生物甲烷生产的方法和组合物的制作方法
【专利说明】生物甲烷生产的方法和组合物
[0001]发明人：JacobWagnerJensen,Georg0rnsk〇VR0.nsch和SebastianBuch Antonsen
[0002] 城市固体废物（MSW)，尤其包括家庭日常废物、来自饭店和食品加工厂的废物和来 自办公楼的废物，含有大量可被进一步加工成能源、燃料和其他有用产品的有机材料组分。 目前，只有小部分的可用MSW被回收，而绝大部分被扔到垃圾填埋场。
[0003] 发展高效而环境友好的处理固体废物的方法来最大限度地回收其固有能量潜力， 以及回收可回收材料已经引起了非常大的兴趣。"废物到能源"加工中一个重大的挑战是MSW的异质性。固体废物通常包含大量混入了塑料、玻璃、金属和其他不可降解材料的有机 可降解材料的组分。未分类废物可直接焚烧，就像在依赖于区域供热系统的国家如丹麦和 瑞典广泛应用（Strehlik2009)。然而，焚烧方法与负面环境后果相关，也不能完成原材料 的有效回收。清洁和高效地利用MSW的可降解组分与回收组合通常需要一些分类法将可降 解的材料和不可降解的材料分开。
[0004] MSW中的可降解组分可采用热化学和生物方法用于"废物到能源"加工中利用。MSW 可以经历高温分解或其他方式的热化学气化。有机废物在极高温下的热分解会产生挥发性 组分，例如焦油和甲烷以及与直接焚烧相比，燃烧产生较低毒性后果的固体残留或"焦炭"。 或者，有机废物可以热转化为包含一氧化碳、二氧化碳和氢气的"合成气"，其可以进一步被 转化为合成燃料。参见例如Malkow2004综述。
[0005] 用于转化MSW中可降解组分的生物方法包括发酵，以生产特定有用的终产物例如 乙醇。参见例如W02009/150455 ;TO2009/095693 ;TO2007/036795;Ballesteros等，2010 ; Li等，2007。
[0006] 或者，生物转化也可以通过厌氧消化生成生物甲烷或"沼气"实现。参见例如 HartmannandAhring2006综述。预分类的MSW有机成分可以直接转化为生物甲烧，参见 例如US2004/0191755,或涉及在添加水的存在下的切碎的相对简单的"制浆"过程之后，参 见例如US2008/0020456。
[0007] 然而，预分类MSW而获得的有机组分通常是昂贵、低效或无用的。源分类需要庞大 的基础设施和运营费用以及废物收集所在社区的积极参与和支持，这在现代都市社会已被 证明难以实现。机械分类是典型的资金密集型，且与有机材料的大量损失有关，大约至少 30%且通常更高。参见例如Connsonni2005。
[0008] 有关分拣系统的这些问题中的一些已经通过将未分拣废物中有机可降解组分进 行液化而成功避免。液化后的有机材料可轻易与不可降解材料分离。一旦被液化为可泵浆 料，有机组分可以容易地用于热化学或生物转化过程。通过高压高温的"压热器"法液化可 降解组分已经被广泛报道。参见例如US2013/0029394 ;US2012/006089 ;US20110008865 ; W02009/150455 ；W02009/108761 ；W02008/081028 ；US2005/0166812 ；US2004/0041301；US 5427650;US5190226。
[0009] 一种完全不同的液化可降解有机组分的方法是其可采用生物过程，尤其是通过 酶促水解来实现。参见Jensen等，2010;Jensen等，2011;ToniniandAstrup2012; W02007/036795 ；W02010/032557〇
[0010] 与"压热器"法相比，酶促水解在液化可降解有机组分方面提供独特的优势。采用 酶促液化，MSW加工可以以连续的方式进行，使用相对廉价的设备可以在相对较低的温度下 运行非加压反应。相比之下，"压热器"过程则必须以批处理模式进行，而且通常涉及更高的 资本成本。
[0011] "灭菌"以减少MSW引起的可能的健康风险一伯恩病原微生物的认知性需求已经成 为支持"压热器"液化法占优势的流行观点。参见例如W02009/150455 ;W02000/072987;Li 等，2012Ballesteros等，2010 ;Li等，2007。类似地，之前据信酶促液化需要热预处理到相 对较高的至少90-95°C的温度。这样的高温被认为是必需的，一部分是为了实现未分拣MSW 的"灭菌"，也能使可降解有机组分软化和纸张产品的"浆化"。参见Jensen等，2010Jensen 等，2011;Tonini和Astrup2012。
[0012] 我们发现，未分拣MSW的安全的酶促液化可以不通过高温预处理而实现。事实上， 与期望相反，高温预处理不仅不是必需的，而且是非常有害的，因为这会杀死在废物中生长 旺盛的环境微生物。促进微生物发酵的同时，在>45°C的嗜热条件下，酶促水解采用"环境" 微生物或采用选择性"接种"的生物来促进"有机捕获"。也就是说，同时进行的嗜热微生物 发酵安全地增加"生物液体"（通过酶促水解获得的液化的可降解组分）的有机产量。在这 些情况下，通常在MSW中存在的病原微生物无法生长。参见例如Hartmann和Ahring2006 ; Deportes等，1998;Carrington等，1998;Bendixen等，1994;Kubler等，1994;Six和De Baerre等，1992。在这些情况下，典型的MSW-伯恩病原体很容易被普遍存在的乳酸菌和其 他安全的生物战胜。
[0013] 除了从酶促水解促进"有机捕获"，用乳酸菌或能产生醋酸盐、乙醇、甲酸盐、丁酸 盐、乳酸盐、戊酸盐或己酸盐的微生物的任意组合进行的同时存在的微生物发酵，能"预处 理"生物液体使其更有效的成为生物甲烷生产的底物。与单独的酶促液化产生的生物液体 相比，微生物发酵产生的生物液体中溶解物的比例相对于悬浮固体通常增加。由于微生物 的"预处理"，高链多糖通常降解得更充分。微生物发酵和酶促水解的同时进行将生物聚合 物降解为随时可用的底物，而且，使初始底物通过代谢转化为短链羧酸和/或乙醇。由此产 生的包含高比例的微生物代谢产物的生物液体提供了一种有效避免限速"水解"步骤的生 物甲烧底物，参见例如Delgenes等2000 ;Angelidaki等，2006 ;Cysneiros等，2011，而且为 甲烷生产提供进一步的优势，尤其是采用非常快速"固定过滤"厌氧消化系统。
[0014]概沭
【附图说明】
[0015] 图1.干物质转化率，以上清液中回收的干物质占通过接种来自实施例5的EC12B 生物液体刺激的同时进行的酶促水解和微生物发酵中总干物质的百分比来表示。
[0016] 图2.从随后通过加入来自实施例5的生物液体诱导的同时进行的酶促水解和发 酵上清液中回收的细菌代谢产物。
[0017] 图3.REnescience测试反应器的示意图。
[0018] 图4.显示工厂装置的示意图。
[0019] 图5.在不同时间段期间生物液体的有机捕获，以kgVS/kg处理的MSW表示。
[0020] 图6.细菌代谢物，以实验期间不同时间点的生物液体中溶解的VS百分比和需氧 细菌计数表示。
[0021] 图7.来自实施例3的生物液体中鉴定的细菌种类分布。
[0022] 图8.从实施例5所述的测试取样的EC12B中13种优势菌的分布。
[0023] 图9.采用来自实施例5的生物液体的生物甲烷生产的增加和减少。
[0024] 图10.来自实施例2的"高乳酸盐"生物液体的生物甲烷生产的"增加"和"减少" 表征。
[0025] 图11.来自实施例2中的"低乳酸盐"生物液体的生物甲烷生产的"增加"和"减 少"表征。
[0026] 图1