[发明专利]一种基于丙三醇预发酵的秸秆厌氧消化产甲烷方法

说明书

一种基于丙三醇预发酵的秸秆厌氧消化产甲烷装置，包含使用进料池、酵母活化池、调节池、酵母发酵罐和产甲烷罐等设备。使用该装置进行丙三醇预发酵的秸秆厌氧消化产甲烷的方法，包括以下步骤：秸秆经预处理后投加纤维素水解酶将其转化为简单的还原糖；控制反应条件投加酵母菌让其在酵母发酵罐内定向产丙三醇；最后在产甲烷消化罐内进行厌氧消化。酵母发酵罐和产甲烷罐对固体停留时间，消化器内的pH值以及发酵温度均有数值要求范围。该方法可达到如下效果：加快固体废物秸秆的降解速率，提高产甲烷速率和甲烷产量，厌氧消化系统稳定性增强。该技术投资成本小，操作简单，效果提升明显。可用于高负荷有机固废高效厌氧消化产甲烷。

技术领域

本发明涉及有机固废高效厌氧产甲烷方法。

背景技术

厌氧甲烷化技术是目前实现污染物能源化最现实、最有效的方法之一。传统的厌氧消化工程主要通过水解酸化-产甲烷途径进行发酵，该途径复杂有机物水解缓慢，且有机物分解产乙酸受H₂分压限制，导致产甲烷效率低及稳定性差。2014年,美国马萨诸塞州大学微生物学家Lovley等人提出一种新型产甲烷途径：直接种间电子传递(DIET)产甲烷途径。Geobacter可直接氧化乙醇，并将产生的电子通过导电菌丝或者细胞色素OmcS传递给Methanothrix或 Methanosarcina，其接受电子并还原二氧化碳为甲烷。

当底物中含有乙醇(含有一个-OH)时，微生物经过一段时间的驯化，反应器内会形成以直接种间电子传递为主导的的产甲烷途径，有研究表明当含有羟基的乙醇进入到细胞内后可以加快 NADH/NAD⁺转换促进ATP的产生。目前，已有数个研究已经证实乙醇可以促进厌氧消化系统中DIET产甲烷。当乙醇存在时，污泥的导电性增强；同时二氧化碳还原为甲烷的基因丰度明显升高。并且通过微生物群落分析发现乙醇可以富集DIET互养菌群例如Geobacter，并促使其参加DIET产甲烷途径。同时在基于乙醇型发酵预处理的厌氧消化工艺在实际工程中应用效果良好。但是在面对较高负荷冲击时，厌氧消化系统仍会出现酸化等不稳定状况。因此优化筛选刺激DIET的引物，富集DIET微生物，加快直接种间电子传递速率是提高厌氧消化产甲烷的关键。

工业上生产丙三醇的方法主要分为以下几种：化学合成，油脂皂化水解以及微生物发酵；由于前两种方法存在着高能耗高污染低产出等问题，21世纪初期我们将注意力转移到了微生物发酵上，其中发展应用较为迅速的为酵母发酵法，应用研究较多的为耐高渗透酵母的发酵(诸葛健、方慧英，微生物好氧发酵法生产甘油，精细与专用化学品，2001-20:22-23)，近年来通过不断对发酵条件发酵工艺发酵参数的优化，糖转化效率高达50-60％，丙三醇产量高达100- 120g/L；但这些高产的发酵方法均依赖于较为充足的氧气供给(诸葛健，中国专利，申请号：99111308.X；姜耀明，中国专利，申请号： 201110255676.1；张标，中国专利，申请号：202010024754.6)，后为了克服丙三醇提取困难等问题，人们先后提出了多步发酵(刘德华，中国专利，申请号：200810222028.4)、残糖氧化(蔡水洪，中国专利，申请号：94112202.6)等方法，但都没有规避供氧通风这种高投资生产成本。

随着人们对环境越来越重视，如何高效利用秸秆资源逐渐成为人们关注的焦点，目前较为常见的方式秸秆还田，秸秆饲料化，秸秆材料化用于制作建筑材料或包装材料。然而目前仍存在许多问题和困境，例如生产成本高产品质量不稳定等问题。未能充分利用的秸秆随意堆积或焚烧会带来严重的环境污染等问题，同时我国能源相对匮乏，利用厌氧消化技术将秸秆转化为甲烷是一种环境效益高且可持续发展的一种方法策略。然而常规的秸秆厌氧消化技术存在着，发酵时间长，有机质转化效率低，产甲烷速率低等问题。

发明内容