生物制氫生產方法和反應器的制造方法
【專利說明】生物制氨生產方法和反應器
[0001] 本申請要求2013年10月21日提交的、標題為"生物制氨生產方法和反應器"的美國 臨時專利申請號61/893,447的優先權權益，該申請通過引用W其全文結合于此。 領域
[0002] 本披露設及氨的生產，更具體地，用微生物處理有機材料通過暗發酵用于生產氨。 背景
[0003] 猛增的能源需求W及環境污染的問題通過用于處理工業廢料的不同生物學方法 著手解決。通過暗發酵的生物制氨生產是一種已知的用于處理工業廢料并且生產氨的方 法。
[0004] 微生物能夠通過光合作用或優選通過發酵生產氨[Matsunaga,T.,化tano,T., Yamada,A. ,Matsumoto,M. , (2000)在雙相光生物反應器中通過光合細菌微好氧制氨. (Microserobic hydrogen production by photosythetic b曰cteri曰 in 曰 double ph曰se 地otobioreactor)生物技術.生物工程.（Biotechnol .Bioeng. )68(6) ,647-651]。運些有機 污染物是在酸化W及產甲燒運兩個相異的階段中厭氧地轉化為甲燒。酸化產生作為一種副 產品的氨，該副產品進而在該方法的第二階段通過許多產甲燒菌用來作為一種電子供體 [Fang，H.H. P. and Liu，H.(2002)抑對通過混合培養物從葡萄糖產氨的影響.化ffeet Of pH on hydrogen production from glucose by a mixed culture)生物資源技術 (Bioresource Technology)82,87-93]。用于從該第一階段收集氨的運兩個階段的分離是 可行的。該第二階段進一步用于該剩余酸化產品的處理，運些剩余酸化產品主要包括揮發 性脂肪酸(VFAs)。
[0005] 連續攬拌槽反應器（CSTR)-直是最廣泛使用的連續制氨系統[Li, C. ,Fang, H.H.P. , (2007)從廢水和固體廢物通過混合培養物發酵制氨.（Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures)環境科學和技術 評論（Critical reviews in Env.Sci .and Tech.)，37,1-39]。由于在一種CSTR中的生物質 固體滯留時間（SRT)與液壓保留時間化RT)相同，在該混合溶液中其濃度受到所推薦的1-12h HRT的大幅度影響，該推薦的皿T對于高的氨生產速率是最佳的[Li和化ng，2007]。用于 0.33化-1混合培養物的最大比生長速率（Max)對應于3. Oh的SRT最小[Horiuchi J.I.， Shimizu T.,Tada K.,Kanno T.,Kobayashi M.,(2002)在厭氧酸反應器中通過抑控制有機 酉《的選擇性生產?（Selective production of or邑曰nic 曰cids in 曰n曰erobic 曰cid reactor by pH control)生物資源技術82,209-13]。
[0006] 暗發酵的氨氣化2)生產對于其將來也能量的有希望的優點現在被廣泛研究。它是 一種利用多種多樣的原料并且可W產生有價值的代謝物如乙酸和下酸(作為副產物）的不 依賴于光的厭氧方法[Nuri Azbar，David Levin(2012)，生物制氨的現有技術和生產上的 進展.（State of the a;rt and Progress in Production of Biohy化Ogen)邊沁科學出版 社(Bentham Science Publishers)]。然而，通過在熱力學上有利的路徑的暗發酵的也生產 的特征為相對低的產率，其中較高的產率僅僅可能通過熱力學上不利的路徑，因此要求能 量。此外，該產物氣體混合物包含二氧化碳(〔化），該二氧化碳必須被分離[Azbar和Levin, 2012]，因為C〇2是一種主要的污染物，確切地在從H2氣體產生電的燃料電池技術中 [D.C. Dayton ( 2001 )，燃料電池集成-氣體品質和雜質的影響的研究.（化el Cell Integration-A Study of the Impacts of Gas Quality and Impurities)國家可再生會長 源實驗室（National Renewable Energy Laboratoiy)]，因為質子交換膜燃料電池（PEMFC) 要求高純度出（大于99%)化曰^1111116 1，01。43 4(2000)，所解釋的燃料電池系統.（化61 cell systems explained)紐約：威利]。
[0007] 用于從葡萄糖暗發酵的此生產的兩種最常用的路徑是乙酸醋和下酸醋路徑(等式 1和2)，運將理論出產率限制至在2與4摩爾出/摩爾葡萄糖之間。兩個反應均是在熱力學上有 利的（即負的A G值)并且該乙酸醋與下酸醋的比率越高，該此產率越高。因此，控制該培養 物朝向乙酸醋形成的代謝是一個實現高出產率的關鍵因素 [Sompong 0-化ong,Poonsuk Prase;rtsan,Nils-Kare Birkeland(2009)，用于制備產氨種子接種物的方法在嗜熱條件下 通過過程性能和微生物群落分析的評價.化valuation of methods for preparing hydrogen-producing seed inocula under thermophilic condition by process performance and microbial community analysis)生物資源技術（Bioresource Technology)2009; 100:909-91引。再者，為了使出產率最大化，該代謝應該被定向遠離醇類 (乙醇、下醇）和還原的酸（乳酸鹽）而朝向揮發性脂肪酸類（VFA)生產[David B丄evin， Lawrence Pitt,Murray Love(2004)，生物制氨生產：前景和實際應用的限制. (Biohydrogen production:prospects and Iimitetions to practical 曰pplic曰tion)國 際氨能期刊（International Journal of Hy化Ogen Elnergy)2004;29:173-185]。然而，丙 酸醋產生降低了該出產率，因為它是一種消耗出的路徑(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] 勒夏特列原理陳述了如果其產物的一種或多種被去除則一種可逆反應將向右移 動[Claire N.Sawyer,F*e;rry L.McCarty,Gene F.Parkin(2003)，環境工程與科學的化學 (Chemistry for Environmental Engineering and Science)(第5片反）麥格勞-希爾公司 (McGraw-Hill Companies，Inc. )2003]。因此，有效地從培養基中去除C〇2預期使該此-產生 路徑向前移動，增加該此產生并且防止是用于此釋放的基礎材料的煙酷胺腺嚷嶺二核巧酸 (NADH)的消耗[Kaushik Nath，Debabrata Das (2004)，發酵制氨的改進：各種方法. (Improvement of fermentative hydrogen production:various 曰ppro曰ches)應用微生 物生物技術(Appl Microbiol Biotechnol)2004;65:520-529] oKraemer和Bagley討論了若 干用于改進出產率的方法，運些方法之一是從該發酵工藝的液相中去除所溶解的此和C〇2 [Jeremy T.Kraemer,David M.Bagley(2007)，從發酵制氨改進產率.（Improving the yield from fermentative hydrogen production)生物技術通訊（Biotechnol Lett) 2007；29:685-695]O
[0009] 用于溶解的氣體去除的常用技術之一是氣體起泡（spa巧ing)。起泡是一種總體上 設及將化學上惰性的氣體鼓泡通過液體W去除一種或多種所溶解的氣體的技術。化ssy等 人觀察到使用薦糖作為底物在15小時皿T下操作的CSTR中從1.0至1.9mol/mol的轉化的己 糖的出產率增加，并且在該反應器中連續起泡氮（N2)氣之后實現了95 %的薦糖轉化率
[1.化337^.1?.化流63，1?.01113(1日16,0丄.化*1?53(2005)，從薦糖和甜菜連續發酵制氨. (Continuous fermentative hydrogen production from sucrose 曰nd sug曰rbeet)國際 氨能期刊（International Journal of Hy化Ogen Ene;rgy)2005;30:471-483]eKim等人測 試了在12小時HRT下操作的并且裝載40g COD/L.d的CSTR中利用化作為在從薦糖生產出中的 起泡氣體并且觀察到出產率的24%的增加[Dong-Hoon Kim, Sun-Kee化n, Sang-Hyoun Kim,化ng-S;Lk Shin(2006)，氣體起泡對連續發酵制氨的影響.化ffect of gas spa;rging on continuous fermentative hydrogen production)國際氨會長其月干U( International Journal of Hy化Ogen Energy)2006;31:2158-2169] eTanisho等人觀察到在通過產氣腸桿 菌使用糖蜜作為碳源的出產生分批試驗中通過連續吹掃氣氣此產率的110%的增加。然而， 起泡方法要求高資本成本的加工設備和維護。
[0010]降低所溶解氣體濃度的非起泡技術可W是增加攬拌速度、在頂部空間中施加真空 (即降低該反應器頂部空間壓力），W及使用浸入的膜來去除所溶解的氣體[Kraemer和 Bagley,上文]。Mandal等人[上文]觀察到通過降低該頂部空間總壓力通過陰溝腸桿菌從葡 萄糖分批生產出試驗105%的此產率增加。此產率的增加歸因于由于總壓力降低出消耗的抑 審Ij，運導致還原的副產物如乙醇和有機酸的產生[Mandal等人，上文]。通過降低出和C〇2含 量，假定發生同型產乙酸化omoacetogenesis)抑制，從而防止出和C〇2的消耗形成乙酸醋。 [00 11 ] Jackson和McInerney陳述了通過去除終產物有可能在熱力學上進行底物的降解 [Bradley E. Jackson,Michael J.McIne;rney(2002)，厭氧微生物代謝可開始接近于熱力學 極限.（Anaerobic microbial metabolism can proceed close to thermodynamic limits)自然(化Uire)2002:415:454-456]。因此，如果從該頂部空間去除C〇2,則通過兩種 熱力學上不利的路徑使葡萄糖降解可W向前移動。等式4和5示出了兩種消耗下酸醋和