CN111748587A - 一种超声细胞破碎联合好氧水解处理秸秆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及沼气发酵技术领域，具体而言，涉及一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：将秸秆风干，经粉碎处理后过筛，得到秸秆粉；将粪便与水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物；将所述秸秆粉与水均匀混合，进行超声破碎处理，得到秸秆浆液；将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；将所述秸秆水解物放入发酵设备中进行厌氧发酵，收集产生的甲烷。本发明使得秸秆中的纤维素能够在低温下进行降解，增加秸秆的水解效果，便于秸秆在发酵过程中能够加快启动周期，以增加产甲烷含量，具有安全、投入成本低、甲烷产量高的特点。

Description

一种超声细胞破碎联合好氧水解处理秸秆的方法

技术领域

本发明涉及沼气发酵技术领域，具体而言，涉及一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法。

背景技术

我国是农业生产大国，农作物在每年收成之后，均会产出大量的秸秆。一直以来，秸秆主要用于农村取暖，少部分用于还田、饲料化、堆沤有机肥等，但其利用率仍处于较低的水平，如何使秸秆高值化利用成为我国农村发展的主要问题。

厌氧发酵技术是利用微生物在厌氧条件下分解有机物产生可再生能源的方法，因此，发展秸秆发酵产甲烷技术不失为一种资源利用之举，其不但可以产生可再生能源甲烷，发酵后的剩余物还可作为有机肥用于农业。

然而，由于秸秆的主要成分为纤维素，使用传统的厌氧发酵技术处理秸秆时纤维素的降解率较低，纤维素的降解步骤被认为是秸秆厌氧发酵的限速步骤，导致甲烷的产量较低。为此，人们提出采用高温水解法和氧化钙水解法对秸秆进行预处理，但两者分别需要增设高温处理装置和氧化钙预处理装置，进而导致其投入成本相应增加，同时还会存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明解决的问题是如何安全有效地提高秸秆发酵的甲烷产量。

为解决上述问题，本发明提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将秸秆风干，经粉碎处理后过筛，得到秸秆粉；

将粪便与水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物；

将所述秸秆粉与水均匀混合，进行超声破碎处理，得到秸秆浆液；

将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

将所述秸秆水解物放入发酵设备中进行厌氧发酵，收集产生的甲烷。

进一步地，在将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物的步骤中，水解温度为35℃-40℃，水解时间为8h-20h。

进一步地，在将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物的步骤中，所述曝气装置的每次曝气持续时间为8min-15min，两次曝气之间的间隔时间为1h-4h。

进一步地，在所述将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物的步骤中，所述秸秆浆液与所述接种物的质量比为1.5:1-3:1，所述秸秆浆液、所述接种物与水的混合物的固含量为3％-8％。

进一步地，在所述将所述秸秆粉与水均匀混合，用超声细胞破碎仪进行超声破碎处理，得到秸秆浆液的步骤中，采用超声细胞破碎仪进行超声破碎处理，所述超声细胞破碎仪的超声破碎功率为500W-900W，超声破碎时间为10min-50min，超声破碎温度为25℃-45℃。

进一步地，在所述将所述秸秆粉与水均匀混合，用超声细胞破碎仪进行超声破碎处理，得到秸秆浆液的步骤中，所述秸秆粉与水的体积比为1:2.5-1:3.5。

进一步地，在所述将粪便和水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物的步骤中，发酵温度为35℃-37℃，发酵时间为25天至30天。

进一步地，在所述将粪便和水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物的步骤中，所述粪便与水的质量比为1:33-1:35。

进一步地，在所述将粪便和水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物的步骤中，所述粪便为牛粪。

进一步地，在所述将秸秆水解物放入发酵设备中进行厌氧发酵，收集产生的甲烷的步骤中，发酵温度为36℃-38℃，发酵时间为20天至25天。

与现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明通过超声细胞破碎，可以破坏秸秆的细胞壁，达到破坏纤维素结构的作用，其联合好氧水解，使得纤维素能够有效降解，进而改善秸秆的降解效果，使得秸秆在发酵过程中能够加快启动周期，增加甲烷产量；

2、本发明选用牛粪来制备接种物，牛粪中的纤维素酶能有效降解秸秆中的纤维素，与此同时牛粪还能平衡秸秆的碳氮比，相对于其他粪便可以有效减少秸秆在发酵过程中的酸败；

3、本发明在较低温度下进行好氧水解，保证接种物中的微生物和酶具有较高的生物活性，提高秸秆的降解效果，同时还能省去高温处理、氧化钙处理时所需的特定装置，具有安全、投入成本低、甲烷产量高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例中超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法的工序图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。

另外，本发明上下文本中的纤维素为秸秆中天然高分子化合物的总称，其包括下文性能检测中的纤维素(由葡萄糖组成的大分子多糖)、半纤维素(是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体)和木质纤维素(是由氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物)。

本发明的实施例公开一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法。根据现有的理论和公开资料报导，秸秆中的纤维素需要较高的温度进行水解或者采用如氧化钙等催化剂促进水解，这是由于高温或者催化剂可以促使纤维素分子中的氧桥断裂，加快水分子加入至纤维素分子中，使得纤维素的长链结构断裂，形成短链分子，以便于微生物的进一步降解。而本发明的处理方法主要通过先使用超声细胞破碎破坏秸秆的纤维素结构，再利用粪便中的微生物和酶对秸秆中的纤维素进行好氧水解，使得牛粪中的微生物和酶能够充分得到利用，便于秸秆在较低温度下亦能得到充分降解，可以省去高温处理、氧化钙处理时所需的特定装置的增设，具有安全、投入成本低、甲烷产量高的特点。

本发明实施例公开的一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，参见图1，具体包括以下步骤：

步骤一：将秸秆风干，经粉碎处理后过筛，得到秸秆粉；

步骤二：将粪便与水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物；

步骤三：将步骤一制得的秸秆粉与水均匀混合，进行超声破碎处理，得到秸秆浆液；

步骤四：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

步骤五：将步骤四制得的秸秆水解物放入发酵设备中进行厌氧发酵，收集产生的甲烷；

其中，步骤一和步骤二可以同步进行。

以下说明实施例中各种物质所起到的作用、原料配比及工艺参数的影响。

秸秆：一般选用玉米秸秆、麦秆、稻秆中的一种或几种的混合物，其纤维素含量高且不易被降解。通过实验结果表明，当其使用本发明的处理方法进行处理时，能够对纤维素进行有效降解，进一步提高秸秆的降解效果，增加甲烷的产量，由此提高富含纤维素的秸秆的利用率。相对地，低纤维素含量的秸秆由于纤维素含量较低，其降解效果的提高程度有限，因此本发明对高纤维素含量的秸秆的处理效果更为优异。

本发明的实施例具体以玉米秸秆为例进行实验，该玉米秸秆选自东北农业大学实验田所种的玉米秸秆。由于刚收割的秸秆中含有一定的水分，因此其收割后通常需要风干10至15天。通过实验结果表明，风干时间低于10天时，秸秆中的水分含量较高，其在后续的机械粉碎时容易板结，超声细胞破碎需要花费更长的时间；风干时间超过15天时，秸秆粉碎的颗粒过小，在一定程度上会增加后续超声细胞破碎的难度，因此秸秆的风干时间控制在10天至15天、粉碎粒径控制在60目至80目之间为宜。

粪便：本发明优选为牛粪，其含有大量的微生物以及丰富的纤维素酶，其中的纤维素酶能特异性的对秸秆中的纤维素加以降解，其配合微生物的有氧降解，可以有效增加秸秆的降解效果；与此同时，牛粪中含有较高的生物量碳和生物量氮，其可以用来平衡秸秆的碳氮比，相对于其他粪便可以有效减少秸秆在发酵过程中的酸败。

本发明的实施例具体以牛粪和人粪进行比较试验，其中的牛粪选用哈尔滨阿城农场的新鲜牛粪，外形完整、无表面硬皮，外表颜色与内部颜色基本一致；人粪选用健康志愿者的新鲜人粪，外形完整、无表面硬皮，外表颜色与内部颜色基本一致。

由于粪便呈固态，其不利于与秸秆粉混合均匀，因此本发明限定粪便与水的质量比为1:33至1:35，制成具有一定流动性的接种物，便于粪便中的微生物能够快速均匀地与秸秆粉混合，促使粪便的发酵效果能得到有效发挥。另外，粪便中含有大量的微生物以及酶，本发明将封闭置于35℃至37℃的温度下厌氧发酵25天至30天，可以促使粪便腐熟，有效杀灭粪便中的虫卵等有害微生物，同时保证酶的生物活性，使得其制得的接种物对纤维素具有良好的生物降解作用。

超声细胞破碎：超声波细胞破碎仪可以将电能通过换能器转换为声能，这种能量通过液体介质而变成一个个密集的小气泡，这些小气泡迅速炸裂，产生的强大的冲击能量，从而起到破碎细胞等物质的作用。在本发明的方法中，秸秆粉借助水中小气泡爆炸产生的冲击来实现细胞破碎。本发明限定秸秆粉与水的体积比为1:2.5至1:3.5，此时秸秆粉能较好的分散在水中并具有一定的流动性，利于超声细胞破碎仪对秸秆细胞的有效破碎。

另外，超声波细胞破碎仪的超声破碎功率、超声破碎温度和超声破碎时间会对秸秆的细胞破碎效果产生影响。其中，超声破碎功率为500W至900W的超声波具有较强的穿透性，25℃至45℃的超声破碎温度能加快水分子的运动，促使分子快速进入至秸秆细胞中，提高超声波的超声破碎效率；在上述条件下超声破碎10min至50min内，能使秸秆中天然高分子化合物的氢键断裂或者其结合能力变弱，破坏酯键或醚键，进而使得纤维素的分子膨胀，此时水分子能够快速穿过纤维素分子之间的间隙进入秸秆细胞中，对秸秆细胞加以破碎，便于秸秆的低温水解。通过实验结果表明，当超声波的超声破碎功率低于500W时，其对秸秆的细胞破碎效果相对较差，虽然其联合好氧水解，但其对应的甲烷产量的提高效果并不明显；而当超声波的超声破碎功率高于900W时，其会对秸秆的细胞进行过度破碎，该秸秆在后续厌氧发酵时会出现发酵终止，进而影响甲烷的产量。

好氧水解：接种物中微生物和酶在单位时间内对秸秆的降解量均有一个上限值，本发明将秸秆浆液与接种物的质量比限位在1.5:1至3:1，秸秆浆液、接种物与水的混溶液的固含量为3％至8％，有助于接种物与秸秆混合均匀，此时接种物能够充分发挥作用，促使秸秆的好氧水解效果达到最佳。

本发明由于在好氧水解之前进行了超声细胞破碎处理，提前将纤维素分子结构加以破坏，因此无需再使用高温或氧化钙等催化剂促进其水解。另外，由于接种物中的微生物和酶的生物活性容易受到温度的影响，而水解时间则会影响秸秆的降解程度，若是本发明依旧使用高温或催化剂处理秸秆，则会促使接种物中的微生物和酶失去生物活性，无法对秸秆进行厌氧发酵。因此本发明限定了水解温度为35℃至40℃、水解时间为8h至20h，此时接种物中的微生物和酶具有较高的生物活性，可以有效提高对秸秆中的纤维素的降解率。相对于高温或氧化钙促进水解的方式，本发明的低温水解方式不但能够省去高温处理、氧化钙处理时所需的特定装置的增设，还能减少操作人员高温烫伤、化学试剂灼伤等安全事故，同时还能提高接种物中微生物和酶的有效利用率，即利用接种物中的好氧微生物和酶进行好氧水解以及利用接种物中的厌氧微生物和酶进行厌氧发酵，由此进一步提高甲烷的产量。

在好氧水解过程中，需要保证物料中的氧气均匀分布，本发明限定曝气装置的每次曝气持续时间为8min至15min，两次曝气之间的间隔时间为1h至4h，由此曝气装置能对物料定期补充充足的氧气，保证秸秆的水解效果。

厌氧发酵：秸秆的厌氧发酵主要依赖于粪便中的厌氧微生物，该厌氧微生物的最适生长温度通常为36℃至38℃，在该温度下发酵20天至25天，能促使秸秆的有效发酵，收获高产量的甲烷。

另外，本发明为了更好的进行厌氧发酵的过程监控，每天固定时间进行一次摇瓶、气体采集、成分检测和数据记录，并且每隔2天取1次发酵液，该发酵液用10mL的离心管分装后放在-4℃的冰箱保存，以便于后续对秸秆发酵产物的进一步研究。

下面通过具体实施例进行详细说明：

实施例1

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:35的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为700W、超声破碎温度为35℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵20天，收集产生的甲烷。

实施例2

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干15天，经粉碎机机械粉碎处理，过60目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:33的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为37℃，进行25天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:2.5的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为900W、超声破碎温度为25℃、超声破碎时间为10min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为1.5:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为3％，控制水解温度为37℃、水解时间为20h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续15min，两次曝气之间的时间间隔为4h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入36℃的恒温水浴槽中厌氧发酵25天，收集产生的甲烷。

实施例3

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干12天，经粉碎机机械粉碎处理，过70目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:34的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行28天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3.5的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为500W、超声破碎温度为45℃、超声破碎时间为50min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为3:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为8％，控制水解温度为40℃、水解时间为8h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续8min，两次曝气之间的时间间隔为1h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入38℃的恒温水浴槽中厌氧发酵23天，收集产生的甲烷。

实施例4

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照人粪：水＝1:35的重量配比，将人粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为700W、超声破碎温度为35℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵20天，收集产生的甲烷。

实施例5

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:35的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：步骤三、超声细胞破碎处理：

取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为350W、超声破碎温度为45℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵20天，收集产生的甲烷。

实施例6

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干15天，经粉碎机机械粉碎处理，过60目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:33的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为37℃，进行25天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为900W、超声破碎温度为25℃、超声破碎时间为10min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为45℃、水解时间为10h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续15min，两次曝气之间的时间间隔为4h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入36℃的恒温水浴槽中厌氧发酵25天，收集产生的甲烷。

实施例7

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:30的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为700W、超声破碎温度为35℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵20天，收集产生的甲烷。

实施例8

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:35的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:2的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为700W、超声破碎温度为35℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵20天，收集产生的甲烷。

实施例9

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:35的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:4的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为700W、超声破碎温度为35℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵20天，收集产生的甲烷。

实施例10

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:35的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、超声细胞破碎处理：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为700W、超声破碎温度为35℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为1:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵20天，收集产生的甲烷。

对比例1

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:35的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、预处理：

步骤三、预热搅拌：取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，在搅拌速度为350r/min、搅拌温度为45℃、搅拌时间为50min的条件下进行混合均匀，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

步骤四、好氧水解预处理：将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后放入容器中均匀混合，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的混合物的总固含量为5％，控制水解温度为35℃、水解时间为12h进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

其中，上述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，每次曝气时间持续10min，两次曝气之间的时间间隔为2h；

③、厌氧发酵：

步骤五、将步骤四制得的秸秆水解物置于发酵罐中密封，放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵25天，收集产生的甲烷。

对比例2

本实施例提供一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，包括以下步骤：

①、底物准备：

步骤一、秸秆的收集：将玉米秸秆收割后，在自然状态下风干10天，经粉碎机机械粉碎处理，过80目筛后，得到秸秆粉，备用；

步骤二、接种物的培养：按照牛粪：水＝1:35的重量配比，将牛粪和水混合均匀后放入发酵罐中，并将发酵罐放入恒温水浴槽中，控制发酵温度为35℃，进行30天的厌氧发酵处理，得到接种物，备用；

②、超声细胞破碎处理：

步骤三、取20g步骤一中的秸秆粉，按照秸秆粉：水＝1:3的体积配比，往秸秆粉中加水混合后置于超声波细胞破碎仪下，在超声破碎功率为700W、超声破碎温度为35℃、超声破碎时间为30min的条件下进行超声破碎处理，得到秸秆浆液，倒入发酵瓶中储存，备用；

③、厌氧发酵：

步骤四、将步骤三制得的秸秆浆液、步骤二制得的接种物以及水混合后置于发酵罐中密封，该秸秆浆液与接种物的重量比为2:1，秸秆浆液、接种物与水混合后的总固含量为5％，将该发酵罐放入37℃的恒温水浴槽中厌氧发酵25天，收集产生的甲烷。

性能检测

将实施例1-10和对比例1-2的发酵产物进行考察，测定上述处理方法对应的纤维素降解率(以每克对应纤维素计量)和所产的甲烷产量(以每克秸秆计量)，其中，纤维素降解率使用ANKOM A200i型半自动纤维分析仪进行测定，甲烷产量使用安捷伦6890气相色谱仪进行，测定结果见表1。

表1实施例1-10和对比例1-2的检测结果

由表1可知，实施例1-3的处理方法能够明显提高纤维素的降解率，使得甲烷产量明显增高；相比而言，对比例1-2的木质纤维素降解率和甲烷产量均有明显的差距。

其中，对比例1-2均在实施例1的方法基础上作出调整，对比例1中省去了超声波细胞破碎的工序，对比例2省去了好氧水解的工序，尽管两者均延长了秸秆厌氧发酵的时间，但对纤维素降解以及甲烷产量提升的改善并不明显，由此可得，超声波细胞破碎联合好氧水解处理秸秆的方法使得纤维素能够在低温下进行降解，增加秸秆的水解效果，便于秸秆在发酵过程中能够加快启动周期，以增加产甲烷含量。

本发明的实施例4在实施例1的方法基础上使用人粪替代牛粪，其对纤维素降解率以及甲烷产量提升的改善效果受到影响，因此本申请使用牛粪作为接种物具有突出的实质性特点和显著的改善效果。

本发明的实施例5是在实施例1的方法基础上对超声波条件作出调整，具体为“超声破碎功率为350W、超声破碎温度为45℃、超声破碎时间为30min”，通过实施例5和实施例1-3的结果比较，可以得到，当本发明的超声波条件控制在超声破碎功率为500W-900W、超声破碎温度为25℃-45℃、超声破碎时间为10min-50min时，能够使秸秆中天然高分子化合物的氢键断裂或者其结合能力变弱，破坏酯键或醚键，进而使得纤维素的分子膨胀，大大提高了秸秆在好氧水解过程中水的进入，便于秸秆的低温水解。

本发明的实施例6是在实施例1的方法基础上对好氧水解条件作出调整，具体为“水解温度为45℃、水解时间为10h”，通过通过实施例6和实施例1-3的结果比较，可以得到，当本发明的好氧水解条件控制在水解温度为35℃-40℃、水解时间为8h-20h时，接种物中的纤维素酶具有较高的生物活性，可以有效提高对秸秆中的纤维素的降解率，进而提高甲烷产量。

本发明的实施例7是在实施例1的方法基础上调整牛粪与水重量配比为1:30，通过通过实施例7和实施例1-3的结果比较，可以得到，本发明的接种物中，牛粪的含量并不是越多越好，当牛粪与水的重量比为1:33-1:35时，牛粪中的微生物能够较为均匀地分散于接种物中，同时便于接种物与秸秆粉快速混匀，促使接种物的发酵效果能得到有效发挥。

本发明的实施例8是在实施例1的方法基础上调整秸秆粉与水的体积配比为1:2，本发明的实施例9是在实施例1的方法基础上调整秸秆粉与水的体积配比为1:4，通过通过实施例8-9和实施例1-3的结果比较，可以得到，本发明的秸秆粉含量过多时，秸秆粉分散在水中的流动性较差，超声波细胞破碎的效果则会相应下降；而水含量过多时，秸秆在超声波细胞破碎过程中会造成粉碎过度，进而导致秸秆后期发酵停止，因此秸秆的超声波细胞破碎并不是越碎越好。当秸秆粉与水的体积配比为1:2.5-1:3.5时，秸秆粉能较好的分散在水中并具有一定的流动性，方便超声细胞破碎仪对秸秆细胞的有效破碎，有效提高秸秆发酵的甲烷产量。

本发明的实施例10是在实施例1的方法基础上调整秸秆浆液与接种物的重量比为1:1，通过通过实施例10和实施例1-3的结果比较，可以得到，当秸秆浆液与接种物的重量比为1.5:1-3:1时，该接种物中含有足量的纤维素酶，进而能够快速有效的对秸秆加以好氧水解。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将秸秆风干，经粉碎处理后过筛，得到秸秆粉；

将粪便与水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物；

将所述秸秆粉与水均匀混合，进行超声破碎处理，得到秸秆浆液；

将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物；

将所述秸秆水解物放入发酵设备中进行厌氧发酵，收集产生的甲烷。

2.根据权利要求1所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物的步骤中，水解温度为35℃-40℃，水解时间为8h-20h。

3.根据权利要求1所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物的步骤中，所述曝气装置的每次曝气持续时间为8min-15min，两次曝气之间的间隔时间为1h-4h。

4.根据权利要求1-3任一所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在所述将所述秸秆浆液、所述接种物以及水在容器中均匀混合，所述容器连接曝气装置进行好氧水解处理，得到秸秆水解物的步骤中，所述秸秆浆液与所述接种物的质量比为1.5:1-3:1，所述秸秆浆液、所述接种物与水的混合物的固含量为3％-8％。

5.根据权利要求1所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在所述将所述秸秆粉与水均匀混合，进行超声破碎处理，得到秸秆浆液的步骤中，采用超声细胞破碎仪进行超声破碎处理，所述超声细胞破碎仪的超声破碎功率为500W-900W，超声破碎时间为10min-50min，超声破碎温度为25℃-45℃。

6.根据权利要求1或5所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在所述将所述秸秆粉与水均匀混合，用超声细胞破碎仪进行超声破碎处理，得到秸秆浆液的步骤中，所述秸秆粉与水的体积比为1:2.5-1:3.5。

7.根据权利要求1所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在所述将粪便和水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物的步骤中，发酵温度为35℃-37℃，发酵时间为25天至30天。

8.根据权利要求1所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在所述将粪便和水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物的步骤中，所述粪便与水的质量比为1:33-1:35。

9.根据权利要求1、7或8所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在所述将粪便和水均匀混合，在发酵设备中进行处理，得到接种物的步骤中，所述粪便为牛粪。

10.根据权利要求1所述的超声细胞破碎联合好氧处理秸秆的方法，其特征在于，在所述将秸秆水解物放入发酵设备中进行厌氧发酵，收集产生的甲烷的步骤中，发酵温度为36℃-38℃，发酵时间为20天至25天。

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