生物制氢生产方法和反应器的制造方法
【专利说明】生物制氨生产方法和反应器
[0001] 本申请要求2013年10月21日提交的、标题为"生物制氨生产方法和反应器"的美国 临时专利申请号61/893,447的优先权权益，该申请通过引用W其全文结合于此。 领域
[0002] 本披露设及氨的生产，更具体地，用微生物处理有机材料通过暗发酵用于生产氨。 背景
[0003] 猛增的能源需求W及环境污染的问题通过用于处理工业废料的不同生物学方法 着手解决。通过暗发酵的生物制氨生产是一种已知的用于处理工业废料并且生产氨的方 法。
[0004] 微生物能够通过光合作用或优选通过发酵生产氨[Matsunaga,T.,化tano,T., Yamada,A. ,Matsumoto,M. , (2000)在双相光生物反应器中通过光合细菌微好氧制氨. (Microserobic hydrogen production by photosythetic b曰cteri曰 in 曰 double ph曰se 地otobioreactor)生物技术.生物工程.（Biotechnol .Bioeng. )68(6) ,647-651]。运些有机 污染物是在酸化W及产甲烧运两个相异的阶段中厌氧地转化为甲烧。酸化产生作为一种副 产品的氨，该副产品进而在该方法的第二阶段通过许多产甲烧菌用来作为一种电子供体 [Fang，H.H. P. and Liu，H.(2002)抑对通过混合培养物从葡萄糖产氨的影响.化ffeet Of pH on hydrogen production from glucose by a mixed culture)生物资源技术 (Bioresource Technology)82,87-93]。用于从该第一阶段收集氨的运两个阶段的分离是 可行的。该第二阶段进一步用于该剩余酸化产品的处理，运些剩余酸化产品主要包括挥发 性脂肪酸(VFAs)。
[0005] 连续揽拌槽反应器（CSTR)-直是最广泛使用的连续制氨系统[Li, C. ,Fang, H.H.P. , (2007)从废水和固体废物通过混合培养物发酵制氨.（Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures)环境科学和技术 评论（Critical reviews in Env.Sci .and Tech.)，37,1-39]。由于在一种CSTR中的生物质 固体滞留时间（SRT)与液压保留时间化RT)相同，在该混合溶液中其浓度受到所推荐的1-12h HRT的大幅度影响，该推荐的皿T对于高的氨生产速率是最佳的[Li和化ng，2007]。用于 0.33化-1混合培养物的最大比生长速率（Max)对应于3. Oh的SRT最小[Horiuchi J.I.， Shimizu T.,Tada K.,Kanno T.,Kobayashi M.,(2002)在厌氧酸反应器中通过抑控制有机 酉《的选择性生产?（Selective production of or邑曰nic 曰cids in 曰n曰erobic 曰cid reactor by pH control)生物资源技术82,209-13]。
[0006] 暗发酵的氨气化2)生产对于其将来也能量的有希望的优点现在被广泛研究。它是 一种利用多种多样的原料并且可W产生有价值的代谢物如乙酸和下酸(作为副产物）的不 依赖于光的厌氧方法[Nuri Azbar，David Levin(2012)，生物制氨的现有技术和生产上的 进展.（State of the a;rt and Progress in Production of Biohy化Ogen)边沁科学出版 社(Bentham Science Publishers)]。然而，通过在热力学上有利的路径的暗发酵的也生产 的特征为相对低的产率，其中较高的产率仅仅可能通过热力学上不利的路径，因此要求能 量。此外，该产物气体混合物包含二氧化碳(〔化），该二氧化碳必须被分离[Azbar和Levin, 2012]，因为C〇2是一种主要的污染物，确切地在从H2气体产生电的燃料电池技术中 [D.C. Dayton ( 2001 )，燃料电池集成-气体品质和杂质的影响的研究.（化el Cell Integration-A Study of the Impacts of Gas Quality and Impurities)国家可再生會長 源实验室（National Renewable Energy Laboratoiy)]，因为质子交换膜燃料电池（PEMFC) 要求高纯度出（大于99%)化曰^1111116 1，01。43 4(2000)，所解释的燃料电池系统.（化61 cell systems explained)纽约：威利]。
[0007] 用于从葡萄糖暗发酵的此生产的两种最常用的路径是乙酸醋和下酸醋路径(等式 1和2)，运将理论出产率限制至在2与4摩尔出/摩尔葡萄糖之间。两个反应均是在热力学上有 利的（即负的A G值)并且该乙酸醋与下酸醋的比率越高，该此产率越高。因此，控制该培养 物朝向乙酸醋形成的代谢是一个实现高出产率的关键因素 [Sompong 0-化ong,Poonsuk Prase;rtsan,Nils-Kare Birkeland(2009)，用于制备产氨种子接种物的方法在嗜热条件下 通过过程性能和微生物群落分析的评价.化valuation of methods for preparing hydrogen-producing seed inocula under thermophilic condition by process performance and microbial community analysis)生物资源技术（Bioresource Technology)2009; 100:909-91引。再者，为了使出产率最大化，该代谢应该被定向远离醇类 (乙醇、下醇）和还原的酸（乳酸盐）而朝向挥发性脂肪酸类（VFA)生产[David B丄evin， Lawrence Pitt,Murray Love(2004)，生物制氨生产：前景和实际应用的限制. (Biohydrogen production:prospects and Iimitetions to practical 曰pplic曰tion)国 际氨能期刊（International Journal of Hy化Ogen Elnergy)2004;29:173-185]。然而，丙 酸醋产生降低了该出产率，因为它是一种消耗出的路径(等式3)。 Cs化2〇6巧出2C出C00H+2C化+4出 A GrD = -196.4KJ (1) C姐 12〇6一CH3(C此）2C00H+2C02+2此 AGrD =-224.2KJ (2) C姐 12〇6巧出一2C出CH2COOH+甜2〇 A GrD 二-279.3KJ (3)
[0008] 勒夏特列原理陈述了如果其产物的一种或多种被去除则一种可逆反应将向右移 动[Claire N.Sawyer,F*e;rry L.McCarty,Gene F.Parkin(2003)，环境工程与科学的化学 (Chemistry for Environmental Engineering and Science)(第5片反）麦格劳-希尔公司 (McGraw-Hill Companies，Inc. )2003]。因此，有效地从培养基中去除C〇2预期使该此-产生 路径向前移动，增加该此产生并且防止是用于此释放的基础材料的烟酷胺腺嚷岭二核巧酸 (NADH)的消耗[Kaushik Nath，Debabrata Das (2004)，发酵制氨的改进：各种方法. (Improvement of fermentative hydrogen production:various 曰ppro曰ches)应用微生 物生物技术(Appl Microbiol Biotechnol)2004;65:520-529] oKraemer和Bagley讨论了若 干用于改进出产率的方法，运些方法之一是从该发酵工艺的液相中去除所溶解的此和C〇2 [Jeremy T.Kraemer,David M.Bagley(2007)，从发酵制氨改进产率.（Improving the yield from fermentative hydrogen production)生物技术通讯（Biotechnol Lett) 2007；29:685-695]O
[0009] 用于溶解的气体去除的常用技术之一是气体起泡（spa巧ing)。起泡是一种总体上 设及将化学上惰性的气体鼓泡通过液体W去除一种或多种所溶解的气体的技术。化ssy等 人观察到使用薦糖作为底物在15小时皿T下操作的CSTR中从1.0至1.9mol/mol的转化的己 糖的出产率增加，并且在该反应器中连续起泡氮（N2)气之后实现了95 %的薦糖转化率
[1.化337^.1?.化流63，1?.01113(1日16,0丄.化*1?53(2005)，从薦糖和甜菜连续发酵制氨. (Continuous fermentative hydrogen production from sucrose 曰nd sug曰rbeet)国际 氨能期刊（International Journal of Hy化Ogen Ene;rgy)2005;30:471-483]eKim等人测 试了在12小时HRT下操作的并且装载40g COD/L.d的CSTR中利用化作为在从薦糖生产出中的 起泡气体并且观察到出产率的24%的增加[Dong-Hoon Kim, Sun-Kee化n, Sang-Hyoun Kim,化ng-S;Lk Shin(2006)，气体起泡对连续发酵制氨的影响.化ffect of gas spa;rging on continuous fermentative hydrogen production)国际氨會長其月干U( International Journal of Hy化Ogen Energy)2006;31:2158-2169] eTanisho等人观察到在通过产气肠杆 菌使用糖蜜作为碳源的出产生分批试验中通过连续吹扫氣气此产率的110%的增加。然而， 起泡方法要求高资本成本的加工设备和维护。
[0010]降低所溶解气体浓度的非起泡技术可W是增加揽拌速度、在顶部空间中施加真空 (即降低该反应器顶部空间压力），W及使用浸入的膜来去除所溶解的气体[Kraemer和 Bagley,上文]。Mandal等人[上文]观察到通过降低该顶部空间总压力通过阴沟肠杆菌从葡 萄糖分批生产出试验105%的此产率增加。此产率的增加归因于由于总压力降低出消耗的抑 审Ij，运导致还原的副产物如乙醇和有机酸的产生[Mandal等人，上文]。通过降低出和C〇2含 量，假定发生同型产乙酸化omoacetogenesis)抑制，从而防止出和C〇2的消耗形成乙酸醋。 [00 11 ] Jackson和McInerney陈述了通过去除终产物有可能在热力学上进行底物的降解 [Bradley E. Jackson,Michael J.McIne;rney(2002)，厌氧微生物代谢可开始接近于热力学 极限.（Anaerobic microbial metabolism can proceed close to thermodynamic limits)自然(化Uire)2002:415:454-456]。因此，如果从该顶部空间去除C〇2,则通过两种 热力学上不利的路径使葡萄糖降解可W向前移动。等式4和5示出了两种消耗下酸醋和