CN114958812B - 一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法，属于生物质固体废弃物处理处置技术领域。促进污泥饲料化的方法包括以下步骤：(1)污泥经过筛除杂处理后沉淀、离心浓缩，得到预处理污泥；(2)在预处理污泥中加入复合酶的母液，搅拌混合均匀，厌氧反应，纯化，得到所述污泥。本发明通过投加多种水解酶、酰胺合成酶和氨基转移酶组合形成的复合酶，能够实现组分复杂城市污水厂剩余污泥的快速水解，克服了传统污泥蛋白质提取方法水热和化学预处理能耗高、易产生抑制物质、蛋白质容易变性和引起二次污染等缺点，进一步提高污泥中蛋白质的提取率。

Description

一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法
技术领域
本发明涉及生物质固体废弃物处理处置技术领域，特别是涉及一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法。
背景技术
传统污泥处置方法包括：卫生填埋、焚烧、建材利用和土地利用等，但越来越难以适应日益严格的环境标准要求。而“资源化、无害化、节能降耗和低碳环保相结合”是污泥处理处置的基本原则，资源化利用仍是污泥处理处置的主要方向。
城市污水厂剩余污泥中含有大量原生动物、后生动物、细菌和藻类等，微生物单细胞蛋白质是污泥中含量最高的有机组分，是品质好、氨基酸种类齐全的高价值饲料，其含量占总质量的60％～70％，但尚未得到充分利用。以剩余污泥为原料，运用现代食品、生物加工技术，对污泥蛋白资源进行精细加工，生产出动物饲料添加剂，既可综合利用大宗蛋白质资源，避免和减少资源的浪费，提高剩余污泥的附加值；同时将蛋白应用于动物饲料中，又扩大了优质氨基酸的来源问题。因此，提取污泥中含量丰富的蛋白质作为饲料添加剂具有重要的现实意义。研究表明，污泥蛋白质产品中必需氨基酸含量高于3种常用的蛋白质饲料添加剂，非必需氨基酸在总质量中的占比也非常高。可见，污泥蛋白质在营养价值上有用作饲料添加剂的巨大潜力。
目前从污泥中提取蛋白质的方法主要有酸水解、碱水解法及其与超声波和热法联合处理技术等，这些技术都能够有效地提取蛋白质，但存在固定投资大、资金回收周期长、反应条件剧烈、对生产设备要求较高，易对环境造成二次污染等问题，且水解产物极易发生构型改变，从而造成水解产物成分极为复杂和蛋白特性变化，导致水解蛋白不能被生物体吸收利用，另外碱性水解易引起几种氨基酸结构变化或外消旋化。同时，水解产生的废水处理需要大量的酸碱，间接增加了处理成本。
但从总体来说，目前针对城市污水厂污泥进行饲料化应用，其蛋白质产率仍然较低，制约着污泥制备饲料添加剂资源化技术的大规模产业化。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法，以解决上述现有技术存在的问题，采用本发明的复合酶对污泥进行饲料化处理，不但可以提高污泥水解速率，而且能够促使水解产物中的酮酸类有机物转化为氨基酸，大幅提高污泥饲料化过程中的蛋白质提取率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种复合酶，包括以下质量百分比的组分：15～30％蛋白酶、15～30％淀粉酶、10～20％纤维素酶、5～15％酰胺合成酶、5～10％磷酸吡哆醛、10～15％转氨酶。
进一步地，所述蛋白酶包括碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶；所述碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶的质量比为1:1；所述酰胺合成酶包括天冬酰胺合成酶和谷氨酰胺合成酶；所述天冬酰胺合成酶和谷氨酰胺合成酶的质量比为1:1；所述转氨酶包括谷丙转氨酶、谷草转氨酶、谷氨酰胺转氨酶中的一种或多种。
本发明的技术方案之二：一种上述复合酶在污泥饲料化中的应用。
本发明的技术方案之三：一种促进污泥饲料化的方法，采用上述复合酶对污泥进行饲料化处理，得到饲料化污泥。
进一步地，所述的促进污泥饲料化的方法，包括以下步骤：
(1)污泥经过筛(60目)除杂处理后沉淀、离心浓缩，得到预处理污泥；
(2)在预处理污泥中加入复合酶的母液，搅拌混合均匀，厌氧反应，纯化，得到所述饲料化污泥。
进一步地，所述预处理污泥的质量浓度为1～5％。
污泥浓度是指含固率，污泥中大部分是水分，一般二沉池的剩余污泥浓度在0.5％左右，离心浓缩后在3％左右，根据离心力不同而定。
进一步地，所述复合酶的母液的制备具体包括：将复合酶溶解于水中，使复合酶的浓度为40～60g/L。
复合酶中多数酶的添加量较低，如磷酸吡哆醛，直接添加，在实际操作中很难准确控制投加量，所以选择该浓度范围比较合适。磷酸吡哆醛作为一种辅酶，在转氨酶反应中充当辅酶的角色。
进一步地，所述复合酶与预处理污泥(预处理完以后，污泥中仍超过90％上为水分)中的干污泥的质量比为1～10：1000。
进一步地，所述搅拌具体为：在150～250rmp的条件，搅拌1～2min，然后在100～150rmp的条件下，搅拌3～5min；所述厌氧反应的时间为1～3d，反应体系的pH值为6.5～8.0，反应温度为25～35℃。
采用盐酸和氢氧化钠溶液调节反应体系的pH值。
更进一步地，所述纯化具体为：将厌氧反应得到的污泥在3600r/min、15min的条件下离心获得蛋白质提取液，在pH＝5.5左右的条件下，采用等电点沉淀法对提取的蛋白质溶液进行沉淀处理；然后在转速为4000r/min，离心30min，对沉淀物进行离心处理；对离心后获得的沉淀物，在50℃下烘干48h，然后在干燥器中冷却制成蛋白质粗提取物(饲料化污泥)，得到的饲料化污泥可达到GB 13078-2017饲料卫生标准，直接作为饲料添加剂使用。
本发明的技术方案之四：一种上述促进污泥饲料化的方法制备的饲料化污泥。
本发明的技术方案之五：一种上述饲料化污泥在动物饲料添加剂的应用。
更进一步地，所述应用具体为：将饲料化污泥作为饲料添加剂添加到动物饲料中。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明的复合酶中的水解酶(蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶)，可以使污泥中的蛋白质和糖类化合物释放至液相中，并使糖类化合物分解为葡萄糖等小分子有机物，部分生成小分子有机酸，作为转氨酶的氨基酸作用碳架；而体系中的氨在酰胺合成酶的作用下，先合成天冬酰胺和谷氨酰胺等酰胺类化合物，然后在转氨酶的作用下，使酰胺中的氨基转移至酮酸类有机物中，使酮酸类有机物转化为对应的氨基酸类物质。使用本发明的复合酶，可使污泥的蛋白质产率提高20～30％，大大改善污泥的饲料化效果。
(2)本发明通过投加多种水解酶、酰胺合成酶和氨基转移酶组合形成的复合酶，能够实现组分复杂城市污水厂剩余污泥的快速水解，克服了传统污泥蛋白质提取方法水热和化学预处理能耗高、易产生抑制物质、蛋白质容易变性和引起二次污染等缺点。
(3)本发明能够将水解反应后产生的氨先转移至天冬酰胺和谷氨酰胺上，有效降低体系的氨浓度，促进水解进程的进行，同时再通过转氨酶的作用将酰胺上的氨基转移至酮酸类有机物上，使之转化为相应的氨基酸类物质，可使污泥饲料化过程中蛋白质产率提高20～30％。
(4)本发明具有操作简单、反应周期短、占地面积小和残渣排放少等优势，是一种非常有潜力和前景的污泥资源化处置方式。
(5)本发明的污泥饲料化的方法，不仅可以加快水解过程(水解酶作用)，还可以提高蛋白质的提取率；本发明主要通过酰胺合成酶使溶液中的氨转移至氨基酸上，生成酰胺，然后功过氨基转移酶，使酰胺上的氨基转移至酮糖的酮基上，生成新的氨基酸，提高蛋白质的含量；本发明制备得到的饲料化污泥可以作为饲料的添加剂使用，提高饲料的营养价值。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例所述的“份”均为“重量份”。
本发明以下实施例采用的酶均为商购所得，酶活力见表1。
表1
Figure BDA0003715814630000061
Figure BDA0003715814630000071
本发明以下实施例采用的污泥为上海市闵行区某污水处理厂取得剩余污泥(城市污水厂生物法处理过程中产生的二沉池的剩余污泥)。
污泥中的主要成分：
污泥中总有机质含量在0.5％左右；有机质中蛋白质含量约占65％，多糖约占10％。
本发明以下实施例及对比例，根据实际情况，采用盐酸或氢氧化钠调节pH。
实施例1
一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法：
(1)污泥过60目的筛子(过筛除杂)，然后沉淀、离心浓缩至污泥的质量浓度为1％，得到预处理污泥。
(2)在预处理污泥中加入复合酶的母液，使复合酶用量与预处理污泥中的干污泥的质量比为1:1000，然后在150rmp的条件搅拌2min，调整转速至100rmp，继续搅拌5min，使复合酶与污泥进行充分混合，得到混合物；
复合酶的母液的制备具体为：
按以下质量百分比称取各个酶：碱性蛋白酶10％、木瓜蛋白酶10％、淀粉酶30％、纤维素酶15％、天冬酰胺合成酶7.5％、谷氨酰胺合成酶7.5％、磷酸吡哆醛10％、谷草转氨酶10％，混合均匀，得到复合酶；
将复合酶溶解于蒸馏水中，使复合酶的浓度为40g/L，得到复合酶的母液。
(3)将混合物的pH调节至6.5，然后利用塑料对混合物进行密封处理进行厌氧反应，反应温度为25℃，反应1d后，得到厌氧反应污泥，在3600r/min、15min的条件下离心获得蛋白质提取液，在pH＝5.5左右的条件下，采用等电点沉淀法对提取的蛋白质溶液进行沉淀处理；然后在转速为4000r/min，离心30min，对沉淀物进行离心处理；对离心后获得的沉淀物，在50℃下烘干48h，然后在干燥器中冷却制成蛋白质粗提取物(饲料化污泥)，得到的饲料化污泥可达到GB 13078-2017饲料卫生标准，直接作为饲料添加剂使用。
测定饲料化污泥的蛋白质提取率上升至78.3％，较未添加复合酶的对照组提高了20％(仅添加相应的水解酶)。
蛋白质提取率＝蛋白质粗提物中的蛋白质含量/原污泥中总的蛋白质含量×100％。
以含固率为1％的污泥为例进行计算，污泥中的有机物以占污泥干重的50％计，1g污泥中有机物含量在1×1％×50％＝5mg，总的蛋白质含量为5×65％＝3.25mg，每克含固率为1％的预处理污泥中能提到2.545mg蛋白质，蛋白质提取率为78.3％。
实施例2
一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法：
(1)污泥过60目的筛子(过筛除杂)，然后沉淀、离心浓缩至污泥的质量浓度为3％，得到预处理污泥。
(2)在预处理污泥中加入复合酶的母液，使复合酶用量与预处理污泥中的干污泥的质量比为1:100，然后在250rmp的条件搅拌1min，调整转速至150rmp，继续搅拌3min，使复合酶与污泥进行充分混合，得到混合物；
复合酶的母液的制备具体为：
按以下质量百分比称取各个酶：碱性蛋白酶15％、木瓜蛋白酶15％、淀粉酶25％、纤维素酶20％、天冬酰胺合成酶2.5％、谷氨酰胺合成酶2.5％、磷酸吡哆醛5％、谷丙转氨酶5％、谷氨酰胺转氨酶5％、谷草转氨酶5％，混合均匀，得到复合酶；
将复合酶溶解于蒸馏水中，使复合酶的浓度为60g/L，得到复合酶的母液。
(3)将混合物的pH调节至7.5，然后利用塑料对混合物进行密封处理进行厌氧反应，反应温度为30℃，反应3d后，得到厌氧反应污泥，在3600r/min、15min的条件下离心获得蛋白质提取液，在pH＝5.5左右的条件下，采用等电点沉淀法对提取的蛋白质溶液进行沉淀处理；然后在转速为4000r/min，离心30min，对沉淀物进行离心处理；对离心后获得的沉淀物，在50℃下烘干48h，然后在干燥器中冷却制成蛋白质粗提取物(饲料化污泥)。
测定饲料化污泥的蛋白质提取率上升至81.5％，较未添加复合酶的对照组提高了30％。
实施例3
一种利用复合酶促进污泥饲料化的方法：
(1)污泥过60目的筛子(过筛除杂)，然后沉淀、离心浓缩至污泥的质量浓度为5％，得到预处理污泥。
(2)在预处理污泥中加入复合酶的母液，使复合酶用量与预处理污泥中的干污泥的质量比为1:200，然后在200rmp的条件搅拌1min，调整转速至150rmp，继续搅拌3min，使复合酶与污泥进行充分混合，得到混合物；
复合酶的母液的制备具体为：
按以下质量百分比称取各个酶：碱性蛋白酶12.5％、木瓜蛋白酶12.5％、淀粉酶20％、纤维素酶25％、天冬酰胺合成酶5％、谷氨酰胺合成酶5％、磷酸吡哆醛10％、谷丙转氨酶5％、谷氨酰胺转氨酶5％，混合均匀，得到复合酶；
将复合酶溶解于蒸馏水中，使复合酶的浓度为50g/L，得到复合酶的母液。
(3)将混合物的pH调节至8.0，然后利用塑料对混合物进行密封处理进行厌氧反应，反应温度为35℃，反应2d后，得到厌氧反应污泥，在3600r/min、15min的条件下离心获得蛋白质提取液，在pH＝5.5左右的条件下，采用等电点沉淀法对提取的蛋白质溶液进行沉淀处理；然后在转速为4000r/min，离心30min，对沉淀物进行离心处理；对离心后获得的沉淀物，在50℃下烘干48h，然后在干燥器中冷却制成蛋白质粗提取物(饲料化污泥)。
测定饲料化污泥的蛋白质提取率上升至79.8％，较未添加复合酶的对照组提高了25％。
对比例1
同实施例1，区别在于，复合酶中不含有天冬酰胺合成酶和谷氨酰胺合成酶。
测定饲料化污泥的蛋白质提取率仅为65.8％。
对比例2
同实施例2，区别在于，复合酶中不含有磷酸吡哆醛、谷丙转氨酶、谷氨酰胺转氨和谷草转氨酶。
测定饲料化污泥的蛋白质提取率仅为64.3％。
对比例3
同实施例3，区别在于，复合酶中不含有碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶。
测定饲料化污泥的蛋白质提取率仅为34.3％。
效果例1
经过复合酶处理后的污泥，采用等电点沉淀离心处理后获得的蛋白质沉淀物(实施例1～3)中，蛋白质的含量在70～80％，氨基酸含量较高，占粗蛋白质量的55～65％。人体和动物生长所需要的8种氨基酸均可以检测到，含量占沉淀物干重的20.5～22.5％，还检测出10种非必需氨基酸，占总沉淀物的19.5～20.5％左右。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种复合酶，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：15～30％蛋白酶、15～30％淀粉酶、10～20％纤维素酶、5～15％酰胺合成酶、5～10％磷酸吡哆醛、10～15％转氨酶；
所述蛋白酶为碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶；所述碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶的质量比为1:1；所述酰胺合成酶为天冬酰胺合成酶和谷氨酰胺合成酶；所述天冬酰胺合成酶和谷氨酰胺合成酶的质量比为1:1；所述转氨酶为谷丙转氨酶、谷草转氨酶、谷氨酰胺转氨酶中的一种或多种。
2.一种权利要求1所述的复合酶在污泥饲料化中的应用。
3.一种促进污泥饲料化的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的复合酶对污泥进行饲料化处理，得到饲料化污泥。
4.根据权利要求3所述的促进污泥饲料化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)污泥经过筛除杂处理后沉淀、离心浓缩，得到预处理污泥；
(2)在预处理污泥中加入复合酶的母液，搅拌混合均匀，厌氧反应，纯化，得到所述饲料化污泥；
所述复合酶的母液的制备具体包括：将复合酶溶解于水中，使复合酶的浓度为40～60g/L；所述复合酶与预处理污泥中的干污泥的质量比为1～10：1000。
5.根据权利要求4所述的促进污泥饲料化的方法，其特征在于，所述预处理污泥的质量浓度为1～5％。
6.根据权利要求4所述的促进污泥饲料化的方法，其特征在于，所述搅拌具体为：在150～250rmp的条件下，搅拌1～2min，然后在100～150rmp的条件下，搅拌3～5min；所述厌氧反应的时间为1～3d，反应体系的pH值为6.5～8.0，反应温度为25～35℃。
7.一种权利要求3～6任一项所述的促进污泥饲料化的方法制备的饲料化污泥。
8.一种权利要求7所述的饲料化污泥在制备动物饲料中的应用。
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