[发明专利]厌氧工艺

说明书

背景技术

发酵过程通常是通过微生物转化和工艺净化，将有机物原料分解成颗粒较小、更有价值的分子化合物。发酵一般在分批及补料分批的反应器中进行，发酵之前还有一段厌氧微生物的生长期。发酵过程通常使用无杂菌污染的菌(例如单一菌种)或者几种混合菌。要成功地实现发酵过程，在菌的生长期需要良好的通气环境，这可以通过适宜的搅拌和对微生物的培养基通风实现。通常通风对反应器的设计有诸多要求，同时在很多工艺中限制微生物的生长。当达到充分的微生物量时，马上改变反应条件，一般是通过抽真空，使其发酵并产出有用的目标产品。青霉素和乙醇的生产方法就是典型的发酵工艺。

另一方面，厌氧消化是在绝氧环境下，微生物生长并分解可生物降解的物质的过程。微生物种群的生长和有用的目标产物的产出是连在一起的，且只能通过厌氧发酵过程来实现。所涉及的微生物一般都是以混合微生物群落的形式存在。用于厌氧消化的底物一般是微粒状的，降解比较困难，需要纤维溶酶才能完全降解。厌氧消化广泛应用于废水污泥处理和生物降解有机废弃物。它可使被处理对象的质量和体积都减少，并在降低流动性物质的化学需氧量上特别有效。如果利用合理，厌氧消化可被用以生产沼气(一种富集甲烷与二氧化碳的气体)，使其适合发电，替代化石燃料。厌氧消化过程被大规模商业运用一般是在大型发酵罐中进行，采用一步或两步批量发酵罐系统，并且为达到适当的发酵程度，发酵过程需要10～100天。这种系统的主要缺点在于，就生物气产量而言，其所需体积庞大(占地面积大)稳定性受限制，且由于因底物的抑制性而造成的缺乏有效的消化和消化受阻而引起消化过程受限制。

哺乳动物和昆虫摄食植物的消化也是一种包括了生存与缺氧生态系统中的混合微生物群落的专性的厌氧过程。这些微生物就像工业厌氧发酵罐中的种群，其中微生物的生长和目标产物的生成是连在一起的，并且需要纤维溶酶来降解底物。另一相似之处是消化道中的菌群可以实现种间氢转移，包括古生菌，它们也产生甲烷。目前对混合菌群的厌氧发酵研究中，反刍家畜网状瘤胃中的微生物群落是最好的，这体现了反刍家畜的经济价值。其微生态系统内有很多有趣的微生物，包括对纤维素具有高度酶活的厌氧真菌，产挥发性脂肪酸(VFA)、琥珀酸、乳酸的细菌。现在人们对利用这些微生物来进行工业规模的应用有浓厚的兴趣。一些典型的瘤胃微生物包括高纤维溶性的厌氧真菌Neocallimastix frontalis和Cycllamyces aberensis，专性厌氧细菌fibrolytic Ruminococcus flavefaciens(纤维溶性)，Bacterodes succinogenes(产琥珀酸)，Butyrivibrio fibrisolvens(可部分分解纤维素和产丁酸)，可利用氢的产烷古细菌，如Methanobacterium ruminantium，它们在瘤胃中非常普通。

尽管厌氧消化和瘤胃微生态系统反应过程相类似，但两者的主要区别之一在于瘤胃中可以达到相当的发酵速率与发酵程度，这使得瘤胃可看作一个发酵能力超群的发酵容器，在工业规模上10～100天的厌氧发酵在瘤胃中1～2天就可以完成，提高的程度相当于对数级别。瘤胃提供了一个厌氧的环境以及恒定的温度，稳定的pH，充分的混合。与批次厌氧发酵的过程不同，瘤胃是一个开放、连续的微生态系统，被充分咀嚼的食料经唾液与饮水的良好缓冲，每隔一定时间，通过食管被输送至瘤胃。发酵的终产物或通过瘤胃的胃壁被吸收进血液或流出瘤胃进一步被消化吸收。这样，通过对植物颗粒物质的有效转化，瘤胃发酵产生了微生物蛋白和发酵终产物、挥发性脂肪酸(醋酸，丙酸，丁酸)、二氧化碳、甲烷。这些微生物蛋白和挥发性脂肪酸可以被视为平台化合物，满足肉类和牛奶生产所需的大量的蛋白质和能量，且排放气体对碳排放影响可以被忽略。