應用木聚糖酶提高沼氣發酵產氣率的方法技術

本發明專利技術涉及使用微生物或酶的沼氣發酵方法，特別是涉及以木聚糖酶為主的半纖維素酶混合粗酶外源加入沼氣發酵系統以提高產氣率的方法。以外源加入０．５５～０．５８ＩＵ／ｍＬ料液的木聚糖酶類半纖維素酶起動新池；在進出料時間間隔為５～９ｄ的正常發酵的半連續發酵池中或已正常發酵的批量或連續發酵中投入５．０ＩＵ／ｍＬ料液的木聚糖酶量。可明顯提高沼氣發酵產氣量、ＴＳ和ＶＳ產氣潛力以及沼氣中甲烷（ＣＨ↓［４］）含量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及使用微生物或酶的沼氣發酵方法，特別是涉及以木聚糖酶為主的纖維素酶外源加入沼氣發酵系統以提高產氣率的方法。
技術介紹
農村半連續、連續沼氣發酵始終存在的問題之一是產氣率較低，實際原料產氣率僅只是理論值的50％左右。眾所周知，沼氣發酵是多菌群在厭氧條件下共生代謝有機物為甲烷和二氧化碳的過程，即厭氧消化過程，它是處理有機廢物和獲取能源的統一過程。按代謝產物不同，1961年，W.W.Eckenfelder提出的水解階段、酸化階段、酸性衰退階段和甲烷化四階段學說；1967年O.W.Lawrence和P.McCarty提出的水解、產氫產乙酸和產甲烷三階段理論，1997年KazuhisaMiyamoto對此做了進一步闡述。其中，水解階段是沼氣發酵過程的開始階段，微生物來源胞外酶(纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶，果膠酶和木聚糖酶等酶)對各種大分子有機物的水解階段，能否充分水解構成了后繼階段的前提條件之一。在此之前，我們加入一定糖化酶、淀粉酶、纖維素酶和蛋白酶到沼氣發酵體系中水解淀粉、纖維素、蛋白質，提高了產氣速率、獲得了較好的沼氣產量及原料利用率，并以“沼氣發酵生物活性添加劑”(ZL 01129073.0)取得專利技術專利。但沼氣發酵原料中的重要成分，半纖維素幾乎未被利用。半纖維素占木質纖維素含量的30％，其余為纖維素45％、木質素25％，它們之間通過物理或化學方式緊密相連。半纖維素是不足200個糖基高度分枝的雜多聚糖，一般是非結晶狀雜多糖。木聚糖是半纖維素的主要成分。例如，在被子植物(開花植物)的木材中木聚糖占其半纖維素的一大部分，占整個干重的15％～30％；在裸子植物(蕨類及針葉類植物)中，木聚糖占整個干重的7％～12％。木聚糖的結構很復雜，完全生物降解為構成單元需要多種酶共同完成。由于造紙、飼料、食品及其木聚糖酶的發酵生產的需要，國內外科學工作者對半纖維素酶的研究主要是對木聚糖酶的研究，其熱點是篩選高產木聚糖酶的優良菌，通過分子生物學手段，克隆表達木聚糖酶基因，已經構建出產生合適降解酶量和比例的一些工程菌株。對提高在沼氣發酵中原料的能源轉化率，木聚糖酶的研究未曾有人注意。我們檢測發現，這是由于木聚糖酶是一種底物誘導才產生的酶，在發酵成熟的料液中未檢測到酶活力。通過木聚糖酶在發酵體系外的酶活力檢測發現，來源于沼氣發酵體系外的微生物和體系內的微生物產生的8種不同性質特點的木聚糖酶受到沼氣料液的強烈抑制(“沼氣料液對木聚糖酶活性的影響”劉士清李文鵬 廖昌瓏 張無敵 中國沼氣2004，22(3))，只在容易忽視的活性污泥中有較高的酶活力。由于這些原因導致了半纖維素在沼氣發酵過程中成為殘留物滯于體系中，而天然纖維質原料的物理或化學結構結晶性和木質化，不但半纖維素本身成為未被利用的生物量，還影響了木質纖維素其他成分和其它有機物降解，造成原料能源轉化效率總體偏低。微生物和酶聯合處理提高沼氣產氣率已有許多實驗。但是，我們以豬糞為原料的批量發酵中，直接投入具有產木聚糖酶高活性的微生物未能得到預期的提高產氣的效果，再添加商品木聚糖酶也未得到良好效果，尤且是使沼氣產生滯后，較嚴重地影響沼氣發酵起動。由于產甲烷菌的倍增時間較長，在水解和產氫產乙酸過程進行較快的情況時，沼氣發酵會出現酸化現象，特別是在沼氣發酵啟動時，致使沼氣發酵狀態惡化，甚至停止沼氣發酵，產生的只是大量的二氧化碳。因此，對產木聚糖酶微生物與沼氣環境的關系還需要進一步認識。以下內容的術語中，IU為國際單位，以50℃酶解底物釋放木糖μmol/min計。BU為專用于沼氣發酵中的自定義單位，以50℃酶解底物釋放木糖μg/min計。1IU(μmol/min)＝150BU(μg/min)總固形物TS(Total Soild)指一定量的發酵物料在105℃下烘干至恒重所得凈重。揮發性物質VS(Volatility Substrate)指TS在馬弗爐中550℃灼燒掉的揮發性部分。新池起動是指新建造的沼氣發酵池，投入生物質原料(作物秸桿、動物糞便等)和一定的種量(正常發酵沼氣池的活性底泥，或牛糞等較長時間在高濕度下漚制)，總TS約5-7％，投好后封池至正常產生出沼氣的時間，此稱之為新池起動，或清池大換料后起動。半連續發酵池指正常發酵著的沼氣池定期或不定期的間斷進料和出料的操作方式。連續發酵指正常發酵著的沼氣池，原料從進料口不斷進入，同時出料口不斷的流出的發酵操作方式。批量發酵主要指一次性投入原料，中間不作任何添加原料，從起動、發酵至結束一次的完成。在農村用戶沼氣池的正常運行中常見的是半連續發酵、連續發酵兩種混合進行，批量發酵常見在研究中。
技術實現思路
本專利技術目的是采用外加木聚糖酶對成為殘留物滯于沼氣發酵體系中的半纖維素進行生物降解，提高發酵原料沼氣生產效率。本專利技術另一目的是外源加入的木聚糖酶結合沼氣發酵生物活性添加劑共同作用，提高發酵原料沼氣生產效率。為實現上述目的，本專利技術提供了，該方法在新池發酵起動中，以0.55IU/mL～0.58IU/mL用量投入木聚糖酶；在半連續發酵池中，間隔進出料時間5d～9d，以2.5IU/mL-5.0IU/mL用量投入木聚糖酶；在連續發酵池或批量發酵池中，以5.0IU/mL用量投入木聚糖酶。所述木聚糖酶用水、糞水或沼液吸濕后，再用約20-50kg發酵原料攪勻，從進料口倒入池中。對于新池起動，最好當沼氣發酵原料投至1/2～2/3時，將所需投入的木聚糖酶用水、糞水或沼液吸濕溶解后倒入池中，再將余料投完封池，且起動最大用量為5.5IU/mL。所述木聚糖酶與沼氣發酵生物活性添加劑，即每立方料液投入糖化酶40-60g、淀粉酶20-45g、纖維素酶5-15g、蛋白酶3-10g，二者時間間隔5d～10d加入；或正常沼氣發酵過程進入后期時二者同時使用。木聚糖酶能夠從不同環境中分離的細菌和真菌得到。本專利技術無論產生木聚糖酶的微生物種類，只需符合上述發酵過程產生的木聚糖酶要求，就可應用于水解沼氣發酵中。我們前期發現，一定的水解酶活可以縮短沼氣發酵的啟動過程，利用豬糞發酵添加水解酶的實驗結果表明，添加糖化酶等水解酶可以提高沼氣發酵的產氣率。并且，在豬糞的批量發酵過程中，多數水解酶活變化與產氣變化規律極為相似，水解酶活峰值均出現在產氣峰值附近，在沼氣發酵過程中維持適宜的纖維素酶活、脂肪酶活和淀粉酶活可以提高沼氣發酵的效率，而較高蛋白酶活的存在會降低沼氣產氣率。而本專利技術在研究沼氣發酵料液對木聚糖酶的影響基礎上，提出了外源加入木聚糖酶于沼氣發酵體系提高其產氣率的技術工藝參數，使半纖維素及其它有機物得到更多降解，提高了原料能源轉化效率，明顯增加了原料產氣量和氣體成分甲烷含量。在新池起動時，木聚糖酶的投入最大用量為5.5IU/mL(820BU/mL)。這是由于超過此量，水解速度太快，而改變發酵體系的內環境，產甲烷菌生長倍增跟不上，非產甲烷菌過度活躍，出現前期CO2量大幅度上升消耗可資利用的原料，中后期發酵不正常，總產氣和甲烷含量反而大幅減少。木聚糖酶在正常發酵池中以5.0IU/mL(750BU/mL)或減半為2.5IU/mL(375BU/mL)的用量投入后，提高沼氣發酵產氣率的結果見下表 對表中結果，通過時間段的分析，在半連續發酵中進料時間間隔不宜超過9d。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
應用木聚糖酶提高沼氣發酵產氣率的方法，其特征在于在新池發酵起動中，以０．５５ＩＵ／ｍＬ～０．５８ＩＵ／ｍＬ用量投入木聚糖酶；在半連續發酵池中，間隔進出料時間５ｄ～９ｄ，以２．５ＩＵ／ｍＬ～５．０ＩＵ／ｍＬ用量投入木聚糖酶；在連續發酵池或批量發酵池中，以５．０ＩＵ／ｍＬ用量投入木聚糖酶。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉士清，張無敵，
申請(專利權)人：云南師范大學，
類型：發明
國別省市：53[中國|云南]