CN101384696B - 过量产氢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供在发酵过程中增加氢产生的方法，并且设计电生化以达到较高的氢产生。

Description

过量产氢的方法

本发明领域

本发明属于氢产生的领域。

背景和现有技术

导致CO₂、SO_x及NO_x生成的化石燃料的过度燃烧是全球变暖和酸雨的一个主要原因，所述全球变暖和酸雨已经开始影响到地球的气候、天气、植被和水生生态系统。氢是最清洁的能源，产生作为它的唯一燃烧产物的水。可以从诸如生物质和水的可再生原料中产生氢。因此，氢是化石燃料的潜在清洁能源替代物。尽管氢作为燃料有所述的“绿色”性质，但它仍然主要由诸如基于天然气和石油的碳氢化合物的非可再生来源通过蒸气转化产生，并且只有4％使用电解由水生成。然而，这些方法是高度能量密集的，且并不总是环境无害的。考虑到这些观点，生物学氢产生作为可选择的能源极其重要。

生物质或基于碳氢化合物的底物的发酵与光合或化学途径相比，呈现了有前景的生物氢产生途径。包括葡萄糖、淀粉和纤维素的纯底物以及不同有机废料可以用于氢发酵。众多微生物物种中，诸如梭状芽孢杆菌和肠道菌的严格厌氧生物和兼性厌氧化能生物是氢的有效产生者。尽管有较高的产氢速率，但使用发酵方法，氢产量是每摩尔葡萄糖4摩尔H₂，低于使用其他方法达到的氢产量；因而，所述方法以它目前的形式不是经济可行的。文献中引用的途径和实验证据揭示从诸如葡萄糖的底物中可以获得最多4摩尔的氢。

通过所有已知的微生物途径进行的葡萄糖的发酵在理论上可以产生多达每摩尔葡萄糖4摩尔的氢。研究者仅通过使用酶达到了基于4摩尔H₂/摩尔葡萄糖的96.7％的转化效率。

氢的发酵产生的主要挑战是通常仅有15％的来自有机来源的能量可以以氢的形式被获得。尽管33％的转化效率对从葡萄糖产生氢在理论上是可能的(基于每摩尔葡萄糖最多四摩尔氢)，但在分批发酵和连续发酵条件下，通常获得的只有该效率的一半。如果产生两分子乙酸盐，只能从葡萄糖获得4摩尔氢，然而当丁酸盐是主要的发酵产物时，只有2摩尔氢被产生。通常，在糖发酵过程中60％-70％的所述水相产物是丁酸盐。这是因为在反应器内的高H₂压导致负责将丙酮酸盐转化成乙酸盐的两种酶，丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶和丙酮酸甲酸裂解酶的抑制。因而，约10^-3atm的低氢压对于实现高转化效率是必需的。

最近已经报道了嗜热生物体，所述生物体可能能够实现更高的转化效率。然而，它产生氢的生化途径是未知的，且高的氢产生转化的宣称还没有被独立验证或被表明是经济的。

细菌的遗传工程学可以增加氢回收。然而，即便被诸如梭状芽孢杆菌的细菌使用的生化途径被成功修饰以通过最优化乙酸的产生增加氢的产生，最大的转化效率仍然低于33％。

考虑到上述缺点，申请人努力开发导致从葡萄糖产生更多氢的方法。

本发明目的

本发明的目的是开发在发酵过程中增加氢产生的方法。

本发明的另一个目的是开发实施上述方法的反应器。

申请中使用的缩写

VFA＝挥发性脂肪酸

附图简要说明

图1具有用于捕获厌氧发酵期间释放的质子的电极的电生化反应器的示意性代表图。

本发明详细描述

因此，本发明揭示了增加发酵过程中氢产生的方法。为了达到相同目的，开发电生化反应器以通过应用电荷捕获质子，所述电荷在发酵的产酸相生成。

所述的氢产量低且其背后的原因是较高的氢分压，这在发酵氢产生的现有技术中是明显的。较高的产量需要维持反应器中低的氢分压以使所述反应在热力学上利于丙酮酸盐向乙酸盐而不是向诸如丁酸盐的其它还原终产物转化。同样，发酵过程中形成的所述质子降低了所述发酵肉汤的pH，从而降低了氢产生速率。多种策略(例如，氮鼓泡)已经被报道用于氢的移除。这些方法中的大多数还需要从汽提的惰性气体中分离氢，由此增加所述氢产生的成本。然而，现有技术中没有一个给出捕获所述过多的质子且将其转化为分子氢并且由此增加氢从底物的转化比率的线索。

在所述发酵肉汤中生成的质子在负电极被转化为氢，并且如果被同时移除的话，不但使所述系统维持低的氢分压和恒定的pH，而且增加了氢产生的量。

通过激活诸如将丙酮酸盐转化为乙酸盐(每摩尔葡萄糖生成4摩尔氢的关键前提)的丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶和丙酮酸甲酸裂解酶两种氢阻遏的酶，作为低氢分压的结果，这反过来增加了氢产生速率。

本发明提出系统，由此在厌氧过程的产酸相生成的质子能够被转化为氢并且因此增加在异养发酵中氢的产量。因此，氢的产量会高于化学计量上可能的最大产量。

下面是在异养发酵(HF)的葡萄糖分解过程中发生的反应。

在厌氧发酵罐中的上述反应清楚说明4摩尔的分子氢可以从1摩尔的葡萄糖获得。本发明的所述方法诱捕所述过剩的质子(4H⁺)且将它们转化成分子氢，从而增加所述产量。

所述四个质子(4H⁺)在刚好在乙酸形成前的过渡相期间被捕获。所述两个质子是乙酸盐离子的配对物，且剩下的两个是重碳酸盐离子的。在正常条件和常规的发酵过程下，所述游离质子与乙酸盐离子结合以形成乙酸且最终与重碳酸盐结合以最终形成H₂O和CO₂。在应用电流时，所述游离质子被转化为分子氢，所述分子氢随后被带入气体收集室。通过捕获质子，在所述厌氧发酵中维持低的氢大气压，这反过来有助于所述微生物活化丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶和丙酮酸甲酸裂解酶。

下面的示意图代表解释质子的来源和将那些质子转化成分子氢的机制的示意图。不稳定相，即刚好在乙酸形成之前，生成了CH₃COO^-和2HCO₃ ^-。由于所述离子态很不稳定，所以这些负电荷离子倾向于与质子结合成乙酸。本发明提出捕获这些质子以防止乙酸形成，且随后在应用适度电流时，这些质子被转化为分子氢。所述乙酸浓度没有降低，这说明H⁺离子的生成不是由于乙酸的分解，而是刚好在发酵过程中的乙酸形成前。

复杂碳水化合物转变为乙酸的流程示意图。该流程图证明了4个质子(4H⁺)的生成。

因此，本发明提供在异养发酵过程中过量产生氢的方法，所述方法包括下述步骤：

a)在厌氧条件下于营养培养基中培养微生物，且允许在25℃至40℃范围的温度下，于包括带电电极的发酵罐中进行36小时至72小时的发酵，以及

b)通过将电荷应用到所述电极且将发酵期间生成的质子选择性地吸引到所述电极来捕获所述质子，以产生分子氢，以及收集所述分子氢和发酵期间由所述微生物产生的氢。

在本发明的另一实施方案中，所述温度是37℃。

仍在本发明的另一实施方案中，所述营养培养基选自包括糖和可发酵有机酸的组。

也在本发明的另一实施方案中，所述糖选自包括己糖、戊糖的组。

本发明还提供了用于异养发酵过程的生物反应器。所述生物反应器包括：

a)发酵容器，

b)至少一个电极，所述电极在电势化时适于选择性地捕获所需带电粒子，

c)收集所述气体的出口，以及

d)任选地包括贮存所产生氢的装置。

在本发明的另一实施方案中，涉及从发酵罐捕获在发酵罐中的生化反应期间所产生的过多带电粒子的方法，所述方法包括将电极导入所述发酵罐，通过将电荷应用到所述电极且将所需的带电粒子选择性地吸引到所述电极以及从所述包覆的电极诱捕所述带电粒子来捕获带电粒子。

此外，在本发明的另一实施方案中，所述电极可以任选地被气体可渗透膜包覆。

图1显示电生化反应器[A]，所述电生化反应器用于通过捕获厌氧发酵/消化期间释放的质子以及同时从所述系统中移除氢来增加氢的产生，所述反应器包括含有连接到电势[B](直流电)的用于在带负电荷的电极或阴极捕获质子的两个电极[E1]和[E2]的发酵罐，以及用于收集在带负电荷的电极生成的氢的气体收集器[F]。[C]代表进料泵的入口，同时[D]代表收集用过的培养基的出口。所述C和D仅被用于连续发酵。泵也可以用于收集所述反应器产生的气体。

表1由梭状芽胞杆菌ATCC824产生的氢以及与对照相比氢的增加百分比。

C＝对照(培养基+培养物)

E＝实验(培养基、培养物和电极)

表2由梭状芽胞杆菌cellulovoron BSMZ3052产生的氢以及与对照相比氢的增加百分比。

C＝对照(含有培养基+培养物)

E＝实验(培养基、培养物和电极)

实施例

通过对实际实践中进行本发明的说明给出了下面的实施例，并且因此所述实施例不应该解释为限制本发明的范围。

实施例1

培养基组成：

用于本发明所用培养物的生长和生物质生成的培养基具有下述成分：

牛肉浸出膏：45g/l

蛋白胨：20g/l

葡萄糖：2g/l

氯化钠：5g/l

结晶HCl：0.5g/l

蒸馏水：1000ml

用于氢产生的培养基组合物包含下述成分：

蛋白酶蛋白胨：5g/l

KH₂PO₄：2g/l

酵母浸出膏：0.5g/l

七水硫酸镁：0.5g/l

L-胱氨酸盐酸盐：1g/l

葡萄糖：10g/l

蒸馏水：1000ml

实施例2

1升含有20g/l葡萄糖和必需营养物且接种梭状芽孢杆菌物种纯培养物的灭菌培养基在30℃的恒定温度下于2升发酵罐中进行厌氧发酵。1升含有20g/l葡萄糖和必需营养物且接种具有登录号梭状芽孢杆菌ATCC824和梭状芽孢杆菌cellulovoron BSMZ3052的梭状芽孢杆菌物种纯培养物的灭菌培养基在30℃的恒定温度下于2升电生化反应器(图1)中进行厌氧发酵。应用的阴极电势是2.0V至4V，同时电流密度是0.3mA至3.0mA。总发酵时间是48小时且产生的总气体被收集在基于液体置换技术的常规气体收集系统中。使用气相色谱仪(电子捕获探测器)在parapak Q SS柱上分析气体的氢含量。

在无电极的情况下，即，使用常规的发酵罐和所述实验中使用的相同微生物进行平行对照实验，以评价本发明中公开的质子捕获的功效。在只有电极的情况下，使用用于所述实验但无培养物的培养基也进行发酵以确定H₂的正在生成是否是因为将电流应用到培养基(见表1)。既然氢的产生是可以忽略的，申请人没有用培养基和电极进行另外实验。

通过上述实施例可以注意到，通过在约10^-3atm的低氢压下捕获多种底物的厌氧发酵/消化期间所释放的质子，电生化系统可以被用于增加氢的产生。阴极的质子捕获起到双重作用：所述捕获会增加氢的产生，同时将所述pH维持在接近中性(约7.0)条件。本发明的交叉特征是为了增加氢的产生，使用带电电极捕获多种底物的厌氧发酵/消化期间所生成的质子，同时使用变异的培养物，其中与由于pH的降低和氢的积累受限的常规发酵氢产生相比，将丙酮酸盐转化为乙酸盐的酶对氢不敏感。另外，从电生化反应器中获得的氢气的纯度与由常规厌氧发酵产生的氢气的纯度相比是高的。

优势

1.与常规厌氧发酵方法相比，增加的氢产生，这归因于捕获多种底物的厌氧消化期间所生成的质子以及将pH维持在防止发酵肉汤中的过量酸度的约7.0。

2.捕获从所述发酵肉汤生成的质子，这会因而有助于维持所述pH而不加入碱，以及也导致所述反应速率的增加。

3.维持在约10^-3atm的低氢压下的电生化反应器可以被用于通过多种底物厌氧发酵及厌氧消化期间的质子捕获来增加氢的产生。

4.微生物混合组合的使用使所述方法与纯发酵微生物相比，容易操作且不需灭菌所述底物。

Claims (4)

1.异养发酵过程中过量产生分子氢的方法，所述方法包括下述步骤：

a.在厌氧条件下于营养培养基中培养微生物，且允许在25℃至40℃范围的温度下，于包括带电电极的发酵罐中进行36小时至72小时的发酵从而产生分子氢，以及

b.通过将电荷应用到所述电极来捕获发酵期间生成的所述质子，以产生分子氢，以及

c.收集所述分子氢及发酵期间由所述微生物产生的分子氢。

2.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(a)中所述温度是37℃。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述营养培养基选自包括糖和可发酵有机酸的组。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述糖选自包括己糖、戊糖的组。

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