甾體制藥渣發酵產沼氣實驗研究

紀鈞麟， 楊智明， 尹 芳， 張無敵， 楊 紅， 趙興玲， 吳 凱， 王昌梅， 柳 靜， 劉士清

(1.云南師范大學 能源與環境科學學院(太陽能研究所)， 昆明 650500； 2.云南財經大學信息學院， 昆明 650221)

藥用甾體化合物屬于類固醇化合物，是環戊烷多氫菲類化合物的總稱，該類化合物是參與生物生命活動的重要活性物質，甾體類藥物的銷售額僅次于抗生素[1-2]。自從生物合成甾體化合物成功后，通過微生物轉化生產內甾體藥物的工藝路線取得了重要的突破[3]。相比于化學合成甾體類藥物，微生物轉化技術更有利于節約資源、降低生產成本，該技術在醫藥工業中具有重要意義[4]。微生物轉化過程中產生的藥渣含有大量機質、糖類，蛋白質和礦物質等營養成分，是具有廣闊開發前景的資源[5]。

厭氧消化是自然界中分解有機物最為古老而經典的方式之一，是生態系統中物質循環的重要組成部分[6]。厭氧環境中復雜微生物體系能分解利用有機質并轉化為甲烷，厭氧消化是實現有機廢棄物資源化利用的有效方式，能降解處理各類固體有機廢棄物，高濃度有機廢水等，同時能實現能源與生態的雙贏。厭氧消化工藝和技術也在不斷發展，新型厭氧反應器和技術被不斷地開發和應用。面對生產甾體類藥物過程中藥渣的處置問題，筆者通過厭氧消化實驗為甾體制藥渣的沼氣工程應用提供理論依據和實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

沼氣發酵原料是微生物發酵生產甾體類藥物過程中產生的藥渣；取自云南省麗江市映華生物藥業公司。發酵前測定其總固體含量(TS)為18.29%；揮發性固體含量(VS)為89.20%；凱氏氮含量為1.42%；蛋白質含量為8.67%；總磷含量為1.37%。藥渣有機質含量較高，適宜作為沼氣發酵原料。

1.2 接種物

實驗所用兩種接種物均為厭氧活性污泥。接種物1是豬糞與污水處理廠污泥混合厭氧消化后的剩余底泥；接種物2是接種物1與甾體制藥渣混合經厭氧消化后的剩余底泥。

實驗之前對接種物的相關性質進行測定：

接種物1的總固體含量(TS)為9.42%，揮發性固體含量(VS)為53.76%；

接種物2的總固體含量(TS)為6.14%，揮發性固體含量(VS)為55.19%。

1.3 實驗裝置

批量發酵實驗使用自制的批量式沼氣發酵裝置。發酵罐有效容積為400 mL，裝置示意圖見圖1。

圖1 批量式沼氣發酵裝置

半連續發酵實驗采用采用CSTR-10S(Bioprocess Control)連續攪拌釜反應器，發酵罐有效容積為10.75 L，該反應器設置有攪拌、水浴夾套進出料管等、實驗裝置示意圖見圖2。

圖2 半連續式沼氣發酵裝置

1.4 實驗方法

1.4.1 批量發酵實驗設計

為了充分發揮原料的產氣潛力，實驗設置最低發酵料液TS濃度為3.8%；發酵溫度為32℃，使用接種物1。為探究不同溫度下的發酵情況,實驗設置發酵溫度分別為28℃，32℃和36℃。發酵TS濃度為5%，原料添加量大會導致厭氧體系承受的有機負荷更大，為降低發酵過程中出現酸化的可能性，使用經過目標原料甾體藥渣馴化后的接種物2。使用批量式沼氣發酵裝置進行實驗，待停止產氣后結束發酵。實驗設計了實驗組和空白組，每組3個平行。加入原料和接種物后加水至400毫升刻度線。實驗設計整理得到表1。

表1 實驗設計

注：除實驗組A和空白組CK0使用接種物1，其余各組均使用接種物2。

1.4.2 半連續發酵實驗設計

CSTR工程模擬實驗發酵濃度設置為4%和5%，每組同時啟動一套CSTR反應器，使用接種物2，接種量為反應器有效容積的1/3，其余部分加入自來水。發酵溫度為30℃，每天定時進出料，TS濃度為4%的實驗組進料時稱取藥渣156 g，TS濃度為5%的實驗組進料時稱取藥渣196 g，之后補加自來水至720 mL，攪拌均勻后加入反應器，定時攪拌。根據批量發酵的實驗結果，設置適宜的水力滯留時間(HRT)。

1.4.3 測定方法

(1)TS和VS：采用常規測定方法[7]。分別測定發酵原料、接種物和發酵前后混合料液的TS和VS； CSTR運行至15 d之后定期測定進料和出料的TS和VS。

(2)凱氏氮：使用海能K1100全自動凱氏定氮儀測定原料的凱氏氮含量和蛋白質含量。

(3)總磷：采用鉬藍分光光度法測定原料的總磷含量。

(4)pH值：使用PHS-3C型pH計測定。分別測定發酵前后混合料液的pH值；定期測定CSTR反應器進料和出料的pH值。

(5)產氣量:批量發酵采用排水集氣法測定；CSTR采用濕式氣體流量計測定。

(6)甲烷含量：使用福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀測定。色譜條件為：柱箱溫度(105℃)，TCD檢測器溫度120℃，載氣為純氮氣。每3 d測定沼氣中的甲烷含量。

2 結果與討論

2.1 批量發酵實驗

2.1.1 產氣情況

批量沼氣發酵過程中實驗組每天的產氣量減去空白組每天的產氣量得到原料每天的凈產氣量，整理繪制得圖3。

圖3 凈產氣量變化曲線

由圖3可以看出，實驗組A至實驗組D的發酵周期依次為27 d，36 d，31 d和26 d。隨著微生物在厭氧環境中不斷生長，各實驗組的沼氣產量逐漸增加。除了實驗組A達到最大日產氣量的時間為第7天以外，其余各組均在發酵第2天達到最大日產氣量。主要的原因可能是實驗組A的原料添加量少而導致微生物生長相對緩慢。其余實驗組中有機負荷更高，水解性微生物和產酸微生物更加活躍。另外，經過原料馴化的接種物2的微生物對原料的適應更好，能很快將原料降解利用并轉化為甲烷。另一方面，實驗組A，B和C發酵溫度分別為28℃，32℃和36℃，日產氣量在發酵前5 d也有明顯的區別，發酵溫度越高日產氣量越大，發酵周期越短。原料中的有機質被微生物代謝利用后逐漸減少，各組別的日產氣量均在達到最大值后逐漸下降。發酵至第7天以后，各實驗組的日產氣量逐漸穩定，直到發酵結束。

2.1.2 甲烷含量

發酵過程中每隔3 d測定沼氣中的甲烷含量，繪制曲線如圖4。

圖4 沼氣中甲烷含量變化曲線

由圖4可以看出，開始發酵后，實驗組A所產沼氣的甲烷含量上升速度較慢，發酵第6天以后超過50%，其余各實驗組的甲烷含量幾乎都在發酵第3天后就超過50%。原料的加入量較大，料液中營養物質豐富，沼氣中的甲烷含量均在發酵過程中超過60%，由于所產沼氣中的甲烷含量均較高，說明產甲烷微生物生長良好，發酵過程中沒有出現由于酸化而停止產氣的現象，點燃后火焰呈現出藍色，外焰為紅色。不同的發酵溫度沒有使沼氣中的甲烷含量出現明顯區別。相同的條件下，溫度越高，微生物代謝活躍，發酵周期越短。各實驗組所產沼氣的甲烷含量高于50%后均能持續穩定燃燒。隨著沼氣的不斷產出，藥渣中的營養物質被厭氧體系中的微生物降解利用，料液中的營養物質逐漸減少，產氣量逐漸下降的同時甲烷的含量也有所下降。

2.1.3 累積產氣量

探究沼氣發酵過程中產氣量的變化情況，對各個實驗組進行深入分析，為沼氣工程的應用提供參考，對批量發酵各實驗組每天的凈產氣量進行一次累積。繪制得到累積產氣曲線。使用OriginPro2016軟件的SGompertz模型對數據進行擬合，繪制整理得到圖5～圖8。

圖5 試驗A組累積產氣情況

圖6 試驗B組累積產氣情況

圖7 試驗C組累積產氣情況

圖8 試驗D組累積產氣情況

根據Gompertz模型擬合結果對數據進行深入分析，探究發酵過程中原料降解情況以及原料降解達到高峰的時間[8]。使用Gompertz參數方程對發酵過程進行分析，方程形如：

y(t)=α×exp{[-exp(λ-t)/b]}

(1)

在式中:y(t)表示t時刻各實驗組的累積產氣量，把origin軟件分析得出的原始數據用公式(1)中的a，λ和b表示。在產氣變化過程中，3個參數具有特殊的含義。從發酵開始到結束，累積產氣量逐漸達到最大值a，單位為mL。發酵過程中原料中的有機質被微生物轉化為甲烷，物料被逐漸降解。根據產氣變化情況，可獲得原料降解達到高峰的時間λ，單位為d。而在方程中參數b表示發酵過程中沼氣產率達最大的時間與自然常數e的比值。對參數進行分析，并結合實際的產氣情況，從不同的角度來分析藥渣在不同發酵條件下的產氣特性。計算并整理各實驗組的擬合參數，得到表2。

表2 不同實驗組的Gompertz動力學參數

從表2可以看出，實驗組A由于發酵前期存在較長的滯留時間[8]，擬合后獲得的相關系數最大，擬合效果最好。A組的發酵原料在7 d以后才達到降解高峰，日產氣量達到發酵過程中的最大值。而在28℃下發酵的B組，產氣量較大的區間主要集中在前4 天，原料降解達到高峰的時間相對較長。實驗組B,C和D的日產氣量均在第2天即達到峰值，滯留時間較短，相關系數均未達到0.99以上，擬合效果不及A組。由于B,C和D組發酵溫度不同，而溫度越高的組別，日產氣量的峰值越大。發酵溫度高于30℃的C組和D組，日產氣量在達到峰值后就出現較大幅度的下降，其中D組下降幅度最大，原料降解達到高峰的時間相對最短。對應的λ值最小，更接近于實測達到日產氣量最大值的時間。物料降解的難易程度可用b表示，A組使用的是未經發酵原料馴化的接種物，污泥中的微生物對新原料的適應時間相對較長。與A組相比，B，C和D組由于發酵濃度更高，豐富營養物質也可能使水解性細菌及相關微生物代謝旺盛，從而在發酵前5 d就出現較大的產氣量。

在沼氣工程設計中，從經濟可行等角度出發，為了沼氣工程高效的運行。一般情況下參考發酵過程中達到總產氣量80%的時間點作為水力滯留時間。實驗組A，B，C和D在發酵過程中實測累積產氣量超過總產氣量80%的時間點依次為：15 d，14 d，12 d和8 d。對于A組，由于發酵前期滯留時間較長，可能與接種物未經目標原料馴化有關。料液中營養物質含量相對較少，微生物的生長相對較慢，也可能是發酵周期延長的原因。而不同溫度的實驗組B，C和D發酵周期隨溫度升高而縮短，溫度每升高4℃，發酵周期可縮短5 d，達到總產氣量80%的時間點提前2～4天。溫度對藥渣發酵的影響較大，在一定范圍內溫度越高，發酵越快。根據批量式發酵的實驗結果，可設置半連續發酵實驗的水力滯留時間為15 d。由于實驗中發酵濃度相對較低，對于實際的沼氣工程，還需根據當地氣候條件的運行成本等方面綜合考慮后擇優選取適宜的工藝參數。

2.1.4 降解情況

批量式沼氣發酵實驗一共進行27 d，分別測定發酵前和發酵結束后料液的TS，VS和pH值，得到相關數據整理得到表3。

從表3可以看出，沼氣發酵前后，各實驗組和空白組料液的TS，VS均有一定程度的降低。實驗組的降解率均高于空白組，說明原料在沼氣發酵過程中被微生物有效利用。A組物料降解效果最好，料液的TS，VS降解率均高于其余組別。而B，C和D組，雖然在不同的溫度下發酵，但TS，VS降解率相差不大。另外，沼氣發酵后料液的pH值出現上升，可能和原料中氨氮的積累有關。

表3 發酵后料液TS、VS降解情況 (%)

2.1.5 產氣潛力

批量式沼氣發酵實驗結束后，根據產氣情況計算原料產氣潛力，整理得到表4。

表4 原料產氣潛力

從表4可以看出，A組產氣潛力最大，較低的發酵濃度有利于充分發揮其產氣潛能。5%TS濃度下的其他3個實驗組原料添加量約是A組3倍，有機質的殘留量比A組更高，TS降解率不如A組，沒有充分發揮出產氣潛力。采用批量發酵，池容產氣率都較低。在總產氣量相差不大的情況下，發酵溫度越高的組別發酵周期越短，池容產氣率越高。綜合來看，該甾體制藥渣的產氣潛力良好，適宜通過厭氧消化的方式來對其進行資源化利用。

將藥渣在實驗中獲得的最大產氣潛力數據與不同種類生物質原料的產沼氣潛力進行對比，得到表5。

從表5可以看出，藥渣的產氣潛力大幅高于動物糞便。與諸多植物原料相比也具有較大優勢，由于植物中纖維素含量較高，降解過程需要的時間相對較長。而該藥渣可降解性較好，發酵周期短。較短的發酵周期更有利于沼氣工程的運行。與果皮類廢棄物相比，該藥渣的產氣潛力與幾種果皮相接近。沼氣發酵能為甾體制藥渣的資源化利用開拓廣闊的前景。

表5 不同原料產沼氣潛力對比

2.2 半連續發酵實驗

2.2.1 產氣情況

對CSTR反應器日產氣量和甲烷含量的變化情況進行整理，繪制得到圖9和圖10。

圖9 CSTR日產氣量變化曲線

從圖9可以看出，在CSTR反應器前15 d的啟動過程中日產氣量逐漸增加，每天進料后反應器內的料液TS濃度逐漸升高。營養物質的日漸增加，厭氧體系中的微生物逐漸活躍。料液TS濃度為4%的實驗組的日產氣量在發酵第17天達到10.4 L，之后的第22天達到實驗過程中的最大值11 L。而TS濃度為5%的實驗組在第14天即達到11.4 L，之后出現了較大幅度的下降，主要原因是發酵過程中物料堆積至反應器上部導致接種物與原料接觸不充分而出現了產氣量下降，并且伴隨出料困難的現象，常規攪拌難以緩解反應器的堵塞狀況。因此TS濃度為5%的實驗組僅進行了17 d發酵實驗。而4%的實驗組發酵至20 d后也出現了輕微的堵塞現象，日產氣量有所下降。另一方面，藥渣中含有一些未測定的成分，可能對厭氧發酵產生影響。

圖10 CSTR甲烷含量

從圖10可以看出，CSTR反應器TS濃度4%和5%的兩個實驗組所產沼氣均具有較好的品質，沼氣中的甲烷含量在反應器啟動第3天后就超過50%，并在發酵第6天后穩定保持在60%以上。實驗過程中，TS濃度4%的實驗組的平均甲烷含量達64.31%，TS濃度5%的實驗組發酵實驗僅進行17 d，但平均甲烷含量達到63.16%，說明沼氣發酵過程未出現明顯異常。而不同的TS濃度的兩個實驗組所產沼氣中的甲烷含量的變化沒有出現明顯區別。

2.2.2 降解情況

從表6可以看出，5%實驗組第15天出料的TS濃度幾乎與進料濃度相等，而出料的VS降解率為9.86%，對應前文分析。導致產氣量下降的主要原因是由于原料大部分堆積在反應器上部，導致物料未停留足夠的時間就流出反應器。4%實驗組第17天，22天和30天出料的TS降解率分別為16.41%，18.40%和9.95%；VS降解率分別為11.6%，14.6%和12.31%。低于批量發酵實驗，半連續發酵對原料的降解效果低于批量發酵，但對發酵的工藝參數進行優化可以提高發酵效率和降解效果。

表6 CSTR進出料TS和VS降解情況 (%)

3 結論

(1)批量式發酵實驗在TS濃度低于4%的情況下發酵，可以更充分地發揮出原料的產氣潛力。而溫度是影響微生物生長代謝的重要參數之一，在一定范圍內，溫度越高發酵周期越短，產氣潛力發揮越好。

(2)半連續發酵實驗中，發酵TS濃度為5%的實驗由于藥渣堆積在反應器上部導致管路堵塞未能完整運行兩個周期，發酵濃度為4%的實驗發酵正常，在發酵結束前沒有出現酸化現象，反應器運行穩定。而實際沼氣工程正常運行時發酵TS濃度相對較高，水力滯留時間可根據產氣情況適當延長。

(3)甾體制藥藥渣具有良好的產沼氣潛力，厭氧消化的處理方式能促進生態系統的良性循環，實現有機廢棄物向可再生能源的轉化，體現沼氣發酵系統的綜合效益。