CN102757981B - 藻渣厌氧消化制备沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
一种藻渣厌氧消化制备沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：(1)将藻渣12-26g按照1：5（w/w）的比例加入pH为4.8、浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液，然后加入纤维素酶，置于50℃的摇床中震荡反应48小时得到反应液；所述纤维素酶为Acremoniumcellulase，活力单位为400滤纸酶活/g；(2)用浓度为1mol/l的NaOH溶液将上述反应液的pH值调节为7.0，继续加入中性蛋白酶，搅拌均匀后置于40℃摇床中震荡反应3小时得到酶解产物，所述中性蛋白酶活力为60000活力单位/g，最适温度为40℃，pH值7.0－7.8；(3)在具塞广口瓶中加入厌氧消化污泥，然后加入步骤二中所得的酶解产物，补水至0.8L，搅拌均匀后盖上带有导管的瓶塞，通入氮气吹扫掉瓶中残留空气，导管出口连接气袋用于气体的收集，广口瓶放入35℃水浴锅中开始厌氧消化，最终得到含甲烷的沼气。
Description
技术领域
本发明属于生物质能源领域，是一种藻渣厌氧消化制备沼气的技术。
背景技术
近些年，全球能源危机不断加剧，人们环保意识不断增强，生物柴油等可再生能源受到人们越来越多的关注。由于生物柴油产业的发展，油脂含量高的富油微藻的综合开发和利用已经引起了人们越来越多的关注，微藻油脂可以解决目前生物柴油原料来源缺乏及不稳定的问题，各个国家及地区的科研机构相继开展了微藻培养方面的研究工作，使其逐渐成为许多国家开源节能、变害为利和保护环境的重要手段。
随着微藻在生物柴油领域的逐步应用，在提取微藻油脂的过程中将同时产生大量的藻渣，这些副产品中主要成分为蛋白质和碳水化合物，蕴藏着大量的生物质能，具有很高的利用价值。目前藻渣主要利用途径为生产动物饲料、复混肥，或者通过厌氧消化技术进行清洁气燃料供给。其中，利用比较成熟的厌氧消化工艺将这部分有用物质转化成为甲烷等清洁燃气，从而实现藻渣的能源化利用，并最大限度的从藻渣中回收能源，对于提高藻类生物质的能源转化率具有深远意义，并且可提高其附加值，改善微藻生物柴油产业的效益。
沼气发酵主要分为三个阶段，分别为水解、产酸和产甲烷。不同性质原料在厌氧消化过程中的限速步骤也存在着差异，藻渣中含有的纤维素和大量的蛋白质等成分的水解成为制约产气速率的重要因素。专利201010198250.2中公开了一种提油后藻渣两相厌氧发酵制生物燃气的方法，通过对藻渣的热碱预处理后厌氧发酵获取氢气和甲烷，整个过程提高了转化效率，缩短了发酵周期，与本专利拟采用的复合酶预先处理藻渣并采用单相厌氧发酵工艺存在本质上的区别。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：以藻渣作为原料，通过纤维素酶和中性蛋白酶的有机结合，加快厌氧消化过程中甲烷的产气速率和产率。
为实现上述目的，本发明采用的具体操作方法如下：
(1) 藻种的培养：培养基成分为NH4Cl 400 mg/L, KH2PO4 56 mg/L,K2HPO4 108 mg/L，MgSO4 ·7H2O 100 mg/L，冰醋酸1 mg/L，将藻种经无菌操作接种于灭过菌的培养基中，然后置于光照培养箱中静置培养，每天震荡3－4次，培养温度为25℃，光照强度为4000 Lux，培养7天。
所述微藻藻种为小球藻（chlorella vulgaris），曾记载于2009年11月19公开的美国专利申请公开说明书US 20090288223中，还可于美国德克萨斯藻种保藏中心获得，其保藏编号为UTEX 2714。
(2)培养后的微藻静置沉降24h后去除上清液，收集下层湿藻后经高压均质机进行细胞破碎，于120MPa的均质压力下循环处理2次，然后加入萃取剂己烷提取所含油脂，结束后对其进行离心分离，收集上层的有机溶剂相，并回收藻体在相同的条件下进行二次浸提，提取剩余物置于真空干燥箱（操作温度为40℃，真空度为740pa）中24h，去除残留溶剂和水分，最终得到藻渣。
(3)藻渣按照底物浓度为1：5（w/w）的比例加入pH为4.8、浓度为50 mmol/L的柠檬酸缓冲液，然后加入纤维素酶，置于50℃的摇床中震荡反应48小时。所述纤维素酶为商业化酶Acremonium cellulase (于Meiji Seika Co., Japan（明治制菓株式会社）购得，活力单位为400滤纸酶活/g)。
(4)用浓度为1mol/l的NaOH溶液将上述反应液的pH值调节为7.0，继续加入中性蛋白酶，搅拌均匀后置于40℃摇床中震荡反应3小时，所述中性蛋白酶可于北京索莱宝科技有限公司购得，采用枯草芽孢杆菌经特殊发酵提炼而成，活力为60000活力单位/g，最适温度为40℃，ph值7.0－7.8。
(5)在1L的具塞广口瓶中加入厌氧消化污泥，然后加入步骤二中所得的酶解产物，补水至0.8L，搅拌均匀后盖上带有导管的瓶塞，通入氮气吹扫掉瓶中残留空气，导管出口连接气袋用于气体的收集，广口瓶放入35℃水浴锅中开始厌氧消化，最终得到甲烷含量大于60％的沼气。每天用沼气分析仪对集气袋中的气体成分进行检测，待产气结束后停止反应。所述厌氧活性污泥是指用于污水处理厌氧发酵工艺的微生物菌群。
本发明具有以下有益效果：
（1）通过纤维素酶和中性蛋白酶的联合作用，对藻渣中纤维素和蛋白质进行了初步水解预处理，解决了底物水解为整个厌氧消化过程的限速步骤的问题，并且无废物产生，处理后可直接用于厌氧消化。
（2）与未经过预处理的藻渣直接厌氧消化相比，酶解预处理后的藻渣厌氧消化时使得整个周期缩短了2－3天，甲烷产量提高了27.9％－30％。
（3）甲烷在气体中的平均比例提高了29.9％－57.7％，为下一步的净化提纯制备生物天然气提供了良好的条件。
本发明采用藻渣厌氧消化的预处理方法，对于提高藻渣厌氧消化制备沼气的效率具有重要意义。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方式
实施例1：
步骤一：采用的藻种为chlorella vulgaris （购自美国德克萨斯藻种保藏中心,UTEX 2714）。培养基成分为NH4Cl 400 mg/L, KH2PO4 56 mg/L,K2HPO4 108 mg/L，MgSO4·7H2O 100 mg/L，冰醋酸1 mg/L，具体操作为：将培养基分别加入到锥形瓶（具透气封口膜）中，经过121℃灭菌后经无菌操作接入藻种，然后置于光照培养箱中静置培养，每天震荡3次，培养温度为25℃，光照强度为4000 Lux（日光灯），培养7天。
步骤二：培养后的微藻静置沉降24h后去除上清液，收集下层湿藻后经高压均质机（NS3015H，意大利Niro Soavi公司）进行细胞破碎，均质压力为120Mpa，循环处理2次。选择正己烷作为萃取溶剂，将破壁细胞加入单口烧瓶中，按照1ml/g破壁细胞的比例加入溶剂，在55℃下磁力加热搅拌装置上浸出1h，结束后对其进行离心分离，收集上层的有机溶剂相，并回收藻体在相同的条件下进行二次浸提，最后湿藻体在真空干燥箱（操作温度为40℃，真空度为2000pa）中蒸脱24h，去除残留溶剂和水分，最终得到藻渣；
步骤三：将25g藻渣（特性参数如表1所示），按照底物浓度为1：5（w/w）的比例加入相应量的pH为4.8，浓度为50 mmol/L的柠檬酸缓冲液，然后以藻渣质量为基准，每克藻渣对应加入20活力单位的纤维素酶Acremonium cellulase，搅拌均匀后置于50℃的摇床中震荡反应48小时得到反应液。
表1 藻渣的特性参数
| 参数 | 数值 |
| 总固体物质(TS,%) | 94.6 |
| 挥发性固体物质(VS,%-TS) | 89.3 |
| 碳水化合物（％） | 21.8 |
| 蛋白质（％） | 50.4 |
| 脂肪(%) | 4.1 |
步骤四：用浓度为1mol/L的NaOH溶液将步骤一所得反应液的pH值调节为7.0，同样以原料藻渣质量为基准，每克藻渣对应加入3000活力单位的中性蛋白酶，搅拌均匀后置于40℃摇床中震荡反应3小时得到酶解产物。
步骤五：在1L的具塞广口瓶中加入310g厌氧消化污泥（取自滨州香驰集团淀粉废水厌氧发酵系统，其总固体物质含量为9.44%，挥发性固体物质为84.58%），然后加入步骤二中所得的酶解产物，补水至0.8L，搅拌均匀后盖上带有导管的瓶塞，通入氮气吹扫掉瓶中残留空气，导管出口连接气袋用于气体的收集，广口瓶放入35℃水浴锅中开始厌氧消化。
每天用便携式沼气分析仪（Geotech（吉奥泰科），产自英国）对集气袋中的气体成分进行检测，6天后产气基本结束。结果显示，经酶解的甲烷产量为4105ml，甲烷在产生气体中的平均含量（v/v）为60.4%。
以不经过酶解预处理的藻渣进行厌氧消化作为实施例1的对照，操作步骤同实施例1中的步骤三，10天后产气基本结束。结果显示，对照组中甲烷产量为3158ml，甲烷在产生的气体中平均含量（v/v）为46.5%。
将两组结果进行比较可以得出，藻渣经酶解后甲烷产量提高了30.0％，甲烷在气体中的含量提高了29.9％，整个周期缩短了约为2天。
实施例2：藻渣的质量改为12g，其余操作步骤同实施例1，4天后产气基本结束。结果显示，经酶解的甲烷产量为2110ml，甲烷在产生的气体中平均含量（v/v）为61.2%。
对照组中9天后产气基本结束。结果显示，甲烷产量为1650ml，甲烷在产生的气体中平均含量（v/v）为38.8%。
将两组结果进行比较可以得出，藻渣经酶解后甲烷产量提高了27.9％，甲烷在产生气体中的平均含量提高了57.7％，整个周期缩短了约为3天。
实施例3：藻渣的质量改为50g，其余操作步骤同实施例1，2天后产气基本结束。结果显示，经酶解的甲烷产量为682ml，甲烷在产生的气体中平均含量（v/v）为10.5%。
对照组中3天后产气结束，结果显示，甲烷产量为752ml，甲烷在产生的气体中平均含量（v/v）为12.5%。
实施例3中酶解与对照组实验中产气量都有了比较明显的降低，并且产气时间大大缩短。与实施例1、2进行对比得出，这主要是由于底物浓度过高，使得厌氧消化体系负荷过大，从而导致有机酸积累，对甲烷菌产生抑制作用，使得产气过程受到很大程度的影响。
Claims (1)
1.一种藻渣厌氧消化制备沼气的方法，其特征是它包括如下步骤：
步骤一：采用的藻种为chlorella vulgaris ，购自美国德克萨斯藻种保藏中心,UTEX 2714；培养基成分为NH4Cl 400 mg/L, KH2PO4 56 mg/L,K2HPO4 108 mg/L，MgSO4·7H2O 100 mg/L，冰醋酸1 mg/L，具体操作为：将培养基分别加入到具透气封口膜的锥形瓶中，经过121℃灭菌后经无菌操作接入藻种，然后置于光照培养箱中静置培养，每天震荡3次，培养温度为25℃，光照强度为4000 Lux，培养7天；
步骤二：培养后的微藻静置沉降24h后去除上清液，收集下层湿藻后经高压均质机进行细胞破碎，均质压力为120MPa，循环处理2次；选择正己烷作为萃取溶剂，将破壁细胞加入单口烧瓶中，按照1mL/g破壁细胞的比例加入溶剂，在55℃下磁力加热搅拌装置上浸出1h，结束后对其进行离心分离，收集上层的有机溶剂相，并回收藻体在相同的条件下进行二次浸提，最后湿藻体在真空干燥箱，操作温度为40℃，真空度为2000Pa中蒸脱24h，去除残留溶剂和水分，最终得到藻渣；
步骤三：将25g藻渣，所述藻渣的特性参数是总固体物质94.6%，挥发性固体物质在总固体物质中的含量为89.3%，碳水化合物21.8％，蛋白质50.4％，脂肪4.1 %；
按照底物浓度为1：5w/w的比例加入相应量的pH为4.8，浓度为50 mmol/L的柠檬酸缓冲液，然后以藻渣质量为基准，每克藻渣对应加入20活力单位的纤维素酶Acremonium cellulase，搅拌均匀后置于50℃的摇床中震荡反应48小时得到反应液；
步骤四：用浓度为1mol/L的NaOH溶液将步骤三所得反应液的pH值调节为7.0，同样以原料藻渣质量为基准，每克藻渣对应加入3000活力单位的中性蛋白酶，搅拌均匀后置于40℃摇床中震荡反应3小时得到酶解产物；
步骤五：在1L的具塞广口瓶中加入310g厌氧消化污泥，取自滨州香驰集团淀粉废水厌氧发酵系统，其总固体物质含量为9.44%，挥发性固体物质为84.58%，然后加入步骤四中所得的酶解产物，补水至0.8L，搅拌均匀后盖上带有导管的瓶塞，通入氮气吹扫掉瓶中残留空气，导管出口连接气袋用于气体的收集，广口瓶放入35℃水浴锅中开始厌氧消化；每天用便携式沼气分析仪对集气袋中的气体成分进行检测，6天后产气基本结束。
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