专利名称：一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法随着化石原料的日益枯竭和人们对环保问题的关注，寻找可再生资源成为全世界各国共同关注的焦点。生物质资源是世界上最丰富的可再生资源之一，通过物理、化学、生物等转化技术可以将其加工成各种生物基产品，如生物基能源、生物基化学品和生物基材料。木质纤维素原料的水解液化一直是制约其进一步转化的限制性因素。因为木质纤维素原料是由纤维素、半纤维素、木质素、蜡质、果胶质等复杂的物质组成的，这些物质之间相互交联、相互制约，从而导致木质纤维素原料的自然降解过程非常缓慢，且不完全。目前虽然已有大量物理、化学和生物的手段来人为地加快木质纤维素原料的降解，但都是将其剥离成各个组分后单独考虑，例如采用蒸汽爆破、酸水解、碱氧化处理等手段将木质素、 半纤维素、果胶等物质与纤维素分离后再进行降解，但是这些方法仍然达不到快速、完全水解。生物法因其反应条件温和，副产物少，环境友好等特点，在生物基产品生产过程中具有突出优势。生物转化法主要是利用生物酶降解生物质原料为小分子物质并由微生物发酵来生产各种生物基产品。但是，木质纤维素原料要作为微生物发酵的有效碳源，其前提是含有能够水解木质纤维素原料的酶的微生物，或者通过外加酶来降解木质纤维素。然而，仅依靠微生物自身所带的酶，木质纤维素的水解效率非常低，而外加纤维素酶又会大大提高产品的生产成本。因此，必须寻找更加经济、高效、清洁降解木质纤维素原料为可发酵碳源的方法。而微生物可利用的碳源主要有糖类、油脂、有机酸类、有机酸酯、和小分子醇类。污泥厌氧生物处理是最古老和最常见的有机质生物处理法之一，即在厌氧条件下，形成厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件，利用这类微生物分解有机物的过程，其优点是费用较低，生物质的产出率高。厌氧生物处理过程分为水解阶段；产酸(或酸化)阶段；产氢产乙酸阶段和产甲烷(或酸化)阶段。水解阶段中，复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或者二聚体的过程，例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀粉被淀粉酶水解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽与氨基酸等；这些物质在产酸细菌的作用下转化为以脂肪酸和醇为主的末端产物，主要有甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸等脂肪酸、醇类(乙醇等)、二氧化碳等；然后，两个碳以上的有机酸和醇被转化为乙酸等；最后，严格专性厌氧细菌将乙酸、 甲酸等转化为甲烷和co2。通常对废弃生物质厌氧消化的研究，主要偏重于有机质产甲烷及产气上，例如专利ZL 200510094483.7(—种用厨余物、秸秆、禽畜粪便和活性污泥为原料的沼气生产方法)就是以厨余物、秸秆、禽畜粪便和活性污泥按照1 :1:1: 1的配比，并接种种泥后厌氧发酵产沼气；另外还有大量利用秸秆和活性污泥共同厌氧发酵制氢等的研究。然而厌氧消化的中间产物-有机酸是具有更高附加值的产品。但是正如前所述有机物的厌氧生物降解需要经历水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段，调控木质纤维素原料的厌氧生物处理过程控制在产酸阶段，从而得到包括酸类(如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等)、 醇类(乙醇等)、⑶2等末端产物，这些产物均是微生物良好的碳源，因此通过厌氧生物处理木质纤维素原料，将有助于使难以利用的木质纤维素原料转化为丰富的可发酵碳源，应用于多种产品的开发。
发明目的本发明涉及一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法及其应用。其目的是通过厌氧生物处理方式使木质纤维素原料成为多种产品的发酵碳源，既可以实现木质纤维素原料的清洁高效利用，又可以提高活性污泥酸化有机酸浓度，降低微生物发酵碳源的生产成本。发明构思现有的利用活性污泥进行生物转化的方法都是采用活性污泥直接厌氧消化，但是活性污泥中有机物质的含量较低，因此酸化后有机酸浓度太低，从而造成发酵效率低，难以作为有效的碳源。而木质纤维素原料含有丰富的化学成分，其中半纤维素、纤维素等大分子降解成小分子可发酵糖后，就可以被微生物作为良好的碳源。但是，木质纤维素原料的降解难以依靠单一的微生物实现，而需要借助不同微生物之间的协同作用。而活性污泥中含有丰富的微生物菌群，其中主要降解纤维素的产酸微生物主要有蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、粪产碱杆菌、普通变形杆菌、铜绿色假单孢杆菌、细螺旋体属、核黄素假单胞菌等。这些微生物可以实现木质纤维素原料的快速降解和产酸。因此，在木质纤维素原料中接入经过驯化的活性污泥，然后控制适当的厌氧条件，使木质纤维素原料厌氧酸化为各种酸类物质， 从而提高有机酸浓度。得到的有机酸溶液又可以作为丰富的碳源用于不同产品的发酵。本发明技术方案一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法，其特征在于包括以下步骤1)木质纤维素原料预处理将木质纤维素原料进行物理、化学或生物预处理；2)厌氧酸化以经过驯化的活性污泥作为种泥，在反应器中加入经预处理的木质纤维素原料，混合均勻，加水调节固液比，并调节PH值，然后在反应容器中通入氮气进行厌氧酸化；3)酸化液作为碳源用于发酵将酸化液用作微生物发酵的碳源进行发酵。本发明所述的一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法，其特征在于，所述步骤幻中的厌氧酸化条件为纤维素原料与活性污泥按照质量配比为1 1 10 1混合均勻，加水调节至固液比至1 3 1 10，并调节PH值至中性，然后在反应容器中通入氮气，在35 38 °C厌氧酸化。本发明所述的一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法，其特征在于，所述步骤幻的酸化液可以用于PHA发酵、角质酶发酵、污水生物脱氮除磷碳源。本发明所述的一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法，其特征在于，所述步骤1)的木质纤维素原料包括，玉米秸秆、稻草、小麦秸秆、蔗渣。本发明所述的一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法，其特征在于，所述步骤1)的木质纤维素原料预处理方法，包括蒸汽爆破预处理、酸水解预处理、碱氧化预处理、粉碎预处理中的一种或几种。本发明的优点水解酸化作为厌氧降解的一部分，不仅具有一般厌氧消化所具有的优点，如负荷低、能耗低、营养物质需求量小外，还具有许多自身的优点，如水解和产酸菌的繁殖速度快、 代谢强度高、驯化时间短；不需要严格的厌氧条件，对温度、PH值变化敏感度低，便于操作控制等。本发明的一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法，具有以下优点1)依靠活性污泥中丰富的微生物种群，在酸化阶段产酸微生物分泌纤维素水解酶，从而节省了木质纤维素原料酶法水解中纤维素酶的用量；2)木质纤维素原料的加入弥补了活性污泥中有机废物含量过低的问题，显著提高了酸化有机酸浓度的浓度，为后续的生物转化提供了良好的、廉价的发酵碳源。具体实施方法实施例11)玉米秸秆经汽爆预处理后，烘干并粉碎至20目；2)以经过驯化的活性污泥作为种泥，将汽爆预处理的玉米秸秆按照与活性污泥质量比1 1的比例混合均勻，然后加水调节固液比为1 10，调节pH至5. 5后，向反应体系中通入氮气，在35°C厌氧酸化5d。3)酸化结束后进行固液分离，将酸化得到的酸化液用做PHA的发酵碳源。实施例21)玉米秸秆经稀酸预处理后，烘干并粉碎至40目；2)以经过驯化的活性污泥作为种泥，将稀酸预处理的玉米秸秆按照与活性污泥质量比1 1的比例混合均勻，然后加水调节固液比为1 5，调节PH至6.0后，向反应体系中通入氮气，在37 °C厌氧酸化4d。3)酸化结束后进行固液分离，将酸化得到的酸化液用做PHA的发酵碳源。实施例31)小麦秸秆经汽爆预处理后，烘干并粉碎至20目；2)以经过驯化的活性污泥作为种泥，将汽爆预处理的小麦秸秆按照与活性污泥质量比5 1的比例混合均勻，然后加水调节固液比为1 8，调节pH至6.0后，向反应体系中通入氮气，在37°C厌氧酸化5d。3)酸化结束后进行固液分离，将酸化液作为角质酶的发酵碳源。实施例41)稻草秸秆经汽爆处理后，烘干并粉碎至40目；2)以经过驯化的活性污泥作为种泥，将汽爆预处理的稻草秸秆按照与活性污泥质量比10 1的比例混合均勻，然后加水调节固液比为1 5，调节PH至7.0后，向反应体系中通入氮气，在38 °C厌氧酸化5d。3)酸化结束后进行固液分离，将酸化液作为角质酶的发酵碳源。实施例551)蔗渣秸秆经稀酸预处理后，烘干并粉碎至20目；2)以经过驯化的活性污泥作为种泥，将稀酸预处理的蔗渣按照与活性污泥质量比 4 1的比例混合均勻，然后加水调节固液比为1 10，调节pH至6.0后，向反应体系中通入氮气，在38°C厌氧酸化5d。3)酸化结束后进行固液分离，将酸化液用于污水的生物脱氮除磷系统碳源。实施例61)玉米秸秆经汽爆预处理后再经碱氧化预处理，然后烘干并粉碎至20目；2)以经过驯化的活性污泥作为种泥，将稀酸预处理的蔗渣按照与活性污泥质量比 4 1的比例混合均勻，然后加水调节固液比为1 10，调节pH至6.0后，向反应体系中通入氮气，在38°C厌氧酸化5d。3)酸化结束后进行固液分离，将酸化液用于污水的生物脱氮除磷系统碳源。实施例71)小麦秸秆经汽爆预处理后再经稀酸水解处理，然后烘干并粉碎至20目；2)以经过驯化的活性污泥作为种泥，将稀酸预处理的蔗渣按照与活性污泥质量比 4 1的比例混合均勻，然后加水调节固液比为1 10，调节pH至6.0后，向反应体系中通入氮气，在38°C厌氧酸化5d。3)酸化结束后进行固液分离，将酸化液作为PHA的发酵碳源。本发明属于木质纤维素生物质预处理及其应用领域，特别涉及到一种水解酸化生物质原料制备发酵碳源的方法及其应用。现有的利用活性污泥进行生物转化的方法都是采用活性污泥直接厌氧消化，但是活性污泥中有机物质的含量较低，因此酸化后有机酸浓度太低，从而造成发酵效率低，难以作为有效的碳源。本发明以经过驯化的活性污泥作为种泥，然后在反应器中将经过适当预处理的木质纤维素原料与活性污泥按照一定的质量配比混合均匀，加水调节固液比和pH值，然后在反应容器中通入氮气进行厌氧酸化，酸化液分离后用做发酵碳源。本发明可实现木质纤维素原料的清洁高效利用，具有水解酸化有机酸浓度高、驯化时间短，降低微生物发酵碳源的生产成本等优点。