[發明專利]一種菌解生物預處理提高藻類原料厭氧產能效率的方法

有效

• 申請號: 201210567502.3
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103074380A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 呂凡;季佳琪;何品晶;毛斌;邵立明;吳鐸;柴麗娜
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C12P5/02
• 分類號: C12P5/02;C12P3/00;C12P7/06;C12P7/40;C12R1/145
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于生物技術及可再生能源領域，涉及一種菌解生物預處理提高藻類原料厭氧產能效率的方法。

背景技術

在能源與環境危機的大環境下，尋求潔凈、安全、可持續發展的能源已成為當務之急。可再生能源的使用可減少對石油的依賴性，降低環境污染。在此背景下，生物質可再生能源的發展越來越受到社會關注，成為當前實現能源來源多元化和國家能源戰略抗風險的重要選擇。藻類原料是重要的生物質資源之一。藻類是低等植物中種類繁多、分布極其廣泛的一個自養植物類群。與其他生物質如木質纖維素材料(木材)相比，藻類具有光合作用效率高、環境適應能力強、生長周期短、生物產量高的特點，同時藻類在水中生長，不占用農業用地，其養殖過程可以實現自動化控制。此外富營養水體治理副產物每年能提供非常豐富的藻類生物量，因此藻類是制備生物質能源的良好材料。將藻類作為能源資源作物進行開發有多種途徑，其中厭氧消化是一種節能環保、具有發展潛力的途徑。

厭氧消化是有機物在厭氧條件下通過微生物的代謝活動而被穩定，同時伴有氫氣、甲烷和二氧化碳等氣體產生的過程。厭氧消化一般可以分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化4個階段，依靠多種厭氧菌和兼性厭氧菌的共同作用。參與代謝的微生物種類繁多，其中涉及多種生化反應和物化平衡過程。有機物厭氧消化的速率取決于顆粒的大小和微生物對底物中有機組分的利用。底物若含有大量復雜的生物聚合物，如脂質、纖維素、蛋白質，則水解是限速步驟；對于易降解原料，如溶解性糖類，則乙酸化和甲烷化為限速步驟。藻的脂質和蛋白質含量很高，而堅固的細胞壁是限制藻細胞被降解的重要因素。大多數藻的細胞壁含有纖維素。藻的細胞壁內層通常為起到支撐作用的纖維素層，并且可能被其他粘液、膠質、蛋白質、脂質和磺化多糖層包圍住。某些藻種還有三基層結構，其中含有不溶、不水解的脂肪族生物大分子物質（如：膠鞘），對化學和酶降解具有很強的抵抗力。對藻類細胞壁進行預處理，可以提高后續生物處理過程的效率。

常見的細胞破壁方法主要有機械法、熱處理法以及酶解法。機械法包括研磨、高壓擠壓、超聲破碎等。藻類細胞壁比一般的微生物細胞更為堅固，用機械法和熱處理法需要額外的能量，并且在處理過程中藻類有機質會有一定程度的損失，影響后續的生物質能利用，比如降低厭氧消化的甲烷產量。有研究者（Schwede?S,Kowalczyk?A,Gerber?M,Span?R.2011.Influence?of?different?cell?disruption?techniques?on?mono?digestion?of?algal?biomass.World?Renewable?Energy?Congress?2011-Sweden,8-13?May?2011.LinKping,?Sweden.）采用超聲破碎、高壓擠壓、微波加熱和高溫烘干四種方法對藻細胞進行預處理后，研究了藻細胞中有機物降解及產氣情況。結果表明高壓擠壓、微波加熱和高溫烘干預處理能提高藻的降解效率，但前兩種方法處理后藻中的有機質有一定損失，從而導致后續厭氧產氣率下降；而超聲破碎預處理后，藻中的有機質有較大的損失，且產氣量低于未處理的藻。與機械法和熱處理法相比，酶解法具有效率高、損失小的優點；且用酶解法對藻進行預處理時，酶的作用具有選擇性，不會破壞其他的組分；但酶不能重復使用，使用一次后即失效，因此處理成本較高。

發明內容

本發明通過菌解法對藻類生物質原料進行預處理，促進藻細胞的水解破壁，并且在厭氧發酵產甲烷的同時，獲得較高產量的氫氣，從而提高了藻類生物質原料的能源轉化效率。

本發明通過菌解法對藻類原料進行預處理，該方法既有酶解法的優點，又具有連續性，成本較低，并且能夠與后續厭氧消化獲得生物質能源的技術直接銜接。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種菌解生物預處理提高藻類原料厭氧產能效率的方法，包括以下步驟：

（1）將藻類原料與營養鹽溶液混合，接入預先培養好的厭氧纖維素降解菌種子液；

（2）保溫、避光培養，進行菌解預處理并同步產氫，促進藻細胞壁的水解，得到氫氣以及水解產物乙醇和揮發性有機酸；

（3）菌解同步產氫培養結束后，向發酵液中接入含產甲烷菌的厭氧接種污泥，從而將水解產物乙醇和揮發性有機酸以及菌解后的藻細胞殘余物進行厭氧發酵產甲烷。

所述的步驟（1）中，藻類原料選自任何細胞壁中含纖維素的藻類生物質原料。