專利名稱：：過量產(chǎn)氫的方法過量產(chǎn)氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明屬于氫產(chǎn)生的領(lǐng)域。背景和現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)致C02、SOx及NOx生成的化石燃料的過度燃燒是全球變暖和酸雨的一個主要原因，所述全球變暖和酸雨已經(jīng)開始影響到地球的氣候、天氣、植被和水生生態(tài)系統(tǒng)。氫是最清潔的能源，產(chǎn)生作為它的唯一燃燒產(chǎn)物的水?？梢詮闹T如生物質(zhì)和水的可再生原料中產(chǎn)生氫。因此，氫是化石燃料的潛在清潔能源替代物。盡管氫作為燃料有所述的"綠色"性質(zhì)，但它仍然主要由諸如基于天然氣和石油的碳?xì)浠衔锏姆强稍偕鷣碓赐ㄟ^蒸氣轉(zhuǎn)化產(chǎn)生，并且只有4%使用電解由水生成。然而，這些方法是高度能量密集的，且并不總是環(huán)境無害的?？紤]到這些觀點，生物學(xué)氫產(chǎn)生作為可選擇的能源極其重要。生物質(zhì)或基于碳?xì)寤衔锏牡孜锏陌l(fā)酵與光合或化學(xué)途徑相比，呈現(xiàn)了有前景的生物氫產(chǎn)生途徑。包括葡萄糖、淀粉和纖維素的純底物以及不同有機廢料可以用于氫發(fā)酵。眾多微生物物種中，諸如梭狀芽孢桿菌和腸道菌的嚴(yán)格厭氧生物和兼性厭氧化能生物是氫的有效產(chǎn)生者。盡管有較高的產(chǎn)氫速率，但使用發(fā)酵方法，氫產(chǎn)量是每摩爾葡萄糖4摩爾H2，低于使用其他方法達(dá)到的氳產(chǎn)量；因而，所述方法以它目前的形式不是經(jīng)濟可行的。文獻(xiàn)中引用的途徑和實驗證據(jù)揭示從諸如葡萄糖的底物中可以獲得最多4摩爾的氫。通過所有已知的微生物途徑進(jìn)行的葡萄糖的發(fā)酵在理論上可以產(chǎn)生多達(dá)每摩爾葡萄糖4摩爾的氫。研究者僅通過使用酶達(dá)到了基于4摩爾H2力擎爾葡萄糖的96.7%的轉(zhuǎn)化效率。氫的發(fā)酵產(chǎn)生的主要挑戰(zhàn)是通常僅有15%的來自有機來源的能量可以以氫的形式被獲得。盡管33%的轉(zhuǎn)化效率對從葡萄糖產(chǎn)生氫在理論上是可能的(基于每摩爾葡萄糖最多四摩爾氫)，但在分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵條件下，通常獲得的只有該效率的一半。如果產(chǎn)生兩分子乙酸鹽，只能從葡萄糖獲得4摩爾氫，然而當(dāng)丁酸鹽是主要的發(fā)酵產(chǎn)物時，只有2摩爾氫被產(chǎn)生。通常，在糖發(fā)酵過程中60%-70%的所述水相產(chǎn)物是丁酸鹽。這是因為在反應(yīng)器內(nèi)的高H2壓導(dǎo)致負(fù)責(zé)將丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化成乙酸鹽的兩種酶，丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶和丙酮酸曱酸裂解酶的抑制。因而，約10-Satm的低氫壓對于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化效率是必需的。最近已經(jīng)報道了嗜熱生物體，所述生物體可能能夠?qū)崿F(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化效率。然而，它產(chǎn)生氫的生化途徑是未知的，且高的氫產(chǎn)生轉(zhuǎn)化的宣稱還沒有被獨立驗證或被表明是經(jīng)濟的。細(xì)菌的遺傳工程學(xué)可以增加氬回收。然而，即便被諸如梭狀芽孢桿菌的細(xì)菌使用的生化途徑被成功修飾以通過最優(yōu)化乙酸的產(chǎn)生增加氫的產(chǎn)生，最大的轉(zhuǎn)化效率仍然低于33%?？紤]到上述缺點，申請人努力開發(fā)導(dǎo)致從葡萄糖產(chǎn)生更多氫的方法。本發(fā)明目的本發(fā)明的目的是開發(fā)在發(fā)酵過程中增加氫產(chǎn)生的方法。本發(fā)明的另一個目的是開發(fā)實施上述方法的反應(yīng)器。申請中使用的縮寫VFA-揮發(fā)性脂肪酸附圖簡要說明圖1具有用于捕獲厭氧發(fā)酵期間釋放的質(zhì)子的電極的電生化反應(yīng)器的示意性代表圖。本發(fā)明詳細(xì)描述因此，本發(fā)明揭示了增加發(fā)酵過程中氫產(chǎn)生的方法。為了達(dá)到相同目的，開發(fā)電生化反應(yīng)器以通過應(yīng)用電荷捕獲質(zhì)子，所述電荷在發(fā)酵的產(chǎn)酸相生成。所述的氫產(chǎn)量低且其背后的原因是較高的氫分壓，這在發(fā)酵氫產(chǎn)生的現(xiàn)有技術(shù)中是明顯的。較高的產(chǎn)量需要維持反應(yīng)器中低的氫分壓以使所述反應(yīng)在熱力學(xué)上利于丙酮酸鹽向乙酸鹽而不是向諸如丁酸鹽的其它還原終產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。同樣，發(fā)酵過程中形成的所述質(zhì)子降低了所述發(fā)酵肉湯的pH，從而降低了氫產(chǎn)生速率。多種策略(例如，氮鼓泡)已經(jīng)被報道用于氫的移除。這些方法中的大多數(shù)還需要從汽提的惰性氣體中分離氫，由此增加所述氫產(chǎn)生的成本。然而，現(xiàn)有技術(shù)中沒有一個給出捕獲所述過多的質(zhì)子且將其轉(zhuǎn)化為分子氫并且由此增加氫從底物的轉(zhuǎn)化比率的線索。在所述發(fā)酵肉湯中生成的質(zhì)子在負(fù)電極被轉(zhuǎn)化為氫，并且如果被同時移除的話，不但使所述系統(tǒng)維持低的氫分壓和恒定的pH，而且增加了氫產(chǎn)生的量。通過激活諸如將丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化為乙酸鹽(每摩爾葡萄糖生成4摩爾氫的關(guān)鍵前提)的丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶和丙酮酸曱酸裂解酶兩種氬阻遏的酶，作為低氫分壓的結(jié)果，這反過來增加了氫產(chǎn)生速率。本發(fā)明提出系統(tǒng)，由此在厭氧過程的產(chǎn)酸相生成的質(zhì)子能夠被轉(zhuǎn)化為氫并且因此增加在異養(yǎng)發(fā)酵中氫的產(chǎn)量。因此，氫的產(chǎn)量會高于化學(xué)計量上可能的最大產(chǎn)量。下面是在異養(yǎng)發(fā)酵(HF)的葡萄糖分解過程中發(fā)生的反應(yīng)。在厭氧發(fā)酵罐中的上述反應(yīng)清楚說明4摩爾的分子氫可以從l摩爾的葡萄糖獲得。本發(fā)明的所述方法誘捕所述過剩的質(zhì)子(4H+)且將它們轉(zhuǎn)化成分子氫，從而增加所述產(chǎn)量。所述四個質(zhì)子(4H+)在剛好在乙酸形成前的過渡相期間被捕獲。所述兩個質(zhì)子是乙酸鹽離子的配對物，且剩下的兩個是重碳酸鹽離子的。在正常條件和常規(guī)的發(fā)酵過程下，所述游離質(zhì)子與乙酸鹽離子結(jié)合以形成乙酸且最終與重碳酸鹽結(jié)合以最終形成H20和C02。在應(yīng)用電流時，所述游離質(zhì)子被轉(zhuǎn)化為分子氫，所述分子氫隨后被帶入氣體收集室。通過捕獲質(zhì)子，在所述厭氧發(fā)酵中維持低的氫大氣壓，這反過來有助于所述微生物活化丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶和丙酮酸曱酸裂下面的示意圖代表解釋質(zhì)子的來源和將那些質(zhì)子轉(zhuǎn)化成分子氫的沖幾制的示意圖。不穩(wěn)定相，即剛好在乙酸形成之前，生成了CH3COCT和2HC(V。由于所述離子態(tài)很不穩(wěn)定，所以這些負(fù)電荷離子傾向于與質(zhì)子結(jié)合成乙酸。本發(fā)明提出捕獲這些質(zhì)子以防止乙酸形成，且隨后在應(yīng)用適度電流時，這些質(zhì)子被轉(zhuǎn)化為分子氬。所述乙酸濃度沒有降低，這說明H+離子的生成不是由于乙酸的分解，而是剛好在發(fā)酵過程中的乙酸形成前。復(fù)雜碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜岬牧鞒淌疽鈭D。該流程圖證明了4個質(zhì)子(4H+)的生成。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>因此，本發(fā)明提供在異養(yǎng)發(fā)酵過程中過量產(chǎn)生氫的方法，所述方法包括下述步驟a)在厭氧條件下于營養(yǎng)培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物，且允許在25。C至40°C范圍的溫度下，于包括帶電電極的發(fā)酵罐中進(jìn)行36小時至72小時的發(fā)酵，以及b)通過將電荷應(yīng)用到所述電極且將發(fā)酵期間生成的質(zhì)子選擇性地吸引到所述電極來捕獲所述質(zhì)子，以產(chǎn)生分子氫，以及收集所述分子氫和發(fā)酵期間由所述微生物產(chǎn)生的氫。在本發(fā)明的另一實施方案中，所述溫度是37。C。仍在本發(fā)明的另一實施方案中，所述營養(yǎng)培養(yǎng)基選自包括糖和可發(fā)酵有機酸的組。也在本發(fā)明的另一實施方案中，所述糖選自包括己糖、戊糖的組。本發(fā)明還提供了用于異養(yǎng)發(fā)酵過程的生物反應(yīng)器。所述生物反應(yīng)器包括a)發(fā)酵容器,b)至少一個電極，所述電極在電勢化時適于選擇性地捕獲所需帶電粒子，c)收集所述氣體的出口，以及d)任選地包括貯存所產(chǎn)生氫的裝置。在本發(fā)明的另一實施方案中，涉及從發(fā)酵罐捕獲在發(fā)酵罐中的生化反應(yīng)期間所產(chǎn)生的過多帶電粒子的方法，所述方法包括將電極導(dǎo)入所述發(fā)酵罐，通過將電荷應(yīng)用到所述電極且將所需的帶電粒子選擇性地吸引到所述電極以及從所述包覆的電極誘捕所述帶電粒子來捕獲帶電粒子。此外，在本發(fā)明的另一實施方案中，所述電極可以任選地凈皮氣體可滲透膜包覆。圖l顯示電生化反應(yīng)器[A],所述電生化反應(yīng)器用于通過捕獲厭氧發(fā)酵/消化期間釋放的質(zhì)子以及同時從所述系統(tǒng)中移除氫來增加氫的產(chǎn)生，所述反應(yīng)器包括含有連接到電勢[B](直流電)的用于在帶負(fù)電荷的電極或陰極捕獲質(zhì)子的兩個電極[E1]和[E2]的發(fā)酵罐，以及用于收集在帶負(fù)電荷的電極生成的氫的氣體收集器[F]。[C]代表進(jìn)料泵的入口，同時[D]代表收集用過的培養(yǎng)基的出口。所述C和D僅被用于連續(xù)發(fā)酵。泵也可以用于收集所述反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體。表l由梭狀芽胞桿菌ATCC824產(chǎn)生的氫以及與對照相比氫的增加百分比。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>c-對照(含有培養(yǎng)基+培養(yǎng)物)E二實驗(培養(yǎng)基、培養(yǎng)物和電極)實施例通過對實際實踐中進(jìn)行本發(fā)明的說明給出了下面的實施例，并且因此所述實施例不應(yīng)該解釋為限制本發(fā)明的范圍。實施例l用于本發(fā)明所用培養(yǎng)物的生長和生物質(zhì)生成的培養(yǎng)基具有下述成分■牛肉浸出膏蛋白胨葡萄糖氯化鈉結(jié)晶HC1蒸餾水45g/120g/12g/15g/10.5g/11000ml用于氫產(chǎn)生的培養(yǎng)基組合物包含下述成^蛋白酶蛋白胨5g/1KH2P04:2g/1酵母浸出膏0.5g/1七水硫酸鎂0.5g/lL-胱氨酸鹽酸鹽1g/1葡萄糖10g/1蒸餾水1000ml實施例2l升含有20g/l葡萄糖和必需營養(yǎng)物且接種梭狀芽孢桿菌物種純培養(yǎng)物的滅菌培養(yǎng)基在30。C的恒定溫度下于2升發(fā)酵罐中進(jìn)行厭氧發(fā)酵。l升含有20g/l葡萄糖和必需營養(yǎng)物且接種具有登錄號梭狀芽孢桿菌ATCC824和梭狀芽孢桿菌cellulovoronBSMZ3052的梭狀芽孢桿菌物種純培養(yǎng)物的滅菌培養(yǎng)基在30。C的恒定溫度下于2升電生化反應(yīng)器(圖l)中進(jìn)行厭氧發(fā)酵。應(yīng)用的陰極電勢是2.0V至4V,同時電流密度是0.3mA至3.0mA?？偘l(fā)酵時間是48小時且產(chǎn)生的總氣體被收集在基于液體置換技術(shù)的常規(guī)氣體收集系統(tǒng)中。使用氣相色譜儀(電子捕獲探測器)在parapakQSS柱上分析氣體的氫含量。在無電極的情況下，即，使用常規(guī)的發(fā)酵罐和所述實驗中使用的相同微生物進(jìn)行平行對照實驗，以評價本發(fā)明中公開的質(zhì)子捕獲的功效。在只有電極的情況下，使用用于所述實驗但無培養(yǎng)物的培養(yǎng)基也進(jìn)行發(fā)酵以確定H2的正在生成是否是因為將電流應(yīng)用到培養(yǎng)基(見表1)。既然氳的產(chǎn)生是可以忽略的，申請人沒有用培養(yǎng)基和電極進(jìn)行另外實驗。通過上述實施例可以注意到，通過在約l(T3atm的^f氐氫壓下捕獲多種底物的厭氧發(fā)酵/消化期間所釋放的質(zhì)子，電生化系統(tǒng)可以被用于增加氫的產(chǎn)生。陰極的質(zhì)子捕獲起到雙重作用所述捕獲會增加氫的產(chǎn)生，同時將所述pH維持在接近中性(約7.0)條件。本發(fā)明的交叉特征是為了增加氫的產(chǎn)生，使用帶電電極捕獲多種底物的厭氧發(fā)酵/消化期間所生成的質(zhì)子，同時使用變異的培養(yǎng)物，其中與由于pH的降低和氫的積累受限的常規(guī)發(fā)酵氫產(chǎn)生相比，將丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化為乙酸鹽的酶對氫不敏感。另外，從電生化反應(yīng)器中獲得的氫氣的純度與由常規(guī)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣的純度相比是高的。優(yōu)勢1.與常規(guī)厭氧發(fā)酵方法相比，增加的氬產(chǎn)生，這歸因于捕獲多種底物的厭氧消化期間所生成的質(zhì)子以及將pH維持在防止發(fā)酵肉湯中的過量酸度的約7.0。2.捕獲從所述發(fā)酵肉湯生成的質(zhì)子，這會因而有助于維持所述pH而不加入堿，以及也導(dǎo)致所述反應(yīng)速率的增加。3.維持在約1(T3atm的低氫壓下的電生化反應(yīng)器可以被用于通過多種底物厭氧發(fā)酵及厭氧消化期間的質(zhì)子捕獲來增加氫的產(chǎn)生。4.微生物混合組合的使用使所述方法與純發(fā)酵微生物相比，容易操作且不需滅菌所述底物。權(quán)利要求1.異養(yǎng)發(fā)酵過程中過量產(chǎn)生氫的方法，所述方法包括下述步驟:a.在厭氧條件下于營養(yǎng)培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物，且允許在25℃至40℃范圍的溫度下，于包括帶電電極的發(fā)酵罐中進(jìn)行36小時至72小時的發(fā)酵，以及b.通過將電荷應(yīng)用到所述電極并且將發(fā)酵期間生成的質(zhì)子選擇性地吸引到所述電極來捕獲所述質(zhì)子，以產(chǎn)生分子氫，以及收集發(fā)酵期間由所述微生物產(chǎn)生的氫和所述分子氫。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中在步驟(a)中所述溫度是37。C。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述營養(yǎng)培養(yǎng)基選自包括糖和可發(fā)酵有機酸的組。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述糖選自包括己糖、戊糖的組。5.用于異養(yǎng)發(fā)酵過程的生物反應(yīng)器，所述生物反應(yīng)器包括a)發(fā)酵容器，b)至少一個電極，所述電極在電勢化時適于選擇性地捕獲所需帶電粒子，c)收集所述氣體的出口，以及d)任選地包括貯存所產(chǎn)生氫的裝置。6.從發(fā)酵罐捕獲發(fā)酵罐內(nèi)生化反應(yīng)期間產(chǎn)生的過多帶電粒子的方法，所述方法包括將至少一個電極導(dǎo)入所述發(fā)酵罐，通過將電荷應(yīng)用于所述電極及將所需帶電粒子選擇性地吸引到所述電極并捕獲所述粒子來捕獲帶電粒子。全文摘要本發(fā)明提供在發(fā)酵過程中增加氫產(chǎn)生的方法，并且設(shè)計電生化以達(dá)到較高的氫產(chǎn)生。文檔編號C12M1/107GK101384696SQ200780005373公開日2009年3月11日申請日期2007年2月13日優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日發(fā)明者塔潘·查克拉瓦蒂,巴尼布萊塔·潘迪,桑德普·納拉揚·穆德里爾,皮達(dá)帕特里·塞沙薩德里·薩斯特瑞,蘇庫馬爾·德沃塔,蘇雷什·庫馬爾·馬努孔達(dá),阿圖爾·阿拉亞勞·維迪雅申請人:龍樹能源私營公司