CN103074380B - 一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物技术及可再生能源领域，涉及一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法，包括以下步骤：（1）将藻类原料与营养盐溶液混合，接入预先培养好的厌氧纤维素降解菌种子液；（2）保温、避光培养，进行菌解预处理并同步产氢，促进藻细胞壁的水解，得到氢气以及水解产物乙醇和挥发性有机酸；（3）菌解同步产氢培养结束后，向发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧接种污泥，从而将水解产物乙醇和挥发性有机酸以及菌解后的藻细胞残余物进行厌氧发酵产甲烷。本发明可通过菌解法对藻类生物质原料进行预处理，来促进藻细胞的水解破壁，并且在厌氧发酵产甲烷的同时，获得较高产量的氢气，从而提高了藻类生物质原料的能源转化效率。

Description

一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法
技术领域
本发明属于生物技术及可再生能源领域，涉及一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法。
背景技术
在能源与环境危机的大环境下，寻求洁净、安全、可持续发展的能源已成为当务之急。可再生能源的使用可减少对石油的依赖性，降低环境污染。在此背景下，生物质可再生能源的发展越来越受到社会关注，成为当前实现能源来源多元化和国家能源战略抗风险的重要选择。藻类原料是重要的生物质资源之一。藻类是低等植物中种类繁多、分布极其广泛的一个自养植物类群。与其他生物质如木质纤维素材料(木材)相比，藻类具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高的特点，同时藻类在水中生长，不占用农业用地，其养殖过程可以实现自动化控制。此外富营养水体治理副产物每年能提供非常丰富的藻类生物量，因此藻类是制备生物质能源的良好材料。将藻类作为能源资源作物进行开发有多种途径，其中厌氧消化是一种节能环保、具有发展潜力的途径。
厌氧消化是有机物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定，同时伴有氢气、甲烷和二氧化碳等气体产生的过程。厌氧消化一般可以分为水解、酸化、乙酸化和甲烷化4个阶段，依靠多种厌氧菌和兼性厌氧菌的共同作用。参与代谢的微生物种类繁多，其中涉及多种生化反应和物化平衡过程。有机物厌氧消化的速率取决于颗粒的大小和微生物对底物中有机组分的利用。底物若含有大量复杂的生物聚合物，如脂质、纤维素、蛋白质，则水解是限速步骤；对于易降解原料，如溶解性糖类，则乙酸化和甲烷化为限速步骤。藻的脂质和蛋白质含量很高，而坚固的细胞壁是限制藻细胞被降解的重要因素。大多数藻的细胞壁含有纤维素。藻的细胞壁内层通常为起到支撑作用的纤维素层，并且可能被其他粘液、胶质、蛋白质、脂质和磺化多糖层包围住。某些藻种还有三基层结构，其中含有不溶、不水解的脂肪族生物大分子物质（如：胶鞘），对化学和酶降解具有很强的抵抗力。对藻类细胞壁进行预处理，可以提高后续生物处理过程的效率。
常见的细胞破壁方法主要有机械法、热处理法以及酶解法。机械法包括研磨、高压挤压、超声破碎等。藻类细胞壁比一般的微生物细胞更为坚固，用机械法和热处理法需要额外的能量，并且在处理过程中藻类有机质会有一定程度的损失，影响后续的生物质能利用，比如降低厌氧消化的甲烷产量。有研究者（Schwede S,Kowalczyk A,Gerber M,Span R.2011.Influenceof different cell disruption techniques on mono digestion of algal biomass.World RenewableEnergy Congress 2011-Sweden,8-13 May 2011.LinKping, Sweden.）采用超声破碎、高压挤压、微波加热和高温烘干四种方法对藻细胞进行预处理后，研究了藻细胞中有机物降解及产气情况。结果表明高压挤压、微波加热和高温烘干预处理能提高藻的降解效率，但前两种方法处理后藻中的有机质有一定损失，从而导致后续厌氧产气率下降；而超声破碎预处理后，藻中的有机质有较大的损失，且产气量低于未处理的藻。与机械法和热处理法相比，酶解法具有效率高、损失小的优点；且用酶解法对藻进行预处理时，酶的作用具有选择性，不会破坏其他的组分；但酶不能重复使用，使用一次后即失效，因此处理成本较高。
发明内容
本发明通过菌解法对藻类生物质原料进行预处理，促进藻细胞的水解破壁，并且在厌氧发酵产甲烷的同时，获得较高产量的氢气，从而提高了藻类生物质原料的能源转化效率。
本发明通过菌解法对藻类原料进行预处理，该方法既有酶解法的优点，又具有连续性，成本较低，并且能够与后续厌氧消化获得生物质能源的技术直接衔接。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法，包括以下步骤：
（1）将藻类原料与营养盐溶液混合，接入预先培养好的厌氧纤维素降解菌种子液；
（2）保温、避光培养，进行菌解预处理并同步产氢，促进藻细胞壁的水解，得到氢气以及水解产物乙醇和挥发性有机酸；
（3）菌解同步产氢培养结束后，向发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧接种污泥，从而将水解产物乙醇和挥发性有机酸以及菌解后的藻细胞残余物进行厌氧发酵产甲烷。
所述的步骤（1）中，藻类原料选自任何细胞壁中含纤维素的藻类生物质原料。
所述的步骤（1）中，藻类原料与营养盐溶液的混合比例为2～10g（干重）：1L，营养盐溶液为每升包括NH4Cl，1g；K2HPO4，2g；KH2PO4，3.3g；CaCl2，0.1g；MgCl2·6H2O，0.2g；酵母粉，0.1g；FeSO4·7H2O，1mg；MnCl2·4H2O，1mg；ZnCl2，1mg；CuCl2·2H2O，0.2mg；NaMoO4·2H2O，1mg的水溶液，pH=7.0。
所述的步骤（1）中，纤维素降解菌为梭状芽孢杆菌，其中纤维素降解菌种子液与营养盐溶液的体积比为1～10%。
所述的步骤（2）中，保温的温度为30～40℃或50～60℃。
所述的步骤（2）中，避光培养的时间为0～5天，培养时pH范围应控制在6.6～7.5。
所述的步骤（3）中，厌氧接种污泥与藻类原料的接种比为0.2～2.1（VS/VS），厌氧接种污泥的接种量为3～5gVS/L，所述的厌氧发酵为中温发酵30～40℃或高温发酵50～60℃。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过菌解法对藻类生物质原料进行预处理，促进藻细胞的水解破壁，并且在厌氧发酵产甲烷的同时，获得较高产量的氢气，从而提高了藻类生物质原料的能源转化效率。
1、用菌解法促进藻细胞的水解破壁，其反应具有连续性，并且接种液可以循环利用，因此成本较低。
2、菌解预处理后，其残留在液相中的产物，如挥发性脂肪酸，也能被后续的厌氧消化过程利用，原料利用率高。
3、显著提高了氢气的产量，并且可以分别获得较为纯净的氢气和甲烷，藻类生物质原料的能源转化效率高。
附图说明
图1为本发明实施例中藻类原料菌解同步产氢和产甲烷的工艺流程。
图2为本发明实施例中藻类原料菌解同步产氢后续厌氧消化产甲烷的工艺流程。
具体实施方式
下面结合实施例和附图进一步说明本发明。
实施例1
一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法：
（1）将栅藻（Scenedesmussubspicatus）藻液经过离心浓缩后备用。
向浓缩藻液中加入500ml营养盐溶液，接入预先培养好的纤维素降解菌梭状芽孢杆菌（Clostridium sp.）种子液，温度控制在55℃左右进行预处理；梭状芽孢杆菌与营养盐溶液的体积比为5%。
其中营养盐溶液配方为每升包括NH4Cl，1g；K2HPO4，2g；KH2PO4，3.3g；CaCl2，0.1g；MgCl2·6H2O，0.2g；酵母粉，0.1g；FeSO4·7H2O，1mg；MnCl2·4H2O，1mg；ZnCl2，1mg；CuCl2·2H2O，0.2mg；NaMoO4·2H2O，1mg的水溶液；pH=7.0。
（2）保温、避光培养20小时后，溶液中TOC增加284mg/L，而乙醇和挥发性脂肪酸的总量并未有明显增加，说明栅藻的胞内物质进入溶液中，细胞水解破壁效果明显。
实施例2
一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法，如图1所示：
（1）将小球藻（Chlorella vulgaris）藻液经过离心浓缩后备用。
（2）向浓缩藻液中加入500ml营养盐溶液，接入预先培养好的梭状芽孢杆菌（Clostridiumsp.）种子液，同时接入厌氧颗粒污泥，温度控制在55℃左右进行厌氧发酵。
营养盐溶液配方如下：NH4Cl，0.5g；K2HPO4，1g；KH2PO4，1.7g；CaCl2，0.05g；MgCl2·6H2O，0.1g；酵母粉，0.05g；FeSO4·7H2O，0.5mg；MnCl2·4H2O，0.5mg；ZnCl2，0.5mg；CuCl2·2H2O，0.1mg；NaMoO4·2H2O，0.5mg；水，500ml；pH=7.0。
厌氧颗粒污泥取自厌氧内循环反应器，含有活性较高的产甲烷菌，将水解产物乙醇和挥发性有机酸以及菌解后的藻细胞残余物进行厌氧发酵产甲烷。其中，厌氧颗粒污泥的接种量为3gVS/L，污泥与藻的接种比为2.0（VS/VS），梭状芽孢杆菌与营养盐溶液的体积比为5%；采用如上所述的处理方法，氢气产率为10ml H2/g VS，甲烷产率达到403ml CH4/g VS。
实施例3
一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法，如图2所示：
（1）将小球藻（Chlorella vulgaris）藻液经过离心浓缩后备用。
向浓缩藻液中加入500ml营养盐溶液，接入预先培养好的梭状芽孢杆菌（Clostridium sp.）种子液，温度控制在55℃左右进行预处理。
（2）培养4天后，接入厌氧颗粒污泥，在55℃左右进行厌氧发酵。
营养盐溶液配方如下：NH4Cl，0.5g；K2HPO4，1g；KH2PO4，1.7g；CaCl2，0.05g；MgCl2·6H2O，0.1g；酵母粉，0.05g；FeSO4·7H2O，0.5mg；MnCl2·4H2O，0.5mg；ZnCl2，0.5mg；CuCl2·2H2O，0.1mg；NaMoO4·2H2O，0.5mg；水，500ml；pH7.0。
（3）菌解同步产氢培养结束后，向发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧接种污泥，厌氧颗粒污泥取自厌氧内循环反应器，含有活性较高的产甲烷菌，在供给营养物质的条件下能稳定产甲烷。厌氧颗粒污泥的接种量为3gVS/L，污泥与藻的接种比为2.0（VS/VS），梭状芽孢杆菌与营养盐溶液的体积比为5%。
采用如上所述的处理方法，氢气产率为54ml H2/g VS，甲烷产率达到395ml CH4/g VS。
与未进行菌解预处理的藻相比，实施例2中氢气产率略有提高，而甲烷产率增加约6%，实施例3中甲烷产率略有提高，而氢气产率提高了7倍。
与常用的机械法、热处理法、酶解法等预处理方法相比，采用菌解法促进藻细胞的水解破壁，其反应具有连续性，并且接种液可以循环利用，成本较低；菌解预处理后，其残留在液相中的产物，如挥发性脂肪酸，也能被后续的厌氧消化过程利用，原料利用率高；经菌解预处理氢气产量显著提高，并且可以分别获得较为纯净的氢气和甲烷，藻类生物质原料的能源转化效率高。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种菌解生物预处理提高藻类原料厌氧产能效率的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将藻类原料与营养盐溶液混合，接入预先培养好的厌氧纤维素降解菌种子液；
(2)保温、避光培养，进行菌解预处理并同步产氢，促进藻细胞壁的水解，得到氢气以及水解产物乙醇和挥发性有机酸；
(3)菌解同步产氢培养结束后，向发酵液中接入含产甲烷菌的厌氧接种污泥，将水解产物乙醇和挥发性有机酸以及菌解后的藻细胞残余物进行厌氧发酵产甲烷；
所述的步骤(1)中，藻类原料与营养盐溶液的混合比例为干重2～10g藻类原料：1L营养盐溶液，营养盐溶液为每升包括NH4Cl，1g；K2HPO4，2g；KH2PO4，3.3g；CaCl2，0.1g；MgCl2·6H2O，0.2g；酵母粉，0.1g；FeSO4·7H2O，1mg；MnCl2·4H2O，1mg；ZnCl2，1mg；CuCl2·2H2O，0.2mg；NaMoO4·2H2O，1mg的水溶液，pH＝7.0；
所述的步骤(1)中，纤维素降解菌为梭状芽孢杆菌，其中纤维素降解菌种子液与营养盐溶液的体积比为1～10％；
所述的步骤(3)中，厌氧接种污泥与藻类原料的接种比为0.2～2.1，VS/VS，厌氧接种污泥的接种量为3～5gVS/L，所述的厌氧发酵为中温发酵30～40℃或高温发酵50～55℃；
所述的步骤(2)中，保温的温度为30～40℃或50～55℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，藻类原料选自细胞壁中含纤维素的藻类生物质原料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，避光培养的时间为0～5天，培养时pH范围为6.6～7.5。
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