異養小球藻藻渣產沼氣研究

,,,, ,,,,*

(1.南陽師范學院生命科學與技術學院,河南南陽 473061; 2.河南天冠企業集團有限公司車用生物燃料技術國家重點實驗室,河南南陽 473000)

異養小球藻藻渣產沼氣研究

楊迪1,畢生雷1,2,趙新仕1,魯龍2,鄒婷婷1,2,張乃群1,*

(1.南陽師范學院生命科學與技術學院,河南南陽 473061; 2.河南天冠企業集團有限公司車用生物燃料技術國家重點實驗室,河南南陽 473000)

異養小球藻,沼氣發酵,細胞破碎,藻渣

小球藻屬綠藻門(Chlorophyta)綠藻綱(Chlorophyceae)綠球藻目(Chlorococcales)卵囊藻科(Oocystaceae)小球藻屬(Chlorella),是一種普生性球形單細胞藻類,生態分布極廣,在淡水、海水中均有發現[1]。

已有研究表明,小球藻是一種高蛋白、低脂肪、富含多種維生素及礦物質的單細胞藻類,可作為功能食品和營養強化劑應用于食品工業。已經問世的小球藻片或小球藻膠囊具有促進人體細胞活化、調節血壓、血脂、免疫力的功能[2-3]。近年來,美國、日本等國家還推出了活性成分更易被人體吸收的小球藻口服液和小球藻飲料[4],但目前小球藻的大規模應用主要集中在固碳、油脂提取和生物柴油制備等政策關注度較高的方面。

作為現有主要的終端產物,小球藻油脂的提取方法主要有生物破碎法、化學破碎法、物理破碎法[5]。小球藻培養失敗產生的廢棄培養液,油脂提取后產生的廢渣都會對環境造成污染,影響了其經濟發展。沼氣是有機物經微生物厭氧消化而產生的可燃性氣體,是一種可再生的清潔能源[6],其發酵依據過程產物的不同可分為水解過程、酸化過程、甲烷化過程,依據水分含量可以分為干式發酵和濕式發酵。目前沼氣發酵常用原料有動物糞便、植物秸稈、污水、餐廚垃圾、木質纖維素等,而藻類含有豐富的有機質和氮磷等微量元素,非常適合沼氣發酵。本文對異養小球藻發酵廢液產生的廢渣以及酸熱法、酶解法、酯化法、球磨法提油后產生的廢渣分別進行沼氣發酵,嘗試建立利用有機溶劑廢棄物產沼氣的工藝流程,為微藻生物柴油產業的健康發展提供技術支持。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

異養小球藻 異養培養的原始小球藻(Chlorellaprotothecoides),由河南天冠集團車用生物燃料國家重點實驗室提供,細胞內油脂含量53%;異養小球藻發酵液 取自車用生物燃料國家重點實驗室,濃度為120 g/L;藻液 取自車用生物燃料國家重點實驗室,存于展示柜中備用;接種用污泥 取自天冠集團技術中心,TS(總固體含量)為1%,在水浴鍋中50 ℃活化1 d備用。

厭氧發酵系統自制。主要由恒溫水浴鍋、發酵罐、集氣瓶和集水瓶組成。發酵罐、集氣瓶、集水瓶均為1 L廣口瓶,采用膠塞密封。發酵罐置于恒溫水浴鍋中,發酵罐口設料液取樣口及導氣管,導氣管連接集氣瓶和集水瓶,具體見圖1。

圖1 沼氣發酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of biogas fermentation equipment

DK-600型恒溫水浴鍋 上海精密儀器儀表有限公司;LNB2.5-10F型馬弗爐 上海皓莊儀器有限公司;FE20-FiveEasy Plus型pH計 梅特勒-托利多國際貿易(上海)有限公司;202-2型電熱恒溫干燥箱 上海博珍儀器設備制造廠;QCOD-3E型COD測定儀 深圳昌鴻科技有限公司;NH-6N型氨氮測定儀 深圳昌鴻科技有限公司;L400型離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司;R-300型旋轉蒸發儀 瑞士步琦有限公司;2100型液相色譜儀 安捷倫科技(中國)有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 原料制備方法 發酵液藻渣:取異養小球藻發酵液,離心,棄上清液,余藻渣備用[7]。

球磨破碎提油后藻渣:取異養小球藻發酵液,離心,棄上清液,放入球磨罐中球磨破碎,提油后余藻渣備用[8]。

酶解提油后藻渣:取異養小球藻發酵液,酶解,提油后余藻渣備用[9]。

酸熱法破碎提油后藻渣:取異養小球藻發酵液,加入硫酸酸解,提油后余藻渣備用[5]。

酯化提柴油后藻渣:取異養小球藻發酵液,離心,棄上清液,酯化提柴油后余藻渣備用[10]。

1.2.2 原料處理方法 異養小球藻發酵液及采用各種提取方法提油后的藻液,使用離心機離心(3000 r/min,10 min)制成藻渣后,取10.00 g置于烘箱中測100 ℃干重,取藻渣置于廣口瓶中,加入接種用污泥,配成干重為10%的沼氣發酵液。

1.2.3 沼氣發酵方法 取1000 mL沼氣發酵液置于發酵罐中,沼氣發酵溫度為50 ℃,每天人工手搖發酵罐,并測定排水量,然后將水加滿。每周取50 mL樣品送檢,并測量集水瓶中水的體積以計算排氣量,其中一個發酵系統連續兩周停止產氣后,整個實驗停止。

1.2.4 檢測方法 排氣量:在發酵開始時,集氣瓶中裝自來水,發酵過程中集氣瓶中收集發酵過程所產沼氣,并排出相應體積的自來水。發酵過程中直接用量筒量取集水瓶中水的體積;pH:直接使用pH計檢測;揮發性脂肪酸:使用液相色譜儀檢測乙酸、丙酸等成分含量;碳源:使用液相色譜儀檢測葡萄糖、木糖等成分的含量;氨氮:使用氨氮檢測儀檢測;COD:使用COD檢測儀檢測。

1.2.5 計算公式

C=(m/V)×100

式中:C代表干物質含量,g/L;m代表藻渣烘干后質量,g;V代表藻渣體積,mL。

2 結果與討論

2.1不同原料發酵體系pH變化情況

結構復雜的大分子有機質無法直接被沼氣細菌利用,需要經過水解作用分解成小分子有機質,然后進一步經過酸化作用分解成沼氣細菌能夠利用的短鏈有機酸,但水解過程、酸化過程和甲烷化過程需要均衡進行。如果水解過程和酸化過程超過了甲烷化過程的反應速度,就會導致產酸過量,從而引起pH降低,沼氣菌就需要更多能量從細胞體內向體外提供質子以維持其細胞質的生長環境[11]。因此有必要了解pH的變化規律,以提高沼氣發酵效率。使用不同預處理工藝原料各發酵體系的pH變化情況如圖2。

圖2 pH變化圖Fig.2 Chart of pH change

從圖2的pH變化中可以看出,隨著發酵的進行,使用球磨法提油、酯化法制柴油、酶解液提油獲得的三種原料和發酵液原料四個發酵體系的pH首先快速下降,在達到穩定狀態后又小幅回升,而使用酸熱法提油原料的發酵體系則一直處于穩步下降趨勢中,這主要是因為不同的預處理工藝對原料結構造成不同的影響。球磨法、酯化法、酶解法三種原料的細胞受到破壞程度有限[8-10],與發酵液原料相同,在發酵初期,受到破壞并成為細胞碎片的部分能夠被水解菌和產酸菌利用,從而使水解菌和產酸菌活躍,加速了水解、酸化進程,反映在pH上就是pH快速下降,而在水解過程和酸化過程將能夠快速利用的有機質利用完成后,藻細胞需要慢慢被分解,從而維持pH平衡狀態。隨后短鏈有機酸被逐漸消耗,pH緩慢上升。而對于酸熱法獲得的原料,由于細胞破壞完全,原料基本都是細胞碎片[5],因此整個沼氣發酵過程的水解和產酸都比較旺盛,從而使pH一直處于穩步的下降狀態。

在使用不同預處理工藝原料的發酵體系中,氮的平衡非常重要,對于固體有機物,沼氣發酵體系首先要將其分解成為能溶于水并能夠被酸化細菌利用的小分子有機質,因此,溶解性有機氮的變化趨勢能夠反映沼氣發酵體系對底物的利用情況[12]。其初始溶解性有機氮的含量及在發酵過程中的變化趨勢見圖3。

圖變化圖

2.3不同原料發酵體系COD變化情況

COD即化學需氧量,是指處理樣品時,所消耗的強氧化劑的數量,代表了樣品中能夠被氧化的有機物質數量。通常情況下,小分子有機物能夠被完全氧化,大塊的復雜有機物由于難以被強氧化劑完全破壞只是被部分氧化,能夠被氧化的有機物通常能夠被沼氣發酵細菌利用,因此COD可以反映反應體系中底物濃度的高低,是沼氣發酵中的重要參數,使用不同預處理工藝原料的發酵體系中,其COD變化情況見圖4。

圖4 COD變化圖Fig.4 Chart of COD change

從圖4的COD變化中可以看出,酯化法的COD變化趨勢是先上升后下降的波動,其余四種方法的COD整體變化趨勢是先降低后升高,然后再降低,說明隨著底物被分解、酸化、產甲烷,導致底物濃度降低,從而引起COD有所降低,而水解細菌的活動又不斷將不能利用的底物進一步分解成小分子有機物,從而導致COD又有所升高,但分解、酸化、產甲烷始終是一個動態的平衡的體系。在五種原料中,球磨提油后原料所在的發酵體系COD一直處于較高的水平,且在發酵的前48 d遠遠高于其它原料所在發酵體系,說明球磨后形成的細胞碎片能夠不斷被分解。而其它原料在300000 mg/L以下波動。發酵液、酶解法所在的發酵體系COD一直處于較低的水平,原因是小球藻細胞難以被分解。酸熱法、酯化法獲得的兩種原料,由于細胞在強硫酸作用下已經被破壞,細胞結構中的淀粉、蛋白質被強酸在高溫下碳化無法再通過沼氣發酵水解出更多營養物質,所以其所在發酵體系的COD一直處于較低的水平。發酵結束后五種原料的發酵體系COD均高于150000 mg/L,這可能是未被利用的細胞以及在提油時殘留的有機溶劑,說明發酵體系中留存的細胞碎片以及其它有機溶劑雖然影響了COD,但不能被沼氣細菌利用。

2.4不同原料發酵體系總碳含量變化情況

復雜的大塊的有機物難以被沼氣細菌直接利用,在分解過程中被水解菌群分解為能夠被酸化細菌利用的糖類、醇類,總碳含量反映了糖類和醇類的總和,其含量高低能夠說明分解過程的進展情況。不同預處理工藝原料的發酵體系中的總碳含量的變化情況見圖5。

圖5 總碳變化圖Fig.5 Chart of total carbon change

從圖5的總碳含量變化中可以看出,酸熱法獲得原料所在的發酵體系中總碳含量一直處于較高的水平,說明酸熱法對小球藻細胞破壞比較徹底,能夠被水解細菌徹底利用,而發酵液、酶解法獲得原料所在的發酵體系中總碳含量先快速上升,然后又快速下降,說明發酵液、酶解法所獲得原料不能被水解細菌快速分解,其利用有一定過程,在此過程中酸化細菌不能獲得足夠的營養物質而活性受限,隨著分解過程的進行,酸化細菌能夠獲得的營養物質越來越多,活性增強,逐步超過水解細菌分解能力,導致總碳含量快速下降。酯化法、球磨法所獲得原料所在的發酵體系中總碳含量一直處于較低的水平,說明發酵液中的營養物質不能被有效利用,水解細菌分解獲得的葡萄糖、甘油等有機碳數量有限,而酸化細菌活性也處于較低的活性水平。在發酵過程中,水解細菌、酸化細菌活性相當,從而形成了動態平衡,發酵體系比較穩定,但這兩種原料通過分解獲得的營養物質偏少。

2.5不同原料發酵體系VFA含量變化情況

揮發性脂肪酸(VFA)是厭氧反應器運行中重要的控制指標。酸化細菌充分利用分解過程中所得的小分子有機物,從而產生了乙酸、丙酸、丁酸等可揮發性脂肪酸,這些短鏈脂肪酸能夠被甲烷細菌直接利用從而產生沼氣。VFA含量可以代表乙酸、丙酸等可揮發性脂肪酸含量的多少,也能夠說明酸化過程的進展情況。使用不同預處理工藝原料的發酵體系中,其可揮發性脂肪酸含量的變化情況見圖6。

圖6 VFA變化圖Fig.6 Chart of VFA change

從圖6的VFA變化中可以看出,球磨法、酸熱法、酯化法所獲得原料所在的發酵體系中VFA一直處于較低的水平,且比較平衡,說明酸化過程、產甲烷過程形成了動態平衡,沼氣發酵比較穩定。而發酵液、酶解液所獲得原料所在的發酵體系中VFA先快速升高,又下降,但整個發酵過程中發酵液、酶解法所獲得原料的VFA含量一直高于其它原料所在的發酵體系。可以說明這兩種原料不能被分解細菌直接利用。沼氣發酵是一個動態過程,大致可以分為水解階段、酸化階段、產氣階段。但并不能明確劃分出一個時間節點。在圖6中,發酵液、酶解液中細胞受破碎程度小,沒有太多的細胞碎片供酸化細菌利用,因此,在發酵初期水解細菌比較活躍而酸化細菌受到抑制,產酸較少。隨著水解的進行,不斷有大分子有機物被分解成能夠被酸化細菌利用的營養物質,酸化細菌活性增強,產酸快速增加,從而引起VFA含量的提高。而水解過程較為緩慢,不能滿足快速增加的酸化細菌的營養需求,在第28 d出現產酸減少、VFA含量降低的現象。

2.6不同原料發酵體系產氣量變化情況

圖7 產氣量變化圖Fig.7 Chart of gas production change

3 結論

異養小球藻藻渣直接進行沼氣發酵效果不理想,需要進行預處理對藻細胞造成實質性破壞,才能釋放出更多的小分子有機物,從而在沼氣發酵中被沼氣細菌直接利用,縮短沼氣發酵的分解階段,為酸化細菌和產甲烷細菌提供足夠的營養,進而提高沼氣發酵的效率和沼氣發酵的產量。

酸熱法提油法產生的藻渣殘余油脂含量較少[5,7-10],這顯示出其能夠有效地對異養小球藻細胞造成破壞,藻渣中有較多的細胞碎片,在沼氣發酵中能夠釋放出更多葡萄糖等小分子有機物,供沼氣發酵細菌利用。其它提油法沼氣產量較低、沼氣生產效率也低,說明其不適應于進行沼氣生產。

生物柴油和沼氣聯產需要同時兼顧提油工藝和沼氣生產工藝。異養小球藻提油方法較多,有成熟的應用方案,本文的研究為異養小球藻油脂生產過程中廢棄物的資源化利用提供了參考,為異養小球藻作為原料生產生物柴油和沼氣時進行預處理工藝的選擇提供了思路。

[1]陳穎,李文彬,孫勇如.小球藻生物技術研究應用現狀及展望[J].生物工程進展,1998,18(6):12-16.

[2]孔維寶,李龍囡,張繼,等.小球藻的營養保健功能及其在食品工業中的應用[J].食品科學,2010,31(9):323-328.

[3]史珅,張旗,王娜,等. 小球藻和螺旋藻的營養成分及其降血糖活性比較[J]. 食品研究與開發,2015(10):121-125.

[4]張強.小球藻活性成分的研究及食品方面的開發進展[J].山東青年,2010(8):59-60.

[5]魯龍,畢生雷,金洪波,等. 強酸破碎小球藻細胞壁工藝條件的優化[J].食品與發酵科技,2016(2):39-42,47.

[6]苑利群.可再生能源利用的成功探索——改性塑料戶用沼氣發生器[J].城市與減災,2007(5):36-39.

[7]畢生雷,張成明,李十中,等.異養小球藻半連續發酵生產油脂工藝探討[J].食品與發酵科技,2014(5):36-40,48.

[8]魯龍,畢生雷,金洪波,等.研磨法破碎小球藻細胞工藝優化[J].中國釀造,2017(1):116-119.

[9]邢歡,許文宗,張志榮,等.綠色木霉對小球藻細胞壁的酶解作用[J].微生物學通報,2015(6):975-980.

[10]畢生雷,張成明,鄭世文,等.異養小球藻原料直接制備生物柴油的研究[J].中國油脂,2016(10):48-52.

[11]郭萃萍.稻稈干發酵制沼氣工藝參數的研究[D].鄭州:河南農業大學,2012.

[12]張建鴻,楊紅,郭德芳,等.不同溫度下滇池藍藻沼氣發酵的實驗研究[J].云南師范大學學報：自然科學版,2013,33(3):17-21.

[13]許之揚. 餐廚垃圾固態厭氧消化過程內源性抑制效應研究[D]. 無錫：江南大學,2014.

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)

heterotrophicChlorella;biogas fermentation;cell-breakage;algal residue

2017-03-10

楊迪(1993-)，男，碩士研究生，研究方向：生物質能源，E-mail：amazingdaliyang@163.com。

*

張乃群(1964-)，男，本科，教授，研究方向：生物質能源，E-mail：zhnq@nynu.edu.cn。

河南省科技廳科技攻關項目(102102110159)；“十二五”農村領域國家科技支撐計劃(2011BAD14B05)。

TS201.3

A

1002-0306(2017)21-0100-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.021