廢棄食用油脂中溫厭氧發(fā)酵特性研究

李　凜， 張云飛， 李　強， 鄧雅月， 鄧　宇， 尹小波， 賀 靜

(1. 成都理工大學 材化院生物工程系，成都　610059； 2. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都　610041)

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廢棄食用油脂中溫厭氧發(fā)酵特性研究

李凜1， 張云飛2， 李強2， 鄧雅月2， 鄧宇2， 尹小波2， 賀 靜2

(1. 成都理工大學 材化院生物工程系，成都610059； 2. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都610041)

為了研究廢棄食用油脂中溫厭氧發(fā)酵特性，對廢棄食用油脂進行了中溫35 ℃±1 ℃批式發(fā)酵，主要考察了不同原料與接種物比(F/I)和碳氮比(C/N)條件下，甲烷產(chǎn)量和FVA的變化情況，并運用修正的 Gompertz 模型對其產(chǎn)氣模型進行動力學擬合。實驗結果表明，在中溫條件下，F(xiàn)/I比值為1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 時，廢棄油脂都能較好地進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量分別為737，418，342 和300 mL·g-1TS。采用修正 Gompertz 模型分別對1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 實驗組產(chǎn)甲烷曲線進行擬合，得到產(chǎn)甲烷潛力分別為 823.68，461.12，379.43 和339.20 mL·g-1TS，最大產(chǎn)甲烷速率分別為 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL ·d-1g-1TS 。C/N值為28∶1，14∶1，7∶1和4∶1時，隨著C/N減小最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量不斷增大，分別為185，308，395 和460 mL·g-1TS。

廢棄食用油脂； 厭氧發(fā)酵； Gompertz 模型

廢棄食用油脂主要是指在食品加工產(chǎn)業(yè)和餐飲業(yè)中產(chǎn)生的不可再食用油脂。隨著社會的不斷發(fā)展，人們生活水平隨之提高，廢棄食用油脂的產(chǎn)生量也在逐年上漲。我國每年的產(chǎn)生的廢棄食用油脂約在400～800萬t，合理的處置和利用廢棄油脂對于改善生態(tài)環(huán)境、緩解能源危機、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面都將起到推動作用[1]。采用廢棄油脂產(chǎn)甲烷，不僅實現(xiàn)廢棄物資源化，化解日益緊張的能源供需矛盾，而且可以有效解決有機廢物造成的環(huán)境污染等問題[2]。

國外由于飲食習慣不同，他們的廢棄油脂包括脂肪(fat)，油(oil)，油脂(grease)，簡稱FOG。FOG的來源主要是含油脂廢水中經(jīng)過除油器之后所得到的廢棄油脂[3-5]。我國產(chǎn)生的廢棄食用油脂大部分是餐廚垃圾產(chǎn)生的，其主要成分是高級脂肪酸甘油酯，油脂中的脂肪酸大多是正構含偶數(shù)碳原子的飽和的或不飽和的脂肪酸，常見的飽和酸有肉豆蔻酸(C14)、軟脂酸(C16)、硬脂酸(C18 )等，不飽和酸有棕櫚油酸(C16，單烯)、亞油酸(C18，二烯)、亞麻酸(C18，三烯)等。在餐廚垃圾發(fā)酵中，過高的油脂濃度會抑制餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程[6]，油脂的厭氧降解成為厭氧發(fā)酵中的難點。在厭氧消化過程中，油脂經(jīng)過水解生成長鏈脂肪酸，長鏈脂肪酸在產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌的作用下生成乙酸和H2/CO2，最后在產(chǎn)甲烷菌的作用下生成甲烷。已有的研究表明，油脂水解產(chǎn)物——長鏈脂肪酸會對后續(xù)反應產(chǎn)生毒性效應并抑制厭氧細菌的活性，長鏈脂肪酸抑制的機理為長鏈脂肪酸吸附在細胞壁上，影響了代謝過程中底物和產(chǎn)物的傳質(zhì)過程[7]。廢棄食用油脂中主要成分是高級脂肪酸甘油酯，幾乎不含氮，因而在發(fā)酵中需要外加氮源來調(diào)節(jié)碳氮比。已有的研究表明廢棄食用油脂的厭氧發(fā)酵的影響因素較多，比如油脂發(fā)酵濃度、接種物的濃度和碳氮比C/N)等[8-9]。

實驗采用批式發(fā)酵的方法考察不同原料接種物比 (feedstock/inoculum，F(xiàn)/I)和碳氮比 (C/N)條件下對廢棄食用油脂產(chǎn)甲烷潛力的影響。對不同F(xiàn)/I條件下廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵特性進行研究并采用修正 Gompertz 模型對產(chǎn)甲烷曲線進行擬合。

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗所用厭氧污泥取自某制藥廠厭氧消化器，為黑色絮凝狀物質(zhì)，污泥取回后于塑料瓶內(nèi)密封, 置于4℃冰箱中保存。

實驗所用廢棄油脂取自某川菜館廢棄煎炸油，沉淀48 h后，過濾以除去上層泡沫和下層固體雜質(zhì)。處理后的樣品作為厭氧發(fā)酵的原料，測定油密度為0.928 g·mL-1。

1.2實驗步驟

1.2.1實驗設計

F/I實驗中，發(fā)酵瓶體積為 100 mL，有效反應體積為 60 mL，接種厭氧污泥量為1.8g TS。設置不同的廢棄食用油脂與厭氧污泥比分別為1∶6，1∶3，1∶2，2∶3，5∶6 和 0∶1，其中 0∶1 實驗組為空白實驗，用去離子水補充反應體積至60 mL。C/N實驗中，在反應體積 60 mL中加入接種厭氧污泥量為1.8 gTS，油脂加入0.6g TS，厭氧污泥與廢棄食用油脂比為3∶1，加入NH4CL作為氮源，C/N分別設置為28∶1，14∶1，7∶1，4∶1，3∶1和1∶0，其中 1∶0 實驗組為空白實驗。

實驗開始前，向反應瓶內(nèi)沖入氮氣 5 min 以排出空氣保持反應瓶內(nèi)的厭氧環(huán)境，35℃±1 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)靜置培養(yǎng)，發(fā)酵時間為30 d。每天記錄一次產(chǎn)氣量、甲烷含量，3 d測定1次揮發(fā)酸。每組樣品設置3個平行，數(shù)據(jù)分析取其平均值。

1.2.2分析方法

日產(chǎn)氣量: 在發(fā)酵周期內(nèi)采用排水集氣法，每天定時通過量筒直接讀取；甲烷含量：采用氣相色譜(GC-2010，島津日本) 檢測，檢測條件為 TCD 檢測器溫度 200℃，進樣口溫度 150℃； TS和VS采用重量法測定[10]；揮發(fā)性脂肪酸(VFA ): 采用氣相色譜儀(Aglient7820A，美國) 測定，氣相色譜條件為FFAD柱，F(xiàn)ID檢測器，柱溫為 250℃，載氣為氦氣，定量測定方法為外標法，主要測定乙酸、丙酸和丁酸[11]。

1.2.3動力學分析

對于批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，有一定程度上甲烷產(chǎn)量是微生物生長的一個函數(shù)。實驗采用Gompertz 方程 (1) 來擬合累積產(chǎn)甲烷曲線:

(1)

式中:Pt為 t 時刻的累計甲烷產(chǎn)量，mL·g-1TS;P為最終甲烷產(chǎn)量，mL·g-1TS ;Rm為最大產(chǎn)甲烷速率， mL·d-1g-1TS ;λ為延滯期，d;P，Rm和λ可以通過批式厭氧發(fā)酵實驗數(shù)據(jù)擬合得到。

2　結果與分析

2.1不同F(xiàn)/I條件下廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性分析

接種厭氧污泥量一定，在不同的原料接種物比(F/I) 情況下(1∶6，1∶3，1∶2，2∶3，5∶6，1∶1和 0∶1)厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量和單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量如圖1和圖2 所示。空白組實驗中即0∶1 組累積甲烷產(chǎn)量無明顯增加，僅為 9.6 mL，這表明系統(tǒng)中接種的厭氧污泥產(chǎn)甲烷量不高。原料接種物比從1∶6到5∶6的均能夠正常產(chǎn)甲烷，各實驗組累積產(chǎn)甲烷量都呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，第21天總產(chǎn)甲烷量到達峰值(230 mL到270 mL之間)。圖2中的實驗組甲烷產(chǎn)量已扣除了接種污泥的空白。由圖2所示，隨著物料比的增加，廢棄食用油脂的單位TS產(chǎn)甲烷率在不斷的下降，表明產(chǎn)甲烷過程隨物料比增加逐漸受到抑制，原因是廢棄食用油脂加入過多，水解生成 VFA 的速率遠高于其消耗速率，中間代謝產(chǎn)物對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制，造成菌群活性受到抑制。

圖1　不同F(xiàn)/I條件下廢棄油脂厭氧消化過程的甲烷累積產(chǎn)量

圖2　不同F(xiàn)/I條件下單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量

VFA 是厭氧發(fā)酵過程中有機物水解的產(chǎn)物，同時也是產(chǎn)甲烷菌的利用底物，VFA 濃度是評價水解酸化和產(chǎn)甲烷平衡中的一項重要指標[12-14]。由圖 3可知，各實驗組VFA 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在第 7 天達到峰值。

F/I為5∶6和1∶1這2個實驗組，VFA 也是一直上升到第 7 天達到最大值2500 mg·L-1和 3800 mg·L-1，可以看出揮發(fā)酸出現(xiàn)了累積，導致該實驗組厭氧發(fā)酵受到抑制，以致甲烷產(chǎn)量非常低。

F/I為1∶6，1∶3，1∶2，2∶3的4個實驗組，VFA在第 7 天達到峰值，之后隨著發(fā)酵時間而逐漸下降的，因為這 4 組中產(chǎn)生的揮發(fā)酸能迅速被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生甲烷。這 4 組實驗組的VFA 變化均在厭氧菌的適應范圍內(nèi)，因此，這 4 組的產(chǎn)甲烷效果良好。

2.2不同F(xiàn)/I條件對廢棄油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程分析研究

由于F/I 5∶6和1∶1 實驗組中廢棄油脂厭氧發(fā)酵都有受到一定抑制作用，因此不適合作為產(chǎn)甲烷曲線擬合的數(shù)據(jù)來源，故用修正 Gompertz 模型對物料比為1∶6，1∶3，1∶2，2∶3的四個實驗組產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結果如圖4 和表2 所示。

圖3　不同F(xiàn)/I條件下廢棄油脂厭氧消化過程的VFA變化

圖4　甲烷產(chǎn)量的修正Gompertz方程擬合曲線

物料接種比PmL·g-1TSRmmL·d-1g-1TSλdR21∶6823.6856.255.100.99441∶2461.1231.033.660.99441∶3379.4324.793.410.98332∶3339.2020.634.860.9861

用修正 Gompertz 方程對 4 組實驗組的產(chǎn)甲烷曲線進行擬合的R2均在 0．99 左右(見表 2)。由此可見該模型與實驗結果擬合相關性較好，能夠很好地反映出廢棄食用油脂的產(chǎn)甲烷特性。模型擬合得到的 最 大 產(chǎn) 甲 烷 潛 力 參 數(shù) P 分 別 為823.68，461.12，379.43 和339.20 mL·g-1TS，與實際最大產(chǎn)甲烷量非常接近。延滯期在3～5 d，這是因為油脂水解并降解成有機酸的過程是一個需要多種微生物協(xié)同作用的一個過程，油脂的水解被認為是其限速步驟。另外，最大產(chǎn)甲烷速率分別為 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL·d-1g-1TS，可以看出隨著廢棄油脂與污泥比值變大，最大產(chǎn)甲烷潛力以及最大產(chǎn)甲烷速率都是逐漸變小。這是因為對于定量的接種污泥，廢棄油脂量越多，可能會造成污泥的負荷太高，抑制厭氧微生物的生長，導致其活性下降；但過多的污泥量也會造成厭氧微生物缺乏充足的營養(yǎng)源而不能保證自身增長需要，也會抑制厭氧微生物的生長。因此，該實驗也可為實際工程應用提供一定的實驗基礎。

2.3不同C/N條件下廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性分析

由于油脂這種發(fā)酵原料幾乎不含氮源，實驗采用了氯化銨作為氮源，考察了不同C/N對廢棄食用油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響。

圖5　不同C/N條件下廢棄油脂厭氧消化過程的甲烷累積產(chǎn)量

圖6　不同C/N條件下單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量

F/I為1∶3條件下，在不同的碳氮比(C/N) 情況下(28∶1，14∶1，7∶1，4∶1，3∶1和1∶0)厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量和單位質(zhì)量底物的甲烷產(chǎn)量如圖5和圖6 所示?？瞻捉M實驗中即1∶0 組累積甲烷產(chǎn)量無明顯增加，僅為 5 mL，這表明系統(tǒng)中缺少氮源，嚴重影響厭氧發(fā)酵的進行。C/N從28∶1到3∶1均能夠正常產(chǎn)甲烷，各實驗組累積產(chǎn)甲烷量都呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，第21天總產(chǎn)甲烷量到達峰值(110 mL到280 mL之間)。圖6中的實驗組甲烷產(chǎn)量已扣除了接種污泥的空白。由圖6所示，隨著C/N的增加，廢棄食用油脂的單位TS產(chǎn)甲烷率先不斷上升再下降，在C/N為4∶1條件下，單位油脂的甲烷產(chǎn)量最高，達到460 mL·g-1TS。表明產(chǎn)甲烷過程隨C/N的增加逐漸受到促進，原因是氮源的增加，促進了厭氧微生物的增殖和生長及其生理活性，使得菌群的活性增強。

圖7　不同C/N條件下廢棄油脂厭氧消化過程的甲烷累積產(chǎn)量

由圖 7可知， 不同C/N實驗組VFA 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在第 7～10天達到峰值。

C/N為3∶1和4∶1這2個實驗組，VFA 也是一直上升到第8 天達到最大值3000 mg·L-1和1800 mg·L-1，但是隨后在第15天下降到1000 mg·L-1以下，發(fā)酵過程尚屬正常，可以看出揮發(fā)酸出現(xiàn)了輕微累積，發(fā)酵過程的穩(wěn)定性較差。

C/N為28∶1，14∶1，7∶1的3個實驗組，VFA在第 5 天達到峰值，之后隨著發(fā)酵時間而逐漸下降的，因為這 3 組中產(chǎn)生的揮發(fā)酸能迅速被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生甲烷。這 3 組實驗的VFA 變化均在厭氧菌的適應范圍內(nèi)，產(chǎn)甲烷效果良好。

3　結論

(1)在中溫條件下，F(xiàn)/I比值為1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 時，廢棄油脂都能較好地進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量分別為737，418，342 和300 mL·g-1TS。

(2)修正 Gompertz 方程可用來描述廢棄食用油脂的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，分別對1∶6,1∶3,1∶2和 2∶3 實驗組產(chǎn)甲烷曲線進行擬合，得到產(chǎn)甲烷潛力分別為 823.68,461.12,379.43 和339.20 mL·g-1TS，最大產(chǎn)甲烷速率分別為 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL· d-1g-1TS。

(3)C/N值為28∶1，14∶1，7∶1和4∶1時，隨著C/N減小最大產(chǎn)甲烷產(chǎn)量不斷增大，分別為185，308，395 和460 mL·g-1TS。綜合考慮原料產(chǎn)氣率和VFA動態(tài)，C/N在14∶1至7∶1的范圍下有利于油脂的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷。

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Characteristics of Mesotherm Anaerobic Digestion with Waste Edible Oil /

LI Lin1， ZHANG Yun-fei2， LI Qiang2， DENG Ya-yue2， DENG Yu2， Yin Xiao-bo2， HE Jing2/

(1. College of Materials and Chemistry Chemical Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China； 2.Biogas Institute of Ministry of Agriculture, The Key Laboratory of Rural Renewable Energy Development and Application,Chengdu 610041, China)

In order to study characteristics of mesotherm anaerobic digestion of waste edible oil，batch experiments with waste edible oil as feedstock under 35 ℃±1 ℃ were carried out to evaluate its methane production potential and VFA variations. And the data were fitted with the modified Gompertz model to assess the characteristics of its anaerobic digestion．Results indicated that the waste edible oil obtained a good anaerobic digestion performance, at the feedstock to inoculums ratio(F/I)of 1∶6, 1∶3, 1∶2 and 2∶3, it obtained a maximum methane yield of 737, 418, 342, 300 mL·g-1TS, respectively. And with these maximum methane yield, the model fitting results showed that the methane production potential were 823.68, 461.12, 379.43, 339.20 mL·g-1TS， the maximum methane production rate were 56.25, 31.03, 24.79, and 20.63 mL·d-1g-1TS, respectively．And under the C/N ratio of 28∶1, 14∶1, 7∶1 and 4∶1, the methane production potential were 185, 308, 395, and 460 mL ·g-1TS respeclirely, increasing with the decreasing of C/N ratio.

waste edible oil; anaerobic digestion; methane production potential; Gompertz model.

2016-07-21

項目來源： 四川省應用基礎研究項目(2015JY0054)； 四川省食用菌創(chuàng)新團隊資助項目

李凜(1980-)，男，副教授，主要從事微生物發(fā)酵方面的工作，E-mail:lilin@edut.edu.cn

賀 靜，E-mail:hejing@caas.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2016)05-0027-05