CN105506030A - 一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺 - Google Patents

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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Abstract

本发明涉及一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺。采用纤维素酶对木质纤维素进行预处理，并促进厌氧发酵过程中木质纤维素的水解，步骤为：调节原料的含水率低于10%；采用破碎机械对木质纤维素进行物理破碎；将纤维素酶加入到破碎后的木质纤维素中；向木质纤维素和纤维素酶混合液中加入缓冲溶液并控制含固率低于10%；于50℃下反应72小时，并充分搅拌；直接在木质纤维素混合液中加入厌氧发酵接种物进行发酵，接种物干物质的添加量为木质纤维素干物质量的50%-300%。本发明可增强反应器内部的纤维素酶含量，从而提高厌氧发酵过程中纤维素酶的含量，促进厌氧发酵的效率，提高日产气率、累积产气率和单位原料产气率。

Description

一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺
技术领域
本发明涉及木质纤维素厌氧发酵技术领域，包括农业秸秆、园林垃圾、能源作物等含有木质纤维素成分的废弃物厌氧产沼气预处理及发酵工艺。
背景技术
近年来，大量使用化石能源带来的能源枯竭问题和环境污染问题对日常生活的影响日渐突出。利用生物质生产可再生能源是缓解这两大问题的可行性途径之一。
木质纤维素是广泛存在于自然界的一种生物质资源。通过厌氧发酵，木质纤维素中含有的纤维素和半纤维素可以被转换成沼气。利用木质纤维素厌氧发酵产沼气技术，可以在解决农业秸秆废弃物和园林垃圾处理问题的基础上回收能源。此外，也能以能源作物作为发酵底物来制取沼气，进行可再生能源的生产。
木质纤维素的主要成分是木质素、纤维素和半纤维素。在厌氧发酵过程中，微生物主要利用其中的纤维素和半纤维素进行代谢活动，并产生沼气。但由于纤维素和半纤维素是大分子聚合物，微生物对其降解的速度十分缓慢，只有当其变成小分子物质后才能快速被微生物利用。在木质纤维素厌氧发酵的过程中，微生物通过分泌纤维素酶来对纤维素进行水解。另外，厌氧发酵过程中，除了参与水解的微生物，还有酸化、产氢、产甲烷等微生物参与，因此其纤维素水解酶的活性较低，底物水解较慢。因此，纤维素和半纤维素的水解是木质纤维素厌氧发酵的限速步骤。在大多数植物中，纤维素含量与可降解性都普遍高于半纤维素，所以如何快速地将纤维素水解成小分子是关系到木质纤维素厌氧发酵的最重要的核心因素。
为了提高木质纤维素的降解效率，会使用各种预处理方式来提高木质纤维素的生物可降解性。以酸碱预处理为代表的化学预处理是应用最广泛的预处理。但是酸碱预处理会产生难生物降解的废液，其中含有抑制厌氧微生物活性的糠醛、呋喃等物质，会产生二次污染。
发明内容
本发明的目的是针对木质纤维素厌氧发酵现存的水解效率较低问题，而提供的一种有效增强木质纤维素底物中纤维素水解，从而提高产气效率、缩短产气周期的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
（1）通过晾晒、通风等方法调节原料木质纤维素的含水率低于10%；
（2）采用破碎机械对木质纤维素进行机械物理破碎；
（3）纤维素酶按比例加入到木质纤维素中，投加的纤维素酶总活性按照CMC酶活计算，投加量以木质纤维素成分中的纤维素含量计算，每克纤维素投加200U纤维素酶；
（4）向步骤（3）得到的木质纤维素与纤维素酶的混合物中加入缓冲溶液，并控制含固率低于10%；
（5）于50℃下反应72小时，并充分搅拌；
（6）直接在步骤（5）得到的产物中加入厌氧发酵接种物进行发酵，接种物干物质的添加量为木质纤维素干物质量的50%-300%。
本发明中，木质纤维素为以玉米稻秸秆、稻草为代表的农业秸秆，以木屑、落叶、杂草为代表的园林废弃物，以芒草为代表的能源作物等木质纤维素材料中的任意一种或两种及以上的混合物。
本发明中，所述纤维素酶为纤维素内切酶、纤维素外切酶和葡萄糖苷酶的混合物。
本发明中，缓冲溶液的pH为4.8-5.5，采用醋酸-醋酸钠体系或柠檬酸-柠檬酸钠体系中任一种。
本发明中，步骤（2）中木质纤维素破碎后粒径为0.1~1cm。
本发明中，当使用纤维素酶预处理完成后，并不对纤维素酶酶解液和剩余的底物进行任何处理，而是直接对其混合物进行厌氧发酵。
本发明的有益效果是：
1.本发明的木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，可以有效地在短时间内将纤维素水解为低聚葡萄糖、纤维二糖和葡萄糖，预处理水解液中还原糖的浓度较高，增加了厌氧发酵反应器进水中易生物利用成分的含量，促进厌氧微生物的生长，加速厌氧过程的启动。
2.本发明的木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，可以有效破坏底物的纤维结构，从而有效减少发酵过程中的浮渣和结壳问题。
3.本发明的木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，可以增强反应器内部的纤维素酶含量，从而提高厌氧发酵过程中纤维素酶的含量，促进厌氧发酵的效率，提高日产气率、累积产气率和单位原料产气率。与传统工艺相比，同样周期时间本工艺累积甲烷产量更高。
4.本发明的木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，可以缩短厌氧发酵的周期。与传统工艺相比，达到同样的消化效率和产气量本工艺所需时间更短。
5.本发明的木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，不会产生额外的废弃物，没有二次污染。
附图说明
图1本发明工艺流程图；
图2利用稻草秸秆发酵时本发明工艺与传统工艺日沼气产量比较图；
图3利用稻草秸秆发酵时本发明工艺与传统工艺累积沼气产量比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步描述：
实施例1
实施例采用稻草秸秆作为本工艺的底物。具体实施工艺步骤见图1。
1）收集来的稻草含水率较高，将其放置在玻璃温室内进行晾晒，晾晒后测试其含水率约为6.5%；
2）采用螺旋挤出破碎机对烘干后的稻草秸秆进行破碎，破碎后过筛，将粒径大于1cm的物料筛出后重新破碎，将粒径小于1cm的物料收集起来；
3）向破碎好的稻草中加入纤维素酶，纤维素酶的添加量约为每克纤维素200U。本实施例中使用稻草纤维素含量为36.8%，因此纤维素酶的添加量约为74U/g。将纤维素酶与稻草充分混合；
4）向纤维素酶与稻草的混合物中加入pH为5.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，并用缓冲溶液将混合物含水率调整为5%。充分混合稻草、纤维素酶与缓冲溶液；
5）将混合好的物料放入50℃的环境中反应72小时，反应过程中充分搅拌。反应完成后，测试液相中的还原糖浓度约为0.17mg/mL。液相中残留的酶活性为反应前的65%，即纤维素酶的消耗量为35%；
6）往预处理过后的混合物中加入经厌氧发酵的牛粪作为接种物，接种物干物质的添加量为稻草秸秆干物质量的100%。将接种后的稻草秸秆混合物置于35℃恒温条件下厌氧发酵57天，并记录其日沼气产量，并通过日沼气产量计算累积沼气产量。
本实施例中，采用同样的稻草秸秆，破碎后直接进行发酵的传统工艺作为与本发明的比较工艺。本实施例结果显示（参见图2、图3），采用本发明的预处理及发酵工艺，在物料投加后第一天即有一个产气高峰，之后的日产气量均高出传统工艺10%-30%。整个产气过程中的总沼气累积产量比传统工艺高出20%。

Claims (6)

1.一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，其特征在于采用纤维素酶对木质纤维素进行预处理，并促进厌氧发酵过程中木质纤维素的水解，包括以下步骤：
(1)调节原料木质纤维素的含水率低于10%；
(2)采用破碎机械对木质纤维素进行物理破碎；
(3)纤维素酶按比例加入到木质纤维素中；投加的纤维素酶总活性按照CMC酶活计算，投加量以木质纤维素成分中的纤维素含量计算，每克纤维素投加200U纤维素酶；
(4)向步骤（3）得到的木质纤维素与纤维素酶的混合物中加入缓冲溶液，并控制含固率低于10%；
(5)于50℃下反应72小时，并充分搅拌；
(6)直接在步骤（5）得到的产物中加入厌氧发酵接种物进行发酵，接种物干物质的添加量为木质纤维素干物质量的50%-300%。
2.根据权利要求1所述的一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，其特征在于：木质纤维素为以玉米秸秆、稻草为代表的农业秸秆，或以木屑、落叶、杂草为代表的园林废弃物，或以芒草为代表的能源作物等任意一种或两种及以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，其特征在于：所述纤维素酶为纤维素内切酶、纤维素外切酶和葡萄糖苷酶的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，其特征在于：缓冲溶液的pH为4.8-5.5，采用醋酸-醋酸钠体系或柠檬酸-柠檬酸钠体系中任一种。
5.根据权利要求1所述的一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，其特征在于：步骤（3）中当使用纤维素酶预处理完成后，并不对纤维素酶酶解液和剩余的底物进行任何处理，而是直接对其混合物进行厌氧发酵。
6.根据权利要求1所述的一种木质纤维素厌氧产沼气预处理及发酵工艺，其特征在于：步骤（2）中木质纤维素破碎后粒径为0.1~1cm。
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