專利名稱：強(qiáng)化發(fā)酵方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化發(fā)酵的新方法，即在方法的任一步驟中采用電刺激。
該電刺激最好用于厭氧的、嗜溫的且在腐爛條件下產(chǎn)甲烷的微生物發(fā)酵中，尤其是廢水處理，接種物形成或用于對(duì)含有混合產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物或僅含產(chǎn)甲烷微生物的微生物種群的厭氧污泥增加其分解能力。
本發(fā)明的工藝主要可用于環(huán)境控制，尤其是污水處理方面，但也可用于其它領(lǐng)域，如B12輔酶(鈷胺酰胺輔酶)發(fā)酵和最好在腐爛條件下用混合的、厭氧的、嗜溫的產(chǎn)甲烷的微生物種群所進(jìn)行的其它發(fā)酵過程。
世界范圍的自然環(huán)境惡化在過去二、三十年內(nèi)愈演愈烈。工業(yè)和農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，人口增長率都是導(dǎo)致生態(tài)平衡遭到破壞的因素。大氣層、水界及陸界都同樣受到對(duì)環(huán)境不利的人類活動(dòng)的危害。
污水處理是環(huán)境控制的主要任務(wù)之一。在本世紀(jì)上半個(gè)世紀(jì)中，按照廣泛使用的污水處理法(主要從城市源產(chǎn)生的污水)，污水盛于大敞口池中通氣，然后讓形成的活化淤泥在厭氧條件下于大的加熱的容器(消化器)內(nèi)發(fā)酵，同時(shí)產(chǎn)生沼氣(biogas)，作為最終產(chǎn)品所獲得的淤泥再放在一層沙上干燥，最后用作農(nóng)業(yè)上使用的有機(jī)肥。
第二次世界大戰(zhàn)后幾十年間，由于迅速發(fā)展的工業(yè)和農(nóng)業(yè)的耗水量的增加，在環(huán)境中再循環(huán)的污水量增加了。為數(shù)不多的低容量污水處理廠(仍然采用舊技術(shù)工作)，再也不能處理已增加的污水處理量，因此工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市污水成為威脅自然水源的最大危害。
到六十年代，專家們開始認(rèn)識(shí)到a.)過去幾十年中所發(fā)展起來的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)浪費(fèi)材料，導(dǎo)致形成過多的大量的工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢物，因此，第一步，他們通過優(yōu)化這些大規(guī)模的生產(chǎn)過程開始將廢水降至最低限度，況且，b.)只有當(dāng)建立了適當(dāng)?shù)木哂泄I(yè)背景的科學(xué)研究和發(fā)展的基礎(chǔ)(這需要一個(gè)新的工業(yè)分支，新工藝，制造新設(shè)備、工具、機(jī)器、儀器等)，才能實(shí)現(xiàn)環(huán)境工程。
此后，由于水需求的潛在增加，和同樣重要的，能源價(jià)格的迅速增長，人們開始了廣泛的研究和開發(fā)項(xiàng)目，以確立污水的成分及其微生物-生物化學(xué)性質(zhì)。
到七十年內(nèi)后半期，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高容量厭氧污水處理法出現(xiàn)了，到八十年代已用于工業(yè)規(guī)模[Anaerob Digestion(1988)，Eds.E.R.Hall和P.N.Hobson，Pergamon Press，Oxford，Tokyo，Toronto，等]。其主要目的是對(duì)水處理過程中產(chǎn)生的純水進(jìn)行再循環(huán)，使其進(jìn)入天然水源或引入技術(shù)，以及獲得從有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的以甲烷形式存在的可觀的能量。
在自然界中，復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)被混合種群的微生物所分解。參與該過程的微生物以共生形式存活，一個(gè)降解步驟的產(chǎn)物即是下一步驟活化群的被用物。在平衡條件下，該過程是穩(wěn)定的且具有很高的靈活性，亦即，每一組微生物的比例，在一定限度內(nèi)，可靈活地適應(yīng)代謝物的濃度。在產(chǎn)生沼氣的厭氧工藝中，可清楚地區(qū)分四個(gè)步驟在第一個(gè)步驟中水解微生物的活動(dòng)是主要特征(蛋白酶、纖維素酶等)。由于胞外酶的作用高分子物質(zhì)主要是不溶性的多糖、蛋白質(zhì)和脂類在兼性厭氧條件下被增溶溶解及消化。
在第二步中，第一步驟中的代謝物(碳水化合物、肽、高級(jí)脂肪酸等)在兼性厭氧條件下被產(chǎn)酸微生物進(jìn)一步降解，導(dǎo)致生成低級(jí)脂肪酸、醇、氫氣和二氧化碳。
在第三個(gè)步驟中，由產(chǎn)乙酰微生物從各種有機(jī)酸和醇中主要生成乙酸鹽。
在最后步驟中生成甲烷。乙酸鹽和cl化合物(甲醇、甲酸、甲胺)以及二氧化碳和氫氣充當(dāng)產(chǎn)甲烷微生物轉(zhuǎn)化成甲烷的被用物。利用二氧化碳和氫氣制備甲烷的親氫產(chǎn)甲烷微生物以及通過裂解乙酸鹽分子制備甲烷和二氧化碳的促乙酰產(chǎn)甲烷微生物也是為人們所熟知的。
在頭兩個(gè)步驟中兼性厭氧微生物在pH值4.5～5.5范圍內(nèi)發(fā)揮作用，而在后兩個(gè)步驟中該專性的厭氧產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物則在pH7～7.5范圍內(nèi)發(fā)揮作用[Anaerob Digestion.Intern.Symp.in Cardiff(Wales，1979);in Travemunde，F(xiàn)RG(1981);in Boston，USA(1983);in Guangzhou，China(1985);in Bologna，Italy(1988)]。在自然界中，復(fù)雜厭氧分解在同樣的地點(diǎn)發(fā)生，對(duì)單個(gè)的細(xì)菌組群而言不保證最好的物理化學(xué)條件，因之自然過程的產(chǎn)量總是低于最優(yōu)值。
在需氧污水處理法中，對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行微生物氧化所需的空氣必須與污水混合。在該過程中約50%的有機(jī)碳被氧化成了二氧化碳，殘留碳變成了活化淤泥的一部分。
在厭氧污水處理過程中，約80%可消化的碳以甲烷+二氧化碳形式作為沼氣而釋放出來。此外，厭氧法在能量方面也更有利些。形成0.5m3.(其甲烷濃度為55～60%)的沼氣需要1kg COD(化學(xué)耗氧量)(25.5MJ/N.m3＝6000kcal/N.m3)，這等于0.3kg的燃油(42MJ/kg＝10000kcal/kg)，也就是說，厭氧法是一種產(chǎn)生能量的方法，而在需氧法中1kgCOD在通氣中需要0.5～1kwh的耗量。
考慮到厭氧法中較有利的能量條件及所形成的淤渣量顯著降低，這種淤渣甚至不需要任何最終處理即可用作土壤改良，因此人們把注意力集中于厭氧法上。兩個(gè)平行的國際專題討論會(huì)被發(fā)起召開并且從那以后每隔2～3年不間斷地進(jìn)行著-“ANAEROBIC DIGESTION”(1979，1981，1983，1985，1988和1990)和“MICROBIAL GROWTH ON CI COMPOUNDS”(第六屆會(huì)議于1989年在Gōttingen召開)。
厭氧法制備甲沼氣的技術(shù)在不同時(shí)期在世界各國發(fā)展起來了，而處理的規(guī)模和容量，則取決于發(fā)展水平和面臨的特殊問題(能量短缺、環(huán)境控制)。
如果考慮到該方法的規(guī)模、應(yīng)用及裝置，則可分為兩大組a.)小規(guī)模沼氣生產(chǎn)。在常規(guī)裝置中將居民家中、農(nóng)場及小社區(qū)中的液體肥料、農(nóng)業(yè)及公共廢渣轉(zhuǎn)化成沼氣。這些裝置被稱為農(nóng)場沼氣工廠，四川型沼氣工廠即是這一家族的典型代表。在這樣大的國家，人們居住得又很分散，建設(shè)供電網(wǎng)絡(luò)既費(fèi)錢速度又慢，因此必須尋找當(dāng)?shù)啬茉础?985年，中國已有420萬座四川型農(nóng)場沼氣工廠在運(yùn)行。第三世界其它國家的情形也大致類似，尤其是在印度(Desai和Patel型工廠)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已很發(fā)達(dá)的國家，如荷蘭、比利時(shí)、丹麥、德國，到六十年代末和七十年代開始引進(jìn)農(nóng)場沼氣工廠，后來開發(fā)出更經(jīng)濟(jì)的工業(yè)規(guī)模的處理廠。
b.)工業(yè)規(guī)模的沼氣生產(chǎn)。有兩大類原料可用于生產(chǎn)沼氣高干燥度的有機(jī)廢料[大于15%(v/v)](玉米葉、玉米桿、麥草、椰纖維等)和低或中干燥度的廢料[低于15%(v/v)]。后一種廢料在工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及以城市污水形式存在的沉渣中大量地產(chǎn)生著。
多年來所進(jìn)行的大量研究已揭示出，通過增加活性的產(chǎn)甲烷微生物的生物量的濃度，改進(jìn)內(nèi)在接觸及增加接觸表面積，可開發(fā)出一種全新的厭氧工藝。發(fā)掘眾所周知的產(chǎn)甲烷微生物可形成密聚體的特性，則可采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)在該生物量中形成活的聚粒(即顆粒)或者在惰性載體上形成固定的生物膜，該活性生物物質(zhì)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間即可延長。這還需要設(shè)計(jì)低液壓保留時(shí)間(HRT)的新反應(yīng)器-這是因?yàn)榇蟠笤黾恿嘶钚员砻?在較高的稀釋比率下操作，結(jié)果這種反應(yīng)器的容積也就顯著降低。
此外，還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，如果將該混合厭氧法分成空間上彼此隔開的兩個(gè)步驟-產(chǎn)酸微生物和產(chǎn)甲烷微生物-每一步驟保證各自微生物組群的最佳條件，廢水首先導(dǎo)入產(chǎn)酸微生物處理單元然后再導(dǎo)入產(chǎn)甲烷微生物處理單元，則可大大提高產(chǎn)率。
待開發(fā)的工藝主要取決于來源、出現(xiàn)周期性和污水的性質(zhì)。但盡管非常類似，大多數(shù)污水處理廠都有各自的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下主要方面-污水中可能含有可觀量的可能是大顆粒的固體物質(zhì)，如果不預(yù)處理(過濾沉積等)可能堵塞某些類型的反應(yīng)器;
-對(duì)溶解有機(jī)物含量高的污水(COD40-50kg/m3)而言，處理后的流出液即使轉(zhuǎn)化率為95%，仍可含有2～2.5Kg的COD/m3，應(yīng)通過進(jìn)一步處理降至所需的低COD值(第二步厭氧步驟或需氧處理);
-化學(xué)工業(yè)或制藥工業(yè)的污水含有很難分解的有機(jī)物成份(脂肪族鹵化物、芳香化合物等)，這些成份可能需要預(yù)處理或需要較長時(shí)間發(fā)生適應(yīng)性變化。產(chǎn)甲烷微生物(methanogens)在“the Progress in Industrial Microbiology”[Vol.16，PP.233～237(1982)]上＃曾給予詳細(xì)報(bào)道，W.E.Balch，G.E.Fox等報(bào)道了它們的形態(tài)及物理性質(zhì)[Microbial Rev.Vol.43，260～296(1979)];其代謝作用在“the Handbook on Anaerobic Fermentations”一書中也報(bào)道過[pp.537～545(1988)，Eds.Larry E.Erickson and Daniel Yee-Chak Fung.Marcel Dekker.Inc.New York，Basel]。
由產(chǎn)乙酰微生物生成的乙酸鹽、氫氣和二氧化碳連續(xù)地被甲烷微生物所還原，該反應(yīng)保證了產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物的微生物種群的存活[Anaerob DigestionProceedings of the First Intern.Symposion on Anaerob Digestion.Eds.D.A.Stafford，B.I.Wheatley，D.E.Hughes pp 15-20 Pergamon Press，Cardiff，Wales(1979)]。采用混合產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物的微生物種群是選擇用來處理含中等長度的脂肪酸，其它有機(jī)酸、醇和有機(jī)胺的污水的方法[Handbook on Anaerob Fermentations，PP.597-600(1982).Eds.Larry E.Erickson，Daniel Yee-Chak Fung.Marcell Dekker，Inc.New York，Basel]。
培植在取自城市污水處理廠的次級(jí)厭氧消化裝置的剛剛消化的淤渣上的接種物，主要用于生產(chǎn)B12輔酶。
刺激是生物學(xué)中用途廣泛使用的一種工具。刺激是施加于活的組織上的一種外影響力從而使組織產(chǎn)生不同的響應(yīng)。機(jī)械、熱、光、各種化學(xué)作用以及電流和放射性輻射都代表了刺激的某種類型。人工刺激細(xì)胞通常是這樣來進(jìn)行的，通過改變電脈沖的振幅和周期，可以容易地調(diào)節(jié)用作刺激能的電脈沖。由于可精確調(diào)諧振電壓的特性，用電流刺激也是科學(xué)研究中首選的刺激法[F.Brunó StraubBiological Lexikon，Vol.2.PP.280-281.Akadémiai Kiadó，Budapest，Hungary(1978)]。
按照美國專利說明No.4，822，470，將經(jīng)過連續(xù)電場(由100～800v/cm交流電所產(chǎn)生)預(yù)處理過的細(xì)胞放入高頻振蕩高強(qiáng)電場(5～20kv/cm和50KHz～500MHz)中，則細(xì)胞膜的滲透性增強(qiáng)，暫時(shí)會(huì)在細(xì)胞膜上形成大大小小的孔隙，這甚至?xí)T發(fā)細(xì)胞融合。
該方法可高產(chǎn)率地用于將生物活性化合物-DNA.RNA.蛋白質(zhì)、抗體、激素、酶、生長素等引進(jìn)各種動(dòng)物、人體、植物和細(xì)菌細(xì)胞中，也可用于它們的細(xì)胞間交換以及通過細(xì)胞融合產(chǎn)生具有新的生物性質(zhì)的雜交細(xì)胞。
東德專利說明書No.248，140(Wirtschafts patent;economic patent)描述了在置于直流電場中的發(fā)酵裝置中進(jìn)行的厭氧無菌發(fā)酵過程。發(fā)酵液(環(huán)繞以兩個(gè)Helmholtz線圈)被電刺激5毫秒，再停歇頓62毫秒，用這種辦法，該抗菌發(fā)酵的產(chǎn)率提高了約10%。并且該法還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即無需將電極浸入發(fā)酵液中。
大約30年前人們就已知道，B12輔酶是從淤渣中存在的營養(yǎng)素和微生物由發(fā)酵法而制得的，如果需要的話，可補(bǔ)充各種其它營養(yǎng)素。該工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是在非無菌條件下進(jìn)行發(fā)酵;但其缺點(diǎn)是不得不將大量的淤渣從污水處理廠運(yùn)到發(fā)酵裝置所在地，淤渣的組成和細(xì)菌種群都是可變的，也還存在著長出“野生菌株”的機(jī)會(huì)(這會(huì)抑制穩(wěn)定細(xì)菌種群的發(fā)展)。
匈牙利專利說明書No.153，740描述了厭氧、非無菌制備B12輔酶的新方法。其中，污水淤渣單次地加在含必需養(yǎng)分的培養(yǎng)媒介質(zhì)中，經(jīng)過至少五次接種后，生成了自身足以起接種物作用的一種混合微生物種群，生成的B12輔酶濃度約為6～6.2mg/l的發(fā)酵液。然而，這種“無淤渣”過程要求至少5次接種，也就是說，淤渣中的微生物適應(yīng)B12輔酶生成的適應(yīng)性變化進(jìn)行得相當(dāng)緩慢，B12輔酶產(chǎn)量低，還需要多種養(yǎng)分，也就是說，該法操作成本太高。
還有幾種制備B12輔酶和改進(jìn)其產(chǎn)率的方法也是大家所熟知的(美國專利說明書Nos.3，954，971和3，979，259)，這些方法都致力于強(qiáng)化上述的“無淤渣”操作法。
匈牙利專利說明書No.167，658是描述嗜溫混合甲烷發(fā)生微生物種群的最早的文獻(xiàn)，該種群含棒狀桿菌sp.24A1，棒狀桿菌sp.62B9，乳酸桿菌sp.244B/Cl和丙酸菌sp.239A1/6，該文獻(xiàn)存于“National Institute of Hygiene”Budapest，Hungary(OKI)，文獻(xiàn)編號(hào)分別是00076，00077，00078和00079。
然而，這種厭氧的、嗜溫的、混合的甲烷發(fā)生微生物種群僅能夠緩慢地適應(yīng)含有不是通常養(yǎng)分的媒介，需要6～7次接種，每一接種循環(huán)需要約7天才能完成，亦即，欲獲取適于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的上述新混合微生物種群，約需40～50天，而這是費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的。
在美國專利說明書No.4，752，584所描述的方法中(匈牙利專利說明書No.188，954，匈牙利優(yōu)先權(quán)日1983.9.16.)發(fā)明家們又回到原來的淤渣上來，讓淤渣中存在的微生物種群直接適應(yīng)新養(yǎng)分媒介，這樣就生成了新的、厭氧的、嗜溫的、混合的甲烷發(fā)生微生物種群，而已生成的厭氧的、嗜溫的、混合的甲烷發(fā)生微生物種群不適應(yīng)一個(gè)新的養(yǎng)分媒介。
然而，在特殊的媒介上，所列的任何一種接種物完全適合B12-輔酶的制備。
厭氧污水處理法中所用技術(shù)數(shù)據(jù)的說明化學(xué)耗氧量(COD)負(fù)荷量綱CODg(kg)/l(m3)發(fā)酵裝置/小時(shí)(天)/COD(g，kg)輸入量與消化裝置(或發(fā)酵裝置)的工作容積(1，m3)的比值對(duì)時(shí)間(小時(shí)，天)的函數(shù)。
工作容積為媒介所充滿的消化裝置(或發(fā)酵裝置)的容積。
液壓載荷量綱污水流入液l(m3)/l(m3)發(fā)酵裝置/天[流入污水容積與消化裝置(或發(fā)酵裝置)的工作容積的比值對(duì)時(shí)間的函數(shù)]。
設(shè)備容量量綱轉(zhuǎn)化的CODg(kg)/l(m3)發(fā)酵裝置/天[轉(zhuǎn)化成沼氣量與消化裝置(或發(fā)酵裝置)的工作容積之比對(duì)時(shí)間的函數(shù)]。COD轉(zhuǎn)化率(%)流出污水的COD(g/l)乘以單位時(shí)間的流出物體積(l)再除以污水流入COD(g/l)和單位時(shí)間流入物體積的乘積%＝ (污水流出量(l)×流出物COD(g/l))/(污水流入量(l)×COD輸入量(g/l)) ×100液壓保持時(shí)間(HRT)量綱小時(shí)或天在消化裝置(或發(fā)酵裝置)中污水停留時(shí)間。
HRT值是稀釋比率(D)的倒數(shù)。
稀釋比率(D)在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)消化裝置(發(fā)酵裝置)的工作容積的污水的體積與發(fā)酵裝置工作容積的比值D＝ (污水流量(l/天))/(發(fā)酵裝置的工作容積(l))量綱h-1或天-1產(chǎn)甲烷微生物的活度由1g于生物量在消化裝置(或發(fā)酵裝置)內(nèi)1天中所產(chǎn)生的甲烷(ml).量綱l沼氣/l發(fā)酵裝置/天沼氣產(chǎn)率單位時(shí)間內(nèi)在1單位消化裝置(或發(fā)酵裝置)的工作容積中所產(chǎn)生的沼氣的體積。
量綱l沼氣/l發(fā)酵裝置/天本發(fā)明的目的是，更新通常的制取沼氣的厭氧污水處理方法和厭氧、非無菌發(fā)酵制取B12輔酶工藝，和將B12發(fā)酵的甲醇組分轉(zhuǎn)化成燃料-甲烷，此外，顯著的提高污水處理方法及B12輔酶生產(chǎn)的速率和產(chǎn)量。
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)1.)將厭氧的、已消化的淤渣(例如按照匈牙利專利申請(qǐng)書No.9203241生產(chǎn)的)用電刺激激活后，加入取自不同污染源的污水中，在比以前短得多的時(shí)間內(nèi)，即形成了高產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物活性的混合微生物種群，因之顯著加快了有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣的速率，或2.)對(duì)厭氧、嗜溫甲烷發(fā)酵和制備B12輔酶發(fā)酵施加電刺激，甲醇分解活性增強(qiáng)，導(dǎo)致B12輔酶產(chǎn)量增加，和，3.)上述兩種方法均可在任何種類的反應(yīng)器中進(jìn)行。
基于電刺激對(duì)不同種類的微生物種群產(chǎn)生同樣的不可預(yù)測(cè)的正效應(yīng)這一事實(shí)，發(fā)酵媒介(液)的電刺激可用于強(qiáng)化不同種類的發(fā)酵過程，應(yīng)是不言而喻的。
按照本發(fā)明的具體操作法，如果用一定振幅和頻率范圍的直流低頻的方波脈沖進(jìn)行刺激，而且是短期刺激-在數(shù)小時(shí)內(nèi)循環(huán)地間歇，則在產(chǎn)甲烷微生物過程中可記錄下述變化a.)培養(yǎng)物的特征產(chǎn)甲烷微生物活性(CH4ml/l×液/天)增加50～80%而發(fā)酵媒介中的溶解有機(jī)物減少;
b.)在幾天的刺激期中，所調(diào)查的樣品中形成了顆粒直徑為0.5～1.5mm的微生物聚集體，而該聚集體的特征產(chǎn)甲烷微生物活性是原來的4～5倍，c.)甚至在中斷刺激70～80天后，增加的產(chǎn)甲烷微生物活性仍保持穩(wěn)定，沒有檢測(cè)到顯著的降低。
基于我們的經(jīng)驗(yàn)，通過將厭氧消化的淤渣進(jìn)行電刺激，提出了用于制備一種活性接種物的方法，該方法適合食品工業(yè)的各種污水類型，適合將厭氧污水處理法的容量提高40～60%。如果需要，可在適應(yīng)性變化或污水處理過程中或在發(fā)酵的平穩(wěn)(stationer)(產(chǎn)生)階段，周期性地重復(fù)電刺激。
本發(fā)明涉及強(qiáng)化發(fā)酵的一種方法，該方法包括在發(fā)酵過程中的任一步驟中對(duì)發(fā)酵媒介施加電刺激，亦即在接種物制備階段和/或在適應(yīng)性變化階段，和/或在發(fā)酵的平穩(wěn)產(chǎn)生階段。
本發(fā)明可非常有利地應(yīng)用于厭氧的、嗜溫的、產(chǎn)生甲烷的發(fā)酵過程。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案一個(gè)厭氧的、嗜溫的、產(chǎn)生甲烷的發(fā)酵過程，通過產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物的微生物種群，該發(fā)酵過程最好用于改善在腐爛情況下的污水處理，包括a)將從城市污水處理廠的最終消化器中新鮮獲得的污渣裝入帶有兩根電極的密閉不透氣的發(fā)酵裝置(最好用循環(huán)電刺激對(duì)該淤渣進(jìn)行預(yù)處理)中，在中溫溫度范圍內(nèi)保持上行循環(huán)流動(dòng)1～4天(使混合微生物種群適應(yīng)新環(huán)境，亦即適應(yīng)這一步驟的新設(shè)備)，然后b)每天向所形成接種物上加入至少等體積的0.1～3.5gCOD/l污水，開始循環(huán)電刺激、系統(tǒng)保持強(qiáng)上行流動(dòng)方式，將形成的沼氣輸入貯氣罐并收集與污水流入液體積相等的流出液，然后c)待處理的污水的COD負(fù)荷逐漸增加到濃度為3～40gCOD/l，同時(shí)在5～30天內(nèi)保持循環(huán)電刺激，在此期間，生成了已適應(yīng)該特定污水的高產(chǎn)甲烷微生物活性的生物物質(zhì)，然后停止電刺激，如果需要的話可繼續(xù)進(jìn)行污水處理。
d)處理過的污水被棄去或進(jìn)一步純化，生成的沼氣輸入貯氣罐中備用，或，本發(fā)明還涉及一種厭氧、嗜溫、產(chǎn)甲烷發(fā)酵方法，該方法特別適合應(yīng)用于腐爛條件下改進(jìn)B12輔酶的生產(chǎn)，涉及在已知營養(yǎng)素的一種媒體中使用一種產(chǎn)甲烷微生物的微生物種群(包括對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行循環(huán)電刺激)。
本發(fā)明還涉及，通過將厭氧消化的淤渣進(jìn)行循環(huán)電刺激，制備含一種厭氧的、嗜溫的、主要是產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物的混合微生物種群的一種新及種物的方法。該方法的優(yōu)選實(shí)施方案包括下述步驟a)向一個(gè)間歇式發(fā)酵裝置中加入25～35%(v/v)的一種接種物和65～75%(v/v)的1～4gCOD/l污水(以工作體積計(jì)算)，將該體系攪拌均勻，pH值調(diào)到6.5～7.5，然后b)在厭氧條件下于中溫溫度范圍內(nèi)進(jìn)行間歇式發(fā)酵5～10天(最好是6～8天)，然后，c)5～10天(最好是6～8天)后，接著攪勻，移出65～75%(v/v)的發(fā)酵液，加入等體積的、濃度為1～4gCOD/l的污水，再按a2.)段中說明的操作步驟重復(fù)間歇式發(fā)酵，d)在類似條件下再進(jìn)行間歇式發(fā)酵5～12天(最好是6～10天)，但對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行電刺激，e)收集所得到的經(jīng)電刺激的接種物。
用直流方波脈沖產(chǎn)生電刺激，該脈沖的振幅為30～250v，頻率為5～50Hz，脈沖間的間歇時(shí)間為5～50秒。
由于可以通過改變其參數(shù)(振幅、脈沖寬度)容易地改變刺激能量，因此通常用電脈沖對(duì)細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和肌肉進(jìn)行人工刺激[F.Brunó StraubBiological Lexikon，Vol.2.pp.280-282(1978)，Akadémiai Kiadó，Budapest，Hungary]。
激發(fā)性和脈沖傳導(dǎo)性是所有活細(xì)胞的特性。在所有細(xì)胞中，刺激過程的起始和發(fā)展與細(xì)胞膜的電性質(zhì)的變化性相關(guān)[H.SchaeferElektrobiologie des Stoffwechsels.Handbuch d.allgem.Pathologie，Band 4，Teil Ⅱ.Berlin-Gōttingen-Heidelberg，Springer(1957)]。
電荷被細(xì)胞膜的內(nèi)外表面分離，這樣在靜止時(shí)就形成了一個(gè)電位差，該細(xì)胞膜處于極化狀態(tài)[A.L.Hodgkin.，B.KatzJ.Physiol 108，37(1949)]。
受到電刺激時(shí)極化狀態(tài)被去極化，形成一個(gè)作用電勢(shì)。靜止時(shí)，細(xì)胞膜外表面和內(nèi)表面間的電位差達(dá)到-90mv;而受到電刺激時(shí)，不僅這一電勢(shì)差被抵消，還產(chǎn)生+50mv的反極化強(qiáng)度[P.BálintPhysiology.PP.38，39，59，67，Medicina Press.Budapest，Hungary(1963)]。
作用電勢(shì)過程為了產(chǎn)生一個(gè)作用電勢(shì)，刺激必須達(dá)到一個(gè)特定臨界值，在選定實(shí)驗(yàn)條件下所產(chǎn)生刺激的振幅保持穩(wěn)定。
僅在間隔較長時(shí)間后，不能產(chǎn)生亞最小臨界值的作用電勢(shì)，即使用超最大刺激也不能誘導(dǎo)響應(yīng)。為了恢復(fù)其起始激發(fā)性，在兩次刺激之間必須有一個(gè)時(shí)間間隔，這就是間歇時(shí)間兩次刺激之間的時(shí)間間隔[J.W.Woodbury，H.D.PattonMedical Physiology andBiophysics(1960)，Eds.T.C.Ruch，J.F.Fulton，18th Ed.Saunders，Philadelphia-London]。
電流通過時(shí)檢測(cè)不到任何刺激或作用電勢(shì)。只是電路接通及關(guān)閉時(shí)所引起的刺激能的變化才看作刺激。僅在刺激后才出現(xiàn)作用電勢(shì)(刺激的結(jié)果)[P.BálintPhysiology，P.64(1963)，Medicina Press，Budapest，Hungary]。
一種刺激的出現(xiàn)和消失的增加速率和減少速率至關(guān)重要，這就是為什么推薦使用方波脈沖的原因，因極陡的信號(hào)波形其刺激增加速率是最高的。
脈沖技術(shù)定義如下[K.TarnayElectrone tube connections.2nd Ed.Technical Press，Budapest，Hungary(1962)]脈沖 單電壓沖擊，單電能沖擊脈沖波形 電壓-時(shí)間關(guān)系曲線脈沖振幅 電壓值(v)重復(fù)時(shí)間 兩次脈沖之間的時(shí)間重復(fù)頻率 單位時(shí)間的刺激次數(shù)脈沖寬度 電壓處于大于零的穩(wěn)壓值時(shí)的時(shí)間填充因子 脈沖寬度與重復(fù)時(shí)間之比間歇時(shí)間 兩次刺激之間間歇的時(shí)間間隔刺激時(shí)間 對(duì)培養(yǎng)物的刺激時(shí)間。
本發(fā)明方法中所使用的電刺激的技術(shù)參數(shù)說明方波脈沖;振幅30～250v，最好80～100v;頻率5～50Hz，最好20～30Hz;間歇時(shí)間5～50秒，最好10～20秒;刺激時(shí)間4～12小時(shí)/天，最好是5～8小時(shí)/天。
按本發(fā)明的實(shí)施方案，通過從任一城市污水處理廠的消化裝置中移去新鮮消化的淤渣來制備接種物。這些消化裝置通常有幾千米3的容積，對(duì)工業(yè)規(guī)模的接種物制備而言，需要約1～2米3的淤渣;而對(duì)于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)幾升就足夠了。該新鮮消化的淤渣輸入一個(gè)配備有攪拌器和加熱夾套的發(fā)酵裝置中。在實(shí)驗(yàn)室里，如果已有了用于將已消化淤渣混勻的機(jī)械攪拌，用帶有密封蓋的一個(gè)容器就可以了。
按本發(fā)明該實(shí)施方案，微生物繁殖所要求的中溫溫度范圍非常重要，此溫度范圍應(yīng)是25～40℃，最好是30～38℃。可用任何已知的方法實(shí)現(xiàn)該特定溫度范圍，例如讓所需溫度的水或任何其它液體在發(fā)酵裝置的夾套中循環(huán)。在大發(fā)酵裝置中無需加熱夾套，這是由于發(fā)酵是一放熱過程的緣故。在實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)酵裝置可放在有空調(diào)的房間內(nèi)或恒溫箱內(nèi)。
工業(yè)或?qū)嶒?yàn)室用發(fā)酵裝置與一個(gè)貯氣罐相連，以確保厭氧條件并收集生成的沼氣進(jìn)一步利用。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，測(cè)定沼氣的體積對(duì)評(píng)價(jià)該實(shí)驗(yàn)是很重要的，這是由于沼氣產(chǎn)率(ml沼氣/l發(fā)酵母液)是發(fā)酵過程的主要參數(shù)之一。
在2～10天(最好是4～7天)中讓剛剛消化的淤渣適應(yīng)新條件，這是由于活的體系(個(gè)種微生物的混合)不得不適應(yīng)新的環(huán)境。也可以通過每天移出5～10%(v/v)的污水淤渣補(bǔ)入等體積的已消化的淤渣或懦種易純化的污水的辦法，使其起適應(yīng)性變化。
幾天內(nèi)新的平衡就穩(wěn)定了，然后終止適應(yīng)性變化，開始用一刺激源對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行電刺激。刺激持續(xù)時(shí)間每天4～10h(最好6-8h)，持續(xù)5～12天(最好是6～10天)。最后得到含有厭氧的，嗜溫的、主要是產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物的混合微生物種群的新接種物，該接種物用于處理來自各種污染源的污水。
向受到上述電刺激的接種物(在非無菌條件下，最好每天都進(jìn)行電刺激)中加入濃度為0.1～3.5gCOD/l(如果必要可稀釋)的等體積的污水，能改進(jìn)污水處理效果。按照該方法的另一種操作法，不使用經(jīng)電刺激的接種物，而是將濃度為0.1～3.5gCOD/l(如果必要可稀釋)污水直接加到城市污水處理廠的剛剛消化的污水淤渣中。即使在這種情況下，最好還是讓淤渣適應(yīng)環(huán)境幾天。加到接種物上的污水量和最終稀釋倍數(shù)取決于污水的來源和質(zhì)量。待處理污水的濃度經(jīng)常高于0.1～3.5gCOD/l，最好稀釋，因?yàn)檫@樣一來，該接種物的厭氧的、嗜溫的、主要是產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物種群可更快地適應(yīng)各自的污水?？梢杂盟♂?，但污水處理廠的流出液是更好的稀釋劑，因?yàn)?，正如我們?cè)陉P(guān)于污水純化的專利說明書中“實(shí)施例3”所描述的，流入污水的COD濃度是30g/l，經(jīng)轉(zhuǎn)化率為92%的轉(zhuǎn)化后，流出物的COD濃度仍達(dá)2.4g/l(這需要進(jìn)一步純化)。在我們的“實(shí)施例4”中，乳品廠的污水不需要稀釋，因?yàn)?，與“實(shí)施例3”不同，其COD濃度在0.1～3.5gCOD/l范圍內(nèi)，此外，其所含雜質(zhì)可容易地轉(zhuǎn)化成沼氣。適應(yīng)性變化的持續(xù)時(shí)間以及稀釋比率及是否需要稀釋總是由待純化的污水的質(zhì)量所決定的，然而，這不需要超出本發(fā)明及該領(lǐng)域中人所共知的知識(shí)以外的專門知識(shí)。
用方波電流脈沖對(duì)厭氧的、嗜溫的、產(chǎn)生甲烷的工藝過程進(jìn)行循環(huán)(有規(guī)律地周期性地繼續(xù))刺激，是本發(fā)明的一個(gè)主要特點(diǎn)。在污水處理過程的兩步驟中進(jìn)行刺激;或者，如果接種物的產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物(主要是產(chǎn)甲烷微生物)的微生物種群已適應(yīng)最終稀釋至濃度為0.1～3.5gCOD/l的污水，則可在第一個(gè)步驟進(jìn)行刺激。當(dāng)污水的COD濃度開始增加時(shí)，第二次進(jìn)行循環(huán)刺激(持續(xù)1～20天，取決于污水來源及組成)。自然地，當(dāng)污水不需要稀釋時(shí)，也就不需要第二個(gè)刺激循環(huán)。第二次刺激循環(huán)時(shí)間通常是5～40天，與此同時(shí)，形成了由粒徑為1～5mm的顆粒狀的高產(chǎn)甲烷微生物活性的厭氧嗜溫混合微生物種群所組成的顆粒床。
按本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，形成的不是課顆粒而是具有高產(chǎn)甲烷微生物活性的固定在載體上的一種生物膜。載體可使用各種沸石，最好用AkvarosorbR。
按第二種方法，向10～50%(v/v)，最好是25～35%(v/v)的接種物(如果需要，可電刺激預(yù)處理)中加入污水(濃度為1～4gCOD/l)使其達(dá)到100%(v/v)，將該體系攪拌均勻，然后將pH值調(diào)至6.5～7.5。含接種物和污水的系統(tǒng)在厭氧條件下于中溫溫度范圍培養(yǎng)5～10天(最好6～8天)，然后移去50～80%(v/v)[最好是65～70%(v/v)]的發(fā)酵母液，用等體積的相同COD濃度的污水補(bǔ)充進(jìn)去，以后按上述繼續(xù)發(fā)酵同樣長時(shí)間。結(jié)束第二次發(fā)酵后，向發(fā)酵母液中加入0.1～3.0%(w/v)的載體(顆粒大小0.2～0.3mm)[通常某種沸石形礦物作載體，其中之一，AkvarosorbR(National Ore and Mineral Mines，Hegyalja，Mád，Hungary)證明是可優(yōu)選的載體]，將整個(gè)系統(tǒng)攪拌幾天(1～4天)。結(jié)束攪拌后，讓懸浮液澄清，潷出上層清液(通常占總體積的80～90%(v/v)，取決于系統(tǒng)中所加的載體量)。固定在載體上的、保留下來的生物物體輸入一個(gè)發(fā)酵裝置(本發(fā)明確方法的第一種操作法中描述過)，在那里再保持劇烈上行循環(huán)幾天，其后按以前的方法進(jìn)行純化。
在整個(gè)操作過程中精確地調(diào)pH值非常重要。一般在pH范圍6～8(最好是6.8～7.5)進(jìn)行操作。
以下實(shí)施例說明了本發(fā)明的應(yīng)用范圍，但本發(fā)明的應(yīng)用范圍并不區(qū)限在這些范圍內(nèi)。
實(shí)施例1制備接種物和增加厭氧的已消化淤渣的消化活性在1500ml配有用保溫材料制作的密封蓋的玻璃缸發(fā)酵裝置中進(jìn)行操作。兩根不銹鋼電極(直徑2mm)，彼此間隔85mm，穿過上蓋垂直插入發(fā)酵缸內(nèi)。應(yīng)選擇電極長度使其能夠浸入淤渣內(nèi)130mm。
a.)將1000ml取自城市污水處理廠的2000米3消化裝置中的新鮮已消化的淤渣倒入玻璃發(fā)酵缸中(發(fā)酵缸密閉，連接一貯氣罐并放入一間溫度為33～35℃有空調(diào)的房間)。淤渣每天攪拌一次(5分鐘)，然后移出100ml淤渣，補(bǔ)充100ml已消化污水淤渣，然后再攪拌5分鐘。這樣半連續(xù)(每天移出和加入)消化持續(xù)7天以達(dá)到新的平衡，每天重復(fù)這種操作(移出-加入)。
b.)在上述所描述的移出-加入循環(huán)后的第8天，用一個(gè)發(fā)生器讓該系統(tǒng)每天8小時(shí)接受電刺激。
電刺激參數(shù)類別 方波脈沖振幅 80v頻率 20Hz間歇時(shí)間 15秒每天刺激持續(xù)時(shí)間 8小時(shí)接著16小時(shí)間歇表1，列出了先是7天無刺激消化然后連續(xù)10天在電刺激下化的試驗(yàn)結(jié)果。
表1無電 電 差率刺激 刺激 %消化的淤渣:
溶解COD(g/l) 2.8 1.6 -28.6生物氣體(biogas)生成(ml/l) 435 762 +75.2生物氣體組成%(v/v):
CH462 70 +12.9CO238 30 -21.1產(chǎn)生的CH4(ml/l) 269.7 533.4 +97.7
表中的數(shù)據(jù)說明在電刺激下a.)淤渣中的溶解COD顯著將低(-28.5%)，b.)生物氣體生成量(這是產(chǎn)甲烷微生物活性的一個(gè)典型特征)。大大增加(+75.2%)，c.)甲烷產(chǎn)量與無刺激樣品比較幾乎增加了一倍(這增加了生物氣體的熱值，而熱值是判斷該工藝是否可用的關(guān)鍵，最后，d.)生物氣體中惰性物含量(CO2)顯著降低。
實(shí)施例2連續(xù)污水處理(城市的)a.)在帶有兩個(gè)豎直不銹鋼電極(直徑2mm)的2000ml的玻璃缸發(fā)酵裝置中進(jìn)行操作。
將1500ml取自城市污水處理廠的厭氧消化裝置中的剛消化的淤渣輸入發(fā)酵裝置中(該裝置放在33-36℃的空調(diào)房間)，并以上行流動(dòng)方式連續(xù)循環(huán)2天(用一個(gè)泵)。
b.)第三天，停止已消化淤渣的循環(huán)，開始連續(xù)通入污水;將1500ml/天的城市污水(0.5g/l的COD)從底部導(dǎo)入發(fā)酵裝置，造一個(gè)容器中收集等量的流出液。與此同時(shí)將電極引出線與發(fā)生器相連，開始電刺激。
電刺激參數(shù)類別 方波脈沖振幅 80v頻率 20Hz間歇時(shí)間 10秒每天刺激持續(xù)時(shí)間 12小時(shí)，接著12小時(shí)間歇據(jù)此，通過12小時(shí)的上述電刺激處理，該混合產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物的微生物種群和連續(xù)輸入污水的COD濃度逐漸增加到14.0g/l，調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)使之適應(yīng)從高有機(jī)物含量(COD)向甲烷的轉(zhuǎn)化。電刺激連續(xù)進(jìn)行15天。隨著COD載荷和電刺激的逐漸增加，從適應(yīng)的第15～20天起生成微生物聚集體，到適應(yīng)的第30～35天，發(fā)酵裝置中高產(chǎn)甲烷微生物活性的顆粒(直徑2～4mm)的生成結(jié)束。
適應(yīng)的第35天的實(shí)驗(yàn)參數(shù)發(fā)酵裝置內(nèi)污水流入物的COD濃度 14g/l發(fā)酵裝置中污水流出液的COD濃度 0.56g/l生物氣體轉(zhuǎn)化率 96%發(fā)酵裝置單位容積的生物氣體產(chǎn)量 5.81/l發(fā)酵裝置/天生物氣體的甲烷含量 80%表2列出了在相同條件下，使用及不使用實(shí)施例2所述的電刺激時(shí)，用同樣的消化淤渣在同樣的發(fā)酵裝置中進(jìn)行污水處理的技術(shù)參數(shù)。
表2無電 電刺激 差率%刺激適應(yīng)時(shí)間(天) 80 35 -56.25污水流出液COD值(g/l) 1.54 0.56 -63.6COD轉(zhuǎn)化率(%) 89 96 +7產(chǎn)生的生物氣體 5.2 5.8 +11.5(1/1發(fā)酵裝置/天)生物氣體組成:
CH4% 74 80 +6CO2% 26 20 -6上述的數(shù)據(jù)說明，使用電刺激時(shí)a.)適應(yīng)時(shí)間和b.)流出污水的COD濃度顯著降低，而c.)生物氣體產(chǎn)量和d.)生物氣體中能量成份含量(CH4)增加。
實(shí)施例3含揮發(fā)性脂肪酸的工業(yè)污水處理a.)將3升按照實(shí)施例1，b.)所述程序進(jìn)行電刺激的消化淤渣移入工作容積10升的發(fā)酵裝置中，然后加入7升含低級(jí)烷基(C2～C5)脂肪酸的污水(1.5g/l的COD)，攪拌混合物，用氫氧化鈉溶液將pH值調(diào)到6.8～7.2。將發(fā)酵裝置密閉，放入33～35℃的有空調(diào)的房間，在厭氧條件下間歇發(fā)酵7天。
在間歇發(fā)酵接種進(jìn)行的第7天，在劇烈攪拌后，放出7升的發(fā)酵母液并棄去，向發(fā)酵裝置中剩余下來的3升接種物中，加入7升新的污水(1.5g/l的COD)，用氫氧化鈉溶液將pH值調(diào)到6.8～7.2，關(guān)上發(fā)酵裝置，再厭氧間歇發(fā)酵7天。
接種后的第6～8天，加入50g“AkvarosorbR”載體粉末(顆粒大小0.2～0.3mm)(National Ore and Mineral Mines，Hegyalja，Mád，Hungary)，將混合物緩慢攪拌48小時(shí)，然后輕輕倒出8.5升的清澈的上層清液并棄去。
b.)將固定在1500ml載體上的殘余生物物質(zhì)轉(zhuǎn)入玻璃發(fā)酵缸中并以上形流動(dòng)方式循環(huán)2天。
第三天停止循環(huán)，按實(shí)施例2.b)段所述的方法繼續(xù)進(jìn)行操作，但用含1.5g/l的COD和1.2g/l的揮發(fā)性脂肪酸的污水來開始適應(yīng)(污水連續(xù)地通過固定在載體上的生物物質(zhì)。
使用的電刺激參數(shù)類別 方波脈沖振幅 100v頻率 40Hz間歇時(shí)間 30秒每天持續(xù)刺激時(shí)間 8小時(shí)，接著16小時(shí)間歇此后，含脂肪酸污水的COD濃度連續(xù)地、逐漸地增至30g/l，每天8小時(shí)進(jìn)行電刺激使整個(gè)系統(tǒng)適應(yīng)以加速高含量有機(jī)物(COD，揮發(fā)性脂肪酸)轉(zhuǎn)變成甲烷。在適應(yīng)的頭10天中使用電刺激。
從適應(yīng)的第20天起，將COD濃度為30g/l的污水源源不斷地輸入發(fā)酵裝置中。
污水處理過程平衡的參數(shù)如下發(fā)酵裝置中流入污水的COD濃度 30g/l發(fā)酵裝置中污水流出液的COD濃度 2.4g/l生物氣體轉(zhuǎn)化率 92%單位發(fā)酵裝置容積的生物氣體產(chǎn)量 7.51/l發(fā)酵裝置/天生物氣體中的甲烷含量 78%如果在相同條件下在同樣的發(fā)酵裝置中進(jìn)行污水處理而不使用電刺激，則至多只能處理18gCOD/l的污水(轉(zhuǎn)化率85%，適應(yīng)時(shí)間為50天)。
結(jié)果列于表3中。
表3無電 電 差率刺激 刺激 %適應(yīng)時(shí)間/天 50 20 -60流入污水的COD值(g/l) 18 30 +66.6流出污水的COD值(g/l) 2.7 2.4 -11COD轉(zhuǎn)化率(%) 85 92 +7生物氣體產(chǎn)量 4.3 7.5 +74(1/1發(fā)酵裝置/天)生物氣體組成:
CH4% 71 78 +7CO2% 29 22 -7實(shí)施例4乳品廠污水處理a.)用實(shí)施例3、a.)段中所述的操作步驟，但將7升乳品廠污水(3gCOD/l)加到3升已電刺激過的接種物上。然后按照實(shí)施例3、a.)段和b，)段進(jìn)行接種，間歇發(fā)酵，與載體混合(AkvarosorbR)和進(jìn)行循環(huán)。
結(jié)束循環(huán)后，再按實(shí)施例3、b.)段所述的操作步驟繼續(xù)操作，但在進(jìn)行適應(yīng)時(shí)，連續(xù)8天用連續(xù)輸入的乳品廠污水(3g/l的COD)和以下參數(shù)的電刺激處理類別 方波脈沖振幅 80v頻率 20Hz間歇時(shí)間 15秒每天持續(xù)刺激時(shí)間 5小時(shí)，接著19小時(shí)間歇適應(yīng)后第12天的平衡參數(shù)發(fā)酵裝置中污水流入物的COD濃度 3g/l發(fā)酵裝置中污水流出物的COD濃度 0.09g/l生物氣體轉(zhuǎn)化率 97%單位發(fā)酵裝置容積的生物 1.31/l氣體產(chǎn)量 發(fā)酵裝置/天生物氣體的甲烷含量 75%實(shí)施例5改進(jìn)發(fā)酵液中B12輔酶產(chǎn)量方法在帶有保溫材料制作的密封蓋的一個(gè)2500ml玻璃發(fā)酵缸中進(jìn)行操作，間距為100mm的兩根不銹鋼電極(直徑3mm)垂直伸入發(fā)酵缸中，注意電極應(yīng)浸入發(fā)酵液液面以下170mm.
a.)將取自在玻璃發(fā)酵缸中按匈牙利專利說明書No.188，955(等效于美國專利說明書No.4，659，661)中的方法半連續(xù)發(fā)酵的、B12輔酶生產(chǎn)過程的母液2000ml，按實(shí)施例1，b.)段所述的操作步驟，半自動(dòng)發(fā)酵5天。按照匈牙利專利說明書No.188，955，實(shí)施例2，a.)段中第二欄、第六節(jié)中的方法，每天測(cè)定母液活性組分含量(B12輔酶+因子Ⅲ)和甲醇分解率。母液中的活性組分含量達(dá)17.5mgB12輔酶/l發(fā)酵母液，亦即，每天排出10%母液，則活性組分的日產(chǎn)量等于1.75mgB12輔酶/l發(fā)酵母液。這種水平的活性組分產(chǎn)量每天消耗4.8g甲醇/l母液。甲醇分解率為0.2g甲醇/l發(fā)酵母液/小時(shí)。生產(chǎn)1mg/l母液/天的活性組分需要甲醇2.74g/l母液/天。
b.)從操作的第六天起，按前面的方法繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵(移出10%母液)，加入匈牙利專利No.188，955，第六頁第一欄所述的一種介質(zhì)，通過兩個(gè)電極和安裝在發(fā)酵裝置上的發(fā)生器開始對(duì)發(fā)酵進(jìn)行電刺激。
電刺激參數(shù)類別 方?jīng)_脈沖振幅 150v頻率 30Hz間歇時(shí)間 20秒每天持續(xù)刺激時(shí)間 2×5小時(shí)2×7小時(shí)間歇然后完全不變地按匈牙利專利No.188，955、實(shí)施例1，b.)段所述的方法繼續(xù)發(fā)酵并按上述的刺激法重復(fù)進(jìn)行循環(huán)電刺激。在發(fā)酵期為5天的發(fā)酵過程中，甲醇分解率增至0.37g甲醇/l發(fā)酵母液/小時(shí)，亦即，該微生物在13小時(shí)內(nèi)利用了每天所加入的4.8g/l甲醇?；钚猿煞之a(chǎn)量保持不變，即1.75mg/l發(fā)酵母液/天。
c.)再后按(b.段)所述進(jìn)行發(fā)酵和刺激，但要把原日加入甲醇量-4.8g甲醇/l發(fā)酵液/天，與甲醇分解率成正比地增至8.8g甲醇/l發(fā)酵液/天，再繼續(xù)發(fā)酵10天。在此10天發(fā)酵期內(nèi)，發(fā)酵液的活性成分含量增加到32mgB12輔酶/l發(fā)酵液，從而提高了生產(chǎn)能力(生產(chǎn)能力與甲醇利用率的提高成正比)。
發(fā)酵結(jié)果列于表4。
表4無電 電 差率刺激 刺激 %B12輔酶產(chǎn)率(mg/l母液/天) 1.75 3.2 +83甲醇分解率(g甲醇/l母液/小時(shí)) 0.2 0.37 +85甲醇利用比率(g甲醇/mgB12輔酶/天) 2.75 2.75 0
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)化發(fā)酵方法，包括在發(fā)酵過程的任一步驟中對(duì)發(fā)酵介質(zhì)使用電刺激。
2.按照權(quán)利要求1所要求的方法，它包括在接種物制備步驟和/或適應(yīng)步驟和/或在發(fā)酵平穩(wěn)(產(chǎn)生)階段使用電刺激。
3.按照權(quán)利要求1所要求的方法，它包括在發(fā)酵過程的接種物制備步驟中使用電刺激。
4.按照權(quán)利要求1所要求的方法，它包括在發(fā)酵過程適應(yīng)步驟中使用電刺激。
5.按照權(quán)利要求1所要求的方法，它包括在發(fā)酵過程的接種物制備和適應(yīng)步驟中應(yīng)用電刺激。
6.按照權(quán)利要求1所要求的方法，它包括在發(fā)酵過程的接種物制備、適應(yīng)及平穩(wěn)(產(chǎn)生)步驟中應(yīng)用電刺激。
7.按照權(quán)利要求1～6中任一個(gè)所要求的方法，它包括在厭氧的、嗜溫的、產(chǎn)甲烷的發(fā)酵過程中使用電刺激。
8.按照權(quán)利要求1～6中任一個(gè)所要求的方法，它包括在厭氧的、嗜溫的、產(chǎn)甲烷的發(fā)酵過程中使用電刺激，優(yōu)選通過產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物(主要是產(chǎn)甲烷微生物)的微生物種群改進(jìn)在腐爛條件下進(jìn)行的污水處理過程。
9.按照權(quán)利要求3所要求的方法，它包括a.)將25～35%(v/v)的接種物和65～75%(v/v)的1～4gCOD/1的污水(按工作體積計(jì)算)加到間歇式發(fā)酵裝置中，將系統(tǒng)攪勻，并將pH值調(diào)至6.5～7.5，然后b.)在厭氧條件下于中溫溫度范圍內(nèi)進(jìn)行間歇發(fā)酵5～10天(最好是6～8天)，然后，c.)過5～10天(最好6～8天)以后，接著攪勻，移出65～75%(v/v)的發(fā)酵液，加入等量的濃度為1～4gCOD/l的污水，按a2.)段中所述的程序重復(fù)間歇式發(fā)酵，d.)在類似條件下再間歇發(fā)酵5～12天(最好6～10天)，但對(duì)發(fā)酵給予電刺激，e.)收集所得的已電刺激的接種物。
10.按照權(quán)利要求8所要求的方法，它包括a.)向一個(gè)有兩根電極的密封發(fā)酵裝置內(nèi)加入從城市污水處理廠的最終清化裝置中剛獲得的污水(最好用循環(huán)電刺激進(jìn)行預(yù)處理)并且于中溫溫度范圍圍持一個(gè)上行循環(huán)流動(dòng)1～4天，然后b.)每天向形成的接種物中加入至少與其等體積的0.1～3.5gCOD/l的污水，開始循環(huán)電刺激，保持系統(tǒng)的強(qiáng)上行流動(dòng)，將生成的生物氣體輸入貯氣罐中并收集與流入污水等體積的流出液，以后c.)待處理污水的COD負(fù)荷逐漸增至濃度為3～40g COD/l，與此同時(shí)，保持循環(huán)電刺激5～30天，在此期間，高產(chǎn)甲烷微生物活性，適應(yīng)特殊污水的生物物質(zhì)發(fā)展，終止電刺激，如果需要，繼續(xù)電刺激。d.)處理過的污水可排放或進(jìn)一步純化，產(chǎn)生的生物氣體被輸入貯氣罐中并加以利用。
11.按照權(quán)利要求1～10中任一個(gè)所要求的方法，它包括使用一個(gè)30～40℃(最好31～33℃)的中溫溫度范圍。
12.按照權(quán)利要求1～11中任一個(gè)所要求的方法，它包括使用由30～250v，5～50Hz頻率以及間歇時(shí)間為5～50秒的直流方波脈沖所引起的電刺激。
13.按照權(quán)利要求1～12中任一個(gè)所要求的方法，它包括使用由80～150v、頻率為20～40Hz及間歇時(shí)間為10～30秒的直流方波脈沖所引起的電刺激。
14.按照權(quán)利要求1～13中任一個(gè)所要求的方法，它包括使用5～12小時(shí)的循環(huán)電刺激，7～19小時(shí)的間歇。
15.按照權(quán)利要求1～14中任一個(gè)所要求的方法，它包括發(fā)酵過程中采用B12輔酶微生物種群。
16.按照權(quán)利要求15所要求的方法，它包括用振幅為100～220v，頻率為20～50Hz，間歇時(shí)間為10～40秒的直流方波脈沖進(jìn)行電刺激。
17.按照權(quán)利要求15所要求的方法，它包括用振幅為120～180v(最好140～160v)、頻率為25～40Hz，間歇時(shí)間為15～30秒的直流方波脈沖進(jìn)行電刺激。
18.按照權(quán)利要求15～17中任一個(gè)所要求的方法，它包括引起刺激4～6小時(shí)，接著間歇6～8小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及強(qiáng)化發(fā)酵新工藝，特別是在腐爛條件下厭氧、嗜溫、產(chǎn)甲烷微生物發(fā)酵，尤其是適合污水處理、接種物形成或提高含混合的產(chǎn)乙酰微生物-產(chǎn)甲烷微生物或僅含產(chǎn)甲烷微生物的微生物種群的厭氧淤渣的分解能力。本發(fā)明方法主要可用于環(huán)境控制，尤其是污水處理，但也可用于其它領(lǐng)域，如B12輔酶發(fā)酵和最好用混合的厭氧的、嗜溫的、產(chǎn)甲烷的微生物種群在腐爛條件下所進(jìn)行的其它發(fā)酵。在本發(fā)明方法中，系統(tǒng)受循環(huán)電刺激。電刺激方法的生物氣體產(chǎn)量比無刺激方法高約70—80％。
文檔編號(hào)C02F3/28GK1088615SQ9311484
公開日1994年6月29日 申請(qǐng)日期1993年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月15日
發(fā)明者L·澤暮勒, G·儒比, A·澤克利迪, K·D·薩拉, B·D·斯帝科, A·D·森帝瑪, I·D·吉哈特 申請(qǐng)人:格德昂·理查德化學(xué)工廠股份公司