一种利用微波全链条提升木质纤维素原料厌氧发酵的方法

本发明专利涉及微生物厌氧发酵领域，尤其涉及在木质纤维素生物质原料厌氧发酵产甲烷过程中，一种利用微波全链条提升木质纤维素原料厌氧发酵的方法。

背景技术：

1、木质纤维素生物质原料储量巨大、可再生，是开发生物质能源的优良原材料。许多生物质废弃物，如秸秆、枯枝落叶、畜禽粪便，其本质也属于木质纤维素生物质原料。以木质纤维素生物质废弃物为原料开发绿色生物质能源，既能实现废弃物减量，又能回收绿色能源，保护生态环境。通过厌氧消化技术将木质纤维素生物质原料转化为富含甲烷的能源气体及其有机肥料是一种非常具有实用价值的“变废为宝”方式。

2、然而，当前木质纤维素生物质原料的厌氧消化技术过程仍存在不少关键问题，包括木质纤维素原料的绿色预处理问题、木质纤维素原料高含固厌氧发酵过程中的传质效率低问题，以及木质纤维素原料厌氧发酵后沼渣有机肥的无菌化处理问题。为解决上述木质纤维素原料预处理的问题，不少学者研究并报道了利用酸或碱溶液预处理木质纤维素原料以破坏其内部结构实现预处理的效果，但是使用酸或碱化学试剂对环境具有负面的影响。如何通过一种技术同时解决上述三个问题，即(1)木质纤维素原料预处理、(2)木质纤维素原料高含固厌氧发酵过程中传质效率低和(3)木质纤维素原料厌氧发酵后沼渣有机肥的无菌化处理问题，是当前学术界和沼气产业界亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本专利申请人开发了一种利用微波技术全链条提升木质纤维素原料厌氧发酵的方法，该方法能够“一石三鸟”式的同时解决上述三个问题。具体而言，首先，利用微波辅助低共熔溶剂进行木质纤维素原料预处理过程；然后，通过微波辅助木质纤维素原料高含固厌氧发酵产甲烷过程；最后，利用微波高温灭活沼渣实现木质纤维素原料厌氧发酵后沼渣有机肥的无菌化处理过程。该方法使用微波预处理技术和绿色低共熔溶剂，具有生态环保、操作简单、无二次污染、易工业化放大等优点，且能够有效提升木质纤维素原料厌氧发酵产甲烷的效率，实现木质纤维素原料的高效资源化利用。

2、因此，本发明提供一种利用微波技术全链条提升木质纤维素原料厌氧发酵的方法，所述方法包括：

3、步骤一、将木质纤维素原料与低共熔溶剂混匀，利用微波辅助木质纤维素原料的糖化水解处理过程，然后，利用动力泵将木质纤维素原料糖化水解液泵入木质纤维素预处理水解液储料罐中备用；

4、步骤二、将第一步获得的木质纤维素原料预处理水解液转移至厌氧发酵罐中，开展高含固发酵，然后利用微波辅助高含固厌氧发酵产甲烷过程，待厌氧发酵结束后，将排出的沼渣储存在厌氧发酵沼渣储料罐中；

5、步骤三、利用微波对第二步中获得的沼渣进行高温灭活；

6、步骤四、对得到的高温灭活沼渣进行下游处理。

7、本发明所述“全链条”是指在发酵前、发酵中和发酵后均可采用微波技术进行辅助提升过程效率。

8、在优选的实施方式中，步骤一中，所述木质纤维素原料为园林类木质纤维素原料、秸秆类木质纤维素原料和畜禽粪便类木质纤维素原料。

9、在优选的实施方式中，步骤一中，所述低共熔溶剂为尿素-氯化胆碱、乙二醇-甜菜碱、甘油-甜菜碱、甘油-氯化胆碱，按照摩尔比1:3比例配置成低共熔溶剂；优选按照摩尔比1:3比例配置的尿素-氯化胆碱低共熔溶剂。

10、在优选的实施方式中，步骤一中，所述利用微波辅助木质纤维素原料的糖化水解处理过程，所使用的微波处理条件为微波功率范围800～1000w，处理时间范围为10～15min。

11、在优选的实施方式中，步骤二中，所述高含固发酵是指发酵混合物的含固率处于10～20wt％范围内。

12、在优选的实施方式中，步骤二中，所述厌氧发酵为流加批式发酵或半连续厌氧发酵，发酵温度范围为35～37℃。

13、在优选的实施方式中，步骤二中，所述利用微波辅助高含固厌氧发酵产甲烷过程，所使用的微波条件范围为微波功率500～700w，微波处理时间为每天10～20min。优选地，所使用的微波条件范围为微波功率600w，微波处理时间为每天15min。

14、在优选的实施方式中，步骤三中，所述高温灭活的操作条件为微波功率600～700w，处理时间为10～18.5min。进一步地，当处理园林类木质纤维素原料厌氧发酵后沼渣时，操作条件为微波功率900w，处理7min；当处理秸秆类木质纤维素原料厌氧发酵后沼渣时，操作条件为微波功率700w，处理10min；当处理畜禽粪便类木质纤维素原料厌氧发酵后沼渣时，操作条件为微波功率600w，处理18.5min，以上条件可100％杀灭沼渣中含有抗性基因的微生物。

15、在优选的实施方式中，所述下游处理，例如，把灭活的沼渣制作成无菌有机肥，用于农业施肥，促进增产，同时替代化肥，减少面源污染。优选地，步骤四中，所述下游处理可以是选用肥料化或原料化技术，对高温灭活沼渣进行处理转换成有用的能源或资源，包括将高温灭活沼渣通过堆肥制作成有机肥料，或者将高温灭活沼渣脱水后用作气化或热裂解过程的原料，制作成生物炭和可燃性气体。

16、技术效果

17、1.与传统的木质纤维素原料预处理方法相比，本发明中的方法100％解决了预处理过程中使用有毒有害化学品的问题，保护了预处理操作人员和预处理设备，延长了设备使用寿命，间接的降低了设备维护成本，增加了收益；

18、2.利用微波辅助提高木质纤维素原料高含固厌氧发酵传质效率，解决了因使用机械搅拌而消耗大量能量的棘手问题，提高了技术的经济性，降低了能量投入和发酵成本，同时还将高含固厌氧发酵产甲烷量提高了39％，大大增加了技术的经济效益。

19、3.本发明中的方法利用微波热效应对厌氧发酵后的沼渣进行处理，升温速度快、灭菌效果好，避免了使用高温高压容器(如灭菌锅)而造成的高耗能问题，降低了技术成本，同时，微波处理可100％杀灭含有抗性基因的微生物，确保所得沼渣有机肥安全、无害，因此本发明方法100％解决了沼渣中有害微生物(如含有抗性基因的微生物)在后续使用沼渣肥料时所产生的潜在污染问题和生态毒性问题。

技术特征：

1.一种利用微波技术全链条提升木质纤维素原料厌氧发酵的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤一中，所述木质纤维素原料为园林类木质纤维素原料、秸秆类木质纤维素原料和畜禽粪便类木质纤维素原料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤一中，所述低共熔溶剂为尿素-氯化胆碱、乙二醇-甜菜碱、甘油-甜菜碱、甘油-氯化胆碱，按照摩尔比1:3比例配置成低共熔溶剂。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤一中，所述低共熔溶剂为按照摩尔比1:3比例配置的尿素-氯化胆碱低共熔溶剂。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤一中，所述利用微波辅助木质纤维素原料的糖化水解处理过程，所使用的微波处理条件为微波功率范围800～1000w，处理时间范围为10～15min。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤二中，所述高含固发酵是指发酵混合物的含固率处于10～20wt％范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤二中，所述厌氧发酵为流加批式发酵或半连续厌氧发酵，发酵温度范围为35～37℃。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤二中，所述利用微波辅助高含固厌氧发酵产甲烷过程，所使用的微波条件范围为微波功率500～700w，微波处理时间为每天10～20min。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤二中，所使用的微波条件范围为微波功率600w，微波处理时间为每天15min。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述下游处理包括将高温灭活沼渣通过堆肥制作成有机肥料，或者将高温灭活沼渣脱水后用作气化或热裂解过程的原料，制作成生物炭和可燃性气体。

技术总结
本发明公开了一种利用微波技术全链条提升木质纤维素原料厌氧发酵的方法，首先，利用微波辅助低共熔溶剂进行木质纤维素原料预处理过程；然后，通过微波辅助木质纤维素原料高含固厌氧发酵产甲烷过程；最后，利用微波高温灭活沼渣实现木质纤维素原料厌氧发酵后沼渣有机肥的无菌化处理过程。该方法使用微波预处理技术和绿色低共熔溶剂，具有生态环保、操作简单、无二次污染、易工业化放大等优点，且能够有效提升木质纤维素原料厌氧发酵产甲烷的效率，实现木质纤维素原料的高效资源化利用。

技术研发人员：张乐,刘荣厚
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15