废弃食用油脂中温厌氧发酵特性研究

李　凛， 张云飞， 李　强， 邓雅月， 邓　宇， 尹小波， 贺 静

(1. 成都理工大学 材化院生物工程系，成都　610059； 2. 农业部沼气科学研究所，农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都　610041)



废弃食用油脂中温厌氧发酵特性研究

李凛1， 张云飞2， 李强2， 邓雅月2， 邓宇2， 尹小波2， 贺 静2

(1. 成都理工大学 材化院生物工程系，成都610059； 2. 农业部沼气科学研究所，农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都610041)

为了研究废弃食用油脂中温厌氧发酵特性，对废弃食用油脂进行了中温35 ℃±1 ℃批式发酵，主要考察了不同原料与接种物比(F/I)和碳氮比(C/N)条件下，甲烷产量和FVA的变化情况，并运用修正的 Gompertz 模型对其产气模型进行动力学拟合。实验结果表明，在中温条件下，F/I比值为1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 时，废弃油脂都能较好地进行厌氧发酵产甲烷，最大产甲烷产量分别为737，418，342 和300 mL·g-1TS。采用修正 Gompertz 模型分别对1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 实验组产甲烷曲线进行拟合，得到产甲烷潜力分别为 823.68，461.12，379.43 和339.20 mL·g-1TS，最大产甲烷速率分别为 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL ·d-1g-1TS 。C/N值为28∶1，14∶1，7∶1和4∶1时，随着C/N减小最大产甲烷产量不断增大，分别为185，308，395 和460 mL·g-1TS。

废弃食用油脂； 厌氧发酵； Gompertz 模型

废弃食用油脂主要是指在食品加工产业和餐饮业中产生的不可再食用油脂。随着社会的不断发展，人们生活水平随之提高，废弃食用油脂的产生量也在逐年上涨。我国每年的产生的废弃食用油脂约在400～800万t，合理的处置和利用废弃油脂对于改善生态环境、缓解能源危机、促进经济可持续发展等方面都将起到推动作用[1]。采用废弃油脂产甲烷，不仅实现废弃物资源化，化解日益紧张的能源供需矛盾，而且可以有效解决有机废物造成的环境污染等问题[2]。

国外由于饮食习惯不同，他们的废弃油脂包括脂肪(fat)，油(oil)，油脂(grease)，简称FOG。FOG的来源主要是含油脂废水中经过除油器之后所得到的废弃油脂[3-5]。我国产生的废弃食用油脂大部分是餐厨垃圾产生的，其主要成分是高级脂肪酸甘油酯，油脂中的脂肪酸大多是正构含偶数碳原子的饱和的或不饱和的脂肪酸，常见的饱和酸有肉豆蔻酸(C14)、软脂酸(C16)、硬脂酸(C18 )等，不饱和酸有棕榈油酸(C16，单烯)、亚油酸(C18，二烯)、亚麻酸(C18，三烯)等。在餐厨垃圾发酵中，过高的油脂浓度会抑制餐厨垃圾的厌氧发酵产甲烷过程[6]，油脂的厌氧降解成为厌氧发酵中的难点。在厌氧消化过程中，油脂经过水解生成长链脂肪酸，长链脂肪酸在产酸产氢菌的作用下生成乙酸和H2/CO2，最后在产甲烷菌的作用下生成甲烷。已有的研究表明，油脂水解产物——长链脂肪酸会对后续反应产生毒性效应并抑制厌氧细菌的活性，长链脂肪酸抑制的机理为长链脂肪酸吸附在细胞壁上，影响了代谢过程中底物和产物的传质过程[7]。废弃食用油脂中主要成分是高级脂肪酸甘油酯，几乎不含氮，因而在发酵中需要外加氮源来调节碳氮比。已有的研究表明废弃食用油脂的厌氧发酵的影响因素较多，比如油脂发酵浓度、接种物的浓度和碳氮比C/N)等[8-9]。

实验采用批式发酵的方法考察不同原料接种物比 (feedstock/inoculum，F/I)和碳氮比 (C/N)条件下对废弃食用油脂产甲烷潜力的影响。对不同F/I条件下废弃食用油脂厌氧发酵特性进行研究并采用修正 Gompertz 模型对产甲烷曲线进行拟合。

1　材料与方法

1.1实验材料

实验所用厌氧污泥取自某制药厂厌氧消化器，为黑色絮凝状物质，污泥取回后于塑料瓶内密封, 置于4℃冰箱中保存。

实验所用废弃油脂取自某川菜馆废弃煎炸油，沉淀48 h后，过滤以除去上层泡沫和下层固体杂质。处理后的样品作为厌氧发酵的原料，测定油密度为0.928 g·mL-1。

1.2实验步骤

1.2.1实验设计

F/I实验中，发酵瓶体积为 100 mL，有效反应体积为 60 mL，接种厌氧污泥量为1.8g TS。设置不同的废弃食用油脂与厌氧污泥比分别为1∶6，1∶3，1∶2，2∶3，5∶6 和 0∶1，其中 0∶1 实验组为空白实验，用去离子水补充反应体积至60 mL。C/N实验中，在反应体积 60 mL中加入接种厌氧污泥量为1.8 gTS，油脂加入0.6g TS，厌氧污泥与废弃食用油脂比为3∶1，加入NH4CL作为氮源，C/N分别设置为28∶1，14∶1，7∶1，4∶1，3∶1和1∶0，其中 1∶0 实验组为空白实验。

实验开始前，向反应瓶内冲入氮气 5 min 以排出空气保持反应瓶内的厌氧环境，35℃±1 ℃培养箱内静置培养，发酵时间为30 d。每天记录一次产气量、甲烷含量，3 d测定1次挥发酸。每组样品设置3个平行，数据分析取其平均值。

1.2.2分析方法

日产气量: 在发酵周期内采用排水集气法，每天定时通过量筒直接读取；甲烷含量：采用气相色谱(GC-2010，岛津日本) 检测，检测条件为 TCD 检测器温度 200℃，进样口温度 150℃； TS和VS采用重量法测定[10]；挥发性脂肪酸(VFA ): 采用气相色谱仪(Aglient7820A，美国) 测定，气相色谱条件为FFAD柱，FID检测器，柱温为 250℃，载气为氦气，定量测定方法为外标法，主要测定乙酸、丙酸和丁酸[11]。

1.2.3动力学分析

对于批式厌氧发酵产甲烷过程，有一定程度上甲烷产量是微生物生长的一个函数。实验采用Gompertz 方程 (1) 来拟合累积产甲烷曲线:

(1)

式中:Pt为 t 时刻的累计甲烷产量，mL·g-1TS;P为最终甲烷产量，mL·g-1TS ;Rm为最大产甲烷速率， mL·d-1g-1TS ;λ为延滞期，d;P，Rm和λ可以通过批式厌氧发酵实验数据拟合得到。

2　结果与分析

2.1不同F/I条件下废弃食用油脂厌氧发酵产气特性分析

接种厌氧污泥量一定，在不同的原料接种物比(F/I) 情况下(1∶6，1∶3，1∶2，2∶3，5∶6，1∶1和 0∶1)厌氧发酵累积甲烷产量和单位质量底物的甲烷产量如图1和图2 所示。空白组实验中即0∶1 组累积甲烷产量无明显增加，仅为 9.6 mL，这表明系统中接种的厌氧污泥产甲烷量不高。原料接种物比从1∶6到5∶6的均能够正常产甲烷，各实验组累积产甲烷量都呈现出不断增加的趋势，第21天总产甲烷量到达峰值(230 mL到270 mL之间)。图2中的实验组甲烷产量已扣除了接种污泥的空白。由图2所示，随着物料比的增加，废弃食用油脂的单位TS产甲烷率在不断的下降，表明产甲烷过程随物料比增加逐渐受到抑制，原因是废弃食用油脂加入过多，水解生成 VFA 的速率远高于其消耗速率，中间代谢产物对产甲烷菌产生抑制，造成菌群活性受到抑制。

图1　不同F/I条件下废弃油脂厌氧消化过程的甲烷累积产量

图2　不同F/I条件下单位质量底物的甲烷产量

VFA 是厌氧发酵过程中有机物水解的产物，同时也是产甲烷菌的利用底物，VFA 浓度是评价水解酸化和产甲烷平衡中的一项重要指标[12-14]。由图 3可知，各实验组VFA 呈现先上升后下降的趋势，在第 7 天达到峰值。

F/I为5∶6和1∶1这2个实验组，VFA 也是一直上升到第 7 天达到最大值2500 mg·L-1和 3800 mg·L-1，可以看出挥发酸出现了累积，导致该实验组厌氧发酵受到抑制，以致甲烷产量非常低。

F/I为1∶6，1∶3，1∶2，2∶3的4个实验组，VFA在第 7 天达到峰值，之后随着发酵时间而逐渐下降的，因为这 4 组中产生的挥发酸能迅速被产甲烷菌利用产生甲烷。这 4 组实验组的VFA 变化均在厌氧菌的适应范围内，因此，这 4 组的产甲烷效果良好。

2.2不同F/I条件对废弃油脂厌氧发酵产甲烷过程分析研究

由于F/I 5∶6和1∶1 实验组中废弃油脂厌氧发酵都有受到一定抑制作用，因此不适合作为产甲烷曲线拟合的数据来源，故用修正 Gompertz 模型对物料比为1∶6，1∶3，1∶2，2∶3的四个实验组产甲烷数据进行拟合，拟合结果如图4 和表2 所示。

图3　不同F/I条件下废弃油脂厌氧消化过程的VFA变化

图4　甲烷产量的修正Gompertz方程拟合曲线

物料接种比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 方程对 4 组实验组的产甲烷曲线进行拟合的R2均在 0．99 左右(见表 2)。由此可见该模型与实验结果拟合相关性较好，能够很好地反映出废弃食用油脂的产甲烷特性。模型拟合得到的 最 大 产 甲 烷 潜 力 参 数 P 分 别 为823.68，461.12，379.43 和339.20 mL·g-1TS，与实际最大产甲烷量非常接近。延滞期在3～5 d，这是因为油脂水解并降解成有机酸的过程是一个需要多种微生物协同作用的一个过程，油脂的水解被认为是其限速步骤。另外，最大产甲烷速率分别为 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL·d-1g-1TS，可以看出随着废弃油脂与污泥比值变大，最大产甲烷潜力以及最大产甲烷速率都是逐渐变小。这是因为对于定量的接种污泥，废弃油脂量越多，可能会造成污泥的负荷太高，抑制厌氧微生物的生长，导致其活性下降；但过多的污泥量也会造成厌氧微生物缺乏充足的营养源而不能保证自身增长需要，也会抑制厌氧微生物的生长。因此，该实验也可为实际工程应用提供一定的实验基础。

2.3不同C/N条件下废弃食用油脂厌氧发酵产气特性分析

由于油脂这种发酵原料几乎不含氮源，实验采用了氯化铵作为氮源，考察了不同C/N对废弃食用油脂厌氧发酵产气的影响。

图5　不同C/N条件下废弃油脂厌氧消化过程的甲烷累积产量

图6　不同C/N条件下单位质量底物的甲烷产量

F/I为1∶3条件下，在不同的碳氮比(C/N) 情况下(28∶1，14∶1，7∶1，4∶1，3∶1和1∶0)厌氧发酵累积甲烷产量和单位质量底物的甲烷产量如图5和图6 所示。空白组实验中即1∶0 组累积甲烷产量无明显增加，仅为 5 mL，这表明系统中缺少氮源，严重影响厌氧发酵的进行。C/N从28∶1到3∶1均能够正常产甲烷，各实验组累积产甲烷量都呈现出不断增加的趋势，第21天总产甲烷量到达峰值(110 mL到280 mL之间)。图6中的实验组甲烷产量已扣除了接种污泥的空白。由图6所示，随着C/N的增加，废弃食用油脂的单位TS产甲烷率先不断上升再下降，在C/N为4∶1条件下，单位油脂的甲烷产量最高，达到460 mL·g-1TS。表明产甲烷过程随C/N的增加逐渐受到促进，原因是氮源的增加，促进了厌氧微生物的增殖和生长及其生理活性，使得菌群的活性增强。

图7　不同C/N条件下废弃油脂厌氧消化过程的甲烷累积产量

由图 7可知， 不同C/N实验组VFA 呈现先上升后下降的趋势，在第 7～10天达到峰值。

C/N为3∶1和4∶1这2个实验组，VFA 也是一直上升到第8 天达到最大值3000 mg·L-1和1800 mg·L-1，但是随后在第15天下降到1000 mg·L-1以下，发酵过程尚属正常，可以看出挥发酸出现了轻微累积，发酵过程的稳定性较差。

C/N为28∶1，14∶1，7∶1的3个实验组，VFA在第 5 天达到峰值，之后随着发酵时间而逐渐下降的，因为这 3 组中产生的挥发酸能迅速被产甲烷菌利用产生甲烷。这 3 组实验的VFA 变化均在厌氧菌的适应范围内，产甲烷效果良好。

3　结论

(1)在中温条件下，F/I比值为1∶6，1∶3，1∶2和 2∶3 时，废弃油脂都能较好地进行厌氧发酵产甲烷，最大产甲烷产量分别为737，418，342 和300 mL·g-1TS。

(2)修正 Gompertz 方程可用来描述废弃食用油脂的厌氧发酵产甲烷过程，分别对1∶6,1∶3,1∶2和 2∶3 实验组产甲烷曲线进行拟合，得到产甲烷潜力分别为 823.68,461.12,379.43 和339.20 mL·g-1TS，最大产甲烷速率分别为 56.25，31.03，24.79 和20.63 mL· d-1g-1TS。

(3)C/N值为28∶1，14∶1，7∶1和4∶1时，随着C/N减小最大产甲烷产量不断增大，分别为185，308，395 和460 mL·g-1TS。综合考虑原料产气率和VFA动态，C/N在14∶1至7∶1的范围下有利于油脂的厌氧发酵产甲烷。

[1]姚志龙,闵恩泽.废弃食用油脂的危害与资源化利用[J]. 天然气工业,2010，30(5):123 -128.

[2]廖家林，赵明星，黄振兴,等.油脂降解及其对餐厨废水厌氧发酵性能影响[J].食品与生物技术学报, 2013,32(08)：303-308.

[3]Jian Lin Chen , Raphael Ortiz, Terry W.J. Steele , David C. Stuckey Toxicants inhibiting anaerobic digestion: A review[J]. Biotechnology Advances，2014, 32：1523-1534.

[4]Kim, Ijung, Sang Hyoun Kim, Hang-Sik Shin,Jin Young Jung .Anaerobic Lipid Degradation Through Acidification and Methanization[J]. J Microbiol. Biotechnol，2010, 20(1), 179-186.

[5]Silvestre G , Rodríguez Abalde A , Fernández B, Flotats X, Bonmatí A. Biomass adaptation over anaerobic co-digestion of sewage sludge and trapped grease waste[J]. Bioresource Technology, 2011,102, 6830-6836.

[6]李小风．油脂对餐厨垃圾厌氧消化抑制效应的试验研究[D]．重庆: 重庆大学，2010.

[7]Hunter Long J, Tarek N A, Francis L de los Reyes III, et al.Anaerobic co-digestion of fat, oil, and grease (FOG): A review of gas production and process limitations[J]. Process Safety and Environmental Protection，2012,90: 231-245.

[8]蒋琼华.泔脚垃圾废油脂在厌氧消化过程中的极限有机负荷研究[D]. 成都：西南交通大学，2013.

[9]贺 静，陈泾涛，李 强，李 凛，邓雅月，邓 宇，尹小波.菌种驯化对废弃食用油脂中温厌氧消化的影响[J].中国沼气，2015,33(4)：26-30.

[10] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第四版)[M].北京：中国环境出版社,2002.

[11] 刘艳玲,任南琪,刘 敏, 等.气相色谱法分析厌氧反应器中的挥发性脂肪酸(VFA)[J]．哈尔滨建筑大学学报,2000,33(6):31-34.

[12] Zonta Z，Alves M M，Flotats X，et al． Modelling inhibitory effects of long chain fatty acids in the anaerobic digestion process[J]． Water Research，2013，47(3) : 1369-1380.

[13] Chen Ye，Cheng J J，Creamer K S． Inhibition of anaerobic digestion process: A review[J]． Bioresource Technology，2008，99(10) : 4044-4064.

[14] Siegert I，Banks C．The effect of volatile fatty acid additions on the anaerobic digestion of cellulose and glucose in batch reactors[J]．Process Biochemistry，2005，40 (11) :3412-3418.

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

项目来源： 四川省应用基础研究项目(2015JY0054)； 四川省食用菌创新团队资助项目

李凛(1980-)，男，副教授，主要从事微生物发酵方面的工作，E-mail:lilin@edut.edu.cn

贺 静，E-mail:hejing@caas.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2016)05-0027-05