CN102533609A

CN102533609A - 沼气干发酵复合菌

Info

Publication number: CN102533609A
Application number: CN2012100216793A
Authority: CN
Inventors: 尹小波; 徐彦胜; 李强; 马诗淳; 张云飞; 代丽蓉; 承磊
Original assignee: Biogas Institute of Ministry of Agriculture
Current assignee: Biogas Institute of Ministry of Agriculture
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: CN102533609B

Abstract

本发明公开了一种沼气干发酵复合菌，按细胞数量百分比包括25%~45%的纤维素分解细菌、9%~15%的蛋白分解细菌、8%~15%的脂肪分解细菌、8%~12%产氢产乙酸细菌、18%~31%的硫酸盐还原菌和2.5%~9.5%的产甲烷古菌。本发明为具有较完整沼气发酵功能微生物的复合菌，能够高效处理TS含量为20%~30%的沼气干发酵原料，并且产甲烷效果稳定、易于控制。

Description

沼气干发酵复合菌

技术领域

本发明涉及有机废物的利用及可再生能源的开发，尤其涉及一种沼气干发酵复合菌，属于生物发酵技术领域。

背景技术

近年来，社会对能源的需求不断增加，石油、煤炭等化石能源资源不断减少，价格持续攀升，给社会和经济的发展带来不利影响。可再生能源的开发利用越来越受到各国政府和科研工作者的重视，沼气是洁净的可再生能源，取之不尽用之不竭。秸秆、禽畜粪便、生活垃圾等有机物可经过厌氧消化转化成沼气，为人类提供清洁能源。

参与沼气发酵的微生物包括发酵性细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷古菌等。首先，发酵性细菌将纤维素类物质降解为乙酸、丙酸等有机酸，将蛋白质降解为有机酸和氨，将脂肪降解为乙酸、丙酸、H₂和CO₂；然后，产氢产乙酸细菌将产生的有机酸分解成乙酸、H₂和CO₂；最终，产甲烷菌将H₂/CO₂、甲基化合物、乙酸等小分子物质转化成甲烷，其中任何一个环节的缺失都达不到产甲烷的目的。

沼气干发酵是近年来发展较快的一项技术。沼气干发酵用于处理有机固体废弃物时不产生废水，环境污染小；干发酵剩余物固体浓度高，可以直接用于固体有机肥的生产。基于以上优点，研究人员对沼气干发酵开展了很多研究工作，但对干发酵微生物菌剂研究涉及较少。

中国专利说明书CN 101337757 A公开了一种生物厌氧渗出液沼气干发酵制备方法。该发明利用生物厌氧渗出液作为沼气干发酵的接种物，但没有说明其中微生物的详细组成。

中国专利说明书CN 101948752 A公开了一种用于沼气发酵的复合菌剂。该菌剂是一种微生物发酵菌液的复合制剂，包含四种沼气发酵微生物，即纤维素拟杆菌、巴氏芽孢梭菌、黑海甲烷袋状菌、马氏甲烷八叠球菌，主要针对以牛粪为主要原料的沼气发酵，未提到用于沼气干发酵。

中国专利说明书CN 101705199公开了一种产甲烷复合菌剂及其制备方法。该菌剂由五种产甲烷菌组成，其特点是可以加快新建沼气池和大换料时沼气池的启动时间。但该菌剂不包括发酵性细菌和产氢产乙酸细菌，也未提及用于沼气干发酵。

中国专利说明书CN 101475926和CN 101481676 B分别公开了一种厌氧降解纤维素产甲烷复合菌和制作方法。该复合菌包含厌氧发酵性细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌等13株菌。但其微生物组成主要针对纤维素的降解设计，用于稻草秸秆为主要原料的沼气发酵，未提到用于沼气干发酵。

在已公开发表的文献中，国内研究人员分别在有机垃圾、秸秆、畜禽粪便为原料的沼气干发酵的研究中，采用厌氧活性污泥、市政污泥、农村沼气池沼渣作为接种物，但均未涉及人工构建的沼气干发酵微生物复合菌。

本发明是11株功能微生物组成的干发酵微生物菌，并且可以通过调整各功能微生物的比例，以适应不同发酵原料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种专门用于沼气干发酵的复合菌。本发明所提供的复合菌具有较完整的沼气发酵功能微生物，能够高效处理TS含量为20%~30%的各类发酵原料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种沼气干发酵复合菌，其特征在于：按细胞数量百分比包括25%~45%的纤维素分解细菌、9%~15%的蛋白分解细菌、8%~15%的脂肪分解细菌、8%~12%产氢产乙酸细菌、18%~31%的硫酸盐还原菌和2.5%~9.5%的产甲烷古菌。

所述复合菌中，各功能微生物细胞总数至少为2.0×10¹⁰个/g，其中产甲烷古菌细胞总数至少为5.0×10⁸个/g。

所述的纤维素分解细菌为解纤维素拟杆菌Bacteroides cellulosilyticus和黄色梭状杆菌Clostridium sufflavum；所述蛋白分解细菌为巴氏芽孢梭菌Clostridium pasteurianum；所述脂肪分解细菌为长链脂肪酸互营单胞菌Syntrophomonas sapovorans；所述产氢产乙酸细菌为沃氏互养单胞菌Syntrophomonas Wolfei；所述硫酸盐还原菌为脱硫脱硫弧菌Desulfovibrio desulfuricans和丙酸脱硫洋葱状菌Desulfobulbus rhabdoformis；所述产甲烷古菌为亨氏甲烷螺菌Methanospirillum hungatei、小甲烷粒菌Methanocorpusculum parvum、巴氏甲烷八叠球菌Methanosarcina barkeri和甲烷鬃毛菌Methanosaeta concilii。

所述解纤维素拟杆菌的细胞数量百分比含量为15%~25%，黄色梭状杆菌的细胞数量百分比含量为10%~20%，巴氏芽孢梭菌的细胞数量百分比含量为9%~15%，丙酸脱硫洋葱状菌的细胞数量百分比含量为10%~15%，长链脂肪酸互营单胞菌的细胞数量百分比含量为8%~15%，沃氏互养单胞菌的细胞数量百分比含量为8%~12%，脱硫脱硫弧菌的细胞数量百分比含量为10%~16%，亨氏甲烷螺菌的细胞数量百分比含量为0.5%~1%，小甲烷粒菌的细胞数量百分比含量为 1%~2%，巴氏甲烷八叠球菌的细胞数量百分比含量为0.5%~2.5%，甲烷鬃毛菌的细胞数量百分比含量为0.5%~4%。

采用本发明的优点在于：

一、本发明包括了纤维素分解细菌、蛋白分解细菌、脂肪分解细菌、产氢产乙酸细菌、硫酸盐还原菌以及产甲烷古菌，按上述比例组合成沼气干发酵复合菌，可以促进参与沼气发酵的微生物之间的能量和物质传递，从而充分发挥不同微生物之间的协同关系，将其用于沼气干发酵时，可以显著缩短启动时间，提高沼气产率，增强发酵过程的稳定性。

二、所述复合菌中微生物浓度高，各组份的微生物细胞总数至少为2×10¹⁰个/g，产甲烷古菌细胞总数至少为5×10⁸个/g，使用剂量小，作用效果显著。

三、本发明由11株厌氧功能菌株组成，即Bacteroides cellulosilyticus，菌株保藏编号为DSM 14838^T；Clostridium sufflavum ，菌株保藏编号为DSM 19573^T； Clostridium pasteurianum，菌株保藏编号为DSM 525^T或ATCC 6013^T； Desulfobulbus rhabdoformis，菌株保藏编号为DSM 8777^T或ATCC 700652^T；Syntrophomonas sapovorans，菌株保藏编号为DSM 3441^T； Syntrophomonas wolfei，菌株保藏编号为DSM 4212^T；Desulfovibrio desulfuricans，菌株保藏编号为DSM 642^T；Methanospirillum hungatei，菌株保藏编号为DSM 864^T；Methanocorpusculum parvum，菌株保藏编号为DSM 3823^T或ATCC 43721^T；Methanosarcina barkeri，菌株保藏编号为DSM 800^T；Methanosaeta concilii，菌株保藏编号为DSM 2139^T，采用这些菌株，在沼气干发酵复合菌配方中，多株功能明确的菌种混合培养，产酶丰富，可以解除代谢产物的反馈抑制，保障发酵环境的稳定性。

四、本发明中，纤维素分解细菌、蛋白分解细菌、脂肪分解细菌、产氢产乙酸细菌、硫酸盐还原菌和产甲烷古菌在复合菌中所占的比例在所述的范围内可根据发酵物料的特性进行调整，充分发挥复合菌的作用，保证发酵过程的高效稳定运行。当发酵原料中秸秆的含量较高时，可以适当提高纤维素分解菌如Bacteroides cellulosilyticus或Clostridium sufflavum的含量，以使纤维素被及时降解，提高原料的转化速率；当发酵原料中的脂肪或蛋白质含量变化时亦可以通过调节脂肪分解细菌如Syntrophomonas sapovorans的含量或蛋白分解细菌如Clostridium pasteurianum的含量使相应分解菌的含量与作用底物的量相适应；根据发酵中间产物的代谢速率调节硫酸盐还原菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷古菌的含量。

具体实施方式

通过优化组合沼气发酵微生物，发明了一种沼气干发酵复合菌，此微生物复合菌由以下11株菌直接混合组成：

（1）Bacteroides cellulosilyticus解纤维素拟杆菌，严格厌氧，杆状，革兰氏染色阴性，能够降解各种纤维素类物质，能利用各种糖类生成乙酸、丙酸、琥珀酸，菌株保藏编号为DSM 14838^T；

（2）Clostridium sufflavum 黄色梭状杆菌，严格厌氧，菌体为微弯曲杆状，能运动，周生鞭毛，最适生长温度33 ℃，最适生长pH 7.4，能降解纤维素类物质，还能利用木糖，果糖，葡萄糖，纤维二糖，木聚糖，生成乙酸、乙醇、H₂和CO₂，菌株保藏编号为DSM 19573^T；

（3）Clostridium pasteurianum 巴氏芽孢梭菌，最适生长温度37℃，不运动，次极末端形成一个卵圆形芽孢，可分解蛋白质、糖类，能发酵葡萄糖、麦芽糖、乳糖、蔗糖产生乙酸，菌株保藏编号为DSM 525^T或ATCC 6013^T；

（4）Desulfobulbus rhabdoformis 丙酸脱硫洋葱状菌，严格厌氧，圆杆状，革兰氏染色阳性，最适生长温度31℃，最适pH6.8~7.2，降解丙酸盐为乙酸和CO₂，也能利用延胡索酸和苹果酸作为碳源和能源，菌株保藏编号为DSM 8777^T或ATCC 700652^T；

（5）Syntrophomonas sapovorans 长链脂肪酸互营单胞菌，严格厌氧，微弯曲杆状，革兰氏染色阳性，最适生长温度35℃，能氧化分解4 到18个碳原子的饱和链状脂肪酸产生乙酸和H₂，菌株保藏编号为DSM 3441^T；

（6）Syntrophomonas Wolfei 沃氏互养单胞菌，严格厌氧，轻微螺杆状，最适生长温度35℃，氧化丁酸产生乙酸和H₂，与利用H₂/CO₂的产甲烷菌互营，菌株保藏编号为DSM 4212^T；

（7）Desulfovibrio desulfuricans 脱硫脱硫弧菌，严格厌氧，S弯曲状，革兰氏染色阴性，极生鞭毛，能运动，最适生长温度37℃，以硫酸盐作为电子受体异化有机物质获得能量，可以代谢乳酸盐、丙酮酸等脂肪酸，菌株保藏编号为DSM 642^T；

（8）Methanospirillum hungatei 亨氏甲烷螺菌，严格厌氧，弯曲杆状，最适生长温度37℃，最适pH 7.0～7.5，能利用H₂/CO₂、甲酸产CH₄，不利用乙酸、甲基胺、甲醇和其他醇类，菌株保藏编号为DSM 864^T；

（9）Methanocorpusculum parvum 小甲烷粒菌，严格厌氧，革兰氏染色阴性，细胞呈小的不规则球形，最适生长温度37℃，能以H₂/CO₂、甲酸盐、丙二醇/ CO₂、丁二醇/ CO₂为底物产甲烷，菌株保藏编号为DSM 3823^T或ATCC 43721^T；

（10）Methanosarcina barkeri 巴氏甲烷八叠球菌，严格厌氧，革兰氏染色可变，不运动，呈不规则的球状聚集体，单生或典型的多细胞聚集体，最适生长温度37℃，能利用甲醇、三甲胺、乙酸和H₂/CO₂生长产甲烷，但从不利用甲酸，菌株保藏编号为DSM 800^T；

（11）Methanosaeta concilii 甲烷鬃毛菌，严格厌氧，细胞呈杆状，革兰氏染色阴性，最适生长温度35℃，生长pH6.5~7.8，只利用乙酸盐生长产甲烷，菌株保藏编号为DSM 2139^T。

以上菌株均可通过德国微生物菌种保藏中心（DSMZ）或美国典型培养物中心（ATCC）获得。

本发明的复合菌由11株菌组成。按照发酵过程中各微生物功能的不同，可以将这11株菌分为以下6类：

纤维素分解细菌：Bacteroides cellulosilyticus，Clostridium sufflavum；

蛋白分解细菌：Clostridium pasteurianum；

脂肪分解细菌：Syntrophomonas sapovorans；

硫酸盐还原菌：Desulfovibrio desulfuricans，Desulfobulbus rhabdoformis；

产氢产乙酸菌：Syntrophomonas Wolfei；

产甲烷古菌：Methanospirillum hungatei，Methanocorpusculum parvum，Methanosarcina barri，Methanosaeta concilii。

按细胞胞数量百分比包括25%~45%的纤维素分解细菌、9%~15%的蛋白分解细菌、8%~15%的脂肪分解细菌、8%~12%产氢产乙酸细菌、18%~31%的硫酸盐还原菌和2.5%~9.5%的产甲烷古菌。

在用于沼气发酵时，复合菌中的发酵性细菌将纤维素类物质降解为乙酸、丙酸等有机酸，将蛋白质降解为有机酸和氨，将脂肪降解为乙酸、丙酸、H₂和CO₂；然后，产氢产乙酸细菌将产生的有机酸分解成乙酸、H₂和CO₂；硫酸盐还原菌代谢丙酮酸、丙酸等中间产物；最终，产甲烷菌将以上生成的乙酸、甲基化合物、H₂/CO₂等小分子物质转化成甲烷，其中任何一个环节的缺失都达不到产甲烷的目的。

作为本发明的一种改进，根据发酵原料的变化，上述11株菌可在如下范围内调整：Bacteroides cellulosilyticus占15~25%， Clostridium sufflavum占10~20%，Clostridium pasteurianum占9~15%，Desulfobulbus rhabdoformis 占10~15%，Syntrophomonas sapovorans占8~15%，Syntrophomonas Wolfei占8~12%，Desulfovibrio desulfuricans占10~16%，Methanospirillum hungatei占0.5~1%，Methanocorpusculum parvum 占1~2%，Methanosarcina barkeri占0.5~2.5%，Methanosaeta concilii占0.5~4%。

下述实施例1-5中，根据猪粪与稻草粉的比例调整纤维素分解菌和蛋白分解细菌的比例，其他菌系相应调整；实施例6中，采用富含脂肪的原料作发酵底物，因为此提高脂肪分解细菌的比例，其他菌系相应调整。

实施例中“启动时间（天）”指干发酵投料开始至所产沼气中CH₄的含量超过50%时所需要的时间；“CH₄含量（%）”指所产沼气中CH₄的百分比浓度；“60d原料产气率（m³/kgTS）”指干发酵持续60天时总产气量与原料TS的比值；“90d原料产气率（m³/kgTS）”指干发酵持续90天时总产气量与原料TS的比值。

实施例1

以质量比5:1的猪粪和稻草粉混合原料作发酵底物。复合菌中11株菌的细胞数含量分别为：Bacteroides cellulosilyticus占15%， Clostridium sufflavum占11%，Clostridium pasteurianum占15%，Desulfobulbus rhabdoformis 占16%，Syntrophomonas sapovorans占9%，Syntrophomonas Wolfei占12%，Desulfovibrio desulfuricans占16%， Methanospirillum hungatei占0.5%，Methanocorpusculum parvum 占1%，Methanosarcina barkeri占2.5%，Methanosaeta concilii占3%。将上述复合菌和发酵底物混合后干发酵。发酵60~90天后，各项指标如下表所示：

Figure 2012100216793100002DEST_PATH_IMAGE001

实施例2

以质量比4:1的猪粪和稻草粉混合原料作发酵底物。复合菌中11株菌的细胞数含量分别为：：Bacteroides cellulosilyticus占17%， Clostridium sufflavum占12%，Clostridium pasteurianum占14%，Desulfobulbus rhabdoformis 占15%，Syntrophomonas sapovorans占9%，Syntrophomonas Wolfei占11%，Desulfovibrio desulfuricans占15%，Methanospirillum hungatei占0.5%，Methanocorpusculum parvum 占1.5%，Methanosarcina barkeri占2.5%，Methanosaeta concilii占2.5%。将上述复合菌和发酵底物混合后干发酵。发酵60~90天后，各项指标如下表所示：

实施例3

以质量比3:1的猪粪和稻草粉混合原料作发酵底物。复合菌中11株菌的细胞数含量分别为：Bacteroides cellulosilyticus占18%， Clostridium sufflavum占14%，Clostridium pasteurianum占14%，Desulfobulbus rhabdoformis 占14%，Syntrophomonas sapovorans占9%，Syntrophomonas Wolfei占10.5%，Desulfovibrio desulfuricans占15%，Methanospirillum hungatei占0.5%，Methanocorpusculum parvum 占1%，Methanosarcina barkeri占1.5%，Methanosaeta concilii占2.5%。将上述复合菌和发酵底物混合后干发酵。发酵60~90天后，各项指标如下表所示：

Figure 2012100216793100002DEST_PATH_IMAGE003

实施例4

以质量比2:1的猪粪和稻草粉混合原料作发酵底物。复合菌中11株菌的细胞数含量分别为：Bacteroides cellulosilyticus占20%，Clostridium sufflavum占17%，Clostridium pasteurianum占13%，Desulfobulbus rhabdoformis 占13%，Syntrophomonas sapovorans占8.5%，Syntrophomonas Wolfei占10%，Desulfovibrio desulfuricans占13.5%，Methanospirillum hungatei占1%，Methanocorpusculum parvum 占1%，Methanosarcina barkeri占1.5%，Methanosaeta concilii占1.5%。将上述复合菌和发酵底物混合后干发酵。发酵60~90天后，各项指标如下表所示：

实施例5

以质量比1:1的猪粪和稻草粉混合原料作发酵底物。复合菌中11株菌的细胞数含量分别为：Bacteroides cellulosilyticus占22%， Clostridium sufflavum占19%，Clostridium pasteurianum占12%，Desulfobulbus rhabdoformis 占14%，Syntrophomonas sapovorans占8%，Syntrophomonas Wolfei占9%，Desulfovibrio desulfuricans占12%，Methanospirillum hungatei占0.5%，Methanocorpusculum parvum 占1%，Methanosarcina barkeri占1%，Methanosaeta concilii占1.5%。将上述复合菌和发酵底物混合后干发酵。发酵60~90天后，各项指标如下表所示：

实施例6

以质量比4:1的餐厨垃圾和稻草粉混合原料作发酵底物。复合菌中11株菌的细胞数含量分别为：Bacteroides cellulosilyticus占16%， Clostridium sufflavum占12%，Clostridium pasteurianum占14.5%，Desulfobulbus rhabdoformis 占13%，Syntrophomonas sapovorans占15%，Syntrophomonas Wolfei占9.5%，Desulfovibrio desulfuricans占14%， Methanospirillum hungatei占0.5%，Methanocorpusculum parvum 占1%，Methanosarcina barkeri占1.5%，Methanosaeta concilii占3%。将上述复合菌和发酵底物混合后干发酵。发酵60~90天后，各项指标如下表所示：

实施例7

一种沼气干发酵复合菌，按细胞数量百分比为25%的纤维素分解细菌、15%的蛋白分解细菌、15%的脂肪分解细菌、8%产氢产乙酸细菌、27.5%的硫酸盐还原菌和9.5%的产甲烷古菌。

所述复合菌中，各组份的微生物细胞总数至少为2.0×10¹⁰个/g，产甲烷古菌细胞总数至少为5.0×10⁸个/g。

所述的纤维素分解细菌为解纤维素拟杆菌Bacteroides cellulosilyticus和/或黄色梭状杆菌Clostridium sufflavum；所述蛋白分解细菌为巴氏芽孢梭菌Clostridium pasteurianum；所述脂肪分解细菌为长链脂肪酸互营单胞菌Syntrophomonas sapovorans；所述产氢产乙酸细菌为沃氏互养单胞菌Syntrophomonas wolfei；所述硫酸盐还原菌为脱硫脱硫弧菌Desulfovibrio desulfuricans和/或丙酸脱硫洋葱状菌Desulfobulbus rhabdoformis；所述产甲烷古菌为亨氏甲烷螺菌Methanospirillum hungatei、小甲烷粒菌Methanocorpusculum parvum 、巴氏甲烷八叠球菌Methanosarcina barkeri和/或甲烷鬃毛菌Methanosaeta concilii。本领域的技术人员可以在上述菌中进行选择，但并不局限于上述菌。

实施例8

一种沼气干发酵复合菌，按细胞数量百分比为45%的纤维素分解细菌、9%的蛋白分解细菌、8%的脂肪分解细菌、12%产氢产乙酸细菌、18%的硫酸盐还原菌和8%的产甲烷古菌。

实施例9

一种沼气干发酵复合菌，按细胞数量百分比为30%的纤维素分解细菌、12%的蛋白分解细菌、12%的脂肪分解细菌、10%产氢产乙酸细菌、31%的硫酸盐还原菌和5%的产甲烷古菌

Claims

1.一种沼气干发酵复合菌，其特征在于：按细胞数量百分比包括25%~45%的纤维素分解细菌、9%~15%的蛋白分解细菌、8%~15%的脂肪分解细菌、8%~12%产氢产乙酸细菌、18%~31%的硫酸盐还原菌和2.5%~9.5%的产甲烷古菌。

2.根据权利要求1所述的沼气干发酵复合菌，其特征在于：所述复合菌中，各组份的微生物细胞总数至少为2.0×10¹⁰个/g，产甲烷古菌细胞总数至少为5.0×10⁸个/g。

3.根据权利要求1或2所述的沼气干发酵复合菌，其特征在于：所述的纤维素分解细菌为解纤维素拟杆菌Bacteroides cellulosilyticus和/或黄色梭状杆菌Clostridium sufflavum；所述蛋白分解细菌为巴氏芽孢梭菌Clostridium pasteurianum；所述脂肪分解细菌为长链脂肪酸互营单胞菌Syntrophomonas sapovorans；所述产氢产乙酸细菌为沃氏互养单胞菌Syntrophomonas wolfei；所述硫酸盐还原菌为脱硫脱硫弧菌Desulfovibrio desulfuricans和/或丙酸脱硫洋葱状菌Desulfobulbus rhabdoformis；所述产甲烷古菌为亨氏甲烷螺菌Methanospirillum hungatei、小甲烷粒菌Methanocorpusculum parvum 、巴氏甲烷八叠球菌Methanosarcina barkeri和/或甲烷鬃毛菌Methanosaeta concilii。

4.根据权利要求3所述的沼气干发酵复合菌，其特征在于：所述解纤维素拟杆菌的数量百分比含量为15~25%，黄色梭状杆菌的数量百分比含量为10~20%，巴氏芽孢梭菌的数量百分比含量为9~15%，丙酸脱硫洋葱状菌的数量百分比含量为10~15%，长链脂肪酸互营单胞菌的数量百分比含量为8~15%，沃氏互养单胞菌的数量百分比含量为8~12%，脱硫脱硫弧菌的数量百分比含量为10~16%，亨氏甲烷螺菌的数量百分比含量为0.5~1%，小甲烷粒菌的数量百分比含量为 1~2%，巴氏甲烷八叠球菌的数量百分比含量为0.5~2.5%，甲烷鬃毛菌的数量百分比含量为0.5~4%。