使用超嗜熱生物體產(chǎn)能的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用超嗜熱生物體降解的領(lǐng)域，并且特別涉及使用超嗜熱降解以從生物質(zhì)產(chǎn)生熱量。在一些實施方案中，在超嗜熱生物體存在下，將生物質(zhì)進行發(fā)酵來產(chǎn)生熱量。將該熱量用來加熱直接用于熱泵或輻射熱中的液體或用來產(chǎn)生電力或驅(qū)動蒸汽輪機。
【專利說明】使用超嗜熱生物體產(chǎn)能
[0001]本申請是申請日為2007年7月18日、申請?zhí)枮?00780030825.6的同名申請的分案申請。本申請要求2006年7月18日提交的美國臨時申請60/831，635的權(quán)益，在此以其整體引入作為參考。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及使用超嗜熱(hyperthermophilic)生物體降解的領(lǐng)域,特別是涉及使用超嗜熱降解，以從生物質(zhì)產(chǎn)熱。
[0003]發(fā)明背景
[0004]常規(guī)能源的成本在過去幾年中劇增，并且已經(jīng)證明了許多常規(guī)能源如石油，煤炭和核能的使用對環(huán)境是有害的。
[0005]已經(jīng)研發(fā)或提出了許多清潔的可替換的能源。這樣的能源包括太陽能，地?zé)崮埽L(fēng)能，水電能，氫反應(yīng)器和燃料電池。然而，這些能源中的許多是昂貴的(太陽能)或受到地理問題(地?zé)幔L(fēng)和水能)的限制。
[0006]其他可替換的能源利用生物質(zhì)。然而，那些系統(tǒng)通常涉及次生產(chǎn)物如乙醇的產(chǎn)生，或涉及原料的燃燒。這些方法遇到的問題包括環(huán)境的污染以及需要使用貴重的農(nóng)田來產(chǎn)生生物質(zhì)。
[0007]因此，本領(lǐng)域需要的是能利用廢棄生物質(zhì)原料或天然可獲得的生物質(zhì)原料來產(chǎn)生熱或電的可替換的系統(tǒng)。
[0008]發(fā)明概述
[0009]本發(fā)明涉及使用超嗜熱生物體降解的領(lǐng)域，特別是涉及使用超嗜熱降解，以從生物質(zhì)產(chǎn)生熱。在一些實施方案中，本發(fā)明提`供了一種系統(tǒng)，其包括:生物反應(yīng)器，該生物反應(yīng)器含有生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體；和能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。在一些實施方案中，超嗜熱生物體是厭氧超嗜熱生物體。在一些優(yōu)選的實施方案中，該厭氧超嗜熱生物體選自火球菌屬(Pyrococcus),熱球菌屬(Thermococcus),古老球菌屬(Palaeococcus),酸菌屬(Acidianus),熱棒菌屬(Pyrobaculum),熱網(wǎng)菌屬(Pyrodictium),火葉菌屬(Pyrolobus),甲燒嗜熱菌屬(Methanopyrus),甲燒嗜熱菌屬(Methanothermus),超嗜熱甲燒球菌，如詹氏甲燒球菌(Me.Jannaschii),閃爍桿菌屬(Fervidobacterium)和棲熱袍菌屬(Thermotoga)，及其組合。在其他實施方案中，該超嗜熱生物體是需氧超嗜熱生物體，選自棲熱菌屬(Thermus),芽孢桿菌屬(Bacillus)和高溫放線菌屬(Thermoactinomyces)。仍然在其他實施方案中，該需氧超嗜熱生物體選自Aeropyrum pernix,勤奮生金球菌(Metallosphaera sedula)以及其他生金球菌屬(Metallosphaera)物種，硫磺礦硫化葉菌(Sulfolobus solfataricus), Sulfobus tokodaii,嗜酸熱原體(Thermoplasmaacidophilum)和火山熱原體(Thermoplasma volcanium),及其組合。在一些實施方案中，給該生物質(zhì)補充選自礦物質(zhì)來源，維生素，氨基酸，能量來源和微生物提取物的細胞培養(yǎng)基成分。
[0010]在一些實施方案中，該能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)選自燃料電池，燃燒裝置，熱電偶和熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。在進一步的實施方案中，該燃燒裝置包括蒸汽動力系統(tǒng)。仍然在進一步的實施方案中，該蒸汽動力系統(tǒng)是蒸汽渦輪或發(fā)生器。在一些實施方案中，該熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)包括熱泵。在一些實施方案中，該能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)是熱電偶，并且其中能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)進一步包括將水轉(zhuǎn)化成氫和氧的電解系統(tǒng)。在一些優(yōu)選的實施方案中，該生物質(zhì)選自污水，農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，如玉米漿和豆殼，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，作物，草，海藻，浮游生物，藻類，魚，魚廢料，及其組合。
[0011]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種方法，其包括:a)提供生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體山)在使得產(chǎn)熱的條件下，在該群至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下發(fā)酵生物質(zhì)；c)使用該熱來產(chǎn)生電或加熱液體。在一些實施方案中，該超嗜熱生物體是厭氧超嗜熱生物體。
[0012]在一些優(yōu)選的實施方案中，該厭氧超嗜熱生物體選自火球菌屬，熱球菌屬，古老球菌屬，酸菌屬(Aeropyrum和生金球菌不是厭氧的！),熱棒菌屬，熱網(wǎng)菌屬，火葉菌屬，甲燒嗜熱菌屬，甲烷嗜熱菌屬，超嗜熱甲烷球菌，如詹氏甲烷球菌，閃爍桿菌屬和棲熱袍菌屬，及其組合。在其他實施方案中，該超嗜熱生物體是選自棲熱菌屬，芽孢桿菌屬和高溫放線菌屬的需氧超嗜熱生物體。仍然在其他實施方案中，該需氧超嗜熱生物體選自Aeropyrumpernix,硫磺礦硫化葉菌,勤奮生金球菌，Sulfobus tokodaii,嗜酸熱原體和火山熱原體，及其組合。在一些優(yōu)選的實施方案中，該生物質(zhì)選自污水，農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，如玉米漿和豆殼，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，作物，草，海藻，浮游生物，藻類，魚，魚廢料，及其組合。在一些實施方案中，給該生物質(zhì)補充選自礦物質(zhì)來源，維生素，氨基酸，能量來源和微生物提取物的細胞培養(yǎng)基成分。
[0013]在一些實施方案中， 該液體是水,并且加熱產(chǎn)生蒸汽。在一些實施方案中，該蒸汽用來驅(qū)動蒸汽輪機來產(chǎn)生電。在進一步的實施方案中，將該加熱的液體轉(zhuǎn)移至用于輻射熱的建筑中。在一些實施方案中，通過熱電偶產(chǎn)生電。在進一步的實施方案中，該電用于水的電解。在一些實施方案中，將該液體轉(zhuǎn)移至熱泵。
[0014]在一些實施方案中，本發(fā)明進一步提供了一種方法，包括:a)提供生物體和一群至少一個屬的超嗜熱微生物；和b)在使得產(chǎn)生降解產(chǎn)物的條件下，在該群至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下降解生物質(zhì)。在一些優(yōu)選的實施方案中，該厭氧超嗜熱生物體選自火球菌屬，熱球菌屬，古老球菌屬，酸菌屬，熱棒菌屬，熱網(wǎng)菌屬，火葉菌屬，甲烷嗜熱菌屬，甲烷嗜熱菌屬，超嗜熱甲烷球菌，如詹氏甲烷球菌，閃爍桿菌屬和棲熱袍菌屬，及其組合。在其他實施方案中，該超嗜熱生物體是選自棲熱菌屬，芽孢桿菌屬和高溫放線菌屬的需氧超嗜熱生物體。仍然在其他實施方案中，該需氧超嗜熱生物體選自Aeropyrum pernix,硫磺礦硫化葉菌，Sulfobus tokodaii,勤奮生金球菌,嗜酸熱原體和火山熱原體,及其組合。在一些優(yōu)選的實施方案中，該生物質(zhì)選自污水，農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，如玉米漿和豆殼，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，作物，草，海藻，浮游生物，藻類，魚，魚廢料，及其組合。在一些實施方案中，給該生物質(zhì)補充選自礦物質(zhì)來源，維生素，氨基酸，能量來源和微生物提取物的細胞培養(yǎng)基成分。在一些進一步優(yōu)選的實施方案中，該降解產(chǎn)物選自氫，甲烷和乙醇。在一些實施方案中，該方法進一步包括將降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成能量的步驟。在一些實施方案中，該方法進一步包括在染料電池中使用氫的步驟。在一些實施方案中，該方法進一步包括在燃燒裝置中使用甲烷或乙醇的步驟。[0015]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了減少二氧化碳排放的方法，包括:a)提供生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體；b)在所述群的至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下，厭氧降解所述生物質(zhì)來產(chǎn)生用于產(chǎn)生能量的基質(zhì)；和c)從所述基質(zhì)產(chǎn)生能量，其中與所述生物質(zhì)材料的需氧降解相比，減少了二氧化碳的排放。在進一步的實施方案中，本發(fā)明提供了產(chǎn)生碳信用的方法，包括:a)提供生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體；b)在所述群的至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下，厭氧降解所述生物質(zhì)來產(chǎn)生用于產(chǎn)生能量的基質(zhì)；和c)在使得產(chǎn)生碳信用的條件下從所述基質(zhì)產(chǎn)生能量。
[0016]定義
[0017]如在此所用的，術(shù)語“生物質(zhì)”指的是可以用作燃料或用于工業(yè)生產(chǎn)的生物材料。最常見的是，生物質(zhì)指的是為用作生物燃料而生長的植物物質(zhì)，但也包括為纖維，化學(xué)制品或熱量生產(chǎn)而使用的植物或動物物質(zhì)。生物質(zhì)還可以包括可以用作染料的生物可降解廢料。通常通過干重來測量。術(shù)語生物質(zhì)對于植物是有用的，其中一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常不認為是活的組織，如樹的木材(次生木質(zhì)部)。該生物質(zhì)從植物產(chǎn)生，植物通過光合作用將日光轉(zhuǎn)化成植物物質(zhì)。生物質(zhì)能量的來源導(dǎo) 致農(nóng)作物殘余，能量種植園，以及市政和工業(yè)廢棄物。如在此所用的，術(shù)語“生物質(zhì)”排除了用于培養(yǎng)微生物的傳統(tǒng)培養(yǎng)基的成分，如純化淀粉，蛋白胨，酵母提取物，但包括為生產(chǎn)純化淀粉而開發(fā)的工業(yè)方法過程中獲得的廢料。根據(jù)本發(fā)明，生物質(zhì)可以源自單個來源，或生物質(zhì)可以包括源自超過一種來源的混合物；例如，生物質(zhì)可以包括玉米芯和玉米秸的混合物，或草和葉子的混合物。生物質(zhì)包括，但不限于，生物能作物，農(nóng)業(yè)殘余，市政固體廢棄物，工業(yè)固體廢棄物，來自造紙的淤渣，草場廢料，木材和林業(yè)廢料。生物質(zhì)的實例包括，但不限于，玉米粒，玉米芯，作物殘余，如玉米殼，玉米秸，玉米漿液，草，小麥，小麥桿，大麥，大麥桿，來自啤酒釀造過程中大麥降解的谷物殘余物，干草，稻草，柳枝稷，廢紙，甘蔗渣，高粱，大豆，獲自谷物加工中的成分，樹木，枝條，根，葉，木屑，鋸屑，灌木和矮樹叢，豆殼，蔬菜，水果，花和動物肥料。在一個實施方案中，對于本發(fā)明有用的生物質(zhì)包括具有相對高碳水化合物值，相對密集的和/或相對容易收集，運輸，儲存和/或處理的生物質(zhì)。
[0018]如在此所用的，術(shù)語“生物質(zhì)副產(chǎn)物”指的是產(chǎn)自生物質(zhì)加工的生物質(zhì)材料。
[0019]如在此所用的，術(shù)語“生物反應(yīng)器”指的是用于容納微生物和生物質(zhì)材料的封閉或分離系統(tǒng)?！吧锓磻?yīng)器”優(yōu)選可以構(gòu)造成用于微生物的厭氧生長。
[0020]如在此所用的，術(shù)語“超嗜熱微生物”意指在80°C以上的溫度下生長最佳的生物體。
[0021]如在此所用的，術(shù)語“降解”(“degrade”和“degradation”)指的是通過生化過程降低基質(zhì)如生物質(zhì)基質(zhì)的復(fù)雜度的過程，優(yōu)選通過微生物來促進(即，生物降解)。降解導(dǎo)致從復(fù)雜的化合物形成較簡單的化合物如甲烷，乙醇，氫和其他相對簡單的有機化合物(即，降解產(chǎn)物)。術(shù)語“降解”包括厭氧和需氧過程，包括發(fā)酵過程。
[0022]發(fā)明詳述
[0023]本發(fā)明涉及使用超嗜熱生物體的生物質(zhì)降解的領(lǐng)域，并且特別涉及使用超嗜熱降解，以從生物質(zhì)產(chǎn)生熱。為了方便，在以下章節(jié)中提供本發(fā)明的描述:A.超嗜熱生物體；B.生物質(zhì)；C.降解和能量產(chǎn)生；和D.碳信用產(chǎn)生。
[0024]A.超嗜熱生物體[0025]本發(fā)明考慮了使用超嗜熱生物體來發(fā)酵生物質(zhì)。嗜熱細菌是能夠在升高的溫度下生長的生物體。與最佳生長溫度范圍為25-40°C的中溫菌或最佳生長溫度范圍為15-20°C的低溫菌不同，嗜熱菌的最佳生長溫度高于50°C。實際上,一些嗜熱菌最佳在65-75°C下生長，并且一些超嗜熱菌在高達113°C的溫度下生長。(參見，例如，J.G.Black，MicrobiologyPrinciples and Applications (微生物學(xué)原理和應(yīng)用)，第 2 版，Prentice Hall, NewJersey, [1993]p.145-146 ；Dworkin, M., Falkow, S., Rosenberg, E, Schleifer, K-H.,Stackebarndt E.(編輯)，The prokaryotes (原核生物)，第三版，第 3 卷，p.3-28296 和P.797-814 和ρ.899-924 ；Madigan M.,Martinko, J.Brock Biology of Microorgan isms (微生物生物學(xué))，第十一版，P.430-44和414-415。 [0026]嗜熱菌包括多個屬和種。光養(yǎng)菌(即，紫色細菌，綠色細菌和藍細菌)，細菌(即，芽抱桿菌屬，梭菌屬(Clostridium),硫桿菌屬(Thiobacillus), Desulfotomaculum,棲熱菌屬，乳酸菌，放線菌屬(Actinomycetes),螺旋菌屬(Spirochetes),和多種其他的屬)，以及許多超嗜熱目(即，火球菌屬，熱球菌屬，棲熱袍菌屬，硫化葉菌屬(Sulfolobus)和一些產(chǎn)甲烷菌)中包括嗜熱的代表性菌。存在需氧以及厭氧的嗜熱生物體。因此，其中可以分離嗜熱菌的環(huán)境差異很大，盡管所有這些生物體分離自與高溫相關(guān)的區(qū)域。天然的地溫生境具有遍布全世界的分布，并且主要與地殼構(gòu)造活動帶相關(guān)，在這些活動帶中發(fā)生著主要的地殼運動。已經(jīng)從所有各種不同的地?zé)嵘持蟹蛛x出了嗜熱菌，包括具有中性PH范圍的沸泉，富含硫的酸性溫泉和深海煙?。通常，使生物體最佳地適應(yīng)它們生活在這些地?zé)嵘持械臏囟?T.D.Brock, “Introduction:An overview of the thermophiles” (介紹:嗜熱菌的綜述)，在 T.D.Brock (編輯)，Thermophiles:General, Molecular and AppliedMicrobiology (嗜熱菌:普通，分子和應(yīng)用微生物學(xué))，John ffiley&Sons, New York[1986],pp.1-16 ；Madigan M.,Martinko, J.Brock,Biology of Microorganisms(微生物學(xué)),第十一版，p.442-446和p.299-328)。對嗜熱菌的基礎(chǔ)以及應(yīng)用研究已經(jīng)提供了一些對這些生物體的生理學(xué)的了解，以及預(yù)示了這些生物體在工業(yè)和生物技術(shù)中的用途。
[0027]本發(fā)明不限于使用任何特定的超嗜熱生物體。在一些實施方案中，使用了超嗜熱生物體的混合物。在一些實施方案中，該超嗜熱菌來自古菌(archaeal)熱球菌目(Thermococcales),包括但不限于火球菌屬,熱球菌屬和古老球菌屬的超嗜熱菌。這些屬內(nèi)的特定生物體的實例包括，但不限于，激烈火球菌(Pyrococcus furiosus), Thermococcusbarophilus, T.aggregans, T.aegaeicus, T.litoralis, T.alcaliphilus, T.sibiricus,T.atlanticus, T.siculi, T.pacificus, T.waiotapuensis, T zilligi, T.guaymasensis,T.fumicolans, Τ.gorgonarius,速生熱球菌(Τ.celer), Τ.barossii, Τ.hydrothermal is,Τ.acidaminovorans, Τ.prfundus, 斯氏熱球菌(Τ.stetteri), Τ.kodakaraenis,Τ.peptonophilis。在一些實施方案中，使用了需氧超嗜熱生物體,如Aeropyrum pernix,硫磺礦硫化葉菌，Sulfobus tokodaii,勤奮生金球菌，Sulfobus tokodaii,嗜酸熱原體和火山熱原體。同時在其他實施方案中，使用了厭氧或兼性需氧生物體，如Pyrobaculumcalidifontis和Pyrobaculum Oguniense0其他有用的古菌生物體包括，但不限于，嗜酸熱硫化葉菌(Sulfolobus acidocaldarius)和 Acidianus ambivalens。在一些實施方案中，該超嗜熱生物體是細菌，如水生棲熱菌(Thermus aquaticus),嗜熱棲熱菌(Thermus thermophilus),黃棲熱菌(Thermus flavu),紅棲熱菌(Thermus ruber),熱堅芽抱桿菌(Bacillus caldotenax),嗜熱脂肪芽抱桿菌(Bacillus stearothermophiIus),Anaerocellum thermophilus,普通高溫放線菌(Thermoactinomyces vulgaris),和棲熱袍菌目(Thermotogales),包括但不限于，埃氏熱袍菌(Thermotoga elfeii), Thermotogahypogea,海棲熱袍菌(Thermotoga maritima),那不勒斯棲熱袍菌(Thermotoganeapolitana), Thermotoga subterranean,溫泉棲熱袍菌(Thermotoga thermarum),Petrotoga miotherma, Petrotoga mobilis,非洲棲熱腔菌(Thermosipho africanus),Thermosipho melanesiensis,海島閃爍桿菌(Fervidobacterium islandicum),多節(jié)閃爍桿菌(Fervidobacterium nodosum), Fervidobacterium pennavorans, Fervidobacteriumgondwanense, Geotoga petraea, Geotoga Subterranea0
[0028]在一些實施方案中，通過篩選和選擇合適的菌株來選擇適于發(fā)酵生物質(zhì)的上述生物體的超嗜熱菌株。仍然在進一步的實施方案中，將合適的菌株通過基因修飾來包括理想的代謝酶，包括但不限于，水解酶，蛋白酶，醇脫氫酶和丙酮酸脫羧酶。參見，例如，(Bra/u, B.和 H.Sahm[1986]Arch.Microbiol.146:105-110 ；Bra/u, B.and
H.Sahm[1986] Arch.Microbiol.144: 296-301 ；Conway, T., Y.A.0sman, J.1.Konnan,E.M.Hoffmann 和 L.0.1ngram[ 1987] J.Bacteriol.169:949-954 ；Conway, T., G.ff.Sewell,Y.A.0sman 和 L.0.1ngram[ 1987] J.Bacteriol.169:2591-2597 ；Neale, A.D.，R.K.Scopes,R.E.H.Wettenhall 和 N.J.Hoogenraad[1987]Nucleic Acid.Res.15:1753-1761 ；Ingram,L.0.和 T.Conway [1988]Appl.Environ.Microbiol.54:397-404 ；Ingram, L.0., T.Conway,D.P.Clark,G.ff.Sewell,和 J.F.Preston[1987]Appl.Environ.Microbiol.53:2420-2425)。在一些實施方案中，將PET操縱子引入超嗜熱菌中。參見美國專利US5，000, 000，在此以其整體引入作為參考。
[0029]在一些實施方案中，選擇通過降解產(chǎn)生乙醇的超嗜熱菌。在一些實施方案中，在含有遞增含量乙醇的培養(yǎng)基中選擇這樣的超嗜熱菌，以選擇具有增加的乙醇耐受性的菌株。因此，本發(fā)明的一些實施方案提供了具有增加的乙醇耐受性或提高的產(chǎn)乙醇能力的超嗜熱菌。在一些優(yōu)選的實施方案中，該超嗜熱菌利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。在進一步優(yōu)選的實施方案中，該超嗜熱菌利用葡萄糖，木糖`，阿拉伯糖，半乳糖和甘露糖。
[0030]B.生物質(zhì)
[0031]本發(fā)明考慮了用超嗜熱生物體降解生物質(zhì)。本發(fā)明不限于使用任何特定的生物質(zhì)。合適的生物質(zhì)包括，但不限于，污水，農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食物廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，作物，草，海藻，浮游生物，藻類，魚，魚廢料，及其組合。在一些實施方案中，收集該生物質(zhì)特別用于超嗜熱降解方法中，而在其他實施方案中，利用了來自先前存在的工業(yè)中的廢料或副產(chǎn)物材料。
[0032]在一些優(yōu)選的實施方案中，該生物質(zhì)是木質(zhì)纖維的。在一些實施方案中，用纖維素酶或其他酶預(yù)先處理生物質(zhì)以消化纖維素。在一些實施方案中，通過在無機酸或堿催化劑的存在下加熱來預(yù)處理生物質(zhì)以完全或部分水解半纖維素，使纖維素消除結(jié)晶和除去木質(zhì)素。這使得纖維素酶能接近該纖維素。
[0033]仍然在其他優(yōu)選的實施方案中，給該生物質(zhì)補充礦物質(zhì)，能量來源或其他有機物質(zhì)。礦物質(zhì)的實例包括，但不限于，海水中發(fā)現(xiàn)的那些，如NaCl，MgS04x7H20,MgCl2x6H20, CaCl2x2H20, KCl, NaBr, H3BO3 和 SrCl2x6H20,以及其他礦物質(zhì)，如 MnSO4XH2O，F(xiàn)eS04x7H20, CoS04x7H20, ZnS04x7H20, CuS04x5H20, KAl (SO4) 2xl2H20, Na2Mo0S04x2H20,(NHSO4) 2Ni (SO4) 2x6H20, Na2W04x2H20和Na2SeO40能量來源和其他基質(zhì)的實例包括，但不限于，精制蔗糖，果糖，葡萄糖，淀粉，蛋白胨，酵母提取物，氨基酸，核苷酸，核苷，和細胞培養(yǎng)基中通常包括的其他成分。
[0034]C.降解和能量產(chǎn)生
[0035] 在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，使用一群或多群超嗜熱生物體來降解生物質(zhì)。在一些實施方案中，將該生物質(zhì)轉(zhuǎn)移至容器如生物反應(yīng)器中，并接種一株或多株超嗜熱生物體。在一些實施方案中，將該容器的環(huán)境維持在足以使菌株代謝給料的溫度，壓力和PH下。在一些優(yōu)選的實施方案中，該環(huán)境沒有添加的硫或無機硫化物鹽，或被處理以除去或抵消這樣的化合物。在一些優(yōu)選的實施方案中，將該環(huán)境維持在高于45°C的溫度下。仍然在進一步的實施方案中，將該環(huán)境維持在55°C至90°C之間。在一些優(yōu)選的實施方案中，將糖，淀粉，木聚糖，纖維素，油，石油，浙青，氨基酸，長鏈脂肪酸，蛋白質(zhì)，或其組合加入到生物質(zhì)中。在一些實施方案中，將水加入到生物質(zhì)中，以形成至少部分含水的培養(yǎng)基。在一些實施方案中，含水培養(yǎng)基具有約0.2mg/升至2.8mg/升的溶解氧氣濃度。在一些實施方案中，將該環(huán)境維持在大約4至10的pH下。在一些實施方案中，用選自氮，二氧化碳，氦，氖，氬，氪，氙及其組合的惰性氣體預(yù)先處理該環(huán)境。而在其他實施方案中，將氧氣加入到該環(huán)境中以支持需氧降解。
[0036]在一些實施方案中，在使用木質(zhì)纖維素材料的情況下，如上所述將纖維素預(yù)先處理。在連續(xù)糖化和降解中的降解之前或通過一起加入纖維素和超嗜熱菌接種物用于同時糖化和降解，將預(yù)先處理過的纖維素酶促水解。
[0037]預(yù)期生物質(zhì)的降解將直接產(chǎn)生熱形式的能量以及產(chǎn)生可以用于隨后過程，包括能量的產(chǎn)生中的產(chǎn)物。在一些實施方案中，通過降解產(chǎn)生氫，甲烷和乙醇，并用于能量產(chǎn)生。在優(yōu)選的實施方案中，從容器中移出這些產(chǎn)物。預(yù)期通過培養(yǎng)容器中的高溫來促進氣相中這些物質(zhì)的移出。這些產(chǎn)物可以通過標(biāo)準的方法被轉(zhuǎn)化成能量，包括燃燒和/或蒸汽的形成，以驅(qū)動蒸汽輪機或發(fā)生器。在一些實施方案中，將氫用于燃料電池中。在一些實施方案中，形成了蛋白質(zhì)，酸和甘油，可以將其純化用于其他用途中，或例如，用作動物飼料。
[0038]在一些實施方案中，從容器中移出降解產(chǎn)物。預(yù)期可以進行降解的高溫促進從容器氣相中移出有價值的降解產(chǎn)物。在一些實施方案中，從容器中移出甲烷，氫和/或乙醇。在一些實施方案中，通過管導(dǎo)系統(tǒng)從容器中移出這些物質(zhì)，使得產(chǎn)物可以用于產(chǎn)生動力或電。例如，在一些實施方案中，將甲烷或乙醇用于燃燒電池中，以產(chǎn)生動力或電。在一些實施方案中，通過蒸汽輪機或發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽動力。在一些實施方案中，將產(chǎn)物包裝使用。例如，可以將乙醇，甲烷或氫包裝于罐或油罐車中并運輸至遠離發(fā)酵容器的場所。在其他實施方案中，將產(chǎn)物輸入管道系統(tǒng)中。
[0039]仍然在其他實施方案中，使用容器中產(chǎn)生的熱。在一些實施方案中，將產(chǎn)生的熱用于輻射系統(tǒng)中，在其中將液體加熱，然后在需要加熱的區(qū)域中通過管子或管道循環(huán)。在一些實施方案中，將熱用于熱泵系統(tǒng)中。仍然在其他實施方案中，將熱用于通過熱電偶來產(chǎn)生電。在一些實施方案中，將產(chǎn)生的電用于通過電解反應(yīng)來產(chǎn)生氫。
[0040]D.碳/[目用貿(mào)易
[0041]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了產(chǎn)生碳信用的方法，該碳信用用于在已建立的碳信用貿(mào)易程序中的貿(mào)易，如依據(jù)Kyoto草案建立的那些貿(mào)易程序。于2005年I月開始運作的歐盟排放貿(mào)易體系(EU ETS)是全世界最大的跨國多地區(qū)的溫室氣體排放貿(mào)易計劃。由于EU對聯(lián)合國氣候變化綱要公約(1997年商定，2005年批準)的Kyoto草案的響應(yīng)，設(shè)立了該體系。這是參與通過減少六種溫室氣體，包括二氧化碳，甲烷，一氧化二氮，六氟化硫，全氟化碳(PFC)和氫氟碳(HFC)的排放抑制全球氣溫升高的工業(yè)化國家之間的協(xié)議。迄今為止，162個國家已經(jīng)認可了該協(xié)議。值得注意的例外是美國和澳大利亞。此外，最快增長的經(jīng)濟體中的兩個，印度和中國，沒有被要求依據(jù)目前的協(xié)議來減少它們的碳排放。
[0042]Kyoto草案提供了三個執(zhí)行機制來管理溫室氣體排放。第一個，國際排放貿(mào)易(IET)，允許低于目前排放限制的國家在開放市場上將它們超額的定量出售給其他國家。第二個，跨國聯(lián)合減量(JI )，允許在其他工業(yè)化國家中投資溫室氣體排放減少項目的工業(yè)化國家的投資者接受稱為“減排單位”(ERU)的排放信用。第三個，清潔發(fā)展機制(CDM)，讓來自工業(yè)化國家的投資者累積“核證的減排單位”(CER)，用于幫助投資發(fā)展中國家的碳減排項目。
[0043]EU ETS存在于兩個階段，并包括所有高使用能量和動力的地區(qū)。第一個階段，開始于2005年，結(jié)束于2007年，允許CO2許可權(quán)的貿(mào)易，具有擴展到其他五種溫室氣體的可能。迄今為止，在整個歐洲已經(jīng)對12，000至15，000個工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的排放設(shè)定了上限。涵蓋了 45%的排放活動，包括動力，混凝土，紙漿，紙板和黑色金屬。第二個階段，從2008年至2012年，可能涵蓋所有溫室氣體和生產(chǎn)設(shè)備，并將在市場種包括JI和CDM信用。重要的是注意到在第一個階段中，實施了稱為關(guān)聯(lián)指南的修正案，這使得生產(chǎn)設(shè)備能夠使用來自JI和CDM的CER和ERU以滿足它們的排放目標(biāo)。
[0044]EU ETS受EU委員會(EUC)的監(jiān)管。在兩個階段中，EUC提出對GHG的限制，這通過EU排放許可權(quán)(EUA)的貿(mào)易來滿足。目標(biāo)是強迫公司通過在內(nèi)部降低它們的GHG以及將任何未使用的EUA出售給市場來找到最低的減排成本。在第一個階段的過程中，EUC對排放超過目標(biāo)限制的生產(chǎn)設(shè)備征收€40/噸C02。此外，這些生產(chǎn)設(shè)備必需在市場中獲得它們過量的排放。在第二個階段中，這種懲罰將為€ 100/噸C02。
[0045]EU ETS中參與的國家通過國家分配計劃(NAP)提交它們的目標(biāo)GHG減少，然后由EUC來批準。根據(jù)挪威碳點顧問(Norwegian consultant Point Carbon),在EU ETS的第一個階段的過程中，EUC批準大約63億許可權(quán)并允許每年分配另外21億。
[0046]作為以建立體系的一個實例，歐洲重建和發(fā)展銀行(EBRD)和歐洲投資銀行(EIB)建立了多邊碳信用基金(MCCF)，用于中歐至中亞的國家。
[0047]通過加入MCCF，私人和上市公司以及EBRD和EIB股東國家可以從EIB或EBRD投資的排放減量計劃購買碳信用以滿足它們強制性的或自愿的溫室氣體(GHG)排放減量目標(biāo)。
[0048]除了項目信用外，這些國家還可以通過MCCF參與綠色投資計劃。這是一條促進政府與政府間的碳信用貿(mào)易的創(chuàng)新途徑，由此出售國家使用來自碳信用銷售的收入來支持有利于氣候的項目的投資?？梢詮母鞣N項目類型中產(chǎn)生碳信用，所有這些項目都減少或避免了 GHG排放。這些包括從可再生能量如風(fēng)，水，生物氣體(來自垃圾填埋/廢水)和生物質(zhì)產(chǎn)生的信用。
[0049]在一些實施方案中，本發(fā)明通過利用生物質(zhì)產(chǎn)生了用于貿(mào)易的碳信用。在其他實施方案中，本發(fā)明通過利用將另外形成甲烷的原料產(chǎn)生了用于貿(mào)易的碳信用，甲烷隨后將釋放至大氣中，這些原料如肥料，污水，廢水，垃圾填埋物質(zhì)等。本發(fā)明不限于任何特定的作用機理。實際上，對于實施本發(fā)明不需要對作用機理的了解。不管怎樣，預(yù)期在厭氧降解過程中使用超嗜熱生物體對于減少碳排放是非常有效的，并且特別是二氧化碳的排放。特別地，與需氧降解或發(fā)酵過程相比較，使用厭氧降解將從生物質(zhì)釋放出來的二氧化碳含量減少了六倍。
[0050]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，其中使用超嗜熱生物體降解生物質(zhì)來產(chǎn)生能量，并且將通過使用該系統(tǒng)而產(chǎn)生得到的碳信用用于抵消由常規(guī)產(chǎn)能系統(tǒng)如煤，天然氣和油的燃燒產(chǎn)生的溫室氣體排放。在一些實施方案中，產(chǎn)能系統(tǒng)是在單個實體的控制下，而在其他實施方案中，產(chǎn)能系統(tǒng)是在分開的實體的控制下，由使用礦物燃料的常規(guī)手段產(chǎn)生動力的實體來購買碳信用或進行貿(mào)易。
[0051]實驗性的
[0052]1.選擇用于降解方法中的超嗜熱生物體
[0053]在該實施例中，選擇來自火球菌屬，熱球菌屬，古老球菌屬，Aeropyrum pernix,硫化葉菌屬，熱棒菌屬，火葉菌屬，熱網(wǎng)菌屬，棲熱菌屬，嗜熱脂肪芽孢桿菌，生金球菌屬，Anaerocellum,高溫放線菌屬,棲熱袍菌屬，閃爍桿菌屬和Geotoga的超嗜熱生物體菌株并針對其產(chǎn)生發(fā)酵副產(chǎn)物乙醇，甲醇和氫的能力進行篩選。簡而言之，通過在YT培養(yǎng)基(酵母提取物[2.0g/升]，胰蛋白胨[4.0g/升]，Na2S2OJ0.6Ig/升]和ASN-1II鹽)中培養(yǎng)細胞48h來制備種子接種物。給含有補充了特定碳水化合物(葡萄糖，木糖，阿拉伯糖，半乳糖和/或甘露糖)的基礎(chǔ)培養(yǎng)基(胰蛋白胨(4.0g/升)，Na2S2O3 (0.61g/升)和ASN-1II鹽(人工海水鹽，含有 NaCl [29.8g/升]，MgCl2 [1.1g/升]，MgSO4 [2.0g/升]，CaCl2 [0.45g/升]，KCl [0.g/升]和Na2CO3[0.024g/升])(ρΗ7.0))的燒瓶接種10%種子培養(yǎng)基。然后用預(yù)先純化的N2凈化燒瓶并在150rpm的旋轉(zhuǎn)搖床中于90°C _110°C進行孵育。通過監(jiān)控660nm(0D660)處的光密度來觀察細胞生長。從頂部空間和培養(yǎng)基中收集樣品并通過GC分析發(fā)酵產(chǎn)物。
[0054]2.激烈火球菌和海棲熱袍菌`在廢棄物和生物質(zhì)基質(zhì)上的生長
[0055]超嗜熱古細菌激烈火球菌(生長范圍67_103°C，最佳生長在100°C)使用簡單和復(fù)雜的碳水化合物并將它們轉(zhuǎn)化成乙酸鹽，CO2和4。只有在元素硫(S。)的存在下，H2用來將硫還原成％3。指數(shù)生長的培養(yǎng)物產(chǎn)生~I μ mo ISchut等，2007, J.Bacteriol 189,4431-4441)。實驗室中的生長實驗顯示出對于良好的生長(2.2xl08細胞/ml )，菌株另外還需要蛋白胨和酵母提取物(如蛋白質(zhì)和維生素來源)。淀粉作為唯一碳源時，只觀察到差的生長(~5xl07細胞/ml)。
[0056]海棲熱袍菌是生長于55_90°C (在80°C生長最佳)之間的專性厭氧超嗜熱細菌。和火球菌一樣，它是海洋來源的并且在類似海水的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。棲熱袍菌是專性異養(yǎng)生物，優(yōu)先發(fā)酵碳水化合物或復(fù)合的有機物質(zhì)。通過棲熱袍菌的細胞懸浮液的葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生了 118molL- (+)乳酸鹽，47mol 乙酸鹽，54mol CO2 和 9mol H2 (Huber 等，1986, Arch.Microbiol.144,324-333)。已經(jīng)描述了棲熱袍菌目的一些成員，如多節(jié)閃爍桿菌(Patel等，1985Arch.Microbiol.141,63-69)和海島閃爍桿菌(Huber 等，Arch.Microbiol.1990,154，105-111)還產(chǎn)生乙醇。在葡萄糖上生長13小時后，多節(jié)閃爍桿菌形成~25 μ mol乙醇/IOml培養(yǎng)液(Patel等，1985)。顯示了在葡萄糖上生長的T.nodosum的發(fā)酵產(chǎn)物(每IOml培養(yǎng)物形成的微摩爾產(chǎn)物)的定量分析:乙醇10，乙酸鹽115，乳酸鹽162，CO2120和H2160/133微摩爾所消耗的葡萄糖。
[0057]兩種生物體都沒有將有機物完全氧化成C02?；|(zhì)中的碳被部分地轉(zhuǎn)化成可溶性化合物，如乙酸鹽和乳酸鹽。兩種生物體都產(chǎn)生少量的氫和可溶性化合物，乙酸鹽。已經(jīng)描述了熱棲菌的一些成員還能產(chǎn)生乙醇(閃爍桿菌)。因此，這些厭氧生物體具有合成富含能量的化合物如H2和乙醇的能力。在生物質(zhì)厭氧降解的過程中產(chǎn)生的CO2量顯著低于需氧方法過程中釋放的CO2,需氧方法將導(dǎo)致有機物完全氧化成C02。使用純培養(yǎng)物時或?qū)U物滅菌時，在該方法過程中不產(chǎn)生甲烷的形成。通過棲熱袍菌和火球菌(H2AX)2和乙酸鹽)的有機物的降解形成的終產(chǎn)物可能形成了另外的甲烷。乙酸鹽也可以轉(zhuǎn)化成甲烷，但是沒有描述過在乙酸鹽上生長的超嗜熱產(chǎn)甲烷菌。因此，不太可能的是在80至100°C進行發(fā)酵時從乙酸鹽形成甲烷。
[0058]目的是研究激烈火球菌和海棲熱袍菌作為降解廢產(chǎn)物的模式系統(tǒng)的潛能，和研究它們在生長過程中產(chǎn)生和釋放熱量的能力。在1001批培養(yǎng)物中研究各種廢產(chǎn)物的降解。在101個玻璃發(fā)酵罐中測量生長過程中的能量釋放。將該發(fā)酵罐的加熱系統(tǒng)進行改進來降低能量的輸入。通過使用含鋁外殼來隔開發(fā)酵罐并進一步通過苯乙烯來隔開。作為對照，還使用該系統(tǒng)測量了釀酒酵母的101個培養(yǎng)物的熱量釋放。
[0059]廢物的利用
[0060]
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 生物反應(yīng)器，所述生物反應(yīng)器含有生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體，其中所述生物質(zhì)選自農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，及其組合，并且所述超嗜熱生物體選自火球菌屬(Pyrococcus),熱球菌屬(Thermococcus),棲熱袍菌屬(Thermotoga),及其組合； 能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)選自燃料電池，燃燒裝置，熱電偶和熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述燃燒裝置包括蒸汽動力系統(tǒng)。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述蒸汽動力系統(tǒng)是蒸汽輪機或發(fā)生器。
5.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)包括熱泵。
6.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)是熱電偶，并且其中所述能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)進一步包括將水轉(zhuǎn)化成氫和氧的電解系統(tǒng)。
7.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中給所述的生物質(zhì)補充選自礦物質(zhì)源，維生素，氨基酸，能源和微生物提取物的細胞培養(yǎng)基成分。
8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述礦物質(zhì)源選自NaCl,MgSO4, MgCl2, CaCl2, KCl, NaBr,H3BO3, SrCl2, MnSO4, FeSO4, CoSO4, ZnSO4, CuSO4, KAl (SO4)2, Na2WO4 和 Na2SeO4,及其組合。
9.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述微生物提取物是酵母提取物。
10.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述能源是淀粉。
11.一種方法，包括: a)提供生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體，其中所述生物質(zhì)選自農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，及其組合，并且所述超嗜熱生物體選自火球菌屬(Pyrococcus),熱球菌屬(Thermococcus),棲熱袍菌屬(Thermotoga),及其組合； b)在使得產(chǎn)生熱量的條件下，在所述那群至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下，發(fā)酵所述生物質(zhì)； c)使用所述熱量來產(chǎn)生電力或加熱液體。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述液體是水，并且所述加熱產(chǎn)生蒸汽。
13.權(quán)利要求12的方法，其中將所述蒸汽用來驅(qū)動蒸汽輪機，以產(chǎn)生電力。
14.權(quán)利要求11的方法，其中將所述加熱過的液體轉(zhuǎn)移至用于輻射熱的建筑中。
15.權(quán)利要求11的方法，其中通過熱電偶產(chǎn)生所述電力。
16.權(quán)利要求15的方法，其中將所述電力用于水的電解。
17.—種方法,包括: a)提供生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體，其中所述生物質(zhì)選自農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，及其組合，并且所述超嗜熱生物體選自火球菌屬(Pyrococcus),熱球菌屬(Thermococcus),棲熱袍菌屬(Thermotoga),及其組合； b)在使得產(chǎn)生降解產(chǎn)物的條件下，在所述那群至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下，降解所述生物質(zhì)。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述降解產(chǎn)物選自氫，甲烷和乙醇。
19.權(quán)利要求17的方法，進一步包括將所述降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成能量的步驟。
20.權(quán)利要求19的方法，進一步包括在燃料電池中使用所述氫。
21.權(quán)利要求19的方法，進一步包括在燃燒裝置中使用所述甲烷或乙醇。
22.用于減少二氧化碳排放的方法，包括: a)提供生物質(zhì)和一群至少一個屬的超嗜熱生物體，其中所述生物質(zhì)選自農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，及其組合，并且所述超嗜熱生物體選自火球菌屬(Pyrococcus),熱球菌屬(Thermococcus),棲熱袍菌屬(Thermotoga),及其組合； b)在所述那群至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下，厭氧降解所述生物質(zhì)來產(chǎn)生用于廣生能量的基質(zhì)； c)從所述基質(zhì)產(chǎn)生能量，其中與所述生物質(zhì)材料的需氧降解相比較，減少了二氧化碳排放。
23.用于產(chǎn)生碳信用的方法，包括: a)提供生物質(zhì)和一群至少一 個屬的超嗜熱生物體，其中所述生物質(zhì)選自農(nóng)業(yè)廢產(chǎn)物，啤酒廠谷物副產(chǎn)物，食品廢料，有機工業(yè)廢料，林業(yè)廢料，及其組合，并且所述超嗜熱生物體選自火球菌屬(Pyrococcus),熱球菌屬(Thermococcus),棲熱袍菌屬(Thermotoga),及其組合； b)在所述那群至少一個屬的超嗜熱生物體的存在下，厭氧降解所述生物質(zhì)來產(chǎn)生用于產(chǎn)生能量的基質(zhì)； c)在使得產(chǎn)生碳信用的條件下，從所述基質(zhì)產(chǎn)生能量。
【文檔編號】C02F3/34GK103626300SQ201310433718
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2007年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2006年7月18日
【發(fā)明者】J·雷默賴特, M·湯姆 申請人:極高熱學(xué)控股公司