沼气厂发酵过程的初始化的方法技术

本发明专利技术涉及一种使用生物降解性差的有机物质，对沼气厂的预发酵罐和甲烷发酵罐进行发酵初始化的方法。这些物质需要通过半需氧微生物的预发酵工艺进行分解，以便用于沼气生产所需的厌氧发酵罐。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种使用生物降解性差的有机物质，对沼气厂的预发酵罐和甲烷发酵罐进行发酵初始化的方法。这些物质需要通过半需氧微生物的预发酵工艺进行分解，以便用于沼气生产所需的厌氧发酵罐。很难分解的有机物质中主要包括农业、园林维护以及园林施工的废料，它们通常都具有稳定的纤维结构，例如青草、干草、秸秆(包括玉米秸秆和稻谷秸秆)、芦苇、粪水等。这些原料的纤维物主要由纤维素组成，不过也有一部分是半纤维素和木质素。通过采用多级初始化处理，可以实现高效专业化的沼气生产流程，其中需要在预发酵罐内形成复杂的生物群落，以便将具有稳定纤维结构的有机物进行分解，从而形成生产沼气所需的有机酸和低分子化合物。
技术介绍
沼气是一种混合气体，通过将有机物在隔绝空气(厌氧)的环境下降解而形成，主要由甲烷和二氧化碳组成。其中含有的甲烷是可燃物质，可以作为燃料用于供暖和发电。古细菌原界类微生物可以在厌氧条件下生产，并合成甲烷。其中不同类型的微生物发生不同的代谢反应，从乙酸转化为甲烷和二氧化碳，或者从二氧化碳和氢气转化为甲烷。为了从自然形成的有机材料、油脂、碳水化合物以及蛋白质中提取甲烷细菌原料，需要利用其他微生物完成多个分解步骤。首先，需要通过胞外酶水解方法，将不溶于水的长链有机物分子在水溶性介质中进行分解(水解)。其中会形成外酵素。酸化细菌会将水溶性有机物转化为有机酸(产酸)。其中有一部分会形成乙酸，可以用于甲烷细菌。其他脂肪酸和乳酸会在产乙酸菌的作用下转化为乙酸(产乙酸)，或者继续分解为氢气和二氧化碳。在传统的沼气厂里，形成甲烷的所有分解过程都是在一个密封状态下的发酵罐中进行的。为避免不同再生时间和不同菌群的生长条件对工作进程造成干扰，发酵罐只能容纳少量的有机物。在采用例如油脂或者食物垃圾的易分解材料时，前两个处理过程，水解和产酸阶段，通常需要分别在不同的发酵罐中完成，正常情况下都被称之为水解阶段。由此可以避免pH-值较低的细菌在再生时间较短的情况下出现酸液过多，以至于发酵罐被酸液淤积，阻碍甲烷的形成。DE29605625U1号专利介绍了一种借助半需氧水解技术在发酵罐中对有机物废料进行发酵的设备。其中需要根据发酵酸的性质进行持续通风，温度必须保持在20℃至40℃。为了在水解和甲烷生产时接种过程生物，需要使用预先在沉降罐中分离出的发酵残余物中的液体。该工序并不适用于含有碳氢化合物的难以分解的材料。为了分解长链分子，需要实现大量供氧，同时还可以将此前形成的糖和淀粉进行氧菌分解，由此可以生成沼气制造所需的材料。近年来，人们增加了在沼气制造领域使用来自农业、园林维护以及施工的纤维类垃圾，它们都是无法用于食品和饲料的垃圾。其中进行发酵的困难在于：制造沼气时所需的包括木质纤维素、纤维素、硅酸或者角蛋白的有机物材料会嵌入到很难分解的厌氧生物晶格结构中。为了解决这一问题，DE102007012104A1号专利中描述了一种对含有木质纤维素的生物材料进行氢化分解的方法：对纤维结构的材料，首先通过热机械方法进行挤压分解，第二步是采用微波工艺对木质纤维素成分进行热处理，如果可能的话也可以添加发酵酶进行分解。这种技术在运行设备和能耗方面的成本比较高，还需要添加发酵酶，才能在利用细胞中更容易降解的有机物的同时，利用纤维素和半纤维素来生成甲烷。DE102008007423A1号专利介绍了一种沼气生产技术，至少分为两个步骤完成，其中需要在发酵罐上设置一个推流式发酵罐，用于进行厌氧水解。这种技术的特别之处在于：在水解阶段需要添加一部分发酵原料，以便生成甲烷，由此可以将水解气体中的甲烷含量提高至10％至30％。这种气体可以用于发酵罐加热，以便提高甲烷有机物质转化过程的能源使用率。DE102008015609A1号专利描述了一种沼气厂和一种多阶段生产工艺，其中至少需要进行两次水解，安装用于生成甲烷的发酵罐。在发酵罐中预设的水解设备将以批量化的方式交替运行，也就是说，完全清空的水解设备可以输送生产沼气所需的原料，在可以搅拌的条件下，与挤压发酵罐的发酵残余物获得的液体进行混合。然后在30℃至60℃的温度条件下搅拌2至4天，进行水解和酸化处理。处理工作完成之后，水解产物可以用于发酵罐送料。在此期间完全清空的第二个水解发酵罐需要按与第一个发酵罐相同的方式进行送料和水解处理。上述两种加工技术采用的水解装置有一个缺点：都只能在无氧状态下运行。但是，可以产生纤维素的厌氧细菌数量极少，即使在最佳条件下，也无法确保有足够的数量和质量，在水解过程中形成可以用于沼气制造的木质纤维素。在科学论坛杂志2006年(第10发行年)第19期第63-68页中，介绍了一种两阶段“固态-液态”沼气生产技术，采用开放型水解设备–这是一种新型技术，可以用再生原料和生物垃圾生产沼气。其中，需要将提前进行通风处理的发酵残余物中的液体与固态原料进行分离，然后将这种液体与富含纤维的原料进行混合，在敞开的容器内进行水解。在容器中进行所谓的生物浸出，可以借助发酵酶将液体中的固态物质清除出去。在对固态原料进行水解时产生的有机物需要在水解容器内与液体混合。在该容器的高效发酵罐内，需要用固定不动的甲烷细菌生成甲烷。在水解供氧方面，不能通过该技术来实现目标工艺管理。在DE102010010091A1号专利中，描述了一种总共分为10步的生物液体技术。首先，需要将纤维质材料进行清洗，去除杂质。然后，将其放入挤压器进行粉碎，同时分离出液体。通过加入热空气，将液体中的纤维混合物进行有氧腐化处理。同时将挤压器中的液体注入液体容器，进行分离保存，根据需要还可以添加发酵酶和尿素。其中，可以从腐败物中获得溶解的有机物，并且和已有的部分腐败物共同进行制酸处理(这里称为“水解”)。完成制酸之后，用螺旋挤压机将残余的纤维物分离出来。将湿润的固态物质进行挤压和烘干，可以将其用作燃料。最后就可以将分离出来的含有有机酸的液体注入甲烷发酵罐中制成沼气。这种技术在工艺上和能源上的成本都极为昂贵。由于受到腐败处理的局部条件所限，构成发酵酶的细菌数量可能根本不够，只能在腐败处理时额外加入发酵酶。从2005年起，有一种半需氧水解技术被陆续推出-其中可以避免出现上述缺陷，例如在BiogazMéthanisation的会议上,2012年2月8日的Journéesrencontres<<RechercheetI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沼气厂发酵过程的初始化的方法，其中针对预发酵罐和甲烷发酵罐，通过使用生物降解性差的有机材料，在所述预发酵罐中运行下列步骤：a)将原料在液体中浸泡，并加热至25℃至42℃之间，原料中所含的干燥成分最多不能超过20％，才能在混合物进行搅拌；b)在达到反应温度之后，将常见的构成发酵酶的细菌或者真菌类培养基注入原料，在持续通风的状态下培养1至2天；c)从预发酵罐向甲烷发酵罐首次传送水解材料，重新加入原料和液体，干燥成分最多不能超过20％；d)多次重复步骤a)至c)；e)然后将发酵酶培养基的添加比例降至25％至50％，然后添加用于形成乙醇的培养基，在周期性通风的条件下培养3至5天；f)然后停止添加发酵酶培养基，将形成乙醇的培养基添加量降至25％至50％，或者加入生产乙酸的培养基，培养需要持续3至10天。

【技术特征摘要】
2014.06.12 DE 102014108233.81.一种沼气厂发酵过程的初始化的方法，其中针对预发酵罐和甲烷发酵
罐，通过使用生物降解性差的有机材料，在所述预发酵罐中运行下列步
骤：
a)将原料在液体中浸泡，并加热至25℃至42℃之间，原料中所含
的干燥成分最多不能超过20％，才能在混合物进行搅拌；
b)在达到反应温度之后，将常见的构成发酵酶的细菌或者真菌类培
养基注入原料，在持续通风的状态下培养1至2天；
c)从预发酵罐向甲烷发酵罐首次传送水解材料，重新加入原料和液
体，干燥成分最多不能超过20％；
d)多次重复步骤a)至c)；
e)然后将发酵酶培养基的添加比例降至25％至50％，然后添加用于
形成乙醇的培养基，在周期性通风的条件下培养3至5天；
f)然后停止添加发酵酶培养基，将形成乙醇的培养基添加量降至
25％至50％，或者加入生产乙酸的培养基，培养需要持续3至10天。
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【专利技术属性】
技术研发人员：P·拉贝，
申请(专利权)人：柏诺瓦生物气体有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE