生產葡糖淀粉酶和/或蛋白酶的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通過發酵有機廢棄物來生產葡糖淀粉酶和/或蛋白酶的系統和方法。
【背景技術】
[0002] 有機廢棄物，尤其是食物廢棄物一直是許多發達國家如美國、英國、日本和韓國的 普遍問題。這一問題也在許多亞洲城市中非常嚴重。尤其是在人口稠密的城市如香港，這 是因為可用作垃圾填埋的地方很有限。
[0003] 以香港為例，每天產生約3584噸的食物廢棄物。這些食物廢棄物中三分之一來源 于商業和工業部門，其余來自家居。統計數據顯示，食物廢棄物占香港產生的都市固體廢棄 物總量的約40%。
[0004] 通常的有機廢棄物，尤其是食物廢棄物對環境管理構成巨大挑戰的原因有很多。 首先，合適的垃圾填埋場逐漸耗盡。其次，由于高含水量和可能產生二噁英，不適合焚燒處 理食物廢棄物。二噁英在某些動物中是致癌和致畸的。再次，通過傳統處理方法處理食物 廢棄物常會導致其它類型的污染。
[0005]回收可能是減輕食物廢棄物填埋負擔的一種方式。然而，傳統的食物廢棄物的回 收方法包括用于生產動物飼料和肥料。然而，當用于生產肥料和動物飼料時，使食物廢棄物 脫鹽往往產生大量的廢水，這將導致進一步的衛生問題。
[0006] 本發明的意圖通過將有機廢棄物和特定的食物廢棄物轉化為有用的產物而不造 成難以管理的問題。
【發明內容】
[0007] 根據本發明的第一個方面，本發明提供了一種生產葡糖淀粉酶和/或蛋白酶的系 統，其包括填充床固態發酵生物反應器，在該生物反應器中有機廢棄物作為發酵底物，該系 統提供了用于控制發酵底物含水量的噴嘴，用于供給空氣使空氣穿過生物反應器的發酵底 物填充床的裝置，用于分析生物反應器中氣體含量的裝置，用于監測生物反應器中溫度的 裝置，用于控制生物反應器溫度的裝置，可獲得生物反應器中樣品的孔以及用于從生物反 應器中收集酶溶液的裝置，酶溶液包含葡糖淀粉酶和/或蛋白酶。
[0008] 優選地，生物反應器可接收作為發酵劑的泡盛曲霉（Aspergillusawamori)和米 曲霉（Aspergillusoryzae)中的至少一種。
[0009] 發酵底物可以是烘焙廢棄物。烘焙廢棄物可包括面包廢棄物、蛋糕廢棄物和糕點 廢棄物中的至少一種。
[0010] 在一個實施方式中，噴嘴可適用于將滅菌水引入所述生物反應器中。噴嘴可布 置在所述生物反應器的頂部區域。噴嘴可適于保持生物反應器中的發酵底物的含水量在 60-80wt%。例如，65-70wt%。
[0011] 在一個實施方式中，空氣供給裝置可以包括過濾裝置，以防止污染。空氣供給裝置 可適用于從生物反應器的底部區域引入過濾的空氣。
[0012] 系統可以包括用于接收排出生物反應器的空氣的裝置。空氣接收裝置可以被連接 到空氣分析裝置上，并在空氣分析裝置的上游。系統可以包括處于生物反應器的頂部區域 將空氣排出至空氣接收裝置的出口。
[0013] 空氣供給裝置可適于將空氣引入生物反應器之前使空氣潮濕。
[0014] 合適地，溫度控制裝置可以是水套的形式，以去除在系統操作期間產生的熱量。
[0015] 有利地，生物反應器可以提供使酶溶液排出的孔。該孔可布置在所述生物反應器 的底部區域。
[0016] 系統產生的蛋白酶可包括絲氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶和金 屬蛋白酶中的至少一種。
[0017] 優選地，發酵反應器可以是圓柱形輪廓，圍成容納發酵底物的腔。
[0018] 在一個實施方式中，可以于發酵反應器的側壁橫向延伸多個平臺部件，且部件相 互間隔放置，平臺部件用于支撐發酵底物。
[0019] 根據本發明的第二個方面，本發明提供了一種生產葡糖淀粉酶和/或蛋白酶的方 法，其包括以下步驟：提供圓柱體填充床固態發酵生物反應器，提供有機廢棄物作為用于在 生物反應器中使用的發酵底物，提供生物反應器中的平臺部件并且該部件從生物反應器的 側壁橫向延伸，平臺部件支撐發酵底物并彼此間隔放置，在生物反應器中引入泡盛曲霉和 米曲霉以用于生產作為生物催化劑的酶，該生物催化劑用于有機廢棄物的固態發酵，并且 提供用于控制發酵底物含水量的噴嘴。
【附圖說明】
[0020] 本發明的一些實施方式將在下面參考附圖進行說明，其中：
[0021] 圖1是本發明的發酵生物反應器的一個實施方式的照片；
[0022] 圖2示出了本發明的發酵生物反應器的一個實施方式的內部結構；
[0023] 圖3是圖2的發酵生物反應器的不同組件的示意圖；
[0024]圖4是一個試驗中泡盛曲霉的葡糖淀粉酶活性（來自發酵底物的樣品）與發酵時 間的關系的曲線圖；
[0025]圖5是一個試驗中米曲霉的蛋白酶活性（來自發酵底物的樣品）與發酵時間的關 系的曲線圖；
[0026]圖6是一個試驗中葡糖淀粉酶活性（來自發酵底物的樣品）與反應pH值的關系 的曲線圖；
[0027]圖7是一個試驗中葡糖淀粉酶活性（來自發酵底物的樣品）與反應溫度的關系的 曲線圖；
[0028]圖8是一個試驗中發酵過程中葡糖淀粉酶的熱穩定性與時間的關系的曲線圖；
[0029]圖9是一個試驗中發酵過程中葡萄糖濃度與消化時間的關系的曲線圖；
[0030]圖10是一個試驗中發酵過程中自由氨基氮（FAN)與消化時間的關系的曲線圖；
[0031]圖11是一個試驗中混合酶溶液環境中作為酶解結果的葡萄糖濃度與消化時間的 關系的曲線圖；
[0032]圖12是一個試驗中食物廢棄物的發酵過程中葡萄糖產量與消化時間的關系的曲 線圖；
[0033]圖13是在試驗中分別僅使用泡盛曲霉，使用泡盛曲霉和米曲霉，食物廢棄物的發 酵過程中葡萄糖產量與消化時間的關系的曲線圖；和
[0034] 圖14是在發酵試驗中分別在I. 6vvm和I.Ovvm的空氣流中葡糖淀粉酶活性與時 間的關系的曲線圖。
[0035] 圖15是一個實施方式的反應器的示意圖。
[0036] 圖16A顯不了一個實施方式的反應器的左視圖不意圖，圖16B顯不了一個實施方 式的反應器的右視圖示意圖。
[0037] 圖17A是一個實施方式的反應器的橫截面示意圖；圖17B是具有溫度探測口和取 樣口的一個實施方式的反應器的橫截面示意圖。
[0038] 圖18A是一個實施方式的反應器的頂板示意圖，圖18B是一個實施方式的反應器 的底板不意圖。
【具體實施方式】
[0039]本發明在發酵生物反應器中通過發酵將有機廢棄物，尤其是食物廢棄物轉化為有 價值的蛋白酶和/或葡糖淀粉酶。
[0040] 盡管可以使用不同的有機廢棄物，但本發明的研究顯示，食物廢棄物通常可有效 用于生產蛋白酶和/或葡糖淀粉酶。在【具體實施方式】中，在不同的食物廢棄物中，發現烘 焙廢棄物特別適合用于本發明的填充床固態發酵的底物。在研究過程中發現，烘焙廢棄物 是高碳水化合物并且具有適當含量的其它營養物質，它們在發酵過程中可以支持微生物生 長，并因此產生蛋白酶和/或葡糖淀粉酶。可知，在食物廢棄物的發酵和水解過程中，葡糖 淀粉酶和蛋白酶這些酶被分泌出以用于底物消化，并以支持真菌生長。這些酶是有用的，因 為葡糖淀粉酶和蛋白酶是工業酶中使用最廣泛的酶，其可應用于如皮革、釀造、紡織品、紙、 蒸餾、食物加工、制藥、廢棄物分解、洗滌劑等工業。產生的酶可應用于富含營養物質的水解 產物的生產，然后用微生物發酵水解產物，以制造化學物質如生物乙醇、琥珀酸、聚羥基丁 酸酯（PHB)等。通過固態發酵不但可以消耗食物廢棄物，而且產生了各種增值產物，可以減 少對石油副產物的依賴。
[0041] 烘焙廢棄物包括蛋糕、面包和糕點，其都可以用作固態發酵的底物。在本發明的優 選實施方式中，所選擇的微生物是兩種真菌：泡盛曲霉和米曲霉。
[0042] 首先在培養皿中單獨地使用三種底物進行生產蛋白酶和葡糖淀粉酶的預試驗。然 后選擇獲得最高酶活性的最佳底物，以用于比例放大的發酵過程，用于在固態發酵生物反 應器中生產混合酶的溶液。每天進行酶提取物的取樣。葡糖淀粉酶和蛋白酶的活性分別通 過葡糖淀粉酶和蛋白酶分析來測定。分別使用AnaloxGL6葡萄糖分析儀和茚三酮比色法 分析葡糖淀粉酶和蛋白酶。
[0043]值得注意的是，