專利名稱：提高在難轉(zhuǎn)化的底物存在下的生物氣產(chǎn)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)了用于提高在戊糖和/或甘油存在下的生物氣產(chǎn)量的方法。
背景技術(shù)：
已有一些從有機(jī)廢物中回收能量的技術(shù)。甲烷發(fā)酵是一種用于能量回收的生物方法，其可以容易地將常規(guī)有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷。該生物分解方法通過(guò)微生物的至少三種官能團(tuán)之間的代謝作用進(jìn)行調(diào)控。通常，有機(jī)材料先被水解為較簡(jiǎn)單的化合物，然后被產(chǎn)酸菌(acidogen)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性酸。含有兩個(gè)以上的碳的揮發(fā)性酸然后被專性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌 (obligate hydrogen-producing acetogen)轉(zhuǎn)化為乙酸和 H2。最后，乙酸、H2 和 Cl 化合物被產(chǎn)甲燒菌轉(zhuǎn)化為 CH4 (參見(jiàn) Speece，Anaerobic Biotechnology, 26 (1996))。在木質(zhì)纖維性生物質(zhì)中出現(xiàn)大量的C5糖作為半纖維素的結(jié)構(gòu)性多糖。木質(zhì)纖維性生物質(zhì)是比糧食作物更豐富的可再生材料，并且可得到木質(zhì)纖維性生物質(zhì)而不干擾食物供應(yīng)鏈，并且對(duì)環(huán)境的影響較小。但是，木質(zhì)纖維性生物質(zhì)不能直接用作微生物發(fā)酵的碳源，并且需要將其處理以得到可發(fā)酵的糖。木質(zhì)纖維素的水解給出單體己糖(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，葡萄糖通常是最豐富的，其次是戊糖(如硬木和農(nóng)業(yè)廢料)或甘露糖(如軟木材)。戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)可占木質(zhì)纖維性生物質(zhì)高達(dá)30%，并以木糖為主(半纖維素糖中約為80%)。盡管在木質(zhì)纖維素的水解產(chǎn)物中的葡萄糖通?？梢子诎l(fā)酵成乙醇和其他有用的化學(xué)物質(zhì)，但是對(duì)于常規(guī)的工業(yè)性菌株，通常難以利用戊糖作為碳源。盡管在實(shí)驗(yàn)室中使用一些天然或基因工程菌株(genetically engineered strain)已成功地將木糖發(fā)酵成乙醇和其他化學(xué)物質(zhì)，但是由于難以通過(guò)污泥中天然存在的微生物消化戊糖，所有還難以實(shí)現(xiàn)木糖和其他C5糖向生物氣的有效厭氧消化。(參見(jiàn) Lin，C.等人，Hydrogen Energy. 33 :43-50 (2008)) 在生物柴油工業(yè)中甘油作為副產(chǎn)物產(chǎn)生(生產(chǎn)100kg生物柴油將產(chǎn)生約IOkg甘油)。由于快速擴(kuò)展的生物柴油市場(chǎng)，粗甘油的可獲得性預(yù)計(jì)將在今后幾年顯著提高。但是， 由于甘油的工業(yè)化學(xué)還未完善建立，所以利用廉價(jià)的粗甘油制備高附加值的化學(xué)物質(zhì)是具有挑戰(zhàn)性的。考慮到厭氧消化過(guò)程的簡(jiǎn)便性，甘油向生物氣的厭氧消化可提供較簡(jiǎn)單的將甘油轉(zhuǎn)化為燃料的方法。但是，對(duì)于污泥中天然存在的微生物，仍然難以有效地利用甘油作為生物氣制備的底物。因此，戊糖(D-木糖、L-阿拉伯糖)和甘油向生物氣的有效轉(zhuǎn)化將有助于減少生物乙醇和生物柴油生產(chǎn)過(guò)程的總成本，在所述生產(chǎn)過(guò)程中，戊糖和甘油分別作為“廢料”產(chǎn)生。如上所述，產(chǎn)甲烷菌只能利用非常簡(jiǎn)單的碳源如乙酸、CO2、甲醇、⑶和H2。一些微生物(細(xì)菌如大腸桿菌(Escherichia coli)和酵母如樹(shù)干畢赤酵母(Pichia stipitis)) 具有更強(qiáng)的利用戊糖和/或甘油產(chǎn)生有機(jī)酸和其他具有較小分子的代謝物的能力。這些較小的分子可以是比戊糖和甘油更佳的產(chǎn)甲烷菌的底物。但是，這些微生物不存在于原始污泥中或它們?cè)谠嘉勰嘀械暮糠浅５?。一些研究者們已?bào)道了污泥中天然存在的大腸桿菌對(duì)于生物氣制備的作用。Gonzalez，R.等人.Metabolic Engineering(2008))發(fā)現(xiàn)大腸桿菌可以1，3_丙二醇(“-PD0”)的獨(dú)立方式發(fā)酵甘油。在該方法中產(chǎn)生的一些中間體和最終產(chǎn)物1，3-PD0可被經(jīng)消化的污泥中天然存在的微生物消化，并轉(zhuǎn)化為甲烷和C02。Chiu 等人Q007)報(bào)道了通過(guò)產(chǎn)H2細(xì)菌利用木糖的方法。在產(chǎn)氫氣過(guò)程之前，先通過(guò)產(chǎn)H2細(xì)菌利用木糖以產(chǎn)生一些揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)中間體，然后將其轉(zhuǎn)化為甲烷。產(chǎn)H2菌與產(chǎn)甲烷菌天然共存于經(jīng)消化的污泥中。但是由于產(chǎn)H2菌較強(qiáng)的形成孢子的能力，它們比產(chǎn)甲烷菌耐受更高的溫度(高達(dá)100°C )。在更高的溫度下，通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱處理可將產(chǎn)壓菌與產(chǎn)甲烷菌分離。在實(shí)驗(yàn)室中已將樹(shù)干畢赤酵母廣泛用于從木糖制備乙醇。Marques等人Q007)報(bào)道了使用樹(shù)干畢赤酵母轉(zhuǎn)化再生紙漿。Hahn-Hagerdal，B.等人Enzyme Microb. Technol.， 16 November (1994)報(bào)道了通過(guò)該酵母的木糖發(fā)酵生理作用。通過(guò)戊糖磷酸途徑代謝戊糖， 產(chǎn)生各種VFA(如乙酸)和其他中間體。如上所述，這是比木糖更佳的產(chǎn)甲烷菌的底物。鑒于以上所述，在本領(lǐng)域中需要將“難轉(zhuǎn)化的”底物(“hard” substrate)如戊糖和甘油分解為較小分子的物質(zhì)以促進(jìn)它們向生物氣的轉(zhuǎn)化并提高甲烷產(chǎn)率。本發(fā)明滿足該需求和其他需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供通過(guò)厭氧消化將難轉(zhuǎn)化的底物(hard substrates)如戊糖和甘油轉(zhuǎn)化為生物氣的方法和系統(tǒng)。在一些方面，所述方法包括引入可將這些“高級(jí)”底物有效降解并轉(zhuǎn)化為較小分子的外源微生物。通過(guò)向經(jīng)消化的污泥外源性地引入利用戊糖和利用甘油的微生物，本發(fā)明方法將這些“高級(jí)”底物(如戊糖和甘油)分解為較小分子的物質(zhì)以促進(jìn)轉(zhuǎn)化成生物氣(如甲烷)。由此，在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了用于提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率的厭氧方法，其中所述生物質(zhì)含有難轉(zhuǎn)化的底物，所述方法包括將含有難轉(zhuǎn)化的底物的生物質(zhì)與外源微生物接觸以產(chǎn)生反應(yīng)混合物；并將所述反應(yīng)混合物發(fā)酵以提高甲烷產(chǎn)率。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供用于提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率的發(fā)酵系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括厭氧發(fā)酵罐，其具有含有難轉(zhuǎn)化的底物的生物質(zhì)；和轉(zhuǎn)化所述難轉(zhuǎn)化的底物的外源微生物，其中使所述生物質(zhì)發(fā)酵以提高甲烷產(chǎn)率。在某些情況中，通過(guò)加入外源微生物，來(lái)自戊糖或甘油的生物氣的產(chǎn)率是不加入外源微生物的產(chǎn)率的3倍或更多。通過(guò)改進(jìn)厭氧發(fā)酵的操作條件，可使所有難轉(zhuǎn)化的底物轉(zhuǎn)化為生物氣。在某些優(yōu)選情況中，任何可降解這些難轉(zhuǎn)化的底物的微生物可用于提高從這些難轉(zhuǎn)化的底物產(chǎn)生的生物氣產(chǎn)量。在某些情況中，僅在當(dāng)如開(kāi)始階段(優(yōu)選在水解之前)向所述系統(tǒng)加入所述外源微生物一次。然后，所述微生物可生長(zhǎng)許多代。由于所述微生物利用各種碳源的能力，培養(yǎng)這些微生物的培養(yǎng)基非常簡(jiǎn)單。
通過(guò)將降解戊糖或甘油的微生物加入?yún)捬跸髦?，這些難轉(zhuǎn)化的底物可被有效地轉(zhuǎn)化為生物氣。通過(guò)選擇可降解這些底物并且優(yōu)選在所述降解過(guò)程中不產(chǎn)生CO2的微生物，可在生物氣中產(chǎn)生更高的甲烷含量的產(chǎn)率。然后可將戊糖(如D-木糖、L-阿拉伯糖) 和甘油向生物氣的有效轉(zhuǎn)化用于生物乙醇和生物柴油的制備過(guò)程。有利地是，已表明外源微生物的加入顯著促進(jìn)了預(yù)先存在于經(jīng)消化的污泥中的有機(jī)物質(zhì)的消化，所述有機(jī)物質(zhì)卻不被經(jīng)消化的污泥中的產(chǎn)甲烷菌所有效消化。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)產(chǎn)生更高的生物氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了厭氧方法在提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率中的用途，其中所述生物質(zhì)含有難轉(zhuǎn)化的底物，所述用途包括將含有難轉(zhuǎn)化的底物的生物質(zhì)與外源微生物接觸以產(chǎn)生反應(yīng)混合物；并將所述反應(yīng)混合物發(fā)酵以提高甲烷產(chǎn)率。當(dāng)與附圖和以下的詳細(xì)說(shuō)明一起閱讀時(shí)，這些和其他的目的、方面和實(shí)施方案將變得更為清楚。


圖1顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的流程圖和反應(yīng)過(guò)程。圖2的圖表顯示了通過(guò)加入乳酸菌而從木糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積mL)提高。圖3的圖表顯示了使用外源性乳酸菌而從木糖產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量(％ ν/
V) O圖4的圖表顯示了通過(guò)加入樹(shù)干畢赤酵母(P. stipitis)而從木糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積mL)提高。圖5的圖表顯示了使用外源性樹(shù)干畢赤酵母而從木糖產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量(％ ν/ν)。圖6的圖表顯示了通過(guò)加入大腸桿菌(E.coli)而從木糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積 mL)提高。圖7的圖表顯示了使用外源性大腸桿菌而從木糖產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量(％ ν/ν) ο圖8的圖表顯示了通過(guò)加入產(chǎn)H2細(xì)菌而從木糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積mL)提高。圖9的圖表顯示了使用產(chǎn)H2細(xì)菌而從木糖產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量(％ ν/ν)。圖10的圖表顯示了通過(guò)加入乳酸菌而從阿拉伯糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積mL)提
尚ο圖11的圖表顯示了使用外源性乳酸菌而從阿拉伯糖產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量 (% ν/ν)。圖12的圖表顯示了通過(guò)加入樹(shù)干畢赤酵母而從阿拉伯糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積 mL)提高。圖13的圖表顯示了使用外源性樹(shù)干畢赤酵母而從阿拉伯糖產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量(％ ν/ν)。圖14的圖表顯示了通過(guò)加入大腸桿菌而從阿拉伯糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積mL)提尚。
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圖15的圖表顯示了使用外源性大腸桿菌而從阿拉伯糖產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量(％ ν/ν)。圖16的圖表顯示了通過(guò)加入大腸桿菌而從甘油產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量(體積mL)提高。圖17的圖表顯示了使用外源性大腸桿菌而從甘油產(chǎn)生的生物氣中的甲烷含量 (% ν/ν)。發(fā)明詳述I.實(shí)施方案本發(fā)明提供用于有效地將難轉(zhuǎn)化的底物如戊糖(如木糖和阿拉伯糖)和/或甘油轉(zhuǎn)化為生物氣的方法和系統(tǒng)。有利地是，在此所述的方法和系統(tǒng)減少了產(chǎn)生這些難轉(zhuǎn)化的底物的生物乙醇和生物柴油過(guò)程的總成本。在此使用的術(shù)語(yǔ)“難轉(zhuǎn)化的底物”包括甘油和戊糖如包括木糖、阿拉伯糖、核糖、核酮糖(優(yōu)選L-型)和來(lái)蘇糖的D-戊糖和L-戊糖。優(yōu)選的難轉(zhuǎn)化的底物還包括甘油、D-木糖或L-木糖和D-阿拉伯糖或L-阿拉伯糖。最優(yōu)選的難轉(zhuǎn)化的底物是甘油、D-木糖和L-阿拉伯糖。合適的難轉(zhuǎn)化的底物還包括纖維素、木聚糖、棕櫚油廠排出液(effluents of palm oil mills)、任意的以上底物的混合物等。在某些情況中，本發(fā)明提供通過(guò)引入外源微生物而轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷微生物可利用的難轉(zhuǎn)化的底物的方法。盡管在此描述的方法和系統(tǒng)優(yōu)選用于戊糖和甘油，但是還可使用其他難轉(zhuǎn)化的底物或碳源。此外，由于在此描述的方法不限于生物氣制備，所以可將外源微生物引入所有其他類型的發(fā)酵過(guò)程中。污水和污泥的厭氧甲烷發(fā)酵是各種微生物之間的一系列代謝作用的結(jié)果。第一類微生物分泌使聚合性材料水解為單體如葡萄糖、戊糖和氨基酸的酶，然后將其轉(zhuǎn)化為更高級(jí)的揮發(fā)性脂肪酸、H2和乙酸。在第二類中，產(chǎn)氫氣的產(chǎn)乙酸細(xì)菌將所產(chǎn)生的更高級(jí)揮發(fā)性脂肪酸如丙酸和丁酸轉(zhuǎn)化為H2、CO2和乙酸。最后，產(chǎn)甲烷細(xì)菌將H2、CO2和乙酸轉(zhuǎn)化為CH4 和 CO2。更具體地，厭氧性甲烷發(fā)酵方法包括四個(gè)步驟i)水解步驟，其將復(fù)雜分子轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的分子；ii)產(chǎn)酸步驟，其將所述較簡(jiǎn)單的分子轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇、二氧化碳和氫氣；iii)產(chǎn)乙酸步驟，其使所述產(chǎn)酸步驟的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成乙酸；和iv)產(chǎn)甲烷步驟，其將乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷。圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中的反應(yīng)過(guò)程100的示例流程圖。在操作中，將外源微生物110加入?yún)捬跸骰蚍磻?yīng)器中以處理含有多糖如半纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪的有機(jī)廢物原料如有機(jī)廢物102。在該過(guò)程中，發(fā)生有機(jī)原料的水解發(fā)酵115，其將糖、 氨基酸、脂肪酸和難轉(zhuǎn)化的底物轉(zhuǎn)化為酸性中間體。產(chǎn)酸細(xì)菌通過(guò)產(chǎn)乙酸步驟125產(chǎn)生酸如乙酸。然后利用產(chǎn)甲烷機(jī)理，通過(guò)產(chǎn)甲烷步驟140將酸性中間體130轉(zhuǎn)化為有用的氣體如甲烷150。不加入所述外源微生物時(shí)，難轉(zhuǎn)化的底物的轉(zhuǎn)化效率不高。在此所使用的術(shù)語(yǔ)“有機(jī)廢物”包括有機(jī)污泥、所有類型的有機(jī)廢物、污泥、動(dòng)物廢料、城市廢料、工業(yè)廢料、林業(yè)廢料、農(nóng)業(yè)廢料等。在某些情況中，所述有機(jī)廢物原料含有半纖維素，其進(jìn)而由戊糖如D-木糖和D-阿拉伯糖或L-阿拉伯糖構(gòu)成。術(shù)語(yǔ)“半纖維素”用于表示與植物組織中的纖維素結(jié)合的非纖維素多糖。半纖維素通常由約20-35% w/w的木質(zhì)纖維素材料構(gòu)成，并且半纖維素的主體主要由基于戊糖(五碳)糖單元如D-木糖和D-阿拉伯糖或L-阿拉伯糖單元的聚合物構(gòu)成，盡管通常還存在更多種少量的己糖(六碳)糖單元如D-葡萄糖和D-甘露糖單元。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，甘油以酯(甘油酯)的形式存在于所有動(dòng)物和植物脂肪和油中。其可作為當(dāng)水解得到脂肪酸或它們的金屬鹽(皂)時(shí)的副產(chǎn)物商購(gòu)。在某些情況中，商業(yè)范圍中的甘油還可由丙烯合成(得自石油裂解)，天然來(lái)源供應(yīng)的甘油是不足的。在某些其他實(shí)施方案中，用于本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的原料還包括生物質(zhì)。合適的生物質(zhì)包括如植物材料如新收獲的植物材料或儲(chǔ)存的植物材料，并且通常除了尺寸縮小之夕卜，所述生物質(zhì)是未經(jīng)化學(xué)或物理處理的。陸生和水生植物都適用于本發(fā)明。在某些實(shí)施方案中，任選地將人類、動(dòng)物或植物來(lái)源的有機(jī)產(chǎn)物、副產(chǎn)物或廢料進(jìn)行機(jī)械、物理、化學(xué)或微生物預(yù)處理，例如熱加工、搗碎、壓碎、研磨或通過(guò)切碎-投出機(jī) (chopper-projector)進(jìn)行切碎、快速減壓或快速降壓、為了如促進(jìn)物質(zhì)水解的厭氧預(yù)發(fā)酵、分離纖維(defiberization)、撕碎或者去木質(zhì)化，特別是在纖維素和木質(zhì)纖維素化合物的情況中。如在圖1中所示，對(duì)有機(jī)廢料102進(jìn)行處理，導(dǎo)致至少部分的水解115而得到漿料。通過(guò)污水的厭氧性細(xì)菌的水解酶對(duì)有機(jī)廢料的不溶性有機(jī)化合物的水解物進(jìn)行解聚。 在水解過(guò)程中，通常蛋白質(zhì)被蛋白酶水解為氨基酸，并且多糖被纖維素酶和淀粉酶水解為單糖。所產(chǎn)生的氨基酸然后被降解為脂肪酸如乙酸、丙酸和丁酸。己糖和戊糖通常被轉(zhuǎn)化為C2和C3中間體。大多數(shù)厭氧性細(xì)菌通過(guò)Emden-Meyerhof-Parnas途徑(EMP)進(jìn)行己糖代謝，EMP產(chǎn)生NADH和作為中間體的丙酮酸。丙酮酸和NADH通過(guò)與微生物種類不同的其他酶作用被轉(zhuǎn)化為發(fā)酵產(chǎn)物如乳酸、丙酸、乙酸和乙醇。如在圖1中所示，在水解和產(chǎn)酸過(guò)程中，通過(guò)生物聚合物的微生物降解而產(chǎn)生的糖、氨基酸和脂肪酸被厭氧性細(xì)菌連續(xù)代謝，并發(fā)酵成乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、乙醇、二氧化碳和氫氣。盡管一些乙酸在產(chǎn)酸過(guò)程中形成，但是乙酸和氫氣的主要產(chǎn)生源自于脂肪酸的乙酸化。在一些情況中，產(chǎn)乙酸細(xì)菌如Syntrophobacter wolinii禾口 Sytrophomonos wolfei 可用于該步驟中。在產(chǎn)乙酸之后，產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸和壓/0)2轉(zhuǎn)化為甲烷。有利地是，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)向反應(yīng)提供外源微生物以增大和提高生物氣產(chǎn)量。圖2清楚地顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其中將外源微生物(如乳酸菌)加入?yún)捬醴磻?yīng)器中，由此能夠降解木糖，顯著地提高生物氣產(chǎn)量。本發(fā)明可使用任何產(chǎn)生活性的嗜冷、嗜中溫或嗜熱微生物厭氧消化系統(tǒng)。在此所使用的術(shù)語(yǔ)“嗜冷”包括相對(duì)較低的溫度。術(shù)語(yǔ)“嗜中溫”包括在中等環(huán)境如在適中溫度中生長(zhǎng)或繁殖最佳的微生物，而術(shù)語(yǔ)“嗜熱”包括在高溫下繁殖或生長(zhǎng)的微生物。通常，主要的、合適的非產(chǎn)甲烷的細(xì)菌包括來(lái)自產(chǎn)氣桿菌(Aerobacter)、氣單胞菌(Aeromonas)、 產(chǎn)堿菌(Alcaligenes)、芽孢桿菌(Bacillus)、類桿菌(Bacteroides)、梭菌大腸埃希 (Clostridium Escherichia)、克雷伯氏菌(Klebsiella)、鉤端螺旋菌(Leptospria)、 微球菌(Micrococcus)、奈瑟菌(Neisseria)、畐Ij 大腸桿菌(Paracolobactrum)、變形桿菌(Proteus)、假單胞菌(Pseudomonas)、紅假單胞菌(Rhodopseudomonas)、八疊球菌 (Sarcina)、沙雷氏菌(Serratia)、鏈球菌(Streptococcus)禾口鏈霉菌(Streptomyces)屬的細(xì)菌屬。合適的產(chǎn)甲烷微生物包括但不限于甲烷桿菌、甲烷球菌和甲烷八疊球菌，特別是甲酸甲焼桿菌(Methanobacterium formicicum)、巴氏甲焼八疊球菌(Methanosarcina barkerii) Λ ^ R ￥ ^ ff S" (Methanobacterium omelianskii) Λ R ￥ ^ ^ S" (Methanococcus vannielii)、索氏甲焼桿菌(Methanobacterium sohngenii) Λ 疊球菌(Methanosarcina methanica)、馬氏甲焼球菌(Methanococcus mazei)、{氐氧甲焼桿菌(Methanobacterium suboxydans)禾口 Methanobacterium propionicum。在一些情況中， 可使用混合培養(yǎng)物以得到最完全的發(fā)酵作用。對(duì)消化器系統(tǒng)可按需進(jìn)行本領(lǐng)域中已知的營(yíng)養(yǎng)平衡和PH調(diào)節(jié)以優(yōu)化從所使用的培養(yǎng)物中制備甲烷。在一些情況中，反應(yīng)條件可以是嗜冷、嗜中溫或嗜熱的。優(yōu)選地，反應(yīng)條件是嗜中溫的，其為約15°C -約55°C，優(yōu)選約30°C -約40°C的厭氧溫度。優(yōu)選地，所述方法在常壓下進(jìn)行，盡管更高壓力也是合適的。在一些情況中，反應(yīng)PH在pH 6-pH 8，更優(yōu)選在pH 6. 5-pH 7. 8，并且最優(yōu)選在pH 6. 8-ρΗ7· 5。在一些情況中，將根據(jù)本發(fā)明的微生物用作生物純的培養(yǎng)物，或可在混合培養(yǎng)物中將所述微生物與其他微生物一起使用。生物純的培養(yǎng)物通常更易于優(yōu)化，但是混合培養(yǎng)物可利用其他底物。在一些優(yōu)選方面中，所使用的外源微生物包括但不限于乳酸菌、樹(shù)干畢赤酵母、大腸桿菌、產(chǎn)氫細(xì)菌及它們的混合物。在此使用的術(shù)語(yǔ)“微生物”表示包括能夠代謝難轉(zhuǎn)化的底物的有機(jī)體如細(xì)菌、酵母、原生動(dòng)物和真菌，所述微生物可以是天然存在的或是基因修飾的。天然存在的微生物通常保留在培養(yǎng)物如初始培養(yǎng)物中?；蛐揎椀奈⑸锟梢酝ㄟ^(guò)引入基因材料如質(zhì)?；蜉d體(vector)而突變或進(jìn)行操作。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，將含有難轉(zhuǎn)化的底物的生物質(zhì)填充入發(fā)酵罐中，并使用任何已知的步驟和反應(yīng)器系統(tǒng)開(kāi)始制備生物氣，并培養(yǎng)天然的微生物團(tuán)(consortia)。然后使用外源微生物如乳酸菌、樹(shù)干畢赤酵母、大腸桿菌、產(chǎn)氫細(xì)菌及它們的混合物的經(jīng)培養(yǎng)的單培養(yǎng)物接種產(chǎn)生生物氣的發(fā)酵罐。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，可按需重復(fù)接種。在此描述的方法和系統(tǒng)適用于在液態(tài)或固態(tài)發(fā)酵罐中的生物氣制備模式。本發(fā)明還考慮使用已經(jīng)過(guò)基因修飾的微生物以產(chǎn)生增強(qiáng)的難轉(zhuǎn)化的底物的代謝作用。這樣的基因修飾可包括重組DNA技術(shù)如使用含有對(duì)于蛋白質(zhì)的mRNA(如催化戊糖代謝的酶)的表達(dá)載體對(duì)細(xì)菌細(xì)胞系的穩(wěn)定轉(zhuǎn)染，或使負(fù)責(zé)將難轉(zhuǎn)化的底物轉(zhuǎn)化為較小分子的基因引入宿主細(xì)胞基因組。例如在一個(gè)情況中，通過(guò)木糖異構(gòu)酶和d-木酮糖激酶優(yōu)化木糖的厭氧代謝，然后將其轉(zhuǎn)染入細(xì)菌細(xì)胞系。在某些優(yōu)選方面中，所使用的微生物有效地代謝戊糖和/或甘油，而不形成(X)2。在一個(gè)情況中，優(yōu)選的微生物降解木糖而不產(chǎn)生C02。在另一個(gè)方面，所述微生物降解L-阿拉伯糖而不產(chǎn)生C02。在又一個(gè)方面，所述微生物降解甘油而不產(chǎn)生C02。在一些情況下，引入有效代謝CO2的其他微生物。在某種情況下，微生物可代謝碳源而不產(chǎn)生大量的C02。也就是說(shuō)，通過(guò)引入光合細(xì)菌，CO2的排放較小或最小。在某些方面，可在厭氧發(fā)酵過(guò)程的各階段加入外源微生物。例如，優(yōu)選在開(kāi)始階段 (發(fā)生水解之前)進(jìn)行微生物的添加。在某些其他實(shí)施方案中，可在水解后，但在產(chǎn)酸步驟之前進(jìn)行外源微生物的添加，其中戊糖如木糖被轉(zhuǎn)化為較小分子物質(zhì)如乙酸、乳酸、甲酸、 乙醇和H2，這被認(rèn)為是比木糖更好的用于產(chǎn)甲烷細(xì)菌的底物。所述微生物可以是單獨(dú)的培養(yǎng)物，其含有單一物種或含有物種組合的菌群。在某些情況中，考慮到細(xì)菌如乳酸菌、大腸桿菌、枯草桿菌等及它們的組合的寬底物范圍、穩(wěn)健的生長(zhǎng)能力和對(duì)環(huán)境的安全性，優(yōu)選推薦這些細(xì)菌。在某些其他情況中，微生物如酵母、真菌、古菌等及它們的組合也適用于本發(fā)明。所述外源微生物可得自外源性來(lái)源或通過(guò)篩選、純化和培養(yǎng)而得自經(jīng)消化的污泥本身。在某些實(shí)施方案中，外源微生物來(lái)源于如在實(shí)施例中解釋的厭氧性廢水污泥處理設(shè)備。在某些其他情況中，接種物可得自任意的嗜熱性厭氧消化器或可以通過(guò)使用動(dòng)物糞肥或廢水污泥單獨(dú)制備，并在嗜熱溫度下、在厭氧條件下培養(yǎng)，并培養(yǎng)至發(fā)酵開(kāi)始。在此公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可以在現(xiàn)有的用于有機(jī)底物消化的厭氧消化系統(tǒng)中進(jìn)行。 通過(guò)如補(bǔ)充外源微生物的培養(yǎng)和飼育設(shè)備，所述方法和系統(tǒng)適用于任何現(xiàn)有的發(fā)酵系統(tǒng)。 所述方法和系統(tǒng)涵蓋從實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式至廢水處理廠的所有反應(yīng)器尺寸范圍。單相系統(tǒng)和雙相系統(tǒng)都可用于在此公開(kāi)的本發(fā)明方法和系統(tǒng)。在單相系統(tǒng)中， 有機(jī)底物和微生物容納在一起。例如，在此可使用升流式厭氧污泥層(Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB)方法用于原料的生物轉(zhuǎn)化，所述原料主要含有溶解性有機(jī)肥料，其中在反應(yīng)器中允許沉降通常小于原料的少量固體和細(xì)菌塊(bacterial mass) 0在該系統(tǒng)中，廢水流過(guò)污泥床和污泥層進(jìn)入反應(yīng)器的底部，在所述污泥層中有機(jī)材料厭氧分解。然后通過(guò)氣體-固體分離器分離所產(chǎn)生的氣體，并且經(jīng)澄清的液體經(jīng)過(guò)排水孔排出，同時(shí)顆粒狀的污泥自然沉降至底部。UASB系統(tǒng)主要用于處理來(lái)源于食品加工工業(yè)的廢水。在使用UASB系統(tǒng)中的本發(fā)明方法中，可將外源微生物加入容納所述微生物的污泥床中。在某些優(yōu)選的方面，在水解之前將外源微生物加入污泥床，然后將廢水加入U(xiǎn)ASB 反應(yīng)器。除了 UASB之外，升流式厭氧過(guò)濾器(UAFP)系統(tǒng)也可用于本發(fā)明的方法。通常在這些系統(tǒng)中，反應(yīng)器包括“培養(yǎng)基”，即微生物載體。顆粒狀的微生物不僅存在于培養(yǎng)基的空間內(nèi)，而且還粘附在其表面；因此，在反應(yīng)器中維持了高密度的微生物菌群，產(chǎn)生了微生物漂浮物和粘附物的混雜。在某些情況中，所述微生物載體可以和消化難轉(zhuǎn)化的底物的微生物一起加入。厭氧過(guò)濾型反應(yīng)器通過(guò)將細(xì)菌粘附在固定于消化器的惰性材料上而促進(jìn)細(xì)菌在消化器中的停留。這些惰性材料可以是為難轉(zhuǎn)化的底物的轉(zhuǎn)化而特別設(shè)計(jì)的。在某些其他方面中，使用了厭氧流化床反應(yīng)器(AFBR)。在這些系統(tǒng)中，粘附有微生物的培養(yǎng)基在反應(yīng)器中流化，造成有機(jī)材料向CH4和(X)2的轉(zhuǎn)化。厭氧微生物在培養(yǎng)基表面生長(zhǎng)，使培養(yǎng)基的表觀體積膨脹；因此該反應(yīng)器還被稱為“膨脹床反應(yīng)器”。在本發(fā)明的方法中，將外源微生物加入流化床中。在某些情況中，可使用連續(xù)流體流化床發(fā)酵器，其具體為塔式設(shè)計(jì)或是支持膜反應(yīng)器(supported film reactor)。除了單相系統(tǒng)之外，常規(guī)的兩相厭氧消化器系統(tǒng)包括酸相消化器和生物氣化反應(yīng)器。酸相消化器通常設(shè)計(jì)為固體床間歇反應(yīng)器，其中容納固體廢物并收集浸出的溶解性化合物。在第一酸相中，選擇微生物菌群和操作條件以促進(jìn)有機(jī)含碳材料向較低分子量的含碳材料(主要是揮發(fā)性有機(jī)酸)轉(zhuǎn)化。在兩相系統(tǒng)中，優(yōu)選將外源微生物加入酸相消化器中。在消化難轉(zhuǎn)化的底物之后，將從酸相流出的液體和固體流出物輸送至生物氣化的第二相中。在該相中，產(chǎn)甲烷微生物將揮發(fā)性有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物氣體，產(chǎn)物氣體主要由甲烷和二氧化碳構(gòu)成。將產(chǎn)物氣體從生物氣化反應(yīng)器中除去并處理或氣體洗滌以將排出的甲烷組分分離為管道氣體。II.實(shí)施例經(jīng)消化的污泥的活化
從位于新加坡的Water Reclamation Plant的消化器收集經(jīng)消化的污泥。使用 (每升)加入IOg胨、5g酵母提取物和ImL營(yíng)養(yǎng)液的經(jīng)烹煮大米的水解產(chǎn)物(固體總量 8. 4% )進(jìn)行經(jīng)消化的污泥的活化。所述營(yíng)養(yǎng)液(每升)由4. 5g NH4HC03、0· 25g K2HPO4, 0. Ig MgCl2 · 6H20、6. Og NaHCO3和IOmL微量元素溶液構(gòu)成。所述微量元素溶液含有0. 4g FeCl2 ·4Η20、0· 12gCoCl2 ·6Η20、0· Olg Alk (SO4) 2 ·12Η20、0· Olg Na2MoO4 · 2Η20,0. Olg H3BO3> 0. Olg CuSO4 · 5Η20、1· Og NaCl.O. 02g CaCl2、0. 02g NiCl2 · 6Η20、0· IgMnCl2 · 4Η20 禾口 0. Ig ZnCl20通過(guò)在121°C下高壓處理15分鐘對(duì)所述營(yíng)養(yǎng)液滅菌以防止細(xì)菌污染。將用于培養(yǎng)的發(fā)酵罐控制在37°C，150rpm。在達(dá)到穩(wěn)定態(tài)(恒定的氣體產(chǎn)量和甲烷含量)之后，將經(jīng)活化的污泥用于生物氣制備的批次試驗(yàn)。微生物的培養(yǎng)使用4種微生物。從當(dāng)?shù)丨h(huán)境中篩分出Bac#4(乳酸菌，LAB)。商購(gòu)得到樹(shù)干畢赤酵母(ATCC 58785)和大腸桿菌T0P10。通過(guò)在80°C下熱處理30min從經(jīng)消化的污泥中分離出產(chǎn)H2細(xì)菌。將這些微生物分別在它們各自的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。在由10g/L酵母提取物、 20g/L胨和20g/L葡萄糖構(gòu)成的YDP培養(yǎng)基(50mL)中使樹(shù)干畢赤酵母生長(zhǎng)。在由10g/L胰胨、5g/L酵母提取物和10g/L NaCl構(gòu)成的LB培養(yǎng)基(50mL)中使大腸桿菌生長(zhǎng)。在由IOg/ L胨、5g/L肉提取物、20g/L木糖、2g/L磷酸氫二鉀、5g/L三水合乙酸鈉、2g/L檸檬酸三銨、 0. 2g/L 六水合硫酸鎂、0. 05g/L 四水合硫酸鎂、0. 05g/L FeSO4 · 7H20 和 lmL/L Tween 80 構(gòu)成的經(jīng)修改的MRS培養(yǎng)基(50mL)中使LAB生長(zhǎng)。將通過(guò)在80°C下加熱經(jīng)消化的污泥30min 而得到的產(chǎn)H2細(xì)菌在37°C下在營(yíng)養(yǎng)液(如在4. 1中所述)中振蕩培養(yǎng)2天以活化所述產(chǎn) H2細(xì)菌。在30°C下將所有其他微生物振蕩培養(yǎng)過(guò)夜。使用相同體積的水洗滌培養(yǎng)物兩次， 然后將其接種入(5%，ν/ν)厭氧消化反應(yīng)器中。生物氣產(chǎn)量和甲烷含量的測(cè)量使用玻璃注射器測(cè)量所產(chǎn)生的生物氣的量，并且通過(guò)裝有Hayes印D (60/80)柱和熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)的氣相色譜儀(GC)測(cè)定生物氣的組成。GC烘箱和進(jìn)口溫度分別設(shè)置為 35°C和60°C。TCD檢測(cè)器的溫度設(shè)在200°C，50mA電流。使用25mL/min的氬氣作為載氣。試驗(yàn)步驟用水洗滌經(jīng)培養(yǎng)的微生物菌種，并將其接種入(5%，v/v) 135mL血清瓶中的64mL 經(jīng)消化的污泥中，然后加入15g/L戊糖(D-木糖或L-阿拉伯糖)或20mL/L甘油。用水將各反應(yīng)器的總體積調(diào)整為80mL。在試驗(yàn)前用氮?dú)馊〈康捻斂湛諝?headspace air)，然后用丁基橡膠塞密封。將反應(yīng)器放置在37°C下的水浴中，在150rpm下振蕩。使用注射器測(cè)量生物氣產(chǎn)量，并通過(guò)GC測(cè)定氣體組成。試驗(yàn)結(jié)果木糖向生物氣的轉(zhuǎn)化在標(biāo)準(zhǔn)條件(0°C，760mmHg)下由木糖產(chǎn)生的理論甲烷產(chǎn)量為373mL/g木糖。木糖(C5HltlO5)— 2. 5C02+2. 5CH4Ig373mL 373mL表 1使用外源微生物在第7天從木糖產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量、生產(chǎn)率、產(chǎn)率和回收率的匯總
權(quán)利要求
1.用于提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率的厭氧方法，其中所述生物質(zhì)含有難轉(zhuǎn)化的底物，所述方法包括使含有所述難轉(zhuǎn)化的底物的所述生物質(zhì)與外源微生物接觸以產(chǎn)生反應(yīng)混合物；并將所述反應(yīng)混合物發(fā)酵以提高甲烷產(chǎn)率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述難轉(zhuǎn)化的底物選自戊糖、甘油及它們的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述戊糖選自木糖、阿拉伯糖、來(lái)蘇糖、核糖及它們的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述戊糖選自D-木糖和L-阿拉伯糖。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述外源微生物選自乳酸菌、樹(shù)干畢赤酵母 (pichia stipitis)、大腸桿菌(Escheichia coli)、產(chǎn)氫細(xì)菌及它們的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述難轉(zhuǎn)化的底物是甘油。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反應(yīng)混合物在選自嗜冷溫度、嗜中溫溫度或嗜熱溫度的溫度下發(fā)酵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反應(yīng)混合物包含5-20體積％的所述外源微生物的接種物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法包括 i)水解步驟，其將復(fù)雜分子轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的分子； )產(chǎn)酸步驟，其將所述較簡(jiǎn)單的分子轉(zhuǎn)化為包含脂肪酸、醇、二氧化碳和氫氣的產(chǎn)物；iii)產(chǎn)乙酸步驟，其使所述產(chǎn)酸步驟的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成乙酸；和iv)產(chǎn)甲烷步驟，其將乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法在單相系統(tǒng)中進(jìn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述單相系統(tǒng)選自UASB、UAFP和AFBR。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法在兩相系統(tǒng)中進(jìn)行。
13.用于提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 厭氧發(fā)酵罐，其包括具有難轉(zhuǎn)化的底物的生物質(zhì)；以及轉(zhuǎn)化所述難轉(zhuǎn)化的底物的外源微生物，其中使所述生物質(zhì)發(fā)酵以提高甲烷產(chǎn)率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述難轉(zhuǎn)化的底物選自戊糖和甘油。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述戊糖選自木糖、阿拉伯糖、來(lái)蘇糖和核糖。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述戊糖選自D-木糖和L-阿拉伯糖。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述外源微生物選自乳酸菌、樹(shù)干畢赤酵母、大腸桿菌、產(chǎn)氫細(xì)菌及它們的混合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述難轉(zhuǎn)化的底物是甘油。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述外源微生物是大腸桿菌。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)混合物在選自嗜冷溫度、嗜中溫溫度或嗜熱溫度的溫度下發(fā)酵。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)酵系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)混合物包含5-20體積％的所述外源微生物的接種物。
22.厭氧方法在提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率中的用途，其中所述生物質(zhì)含有難轉(zhuǎn)化的底物，所述用途包括使含有所述難轉(zhuǎn)化的底物的所述生物質(zhì)與外源微生物接觸以產(chǎn)生反應(yīng)混合物；和將所述反應(yīng)混合物發(fā)酵以提高甲烷的產(chǎn)率。
23.根據(jù)權(quán)利要求2-12中任一項(xiàng)所述的厭氧方法在提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率中的用途，其中所述生物質(zhì)含有難轉(zhuǎn)化的底物和外源微生物以形成反應(yīng)混合物，并將所述反應(yīng)混合物發(fā)酵以提高甲烷產(chǎn)率。
24.根據(jù)權(quán)利要求14-21中任一項(xiàng)所述的厭氧方法在提高生物質(zhì)向甲烷轉(zhuǎn)化的產(chǎn)率中的用途，其中所述生物質(zhì)含有難轉(zhuǎn)化的底物和外源微生物以形成反應(yīng)混合物，并將所述反應(yīng)混合物發(fā)酵以提高甲烷產(chǎn)率。
全文摘要
本發(fā)明提供用于從厭氧消化中提高甲烷產(chǎn)量的系統(tǒng)和方法。通過(guò)將降解戊糖或甘油的微生物加入至厭氧消化器中，這些難轉(zhuǎn)化的底物可被有效地轉(zhuǎn)化為具有更大的甲烷含量的生物氣。
文檔編號(hào)C02F11/04GK102459099SQ200980159693
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者吳金川, 新屋文隆 申請(qǐng)人:新加坡科技研究局