[发明专利]木质纤维素原料的同时厌氧消化和发酵

说明书

技术领域

本发明涉及从纤维质生物质生产可燃性燃料的系统和方法。更具体地 讲，本发明涉及从木质纤维素原料可操控地同时生产生物气、燃料醇、有 机酸和化学品。

背景技术

厌氧消化系统的在工业和商业上的好处，除了在于能产生可用于同时 产热发电的生物气之外，还包括提供能量和有成本效益性地对工业流出物 进行内部废水处理。但是，其缺点包括：由于各工艺阶段的生物学特性， 导致消化时间漫长，而且由于有机废物流的某些成分对微生物酶系的不利 影响，造成生物过程进一步被延迟或者被抑制。在配置来处理有机废物和 物料的厌氧系统中，由于缺乏进行完全消化所需的酶类，系统的消化速度 往往明显降低。酶类的缺乏可归因于：(1)产生这些酶类的细菌生长不良； (2)适当的和驯化的细菌接触原料的渠道不足；(3)积累性副产物紧密接触细 菌细胞导致酶生产的反馈抑制；和(4)发酵液中高浓度的副产物中间体可导 致酶活性的抑制。新鲜的原料浆液置换含有产活性酶细菌的聚集群体的沉 淀浆液，也会导致消化速度低。通常应用厌氧消化系统对有机废物进行市 政性和工业性转化，生成的生物气随后进行捕集，供用于产热和/或发电。 有机废物厌氧消化生成生物气，通常是按四阶段过程进行，该工艺包括： (a)第一阶段，复杂有机分子被水解成可溶性单体如单糖、氨基酸和脂肪酸 (即水解)，接着(b)第二阶段，第一阶段中产生的简单单体被转化成挥发性 有机酸(即产酸)，然后(c)第三阶段，挥发性有机酸被转化成乙酸、CO₂和 氢气(即产乙酸)，最后(d)第四阶段，乙酸被转化成甲烷、CO₂和水(产甲烷)。 这种厌氧转化所产生的生物气主要含有甲烷，其次是CO₂，还有痕量的氮 气、氢气、氧气和硫化氢。

厌氧消化的四个阶段是由微生物介导的，每个阶段的厌氧消化通常涉 及不同类型的协作作用的天然厌氧细菌。大规模的厌氧消化系统可配置成 将所述四个阶段分开到单独的容器中，例如在连续吞吐系统(continuous throughput system)中，并给每个容器补加选定的合适微生物培养物的接种 物，以优化每个阶段的转化效率。或者，也可以通过提供包含四组厌氧细 菌的接种物，在一个容器中维持着厌氧消化的全部四个阶段，例如在分批 系统中。示例性的水解细菌有常杆菌属细菌(Enterobacter sp.)，示例性的产 酸细菌包括芽孢杆菌属细菌(Bacillus sp.)、乳酸杆菌属细菌(Lactobacillus sp.)和链球菌属细菌(Streptococcus sp.)，示例性的产乙酸细菌包括醋杆菌属 细菌(Acetobacter sp.)、葡糖杆菌属细菌(Gluconobacter sp.)和某些梭菌属细 菌(Clostridium sp.)，而示例性的产甲烷细菌来自甲烷杆菌属细菌 (Methanobacteria)、甲烷球菌属细菌(Methanococci)和甲烷火菌(Methanopyri sp.)属细菌。

有机废物最普通的主要聚合物成分是纤维素，且已知纤维素的微生物 水解是厌氧消化第一阶段中的最显著的限速步骤，会影响后续阶段的吞吐 速度和效率(Adney等人，1991，Appl.Biochem.Biotechnol.30：165-183； Yingnan等人，2004，Bioresour.Technol.94：197-201)。有机废物流中常存在 的纤维素材料通常含有大量的木质素。木质素衍生的聚合物材料在厌氧消 化系统中特别顽抗，且往往直接造成厌氧酶系抑制。已知来自化浆(pulping) 工艺的木质素衍生废物流(业内技术人员称为“黑液”或“废液”)由于木 质素对厌氧代谢的抑制作用，并不易于进行厌氧消化(Peng等人，J.Chem. Tech.Biotechnol.1993，58：89-93)。此外，木质素似乎对产甲烷细菌特别有 不利影响(Yin等人，2000，Biotechnol.Lett.22：1531-1535)。

发明内容