CN107299116B

CN107299116B - 植物次生代谢产物在生物质厌氧发酵中的应用

Info

Publication number: CN107299116B
Application number: CN201710654246.4A
Authority: CN
Inventors: 田云; 王翀; 卢向阳; 杨辉
Original assignee: Hunan Agricultural University
Current assignee: Hunan Agricultural University
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: CN107299116A

Abstract

本发明属于生物质资源化利用领域，具体是提供一种植物次生代谢产物在生物质厌氧发酵中的新用途。通过向生物质厌氧发酵原料中加入植物次生代谢产物，促进微生物的活动，从而提高生物质资源厌氧发酵产甲烷的含量。本发明主要应用于秸秆等农林废弃物、芒草等能源作物、畜禽废弃物、餐厨垃圾或其它固体废弃物等生物质厌氧发酵生产沼气领域，通过向厌氧发酵体系中加入少量的植物次生代谢产物可以促进厌氧发酵的启动，提高甲烷的产率。

Description

植物次生代谢产物在生物质厌氧发酵中的应用

技术领域

本发明涉及植物次生代谢产物在促进生物质厌氧消化提高产甲烷效率方面的新用途，属于生物质资源化利用领域。

背景技术

生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物，主要是指农林废弃物、能源植物、畜禽废弃物等。我国生物质资源十分丰富，如能对其进行高效开发利用，对解决我国能源、生态和环境问题具有重要作用。厌氧发酵技术是生物质资源实现高效开发利用的重要途径之一，生物质厌氧发酵是指利用厌氧微生物的同化作用，在适宜的条件下将生物质原料经过特定的代谢途径转化为人类所需产物的过程，其中生物质厌氧发酵产沼气过程主要包括水解、酸化、产甲烷等阶段。

国内外针对生物质资源的厌氧发酵进行了大量的研究，主要包括发酵原料、发酵方法与工艺以及发酵装置等方面。其中通过向发酵液中添加不同的催化剂(是指促进有机物分解，并能提高产气率的各种物质的统称)，创造满足微生物生长和发酵的条件，是该领域的研究热点之一。目前发现的厌氧发酵催化剂主要包括各种微生物(水解菌、产酸菌、产甲烷菌等)、酶类(纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶等)、营养物质(氮、磷、钾、钙等)、螯合剂(伊红美蓝、丝氨酸-钴配合物等)、微量元素(铁、钴、镍、硒等)、吸附剂(活性炭、皂土、果胶、铝粉等)以及各种抑制剂(重金属离子、酸类、氰化物、硫酸盐)等。如Xi等将亚铁血红素添加到活性污泥中，并以麦秆为底物进行厌氧发酵，发现亚铁血红素能够显著提高其产气量。公开号为CN106929540A的中国公开了一种提高厌氧发酵产甲烷效率及沼气中甲烷含量的方法，其技术方案主要为：一种提高厌氧发酵产甲烷效率及沼气中甲烷含量的方法，利用向固体废弃物发酵原料中加入CaO₂，形成微好氧的环境,进而固定一部分CO₂从而提高厌氧发酵产甲烷效率及沼气中甲烷含量。具体是：将固体浓度可在4-20％之间的有机废弃物原料与CaO₂混合，使加入的CaO₂与体系内水缓慢反应产生氧气形成微好氧的环境，进一步水解进而提高体系沼气中甲烷含量并提高稳定性；其中，CaO₂用量为0.032-0.064g/g VS底物。所述CaO₂为直径1mm左右的颗粒物。所述厌氧发酵过程中原料为农作物秸秆废弃物、粪便或餐厨垃圾。因此，寻找安全、高效的催化剂是推动生物质厌氧发酵技术应用的重要途径之一。

植物次生代谢产物是植物对环境的一种适应，是在长期进化过程中植物与生物和非生物因素相互作用的结果，在对环境胁迫的适应、植物与植物之间的相互竞争和协同进化、植物对昆虫的危害、草食性动物的采食及病原微生物的侵袭等过程的防御中起着重要作用。植物次生代谢产物种类丰富、来源多样，根据其基本结构特点主要分为萜类、酚类和含氮化合物三大类，是天然药物和工业原料的重要来源，目前被广泛应用于药物、香料、化妆品、燃料和食品等领域，但尚未见其在厌氧发酵领域中的应用。

发明内容

针对目前在沼气发酵过程中，沼气池中微生物转化速度越快直接影响沼气产生速度快慢，沼气质量好坏与甲烷含量直接相关，因此主要指标是沼气产生速度和甲烷产生量。若沼气中甲烷含量越高，说明沼气池的转化效率越高。本发明的目的是提供一种运用植物次生代谢产物促进生物质有机物分解，提高其厌氧发酵产甲烷含量的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

植物次生代谢产物在生物质厌氧发酵中的应用，通过向生物质厌氧发酵原料中加入植物次生代谢产物，促进微生物的活动，从而提高生物质资源厌氧发酵产甲烷的含量。

具体是：在总固体(Total Solid，TS)含量4-45％之间的厌氧发酵原料中加入植物次生代谢产物，混匀，从而使加入的植物次生代谢产物能够促进厌氧发酵体系中相关微生物的活动，从而提高厌氧发酵体系中所产沼气的含量；其中，植物次生代谢产物的用量为0.0001-0.02g/g VS物料。

所述厌氧发酵原料为秸秆、玉米杆、木屑等农林废弃物；各种树皮、果皮；芒草、桉木等能源植物、畜禽废弃物、餐厨垃圾或其它固体废弃物等中的一种或者多种。

所述发酵体系中还可以添加其他催化剂，其他催化剂包括微生物、酶类、营养物质、螯合剂、微量元素、吸附剂、抑制剂以及其他具有催化作用的物质等中的一种或者几种。

所述植物次生代谢产物包括芍药甙、银杏黄酮、茶多酚、薯蓣皂甙、葛根黄酮、柠檬醛、樟脑等在内的各类植物次生代谢产物中的一种或几种。

所述各种植物次生代谢产物用于促进多种农业废弃物厌氧共消化产甲烷性能的方法,具体包括以下步骤:

⑴物料预处理方式:厌氧发酵原料取回后自然风干，破碎至1cm左右的小段，置于阴凉干燥处备用；猪粪为人工干清粪，取回后置于4℃冰箱中冷藏备用；厌氧活性污泥取自CSTR反应器，取回后调节含水率，储存于密封的容器中并通入氮气，使之与大气中的氧气隔绝，并使容器中的温度保持在15-25℃；在隔离空气的条件下向容器内加入营养物，其每天的营养物加入量为容器内污泥容积的0.5-1.5％，并随时导出容器内的气体；

⑵植物次生代谢产物添加方式：将不同浓度的植物次生代谢产物与物料一并投入厌氧活性污泥中,使物料中每克挥发性固体所含植物次生代谢产物的量为0.0001-0.02g/gVS物料。

⑶厌氧消化进料要求：利用全自动甲烷潜能测试装置AMPTS进行中温批式厌氧消化反应。按照厌氧活性污泥与物料的挥发性固体比例为2:1，猪粪与厌氧发酵原料的挥发性固体比为1:1进料，并控制发酵罐内总固体浓度为10％左右。按照步骤⑵添加提取物；添加完毕后，手动摇匀反应瓶，利用橡胶塞将瓶口封住，连接机械搅拌，然后将瓶子装进37℃恒温水浴锅，采用聚乙烯软管将实验装置的各个单元连接起来，充氮气2min保证厌氧环境，在充氮完毕后迅速连接CO₂吸收单元；设置搅拌周期为开启60s，停止60s，搅拌强度约为84rpm；实验启动，产生的数据被AMPTS软件记录并处理，实验结束后从电脑中导出标准状态下的数据。

定义：

总固体又称蒸发总残留物，是在规定条件下，水样蒸发烘干至恒重时残留的物质。

挥发性固体(Volatile Solid，VS)：是指在总固体中能在550℃高温下挥发的那部分固体。

技术效果

1、本发明是通过直接向厌氧发酵体系中添加植物次生代谢产物，促进有关微生物的活动，加速有机物的分解，从而提高发酵产物沼气中甲烷的含量；同时该发明无需增加额外设备，操作简单易行。

2、该方法所适用的厌氧发酵底物广泛，可为秸秆等农林废弃物、芒草等能源作物、畜禽废弃物、餐厨垃圾或其它固体废弃物等；所适用的发酵浓度范围宽，厌氧发酵过程中总固体含量可在4-45％之间。

3、本发明所使用的植物次生代谢产物用量少，成本低。

附图说明

图1.每进料周期的累积甲烷产量。

具体实施方式

以下用本发明的实施例来进一步说明本发明的实质性内容，但并不以此限制本发明。

实施例1：复合沼气发酵菌剂制备

复合沼气发酵菌剂由下述方法制备：(1)培养沼气发酵菌剂：将马氏甲烷球菌，地下甲烷杆菌，西西里甲烷八叠球菌，竹节状甲烷鬃菌，分别从斜面接种入培养基中在温度20-25℃分别培养20-30小时后于2-10℃低温培养70-96小时，除去培养基上层的甲烷，充入二氧化碳，获得产沼气的微生物发酵液；将寒冷产甲烷菌，嗜酸甲烷八叠球菌，分别从斜面接种入培养基中在温度20-23℃分别培养24小时后，于2-5℃培养20-40小时后调整温度为20-22℃继续培养50-70小时，除去培养基上层的甲烷，充入二氧化碳，得产沼气的微生物发酵液；(2)离心或絮凝处理：得微生物菌泥，将上述菌泥按照重量份数比例混合：(3)添加保护剂载体：将保护剂载体与步骤2混合的微生物菌泥以1-10∶1按照质量比例混合混匀；(4)干燥和包装：将步骤3所得加入保护剂的菌剂与植物次生代谢产物以质量比20-100∶1混合，30-45℃风干成固体沼气发酵菌剂；(5)将上述风干后的固体沼气发酵菌剂用塑料袋密封包装，包装时再次添加总重量5-15％的植物次生代谢产物混合。

实施例：芍药甙促进多种农业废弃物厌氧产甲烷性能的方法

物料预处理方式:芒草茎秆取回后自然风干，破碎至1cm左右的小段，置于阴凉干燥处备用。猪粪为人工干清粪，取回后置于4℃冰箱中冷藏备用。厌氧活性污泥取自CSTR反应器,取回后调节含水率，储存于密封的容器中并通入氮气，使之与大气中的氧气隔绝，并使容器中的温度保持在15-25℃；在隔离空气的条件下向容器内加入营养物，其每天的营养物加入量为容器内污泥容积的0.5-1.5％，并随时导出容器内的气体。

芍药甙添加方式：将不同浓度的芍药甙与物料一并投入厌氧活性污泥中,使物料中每克挥发性固体所含芍药甙的量为0.0001-0.01g/g VS物料。

厌氧消化进料要求：利用全自动甲烷潜能测试装置AMPTS进行中温批式厌氧消化反应。按照厌氧活性污泥与物料的挥发性固体比例为2:1，猪粪与芒草茎秆的挥发性固体比为1:1进料，并控制发酵罐内总固体浓度为10％左右。按照步骤⑵添加芍药甙。添加完毕后，手动摇匀反应瓶，利用橡胶塞将瓶口封住，连接机械搅拌，然后将瓶子装进37℃恒温水浴锅，采用聚乙烯软管将实验装置的各个单元连接起来，充氮气2min保证厌氧环境，在充氮完毕后迅速连接CO₂吸收单元。设置搅拌周期为开启60s，停止60s，搅拌强度约为84rpm。实验启动，产生的数据被AMPTS软件记录并处理，实验结束后从电脑中导出标准状态下的数据。为了保证实验的重复性，每组实验设计3个平行。以厌氧活性污泥作为空白对照。

芍药甙添加量为0.0002、0.0004、0.0008、0.001、0.01时，芒草茎秆于猪粪厌氧共消化的的产甲烷性能见表1：

表1 不同芍药苷添加量对农业废弃物厌氧共消化性能的影响

实施例3：黄酮醇苷促进多种农业废弃物厌氧产甲烷性能的方法

物料预处理方式:芒草茎秆取回后自然风干，破碎后过20目筛，置于阴凉干燥处备用。猪粪为人工干清粪，取回后置于4℃冰箱中冷藏备用。厌氧活性污泥取自CSTR反应器,取回后调节含水率，储存于密封的容器中并通入氮气，使之与大气中的氧气隔绝，并使容器中的温度保持在15-25℃；在隔离空气的条件下向容器内加入营养物，其每天的营养物加入量为容器内污泥容积的0.5-1.5％，并随时导出容器内的气体。

黄酮醇苷的添加方式：黄酮醇苷添加量为，物料每克挥发性固体中含0.0002、0.0006g黄酮醇苷，将黄酮醇苷与物料混匀后，调节物料的含水率和pH后，投入装有厌氧活性污泥的发酵罐中。

连续厌氧消化实验：采用CSTR反应器进行中温连续厌氧消化反应。反应器运行过程中，每天由底部出料口经蠕动泵排出厌氧消化物，然后由顶部进料口投加步骤⑵所述的农业生物质物料。在其顶部设有搅拌器，转速为120r/min，每小时搅拌20min。采用恒温水浴锅加热水，热水经蠕动泵提升进入水浴夹套，自下而上循环，以保证反应器内的温度稳定在35±1℃。反应器内所产生的沼气经湿式气体流量计计量后排出室外。随着运行时间的延长，逐渐提高有机负荷。三个实验组的进料中，黄酮醇苷添加量为0.0000、0.0002、0.0006g/g VS物料。

黄酮醇苷添加量为0.0000、0.0002、0.0006g/g VS物料时，反应器的甲烷产率和容积产气率如表2所示：

表2 连续厌氧消化过程中的甲烷产率和容积产气率

实施例3：芍药甙促进纤维类农业废弃物厌氧消化性能的方法,该方法包括以下步骤:

物料预处理方式:芒草茎秆取回后自然风干，破碎后过20目筛，置于阴凉干燥处备用。厌氧活性污泥取自CSTR反应器,取回后调节含水率，储存于密封的容器中并通入氮气，使之与大气中的氧气隔绝，并使容器中的温度保持在15-25℃；在隔离空气的条件下向容器内加入营养物，其每天的营养物加入量为容器内污泥容积的0.5-1.5％，并随时导出容器内的气体。

芍药甙的添加方式：每日进料前，按照物料中每克挥发性固体中含0.23mg芍药甙的剂量，将芍药甙与物料混匀，一并添加至发酵罐中。

连续批式厌氧消化实验：采用CSTR反应器进行中温连续厌氧消化反应。反应器采用序批进出料，反应器运行过程中，每隔10d由底部出料口经蠕动泵排出厌氧消化物，然后由顶部进料口投加步骤⑵所述的物料。在其顶部设有搅拌器，转速为120r/min，每小时搅拌20min。采用恒温水浴锅加热水，热水经蠕动泵提升进入水浴夹套，自下而上循环，以保证反应器内的温度稳定在35±1℃。反应器内所产生的沼气经湿式气体流量计计量后排出室外。随着运行时间的延长，逐渐提高有机负荷。两组实验的进料中含芍药甙的量为0.00和0.23mg/g VS物料。

单个进料周期内，进料中未添加芍药甙的实验组与添加有0.23mg/g VS物料芍药甙的实验组，其累积甲烷产量如图1所示。

Claims

1.植物次生代谢产物在生物质厌氧发酵中的应用，其特征在于：通过向总固体含量4-45％之间的生物质厌氧发酵原料中加入植物次生代谢产物，混匀，从而使加入的植物次生代谢产物能够促进厌氧发酵体系中相关微生物的活动，从而提高生物质资源厌氧发酵产甲烷的含量；所述的植物次生代谢产物为芍药甙或黄酮醇苷，其中，所述芍药甙的用量为0.0002-0.01g/g VS物料，所述黄酮醇苷的用量为0.0002-0.0006g/g VS物料；所述厌氧发酵体系中采用的微生物为马氏甲烷球菌、地下甲烷杆菌、西西里甲烷八叠球菌、竹节状甲烷鬃菌、寒冷产甲烷菌和嗜酸甲烷八叠球菌；所述VS为挥发性固体。

2.按权利要求1所述的应用用于促进多种农业废弃物厌氧共消化产甲烷性能的方法,具体包括以下步骤:

⑴物料预处理方式:厌氧发酵原料取回后自然风干，破碎至1cm的小段，置于阴凉干燥处备用；猪粪为人工干清粪，取回后置于4℃冰箱中冷藏备用；厌氧活性污泥取自CSTR反应器，取回后调节含水率，储存于密封的容器中并通入氮气，使之与大气中的氧气隔绝，并使容器中的温度保持在15-25℃；在隔离空气的条件下向容器内加入营养物，其每天的营养物加入量为容器内污泥容积的0.5-1.5％，并随时导出容器内的气体；

⑵植物次生代谢产物添加方式：将不同浓度的植物次生代谢产物与物料一并投入厌氧活性污泥中,所述的植物次生代谢产物为芍药甙或黄酮醇苷，其中，所述芍药甙的用量为0.0002-0.01g/g VS物料，所述黄酮醇苷的用量为0.0002-0.0006g/g VS物料；

⑶厌氧消化进料要求：利用全自动甲烷潜能测试装置AMPTS进行中温批式厌氧消化反应；按照厌氧活性污泥与物料的挥发性固体比例为2:1，猪粪与厌氧发酵原料的挥发性固体比为1:1进料，并控制发酵罐内总固体浓度为10％。按照步骤⑵添加提取物；添加完毕后，手动摇匀反应瓶，利用橡胶塞将瓶口封住，连接机械搅拌，然后将瓶子装进37℃恒温水浴锅，采用聚乙烯软管将实验装置的各个单元连接起来，充氮气2min保证厌氧环境，在充氮完毕后迅速连接CO2吸收单元；设置搅拌周期为开启60s，停止60s，搅拌强度为84rpm；实验启动，产生的数据被AMPTS软件记录并处理，实验结束后从电脑中导出标准状态下的数据；

所述方法的厌氧发酵体系中采用的微生物为马氏甲烷球菌、地下甲烷杆菌、西西里甲烷八叠球菌、竹节状甲烷鬃菌、寒冷产甲烷菌和嗜酸甲烷八叠球菌；所述VS为挥发性固体。