我国啤酒工业面临的主要环境污染及对策

我国啤酒工业面临的主要环境污染及对策

0啤酒副产物处理随着人民生活水平的提高，中国啤酒工业得到了很大发展，其产量逐年增长，成为世界第二大啤酒生产国。但是在啤酒产量大幅度提高的同时,也向环境中排放了大量的副产物,不仅污染环境,还造成很大的浪费。如何既有效地处理啤酒副产物,已成为啤酒生产的一项重要研究内容。另外由于这些有机物质多来自于啤酒生产原料,如果抛弃不用就是对资源的巨大浪费,在粮食资源、及水资源紧张的今天,我们更要节约资源,充分利用废水中的有用资源,更好的服务于创建节约型社会。本文根据前人的研究成果及本人做淡色啤酒实验的经验,综述了啤酒生产中的废水、废酵母,啤酒糟,CO2等副产物的处理及回收利用的方法,为创建效益资源型社会提供一定的借鉴。1啤酒废水的处理据统计,每生产1t啤酒需要10t~30t新鲜水,相应地产生10t~20t废水。我国现在每年排放的啤酒废水已达1.5×108t。由于废水中含有大量的有机物质如:蛋白质、脂肪、纤维、碳水化合物、酒花残渣等有机无毒成分,排入天然水体后将消耗水中的溶解氧,既造成水体缺氧,还能促使水底沉积化合物的厌氧分解,产生臭气,恶化水质。啤酒废酵母是啤酒发酵的副产物,现代大罐发酵其酵母产量约为啤酒产量的0.2%~0.3%(干基质量分数),排放的废酵母泥中蛋白质的含量可达45%~70%。若不经过处理排放入环境中,会造成COD的污染负荷。啤酒糟是啤酒工业的主要副产物(占副产物的80%以上),其蛋白质质量分数为23%~30%(干计),是一种很好的蛋白质资源。但若直接倾倒在环境中,会造成大量纤维素皮壳降解缓慢,杂菌重生,臭气熏天,污染环境,同时使蛋白质资源极大浪费。CO2是啤酒发酵的一项重要副产物。在主发酵过程中,CO2大量集中地排放出来,每吨啤酒在发酵过程中可产生约20kg的CO2,不仅量大,而且质量好。CO2的排放不仅会对环境造成影响,而且也是资源的一种极大浪费,因为啤酒生产过程又需要消耗大量的CO2。因此CO2的回收利用有可观的经济效益和环境效益。2处理和充分利用啤酒发酵废物2.1啤酒工业废水啤酒生产工艺流程包括制麦和酿造两部分,二者均有冷却水产生,约占啤酒厂总排水量的65%,水质较好,可循环用于浸洗麦工序。中、高污染负荷的废水主要来自制麦中的浸麦工序和酿造中的糖化、发酵、过滤、包装工序,其化学需氧量在500~40000mg.L-1之间,除了包装工序的废水连续排放以外,其它废水均以间歇方式排放。啤酒工业中总排水属于中、高浓度的有机废水,呈酸性,pH值为4.5~6.5,其中的主要污染因子是化学需氧量(CODcr)、生化需氧量(BOD5)和悬浮物(SS),浓度分别为1000~1500,500~1000和220~440mg.L-1。啤酒废水的可生化性(BOD5/CODcr)较大,为0.4~0.6,因此很多治理技术的主体部分是生化处理。2.1.1啤酒废水的有机物处理好氧生物处理是在氧气充足的条件下,利用好氧微生物的生命活动氧化啤酒废水中的有机物,其产物是二氧化碳、水及能量(释放于水中)。这类方法没有考虑到废水中有机物的利用问题,因此处理成本较高。活性污泥法、生物膜法、深井曝气法是较有代表性的好氧生物处理方法。2.1.1.啤酒废水预处理该处理工艺的主要部分是曝气池和沉淀池.废水进入曝气池后,与活性污泥混合,在人工充氧的条件下,活性污泥吸附并氧化分解废水中的有机物,而污泥和水的分离则由沉淀池来完成。进水CODcr为1200mg.L-1~1500mg.L-1时,出水CODcr可降至50mg.L-1~100mg.L-1,去除率为92%~96%。活性污泥法处理啤酒废水的缺点是动力消耗大,处理中常出现污泥膨胀。污泥膨胀的原因是啤酒废水中碳水化合物含量过高,而N,P,Fe等营养物质缺乏,各营养成分比例失调,导致微生物不能正常生长而死亡。解决的办法是加入含N,P的化学药剂,但这将使处理成本提高。而较为经济的方法是把生活污水(其中N,P浓度较大)和啤酒废水混合。间歇式活性污泥法(SBR)通过间歇曝气可以使动力耗费显著降低,同时,废水处理时间也短于普通活性污泥法。SBR法对废水的稀释程度低,反应基质浓度高,吸附和反应速率都较大,因而能在较短时间内使污泥获得再生[6,12]。2.1.1.增设下降管和固液分离装置深井曝气实际上是以地下深井作为曝气池的活性污泥法,曝气池由下降管以及上升管组成。将废水和污泥引入下降管,在井内循环,空气注入下降管或同时注入两管中,混合液则由上升管排至固液分离装置,即废水循环是靠上升管和下降管的静水压力差进行的。其优点是:占地面积少,效能高,对氧的利用率大,无恶臭产生等。深井曝气也有不足之处,如施工难度大,造价高,防渗漏技术不过关等。2.1.1.生物接触氧化池与活性污泥法不同,生物膜法是在处理池内加入软性填料,利用固着生长于填料表面的微生物对废水进行处理,不会出现污泥膨胀的问题.生物接触氧化池和生物转盘是这类方法的代表,在啤酒废水治理中均被采用,主要是降低啤酒废水中的BOD5生物接触氧化池是在微生物固着生长的同时,加以人工曝气这种方法可以得到很高的生物固体浓度和较高的有机负荷,因此处理效率高,占地面积也小于活性污泥法。在此基础上,改常压曝气为加压曝气(P=0.25~0.30MPa),目的在于强化氧的性质,有效提高废水中的溶解氧浓度,以满足中、高浓度废水中微生物和有机物氧化分解的需要。生物转盘是较早用以处理啤酒废水的方法。它主要由盘片、氧化槽、转动轴和驱动装置等部分组成,依靠盘片的转动来实现废水与盘上生物膜的接触和充氧.该法运转稳定、动力消耗少,但低温对运行影响大,在处理高浓度废水时需增加转盘组数。2.1.2高能耗的厌氧污泥床uasb厌氧生物处理适用于高浓度有机废水(CODcr>2000mg.L-1,BOD5>1000mg.L-1)。它是在无氧条件下,靠厌气细菌的作用分解有机物。在这一过程中,参加生物降解的有机基质有50%~90%转化为沼气(甲烷),而发酵后的剩余物又可作为优质肥料和饲料。因此,啤酒废水的厌氧生物处理受到了越来越多的关注。厌氧生物处理包括多种方法,但以升流式厌氧污泥床(UASB)技术在啤酒废水的治理方面应用最为成熟。UASB的主要组成部分是反应器,其底部为絮凝和沉淀性能良好的厌氧污泥构成的污泥床,上部设置了一个专用的气-液-固分离系统(三相分离室)。废水从反应器底部加入,在上向流、穿过生物颗粒组成的污泥床时得到降解,同时生成沼气(气泡)。气、液、固(悬浮污泥颗粒)一同升入三相分离室,气体被收集在气罩里,而污泥颗粒受重力作用下沉至反应器底部,水则经出流堰排出。在UASB启动阶段,保持进水碱度不低于1000mg.L对于颗粒污泥的培养和反应器在高负荷下的良好运行,应该指出的是,啤酒废水中的乙醇是一种有效的颗粒化促进剂,它为UASB的成功运行提供了十分有利的条件。总之,UASB具有效能高,处理费用低,电耗省,投资少,占地面积小等一系列优点,完全适用于高浓度啤酒废水的治理。其不足之处是出水CODcr的浓度仍达500mg.L左右,需进行再处理或与好氧处理串联才能达标排放。2.1.3啤酒废水回用法废水的土地利用在国内外都有悠久的历史。其目的不单纯是废水农田灌溉,而是根据生态学原理,在充分利用水资源的同时,科学地运用土壤-植物系统的净化功能,使该系统起到废水的二、三级处理作用.废水的土地利用一般有快速渗滤和地表漫流两种方法。啤酒废水经过土地利用系统后,水质明显改善,能够达到农田灌溉水质标准(GB5084-85)的要求;同时又可节省水源,增加农田土壤的有机质含量,提高农作物产量。其经济效益在干旱地区更能得到体现。啤酒废水中有机碳含量丰富,氮、磷的含量也有一定水平,可以为植物生长提供必要的营养物质。近年来,一些学者利用啤酒废水对普通丝瓜(Luffacyclindrica)、多花黑麦草(Loliummultiflorum)、水雍菜(Ipomoeaaquatica)、金针菜(Hemerocallisfulva)等植物进行水培试验,发现这些植物长势良好并能完成其生活史,既创造了经济效益,同时又显著降低了废水中多种污染物的浓度。2.2啤酒酵母的营养啤酒酵母属真菌,是单细胞微生物,细胞呈圆形或椭圆形,直径为5μm~10μm。啤酒酵母的细胞含水份为75%~80%左右,除水之外,酵母的主要成分是蛋白质、核酸、B族维生素和矿物质元素等成分。啤酒废酵母含有丰富的蛋白质。干燥酵母的蛋白质含量达50%左右,并且富含人体必需的8种氨基酸,特别是谷物蛋白中含量较少的赖氨酸含量较高。啤酒酵母中的氨基酸组成比例接近联合国粮农组织(FAO)推荐的理想氨基酸组成值,所以它的营养价值很高。啤酒酵母中的B族维生素的含量很丰富。啤酒酵母中还含有麦甾醇。该物质受到紫外线照射可转变成维生素D。所以可用紫外线照射啤酒酵母制取维生素D,啤酒酵母中还含有丰富的人体必需的微量元素。如磷、铁、钙、镁、锌、锰、硒、铬等。铬元素和维生素B2结合的化合物能维持人体正常血糖值,硒可以保护心脏,抑制心血管病的发生和发展,防止克山病和关节炎,尤其可以防止癌症。啤酒酵母易富集硒元素,可以特殊工艺来制取硒酵母,添加到食品中去作为补充微量元素硒的来源。2.2.1充填液的制备酵母抽提物作为天然调味料的一大品系,含有多种氨基酸、核音酸、肽类化合物、维生素及微量元素等,营养丰富,滋味鲜美,肉香味浓郁而持久,集调味与营养两大功能于一体,是味精及植物水解蛋白所无法比拟的。酵母抽提物添加到各类食品中,具有独特的调味效果,能很好地改善产品风味,提高产品质量。2.2.2可加入0.5%1.0%的啤酒酵母香肠、火腿、汉堡包等肉制品加工时,添加1%~3%的啤酒酵母,由于蛋白质和脂肪作用,粘着性明显改善,防止水份分离,可减少汉堡包的缩小现象。酵母的鲜味,使肉制品风味更加鲜美。普通的强化面包及糕点在和面时添加3%~7%的啤酒酵母,可提高面团的质量,改善延展性,并易于操作;若加入0.5%~1.0%,面团性质即发生明显的改善,同时添加Vc,可缩短醒面时间,改善面包的组织;这种效果是由酵母所含半胱氨酸及谷酞甘肽作用的结果。汤料、乳酪、调味料在加工时,酌加2%~5%的啤酒酵母,能增加稠度,使乳化稳定,粘度增加。芥茉酱等调味料添加5%~15%的啤酒酵母,可增加产品的鲜度和质量。我国近年来进行了利用啤酒废酵母制造超鲜酱油技术的开发,并已获得成功。该项目利用啤酒酵母,采用先进工艺制成色、香、味具佳的超鲜调味料,为啤酒废酵母的应用开辟了一条新途径。采用此工艺,每吨酵母泥(含水80%)可以制成2.5×103kg~3.5×103kg酱油,产品含15种以上的氨基酸、呈味核苷酸和维生素等,营养丰富,味道鲜美。此技术总转化率高、工艺先进、投资少、产出多、效益大、不用粮、见效快、实用性强、有明显的经济效益和社会效益,因而是一项适合我国国情的好技术。2.2.3啤酒废水母活性拟广泛应用于医药行业目前利用啤酒酵母在生物制药工业中,已开发的产品主要是核酸核苷类药物、果糖二磷酸钠和谷胱甘肽等。2.2.3.核酸和核苷的降解啤酒酵母中含有丰富的核糖核酸(RNA),它主要包含在细胞质内,含量达4.5%~8.3%。提取核酸的关键在于细胞破壁,一般常用的是稀碱法、浓缩法、溶菌酶或蛋白酶法进行破壁,使核酸释放出来后,除去杂质,纯化干燥得到成品。核酸进一步降解,可以得到核苷酸,目前常用的是酶降解法或碱降解法。酶法降解主要生成5--核苷酸,核酸降解率在70%左右,生产较稳定可靠。碱法降解核酸生成2,3--核苷酸,降解率可达90%。核苷酸脱去磷酸根即成核苷。核苷可由核苷酸或核酸降解制取。目前工业上常采用酵母自溶或加酶降解的方法。其产品实际上是酵母自溶产物和核苷的混合体,核苷含量在5%以上。核酸和核苷类药物具有扩张末端血管、增加血红蛋白的浓度、增加红血球数、白血球数、减轻浮肿和抗病毒等作用。2.2.3.糖二磷酸钠的合成果糖二磷酸钠(简称FDP),是人体代谢的一种活性生化物质。可作为恢复和改善细胞代谢的分子水平药物。FDP药物可供静脉注射,能显著改善心脏机能、缓和冠状动脉阻塞、用作心肌梗塞、心功能不全、心肌缺血发作、休克等症的急救良药。从啤酒露天罐排出的鲜酵母泥,先用生理盐水洗涤数次,以除去酵母中的杂质。然后对酵母细胞进行破壁,破壁后的酵母即可投入酶反应釜进行反应。原料糖类和磷酸盐在一定条件下,在啤酒酵母的活性酶作用下发生生物合成反应,逐步生成果糖二磷酸钠。反应液经过过滤,除蛋白,再经离子交换柱纯化分离,进行真空浓缩、脱色,用酒精结晶、洗涤、烘于即可得到果糖二磷酸钠的成品,该法生产的成品纯度高,可达98%以上。以上酵母泥的计算得率在5%以上,产品进一步加工即成果糖二磷酸钠的成品。2.2.3.谷胱肽保肝药谷胱甘肽(由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸构成的三肽)具有参加肝细胞内的氧化还原反应及对SH酶的激活和提高Fe++酶活性作用,它作为肝脏病与药物中毒的治疗己经商品化。日本朝日啤酒公司在啤酒酵母中注入谷甘肽合成酶基因(GSH-l),并控制培养条件,每单位重量的干燥菌体可以6%的高得率生产谷胱甘肽保肝药。此类技术的特点是收益高,如5--核苷酸在日本及东南亚售价为100万美元吨左右,但技术含量高,工艺要求严格,投资大,风险也较大。日本有20%的废啤酒酵母回收后制作生化药品,如ABI03,谷胱肽保肝药等。我国近年来也有一些研究和报道。2.3蛋白质资源啤酒糟是啤酒工业的主要副产物(占副产物的80%以上),其蛋白质质量分数为23%~30%(干计),是一种很好的蛋白质资源。在发达国家啤酒糟的利用得到高度重视,一般采用生物技术将啤酒糟开发出多种产品。2.3.1复合氨基酸和短肽以啤酒糟为主要原料(添加其他辅料和啤酒废酵母),采用多菌种混合发酵生物工程技术,利用微生物体内的纤维素酶、淀粉酶将原料中的纤维素和淀粉降解成能被微生物吸收利用的单糖,使之生长发育,再分泌多种蛋白酶,将原料中蛋白质降解成可溶性游离的复合氨基酸和短肽。可将其配制成营养饮料、调味品,也可制成固体的复合氨基酸粉添加到各种食品、饲料、化妆品、洗涤剂等中。2.3.2啤酒糟的蛋白质生产以啤酒糟为主要原料,采用曲霉和酵母菌混合发酵技术,使微生物体内的各种酶系协同作用。首先是曲霉将啤酒糟中禽畜不易消化吸收的成分转化成单糖和各种氨基酸,然后酵母菌利用以上的糖类和氨基酸合成营养价值高、适口性好的蛋白饲料。从而大幅度提高啤酒糟的蛋白质含量,降低粗纤维含量改善了啤酒糟的品质,增加了饲料的利用率和消化率。2.3.3cmc酶的测定以啤酒糟为主要原料添加适量