廢活性汙泥和食物殘渣共同發酵可提高羧酸產率

2020-12-22 中國生物技術網

翻譯：林曉瑩 盧泳君 魏韜（華南農業大學食品學院）

自然資源的短缺和日益增強的環境意識正在推動生產系統從管道末端廢物處理轉向資源綜合回收計劃。在生物精煉廠中，利用食物殘渣和汙水汙泥等廢料進行發酵產生能源、化學品、營養物質和水的方法就符合上述新模式。食物殘渣（Food Waste）是產酸發酵的理想底物，然而，FW發酵受到不同因素的限制。共發酵是兩種或兩種以上廢物的混合發酵，是提高FW發酵產量的另一種方法。在不同的廢棄物中，汙水處理廠的廢棄活性汙泥(Waste Activated Sludge)是研究最多的FW發酵共底物。已有研究人員成功地進行了幾項共發酵研究。儘管有這些研究努力，但共發酵的文獻仍然不確定，需要進一步的研究才能使共發酵成為現實。

本研究的目的是研究廢活性汙泥（WAS）和食物殘渣（FW）共發酵(以WAS為主要底物)在不同實驗條件下的性能，以了解這種方法的好處和限制。通過研究:(i) WAS/FW混合比例對發酵產率和產物構型的影響；(ii) pH值對共發酵性能的影響；(iii)自水解預處理提高發酵產率的可行性。此外，通過三個獨立的發酵試驗測試相同的混合物，可以評估共發酵的再現性。

論文標題：Assessing the potential of waste activated sludge and food waste co-fermentation for carboxylic acids production

本實驗研究廢活性汙泥(WAS)和食物殘渣(FW)分批共發酵生產羧酸。分別在有無額外加鹼度、有無自水解預處理的條件下研究了WAS和FW比例為1:1、7:3、9:1混合物的發酵情況。實驗結果表明，包括揮發性脂肪酸和乳酸在內的共發酵產率始終高於單發酵產率(約100 mg /gVS和80 mg /gVS)。隨著FW在混合料中所佔比例的增加，共發酵產率也隨之增加，說明這主要是由於在共發酵條件下FW的降解程度更高。對於WAS/FW比例為1:1的混合液，最大共發酵產量平均為480 mgCOD/gVS。在額外加鹼條件下進行的實驗中，pH值對共發酵性能的重要性顯而易見，說明混合液中WAS的比例應足夠高，以使pH值保持在5.0以上。然而，發酵罐的操作條件也應防止醋酸消耗微生物的富集。自水解預處理沒有提高共發酵產量，但表現出較小的動力學改善。在產品配置方面，隨著FW在混合物中所佔比例的增加，丁酸被富集，同時伴隨pH值的降低，不利於丙酸。在中性pH下，WAS/FW比例為9：1的混合物發酵和WAS單發酵液中丙酸佔優勢。

本實驗中，共設置三個實驗，均在中溫（35℃）厭氧條件下，在250mL血清瓶中進行發酵14天分批測定，不添加接種物，發酵過程依賴於天然發酵細菌。

實驗一通過測定pH的變化、揮發性脂肪酸（VFA）的產量來了解混合物的組成對共發酵的影響，設置WAS/FW比例分別為1：1、7：3、9：1三種，且利用每種底物（即僅FW和僅WAS）的單發酵進行對照。實驗結果表明，混合物共發酵組的產量均比WAS和FW單發酵對照的產量高，且隨著混合物中FW比例的增加，pH從中性（WAS控制）降低到4以下。WAS/FW比例為1：1（489mgCOD/gVS）混合物共發酵產量最高，該混合物是FW量最高的混合物，混合物的共發酵產量隨著混合物中FW量的減少而降低，這表明發酵產量的提高可能與共發酵條件下FW發酵程度的提高有關。

實驗1中最大發酵產量（第8天）的COD發酵曲線。誤差線表示標準偏差。

實驗1中發酵產量（頂部）和pH（底部）的演變。誤差線表示標準偏差。

實驗二旨在檢查實驗一的可重複性，探究FW較高鹼度對共發酵的影響（FW*表示使用額外鹼度進行的測試）。與實驗一一樣，共發酵混合物發酵產量比WAS和FW單發酵對照的發酵產量高得多（分別是96和72mgCOD/gVS），隨著混合物中FW量的增加，三種沒有額外鹼度的混合物共發酵的產量（即WAS / FW_50 / 50，WAS / FW_70 / 30和WAS / FW_90 / 10）增加，進一步支持上述實驗一產量的提高主要是由於在共同發酵下FW較高發酵。WAS / FW比例為1：1和7：3混合物的最大發酵產量與實驗一相似，但是在實驗二中，WAS/FW比例為9：1混合物顯示的產量（327 mgCOD / gVS）比實驗一（175 mgCOD / gVS）高。從第6天開始，發酵液中揮發性脂肪酸（VFA）的濃度（主要是乙酸）從大約3400mgCOD/L降低到600mgCOD/L，可能是因為pH值從5.9升高到7.2，即發酵罐發酵條件應防止能降解乙酸的物質富集。向FW中加鹼（30gNaHCO/kg）不足以對WAS/FW比例為7：3和9：1混合物發酵產量產生顯著影響，可能是混合物中FW比例相對較低。但是WAS/FW比例為1：1的發酵產量和加鹼組的發酵產量隨時間的變化顯著不同，在第3天，WAS/FW*比例為1：1的VFA和乳酸產量增加，這與pH從4.6升高到5.1是同步的，其更好的發酵性能可能與發酵液的較高pH有關，其緩衝能力更高。因此，應限制共發酵混合物中FW的量，以保持pH值高於5.0。

實驗2中最大發酵產量（第6天）的COD發酵曲線。誤差線表示標準偏差。

圖3。實驗2中發酵產量（上圖）和pH值（下圖）的演變。誤差線表示標準偏差。

實驗三對WAS進行自動水解預處理，探究其對共發酵的影響。WAS和WASp（經過預處理）單發酵比較，自動水解預處理在前四天中將WAS發酵產量提高了約25%（未處理組為135mgCOD/gVS，處理組為167mgCOD/gVS），但是從第五天開始兩個樣品的發酵產量相似，表明自動水解預處理可加快發酵速度，但不會增加WAS生物降解性。與未處理的WAS進行的共發酵混合物相比，用WASp進行的共發酵混合物顯示出相似的發酵產量和發酵曲線，結果表明WAS自動水解預處理可能不是提高WAS/FW共發酵性能的合適方法。

COD中的發酵曲線基於實驗3中的最大發酵產量（第5天）。誤差線表示標準偏差。

實驗3中發酵產量（上圖）和pH值（下圖）的演變。誤差線表示標準偏差。

本實驗通過分批測試在不同的實驗條件下研究了廢活性汙泥（WAS）和食物殘渣（FW）共同發酵（混合物中WAS比例分別為50％，70％和90％）以生產羧酸，揮發性脂肪酸和乳酸。結果表明，共發酵條件下的發酵產率始終高於WAS和FW單發酵條件下的發酵產率。隨著混合發酵中FW比例的增加，共發酵產量增加，這表明該改善主要是由於共發酵條件下FW降解率更高。從產物結構來看，隨著FW在混合物中所佔比例的增加，同時伴隨pH值的降低，丁酸含量增加，乙酸和丙酸生成量降低。在額外加鹼的條件下進行的實驗表明，混合物中WAS的比例應足夠大，以使pH值保持在5.0以上，避免鹼的恆定投加。然而，發酵罐的操作條件應防止加入WAS的乙酸降解物的富集。最後，經自動水解預處理的WAS/FW共發酵混合菌體對共發酵動力學的改善很小，但並沒有提高共發酵產量。總的來說，這些結果表明WAS/FW共發酵是在最大限度地減少化學試劑使用的同時提高發酵產量的一個機會。可以根據應用需求調整兩種基材之間的比例，以調整產品的輪廓。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720372946

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