氢和甲烷混合产物的两相厌氧消化 Michael Cooney , Nathan Maynard , Christopher Cannizzaro , John Benemann 摘要 一个厌氧消化过程产生的氢气和甲烷在两个连续的阶段，分别地使用2和15 L工作容积的两种生物反应器。这个相对体积比（更短的保留时间在第二甲烷生产反应堆）被选中在某种程度上以第二甲烷生产反应堆测试相分离可以增强新陈代谢的假设。反应器系统为传统厌氧污泥消化池，以葡萄糖、酵母膏、蛋白胨为底物，相对较低混合的操作条件下模拟完整的全面运行。两级总共9个稳定状态，对底物的浓度、稀释率、底物碳氮比和融合的程度进行调查。本文就两级处理的性能和潜在生产清洁可燃烧的氢和甲烷的混合物的实际应用进行了讨论。 2006爱思唯尔有限公司保留所有权利。 关键词:生物氢气,甲烷,厌氧消化,可再生能源;产乙酸菌,产烷生物1. 介绍 生物氢燃料生产是一项具有挑战性的生物技术领域。光生物学的过程，微藻类和微光合细菌分别从阳光和水或有机基质中任一个产生氢气，研究了几十年,但受到许多实际和基本的限制(Benemann, 1997; Levin et al., 2004; Nath and Das,2004)。黑暗细菌的氢发酵和有机基质也有局限性，主要是相对氢的低收益率获得直到现在，通常只有10 - 20%,最多30%,衬基底的能量转化为氢燃料l (Das and Veziroglu, 2001; Van Ginkeland Logan, 2005)。相比之下,获得商业乙醇或沼气发酵有80 - 90%的收益率(Claassen et al., 1999)。原则上通过代谢工程得到更高的收益率可能是可实现的,(Hallenback and Benemann, 2002; Keasling et al., 1998)但是，到目前为止,没有已报告的重大改进的收益率。 甲烷发酵,又称厌氧消化，主要涉及联盟两种类型的细菌：所谓的引起酸化的细菌分解成主要基质H2,乙酸和CO2,产甲烷菌转换成乙酸、H2和CO2、甲烷气体。各种各样的更高的有机酸，比如丙酸,酪酸和乳酸,以及醇类和酮类，也形成了分解有机底物高度多样化的种群一般被称为抑制产酸菌。然而,在良好的操作过程中,然而,在一个良好的操作过程中,这些产品主要是转化为乙酸、氢气,反过来,然后转化为沼气。这个过程的关键是产乙酸细菌产生的H2迁到一个非常低的分压，典型的在物质的量浓度范围，由产甲烷菌,从而允许否则热力学不利的代谢更高的有机酸、醇类乙酸及氢气(Belaich et al., 1990)。结果共生关系是一个全面的高产的可发酵底物到甲烷转化燃料与最多微量氢气的存在于气相(Ferris,1993)。事实上,即使是少量的氢( 0.1%)的气相显示一个出了故障的过程中,由于过载、毒性、或其他因素使共生关系失衡,一般随后停止产甲烷。然而,两种反应,形成的有机酸和氢气和甲烷,可至少部分被分离成单独的生物反应器串联,第一个，更小的反应器生产有机酸、氢气和二氧化碳,而第二,还有更大的反应器生产甲烷及二氧化碳。这样的两相厌氧消化时提出了优化的一种方式生长的每个类型的细菌在分开的反应器,特别是产乙酸菌生长在一个较低的pH值(例如:5 - 6)和短水力停留时间(通常1 - 2天)在第一阶段,而较慢生长的产甲烷菌阶段,需要一个更中性的pH值,优先培养在第二阶段中,随着水力停留时间较长(通常是10 - 20天),( Blonskaja et al., 2003;Demirel and Yenigun, 2002; Pohland and Ghosh, 1971)。然而,如上所述,厌氧消化共生相互作用两种一般类型的细菌种群,以产甲烷生物为食进行有效的去除,废品(氢气及乙酸)的引起酸化的细菌。因此这两个基本过程分离一般不显著加快或提高整体产甲烷,尽管它可能有一些优势使过程更加耐冲击负荷。在早期的工作对两相厌氧消化,气体,氢和二氧化碳,产生于第一阶段被转移到第二阶段转换成甲烷,而且,事实上,一些在第一阶段测量产气量的文献报道。然而,由于新兴的兴趣和燃料电池氢燃料, 近年来在黑暗的氢气发酵已经有大量的研究 (Das and Veziroglu, 2001; Hallenback and Benemann, 2002; Levin et al., 2004),从本质上讲,对应的第一阶段两相厌氧消化工艺等。然而,如前所述,在所有这些研究之后,该整体氢气收益率低,只有10 - 20%的能量被转换基质氢燃料与其余转化为有机酸和其他产品。许多作者提出了利用光合细菌转换这些氢气燃料副产物,可以显示出高产、虽然太阳能转换效率很低(Miyake,1998),使这种方法不切实际。在第二个生产沼气反应器已被推荐另外一个方法(Benemann,1998), 最近出现一些努力做这样的双重氢气和甲烷产品(Benemann et al., 2004; Kramer and Bagley, 2004)。然而,如果产氢气是客观的,是更直接和似乎有理的甲烷气体通过正常的厌氧消化,然后把这种燃料氢气通过传统的转化的过程。近期的一个潜在的实际应用两相厌氧消化是产氢气和甲烷的混合物。氢气和甲烷混合物,范围氢气为10 - 30%,甲烷为90 - 70%,在一个立方体的基础上,用已知氮氧化物排放低得多内燃机,这允许使用这样的燃料地区是严格规范了氮氧化物的排放量(Bauer and Forest, 2001; Collier et al., 1996)。在这里我们解决氢气和甲烷混合在两相厌氧消化工艺,采用一个模拟的高碳水化合物废水混合所得细菌种群传统厌氧消化池设计用来模拟在操作条件下的一个一般的过程。2方法2.1 两级厌氧生物反应器系统两级厌氧生物反应器系统(图1),包括一个4.7升的树脂缸覆盖(DS5300-9609, Nalgene, Rochester, NY)第一(“hydrogen-production,”)反应器和一个18.8升的树脂缸覆盖(DS5300-9212, Nalgene)第二( methane-production”)反应器。工作容积分别为2.0和15.0 L。所有连接是用聚四氟乙烯管(890 FEP, Nalgene)和不锈钢尼龙压缩配件(Swagelok Co., Solon, Ohio)。反应器入侵检测系统盖子的压缩攻击O型密封圈使用两种钢板放置上方和下方反应器和螺栓在发生在四个角。组合反应器进行煤气泄漏独立引入氮气通过气体喷射口和排气管放置在量筒底45.0厘米充满水(对应于一个压头大约0.05 bar或0.67 psi)。停止后气体氮流量水平排管浮水保持至少一个小时不变,表示没有明显的气体泄漏。反应器混合被放置在每个反应器磁搅拌对(PC-310, Corning Inc., Corning, NY)和搅拌1.5英寸。当产氢产甲烷反应器各自独立运行(non-integrated operation), 污水来自每个反应器蠕动泵分离废弃的瓶子。当操作一个两相的过程(“一体化运作”), 污水从第一个反应器被泵注入了第二个反应器。在这两种情况下,蠕动泵是通过反应器的管安置的表面下的反应器液体,避免了这两个之间的交换气体反应器、泡沫分离和相关的有关系的工件。液体高度,从而在两个反应器反应器容量,因此控制电导率传感器的在液体达到顶端的传感器启动一个蠕动泵,。在这些试验中,在第一(生产氢气)反应器电导率传感器集保持高度的工作容积2.0 L而第二(生产甲烷)反应器的高度调整到15.0 L的工作量。饲料媒介在一个聚乙烯水槽容量的114.0 L,保持在5与内在铝线圈换热器(EX11, Aquatic Eco-systems Inc., Apopka, FL)连接到外部,设定的控制cryostat(Ultratemp,2000,Julabo Labortecknic、德国)和混合磁搅拌棒。在两个反应器混合是故意低能更好地反映条件的工业规模系统, 在实验生物反应器通常应用高混合率是不能接受的。饲料套管日常或每2天根据需要被替换。氮气是不断通过介质壳有助于维持厌氧环境。饲料媒介通过蠕动泵由反应器被送到聚四氟乙烯管(101U/R, WatsonMar-low Ltd., Cornwall, England)。泵的校对和饲料是利率定期验证。在两个反应器温度和pH被限制在一个MicroDCU单元(B. Braun Biotech Inc., Allentown,PA),不断记录通过RS232串联接口连接到外部戴尔电脑(Dell,Texas USA)。温度是原位测量使用PT - 100进行了探查和pH与整体探头(Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland)维持在350.1在两个反应器采用200 W 和450 W发热管(McMaster-Carr, Los Angeles, CA) 分别在第一和第二反应器。在第一个反应器pH值控制在5.5，在第二个反应器通过自动化添加氢氧化钠到7.0。基地的浓度为2.0M,但是在这个实验中使用大量的饲料的浓度被增加到4.0和6.0M。总碱的消耗的计算记录“准时”的基础和基地消耗率泵根据最小平方回归的数据根据时间在60分钟的间隔。在数据计算了1或2分钟间隔和使用实验室的观点。为每一个稳定状态,利率(gas evolution,base addition)是一个24小时的平均数据,期间展现出一致性的时候,并没有显示出机械或其他干扰(发泡、堵塞、缺乏混合线路、电力中断)。稳态假设已达到至少两个完整的停留时间(即反应器体积)过去了,气体进化速率(大约二十小时一周期)有同样的测试值稳定超过三天。2.2 媒介,接种剂和启动标准的媒体用于批量和连续实验包括(每升):10.0克葡萄糖,1.5 gK氢气PO4, 1.67 Na2HPO4, 0.5 NH4Cl, 0.18 MgCl6 氢气O,2.0 g酵母提取物、2.0 g为原料,消泡剂 0.02毫升(Sigma)。在一些实验中这种媒介通过修改或增加饲料葡萄糖浓度的浓度增加一倍,每公升酵母为原料(称为2N而不是1 N为标准中)所描述的。碳氮比计算公式计算了各媒介合计碳和氮(每升)由葡萄糖、氯化铵为原料、酵母膏。氮和碳的贡献(每升)从为原料(15.4%N、31.5% C)和酵母膏(18% N和32% C)的贡献估计合计碳和氮组件 (如氨基酸、酪蛋白等)在每一个按提供的构图分析制造商。C:N组分摩尔比标准的媒介是7.59。厌氧消化池污泥收集夏威夷污水处理装置(Hawaii Kai, HI)和储存在4到5.0毫升的混合污泥被用来接种两反应器。没有预处理(例如,加热帮助选择孢子形状厌氧菌)并将其应用, 在相对较短的初期能更好地反映大规模的过程中细菌的数量将会主导自选。建立产甲烷培养,第二个反应器与第一个各自独立运行,通过直接输入标准媒介的流动速率大大增加。一次甲烷体积比例可达50%出水从第一个产氢反应器代替慢慢去习惯第二反应器媒介饲料,最终实现一个完全集成的操作两相厌氧消化工艺。对批量的培养,每一个反应器四分之一废气的体积和添加新的标准媒介,在5分钟的时期。简述了核反应器和N2气含氧量高才被封存、液体和气体相位测量启动,在连续培养试验。2.3 进化速率测量气体产气速率从每一个反应器在线使用高精度测量燃气表建立内部组成的一个压力传感器、三向式电磁阀、镇流器室和电路板。这是与燃气表校准蠕动泵送到一个精确的气体的排放量超过一个规定的时间间隔测量数字流量计(model 520, Fisher Scientic),给一个线性响应率对比阀门气体流量。标定后的燃气表连接了头部空间的反应器。燃气计量表的反应不扰乱关于行动的液