[发明专利]一种木质纤维素原料兼氧-厌氧顺序交替发酵工艺

说明书

技术领域

本发明属于生物能源开发利用领域，具体涉及一种木质纤维素原料兼氧-厌氧顺序交替发酵工艺。

背景技术

进入2l世纪以来，资源与环境问题已成为人类共同面临的重大挑战，开发利用生物能源已成为世界各国应对这种挑战的重要战略举措，同时也成为以绿色和低碳技术为标志的能源革命的关键组成部分。

通过厌氧发酵的方式将生物质转化为沼气是生物质开发利用的一个重要领域。木质纤维素原料生产沼气具有原料来源广泛、生产成本低、燃气甲烷含量高、分离纯化容易等特点，可广泛用于集中供气、车用燃料、分布式发电和燃料电池等行业，工业化应用前景非常好。采用木质纤维素类生物质生产第二代生物燃料已被世界许多国家列入中长期发展战略规划。目前，制约木质纤维素资源大规模生物转化生产生物燃料的主要原因在于其自身的复杂结构，主要表现在以下两个方面：

一是木质素对纤维素和半纤维素的屏障作用。纤维素、半纤维素和木质素是木质纤维原料的三大组成部分，半纤维素的氢键和纤维素微纤维结成网络结构，构成了细胞壁的骨架。细胞壁中的木质素会进一步与纤维素和半纤维素等碳水化合物结合形成“木质素-碳水化合物联合体”(Lignin-carbohydrate complexes，简称LCC)，LCC起到保护植物细胞免受微生物攻击的作用。正是由于木质素对纤维素和半纤维素的屏障作用和厌氧条件下木质素的低生物降解率，降低了原料可利用表面，阻碍了微生物和酶顺利接近可生物降解的碳水化合物部分，导致了木质纤维素原料的生物降解最多只能达到所含纯碳水化合物量的50％(＜200mL CH₄/g干物质)。但是分子氧的存在可以大幅度提高木质素的降解，进而提高木质纤维类有机物的生物降解率和产气率。因此，如何在木质纤维素原料的厌氧发酵进程中引入分子氧而又不影响厌氧发酵的进程就成了提高该类原料生物降解率和甲烷产率的一个重要课题。

二是纤维素高结晶度对生物降解的抑制作用。纤维素分子呈聚集态，结晶区内链分子的全部羟基和非结晶区内链分子的部分羟基会形成很多氢键，这使得纤维素极难溶解，反应性能差。在纤维素的结晶区，葡萄糖分子的羟基全部在分子内部或与分子外部的氧结合，没有游离的羟基。这种结晶构造，使得酶分子和水分子难以侵入到其内部中去。这是木质纤维原料生物降解所必须突破的又一障碍，被认为是木质纤维原料生物转化利用过程中所遇到的一个主要挑战。

目前，通过物理、化学、生物或热处理方法打破木质纤维的结构抑制问题已经成为提高该类原料厌氧发酵速度和转化率的必要手段。

发明内容

本发明的目的是通过在木质纤维素原料的厌氧发酵过程的前期和后期引入两个兼氧发酵过程，使木质素的生物降解、纤维素和半纤维素的水解产酸发酵、以及有机酸的产甲烷发酵构成一个相互促进的有机整体，从而提高木质纤维素的厌氧发酵速度、厌氧生物转化率和沼气产率。

本发明的目的可以通过以下措施实现：

一种木质纤维素原料兼氧-厌氧顺序交替发酵工艺，木质纤维素原料经粉碎、切割或揉切处理后添加到“固相兼氧-厌氧发酵区”(以下简称固相发酵区)，在该反应区原料按照“兼氧-厌氧-兼氧-厌氧”依次顺序交替发酵，实现预处理、水解产酸和释放热量的功能，释放的热量用于补充发酵系统加温所需的能量，发酵产生的富含挥发性有机酸的料液进入到“液相厌氧发酵区”(以下简称液相发酵区)完成产甲烷反应，产生的沼气从液相发酵区释放出去，部分厌氧发酵液回流到固相发酵区继续参与产酸发酵，并把发酵产生的挥发性有机酸携带到液相发酵区。通过上述过程强化了木质素的生物降解，从而促进了纤维素和半纤维素的厌氧生物转化，提高了原料的沼气产率。

其中木质纤维素原料选自玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、高粱秆、花生秧、草中的一种或几种；木质纤维素原料的物理预处理方法优先选用揉切法；固相发酵区由2～6个相互独立的反应区组成，每个反应区的进料时间错开，以保证液相厌氧发酵区进料的连续性。固相发酵区与液相发酵区可以是相互独立的反应器，也可以是同一个反应器内用导热性好的隔板分隔成的独立反应区，优先选用后者。