(三)分离、提纯，即得发酵产物。本发明制备出的糖化酶曲不必干燥和冷冻，可直接使用，节省了大量的资源，由于黑曲霉不经过干燥和冷冻保持了高度活性，能够在发酵过程中继续生长、产酶，并与发酵菌种协同作用，大大提高了食品垃圾资源的利用率和发酵产物的产量，可明显降低生产成本。

目前，采用微生物酶制剂治理餐厨垃圾的处理技术中，主要是采用微生物菌种和酶制剂共同作用，如混合产酶菌与益生菌复合混合发酵用作饲料添加剂的菌酶制剂(中国专利CN1375216)；多种微生物和酶制剂组成复合发酵剂生产土壤微生物肥料(中国专利CN101225004)；接种微生物菌种与产生的酶协同作用，用于处理食品垃圾的生物发酵(中国专利CN101082053)。微生物菌株与酶制剂协同作用处理餐厨垃圾的技术存在着严重的隐患，这是因为，在餐厨垃圾好氧固体发酵过程中，往往存在厌氧微环境和水汽条件控制不好的情况，很容易产生厌氧发酵，产生氨、硫化氢、磷化氢等臭气和毒素，危害环境，也限制了该技术进入家庭和宾馆饭店。采用微生物酶解技术就解决了这一弊端。同时本发明根据餐厨垃圾的有机物的组分和组成，合理组配降解酶和无机营养盐，达到最佳效果。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种广谱性复合微生物酶制剂。

本发明的另一目的在于，提供一种广谱性复合微生物酶制剂的应用。本发明可用于高效降解家庭餐厨垃圾中的大分子有机物，如纤维素、蛋白质、淀粉和油脂等，实现其减量化、稳定化、卫生化和资源化利用。

本发明的广谱性复合微生物酶制剂用于生活垃圾或餐厨垃圾的酶水解，将大分子有机物降解为小分子的氨基酸、葡萄糖、脂肪酸等，生产饲料，避免了餐厨垃圾发酵过程中水汽条件不好控制的弊端，没有厌氧菌的存在和降解作用，不需调节水汽条件，不存在出现臭气和毒素的可能，使得餐厨垃圾生物处理技术可以进入家庭和饭店。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

作为本发明的第一方面是提供一种广谱性复合微生物酶制剂，其特征在于，包括以下组分：

脂肪水解酶、纤维素水解酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶；所述酶制剂各组分含量：纤维素酶活力5000～20000U/g·min，蛋白酶活力1000～10000U/g·min，脂肪酶活力500～10000U/g·min，淀粉酶活力400～8000U/g·min。

优选地，所述酶制剂包括脂肪水解酶、纤维素水解酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶；所述酶制剂各组分含量：纤维素酶活力12600U/g·min，蛋白酶活力1560U/g·min，脂肪酶活力6800U/g·min，淀粉酶活力4500U/g·min。

优选地，所述酶制剂包括脂肪水解酶、纤维素水解酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶；所述酶制剂各组分含量：纤维素酶活力8400U/g·min，蛋白酶活力9800U/g·min，脂肪酶活力4300U/g·min，淀粉酶活力820U/g·min。

进一步，所述纤维素酶选自葡聚糖内切酶、纤维二糖酶和β-葡萄糖苷酶的任意组合；

进一步，所述淀粉水解酶选自α-淀粉酶、β-淀粉酶和极限糊精酶的任意组合；

进一步，所述蛋白酶水解酶为植物蛋白酶和动物蛋白酶的任意组合。

其中，所述酶制剂的pH为5.0～6.0；作用温度为50～60℃。

进一步，所述酶制剂pH的缓冲体系为柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。

其中，所述酶制剂包含下列矿物质：钠50～100mg/l、钾50～100mg/l、镁40～90mg/l、钙150～250mg/l、铁0.1～0.8μg/l，锌0.1～0.5μg/l、硒0.1～0.8μg/l、碘5～12μg/l和钴0.1～0.5μg/l的任意组合。

进一步，优选地，所述酶制剂中还包含下列矿物质：钠：70mg/l、钙70mg/l、镁60mg/l、钾60μg/l、铁0.4μg/l、锌0.3μg/l、硒0.5μg/l、碘9μg/l和钴0.3μg/l的任意组合。

作为本发明的第二方面是提供一种广谱性复合微生物酶制剂的应用其特征在于，所述酶制剂用于餐厨垃圾降解。

其中，按照重量份数计，还采用载体，所述载体：餐厨垃圾＝3∶1～5∶1(湿重)，按照0.1～1％(湿重)的物料比例加入所述酶制剂；调节初始含水率为60％，pH＝5.5～6，55℃±2℃，反应30～60天。

进一步，按照重量份数计，在反应10～15天后按照0.1～1％(湿重)的物料比例追加所述酶制剂。

本发明的有益效果：

本发明制备的广谱性复合微生物酶制剂用于快速降解厨余垃圾

1、避免了餐厨垃圾微生物细菌发酵过程中水汽条件不好控制的弊端，没有厌氧菌的存在和降解作用，不需要调节水汽条件，不存在出现臭气及毒素的可能，以前由于使用微生物细菌发酵存在产生臭气的可能，使得生活垃圾生物处理很难进入家庭和饭店宾馆，采用本技术使得操作可行。

2、较单一酶制剂，本发明的广谱性复合微生物降解酶制剂的代谢活性高、产品品质好。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或厂商提供的条件进行。

实施例1广谱性复合微生物酶制剂的制备

广谱性复合微生物酶制剂，(简称复合微生物酶制剂，也可简称为酶制剂)，其配方包括以下组分：

脂肪水解酶、纤维素水解酶(葡聚糖内切酶、纤维二糖酶、β-葡萄糖苷酶)、淀粉水解酶(α-淀粉酶、β-淀粉酶和极限糊精酶)、蛋白水解酶(植物蛋白酶、动物蛋白酶)；酶制剂各组分含量：纤维素酶活力5000～20000U/g·min，蛋白酶活力1000～10000U/g·min，脂肪酶活力500～10000U/g·min，淀粉酶活力400～8000U/g·min。具体配方如表1所示。

表1为本发明广谱性复合微生物酶制剂的配方

一种广谱性复合微生物酶制剂的制备方法，包括以下步骤：

1、材料的准备

脂肪水解酶、纤维素水解酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶(包括对照1、对照2中的生物酶)均购自北京鸿润宝顺科技有限公司。

2、按照配方所述酶活力与矿物质含量组配，得到本发明的产品，即广谱性复合微生物酶制剂。

本发明制备的广谱性复合微生物酶制剂，用于生活垃圾或餐厨垃圾的酶水解。

实施例2广谱性复合微生物酶制剂的应用

本实施例中采用配方1的广谱性复合微生物酶制剂包括：脂肪水解酶、纤维素酶(葡聚糖内切酶∶纤维二糖酶∶β-葡萄糖苷酶的重量比例为2∶1∶1)、淀粉水解酶(α-淀粉酶∶β-淀粉酶∶极限糊精酶的重量比例为：2∶2∶1)、酸性蛋白酶(植物蛋白酶∶动物蛋白酶的重量比例为1∶2)。

酶制剂各组分含量：纤维素酶活力12600U/g·min，蛋白酶活力1560U/g·min，脂肪酶活力6800U/g·min，淀粉酶活力4500U/g·min。所述复合酶中还含有下述体积含量的矿物质：钠：70mg/l；钙70mg/l；镁60mg/l；钾60μg/l；碘9μg/l；硒0.5μg/l；铁0.4μg/l；锌0.3μg/l；钴0.3μg/l。

用于华东师范大学河西学生食堂的餐厨垃圾处理。

使用方法，按照重量计，包括以下步骤：

将食堂的餐厨垃圾(含水率80％)，主要为熟米饭、面条、熟猪肉块、熟鱼块、剩余蔬菜等与调理剂载体木屑按照1∶3(垃圾∶木屑)的湿重比加入垃圾处理机中，充分搅拌后，加入1％的酶制剂，调节初始含水率为60％，调节初始pH＝6.0，控制反应温度为55℃+2℃，设置搅拌频率为运转12分钟停48分钟，转速度为2转/分钟。

每天加入一次与初始加入量相同的餐厨垃圾，每10天追加一次酶制剂(1％wt)，30天出料。

初始时机器中可见大块的蔬菜、猪肉、面条、骨头等，运行4个小时后物料中已经看不到猪肉、蔬菜之分，骨头也明显变成小块，运行8小时后物料已经成为均一的整体，24小时后有机物降解率达到60％，物料完成腐熟，物料均匀，成浅褐色，有泥土的芳香。

运行过程中没有臭气和毒素产生。

实施例3广谱性复合微生物酶制剂的应用

本实施例中采用配方2的广谱性复合微生物酶制剂包括：脂肪水解酶、纤维素酶(葡聚糖内切酶∶纤维二糖酶∶β-葡萄糖苷酶的重量比例为2∶1∶1)、淀粉水解酶(α-淀粉酶∶β-淀粉酶∶极限糊精酶的重量比例为2∶2∶1)、蛋白水解酶植物蛋白酶∶动物蛋白酶的重量比例为1∶2)。

酶制剂各组分含量：纤维素酶活力8400U/g·min，蛋白酶活力9800U/g·min，脂肪酶活力4300U/g·min，淀粉酶活力820U/g·min。所述复合酶中还含有下述体积含量的矿物质：钠：70mg/l；钙70mg/l；镁60mg/l；钾60μg/l；碘9μg/l；硒0.5μg/l；铁0.4μg/l；锌0.3μg/l；钴0.3μg/l。

用于澄思源生物科技(上海)有限公司职工食堂的餐厨垃圾处理。

使用方法，按照重量计，包括以下步骤：

将食堂的餐厨垃圾(含水率76％)，主要为熟米饭、熟猪肉骨头、鱼骨头、茄子、白菜、土豆等剩余蔬菜与调理剂载体木屑按照1∶4(垃圾∶木屑)的湿重比加入垃圾处理机中，充分搅拌后，加入0.6％的酶制剂，调节初始含水率为55％，调节初始ph＝5.5，控制反应器温度为55℃±2℃，设置搅拌频率为运转15分钟停60分钟，转速度为5转/分钟。

每天加入一次与初始加入量相同的餐厨垃圾，每15天追加一次酶制剂(0.6％)，60天出料。24小时后有机物降解率达到60％，物料完成腐熟，物料均匀，成浅褐色，有泥土的芳香。

运行过程中没有臭气和毒素产生。

本发明制备的复合微生物酶制剂的各组分的分解作用如表2所示。

表2本发明制备的复合微生物酶制剂的各组分的分解作用

采用本发明提出的微生物酶制剂方法处理食堂餐厨垃圾，以单一酶组分酶制剂和无矿物质酶制剂为对照，经过1个月的处理运行，检测结果如下。

表3结果的测试

	配方1	配方2	对照1	对照2
					有机物降解率％	73	68	54	49
臭气产生	无	无	无	无
					产品种子发芽率％	98	98	87	76

本发明的复合微生物酶制剂在使用过程中根据被处理垃圾的物料的性质来调节各种组分的比例，也就是根据纤维素、淀粉、脂肪和蛋白质的比例来调配纤维素降解酶、淀粉降解酶、脂肪水解酶和蛋白质水解酶的相应比例。

本发明对家庭式餐厨垃圾原位处理，不需要经过运输及中间转运的中间环节，减少了这些中间过程对环境中地表水及大气的污染。

本发明采用复合微生物酶制剂技术分解餐厨垃圾，避开了利用微生物菌剂降解餐厨垃圾的传统，没有好氧细菌和厌氧细菌参与有机物的分解，因而不需要为好氧微生物提供氧气，减少了动力的消耗。同时也不需要为了好氧菌的氧气供给而调节物料的水汽条件，使得操作简单易行。

本发明没有厌氧菌参与餐厨垃圾中有机物的分解，因而过程中不会产生硫化氢、氨气、硫醇、吲哚等臭气，使得餐厨垃圾家庭原位处理技术可以进入家庭和饭店等场所。

本发明的复合微生物酶制剂是一种复合酶制剂，包括了餐厨垃圾中大分子有机物如淀粉、脂肪、蛋白质和纤维素等及其分解产物的降解酶，降解效率高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (13)

1.一种广谱性复合微生物酶制剂，其特征在于，包括以下组分：

脂肪水解酶、纤维素水解酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶；所述酶制剂各组分含量：纤维素酶活力5000～20000U/g·min，蛋白酶活力1000～10000U/g·min，脂肪酶活力500～10000U/g·min，淀粉酶活力400～8000U/g·min。

2.根据权利要求1所述的酶制剂，其特征在于，所述酶制剂包括脂肪水解酶、纤维素水解酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶；所述酶制剂各组分含量：纤维素酶活力12600U/g·min，蛋白酶活力1560U/g·min，脂肪酶活力6800U/g·min，淀粉酶活力4500U/g·min。

3.根据权利要求2所述的酶制剂，其特征在于，所述酶制剂包括脂肪水解酶、纤维素水解酶、淀粉水解酶、蛋白水解酶；所述酶制剂各组分含量：纤维素酶活力8400U/g·min，蛋白酶活力9800U/g·min，脂肪酶活力4300U/g·min，淀粉酶活力820U/g·min。

4.根据权利要求3所述的酶制剂，其特征在于，所述纤维素酶选自葡聚糖内切酶、纤维二糖酶和β-葡萄糖苷酶的任意组合。

5.根据权利要求1所述的酶制剂，其特征在于，所述淀粉水解酶选自α-淀粉酶、β-淀粉酶和极限糊精酶的任意组合。

6.根据权利要求1所述的酶制剂，其特征在于，所述蛋白水解酶为植物蛋白酶和动物蛋白酶的任意组合。

7.根据权利要求1所述的酶制剂，其特征在于，所述酶制剂的pH为5.0～6.0；作用温度为50～60℃。

8.根据权利要求7所述的酶制剂，其特征在于，所述酶制剂pH的缓冲体系为柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。

9.根据权利要求1所述的酶制剂，其特征在于，所述酶制剂包含下列矿物质：钠50～100mg/l、钾50～100mg/l、镁40～90mg/l、钙150～250mg/l、铁0.1～0.8μg/l，锌0.1～0.5μg/l、硒0.1～0.8μg/l、碘5～12μg/l和钴0.1～0.5μg/l的任意组合。

10.根据权利要求9所述的酶制剂，其特征在于，所述酶制剂中还包含下列矿物质：钠：70mg/l、钙70mg/l、镁60mg/l、钾60μg/l、铁0.4μg/l、锌0.3μg/l、硒0.5μg/l、碘9μg/l和钴0.3μg/l的任意组合。

11.一种如权利要求1所述的广谱性复合微生物酶制剂的应用，其特征在于，所述酶制剂用于餐厨垃圾降解。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，按照重量份数计，还采用载体，所述载体：餐厨垃圾＝3∶1～5∶1(湿重)，按照0.1～1％(湿重)的物料比例加入所述酶制剂；调节初始含水率为60％，pH＝5.5～6，55℃±2℃，反应30～60天。

13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于，按照重量份数计，在反应10～15天后按照0.1～1％(湿重)的物料比例追加所述酶制剂。