CN103160543A - 一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，步骤如下：（1）取含有木质纤维素的原料，加入纤维素酶液，再加入水或沼液，于35～50℃处理1～48小时，制得预处理原料；（2）将步骤（1）制得的预处理原料经沼气池厌氧发酵，制得沼气。本发明通过对含有纤维素的沼气池原料用纤维素酶液进行预处理，使原料中难降解的纤维素类物质被纤维素酶初步降解，从而提高了厌氧发酵中产沼气的微生物对底物的利用率，不仅提高了沼气池的沼气产量，而且解决了沼气池投料后原料易漂浮于沼液上难以被降解的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，属于酶工程技术领域。
背景技术
近年来，沼气作为一种可再生的绿色清洁能源越来越受到人们的重视。特别是在农村大量的生物质资源以及养殖行业的次级代谢物质不能被很好的利用，生物质以及代谢物质发酵产沼气一种很好的利用途径，并且现在这种清洁能源的再生产技术已经普及到广大的农村。另外，生产出的沼气还可以经过进一步的加工，利用CO和H2改造成不可再生资源石油的替代品。但是在沼气池的实际使用中存在一些普遍的问题，表现为沼气发酵原料得不到充分的利用而被浪费，实际沼气转换率（原料利用率）很低。特别是当发酵原料中含有木质纤维素时，往往原料的消化率很低，并且原料容易漂浮在液面上，不容易被微生物利用，同时沼气池中污泥的增多也容易形成堵塞，造成产气量低甚至不产汽。因此提高沼气池发酵原料的利用率及沼气产生率是非常必要的。
在实际的沼气发酵过程中，生物质的利用可能受到多方面的影响，比如前期生物质的预处理，对发酵温度、菌种、时间等的控制。现在随着生物技术的发展，各种发酵设备的生产，以及菌种筛选技术的进步，对发酵温度及时间的逐渐自动化，表现为对生物质的预处理日趋的重要。好的预处理条件对后期的沼气发酵可能会起到事半功倍的效果。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供利用纤维素酶在中温条件下对生物质资源进行酶解预处理，挖掘产沼气的潜力；同时探究不同种类的纤维素酶酶解木质纤维素原料能力对沼气产量的影响；从而达到增加沼气生产率以及转化率的目的。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案
一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）取含有木质纤维素的原料，按每克原料添加3～10mg的量加入纤维素酶液，含有木质纤维素的原料以干重计，再加入5～13倍重量的水或沼液，于35～50℃处理1～48小时，制得预处理原料；
（2）将步骤（1）制得的预处理原料经沼气池厌氧发酵，制得沼气。
根据本发明优选的，所述步骤（1）中纤维素酶液的制备方法如下：
取产纤维素酶菌株，接种于活化培养基中，在28～32℃的条件下活化培养2～3天，然后按5～10%的体积及百分比转接于产酶培养基中，在28～32℃、180～220rpm的条件下发酵培养4～6天，经3000～10000rpm离心3～10min，取上清，制得纤维素酶液。
进一步优选的，所述的产纤维素酶菌株选自：青霉属（Penicillium spp.）、曲霉属（Aspergillus spp.）、篮状真菌属（Talaromyces spp.）、枝顶孢真菌属（Acremonium spp.）、木霉菌属（Trichoderma spp.）。本领域技术人员均能够预料到，目前已知的能够产纤维素酶的菌株均可以实现本发明的发明目的。
更优选的，所述的产纤维素酶菌株选自：棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）、里氏木霉（Trichoderma reesei）或斜卧青霉（Penicillum decumbens）。
所述的棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号1015；所述的里氏木霉（Trichoderma reesei）为购自美国模式培养物集存库（ATCC）的里氏木霉（Trichoderma reesei）QM6a，菌种保藏编号13631；所述的斜卧青霉（Penicillumdecumbens）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号10436。
进一步优选的，所述的活化培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1～3%，蛋白胨1～3%，麸皮1～4%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，余量水，pH自然。
进一步优选的，所述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯纤维废渣3～5%，蛋白胨1～3%，麸皮3～5%，微晶纤维素0.4～0.6%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，吐温800.2～0.4%，余量水，pH自然。
根据本发明优选的，所述步骤（1）中处理时间为2～6小时。
所述步骤（2）中沼气池厌氧发酵步骤、条件可参照《农业工程技术(新能源产业)》2010年02期黄枭等人发表的《玉米秸秆不同预处理产沼气对比试验》中记载的内容。
根据本发明优选的，所述步骤（1）中含有木质纤维素的原料为含有木质纤维素30～60wt%的原料。
根据本发明优选的，所述步骤（1）中的沼液为经沼气池一次厌氧发酵后分离沼渣后的液体。
有益效果
1、本发明通过对含有纤维素的沼气池原料用纤维素酶液进行预处理，使原料中难降解的纤维素类物质被纤维素酶初步降解，从而提高了厌氧发酵中产沼气的微生物对底物的利用率，不仅提高了沼气池的沼气产量，而且解决了沼气池投料后原料易漂浮于沼液上难以被降解的问题。
2、本发明采用纤维素酶液进行预处理，处理过程不另外添加酸、碱等物质、不需要高温、高压处理，因此操作简单，成本低。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
生物材料来源
实施例1～3中的棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号1015；
实施例1～4中的里氏木霉（Trichoderma reesei）为购自美国模式培养物集存库（ATCC）的里氏木霉（Trichoderma reesei）QM6a，菌种保藏编号13631；
实施例1～3中的斜卧青霉（Penicillum decumbens）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号10436。
原料说明
实施例中使用的含有木质纤维素的原料中澳控股集团的鸭粪，经检测，该鸭粪中木质纤维素含量为51%。
实施例中采用排水法检测沼气产量。
实施例1：
一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）取含有木质纤维素的原料30kg，按3mg/g的量加入纤维素酶液，含有木质纤维素的原料以干重计，再加入5倍重量的水，于35℃处理1小时，制得预处理原料；
（2）将步骤（1）制得的预处理原料经沼气池厌氧发酵，制得沼气。沼气池厌氧发酵步骤、条件可参照《农业工程技术(新能源产业)》2010年02期黄枭等人发表的《玉米秸秆不同预处理产沼气对比试验》中记载的内容。
所述步骤（1）中纤维素酶液的制备方法如下：
取产纤维素酶菌株，接种于活化培养基中，在28℃的条件下活化培养2天，然后按10%的体积及百分比转接于产酶培养基中，在32℃、180rpm的条件下发酵培养4天，经3000rpm离心10min，取上清，制得纤维素酶液。
上述的活化培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1%，蛋白胨1%，麸皮1%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，余量水，pH自然。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯纤维废渣3%，蛋白胨1%，麸皮3%，微晶纤维素0.4%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，吐温800.2%，余量水，pH自然。
实验例1
分别取棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）、里氏木霉（Trichoderma reesei），斜卧青霉（Penicillum decumbens）作为产纤维素酶菌株并分别标为实验组1、实验组2和实验组3，按照实施例1所述的方法制备沼气，同时将未经纤维素酶液预处理的原料制备沼气作为对照组1，实验结果如表1所示。
表1
结果分析：
从上表中可以明显看出，实验组1～3的前18天的累计产气量、原料产气量均比对照组1高，并且实验组2总的产气量提高了3.8倍，原料产气量也提高了5.4倍之多，可见原料经过纤维素酶的预处理，能够较大程度提高沼气的产量。
实施例2
一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）取含有木质纤维素的原料30kg，按10mg/g的量加入纤维素酶液，含有木质纤维素的原料以干重计，再加入10倍重量的水，于45℃处理6小时，制得预处理原料；
（2）将步骤（1）制得的预处理原料经沼气池厌氧发酵，制得沼气。沼气池厌氧发酵步骤、条件可参照《农业工程技术(新能源产业)》2010年02期黄枭等人发表的《玉米秸秆不同预处理产沼气对比试验》中记载的内容。
所述步骤（1）中纤维素酶液的制备方法如下：
取产纤维素酶菌株，接种于活化培养基中，在30℃的条件下活化培养3天，然后按8%的体积及百分比转接于产酶培养基中，在30℃、220rpm的条件下发酵培养5天，经10000rpm离心10min，取上清，制得纤维素酶液。
上述的活化培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖3%，蛋白胨3%，麸皮4%，硝酸钠0.3%，硫酸铵0.3%，磷酸二氢钾0.3%，硫酸镁0.06%，尿素0.3%，余量水，pH自然。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯纤维废渣5%，蛋白胨3%，麸皮5%，微晶纤维素0.6%，硝酸钠0.3%，硫酸铵0.3%，磷酸二氢钾0.3%，硫酸镁0.06%，尿素0.3%，吐温800.4%，余量水，pH自然。
实验例2
分别取棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）、里氏木霉（Trichoderma reesei），斜卧青霉（Penicillum decumbens）作为产纤维素酶菌株并分别标为实验组4、实验组5和实验组6，按照实施例2所述的方法制备沼气，同时将未经纤维素酶液预处理的原料制备沼气作为对照组2，实验结果如表2所示。
表2
结果分析：
从上表中可以明显看出，实验组4～6的前18天的累计产气量、原料产气量均比对照组2高，并且实验组5总的产气量提高了5.29倍，原料产气量也提高了7.39倍之多，可见原料经过纤维素酶的预处理，能够较大程度提高沼气的产量。
实施例3
一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）取含有木质纤维素的原料30kg，按8mg/g的量加入纤维素酶液，含有木质纤维素的原料以干重计，再加入13倍重量的水，于50℃处理4小时，制得预处理原料；
（2）将步骤（1）制得的预处理原料经沼气池厌氧发酵，制得沼气。沼气池厌氧发酵步骤、条件可参照《农业工程技术(新能源产业)》2010年02期黄枭等人发表的《玉米秸秆不同预处理产沼气对比试验》中记载的内容。
所述步骤（1）中纤维素酶液的制备方法如下：
取产纤维素酶菌株，接种于活化培养基中，在32℃的条件下活化培养2天，然后按10%的体积及百分比转接于产酶培养基中，在28℃、200rpm的条件下发酵培养6天，经5000rpm离心8min，取上清，制得纤维素酶液。
上述的活化培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖2%，蛋白胨2%，麸皮3%，硝酸钠0.2%，硫酸铵0.2%，磷酸二氢钾0.2%，硫酸镁0.05%，尿素0.2%，余量水，pH自然。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯纤维废渣4%，蛋白胨4%，麸皮4%，微晶纤维素0.5%，硝酸钠0.2%，硫酸铵0.2%，磷酸二氢钾0.2%，硫酸镁0.05%，尿素0.2%，吐温800.3%，余量水，pH自然。
实验例3
分别取棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）、里氏木霉（Trichoderma reesei），斜卧青霉（Penicillum decumbens）作为产纤维素酶菌株并分别标为实验组7、实验组8和实验组9，按照实施例3所述的方法制备沼气，同时将未经纤维素酶液预处理的原料制备沼气作为对照组3，实验结果如表3所示。
表3
结果分析：
从上表中可以明显看出，实验组7～9的前18天的累计产气量、原料产气量均比对照组3高，并且实验组8总的产气量提高了2.3倍，原料产气量也提高了3.43倍之多，可见原料经过纤维素酶的预处理，能够较大程度提高沼气的产量。
实施例4
一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）取含有木质纤维素的原料30kg，按10mg/g的量加入纤维素酶液，含有木质纤维素的原料以干重计，再加入10倍重量的沼液，分别于35℃、45℃和50℃处理6小时，制得预处理原料；所述沼液为经沼气池一次厌氧发酵后分离沼渣后的液体。
（2）将步骤（1）制得的预处理原料经沼气池厌氧发酵，制得沼气。沼气池厌氧发酵步骤、条件可参照《农业工程技术(新能源产业)》2010年02期黄枭等人发表的《玉米秸秆不同预处理产沼气对比试验》中记载的内容。
所述步骤（1）中纤维素酶液的制备方法如下：
取产纤维素酶菌株，接种于活化培养基中，在30℃的条件下活化培养3天，然后按8%的体积及百分比转接于产酶培养基中，在30℃、220rpm的条件下发酵培养5天，经10000rpm离心10min，取上清，制得纤维素酶液。
上述的活化培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖3%，蛋白胨3%，麸皮4%，硝酸钠0.3%，硫酸铵0.3%，磷酸二氢钾0.3%，硫酸镁0.06%，尿素0.3%，余量水，pH自然。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯纤维废渣5%，蛋白胨3%，麸皮5%，微晶纤维素0.6%，硝酸钠0.3%，硫酸铵0.3%，磷酸二氢钾0.3%，硫酸镁0.06%，尿素0.3%，吐温800.4%，余量水，pH自然。
实验例4
取里氏木霉（Trichoderma reesei）作为产纤维素酶菌株并分别将35℃处理6小时标为实验组10、45℃处理6小时标为实验组11、50℃处理6小时标为实验组12，按照实施例4所述的方法制备沼气，实验结果如表4所示。
表4
结果分析：
从上表中可以明显看出，实验组10～12的前18天的累计产气量、原料产气量均比对照组1～3高，并且实验组11总的产气量提高了4.5倍，原料产气量也提高了6.3倍之多，可见原料经过纤维素酶的预处理，能够较大程度提高沼气的产量，并且充分利用了沼液，减少了废弃物的排放。
Claims (9)
1.一种提高含有木质纤维素原料的沼气产量的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）取含有木质纤维素的原料，按每克原料添加3～10mg的量加入纤维素酶液，含有木质纤维素的原料以干重计，再加入5～13倍重量的水，于35～50℃处理1～48小时，制得预处理原料；
（2）将步骤（1）制得的预处理原料经沼气池厌氧发酵，制得沼气。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中纤维素酶液的制备方法如下：
取产纤维素酶菌株，接种于活化培养基中，在28～32℃的条件下活化培养2～3天，然后按5～10%的体积及百分比转接于产酶培养基中，在28～32℃、180～220rpm的条件下发酵培养4～6天，经3000～10000rpm离心3～10min，取上清，制得纤维素酶液。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的产纤维素酶菌株选自：青霉属（Penicillium spp.）、曲霉属（Aspergillus spp.）、篮状真菌属（Talaromyces spp.）、枝顶孢真菌属（Acremonium spp.）、木霉菌属（Trichoderma spp.）。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的产纤维素酶菌株选自：棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）、里氏木霉（Trichoderma reesei）或斜卧青霉（Penicillumdecumbens）。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的活化培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1～3%，蛋白胨1～3%，麸皮1～4%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，余量水，pH自然。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯纤维废渣3～5%，蛋白胨1～3%，麸皮3～5%，微晶纤维素0.4～0.6%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，吐温800.2～0.4%，余量水，pH自然。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中处理时间为2～6小时。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中含有木质纤维素的原料为含有木质纤维素30～60wt%的原料。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的沼液为经沼气池一次厌氧发酵后分离沼渣后的液体。
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