[发明专利]用于由生物质生产氢气的生物反应器方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物反应器方法，具体涉及用于由生物质产生氢气和/或二氧化碳的生物反应器方法，更具体涉及在生物质或由水解纤维素材料(包括半纤维素)得到的可溶性水解产物的厌氧发酵中，采用混合的厌氧细菌聚生体(bacterial consortium)(尤其是混合厌氧嗜热细菌聚生体)生产氢气和/或二氧化碳的生物反应器方法。

定义

包含于本发明的说明书中的如下术语的定义如下：

“HP”氢气生产力(hydrogen productivity)

“HY”氢气产量(hydrogen yield)

背景技术

由于化石燃料(fossil fuel)和石油价格的增长，由生物质(特别是植物生物质)生产氢气和乙醇以及其他的发酵产品正在成为越来越具有吸引力的生产替代燃料的选择。随着化石燃料的耗尽，替代能源将变成工业和学术界研究的关键领域。

尤其是氢气被认为是清洁和可再生能源的载体，显著推动了对着眼于充足、高效、可盈利和“绿色”氢气生产研究的积极性。据认为，氢气作为替代能源载体的确是未来更有希望考虑和开发的替代选择之一。在氢气的生产中使用生物质提供了氢气生产的“绿色”方法，希望将其优化和开发以提供可提供经济和盈利的氢气供应的方法。另外，从有机废物和其他可再生来源中生物生产氢气被认为优于从粮食作物中生产氢气，因为，虽然粮食作物(例如，玉米和小麦)的氢气产量虽然相对地高，但将粮食作物用于生物氢气生产的反应器有使全球粮食短缺加剧的危险。

与本申请具有相同发明人并通过引用完全并入本文的WO2009/034439中描述了用于迅速的筛选、选择和分离形成生物膜、絮状物和颗粒的嗜热细菌或嗜热细菌聚生体的生物反应器系统，所述嗜热细菌或嗜热细菌聚生体由植物生物质产生高水平的氢气，所述植物生物质包括源自纤维素材料水解的可溶性水解产物，尤其是例如仅经过最小预处理的甘蔗废料和废水的纤维素材料，所述预处理例如碾磨(milling)和湿加热。

在氢气生产中应用发酵方法的最新进展指出了在所述方法中使用嗜温菌和嗜热菌的优势。将嗜热菌(包括极端嗜热菌)用于从纤维素和从源自纤维素水解的可溶性水解产物生产生物氢气具有很多优势。也许其主要优势在于高温从生物反应器系统中排除了微生物污染。高温也使氢气产生反应的平衡常数向正向移动，因而增加了氢气产量(HY)。尽管已经发现，在混合的细菌聚生体(包括厌氧纤维素分解菌属)的作用下，纤维素材料的水解和从所述水解产物中生产氢气已变得越来越有利，然而，大多数嗜热菌和极端嗜热菌难以培养和维持纯的培养物。

最近关于生物氢气生产的大批的综述表明生物氢气生产技术中当前的进展现在已经进入了或甚至超越了发展的成熟期(Das 2007；Davila-Vazquez等2007；Hallenbeck 2009；Hallenbeck和Gosh 2009；Hawkes等2007；Liu等2008；Tsyganov 2007；Valdez-Vazquez等2009)。在暗厌氧方法中提高生物氢气生产的生产力(HP)和产量(HY)的尝试现在也似乎达到了收益递减点(Rittmann 2008)。在大多数生物反应器设计和操作条件下，已在葡萄糖至乙酸的厌氧氧化中观察到的最大可能H₂产量通常不超过4mol H₂/mol葡萄糖。在该反应中，24电子当量(e^-eq，electron equivalent)的葡萄糖中，8e^-eq最终变成H₂，而剩余的16e^-eq最终变成乙酸。在暗发酵中，氢气产量(HY)似乎“停留”在4mol H₂/mol葡萄糖(Rittmann 2008)。理论上，如果可降低生物反应器中H₂分压，在无产烷生物(methanogen)的情况下，乙酸可在厌氧条件下进一步氧化产生4个H₂和2个CO₂。是否可设计实用可行的厌氧的单或多阶段生物方法以便使葡萄糖完全氧化成为12个H₂仍然是有趣但又有争议的思路(Hallenbeck 2009；Hallenbeck和Gosh 2009)。在实践中实现在多步骤的过程中，以高速率完全氧化葡萄糖至氢气之前，需要克服难以克服的障碍，这仍然是一般的科学共识(Hallenbeck和Gosh 2009)。