一種提高能源草厭氧發酵產氣量的方法
【專利摘要】本發明涉及一種提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，通過對能源草進行青貯預處理，并且在青貯過程中添加乳酸菌和/或纖維素酶，改變能源草纖維結構，增加青貯原料中可發酵干物質總量，顯著提高能源草厭氧發酵產生甲烷的效率。本發明提供的提高能源草厭氧發酵產氣量的方法是生物學方法，青貯添加劑都是生物學原料，青貯也是生物學過程，即能顯著提高能源草產氣效率，又不會造成二次污染，整個過程操作簡單，安全可靠，使用的原料來源廣泛，成本低廉，對生產場地要求不高，可以工業化大規模生產，成本顯著低于化石能源、生物酒精、生物柴油等其他生物能源，具有市場競爭能力。
【專利說明】一種提局能源草厭氧發酵產氣量的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉可再生能源領域，具體涉及一種提高能源草厭氧發酵產氣量的方法。
【背景技術】
[0002]我國是世界第二大能源生產國與消費國，隨著經濟的不斷快速發展，能源生產已經無法滿足能源消費的快速增長，石油對外依存度逐年增加，能源短缺矛盾比較突出，同時，我國環境保護壓力日益增大。可再生能源因其優質、清潔的特點，成為國家節能減排任務中重點發展的能源種類，我國已經于2007年制定了《可再生能源中長期發展規劃》，明確2020年可再生能源在我國能源消費結構中要達到20%的比例。沼氣是我國可再生能源的重要組成部分，但目前沼氣工程主要用來處理畜禽養殖糞污和工業有機廢水，原料結構單一，受原料收集條件限制，沼氣不能實現工業化規模化生產。而能源植物是一種專門種植，生長旺盛、光合作用能力強、碳氫化合物含量高的能提供生物能源的植物，一般以禾本科草類植物為主，通過能源草厭氧發酵產生沼氣是一種生產可再生能源的十分有前景的途徑。
[0003]能源植物中半纖維素和木質素堅固地鑲嵌在纖維素中，形成結晶化和木質化，阻礙了厭氧發酵過程中酶對纖維素類物質的降解速度，因此，通過能源草厭氧發酵制備沼氣的關鍵是破壞纖維的結構、降解木質素，提高能源產出效率。這一問題目前已有一定研究，劉斌等公開了一種利用能源草濕干聯合發酵制備沼氣和生產有機肥的方法(CN103060388A)，孫永明等公開了一種提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應方法(CN102321674A)，呂學斌等公開了農作物秸桿青貯及青貯秸桿高效生產沼氣的方法(CN102719484A)，在呂學斌的研究中，是通過在剛收獲的秸桿中添加一定量的添加劑進行青貯，并將青貯后的秸桿通過兩步處理將其中大部分的有機質轉移到液相，然后液體進行厭氧發酵產沼氣，但其使用的是化學添加劑，而且固液分離步驟較為繁瑣，需要化學催化劑，還需考慮成本問題。目前已有的這些方法核心都是破壞木質纖維本身的結構以提高能源草的利用效率，但是目前的處理方法都局限于物理法和化學法，物理法對“木質素-碳水化合物聯合體”結構破壞存在局限性，而化學法處理既增加轉化成本又會造成二次污染，而且物理法和化學法都步驟復雜，技術水平要求高，適合小規模生產，不容易實現工業化規模化生產。采用能源草生產沼氣，既要保護壞境，防止二次污染，又需要工業化規模化生產才能最大限度降低成本，才能和其他能源(化石能源、生物酒精、生物柴油等)相競爭。

【發明內容】

[0004]為解決上述問題，本發明提出一種提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，目的在于提供一種采用生物法，即使用青貯添加劑，對能源草進行青貯預處理，改變纖維結構，從而提高能源草厭氧發酵產氣量的方法。
[0005]本發明的提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，包括以下步驟:
[0006](I)能源草青貯預處理:將能源草原料粉碎為l-5cm長，晾曬至含水量為40_70%，添加乳酸菌或纖維素酶、或二者同時添加，混合均勻后裝入專用青貯袋抽真空密封，常溫發酵15-45天得到能源草青貯原料；
[0007](2)利用能源草青貯產生甲烷:將能源草青貯原料粉碎，按1: 10-20的重量比例加入沼液，再加入重量百分比為1.5%-3.5%的碳酸氫銨，混合均勻后裝入密封反應器中，37°C中溫厭氧發酵15-45天產生甲烷。[0008]所述乳酸菌添加濃度為0.5-3.0 X 105cfu/g。
[0009]所述纖維素酶添加濃度為0.01-0.05g/t鮮重。
[0010]所述能源草選自柳枝稷、薦草、芒草、王草、蘆竹、雜交狼尾草、象草、大米草中的一種或幾種。
[0011]優選地，所述乳酸菌添加濃度為1.5-2.5X 105cfu/g。
[0012]優選地，所述纖維素酶添加比例為0.02-0.03g/t鮮重。
[0013]所述沼液來自污水處理廠或畜禽養殖場的沼氣池。
[0014]沼氣池的沼液中含有微生物，可對纖維素物質進行厭氧發酵產生甲烷，這是現有技術已經確定的，本發明提供的技術方案，是利用青貯過程中添加乳酸菌或纖維素酶，或二者同時添加，改變纖維結構、增加青貯原料中可發酵干物質總量，顯著提高能源草厭氧發酵產生甲烷的效率。其中，乳酸菌的作用是擴大青貯原料中乳酸菌群體，有效抑制有害微生物的繁殖，加速發酵進程，有利于青貯原料的貯存和降低能源草保存過程中營養物質的損失；纖維素酶的作用是破壞纖維素類物質的結構，降低結晶度，脫去木質素，增強了微生物與纖維素的有效接觸，增加了可發酵干物質的總量，從而顯著提高能源草的厭氧發酵產氣量。
[0015]本發明的提高能源草厭氧發酵產氣量的方法的有益效果如下:
[0016]1、生物法預處理能源草，無副作用:將能源草青貯后作為產氣原料，所使用的青貯添加劑都是生物學原料，青貯是生物學過程，既能全面改變纖維結構，又不會造成二次污染。
[0017]2、成本低，效率高，不會造成二次污染:乳酸菌和纖維素酶，都是生物學原料，來源廣泛，成本低，在青貯過程中能有效提高青貯效率，且不會造成二次污染。
[0018]3、預處理操作簡單:青貯是國內外應用非常成熟的一種植物處理技術，步驟簡單，各個環節技術水平要求不高，可以使用拖拉機切割機等大型農業機械大規模操作。
[0019]4、發酵產氣過程操作簡單，安全可靠:能源草預處理結束后，只需與沼液混合后置入密封反應器，步驟簡單，技術水平要求不高，可以工業化大規模操作。一般前10-15天產甲烷較多，之后會下降，工業應用時適時補充原料即可。
[0020]5、成本低廉，適用面廣:本發明的提高能源草厭氧發酵產氣量的方法步驟簡單，使用的原料來源廣泛，成本低廉，對生產場地要求不高,可以工業化大規模生產,成本顯著低于化石能源、生物酒精、生物柴油等其他生物能源，具有市場競爭能力。
【具體實施方式】
[0021 ] 以下通過具體實施例進一步說明本發明的技術方案，但是本發明的技術方案不以實施例為限。
[0022]實施例1:
[0023]將雜交狼尾草粉碎為l_3cm長，晾曬至含水量為60%，添加0.03g/t鮮重的纖維素酶，混合均勻后裝入專用青貯袋抽真空密封，常溫下發酵45天得到雜交狼尾草青貯原料；將雜交狼尾草青貯原料粉碎后按1:10的重量比例加入沼液并進行混合，再加入重量百分比為2.5%的碳酸氫銨，混合均勻后裝入密封反應器中，37°C中溫條件下厭氧發酵30天產生甲烷。在實驗室中操作本實施例，50g添加纖維素酶后得到的雜交狼尾草青貯原料與750g沼液混合，厭氧發酵的產氣效率為246.17mL/gVS added，而對照組未添加纖維素酶的雜交狼尾草青貯原料的產氣效率是170.68mL/gVS added。青貯預處理中使用纖維素酶可以使雜交狼尾草青貯的厭氧發酵產氣率提高44.23%。
[0024]實施例2:
[0025]將柳枝稷粉碎為2-4cm長，晾曬至含水量為70%，添加2.0X 105cfu/g的乳酸菌，混合均勻后裝入專用青貯袋抽真空密封，常溫下發酵35天得到柳枝稷青貯原料；將柳枝稷青貯原料粉碎后按1:15的重量比例加入沼液并混勻，再加入重量百分比為2.5%的碳酸氫銨，混合均勻后裝入密封反應器中，37°C中溫條件下厭氧發酵30天產生甲烷。在實驗室中操作本實施例，50g添加乳酸菌后得到的柳枝稷青貯原料與750g沼液混合，厭氧發酵的產氣效率為195.32mL/gVS added，而對照組未添加乳酸菌的柳枝稷青貯原料的產氣效率是175.68mL/gVS added。青忙預處理中使用乳酸菌可以使柳枝稷青忙的厭氧發酵產氣率提高
11.18%。
[0026]實施例3:
[0027]將薦草粉碎為l-3cm長，晾曬至含水量為65%，添加2.0X 105cfu/g的乳酸菌和
0.03g/t鮮重的纖維素酶，混合均勻后裝入專用青貯袋抽真空密封，常溫下發酵40天得到薦草青貯原料；將薦草青貯原料粉碎后按1:20的重量比例加入沼液并混勻，再加入重量百分比為2.5%的碳酸氫銨，混合均勻后裝入密封反應器中，370C中溫條件下厭氧發酵30天產生甲烷。在實驗室中 操作本實施例，50g添加乳酸菌和纖維素酶后得到的薦草青貯原料與750g沼液混合,厭氧發酵的產氣效率為265.25mL/gVS added,而對照組未添加乳酸菌和纖維素酶的薦草青貯原料的產氣效率是172.56mL/gVS added。青貯預處理中使用乳酸菌和纖維素酶可以使薦草的厭氧發酵產氣率提高53.71%。。
[0028]能源草需具備適應性強、生長迅速、生物量大等特點，我國對能源草的研究起步較晚，但是也篩選出柳枝稷、薦草、芒草、王草、蘆竹、雜交狼尾草、象草、大米草等草種，因為適應性強、生長迅速、生物量大，能提供充足的厭氧發酵底物，適合作為能源草。
[0029]通過實驗發現，乳酸菌濃度低于0.5X105cfu/g時，產氣效率與不添加乳酸菌時沒顯著差異，而當乳酸菌濃度高于3.0X105cfu/g時，產氣效率反而下降了，分析可能是與發酵過程中乳酸菌的數量應該保持一定的適宜范圍有關，數量不能太多也不能太少。
[0030]通過實驗發現，纖維素酶濃度低于0.ΟΙ/t鮮重時，產氣效率與不添加纖維素酶時沒顯著差異，而當纖維素酶濃度高于0.05/t鮮重時，產氣效率就沒有再提高的趨勢，分析可能是能源草植株中的纖維含量比例在一定范圍內，纖維素酶的濃度也應該保持一定的適宜范圍，過低作用效果不明顯，過高也沒必要。
[0031]以上對本發明所提供的一種提高能源草厭氧發酵產氣量的方法進行了詳細介紹。本文通過【具體實施方式】對本發明的原理和實施方式進行了闡述，以上說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)能源草青貯預處理:將能源草原料粉碎為l-5cm長，晾曬至含水量為40-70%，添加乳酸菌或纖維素酶、或二者同時添加，混合均勻后裝入專用青貯袋抽真空密封，常溫發酵15-45天得到能源草青貯原料； (2)利用能源草青貯產生甲烷:將能源草青貯原料粉碎，按1: 10-20的重量比例加入沼液，再加入重量百分比為1.5%-3.5%的碳酸氫銨，混合均勻后裝入密封反應器中，37°C中溫厭氧發酵15-45天產生甲烷。
2.根據權利要求1所述提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，其特征在于，所述乳酸菌添加濃度為 0.5-3.0X 105cfu/g。
3.根據權利要求1所述提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，其特征在于，所述纖維素酶添加濃度為0.01-0.05g/t鮮重。
4.根據權利要求1所述提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，其特征在于，所述能源草選自柳枝稷、薦草、芒草、王草、蘆竹、雜交狼尾草、象草、大米草中的一種或幾種。
5.根據權利要求2所述提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，其特征在于，所述乳酸菌添加濃度為 1.5-2.5X 105cfu/g。
6.根據權利要求3所述提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，其特征在于，所述纖維素酶添加比例為0.02-0.03g/t鮮重。
7.根據權利要求1所述提高能源草厭氧發酵產氣量的方法，其特征在于，所述沼液來自污水處理廠或畜禽養殖場的沼氣池。
【文檔編號】C12P5/02GK103468749SQ201310403527
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2013年9月6日
【發明者】楊富裕, 徐然, 張蘊薇, 孫永明, 施晨璐, 王亞梅, 田雪 申請人:北京天潤草能源科技有限公司