利用煤層微生物菌群的快速有機(jī)質(zhì)降解技術(shù)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種來(lái)自于煤層微生物系統(tǒng)，經(jīng)馴化后能夠快速對(duì)各類動(dòng)植物蛋白、 纖維素、糖類以及脂肪等有機(jī)基質(zhì)進(jìn)行快速、深度降解的技術(shù)及方法，涉及煤炭生物發(fā)酵、 清潔煤技術(shù)、城市廚余垃圾無(wú)害化處理、各類有機(jī)肥與菌肥生產(chǎn)、秸桿治理與綜合利用、鹽 堿地治理以及污水處理等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 微生物作為一種遍及范圍最廣、個(gè)體細(xì)微的獨(dú)特生命體遍布于世界各地。其中煤 層中賦存有一種能夠以煤基質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)源，維持微生物生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的特殊微生物菌群。研 究發(fā)現(xiàn)，馴化后的菌種具有對(duì)各類動(dòng)植物蛋白、纖維素、糖類以及脂肪等有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速深 度降解的能力。
[0003] 經(jīng)過馴化、培育，該菌種能夠成功應(yīng)用于煤炭生物發(fā)酵、清潔煤技術(shù)、城市廚余垃 圾無(wú)害化處理、各類有機(jī)肥生產(chǎn)、秸桿治理與綜合利用、鹽堿地治理以及污水處理等項(xiàng)目。 結(jié)合菌種較高的降解能力與相應(yīng)的技術(shù)實(shí)施方法形成一種新型的有機(jī)質(zhì)降解與利用技術(shù) 及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于對(duì)煤層微生物生態(tài)系統(tǒng)的研究與對(duì)該特殊微生物群落認(rèn)知的提升，結(jié)合現(xiàn)代 工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造了一種以煤層微生物群落為基礎(chǔ)菌種，以兼氧-厭氧培育與接續(xù)式 培育方法為技術(shù)支撐的一種新型的有機(jī)質(zhì)快速深層降解方法。該技術(shù)方法的發(fā)明能有效提 升我國(guó)秸桿治理、動(dòng)物糞便無(wú)害化處理、城市廚余垃圾無(wú)害化處理、各類有機(jī)肥生產(chǎn)、有機(jī) 農(nóng)業(yè)技術(shù)水平。同時(shí)該技術(shù)方法還是促進(jìn)我國(guó)煤炭生物發(fā)酵、清潔煤技術(shù)、鹽堿地治理以及 污水處理等技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：利用取自地下煤層的深新鮮煤樣 獲得源菌群（1)，利用精磨的待處理有機(jī)物進(jìn)行菌種預(yù)培育（2)，將培育后的菌種置于 15~85°C變溫厭氧培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行厭氧--兼氧交復(fù)式擴(kuò)培（3)，將擴(kuò)培后的菌種按照每立 方米1X1012引入發(fā)酵系統(tǒng)（4)，利用接續(xù)式發(fā)酵工藝，完成菌種由一個(gè)發(fā)酵組到另一個(gè)發(fā) 酵組的轉(zhuǎn)移（5)流程過程如圖1所示。
[0006] 所述的利用取自地下煤層的深新鮮煤樣獲得源菌群，菌種獲取后需要密封在厭 氧、無(wú)菌、干燥采樣器中，保持菌群的原生狀態(tài)。
[0007] 所述的利用精磨的待處理有機(jī)物進(jìn)行菌種預(yù)培育，其特征是：選擇待處理的有機(jī) 物通過精磨(粒徑小于60目），將精磨后的有機(jī)質(zhì)粉末制成培養(yǎng)基，用于目標(biāo)菌群的馴化與 擴(kuò)增。通過人工誘導(dǎo)，使微生物能夠適應(yīng)非煤環(huán)境的生存與繁衍。
[0008] 所述的將培育后的菌種置于15~85°c變溫厭氧培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行厭氧--兼氧交復(fù) 式擴(kuò)培，是利用溫度變化與系統(tǒng)含氧量變化對(duì)菌種進(jìn)行篩選與馴化，篩選出合格的工程菌 群，使其能夠適應(yīng)工作環(huán)境因素的變化，能夠滿足技術(shù)實(shí)施要求，。
[0009] 所述的將擴(kuò)培后的菌種按照每立方米IX1〇12引入發(fā)酵系統(tǒng)，其特征是：一次將足 夠量的菌種引入系統(tǒng)，是引入菌種能夠在一定范圍內(nèi)能夠快速形成優(yōu)勢(shì)菌種，并根據(jù)菌種 特性建立有機(jī)質(zhì)發(fā)酵與分解流程、構(gòu)建微生物生態(tài)系統(tǒng)。
[0010] 所述的利用接續(xù)式發(fā)酵工藝，完成菌種由一個(gè)發(fā)酵組到另一個(gè)發(fā)酵組的轉(zhuǎn)移 ，其特征是：菌群具有較高的營(yíng)養(yǎng)傾向性，當(dāng)有新鮮的營(yíng)養(yǎng)源被引入分解系統(tǒng)，微生物 能夠借助自身傾向性運(yùn)動(dòng)向高營(yíng)養(yǎng)區(qū)擴(kuò)散。技術(shù)實(shí)施過程中，可利用接續(xù)式生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn) 菌種的自主轉(zhuǎn)移與連續(xù)應(yīng)用。
[0011]
【附圖說明】 圖1是利用煤層微生物菌群的快速有機(jī)降解技術(shù)與方法的工作流程圖。該圖中說明了 從菌群獲取到應(yīng)用以及重復(fù)利用方法的工作流程。
[0012] 1.該技術(shù)通過利用煤層微生物菌群，能夠更加有效的對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行降解，其降解 效率較常規(guī)技術(shù)可提高30%以上。
[0013] 2.高溫菌群的篩選與馴化能夠使該菌種長(zhǎng)期工作在高于50°C的高溫環(huán)境中，能 夠滿足農(nóng)業(yè)、煤化產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)需求。
[0014] 3.兼氧-厭氧脈動(dòng)式發(fā)酵的技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)質(zhì)的深層、快速降解，能夠提高 對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的利用率，減低對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的損失； 4.兼氧-厭氧脈動(dòng)式發(fā)酵的技術(shù)能夠大幅度降低設(shè)備成本與技術(shù)工藝實(shí)施難度，有助 于提高技術(shù)的節(jié)能降耗水平。
[0015] 5.菌種和發(fā)酵技術(shù)對(duì)有機(jī)基質(zhì)響應(yīng)快速、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)能夠降低系統(tǒng)對(duì)原材料 純度以及構(gòu)成變化的制約，使技術(shù)具備更為廣泛的使用空間。
[0016] 6.技術(shù)所采用菌種所具備的較強(qiáng)的擴(kuò)散特性使系統(tǒng)能夠更為容易的實(shí)現(xiàn)菌種的 復(fù)用，降低技術(shù)的運(yùn)行成本與管理成本。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 利用煤層微生物菌群的快速有機(jī)質(zhì)降解技術(shù)與方法的設(shè)計(jì)與實(shí)施是生物工程、生 態(tài)系統(tǒng)工程等工程學(xué)科綜合創(chuàng)新的結(jié)晶。其具體實(shí)施方法如下： 所述的利用取自地下煤層的深新鮮煤樣獲得源菌群，需要在新揭露的煤層中獲取，煤 層揭露時(shí)間不超過8小時(shí)。菌種獲取后需要密封在厭氧、無(wú)菌、干燥采樣器中，利用氮?dú)鉀_ 洗采樣器內(nèi)部空間排除氧氣，保持菌群的原生狀態(tài)。
[0018] 采樣后的菌種室溫下的最長(zhǎng)保存時(shí)間不超過30天。長(zhǎng)時(shí)間保存需采用超低溫冷 藏方法保存。
[0019] 將以待處理有機(jī)質(zhì)單質(zhì)或混合體進(jìn)行精磨，篩分后的顆粒力度小于60目。
[0020] 將煤樣、有機(jī)質(zhì)粉末與馴化基礎(chǔ)培養(yǎng)基按照質(zhì)量比1 :2 :5進(jìn)行混合，置入?yún)捬跖?養(yǎng)皿中。
[0021] 其中馴化基礎(chǔ)培養(yǎng)基配置方法為：
將培養(yǎng)皿置入?yún)捬跖囵B(yǎng)箱。設(shè)置培養(yǎng)溫度為15~85°C梯度溫變培育，溫度變化方法為 10°C/hour，直至85°C，然后以同樣溫度梯度降溫，將至15°C，之后進(jìn)入第二個(gè)循環(huán)。每個(gè)溫 度保持60分鐘，循環(huán)5次。
[0022] 將以上篩選與培育的菌種放入恒溫恒濕厭氧培育箱，溫度設(shè)置為45°C、濕度80%， 恒溫培育30天，直至菌群平均密度高于1XK^/mL。
[0023] 將培育好的菌種按照每立方米100mL(即1X1012)引入系統(tǒng)，開始發(fā)酵。
[0024] 發(fā)酵過程可以保持系統(tǒng)處于開放狀態(tài)。對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用方向，可以周期性向系統(tǒng)泵入 少量空氣，使系統(tǒng)維持在兼氧與厭氧交替狀態(tài)，有利于將有機(jī)質(zhì)的降解，與水溶性小分子化 合物的轉(zhuǎn)化與合成。
[0025] 對(duì)能源領(lǐng)域應(yīng)用，則可以經(jīng)過初期兼氧發(fā)酵后，將系統(tǒng)密閉，系統(tǒng)能夠經(jīng)過短時(shí)間 的兼氧狀態(tài)，自主進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。直至產(chǎn)氣能力出現(xiàn)波動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)泵入氧氣，是系統(tǒng)進(jìn)入兼 氧發(fā)酵，重復(fù)以上過程。能夠更有利于大分子有機(jī)質(zhì)的發(fā)酵，并產(chǎn)生生物甲烷、生物氫氣等 能源性氣體。
[0026] 每次完成發(fā)酵后需要對(duì)菌種的可靠性進(jìn)行評(píng)測(cè)。評(píng)測(cè)方法可重復(fù)性菌種培育方 法，當(dāng)經(jīng)過培育后的菌種密度達(dá)不到要求，則為老化菌種。若仍能夠滿足菌種引入要求，則 原發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的菌種為活性菌種，能夠進(jìn)行復(fù)用。
[0027] 對(duì)于固體有機(jī)質(zhì)的降解工藝，待第一組有機(jī)質(zhì)完成降解后，將新的有機(jī)質(zhì)堆垛在 已完成降解的有機(jī)質(zhì)堆一端，菌種會(huì)根據(jù)營(yíng)養(yǎng)豐富，自動(dòng)向新的有機(jī)質(zhì)堆方向擴(kuò)散。
[0028] 對(duì)液體發(fā)酵系統(tǒng)，僅需將已完成的發(fā)酵罐與新裝配發(fā)酵罐用導(dǎo)管連接，即可完成 菌種的自主擴(kuò)散。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. "利用煤層微生物菌群的快速有機(jī)質(zhì)降解技術(shù)與方法"，其特征在于：有機(jī)質(zhì)降解采 用的主要菌種來(lái)自于存活于地下的煤層微生物生態(tài)系統(tǒng)（1);所采用的工程菌種可耐受的 最高環(huán)境溫度可達(dá)89°C(2);微生物對(duì)基質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可快速對(duì)引物基質(zhì)的變化做出響應(yīng) (3) ;該技術(shù)方法采用兼氧和厭氧脈動(dòng)發(fā)酵工藝、發(fā)酵深度好，穩(wěn)定性高，營(yíng)養(yǎng)組分損失小 (4) ;該技術(shù)方法設(shè)計(jì)的發(fā)酵系統(tǒng)可采用接續(xù)式發(fā)酵，使菌種具備一次引入，重復(fù)利用的能 力（5)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)質(zhì)降解采用的主要菌種來(lái)自存活于地下的煤層微生物 生態(tài)系統(tǒng)，其特征在于：技術(shù)中以存活于深層地下，并且具有煤基質(zhì)降解能力的煤層微生物 生態(tài)系統(tǒng)中的菌種區(qū)系為主要菌種源，以其強(qiáng)有力的有機(jī)質(zhì)分解發(fā)酵能力，經(jīng)馴化、篩選、 增培后的菌群菌種均能作為一種穩(wěn)定、高效、可靠的工程菌種使用。3. 根據(jù)權(quán)利2所述的馴化、增培過程，其特征在于：利用精磨的待發(fā)酵有機(jī)質(zhì)原材料 (60目以上)制成基礎(chǔ)培養(yǎng)基，使微生物在人工引導(dǎo)下，選擇能夠快速適應(yīng)新環(huán)境，并能融入 新的生態(tài)環(huán)境中的高溫耐受菌種區(qū)系為目標(biāo)菌種進(jìn)行轉(zhuǎn)向與定性的培育；經(jīng)馴化后的菌種 主要由煤基質(zhì)水解菌、煤基質(zhì)發(fā)酵菌、乳酸菌、乙酸菌、固氮菌等為構(gòu)成主體，并且優(yōu)化后的 菌群最高耐受溫度可達(dá)89°C。4. 根據(jù)權(quán)利1所述的微生物對(duì)基質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可快速對(duì)引物基質(zhì)的變化做出響應(yīng)，其 特征在于：該技術(shù)方法所采用的菌群具備較強(qiáng)的基質(zhì)適應(yīng)能力；該適應(yīng)能力主要表現(xiàn)在， 當(dāng)發(fā)酵基質(zhì)組分出現(xiàn)組分變化時(shí)，菌群能夠?qū)π碌臓I(yíng)養(yǎng)環(huán)境做出快速反應(yīng)，通過自主調(diào)整 菌群的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)新的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)與響應(yīng)。5. 根據(jù)權(quán)利4所描述的引物基質(zhì)，其特征在于：基質(zhì)主要包含各類動(dòng)植物蛋白、纖維 素、糖類以及脂肪等有機(jī)質(zhì)，但不包含化工合成塑料、再生橡膠等有機(jī)化合物。6. 根據(jù)權(quán)利1所述的該技術(shù)方法采用兼氧和厭氧脈動(dòng)發(fā)酵工藝、發(fā)酵深度好，穩(wěn)定性 高，營(yíng)養(yǎng)組分損失小，其特征在于：該工藝實(shí)施過程中，根據(jù)系統(tǒng)溫度、酸堿度、糖分、乙酸、 二氧化碳、甲烷、氫氣等組分的變化，采用兼氧與厭氧脈動(dòng)發(fā)酵工藝，通過使系統(tǒng)內(nèi)兼氧菌 與厭氧菌協(xié)作式工作模式，對(duì)基質(zhì)實(shí)現(xiàn)深度降解，該技術(shù)方法具有發(fā)酵深度好，發(fā)酵穩(wěn)定性 高，營(yíng)養(yǎng)組分損失小等特點(diǎn)。7. 根據(jù)權(quán)利1所述的該技術(shù)方法設(shè)計(jì)的發(fā)酵系統(tǒng)可采用接續(xù)式發(fā)酵，使菌種具備一次 引入，重復(fù)利用的能力，其特征在于：菌種具有較高的營(yíng)養(yǎng)傾向性，當(dāng)有新鮮的營(yíng)養(yǎng)源被引 入分解系統(tǒng)，微生物能夠借助自身傾向性向高營(yíng)養(yǎng)區(qū)擴(kuò)散，技術(shù)實(shí)施過程中，采用接續(xù)式生 產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)菌種的自主轉(zhuǎn)移與連續(xù)應(yīng)用，僅需將新鮮的有機(jī)質(zhì)或發(fā)酵罐體接續(xù)在原發(fā)酵系 統(tǒng)之后即可。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種“利用煤層微生物菌群的快速有機(jī)質(zhì)降解技術(shù)與方法”，涉及煤炭生物發(fā)酵、清潔煤技術(shù)、城市廚余垃圾無(wú)害化處理、各類有機(jī)肥生產(chǎn)、秸稈治理與綜合利用、鹽堿地治理以及污水處理等領(lǐng)域。所述的“利用煤層微生物菌群的快速有機(jī)質(zhì)降解技術(shù)與方法”利用了煤層菌種降解能力強(qiáng)、效率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、蛋白質(zhì)、糖分等物質(zhì)的快速分解與消化，通過有機(jī)組分降解率的提升達(dá)到快速有機(jī)質(zhì)降解的目的。該專利方法能夠節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間30%，降解后混合物的水溶性膠質(zhì)組分較傳統(tǒng)降解方法提高1.5倍。該技術(shù)方法能夠應(yīng)用于煤炭生物發(fā)酵、清潔煤技術(shù)、城市廚余垃圾無(wú)害化處理、各類有機(jī)肥生產(chǎn)、秸稈治理與綜合利用、鹽堿地治理以及污水處理等領(lǐng)域。
【IPC分類】C12N1/36
【公開號(hào)】CN105462908
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410431725
【發(fā)明人】肖棟, 彭蘇萍, 王恩元
【申請(qǐng)人】肖棟
【公開日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2014年8月29日