[发明专利]一种利用含有木质纤维素的生物质发酵生产气体燃料及副产纤维素酶的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源转化技术领域，特别涉及将生物质厌氧发酵生产可燃气体，还可同时副产包括纤维素酶在内的各种水解酶的方法。

背景技术

利用生物质厌氧发酵生产酒精或沼气(又称厌氧消化)是解决能源短缺，同时减少有机垃圾的公知方法。含有木质纤维素的生物质是地球上可再生的主要物质之一，是由植物光合作用产生的。含有木质纤维素的生物质可来源于农业生产产生的作物秸秆，城市生活垃圾，污水处理厂产生的污泥，水生或陆生植物，含木质纤维素的废渣，还包括废弃的食品等。

含有木质纤维素的生物质厌氧发酵生产沼气包括生物大分子水解，酸化和产甲烷等过程。根据厌氧发酵生物过程原理，人们发展了单相和两相厌氧发酵生产沼气工艺。单相厌氧发酵生产沼气工艺是在一个发酵容器中完成生物质转化为甲烷的所有过程。两相厌氧发酵生产沼气工艺，如美国专利US patent 4318993采用在两个不同反应器分别依次完成有机物厌氧水解和酸化，厌氧发酵生产甲烷过程。目前含有木质纤维素的生物质厌氧发酵生产沼气技术存在转化速率低的缺点，其主要原因是木质纤维素水解速率低。木质纤维素的主要成分是纤维素，半纤维素和木质素。通常木质素难以被厌氧微生物降解，纤维素和半纤维素能够被厌氧微生物分泌的水解酶水解。由于木质素与纤维素和半纤维素形成复杂的结构，使木质纤维素中纤维素和半纤维素水解速率低。因此，含有木质纤维素的生物质水解比较缓慢，导致含有木质纤维素的生物质厌氧发酵通常比较缓慢。美国专利US patent 6905600介绍了采用高温和一定压力、在碱性条件下进行水解，替代生物水解，能够高速水解，但是能耗较高，后处理复杂；在酸性条件下进行水解，是含有木质纤维素的生物质利用的常规技术，也存在同样问题，难以用于转化生物质生产沼气。采用汽爆等方法预处理生物质来提高木质纤维素在厌氧条件下的水解速率，从而改进厌氧发酵速率，也有很多报道，如中国专利CN01130972.5，同样存在能耗较高的问题。

美国专利US PATENT 5529692，Hack和Brinkmann等报道的厌氧工艺(New Processfor High Performance Digestion，International Symposium on Anaerobic Digestionof Solid Waste，Venice 14-17.4.92)，则通过回流增加固体有机物在水解池内的停留时间，提高水解转化率，但对提高水解速率的贡献很少。中国专利公开号CN1656043A介绍了采用氨吸收沼气中CO₂形成的缓冲液回流到厌氧发酵池，减小pH值变化对有机物水解过程的影响，这种方法工艺复杂，改进很少。中国专利200610088107.1提出的水解-消化两相工艺，通过优化水解工艺条件，包括减少水解反应器内水解发酵产物，降低它们对水解的阻碍作用，对提高水解速率有一定作用；该方法中，还包括向发酵容器添加纤维素酶提高水解速率的方法，由于纤维素酶需要复杂工艺生产，成本高，而且厌氧消化研究发现，在消化反应器内，90％水解过程是由附着在微生物表面的纤维素酶催化的，离开微生物的纤维素酶的水解作用较小(Confer，D.，Logan，BE(1998).＂Location ofprotein and polysaccharide hydrolytic activity in suspended and biofilm waster.＂Water Research 32：31-38.)，因此，采用酶法水解，通常需要较多的纤维素酶，制约了其大规模应用。