异养小球藻藻渣产沼气研究

2017-11-21,,,,,,,,*

食品工业科技 2017年21期

关键词：异养小球藻发酵液

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(1.南阳师范学院生命科学与技术学院,河南南阳 473061; 2.河南天冠企业集团有限公司车用生物燃料技术国家重点实验室,河南南阳 473000)

异养小球藻藻渣产沼气研究

杨迪1,毕生雷1,2,赵新仕1,鲁龙2,邹婷婷1,2,张乃群1,*

(1.南阳师范学院生命科学与技术学院,河南南阳 473061; 2.河南天冠企业集团有限公司车用生物燃料技术国家重点实验室,河南南阳 473000)

异养小球藻,沼气发酵,细胞破碎,藻渣

小球藻属绿藻门(Chlorophyta)绿藻纲(Chlorophyceae)绿球藻目(Chlorococcales)卵囊藻科(Oocystaceae)小球藻属(Chlorella),是一种普生性球形单细胞藻类,生态分布极广,在淡水、海水中均有发现[1]。

已有研究表明,小球藻是一种高蛋白、低脂肪、富含多种维生素及矿物质的单细胞藻类,可作为功能食品和营养强化剂应用于食品工业。已经问世的小球藻片或小球藻胶囊具有促进人体细胞活化、调节血压、血脂、免疫力的功能[2-3]。近年来,美国、日本等国家还推出了活性成分更易被人体吸收的小球藻口服液和小球藻饮料[4],但目前小球藻的大规模应用主要集中在固碳、油脂提取和生物柴油制备等政策关注度较高的方面。

作为现有主要的终端产物,小球藻油脂的提取方法主要有生物破碎法、化学破碎法、物理破碎法[5]。小球藻培养失败产生的废弃培养液,油脂提取后产生的废渣都会对环境造成污染,影响了其经济发展。沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体,是一种可再生的清洁能源[6],其发酵依据过程产物的不同可分为水解过程、酸化过程、甲烷化过程,依据水分含量可以分为干式发酵和湿式发酵。目前沼气发酵常用原料有动物粪便、植物秸秆、污水、餐厨垃圾、木质纤维素等,而藻类含有丰富的有机质和氮磷等微量元素,非常适合沼气发酵。本文对异养小球藻发酵废液产生的废渣以及酸热法、酶解法、酯化法、球磨法提油后产生的废渣分别进行沼气发酵,尝试建立利用有机溶剂废弃物产沼气的工艺流程,为微藻生物柴油产业的健康发展提供技术支持。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

异养小球藻异养培养的原始小球藻(Chlorellaprotothecoides),由河南天冠集团车用生物燃料国家重点实验室提供,细胞内油脂含量53%;异养小球藻发酵液取自车用生物燃料国家重点实验室,浓度为120 g/L;藻液取自车用生物燃料国家重点实验室,存于展示柜中备用;接种用污泥取自天冠集团技术中心,TS(总固体含量)为1%,在水浴锅中50 ℃活化1 d备用。

厌氧发酵系统自制。主要由恒温水浴锅、发酵罐、集气瓶和集水瓶组成。发酵罐、集气瓶、集水瓶均为1 L广口瓶,采用胶塞密封。发酵罐置于恒温水浴锅中,发酵罐口设料液取样口及导气管,导气管连接集气瓶和集水瓶,具体见图1。

图1 沼气发酵装置示意图Fig.1 Schematic diagram of biogas fermentation equipment

DK-600型恒温水浴锅上海精密仪器仪表有限公司;LNB2.5-10F型马弗炉上海皓庄仪器有限公司;FE20-FiveEasy Plus型pH计梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司;202-2型电热恒温干燥箱上海博珍仪器设备制造厂;QCOD-3E型COD测定仪深圳昌鸿科技有限公司;NH-6N型氨氮测定仪深圳昌鸿科技有限公司;L400型离心机长沙湘仪离心机仪器有限公司;R-300型旋转蒸发仪瑞士步琦有限公司;2100型液相色谱仪安捷伦科技(中国)有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 原料制备方法发酵液藻渣:取异养小球藻发酵液,离心,弃上清液,余藻渣备用[7]。

球磨破碎提油后藻渣:取异养小球藻发酵液,离心,弃上清液,放入球磨罐中球磨破碎,提油后余藻渣备用[8]。

酶解提油后藻渣:取异养小球藻发酵液,酶解,提油后余藻渣备用[9]。

酸热法破碎提油后藻渣:取异养小球藻发酵液,加入硫酸酸解,提油后余藻渣备用[5]。

酯化提柴油后藻渣:取异养小球藻发酵液,离心,弃上清液,酯化提柴油后余藻渣备用[10]。

1.2.2 原料处理方法异养小球藻发酵液及采用各种提取方法提油后的藻液,使用离心机离心(3000 r/min,10 min)制成藻渣后,取10.00 g置于烘箱中测100 ℃干重,取藻渣置于广口瓶中,加入接种用污泥,配成干重为10%的沼气发酵液。

1.2.3 沼气发酵方法取1000 mL沼气发酵液置于发酵罐中,沼气发酵温度为50 ℃,每天人工手摇发酵罐,并测定排水量,然后将水加满。每周取50 mL样品送检,并测量集水瓶中水的体积以计算排气量,其中一个发酵系统连续两周停止产气后,整个实验停止。

1.2.4 检测方法排气量:在发酵开始时,集气瓶中装自来水,发酵过程中集气瓶中收集发酵过程所产沼气,并排出相应体积的自来水。发酵过程中直接用量筒量取集水瓶中水的体积;pH:直接使用pH计检测;挥发性脂肪酸:使用液相色谱仪检测乙酸、丙酸等成分含量;碳源:使用液相色谱仪检测葡萄糖、木糖等成分的含量;氨氮:使用氨氮检测仪检测;COD:使用COD检测仪检测。

1.2.5 计算公式

C=(m/V)×100

式中:C代表干物质含量,g/L;m代表藻渣烘干后质量,g;V代表藻渣体积,mL。

2 结果与讨论

2.1不同原料发酵体系pH变化情况

结构复杂的大分子有机质无法直接被沼气细菌利用,需要经过水解作用分解成小分子有机质,然后进一步经过酸化作用分解成沼气细菌能够利用的短链有机酸,但水解过程、酸化过程和甲烷化过程需要均衡进行。如果水解过程和酸化过程超过了甲烷化过程的反应速度,就会导致产酸过量,从而引起pH降低,沼气菌就需要更多能量从细胞体内向体外提供质子以维持其细胞质的生长环境[11]。因此有必要了解pH的变化规律,以提高沼气发酵效率。使用不同预处理工艺原料各发酵体系的pH变化情况如图2。

图2 pH变化图Fig.2 Chart of pH change

从图2的pH变化中可以看出,随着发酵的进行,使用球磨法提油、酯化法制柴油、酶解液提油获得的三种原料和发酵液原料四个发酵体系的pH首先快速下降,在达到稳定状态后又小幅回升,而使用酸热法提油原料的发酵体系则一直处于稳步下降趋势中,这主要是因为不同的预处理工艺对原料结构造成不同的影响。球磨法、酯化法、酶解法三种原料的细胞受到破坏程度有限[8-10],与发酵液原料相同,在发酵初期,受到破坏并成为细胞碎片的部分能够被水解菌和产酸菌利用,从而使水解菌和产酸菌活跃,加速了水解、酸化进程,反映在pH上就是pH快速下降,而在水解过程和酸化过程将能够快速利用的有机质利用完成后,藻细胞需要慢慢被分解,从而维持pH平衡状态。随后短链有机酸被逐渐消耗,pH缓慢上升。而对于酸热法获得的原料,由于细胞破坏完全,原料基本都是细胞碎片[5],因此整个沼气发酵过程的水解和产酸都比较旺盛,从而使pH一直处于稳步的下降状态。

在使用不同预处理工艺原料的发酵体系中,氮的平衡非常重要,对于固体有机物,沼气发酵体系首先要将其分解成为能溶于水并能够被酸化细菌利用的小分子有机质,因此,溶解性有机氮的变化趋势能够反映沼气发酵体系对底物的利用情况[12]。其初始溶解性有机氮的含量及在发酵过程中的变化趋势见图3。

图变化图

2.3不同原料发酵体系COD变化情况

COD即化学需氧量,是指处理样品时,所消耗的强氧化剂的数量,代表了样品中能够被氧化的有机物质数量。通常情况下,小分子有机物能够被完全氧化,大块的复杂有机物由于难以被强氧化剂完全破坏只是被部分氧化,能够被氧化的有机物通常能够被沼气发酵细菌利用,因此COD可以反映反应体系中底物浓度的高低,是沼气发酵中的重要参数,使用不同预处理工艺原料的发酵体系中,其COD变化情况见图4。

图4 COD变化图Fig.4 Chart of COD change

从图4的COD变化中可以看出,酯化法的COD变化趋势是先上升后下降的波动,其余四种方法的COD整体变化趋势是先降低后升高,然后再降低,说明随着底物被分解、酸化、产甲烷,导致底物浓度降低,从而引起COD有所降低,而水解细菌的活动又不断将不能利用的底物进一步分解成小分子有机物,从而导致COD又有所升高,但分解、酸化、产甲烷始终是一个动态的平衡的体系。在五种原料中,球磨提油后原料所在的发酵体系COD一直处于较高的水平,且在发酵的前48 d远远高于其它原料所在发酵体系,说明球磨后形成的细胞碎片能够不断被分解。而其它原料在300000 mg/L以下波动。发酵液、酶解法所在的发酵体系COD一直处于较低的水平,原因是小球藻细胞难以被分解。酸热法、酯化法获得的两种原料,由于细胞在强硫酸作用下已经被破坏,细胞结构中的淀粉、蛋白质被强酸在高温下碳化无法再通过沼气发酵水解出更多营养物质,所以其所在发酵体系的COD一直处于较低的水平。发酵结束后五种原料的发酵体系COD均高于150000 mg/L,这可能是未被利用的细胞以及在提油时残留的有机溶剂,说明发酵体系中留存的细胞碎片以及其它有机溶剂虽然影响了COD,但不能被沼气细菌利用。

2.4不同原料发酵体系总碳含量变化情况

复杂的大块的有机物难以被沼气细菌直接利用,在分解过程中被水解菌群分解为能够被酸化细菌利用的糖类、醇类,总碳含量反映了糖类和醇类的总和,其含量高低能够说明分解过程的进展情况。不同预处理工艺原料的发酵体系中的总碳含量的变化情况见图5。

图5 总碳变化图Fig.5 Chart of total carbon change

从图5的总碳含量变化中可以看出,酸热法获得原料所在的发酵体系中总碳含量一直处于较高的水平,说明酸热法对小球藻细胞破坏比较彻底,能够被水解细菌彻底利用,而发酵液、酶解法获得原料所在的发酵体系中总碳含量先快速上升,然后又快速下降,说明发酵液、酶解法所获得原料不能被水解细菌快速分解,其利用有一定过程,在此过程中酸化细菌不能获得足够的营养物质而活性受限,随着分解过程的进行,酸化细菌能够获得的营养物质越来越多,活性增强,逐步超过水解细菌分解能力,导致总碳含量快速下降。酯化法、球磨法所获得原料所在的发酵体系中总碳含量一直处于较低的水平,说明发酵液中的营养物质不能被有效利用,水解细菌分解获得的葡萄糖、甘油等有机碳数量有限,而酸化细菌活性也处于较低的活性水平。在发酵过程中,水解细菌、酸化细菌活性相当,从而形成了动态平衡,发酵体系比较稳定,但这两种原料通过分解获得的营养物质偏少。

2.5不同原料发酵体系VFA含量变化情况

挥发性脂肪酸(VFA)是厌氧反应器运行中重要的控制指标。酸化细菌充分利用分解过程中所得的小分子有机物,从而产生了乙酸、丙酸、丁酸等可挥发性脂肪酸,这些短链脂肪酸能够被甲烷细菌直接利用从而产生沼气。VFA含量可以代表乙酸、丙酸等可挥发性脂肪酸含量的多少,也能够说明酸化过程的进展情况。使用不同预处理工艺原料的发酵体系中,其可挥发性脂肪酸含量的变化情况见图6。

图6 VFA变化图Fig.6 Chart of VFA change

从图6的VFA变化中可以看出,球磨法、酸热法、酯化法所获得原料所在的发酵体系中VFA一直处于较低的水平,且比较平衡,说明酸化过程、产甲烷过程形成了动态平衡,沼气发酵比较稳定。而发酵液、酶解液所获得原料所在的发酵体系中VFA先快速升高,又下降,但整个发酵过程中发酵液、酶解法所获得原料的VFA含量一直高于其它原料所在的发酵体系。可以说明这两种原料不能被分解细菌直接利用。沼气发酵是一个动态过程,大致可以分为水解阶段、酸化阶段、产气阶段。但并不能明确划分出一个时间节点。在图6中,发酵液、酶解液中细胞受破碎程度小,没有太多的细胞碎片供酸化细菌利用,因此,在发酵初期水解细菌比较活跃而酸化细菌受到抑制,产酸较少。随着水解的进行,不断有大分子有机物被分解成能够被酸化细菌利用的营养物质,酸化细菌活性增强,产酸快速增加,从而引起VFA含量的提高。而水解过程较为缓慢,不能满足快速增加的酸化细菌的营养需求,在第28 d出现产酸减少、VFA含量降低的现象。

2.6不同原料发酵体系产气量变化情况

图7 产气量变化图Fig.7 Chart of gas production change

3 结论

异养小球藻藻渣直接进行沼气发酵效果不理想,需要进行预处理对藻细胞造成实质性破坏,才能释放出更多的小分子有机物,从而在沼气发酵中被沼气细菌直接利用,缩短沼气发酵的分解阶段,为酸化细菌和产甲烷细菌提供足够的营养,进而提高沼气发酵的效率和沼气发酵的产量。

酸热法提油法产生的藻渣残余油脂含量较少[5,7-10],这显示出其能够有效地对异养小球藻细胞造成破坏,藻渣中有较多的细胞碎片,在沼气发酵中能够释放出更多葡萄糖等小分子有机物,供沼气发酵细菌利用。其它提油法沼气产量较低、沼气生产效率也低,说明其不适应于进行沼气生产。

生物柴油和沼气联产需要同时兼顾提油工艺和沼气生产工艺。异养小球藻提油方法较多,有成熟的应用方案,本文的研究为异养小球藻油脂生产过程中废弃物的资源化利用提供了参考,为异养小球藻作为原料生产生物柴油和沼气时进行预处理工艺的选择提供了思路。

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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)