[發明專利]用于由生物質生產氫氣的生物反應器方法

有效

• 申請號: 201080031034.7
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN102459563A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發明（設計）人: 文森特·邁爾斯·格雷
• 申請（專利權）人: 約翰內斯堡威特沃特斯蘭德大學
• 主分類號: C12M1/107
• 分類號: C12M1/107;C12M1/36
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;鄭斌

技術領域

本發明涉及生物反應器方法，具體涉及用于由生物質產生氫氣和/或二氧化碳的生物反應器方法，更具體涉及在生物質或由水解纖維素材料(包括半纖維素)得到的可溶性水解產物的厭氧發酵中，采用混合的厭氧細菌聚生體(bacterial?consortium)(尤其是混合厭氧嗜熱細菌聚生體)生產氫氣和/或二氧化碳的生物反應器方法。

定義

包含于本發明的說明書中的如下術語的定義如下：

“HP”氫氣生產力(hydrogen?productivity)

“HY”氫氣產量(hydrogen?yield)

背景技術

由于化石燃料(fossil?fuel)和石油價格的增長，由生物質(特別是植物生物質)生產氫氣和乙醇以及其他的發酵產品正在成為越來越具有吸引力的生產替代燃料的選擇。隨著化石燃料的耗盡，替代能源將變成工業和學術界研究的關鍵領域。

尤其是氫氣被認為是清潔和可再生能源的載體，顯著推動了對著眼于充足、高效、可盈利和“綠色”氫氣生產研究的積極性。據認為，氫氣作為替代能源載體的確是未來更有希望考慮和開發的替代選擇之一。在氫氣的生產中使用生物質提供了氫氣生產的“綠色”方法，希望將其優化和開發以提供可提供經濟和盈利的氫氣供應的方法。另外，從有機廢物和其他可再生來源中生物生產氫氣被認為優于從糧食作物中生產氫氣，因為，雖然糧食作物(例如，玉米和小麥)的氫氣產量雖然相對地高，但將糧食作物用于生物氫氣生產的反應器有使全球糧食短缺加劇的危險。

與本申請具有相同發明人并通過引用完全并入本文的WO2009/034439中描述了用于迅速的篩選、選擇和分離形成生物膜、絮狀物和顆粒的嗜熱細菌或嗜熱細菌聚生體的生物反應器系統，所述嗜熱細菌或嗜熱細菌聚生體由植物生物質產生高水平的氫氣，所述植物生物質包括源自纖維素材料水解的可溶性水解產物，尤其是例如僅經過最小預處理的甘蔗廢料和廢水的纖維素材料，所述預處理例如碾磨(milling)和濕加熱。

在氫氣生產中應用發酵方法的最新進展指出了在所述方法中使用嗜溫菌和嗜熱菌的優勢。將嗜熱菌(包括極端嗜熱菌)用于從纖維素和從源自纖維素水解的可溶性水解產物生產生物氫氣具有很多優勢。也許其主要優勢在于高溫從生物反應器系統中排除了微生物污染。高溫也使氫氣產生反應的平衡常數向正向移動，因而增加了氫氣產量(HY)。盡管已經發現，在混合的細菌聚生體(包括厭氧纖維素分解菌屬)的作用下，纖維素材料的水解和從所述水解產物中生產氫氣已變得越來越有利，然而，大多數嗜熱菌和極端嗜熱菌難以培養和維持純的培養物。

最近關于生物氫氣生產的大批的綜述表明生物氫氣生產技術中當前的進展現在已經進入了或甚至超越了發展的成熟期(Das?2007；Davila-Vazquez等2007；Hallenbeck?2009；Hallenbeck和Gosh?2009；Hawkes等2007；Liu等2008；Tsyganov?2007；Valdez-Vazquez等2009)。在暗厭氧方法中提高生物氫氣生產的生產力(HP)和產量(HY)的嘗試現在也似乎達到了收益遞減點(Rittmann?2008)。在大多數生物反應器設計和操作條件下，已在葡萄糖至乙酸的厭氧氧化中觀察到的最大可能H₂產量通常不超過4mol?H₂/mol葡萄糖。在該反應中，24電子當量(e^-eq，electron?equivalent)的葡萄糖中，8e^-eq最終變成H₂，而剩余的16e^-eq最終變成乙酸。在暗發酵中，氫氣產量(HY)似乎“停留”在4mol?H₂/mol葡萄糖(Rittmann?2008)。理論上，如果可降低生物反應器中H₂分壓，在無產烷生物(methanogen)的情況下，乙酸可在厭氧條件下進一步氧化產生4個H₂和2個CO₂。是否可設計實用可行的厭氧的單或多階段生物方法以便使葡萄糖完全氧化成為12個H₂仍然是有趣但又有爭議的思路(Hallenbeck?2009；Hallenbeck和Gosh?2009)。在實踐中實現在多步驟的過程中，以高速率完全氧化葡萄糖至氫氣之前，需要克服難以克服的障礙，這仍然是一般的科學共識(Hallenbeck和Gosh?2009)。