水熱或臭氧預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，對厭氧發酵產生嚴重抑制的問題，本文采用水熱或臭氧預處理有效降解油脂，預處理進行厭氧發酵.掃描電子顯微鏡和傅里葉變換-紅外光譜分析表明，經過水熱或臭氧預處理后，厭氧發酵過程油脂降解程度提高.經過臭氧預處理的火鍋廢油厭氧發酵甲烷產率提升至（854.20±10.28）mL·g-1（每克有機質干重所產生的甲烷量，以毫升計，下同），在第20 d達到產甲烷速率峰值（122.06±3.46）mL·g-1·d-1，較之未處理組達到甲烷峰值速率的時間縮短4 d，甲烷產率提升17.4%.總體能量轉化效率由未經預處理的64.88%提升到臭氧預處理后的76.18%，說明臭氧或水熱預處理可以促進油脂的降解，并且提高產甲烷菌對底物的利用從而提高發酵產甲烷的效率，從而在一定程度上緩解目前工業生產中存在的油脂難以降解以及包裹厭氧微生物的問題.

 1.實驗材料與方法(Materials and methods)

1.1.發酵原料和特性

厭氧發酵使用的油脂有3種, 分別為中國餐廚垃圾中的典型油脂：火鍋油、燒烤油和川菜油.實驗所用的油脂分別來源于浙江省杭州市的某火鍋店、燒烤店以及川菜館.油脂經過過濾、除雜后存儲于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, 用于研究預處理方式對于不同成分油脂降解以及厭氧發酵的影響.水分含量通過在105 ℃烘箱內烘烤至質量不變來測定, 有機質及灰分含量通過在450 ℃馬弗爐內灼燒2 h來測定(Lin et al., 2017).餐廚垃圾中的還原糖含量通過DNS法進行測試, 蛋白質和油脂成分分別采用Lowry以及萃取方法(Cheng et al., 2019b)進行測試.工業分析, 元素分析以及熱值通過之前的測試方法進行測試(Cheng et al., 2019a).預處理后油脂固體底物的微觀結構的測試方法包括SEM(臺式顯微鏡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  預處理方式及預處理油脂降解

3種廢棄油脂生物質在發酵前, 采用的是水熱或臭氧預處理方式.5 g底物油脂和100 mL的稀氫氧化鈉溶液(2%V/V)加入水熱反應釜(Parr 4500, 美國)中, 密閉容器加熱至220 ℃恒溫并保持30 min.在臭氧預處理過程中, 使用的是純氧源臭氧發生器5 g的底物油脂加入發酵瓶中, 加入去離子水使總體積為100 mL.使用1 mol·L-1的NaOH溶液調節pH為8.0.產生的臭氧通過長鋼管道(180 mm × Φ 3 mm)導入417 mL的發酵瓶, 恒定流速為1 L·min-1.該實驗的臭氧濃度設置為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), 并且預實驗也體現了相類似的規律.

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酵產生甲烷(Xia et al., 2014).以甘油三油酸酯為例, 相關的水解和反應的原理式如式(1)所示(Dong et al., 2009).

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

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

1.3 產甲烷接種物

發酵實驗所用的產甲烷菌分離自中國浙江省杭州市杭州環境集團甲烷發酵罐, 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)中放置30 d消耗完原有有機質.之后將pH調整為8.0±0.1以抑制產氫細菌等雜菌.瓶中加入1.25 g纖維素, 置于厭氧工作站中富集培養.14 d后即得到富集完成的產甲烷菌.經過16S rRNA測定, 產甲烷菌的主要菌種為Methanosarcina和Methanothrix (Cheng et al., 2011).

1.4 發酵產甲烷方法

批次發酵產甲烷的實驗在417 mL規格的發酵瓶中進行.3組實驗分別采用三重樣.取100 mL預處理之后的濁液(對應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酵系統的pH調節為8.0±0.1, 之后按照底物TVS：產甲烷菌活性污泥TVS=1∶2(體積比)接種產甲烷菌污泥, 加入滅菌后的去離子水混合使總體積為300 mL, 隨后重新調節pH值為8.0±0.1.發酵瓶使用橡膠塞密封并以40 mL·min-1的流量通氮氣10 min, 隨后置于恒溫水浴鍋中進行厭氧發酵, 與1000 mL有機玻璃集氣槽連接用于收集產生的氣體.恒溫水浴溫度保持為(37.0±1.0) ℃.

1.5  分析測試方法

厭氧發酵產甲烷過程產生的氣體主要為CO2和CH4兩種, 還混雜了N2、O2以及水蒸氣、H2S等雜質氣體.生物氣成分利用帶有熱導檢測器(TCD)的Agilent 7820A氣相色譜儀進行測定.產氣的總體積通過集氣槽讀數與發酵瓶頂部空間氣體相加得到.甲烷發酵液中所含有的液相代謝產物(SMPs)的測定同樣采用氣相色譜法, 實驗室所用的是同樣是帶有氫離子火焰檢測器(FID)的氣相色譜儀(型號：Agilent 7820A).

實驗過程中得到的甲烷和二氧化碳的產量是根據實際發酵生物氣的產量以及甲烷和二氧化碳的濃度分別計算, 并且根據標準溫度和壓力校正得到.甲烷產率是甲烷產量(mL)和底物的有機質干重(g)的比值(Ding et al., 2017a).能量轉化效率定義為產生甲烷的能量與底物的能量之比(Ding et al., 2017a).

3種油脂臭氧/水熱預處理后厭氧發酵產甲烷過程總能量轉化效率

2.結論(Conclusions)

本文以餐廚垃圾中典型油脂火鍋油脂、燒烤油脂、川菜油脂作為發酵底物, 分別將臭氧預處理以及水熱預處理的油脂用于厭氧發酵產甲烷以提高能量轉化效率的實驗研究.經過臭氧或水熱預處理后, 火鍋油脂厭氧發酵的甲烷產率分別達到了854.20 mL·g-1及779.72 mL·g-1, 整體能量轉化效率分別由64.88%提升至76.18%和69.53%.3種油脂發酵產甲烷呈現了相似的規律, 且臭氧優于水熱預處理.這說明油脂的臭氧及水熱預處理是一個能夠同時提高甲烷產率和能量轉化效率的很有效的方法, 能夠促進底物降解, 緩解油脂對于菌群的包埋.更多的研究應當著眼于降低水熱及臭氧預處理能耗.