专利名称：一种甲烷的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种甲烷的制备方法。
背景技术：
随着全球原油价格的不断攀升以及人们对燃烧化石燃料所带来的一系列环境问题越来越多的关注，全世界对清洁的能源越来越关注，各国开始寻找清洁、安全、可再生能代替石油柴油的能源，在诸多可替代燃料中，生物质能正在受到越来越多的关注。生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生物质能是指蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量，是世界上最广泛的可再生资源。目前，关于利用生物质发酵制甲烷的方法有所报道。例如，CN101289672A公开了一种利用木质纤维生物质厌氧发酵制备氢气和/或甲烷的方法。该方法包括采用蒸汽爆破的手段对木质纤维素进行预处理，并向得到的蒸汽爆破处理物中接入厌氧污泥进行厌氧发酵，通过两阶段的发酵，得到氢气和/或甲烷。整个过程中产生的发酵残余物可用于施肥，水可以循环利用。又如，CN101914573A公开了一种以奶牛粪便为底物发酵制取氢气和甲烷的方法，该方法包括采用磷酸或者氢氧化钠预处理粪便，使之更适合厌氧发酵，随后进行厌氧发酵制备生物质氢气，发酵结束后，将氢气发酵末端液体产物与驯化后的活性污泥混合进行生物质甲烷的厌氧发酵。
发明内容
本发明的目的在于 提供一种利用微藻发酵制备甲烷的新方法。本发明的发明人发现，虽然现有技术中关于生物质发酵制备甲烷的方法已有报道，但是以微藻生物质为原料发酵制备甲烷的方法还未见报道。近年来，在众多的生物质中，微藻受到了全世界范围内的极大关注。微藻是指一类只能在显微镜底下才能分辨其形态结构的藻类群体。由于微藻细胞具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高、培养不占用耕地等特点，因此，微藻是制备生物燃料的良好材料。目前，微藻生物能源方面的研究主要集中在利用微藻油脂生产生物柴油上。但是，目前的数据显示微藻生物柴油的成本还比普通柴油高2-3倍，因此，这严重阻碍了利用微藻大规模工业化生产生物燃料的进程。目前普遍认为，除了技术的提升之外，微藻生物质的综合利用，是解决这一问题最为行之有效的方法。另一方面，这些年来我国由于水污染，水体严重富营养化，水华暴发事件频发，如何处理打捞上来的蓝绿藻也成为一项难题。为了实现上述目的，本发明提供了一种利用微藻发酵制备甲烷的方法，其中，该方法包括在厌氧条件下，将微藻与厌氧活性污泥混合发酵，并收集产生的甲烷气体。本发明的方法为在厌氧条件下，将微藻与厌氧活性污泥混合发酵，所述厌氧活性污泥中的厌氧微生物可以利用微藻生物质中的蛋白、糖类和脂类成分用于自身的代谢，即，使得微藻生物质中的氮、磷等无机元素可以被有效地回收和重复利用，同时产生的甲烷气体可以作为清洁的能源使用。因此，厌氧发酵藻类生物质生产甲烷是一种解决能源和环境问题的有效途径。本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式
部分予以详细说明。
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式
一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:图1表示利用污水处理厂污泥和湖底污泥发酵太湖蓝藻的产气情况比较；其中， 和■分别表示采用污水处理厂的污泥和采用湖底污泥的甲烷产气量；图2表示采用不同微藻对于厌氧发酵甲烷产量的影响；其中， 、X、▲和■分别表示空白(不加入微藻)、太湖蓝藻、原始小球藻和蛋白核小球藻的甲烷产气量；图3表示采用不同预处理手段对于蛋白核小球藻厌氧发酵产气量的影响；其中， 、■、▲、X和*分别表示空白(不加入微藻)、不对微藻进行预处理、在发酵前将微藻进行研磨、微波加热和纤维素酶酶解的预处理方式后的甲烷产气量；图4表示采用不同蛋白核小球藻的用量对于甲烷产气量的影响；图5表示采用栅藻进行厌氧发酵甲烷产气量随时间的变化图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式
仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。按照本发明，所述甲烷的制备方法包括在厌氧条件下，将微藻与厌氧活性污泥混合发酵，并收集产生的甲烷气体。按照本发明，所述厌氧活性污泥的用量可以在较宽的范围内选择，只要在厌氧条件下将微藻与厌氧活性污泥混合即可以使厌氧污泥中的厌氧菌利用微藻中的蛋白、糖类和脂类等成分进行自身的代谢，同时产生甲烷。此外，活性污泥的用量受活性污泥的活性程度、不同的藻种以及其他条件的影响。污泥的添加量可根据藻种的降解程度而异，对容易降解的有机质，污泥用量可以少些，难降解的有机质，污泥用量要多些；而有时候刚开始发酵时，污泥活性有可能较低，这时候添加的有机质可能会少些，但随着发酵时间的延长，有可能污泥中厌氧活性菌不断增加，污泥的活性也随之提高就增加，此时可以不断增加微藻的用量。优选情况下，为了增加微藻发酵生产甲烷的产气量，使微藻生物质得到更充分的利用，并综合考虑成本和效果，以干重I克的微藻为基准，所述厌氧活性污泥的用量为5-100晕升。本发明对所述厌氧活性污泥种类和来源并没有特别限定，只要在厌氧条件下进行发酵时所述厌氧活性污泥里含有厌氧微生物，并可以使厌氧微生物在厌氧发酵条件下利用微藻所含的蛋白、糖类和脂类等物质进行生长并发酵产气即可。例如，所述厌氧活性污泥可以经过培养得到，也可以直接获得，例如，可以是污水处理厂初沉池的污泥、厌氧池的污泥、江河湖海底部的污泥以及微生物发酵产生的污泥等中的一种或多种(例如，可以是在人工充氧的曝气池中，利用活性污泥去除污水中的有机物，然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，并将剩余部分污泥排出的方法。所述活性污泥是由多种好氧微生物和兼性厌氧微生物(可以含有少量的厌氧微生物)与污水中的有机的和无机氮固体物混凝而形成的絮状体)。其中，所述培养厌氧活性污泥的方法为本领域技术人员所公知，例如，可以通过采用接种培养法(接种厌氧微生物)或逐步培养法获得。按照本发明，为了提高所述厌氧活性污泥的产气效率，保证其中的厌氧微生物能够大量繁殖，通过驯化使厌氧菌成为优势群体，同时将好氧微生物杀死，因此，优选情况下，在将微藻与厌氧活性污泥混合之前，该方法还包括将所述厌氧活性污泥进行厌氧驯化。所述将厌氧活性污泥进行厌氧驯化的方法为本领域技术人员所公知。例如，在本发明中，所述活性污泥是作为微藻发酵产甲烷的主要反应媒介，要求其发酵环境严格厌氧。因此，在驯化过程中，采取密闭处理的方法。具体操作方法可以为:将上方的澄清液倒掉，并将厌氧活性污泥进行浓缩，以达到适当的污泥浓度，其中，所述浓缩的方法可以为各种浓缩方法，例如，采用离心机进行离心浓缩。然后，将容器上方空气用氮气吹尽，然后密闭，以保持厌氧的环境(温度可以为20-50°C)。经过一段时间后，进行镜检，如果污泥中还有好氧生物存活说明还未驯化完毕，应继续驯化。按照本发明的一种具体实施方式
，将从上海市闵行区污水处理厂取得的活性污泥进行厌氧驯化，所述驯化时间为35-45天，镜检发现好氧生物已死亡。按照本发明，所述的厌氧发酵条件一般包括发酵温度、体系pH和发酵时间，并在隔绝氧气的条件下进行。其中，所述发酵温度、体系PH值和发酵时间的可选择的范围较宽，只要使其在厌氧条件下以及其他适当条件下能够产甲烷即可，通常情况下，所述发酵温度可以为20-50°C，优选为25-40°C。所述体系的pH至可以为4_8，优选情况下，所述体系的pH值为5-7。发酵时间的延长 有利于微藻生物质产气量的提高，但是综合考虑产气效率和甲烷含量的问题，优选情况下，所述发酵时间可以为10-90天，更优选为20-50天。按照本发明，为了使得将微藻与厌氧活性污泥进行混合发酵时，二者混合的更均匀，该方法还包括在水的存在下，将微藻与厌氧活性污泥进行混合发酵，其中，由于厌氧活性污泥中含有部分水分(厌氧活性污泥中含水量通常为80-85重量％ )，因此，所述水的用量可以根据实际需要进行调整，只要能够满足使二者混合均匀的要求即可。优选情况下，所述水的用量可以为厌氧活性污泥体积的I倍至3倍。按照本发明，所述微藻可以为各种微藻，只要能够在厌氧发酵条件下，利用微藻生物质中的蛋白、糖类和脂类等成分用于厌氧活性污泥中的厌氧微生物自身的代谢，同时产生甲烷即可。例如，所述微藻可以为原核微藻和/或真核微藻。优选情况下，所述原核微藻可以为蓝藻，例如太湖蓝藻；所述真核微藻可以为小球藻和/或栅藻。其中，所述小球藻为绿藻门小球藻属(Chlorella)普生性单细胞绿藻,生态分布及其广泛,体内含有丰富的叶绿素，光合作用比其他植物高出十几倍。小球藻除了可以利用光合作用吸收二氧化碳之外，它还可以在无光照的环境中利用有机碳源快速生长。因此，本发明所述的微藻优选为小球藻，更优选为蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)。按照本发明，根据需要，为了使微藻的数量达到一定要求，在将微藻与厌氧活性污泥混合发酵之前，还可以先将微藻进行培养，所述培养微藻的方法可以采用本领域常规的各种方法，例如，自养或异养的方法。其中，自养是指利用太阳能将无机物合成有机物满足自身营养需要的方式；异养是指生物不能直接利用无机物合成有机物，必须从外界摄取现成的有机物来维持生活的营养方式。具体来说，可以将微藻接种至含有可以被微藻直接利用的可发酵碳源的培养液中培养，使微藻在异养的状态下利用培养液中的有机碳源生长繁殖；也可以采用自养的方式培养，将微藻接种至不含可被微藻直接利用的可发酵碳源的培养液中，使微藻在有光照的环境下进行光合作用，合成自身需要的营养物质。所述培养的温度一般可以为常温，例如，10_40°C，优选为20_35°C。此外，优选情况下，为了更加利于微藻的生长繁殖，所述自养/异养的培养液的pH值一般为6-7.5,优选为6.5-7。按照本发明，异养用培养液中的有机碳源的浓度可以在较宽的范围内调整，所述有机碳源在培养液中的浓度优选为5-50克/升。自养培养的光强度可以为30-120 μ mol/(m2s)。所述培养微藻的方式可以为在任何合适的容器或者设备中进行培养，例如，摇瓶、通气瓶、发酵罐、摇床、培养箱、光生物反应器等。按照本发明，可以直接被微藻利用的有机碳源是指以任何形式可以被微生物直接利用的碳源，例如葡萄糖、果糖、蔗糖等糖类物质。这些糖类物质是为微藻提供能量的主要来源，因此，所述微藻直接利用的有机碳源的培养液可以是以葡萄糖等糖类物质为主要成分的培养液，此外，可以根据培养微藻的需要向培养液中添加其它所需的各种营养源，以提供氮、磷和其他无机盐。其中，所述含有可以被微藻直接利用的有机碳源的培养液的配方和制备方法为本领域常规的培养微藻所用的配方和制备方法。例如，将淀粉质原料(所述淀粉质原料可以是玉米、薯类等)酶解，得到酶 解液，并向其中添加所需的各种其他所需的营养成分而制备得到培养液，以由淀粉质原料酶解得到的酶解产物作为微藻可直接利用的有机碳源，或者直接以葡萄糖液作为培养微藻的培养液中的有机碳源等等。此外，自养培养用培养液的制备方法也可以采用本领域技术人员公知的方法制备得到，例如，除了不添加有机碳源之外，可以将各种培养所需的营养成分混合后得到。为了在较短的时间内获得较高的微藻的生物量，微藻培养的时间的判断可以通过监测培养期间的细胞密度和培养液中可发酵碳源的消耗情况来实现。所述碳源消耗在本发明中主要是指培养液中还原糖的消耗。所述还原糖的测定方法以及细胞密度的测定方法均可以采用本领域公知的合适的方法来进行测定。例如，在本发明中，采用DNS法来测量培养液中还原性糖(即可发酵碳源)的浓度(由于培养液中的主要成分为葡萄糖，所以利用DNS法可以有效测定培养液中可发酵碳源的浓度变化)，从而了解碳源的消耗情况；利用分光光度计监测所述微藻的细胞密度。当具有以下特征的一项或者两项时，就认为培养达到终点:1、细胞密度增加生长达到平台期；2、培养液中可发酵碳源耗尽。按照本发明的一个具体实施方式
，可以在培养的过程中定时测定培养体系中的微藻细胞密度、还原糖浓度随时间的变化，取样的时间可以但不仅限于每6小时、每12小时、每24小时、每48小时等，考虑到微藻的生长特性，优选可以选取每12小时测定一次的方法，每次3组平行样，取平均值作为测量数据，培养过程中细胞密度通过分光光度计测定光密度值(OD6J来估算，估算原理根据(生物量=0.3192 X OD600-0.0099，R2 = 0.9983) OD-细胞干重标准曲线。按照本发明，在利用微藻制备甲烷的过程中所采用的微藻可以是干燥的微藻，也可以是未经过干燥的含水的湿的微藻泥，其中，所述含水的湿微藻的含水量没有特别限定，例如，通常可以为10-90重量％。所述将微藻干燥得到干燥的微藻的方法可以为现有技术中的各种干燥方法，例如，鼓风干燥、真空干燥等。优选情况下，为了使微藻更有效地与所述厌氧活性污泥接触，以提高甲烷产量，该方法还包括在将微藻与厌氧活性污泥混合发酵之前，将微藻进行预处理，以充分破碎微藻细胞，能够使微藻细胞充分与厌氧活性污泥作用。其中，所述预处理的方法可以为各种能够破碎微藻细胞的预处理方法，具体可以选自研磨、微波加热和采用纤维素酶酶解中的一种或多种。其中，所述微波加热的微波频率可以为300MHz-300GHz，加热温度可以为70-90°C，加热时间可以为2-10分钟。其中，所述酶解温度可以为20_40°C，酶解时间可以为15-24小时；酶解的pH值可以为4.5-6.5。酶解用纤维素酶通常根据其不同活性，可以用酶活力单位表示，例如，以干重为I克的微藻计算，纤维素酶的用量可以为700-1050酶活力单位。所述纤维素酶的酶活力单位的测定方法为本领域技术人员所公知，且所述纤维素酶可以商购获得，并可以根据商购得到的纤维素酶的酶活力单位确定适当的添加量，例如，在本发明的具体实施例中，所使用的纤维素酶购自杰能科公司。按照本发明，收集发酵产生的甲烷气体的方法可以为常规的方法，例如，将导管与发酵装置连接，采用倒排水的方法收集气体，由于发酵的产物中可能存在一定含量的二氧化碳，在排水收集的液体可以采用碱性溶液吸收二氧化碳，达到提纯甲烷的目的。以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发 明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式
中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。下面将通过具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。在下述实施例中，采用气相色谱分析制备得到气体的组成和含量。下述实施例中微藻培养用培养液的制备:按每升174.9mg MgSO4.7Η20、30.5mg KH2PO4,27.18mg CaCl2、20mgNa2C03、8.9mgC6H5O7Na3.2H20、6mg 柠檬酸铁铵、1.04mg Na2.EDTA、2.86mg 硼酸、0.222mg ZnSO4.7H20、
0.079mg CuSO4.5H20、1.8 ImgMnCl2.4H20、0.39mg Na2MoO4 和 0.049mg Co (NO3) 2.6H20 的用量配制基础培养基，自养培养时额外加入1.5克/每升的硝酸钠；异养培养时额外加入10克/每升的葡萄糖和0.1克/每升的硝酸钠；调节pH值至7.0，获得培养液，并在116°C下蒸汽灭菌25分钟。下述实施例中微藻的摇瓶培养:
在30°C下，将微藻接种于上述制备得到的已灭菌的培养液中，微藻适应培养环境并稳定生长。此时，将微藻接种于新的上述培养液中，自养培养时，保持初始的接种OD6c 在
0.5左右，保持摇床转速110印111，培养温度25±11:，光强4(^11101/(11128)，培养5天；异养培养时，保持初始的接种0D_在0.3左右，保持摇床转速llOrpm，培养温度25± 1°C，培养14天。培养结束后，将培养液在SOOOrpm下离心5分钟，并置于30°C烘箱中烘干至恒重。下述实施例中，所述微藻分别包括蓝藻、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、原始小球藻和栅藻；其中，所述蓝藻取自于太湖；所述蛋白核小球藻购自中科院水生所；所述原始小球藻购自美国德克萨斯大学藻种库；所述栅藻购自中科院水生所。实施例1本实施例用于说明本发明提供的甲烷的制备方法。从上海市闵行区污水水处理厂二期初沉池取得的活性污泥经过离心后收集到密闭的锥形瓶中，并用氮气充满整个锥形瓶，保证环境与氧气隔绝。在30°C的隔绝氧气的环境中避光驯化30天。驯化结束后，在250毫升的摇瓶中加入IOOmL的驯化后的厌氧活性污泥、IOOmL蒸馏水以及经过培养的10克含水量为69.17重量％的太湖蓝藻(干重约为3克)，用氮气充满剩余空间后，密封；将上述混合物在30°C、pH值为7的条件下进行厌氧发酵。每天记录产生气体的体积并及时用排水法收集产生的气体。用气相色谱测定每管气体的甲烷含量，力口权平均后可求得整个发酵过程中的甲烷气体的含量。产气结果如图1所示。实施例2本实施例用于说明本发明提供的甲烷的制备方法。按照实施例1的方法制备甲烷，不同的是，用太湖湖底污泥代替水处理厂二期初沉池取得的活性污泥。产气结果如图1所示。图1显示不同污泥对于微藻甲烷发酵的产气量的影响。从图1中可以看出，相同条件下采用来自污水处理厂的污泥相对于采用太湖湖底污泥的甲烷产气量更多、更快速。实施例3-4本实施例用于说明本发明提供的甲烷的制备方法。按照实施例1的方法制备甲烷，不同的是，分别用蛋白核小球藻和原始小球藻代替实施例1中的太湖蓝藻，且蛋白核小球藻和原始小球藻为经过真空干燥机干燥24小时后得到的藻粉，它们的干重均为3克。不同微藻对于甲烷发酵的产气量影响如图2所示，从图2中可以看出，太湖蓝藻和蛋白核小球藻的产气量较高，且两者基本保持一致，原始小球藻产气量约为前两者的二分
之一 。实施例5-7本实施例用于说明本发明提供的甲烷的制备方法。按照实施例1的方法制备甲烷，不同的是，用蛋白核小球藻代替实施例1中的太湖蓝藻，并且在将微藻与厌氧活性污泥进行混合发酵之前，将干燥的蛋白核小球藻粉末分别进行研磨、微波加热和纤维素酶解三种预处理。
研磨:用研钵研磨，使藻体细胞壁破碎；微波加热:微波频率为500MHz，加热温度为70°C，加热5分钟；纤维素酶酶解:以干重为I克的微藻计，所述纤维素酶的用量为900酶活力单位，酶解条件为37°C (pH值为6.5)摇床中反应24小时；其中，所述纤维素酶购自杰能科公司T1000型号。采用不同预处理手段对于甲烷发酵产气的影响如图3所示。根据图3的结果可知，采用三种预处理手段均能使产气量在初期阶段有所提高；使用纤维素酶解的预处理手段后期的产气量与未经预处理的蛋白核小球藻相当或者稍差，其原因可能是由于过多的蛋白会产生毒性，对厌氧微生物造成伤害。而采用研磨和微波加热的预处理方法均可以取得较好的效果，产气量可以提高10%以上。实施例8-10本实施例用于说明本发明提供的甲烷的制备方法。按照实施例1的方法制备甲烷，不同的是，用蛋白核小球藻代替实施例1中的太湖蓝藻，且蛋白核小球藻为经过干燥的藻粉，蛋白核小球藻藻粉的干重用量分别为I克、2克和4克。在相同污泥量的前提下，不同用量的蛋白核小球藻的产气量如图4所示。从图4中可以看出，产气量随着微藻用量的增加而增加，而相应的发酵的时间也会随着微藻用量的增加而延长。干重用量分别为I克、2克和4克的蛋白核小球藻产甲烷浓度如表I所示。表I
权利要求
1.一种甲烷的制备方法，其特征在于，该方法包括在厌氧条件下，将微藻与厌氧活性污泥混合发酵,并收集产生的甲烷气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以干重为I克的微藻为基准，所述厌氧活性污泥的用量为5-100晕升。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述微藻为原核微藻和/或真核微藻。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述原核微藻为蓝藻，所述真核微藻为小球藻和/或栅藻。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述厌氧活性污泥选自污水处理厂初沉池的污泥、江河湖海底部的污泥和微生物发酵产生的污泥中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在将微藻与厌氧活性污泥混合之前，该方法还包括将所述厌氧活性污泥进行厌氧驯化。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发酵的条件包括隔绝氧气，发酵温度为20-50°C，pH 值为 4-8。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微藻为含水的湿微藻和/或干燥的微藻。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其中，该方法还包括在将微藻与厌氧活性污泥混合发酵之前，将微藻进行预处理，所述预处理的方法选自研磨、微波加热和采用纤维素酶酶解中的一种或多种。
全文摘要
本发明公开了一种甲烷的制备方法，其中，该方法包括在厌氧条件下，将微藻与厌氧活性污泥混合发酵，并收集产生的甲烷气体。本发明的方法采用微藻与厌氧活性污泥混合发酵，其中，所述厌氧活性污泥中的厌氧微生物可以利用微藻生物质中的蛋白、糖类和脂类成分用于自身的代谢，即，使得微藻生物质中的氮、磷等无机元素可以被有效地回收和重复利用，同时产生的甲烷气体可以作为清洁的能源使用。因此，本发明提供的厌氧发酵藻类生物质生产甲烷的方法是一种解决能源和环境问题的有效途径。
文档编号C02F11/04GK103086582SQ20111033696
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者于广欣, 缪晓玲, 李朋林, 金阳, 包艳东, 纪钦洪 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油新能源投资有限责任公司, 上海交通大学