猪皮、猪瘦肉和猪脂肪厌氧消化产气潜力的实验研究

张 旭， 尹 芳， 王昌梅， 赵兴玲， 吴 凯， 柳 静， 杨 红， 张无敌， 刘士清

(云南师范大学， 云南 昆明 650500)

近年来，随着我国畜牧业从传统化到工业化再到生态化的转型升级的步伐逐渐加快，现代化、规模化生产逐渐成为主导，但是随之而来的病死畜禽的处理问题已成为生态农业发展中的首要难题。资料表明，我国每年各类疾病引起的猪死亡率为8%～12%，牛死亡率2%～5%，羊死亡率为7%～9%，家禽死亡率为12%～20%，其它家畜死亡率在2%以上[1]。以生猪为例，2017年我国的生猪存栏量约为3.5亿头，产量将近2700万吨，这些数据表明，每年有上百万吨的病死猪需要妥善处理，否则将会对环境造成巨大的污染和破坏。

病死畜禽的无害化处理，指通过物理、化学等方法处理病死及病害动物和相关动物产品，消灭其所携带的病原体，消除其危害的过程。当前常用的方法有掩埋、焚烧、高温化制和化尸池发酵这4种方法，但是这些方法在需要对大规模的病死畜禽处理时，会遇到成本过高、病原菌二次污染、能源浪费等问题。因此，寻求一种环保经济并且实现资源高效回收利用的方法显得愈加的重要。从袁万哲[2]和成潇伟[3]等学者的研究中可以看出，利用厌氧消化可以作为处理病死猪的一种方法。

国内外有很多学者都做过厌氧消化处理病死猪的实验研究，但是系统研究猪肉在厌氧条件下的能源转化效率的工作目前为止还没有人做过相关报道。所以，本文通过试验研究了猪皮、瘦肉以及脂肪3个不同部位在中温条件下产气潜力，以期为后续的研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 发酵原料

试验用猪肉于2017年4月购买于吴家营菜市场，经测定，猪皮、猪瘦肉、猪脂肪TS(总固体含量)分别为89.5%，36.7%，41.2%， VS(挥发性固体含量)分别为98.2%，93.1%，97.9%，pH值为6.7。所用接种物取自实验室，是以猪粪为原料富集而成的活性污泥，经测定，接种物TS为11.8%， VS为68.86%，pH值为7.3。

1.2 实验装置

发酵实验采用的装置为实验室自制，由发酵瓶、集气瓶、体积计量瓶(为相同型号500 mL自带刻度塑料瓶)以及温控系统四部分组成。发酵瓶、集气瓶、体积计量瓶通过快拧接头瓶盖二氧化碳发生器和乳胶管连接，中温发酵温控系统由加热棒(XL-999型)、水泵(AP-1400型)、温控仪(C3W-221智能数显温控仪)三部分组成。

1.3 方法

1.3.1 实验方法

将新鲜原料用绞肉机粉碎(方便与接种物充分混合)，设置实验组和对照组，每组设置3个平行，料液配比如表1。发酵方式采用全混合批量式发酵，在发酵温度为30℃。

表1 料液的配比

1.3.2 测试项目及方法

试验需测定原料、接种物，发酵前后混合料液的总固体含量(TS),挥发性固体含量(VS),pH值、产气量和气体甲烷含量5个项目。

(1)TS和VS采用常规分析法[4-5]进行测定。

TS测定：将待测样在105℃±5℃的电热恒温干燥箱(202型)中烘至恒重进行计算：

式中：W0表示样品鲜重,g；W1表示样品烘至恒重后的重量，g。

VS测定：将待测样在550℃±20℃箱型电阻炉(SX2-2，5-12型)中灼烧至恒重进行计算；

式中：W1表示样品烘至恒重后的重量,g;W2表示灼烧后剩余灰分重量，g。

(2)pH值测定：使用范围为6.4～8.0的精密pH试纸分别测定原料、接种物以及发酵前后混合料液的pH值。

(3)产气量测定：采用排水集气法测定，每天定时记录各实验组的产气量，取实验组3个平行组的平均值去除对照组产气量平均值为当日原料产气量。

(4)甲烷含量测定：每10天使用气相色谱仪(GC-6890A)精确测定气体中甲烷的含量。

2 结果与分析

2.1 产气情况分析

2.1.1 猪皮产气情况分析

反应启动后，每24 h记录1次当日净产气量，每10 d精确测定1次甲烷含量，由此得出产气量、甲烷含量与发酵时间的规律，如图1和图2所示。

图1 产气量随发酵时间的变化曲线

图2 甲烷含量随发酵时间的变化曲线

整个发酵周期持续76 d，总产气13660 mL。由图1和图2可以看出，前2天日产气量逐渐升高，在第3天日产气量突然出现一个高峰，为650 mL，但是当日的甲烷含量只有51%，产气量徒增可能与接种物中的有机质有关，在这之后日产气量逐渐降低，也说明这个问题，当第9天时达到一个谷值。第10天到第35天为平稳期，这一时期大分子有机物水解，微生物也在不断地富集驯化，由图1可以看出这一时期日产气量均不高，但是随着时间推移，无论是日产气量还是甲烷含量都在缓慢地提升。从第38天开始产气周期迎来第2个高峰，这一高峰一直持续到第60天，这一时期的产气量占总产气量的53%，平均甲烷含量高达68%。第60天以后逐渐进入产气末期，第76天以后基本停止产气(最后一次测甲烷含量是第83天统一操作，所以甲烷含量变化图为83天)。

2.1.2 猪瘦肉产气情况分析

反应启动后，每24 h记录1次当日净产气量，每10 d精确测定1次甲烷含量，由此得出产气量、甲烷含量与发酵时间的规律，如图3和图4所示。

图3 产气量随发酵时间的变化曲线

图4 甲烷含量随发酵时间的变化曲线

整个发酵周期为113 d，总产气量为18850 mL。由图3和图4可以看出，在第3天猪瘦肉和猪皮出现了相同的产气高峰，日最高产气量为600 mL，甲烷含量为55%，随后产气量开始下滑至低谷期，相对于猪皮，瘦肉的低谷期更长，一直持续到第60天，从图4可以看出，在第23到第53天期间，甲烷含量低至45%以下(期间产生的沼气可点燃但不能持续燃烧)，也就是说猪瘦肉相比于猪皮水解期更长，前期产物无法被微生物利用。从第61天开始，产气开始恢复，逐渐进入高峰期，整个高峰期持续35 d，期间产气量占总产气量的60%，平均甲烷含量为65%。第95天进入产气末期，在第113天时结束产气。

2.1.3 猪脂肪产气情况分析

反应启动后，每24 h记录一次当日净产气量，每10 d精确测定一次甲烷含量，由此得出产气量、甲烷含量与发酵时间的规律，如图5和图6所示。

图5 产气量随发酵时间的变化曲线

图6 甲烷含量随发酵时间的变化曲线

整个发酵周期为83 d，总产气量为14780 mL。由图5可以看出，在前3天，脂肪的产气曲线并没有像皮和肉一样出现一个明显的高峰，但有明显的起落，且甲烷含量只有42%，可以判定是接种物的影响。但是从前20天的总体趋势来看，第5天到第16天是一个明显的峰值周期，期间总产气2680 mL，占总产气量的18%。随后进入一个10 d的低谷期，从第30天开始，产气逐渐恢复稳定，且一直持续50 d直到产气结束。整个产气高峰期的平均甲烷含量为63%。

2.1.4 产气情况综合分析

通过图1～图6的产气情况分析中不难看出，猪皮和猪瘦肉中蛋白含量比较高，所以整个产气周期的前半部分均为水解期，且持续时间较长。不过猪皮中蛋白以胶原蛋白为主，而瘦肉中含有很多的纤维蛋白相对更难以水解，所以猪皮无论是水解周期还是整个产气周期都明显短于猪瘦肉的发酵，当然产气量也更低。而脂肪的产气周期没有明显的水解周期，可以迅速被微生物分解产生沼气。扣除三者的产气低谷期，猪皮的产气高峰共45 d，产气量约占总产气量的65%，瘦肉的产气高峰共45 d，产气量约占总产气量的70%，脂肪的产气高峰共55 d，产气量约占总产气量的80%，且产气低谷期主要集中在前期，由此可以看出，若可以通过一些方法有效减少猪肉前期的水解时间，将大大提升猪肉的能源转化效率，缩短其产气周期。这将是后续实验需要解决的问题。

2.2 TS，VS，pH值的统计分析

对发酵前后混合料液的TS，VS及pH值进行测定结果如表2所示。

表2 发酵料液前后的TS和VS变化 (%)

从表2可以看出，反应前后实验组、对照组的TS，VS都有一定程度的降低，皮、肉、脂的TS分别降低了40.7%，39.6%和41.3%；VS分别降低了16.9%，14.8%和16.5%。对于对照组，其TS，VS的变化量很小，这一结果说明在沼气发酵过程中，猪肉在整个产气周期被微生物充分分解利用，转化为沼气。

2.3 产气潜力分析

猪肉各部位原料产气潜力，如表3所示。

表3 猪皮、瘦肉、脂肪沼气发酵潜力

由表3结果显示，在30℃条件下，猪皮、瘦肉和脂肪的TS产气潜力分别为1139 mL·g-1TS，1571 mL·g-1TS和1231 mL·g-1TS，VS产气潜力分别为1159 mL·g-1VS，1687 mL·g-1VS和1257 mL·g-1VS，由于猪肉的有机质比重非常高，所以TS，VS产气潜力数值相差并不大。从结果不难看出，厌氧工艺处理猪肉可以说是一种非常高效的能源转化途径。

2.4 不同发酵原料的产气潜力分析

30℃条件下，对比其他类似材料的厌氧TS产气潜力，综合比较猪肉的产气潜力(TS产气率取3者平均值1314 mL·g-1，时间取平均时长90 d)，结果如表4所示。

由表4可以看出，小桐子的种子[6]作为一种高油脂含量的原材料被广泛研究，但是其TS产气率只有猪肉的2/3。魏东辉[7]曾探究接种量不同对猪肉产气潜力的影响，但是其反应时间只用了25 d，而成潇伟[3]和田海林[8]的实验分别从批量式和工程应用(CSTR)探究了猪肉和猪粪混合对产气的影响，但是从TS产气率角度来看，转化效率只有47%和18%，还远远未达到理想的目标，所以，如何通过一些方式来提升以猪肉为原料的厌氧消化转化沼气的效率同样是需要解决的难题。

表4 各种原料的产气潜力

3 结论

(1)以猪皮、猪瘦肉和猪脂肪为原料，实验温度为30℃，采用批量式发酵工艺发酵产沼气实验。整个实验历时113 d，总产气量分别为13660 mL，18850 mL和14780 mL，产沼气潜力分别为1139 mL·g-1TS，1571 mL·g-1TS和1231 mL·g-1TS或1159 mL·g-1VS，1687 mL·g-1VS和1257 mL·g-1VS。可以看出厌氧处理病死猪肉并实现资源化利用是可行且可观的。

(2)当前的沼气工程处理病死猪尚未有一个系统的工程参数标准，能源转化效率过低，通过前端预处理缩短水解周期和寻求合理的工艺参数是提升猪肉能源转化效率的关键点，也是后续试验的突破点。