提高在难转化的底物存在下的生物气产量的方法技术

本发明专利技术提供用于从厌氧消化中提高甲烷产量的系统和方法。通过将降解戊糖或甘油的微生物加入至厌氧消化器中，这些难转化的底物可被有效地转化为具有更大的甲烷含量的生物气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术公开了用于提高在戊糖和/或甘油存在下的生物气产量的方法。
技术介绍
已有一些从有机废物中回收能量的技术。甲烷发酵是一种用于能量回收的生物方法，其可以容易地将常规有机物质转化为甲烷。该生物分解方法通过微生物的至少三种官能团之间的代谢作用进行调控。通常，有机材料先被水解为较简单的化合物，然后被产酸菌(acidogen)转化为挥发性酸。含有两个以上的碳的挥发性酸然后被专性产氢产乙酸菌 (obligate hydrogen-producing acetogen)转化为乙酸和 H2。最后，乙酸、H2 和 Cl 化合物被产甲烧菌转化为 CH4 (参见 Speece，Anaerobic Biotechnology, 26 (1996))。在木质纤维性生物质中出现大量的C5糖作为半纤维素的结构性多糖。木质纤维性生物质是比粮食作物更丰富的可再生材料，并且可得到木质纤维性生物质而不干扰食物供应链，并且对环境的影响较小。但是，木质纤维性生物质不能直接用作微生物发酵的碳源，并且需要将其处理以得到可发酵的糖。木质纤维素的水解给出单体己糖(葡萄糖、甘露糖和半乳糖)和戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)的混合物。其中，葡萄糖通常是最丰富的，其次是戊糖(如硬木和农业废料)或甘露糖(如软木材)。戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)可占木质纤维性生物质高达30%，并以木糖为主(半纤维素糖中约为80%)。尽管在木质纤维素的水解产物中的葡萄糖通常可易于发酵成乙醇和其他有用的化学物质，但是对于常规的工业性菌株，通常难以利用戊糖作为碳源。尽管在实验室中使用一些天然或基因工程菌株(genetically engineered strain)已成功地将木糖发酵成乙醇和其他化学物质，但是由于难以通过污泥中天然存在的微生物消化戊糖，所有还难以实现木糖和其他C5糖向生物气的有效厌氧消化。(参见 Lin，C.等人，Hydrogen Energy. 33 :43-50 (2008)) 在生物柴油工业中甘油作为副产物产生(生产100kg生物柴油将产生约IOkg甘油)。由于快速扩展的生物柴油市场，粗甘油的可获得性预计将在今后几年显著提高。但是， 由于甘油的工业化学还未完善建立，所以利用廉价的粗甘油制备高附加值的化学物质是具有挑战性的。考虑到厌氧消化过程的简便性，甘油向生物气的厌氧消化可提供较简单的将甘油转化为燃料的方法。但是，对于污泥中天然存在的微生物，仍然难以有效地利用甘油作为生物气制备的底物。因此，戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)和甘油向生物气的有效转化将有助于减少生物乙醇和生物柴油生产过程的总成本，在所述生产过程中，戊糖和甘油分别作为“废料”产生。如上所述，产甲烷菌只能利用非常简单的碳源如乙酸、CO2、甲醇、⑶和H2。一些微生物(细菌如大肠杆菌(Escherichia coli)和酵母如树干毕赤酵母(Pichia stipitis)) 具有更强的利用戊糖和/或甘油产生有机酸和其他具有较小分子的代谢物的能力。这些较小的分子可以是比戊糖和甘油更佳的产甲烷菌的底物。但是，这些微生物不存在于原始污泥中或它们在原始污泥中的含量非常低。一些研究者们已报道了污泥中天然存在的大肠杆菌对于生物气制备的作用。Gonzalez，R.等人.Metabolic Engineering(2008))发现大肠杆菌可以1，3_丙二醇(“-PD0”)的独立方式发酵甘油。在该方法中产生的一些中间体和最终产物1，3-PD0可被经消化的污泥中天然存在的微生物消化，并转化为甲烷和C02。Chiu 等人Q007)报道了通过产H2细菌利用木糖的方法。在产氢气过程之前，先通过产H2细菌利用木糖以产生一些挥发性脂肪酸(VFAs)中间体，然后将其转化为甲烷。产H2菌与产甲烷菌天然共存于经消化的污泥中。但是由于产H2菌较强的形成孢子的能力，它们比产甲烷菌耐受更高的温度(高达100°C )。在更高的温度下，通过简单的加热处理可将产压菌与产甲烷菌分离。在实验室中已将树干毕赤酵母广泛用于从木糖制备乙醇。Marques等人Q007)报道了使用树干毕赤酵母转化再生纸浆。Hahn-Hagerdal，B.等人Enzyme Microb. Technol.， 16 November (1994)报道了通过该酵母的木糖发酵生理作用。通过戊糖磷酸途径代谢戊糖， 产生各种VFA(如乙酸)和其他中间体。如上所述，这是比木糖更佳的产甲烷菌的底物。鉴于以上所述，在本领域中需要将“难转化的”底物(“hard” substrate)如戊糖和甘油分解为较小分子的物质以促进它们向生物气的转化并提高甲烷产率。本专利技术满足该需求和其他需求。
技术实现思路
本专利技术提供通过厌氧消化将难转化的底物(hard substrates)如戊糖和甘油转化为生物气的方法和系统。在一些方面，所述方法包括引入可将这些“高级”底物有效降解并转化为较小分子的外源微生物。通过向经消化的污泥外源性地引入利用戊糖和利用甘油的微生物，本专利技术方法将这些“高级”底物(如戊糖和甘油)分解为较小分子的物质以促进转化成生物气(如甲烷)。由此，在一个实施方案中，本专利技术提供了用于提高生物质向甲烷转化的产率的厌氧方法，其中所述生物质含有难转化的底物，所述方法包括将含有难转化的底物的生物质与外源微生物接触以产生反应混合物；并将所述反应混合物发酵以提高甲烷产率。在另一个实施方案中，本专利技术提供用于提高生物质向甲烷转化的产率的发酵系统，所述系统包括厌氧发酵罐，其具有含有难转化的底物的生物质；和转化所述难转化的底物的外源微生物，其中使所述生物质发酵以提高甲烷产率。在某些情况中，通过加入外源微生物，来自戊糖或甘油的生物气的产率是不加入外源微生物的产率的3倍或更多。通过改进厌氧发酵的操作条件，可使所有难转化的底物转化为生物气。在某些优选情况中，任何可降解这些难转化的底物的微生物可用于提高从这些难转化的底物产生的生物气产量。在某些情况中，仅在当如开始阶段(优选在水解之前)向所述系统加入所述外源微生物一次。然后，所述微生物可生长许多代。由于所述微生物利用各种碳源的能力，培养这些微生物的培养基非常简单。通过将降解戊糖或甘油的微生物加入厌氧消化器中，这些难转化的底物可被有效地转化为生物气。通过选择可降解这些底物并且优选在所述降解过程中不产生CO2的微生物，可在生物气中产生更高的甲烷含量的产率。然后可将戊糖(如D-木糖、L-阿拉伯糖) 和甘油向生物气的有效转化用于生物乙醇和生物柴油的制备过程。有利地是，已表明外源微生物的加入显著促进了预先存在于经消化的污泥中的有机物质的消化，所述有机物质却不被经消化的污泥中的产甲烷菌所有效消化。本专利技术的方法和系统产生更高的生物气产量和甲烷产率。在另一个实施方案中，本专利技术提供了厌氧方法在提高生物质向甲烷转化的产率中的用途，其中所述生物质含有难转化的底物，所述用途包括将含有难转化的底物的生物质与外源微生物接触以产生反应混合物；并将所述反应混合物发酵以提高甲烷产率。当与附图和以下的详细说明一起阅读时，这些和其他的目的、方面和实施方案将变得更为清楚。附图说明图1显示了本专利技术的一个实施方案的流程图和反应过程。图2的图表显示了通过加入乳酸菌而从木糖产生的甲烷产量(体积mL)提高。图3的图表显本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：新屋文隆，吴金川，
申请(专利权)人：新加坡科技研究局，
类型：发明
国别省市：