提高在难转化的底物存在下的生物气产量的方法

专利名称：提高在难转化的底物存在下的生物气产量的方法
技术领域：
本发明公开了用于提高在戊糖和/或甘油存在下的生物气产量的方法。
背景技术：
已有一些从有机废物中回收能量的技术。甲烷发酵是一种用于能量回收的生物方法，其可以容易地将常规有机物质转化为甲烷。该生物分解方法通过微生物的至少三种官能团之间的代谢作用进行调控。通常，有机材料先被水解为较简单的化合物，然后被产酸菌(acidogen)转化为挥发性酸。含有两个以上的碳的挥发性酸然后被专性产氢产乙酸菌 (obligate hydrogen-producing acetogen)转化为乙酸和 H2。最后，乙酸、H2 和 Cl 化合物被产甲烧菌转化为 CH4 (参见 Speece，Anaerobic Biotechnology, 26 (1996))。在木质纤维性生物质中出现大量的C5糖作为半纤维素的结构性多糖。木质纤维性生物质是比粮食作物更丰富的可再生材料，并且可得到木质纤维性生物质而不干扰食物供应链，并且对环境的影响较小。但是，木质纤维性生物质不能直接用作微生物发酵的碳源，并且需要将其处理以得到可发酵的糖。木质纤维素的水解给出单体己糖(葡萄糖、甘露糖和半乳糖)和戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)的混合物。其中，葡萄糖通常是最丰富的，其次是戊糖(如硬木和农业废料)或甘露糖(如软木材)。戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)可占木质纤维性生物质高达30%，并以木糖为主(半纤维素糖中约为80%)。尽管在木质纤维素的水解产物中的葡萄糖通常可易于发酵成乙醇和其他有用的化学物质，但是对于常规的工业性菌株，通常难以利用戊糖作为碳源。尽管在实验室中使用一些天然或基因工程菌株(genetically engineered strain)已成功地将木糖发酵成乙醇和其他化学物质，但是由于难以通过污泥中天然存在的微生物消化戊糖，所有还难以实现木糖和其他C5糖向生物气的有效厌氧消化。(参见 Lin，C.等人，Hydrogen Energy. 33 :43-50 (2008)) 在生物柴油工业中甘油作为副产物产生(生产100kg生物柴油将产生约IOkg甘油)。由于快速扩展的生物柴油市场，粗甘油的可获得性预计将在今后几年显著提高。但是， 由于甘油的工业化学还未完善建立，所以利用廉价的粗甘油制备高附加值的化学物质是具有挑战性的。考虑到厌氧消化过程的简便性，甘油向生物气的厌氧消化可提供较简单的将甘油转化为燃料的方法。但是，对于污泥中天然存在的微生物，仍然难以有效地利用甘油作为生物气制备的底物。因此，戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)和甘油向生物气的有效转化将有助于减少生物乙醇和生物柴油生产过程的总成本，在所述生产过程中，戊糖和甘油分别作为“废料”产生。如上所述，产甲烷菌只能利用非常简单的碳源如乙酸、CO2、甲醇、⑶和H2。一些微生物(细菌如大肠杆菌(Escherichia coli)和酵母如树干毕赤酵母(Pichia stipitis)) 具有更强的利用戊糖和/或甘油产生有机酸和其他具有较小分子的代谢物的能力。这些较小的分子可以是比戊糖和甘油更佳的产甲烷菌的底物。但是，这些微生物不存在于原始污泥中或它们在原始污泥中的含量非常低。一些研究者们已报道了污泥中天然存在的大肠杆菌对于生物气制备的作用。Gonzalez，R.等人.Metabolic Engineering(2008))发现大肠杆菌可以1，3_丙二醇(“-PD0”)的独立方式发酵甘油。在该方法中产生的一些中间体和最终产物1，3-PD0可被经消化的污泥中天然存在的微生物消化，并转化为甲烷和C02。Chiu 等人Q007)报道了通过产H2细菌利用木糖的方法。在产氢气过程之前，先通过产H2细菌利用木糖以产生一些挥发性脂肪酸(VFAs)中间体，然后将其转化为甲烷。产H2菌与产甲烷菌天然共存于经消化的污泥中。但是由于产H2菌较强的形成孢子的能力，它们比产甲烷菌耐受更高的温度(高达100°C )。在更高的温度下，通过简单的加热处理可将产压菌与产甲烷菌分离。在实验室中已将树干毕赤酵母广泛用于从木糖制备乙醇。Marques等人Q007)报道了使用树干毕赤酵母转化再生纸浆。Hahn-Hagerdal，B.等人Enzyme Microb. Technol.， 16 November (1994)报道了通过该酵母的木糖发酵生理作用。通过戊糖磷酸途径代谢戊糖， 产生各种VFA(如乙酸)和其他中间体。如上所述，这是比木糖更佳的产甲烷菌的底物。鉴于以上所述，在本领域中需要将“难转化的”底物(“hard” substrate)如戊糖和甘油分解为较小分子的物质以促进它们向生物气的转化并提高甲烷产率。本发明满足该需求和其他需求。

发明内容
本发明提供通过厌氧消化将难转化的底物(hard substrates)如戊糖和甘油转化为生物气的方法和系统。在一些方面，所述方法包括引入可将这些“高级”底物有效降解并转化为较小分子的外源微生物。通过向经消化的污泥外源性地引入利用戊糖和利用甘油的微生物，本发明方法将这些“高级”底物(如戊糖和甘油)分解为较小分子的物质以促进转化成生物气(如甲烷)。由此，在一个实施方案中，本发明提供了用于提高生物质向甲烷转化的产率的厌氧方法，其中所述生物质含有难转化的底物，所述方法包括将含有难转化的底物的生物质与外源微生物接触以产生反应混合物；并将所述反应混合物发酵以提高甲烷产率。在另一个实施方案中，本发明提供用于提高生物质向甲烷转化的产率的发酵系统，所述系统包括厌氧发酵罐，其具有含有难转化的底物的生物质；和转化所述难转化的底物的外源微生物，其中使所述生物质发酵以提高甲烷产率。在某些情况中，通过加入外源微生物，来自戊糖或甘油的生物气的产率是不加入外源微生物的产率的3倍或更多。通过改进厌氧发酵的操作条件，可使所有难转化的底物转化为生物气。在某些优选情况中，任何可降解这些难转化的底物的微生物可用于提高从这些难转化的底物产生的生物气产量。在某些情况中，仅在当如开始阶段(优选在水解之前)向所述系统加入所述外源微生物一次。然后，所述微生物可生长许多代。由于所述微生物利用各种碳源的能力，培养这些微生物的培养基非常简单。
通过将降解戊糖或甘油的微生物加入厌氧消化器中，这些难转化的底物可被有效地转化为生物气。通过选择可降解这些底物并且优选在所述降解过程中不产生CO2的微生物，可在生物气中产生更高的甲烷含量的产率。然后可将戊糖(如D-木糖、L-阿拉伯糖) 和甘油向生物气的有效转化用于生物乙醇和生物柴油的制备过程。有利地是，已表明外源微生物的加入显著促进了预先存在于经消化的污泥中的有机物质的消化，所述有机物质却不被经消化的污泥中的产甲烷菌所有效消化。本发明的方法和系统产生更高的生物气产量和甲烷产率。在另一个实施方案中，本发明提供了厌氧方法在提高生物质向甲烷转化的产率中的用途，其中所述生物质含有难转化的底物，所述用途包括将含有难转化的底物的生物质与外源微生物接触以产生反应混合物；并将所述反应混合物发酵以提高甲烷产率。当与附图和以下的详细说明一起阅读时，这些和其他的目的、方面和实施方案将变得更为清楚。


图1显示了本发明的一个实施方案的流程图和反应过程。图2的图表显示了通过加入乳酸菌而从木糖产生的甲烷产量(体积mL)提高。图3的图表显示了使用外源性乳酸菌而从木糖产生的生物气中的甲烷含量(％ ν/
V) O图4的图表显示了通过加入树干毕赤酵母(P. stipitis)而从木糖产生的甲烷产量(体积mL)提高。图5的图表显示了使用外源性树干毕赤酵母而从木糖产生的生物气中的甲烷含量(％ ν/ν)。图6的图表显示了通过加入大肠杆菌(E.coli)而从木糖产生的甲烷产量(体积 mL)提高。图7的图表显示了使用外源性大肠杆菌而从木糖产生的生物气中的甲烷含量(％ ν/ν) ο图8的图表显示了通过加入产H2细菌而从木糖产生的甲烷产量(体积mL)提高。图9的图表显示了使用产H2细菌而从木糖产生的生物气中的甲烷含量(％ ν/ν)。图10的图表显示了通过加入乳酸菌而从阿拉伯糖产生的甲烷产量(体积mL)提
尚ο图11的图表显示了使用外源性乳酸菌而从阿拉伯糖产生的生物气中的甲烷含量 (% ν/ν)。图12的图表显示了通过加入树干毕赤酵母而从阿拉伯糖产生的甲烷产量(体积 mL)提高。图13的图表显示了使用外源性树干毕赤酵母而从阿拉伯糖产生的生物气中的甲烷含量(％ ν/ν)。图14的图表显示了通过加入大肠杆菌而从阿拉伯糖产生的甲烷产量(体积mL)提尚。
6
图15的图表显示了使用外源性大肠杆菌而从阿拉伯糖产生的生物气中的甲烷含量(％ ν/ν)。图16的图表显示了通过加入大肠杆菌而从甘油产生的甲烷产量(体积mL)提高。图17的图表显示了使用外源性大肠杆菌而从甘油产生的生物气中的甲烷含量 (% ν/ν)。发明详述I.实施方案本发明提供用于有效地将难转化的底物如戊糖(如木糖和阿拉伯糖)和/或甘油转化为生物气的方法和系统。有利地是，在此所述的方法和系统减少了产生这些难转化的底物的生物乙醇和生物柴油过程的总成本。在此使用的术语“难转化的底物”包括甘油和戊糖如包括木糖、阿拉伯糖、核糖、核酮糖(优选L-型)和来苏糖的D-戊糖和L-戊糖。优选的难转化的底物还包括甘油、D-木糖或L-木糖和D-阿拉伯糖或L-阿拉伯糖。最优选的难转化的底物是甘油、D-木糖和L-阿拉伯糖。合适的难转化的底物还包括纤维素、木聚糖、棕榈油厂排出液(effluents of palm oil mills)、任意的以上底物的混合物等。在某些情况中，本发明提供通过引入外源微生物而转化产甲烷微生物可利用的难转化的底物的方法。尽管在此描述的方法和系统优选用于戊糖和甘油，但是还可使用其他难转化的底物或碳源。此外，由于在此描述的方法不限于生物气制备，所以可将外源微生物引入所有其他类型的发酵过程中。污水和污泥的厌氧甲烷发酵是各种微生物之间的一系列代谢作用的结果。第一类微生物分泌使聚合性材料水解为单体如葡萄糖、戊糖和氨基酸的酶，然后将其转化为更高级的挥发性脂肪酸、H2和乙酸。在第二类中，产氢气的产乙酸细菌将所产生的更高级挥发性脂肪酸如丙酸和丁酸转化为H2、CO2和乙酸。最后，产甲烷细菌将H2、CO2和乙酸转化为CH4 和 CO2。更具体地，厌氧性甲烷发酵方法包括四个步骤i)水解步骤，其将复杂分子转化为较简单的分子；ii)产酸步骤，其将所述较简单的分子转化为脂肪酸、醇、二氧化碳和氢气；iii)产乙酸步骤，其使所述产酸步骤的产物转化成乙酸；和iv)产甲烷步骤，其将乙酸转化为甲烷。图1是显示根据本发明的一个实施方案中的反应过程100的示例流程图。在操作中，将外源微生物110加入厌氧消化器或反应器中以处理含有多糖如半纤维素、蛋白质和脂肪的有机废物原料如有机废物102。在该过程中，发生有机原料的水解发酵115，其将糖、 氨基酸、脂肪酸和难转化的底物转化为酸性中间体。产酸细菌通过产乙酸步骤125产生酸如乙酸。然后利用产甲烷机理，通过产甲烷步骤140将酸性中间体130转化为有用的气体如甲烷150。不加入所述外源微生物时，难转化的底物的转化效率不高。在此所使用的术语“有机废物”包括有机污泥、所有类型的有机废物、污泥、动物废料、城市废料、工业废料、林业废料、农业废料等。在某些情况中，所述有机废物原料含有半纤维素，其进而由戊糖如D-木糖和D-阿拉伯糖或L-阿拉伯糖构成。术语“半纤维素”用于表示与植物组织中的纤维素结合的非纤维素多糖。半纤维素通常由约20-35% w/w的木质纤维素材料构成，并且半纤维素的主体主要由基于戊糖(五碳)糖单元如D-木糖和D-阿拉伯糖或L-阿拉伯糖单元的聚合物构成，尽管通常还存在更多种少量的己糖(六碳)糖单元如D-葡萄糖和D-甘露糖单元。本领域技术人员理解，甘油以酯(甘油酯)的形式存在于所有动物和植物脂肪和油中。其可作为当水解得到脂肪酸或它们的金属盐(皂)时的副产物商购。在某些情况中，商业范围中的甘油还可由丙烯合成(得自石油裂解)，天然来源供应的甘油是不足的。在某些其他实施方案中，用于本发明的方法和系统的原料还包括生物质。合适的生物质包括如植物材料如新收获的植物材料或储存的植物材料，并且通常除了尺寸缩小之夕卜，所述生物质是未经化学或物理处理的。陆生和水生植物都适用于本发明。在某些实施方案中，任选地将人类、动物或植物来源的有机产物、副产物或废料进行机械、物理、化学或微生物预处理，例如热加工、捣碎、压碎、研磨或通过切碎-投出机 (chopper-projector)进行切碎、快速减压或快速降压、为了如促进物质水解的厌氧预发酵、分离纤维(defiberization)、撕碎或者去木质化，特别是在纤维素和木质纤维素化合物的情况中。如在图1中所示，对有机废料102进行处理，导致至少部分的水解115而得到浆料。通过污水的厌氧性细菌的水解酶对有机废料的不溶性有机化合物的水解物进行解聚。 在水解过程中，通常蛋白质被蛋白酶水解为氨基酸，并且多糖被纤维素酶和淀粉酶水解为单糖。所产生的氨基酸然后被降解为脂肪酸如乙酸、丙酸和丁酸。己糖和戊糖通常被转化为C2和C3中间体。大多数厌氧性细菌通过Emden-Meyerhof-Parnas途径(EMP)进行己糖代谢，EMP产生NADH和作为中间体的丙酮酸。丙酮酸和NADH通过与微生物种类不同的其他酶作用被转化为发酵产物如乳酸、丙酸、乙酸和乙醇。如在图1中所示，在水解和产酸过程中，通过生物聚合物的微生物降解而产生的糖、氨基酸和脂肪酸被厌氧性细菌连续代谢，并发酵成乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、乙醇、二氧化碳和氢气。尽管一些乙酸在产酸过程中形成，但是乙酸和氢气的主要产生源自于脂肪酸的乙酸化。在一些情况中，产乙酸细菌如Syntrophobacter wolinii禾口 Sytrophomonos wolfei 可用于该步骤中。在产乙酸之后，产甲烷细菌将乙酸和压/0)2转化为甲烷。有利地是，本发明的方法和系统向反应提供外源微生物以增大和提高生物气产量。图2清楚地显示了本发明的一个实施方案，其中将外源微生物(如乳酸菌)加入厌氧反应器中，由此能够降解木糖，显著地提高生物气产量。本发明可使用任何产生活性的嗜冷、嗜中温或嗜热微生物厌氧消化系统。在此所使用的术语“嗜冷”包括相对较低的温度。术语“嗜中温”包括在中等环境如在适中温度中生长或繁殖最佳的微生物，而术语“嗜热”包括在高温下繁殖或生长的微生物。通常，主要的、合适的非产甲烷的细菌包括来自产气杆菌(Aerobacter)、气单胞菌(Aeromonas)、 产碱菌(Alcaligenes)、芽孢杆菌(Bacillus)、类杆菌(Bacteroides)、梭菌大肠埃希 (Clostridium Escherichia)、克雷伯氏菌(Klebsiella)、钩端螺旋菌(Leptospria)、 微球菌(Micrococcus)、奈瑟菌(Neisseria)、畐Ij 大肠杆菌(Paracolobactrum)、变形杆菌(Proteus)、假单胞菌(Pseudomonas)、红假单胞菌(Rhodopseudomonas)、八叠球菌 (Sarcina)、沙雷氏菌(Serratia)、链球菌(Streptococcus)禾口链霉菌(Streptomyces)属的细菌属。合适的产甲烷微生物包括但不限于甲烷杆菌、甲烷球菌和甲烷八叠球菌，特别是甲酸甲焼杆菌(Methanobacterium formicicum)、巴氏甲焼八叠球菌(Methanosarcina barkerii) Λ ^ R ￥ ^ ff S" (Methanobacterium omelianskii) Λ R ￥ ^ ^ S" (Methanococcus vannielii)、索氏甲焼杆菌(Methanobacterium sohngenii) Λ 叠球菌(Methanosarcina methanica)、马氏甲焼球菌(Methanococcus mazei)、{氐氧甲焼杆菌(Methanobacterium suboxydans)禾口 Methanobacterium propionicum。在一些情况中， 可使用混合培养物以得到最完全的发酵作用。对消化器系统可按需进行本领域中已知的营养平衡和PH调节以优化从所使用的培养物中制备甲烷。在一些情况中，反应条件可以是嗜冷、嗜中温或嗜热的。优选地，反应条件是嗜中温的，其为约15°C -约55°C，优选约30°C -约40°C的厌氧温度。优选地，所述方法在常压下进行，尽管更高压力也是合适的。在一些情况中，反应PH在pH 6-pH 8，更优选在pH 6. 5-pH 7. 8，并且最优选在pH 6. 8-ρΗ7· 5。在一些情况中，将根据本发明的微生物用作生物纯的培养物，或可在混合培养物中将所述微生物与其他微生物一起使用。生物纯的培养物通常更易于优化，但是混合培养物可利用其他底物。在一些优选方面中，所使用的外源微生物包括但不限于乳酸菌、树干毕赤酵母、大肠杆菌、产氢细菌及它们的混合物。在此使用的术语“微生物”表示包括能够代谢难转化的底物的有机体如细菌、酵母、原生动物和真菌，所述微生物可以是天然存在的或是基因修饰的。天然存在的微生物通常保留在培养物如初始培养物中。基因修饰的微生物可以通过引入基因材料如质粒或载体(vector)而突变或进行操作。在一个优选的实施方案中，将含有难转化的底物的生物质填充入发酵罐中，并使用任何已知的步骤和反应器系统开始制备生物气，并培养天然的微生物团(consortia)。然后使用外源微生物如乳酸菌、树干毕赤酵母、大肠杆菌、产氢细菌及它们的混合物的经培养的单培养物接种产生生物气的发酵罐。随着发酵的进行，可按需重复接种。在此描述的方法和系统适用于在液态或固态发酵罐中的生物气制备模式。本发明还考虑使用已经过基因修饰的微生物以产生增强的难转化的底物的代谢作用。这样的基因修饰可包括重组DNA技术如使用含有对于蛋白质的mRNA(如催化戊糖代谢的酶)的表达载体对细菌细胞系的稳定转染，或使负责将难转化的底物转化为较小分子的基因引入宿主细胞基因组。例如在一个情况中，通过木糖异构酶和d-木酮糖激酶优化木糖的厌氧代谢，然后将其转染入细菌细胞系。在某些优选方面中，所使用的微生物有效地代谢戊糖和/或甘油，而不形成(X)2。在一个情况中，优选的微生物降解木糖而不产生C02。在另一个方面，所述微生物降解L-阿拉伯糖而不产生C02。在又一个方面，所述微生物降解甘油而不产生C02。在一些情况下，引入有效代谢CO2的其他微生物。在某种情况下，微生物可代谢碳源而不产生大量的C02。也就是说，通过引入光合细菌，CO2的排放较小或最小。在某些方面，可在厌氧发酵过程的各阶段加入外源微生物。例如，优选在开始阶段 (发生水解之前)进行微生物的添加。在某些其他实施方案中，可在水解后，但在产酸步骤之前进行外源微生物的添加，其中戊糖如木糖被转化为较小分子物质如乙酸、乳酸、甲酸、 乙醇和H2，这被认为是比木糖更好的用于产甲烷细菌的底物。所述微生物可以是单独的培养物，其含有单一物种或含有物种组合的菌群。在某些情况中，考虑到细菌如乳酸菌、大肠杆菌、枯草杆菌等及它们的组合的宽底物范围、稳健的生长能力和对环境的安全性，优选推荐这些细菌。在某些其他情况中，微生物如酵母、真菌、古菌等及它们的组合也适用于本发明。所述外源微生物可得自外源性来源或通过筛选、纯化和培养而得自经消化的污泥本身。在某些实施方案中，外源微生物来源于如在实施例中解释的厌氧性废水污泥处理设备。在某些其他情况中，接种物可得自任意的嗜热性厌氧消化器或可以通过使用动物粪肥或废水污泥单独制备，并在嗜热温度下、在厌氧条件下培养，并培养至发酵开始。在此公开的方法和系统可以在现有的用于有机底物消化的厌氧消化系统中进行。 通过如补充外源微生物的培养和饲育设备，所述方法和系统适用于任何现有的发酵系统。 所述方法和系统涵盖从实验室台式至废水处理厂的所有反应器尺寸范围。单相系统和双相系统都可用于在此公开的本发明方法和系统。在单相系统中， 有机底物和微生物容纳在一起。例如，在此可使用升流式厌氧污泥层(Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB)方法用于原料的生物转化，所述原料主要含有溶解性有机肥料，其中在反应器中允许沉降通常小于原料的少量固体和细菌块(bacterial mass) 0在该系统中，废水流过污泥床和污泥层进入反应器的底部，在所述污泥层中有机材料厌氧分解。然后通过气体-固体分离器分离所产生的气体，并且经澄清的液体经过排水孔排出，同时颗粒状的污泥自然沉降至底部。UASB系统主要用于处理来源于食品加工工业的废水。在使用UASB系统中的本发明方法中，可将外源微生物加入容纳所述微生物的污泥床中。在某些优选的方面，在水解之前将外源微生物加入污泥床，然后将废水加入UASB 反应器。除了 UASB之外，升流式厌氧过滤器(UAFP)系统也可用于本发明的方法。通常在这些系统中，反应器包括“培养基”，即微生物载体。颗粒状的微生物不仅存在于培养基的空间内，而且还粘附在其表面；因此，在反应器中维持了高密度的微生物菌群，产生了微生物漂浮物和粘附物的混杂。在某些情况中，所述微生物载体可以和消化难转化的底物的微生物一起加入。厌氧过滤型反应器通过将细菌粘附在固定于消化器的惰性材料上而促进细菌在消化器中的停留。这些惰性材料可以是为难转化的底物的转化而特别设计的。在某些其他方面中，使用了厌氧流化床反应器(AFBR)。在这些系统中，粘附有微生物的培养基在反应器中流化，造成有机材料向CH4和(X)2的转化。厌氧微生物在培养基表面生长，使培养基的表观体积膨胀；因此该反应器还被称为“膨胀床反应器”。在本发明的方法中，将外源微生物加入流化床中。在某些情况中，可使用连续流体流化床发酵器，其具体为塔式设计或是支持膜反应器(supported film reactor)。除了单相系统之外，常规的两相厌氧消化器系统包括酸相消化器和生物气化反应器。酸相消化器通常设计为固体床间歇反应器，其中容纳固体废物并收集浸出的溶解性化合物。在第一酸相中，选择微生物菌群和操作条件以促进有机含碳材料向较低分子量的含碳材料(主要是挥发性有机酸)转化。在两相系统中，优选将外源微生物加入酸相消化器中。在消化难转化的底物之后，将从酸相流出的液体和固体流出物输送至生物气化的第二相中。在该相中，产甲烷微生物将挥发性有机酸转化为产物气体，产物气体主要由甲烷和二氧化碳构成。将产物气体从生物气化反应器中除去并处理或气体洗涤以将排出的甲烷组分分离为管道气体。II.实施例经消化的污泥的活化
从位于新加坡的Water Reclamation Plant的消化器收集经消化的污泥。使用 (每升)加入IOg胨、5g酵母提取物和ImL营养液的经烹煮大米的水解产物(固体总量 8. 4% )进行经消化的污泥的活化。所述营养液(每升)由4. 5g NH4HC03、0· 25g K2HPO4, 0. Ig MgCl2 · 6H20、6. Og NaHCO3和IOmL微量元素溶液构成。所述微量元素溶液含有0. 4g FeCl2 ·4Η20、0· 12gCoCl2 ·6Η20、0· Olg Alk (SO4) 2 ·12Η20、0· Olg Na2MoO4 · 2Η20,0. Olg H3BO3> 0. Olg CuSO4 · 5Η20、1· Og NaCl.O. 02g CaCl2、0. 02g NiCl2 · 6Η20、0· IgMnCl2 · 4Η20 禾口 0. Ig ZnCl20通过在121°C下高压处理15分钟对所述营养液灭菌以防止细菌污染。将用于培养的发酵罐控制在37°C，150rpm。在达到稳定态(恒定的气体产量和甲烷含量)之后，将经活化的污泥用于生物气制备的批次试验。微生物的培养使用4种微生物。从当地环境中筛分出Bac#4(乳酸菌，LAB)。商购得到树干毕赤酵母(ATCC 58785)和大肠杆菌T0P10。通过在80°C下热处理30min从经消化的污泥中分离出产H2细菌。将这些微生物分别在它们各自的培养基中培养。在由10g/L酵母提取物、 20g/L胨和20g/L葡萄糖构成的YDP培养基(50mL)中使树干毕赤酵母生长。在由10g/L胰胨、5g/L酵母提取物和10g/L NaCl构成的LB培养基(50mL)中使大肠杆菌生长。在由IOg/ L胨、5g/L肉提取物、20g/L木糖、2g/L磷酸氢二钾、5g/L三水合乙酸钠、2g/L柠檬酸三铵、 0. 2g/L 六水合硫酸镁、0. 05g/L 四水合硫酸镁、0. 05g/L FeSO4 · 7H20 和 lmL/L Tween 80 构成的经修改的MRS培养基(50mL)中使LAB生长。将通过在80°C下加热经消化的污泥30min 而得到的产H2细菌在37°C下在营养液(如在4. 1中所述)中振荡培养2天以活化所述产 H2细菌。在30°C下将所有其他微生物振荡培养过夜。使用相同体积的水洗涤培养物两次， 然后将其接种入(5%，ν/ν)厌氧消化反应器中。生物气产量和甲烷含量的测量使用玻璃注射器测量所产生的生物气的量，并且通过装有Hayes印D (60/80)柱和热导检测器(TCD)的气相色谱仪(GC)测定生物气的组成。GC烘箱和进口温度分别设置为 35°C和60°C。TCD检测器的温度设在200°C，50mA电流。使用25mL/min的氩气作为载气。试验步骤用水洗涤经培养的微生物菌种，并将其接种入(5%，v/v) 135mL血清瓶中的64mL 经消化的污泥中，然后加入15g/L戊糖(D-木糖或L-阿拉伯糖)或20mL/L甘油。用水将各反应器的总体积调整为80mL。在试验前用氮气取代瓶的顶空空气(headspace air)，然后用丁基橡胶塞密封。将反应器放置在37°C下的水浴中，在150rpm下振荡。使用注射器测量生物气产量，并通过GC测定气体组成。试验结果木糖向生物气的转化在标准条件(0°C，760mmHg)下由木糖产生的理论甲烷产量为373mL/g木糖。木糖(C5HltlO5)— 2. 5C02+2. 5CH4Ig373mL 373mL表 1使用外源微生物在第7天从木糖产生的甲烷产量、生产率、产率和回收率的汇总
权利要求
1.用于提高生物质向甲烷转化的产率的厌氧方法，其中所述生物质含有难转化的底物，所述方法包括使含有所述难转化的底物的所述生物质与外源微生物接触以产生反应混合物；并将所述反应混合物发酵以提高甲烷产率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述难转化的底物选自戊糖、甘油及它们的混合物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述戊糖选自木糖、阿拉伯糖、来苏糖、核糖及它们的混合物。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述戊糖选自D-木糖和L-阿拉伯糖。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述外源微生物选自乳酸菌、树干毕赤酵母 (pichia stipitis)、大肠杆菌(Escheichia coli)、产氢细菌及它们的混合物。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述难转化的底物是甘油。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应混合物在选自嗜冷温度、嗜中温温度或嗜热温度的温度下发酵。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应混合物包含5-20体积％的所述外源微生物的接种物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括 i)水解步骤，其将复杂分子转化为较简单的分子； )产酸步骤，其将所述较简单的分子转化为包含脂肪酸、醇、二氧化碳和氢气的产物；iii)产乙酸步骤，其使所述产酸步骤的产物转化成乙酸；和iv)产甲烷步骤，其将乙酸转化为甲烷。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在单相系统中进行。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述单相系统选自UASB、UAFP和AFBR。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在两相系统中进行。
13.用于提高生物质向甲烷转化的产率的厌氧发酵系统，所述系统包括 厌氧发酵罐，其包括具有难转化的底物的生物质；以及转化所述难转化的底物的外源微生物，其中使所述生物质发酵以提高甲烷产率。
14.根据权利要求13所述的发酵系统，其中所述难转化的底物选自戊糖和甘油。
15.根据权利要求14所述的发酵系统，其中所述戊糖选自木糖、阿拉伯糖、来苏糖和核糖。
16.根据权利要求14所述的发酵系统，其中所述戊糖选自D-木糖和L-阿拉伯糖。
17.根据权利要求14所述的发酵系统，其中所述外源微生物选自乳酸菌、树干毕赤酵母、大肠杆菌、产氢细菌及它们的混合物。
18.根据权利要求13所述的发酵系统，其中所述难转化的底物是甘油。
19.根据权利要求18所述的发酵系统，其中所述外源微生物是大肠杆菌。
20.根据权利要求13所述的发酵系统，其中所述反应混合物在选自嗜冷温度、嗜中温温度或嗜热温度的温度下发酵。
21.根据权利要求13所述的发酵系统，其中所述反应混合物包含5-20体积％的所述外源微生物的接种物。
22.厌氧方法在提高生物质向甲烷转化的产率中的用途，其中所述生物质含有难转化的底物，所述用途包括使含有所述难转化的底物的所述生物质与外源微生物接触以产生反应混合物；和将所述反应混合物发酵以提高甲烷的产率。
23.根据权利要求2-12中任一项所述的厌氧方法在提高生物质向甲烷转化的产率中的用途，其中所述生物质含有难转化的底物和外源微生物以形成反应混合物，并将所述反应混合物发酵以提高甲烷产率。
24.根据权利要求14-21中任一项所述的厌氧方法在提高生物质向甲烷转化的产率中的用途，其中所述生物质含有难转化的底物和外源微生物以形成反应混合物，并将所述反应混合物发酵以提高甲烷产率。
全文摘要
本发明提供用于从厌氧消化中提高甲烷产量的系统和方法。通过将降解戊糖或甘油的微生物加入至厌氧消化器中，这些难转化的底物可被有效地转化为具有更大的甲烷含量的生物气。
文档编号C02F11/04GK102459099SQ200980159693
公开日2012年5月16日 申请日期2009年4月2日 优先权日2009年4月2日
发明者吴金川, 新屋文隆 申请人:新加坡科技研究局