專(zhuān)利名稱(chēng)：用于中溫和/或高溫發(fā)酵的生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于由植物生物質(zhì)進(jìn)行高負(fù)荷的制氫，以及用于對(duì)形成生物膜的嗜溫 和/或嗜熱細(xì)菌或細(xì)菌聚生體進(jìn)行快速篩選、選擇和分離的生物反應(yīng)器，所述細(xì)菌或細(xì)菌 聚生體由植物生物質(zhì)或由纖維素材料包括半纖維素的水解產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物產(chǎn)生高水 平的氫。
背景技術(shù)：
在很大程度上，化石燃料和石油產(chǎn)品的不斷提高的價(jià)格使得由植物生物質(zhì)生產(chǎn)氫 和乙醇以及其它發(fā)酵產(chǎn)品成為越來(lái)越有吸引力的替代燃料生產(chǎn)的選項(xiàng)。這些替代燃料的生 產(chǎn)對(duì)于缺乏油和煤的國(guó)家也是重要的。此外，氫被視為清潔的、可再循環(huán)的能量載體。因此，它被視為未來(lái)的主要能源之 一，人們已花費(fèi)大量勞動(dòng)來(lái)開(kāi)發(fā)充分地且有效地提供氫的方法。此外，人們認(rèn)為由有機(jī)廢料 以及其它可再循環(huán)的資源進(jìn)行生物制氫比由糧食作物制氫更優(yōu)選，因?yàn)?，雖然糧食作物如 玉米和小麥的氫產(chǎn)率相對(duì)較高，但是全球糧食短缺可能因?yàn)樵谏镏茪浞磻?yīng)器中使用糧食 作物而加劇。目前，對(duì)于發(fā)明人而言，沒(méi)有已知的用于對(duì)形成生物膜、絮凝物和顆粒(granule) 的嗜熱細(xì)菌或細(xì)菌聚生體進(jìn)行快速篩選、選擇和分離的合適生物反應(yīng)器裝置或方法，該細(xì) 菌或細(xì)菌聚生體由植物生物質(zhì)，包括纖維素材料(特別是僅進(jìn)行了最少的預(yù)處理如碾磨和 濕式加熱的纖維素材料，如甘蔗廢料和廢液)的水解產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物，產(chǎn)生高水平的
Μ,ο嗜熱細(xì)菌，包括極嗜熱細(xì)菌，作為由纖維素和纖維素水解產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物生 產(chǎn)生物氫的媒介具有很多優(yōu)勢(shì)。可能它們的主要優(yōu)勢(shì)在于高溫從生物反應(yīng)器系統(tǒng)中排除了 微生物污染。高溫還將氫氣生成反應(yīng)的平衡常數(shù)向正向移動(dòng)，從而提高了氫產(chǎn)率。然而，大 部分嗜熱細(xì)菌和極嗜熱細(xì)菌難以培養(yǎng)和保持為純培養(yǎng)物，但是已發(fā)現(xiàn)，在包括厭氧性纖維 素水解菌種的細(xì)菌混合聚生體的作用下，纖維素材料的水解和由該水解的產(chǎn)物制氫變得越 來(lái)越有利。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于由植物生物質(zhì)進(jìn)行高負(fù)荷的制氫，以及用于對(duì)形成 生物膜的嗜熱細(xì)菌或細(xì)菌聚生體進(jìn)行快速篩選、選擇和分離的生物反應(yīng)器，所述細(xì)菌或細(xì) 菌聚生體由植物生物質(zhì)或由纖維素材料包括半纖維素的水解產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物產(chǎn)生高 水平的氫。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器包含第一反應(yīng) 器容器和第二反應(yīng)器容器，所述第一反應(yīng)器容器具有朝向其底部的制氫細(xì)菌床層，植物生
5物質(zhì)流入口(inflow)，朝向其操作的上端的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液流出口(outflow)， 以及氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液向床層中的再循環(huán)入口，所述第二反應(yīng)器容器具有來(lái)自第 一反應(yīng)器容器的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液入口，氣體出口和氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液的 再循環(huán)出口，氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液的再循環(huán)出口導(dǎo)向循環(huán)泵，在使用中該循環(huán)泵將 來(lái)自第二反應(yīng)器容器的氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液再循環(huán)到第一反應(yīng)器容器。另外，該床層是流化床，或者沉降床，再或者膨脹床，在流化床的情況下，從第二反 應(yīng)器容器到第一反應(yīng)器容器的再循環(huán)氣體使第一反應(yīng)器容器中的制氫細(xì)菌床層流態(tài)化。另外，該細(xì)菌為嗜溫和/或嗜熱細(xì)菌。另外，再循環(huán)的植物生物質(zhì)廢液被第一反應(yīng)器容器中產(chǎn)生的氫氣飽和。另外，制氫細(xì)菌床層具有至少一個(gè)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)料入口。另外，第一反應(yīng)器容器位于第二反應(yīng)器容器中，第二反應(yīng)器容器具有過(guò)量的未再 循環(huán)植物生物質(zhì)廢液的出口，并且在使用中第二反應(yīng)器容器充當(dāng)從第一反應(yīng)器容器得到的 經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液的澄清器和/或氣體分離器。另外，制氫細(xì)菌是包括厭氧性纖維素水解細(xì)菌的嗜溫細(xì)菌的混合聚生體；構(gòu)成混 合聚生體的細(xì)菌選自包括原生污水、土壤、堆肥和瘤胃糞(rumendung)在內(nèi)的一系列中溫 生境中的一種或多種；并且制氫細(xì)菌適應(yīng)于20°C至80°C，優(yōu)選25°C至75°C范圍內(nèi)的溫度。另外，經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是不可溶的，優(yōu)選僅經(jīng)過(guò)最少的預(yù)處理的纖維素植物 材料，所述預(yù)處理為碾磨和/或濕式加熱，或者經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是纖維素材料的水解 產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物，或者是不可溶纖維素材料與纖維素材料的水解產(chǎn)生的水解產(chǎn)物的混 合物。另外，第一反應(yīng)器容器具有在使用中在其上形成床層的底部，該床層由活性炭顆 粒(particle)覆蓋的顆粒(particulate)材料床層形成，床層的顆粒材料由鋼珠、礫石、玻 璃珠、煤灰顆粒等的一種或多種形成，并且該床層的顆粒材料被嗜熱和/或嗜溫細(xì)菌的混 合聚生體形成的生物膜包覆。本發(fā)明的其它特征在于，第一反應(yīng)器容器具有用于將經(jīng)過(guò)部分處理的植物生物質(zhì) 在反應(yīng)器容器中循環(huán)的循環(huán)裝置，該循環(huán)裝置包括導(dǎo)流管和下行管，氣體飽和的材料通過(guò) 導(dǎo)流管從反應(yīng)器底部向上引導(dǎo)，從導(dǎo)流管的出口流出的經(jīng)過(guò)部分處理的生物質(zhì)通過(guò)下行管 返回反應(yīng)器底部。本發(fā)明還涉及由植物生物質(zhì)制氫的方法，該方法包括下列步驟a)將植物生物質(zhì)引入如上所述的生物反應(yīng)器的第一反應(yīng)器容器中，所述第一反應(yīng) 器容器具有朝向其底部的制氫細(xì)菌床層；b)將引入的植物生物質(zhì)用包括厭氧性纖維素水解細(xì)菌的制氫細(xì)菌的混合聚生體 處理，以生產(chǎn)氫；c)將經(jīng)處理的植物生物質(zhì)轉(zhuǎn)移到第二反應(yīng)器容器中，所述第二反應(yīng)器容器具有來(lái) 自第一反應(yīng)器容器的經(jīng)處理植物生物質(zhì)廢液入口；d)從第二反應(yīng)器容器收集氫氣，并使經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液澄清；e)從澄清的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)收集上清液；以及f)將未收集的澄清的經(jīng)處理植物生物質(zhì)再循環(huán)到第一反應(yīng)器容器中。另外，再循環(huán)的植物生物質(zhì)廢液被第一反應(yīng)器容器中產(chǎn)生的氫氣飽和。
另外，該床層是流化床，或者沉降床，再或者膨脹床，在流化床的情況下，從第二反 應(yīng)器容器到第一反應(yīng)器容器的再循環(huán)氣體使第一反應(yīng)器容器中的制氫細(xì)菌床層流態(tài)化。另外，該細(xì)菌為嗜溫和/或嗜熱細(xì)菌。另外，將至少一種無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)到制氫細(xì)菌床層中。本發(fā)明的其它特征在于使經(jīng)過(guò)部分處理的植物生物質(zhì)在第一反應(yīng)器容器中循環(huán)， 以及使經(jīng)過(guò)部分處理的植物生物質(zhì)在該反應(yīng)器容器中通過(guò)導(dǎo)流管和下行管循環(huán)，氣體飽和 的材料通過(guò)導(dǎo)流管從反應(yīng)器底部向上引導(dǎo)，從導(dǎo)流管的出口流出的經(jīng)過(guò)部分處理的生物質(zhì) 通過(guò)下行管返回反應(yīng)器底部。本發(fā)明還涉及由植物生物質(zhì)或者由包括半纖維素在內(nèi)的纖維素材料的水解得到 的可溶水解產(chǎn)物高水平地制氫的、形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離方 法，所述方法包括以下步驟a)采用活性炭顆粒覆蓋的顆粒材料床層，在如上所述的用于由植物生物質(zhì)制氫的 流化床生物反應(yīng)器的第一反應(yīng)器容器中，形成細(xì)菌床層，b)將細(xì)菌的混合聚生體引入第一反應(yīng)器容器中；c)將經(jīng)處理的植物生物質(zhì)引入反應(yīng)器的第一反應(yīng)容器中；以及d)將形成生物膜的嗜熱細(xì)菌或細(xì)菌聚生體與床層的顆粒材料分離。另外，該床層是流化床，或者沉降床，再或者膨脹床，在流化床的情況下，從第二反 應(yīng)器容器到第一反應(yīng)器容器的再循環(huán)氣體使第一反應(yīng)器容器中的嗜熱制氫細(xì)菌床層流態(tài) 化。另外，該細(xì)菌為嗜溫和/或嗜熱細(xì)菌。另外，細(xì)菌的混合聚生體包括厭氧性纖維素水解細(xì)菌；構(gòu)成混合聚生體的細(xì)菌選 自包括原生污水、土壤、堆肥和瘤胃糞在內(nèi)的一系列中溫生境中的一種或多種；并且嗜熱制 氫細(xì)菌適應(yīng)于20°C至80°C，優(yōu)選25°C至75°C范圍內(nèi)的溫度。另外，經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是不可溶的，優(yōu)選僅經(jīng)過(guò)最少的預(yù)處理的纖維素植物 材料，所述預(yù)處理為碾磨和/或濕式加熱，或者經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是纖維素材料的水解 產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物，或者是不可溶纖維素材料與纖維素材料的水解產(chǎn)生的水解產(chǎn)物的混 合物。另外，流化床由活性炭顆粒覆蓋的顆粒材料床層形成，床層的顆粒材料由鋼珠、礫 石、玻璃珠、煤灰顆粒等的一種或多種形成。


下面將參照

本發(fā)明的實(shí)施方案，其中在附圖中圖1是本發(fā)明的用于由植物生物質(zhì)制氫的流化床生物反應(yīng)器的一種實(shí)施方案的 示意性側(cè)面剖視圖；圖2是圖1的流化床反應(yīng)器的第一反應(yīng)器底部的詳細(xì)側(cè)面剖視圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)附圖，用于由植物生物質(zhì)制氫的流化床生物反應(yīng)器(1)包括圓筒形的第一反 應(yīng)器容器(2)，該反應(yīng)器容器具有朝向其底部(4)的制氫細(xì)菌的流化床(3)。該第一反應(yīng)器
7容器(2)具有植物生物質(zhì)流入管道(5)和一對(duì)經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液的流出管道(6)，該 流出管道朝向容器(2)的操作的上端(7)。圖示的實(shí)施方案中的第一反應(yīng)器容器(2)位于 圓筒形的第二反應(yīng)器容器(8)中，并且經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液的流出管道(6)排放到該 第二反應(yīng)器容器(8)中。第二反應(yīng)器容器(8)具有充當(dāng)?shù)谝环磻?yīng)器容器中生產(chǎn)的氫氣的收集器的錐形頂 部(9)。收集的氫氣通過(guò)氣體排放管道(10)從反應(yīng)器(1)中導(dǎo)出。第二反應(yīng)器容器(8)也 具有錐形底部(11)，并且，在使用中，經(jīng)處理的植物生物質(zhì)從第二反應(yīng)器容器(8)的底部抽 出，并借助循環(huán)泵(12)通過(guò)再循環(huán)管道(11)再循環(huán)到第一反應(yīng)器容器(2)的底部(14)的 入口 (13)中。在第二反應(yīng)器容器(8)中，來(lái)自第一反應(yīng)器容器的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)澄清成第 一部分和第二部分，該第一部分通過(guò)管道(15)從反應(yīng)器容器(8)抽出以便在需要時(shí)進(jìn)行進(jìn) 一步處理，該第二部分含有大量經(jīng)處理的廢液中的各種顆粒物質(zhì)并向第二反應(yīng)器容器(8) 的底部沉降。該第二部分按如上所述再循環(huán)。另外，在第二反應(yīng)器容器(8)中釋放出氫氣， 并將氫氣按如上所述收集，然而，溶解于經(jīng)處理的廢液中的剩余氫氣的濃度足以使該廢液 飽和，這一點(diǎn)將提高如下所述的氫氣在第一反應(yīng)器容器(2)中的形成。第一反應(yīng)器容器(2)還具有一對(duì)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)料管道(16)，它將無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物引入 容器(2)的底部以促進(jìn)并在必要時(shí)維持細(xì)菌在第一反應(yīng)器容器(2)中的生長(zhǎng)。第一反應(yīng)器容器還具有用于將經(jīng)過(guò)部分處理的植物生物質(zhì)在反應(yīng)器容器(2)中 循環(huán)的循環(huán)裝置(17)。循環(huán)裝置(17)是導(dǎo)流管(18)和下行管(19)的形式，氣體飽和的材 料通過(guò)導(dǎo)流管從反應(yīng)器底部向上引導(dǎo)，從導(dǎo)流管的出口(20)流出的經(jīng)過(guò)部分處理的生物 質(zhì)通過(guò)下行管返回反應(yīng)器底部。在該實(shí)施方案中，導(dǎo)流管(18)和下行管(19)是同心的并 通過(guò)反應(yīng)器容器(2)中的圓筒形隔板(21)形成。嗜熱的制氫細(xì)菌是包括厭氧性纖維素水解細(xì)菌的嗜溫細(xì)菌的混合聚生體。在使用 中，構(gòu)成該混合聚生體的細(xì)菌選自包括原生污水、土壤、堆肥和瘤胃糞在內(nèi)的一系列中溫生 境中的一種或多種，并且它們適應(yīng)于25°C至75°C范圍內(nèi)的溫度。嗜熱的制氫細(xì)菌聚生體在床層中形成生物膜，該床層由活性炭顆粒(23)覆蓋的 顆粒材料床層(22)形成。床層(22)的顆粒材料由鋼珠、礫石、玻璃珠、煤灰顆粒等的一種 或多種形成。也可以考慮的是，經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是僅進(jìn)行了最少的預(yù)處理的不可溶纖維素 植物材料，所述預(yù)處理為碾磨和/或濕式加熱?；蛘撸?jīng)處理的植物生物質(zhì)可以是纖維素材 料的水解產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物，或者它可以是不可溶纖維素材料與纖維素材料的水解產(chǎn)生 的水解產(chǎn)物的混合物。下面將說(shuō)明本發(fā)明的上述實(shí)施方案。已發(fā)現(xiàn)，在包括厭氧性纖維素水解菌種的細(xì)菌混合聚生體的作用下，纖維素材料 的水解和由該水解的產(chǎn)物制氫變得越來(lái)越有利。因此，該生物反應(yīng)器系統(tǒng)在其一般操作中 包括引起混合的厭氧性纖維素水解制氫聚生體的適應(yīng)、分離、選擇和維持的過(guò)程。組成該混 合聚生體的物種來(lái)自包括原生污水、土壤、堆肥和瘤胃糞在內(nèi)的中溫生境。通過(guò)在上述生物 反應(yīng)器中使用高稀釋率和部分廢液再循環(huán)，從多種中溫生境獲得的種菌混合物所產(chǎn)生的厭 氧性纖維素水解制氫聚生體可以被快速選擇并馴化或適應(yīng)于25°C至75°C范圍內(nèi)的溫度。
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此外，該生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)使得該生物反應(yīng)器能夠以促進(jìn)混合菌種群的多種形式 的快速誘導(dǎo)、生長(zhǎng)和發(fā)育的方式進(jìn)行操作。例如，該生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作快速地(在4 到10天內(nèi))促進(jìn)多菌種群的一種或多種底物附著和/或自附著的細(xì)菌形式的發(fā)生。這兩 種細(xì)菌附著形式導(dǎo)致形成a)載體顆粒上的混合菌種生物膜，該載體顆?？梢允菬o(wú)機(jī)的或有機(jī)的；或者b)細(xì)菌的自附著，這導(dǎo)致形成能經(jīng)受住攪拌下的解體作用的細(xì)菌顆?；蛘咴跀嚢?下容易解體的細(xì)菌絮凝物?？梢圆僮魃锓磻?yīng)器以使得，根據(jù)用于制氫的底物的性質(zhì)，細(xì)菌可以組織成以下 種類(lèi)的多菌種群的一種或幾種的組合a)顆粒；b)絮凝物；c)或附著在載體上的生物膜；或者d)或顆粒、絮凝物、生物膜與細(xì)菌群的浮游形式的異質(zhì)組合。兩種纖維素降解酶系統(tǒng)包括在該異質(zhì)生物反應(yīng)器系統(tǒng)中a)由細(xì)菌分泌的外纖維素酶；以及b)附著在細(xì)菌的梭菌種群(clostridial group)及其親屬(relative)的多纖維 素酶體復(fù)合物上的非分泌纖維素酶。在這兩種纖維素水解體系的作用下，發(fā)生纖維素材料的快速水解。觀察到從該生 物反應(yīng)器收集到Schott瓶中的25至50ml廢液樣品在50°C至70°C范圍內(nèi)的溫度下在24 小時(shí)內(nèi)將5. Ocm Whatman No 1濾片完全消化。具有該能力的異質(zhì)流化床的發(fā)育可以使用 土壤、堆肥、瘤胃肥(rumenmanure)和污水的混合物作為種菌源在5天內(nèi)誘導(dǎo)和發(fā)育。該生物反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作有利于高的生物制氫體積生產(chǎn)率，根據(jù)底物材 料的不同，該生產(chǎn)率從不可溶纖維素材料情況下的> IOOmm0IH2/(Lh)到可溶底物情況下 的150至290mmol H2/(L. h)，所述可溶底物是纖維素水解的分解產(chǎn)物(纖維素產(chǎn)生的水 解產(chǎn)物)。通過(guò)生物反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作可以實(shí)現(xiàn)的以下條件有助于高的生物制氫 體積生產(chǎn)率a)保持高的細(xì)菌生物質(zhì)密度，根據(jù)底物的不同，該密度可以在20至40g/L的 范圍內(nèi)；b)通過(guò)將H2飽和的廢液通過(guò)材料床層再循環(huán)回到生物反應(yīng)器從而通過(guò)氣提(gas slipping)實(shí)現(xiàn)高的H2回收，所述再循環(huán)通過(guò)空化和氣體成核有助于形成氣泡；c)通過(guò)生 物反應(yīng)器底部生成氫氣和二氧化碳?xì)馀菟鶎?dǎo)致的升力，實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)器床層的膨脹和流態(tài) 化；d)通過(guò)中心氣泡柱或?qū)Я鞴芤约皣@著中心導(dǎo)流管的外部下行管在生物反應(yīng)器中發(fā) 生氣泡上升和內(nèi)部再循環(huán)，從而促進(jìn)的快速材料混合和傳質(zhì)過(guò)程。生物反應(yīng)器內(nèi)容物的該 混合獨(dú)立于外部能量消耗以及機(jī)械攪拌的應(yīng)用而發(fā)生。通過(guò)生物反應(yīng)器中氫氣泡的形成以 及氣泡尺寸的膨脹進(jìn)行的氫氣脫除促進(jìn)氫的高效溶解和液體裹帶。雖然氫氣高度不溶于 水，但是大量的氫保持以微泡的形式裹帶在液體中。大氣泡的形成促進(jìn)高效的氣液脫離，所 述大氣泡在生物反應(yīng)器頂部的液面上破裂，并且當(dāng)廢液通過(guò)生物反應(yīng)器的側(cè)面流進(jìn)圍繞著 生物反應(yīng)器或與生物反應(yīng)器連接的傾析器時(shí)破裂。廢液通過(guò)生物反應(yīng)器容器的側(cè)面流進(jìn)傾 析器中也引起傾析器中的物料混合和氣液脫離。在大部分生物反應(yīng)器系統(tǒng)中，高的生物制氫生產(chǎn)率所需的低HRTs (或稀釋率)和 高流入上升流速度與在生物反應(yīng)器中保持高的微生物生物質(zhì)密度是不相容的。通常，低HRT和高流入上升流速度通過(guò)細(xì)胞洗出導(dǎo)致細(xì)菌生物質(zhì)損耗。采用該生物反應(yīng)器系統(tǒng)，觀察到 如果生物反應(yīng)器的上升流速度提高，高的有機(jī)負(fù)荷率結(jié)合低HRT或高稀釋率產(chǎn)生更高的制 氫體積生產(chǎn)率。上升流速度正比于從傾析器儲(chǔ)槽返回生物反應(yīng)器的廢液再循環(huán)速度。當(dāng)上 升流速度或再循環(huán)流速升高時(shí)，以下參數(shù)顯著提高a)生物反應(yīng)器中導(dǎo)流管底部的氣泡生成速率；以及b)制氫體積生產(chǎn)率。這種伴隨著高的有機(jī)流速(低HRT)和高的再循環(huán)速度的高的制氫體積生產(chǎn)率在 沒(méi)有由于過(guò)多細(xì)胞或顆粒洗出導(dǎo)致生物反應(yīng)器的細(xì)菌生物質(zhì)密度相應(yīng)下降的情況下是可 能的。生物反應(yīng)器中導(dǎo)流管與下行管之間的內(nèi)部流動(dòng)加上生物反應(yīng)器頂部的生物反應(yīng)器管 的加大的直徑一起降低了洗出導(dǎo)致的細(xì)菌生物質(zhì)損失。此外，從傾析器返回生物反應(yīng)器的 廢液再循環(huán)導(dǎo)致用種子顆粒(seed granule)對(duì)生物反應(yīng)器的再接種。生物反應(yīng)器的顆粒 損失通過(guò)兩個(gè)過(guò)程發(fā)生a)當(dāng)HRTs降低且再循環(huán)速度升高時(shí)，小顆粒(< 1. Omm)具有低 沉降速度并被洗出；以及b)當(dāng)生物反應(yīng)器中發(fā)生顆粒的生長(zhǎng)和發(fā)育時(shí)，床層尺寸的增大導(dǎo) 致顆粒洗出到傾析器中。這兩個(gè)過(guò)程導(dǎo)致顆粒材料收集于生物反應(yīng)器的傾析器中。該材料 經(jīng)歷進(jìn)一步的生長(zhǎng)和發(fā)育，導(dǎo)致額外的顆粒生產(chǎn)。傾析器中的這些顆粒也產(chǎn)生氫氣，并從而 保持再循環(huán)回到生物反應(yīng)器的廢液中溶解的氫氣和裹帶的氫氣微泡的飽和水平。當(dāng)以高的 再循環(huán)速率將廢液再循環(huán)回到生物反應(yīng)器中時(shí)，由于覆蓋著生物反應(yīng)器底部再循環(huán)入口的 顆粒床層中的空化，形成大氣泡(> 1. Omm)。當(dāng)溶解的氫擴(kuò)散到氣穴中以及微泡與氣穴合 并時(shí)，氣穴轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的充氣氣泡(gas filled bubble)。氣泡在尺寸和數(shù)量方面增長(zhǎng)，并 降低導(dǎo)流管中的液體的密度。作為形成氣泡的結(jié)果，對(duì)導(dǎo)流管中的顆粒和液體做了功，導(dǎo)致 顆粒床層的流態(tài)化以及生物反應(yīng)器中的物料通過(guò)導(dǎo)流管和下行管的再循環(huán)。該過(guò)程強(qiáng)化了 生物反應(yīng)器中的混合和傳質(zhì)，從而提高了生物反應(yīng)器在底物轉(zhuǎn)變成生物氫氣和新的微生物 生物質(zhì)方面的體積反應(yīng)性。還可以考慮的是，在有機(jī)底物供應(yīng)濃度低的條件下，生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)允許高的 營(yíng)養(yǎng)物流入速率和高的廢液再循環(huán)速率。這將有助于具有低的有機(jī)濃度的營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)的高 體積處理量。上述生物反應(yīng)器還導(dǎo)致生物膜、細(xì)菌顆粒和細(xì)菌絮凝物的快速誘導(dǎo)。已經(jīng)提出了 很多理論來(lái)解釋細(xì)菌顆?；蛐跄^(guò)程?？磥?lái)有助于本專(zhuān)利中所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的細(xì) 菌顆粒化啟動(dòng)的因素包括PH值和生物膜的形成。生物膜的生長(zhǎng)和發(fā)育導(dǎo)致在生物膜表面 上形成顆粒化的核心。當(dāng)生物反應(yīng)器中的PH值降到6.0以下時(shí)，可見(jiàn)的生物膜的形成在生 物反應(yīng)器底部的顆粒材料表面上變得明顯。該顆粒材料(> 4. Omm)可以是玻璃、塑料、不 銹鋼、煤灰、礫石。在活性炭顆粒(直徑3mm，長(zhǎng)6至IOmm)層的表面上，生物膜的形成也變 得明顯。從生物膜層上剪切顆粒化核心，為生物反應(yīng)器提供了充當(dāng)顆粒生長(zhǎng)和發(fā)育的種子 材料的自附著細(xì)菌簇。在低的再循環(huán)速率和降低的HRTs (升高的有機(jī)負(fù)荷率)下，顆粒的 生長(zhǎng)和發(fā)育從活性炭膨脹床的表面上發(fā)生。從收集器中洗出的小顆粒被捕集于傾析器中， 在此它們繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步生長(zhǎng)和發(fā)育，然后被再循環(huán)回到生物反應(yīng)器中。在本發(fā)明中，生物 反應(yīng)器床層完全顆粒化在3至10天內(nèi)發(fā)生。有助于快速顆粒化的其它因素包括a)通過(guò)多個(gè)水平營(yíng)養(yǎng)物入口將營(yíng)養(yǎng)物直接注入顆粒材料床層中；以及b)覆蓋著顆粒材料的活性炭層的氣泡誘導(dǎo)膨脹。
在使用中，通過(guò)流態(tài)化生物反應(yīng)器(2)的流體通過(guò)該生物反應(yīng)器的側(cè)面流出并收 集于外部的較大容器(8)中的澄清器中。通過(guò)生物反應(yīng)器容器(2)的側(cè)面流下的廢液獲得 動(dòng)能，這導(dǎo)致較大傾析器容器(8)中所含的流體上表面中的氣泡生成和物料混合，該容器 的上半部用于氣體收集，而其下半部充當(dāng)澄清器。整個(gè)該系統(tǒng)是氣密的，使得氣體僅能通過(guò)用于收集氫氣的氣體出口(10)從系統(tǒng) 中逸出。因此，生物反應(yīng)器、管道系統(tǒng)和傾析器的整個(gè)液體或水相本體保持在二氧化碳和氫 氣飽和的狀態(tài)下。液相中的氣體組分以?xún)煞N形式存在a)溶解的氣體，以及b)裹帶于液相中的微氣泡。通過(guò)由活性炭顆粒覆蓋的顆粒材料床層，將氣體飽和的廢液(含有溶解的氣體和 裹帶的微氣泡)從傾析器再循環(huán)到生物反應(yīng)器的底部。該顆粒材料可以由諸如鋼珠、礫石、 玻璃珠、煤灰等的材料組成。當(dāng)流體沿向上方向被泵送通過(guò)顆粒材料床層時(shí)，該顆粒材料促 進(jìn)液相的空化。以下因素防止空泡潰滅a)溶解的氣體擴(kuò)散到氣穴中；以及b)微氣泡與氣穴合并。這兩個(gè)過(guò)程導(dǎo)致形成氣泡。向上移動(dòng)的氣泡發(fā)生尺寸膨脹并對(duì)以下對(duì)象施加提升 作用a)覆蓋著顆粒材料床層的活性炭顆粒層，這導(dǎo)致床層的膨脹；b)導(dǎo)流管中的流體；以及c)導(dǎo)流管中的細(xì)菌顆粒?；钚蕴款w粒床層的膨脹提高床層孔隙率，這又由于通過(guò)床層的改善的營(yíng)養(yǎng)物流動(dòng) 而促進(jìn)生物膜的生長(zhǎng)和顆粒核心的發(fā)育。此外，由于液相中持有的氣體在導(dǎo)流管中由于氣泡的形成而增加，因此充氣的、較 低密度的流體在生物反應(yīng)器的導(dǎo)流管中上升。導(dǎo)流管中的該上升流體使生物反應(yīng)器床層流 態(tài)化，該生物反應(yīng)器床層可由顆?；蛐跄锘虿豢扇茴w粒纖維素材料組成。流態(tài)化的生物 反應(yīng)器床層也可以是由細(xì)菌顆粒、細(xì)菌絮凝物和生物膜包覆的纖維素材料顆粒組成的異質(zhì) 床。在異質(zhì)流化床中，材料在導(dǎo)流管中根據(jù)密度發(fā)生分級(jí)。低密度顆粒的上升速度在導(dǎo)流 管上部的加大的直徑中快速下降。這防止了一大部分低密度材料從生物反應(yīng)器逃逸到傾析 器中。低密度材料在下行管中的下沉的高密度流體中被向下攜帶。被洗出到傾析器中的較 輕的和較小的細(xì)菌顆粒或細(xì)菌絮凝物由于在傾析器中的進(jìn)一步生長(zhǎng)和發(fā)育而發(fā)生尺寸的 增大。然后將它們作為尺寸增大的顆粒再循環(huán)回到生物反應(yīng)器中。此外，生物反應(yīng)器頂部的液氣脫離受到生物反應(yīng)器頂部液面上的大氣泡破裂的促 進(jìn)。當(dāng)流體通過(guò)生物反應(yīng)器的側(cè)面流入傾析器時(shí)，隨著從較小的氣泡和微氣泡中釋放氣體， 發(fā)生進(jìn)一步的液氣脫離。由于通過(guò)生物反應(yīng)器的側(cè)面流入傾析器中流體上表面的流體所產(chǎn) 生的動(dòng)能傳遞，導(dǎo)致進(jìn)一步形成氣泡，從而在傾析器容器中促進(jìn)進(jìn)一步的液氣脫離。本發(fā)明還涉及生物反應(yīng)器-傾析器-澄清器-氣體分離器/收集器(BDCG)裝置 的應(yīng)用，這些概念中的每一種及其操作方式記載如下1.促進(jìn)用于制氫的厭氧性嗜熱纖維素水解多菌種聚生體的快速選擇、生長(zhǎng)和發(fā)育 的恒化器。在該應(yīng)用中，恒化器的概念定義為總是在大于生物反應(yīng)器中菌種的最大比生長(zhǎng)
11速率的稀釋率下操作的任何生物反應(yīng)器。僅有那些組織成以具有良好沉降性能的顆粒結(jié)構(gòu) 存在的附著的多物種組合體的細(xì)菌細(xì)胞將保持在生物反應(yīng)器中。這些顆?？梢砸愿街谀?些載體基質(zhì)上的生物膜的形式存在，或者以細(xì)菌顆?；蛐跄镄问降淖愿街M合體存在。 可以使用多種潛在的或合適的生物膜載體基質(zhì)，例如生物巖，甚至作為與不可溶纖維素顆 粒材料的混合物。因此，作為恒化器的生物反應(yīng)器的連續(xù)操作不僅促進(jìn)來(lái)自多種中溫生境 如污水、土壤、堆肥或瘤胃肥的用于制氫的厭氧性纖維素水解細(xì)菌的快速選擇，而且從這些 菌種中選擇出能夠適應(yīng)或馴化于不斷提高的溫度即50°C至75°C范圍內(nèi)的溫度的菌種。2.促進(jìn)具有良好沉降性能的細(xì)菌顆粒結(jié)構(gòu)的快速形成和長(zhǎng)期保持的系統(tǒng)。根據(jù)進(jìn) 料是不可溶纖維素材料或是纖維素產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物，可以將細(xì)菌聚生體固定為附著的 生物膜或者固定為顆粒或絮凝物形式的自附著群。或者，所有三種形式的固定化細(xì)菌聚生 體結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定地共存于同一生物反應(yīng)器中。這3種形式的固定化細(xì)菌聚生體群導(dǎo)致形成 具有良好沉降性能的顆粒結(jié)構(gòu)。細(xì)菌的固定化導(dǎo)致形成由以下任何之一組成的顆粒結(jié)構(gòu) a)以生物膜的形式附著于顆粒載體基質(zhì)上的多細(xì)胞細(xì)菌復(fù)合物，或者b)以顆?；蛐跄?形式存在的自附著多細(xì)胞細(xì)菌復(fù)合物。BDCG裝置的該實(shí)施方案有助于具有良好的沉降性質(zhì) 的細(xì)菌顆粒結(jié)構(gòu)的快速誘導(dǎo)、生長(zhǎng)、發(fā)育和長(zhǎng)期保持。以下因素的組合有助于多細(xì)胞自附著 細(xì)菌微簇形成前顆?；蚯靶跄诵倪@一過(guò)程的快速啟動(dòng)。這些多細(xì)胞自附著細(xì)菌微簇的快 速產(chǎn)生要求在強(qiáng)剪切場(chǎng)存在下在營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)速率和營(yíng)養(yǎng)物傳質(zhì)均為非限制性的條件下在 載體上形成細(xì)菌生物膜。這些條件在生物反應(yīng)器中通過(guò)以下手段獲得a)將營(yíng)養(yǎng)物直接注入被活性炭顆粒的膨脹床覆蓋的惰性顆粒材料(截面> 4mm) 的床層中，并且b)通過(guò)該材料床層將廢液從傾析器再循環(huán)。通過(guò)與生物反應(yīng)器的縱軸垂直取向的 多重入口將營(yíng)養(yǎng)物注入床層中。在用細(xì)菌種菌對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行初始接種以后，首先在批處理再循環(huán)模式下將生 物反應(yīng)器運(yùn)行24至48小時(shí)。在切換成連續(xù)再循環(huán)模式后，在4至10天內(nèi)將營(yíng)養(yǎng)物流速和 上升流速度逐步提高。在該期間，在活性炭顆粒床層的上方形成顆粒的膨脹床。細(xì)菌顆粒 流化床的快速生長(zhǎng)和發(fā)育受到以下系列事件的促進(jìn)a)在高剪切力場(chǎng)中附著的生物膜的 啟動(dòng)和生長(zhǎng)。b)通過(guò)剪切力的作用，前顆粒多細(xì)胞核心從生物膜上脫離，導(dǎo)致形成懸浮的、 微觀的自附著多細(xì)胞細(xì)菌顆粒前體。c)懸浮的多細(xì)胞細(xì)菌微簇(< Imm)在生物反應(yīng)器和 傾析器中生長(zhǎng)并發(fā)育成細(xì)菌大顆粒(> 1mm)。d)從生物反應(yīng)器洗出到澄清器中的細(xì)菌微 顆粒在澄清器中發(fā)生進(jìn)一步生長(zhǎng)和發(fā)育。然后它們通過(guò)生物反應(yīng)器底部的顆粒床層再循環(huán) 回到生物反應(yīng)器中。它們?cè)诋a(chǎn)生大量氣泡的情況下在高流體速度下通過(guò)顆粒床層，使它們 暴露于高剪切力的作用。在這些條件下，顆粒碎裂成較小尺寸的顆粒。這導(dǎo)致通過(guò)供應(yīng)細(xì) 菌顆粒前體使生物反應(yīng)器被連續(xù)地再接種。低HRTs、高有機(jī)負(fù)荷率和高的廢液再循環(huán)速度 促進(jìn)在基本上化學(xué)恒定的條件下密實(shí)的顆粒流化床的快速生長(zhǎng)和發(fā)育。3.生物反應(yīng)器系統(tǒng)含有兩個(gè)材料再循環(huán)系統(tǒng)a)目前的生物反應(yīng)器本身含有內(nèi)部材料再循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由被下降流或下行管 圍繞的上升流或?qū)Я鞴芙M成，以及b)生物反應(yīng)器又與外部第二材料再循環(huán)系統(tǒng)相聯(lián)系，該系統(tǒng)為澄清器。生物反應(yīng)器可以包含在充當(dāng)澄清器的更大的容器中，或者生物反應(yīng)器可以與充當(dāng)
12澄清器的獨(dú)立容器相連。澄清器是具有以下功能的多功能容器a)它充當(dāng)從生物反應(yīng)器中洗出的微觀的細(xì)菌顆粒材料的捕集器；b)它充當(dāng)用于微觀顆粒生長(zhǎng)并發(fā)育成大顆粒的培養(yǎng)容器；以及C)它充當(dāng)產(chǎn)生被溶解的氫氣和裹帶的微氣泡飽和的廢液的容器。生物反應(yīng)器容器 也充當(dāng)傾析器，它將廢液通過(guò)其側(cè)面排放進(jìn)圍繞著的澄清器，或者通過(guò)連接管排放到外部 澄清器。在兩種情況下，當(dāng)流進(jìn)澄清器中時(shí)，從生物反應(yīng)器的頂部口排放的廢液獲得動(dòng)能。 這導(dǎo)致動(dòng)能傳遞給傾析器的上層，這促進(jìn)微尺寸細(xì)菌顆粒的混合和懸浮。此外，動(dòng)能向澄清 器上層的傳遞也導(dǎo)致大氣泡的形成以及氫氣從澄清器液面的逸出。當(dāng)顆粒在澄清器中生長(zhǎng) 時(shí)，它們向澄清器底部沉降并被泵送回生物反應(yīng)器。4.生物反應(yīng)器的構(gòu)造在于包含在既充當(dāng)氣體分離器又充當(dāng)澄清器的較大容器中 的流化床生物反應(yīng)器，并且它在氫氣回收和底物再循環(huán)方面更加有效。在這樣的設(shè)置中，通 過(guò)生物反應(yīng)器的流體將通過(guò)生物反應(yīng)器的側(cè)面傾瀉并將收集于圍繞著生物反應(yīng)器的澄清 器中。使廢液可以通過(guò)側(cè)面傾瀉的這種生物反應(yīng)器布置將提高氣液分離。包含著生物反 應(yīng)器的容器的上半部分將是錐形的，以便于氣體收集，下半部分將是錐形的，以便充當(dāng)澄清 器。這樣的系統(tǒng)將把生物反應(yīng)器_傾析器_澄清器_氣體分離器整合成單一過(guò)程(single process)操作單元。這將降低管道系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高生物反應(yīng)器工藝操作的便易性。它 還將提高氫氣回收。5.通過(guò)在澄清器中由內(nèi)源氫氣生產(chǎn)產(chǎn)生的氫氣，實(shí)現(xiàn)從生物反應(yīng)器的氫氣脫除。 當(dāng)生物反應(yīng)器的底部使用來(lái)自澄清器的廢液時(shí)，通過(guò)顆粒床層的高的上升流體流速導(dǎo)致在 顆粒床層中形成氫氣泡，這在生物反應(yīng)器中起到兩種作用a)導(dǎo)流管底部的氫氣泡的生成驅(qū)使流體和物料流過(guò)導(dǎo)流管，通過(guò)氣泡從生物反應(yīng) 器容器上表面的逸出，較密實(shí)的流體通過(guò)外部的下行管向生物反應(yīng)器底部下沉；以及b)通過(guò)氣體擴(kuò)散進(jìn)氣泡中并通過(guò)氣泡合并，將氫氣從生物反應(yīng)器的水相中脫除。6.可以考慮的是，該生物反應(yīng)器_傾析器_澄清器_氣體分離器/收集器(BDCG) 裝置可以用于由不可溶木質(zhì)纖維素底物以及由纖維素材料水解得到的可溶水解產(chǎn)物(二 糖、己糖和戊糖)進(jìn)行厭氧性制氫。在不可溶木質(zhì)纖維素材料的情況下，BDCG裝置按如下 所述進(jìn)行操作。生物反應(yīng)器含有由以下組分組成的異質(zhì)流化床纖維素材料的漿料床；以 生物膜的形式附著于纖維素顆粒上的混合細(xì)菌聚生體；細(xì)菌顆粒和細(xì)菌絮凝物。生物反應(yīng) 器將含有附著多纖維素酶體形式的纖維素酶的細(xì)菌。細(xì)菌將被附著于纖維素顆粒上。除了 以上纖維素水解細(xì)菌，生物反應(yīng)器還將含有向周?chē)牧黧w本體相中分泌纖維素酶的其它纖 維素水解微生物。因此生物反應(yīng)器將含有兩種纖維素水解體系。除了廢液從澄清器到生物 反應(yīng)器的再循環(huán)以外，來(lái)自澄清器的廢液也將在它進(jìn)入生物反應(yīng)器之前與木質(zhì)纖維素材料 混合。在加載到生物反應(yīng)器中之前，木質(zhì)纖維素材料或植物生物質(zhì)將被干式碾磨并添加麥 麩。然后將該材料與來(lái)自澄清器的廢液混合，然后進(jìn)行濕式碾磨以進(jìn)一步降低材料的顆粒 尺寸并將其轉(zhuǎn)化成漿料。該漿料將被儲(chǔ)存于供料槽中，從該供料槽將向BDCG裝置的生物反 應(yīng)器中泵送該漿料。在泵送到生物反應(yīng)器中之前，漿料將經(jīng)歷以下預(yù)處理a)由于暴露于 來(lái)自澄清器的廢液中的纖維素酶而水解；b)用纖維素水解細(xì)菌接種。含有可溶水解產(chǎn)物的 來(lái)自澄清器的廢液的其余部分將用作在第二生物反應(yīng)器_傾析器_澄清器_氣體分離器/ 收集器(BDCG)裝置中制氫的進(jìn)料。
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7.用生物反應(yīng)器_傾析器_澄清器-氣體分離器/收集器(BDCG)裝置生成甲烷。 已被供應(yīng)了己糖和戊糖形式的可溶底物的BDCG系統(tǒng)的廢液將生成乙酸酯作為一種最終產(chǎn) 物。含有高濃度乙酸酯的來(lái)自澄清器的廢液的其余部分將用作在制甲烷BDCG裝置中生產(chǎn) 甲烷的進(jìn)料?？梢詫⑸a(chǎn)的甲烷重整以產(chǎn)生氫氣，或者燃燒以生產(chǎn)蒸汽。方法本發(fā)明涉及恒化器方法在能夠形成生物膜、細(xì)菌絮凝物和細(xì)菌顆粒的嗜熱細(xì)菌聚 生體的選擇中的應(yīng)用，所述嗜熱細(xì)菌聚生體能夠由生物質(zhì)產(chǎn)生的水解產(chǎn)物或者由不可溶纖 維素材料制氫。恒化器生物反應(yīng)器由含有合適的顆粒如顆粒狀活性炭/木炭(GAC)的流化 床組成，細(xì)菌可以附著在所述顆粒上并生長(zhǎng)以形成生物膜。活性炭顆粒覆蓋著較大的惰性 顆粒，該惰性顆粒通過(guò)空化過(guò)程參與氣泡的形成。該生物反應(yīng)器裝置可以用作恒化器，用于 能形成生物膜或形成顆粒的嗜熱制氫細(xì)菌聚生體的選擇。它也可以容易地放大成加工工 廠，用于從植物生物質(zhì)商業(yè)化地制氫。該方法也可以適應(yīng)并應(yīng)用于全過(guò)程工廠規(guī)模(full process plant scale)0該方法和生物反應(yīng)器可以用于由植物生物質(zhì)制氫的合適的嗜熱細(xì)菌或細(xì)菌聚生 體的快速篩選和選擇。恒化器方法的實(shí)施使得可以根據(jù)具體情況直接在生物反應(yīng)器中或從 生物反應(yīng)器對(duì)嗜熱制氫細(xì)菌進(jìn)行篩選、選擇和分離以進(jìn)行形成生物膜的聚生體的培養(yǎng)。在 這種策略中，將生物反應(yīng)器-傾析器-澄清器-氣體分離/收集器用作恒化器以篩選和選 擇容易地在GAC顆粒上形成生物膜的嗜熱細(xì)菌。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作使得通過(guò)內(nèi)生氫 氣泡對(duì)生物反應(yīng)器的吹洗而導(dǎo)致氫氣的脫除。因?yàn)樯锓磻?yīng)器的液相總是被溶解的氫氣飽 和的，因此總是存在通過(guò)氣泡從液相到氣相的氫的凈移動(dòng)。這種從液體溶解的可溶相向氣 相的高效快速的氫氣分配將制氫的平衡在分子_細(xì)胞水平上向正向移動(dòng)。在該方法中，含有可能的嗜熱種菌的很大的樣品可以容易地直接應(yīng)用于生物反應(yīng) 器。樣品可以采集于很有可能富含厭氧性纖維素水解嗜熱菌群的各種不同的生態(tài)位。將制 備具有IOOg至Ikg樣品材料的大樣品以便可以直接接種于生物反應(yīng)器中。接種后，使用有 助于聚生體細(xì)菌生長(zhǎng)的選擇的培養(yǎng)基將生物反應(yīng)器在再循環(huán)-批處理模式下操作，所述細(xì) 菌可以?xún)H利用生物質(zhì)水解產(chǎn)物((:5和(:6糖)或纖維素底物。生物反應(yīng)器接種一天之后，將 溫度在接下來(lái)的兩天中逐漸從37°c升高到70°C，以選擇極嗜熱細(xì)菌。在該期間之后，將生 物反應(yīng)器切換到連續(xù)模式，并逐漸提高稀釋率，直到與再循環(huán)流速相結(jié)合的通過(guò)生物反應(yīng) 器顆粒材料床層的總上升流速在5. 2至10m/h之間。當(dāng)稀釋率上升時(shí)，監(jiān)視生物反應(yīng)器的 所有關(guān)鍵變量，例如流入底物濃度、廢液底物濃度、廢液中的有機(jī)酸、PH值、0RP、溫度、電 導(dǎo)率、濁度、CO2, H2和浮游細(xì)菌0D。這樣做以便快速評(píng)估含有原始種菌的樣品在生物反應(yīng) 器床層中產(chǎn)生的細(xì)菌生物膜、細(xì)菌顆粒和細(xì)菌絮凝物的制氫能力。生物膜、顆粒和絮凝物的 生長(zhǎng)可以通過(guò)記錄沉降的床層高度來(lái)監(jiān)視。預(yù)期制氫速率將隨著稀釋率升高或HRT下降而 升高。如果該假定對(duì)于兩種底物即生物質(zhì)水解產(chǎn)物或纖維素底物均占主導(dǎo)，那么在4至10 天內(nèi)將在生物反應(yīng)器中建立嗜熱制氫生物膜或細(xì)菌顆粒聚生體。對(duì)于每個(gè)恒定的稀釋率， 在生物反應(yīng)器變量和生物膜細(xì)菌聚生體物種組成方面將達(dá)到穩(wěn)態(tài)。對(duì)于每個(gè)穩(wěn)態(tài)，將生物 膜或細(xì)菌顆粒的樣品從生物反應(yīng)器床層除去以培養(yǎng)和鑒定細(xì)菌。生物反應(yīng)器-傾析器-澄清器-氣體分離器/收集器(BDCG)裝置的其它應(yīng)用除了制氫，以上發(fā)明還可以用于由多種有機(jī)底物如甘油和纖維素生產(chǎn)溶劑如乙醇、丁醇、丙醇、丙酮。1.丙酮、丁醇和乙醇是在BDCG系統(tǒng)中與氫共同產(chǎn)生的溶劑。通過(guò)BDCG裝置中的氣 提(gas-stripping)連續(xù)生產(chǎn)和回收丙酮-丁醇-乙醇(ABE)。本發(fā)明的應(yīng)用擴(kuò)展到連續(xù) 的ABE生產(chǎn)。通常，包含有附著于載體上的細(xì)菌生物膜流化床或細(xì)菌顆粒流化床的BDCG可 用于生產(chǎn)ABE溶劑和通過(guò)氣提回收溶劑。在一種具體的ABE應(yīng)用中，測(cè)試了 BDCG裝置生產(chǎn) ABE溶劑以及通過(guò)氣提和冷凝回收這些溶劑的能力。該測(cè)試應(yīng)用包括生物反應(yīng)器中的顆粒 流化床，該反應(yīng)器具有內(nèi)部再循環(huán)氣升回路，氣體由通過(guò)使氣體飽和的廢液以高流速通過(guò) 生物反應(yīng)器底部的顆粒床再循環(huán)而內(nèi)生的H2和CO2組成。在該測(cè)試應(yīng)用中，評(píng)估了兩種營(yíng)養(yǎng) 培養(yǎng)基以20g蔗糖/L作為營(yíng)養(yǎng)源的Endo培養(yǎng)基，以及具有20g/L精細(xì)地濕式均化的麥麩 的Endo培養(yǎng)基。觀察到，對(duì)于總體積為7. 5L (生物反應(yīng)器加澄清器)的BDCG裝置，當(dāng)HRTs 降低到0. 5h且廢液再循環(huán)速率提高到5. 5m/h時(shí)，通過(guò)導(dǎo)流管的氣體流速提高到90L/h。從 生物反應(yīng)器逸出的氣體通過(guò)冷凝器。在冷凝物中檢測(cè)到丙酮、乙醇、丁醇、丙醇。對(duì)于兩種類(lèi) 型的Endo培養(yǎng)基，都得到該結(jié)果。要獲得ABE溶劑的氣提所需的高的內(nèi)生氣體生產(chǎn)率，需 要具有大于30g/L的生物反應(yīng)器細(xì)菌密度。生物反應(yīng)器的這些細(xì)菌質(zhì)量密度僅在細(xì)菌顆粒 流化床生物反應(yīng)器的情況下是可能的。在BDCG中以細(xì)菌顆粒流化床的形式保持大于40g/ L的細(xì)菌質(zhì)量密度在BDCG裝置中是容易達(dá)到的。使用來(lái)自瘤胃糞和污水的混合物的種菌， 在生物反應(yīng)器中誘導(dǎo)包含混合的細(xì)菌聚生體的顆粒，所述細(xì)菌聚生體包括梭菌種。使用16S rDNA PCR和密度梯度凝膠電泳(DGGE)確認(rèn)了以下物種在細(xì)菌顆粒中的存在產(chǎn)纖維二糖 梭菌(C. eellobioparum)，丁酸梭菌(C. butyricum)，丙酮丁醇梭菌(C. acetylbutylicum), 巴氏梭菌(C. pasteurianum)，產(chǎn)氣莢膜梭菌(C. perfringens)。2.在BDCG裝置中由甘油通過(guò)氣提連續(xù)生產(chǎn)乙醇。在該應(yīng)用中，向包含嗜溫兼性厭 氧細(xì)菌的混合聚生體的顆粒流化床中提供補(bǔ)加了 20g/L甘油的Endo培養(yǎng)基。對(duì)于總體積 為7. 5L的BDCG裝置，HRT降低到0. 5h且廢液再循環(huán)速率提高到5. 2m/h。通過(guò)導(dǎo)流管的氣 流速率提高到74L/h。從生物反應(yīng)器中逸出的氣體通過(guò)冷凝器。在冷凝物中檢測(cè)到乙醇。本發(fā)明人使用總工作體積為7. 5L的臺(tái)式樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，以以下HRTs時(shí)間 運(yùn)行了生物反應(yīng)器-傾析器-澄清器-氣體分離器/收集器(BDCG) :8h，6h，4h，3h，2h，lh 和0.5h，得到以下結(jié)果1.使用補(bǔ)加了 17. 5g/L蔗糖的Endo培養(yǎng)基，對(duì)于總工作體積為7. 5L的BDCG裝 置，當(dāng)HRT降低到0. 5h時(shí)，在40°C的中溫下生物反應(yīng)器產(chǎn)生200至290mmol H2/(h. L)的生 物氫氣體積生產(chǎn)率。H2與CO2的速率比從42. 6%到51%。當(dāng)HRT降低到0.5h時(shí)，細(xì)菌生 物質(zhì)密度提高到40. Og/L。導(dǎo)流管中的氣流速率提高的94L/h。應(yīng)用16S rDNAPCR和密度 梯度凝膠電泳(DGGE)確認(rèn)了在細(xì)菌顆粒中存在以下物種丁酸梭菌，丙酮丁醇梭菌，巴氏 梭菌，產(chǎn)氣莢膜梭菌。細(xì)菌種菌來(lái)自于土壤、瘤胃肥和污水的混合物。2.使用補(bǔ)加了 17. 5g/L蔗糖的Endo培養(yǎng)基，當(dāng)HRT降低到0. 5h時(shí)，在60°C的高 溫下生物反應(yīng)器產(chǎn)生100至200mmol H2/(h. L)的生物氫氣體積生產(chǎn)率。導(dǎo)流管中的氣流 速率提高的90L/h。細(xì)菌種菌來(lái)自于土壤、堆肥、瘤胃肥和污水的混合物。3.使用用濃度為20g/L麥麩代替了蔗糖的Endo培養(yǎng)基，對(duì)于4h的HRT，在60°C的 高溫下生物反應(yīng)器產(chǎn)生150mmol H2/(h. L)的生物氫氣體積生產(chǎn)率。在生物反應(yīng)器中形成 由包覆于麥麩顆粒上的生物膜、細(xì)菌顆粒和細(xì)菌絮凝物組成的異質(zhì)流化床。細(xì)菌種菌來(lái)自于土壤、堆肥、瘤胃肥和污水的混合物。 4.使用補(bǔ)加了 17. 5g/L蔗糖的Endo培養(yǎng)基，在0. 5h的HRT下在中溫下生物反應(yīng) 器產(chǎn)生150mmol H2/(h. L)的甲烷體積生產(chǎn)率。
權(quán)利要求
用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器包含第一反應(yīng)器容器和第二反應(yīng)器容器，所述第一反應(yīng)器容器具有朝向其底部的制氫細(xì)菌床層，植物生物質(zhì)流入口，朝向其操作的上端的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液流出口，以及氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液向床層中的再循環(huán)入口，所述第二反應(yīng)器容器具有來(lái)自第一反應(yīng)器容器的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液入口，氣體出口和氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液的再循環(huán)出口，氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液的再循環(huán)出口導(dǎo)向循環(huán)泵，在使用中該循環(huán)泵將來(lái)自第二反應(yīng)器容器的氣體飽和的植物生物質(zhì)廢液再循環(huán)到第一反應(yīng)器容器。
2.權(quán)利要求1的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該床層是流化床生物反應(yīng)
3.權(quán)利要求1的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該床層是沉降床生物反應(yīng)
4.權(quán)利要求1的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該床層是膨脹床生物反應(yīng)
5.權(quán)利要求2的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中從第二反應(yīng)器容器到第一 反應(yīng)器容器的再循環(huán)氣體使第一反應(yīng)器容器中的嗜熱制氫細(xì)菌床層流態(tài)化。
6.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該細(xì)菌為嗜溫 和/或嗜熱細(xì)菌。
7.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中再循環(huán)的植物 生物質(zhì)廢液被第一反應(yīng)器容器中產(chǎn)生的氫氣飽和。
8.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中制氫細(xì)菌床層 具有至少一個(gè)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)料入口。
9.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中第一反應(yīng)器容 器位于第二反應(yīng)器容器中。
10.權(quán)利要求9的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中第二反應(yīng)器容器具有過(guò) 量的未再循環(huán)植物生物質(zhì)廢液的出口。
11.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中在使用中第 二反應(yīng)器容器充當(dāng)從第一反應(yīng)器容器得到的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液的澄清器和/或氣 體分離器。
12.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中制氫細(xì)菌是 包括厭氧性纖維素水解細(xì)菌的嗜溫和/或嗜熱細(xì)菌的混合聚生體。
13.權(quán)利要求12的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中構(gòu)成混合聚生體的細(xì)菌 選自包括原生污水、土壤、堆肥和瘤胃糞在內(nèi)的一系列中溫生境中的一種或多種。
14.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中制氫細(xì)菌適 應(yīng)于20°C至80°C范圍內(nèi)的溫度。
15.權(quán)利要求14的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中制氫細(xì)菌適應(yīng)于25°C至 75°C范圍內(nèi)的溫度。
16.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中經(jīng)處理的植 物生物質(zhì)是不可溶的。
17.權(quán)利要求16的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中不可溶的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是僅經(jīng)過(guò)最少的預(yù)處理的纖維素植物材料，所述預(yù)處理為碾磨和/或濕式加熱。
18.權(quán)利要求1至15任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中經(jīng)處理的 植物生物質(zhì)是纖維素材料的水解產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物。
19.權(quán)利要求1至15任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中經(jīng)處理的 植物生物質(zhì)是不可溶纖維素材料與纖維素材料的水解產(chǎn)生的水解產(chǎn)物的混合物。
20.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中第一反應(yīng)器 容器具有在使用中在其上形成床層的底部。
21.權(quán)利要求20的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該床層由活性炭顆粒覆 蓋的顆粒材料床層形成。
22.權(quán)利要求21的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該床層的顆粒材料由鋼 珠、礫石、玻璃珠、煤灰顆粒等的一種或多種形成。
23.權(quán)利要求22的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該床層的顆粒材料被嗜 熱和/或嗜溫細(xì)菌的混合聚生體形成的生物膜包覆。
24.以上權(quán)利要求任意之一的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該第一反應(yīng) 器容器具有用于將經(jīng)過(guò)部分處理的植物生物質(zhì)在反應(yīng)器容器中循環(huán)的循環(huán)裝置。
25.權(quán)利要求24的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器，其中該循環(huán)裝置包括導(dǎo)流管 和下行管，氣體飽和的材料通過(guò)該導(dǎo)流管從反應(yīng)器底部向上引導(dǎo)，從導(dǎo)流管的出口流出的 經(jīng)過(guò)部分處理的生物質(zhì)通過(guò)該下行管返回反應(yīng)器底部。
26.由植物生物質(zhì)制氫的方法，該方法包括下列步驟a)將植物生物質(zhì)引入如權(quán)利要求1至25任意之一所述的生物反應(yīng)器的第一反應(yīng)器容器中，所述第一反應(yīng)器容器具有嗜熱和/或嗜溫制氫細(xì)菌床層；b)將引入的植物生物質(zhì)用包括厭氧性纖維素水解細(xì)菌的制氫細(xì)菌的混合聚生體處理，以生產(chǎn)氫；c)將經(jīng)處理的植物生物質(zhì)轉(zhuǎn)移到第二反應(yīng)器容器中，所述第二反應(yīng)器容器具有來(lái)自第一反應(yīng)器容器的經(jīng)處理植物生物質(zhì)廢液入口；d)從第二反應(yīng)器容器收集氫氣，并使經(jīng)處理的植物生物質(zhì)廢液澄清；e)從澄清的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)收集上清液；以及f)將未收集的澄清的經(jīng)處理植物生物質(zhì)再循環(huán)到第一反應(yīng)器容器中。
27.權(quán)利要求26的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中該床層是流化床生物反應(yīng)器。
28.權(quán)利要求26的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中該床層是沉降床生物反應(yīng)器。
29.權(quán)利要求26的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中該床層是膨脹床生物反應(yīng)器。
30.權(quán)利要求27的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中從第二反應(yīng)器容器到第一反應(yīng)器容 器的再循環(huán)氣體使第一反應(yīng)器容器中的制氫細(xì)菌床層流態(tài)化。
31.權(quán)利要求26至30任意之一的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中再循環(huán)的植物生物質(zhì) 廢液被第一反應(yīng)器容器中產(chǎn)生的氫氣飽和。
32.權(quán)利要求26至31任意之一的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中包括將至少一種無(wú)機(jī) 營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)到制氫細(xì)菌流化床中。
33.權(quán)利要求26至32任意之一的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中包括使經(jīng)過(guò)部分處理的植物生物質(zhì)在第一反應(yīng)器容器中循環(huán)。
34.權(quán)利要求33的由植物生物質(zhì)制氫的方法，其中使經(jīng)過(guò)部分處理的植物生物質(zhì)在該 反應(yīng)器容器中通過(guò)導(dǎo)流管和下行管循環(huán)，氣體飽和的材料通過(guò)該導(dǎo)流管從反應(yīng)器底部向上 引導(dǎo)，從導(dǎo)流管的出口流出的經(jīng)過(guò)部分處理的生物質(zhì)通過(guò)該下行管返回反應(yīng)器底部。
35.形成生物膜的嗜溫和/或嗜熱細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離方法，所述細(xì) 菌或細(xì)菌聚生體由植物生物質(zhì)或者由包括半纖維素在內(nèi)的纖維素材料的水解得到的可溶 水解產(chǎn)物高水平地制氫，所述方法包括以下步驟a)采用活性炭顆粒覆蓋的顆粒材料床層，在如權(quán)利要求1至25任意之一所述的用于由植物生物質(zhì)制氫的生物反應(yīng)器的第一反應(yīng)器容器中，形成適合于細(xì)菌的混合聚生體定居的床層，b)將細(xì)菌的混合聚生體引入第一反應(yīng)器容器中；c)將經(jīng)處理的植物生物質(zhì)引入反應(yīng)器的第一反應(yīng)容器中；以及d)將形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體與床層的顆粒材料分離。
36.權(quán)利要求35的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離方法，其中該 細(xì)菌的混合聚生體包括厭氧性纖維素水解細(xì)菌。
37.權(quán)利要求35的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離方法，其中構(gòu) 成混合聚生體的細(xì)菌選自包括原生污水、土壤、堆肥和瘤胃糞在內(nèi)的一系列中溫生境中的 一種或多種。
38.權(quán)利要求35至37任意之一的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離 方法，其中該制氫細(xì)菌適應(yīng)于20°C至80°C范圍內(nèi)的溫度。
39.權(quán)利要求35至38任意之一的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離 方法，其中經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是不可溶的。
40.權(quán)利要求39的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離方法，其中不 可溶的經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是僅經(jīng)過(guò)最少的預(yù)處理的纖維素植物材料，所述預(yù)處理為碾磨 和/或濕式加熱。
41.權(quán)利要求35至38任意之一的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離 方法，其中經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是纖維素材料的水解產(chǎn)生的可溶水解產(chǎn)物。
42.權(quán)利要求35至38任意之一的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離 方法，其中經(jīng)處理的植物生物質(zhì)是不可溶纖維素材料與纖維素材料的水解產(chǎn)生的水解產(chǎn)物 的混合物。
43.權(quán)利要求35至42任意之一的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離 方法，其中該流化床由活性炭顆粒覆蓋的顆粒材料床層形成。
44.權(quán)利要求43的形成生物膜的細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的篩選、選擇和分離方法，其中該 床層的顆粒材料由鋼珠、礫石、玻璃珠、煤灰顆粒等的一種或多種形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于由植物生物質(zhì)進(jìn)行高負(fù)荷的制氫的生物反應(yīng)器。本發(fā)明還涉及形成生物膜的嗜溫和/或嗜熱細(xì)菌或細(xì)菌聚生體的快速篩選、選擇和分離，所述細(xì)菌或細(xì)菌聚生體由植物生物質(zhì)或者由包括半纖維素在內(nèi)的纖維素材料的水解得到的可溶水解產(chǎn)物高水平地制氫。該反應(yīng)器包含位于第二反應(yīng)器容器中的第一反應(yīng)器容器，其中第一反應(yīng)器容器具有朝向其底部的制氫細(xì)菌床層，第二反應(yīng)器容器充當(dāng)氫氣收集器以及澄清器和分離器。該植物生物質(zhì)可以是不可溶纖維素材料與纖維素材料的水解產(chǎn)生的水解產(chǎn)物的混合物。在一種實(shí)施方案中，通過(guò)將氫氣飽和的植物生物質(zhì)廢液從第二反應(yīng)器容器向第一反應(yīng)器再循環(huán)而使第一反應(yīng)器容器的床層流態(tài)化。
文檔編號(hào)C12M1/107GK101918530SQ200880107010
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月15日
發(fā)明者V·M·格雷 申請(qǐng)人:約翰內(nèi)斯堡金山大學(xué)