用于生產(chǎn)甲烷的工具和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)甲烷的固態(tài)發(fā)酵方法以及用于所述方法中的生物反應(yīng)器和固體載體。
【專利說(shuō)明】用于生產(chǎn)甲燒的工具和方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)甲焼的固態(tài)發(fā)酵方法，并涉及用于所述方法中的生物反應(yīng)器 和固體載體。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 甲焼（CH4)是簡(jiǎn)單的焼姪碳氨化合物，是天然氣的主要組分。其是有吸引力的燃 料，非常適合現(xiàn)存的基礎(chǔ)設(shè)施。例如，其可W通過(guò)進(jìn)料至在許多國(guó)家具有一年或兩年儲(chǔ)氣容 量的現(xiàn)存燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)中而直接用于家庭和商用建筑供熱。甲焼還可W用于發(fā)電或者在燃 氣車輛中用作運(yùn)輸燃料。
[0004] 可W通過(guò)在S油atier反應(yīng)；C02+4H2 -邸4+2&0中使二氧化碳與氨氣反應(yīng)產(chǎn)生甲 焼。該反應(yīng)可W通過(guò)兩種可選途徑進(jìn)行催化：在數(shù)百攝氏度的溫度下利用金屬催化劑進(jìn)行 無(wú)機(jī)催化，或者在數(shù)十?dāng)z氏度下進(jìn)行微生物催化。
[0005] 由于所需的操作溫度非常高而且氨氣有易爆性質(zhì)，在無(wú)機(jī)催化劑中生產(chǎn)甲焼是一 項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作。此外，所需的溫度控制消耗能量，因而降低了系統(tǒng)的凈效率。該些缺點(diǎn)可 W通過(guò)使用微生物催化的甲焼發(fā)酵生物反應(yīng)器而避免。
[0006] 在任何生物反應(yīng)器中影響微生物活性的普遍的環(huán)境因素包括水含量、溫度、pH、溶 解氧和其他氣體的分壓、營(yíng)養(yǎng)狀況和同質(zhì)程度。傳統(tǒng)上來(lái)講，發(fā)酵過(guò)程在液體中或潮濕的固 體顆粒上進(jìn)行。機(jī)械振蕩或攬拌是增強(qiáng)生物反應(yīng)器中氣體和其他物質(zhì)的轉(zhuǎn)移的最常見途 徑。結(jié)合振蕩的液體發(fā)酵提供了易于控制的生物反應(yīng)器。但是該類生物反應(yīng)器十分昂貴， 并且振蕩消耗大量能量。如果生物反應(yīng)器使用氣態(tài)底物和/或產(chǎn)生氣態(tài)終產(chǎn)物，那么在低 成本下保證有效的氣體轉(zhuǎn)移變得極其困難。此外，在液體發(fā)酵罐中形成廢水可能成為一個(gè) 特定的問題，尤其是如果生物反應(yīng)器產(chǎn)生水的情況。
[0007] 固態(tài)發(fā)酵方法提供超越液體發(fā)酵方法的幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。例如，在固態(tài)生物反應(yīng)器中，對(duì) 于微生物生長(zhǎng)是前提條件的水主要W吸附入或毛細(xì)結(jié)合于潮濕的固體顆粒上而存在。因 此，顆粒之間的空間中的水相是不連續(xù)的，而且大部分顆粒間空間被氣相充滿。該使得相對(duì) 易于通過(guò)施加壓力將氣態(tài)起始物質(zhì)進(jìn)料至到生物反應(yīng)器中。此外，任何氣態(tài)終產(chǎn)物可W通 過(guò)壓力差異排出系統(tǒng)。固態(tài)生物反應(yīng)器中無(wú)需振蕩，因此設(shè)備比液體生物反應(yīng)器簡(jiǎn)單地多。 此外，在潮濕的固體顆粒上可W獲得顯著密集的微生物生長(zhǎng)，使得發(fā)酵效率較高。在終產(chǎn)物 的單價(jià)較低的情況下，固態(tài)方法特別適用于大規(guī)模發(fā)酵過(guò)程和生物反應(yīng)器，因此目的是構(gòu) 建具有較低維持費(fèi)用的低成本生物反應(yīng)器。
[0008] 也存在一些與固態(tài)發(fā)酵相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)。例如，由于物理和化學(xué)環(huán)境條件的變化，微 生物生長(zhǎng)及其效力在固體顆粒上是不均勻分布的。由于固態(tài)生物反應(yīng)器不能通過(guò)攬拌同質(zhì) 化，微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的可利用度可能不均一，而且難W提供抑控制。此外，氣態(tài)物質(zhì)在生 物反應(yīng)器不同部分之間的通氣或轉(zhuǎn)移可能受限。該可能例如是由于冷凝水或者生物反應(yīng)器 中產(chǎn)生的水阻塞了顆粒間空間。另一方面，在生物反應(yīng)器不產(chǎn)生水的情況中，固體顆?？赡?由于重力或氣體流動(dòng)而變得干燥，因而降低微生物的發(fā)酵能力。
[0009] 已經(jīng)嘗試在固態(tài)生物反應(yīng)器中生產(chǎn)甲焼。例如，Jee等人在Biotechnology Letters (1988,第10卷=243-248)中報(bào)道了通過(guò)將產(chǎn)甲焼細(xì)胞固定到固體載體例如多孔陶 瓷上，能夠?qū)崿F(xiàn)由&和CA有效地生產(chǎn)CH4。然而，在長(zhǎng)期操作中，載體上產(chǎn)甲焼細(xì)胞的積累 會(huì)阻礙氣態(tài)底物均勻流過(guò)載體孔隙，該導(dǎo)致從馬和0)2的甲焼化逐漸減少。
[0010] 本發(fā)明目的在于避免常規(guī)固態(tài)生物反應(yīng)器的缺點(diǎn)，尤其是當(dāng)生物反應(yīng)包含氣態(tài)原 料和/或反應(yīng)產(chǎn)物并且期望較低的構(gòu)建和維持成本時(shí)。
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 本發(fā)明的一個(gè)方面涉及生物反應(yīng)器，其包括0)2分配系統(tǒng)、&分配系統(tǒng)、水收集系 統(tǒng)和C&收集系統(tǒng)，其中所述生物反應(yīng)器裝載有多孔固體載體，所述多孔固體載體中至少 10%的孔體積具有使得與游離水相比吸水力為約0. 01至約1. 0己的大小，并且其中將所述 固體載體接種產(chǎn)甲焼菌，所述生物反應(yīng)器包含固相、液相和氣相，其中氣相體積是生物反應(yīng) 器容積的20 %至80%。
[0013] 本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及通過(guò)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)甲焼的方法，其包括如下步驟；a)提 供根據(jù)本發(fā)明任意實(shí)施方案的生物反應(yīng)器，b)將C〇2和進(jìn)料至反應(yīng)器中，C)將所述0)2 和& W厭氧方式生物轉(zhuǎn)化為甲焼和水，和d)從生物反應(yīng)器中收集甲焼。
[0014] 本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及固體載體用于在固態(tài)發(fā)酵方法中由二氧化碳和氨氣生 產(chǎn)甲焼的用途，所述固體載體包括（i)顆粒，其中至少20%的顆粒的直徑為0. 1mm至10mm ; 扣）海綿結(jié)構(gòu)材料，其中其至少10%的孔隙的孔徑為0. 1mm至10mm ;或（iU)絲狀結(jié)構(gòu)材 料，其中對(duì)于其至少10%的絲間空間，絲間空間的直徑為0. 1mm至10mm ;或者其混合物。本 發(fā)明的特定實(shí)施方案陳述于從屬權(quán)利要求中。本發(fā)明的其他方面、細(xì)節(jié)、實(shí)施方案和優(yōu)勢(shì)將 由W下附圖、詳述和實(shí)施例而變得顯而易見。
[0015] 附圖簡(jiǎn)述
[0016] 下面將借助于優(yōu)選實(shí)施方案、參考所附附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中
[0017] 圖1顯示了示例性甲焼生物反應(yīng)器的圖示。
[001引發(fā)明詳述
[0019] 本發(fā)明涉及固態(tài)發(fā)酵（SS巧方法和生物反應(yīng)器，其中通過(guò)生長(zhǎng)于多孔固體載體上 的產(chǎn)甲焼菌將二氧化碳（C〇2)和氨氣化）轉(zhuǎn)化為甲焼（細(xì)4)和水。
[0020] 如本文中所使用，術(shù)語(yǔ)"產(chǎn)甲焼菌"是指屬于古菌域（domain Archaea)并且能夠 產(chǎn)生甲焼作為代謝副產(chǎn)物的厭氧微生物。產(chǎn)甲焼菌還可W被稱作產(chǎn)甲焼微生物。適用于本 發(fā)明的產(chǎn)甲焼菌的非限定性實(shí)例包括屬于甲焼桿菌屬（Methanobacter ium)的菌種，例如 甲酸甲焼桿菌（M. formicic州m)、德氏甲焼桿菌（M. defluvii)、單胞甲焼桿菌（M. oiTzae)、 沼澤甲焼桿菌（M. palustre)、M. subterraneum和熱曲折甲焼桿菌（M. thermoflexum)。本 文中，產(chǎn)甲焼菌可WW任意期望的混合物或組合形式或者作為單一產(chǎn)甲焼菌種的純培養(yǎng)物 使用。
[0021] 產(chǎn)甲焼菌可W從培養(yǎng)收集物中獲得，或者例如從如泥炭沼澤或苔薛沼澤的沼澤或 其他濕地中分離。本發(fā)明方法中產(chǎn)甲焼菌的選擇可W取決于多種因素，所述因素包括但不 限于如技術(shù)人員易于理解的特定產(chǎn)甲焼菌的營(yíng)養(yǎng)成分、溫度和抑需求。在一些實(shí)施方案 中，利用來(lái)源于北歐環(huán)境的產(chǎn)甲焼菌是具有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)槠錅囟刃枨笥欣Q言之，該種產(chǎn) 甲焼菌在較低溫度下效果良好，因此生物反應(yīng)器加熱所需的能量較少。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的生物反應(yīng)器包含H種主要相，即包含多孔固體載體的固相、包含發(fā) 酵過(guò)程中所產(chǎn)生的水的液相W及包含〇)2、&和C&的氣相。氣相的體積應(yīng)該為生物反應(yīng)器 容積的20%至80%，W獲得足夠大的液固界面。此外，氣相越多，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，因此生物 反應(yīng)器越有效。重要的是，固相在整個(gè)生物反應(yīng)器中均勻分布于分散的氣相中。
[0023] 毛細(xì)管傳導(dǎo)率和充足的固體載體間（inter-solid-support)的氣體體積限定了 氣體和液體流過(guò)固體載體的特性。需要足夠的毛細(xì)管傳導(dǎo)率，W確保氣體和液體轉(zhuǎn)移能夠 在發(fā)酵過(guò)程持續(xù)期間維持在期望水平。此外，生物反應(yīng)器中的濕度必須足夠高，W使產(chǎn)甲焼 菌在固體載體上生長(zhǎng)。另一方面，過(guò)高的含水量對(duì)于至少一些產(chǎn)甲焼菌類型是有害的，而且 通過(guò)充滿固體載體間的空間而阻斷氣體轉(zhuǎn)移。
[0024] 適用于本發(fā)明中的固體載體必須是多孔的，W獲得如本文中所描述的充分的發(fā)酵 條件。水通過(guò)來(lái)源于吸附和表面張力的毛細(xì)力結(jié)合于固體載體的孔隙中。結(jié)合強(qiáng)度可 壓力單位例如己表示。一個(gè)特定的孔徑對(duì)應(yīng)于一個(gè)確定的結(jié)合強(qiáng)度。假設(shè)孔隙是圓柱形管， 則充滿水的最大孔隙的半徑可W由W下等式計(jì)算：
[00巧]r = 2 Y /h P g
[0026] 其中r是孔隙半徑（m);
[0027] y是水的表面張力，即0. 073N/m
[002引 h是吸水力，W水柱高度（m)表示（水的毛細(xì)管勢(shì)的絕對(duì)值）；
[0029] P 是水密度，即 1000kg/m3 ;
[0030] g是重力加速度，即9. 81m/s2。
[0031] 該等式常常W簡(jiǎn)化形式表示：
[0032] D = 0. 3/h
[003引其中D是孔隙直徑（cm);和
[0034] h是吸水力，W水柱高度（em)表示（水的毛細(xì)管勢(shì)的絕對(duì)值）。
[00巧]適用于本發(fā)明中的固體載體應(yīng)當(dāng)是該樣的，即至少10%的孔隙體積具有使得與游 離水相比吸水力為約0. 01至約1. 0己的孔隙直徑。
[0036] 在一些實(shí)施方案中，固體載體可W包含或者采取顆粒形式，所述顆粒的直徑為 0. 1mm至10mm。在該范圍內(nèi)的任意顆粒大小或其任意組合均可用于本發(fā)明的方法和生物反 應(yīng)器中。適宜的孔隙平均直徑的非限定性實(shí)例在約lOnm至約lOOnm范圍內(nèi)，適宜的顆粒材 料包括但不限于包含幢石、改性幢石、幢石樣材料或合成幢石的材料混合物；合成的陽(yáng)離子 交換樹脂；多種泥炭類型；其他有機(jī)材料；W及其混合物，只要上述材料具有或提供本文中 描述的所需的物理和化學(xué)特性。特別重要的是，固體載體提供氣相，氣相體積為生物反應(yīng)器 容積的20%至80%并且均勻分布于整個(gè)生物反應(yīng)器中。在一些其他實(shí)施方案中，固體載體 可W包含或者采取海綿狀結(jié)構(gòu)的形式，所述海綿狀結(jié)構(gòu)具有至少10%的孔體積在約0. 1mm 至約10mm范圍內(nèi)的孔徑分布。適宜的海綿狀材料的非限定性實(shí)例包括合成海綿狀材料例 如泡沫塑料聚合物W及天然海綿。
[0037] 在又一些其他實(shí)施方案中，固體載體可絲狀結(jié)構(gòu)提供。在該種情況下，絲間空 間可W被看作是絲狀固體載體的孔隙，其直徑分布應(yīng)當(dāng)是至少10%的絲間空間在約0. 1mm 至約10mm范圍內(nèi)。
[0038] 適宜的絲狀材料的非限定性示例包括鋼絲棉。由于鋼絲棉不具有任何陽(yáng)離子交換 性質(zhì)，其可W提供于具有充分陽(yáng)離子交換性質(zhì)的顆粒的混合物中。可選地或另外地，鋼絲棉 可w用有機(jī)材料例如聚丙帰醜胺包覆或涂覆，w達(dá)到足夠的陽(yáng)離子交換性質(zhì)。
[0039] 多孔固體載體還可W是顆粒、海綿狀材料和絲狀物的任意混合物，只要其滿足本 文中示出的物理需求。
[0040] 固體載體的多孔性不僅影響生物反應(yīng)器中的潮濕條件，還為產(chǎn)甲焼菌提供大的附 著表面并且保護(hù)其不被沖洗掉。此外，多孔性增加了固體載體的比表面積。在一些實(shí)施方 案中，固體載體的比表面積為至少5mVg。
[0041] 較高的比表面積轉(zhuǎn)而導(dǎo)致多孔固體載體的離子交換能力較高。為了適用于本發(fā)明 的發(fā)酵方法中，固體載體應(yīng)當(dāng)具有較高的陽(yáng)離子交換能力，通常高于0. Immol/g。由于大部 分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是陽(yáng)離子的，固體載體的陽(yáng)離子交換性質(zhì)比陰離子交換性質(zhì)更加重要。然而，在 一些實(shí)施方案中，固體載體還可W具有陰離子交換性質(zhì)。在一些另外的實(shí)施方案中，陽(yáng)離子 交換能力和陰離子交換能力甚至可W是相互幾乎等同的。
[0042] 此外，較高的比表面積聯(lián)合較高的陽(yáng)離子交換能力使得形成生物膜。該轉(zhuǎn)而由于 較高的產(chǎn)甲焼菌含量而增加了發(fā)酵過(guò)程的效率。
[0043] 固體載體的上述性質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程中提供了充足的緩沖性質(zhì)。當(dāng)固體載體，由于其 陽(yáng)離子交換能力，能夠使氨氣和/或輕基離子與液相交換時(shí)，應(yīng)該無(wú)需額外控制pH。
[0044] 不適用于本發(fā)明中的固體載體包括就陽(yáng)離子交換能力而言無(wú)活性的材料。該類材 料的更具體的實(shí)例包括基于娃石的材料、基于木質(zhì)的材料、大部分塑料（除非其偶聯(lián)了活 性基團(tuán)）W及大多數(shù)石質(zhì)材料，例如長(zhǎng)石和石英。值得注意的是，盡管幢石W具有充分陽(yáng)離 子交換能力的形式存在，其不是單獨(dú)用于本發(fā)明生物反應(yīng)器中的適宜的固體載體材料。該 是因?yàn)槭褂脝为?dú)的幢石不能達(dá)到足夠的氣相體積。通過(guò)濕潤(rùn)和干燥效果的自發(fā)壓縮將使氣 相體積減少至低于生物反應(yīng)器容積的20%，即使在一些特定情況下可能達(dá)到稍微超過(guò)生物 反應(yīng)器容積的20%的初始?xì)庀囿w積。因此，如果將幢石施用于本發(fā)明的生物反應(yīng)器中，其需 要提供于與其他非平面材料例如珍珠巖的混合物中，W滿足氣相體積必須是生物反應(yīng)器容 積的20%至80%的需要。
[0045] 本發(fā)明的方法可W在例如玻璃、不鎊鋼或塑料罐或容器的生物反應(yīng)器中實(shí)施。生 物反應(yīng)器的材料應(yīng)當(dāng)是對(duì)于方法中所使用的產(chǎn)甲焼菌是沒有毒性的。生物反應(yīng)器的大小和 形狀可W在本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的范圍內(nèi)變化，該取決于不同的參數(shù)，例如固體載體材料 的選擇。優(yōu)選地，大小適于工業(yè)化規(guī)模的甲焼生產(chǎn)。生物反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)是低成本、易于操作且 可靠的。
[0046] 示例性生物反應(yīng)器顯示于圖1中。生物反應(yīng)器容器10的上端提供有C〇2分配系統(tǒng) 20和氨氣分配系統(tǒng)30,而該容器10下端提供有水收集系統(tǒng)40和C&收集系統(tǒng)50。生物反 應(yīng)器容器的底部覆蓋有碎石灰石層60,而容器的剩余部分裝載有本文中描述的多孔固體載 體材料70。生物反應(yīng)器容器被加熱水循環(huán)80包圍。
[0047] 生物反應(yīng)器可W提供有用于監(jiān)測(cè)所需參數(shù)例如反應(yīng)器中的溫度、抑和濕度的多個(gè) 感應(yīng)器。該類感應(yīng)器是本領(lǐng)域易于獲得的。生物反應(yīng)器還可W提供有用于監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器 的運(yùn)行和甲焼生產(chǎn)的產(chǎn)率的氣體分析儀。
[0048] 本發(fā)明方法的溫度控制可W例如通過(guò)使封閉的水循環(huán)系統(tǒng)與生物反應(yīng)器連接而 達(dá)到。該種系統(tǒng)可W提供對(duì)過(guò)程的加熱或冷卻，該取決于特定的產(chǎn)甲焼菌的需要。熱量在 水循環(huán)系統(tǒng)和生物反應(yīng)器之間通過(guò)傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移。用于調(diào)節(jié)本發(fā)明方法的溫度的其他工具和方 法是本領(lǐng)域熟知的。
[0049] 在本發(fā)明發(fā)酵方法中用作原料的二氧化碳可W從任何適宜的來(lái)源捕獲，包括但不 限于能量植物中的化石燃料例如煤、油或氣的燃燒W及其中二氧化碳作為多種非能量相關(guān) 活動(dòng)的副產(chǎn)物產(chǎn)生的工業(yè)設(shè)施。
[0050] 本發(fā)明方法中用作其他原料的氨氣可W由多種來(lái)源獲得。獲得高純度氨氣的另一 種非限定性途徑是通過(guò)使水電解成其組分氧氣和氨氣。重整過(guò)程和電解所需的能量可W由 例如可再生能源例如太陽(yáng)能、水能或風(fēng)能獲得。生產(chǎn)氨氣的工具和方法是本領(lǐng)域熟知的。
[0051] 在一個(gè)實(shí)施方案中，生物反應(yīng)器提供有氨電池，例如固體氧化物電解池（S0EC)。該 種電池是市售的或者可W如本領(lǐng)域已知而制造。
[0052] 二氧化碳和氨氣的分配系統(tǒng)可W如期望是分離的或組合的。然而，在進(jìn)料至生物 反應(yīng)器之前將該些氣體混合W避免氨氣爆炸的任何危險(xiǎn)可能是有利的。
[0053] 發(fā)酵過(guò)程在用于培養(yǎng)產(chǎn)甲焼菌的常規(guī)條件下實(shí)施，即其在厭氧條件下實(shí)施?？蒞 通過(guò)用非含氧氣體如氮?dú)?、二氧化碳、氨氣或支持厭氧環(huán)境的任何其他氣體進(jìn)行清掃或吹 掃，將氧氣從生物反應(yīng)器中清除。
[0054] 許多產(chǎn)甲焼菌需要額外的營(yíng)養(yǎng)成分例如氮、媒和/或鉆W生長(zhǎng)。該些物質(zhì)可W在 發(fā)酵過(guò)程期間供應(yīng)，或者優(yōu)選附著到如上所述的具有陽(yáng)離子交換能力的固體載體上而提 供，因而使得在該方面是自持的過(guò)程。氮可例如尿素或碳酸胺的形式給予。在一些實(shí) 施方案中，可W使用木灰為產(chǎn)甲焼菌提供額外的營(yíng)養(yǎng)成分。該些成分的特定濃度取決于所 使用的微生物。
[00巧]在一些實(shí)施方案中，可W通過(guò)加入碳酸氨軸增強(qiáng)發(fā)酵過(guò)程的效率。
[0056] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的功能性生物反應(yīng)器和發(fā)酵過(guò)程可W在短時(shí)間內(nèi)建立，例如 幾天。發(fā)酵過(guò)程建立并運(yùn)行后，生物反應(yīng)器將在數(shù)月或數(shù)年期間持續(xù)產(chǎn)生甲焼和水。在一 些實(shí)施方案中，生物反應(yīng)的效率可W超過(guò)每升數(shù)瓦特和/或所產(chǎn)生甲焼的純度可W高達(dá)至 少95%。生物反應(yīng)器W容積計(jì)算越有效，其大小可W越小。由生物反應(yīng)器收集的甲焼可W 用于任何期望的目的，包括但不限于如歐洲專利號(hào)1419234B中所描述用于生產(chǎn)蛋白。當(dāng)需 要時(shí)，其可W直接進(jìn)料至燃?xì)獾碾娔馨l(fā)電機(jī)中W轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)管道輸入家庭中W用于 民用加熱和烹巧的目的，用作化工業(yè)原材料，或者其可W用作運(yùn)輸燃料。當(dāng)需要時(shí)，可W將 甲焼液化，W能夠簡(jiǎn)便且低成本地運(yùn)送至市場(chǎng)，在那里使用前重新氣化。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)顯而易見的是，隨著科技進(jìn)步，本發(fā)明構(gòu)思可多種途徑實(shí)施。本發(fā)明及其實(shí)施方 案并不限于W下所描述的實(shí)施例，而是可W在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)變化。
[0057] 實(shí)施例1
[005引 圖1中描述的4. 4升直立生物反應(yīng)器由直徑為75mm、高度為1000mm的聚丙帰溝管 制造。將用于CA和&遞送的尼龍入口管安裝到管上部。管下部提供有兩個(gè)出口管，一個(gè) 用于收集氣體，另一個(gè)用于可能的維持步驟例如水的回收利用。溝管的下部覆蓋10cm厚的 碎石灰石層，生物反應(yīng)器的剩余部分填充有固體載體幢石。填充前，將2kg幢石與200g珍 珠巖、26. 3g木灰、0. 5g水合硫酸鉆（CoS04 '7&0)和0. 5g水合氯化媒（NiCl2 '6&0)混合。 用從先前的生物反應(yīng)器中獲得的2升產(chǎn)甲焼菌水性漿料接種生物反應(yīng)器，并儲(chǔ)存于經(jīng)生物 反應(yīng)器上部的入口粟入的Ch和&的混合物中。
[0059] 用水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行加熱。將加熱水的溫度調(diào)節(jié)至期望水平，通常是 52. 3 至 54. 8〇C。
[0060] 通過(guò)安裝到生物反應(yīng)器上部的尼龍入口管將收集罐中混合的C〇2和H,傳送至生物 反應(yīng)器中。在發(fā)酵過(guò)程初始，基于變量例如生物反應(yīng)器的干燥程度對(duì)馬遞送的比例和模式 進(jìn)行調(diào)整。
[006。 利用氣體分析儀（Drager GasVisi，X-am 7000)對(duì)排出生物反應(yīng)器的氣體（邸4和 C02)進(jìn)行分析。
[0062] 當(dāng)&注入的速率在20. 1升/天和30. 1升/天之間變化時(shí)，生物反應(yīng)器的平均效 率在0. 7瓦特/升和1. 01瓦特/升之間變化，而甲焼產(chǎn)率在60. 66體積％和72. 60體積％ 之間變化。
[006引 實(shí)施例2
[0064] 進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，將生物反應(yīng)器中氣相的體積增加至20%至80%顯著增強(qiáng)生 物反應(yīng)器的效率。
[0065] 在一個(gè)示例性試驗(yàn)中，如實(shí)施例1中所描述構(gòu)建生物反應(yīng)器，除了將四分之一的 幢石替換為珍珠巖。該種結(jié)構(gòu)改性使得氣相體積超過(guò)生物反應(yīng)器容積的20%。結(jié)果，生物 反應(yīng)器的平均效率增加至4倍W上，達(dá)到4瓦特/升。
【權(quán)利要求】
1. 一種生物反應(yīng)器，其包括C02分配系統(tǒng)、H2分配系統(tǒng)、水收集系統(tǒng)和CH 4收集系統(tǒng)，其 中 所述生物反應(yīng)器裝載有多孔固體載體，所述多孔固體載體中至少10%的孔體積具有使 得與游離水相比吸水力為約0. 01巴至約1. 0巴的大小， 將所述固體載體接種產(chǎn)甲烷菌；和 所述生物反應(yīng)器包含固相、液相和氣相，其中氣相體積是生物反應(yīng)器容積的20%至 80%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物反應(yīng)器，其中所述多孔固體載體包括 (i) 顆粒，其中至少20%的顆粒的直徑為0? 1mm至10mm ; (ii) 海綿狀材料，其中其至少10%的孔隙的孔徑為〇? 1mm至l〇mm ; (iii) 絲狀材料，其中對(duì)于其至少10%的絲間空間，絲間空間的直徑為0. 1mm至10mm ; 或者 其混合物。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的生物反應(yīng)器，其中所述固體載體具有至少 0? lmmol/g的陽(yáng)離子交換能力。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的生物反應(yīng)器，其中所述固體載體具有至少5m2/g的 比表面積。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)所述的生物反應(yīng)器，其中所述固體載體顆粒選自包含蛭 石的材料混合物、包含改性蛭石的材料混合物、包含蛭石樣材料的材料混合物、包含合成蛭 石的材料混合物、合成的陽(yáng)離子交換樹脂、多種泥炭類型及其混合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)所述的生物反應(yīng)器，其中所述海綿狀材料選自合成海綿 狀材料和天然海綿。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)所述的生物反應(yīng)器，其中所述絲狀材料是經(jīng)包覆的或未 包覆的鋼絲棉。
8. 通過(guò)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的方法，其包括如下步驟： a) 提供根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)的生物反應(yīng)器， b) 將C02和H2進(jìn)料至所述反應(yīng)器中， c) 將所述C02和H2以厭氧方式生物轉(zhuǎn)化為甲烷和水，和 d) 從生物反應(yīng)器中收集甲烷。
9. 固體載體用于在固態(tài)發(fā)酵方法中由二氧化碳和氫氣生產(chǎn)甲烷的用途，所述固體載體 包括 (i) 顆粒，其中至少20%的顆粒的直徑為0? 1mm至10mm ; (ii) 海綿結(jié)構(gòu)材料，其中其至少10%的孔隙的孔徑為〇? 1mm至10mm ;或 (iii) 絲狀結(jié)構(gòu)材料，其中對(duì)于其至少10%的絲間空間，絲間空間的直徑為0. 1mm至 10mm ;或者 其混合物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用途，其中所述固體載體具有至少0. lmmol/g的陽(yáng)離子交換 能力。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的用途，其中所述固體載體具有至少5m2/g的比表面積。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9至11任一項(xiàng)所述的用途，其中所述顆粒選自包含蛭石的材料混合 物、包含改性蛭石的材料混合物、包含蛭石樣材料的材料混合物、包含合成蛭石的材料混合 物、合成的陽(yáng)離子交換樹脂、多種泥炭類型及其混合物。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9至11任一項(xiàng)所述的用途，其中所述海綿狀材料選自合成海綿狀材 料和天然海綿。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9至11任一項(xiàng)所述的用途，其中所述絲狀材料是經(jīng)包覆的或未包覆 的鋼絲棉。
【文檔編號(hào)】C12P5/02GK104395476SQ201380024947
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月8日
【發(fā)明者】安妮·阿利塔洛, 埃爾基·奧拉 申請(qǐng)人:農(nóng)業(yè)和食品研究公司