CN101544990A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

背景技术

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，酸化和产甲烷等过程。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甲烷的所有过程。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，厌氧发酵生产甲烷过程。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缓慢，导致含有木质纤维素的生物质厌氧发酵通常比较缓慢。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。采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Brinkmann等报道的厌氧工艺(New Processfor High Performance Digestion，International Symposium on Anaerobic Digestionof 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CO₂形成的缓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，离开微生物的纤维素酶的水解作用较小(Confer，D.，Logan，BE(1998).＂Location ofprotein and polysaccharide hydrolytic activity in suspended and biofilm waster.＂Water Research 32：31-38.)，因此，采用酶法水解，通常需要较多的纤维素酶，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0.001-0.5IU、(国际单位，1IU等于每分钟水解纤维素产生1微摩尔葡萄糖)左右(Parawira et al，2005，Profile of hydrolases and biogas production during two-stage mesophilic anaerobicdigestion of solid potato waste，Process Biochemistry，Vol.40，NO.9，pp 2945-2952)，导致纤维素水解速率低，限制了发酵产甲烷的速率。此外，由于产纤维素酶的微生物数量少，容易发生波动，导致厌氧反应器不稳定，产甲烷量波动范围大，不利于工业化生产。

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甲烷相同，主要水解方法的缺点相类似，如前所述。

直接采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缓慢，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水化合物，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，难以同好氧微生物竞争。

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。

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，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微生物厌氧发酵过程，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，在基质中添加无机盐，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，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，同时接种产甲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，氢气等被多种厌氧微生物厌氧转化形成甲烷和二氧化碳气体，气体中还可能含有少量或微量氢气。活性污泥中含有产甲烷微生物、产氢产乙酸菌的微生物、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氢气和甲烷。

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、发酵和产甲烷过程在液相进行，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。厌氧消化可采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，厌氧转化为甲烷，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℃，最佳温度为105-130℃；气爆杀菌处理温度为110-220℃，最佳温度范围为120-150℃。

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甲烷。

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；发酵容器内产生以甲烷为主的可燃气体。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，由于产甲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甲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、甲烷短杆菌属、甲烷球菌属、甲烷微菌属、甲烷烷菌属、甲烷螺菌属和甲烷八叠球菌属，例如史密斯甲烷短杆菌属、甲酸甲烷杆菌属、巴氏甲烷杆菌属、反刍甲烷短杆菌属、史密斯甲烷杆菌属、嗜热自养甲烷杆菌、巴氏甲烷八叠球菌、范尼氏甲烷球菌、沃氏甲烷球菌、马氏产甲烷球菌、海生产甲烷球菌、227巴氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌、嗜热甲烷八叠球菌、索氏甲烷杆菌等。

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甲烷过程时，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甲烷八叠球菌。

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1IU/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，兼性厌氧芽孢杆菌××-01，产黄纤维单胞菌(cellulomonas flavigena，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微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甲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1IU/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100IU/克，通常情况下，发酵容器内纤维素酶活性达到1-100IU/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较低，通常的酶法纤维素水解，需要使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。

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1：

水生植物水葫芦经破碎成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，将消毒后水葫芦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，使发酵容器内水葫芦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甲烷。其中水葫芦在厌氧发酵容器内停留时间控制在2-3天，在消化容器内停留时间控制在1天，在系统中总的停留时间为3-4天，水葫芦所含有机物在系统中分解转化为甲烷的能量转化率达到80％以上。发酵容器内接种微生物采用从瘤胃中经分离培养的产纤维素厌氧真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3-5IU/克。发酵容器采用渗滤床反应器，消化容器采用厌氧内循环反应器。

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1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2-5IU/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1-2天，在系统中总的停留时间为5-6天，有机物在系统中分解率达到80％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升流式厌氧污泥床反应器内活性颗粒污泥。经测定，发酵容器中纤维素酶的活性达到6-8IU/克。发酵容器采用叶轮搅拌完全混合反应器，消化容器采用推流式反应器。

实施例4：

水生植物水葫芦经破碎成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，将消毒后水葫芦加入发酵容器中，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。其中水葫芦在发酵容器内停留时间控制在3-4天，水葫芦所含有机物在系统中分解转化为甲烷的能量转化率达到70％以上。经测定，发酵容器中纤维素酶的活性达到2-5IU/克。发酵容器采用推流反应器，从反应器出口分离的固体与水葫芦混合后进入发酵容器入口。

Claims (10)

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：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：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，产生可燃气体。