高蛋白类原料的产甲烷性能和微生物群落动态
由于日益激增的能源危机和环境问题，人们将越来越多的注意力聚焦于一种新的生物燃料——生物质资源。厌氧消化(AD)技术应用广泛，可将生物质资源（如有机废弃物）转化为生物甲烷，生产可再生能源。不同生化性质的食品废弃物是有机废弃物的重要组成部分之一。在中国，快速增长的经济推动了饮食结构的急剧改变，其中，富含蛋白质的食物被大量使用，包括海产品、肉类（猪肉、牛肉和羊肉）、乳制品、家禽、谷物和豆类等。因此，每年会产生大量高蛋白含量的食品废弃物，造成严重的环境污染。这些高蛋白类废弃物可以有效地被厌氧消化利用，进行甲烷生产。在厌氧消化过程中，蛋白质首先被水解成20种氨基酸，然后被发酵成短链或支链有机酸，最后转化为终产物甲烷。然而，每种氨基酸都有不同的产甲烷性能和生物降解性，所以高蛋白类食品废弃物的消化特性在很大程度上取决于其氨基酸的组成和浓度。因此，为了在厌氧消化中有效利用高蛋白类废弃物，有必要对每种氨基酸的产甲烷性能进行研究。本课题系统地研究了20种不同氨基酸的厌氧消化性能和微生物群落变化。随后，分别在中温和高温条件下，研究了蛋白质含量高或适中的食物样品的厌氧消化性能和微生物群落结构。最后，研究了生物炭添加对蛋白类食物样品的产甲烷性能。主要研究结果如下: 首先，研究了20种不同氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、赖氨酸、丙氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、组氨酸、精氨酸、丝氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、蛋氨酸、色氨酸、半胱氨酸和脯氨酸）的产甲烷潜力，并对微生物群落进行了分析。结果表明，作为蛋白质的组成单元，各氨基酸在AD过程中的降解机制不同。非极性氨基酸中，亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、丙氨酸和甘氨酸的甲烷产量明显较高，为212.4-603.7mL/g-VS。极性氨基酸中，丝氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺获得了更高的甲烷产量，为229.2-347.9mL/g-VS。酸性氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）的甲烷产量为229.2-310.7mL/g-VS，相比而言，碱性氨基酸（赖氨酸、精氨酸和组氨酸）的甲烷产量更高，为281.3-402.5mL/g-VS。其他氨基酸，如蛋氨酸、色氨酸、半胱氨酸和脯氨酸等，甲烷产量均较低，低于50mL/g-VS。微生物群落分析表明，细菌属中Fastidiosipila和VadinBC27以及古菌属中Methanosaeta和Methanoculleus的相对丰度较高，能够促进氨基酸转化为甲烷。 其次，在中温(37℃)和高温(55℃)条件下，研究了12种蛋白类底物的产甲烷特性。所选取的底物中，鱼类废弃物、牛肉、猪血、猪小肠废弃物、鸡肉废弃物、酪蛋白、明胶、鸡蛋等蛋白质含量较高，奶酪、豆腐、藜麦和变质牛奶等蛋白质含量相对适中。结果表明，中温厌氧消化(MPAD)中，所有底物的累积甲烷产量(CMY)范围为131.2-388.9mL/g-VS;而高温厌氧消化(TPAD)中，CMY增至212.5-557mL/g-VS。蛋白质含量适中的底物在MPAD条件下的CMY范围为238.2-388.9mL/g-VS，而在TPAD条件下增至384.6-557mL/g-VS。修正的Gompertz模型拟合结果显示，所有底物在TPAD中的最大甲烷产率明显高于MPAD中，说明高温条件促进了产甲烷过程。微生物群落分析表明，MPAD过程中的优势细菌属为Advenella和Saccharofermentans，而TPAD过程中的优势细菌属为Clostridium sensu stricto、Defluvitigo和Coprothermobacter。对于古菌属，MPAD期间的优势菌为Methanothrix而TPAD期间最主要的优势产甲烷菌是Methanosarcina。随后，建立了不同蛋白质底物生化成分（氨基酸组成、脂质和糖类含量）与甲烷产量之间的关系模型，可用于预测蛋白类废弃物的产甲烷性能。 此外，将农业废弃物制备的生物炭用作添加剂，加入到厌氧消化系统中，以期提高6种食物底物（坚果渣、酪蛋白、明胶、奶酪、扁豆、藜麦）的甲烷产量。为了更好地研究生物炭对产甲烷性能的影响，在AD系统中加入了不同温度（500℃和800℃）下制备的两类生物炭，分别为蘑菇杆生物炭(MSB)和刺槐生物炭(RPB)。结果表明，与对照组相比，添加生物炭对坚果渣、酪蛋白、明胶、奶酪、扁豆和藜麦产甲烷性能的提高率分别为11.19-19.46％、2.3-28.2％、9.8-26.8％、6.1-18.9％、5.4-17.3％和3.17-22.8％。其中，坚果渣在添加MSB500℃时获得了累积甲烷产量最高，为515.3mL/g-VS，随后是酪蛋白(468.1mL/g-VS)、明胶（401.4ml/g-VS）、藜麦(388.9ml/g-VS)、扁豆(325.0ml/g-VS)和奶酪(309.2ml/g-VS)。总体而言，在所有使用的生物炭中，MSB500℃的累积甲烷产量最高，其次是RPB500℃、MSB800℃，RPB800℃的累积甲烷产量最低，这说明低温热解制备的生物炭明显地提高了这些底物的甲烷产量。 最后，参照“十三五”规划提出的经济激励措施，对中国厌氧消化沼气站中利用食物废弃物的经济可行性进行了分析。研究发现，政府加大对厌氧消化行业发展的投资，刺激了社会资本的投入。成本效益分析结果表明，食品废弃物的厌氧消化项目具有良好的市场潜力，其净利润率和内部收益率(IRR)分别可达到31％和12％。这说明该行业的利润较好，能够吸引国外企业家投资。 本课题深入研究了不同种类高蛋白类废弃物的降解特性和20种氨基酸的产甲烷性能，发现每种氨基酸的生物降解特性及其对蛋白质厌氧消化性能的影响差异很大。另外，研究还发现，高温条件以及生物炭添加剂可提高底物的产甲烷性能。本课题的实验结果为有效利用高蛋白类废弃物生产生物能源提供了有价值的参考，为未来利用AD技术高效降解蛋白类废弃物奠定了基础。
高蛋白类废弃物;厌氧消化;产甲烷性能;微生物群落
北京化工大学
博士
环境科学与工程
陈畅
2020
中文
X705
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）