CN110016454A - 一种寒区沼气复合发酵菌剂及其加工方法 - Google Patents

一种寒区沼气复合发酵菌剂及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种寒区沼气复合发酵菌剂，可在18~35℃的低温环境下分解固体废弃物中的有机质，缩短厌氧发酵前期启动时间，减少水力滞留时间，使沼气发酵中难分解的有机质得到更彻底的分解利用，从而提高沼气产量。本发明低温沼气复合发酵菌剂，对于提高寒冷地区沼气工程和沼气罐的产气效率；缩短原料预发酵时间；减少发酵罐体以及增、保温设备成本；降低沼气运行中的热能消耗；实现生物质能源的快速发展以及减少环境污染等方面都具有重要意义。

Description

一种寒区沼气复合发酵菌剂及其加工方法
技术领域
本发明公开一种寒区沼气复合发酵菌剂，本发明进一步提供了其加工方法，具体涉及一种寒冷地区沼气发酵菌剂的配方及其加工工艺，属于农业、微生物、清洁能源利用技术领域。
背景技术
在我国北方寒冷地区，冬天气温低，低温持续时间较长，采用固体废弃物（畜禽粪便、厨余垃圾及秸秆等）为原料的沼气工程存在运行困难，增保温成本消耗较大；前期预处理时间较长，占用发酵容积，能耗高等问题。沼气厌氧发酵消化过程是产甲烷菌、水解性细菌、还原乙酸细菌等多菌群相互交替，共同作用的结果。现有专利技术多采用设备增温、保温来保障发酵系统的温度35~55℃，其目的是提高微生物菌群的活性，然而这样消耗较高的传统能源，提高了运行成本，造成寒冷地区沼气工程运行困难、停滞、废弃等现象，违背了生物质能源绿色、清洁、可持续发展的初衷。
发明内容
本发明公开一种寒区沼气复合发酵菌剂及其加工方法，通过筛选低温下活性较高的甲烷菌并组合核心菌群通过筛选组合配方沼气发酵菌剂，提高沼气罐容积产气效率，能量消耗。
本发明的第一目的，提供一种寒区沼气复合发酵菌剂，使其在较低温度下，保持较高的活性和产气效果；
本发明的第二目的，是提供一种制备上述寒区沼气复合发酵菌剂的方法；
本发明的第三目的，是提供上述寒区沼气复合发酵菌剂的具体使用方法和用途。
1、本发明所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，是由以下原料按质量份数比制成的：
菌剂A：15~20份，菌剂B：30~40份；金属促进剂C：1.5~2份。
所述菌剂A由甲烷鬃菌（Methanosaeta sp.）工程菌株提取制成的。
所述的菌剂B是由以下原料按质量份数比制成的：
白腐菌1～2份、黑曲霉2～3份、草酸青霉1～2份、嗜酸乳酸菌10～15份、黄绿木霉：1～2份。
所述的金属促进剂C是由以下以原料按质量份数比制成的：
硫酸亚铁30～40份、氯化钴0.2～0.3份、硫化镍0.1～0.2份。
所述的甲烷鬃菌（Methanosaeta sp.）工程菌株的制备方法如下：
1）厌氧处理：将甲烷鬃菌工程菌株置于厌氧培养箱中，充入氮气；
2）缓释包膜剂：加入配制好的缓释包膜剂，海藻酸钠3%，氯化钙2%，10%脱脂奶粉与5%可溶性淀粉；
3）预冻：倒入液氮迅速冷冻；
4）菌粉制备：将预冻好的菌剂放入超低温真空冷冻干燥机中，粉碎后得菌粉，所得菌粉的含水量为5～10％。
所述的菌剂B的制备方法，包括如下步骤：
1）菌种活化：将斜面菌种置于25℃～28℃条件下静止培养后，接种于液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
2）一级液体培养：将菌种活化得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
3）二级液体培养：将一级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
4）三级液体培养：将二级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
5）发酵罐发酵：将三级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时，得到发酵液；
6）菌液的接种量为液体发酵培养基体积的5～10％，振荡培养条件为150～200r/min。
7）菌粉制备：将白腐菌、黑曲霉、草酸青霉、嗜酸乳酸菌和黄绿木霉的发酵液分别离心，去上清，对收集的菌体进行真空冷冻干燥，粉碎后得菌粉。
所述的金属促进剂C其特征在于：
将硫酸亚铁、氯化钴、硫化镍按照质量份数配比、研磨、混合均匀。
所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂的配制方法，由菌剂A、菌剂B、金属促进剂C按照质量分数配比、混匀，在无氧条件下密封包装；
所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂的使用方法包括以下步骤：
1）将寒区沼气复合发酵菌剂加入到30~35℃的水中，活化30~45分钟；
2）寒区沼气复合发酵菌剂与秸秆、畜禽粪、厨余垃圾等有机废弃物混合、搅拌均匀进行厌氧发酵，菌剂与有机废弃物质量份数比为：0.5~1份：1000份。
本发明所述的寒区沼气复合发酵菌剂，可在18~35℃的低温环境下分解固体废弃物中的有机质，缩短厌氧发酵前期启动时间，减少水力滞留时间，使沼气发酵中难分解的有机质得到更彻底的分解利用，从而提高沼气产量。本发明低温沼气复合发酵菌剂，对于提高寒冷地区沼气工程和沼气罐的产气效率；缩短原料预发酵时间；减少发酵罐体以及增、保温设备成本；降低沼气运行中的热能消耗；实现生物质能源的快速发展以及减少环境污染等方面都具有重要意义。
本发明的积极效果在于：
1）添加使用寒区沼气复合发酵菌剂，保障沼气工程在中温（35℃±1℃）和常温（25℃±1℃）下，保持较高的产气效率，减少了北方冬季有机废弃物资源化处理过程中的热能消耗，降低了运营成本；
2）使用寒区沼气复合发酵菌剂，对沼气原料（秸秆、厨余垃圾、畜禽粪等）进行预发酵，为随后的厌氧发酵提供低氧环境并抑制有害菌生长，从而提高厌氧发酵效率；
3）使用寒区沼气复合发酵菌剂，使有机废弃物在厌氧发酵罐中水力滞留时间由20～30d缩短至15～18d，提高了发酵效率，提高产沼气效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，需要理解的是，下述实施例仅作为解释和说明，不以任何方式限制本发明的保护范围。
1、生物材料：
甲烷鬃菌（Methanosaeta sp.），取自吉林省农业科学院沼气中试科研试验基地；
白腐菌（Phanerochaete chrysosporium），购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，菌株编号：ACCC 30942；
黑曲霉（Aspergillus niger），购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，菌株编号：ACCC 30005；
草酸青霉（Penicillium oxalicum），购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，菌株编号：ACCC 30400；
嗜酸乳酸菌（Lactobacillus acidophilus），购自中国农业微生物菌种保藏管理中心菌株编号：ACCC 10637。
黄绿木霉（Trichoderma aureoviride），购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，菌株编号：ACCC 32248。
购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，本发明的实现并不依赖于上述菌株编号所代表的具体菌株，每个菌株可以采用同一菌种中的其它菌株进行替代。因此，在此提供的菌株不用于限制本发明的保护范围。
2、主要试剂：
牛肉浸膏，购自长春鼎国生物技术有限责任公司；
蛋白胨，购自长春鼎国生物技术有限责任公司；
酵母浸膏，购自长春鼎国生物技术有限责任公司；
琼脂粉，购自长春鼎国生物技术有限责任公司；
硫酸亚铁，购自长春鼎国生物技术有限责任公司；
氯化钴，购自长春鼎国生物技术有限责任公司；
硫化镍，购自长春鼎国生物技术有限责任公司。
下述实施例中未特别说明的生物化学试剂均为本领域常规试剂，可商购获得或按照本领域常规方法配制而得，规格为实验室纯级即可；未特别说明的实验方法和条件可参考本领域常规实验方法和条件或产品说明书记载的实验方法和条件。
实施例1
菌剂A制备方法：将甲烷鬃菌工程菌株置于厌氧培养箱中，充入氮气，加入配好的浓度为3%海藻酸钠、2%氯化钙、10%脱脂奶粉与5%可溶性淀粉的缓释保护剂，倒入液氮迅速冷冻，将预冻好的菌块进行真空冷冻干燥，使最终含水量为5～10％，然后进行粉碎，得到菌粉；
菌剂B的制备方法：
将白腐菌、黑曲霉、草酸青霉、嗜酸乳酸菌和黄绿木霉的斜面菌种置于25℃～28℃条件下静止培养48h。从斜面菌种中挑取2环接种到100mL液体发酵培养基(预先装入250mL三角瓶)中，在25℃～28℃，摇床转速150r·min-1～200r·min-1的条件下培养48～72小时(优选72h)；
斜面保存所使用的培养基为牛肉膏蛋白胨(NA)培养基，制备方法为：将牛肉浸膏3g，蛋白胨10g，酵母浸膏1g，蔗糖10g，琼脂粉20g，溶于蒸馏水中，定容至1000mL。配制好的斜面培养基在121℃高压蒸汽灭菌20分钟，冷却至室温后使用。液体发酵培养基的配方为：以重量百分比计，含有牛肉浸膏0.2％～0.4％、蛋白胨1％～2％、酵母浸膏0.1％～0.5％、蔗糖1％～2％、余下为蒸馏水，pH为7～9。配制好的液体发酵培养基在121℃高压蒸汽灭菌20分钟，冷却至室温后使用；
分别对白腐菌、黑曲霉、草酸青霉、嗜酸乳酸菌和黄绿木霉进行一、二、三级液体培养，步骤如下：将斜面菌种活化得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，接种量为5～10％(v/v)，在25℃～28℃，摇床转速150r·min-1～200r·min-1条件下培养48～72小时(优选72h)，进行一级液体培养；将一级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，接种量为5～10％(v/v)，在25℃～28℃，摇床转速150r·min-1～200r·min-1的条件下培养48～72小时(优选72h)，进行二级液体培养；将二级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，接种量为5～10％(v/v)，在25℃～28℃下，摇床转速150r·min-1～200r·min-1的条件下培养48～72小时(优选72h)，进行三级液体培养；将三级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，接种量为5～10％(v/v)，在25℃～28℃，摇床转速150r·min-1～200r·min-1的条件下发酵48～72小时(优选72h)，进行液体发酵，得到发酵液；
将发酵液在8000r/min的条件下离心5分钟，去上清，对收集的菌体进行真空冷冻干燥，使最终含水量为2％～5％，然后进行粉碎，得到菌粉。菌剂B是由以下原料按质量份数比制成的：白腐菌1～2份、黑曲霉2～3份、草酸青霉1～2份、嗜酸乳酸菌10～15份、黄绿木霉：1～2份；
金属促进剂C的制备方法：将质量份数比分别为硫酸亚铁1.5～2份、氯化钴0.02～0.03份、硫化镍0.01～0.02份，配比、研磨、混合均匀得到促进剂C粉末。
实施例2
本发明所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，其具体实施使用方法如下：
1）一种寒区沼气复合发酵菌剂，由原料菌剂A、菌剂B、金属促进剂C按照质量分数配比，菌剂A：15~20份，菌剂B：30~40份，金属促进剂C：1.5~2份混匀后，在无氧条件下密封包装；
2）将步骤1）的寒区沼气复合发酵菌剂加入到30~35℃的水中，活化30~45分钟；
3）将寒区沼气复合发酵菌剂与秸秆、畜禽粪、厨余垃圾等有机废弃物混合、搅拌均匀进行厌氧发酵，菌剂与有机废弃物质量份数比为：0.5~1份：1000份。
实验例1
发酵原料：鲜鸡粪4000克，原料取自公主岭市郊区农村，经测定干物质质量分数为22%，可挥发固体质量分数90.07%，分别将0.5g寒区复合沼气发酵菌剂、0.5g菌剂A、0.5g菌剂B、0.5g金属促进剂C分别加入到35℃的水中活化30min后，分别加入到1000g鸡粪中，混合均匀后向厌氧消化反应器中进料，一次性进料完成，每3天搅拌一次，每次搅拌3h，控制反应温度为25℃，反应15天后，添加寒区复合沼气发酵菌剂的实验组产沼气量达到0.1m3，高于添加菌剂A、菌剂B和金属促进剂C的实验组，比对照产气量提高25%。菌剂添加量如表1所示，对照实验为空白。
表1 菌剂添加设计表
序号 菌剂 菌剂添加量/g 产气量/m<sup>3</sup>
1 本发明 0.5 0.1
2 菌剂A 0.5 0.091
3 菌剂B 0.5 0.086
4 金属促进剂C 0.5 0.083
5 空白 0 0.08
实验例 2
发酵原料：4000克黄储玉米秸秆，原料取自公主岭市郊区农村，粉碎至粒度为1～3cm，其TS质量分数为90%，可挥发固体质量分数95.07%，分别将1g寒区复合沼气发酵菌剂、1g菌剂A、1g菌剂B、1g金属促进剂C分别加入到35℃的水中活化30min后，分别加入到1000g粉碎秸秆中，混合均匀后向厌氧消化反应器中进料，一次性进料完成，每3天搅拌一次，每次搅拌3h，控制反应温度为35℃，反应15天后，添加寒区复合沼气发酵菌剂的实验组产沼气量达到0.5m3，高于添加菌剂A、菌剂B和金属促进剂C的实验组，比对照产气量提高29.87%。菌剂添加量如表2所示，对照实验为空白。
表2菌剂添加设计表
序号 菌剂 菌剂添加量/g 产气量/m<sup>3</sup>
1 本发明 1.0 0.5
2 菌剂A 1.0 0.42
3 菌剂B 1.0 0.417
4 金属促进剂C 1.0 0.39
5 空白 0 0.385
结论：
本发明提供的寒区沼气复合发酵菌剂在沼气工程的运行中，对有机废弃物进行处理，保障沼气工程在中温和常温下，保持较高的产气效率，减少了北方冬季有机废弃物资源化处理过程中的热能消耗，降低了运营成本；对秸秆、厨余垃圾、畜禽粪等沼气原料进行预发酵，为随后的厌氧发酵提供低氧环境并抑制有害菌生长，从而提高厌氧发酵效率；使有机废弃物在厌氧发酵罐中水力滞留时间由20～30d缩短至15～18d，提高了发酵效率，提高产沼气效率。

Claims (8)

1.一种寒区沼气复合发酵菌剂，其特征在于是由以下原料按质量份数比制成的：菌剂A：15~20份，菌剂B：30~40份；金属促进剂C：1.5~2份。
2.如权利要求1所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，其特征在于：所述菌剂A由甲烷鬃菌（Methanosaeta sp.）工程菌株提取制成的。
3.如权利要求1所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，其特征在于所述的菌剂B是由以下原料按质量份数比制成的：
白腐菌1～2份、黑曲霉2～3份、草酸青霉1～2份、嗜酸乳酸菌10～15份、黄绿木霉：1～2份。
4.如权利要求1所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，其特征在于所述的金属促进剂C是由以下以原料按质量份数比制成的：
硫酸亚铁30～40份、氯化钴0.2～0.3份、硫化镍0.1～0.2份。
5.如权利要求1和2所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，其特征在于：甲烷鬃菌（Methanosaeta sp.）工程菌株的制备方法如下：
1）厌氧处理：将甲烷鬃菌工程菌株置于厌氧培养箱中，充入氮气；
2）缓释包膜剂：加入配制好的缓释包膜剂，浓度海藻酸钠3%，氯化钙2%，10%脱脂奶粉与5%可溶性淀粉；
3）预冻：倒入液氮迅速冷冻；
4）菌粉制备：将预冻好的菌剂放入超低温真空冷冻干燥机中，粉碎后得菌粉，所得菌粉的含水量为5～10％。
6.如权利要求1和3所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，其特征在于菌剂B的制备方法包括如下步骤：
1）菌种活化：将斜面菌种置于25℃～28℃条件下静止培养后，接种于液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
2）一级液体培养：将菌种活化得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
3）二级液体培养：将一级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
4）三级液体培养：将二级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时；
5）发酵罐发酵：将三级液体培养得到的菌液接种于新的液体发酵培养基中，于25℃～28℃振荡培养48～72小时，得到发酵液；
6）菌液的接种量为液体发酵培养基体积的5～10％，振荡培养条件为150～200r/min；
7）菌粉制备：将白腐菌、黑曲霉、草酸青霉、嗜酸乳酸菌和黄绿木霉的发酵液分别离心，去上清，对收集的菌体进行真空冷冻干燥，粉碎后得菌粉。
7.根据权利要求1和4所述的所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂，金属促进剂C其特征在于：
将硫酸亚铁、氯化钴、硫化镍按照质量份数配比、研磨、混合均匀。
8.如权利要求1~7所述的一种寒区沼气复合发酵菌剂的配制方法，其特征在于：由菌剂A、菌剂B、金属促进剂C按照质量分数配比、混匀，在无氧条件下密封包装。
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