一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料及副产纤维素酶的方法

专利名称:一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料及副产纤维素酶的方法
技术领域：
本发明属于生物质能源转化技术领域：
，特别涉及将生物质厌氧发酵生产可燃气体， 还可同时副产包括纤维素酶在内的各种水解酶的方法。
技术背景
利用生物质厌氧发酵生产酒精或沼气(又称厌氧消化)是解决能源短缺，同时减少 有机垃圾的公知方法。含有木质纤维素的生物质是地球上可再生的主要物质之一，是由 植物光合作用产生的。含有木质纤维素的生物质可来源于农业生产产生的作物秸秆，城 市生活垃圾，污水处理厂产生的污泥，水生或陆生植物，含木质纤维素的废渣，还包括 废弃的食品等。
含有木质纤维素的生物质厌氧发酵生产沼气包括生物大分子水解，酸化和产曱烷等 过程。根据厌氧发酵生物过程原理，人们发展了单相和两相厌氧发酵生产沼气工艺。单 相厌氧发酵生产沼气工艺是在一个发酵容器中完成生物质转化为曱烷的所有过程。两相 厌氧发酵生产沼气工艺，如美国专利US patent 4318993采用在两个不同反应器分别依 次完成有机物厌氧水解和酸化，厌氧发酵生产曱烷过程。目前含有木质纤维素的生物质 厌氧发酵生产沼气技术存在转化速率低的缺点，其主要原因是木质纤维素水解速率低。 木质纤维素的主要成分是纤维素，半纤维素和木质素。通常木质素难以被厌氧微生物降 解，纤维素和半纤维素能够被厌氧微生物分泌的水解酶水解。由于木质素与纤维素和半 纤维素形成复杂的结构，使木质纤维素中纤维素和半纤维素水解速率低。因此，含有木 质纤维素的生物质水解比较緩慢，导致含有木质纤維素的生物质厌氧发酵通常比较緩慢。 美国专利US patent 6905600介绍了采用高温和一定压力、在碱性条件下进行水解，替 代生物水解，能够高速水解，但是能耗较高，后处理复杂；在酸性条件下进行水解，是 含有木质纤维素的生物质利用的常规技术，也存在同样问题，难以用于转化生物质生产 沼气。釆用汽爆等方法预处理生物质来提高木质纤维素在厌氧条件下的水解速率，从而 改进厌氧发酵速率，也有很多报道，如中国专利CN01130972. 5,同样存在能耗较高的问 题。
美国专利US PATENT 5529692, Hack和Br inkmann等报道的厌氧工艺(New Process for High Performance Digestion, International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste, Venice 14-17.4.92),则通过回流增加固体有机物在水解池内的停留 时间，提高水解转化率，但对提高水解速率的贡献很少。中国专利公开号CN1656043A介绍了采用氨吸收沼气中C02形成的緩冲液回流到厌氧发酵池，减小pH值变化对有机物水 解过程的影响，这种方法工艺复杂，改进很少。中国专利200610088107. 1提出的水解-消化两相工艺，通过优化水解工艺条件，包括减少水解反应器内水解发酵产物，降低它 们对水解的阻碍作用，对提高水解速率有一定作用；该方法中，还包括向发酵容器添加 纤维素酶提高水解速率的方法，由于纤维素酶需要复杂工艺生产，成本高，而且厌氧消 化研究发现，在消化反应器内，90%水解过程是由附着在微生物表面的纤维素酶催化的， 离开孩i:生物的纤维素酶的水解作用较小(Confer, D. ， Logan， BE (1998). "Location of protein and polysaccharide hydrolytic activity in suspended and biof ilm waster." Water Research 32: 31-38.),因此，采用酶法水解，通常需要專交多的纤维素酶，制约 了其大规模应用。
生物质中通常含有可生物水解的生物大分子包括纤维素、半纤维素、蛋白质、脂肪 等，微生物分泌各种水解酶，包括纤维素酶，半纤维素酶，蛋白酶和脂肪酶等水解这些 大分子，其中纤维素的厌氧水解，是含有木质纤维素的生物质厌氧发酵速率控制过程， 通常是由产纤维素酶的微生物分泌产生的纤维素酶催化。纤维素的厌氧水解速率主要与 微生物分泌的纤维素酶的酶活相关。在现有的生物质厌氧发酵技术中，由于生物质未经 灭菌，进入发酵容器时带来各种微生物，由于很多厌氧发酵微生物生长速率快，而产纤 维素酶微生物生长速率较低，在厌氧发酵容器中数量较少，导致分泌的纤维素酶较少， 一些研究报道厌氧发酵容器中每克消化液所含纤维素水解酶活性仅为0. 001含有木质纤维素的生物质厌氧发酵生产燃料酒精的过程包括生物大分子中碳水化 合物水解为单糖，单糖发酵产生酒精过程。其中水解过程与厌氧发酵生产曱烷相同，主 要水解方法的缺点相类似，如前所述。直接釆用微生物水解木质纤维素产生单糖是难以实现的，这是由于产纤维素酶微生 物利用水解产物发酵获得能量从而繁殖生长，木质纤维素水解过程比较緩慢，而产纤维 素酶微生物发酵速度较快，在发酵容器中水解产物，如单糖很快被产纤维素酶微生物发 酵，难以获得单糖等水解产物，而发酵产物复杂，常常形成很多副产物，它们难以用来 发酵生产酒精或其他发酵产品，因此，采用微生物完成木质纤维素水解，难以高产率获 得单糖或其他发酵原料生产酒精或其他发酵产品。
采用同时接种产纤维素酶微生物和发酵微生物进行水解和发酵，生产酒精，是正在 开发的技术，主要缺点包括产纤维素酶微生物较多时，产纤维素酶微生物发酵带来过多 副产物，较少时，水解速率慢；另一方面，生物质发酵生产酒精需要在发酵容器中获得 高浓度酒精，降低酒精分离纯化的能耗，而高浓度酒精对微生物细胞造成了很大损伤， 导致微生物活性下降，使水解发酵转化速率难以提高，也导致难以开发一种同时具有高 活性水解和发酵作用的微生物。
此外，由于生物质发酵生产酒精只能利用碳7jC化合物，不能利用蛋白质，脂肪大分 子及非糖小分子，生物质转化为酒精的能量转化率低，而且将发酵液中酒精纯化生产燃 料还要消耗很多能量，因此，将生物质发酵转化生产酒精燃料获得的燃料能量比产沼气 获得的燃料能量低得多。
通常纤维素酶是由好氧微生物发酵基质生产的，这时基质被氧化为二氧化碳，需要 消耗大量发酵基质(包括基质所含生物能量)，同时还耗能电能供氧，从能源角度来看， 是很不经济的。很多厌氧微生物也能够利用基质生长，产生纤维素酶，但是，产生纤维 素酶微生物生长速率慢，产酶速率低，难以同好氧微生物竟争。

发明内容
本发明的目的是提出一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料及副产纤 维素酶的方法，提高生物质中大分子，特别是纤维素的水解速率，以克服现有技术存在 的发酵速率慢，产气不稳定的缺陷，达到提高厌氧消化速率和稳定性的技术目的，同时 还可副产纤维素酶。
本发明的技术方案为
一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于包括以下 步骤(1) 、向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵培养基；
接种一种或多种能够在厌氧条件下产纤维素酶的微生物厌氧培养，使得发酵容器内纤维
素酶的活性大于1IU/克；
(2) 、从发酵容器中抽出水解发酵后的物质进入消化容器，接种含有一种或多种产曱烷 微生物及一种或多种产氢产乙酸菌的微生物种群厌氧培养；
(3 )、发酵容器和消化容器产生可燃气体。
一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于包括以下 步骤
(1) 、向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵培养基；
(2) 、接种一种或多种能够在厌氧条件下产纤维素酶微生物、 一种或多种产甲烷微生物 及一种或多种产氢产乙酸菌厌氧培养，使得发酵容器内纤维素酶的活性大于1IU/克；
(3) 、发酵容器产生可燃气体。
所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于 所述的发酵容器内注入水，发酵过程为液态发酵，所述的抽出到消化容器的水解发酵后 的物质为液体和含微生物的固体；或者不向发酵容器内注水，所述的生物质在发酵容器 内的水解发酵过程为固态发酵，所述的抽出到消化容器的水解发酵后的物质为固体。
所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于 在消化容器中还接种有一种或多种厌氧发酵微生物，或者接种厌氧消化反应器内活性污 泥。
所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于 所述生物质，指作物秸秆，城市生活垃圾，污水处理厂产生的污泥，水生或陆生植物， 含植物纤维的废渣，食品，灭菌处理采用高温灭菌或气爆灭菌处理。
所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于 所述从发酵容器中收集的气体通入消化容器中，同时利用通入的气体搅拌消化容器中物 料。
所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于 当发酵过程为固态发酵时，所述发酵容器内的水解发酵后的物质排出后，进入消化 容器前，先进行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，进入发酵容 器，剩余的发酵物质和萃取废液进入消化容器；或水解酶提纯成为产品；
当发酵过程为液态发酵时，所述从发酵容器抽出的水解发酵后的物质的液体部分，经分离得到包括纤维素酶在内的多种水解酶，送入发酵容器，液体进入消化容器；或者 水解酶提纯成为产品；从发酵容器抽出的水解发酵后的物质中的固体部分含微生物，先 进行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，进入发酵容器，剩余的 发酵物质和萃取废液进入消化容器；或水解酶提纯成为产品。
所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于 当发酵过程为液态发酵时，从消化容器中排出液体，经分离除菌或消毒杀菌处理后，回 流至发酵容器。
所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于 向所述发酵容器中添加水解酶，包括纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶 或其中任意一种。
一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料副产纤维素酶的方法，其特征 在于包括以下步骤
(1) 、向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵培养 基；接种能够在厌氧条件下产纤维素酶的微生物厌氧培养，使得发酵容器内纤维素酶的 活性大于1IU/克;
(2) 当发酵过程为固态发酵时，所述发酵容器内的水解发酵后的物质排出后，先进 行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，剩余的发酵物质和萃取废 液进入消化容器，水解酶提纯成为产品；
当发酵过程为液态发酵时，所述从发酵容器抽出的液体，经分离得到包括纤维素酶 在内的多种水解酶，液体进入消化容器，水解酶提纯成为产品；从发酵容器抽出的含微 生物的固体，先进行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，剩余的 发酵物质和萃取废液进入消化容器，水解酶提纯成为产品；
(3) 、进入消化容器的物质，接种含有一种或多种产曱烷微生物及一种或多种产氩 产乙酸菌的微生物种群厌氧培养，产生可燃气体。
能够产生纤维素酶的微生物包括好氧、兼氧和厌氧微生物，能够产生纤维素酶的好 氧微生物包括木霉，青霉。有的微生物同时产生能够分解木质素的酶，如白腐真菌，褐 腐真菌，软腐真菌等。
本发明优选的方案是利用能够产纤维素酶的厌氧或兼氧微生物在厌氧发酵容器中发 酵含木质纤维素的生物质。能够在厌氧条件下产生纤维素酶的微生物有很多，可以从很多厌氧环境中筛选，如 从堆肥、厌氧消化反应器内污泥、淤泥、瘤胃中筛选。在厌氧条件下产生纤维素酶的微 生物包括真菌和细菌。优选的接种微生物是在厌氧条件下生长良好能够产生高活性纤维 素酶的兼氧或厌氧微生物，包括从瘤胃中分离得到的产纤维素酶厌氧菌，或从高温堆肥 中分离得到的产纤维素酶厌氧嗜热菌，或从厌氧反应器污泥中分离得到的产纤维素酶厌 氧菌，或从高温热泉中分离得到的产纤维素酶厌氧嗜热菌。优选的产纤维素酶厌氧菌是 热纤维梭菌，热硫化氢梭菌，热解糖梭菌，产乙醇热厌氧杆菌，布氏热厌氧杆菌，乙酰 乙基热厌氧杆菌，溶纤维乙酸弧菌，粗糙链孢霉和具炳毕赤氏酵母也是较好的选择。
生物质在厌氧条件下在产纤维素酶微生物分泌的水解酶作用下厌氧水解时，还同时 发生产纤维素酶^t生物厌氧发酵过程，将水解产物葡萄糖，木糖，氨基酸等发酵转化为 乙酸，酒精，氢气，二氧化碳等分子。木质纤维素含有产纤维素酶微生物生长所需的碳 源和氮源，还可以增加其他物质作为碳源和氮源，例如甘油、葡萄糖、果糖等作为碳源， 尿素、铵盐、尿素、氨基酸、玉米、蛋白胨作为氮源。此外，在基质中添加无才几盐，维 生素等能够刺激微生物生长的多种营养原料，能够增加微生物分解纤维素酶，提高水解 速率。向所述发酵容器中添加水解酶，包括纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、 果胶酶或其中任意一种，直接增加生物质水解速率。
在消化容器内接种含有一种或多种产曱烷微生物及一种或多种产氢产乙酸菌的微生 物种群厌氧培养，转化发酵产生的生物小分子，形成可燃气体。
在消化容器中接种一种或多种厌氧发酵微生物，可以继续厌氧发酵转化在发酵容器 中未发酵或发酵未彻底的组分。在消化容器内，同时接种产曱烷和产氢产乙酸菌微生物， 所有水解发酵产生的生物小分子，包括单糖，乙酸，酒精，氢气等被多种厌氧^L生物厌
氧转化形成曱烷和二氧化碳气体，气体中还可能含有少量或微量氢气。活性污泥中含有 产曱烷微生物、产氬产乙酸菌的微生物、厌氧发酵微生物，消化容器接种厌氧活性污泥， 可以达到同样目的。厌氧发酵容器和厌氧消化容器内产生的可燃气体包括氲气和曱烷。
本发明优选的工艺实施方案之一是在发酵容器和消化容器中，使用较少水分的固态 发酵，在发酵容器中含木质纤维素的生物质经厌氧水解发酵后，部分转移到消化容器中，
留下的微生物作为种子用于水解发酵新添加的生物质；或全部转移到消化容器中，发酵
容器中处理新添加的生物质时，需重新接种能够在厌氧条件下产生纤维素酶的微生物。 采用连续发酵工艺时，在发酵容器中微生物活性降低时，添加能够在厌氧条件下产生纤
维素酶的微生物；在发酵容器被杂菌污染时，排空发酵容器，经灭菌后，重新接种。本发明优选的工艺实施方案之一是在发酵容器和消化容器内进行的厌氧水解、发酵 和产曱烷过程在液相进行，这时加入发酵容器的水溶解带走生物质表面水解发酵产生的 小分子，将它们转移到消化容器中；其中部分或全部加入发酵容器的水来自经除菌处理 过的消化容器排出水，这样可循环利用水中各种营养物，包括添加的或积累的营养盐等。
本发明优选的工艺实施方案之一是进行生物质厌氧水解发酵的发酵容器使用渗滤床 反应器，含木质纤维素的生物质与在厌氧条件下能产纤维素酶的微生物混合或与发酵容 器排出的含微生物的固体混合后，堆积在反应器内构成渗滤床，通过从反应器顶部加入 水，从床体渗透溶解带走生物质表面被水解发酵后的小分子，将它们转移到消化容器中；
生物质厌氧水解还可采用完全混合反应器或推流式反应器。厌氧消化可釆用升流式厌氧 污泥床反应器、厌氧内循环反应器、推流式反应器、完全混合反应器或厌氧滤床反应器。 以上实施工艺方案中发酵容器中产生的小分子中气体物质，含有氢气，直接抽出作
为燃料；或转移至所述消化容器中，厌氧转化为曱烷，同时利用通入气体搅拌消化容器。 以上实施工艺方案中所述含有木质纤维素的生物质，包括作物秸秆，城市生活垃圾， 污水处理厂产生的污泥，水生或陆生植物，废水和废渣，还包括含纤维素的食品等，消 毒处理采用高温灭菌或气爆灭菌。以上实施工艺方案中生物质采用加热和气爆处理，不 仅能够杀菌，而且破坏了木质纤维素的天然结构，降低了木质素对纤维素和半纤维素的 保护作用，有利于木质纤维素在厌氧条件下的水解。加热杀菌处理温度范围为100-180 。C,最佳温度为105以上实施工艺方案中采用液态发酵时，发酵容器中微生物不断增加，需要排出剩余菌 体，通过破碎剩余菌体，溶剂萃取分离获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，然后将水 解酶转移进入发酵容器；或水解酶提纯成为产品，剩余固体和萃取废液转移到消化容器 中；另外，从发酵容器抽出液体，在进入消化容器前通过膜分离等方法得到包括纤维素 酶在内的多种水解酶，然后将水解酶转移进入发酵容器；或水解酶可提纯成为产品，液 体转移到消化容器中。
以上实施工艺方案中采用固态发酵时，发酵容器中排出的发酵物质包括产纤维素酶微 生物，通过破碎菌体，溶剂如水溶解纤维素酶分离获得包括纤维素酶在内的多种水解酶， 水解酶可提纯成为产品，或进入发酵容器，剩余固体和分离酶后的水溶液进入厌氧消化 容器中转化为曱烷。
本发明优选的工艺实施方案之一是向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵培养基；接种一种或多种厌氧产纤维素酶微生物、 一种或多种产 曱烷微生物及一种或多种产氢产乙酸菌厌氧培养，使得发酵容器内纤维素酶的活性大于 1IU/克；发酵容器内产生以曱烷为主的可燃气体。该方案避免了发酵容器内进入不产纤
维素酶的发酵微生物和其他利用单糖、氨基酸等水解产物的微生物，由于产曱烷微生物 及产氢产乙酸菌只能利用发酵产物，不能利用纤维素、半纤维素和蛋白质水解产物，因 此，产纤维素酶微生物能够充分利用这些水解产物，产纤维素酶微生物的生长和纤维素 酶的分泌不受产曱烷微生物及产氢产乙酸菌影响，发酵容器内纤维素酶活性高，与现有 厌氧发酵生产沼气技术相比，提高了生物质水解速率及厌氧发酵产甲烷速率。
以上所述用于发酵容器和消化容器接种的微生物可从现有厌氧消化反应器内污泥或 其他厌氧环境中分离培养，主要产纤维素酶微生物包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、
真细菌属、双歧杆菌属和无芽孢革兰氏阴性杆菌，例如溶纤维乙酸弧菌、溶纤维丁酸 弧菌、栖瘤胃拟杆菌、热纤维梭菌、热硫化氢梭菌，热解糖梭菌，产乙醇热厌氧杆菌， 布氏热厌氧杆菌，乙酰乙基热厌氧杆菌，粗糙链孢霉和具炳毕赤氏酵母。产氢产乙酸菌 包括脱硫弧菌、S菌、沃尔夫互营单胞菌、沃林互营杆菌。产甲烷菌包括甲烷杆菌属、曱 烷短杆菌属、曱烷球菌属、曱烷微菌属、曱烷烷菌属、曱烷螺菌属和曱烷八叠球菌属， 例如史密斯曱烷短杆菌属、曱酸甲烷杆菌属、巴氏曱烷杆菌属、反刍曱烷短杆菌属、史 密斯曱烷杆菌属、嗜热自养曱烷杆菌、巴氏曱烷八叠球菌、范尼氏曱烷球菌、沃氏曱烷 球菌、马氏产曱烷球菌、海生产曱烷球菌、227巴氏曱烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌、 嗜热曱烷八叠球菌、索氏曱烷杆菌等。
在发酵容器内接种三类厌氧微生物完成生物质水解发酵产曱烷过程时，应选择相互 匹配的三类厌氧微生物，高速高转化率转化生物质，例如，优选的三类厌氧微生物是溶 纤维乙酸弧菌、脱硫弧菌、沃尔夫互营单胞菌和巴氏曱烷八叠球菌。
为优化本工艺的产量，可以在整个工艺的每一个步骤中应用多于一个发酵容器来进 行发酵。例如，进行生物质水解发酵的发酵容器和/或转化水解发酵后物质为气体燃料的 消化容器可以在两个或更多的以连续或平行的顺序排列的发酵容器中进行。在这种方式 运作下，可以利用部分只有产纤维素酶微生物，无其他杂菌的发酵容器(通过灭菌所有 进入发酵容器的物质并接种产纤维素酶微生物达到)产生的含微生物的剩余固体和/或从 中分离得到的水解酶供应另外一部分发酵容器，保证后一部分发酵容器纤维素酶酶活大 于lIU/克，使进入后一部分发酵容器的生物质不经灭菌处理，达到同样的水解目的。因 为在加入较多产纤维素酶微生物和/或水解酶条件下，可以保证纤维素酶活性大于1IU/克，从而确保生物质水解速率。
以上实施工艺方案中，为了保持发酵容器和消化容器内良好的厌氧环境，还在发酵容 器内添加能产纤维素酶的兼性厌氧微生物，在消化容器内添加兼性厌氧微生物，以除去 发酵容器和消化容器内氧。产纤维素酶的兼性厌氧微生物如热葡糖苷酶地芽孢杆菌 (Geobacillus thermoglucosidasius ) SH2， Serratia JF-1116,兼性厌氧芽孑包杆菌XX -0 1,产黄纤维单胞菌(cellulomonas f lavigena，中科院微生物所保藏)。
本发明将进入发酵容器中所有物质，包括生物质，灭菌后，再进入发酵容器，通过 发酵容器中接种的;f效生物分泌的纤维素酶等各种水解酶水解生物质，防止了发酵容器中
进入其他微生物，使发酵容器中生长的微生物是以厌氧条件下能够产高活性纤维素酶的 厌氧或兼氧微生物，从而增加了发酵容器内纤维素酶的浓度和活性，提高了生物质水解 速率和水解稳定性；在液态发酵时，通过循环水带走发酵容器中水解发酵产物，降低它 们对水解过程的阻碍作用，它们进入消化容器，通过厌氧微生物转化产生曱烷和二氧化 碳为主要成分的沼气。
本发明通过以上措施提高了厌氧转化生物质生产可燃气体的速率。根据实际工艺观 察，本项发明中进行水解的发酵容器只有能够产生纤维素酶的微生物，使发酵容器内纤 维素酶活性达到1 IU/克以上，优化条件为纤维素酶活性达到5IU/克以上，纤维素酶活力 最大可超过IOO IU/克，通常情况下，发酵容器内纤维素酶活性达到l-100IU/克，大大加 快了纤维素水解速率。本发明发酵容器中纤维素酶活力高，活性明显大于外加的纤维素 酶。由于外加的纤维素酶活性牟i低，通常的酶法纤维素水解，需要^f吏用相当于纤维素重 量1-10%的纤维素酶，用量巨大，在生产纤维素酶时，还需要添加各种营养物作培养 基，分离酶时，常需要破碎微生物细胞，需要不断培养、筛选微生物，准备发酵容器中 需要的微生物种子，流程复杂，成本高。本发明采用微生物在发酵容器内自行产生，不 需要破碎微生物分离纤维素酶，利用微生物分泌的水解酶，同样质量的水解酶活性大大 高于分离纯化的水解酶，基质中不需要补充各种添加剂增加产酶量和酶活性，可以采用 连续生产或间歇生产，流程简单，优势明显。本方法在发酵容器中通过微生物发酵水解 产物产生的各种小分子有机物，如乙酸，甘油和酒精等，转化为曱烷的能量转化率在90 %以上，因此，本发明所提供的方法转化生物质为气体燃料，转化率高，而且能耗低， 是生物质转化为燃料的良好技术。
本方法采用能够高效分泌胞外纤维素酶的微生物作为发酵容器接种微生物，在完成 水解纤维素同时，还不断积累纤维素酶等水解酶，从发酵容器排出的发酵物中可提取发酵产生的各种水解酶，不影响可燃气体生产，因此，本发明能够同时低成本副产包括纤 维素酶在内的各种水解酶。
具体实施方式
实施例l:
水生植物水葫,经破碎成20mm左右长度，装入到加热罐内，通入高温高压蒸汽，使 温度达到摄氏120度，维持30min,消毒，然后，将消毒后水葫,与厌氧消化容器内排出 的上清液经膜过滤除菌处理后一起送入到厌氧发酵容器，厌氧发酵容器内接种有能够在 厌氧环境下生长和产纤维素酶的微生物，将厌氧消化容器排出的上清液经消毒回流到发 酵容器内，使发酵容器内水葫,水解发酵形成的小分子溶解，从发酵容器内排出的液体， 经膜过滤分离获得包括纤维素酶在内的水解酶产品，然后，剩余的液体泵送到厌氧消化 容器内接种微生物培养，形成可燃气体。发酵容器内产生的气体进入到消化容器内，搅 拌消化容器，同时通过消化容器内微生物转化气体中的氢气和二氧化碳为曱烷。其中水 葫,在厌氧发酵容器内停留时间控制在2实施例2:
将稻草破碎成5mm左右长度，装入到连续汽爆机内，汽爆机通入高温高压蒸汽，保持 180度，通过控制加料量，维持稻草在汽爆机内停留时间为3min，爆出端连续得到汽爆处 理的稻草。将汽爆后的稻草与无菌水一起送入到厌氧发酵容器，厌氧发酵容器内不断回 流厌氧消化容器内排出的经沉淀膜过滤除菌处理的上清液，将厌氧发酵容器内水解形成 的小分子溶解，从发酵容器内排出的液体，然后泵送到厌氧消化反应器内，接种微生物 培养，形成可燃气体。其中汽爆处理后的稻草在厌氧发酵容器内停留时间控制在4-5天， 在消化容器内停留时间控制在l天，稻草所含有机物在系统中分解率达到70%以上。发酵 容器内接种微生物采用从高温堆肥中分离培养的产纤维素酶厌氧嗜热菌及兼性厌氧产黄 纤维单胞菌，消化容器内接种微生物为厌氧消化反应器内活性污泥。经测定，发酵容器 中纤维素酶的活性达到2-5 IU/克。发酵容器采用叶轮搅拌完全混合反应器，消化容器采用升流式厌氧污泥床反应器。 实施例3:
将生活垃圾有机部分破碎成20mm左右粒径，装入到连续汽爆机内，汽爆机通入高温 高压蒸汽，保持120度，通过控制加料量，维持有机垃圾在汽爆机内停留时间为15min， 爆出端连续得到汽爆处理的有机垃圾。连续将汽爆后的有机垃圾输入到厌氧发酵容器， 同时输出发酵容器内发酵物，先进行菌体破碎，水萃取获得包括纤维素酶在内的多种水 解酶，部分水解酶转移到发酵容器中，剩余水解酶提纯成为产品，剩余的发酵物质和萃 取废液进入消化容器内，接种微生物发酵培养，形成可燃气体。其中汽爆处理后的有机 垃圾在厌氧发酵容器内停留时间控制在l实施例4:
水生植物水葫,经破碎成20mm左右长度，装入到加热罐内，通入高温高压蒸汽，使 温度达到摄氏120度，维持30min，消毒，然后，将消毒后水葫,加入发酵容器中，接种 由兼性厌氧产黄纤维单胞菌、溶纤维乙酸弧菌、脱硫弧菌、沃尔夫互营单胞菌和巴氏甲 烷八叠球菌组成的厌氧微生物菌群厌氧培养，形成可燃气体。其中水葫,在发酵容器内 停留时间控制在3权利要求
1、一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于包括以下步骤(1)、向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵培养基；接种一种或多种能够在厌氧条件下产纤维素酶的微生物厌氧培养，使得发酵容器内纤维素酶的活性大于1IU/克；(2)、从发酵容器中抽出水解发酵后的物质进入消化容器，接种含有一种或多种产甲烷微生物及一种或多种产氢产乙酸菌的微生物种群厌氧培养；(3)、发酵容器和消化容器产生可燃气体。
2、 一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于包括以 下步骤(1) 、向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵培 养基；(2) 、接种一种或多种能够在厌氧条件下产纤维素酶微生物、 一种或多种产甲烷 微生物及一种或多种产氢产乙酸菌厌氧培养，使得发酵容器内纤维素酶的活性大于 1IU/克；(3) 、发酵容器产生可燃气体。
3、 根据权利要求
1所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方 法，其特征在于所述的发酵容器内注入水，发酵过程为液态发酵，所述的抽出到 消化容器的水解发酵后的物质为液体和含微生物的固体；或者不向发酵容器内注水， 所述的生物质在发酵容器内的水解发酵过程为固态发酵，所述的抽出到消化容器的 水解发酵后的物质为固体。
4、 根据权利要求
1所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方 法，其特征在于在消化容器中还接种有一种或多种厌氧发酵微生物，或者接种厌 氧消化反应器内活性污泥。
5、 根据权利要求
l、 3或4所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体 燃料的方法，其特征在于所述生物质，指作物秸秆，城市生活垃圾，污水处理厂 产生的污泥，水生或陆生植物，含植物纤维的废渣，食品，灭菌处理采用高温灭菌 或气爆灭菌处理。
6、 根据权利要求
l、 3或4所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料的方法，其特征在于所述从发酵容器中收集的气体通入消化容器中，同时利 用通入的气体搅拌消化容器中物料。
7、 根据权利要求
1、 3或4所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体 燃料的方法，其特征在于当发酵过程为固态发酵时，所述发酵容器内的水解发酵后的物质排出后，进入 消化容器前，先进行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，进 入发酵容器，剩余的发酵物质和萃取废液进入消化容器；或水解酶提纯成为产品；当发酵过程为液态发酵时，所述从发酵容器抽出的水解发酵后的物质的液体部 分，经分离得到包括纤维素酶在内的多种水解酶，送入发酵容器，液体进入消化容 器；或者水解酶提纯成为产品；从发酵容器抽出的水解发酵后的物质中的固体部分 含微生物，先进行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，进入 发酵容器，剩余的发酵物质和萃取废液进入消化容器；或水解酶提纯成为产品。
8、 根据权利要求
1、 3或4所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体 燃料的方法，其特征在于当发酵过程为液态发酵时，从消化容器中排出液体，经 分离除菌或消毒杀菌处理后，回流至发酵容器。
9、 根据权利要求
1、 3或4所述的一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体 燃料的方法，其特征在于向所述发酵容器中添加水解酶，包括纤维素酶、半纤维 素酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶或其中任意一种。
10、 一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料副产纤维素酶的方法，其 特征在于包括以下步骤(1) 、向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵 培养基；接种能够在厌氧条件下产纤维素酶的微生物厌氧培养，使得发酵容器内纤 维素酶的活性大于1IU/克；(2) 当发酵过程为固态发酵时，所述发酵容器内的水解发酵后的物质排出后， 先进行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，剩余的发酵物质 和萃取废液进入消化容器，水解酶提纯成为产品；当发酵过程为液态发酵时，所述从发酵容器抽出的液体，经分离得到包括纤维素 酶在内的多种水解酶，液体进入消化容器，水解酶提纯成为产品；从发酵容器抽出 的含微生物的固体，先进行菌体破碎，溶剂萃取获得包括纤维素酶在内的多种水解酶，剩余的发酵物质和萃取废液进入消化容器，水解酶提纯成为产品；(3)、进入消化容器的物质，接种含有一种或多种产曱烷微生物及一种或多种产氢 产乙酸菌的微生物种群厌氧培养，产生可燃气体。
专利摘要
本发明公开了一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料及副产纤维素酶的方法，包括向发酵容器中加入经灭菌处理后的含有木质纤维素的生物质，作为发酵培养基；接种能够在厌氧条件下产纤维素酶的微生物厌氧培养，使得发酵容器内纤维素酶的活性大于1IU/克；水解发酵后的物质进入消化容器，接种产甲烷微生物及产氢产乙酸菌的微生物种群厌氧培养；发酵容器和消化容器产生可燃气体。本发明在发酵容器中通过微生物发酵水解产物产生的各种小分子有机物，如乙酸，甘油和酒精等，在消化容器中转化为甲烷的能量转化率在90％以上，因此，本发明所提供的方法转化生物质为气体燃料，转化率高，而且能耗低，是生物质转化为燃料的良好技术。
文档编号C12N9/42GKCN101544990SQ200810020173
公开日2009年9月30日 申请日期2008年3月25日
发明者夏维东, 黄卫东 申请人:中国科学技术大学