水熱或臭氧預處理（lǐ）有效降解油脂研究

為了緩解餐廚垃圾中大（dà）量未降解油脂包覆微生物，對厭氧發酵產生嚴重抑製的問題，本（běn）文采用水熱或臭氧預處理有效降解油（yóu）脂，預處理進（jìn）行厭（yàn）氧發酵.掃（sǎo）描電子顯微鏡和傅裏葉變（biàn）換-紅外光譜分析表明，經過水熱或臭氧預處理後，厭氧發酵過程油（yóu）脂降解程度提高.經過（guò）臭氧預處理的火鍋廢油厭氧發酵（jiào）甲烷產率提升至（854.20±10.28）mL·g-1（每克有機質幹重所產生的甲烷量，以毫升計，下同），在第20 d達到產甲烷（wán）速率峰（fēng）值（122.06±3.46）mL·g-1·d-1，較之未（wèi）處理組達到甲烷峰值（zhí）速率的時（shí）間縮短（duǎn）4 d，甲烷（wán）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（chòu）氧預處理後的76.18%，說明臭氧或水熱預處理可以促進油脂的降解，並且提高產甲烷菌對底物的利用從而提高發酵產甲烷（wán）的效率，從而在（zài）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（wèn）題.

 1.實驗材料與方法(Materials and methods)

1.1.發酵原料和特性

厭氧（yǎng）發酵使用的油脂有3種, 分（fèn）別為中國餐廚垃圾中的典型油（yóu）脂：火鍋油、燒烤油和川菜油.實（shí）驗所用的（de）油脂分（fèn）別來源於浙江省杭州市的某（mǒu）火（huǒ）鍋店、燒烤店以及（jí）川菜館.油脂經過過濾、除雜後存儲於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, 用於研究預（yù）處理方式對（duì）於（yú）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（hōng）箱內烘烤至質量不變來測定, 有機質及灰分（fèn）含量（liàng）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（fèn）別采用Lowry以及（jí）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（qián）的測試（shì）方法進行測試(Cheng et al., 2019a).預處理後油（yóu）脂固體底物的微觀結構的測試方法包括SEM(台式顯（xiǎn）微鏡TM-1000, HITACHI)及FTIR (氣（qì）相色譜儀——傅（fù）裏葉紅外光譜儀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（dǐ）物油脂和100 mL的稀氫氧化鈉溶液(2%V/V)加入水熱反（fǎn）應釜(Parr 4500, 美國)中, 密閉容器加熱至220 ℃恒溫並（bìng）保持30 min.在臭氧預處理過程中, 使（shǐ）用的是純氧源臭氧發生器5 g的底物油（yóu）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（gāng）管道（dào）(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（chòu）氧（yǎng）濃度設置為0.2 g-O3/g-TVS.此臭氧投加量源於已（yǐ）有研究中甘油三油酸酯臭氧投加量的合適量(Yue et al., 2020), 並且預實驗也體（tǐ）現了相類（lèi）似的（de）規律.

廢棄火（huǒ）鍋油脂、燒烤油脂和川菜油脂的（de）主要油脂成分為甘油三酯, 包括甘油三（sān）油酸酯（zhǐ）、甘油三（sān）硬脂酸酯、甘油三十（shí）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於發酵（jiào）產生（shēng）甲烷(Xia et al., 2014).以（yǐ）甘油三油酸酯為例, 相關的水解和反應的原理式（shì）如式(1)所示(Dong et al., 2009).

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

通過β-氧化的（de）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（liàn）脂肪酸可以完全降解, 而具有奇數碳鏈的長鏈脂肪酸然後剩餘3個碳原子形（xíng）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（jiǎ）烷接種物

發酵實（shí）驗所用（yòng）的產（chǎn）甲烷（wán）菌分離自中（zhōng）國浙江省杭州市杭州（zhōu）環境集團甲烷發酵罐, 取分離後的（de）500 mL活（huó）性汙泥於1 L錐形瓶中, 在厭氧工作站(Whitley DG250, 美國)中（zhōng）放置30 d消耗完原有有（yǒu）機質.之後將pH調整為8.0±0.1以抑製產氫細菌等雜菌.瓶（píng）中加入1.25 g纖維素, 置於厭氧工作站中富集培養.14 d後即得到（dào）富集完成的產（chǎn）甲烷菌.經過16S rRNA測（cè）定, 產（chǎn）甲烷菌的主要菌種為Methanosarcina和Methanothrix (Cheng et al., 2011).

1.4 發酵產（chǎn）甲烷方法

批次發（fā）酵產甲（jiǎ）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（yàng）.取100 mL預處理之後的濁（zhuó）液(對應5 g原始底物), 利用6 mol·L-1的鹽（yán）酸溶液和6 mol·L-1的氫氧化鈉溶液將發酵係統的pH調節為8.0±0.1, 之後（hòu）按照底物TVS：產甲烷菌活性汙泥TVS=1∶2(體積比)接種產甲烷（wán）菌汙泥, 加入滅菌後（hòu）的去離（lí）子水混合使總體積為300 mL, 隨後重新調（diào）節pH值為8.0±0.1.發酵（jiào）瓶使用橡膠塞密封並以40 mL·min-1的流量通氮氣10 min, 隨後置（zhì）於恒溫水浴鍋中（zhōng）進行厭氧發酵, 與1000 mL有機玻璃集氣槽連接用（yòng）於收集產生的氣體.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（liǎng）種, 還混（hún）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（jī）通（tōng）過集氣槽讀數與發酵瓶頂部（bù）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（yòng）的是同樣是帶（dài）有氫離子火焰檢測器(FID)的氣相色譜儀(型號：Agilent 7820A).

實驗過程（chéng）中得到（dào）的甲烷和二氧化碳的產（chǎn）量是根據實際發酵生物氣的產量以及甲烷（wán）和二氧化碳（tàn）的濃度分別（bié）計算, 並且根據標準溫度和壓力校正得到.甲烷產率是（shì）甲烷產量(mL)和（hé）底物的（de）有機質幹重(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（dǐ）物（wù）的能量之比(Ding et al., 2017a).

3種（zhǒng）油脂臭氧/水（shuǐ）熱預處理後厭氧（yǎng）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（fā）酵底物, 分別將臭氧預處理以及水熱預處理的（de）油脂用於（yú）厭氧發酵（jiào）產甲（jiǎ）烷以提高能（néng）量轉化效率的實驗研究.經過臭氧或水熱預處理後, 火鍋油脂厭氧發（fā）酵的甲烷（wán）產率分別達到（dào）了854.20 mL·g-1及779.72 mL·g-1, 整體能量轉化（huà）效率（lǜ）分別由（yóu）64.88%提升至76.18%和69.53%.3種油脂發酵產（chǎn）甲烷呈現（xiàn）了相似的規律, 且臭氧優於水熱預處理.這（zhè）說明油脂的臭氧及水熱預處理是一（yī）個（gè）能夠同時提高甲烷產率（lǜ）和能量轉化效率的很有效的方法, 能夠促進底物降解, 緩解油脂對於（yú）菌群的包埋.更多的研究應當著眼於降低水熱及臭氧預處理能耗.