異養(yǎng)小球藻藻渣產(chǎn)沼氣研究

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(1.南陽師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南南陽 473061; 2.河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室,河南南陽 473000)

異養(yǎng)小球藻藻渣產(chǎn)沼氣研究

楊迪1,畢生雷1,2,趙新仕1,魯龍2,鄒婷婷1,2,張乃群1,*

(1.南陽師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南南陽 473061; 2.河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室,河南南陽 473000)

異養(yǎng)小球藻,沼氣發(fā)酵,細(xì)胞破碎,藻渣

小球藻屬綠藻門(Chlorophyta)綠藻綱(Chlorophyceae)綠球藻目(Chlorococcales)卵囊藻科(Oocystaceae)小球藻屬(Chlorella),是一種普生性球形單細(xì)胞藻類,生態(tài)分布極廣,在淡水、海水中均有發(fā)現(xiàn)[1]。

已有研究表明,小球藻是一種高蛋白、低脂肪、富含多種維生素及礦物質(zhì)的單細(xì)胞藻類,可作為功能食品和營養(yǎng)強(qiáng)化劑應(yīng)用于食品工業(yè)。已經(jīng)問世的小球藻片或小球藻膠囊具有促進(jìn)人體細(xì)胞活化、調(diào)節(jié)血壓、血脂、免疫力的功能[2-3]。近年來,美國、日本等國家還推出了活性成分更易被人體吸收的小球藻口服液和小球藻飲料[4],但目前小球藻的大規(guī)模應(yīng)用主要集中在固碳、油脂提取和生物柴油制備等政策關(guān)注度較高的方面。

作為現(xiàn)有主要的終端產(chǎn)物,小球藻油脂的提取方法主要有生物破碎法、化學(xué)破碎法、物理破碎法[5]。小球藻培養(yǎng)失敗產(chǎn)生的廢棄培養(yǎng)液,油脂提取后產(chǎn)生的廢渣都會對環(huán)境造成污染,影響了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。沼氣是有機(jī)物經(jīng)微生物厭氧消化而產(chǎn)生的可燃性氣體,是一種可再生的清潔能源[6],其發(fā)酵依據(jù)過程產(chǎn)物的不同可分為水解過程、酸化過程、甲烷化過程,依據(jù)水分含量可以分為干式發(fā)酵和濕式發(fā)酵。目前沼氣發(fā)酵常用原料有動物糞便、植物秸稈、污水、餐廚垃圾、木質(zhì)纖維素等,而藻類含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮磷等微量元素,非常適合沼氣發(fā)酵。本文對異養(yǎng)小球藻發(fā)酵廢液產(chǎn)生的廢渣以及酸熱法、酶解法、酯化法、球磨法提油后產(chǎn)生的廢渣分別進(jìn)行沼氣發(fā)酵,嘗試建立利用有機(jī)溶劑廢棄物產(chǎn)沼氣的工藝流程,為微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

異養(yǎng)小球藻 異養(yǎng)培養(yǎng)的原始小球藻(Chlorellaprotothecoides),由河南天冠集團(tuán)車用生物燃料國家重點實驗室提供,細(xì)胞內(nèi)油脂含量53%;異養(yǎng)小球藻發(fā)酵液 取自車用生物燃料國家重點實驗室,濃度為120 g/L;藻液 取自車用生物燃料國家重點實驗室,存于展示柜中備用;接種用污泥 取自天冠集團(tuán)技術(shù)中心,TS(總固體含量)為1%,在水浴鍋中50 ℃活化1 d備用。

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)自制。主要由恒溫水浴鍋、發(fā)酵罐、集氣瓶和集水瓶組成。發(fā)酵罐、集氣瓶、集水瓶均為1 L廣口瓶,采用膠塞密封。發(fā)酵罐置于恒溫水浴鍋中,發(fā)酵罐口設(shè)料液取樣口及導(dǎo)氣管,導(dǎo)氣管連接集氣瓶和集水瓶,具體見圖1。

圖1 沼氣發(fā)酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of biogas fermentation equipment

DK-600型恒溫水浴鍋 上海精密儀器儀表有限公司;LNB2.5-10F型馬弗爐 上海皓莊儀器有限公司;FE20-FiveEasy Plus型pH計 梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司;202-2型電熱恒溫干燥箱 上海博珍儀器設(shè)備制造廠;QCOD-3E型COD測定儀 深圳昌鴻科技有限公司;NH-6N型氨氮測定儀 深圳昌鴻科技有限公司;L400型離心機(jī) 長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;R-300型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 瑞士步琦有限公司;2100型液相色譜儀 安捷倫科技(中國)有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 原料制備方法 發(fā)酵液藻渣:取異養(yǎng)小球藻發(fā)酵液,離心,棄上清液,余藻渣備用[7]。

球磨破碎提油后藻渣:取異養(yǎng)小球藻發(fā)酵液,離心,棄上清液,放入球磨罐中球磨破碎,提油后余藻渣備用[8]。

酶解提油后藻渣:取異養(yǎng)小球藻發(fā)酵液,酶解,提油后余藻渣備用[9]。

酸熱法破碎提油后藻渣:取異養(yǎng)小球藻發(fā)酵液,加入硫酸酸解,提油后余藻渣備用[5]。

酯化提柴油后藻渣:取異養(yǎng)小球藻發(fā)酵液,離心,棄上清液,酯化提柴油后余藻渣備用[10]。

1.2.2 原料處理方法 異養(yǎng)小球藻發(fā)酵液及采用各種提取方法提油后的藻液,使用離心機(jī)離心(3000 r/min,10 min)制成藻渣后,取10.00 g置于烘箱中測100 ℃干重,取藻渣置于廣口瓶中,加入接種用污泥,配成干重為10%的沼氣發(fā)酵液。

1.2.3 沼氣發(fā)酵方法 取1000 mL沼氣發(fā)酵液置于發(fā)酵罐中,沼氣發(fā)酵溫度為50 ℃,每天人工手搖發(fā)酵罐,并測定排水量,然后將水加滿。每周取50 mL樣品送檢,并測量集水瓶中水的體積以計算排氣量,其中一個發(fā)酵系統(tǒng)連續(xù)兩周停止產(chǎn)氣后,整個實驗停止。

1.2.4 檢測方法 排氣量:在發(fā)酵開始時,集氣瓶中裝自來水,發(fā)酵過程中集氣瓶中收集發(fā)酵過程所產(chǎn)沼氣,并排出相應(yīng)體積的自來水。發(fā)酵過程中直接用量筒量取集水瓶中水的體積;pH:直接使用pH計檢測;揮發(fā)性脂肪酸:使用液相色譜儀檢測乙酸、丙酸等成分含量;碳源:使用液相色譜儀檢測葡萄糖、木糖等成分的含量;氨氮:使用氨氮檢測儀檢測;COD:使用COD檢測儀檢測。

1.2.5 計算公式

C=(m/V)×100

式中:C代表干物質(zhì)含量,g/L;m代表藻渣烘干后質(zhì)量,g;V代表藻渣體積,mL。

2 結(jié)果與討論

2.1不同原料發(fā)酵體系pH變化情況

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子有機(jī)質(zhì)無法直接被沼氣細(xì)菌利用,需要經(jīng)過水解作用分解成小分子有機(jī)質(zhì),然后進(jìn)一步經(jīng)過酸化作用分解成沼氣細(xì)菌能夠利用的短鏈有機(jī)酸,但水解過程、酸化過程和甲烷化過程需要均衡進(jìn)行。如果水解過程和酸化過程超過了甲烷化過程的反應(yīng)速度,就會導(dǎo)致產(chǎn)酸過量,從而引起pH降低,沼氣菌就需要更多能量從細(xì)胞體內(nèi)向體外提供質(zhì)子以維持其細(xì)胞質(zhì)的生長環(huán)境[11]。因此有必要了解pH的變化規(guī)律,以提高沼氣發(fā)酵效率。使用不同預(yù)處理工藝原料各發(fā)酵體系的pH變化情況如圖2。

圖2 pH變化圖Fig.2 Chart of pH change

從圖2的pH變化中可以看出,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,使用球磨法提油、酯化法制柴油、酶解液提油獲得的三種原料和發(fā)酵液原料四個發(fā)酵體系的pH首先快速下降,在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后又小幅回升,而使用酸熱法提油原料的發(fā)酵體系則一直處于穩(wěn)步下降趨勢中,這主要是因為不同的預(yù)處理工藝對原料結(jié)構(gòu)造成不同的影響。球磨法、酯化法、酶解法三種原料的細(xì)胞受到破壞程度有限[8-10],與發(fā)酵液原料相同,在發(fā)酵初期,受到破壞并成為細(xì)胞碎片的部分能夠被水解菌和產(chǎn)酸菌利用,從而使水解菌和產(chǎn)酸菌活躍,加速了水解、酸化進(jìn)程,反映在pH上就是pH快速下降,而在水解過程和酸化過程將能夠快速利用的有機(jī)質(zhì)利用完成后,藻細(xì)胞需要慢慢被分解,從而維持pH平衡狀態(tài)。隨后短鏈有機(jī)酸被逐漸消耗,pH緩慢上升。而對于酸熱法獲得的原料,由于細(xì)胞破壞完全,原料基本都是細(xì)胞碎片[5],因此整個沼氣發(fā)酵過程的水解和產(chǎn)酸都比較旺盛,從而使pH一直處于穩(wěn)步的下降狀態(tài)。

在使用不同預(yù)處理工藝原料的發(fā)酵體系中,氮的平衡非常重要,對于固體有機(jī)物,沼氣發(fā)酵體系首先要將其分解成為能溶于水并能夠被酸化細(xì)菌利用的小分子有機(jī)質(zhì),因此,溶解性有機(jī)氮的變化趨勢能夠反映沼氣發(fā)酵體系對底物的利用情況[12]。其初始溶解性有機(jī)氮的含量及在發(fā)酵過程中的變化趨勢見圖3。

圖變化圖

2.3不同原料發(fā)酵體系COD變化情況

COD即化學(xué)需氧量,是指處理樣品時,所消耗的強(qiáng)氧化劑的數(shù)量,代表了樣品中能夠被氧化的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量。通常情況下,小分子有機(jī)物能夠被完全氧化,大塊的復(fù)雜有機(jī)物由于難以被強(qiáng)氧化劑完全破壞只是被部分氧化,能夠被氧化的有機(jī)物通常能夠被沼氣發(fā)酵細(xì)菌利用,因此COD可以反映反應(yīng)體系中底物濃度的高低,是沼氣發(fā)酵中的重要參數(shù),使用不同預(yù)處理工藝原料的發(fā)酵體系中,其COD變化情況見圖4。

圖4 COD變化圖Fig.4 Chart of COD change

從圖4的COD變化中可以看出,酯化法的COD變化趨勢是先上升后下降的波動,其余四種方法的COD整體變化趨勢是先降低后升高,然后再降低,說明隨著底物被分解、酸化、產(chǎn)甲烷,導(dǎo)致底物濃度降低,從而引起COD有所降低,而水解細(xì)菌的活動又不斷將不能利用的底物進(jìn)一步分解成小分子有機(jī)物,從而導(dǎo)致COD又有所升高,但分解、酸化、產(chǎn)甲烷始終是一個動態(tài)的平衡的體系。在五種原料中,球磨提油后原料所在的發(fā)酵體系COD一直處于較高的水平,且在發(fā)酵的前48 d遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它原料所在發(fā)酵體系,說明球磨后形成的細(xì)胞碎片能夠不斷被分解。而其它原料在300000 mg/L以下波動。發(fā)酵液、酶解法所在的發(fā)酵體系COD一直處于較低的水平,原因是小球藻細(xì)胞難以被分解。酸熱法、酯化法獲得的兩種原料,由于細(xì)胞在強(qiáng)硫酸作用下已經(jīng)被破壞,細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的淀粉、蛋白質(zhì)被強(qiáng)酸在高溫下碳化無法再通過沼氣發(fā)酵水解出更多營養(yǎng)物質(zhì),所以其所在發(fā)酵體系的COD一直處于較低的水平。發(fā)酵結(jié)束后五種原料的發(fā)酵體系COD均高于150000 mg/L,這可能是未被利用的細(xì)胞以及在提油時殘留的有機(jī)溶劑,說明發(fā)酵體系中留存的細(xì)胞碎片以及其它有機(jī)溶劑雖然影響了COD,但不能被沼氣細(xì)菌利用。

2.4不同原料發(fā)酵體系總碳含量變化情況

復(fù)雜的大塊的有機(jī)物難以被沼氣細(xì)菌直接利用,在分解過程中被水解菌群分解為能夠被酸化細(xì)菌利用的糖類、醇類,總碳含量反映了糖類和醇類的總和,其含量高低能夠說明分解過程的進(jìn)展情況。不同預(yù)處理工藝原料的發(fā)酵體系中的總碳含量的變化情況見圖5。

圖5 總碳變化圖Fig.5 Chart of total carbon change

從圖5的總碳含量變化中可以看出,酸熱法獲得原料所在的發(fā)酵體系中總碳含量一直處于較高的水平,說明酸熱法對小球藻細(xì)胞破壞比較徹底,能夠被水解細(xì)菌徹底利用,而發(fā)酵液、酶解法獲得原料所在的發(fā)酵體系中總碳含量先快速上升,然后又快速下降,說明發(fā)酵液、酶解法所獲得原料不能被水解細(xì)菌快速分解,其利用有一定過程,在此過程中酸化細(xì)菌不能獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)而活性受限,隨著分解過程的進(jìn)行,酸化細(xì)菌能夠獲得的營養(yǎng)物質(zhì)越來越多,活性增強(qiáng),逐步超過水解細(xì)菌分解能力,導(dǎo)致總碳含量快速下降。酯化法、球磨法所獲得原料所在的發(fā)酵體系中總碳含量一直處于較低的水平,說明發(fā)酵液中的營養(yǎng)物質(zhì)不能被有效利用,水解細(xì)菌分解獲得的葡萄糖、甘油等有機(jī)碳數(shù)量有限,而酸化細(xì)菌活性也處于較低的活性水平。在發(fā)酵過程中,水解細(xì)菌、酸化細(xì)菌活性相當(dāng),從而形成了動態(tài)平衡,發(fā)酵體系比較穩(wěn)定,但這兩種原料通過分解獲得的營養(yǎng)物質(zhì)偏少。

2.5不同原料發(fā)酵體系VFA含量變化情況

揮發(fā)性脂肪酸(VFA)是厭氧反應(yīng)器運行中重要的控制指標(biāo)。酸化細(xì)菌充分利用分解過程中所得的小分子有機(jī)物,從而產(chǎn)生了乙酸、丙酸、丁酸等可揮發(fā)性脂肪酸,這些短鏈脂肪酸能夠被甲烷細(xì)菌直接利用從而產(chǎn)生沼氣。VFA含量可以代表乙酸、丙酸等可揮發(fā)性脂肪酸含量的多少,也能夠說明酸化過程的進(jìn)展情況。使用不同預(yù)處理工藝原料的發(fā)酵體系中,其可揮發(fā)性脂肪酸含量的變化情況見圖6。

圖6 VFA變化圖Fig.6 Chart of VFA change

從圖6的VFA變化中可以看出,球磨法、酸熱法、酯化法所獲得原料所在的發(fā)酵體系中VFA一直處于較低的水平,且比較平衡,說明酸化過程、產(chǎn)甲烷過程形成了動態(tài)平衡,沼氣發(fā)酵比較穩(wěn)定。而發(fā)酵液、酶解液所獲得原料所在的發(fā)酵體系中VFA先快速升高,又下降,但整個發(fā)酵過程中發(fā)酵液、酶解法所獲得原料的VFA含量一直高于其它原料所在的發(fā)酵體系?？梢哉f明這兩種原料不能被分解細(xì)菌直接利用。沼氣發(fā)酵是一個動態(tài)過程,大致可以分為水解階段、酸化階段、產(chǎn)氣階段。但并不能明確劃分出一個時間節(jié)點。在圖6中,發(fā)酵液、酶解液中細(xì)胞受破碎程度小,沒有太多的細(xì)胞碎片供酸化細(xì)菌利用,因此,在發(fā)酵初期水解細(xì)菌比較活躍而酸化細(xì)菌受到抑制,產(chǎn)酸較少。隨著水解的進(jìn)行,不斷有大分子有機(jī)物被分解成能夠被酸化細(xì)菌利用的營養(yǎng)物質(zhì),酸化細(xì)菌活性增強(qiáng),產(chǎn)酸快速增加,從而引起VFA含量的提高。而水解過程較為緩慢,不能滿足快速增加的酸化細(xì)菌的營養(yǎng)需求,在第28 d出現(xiàn)產(chǎn)酸減少、VFA含量降低的現(xiàn)象。

2.6不同原料發(fā)酵體系產(chǎn)氣量變化情況

圖7 產(chǎn)氣量變化圖Fig.7 Chart of gas production change

3 結(jié)論

異養(yǎng)小球藻藻渣直接進(jìn)行沼氣發(fā)酵效果不理想,需要進(jìn)行預(yù)處理對藻細(xì)胞造成實質(zhì)性破壞,才能釋放出更多的小分子有機(jī)物,從而在沼氣發(fā)酵中被沼氣細(xì)菌直接利用,縮短沼氣發(fā)酵的分解階段,為酸化細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供足夠的營養(yǎng),進(jìn)而提高沼氣發(fā)酵的效率和沼氣發(fā)酵的產(chǎn)量。

酸熱法提油法產(chǎn)生的藻渣殘余油脂含量較少[5,7-10],這顯示出其能夠有效地對異養(yǎng)小球藻細(xì)胞造成破壞,藻渣中有較多的細(xì)胞碎片,在沼氣發(fā)酵中能夠釋放出更多葡萄糖等小分子有機(jī)物,供沼氣發(fā)酵細(xì)菌利用。其它提油法沼氣產(chǎn)量較低、沼氣生產(chǎn)效率也低,說明其不適應(yīng)于進(jìn)行沼氣生產(chǎn)。

生物柴油和沼氣聯(lián)產(chǎn)需要同時兼顧提油工藝和沼氣生產(chǎn)工藝。異養(yǎng)小球藻提油方法較多,有成熟的應(yīng)用方案,本文的研究為異養(yǎng)小球藻油脂生產(chǎn)過程中廢棄物的資源化利用提供了參考,為異養(yǎng)小球藻作為原料生產(chǎn)生物柴油和沼氣時進(jìn)行預(yù)處理工藝的選擇提供了思路。

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StudyontheproducingofbiogasfromheterotrophicChlorellaresidue

YANGDi1,BISheng-lei1,2,ZHAOXin-shi1,LULong2,ZOUTing-ting1,2,ZHANGNai-qun1,*

(1.College of Life Science and Technology,Nanyang Normal University,Nanyang 473061,China; 2.State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology, Henan Tianguan Group Co.,Ltd.,Nanyang 473000,China)

heterotrophicChlorella;biogas fermentation;cell-breakage;algal residue

2017-03-10

楊迪(1993-)，男，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)能源，E-mail：amazingdaliyang@163.com。

*

張乃群(1964-)，男，本科，教授，研究方向：生物質(zhì)能源，E-mail：zhnq@nynu.edu.cn。

河南省科技廳科技攻關(guān)項目(102102110159)；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技支撐計劃(2011BAD14B05)。

TS201.3

A

1002-0306(2017)21-0100-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.021