不同種類泔腳廢油脂厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的性能研究

曾蘊(yùn)儀，方茜，黃周玥，黃定武

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院 市政工程系，廣東 廣州 510000)

我國年均產(chǎn)生約500萬t的泔腳廢油脂[1]，近年來，泔腳廢油脂在生產(chǎn)甲烷、制備生物柴油等方面應(yīng)用廣泛[2-4]，但將泔腳廢油脂用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)奇數(shù)碳揮發(fā)性脂肪酸(OCFA)的研究還鮮有報(bào)道。

油脂能通過β-氧化形成乙酰輔酶A降解生成揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)[5-7]。VFAs分為OCFA和偶數(shù)碳揮發(fā)性脂肪酸(ECFA)兩類。其中，OCFA可以合成可生物降解塑料產(chǎn)品的原材料羥基戊酸酯(PHV)[8-10]，具有極大的研究前景。

本實(shí)驗(yàn)選取泔腳廢油脂為研究對象，將其種類進(jìn)行區(qū)分，研究厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)VFAs及OCFA的變化規(guī)律，選出產(chǎn)OCFA效果最佳的油脂種類，為接下來研究PHV的合成奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

泔腳廢油脂分廢棄肥肉、泔水浮油、煎炸廢油3種，均取自廣州大學(xué)菊苑食堂。

厭氧發(fā)酵裝置，自制；pHS-3C型pH計(jì)；GC7900氣相色譜儀；CNW CD-WAX毛細(xì)管色譜柱。

1.2 材料預(yù)處理

將泔腳垃圾靜置后進(jìn)行固液分離，收集上層浮油作泔水浮油使用。煎炸廢油為經(jīng)過高溫烹飪的動植物混合油，取自菊苑食堂煎炸間。采用人工分揀的方式篩選出泔腳垃圾中的廢棄肥肉，用自來水反復(fù)沖洗后，再次煮沸、淘洗以去除烹飪過程中的添加物。 將洗凈的肥肉加入攪拌機(jī)攪碎后置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩＝?jīng)檢測，泔水浮油、廢棄肥肉、煎炸廢油的總固體含量(TS)分別為88.69%，93.18%，99.59%，揮發(fā)性固體含量(VS)92.90%，99.37%，99.98%，脂肪含量21.59%，86.3%，57.21%。實(shí)驗(yàn)時取3種泔腳廢油脂，再次測定TS和VS后，用去離子水稀釋至特定含固率后使用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

厭氧發(fā)酵裝置采用由石英玻璃制成的錐形瓶，有效容積為500 mL，用木塞加以密封，見圖1。 錐形瓶外部用遮光布包裹，通過回旋式水浴恒溫振蕩器將溫度控制在(35±0.5) ℃，并將振蕩速率調(diào)至160 r/min使發(fā)酵液充分混合均勻。發(fā)酵反應(yīng)開始前對反應(yīng)器進(jìn)行氮?dú)獯得?0 min，以去除反應(yīng)器中的空氣。

圖1 底物發(fā)酵裝置圖

本實(shí)驗(yàn)將廢棄肥肉、煎炸廢油、泔水浮油發(fā)酵液稀釋至TS=3%后，分別裝入錐形瓶中進(jìn)行發(fā)酵。3種泔腳廢油脂的實(shí)驗(yàn)投加量見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.4 分析方法

分別采用pH計(jì)測定pH[11]；灼燒減重法測定TS和VS、重鉻酸鉀法測定SCOD、納氏試劑分光光度法測定氨氮[12]；苯酚-濃硫酸法測定可溶性多糖[13]；考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白質(zhì)[14]；索式提取法測定脂肪含量[15]。樣品經(jīng)過10 000 r/min離心10 min，上清液用0.45 μm孔徑濾膜中過濾，采用氣相色譜法測定VFAs(乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸)[16]，進(jìn)樣前滴入2～3滴甲酸酸化15 min，每次進(jìn)樣1 μL。每個樣品測定2～3次取平均值。色譜條件為：進(jìn)樣口溫度220 ℃，F(xiàn)ID檢測器溫度250 ℃，采用毛細(xì)管色譜柱，升溫程序由初始溫度80 ℃ 保持2 min，以20 ℃/min的升溫速率升至110 ℃保持1 min，再以10 ℃/min的升溫速率升至180 ℃保持1 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 VFAs濃度變化規(guī)律

不同種泔腳廢油脂產(chǎn)VFAs總量見圖2，營養(yǎng)物質(zhì)溶出量見圖3。

圖2 不同種泔腳廢油脂產(chǎn)VFAs總量變化

圖3 不同種泔腳廢油脂營養(yǎng)物質(zhì)溶出量

由圖2和圖3可知，在發(fā)酵過程中，3種泔腳廢油脂的VFAs濃度皆以先上升后下降的趨勢進(jìn)行。從VFAs濃度上看，在14 d的發(fā)酵期間，泔水浮油、煎炸廢油、廢棄肥肉分別于第5，10，10 d達(dá)到VFAs的濃度高峰6 430.22，3 553.93，5 551.00 mg/L。在VFAs濃度增長期間，泔水浮油VFAs濃度的增長速率為1 152 mg/(L·d)，相比煎炸廢油和廢棄肥肉分別加快了53%，70%。從營養(yǎng)物質(zhì)溶出量上看，泔水浮油、煎炸廢油、廢棄肥肉的溶出量分別為2 835.87，242.14，406.29 mg/L。

這是因?yàn)?，油脂由一分子甘油與三分子長鏈脂肪酸(LCFA)組成，在厭氧環(huán)境中，LCFA在微生物細(xì)胞內(nèi)通過β-氧化形成乙酰輔酶A，再降解生成甘油和乙酸、丙酸、丁酸等VFAs[17]，故3種泔腳廢油脂中的VFAs濃度逐漸增大。但與煎炸廢油和廢棄肥肉不同，泔水浮油中溶有大量蛋白質(zhì)、碳水化合物類物質(zhì)，這類營養(yǎng)物質(zhì)較油脂易降解[18]，能迅速將大分子量有機(jī)物水解為小分子量有機(jī)物，因此在發(fā)酵初期，泔水浮油的VFAs濃度及其增長速率明顯高于煎炸廢油和廢棄肥肉。廢棄肥肉中的飽和LCFA占脂肪酸(FA)總量的49.6%[19]，但由于其較低的脂肪聚合體比表面積使得微生物水解速率降低，不能快速積聚高濃度的VFAs[20]，故在發(fā)酵初期廢棄肥肉的VFAs濃度較低。經(jīng)高溫加工后的煎炸廢油易發(fā)生油脂氧化生成大量FA聚合物，且煎炸廢油中含有較少的營養(yǎng)物質(zhì)溶出量及較高的油脂量，使得產(chǎn)酸受到抑制從而導(dǎo)致VFAs濃度較低。在反應(yīng)達(dá)到最大濃度VFAs時，反應(yīng)器中的營養(yǎng)物質(zhì)降幅趨于穩(wěn)定、底物消耗，VFAs濃度開始下降。

3種泔腳廢油脂皆能產(chǎn)生較高濃度的VFAs，但由于泔水浮油中的營養(yǎng)物質(zhì)溶出量較高，因此能在單位時間內(nèi)獲得最大VFAs濃度，而廢棄肥肉和煎炸廢油基于自身特性及油脂的抑制作用使其在發(fā)酵初期VFAs濃度較低。

2.2 OCFA濃度變化規(guī)律

3種泔腳廢油脂中OCFA濃度處于峰值時所占VFAs濃度比例見圖4。

由圖4可知，各類廢油脂OCFA濃度的變化趨勢與其VFAs相同。在泔水浮油、煎炸廢油、廢棄肥肉達(dá)到最大濃度VFAs時，OCFA濃度分別為2 366.79，2 249.22，3 356.47 mg/L，OCFA/VFAs比例分別為37%，63%，66%。

圖4 不同種類泔腳廢油脂產(chǎn)奇偶數(shù)碳VFAs含量變化

這是因?yàn)樵谒膺^程中，油脂通過酶和微生物的作用溶出大量甘油和脂肪酸(FA)。甘油在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為丙酮酸，之后丙酮酸分解出大量丙酸及少量丁酸和乳酸，丙酸產(chǎn)量增加[21]。同時，未被氧化的FA儲存在脂肪中，不隨VFAs的變化而波動，能穩(wěn)定地分解為乙酸、丙酸、丁酸等VFAs。從另一方面而言，由圖5可知，發(fā)酵初期，3種泔腳廢油脂的pH值均由6.0以上迅速下降至5.0以下，反應(yīng)器中出現(xiàn)沖擊負(fù)荷使得發(fā)酵類型向丙酸型發(fā)酵轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致丙酸的產(chǎn)生和積累，由于丙酸型發(fā)酵具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，OCFA濃度持續(xù)增加[22]。綜上可知，油脂發(fā)酵能產(chǎn)生較高濃度的OCFA。

圖5 pH值的變化規(guī)律

結(jié)合表2，泔水浮油中營養(yǎng)物質(zhì)溶出量較脂肪含量高，丙酸含量低于乙酸含量，屬于丁酸型發(fā)酵[23]，故泔腳浮油的OCFA濃度較低。而煎炸廢油和廢棄肥肉脂肪含量分別為57.21%，86.3%，屬于動物油脂，動物油脂中的OCFA與脂肪酸之比會保持在較高水平[24]，因此脂肪含量高的動物油脂能產(chǎn)生較高濃度的OCFA。結(jié)合表2中可知，OCFA濃度達(dá)到峰值時，泔水浮油、煎炸廢油和廢棄肥肉中的丙酸所占比例分別為27.94%，54.73%，52.07%。泔水浮油發(fā)酵液中含大量乙酸，隨著時間的推移，OCFA 濃度逐漸降低。煎炸廢油和廢棄肥肉屬于丙酸型發(fā)酵，但由于反應(yīng)器內(nèi)部丙酸濃度的不斷增加導(dǎo)致系統(tǒng)腐敗，且反應(yīng)停留在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的時間過長使丙酸和丁酸等4個碳分子以下的VFAs轉(zhuǎn)化為乙酸，使得OCFA濃度降低。

表2 不同種泔腳廢油脂在最大VFAs濃度時各組分比例

在3種泔腳廢油脂中，廢棄肥肉中的脂肪含量最高，故其OCFA濃度最高。煎炸廢油雖然脂肪含量較高，但其VFAs濃度較低，所以O(shè)CFA也較低。而泔水浮油中由于營養(yǎng)物質(zhì)溶出量高產(chǎn)乙酸，因此OCFA濃度也相對較低。

2.3 SCOD隨發(fā)酵時間的變化規(guī)律

SCOD反映不溶性大分子有機(jī)物質(zhì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸溶解成小分子有機(jī)物質(zhì)的含量，包括VFAs、乙醇以及碳水化合物、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等溶解性物質(zhì)[25]。由圖6可知，3種泔腳廢油脂中SCOD與VFAs呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。在發(fā)酵的第5，10，10 d，泔腳浮油、煎炸廢油和廢棄肥肉的最大SCOD濃度分別為15 333，9 041，10 440 mg/L。VFAs/SCOD指發(fā)酵液中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為VFAs的比率，3種泔腳廢油脂中最高VFAs/SCOD分別為42%，39%，53%，表明了廢棄肥肉的產(chǎn)酸效果最好。

圖6 不同泔腳廢油脂SCOD溶出量與VFAs的量化關(guān)系

值得注意的是，油脂會對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸造成抑制，β-氧化階段是LCFA降解過程中的限速步驟，LCFA吸附在產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞膜上，干擾微生物對有機(jī)質(zhì)的吸收，小分子有機(jī)物未能被產(chǎn)酸菌吸收利用，從而使得VFAs濃度較低[26]。泔水浮油SCOD的發(fā)酵前期迅速增長，表明其在發(fā)酵過程中所受到的抑制作用較低，而廢棄肥肉和煎炸廢油中的SCOD和VFAs濃度的緩慢增長、產(chǎn)酸滯后等現(xiàn)象表明其受到明顯的抑制作用。為了深入探討3種泔腳廢油脂的抑制機(jī)理，需要進(jìn)一步的檢測發(fā)酵過程中脂肪、FA及LCFA的變化，用來明確油脂及其降解產(chǎn)物對反應(yīng)的抑制效果，分析油脂水解對VFAs濃度變化的規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中，泔水浮油、廢棄肥肉、煎炸廢油于第5，10，10 d達(dá)到最大VFAs濃度，分別為6 430.22，3 553.92，5 551 mg/L。泔水浮油能在單位時間內(nèi)獲得最大的產(chǎn)酸量。

(2)3種泔腳廢油脂均能產(chǎn)生較高濃度的OCFA。其中，廢棄肥肉的OCFA濃度和OCFA/VFAs的比例為3 356.47 mg/L、66%，相比于泔水浮油和煎炸廢油OCFA濃度分別增長了29%，33%；OCFA/VFAs的比例分別增長了29%，3%。而且廢棄肥肉的VFAs/SCOD高達(dá)53%，產(chǎn)酸效果最佳。因此，廢棄肥肉可作為探討提高OCFA產(chǎn)率的優(yōu)質(zhì)發(fā)酵原料。

(3)各組發(fā)酵液SCOD的變化規(guī)律表明，油脂的抑制效果對泔水浮油作用較小，而對煎炸廢油和廢棄肥肉造成了VFAs濃度的緩慢增長、產(chǎn)酸滯后等作用。