水熱或臭氧預(yù)處理有效降解油脂研究

為了緩解餐廚垃圾中大量未降解油脂包覆微生物，對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生嚴(yán)重抑制的問(wèn)題，本文采用水熱或臭氧預(yù)處理有效降解油脂，預(yù)處理進(jìn)行厭氧發(fā)酵.掃描電子顯微鏡和傅里葉變換-紅外光譜分析表明，經(jīng)過(guò)水熱或臭氧預(yù)處理后，厭氧發(fā)酵過(guò)程油脂降解程度提高.經(jīng)過(guò)臭氧預(yù)處理的火鍋廢油厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)率提升至（854.20±10.28）mL·g-1（每克有機(jī)質(zhì)干重所產(chǎn)生的甲烷量，以毫升計(jì)，下同），在第20 d達(dá)到產(chǎn)甲烷速率峰值（122.06±3.46）mL·g-1·d-1，較之未處理組達(dá)到甲烷峰值速率的時(shí)間縮短4 d，甲烷產(chǎn)率提升17.4%.總體能量轉(zhuǎn)化效率由未經(jīng)預(yù)處理的64.88%提升到臭氧預(yù)處理后的76.18%，說(shuō)明臭氧或水熱預(yù)處理可以促進(jìn)油脂的降解，并且提高產(chǎn)甲烷菌對(duì)底物的利用從而提高發(fā)酵產(chǎn)甲烷的效率，從而在一定程度上緩解目前工業(yè)生產(chǎn)中存在的油脂難以降解以及包裹厭氧微生物的問(wèn)題.

 1.實(shí)驗(yàn)材料與方法(Materials and methods)

1.1.發(fā)酵原料和特性

厭氧發(fā)酵使用的油脂有3種, 分別為中國(guó)餐廚垃圾中的典型油脂：火鍋油、燒烤油和川菜油.實(shí)驗(yàn)所用的油脂分別來(lái)源于浙江省杭州市的某火鍋店、燒烤店以及川菜館.油脂經(jīng)過(guò)過(guò)濾、除雜后存儲(chǔ)于4 ℃條件下.油脂的成分如表 1所示.3種油脂的成分各不相同, 用于研究預(yù)處理方式對(duì)于不同成分油脂降解以及厭氧發(fā)酵的影響.水分含量通過(guò)在105 ℃烘箱內(nèi)烘烤至質(zhì)量不變來(lái)測(cè)定, 有機(jī)質(zhì)及灰分含量通過(guò)在450 ℃馬弗爐內(nèi)灼燒2 h來(lái)測(cè)定(Lin et al., 2017).餐廚垃圾中的還原糖含量通過(guò)DNS法進(jìn)行測(cè)試, 蛋白質(zhì)和油脂成分分別采用Lowry以及萃取方法(Cheng et al., 2019b)進(jìn)行測(cè)試.工業(yè)分析, 元素分析以及熱值通過(guò)之前的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試(Cheng et al., 2019a).預(yù)處理后油脂固體底物的微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法包括SEM(臺(tái)式顯微鏡TM-1000, HITACHI)及FTIR (氣相色譜儀——傅里葉紅外光譜儀SGE/Agilent 6890/Nicolet 5700).

1.2  預(yù)處理方式及預(yù)處理油脂降解

3種廢棄油脂生物質(zhì)在發(fā)酵前, 采用的是水熱或臭氧預(yù)處理方式.5 g底物油脂和100 mL的稀氫氧化鈉溶液(2%V/V)加入水熱反應(yīng)釜(Parr 4500, 美國(guó))中, 密閉容器加熱至220 ℃恒溫并保持30 min.在臭氧預(yù)處理過(guò)程中, 使用的是純氧源臭氧發(fā)生器5 g的底物油脂加入發(fā)酵瓶中, 加入去離子水使總體積為100 mL.使用1 mol·L-1的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH為8.0.產(chǎn)生的臭氧通過(guò)長(zhǎng)鋼管道(180 mm × Φ 3 mm)導(dǎo)入417 mL的發(fā)酵瓶, 恒定流速為1 L·min-1.該實(shí)驗(yàn)的臭氧濃度設(shè)置為0.2 g-O3/g-TVS.此臭氧投加量源于已有研究中甘油三油酸酯臭氧投加量的合適量(Yue et al., 2020), 并且預(yù)實(shí)驗(yàn)也體現(xiàn)了相類(lèi)似的規(guī)律.

廢棄火鍋油脂、燒烤油脂和川菜油脂的主要油脂成分為甘油三酯, 包括甘油三油酸酯、甘油三硬脂酸酯、甘油三十六酸酯等.理論上1 mol甘油三酯大分子可以水解為1 mol甘油和3 mol大分子羧酸, 而水解出的甘油和羧酸部分可以用于發(fā)酵產(chǎn)生甲烷(Xia et al., 2014).以甘油三油酸酯為例, 相關(guān)的水解和反應(yīng)的原理式如式(1)所示(Dong et al., 2009).

長(zhǎng)鏈脂肪酸(如油酸、硬脂酸等)通過(guò)β-氧化途徑被逐步降解利用(Adeva-Andany et al., 2019), 利用的方式見(jiàn)式(2).

通過(guò)β-氧化的過(guò)程, 長(zhǎng)鏈脂肪酸每次脫下2個(gè)碳原子, 參與到產(chǎn)甲烷古菌的代謝過(guò)程中, 形成各種代謝產(chǎn)物.具有偶數(shù)碳鏈的長(zhǎng)鏈脂肪酸可以完全降解, 而具有奇數(shù)碳鏈的長(zhǎng)鏈脂肪酸然后剩余3個(gè)碳原子形成丙酸.在產(chǎn)甲烷過(guò)程乙酸和丁酸均可以作為底物被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)甲烷.

1.3 產(chǎn)甲烷接種物

發(fā)酵實(shí)驗(yàn)所用的產(chǎn)甲烷菌分離自中國(guó)浙江省杭州市杭州環(huán)境集團(tuán)甲烷發(fā)酵罐, 取分離后的500 mL活性污泥于1 L錐形瓶中, 在厭氧工作站(Whitley DG250, 美國(guó))中放置30 d消耗完原有有機(jī)質(zhì).之后將pH調(diào)整為8.0±0.1以抑制產(chǎn)氫細(xì)菌等雜菌.瓶中加入1.25 g纖維素, 置于厭氧工作站中富集培養(yǎng).14 d后即得到富集完成的產(chǎn)甲烷菌.經(jīng)過(guò)16S rRNA測(cè)定, 產(chǎn)甲烷菌的主要菌種為Methanosarcina和Methanothrix (Cheng et al., 2011).

1.4 發(fā)酵產(chǎn)甲烷方法

批次發(fā)酵產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn)在417 mL規(guī)格的發(fā)酵瓶中進(jìn)行.3組實(shí)驗(yàn)分別采用三重樣.取100 mL預(yù)處理之后的濁液(對(duì)應(yīng)5 g原始底物), 利用6 mol·L-1的鹽酸溶液和6 mol·L-1的氫氧化鈉溶液將發(fā)酵系統(tǒng)的pH調(diào)節(jié)為8.0±0.1, 之后按照底物TVS：產(chǎn)甲烷菌活性污泥TVS=1∶2(體積比)接種產(chǎn)甲烷菌污泥, 加入滅菌后的去離子水混合使總體積為300 mL, 隨后重新調(diào)節(jié)pH值為8.0±0.1.發(fā)酵瓶使用橡膠塞密封并以40 mL·min-1的流量通氮?dú)?0 min, 隨后置于恒溫水浴鍋中進(jìn)行厭氧發(fā)酵, 與1000 mL有機(jī)玻璃集氣槽連接用于收集產(chǎn)生的氣體.恒溫水浴溫度保持為(37.0±1.0) ℃.

1.5  分析測(cè)試方法

厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程產(chǎn)生的氣體主要為CO2和CH4兩種, 還混雜了N2、O2以及水蒸氣、H2S等雜質(zhì)氣體.生物氣成分利用帶有熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)的Agilent 7820A氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定.產(chǎn)氣的總體積通過(guò)集氣槽讀數(shù)與發(fā)酵瓶頂部空間氣體相加得到.甲烷發(fā)酵液中所含有的液相代謝產(chǎn)物(SMPs)的測(cè)定同樣采用氣相色譜法, 實(shí)驗(yàn)室所用的是同樣是帶有氫離子火焰檢測(cè)器(FID)的氣相色譜儀(型號(hào)：Agilent 7820A).

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的甲烷和二氧化碳的產(chǎn)量是根據(jù)實(shí)際發(fā)酵生物氣的產(chǎn)量以及甲烷和二氧化碳的濃度分別計(jì)算, 并且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力校正得到.甲烷產(chǎn)率是甲烷產(chǎn)量(mL)和底物的有機(jī)質(zhì)干重(g)的比值(Ding et al., 2017a).能量轉(zhuǎn)化效率定義為產(chǎn)生甲烷的能量與底物的能量之比(Ding et al., 2017a).

3種油脂臭氧/水熱預(yù)處理后厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程總能量轉(zhuǎn)化效率

2.結(jié)論(Conclusions)

本文以餐廚垃圾中典型油脂火鍋油脂、燒烤油脂、川菜油脂作為發(fā)酵底物, 分別將臭氧預(yù)處理以及水熱預(yù)處理的油脂用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷以提高能量轉(zhuǎn)化效率的實(shí)驗(yàn)研究.經(jīng)過(guò)臭氧或水熱預(yù)處理后, 火鍋油脂厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率分別達(dá)到了854.20 mL·g-1及779.72 mL·g-1, 整體能量轉(zhuǎn)化效率分別由64.88%提升至76.18%和69.53%.3種油脂發(fā)酵產(chǎn)甲烷呈現(xiàn)了相似的規(guī)律, 且臭氧優(yōu)于水熱預(yù)處理.這說(shuō)明油脂的臭氧及水熱預(yù)處理是一個(gè)能夠同時(shí)提高甲烷產(chǎn)率和能量轉(zhuǎn)化效率的很有效的方法, 能夠促進(jìn)底物降解, 緩解油脂對(duì)于菌群的包埋.更多的研究應(yīng)當(dāng)著眼于降低水熱及臭氧預(yù)處理能耗.