文摘

lipid-containing废物的厌氧消化沼气生产往往是受到的抑制作用的长链脂肪酸(LCFAs)。在这项研究中,LCFAs的抑制效应(软脂酸、硬脂和油酸)沼气生产的保护作用以及膜生物反应器(MBR)对LCFAs检查在高温厌氧消化器。结果表明,棕榈油酸浓度为3.0和4.5 g / L导致> 50%抑制沼气生产,而硬脂酸有更强的抑制作用。包裹细胞MBR系统能够表现的更好LCFAs的存在。这个系统表现出显著的抑制百分比低于自由细胞系统,在任何LCFA浓度测试没有达到50%以上。

1。介绍

组成主要是甲烷,沼气是一种可再生能源,可以直接用作汽车燃料,取暖,或间接用于发电1]。通过厌氧消化沼气生产包括四个关键步骤包括水解、acidogenesis, acetogenesis和甲烷生成。每一步都是由不同的微生物财团,部分站在syntrophic彼此相互关系(2]。沼气可以产生各种废料,包括城市固体垃圾(垃圾),工业废水和农业废弃物。废料、lipid-rich废物、释放,例如,乳制品行业,屠宰场,食用油加工行业,橄榄油工厂,和羊毛洗涤设施每年都在大量生产(3- - - - - -6]。积累的废物对环境造成了一个严重的问题如沉重的气味和大量的渗滤液;因此,可持续的处理这种浪费是非常可取的。

脂质,lipid-rich废物的主要组成部分,扮演最重要的角色在厌氧消化沼气生产由于其能量含量高(7]。脂质是长链脂肪酸(LCFAs)连着甘油、醇、酯或醚键或其他组。在水解过程中,脂质迅速降解成单体如甘油和LCFAs进一步转化为有机酸通过β氧化(7]。简短的有机酸是随后转化成醋酸和氢最终转化成甲烷和二氧化碳1]。沼气来自脂质有更高的甲烷含量相比,来自碳水化合物和蛋白质(7]。

尽管沼气产生的更高质量的脂质,沼气生产从脂质受到过度的有机负荷或LCFAs [8,9]。据报道,LCFAs抑制厌氧降解过程中几个反应(10]。LCFA已经明显的抑制作用,浓度低至50 mg / L (11]。LCFAs也严重抑制对微生物在厌氧消化的影响,特别是对产甲烷菌和产乙酸菌(11]。

lipid-containing废物的厌氧消化过程中的另一个挑战是冲刷的产甲烷菌在高有机负荷。产甲烷菌生长非常缓慢和敏感的严酷的工艺条件。因此,产甲烷菌需要更长的保留时间在消化器12]。此外,产甲烷菌抑制剂化合物也敏感。苏萨et al。13)报道,在lipid-containing废物的厌氧消化产甲烷菌敏感LCFAs源自于脂质水解。产烷生物的减少人口的结果在减少甲烷的生产(12,14]。

保留和保护厌氧消化微生物细胞在膜生物反应器(MBR)可能是一个潜在的解决方案来克服问题的冲刷和抑制。据报道,使用微生物包裹在半透聚偏二氟乙烯(PVDF)膜,沼气生产可以改善(15- - - - - -17]。MBR是能够保留细胞;因此,它提供了一个更好的系统,防止细胞半连续消化过程中冲刷速度高有机负荷(16,18]。此外,MBR显示保护作用水果香型等基质含有抑制剂化合物(19]。在搜索文献,没有报告的应用MBR克服LCFAs抑制沼气生产被发现。因此,这项工作的目的是调查LCFAs沼气生产的抑制作用在高温条件下,对LCFAs MBR的防护性能。饱和(棕榈酸,C_16:0硬脂酸,C_18:0和不饱和油酸,C_第18章)LCFAs LCFA抑制剂的被用作模型。

2。材料和方法

2.1。厌氧培养制备

厌氧培养22 g VS / L在布罗斯从高温厌氧沼气发电厂获得能源和环境AB,瑞典。文化适应了孵化器在55°C 3天前使用。驯化污泥是均质和孔隙大小的筛子过滤1.0毫米为了删除任何剩余的大颗粒。污泥是此后离心机(Carl Padberg 77933勒,Huber和莫泽,德国)在30000 rpm 15分钟,上层的丢弃。后来悬浮污泥作为接种体的细胞在薄膜袋密封,或作为自由细胞。

2.2。合成培养基、膜和抑制剂

合成培养基的准备(如前所述)(19]。它含有葡萄糖、酵母提取物和营养肉汤的浓度在蒸馏水20 g / L。包含的营养肉汤1 g / L D(+)葡萄糖,15 g / L蛋白胨,6 g / L氯化钠,3 g / L酵母提取物。使用0.2解决方案是均质和过滤μ膜过滤器。平坦的平原PVDF(聚偏二氟乙烯Durapore®)膜获得从热费希尔科学公司(瑞典)和用于细胞装箱。PVDF膜表面亲水性,与孔隙大小和厚度为0.1μ米和125μm,分别。

软脂酸、硬脂和油酸作为模型LCFA抑制剂和购买从西格玛奥德里奇(瑞典)。这些抑制剂首先溶解在2.5毫升甲醇(试剂级)为了获得一个反应堆的齐次解;之后,他们被添加到反应堆的浓度0,1.5,3.0,和4.5 g / L。

2.3。膜袋准备和电池控制过程

一个细胞控制技术是在一项研究中描述的方法进行(16]。在这个工作中,膜内的细胞被包裹,据Mahboubi et al。20.)被称为反向膜生物反应器。被切成矩形形状的PVDF膜cm和折叠膜的口袋厘米。口袋是高温密封(HPL 450、Hawo、德国)双方的加热和冷却时间4.0和3.5 s,留下一边打开插入的培养液。3克的固体剂被注入合成膜口袋。剩下的开放侧袋的密封和培养液里面是小心翼翼地展开。接种物含香包立即用于沼气生产。

2.4。批厌氧消化过程设置

批实验进行了高温厌氧消化。LCFAs被添加到反应堆的浓度1.5,3和4.5 g / L。反应堆没有添加抑制剂被用作控制。反应堆的自由细胞被并行执行,否则相同条件比较了膜生物反应器的性能在抑制剂的存在。实验进行了血清使用100毫升玻璃瓶工作总量为43.5毫升。每个反应堆包含1毫升的合成培养基,3 g的自由细胞或细胞包裹,40毫升蒸馏水,2.5毫升的抑制剂或2.5毫升的甲醇控制解决方案。核反应堆密封和刷新80% N₂和20%的公司₂气体混合获得厌氧条件。在沼气生产过程中,消化器都摇动了一天两次。

2.5。分析方法

甲烷生产被瓦里安450气相色谱仪测量毛细管柱配有热导检测器(TCD)。N₂作为载气,仪器操作注射器和烤箱温度为75°C和50°C,氮列流2.0 mL / min和检测器温度为250°C。0.25毫升的压力锁注射器(美国VICI)是用于气体取样。

甲烷生产如前所述取决于汉森et al ., 200421]。甲烷生产的测量是基于气体组分,从反应堆释放气体,改变反应堆压力正常压力,另一个GC测量反应堆的正常压力。注射器用于气体取样阀和,因此,注射器内的气体反应堆容器的压力的测量。甲烷产量计算峰值大小不同的两个测量。

抑制的百分比从每个被用作治疗造成的抑制效果的指标LCFA计算根据以下方程: 在哪里从控制反应堆和甲烷生产吗甲烷生产的样品。

挥发性脂肪酸(vfa)分析了使用水域®高效液相色谱(HPLC)系统BIORAD Aminex®hpx - 87 h,列300毫米×7.8毫米和5毫米硫酸作为流动相。这是在0.6 mL / min权力平等主义的流动相流;列温度设定在50°C和浓度检测使用紫外检测器的波长210纳米。实验进行了一式三份,平均的结果。

3所示。结果与讨论

3.1。抑制LCFAs对沼气产量的影响

软脂酸和硬脂酸是主要的饱和LCFAs积存在厌氧消化过程。他们是已知退化比不饱和酸(慢5倍22]。油酸是最常见的一种LCFAs [23)和毒性最高水平在各种LCFAs,最低抑制浓度(MIC)的50 - 75 mg / L嗜中温条件下(24- - - - - -27]。然而,上述LCFAs抑制性的影响尚未检查下嗜热厌氧消化。在这个实验中,可能抑制软脂酸、硬脂,并在三个不同浓度,研究了油酸,1.5,3和4.5 g / L批嗜热厌氧消化。没有添加LCFAs用作控制反应堆。的累积甲烷生产控制以及反应堆与软脂酸、硬脂,油酸在三种不同浓度数据所示1(一)- - - - - -1 (c),分别。

图1(一)表明甲烷产量大幅增加在所有的反应堆在孵化前6天。六天之后,甲烷产量继续以较低的速度。这表明越来越多的生物可降解材料消耗掉在前6天。甲烷产量开始下降4天3和4.5 g / L的棕榈酸和8天的1.5 g / L棕榈酸。的消化、甲烷产量的积累与软脂酸(0,1.5,3和4.5 g / L为1.4,1.1,0.6和0.6海里³分别/公斤VS。甲烷产量下降了21日,57岁,57%控制相比增加1.5,3和4.5 g / L。具体产甲烷控制活动以及反应堆使用的1.5,3和4.5 g / L棕榈酸分别为0.115,0.100,0.055,和0.061纳米³CH₄/公斤VS / d,分别。更短的时间影响甲烷生产所需,导致低累积甲烷产品浓度测试相比,控制证实,棕榈酸对嗜热厌氧消化过程有抑制作用。据报道,添加棕榈酸的浓度> 1.1 g / L抑制厌氧消化性能的50%在嗜中温条件下(28]。这项工作的结果表明,在高温条件下,甲烷减少超过50%时得到棕榈酸添加浓度的3 g / L。此外,最大的甲烷还原得到的3 g / L的棕榈酸棕榈酸的浓度增加到4.5 g / L有一个类似的效果与3 g / L。

硬脂酸对甲烷产量的影响呈现在图1 (b)。最初,甲烷产生的所有反应堆表明微生物能够执行的硬脂酸浓度增加。反应堆的累积甲烷生产的测试浓度都是类似于控制,直到第四天。随后,产生的甲烷是一个较低的利率比控制到消化。最后一天的消化、积累的甲烷产量控制和媒体含有硬脂酸为1.5,3.0,和4.5 g / L是3.4,1.5,1.2和0.9米³分别/公斤VS。甲烷累积收益率从媒体包含LCFAs对应于56岁,65年,74%的甲烷减少控制。添加硬脂酸对反应堆也减少了特定的产甲烷活性的反应堆。具体产甲烷0.181活动的控制,而对于反应堆使用的1.5,3和4.5 g / L硬脂酸的具体产甲烷活动是0.121,0.089,和0.078纳米³CH₄/公斤VS / d,分别。结果表明,硬脂酸的浓度越高导致甲烷产量较低,这表明硬脂酸对厌氧消化的抑制活性微生物。在这项工作中,硬脂酸的浓度1.5%就足以减少50%的甲烷在高温条件下生产。这是按照先前的发现表明硬脂酸浓度为1.5 g / L可以抑制厌氧嗜中温条件下性能的50% (28]。

与此同时,油酸的影响研究的结果呈现在图1 (c)。添加油酸的浓度并不影响甲烷生产测试直到6天的甲烷生产相同的控制。与软脂酸和硬脂酸相似,添加油酸的浓度对厌氧消化器测试导致较低的特定的产甲烷活性和较低的甲烷累积收益率比控制。具体产甲烷控制活动以及反应堆使用的1.5,3和4.5 g / L油酸是0.341,0.165,0.067和0.079海里³CH₄/公斤VS / d,分别。反应堆中产生的甲烷累积收益率与添加油酸的浓度0,1.5,3.0,和4.5 g / L是6.7,3.5,1.8,和2.0米³分别/公斤VS。结果表明,添加油酸浓度的1.5 g / L减少48%的甲烷在高温条件下造成的。这个浓度高于以前的工作是报道油酸的浓度0.05 - -0.07 g / L可以抑制消化性能50%嗜中温条件下(26]。油酸在3 g / L表现出强烈抑制活动如图所示相比减少73%甲烷的控制。

从当前工作成果表明,所有的测试LCFAs甲烷产量减少了50%,报1.5浓度的3 g / L。苏萨et al。13)报道,油酸更严重比饱和LCFAs对产甲烷菌的影响。此外,胫骨et al ., 2003, (24)报道,不饱和油酸是抑制比饱和硬脂酸和棕榈酸酯乙酸降解。主要的抑制性影响长链脂肪酸(LCFAs), 16或18个碳,不仅影响乙酸降解,而且丙酸降解和β氧化。LCFAs到微生物细胞壁的吸附或导致破坏微生物的细胞膜运输和保护功能机制的建议是LCFAs的抑制效应。

3.2。膜生物反应器(MBR)的性能与包裹细胞的抑制LCFAs沼气生产

MBR已经深入研究了分批和连续消化过程以提高过程效率和沼气生产力下的厌氧工艺条件(15- - - - - -18]。前一节展示了抑制LCFAs甲烷生产高温厌氧消化。在这部作品中,包裹细胞MBR系统在批处理消化过程进行了研究,以探讨该系统的潜在应用在克服LCFAs的抑制效应。实验MBR没有添加LCFAs被用作控制。此外,评估MBR的性能,传统的反应堆含有自由细胞在相同的条件下运行是用作比较。比例的抑制,浓度和pH值的积累被用作指示系统的性能参数。

3.2.1之上。的抑制百分比

MBR积累的甲烷产量与棕榈酸呈现在图2(一个)。可以看到,积累了反应器的甲烷产量的1.5和3 g / L类似于控制,显示添加棕榈酸浓度高达3 g / L并不影响MBR系统中甲烷的生产。然而,更高的棕榈酸的浓度为4.5 g / L导致降低甲烷累积收益率比控制。MBR的特定产甲烷活动添加棕榈酸在0.032 - -0.049纳米的范围³CH₄/公斤VS / h。抑制在MBR包裹细胞的百分比为1.4,5.0和42.3%,棕榈酸浓度的1.5,3.0,和4.5 g / L,分别而抑制的百分比在反应堆与自由细胞含有棕榈酸浓度的1.5,3.0,和4.5 g / L为26.1%,70.2%,和73.9%,分别为(图3(一个))。抑制在所有测试的结果表明,百分比浓度MBR低于自由细胞。这解释了MBR系统显著影响较小的棕榈酸相比,传统的系统与自由细胞。此外,抑制浓度(IC₅₀),可以减少50%的甲烷生产了不到3 g / L在自由细胞而IC₅₀MBR是高于4.5 g / L。

MBR积累的甲烷产量与硬脂酸添加不同浓度图所示2 (b)。MBR包含硬脂酸的积累甲烷产量的1.5 g / L没有明显不同与控制。这表明,MBR能够容忍硬脂酸浓度为1.5 g / L,而自由细胞失败的在同等条件下(图1 (b))。MBR的特定产甲烷活动添加硬脂酸在0.069 - -0.098纳米的范围³CH₄/公斤VS / h。此外,抑制的百分比在生物反应器添加硬脂酸为1.5,3.0,和4.5 g / L为54.8,63.6和69.0%,分别免费细胞和9.1,30.0和38.2%,分别为MBR(图3 (b))。结果表明,集成电路₅₀MBR系统(> 4.5 g / L)大约是三倍的自由细胞(< 1.5 g / L)。

类似于软脂酸和硬脂酸,甲烷累积收益率在MBR系统添加油酸1.5 g / L的浓度没有明显不同与控制(图2 (c))。与自由细胞相比,在同一浓度已经添加油酸引起的甲烷减排48%。添加油酸的浓度高于3 g / L甲烷产量降低了33.3%。MBR的特定产甲烷活动添加油酸在0.065 - -0.090纳米的范围³CH₄/公斤VS / h。当MBR的性能提出了抑制的百分比,结果表明,抑制在MBR包含油酸的比例不到50%油酸的浓度。自由传统系统中的微生物细胞被油酸更严重的影响已经在浓度为1.5 g / L。抑制超过50%油酸浓度时增加到3.0和4.5 g / L(图3 (c))。因此,集成电路₅₀MBR是高于4.5 g / L,而集成电路₅₀免费细胞小于1.5 g / L。

一般来说,特定的产甲烷的活动自由细胞高于MBR。这最有可能是由于额外的阻力通过膜的传质衬底。然而,它不会降低甲烷累积产量较高的累积甲烷产量从MBR。

当前工作的结果强调的利益包裹细胞在MBR自由细胞系统。在MBR系统中,这些细胞被包裹在一个理论上的亲水性PVDF膜是疏水性化合物如LCFA不透水。此外,套膜内的细胞密度增加,可能会增强细胞对抑制剂宽容。此外,MBR系统提供了一个优势的简单细胞复苏从下游的生物反应器处理单元(29日]。

3.2.2。挥发性脂肪酸和pH值

在厌氧处理、脂质第一次水解甘油和自由LCFAs引起酸化的细菌。甘油被acidogenesis进一步转化为乙酸,而LCFAs转化为氢、乙酸、丙酸和/或通过β氧化途径(syntrophic acetogenesis) [30.]。在甲烷生成的最后阶段,前一个阶段的产品进一步退化主要是二氧化碳和甲烷。在理想操作条件下,酸平衡生产和天然气生产,尽快的挥发性酸分解他们生产31日]。因此,浓度和pH值已经广泛使用的指标不稳定的厌氧消化过程的速度一样快。因此,在这项工作中,浓度和pH值进行分析,以调查包裹细胞的性能在MBR系统相比,自由细胞。

表1和2显示总VFA浓度和pH值的最后一天在自由细胞和MBR系统消化。总VFA浓度和pH值在两个系统没有不同于控制自由细胞和MBR与添加棕榈酸浓度进行测试。VFA浓度MBR系统与包裹细胞的范围在2.4 - -2.8 g / L,而反应堆自由细胞的范围2.1 - -3.2 g / L。

在硬脂酸的情况下,添加LCFA 3 g / L增加VFA浓度高于自由细胞和MBR。VFA的增加后减少的pH值在表可以看出2。然而,VFA在自由细胞在4.5 g / L的两倍的控制,而在同等条件下,只有增加25%的VFA在MBR系统。据报道,积累的浓度高于4 g / L的蒸煮器导致厌氧消化过程的不平衡(10,12]。在这个实验中,通过添加硬脂酸浓度的3.0和4.5 g / L反应器与自由细胞VFA化合物的积累导致了4.4和5.4 g / L,分别。在MBR反应堆,另一方面,2.6和2.4 g / L的VFA浓度在同一浓度的测定硬脂酸补充道。在这两个系统与硬脂酸,pH值在潜伏期(表有所下降2),vfa浓度(表后1)。高pH值被发现在MBR系统相比,自由细胞系统。添加硬脂酸在不同浓度的生物反应器自由细胞导致控制的pH值从5.97下降到4.81在反应堆4.5 g / L硬脂酸。包裹细胞的核反应堆的pH值,然而,只有从6.23下降5.79控制反应堆硬脂酸的浓度最高。

类似于硬脂酸,油酸的浓度增加都添加到系统导致总VFA浓度的增加。至于其他LCFAs调查,可能出于同样的原因,VFA积累较高的传统系统的自由与包裹细胞细胞相比,MBR系统。自由细胞的VFA浓度高于4 g / L浓度在所有测试。相比之下,VFA浓度高于4 g / L在MBR反应堆被观察到的只有在反应堆含有油酸浓度的3.0和4.5 g / L。然而,pH值测量的孵化项目在两个系统没有不同。这些结果证明包裹细胞MBR系统优于传统的系统与自由细胞显示低比例的抑制,低浓度生产,及其LCFA pH值的所有测试。

在这项研究中,微生物细胞包裹在PVDF膜显示更少的抑制与软脂酸、硬脂,油酸比自由细胞。在传统的系统中,免费的微生物细胞可能有更多的直接接触的抑制剂导致吸附抑制剂在细胞膜上。Gerardi [12)报道,产甲烷菌的细胞壁缺乏保护信封导致抑制剂敏感的细胞。这可能会导致细胞损伤,导致一个不稳定的消化过程与低沼气生产(7]。最终消化、VFA浓度越高的反应堆自由细胞也可以由于快速自由细胞降解,容易暴露在基板,包括LCFAs。最后,这导致高VFA浓度自更敏感的产甲烷菌不能以最快的速度把VFA说他们不敏感产生的酸性细菌。反应堆中VFA浓度高可以抑制methane-forming微生物的活动导致不稳定的消化过程(5,10,24]。

包裹细胞MBR,另一方面,是由微生物聚合物膜封闭保护。膜可能限制抑制剂对细胞的扩散。因此,微生物有较长的时间来解毒的媒介利用LCFAs和vfa沼气生产和维护他们在低浓度接近细胞。年底消化、降低vfa浓度允许执行有效的包裹细胞没有任何负面影响从高浓度的浓度;因此,消化过程可以保持稳定。此外,膜保留微生物细胞的方法提供了一个高细胞密度,这意味着cells-to-LCFA比率很高,因此,使一个更好的适应环境和解毒。阿尔维斯et al。25,32研究厌氧固定床反应器,是用来防止细胞惨败。结果表明:保留细胞改善系统的公差在高浓度的LCFAs废水。

也有可能抑制剂不可能通过细胞颗粒容易MBR的袋内,这意味着只有一部分细胞抑制剂的吸附影响到细胞膜上。保护细胞的外层致密细胞颗粒曾被报告为一个更高的封装公差的原因和絮凝酵母细胞可转换抑制剂在第二代生物乙醇生产(33,34]。类似的现象也可能会出现包裹厌氧污泥,在膜层之间的紧密。

同时,利用膜细胞辅助材料在MBR可能导致传质限制在生物降解过程中,特别是在静态反应堆每天只有一次动摇了。这是明显的结果,积累了较低的甲烷产量相比MBR反应堆与自由细胞。MBR在连续过程中,或在批量反应堆的连续流动介质,然而可能显示一个更好的性能,提高沼气产量的LCFAs自由细胞相比,正如前面观察其他抑制物质(15- - - - - -18]。

从上面的结果,可以得出结论,利用PVDF膜将微生物细胞在MBR降低棕榈的抑制性影响,硬脂,油酸在嗜热厌氧微生物细胞的性能退化对沼气生产系统。因此,退化lipid-containing废弃物沼气生产可以运行在一个更好的平衡系统相比传统的系统与自由细胞。

4所示。结论

增加的浓度LCFAs(软脂酸、硬脂和油酸)批嗜热厌氧消化器导致更强的抑制对微生物的影响。保留细胞在膜生物反应器(MBR)是一个成功的方法来减少LCFAs的抑制作用,因为较低的抑制百分比和更稳定的VFA浓度和pH值被发现与传统的系统相比,MBR与自由细胞。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务支持的理事会的研究和社区服务,研究、技术和高等教育的印度尼西亚共和国通过国际科研合作和科学出版物(批准号309 / LPPM / 2015)和瑞典研究理事会。作者要感谢约翰韦斯特曼博士对他有用的讨论。