CN107354177A - 一种秸秆的厌氧发酵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种秸秆的厌氧发酵方法。该方法包括以下步骤：（1）采用亚硫酸盐预处理秸秆粉末；（2）对预处理后的秸秆粉末进行超声酶解；（3）再用氢氧化钠溶液浸泡；（4）分离秸秆粉末与溶液，并分别进行产酸发酵；（5）最后进行产甲烷发酵过程。本发明方法可有效提升产酸阶段代谢产物的产量，以提升甲烷的产量和对秸秆的利用率。

Description

一种秸秆的厌氧发酵方法
技术领域
本发明属于农作物厌氧发酵技术领域，具体涉及一种秸秆的厌氧发酵方法。
背景技术
中国的秸秆资源非常丰富，每年秸秆产量达5.7～6 亿吨，占世界秸秆总产量的20～30%。然而，在秸秆的处理方面，还存在大量的问题，现目前农村虽然开始普及沼气概念，设置沼气池，但大量秸秆的处理方式还是露天焚烧， 导致严重的空气污染和资源浪费，而秸秆中含有大量的纤维素，半纤维素等不易降解的物质，因此严重影响秸秆发酵产沼气效率，导致甲烷产量低，这也是导致秸秆大量的被进行露天焚烧的原因之一。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种秸秆的厌氧发酵方法，可有效解决现有厌氧发酵过程中，甲烷产量较低，产酸阶段代谢产物量不足的问题。
一种秸秆的厌氧发酵方法，包括以下步骤：
（1）将秸秆粉碎为100~120目的粉末，向粉末中加入占其重量30%~50%的亚硫酸盐溶液，80~90℃蒸煮1~2h；
（2）再向步骤（1）所得产物中加入占粉末重量2%~3%，酶活为70~80U/mL的复合酶，于20~30KHz、200~300W下，超声酶解40~80min；其中，复合酶包括纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶，所述纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶的重量比为1~2:1~2:0.3~0.8；
（3）再向步骤（2）所得产物中加入占秸秆粉末重量3%~5%、浓度为50%~60%的氢氧化钠溶液，浸泡20~30min；
（4）过滤步骤（3）所得产物，分离秸秆粉末与溶液，然后调节溶液pH值为7~8，于30~35℃下，接种醋酸菌，发酵1~2天；再以秸秆粉末为底物，重复步骤（2）和步骤（3）所述操作，并调节溶液pH值为7~8，然后于30~35℃下，接种醋酸菌，发酵1~2天；
（5）将上述所得发酵液混合，调节混合发酵液pH值为7~8，再接种甲烷细菌，于30~35℃下，发酵2~3天。
进一步地，步骤（1）中亚硫酸盐浓度为24%的，其入量占粉末重量的34%。
进一步地，步骤（1）中亚硫酸盐为亚硫酸铁、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钙或亚硫酸钾。
进一步地，步骤（2）中复合酶的加入量占粉末重量的2.8%。
进一步地，步骤（2）中纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶的重量比为1.5:1.2:0.6。
进一步地，步骤（3）氢氧化钠溶液浓度为55%，其加入量为秸秆粉末重量的3.8%。
进一步地，步骤（4）中溶液pH值为7，调节溶液pH值所用酸液为醋酸。
进一步地，步骤（5）中接种甲烷细菌后，发酵温度为34±1℃。
本发明的有益效果为：
1、通过采用亚硫酸盐蒸煮秸秆粉末，可将秸秆粉末中相互包裹的纤维素、木质素和半纤维素分离，使秸秆粉末中含有的木质素溶解于溶液中，从而达到使纤维素脱离木质素和半纤维素包裹的目的，而且，木质素会吸附分解纤维素酶，抑制纤维素酶的作用，便于进行后续酶解操作。
2、通过加入占粉末重量2%~3%的复合酶，在20~30KHz、200~300W的条件下，超声酶解秸秆粉末，在酶和超声的共同作用下，秸秆中细胞的细胞壁完全破碎，并将其中的纤维素和果胶水解为便于产酸阶段细菌利用的糖类，使细胞内的有机物质最大限度的完全转移至溶液中，再通过蛋白水解酶，将大分子的蛋白质水解为便于产酸阶段细菌吸收利用的氨基酸，以确保在产酸阶段细菌具有最大的代谢效率，提升产酸阶段代谢产物的产量，从而达到提升甲烷产量的目的。
3、在酶处理后，加入占秸秆粉末重量3%~5%，浓度为50%~60%的氢氧化钠溶液浸泡，氢氧化钠可有效促进秸秆粉末中纤维素、半纤维素的分解，以及木质素结构的破坏，配合酶解过程，可最大化的使秸秆粉末中的纤维素、半纤维素和木质素水解，便于后续产酸阶段细菌的吸收利用，提升其代谢效率以及代谢产物的产量，从而进一步达到提升甲烷产量的目的。
4、通过将秸秆粉末和溶液分离，并以秸秆粉末为底物，再次进行超声酶解和氢氧化钠溶液浸泡，然后再分别进行产酸发酵，可进一步提升对接杆粉末的利用率，以使秸秆粉末内有机物质得到最大化利用，达到提升甲烷产量的目的。
5、对于甲烷细菌来说，pH值为7~8的弱碱环境是其最佳的发酵环境，如若pH值过低，使得发酵环境变为弱酸性或酸性，在发酵过程中会增加CO2、水溶性有机物以及H2S的产量，硫化物含量的增加会进一步抑制甲烷细菌的生长，从而影响甲烷的产量，因此，在发酵阶段，需使发酵环境保持弱碱性状态，以提升甲烷的产量。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
一种秸秆的厌氧发酵方法，包括以下步骤：
（1）将秸秆粉碎为120目的粉末，加水浸泡60min，再加入占粉末重量50%、浓度为20%的亚硫酸钾溶液，90℃蒸煮2h；
（2）再向步骤（1）所得产物中加入占粉末重量3%，酶活为80U/mL的复合酶，于30KHz、300W下，超声酶解80min；其中，复合酶包括纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶，所述纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶的重量比为2:1:0.8；
（3）再向步骤（2）所得产物中加入占秸秆粉末重量5%、浓度为50%的氢氧化钠溶液，浸泡30min；
（4）过滤步骤（3）所得产物，分离秸秆粉末与溶液，然后用醋酸调节溶液pH值为8，于35℃下，接种醋酸菌，产酸发酵2天；再以秸秆粉末为底物，重复步骤（2）和步骤（3）所述操作，并用醋酸调节溶液pH值为7，然后于30℃下，接种醋酸菌，产酸发酵2天；
（5）将上述发酵所得发酵液混合，再用氨水调节混合发酵液pH值为8，再接种甲烷细菌菌，于34℃发酵3天。
实施例2
一种秸秆的厌氧发酵方法，包括以下步骤：
（1）将秸秆粉碎为100目的粉末，加水浸泡48min，再加入占粉末重量34%、浓度为24%的亚硫酸钾溶液，80℃蒸煮2h；
（2）再向步骤（1）所得产物中加入占粉末重量2.8%，酶活为70U/mL的复合酶，于30KHz、280W下，超声酶解40min；其中，复合酶包括纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶，所述纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶的重量比为为1.5:1.2:0.6；
（3）再向步骤（2）所得产物中加入占秸秆粉末重量3.8%、浓度为55%的氢氧化钠溶液，浸泡30min；
（4）过滤步骤（3）所得产物，分离秸秆粉末与溶液，然后用醋酸调节溶液pH值为8，于35℃下，接种醋酸菌，发酵2天；再以秸秆粉末为底物，重复步骤（2）和步骤（3）所述操作，并用醋酸调节溶液pH值为7，然后于35℃下，接种醋酸菌，发酵2天；
（5）将上述发酵所得发酵液混合，再用氨水调节混合发酵液pH值为8，再接种细菌，于35℃发酵2天。
实施例3
一种秸秆的厌氧发酵方法，包括以下步骤：
（1）将秸秆粉碎为120目的粉末，加水浸泡60min，再加入占粉末重量30%、浓度为50%的亚硫酸钾溶液，80℃蒸煮1h；
（2）再向步骤（1）所得产物中加入占粉末重量2%，酶活为80U/mL的复合酶，于20KHz、200W下，超声酶解40min；其中，复合酶包括纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶，所述纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶的重量比为2:2:0.3；
（3）再向步骤（2）所得产物中加入占秸秆粉末重量5%、浓度为60%的氢氧化钠溶液，浸泡20min；
（4）过滤步骤（3）所得产物，分离秸秆粉末与溶液，然后用醋酸调节溶液pH值为7，于30℃下，接种醋酸菌，发酵1天；再以秸秆粉末为底物，重复步骤（2）和步骤（3）所述操作，并用醋酸调节溶液pH值为7，然后于35℃下，接种醋酸菌，发酵1天；
（5）将上述所得发酵液混合，再用氨水调节混合发酵液pH值为8，再接种甲烷细菌，34℃发酵2天。
对比例1
与实施例2相比，步骤（1）中处理过程为蒸汽爆破处理，且缺少步骤（2）中的酶解过程，其余操作过程均与实施例2相同。
对比例2
与实施例2相比，缺少步骤（2）和步骤（3），其余操作过程均与实施例2相同。
检测
于相同条件下检测实施例1~3和对比例1~2所产出的甲烷气体的总量，检测发现，实施例1~3所得甲烷气体总量均高于对比例1~2，,且对比例1产出的甲烷气体的总量也稍微高于对比例2；其中尤以实施例2超出量最高，比对比例2的甲烷总量高出约48%左右，表明，采用本发明方法可有效提升甲烷的产量，以及对秸秆的利用率。

Claims (8)

1.一种秸秆的厌氧发酵方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将秸秆粉碎为100~120目的粉末，加水浸泡30~60min，再加入占粉末重量30%~50%、浓度为20%~30%的亚硫酸盐溶液，80~90℃蒸煮1~2h；
（2）向步骤（1）所得产物中加入占粉末重量2%~3%，酶活为70~80U/mL的复合酶，于20~30KHz、200~300W下，超声酶解40~80min；其中，复合酶包括纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶，所述纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶的重量比为1~2:1~2:0.3~0.8；
（3）再向步骤（2）所得产物中加入占秸秆粉末重量3%~5%、浓度为50%~60%的氢氧化钠溶液，浸泡20~30min；
（4）过滤步骤（3）所得产物，分离秸秆粉末与溶液，然后调节溶液pH值为7~8，于30~35℃下，接种醋酸菌，发酵1~2天；再以秸秆粉末为底物，重复步骤（2）和步骤（3）所述操作，并调节溶液pH值为7~8，然后于30~35℃下，接种醋酸菌，发酵1~2天；
（5）将上述所得发酵液混合，调节混合发酵液pH值为7~8，再接种甲烷细菌，于30~35℃下，发酵2~3天。
2.根据权利要求1所述的秸秆的厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤（1）中所述亚硫酸盐浓度为24%的，其入量占粉末重量的34%。
3.根据权利要求1或2所述的秸秆的厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤（1）中所述亚硫酸盐为亚硫酸铁、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钙或亚硫酸钾。
4.根据权利要求1所述的秸秆的厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤（2）中所述复合酶的加入量占粉末重量的2.8%。
5.根据权利要求1所述的秸秆的厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤（2）中所述纤维素酶、果胶酶和蛋白水解酶的重量比为1.5:1.2:0.6。
6.根据权利要求1所述的秸秆的厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤（3）中所述氢氧化钠溶液浓度为55%，其加入量为秸秆粉末重量的3.8%。
7.根据权利要求1所述的秸秆的厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤（4）中所述溶液pH值为7，调节溶液pH值所用酸液为醋酸。
8.根据权利要求1所述的秸秆的厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤（5）中接种甲烷细菌后，发酵温度为34±1℃。
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