[发明专利]一种强化二氧化碳利用发酵分离耦合集成提高生物天然气发酵产甲烷的方法

说明书

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种强化二氧化碳利用发酵分离耦合集成提高生物天然气发酵产甲烷的方法。本发明利用农作物秸秆等固体废弃物进行生物天然气发酵，通过添加能利用二氧化碳的厌氧菌株发酵菌液，实现二氧化碳在生物天然气发酵中的固定利用与生物转化，利于甲烷合成并提高甲烷产量和比例；通过耦合发酵反应器与气体分离膜系统，在分离提纯甲烷的同时，使二氧化碳循环回流至发酵体系，进一步提高二氧化碳原位固定效率；通过里氏木霉发酵菌酶液预处理秸秆物料，使木质纤维素快速降解为发酵单糖，促进二氧化碳固定菌株及生物天然气发酵菌株增殖，进一步提高二氧化碳原位固定效率及生物天然气发酵产甲烷性能。

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种强化二氧化碳利用发酵分离耦合集成提高生物天然气发酵产甲烷的方法。

背景技术

我国石油资源匮乏，2018年石油进口量超过美国跃居全球第一大石油进口国，2019年石油进口量达到5.06亿吨，同比增长9.55％，石油对外依赖度高达72％。微生物发酵法具有“循环再生、高效利用、清洁生产”等优势，可将众多生物质资源催化转化为可再生生物质能源，是我国解决资源和能源瓶颈制约，转变经济增长模式，保障循环经济可持续发展的重要能源战略。事实上，我国农业秸秆年产生量超过9亿吨，禽畜养殖年产生废弃物38亿吨，能源化利用潜力十分巨大。生物天然气发酵技术能够对这些农业生物质废弃物进行无害化、资源化再利用，同时产生清洁能源甲烷，除农业秸秆及畜禽粪便外，还可处理餐厨垃圾、园林垃圾、市政污泥、农产品加工废弃物、能源作物等多种固体废弃物。

但是，我国生物天然气工程的建设仍处于低效率、高成本和非标准化阶段，投入巨大，但研发投入较少，缺乏自主创新的先进技术，整体工程技术水平偏低，需要不断引进国外先进技术，因而严重制约了生物天然气工程产业化发展。长期以来，我国生物天然气工程研究热点大多围绕在发酵技术上，包括发酵原料^[1,2]、原料预处理^[3,4]、发酵搅拌^[5]、功能微生物^[6-8]、营养优化^[9]、脱碳脱硫^[10,11]、生产装备^[12]等方面，研究目标多以提高发酵原料利用率、甲烷产量、生产效率以及分离提纯性能为主。

秸秆及畜禽粪便等固体废弃物经过厌氧发酵，产生气主要由甲烷和二氧化碳组成，前者占60％左右，后者占比接近40％。因此，现有的生物天然气发酵技术大多在生产设备的后端，分别辅以甲烷分离提纯、二氧化碳脱除等设备，其中二氧化碳主要依靠生物法(藻类及光合细菌等)、微生物电池、电化学、光化学、碳酸化等方法进行异位脱除、固定或资源化再利用^[13]，对配套设备及操作要求较高，也增加了生产成本。事实上，以食一氧化碳梭菌为代表的食气梭菌是一类主要的化能自养微生物，可利用二氧化碳和一氧化碳合成多种化学品和燃料，如食一氧化碳梭菌通过Wood-Ljungdahl(WL)途径(由甲基分支反应和羰基分支反应两个通路组成)，能够在厌氧条件下转化二氧化碳转化为乙酸、乙醇、乳酸、丁酸、丁醇、己酸和己醇等化合物，具有良好的生物固碳效果和应用前景^[14-18]。因而，通过微生物固碳作用，实现发酵过程中二氧化碳的再循环利用，开发低成本原位固定技术，减少设备投入及作业环节，提高甲烷含量、生产效率以及生物质碳资源利用率，对我国生物天然气工程发展具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种发酵分离耦合集成，利用厌氧微生物菌株原位固定二氧化碳，强化二氧化碳利用并提高生物天然气发酵产甲烷含量和比例的方法，同时提升废弃物的利用效率和转化率，旨在通过低成本的微生物发酵技术，实现二氧化碳在生物天然气发酵过程中的原位固定与资源化利用，减少设备投入及作业环节，提高生物天然气发酵甲烷含量、生产效率以及生物质碳资源利用率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种发酵分离耦合集成，利用厌氧微生物菌株原位固定二氧化碳，强化二氧化碳利用并提高生物天然气发酵产甲烷含量和比例的方法，其包括以下步骤：