水热或臭氧预处理有效降解油脂研究

为了缓解餐厨垃圾中大量未降解油脂包覆微生物，对厌氧发酵产生严重抑制的问题，本文采用水热或臭氧预处理有效降解油脂，预处理进行厌氧发酵.扫描电子显微镜和傅里叶变换-红外光谱分析表明，经过水热或臭氧预处理后，厌氧发酵过程油脂降解程度提高.经过臭氧预处理的火锅废油厌氧发酵甲烷产率提升至（854.20±10.28）mL·g-1（每克有机质干重所产生的甲烷量，以毫升计，下同），在第20 d达到产甲烷速率峰值（122.06±3.46）mL·g-1·d-1，较之未处理组达到甲烷峰值速率的时间缩短4 d，甲烷产率提升17.4%.总体能量转化效率由未经预处理的64.88%提升到臭氧预处理后的76.18%，说明臭氧或水热预处理可以促进油脂的降解，并且提高产甲烷菌对底物的利用从而提高发酵产甲烷的效率，从而在一定程度上缓解目前工业生产中存在的油脂难以降解以及包裹厌氧微生物的问题.

 1.实验材料与方法(Materials and methods)

1.1.发酵原料和特性

厌氧发酵使用的油脂有3种, 分别为中国餐厨垃圾中的典型油脂：火锅油、烧烤油和川菜油.实验所用的油脂分别来源于浙江省杭州市的某火锅店、烧烤店以及川菜馆.油脂经过过滤、除杂后存储于4 ℃条件下.油脂的成分如表 1所示.3种油脂的成分各不相同, 用于研究预处理方式对于不同成分油脂降解以及厌氧发酵的影响.水分含量通过在105 ℃烘箱内烘烤至质量不变来测定, 有机质及灰分含量通过在450 ℃马弗炉内灼烧2 h来测定(Lin et al., 2017).餐厨垃圾中的还原糖含量通过DNS法进行测试, 蛋白质和油脂成分分别采用Lowry以及萃取方法(Cheng et al., 2019b)进行测试.工业分析, 元素分析以及热值通过之前的测试方法进行测试(Cheng et al., 2019a).预处理后油脂固体底物的微观结构的测试方法包括SEM(台式显微镜TM-1000, HITACHI)及FTIR (气相色谱仪——傅里叶红外光谱仪SGE/Agilent 6890/Nicolet 5700).

1.2  预处理方式及预处理油脂降解

3种废弃油脂生物质在发酵前, 采用的是水热或臭氧预处理方式.5 g底物油脂和100 mL的稀氢氧化钠溶液(2%V/V)加入水热反应釜(Parr 4500, 美国)中, 密闭容器加热至220 ℃恒温并保持30 min.在臭氧预处理过程中, 使用的是纯氧源臭氧发生器5 g的底物油脂加入发酵瓶中, 加入去离子水使总体积为100 mL.使用1 mol·L-1的NaOH溶液调节pH为8.0.产生的臭氧通过长钢管道(180 mm × Φ 3 mm)导入417 mL的发酵瓶, 恒定流速为1 L·min-1.该实验的臭氧浓度设置为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适量(Yue et al., 2020), 并且预实验也体现了相类似的规律.

废弃火锅油脂、烧烤油脂和川菜油脂的主要油脂成分为甘油三酯, 包括甘油三油酸酯、甘油三硬脂酸酯、甘油三十六酸酯等.理论上1 mol甘油三酯大分子可以水解为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发酵产生甲烷(Xia et al., 2014).以甘油三油酸酯为例, 相关的水解和反应的原理式如式(1)所示(Dong et al., 2009).

长链脂肪酸(如油酸、硬脂酸等)通过β-氧化途径被逐步降解利用(Adeva-Andany et al., 2019), 利用的方式见式(2).

通过β-氧化的过程, 长链脂肪酸每次脱下2个碳原子, 参与到产甲烷古菌的代谢过程中, 形成各种代谢产物.具有偶数碳链的长链脂肪酸可以完全降解, 而具有奇数碳链的长链脂肪酸然后剩余3个碳原子形成丙酸.在产甲烷过程乙酸和丁酸均可以作为底物被产甲烷菌利用产甲烷.

1.3 产甲烷接种物

发酵实验所用的产甲烷菌分离自中国浙江省杭州市杭州环境集团甲烷发酵罐, 取分离后的500 mL活性污泥于1 L锥形瓶中, 在厌氧工作站(Whitley DG250, 美国)中放置30 d消耗完原有有机质.之后将pH调整为8.0±0.1以抑制产氢细菌等杂菌.瓶中加入1.25 g纤维素, 置于厌氧工作站中富集培养.14 d后即得到富集完成的产甲烷菌.经过16S rRNA测定, 产甲烷菌的主要菌种为Methanosarcina和Methanothrix (Cheng et al., 2011).

1.4 发酵产甲烷方法

批次发酵产甲烷的实验在417 mL规格的发酵瓶中进行.3组实验分别采用三重样.取100 mL预处理之后的浊液(对应5 g原始底物), 利用6 mol·L-1的盐酸溶液和6 mol·L-1的氢氧化钠溶液将发酵系统的pH调节为8.0±0.1, 之后按照底物TVS：产甲烷菌活性污泥TVS=1∶2(体积比)接种产甲烷菌污泥, 加入灭菌后的去离子水混合使总体积为300 mL, 随后重新调节pH值为8.0±0.1.发酵瓶使用橡胶塞密封并以40 mL·min-1的流量通氮气10 min, 随后置于恒温水浴锅中进行厌氧发酵, 与1000 mL有机玻璃集气槽连接用于收集产生的气体.恒温水浴温度保持为(37.0±1.0) ℃.

1.5  分析测试方法

厌氧发酵产甲烷过程产生的气体主要为CO2和CH4两种, 还混杂了N2、O2以及水蒸气、H2S等杂质气体.生物气成分利用带有热导检测器(TCD)的Agilent 7820A气相色谱仪进行测定.产气的总体积通过集气槽读数与发酵瓶顶部空间气体相加得到.甲烷发酵液中所含有的液相代谢产物(SMPs)的测定同样采用气相色谱法, 实验室所用的是同样是带有氢离子火焰检测器(FID)的气相色谱仪(型号：Agilent 7820A).

实验过程中得到的甲烷和二氧化碳的产量是根据实际发酵生物气的产量以及甲烷和二氧化碳的浓度分别计算, 并且根据标准温度和压力校正得到.甲烷产率是甲烷产量(mL)和底物的有机质干重(g)的比值(Ding et al., 2017a).能量转化效率定义为产生甲烷的能量与底物的能量之比(Ding et al., 2017a).

3种油脂臭氧/水热预处理后厌氧发酵产甲烷过程总能量转化效率

2.结论(Conclusions)

本文以餐厨垃圾中典型油脂火锅油脂、烧烤油脂、川菜油脂作为发酵底物, 分别将臭氧预处理以及水热预处理的油脂用于厌氧发酵产甲烷以提高能量转化效率的实验研究.经过臭氧或水热预处理后, 火锅油脂厌氧发酵的甲烷产率分别达到了854.20 mL·g-1及779.72 mL·g-1, 整体能量转化效率分别由64.88%提升至76.18%和69.53%.3种油脂发酵产甲烷呈现了相似的规律, 且臭氧优于水热预处理.这说明油脂的臭氧及水热预处理是一个能够同时提高甲烷产率和能量转化效率的很有效的方法, 能够促进底物降解, 缓解油脂对于菌群的包埋.更多的研究应当着眼于降低水热及臭氧预处理能耗.