CN102227383B - 用于厌氧消化和产物收集的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文阐述可独立产生能量的方法和系统以及用于产生其它有用产物(例如化学物质)的系统。此外，所述系统和方法可提供利用潜在的生物质原料来产生大量产物的途径，所述产物包括绿色原油、生物气体、电力、热、脂肪酸、生物柴油、氨和化学产物。在许多情况中，本文所述系统和方法利用厌氧微生物(包括水生和反刍生物)来消化材料并制造产物。

Description

用于厌氧消化和产物收集的系统和方法
[0001] 相关申请案交叉参考
[0002] 本申请案主张于2008年10月21日提出申请的美国临时申请案第61/107，279号的权利，所述申请案以引用方式并入本文中。
背景技术
[0003] 当地社区已使用厌氧消化来生成天然气和其它有价值的生物化学流。厌氧消化是其中微生物在缺少氧的条件下分解可生物降解材料的一系列过程。其已广泛用于处理废水污泥和有机废物(例如污水污泥和粪肥)。由于厌氧消化过程产生适于产生能量的富甲烷和二氧化碳的生物气体，因此所述过程提供可再生能源。
[0004] 当地厌氧消化系统已提供便宜的低成本能量用于烹煮、执行日常事务且已作为分散式能源被联合国开发计划署(United Nations Development Program)认可。在诸如美国等发达国家，来自针对固体废物处置方法的环境立法压力已使得人们越来越多地应用厌氧消化过程来减少废物量和生成有用副产物。典型地，厌氧消化已用于处理城市废物的经分离部分。
[0005] 当前涌现的新兴技术用于将含纤维素的生物质转化成有用产物(例如电力、能量和燃料)。由于藻类植物具有在许多不同条件下快速生长的能力，因此许多研究已着重于藻类植物的利用。此外，藻类植 物与其它生物质相比可包含大量脂质和碳氢化合物。业内需要在不需要高成本或能量需求的情况下将生物质(包括水生生物质)转化成有用产物。
发明内容
[0006] 在一个方面中，本文揭示生物反应器系统，其包含:第一模块，其包含所述第一多个厌氧细菌；和第二模块，其包含所述第二多个厌氧细菌；其中所述第一模块的输出与所述第二模块的输入连通，且其中所述第一多个厌氧细菌包含不同于所述第二多个厌氧细菌的厌氧细菌的混合物，且其中所述生物反应器系统经配置以从所述第一模块移除挥发性脂肪酸且经配置以从所述第二模块移除氨，以将所述生物反应器系统的pH维持在5.9与8.5之间。在一些情况中，大部分第一多个厌氧细菌是产酸细菌，且其中大部分第二多个厌氧细菌是产乙酸细菌。在一些情况中，大部分第一多个厌氧细菌是产酸细菌，且其中大部分第二多个厌氧细菌是产甲烷细菌。在一些情况中，若不移除挥发性脂肪酸，那么系统的PH不能维持在5.9与8.5。在一些情况中，第一和第二多个厌氧细菌各自包含水生厌氧细菌和反刍厌氧细菌。
[0007] 在一些情况中，大部分第一多个厌氧细菌是反刍厌氧细菌，且其中大部分第二多个厌氧细菌是水生厌氧细菌。在一些情况中，第一多个厌氧细菌包含体积:体积比为约100: I到1500: I的反刍厌氧细菌与水生厌氧细菌，且其中所述第二多个厌氧细菌包含体积:体积比为约100: I到1500: I的水生厌氧细菌与反刍厌氧细菌。在一些情况中，反刍厌氧细菌选自由以下组成的群组:产琥拍酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes)、溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)、白色瘤胃球菌(Ruminococcus albus)、湖头梭菌(Clostridium locheadii)、栖瘤胃拟杆菌(Bacteroides ruminicola)、嗜淀粉瘤胃杆菌(Ruminobacter amylophilus)、反会月形单胞菌(Selenomonas ruminantium)、溶淀粉玻拍酸单胞菌(Succinimonas amylolytica)、牛链球菌(Streptococcus bovis)、解乳月形单胞菌(Selenomonas Iactilytica)、埃氏巨球形菌(Megasphaera elsdenii)、施瓦茨氏菌属(Schwartzia sunniovorans)、多毛毛螺菌(Lachnospira mulitparus)、新_鞭毛菌(Neocallimastix)和其组合。在一些情况中，水生厌氧细菌选自由以下组成的群组:反会甲烧短杆菌(Methanobrevibacter ruminantium)、运动甲烧微菌(Methanomicrobiummobile)、沃尔夫互营单胞菌(Syntrophomonas wolfei)和其组合。
[0008] 在一些情况中，系统是间歇系统。在一些情况中，系统是连续系统。在一些情况中，第一模块包含一个经配置以接收原料的输入，其中原料包含固体纤维素生物质。在一些情况中，第一模块包含一个经配置以从生物反应器系统收集挥发性脂肪酸的输出。在一些情况中，第二模块包含一个经配置以从生物反应器系统收集氨的输出。在一些情况中，第二模块包含一个经配置以从生物反应器系统收集甲烷的输出。
[0009] 在一个方面中，本文揭示用于将含纤维素原料转化成产物的生物反应器系统，其中所述系统包含:第一模块，其包含一个输入、一个以上输出、第一多个厌氧微生物和所述含纤维素原料，其中第一多个厌氧微生物消化所述含纤维素原料，以生成有机酸产物和部分消化的原料；第一分离器，其与第一容器的输出中的一者连通，其中所述第一分离器获得所述有机酸产物；第二模块，其包含一个输入、一个以上输出和第二多个厌氧微生物，其中所述输入接收所述部分消化的原料，且其中所述第二多个厌氧微生物消化所述部分消化的原料，以生成甲烷产物和氨产物；和第二分离器，其与所述第二模块的所述输出中的一者流体连通，其中所述第二分离器获得所述氨产物。在一些情况中，第一多个厌氧微生物包含反刍厌氧细菌。在一些情况中，第二多个厌氧微生物包含水生厌氧细菌。在一些情况中，第一多个厌氧微生物 包含体积:体积比为约100: I到1500: I的反刍厌氧细菌与水生厌氧细菌，且其中所述第二多个厌氧微生物包含体积:体积比为约100: I到1500: I的水生厌氧细菌与反刍厌氧细菌。
[0010] 在一个方面中，生物反应器包含:第一多个细菌，其中所述第一多个细菌包含水生厌氧细菌；和第二多个细菌，其中所述第二多个细菌包含反刍厌氧细菌。在一些情况中，生物反应器包含至少两个模块。在一些情况中，生物反应器是连续系统。
[0011] 在一些情况中，第一多个细菌与第二多个细菌以约1:1的体积:体积比存在。在一些情况中，第一多个细菌与第二多个细菌以约1: 100到1: 1500的体积:体积比存在于两个模块中的第一模块中，且第二多个细菌与第一多个细菌以约1: 100到1: 1500的体积:体积比存在于两个模块中的第二模块中。
[0012] 在一些情况中，生物反应器包含一个用于含纤维素原料的输入和至少一个输出，其中生物反应器的输出由以下物质中的至少一者组成:氨、挥发性脂肪酸和甲烷。在一些情况中，生物反应器的输出将甲烷提供给经配置以提供电力的燃气轮机。
[0013] 在一个方面中，本文中收集来自含纤维素原料的产物的方法包含:将所述含纤维素原料供给生物反应器，其中所述生物反应器包含多个厌氧细菌；在所述生物反应器内将所述含纤维素原料转化成可用产物，其中所述可用产物包括以下物质中的至少一者:氨、挥发性脂肪酸和甲烷；和从所述生物反应器收集所述可用产物，其中59%或以上的所述含纤维素原料转化成所述可用产物。
[0014] 在一些情况中，多个厌氧细菌包含:第一多个细菌，其中第一多个细菌包含水生厌氧细菌；和第二多个细菌，其中第二多个细菌包含反刍厌氧细菌。在一些情况中，多个厌氧细菌包含:第一多个细菌，其中第一多个细菌包含产乙酸细菌；和第二多个细菌，其中第二多个细菌包含产酸细菌，其中产酸细菌和产乙酸细菌以一定比例存在于生物反应器中，以将生物反应器的pH维持在5.9到8.5之间。在一些情况中，第一多个细菌与第二多个细菌以约1: 100到1: 1500的体积:体积比存在于生物反应器的第一模块中，且第二多个细菌与第一多个细菌以约1: 100到1: 1500的体积:体积比存在于生物反应器的第二模块中。
[0015] 在一些情况中，本文的方法进一步包含将可用产物转化成电力。在一些情况中，本文的方法进一步包含将可用产物转化成生物燃料。 [0016] 在一个方面中，方法包含:在容器中将多个水生微生物与来自反刍胃的多个微生物组合；将容器中的PH维持在5.9到8.5之间；且将容器中的压力维持在0.5atm到IOatm之间。在一些情况中，维持容器中的pH是通过当pH高于8.5时移除氨、且当pH低于5.9时移除挥发性脂肪酸来实施。
[0017] 在一个方面中，本文中将含纤维素原料转化成产物的方法包含:在第一厌氧消化模块中以厌氧方式消化或分解所述含纤维素原料，以产生有机酸产物和部分消化的原料；将有机酸产物与部分消化的原料分离；将部分消化的原料转移到第二厌氧消化模块；在第二厌氧消化模块中以厌氧方式消化或分解所述部分消化的原料，以产生氨产物和甲烷产物；和从第二厌氧消化模块中移除氨产物和甲烷产物。
[0018] 以引用方式并入
[0019] 本说明书中所提及的所有公开案、专利和专利申请案均以引用的方式并入本文中，其并入程度如同明确地和单独地指出将每一个别公开案、专利或专利申请案以引文方式并入一般。
附图说明
[0020] 本发明的许多新颖特征详细阐释于随附权利要求书中。参考下文阐述其中利用本发明的许多原理的例示性实施例的详细说明和附图将会更好地了解本发明的特征和优点，在附图中:
[0021] 图1图解说明包含一级和二级发酵罐的本发明系统的例示性实施例，其，其中一级发酵可包含反刍微生物物种且二级发酵罐可包含产甲烷菌。
[0022] 图2展示本发明的例示性系统，其包含两个发酵罐和至少两个用于从发酵罐获得产物的分离器。
[0023] 图3展示包含燃气轮机的本发明的例示性系统且图解说明了例示性产物。
[0024] 图4图解说明本发明的例示性系统，其包含厌氧消化系统、燃气轮机和热处理单
J Li ο
[0025]图5图解说明本发明的例示性系统，其包含厌氧消化系统、燃气轮机，所述燃气轮机生成热可将挥发性脂肪酸转化成热酸和酯。
[0026] 图6图解说明在此例示性系统中特定原料至选定产物的转化。具体实施方式
[0027] 本文阐述提供独立能量生成以及用于产生成其它有用产物(例如化学物质)的系统的组合的方法和系统。此外，所述系统和方法可提供利用潜在的生物质原料来产生大量产物的途径，所述产物包括绿色原油、生物气体、电力、热、脂肪酸、生物柴油、氨和化学产物。
[0028] 厌氧消化是其中微生物在缺少氧的条件下分解可生物降解材料的一系列过程。由于厌氧消化过程产生许多产物(包括生物气体)，因此所述过程可用作可再生能源。
[0029] 厌氧消化涉及能够在不存在氧的情况下分解材料的微生物。厌氧消化的微生物学和生物化学涉及许多不同的微生物集合体，每一种执行整个降解中的特定任务。典型的厌氧降解过程发生于四个主要步骤中且涉及至少三个细菌群组。材料的微生物厌氧消化过程以输入材料的水解开始，以分解不溶性有机聚合物(例如碳水化合物)。接着，产酸微生物将糖和氨基酸转化成二氧化碳、氢、氨和有机酸。接着，产乙酸微生物将这些所得有机酸转化成乙酸，同时产生额外的氨、氢和二氧化碳。产甲烷微生物能够将所得产物转化成甲烷和二氧化碳。
[0030] 许多原料可借助厌氧消化进行处理。在许多实施例中，原料包含任何含纤维素的材料，例如可生物降解的废料。有机材料可制成生物气体。原料中可能存在的诸如氮和硫的杂原子可分别转化成氨和硫化氢。作为实例，原料可包含任何动物或植物来源的材料，其含有一种或一种以上可通过本发明的厌氧消化系统转化、生物转化或生物降解成有用材料的组份。本文的厌氧消化系统中可消化动物组织、生物质、鱼组织或部分、植物部分、水果、蔬菜、植物加工废料、动物加工废料、动物粪肥或尿液、哺乳动物粪肥或尿液、从发酵培养物中分离出的固体和其组合。原料的 具体实例包括牛、家禽、马或猪的粪肥或尿液、刨花或木屑、废油、葡萄汁、碎纸、棉花毛刺、谷物、谷壳、种子壳、干草、苜猜、草、叶子、海贝壳、种子荚、玉米壳、野草、水生植物、藻类植物和真菌和其组合。用于本发明系统的一级或二级发酵罐的原料的其它实例包括(但不限于)废水、粪肥或来自食品加工厂或奶酪加工厂的其它废弃流。厌氧消化系统也可进给专门培育的能源作物，例如，用于专用生物气体产生的青贮饲料作物。在另一实例中，可借助厌氧消化来处理藻类植物或其它水生光合生物。在一些情况中，本文中的生物质原料包含固体纤维素生物质。在一些情况中，生物质原料可包含固体和液体生物质。在一些情况中，生物质原料包含大部分为固体的生物质。
[0031] 利用厌氧消化技术可以许多途径帮助减少温室气体的排放，所述途径包括(例如但不限于)代替矿物燃料、减少来自垃圾填埋场的甲烷排放、取代工业产生的化学肥料、减少车辆移动和减少电网传输损失。
[0032] 厌氧消化过程中涉及许多微生物，其包括乙酸形成微生物(产乙酸菌)和甲烷形成微生物(产甲烷菌)。这些微生物当进给至原料后，所述原料经受许多不同的过程而将其转化成中间分子(例如糖、氢、乙酸和生物气体)。
[0033] 不同的微生物物种能够在不同的温度范围内存活。最适宜在20°C到45°C之间的温度生活的微生物称为嗜温菌或嗜温微生物。一些微生物可在较高温度(例如，45°C到80°C )下存活且称为嗜热菌或嗜热微生物。产甲烷菌可来自古生菌的本原群，其包括可在热泉的不利条件下生长的物种。这些物种较耐热，且因此可在嗜热温度下操作。[0034] 在一个实施例中，在嗜温温度下执行所述方法。嗜温菌物种的数量远比嗜热菌多。这些微生物也比嗜热菌更耐受环境条件的改变。有时候认为嗜温系统比嗜热消化系统更稳定。
[0035] 本文中的厌氧消化系统中所用的厌氧微生物也可为任一厌氧细菌、真菌、霉菌或藻类或其能够将原料转化成有用材料的子代。在一个实施例中，微生物已经遗传改变或改造以将原料转化成有用材料。一些厌氧微生物可将含纤维素原料转化成多种产物，其包括(但不限于):甲烷、富氮肥料、木炭、腐殖质、生物气体、挥发性脂肪酸(VFA)和杀虫浆液。
[0036] 如上文所提及，认为嗜热消化系统较不稳定，然而，温度的增加促使反应速率更快且因此气体产生更快。在较高温度下操作促使最终消化残渣的灭菌程度更高。在一个实施例中，系统中的一个或一个以上罐是嗜热罐。在另一实施例中，一个或一个以上罐是嗜温罐。
[0037] 一般地，嗜温菌偏好在约60 T到120 °F范围内或环境温度的操作温度且嗜热菌偏好在约120 T到160 T范围内的操作温度。可用于本发明厌氧消化系统中的厌氧微生物的实例包括(但不限于):酵母菌、产甲烷细菌、甲烷杆菌属、乙酸杆菌属、产乙酸细菌、液化细菌(liquefaction bacterium)、梭菌属种(Clostridium spp.)、芽抱杆菌属种(Bacillus spp.)、埃希氏菌属种(Escherichia spp.)、葡萄球菌属(Staphylococcusspp.)、产甲烧杆菌属种(Methanobacter spp.)、奥氏甲烧杆菌(Methanobacter (Mb.)omlianskii)、甲酸甲烧杆菌(Mb.formicicum)、索氏甲烧杆菌(Mb.soehngenii)、热自养甲烧杆菌(Mb.thermoautrophicum)、反会甲烧杆菌(Mb.ruminantium)、运动甲烧杆菌(Mb.mobile)、甲烧甲烧杆菌(Mb.methanica)、马氏甲烧球菌(Methanococcus (Me.)mazei)、万氏甲烧球菌(Me.vannielii)、低氧甲烧杆菌(Mb.suboxydans)、丙酸甲烧杆菌(Mb.propionicum)、博氏甲烧八叠球菌(Methanosarcina (Ms.) bovekeri)、马氏甲烧八叠球菌(Ms.mazei)、甲烧甲烧八叠球菌(Ms.methanica)、嗜喊甲烧八叠球菌(Ms.alcaliphilum)、嗤乙酸甲烧八叠球菌(Ms.acetivorans)、嗜热甲烧八叠球菌(Ms.thermophilia)、巴氏甲烧八叠球菌(Ms.barkeri)、产液泡甲烧八叠球菌(Ms.vacuolata)、丙酸丙酸杆菌(Propionibacterium acid1-propionici)、啤酒酵母菌(Saccharomyces cerevisae)、葡萄酒酵母菌(S.ellipsoideus)、丙酸梭菌(Clostridium propionicum)、梭菌属(Clostridiumsaccharoacetoper-butylicum)和丁酸梭菌(Clostridium butyricum)。厌氧微生物的其它实例是那些在反刍胃中所发现者。其它微生物和/或酶催化剂可添加到厌氧消化系统中，以促进原料分解成可被厌氧微生物用作营养物或用作由厌氧微生物所制得有用材料的起始材料的组份。这些其它微生物和/或酶包括(例如)淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、水解酶、脂质水解酶、溶菌酶、磷酸酶、酯酶、酰胺酶和脂肪酶。
[0038] 在厌氧系统中，不存在气态氧。在一个实施例中，借助物理封闭于密封罐中来防止气态氧进入系统中。厌氧性生物可通过除周围空气以外的源获得氧。这些微生物的氧源可能是有机材料本身，或另 一选择可由来自输入材料内的无机氧化物供应。当厌氧系统中的氧源是源自有机材料本身时，则中间终产物主要是醇、醛、有机酸和/或二氧化碳。在存在专门产甲烷菌的情况下，中间产物转化成最后终产物甲烷、二氧化碳和硫化氢。在含有产甲烷菌的厌氧系统中，起始材料中所含的大部分化学能被产甲烷微生物作为甲烷释放。
[0039] 在大多数情况下，生物质是由大的有机分子构成。为了使厌氧消化系统中的微生物获得材料的能量势，首先必须使这些链分解成其较小的组成部分。这些组成部分或单体(例如糖)可容易地用于其它微生物。分解这些链并使较小分子溶解于溶液中的过程称为水解。这些高分子量聚合组份的水解是厌氧消化中的第一步。借助水解，复杂有机分子分解成简单糖、氨基酸和脂肪酸。在第一阶段中所产生的氢可直接被产甲烷菌利用。
[0040] 产酸的生物过程是其中通过产酸(发酵)微生物进一步分解剩余组份的过程。在产酸过程中，产生VFA以及氨、二氧化碳和硫化氢以及其它产物。
[0041] 厌氧消化的第三阶段是产乙酸过程。在产乙酸过程期间，通过产酸期所产生的简单分子被产乙酸菌进一步消化，以产生乙酸以及二氧化碳和氢。
[0042] 厌氧消化的第四阶段是产甲烷的生物过程。产甲烷菌利用先前阶段的中间产物并将其转化成甲烷、二氧化碳和水以及其它产物(例如氨)。留下微生物不能吃的剩余不可消化的材料连同任何死的细菌构成可从本发明的系统移除的消化残渣或生物质。
[0043] 在一个方面中，揭示包含以下的生物反应器:第一多个细菌，其中第一多个细菌包含水生厌氧细菌；和第二多个细菌，其中第二多个细菌包含反刍厌氧细菌。在一些实施例中，反刍细菌是微需氧的。在一些情况中，反刍动物包括(但不限于)绵羊、牛、野牛、山羊和羚羊。在一些情况中，水生细菌可从深及浅的海洋缺氧沉积物、淡水缺氧沉积物和沼泽及泥炭沼泽缺氧沉积物中分离出来。反刍细菌可为主要产生挥发性脂肪酸的厌氧细菌。在一些情形中，水生细菌是产甲烷细菌。
[0044] 在一些情况中，在本文中的生物反应器包含至少两个模块。在一些情况中，第一模块组主要包含反刍细菌且第二模块主要包含水生细菌。生物反应器可为连续系统或间歇系统。若系统是连续的，那么生物反应器或生物反应器的模块可不时地用厌氧细菌接种。在一些情况中，生物反应器是圆柱形容器，其可在生物质移除之前将其盛放一定时间。在一些情况中，生物反应器不为栓塞流反应器。在一些情况中，生物反应器的任一模块经配置以接收固体纤维素生物质。
[0045] 图1图解说明包含一级和二级发酵罐的本发明系统的例示性实施例。一级发酵可包含微生物，例如反刍微生物物种或能够厌氧消化的其它物种。系统的罐中可存在的微生物物种的实例包括(但不限于):产琥珀酸丝状杆菌、溶纤维丁酸弧菌、白色瘤胃球菌、湖头梭菌、栖瘤胃拟杆菌、嗜淀粉瘤胃杆菌、反刍月形单胞菌、溶淀粉琥珀酸单胞菌、牛链球菌、解乳月形单胞菌、埃氏巨球形菌、施瓦茨氏菌属(Schwartzia sunniovorans)、多毛毛螺菌和新丽鞭毛菌其组合。本文中的罐中可存在其它反刍微生物物种，正如所属领域的技术人员所了解。
[0046] 在图1中的一级发酵罐中，罐可接收纤维素生物质和微生物物种。厌氧微生物种群可能需花费一段时期以确立其自身充分有效。因此，在一个实施例中，可从带有现有种群的材料引入厌氧微生物。罐可用微生物物种预先接种(pre-seeded或pre-1noculated),或可与纤维素生物质同时或在其之后添加。
[0047] 在一些情况中，水生厌氧细菌与反刍厌氧细菌以约1:1的体积:体积比存在于生物反应器系统中。在一些情况中，第一多个细菌与第二多个细菌以约1: 1000的体积:体积比存在于系统的第一模块中，且第二多个细菌与第一多个细菌以约1: 1000的体积:体积比存在于系统的第二模块中。在一些实例中，在第一模块中水生厌氧细菌与反刍细菌以约 1: 1、I: 2、I: 5、I: 10、I: 100、I: 500、I: 1000 或 1: 10000v/v 进行接种。在一个实施例中，在第一模块中水生厌氧细菌与反刍细菌在约1:1到1: ΙΟΟΟΟν/ν的范围内进行接种。在一些情况中，在第二模块中反刍厌氧细菌与水生细菌以约1: 1、1: 2、1: 5、1:1OU: IOOU: 500,1: 1000 或 1: 10000v/v 进行接种。在一个实施例中，在第二模块中接种的反刍厌氧细菌与水生细菌在约1:1到1: 10000v/v的范围内。在一些实施例中，使用比例类似于本文所讨论的v/v比例的w/w比例的反刍动物与水生细菌完成在模块中厌氧细菌的接种。
[0048] 在一个实施例中，在厌氧消化过程期间，大约在产甲烷过程开始时从一级罐移除生物质。举例来说，生物质可在产甲烷过程之前不久、大约在产甲烷过程发生的同时或在产甲烷过程之后不久移除。在一个实施例中，使用甲烷传感器来测定一级罐中产生的甲烷产量。使用者可以决定在检测到一定量甲烷时将生物质移出一级罐，以避免一级罐中产生过多甲烷。
[0049] 在一个实施例中，一级发酵罐中发生的过程是纤维素发酵，例如将纤维素转化成纤维素二糖、转化成葡萄糖、转化成VFA、或这些步骤的任一组合。一级罐中可发生的另一过程是氨化，例如将蛋白质的胺基转化成氨和铵。而且，一级发酵罐中可发生含有硫原子的蛋白质或有机硫的脱硫作用，其生成硫化氢气体。如图1中所显示，一级发酵罐生成许多产物，其包括(但不限于)生物气体(例如氢、二氧化碳、硫化氢和甲烷)、水、VFA(例如乙酸酯、丙酸酯和丁酸酯)、氨和铵。
[0050] 图1还图解说明了二级发酵罐。二级发酵罐经配置以接收生物质。生物质可来自一级发酵罐。在例示性图1中，二级罐接收生物质和已完成厌氧消化的前三个阶段的厌氧微生物。在一个实施例中，二级罐包含产甲烷菌，其可预先接种于二级罐中或与生物质一起输入或在生物质之后输入。在一个实施例中，生物质还包含来自一级发酵罐的微生物，其可被二级发酵罐中 的产甲烷菌分解。二级罐中可存在的例示性微生物包括(但不限于)反刍甲烷短杆菌、运动甲烷微菌和沃尔夫互营单胞菌。二级罐还可包含其它例示性微生物，包括(但不限于):互养产甲烧菌(syntrophic methanogens)、甲酸甲烧杆菌、布氏甲烧杆菌(Methanobacterium bryantii)、热自养甲烧杆菌(Methanobacteriumthermo-autotrophicum)、卡里亚萨产甲烧菌(Methanogenium cariaci)、嗜冷产甲烧菌(Methanogenium frigidum)和索氏甲烧丝菌(Methanothrix soehngenii)。
[0051] 在一个实施例中，二级发酵罐产生生物气体(例如甲烷、硫化氢和二氧化碳)。在其它实施例中，二级罐可主要产生甲烷。二级罐的过程可包括产甲烷过程，例如在氢的存在下将二氧化碳转化成甲烷。另一过程包含氨化作用，其中二级罐中的生物质的蛋白质分解成氨或铵。二级罐中也可发生脱硫作用。来自二级罐例示性产物的包括(但不限于):生物气体(例如甲烷、硫化氢和二氧化碳)、水、生物质浆液、氨和铵。
[0052] 在一个实施例中，本发明的系统包含间歇系统。在批处理中，在过程开始时将生物质到反应器中并密封持续过程的持续时间。生物气体的产生随时间呈正态分布模式。当操作人员认为有机物质的消化过程已完成时，可利用此事实来测定。多个系统可平行使用以生成大量产物。
[0053] 另一例示性系统包含连续消化过程，其中有机物质持续地添加到反应器中或阶段性的添加到反应器中。在连续系统实施例中，持续地或周期性地移除终产物，以使得持续产生生物气体和其它可用产物。此种形式的厌氧消化的实例包括(但不限于)连续搅拌的罐反应器、升流式厌氧污泥层(upflow anaerobic sludge blanket)、膨胀颗粒污泥床(expanded granular sludge bed)和内循环反应器。
[0054] 在一个实施例中，连续消化罐具有机械或液压装置，根据在材料中的固体水平，以混合内容物使得微生物与生物质接触。连续系统也可允许连续抽取过量材料，以使消化罐中维持相当恒定的体积。
[0055] 在连续操作期间，消化系统中的浆液液位可保持相对恒定，且可控制进给速率和流出物速率以提供在厌氧消化系统中的所要总停留时间。在连续操作期间，原料可大约在从反应器移除气体、流出物、浮渣、上清液和/或污泥的同时连续地添加到反应器中。在半连续操作期间，原料可以递增方式添加到反应器中，且在同一时间或不同时间以递增方式移除气体、流出物、浮渣、上清液和/或污泥。在间歇操作期间，以给定时间间隔将较大部分的原料添加到反应器中，且以相同或不同的时间间隔将较大部分的气体、污泥、流出物、浮渣、上清液和/或污泥从反应器移除。在连续操作期间，操作温度和气体产生的速率将相对恒定。在一个实施例中，连续操作提供比间歇或半连续操作高的气体产生速率。
[0056] 在一个实施例中，系统包含单阶段消化系统，所述消化系统是其中所有生物反应菌在单一密封反应器或容纳罐中发生的系统。例示性单阶段系统是厌氧污水塘，例如用于处理和长期贮存废物的类似池塘的陶制槽。
[0057] 生物反应器可包含含纤维素原料的输入和至少一个输出，其中生物反应器的输出由以下物质中的至少一者组成:氨、挥发性脂肪酸和甲烷。
[0058] 在例示性实施例中，系统包含具有一个以上串联的消化容器的两阶段或多阶段消化系统。产酸微生物产生有机酸(例如VFA)且生长和繁殖比产甲烷微生物更快。产甲烷微生物需要稳定的PH和温度以优化其性能。在系统的实施例中，在第一反应容器内发生水解、产乙酸和产酸过程。第一消化容器之后可使用分离器以从系统和过程中抽取产物。举例来说，在第一容器中消化之后可抽取氢和二氧化碳气体、VFA、水和氨，且剩余内容物可转移至第二容器中，如图1中所阐释。在一个实施例中，在第二容器中发生产甲烷过程，因此主要产生甲烷气体和包括氨在内的各种其它产物。
`[0059] 在一个方面中，揭示包含以下各项的生物反应器:第一多个细菌，其中所述第一多个细菌包含处于产酸状态的细菌；和第二多个细菌，其中所述第二多个细菌包含处于产乙酸状态的细菌，其中以一定比例移除生物反应器中所存在的从产乙酸细菌产生的挥发性脂肪酸，以将生物反应器的pH维持在5.9与8.4之间。在一些情况中，在未移除挥发性脂肪酸的生物反应器中，pH不能维持在5.9与8.4之间。在一些情况中，所述第一和第二多个细菌二者都包含水生厌氧细菌和反刍厌氧细菌。
[0060] 图2展示本发明的例示性系统，其包含两个发酵罐和至少两个用于从发酵罐获得产物的分离器。可将含有淀粉、蛋白质和纤维素材料的生物质输入到VFA室中。纤维素生物质(例如藻类植物)可通过粉碎生物质的输入掺和机输入到VFA室中。原料可通过强迫进给或重力进给系统输入。原料的其它例示性输入系统包括(但不限于)所有类型的泵或气体增压进给管或室。而且，生物质的输入可包含缺氧罐，以从生物质移除氧生物质，以使厌氧消化更容易地进行。在一个实施例中，可将纤维素原料引入预处理罐中，以在输入VFA室之前调节或预处理原料来增强厌氧消化。举例来说，可将一种或一种以上调节剂(例如，离开厌氧处理单元的经循环消化流出物、酶、酸、碱金属、碱土金属、营养物、厌氧菌接种固体和表面活性剂)添加到生物质原料中以增强厌氧分解。在另一实施例中，原料在进入系统之前可加热。也可在将原料浆液添加到厌氧消化系统之前移除沙尘(例如灰尘、沙子、土)、石头、卵石、石子、羽毛、毛发和其它此种材料。用于移除沙尘的例示性设备包括(但不限于)分级机、沉降罐、多相罐和过滤器。
[0061] VFA室可包含厌氧微生物，例如那些本文所阐述者。在生物质输入之前，VFA室可用微生物接种。在一个实例中，使用牛胃来用执行厌氧消化的反刍微生物接种VFA室。在输入生物质和微生物之后，在VFA罐中发生厌氧消化和发酵。在一些实施例中，混合罐中的原料可促使有效消化。混合可利用常规机械混合器或通过使气体或一部分所捕获生物气体循环(鼓泡)返回至罐中来实施。例示性混合器包括(但不限于)一个或一个以上起泡搅拌棒、一个或一个以上机械搅动器、流体再循环气、气体再循环器和其组合。可用于厌氧消化系统中的机械搅动器包括所有已知的流体搅动器，例如涡轮机、螺旋桨、桨叶、搅拌桨、搅拌轮、螺旋棒、搅拌器、旋转反应容器、柔性管或杆、磁力搅动器、翻滚机、浆轮和熟悉流体混合领域的技术人员已知的其它磁力搅动器。
[0062] 在罐内，气体上升至罐的顶部且可通过位于靠近VFA室顶部的输出取样或移除。靠近顶部的输出也可包含传感器，以测量室的不同气体的含量，此可用于测定罐内厌氧消化的阶段。从VFA室的输出可将来自VFA室的累积生物气体转移至生物气体室，例如二氧化碳和氢气。
[0063] VFA室也可包含压力阀以调整罐内的压力。反应容器可利用增压器增压。增压器可为压缩气缸、泵或其它此种设备，其迫使惰性气体、所产生气体、原料浆液或反应流出物进入反应容器，以使反应容器的压力增加至所要操作压力。因此，原料浆液进料器、气体再循环器、流体再循环器、起泡搅拌棒或其组合可用作增压器。在一个实施例中，厌氧消化系统包含一个或一个以上压力释放阀、通风孔或排气阀以降低反应容器内的压力。厌氧消化系统也可包含能够控制反`应容器内压力的压力控制器和/或能够监测反应容器内压力的压力监测器。厌氧消化系统也可包含一个或一个以上指示系统内压力的压力计。
[0064] 生物质和液体可占用罐中气体层以下部分。污泥或固体层可驻存于罐中液体层以下部分。用于从VFA室移除液体的输出可引导至第一分离器。例如在图2中，第一分离器是VFA蒸发器，其中将VFA从液体中蒸馏出并与液体分离。也可使用色谱法收集VFA。另外，在第一分离器处例如通过蒸馏或干燥可从液体和系统中移除水。热交换器可提供从来自第一室的液体蒸馏和收集产物所需的热。典型地，VFA在高于约120°C气化，而水在100°C沸腾，且氨在约_30°C气化。在一个实施例中，第一分离器包含多个分离装置。举例来说，第一分离器可包含用于蒸馏氨、水和VFA的蒸馏塔。在另一实施例中，通过同一蒸馏塔移除氨、水和VFA。在另一实施例中，使用色谱法来从本文的系统或生物反应器中移除并收集VFA。在一些情况中，通过本文的方法和系统所收集的VFA为约98.5%纯。通过本文的方法和系统所收集的VFA可为约85 %、90 %、95 %、99 %或100 %纯。在一些情况中，收集到痕量醇以及 VFA。
[0065] 温度影响厌氧消化系统的生产力，因为不同的微生物具有不同的最适宜温度。可利用能加热和/或冷却反应溶液的温度控制器来控制反应溶液的温度。温度控制器可为加热器、热交换器、环绕反应容器的夹套、反应容器内的盘管或用于控制反应器内流体温度的其它此种设备。可利用温度监测器(例如热电偶或所属领域的技术人员已知的其它设备)监测反应容器的温度。另一选择为，使用环绕反应容器的加热或冷却夹套来控制反应容器内容物的温度。在一个实施例中，消化系统维持在环境温度。
[0066] 反应容器中的流体液位可利用流体液位检测器来监测并利用流体液位控制器来控制，所述控制器增加或减少进入反应容器的原料浆液或离开反应容器的反应流出物的流动。
[0067] 在一个实施例中，VFA室是嗜温罐且维持在约20°C到40°C的温度下。进一步，VFA室可维持在25°C到32°C下。再进一步，VFA室可维持在环境温度下。在一个实施例中，生物质在VFA室中的停留时间为2天到30天。在另一实施例中，生物质完成水解、产酸和产乙酸的停留时间为4天到22天。停留时间可由使用者确定，或可通过计算机系统和测量罐内容物的传感器自动监测。在另一实施例中，监测VFA在罐中的数量或浓度。在一个实例中，VFA室的体积可高达I百万加仑。VFA室可包含约5%、10%、15%或20%固体材料(以重量计)。在一个实例中，VFA室包含10%固体(以重量计)。在另一实施例中，VFA室为8吨的罐，其中以重量计8吨中的约10%为固体，且剩余90%为液体和气体。在系统的另一实例中，VFA罐为I吨的罐，其中以重量计I吨中的约10%为固体，且剩余90%为液体和气体。
[0068] 在消化系统中的停留时间随原料的数量和类型以及消化系统的配置而变。负责厌氧消化最后阶段的产甲烷菌只能以约192小时的极慢速率使其种群加倍。涉及厌氧消化中间阶段的产乙酸微生物的加倍速率比产甲烷微生物快约60倍。
[0069] 如图2中所显示，剩余的液体、生物质浆液和污泥可从VFA室移除并输入到生物气体室中。在一个实施例中，生物气体室包含产甲烷菌用于将生物质浆液、液体和污泥厌氧消化成甲烧。生物气体室(BioGas chamber)中同样可存在其它微生物。在另一实施例中，微生物从VFA室转移至生物气体室。举例来说，微生物现在可为用于生物气体室的生物质源，或其可帮助第二罐中的消化过程。任何残留脂肪酸或脂质形成生物质的隔膜或微生物也可受到降解。在一个实施例中，生物气体室还包含食物废物或油、或其它油脂、脂肪或废物(例如污水污泥)的输入。以这种方式，生物质、生物质废物和含蛋白质或细胞的其它废物可通过本发明的方法或系统转化成有用产物。
[0070] 生物气体可从生物气体室的顶部或靠近顶部从所述室移除。在一个实施例中，多于50%、60%、70%、80%或90%的生物气体是甲烷。其它气体包括二氧化碳和硫化氢。任选地，视使用者的需求，可使用气体分离器来对气体进行分级分离。在例示性实施例中(例如图2中者)，来自生物气体室的主要气体管线可包含取样器、传感器和压力阀，其可用于监测和调整来自生物气体室的生物气体生产。可使用气体色谱或用于测定气体或气态混合物的组成或存在的其它气体传感或分析设备来监测每一气体的含量或百分数。
[0071] 在一个实施例中，生物气体室是嗜温罐且维持在约20°C到40°C的温度下。进一步，生物气体室可维持在25°C到32°C下。再进一步，VFA室可维持在环境温度下。在另一实施例中，生物气体室维持在嗜热温度(例如，55°C到80°C )，且包含嗜热产甲烷菌。在一个实施例中，生物质在生物气体室中的停留时间为2天到30天。在另一实施例中，生物质完成产甲烷过程的停留时间为4天到22天。停留时间可由使用者确定，或可通过计算机系统和测量罐内容物的传感器自动监测。在一个实施例中，甲烷产生的速率产物用来监测生物气体室的条件。在一个实例中，生物气体室的体积可高达I百万加仑。生物气体室可包含约5%、10%、15%或20%固体材料(以重量计)。在一个实例中，生物气体室包含10%固体(以重量计)。在另一实施例中，生物气体室为8吨的罐，其中以重量计8吨中的约10%为固体，且剩余90%为液体和气体。在系统的另一实例中，VFA罐为I吨罐，其中以重量计I吨中的约10%为固体，且剩余90%为液体和气体。
[0072] 图2中还显示，来自生物气体室的甲烷可用于为燃气轮机系统提供动力以生成电力和热。举例来说，来自燃气轮机的热可与系统的热交换器一起使用以分离或蒸馏来自系统的液体产物。
[0073] 在一些实施例中，可监测系统的pH以确定从系统收集产物的时间。举例来说，当PH高于或低于某一阈值时，可从系统移除氨或VFA来维持pH大约中性。在一些情况中，pH为约5.9到约8.5。在一种情况中，系统的优选pH可为6.9到7.3。在一些情况中，当pH低于6.5时，从系统中收集VFA。在一些情况中，当pH高于8.0时，从系统中收集氨。
[0074] 有许多参数可影响微生物的甲烷生产力。这些参数是消化系统温度；消化系统温度的稳定性；氧或空气的侵入；PH的波动；和化学产物(例如氨、硫化氢或过量挥发性脂肪酸)的积聚。
[0075] 在一个方面中，收集来自含纤维素原料的产物的方法包含:将所述含纤维素原料供给生物反应器，其中所述生物反应器包含多个厌氧细菌；在所述生物反应器内将所述含纤维素原料转化成可用产物，其中可用产物包括以下物质中的至少一者:氨、挥发性脂肪酸和甲烷；和从生物反应器收集产物，其中以重量计59%或以上的含纤维素原料转化成产物，其中所述产物选自由挥发性脂肪酸、氨和甲烷组成的群众。在一些情况中，60、65、70、75、或80%或以上的含 纤维素原料(以重量计)转化成产物。出于本文目的，不为产物的输出的实例包括不可消化的纤维，例如木质素和其它纤维素纤维。在一些情况中，本文供给系统或生物反应器的原料仅包含少量的木质素或纤维素纤维。
[0076] 在一些情况中，多个厌氧细菌包含:第一多个细菌，其中所述第一多个细菌包含水生厌氧细菌；和第二多个细菌，其中所述第二多个细菌包含反刍厌氧细菌。在一些情况中，多个厌氧细菌包含:第一多个细菌，其中所述第一多个细菌包含产酸细菌；和第二多个细菌，其中所述第二多个细菌包含产乙酸细菌，其中所述产酸细菌和产乙酸细菌以一定比例存在于生物反应器中，以便将生物反应器的pH维持在5.9到8.5之间。
[0077] 在另一方面中，揭示包含以下步骤的方法:在容器中将来自深海的多个微生物与来自反刍胃的多个微生物组合，其中容器中的pH维持在5.9到8.5之间，且其中容器中的压力维持在0.5atm到IOatm之间。
[0078] 图2中还显示用于从生物气体室移除液体产物的输出。输出可与第二分离器连通。在图2的实例中，第二分离器能够将氨和铵从液体中蒸馏出来。氨产物可储存并用于诸如肥料等产物，例如(但不限于)硫酸铵、氨水和磷酸铵。氨也可转化成诸如硝酸盐和亚硝酸盐等其它有用产物。在另一实施例中，第一分离器也可移除氨或铵。在第二分离器处也可从液体移除水。图2展示从待循环返回至本发明系统的VFA或生物气体室的液体移除的水用以当微生物和生物质进入罐时为其提供水的用途。
[0079]图3展示包含燃气轮机的本发明的例示性系统。纤维素生物质(例如藻类植物)进入厌氧消化、纤维素发酵系统或设备(也称为AGATE或酸气体和氨目标提取(Acid Gasand Ammonia Targeted Extraction))。纤维素生物质可为包含纤维素和蛋白质的任何生物质。纤维素生物质的实例包括(但不限于):藻类植物、维管植物、玉米、大豆、棕榈树、植物油、废弃植物油、动物油、动物脂肪、动物废弃物、粪肥、污水、鸡油脂、牛油脂和其它本文所阐述者。在一个实施例中，藻类植物是纤维素生物质且从光生物反应器获得。光生物反应器可为封闭的光生物反应器、池塘或海洋。美国专利申请案第11/944，610号阐述收集藻类生物质以用于本发明系统的方法。
[0080] 图3还图解说明从厌氧消化系统获得的例示性产物。在所述实例中，厌氧消化系统生成有机酸、无水氨和生物气体。生物气体可包含氢气、二氧化碳、硫化氢和甲烷。在一个实施例中，生物气体可用于驱动燃气轮机，燃气轮机进而生成热和电力。燃气轮机可为基于蒸汽燃气轮机的系统，所述系统适于使用各种燃料来产生蒸汽而使燃气轮机旋转。在各种实施例中，蒸汽产生使用传统燃料，例如煤和天然气以及替代燃料(例如生物气体，包括甲烷)。所述蒸汽用于使连接到发电机的燃气轮机旋转。发电机的旋转产生电力用于在供电网上分配。在其它实施例中，发电厂使用燃气轮机发电机并直接燃烧生物气体(包括甲烷)来生成电力。在一个实施例中，从燃气轮机生成的热可视需要用于加热厌氧消化系统。在此实施例中，从燃气轮机生成的热还用于提取无水氨和挥发性脂肪酸。燃气轮机也可仅由生物气体中的甲烷驱动。举例来说，从厌氧消化系统收集的生物气体可分级分离成其各组份。分级分离生物气体的方法包括(但不限于)水清洗、压力摆动吸附和尺寸排除。
[0081] 无水氨也是图3系统的产物。无水氨可用于各种产品，包括但不限于肥料。举例来说，无水氨可用于玉米生长。图3系统的另一产物是有机酸。有机酸可包含脂肪酸和/或VFA。VFA是具有六个碳或更少碳的碳链的脂肪酸，例如乙酸酯、丙酸酯和丁酸酯。VFA是在罐中在微生物的纤维素消化过程期间自然分泌出的，且在反刍动物生态学中被瘤胃的胃粘膜吸收。VFA和VFA酯可用于例如油漆、溶剂、工业加工、燃料和食物。在另一实施例中，VFA可用作有机溶剂，例如代替甲苯。
[0082] 图4图解说明本发明的例示性系统，其包含厌氧消化系统、燃气轮机和热处理单元。在图4中，纤维素生物质进入本发明的厌氧`消化系统中。举例来说，可将藻类植物和其它植物输入到系统中。从消化系统可获得许多产物，其包括(但不限于)生物气体、生物质污泥、无水氨和VFA。在如图4中所显示的实施例中,来自系统的VFA和其它脂肪酸可转化成酯和脂肪酸酯。脂肪酸酯可用于产生生物柴油和其它燃料，以及用于化妆品和香料行业。在一个实施例中，系统可产生生物柴油燃料。一般来说，生物柴油燃料是具有类似于基于石油的柴油燃料的燃烧和能量含量性质的烷基酯的混合物。生物柴油是通过使用简单醇使生物质的脂肪酸和脂肪酸酯进行酯交换来生成。当VFA转化成酯时，其可添加到常规燃料中以降低浊点。
[0083] 图4的例示性系统的另一产物是无水氨，其在工业中具有各种用途，包括(但不限于):肥料、清洁产品、医药、食品、制冷、排放洗涤器和实验室用途。也可从图4的系统获得生物气体。来自系统的生物气体可包括甲烷、二氧化碳、硫化氢和其它气体。如图4中所显示，甲烷可用作燃料来操作燃气轮机，燃气轮机进而可生成热和电力用于一系列宽范围的用途。
[0084] 通过厌氧消化系统所产生的甲烷、二氧化碳或氢可通过洗涤器清洁或纯化，以移除水分、蒸汽、液滴、悬浮固体或其它此种污染物。洗涤器可包含以下中的一者或一者以上:过滤器、干燥剂、沸石、活性碳、纤维、逆流洗涤溶液、混合器、均质器或通常与气体洗涤器联合使用或包含在气体洗涤器内的其它此种组件。所述组件已为气体处理领域的技术人员熟知。接着，离开厌氧消化系统或洗涤器的气体任选地使用常规气体分离设备分离成其个别组份，所述设备已为气体混合物分离领域的技术人员已知。气体也可利用一个或一个以上压缩机或脱水设备来处理。另一选择为，气体在洗涤之后可储存在加压储存容器或罐中。若所储存的气体是纯化甲烷或氢或甲烷或氢与二氧化碳的混合物，那么其可直接用于操作厌氧消化系统或其组件中的一者或一者以上，或其可用于操作额外设备(例如上文所阐述者)。在上述气体中也可发现氨。
[0085] 在图4的实例中，自燃气轮机生成的热和能量可路由到热处理单元以执行各种需要高温的任务。热处理单元可利用温度高于300 V、400 V、500 V、600 V、700 V或800 V的热。图4中图解说明的例示性任务是油的精炼，例如精炼来自生物质的油以生成绿色原油。废热可用于油物质的热裂解或氢化裂解。在另一实施例中，可对石油产物执行精炼以生成燃料产物(例如汽油或航空燃料)。
[0086]消化残渣是消化系统中微生物不能降解的初始输入材料的固体剩余物。其还包含消化系统内死微生物的矿化残余物。消化残渣可变成三种形式:纤维、液体或以污泥为主的两种部分的组合。在本发明的例示性两阶段系统中，不同形式的消化残渣来自不同的消化罐。产酸消化残渣是主要包含木质素和纤维素的稳定有机材料，但也可含有死细菌细胞基质中的各种矿物组份和一些塑料。所述材料类似家用堆肥且可用作堆肥或以制造低级建筑产品(例如纤维板)。产甲烷消化残渣富含营养物且可用作肥料，此取决于所消化材料的质量。消化残渣通常含有诸如木质素等不能被厌氧微生物分解的元素。消化之后可利用成熟或堆肥阶段。多数堆肥阶段通常利用干厌氧消化技术。
[0087] 来自消化系统的生物质或生物质污泥是可容易地从本发明系统获得的具有各种用途的另一种产物。经消化或部分消化的生物质可用于各种途径，其包括(但不限于)自生物质生成动物或植物饲料或用于生成油或液体产物的原料。在一个实施例中，系统包含处理单元，其可经配置以(例`如)脱水、干燥、制粒和/或粒化最终经处理生物质。将固体干燥和/或粒化可将废气生物质转化成可用的肥料产品或肥料成份和/或土壤改良产品。从固体部分移除的水可返回至厌氧消化系统。此外，系统所产生的生物质固体可含有大量氮、磷和用于制造作物肥料和/或土壤改良剂的其它痕量金属和元素。
[0088] 在图4的实例中，可使用由靠来自消化系统已移除生物质的生物气体运行的燃气轮机生成的热，将生物质转化成油产物(例如绿色原油)。在具有多个消化系统的另一实施例中，生物气体和生物质可从相同或不同系统获得。
[0089] 在如图5中所阐释的例示性系统中，使用由可燃烧来自消化系统的生物气体的燃气轮机所生成的热，可将挥发性脂肪酸加热成热酸。热酸可用于包括生成酯在内的各种目的。酯可用于许多产物(包括生物柴油和生物燃料)。
[0090]实例 I
[0091] 本文所阐述的生物反应器系统用厌氧细菌、特别是水生和反刍细菌接种。给系统提供许多不同的原料。将Ikg干燥质量样品的原料提供于本文所阐述的两罐生物反应器系统中。第一罐用IOg反刍细菌(在此实例中，来自牛的细菌)和Ig水生细菌(从混合沉积物获得)以10: lw/w反刍厌氧细菌与水生厌氧细菌的比例接种。在系统的第二罐中，按相反顺序接种，或者IOg水生细菌与Ig反刍细菌。图6图解说明此例示性系统中特定原料至选定产物(列示于整个表的第一列)的转化。产物的量以克展示，且产物的总重量图解说明转化成有用产物(不包括纤维素纤维等)的原料的数量。如由数据所表明，在所有原料中，至少59.8%的原料转化成有用产物。此外，产生大量的VFA和生物气体。
[0092]实例 2
[0093] 以实验室规模在两阶段生物反应器中，使用从普吉特海湾(Puget Sound)收获的石莼(Ulva Iactuca)作为原料。生物反应器用以下接种:IOmL第一室反刍细菌聚生体，其由超过IO9个厌氧菌落形成单位组成；和0.01mL来自当地泥炭沼泽的厌氧产甲烷菌沉积物的接种物，其由平均IO8个厌氧菌落形成单位组成，以及Ikg重量的干燥生物质。第二反应器用IOmL厌氧产甲烷菌沉积物和0.01mL反刍菌聚生体接种。生物反应器系统中的石莼原料产生平均相当于220立方米的生物气体且提供每升反应物平均6克挥发性脂肪酸。
[0094]实例 3
[0095] 将混合巨藻培养物连同与实例2中相同的接种物放置于生物反应器系统中。原料转化成平均相当于580立方米的生物气体和每升反应物平均9.4克挥发性脂肪酸。
[0096]实例 4
[0097] 将庭院废物和修剪下的草连同与实例2中相同的接种物放置于生物反应器系统中。原料转化成平均600立方米的生物气体且自样品产生16克/升的挥发性脂肪酸。
[0098]实例 5 [0099] 利用本文所阐述的生物反应器系统和反刍生物的混合物，所述混合物在IOmL接种液中包含等份的牛、山羊和绵羊反刍微生物。使用修剪下的草和纸浆废物作为原料。与本文的其它实例相比，从原料转化所获得的产物显示，生物气体产量降低(200到300立方米)且挥发性脂肪酸产量增加，其显示每升反应物平均产量10.6克的VFA产量。在实例2到5的第一模块中已鉴别以下微生物:乳酸杆菌(Lactobacillus)、丙酸梭菌、丁酸梭菌、肠杆菌(Enterobacter)、白色瘤胃球菌。在实例2到5的第一模块中已鉴别以下微生物:反刍甲烷短杆菌；埃氏巨球形菌。
[0100] 在本文所阐述的生物反应器系统和实例2到5的一些系统中已鉴别出本文所阐述的其它微生物。

Claims (17)

1.一种生物反应器，其包含: 第一模块，其包含第一多个厌氧细菌；和 第二模块，其包含第二多个厌氧细菌； 其中所述第一模块的输出与所述第二模块的输入连通， 其中所述第一多个厌氧细菌包含不同于所述第二多个厌氧细菌的厌氧细菌的混合物，且 其中所述生物反应器经配置以从所述第一模块移除挥发性脂肪酸并经配置以从所述第二模块移除氨，以将所述生物反应器的PH维持在5.9与8.5之间。
2.根据权利要求1所述的生物反应器，其中大部分所述第一多个厌氧细菌是产酸细菌，且其中大部分所述第二多个厌氧细菌是产乙酸细菌。
3.根据权利要求1所述的生物反应器，其中大部分所述第一多个厌氧细菌是产酸细菌，且其中大部分所述第二多个厌氧细菌是产甲烷细菌。
4.根据权利要求1所述的生物反应器，其中在不移除挥发性脂肪酸的情况下，所述PH不能维持在5.9与8.5之 间。
5.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述第一和第二多个厌氧细菌各自包含水生厌氧细菌和反刍厌氧细菌。
6.根据权利要求5所述的生物反应器，其中大部分所述第一多个厌氧细菌是反刍厌氧细菌，且其中大部分所述第二多个厌氧细菌是水生厌氧细菌。
7.根据权利要求5所述的生物反应器，其中所述第一多个厌氧细菌以100:1到10000:I的体积:体积比包含所述反刍厌氧细菌和所述水生厌氧细菌，且其中所述第二多个厌氧细菌以100:1到10000:1的体积:体积比包含所述水生厌氧细菌和所述反刍厌氧细菌。
8.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述生物反应器是间歇的。
9.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述生物反应器是连续的。
10.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述第一模块包含经配置以接收原料的输入，其中所述原料包含固体纤维素生物质。
11.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述第一模块包含经配置以从所述生物反应器收集挥发性脂肪酸的输出。
12.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述第二模块包含经配置以从所述生物反应器收集氨的输出。
13.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述第二模块包含经配置以从所述生物反应器收集甲烷的输出。
14.根据权利要求5所述的生物反应器，其中所述反刍厌氧细菌选自由以下组成的群组:产玻拍酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes)、溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibriofibrisolvens)> 白色瘤胃球菌(Ruminococcus albus)、湖头梭菌(Clostridiumlocheadii)、栖瘤胃拟杆菌(Bacteroides ruminicola)、嗜淀粉瘤胃杆菌(Ruminobacteramy lophi Ius)、反会月形单胞菌(Selenomonas ruminant ium)、溶淀粉玻拍酸单胞菌(Succinimonas amylolytica)、牛链球菌(Streptococcus bovis)、解乳月形单胞菌(Selenomonas Iactilytica)、埃氏巨球形菌(Megasphaera elsdenii)、施瓦茨氏菌属(Schwartzia sunniovorans)、多毛毛螺菌(Lachnospira mulitparus)、新 _ 鞭毛菌(Neocallimastix)和其组合。
15.根据权利要求5所述的生物反应器，其中所述水生厌氧细菌选自由以下组成的群组:反会甲烧短杆菌(Methanobrevibacter ruminantium)、运动甲烧微菌(Methanomicrobium mobile)、沃尔夫互营单胞菌(Syntrophomonas wolfei)和其组合。
16.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述生物反应器经配置以移除以下物质中的至少一者:氨、挥发性脂肪酸和甲烷。
17.根据权利要求16所述的生物反应器，其中所述生物反应器的所述第二模块包括经配置以收集甲烷的 输出并且其中所述甲烷被提供给经配置以提供电力的涡轮机。
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