電刺激對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)脂肪酸的影響

王蜜兒，鐘林芮，范長征，湯 琳

(湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引 言

在食品生產(chǎn)、加工、分配、消費和處置的過程中，全球約有30%的食物被浪費為廚余垃圾(FW)[1]。中國隨著城市化發(fā)展，廚余垃圾總量的增速已超過10%[1]，成為了相關(guān)處理行業(yè)的重大挑戰(zhàn)，因此探索廚余垃圾的低碳處理方式刻不容緩。廚余垃圾由于其有機物濃度高、含水量高、生物降解性好的特性，是優(yōu)良的厭氧發(fā)酵基質(zhì)[2-3]，因此常被用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸。這種方法碳排放量低、成本低、無二次污染，但由于乙酸難提取、能量低，因此其生產(chǎn)、使用受到限制。為了獲得更高的能量和應(yīng)用潛力，研究者們將目光轉(zhuǎn)移至其余碳鏈更長的脂肪酸，如丁酸、己酸[4-6]。

碳原子數(shù)大于2的脂肪酸可由乙酸經(jīng)碳鏈延長過程生產(chǎn)[7]，而碳鏈延長法由于電子供體不足、整體反應(yīng)緩慢、基質(zhì)轉(zhuǎn)化率低等原因增加了生產(chǎn)難度。碳鏈延長需要以乙醇或乳酸等物質(zhì)為電子供體、待延長脂肪酸為電子受體進(jìn)行迭代循環(huán)，且隨著碳鏈的增長和產(chǎn)量的增加，對外源電子供體的需求逐步提高[8]。其次，反應(yīng)過程的影響因素多樣，很難通過控制條件來保證反應(yīng)速度，應(yīng)使用一種更簡單可行的方法加速碳鏈延長進(jìn)程[9]。乙酸本身也是優(yōu)質(zhì)碳源，容易被微生物代謝利用使得基質(zhì)轉(zhuǎn)化率降低[10]。因此，需要尋找一種新的方案為體系提供電子，并加速碳鏈延長過程，達(dá)到提高脂肪酸產(chǎn)率的效果。

電發(fā)酵(Electro-Fermentation，EF)是在厭氧消化的基礎(chǔ)上增加電刺激，對發(fā)酵體系施加微電壓(<1.0 V)并輸入外源電子，從而代替乙醇等電子供體。另外，電刺激可定向調(diào)節(jié)系統(tǒng)中浮游微生物群落生態(tài)和功能，對群落組成、結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生顯著影響，并促進(jìn)相關(guān)酶的活性以加速反應(yīng)進(jìn)行[11]。同時，反應(yīng)速率加快后，用于微生物自身代謝的中間產(chǎn)物總量得到消減。因此，電發(fā)酵是解決傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵脂肪酸產(chǎn)量低和基質(zhì)轉(zhuǎn)化率低等問題的可能方案。本研究通過向反應(yīng)體系施加小于1 V的外源電壓，并以原始厭氧發(fā)酵為對照，探究了電刺激對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)脂肪酸的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗使用的廚余垃圾基質(zhì)來源于湖南大學(xué)第二學(xué)生食堂，在手動撿除骨頭、紙巾、玉米芯等硬質(zhì)物質(zhì)后，用破壁機打碎，于-20 ℃冷凍待用。活性污泥取自實驗室厭氧消化反應(yīng)器。廚余垃圾及接種污泥的特性見表1。

表1 原料性質(zhì)

1.2 實驗方法

采用批次實驗探究電刺激對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)中鏈脂肪酸的影響。傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵實驗均在厭氧反應(yīng)器中進(jìn)行，電發(fā)酵的陰陽電極均為石墨棒。裝置的工作體積均為250 mL，2種反應(yīng)器均同時運行3組平行實驗，共運行6個反應(yīng)器。

反應(yīng)啟動時，向反應(yīng)器中加入已處理好的廚余垃圾、接種污泥和磷酸鹽緩沖液，將所有反應(yīng)器的pH調(diào)至6.7，并充氮氣以保證厭氧環(huán)境。2種反應(yīng)器中的廚余基質(zhì)和活性污泥均未進(jìn)行抑制產(chǎn)甲烷的相關(guān)預(yù)處理。電發(fā)酵裝置需要額外增加電路連接，并向反應(yīng)體系施加微電壓。反應(yīng)器放置于35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，反應(yīng)啟動完成。反應(yīng)過程中未進(jìn)行任何pH調(diào)節(jié)操作。

1.3 指標(biāo)檢測

總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)、總懸浮物(TSS)、揮發(fā)性懸浮物(VSS)采用標(biāo)準(zhǔn)方法[12-13]測定。脂肪酸濃度采用配有FID檢測器的安捷倫6890 N GC氣相色譜儀測定，頂空氣體采用配有熱導(dǎo)檢測器(TCD)的氣相色譜儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 電刺激對廚余垃圾厭氧發(fā)酵脂肪酸產(chǎn)量的影響

在27 d反應(yīng)周期內(nèi)，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵裝置中7種脂肪酸濃度變化如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵中不同脂肪酸濃度的變化Fig.1 Changes of different fatty acid concentrations in traditional anaerobic fermentation and electro fermentation

相比于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵(圖1(a))，電發(fā)酵裝置(圖1(b))的反應(yīng)進(jìn)程明顯加快，產(chǎn)酸高峰期從第12～25天提前至第7～20天，7種脂肪酸的產(chǎn)量也有不同程度的提高。

乙酸在所有反應(yīng)器中均經(jīng)歷了先下降后上升的變化，前期濃度的下降為微生物代謝及生長繁殖消耗所致，該變化趨勢與相關(guān)文獻(xiàn)記載相一致[14]。在電發(fā)酵中，乙酸前期下降至最低濃度1.23 g/L，明顯高于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵的最低乙酸濃度0.25 g/L，可能是由于生產(chǎn)甲烷等副產(chǎn)物所消耗底物的減少，以及微生物活性增強導(dǎo)致脂肪酸生成量增加，抵消掉了部分底物的消耗。之后乙酸濃度回升，升高至第19天達(dá)到峰值5.59 g/L，高于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵的最高濃度4.47 g/L，反應(yīng)時間也縮短了6天。

正丁酸產(chǎn)量也在增加電刺激后有明顯提升。不同于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵中經(jīng)歷短暫的上升之后持續(xù)下降，電發(fā)酵裝置中正丁酸濃度持續(xù)上升，在第6天超過乙酸濃度，并從第7天開始迅速積累。第8～20 d處于高濃度狀態(tài)，其中峰值處于第9天，為7.99 g/L。第18天起持續(xù)下降，第21天起濃度低于乙酸。電發(fā)酵中正丁酸的最高濃度達(dá)到了7.69 g/L，是傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵0.38 g/L的20倍。

正己酸的出現(xiàn)也別具意義。作為最短的中鏈脂肪酸，正己酸擁有比短鏈脂肪酸更高的能量、更低的溶解度、更廣泛的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)價值。傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵中沒有檢測到任何中鏈脂肪酸的生成；而電發(fā)酵裝置中第3天起出現(xiàn)正己酸，于第16天達(dá)到最大值，為0.71 g/L。

除此之外，電發(fā)酵裝置中的丙酸濃度從第7天開始大幅增加，比厭氧發(fā)酵提前7天，并在9～20 d濃度維持在1.5 g/L左右，高于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵的1.29 g/L。異丁酸的濃度變化趨勢與傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵中一致，但下降速度增快，于前3天消耗了83.68%。戊酸濃度全程較低，但也高于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵中的濃度。

受乙酸、正丁酸2種高濃度脂肪酸的影響，脂肪酸總濃度呈現(xiàn)與2種裝置中最大濃度的脂肪酸相同的變化趨勢如圖2所示。電發(fā)酵裝置總脂肪酸濃度從第8天開始明顯升高，并于第16天達(dá)到峰值14.31 g/L。厭氧發(fā)酵則在第25天才達(dá)到最大濃度5.95 g/L，反應(yīng)周期比電發(fā)酵延長9天，且濃度僅為電發(fā)酵的41.57%。

2.2 傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵中脂肪酸組分結(jié)構(gòu)

2種發(fā)酵方式所生產(chǎn)的脂肪酸組分結(jié)構(gòu)也是評價發(fā)酵效果的主要指標(biāo)之一，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵所生成的不同脂肪酸濃度所占全部脂肪酸總濃度的比例如圖3所示。相比于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵(圖3(a))，電發(fā)酵(圖3(b))中的主要脂肪酸產(chǎn)物由乙酸變?yōu)檎∷幔∷嶙罡哒急葟碾姶碳で暗?6%提升至73%，在脂肪酸積累期(8～16 d)也全部超過50%，其中濃度最大時(第9天)，占比高達(dá)72%。達(dá)到濃度峰值后，正丁酸占比開始下降，一方面歸因于其濃度的降低，另一方面歸因于乙酸等其他脂肪酸濃度的上升。

圖2 反應(yīng)過程中傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵反應(yīng)器中不同脂肪酸總濃度Fig.2 The total concentration of different fatty acids in traditional anaerobic fermentation andelectric fermentation reactors during the reaction process

乙酸也是占比變化最明顯的脂肪酸之一。增加電刺激后，乙酸不僅占比有所下降，變化趨勢也與傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵有所區(qū)別。其中傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵在經(jīng)歷了前期的微生物消耗后生成大量乙酸，從反應(yīng)初始的82%下降至第5天的32%，與乙酸濃度的變化相一致。電發(fā)酵則持續(xù)下降至第3天的51%后短暫回升，在達(dá)到61%(第5天)后再次開始回落，直至15%(第9天)。前期乙酸占比的下降與微生物對其消耗有關(guān)，但第二次下降應(yīng)歸因于正丁酸等其他酸濃度的劇烈上升。傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵法開始大量產(chǎn)酸后(第14天起)，乙酸濃度占比穩(wěn)定在75%左右；而電發(fā)酵產(chǎn)酸積累高峰期(8～16 d)乙酸占比均低于30%。

正己酸作為最短的中鏈脂肪酸，是增加電刺激后出現(xiàn)的組分，在濃度較高的第15～18天占比均為5%左右。丙酸在2種反應(yīng)器中的占比變化趨勢相同，但由傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵中20%左右的占比降至電發(fā)酵中的11%～12%，主要是由于其他脂肪酸濃度的大幅度增長。增加電刺激后，異丁酸占比的下降有所提前，從第2天開始已降至5%以下；C5占比則更小。

2.3 反應(yīng)器pH變化

反應(yīng)器中pH調(diào)整至6.7并啟動反應(yīng)后，pH隨水解和酸化自行降低(圖4)。傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵的pH均在前期迅速下降，降至5.6左右后穩(wěn)定。不同的是，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵的pH下降階段持續(xù)了3 d，電發(fā)酵僅需要1.5 d，結(jié)果與電發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)程快、脂肪酸生成量大于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵相一致(圖2)。

2.4 頂空氣體成分

經(jīng)檢測，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵中幾乎沒有檢測到甲烷和氫氣的生成(甲烷占0.003 3%，氫氣占0.004 2%)，二氧化碳則被大量檢出，占頂空氣體的17.94%，其余部分(82.06%)均為氮氣。電發(fā)酵裝置中全程未檢測出甲烷、二氧化碳、氫氣的生成，可能是由于電發(fā)酵反應(yīng)器頂空氣體中3種氣體的含量均低于儀器檢測限，也可能是由于反應(yīng)過程中未生成3種氣體。由頂空氣體中二氧化碳的差別可知，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵脂肪酸生成率低于電發(fā)酵，是由于部分碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳而造成了碳損失。

2.5 碳平衡分析

圖4 傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵裝置中pH變化Fig.4 pH value in traditional anaerobic fermentationand electric fermentation reactors

圖5 傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵和電發(fā)酵反應(yīng)器的頂空氣體組分Fig.5 Components of headspace gas in anaerobicfermentation and electric fermentation reactors

圖6 碳平衡結(jié)果Fig.6 The carbon balance results

3 討 論

為了增加丁酸、己酸等更長鏈脂肪酸的生成量，需要提高電子供體的量。通過對體系施加微電壓，陰極電極可作為永不枯竭的電子供體，免去添加乙醇、乳酸等電子供體的需求，簡單、高效地實現(xiàn)碳鏈延長反應(yīng)。電子受體濃度的提升則需要改進(jìn)厭氧消化反應(yīng)的進(jìn)行。厭氧發(fā)酵過程主要分為水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷3個階段。為了增加乙酸的生成，需要加快水解和產(chǎn)酸環(huán)節(jié)。在增加電刺激后，發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)程明顯增快，產(chǎn)酸效率也大幅提升(圖1、2)，隨著脂肪酸的生成積累，pH迅速下降，降低有機物質(zhì)產(chǎn)生二氧化碳、甲烷等副產(chǎn)物，進(jìn)一步增大產(chǎn)酸量，從而提升基質(zhì)轉(zhuǎn)化率。

除此之外，電發(fā)酵體系中偶數(shù)碳脂肪酸的占比普遍高于基數(shù)碳。這與脂肪酸碳鏈延長的2個途徑，即脂肪酸生物合成(Fatty acid biosynthesis, FAB)和反向β氧化(Reverse β-oxidation, RBO)，均為循環(huán)過程且每輪循環(huán)增加2個碳的規(guī)律相一致[10]。

4 結(jié) 論

(1)電刺激可提升廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量。施加微電流后，C2—C6脂肪酸產(chǎn)量都有一定量的提升。其中正丁酸由0.38 g/L提升至7.69 g/L，擴大了近20倍；乙酸則由4.47 g/L提升至5.59 g/L；其余脂肪酸也有不同程度的濃度提升。總產(chǎn)酸量峰值提升為14.31 g/L，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵的脂肪酸產(chǎn)量(5.95 g/L)僅為電發(fā)酵的41.57%。

(2)電刺激可促進(jìn)廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)構(gòu)優(yōu)化。脂肪酸濃度達(dá)到峰值時，電發(fā)酵裝置中正丁酸占據(jù)52%，而傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵中乙酸占超過75%；中鏈脂肪酸也僅在電發(fā)酵環(huán)境中生成。相比于C2、C3等碳鏈最短的脂肪酸，C4以上的短鏈脂肪酸甚至中鏈脂肪酸更具環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價值。

(3)電刺激可加快廚余垃圾厭氧發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)程。產(chǎn)酸高峰期提前了5 d，總脂肪酸濃度峰值也由第25天提前至第16天。縮短反應(yīng)時間是降低經(jīng)濟(jì)成本的有效途徑，微電流的施加可作為低能量輸入，撬動反應(yīng)以提高經(jīng)濟(jì)收益的可行之路。