CN1103817C - 物质上或能量上有效利用生物气体的方法及实施该方法用的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种产生或利用生物气体的装置，其特征在于，该装置由常规生物气体装置(1)、置于生物气体装置(1)后的藻反应器(2)以及后随的发酵罐(3)组成，其中在可能情况下，藻反应器(2)经由回输管线(4)和输入管线(7)同生物气体装置(1)连通，而且聚-β-羟基丁酸(PHB)发酵罐(3)经由回输管线(5)同生物气体装置(1)连通。

Description

物质上或能量上有效利用生物气体的方法 及实施该方法用的装置
本发明涉及一种既能在能量上又能在物质上保证有效利用生物气体的装置和方法。
用现今对诸如圈肥(Gülle)、残羹剩渣、屠宰废弃物、麦芽浆以及污水淤泥之类有机废弃物进行有控制的(gelenkten)厌氧发酵时产生的生物气体可以提供热值约高达25,000KJ/m3的与天然气同样富有价值的可回收能量载体。在Block热电厂，生物气体总含能量中，约33％转化为电能、57％转化成热能，其中约12～22％的热能需用来使生物气体装置运行。
生物气体随所发酵废弃物和发酵方法而异，一般含有约60％甲烷、35％CO2、1％硫化氢、水和氮。在最优化的两步发酵法流程中，除了发酵步骤本身以外，还采用水解步骤(参见DE 296 05 625.1)甲烷含量达75％。这种生物气体中的CO2含量为18％，氮的含量为13％，氧的含量为4％。H2S含量可在此种方法流程中特定措施水解步骤降到低至10ppm的检测极限(参见DE 296 05 625.1)。
本发明的发明目的是，提供一种不仅在能量上而且还在物质上利用生物气体、并从而保证有效的物质及能量循环的方法和装置。
本发明的上述发明目的，经用一种装置得以实现，该装置由常用的生物气体装置1、置于该生物气体装置之后并进行光合作用(phototrophen)脱除CO2用的藻反应器2，以及置于藻反应器2之后并回收聚-β-羟基丁酸(PHB)用的发酵罐3组成。按照本发明，发酵罐3也可包括两个或多个发酵罐，这样就可譬如在一个发酵罐中进行生长过程，而在另一个发酵罐中进行产物形成过程。所产生的生物气体含有可检测量硫化氢时，可在生物气体装置1和藻反应器2之间设置一个脱硫装置。通常情况下，脱硫倒是在水解步骤中，经通气来较为容易地进行(两步法)或者将3～5％空气鼓入生物气体反应器的储气罐或贮气容器中，以此将H2S和转化成水和元素硫。藻反应器2可经由回路4与生物气体装置1连通，而PHB发酵罐3则可经由回路5与生物气体装置1连通，从而不论出自藻反应器2的藻生物，还是出自PHB发酵罐3的残留生物，均又输至生物气体装置1，并能制造生物气体。按照本发明，回输管线5也可由两根支管(Teilleitungen)组成，其中在一根支管中将残留生物引至生物气体装置，而在另一根支管线中，则将PHB发酵时的液态泄出物引至生物气体装置。不言而喻，也可将残留生物和液态泄出物交替地经由管线5引至生物气体反应器1。经由养料管线7可满足藻反应器2中来自生物气体反应器1泄出物的藻群对养料的需求。
与交替吸附法或同样可用于CO2脱除的气体洗涤法相比，本发明装置中使用了藻反应器，其重大优点是，所产生的生物气体不仅除掉了CO2，而且还同时产生可(经由管线4回输)贮存于生物气体装置1中的藻生物群落(Algenbiomasse)。除此以外，还产生氧气，它同甲烷一起用作嗜甲烷(methanotrophen)菌的培养基。
按照本发明，常规反应器也可用作藻反应器，例如从谷物加工研究所股份有限公司(Institut fürGetreideverarbeitung GmbH，D-14558Bergholz-Rehbrücke)或B.布劳恩生物技术国际公司(B.Braun BiotechInternational，D-34212 Melsungen)购得的反应器，或者还记载于德国专利申请公开说明书DE 41 34 813A1中的反应器。这种光生物反应器的原理已为人们所知，它以光合自养藻(photoautotrophen Algen)的营养摄取方式为基础，这种营养摄取方式能以CO2作为唯一碳来源物，形成生物群落(Biomasse)，产生氧气并从光线中得到为此所需能量。
按照本发明，优选在海藻反应器中使用由快速生长、可从天然高含量(hochbelasteten)水域获得的蓝藻和绿藻组成的混合藻群。在适应期调节工艺参数，对这些藻类进行选择。最能适应生活条件的藻，能达到较高的生长速度，并能大量繁殖。藻的繁殖通过调节正磷酸盐含量来确保。对于绿藻，正磷酸盐含量为100μg/l，而蓝藻则为＞150μg/1。适应期中的养料含量须等于藻群采样地点的(Entnahmeortes)养料含量，以避免死亡或藻群适应时间过长。对混合藻群经通以生物气体，同时供以养料、光线和热量，在10～31℃ ，优选25～30℃温度和光强度＞500勒克斯的条件下，在周围介质中对二氧化碳水平进行适应。优选使用自然太阳光。
光生物反应器，举例来说，可以采用管状反应器，在该反应器中，约10～20％的藻生物群用载体进行固定。载体进行固定的优点是，反应器中可达到较高的生物群富集度(Anreicherungsgrad)，从而加快CO2转化。另一方面，载体固定的生物群对于所调节参数的偏移并不象自由漂游的群落那样易受影响。藻群的养料含量由出自生物气体反应器的泄出物(养料管线7)予以弥补。对于管状反应器的结构，经过入口(CO2进气)与出口的流速，以及流动方向，均需由Schikanend的Einbau加以调整。流速的调节，一方面要使藻悬液与CO2之间能较为密切地接触，另一方面要使尚存CO2或已形成的O2不能在反应器中产生任何气袋。
视需要而定，本发明装置用嗜甲烷(methanotrophe)菌将一部分所产生的甲烷/氧气混合气体转化成聚β-羟基丁酸(PHB)——一种大有前景的可生物降解聚合物。在该装置中，发酵过程可在不灭菌条件下进行，而且经选择适宜的工艺条件，细菌群落中可积累约50％的PHB。由于在该过程中生物气体中的甲烷仅不完全地利用(气体利用率为30～50％)，故而可将剩余的发酵气体经由管线6供入能量获取循环装置，因此对环境不会造成负担。所产生的PHB，以常规的酶或萃取方法从生物群中获取，并以≥1百万的高分子量而出众。剩余的富蛋白残留生物群只要没有其他用处，就可经由管线5再供入生物气体装置，并用来获取生物气体。强烈放热的嗜甲烷菌的生长过程/产物形成过程中所释放热量用于总工艺流程，以补偿弱放热生物气体过程和藻反应器的热量亏空。
本发明中不论是用一级还是多级的方法发酵有机废弃物，均完全一样地可用现有技术中已知的任何常规装置作生物气体装置。重要的只是，将产生的生物气体予以纯化，除掉H2S和CO2。
本发明对生物气体在物质上和能量上加以利用。Block热电厂(BHKW)所产热、电能的一部分用于生物气体装置1、藻反应器2和PHB发酵罐3。藻生物群从藻反应器2出来经由回输管线4引入生物气体装置1，就象出自PHB发酵罐3的残留生物群经由回输管线5被引入生物气体装置1一样。按照本发明，也可先将藻生物群供入萃取装置，以便譬如将可用作食品色素或用于化妆品工业的类胡萝卜素分离出来。在此情况下，再在萃取以后将剩下的残留生物群供入生物气体装置1。
从PHB发酵罐出来的发酵排气，经由管线6导出以利用能量。
在本发明方法由生物气体制备PHB的一种特别优选实施方式中，将嗜甲烷菌种用甲烷/氧气混合物，在含水营养介质存在下，以不灭菌条件进行培养，而且使生长过程连续进行，而产物形成过程则连续或间断进行，并从所得生物气体中用已知的方法经萃取获取PHB。
所述培养在下列条件下进行：温度范围为20～42℃，优选32～38℃；pH值为5.2～6.8，优选5.5～6.0；压力至高0.6MPa；以及溶解氧含量为空气饱和值的0.5～90％。
作为嗜甲烷菌种，优选使用Methylocystis spec.DSM 7674菌种。这种菌种首次记载于DD 148 465。该菌种首先以ZIMET B 502的编号保藏于位于德国耶那市的ZIMET-保藏所，稍后转到德国微生物与细胞培养物保藏中心(DSMZ，Deutsche Sammlung für Mikroorganismen undZellkulturen)。但按照本发明，使用另外一种可在不灭菌条件下进行培养、并以生物气体作唯一碳来源物的嗜甲烷菌培养物也能保证很好地富集生物气体中的PHB。
在本发明特别优选的一种实施方式中，PHB方法将生长过程和产物形成过程以交替的方式进行。生长过程在流通速度为D＝0.1～0.2h-1，优选0.13-0.15h-1时进行，产物形成过程在流通速度为D＝0.04～0.05h-1时进行，或者间断进行。产物形成过程直接从生长过程开始，尔后将氨氮剂量减至需要量的10％。在6～10小时，优选8小时的产物形成阶段以后，收获发酵罐中的一部分内容物，优选收获50％，并对剩余的残留物补足营养液。添加足够的氨氮后，立即重又开始生长，并在达到原始的生物群落浓度之后，可在12～20小时以后，优选16～17小时以后重又开始产物形成过程。以此方法，可经循环进行生长过程和产物形成过程，不间断地产生PHB超过一月。
PHB从生物群落中的获取，以标准萃取方法进行，例如用甲醇进行预萃取(Vorextraktion)(固体物质与溶剂的比例为1∶5)，接着用1，2-二氯乙烷(固体物质与溶剂的比例为1∶10，温度83℃，分4级进行，萃取持续时间为15分钟)，并随后用丙酮沉淀(4～8℃，固体物质与溶剂的比例为1∶1)，而且专业人员可毫无问题地对此方法作相应的改变和优化。
用本发明的PHB方法，在培育时间约为10小时时，生物群落中的PHB含量至少达到35％。按本发明所制聚β-羟基丁酸的分子量介于1.2～1.6百万之间。
本发明所涉及的PHB方法操作简易，这是因为它在不灭菌条件下工作，所用基质为价廉的原材料。
因此，本发明提供了一种装置和一种新方法，用此装置和方法能以利用废弃物过程中产生的生物气体为原料，产生高价值的生物聚合物。本发明所涉及的装置利用物质循环，并兼能消除生物垃圾、获取生物气体、制备PHB，以及获取能量等。
本发明的特殊优点是，PHB发酵罐中的生物群落因回输到生物气体装置而重又降解成CO2和CH4，并以此引入循环。
实施例
本发明一种优选装置的示意图示如图1。
在生物气体装置1中，有机物质经发酵而转化成已脱硫的生物气体，并供入藻反应器2。在藻反应器2中，CO2被藻类主要借助自然阳光用来形成生物群落。同时，通过光合作用生物群释出氧。所需的养料可经源自生物气体反应器1出口的管线7供入藻反应器2。
甲烷和氧气以50∶50％至70∶30％的混合物形式离开藻反应器2。这些气体以CH4/O2＝0.85～1.25比例，或者被直接供入PHB发酵罐，或者在中间供入后，再供入PHB发酵罐。该气体混合物也可用附加的空气调节到所需比例。发酵罐3中的通气强度为150l/h每1kg生物群落悬液。搅拌器转速和压力予以自动调节，以使溶解氧浓度为饱和浓度的0.5～15％。温度调节到38℃，pH调节到5.7。使用一种在接种阶段(Impfstrecke)培养过、主成分为Methylocystis spec.DSM 7674、生物群落浓度为28g/l的嗜甲烷菌混合培养物。调节流通速度为0.15h-1，而且不取决于生物群落浓度，用优化营养液，以及用2％氨溶液持续调节pH值，不断维持过量营养盐。培养2小时后，产物形成过程结束。PHB发酵罐3经由管线5同生物气体反应器连通，以将发酵罐3中出来的剩余富蛋白残留生物群落再输回至反应器1中。同样，经由管线4，将出自藻反应器2的藻生物群落输入生物气体装置1。
                      关于国际间相互承认
               为专利程序目的进行微生物保藏的
                         布达佩斯条约
                         国际通用表格UFZ-环境研究中心莱比锡-哈勒股份有限公司佩冒舍路15号04318 莱比锡
                                                  首次保藏的接受证明
                                                  按第7.1条规定，出具者为表底所述
                                                  国际保藏单位
  1.微生物名称
  保藏请求人的命名：GB 25，ZIMET B 502，DSM 7674   国际保藏单位的受理编号：DSM 7674
  II.科学描述及/或建议的分类命名
  随同本表上列第1.栏中所命名微生物附有(×)科学描述(×)建议的分类命名(附有者请在括号内作×标记)
  III.收受与受理
  本国际保藏单位接受本表上列第1.栏所确定的微生物，接受日期为1981-10-01(首次保藏日期)1
  IV.转存合同的收受
  本表上列第1.栏所确定微生物已由本国际保藏单位于1979-04-19(首次保藏日期)接受，并于1996-11-08收到将该微生物转存到布达佩斯条约所规定保藏单位的申请书(转存申请书收到日期)
  V.国际保藏单位
名    称：  DSMZ-德国微生物与细胞培养物保藏中心收信地址：  Mascheroder Weg 1bD-38124 Braunschweig   国际保藏单位所指定或授权代表人签名日期：1996-11-08
1凡第6.4(d)条使用时，该日期为国际保藏单位收到的日期表格DSMZ-BP/4(单页)0196
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                                                  按第10.2条规定，出具者为表底所述
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UFZ-环境研究中心名称    莱比锡-哈勒股份有限公司地址    04318莱比锡佩冒舍路15号   国际保藏单位指定的受理编号DSM 7674保藏或转存的日期1：1993-06-23
  III.存活证明
  本表上列第II.栏所述微生物的存活性已于1996-09-112检测，当时该微生物(×)3存活(  )3不存活
  IV.存活性试验的条件4
  V.国际保藏单位
名    称：    DSMZ-德国微生物与细胞培养物保藏中心收信地址：    Mascheroder Weg lbD-38124 Braunschweig   国际保藏单位所指定或授权代表人签名日期：1996-11-08
1首次保藏日期。假如还有重新或进一步的保藏，那么写明的应是最后一次的保藏日期。2按第10.2(a)规定，在本表第II、III栏规定的情况，说明最后一次的生物存活检验结果。3有关的结果做出(×)的标记。4假如检验结果为“不存活”，要填写该栏。表格DSMZ-BP/9(单页)0196

Claims (8)

1.物质上和能量上有效利用生物气体的方法，其特征在于，在藻反应器(2)中，分离出生物气体装置(1)所产生并经脱硫的生物气体中所含的CO2；所剩甲烷与藻反应器中所产氧气的混合物，不仅供PHB发酵罐(3)以生物技术制备聚β-羟基丁酸(PHB)之用，而且也供直接能量利用之用；出自藻反应器(2)的藻生物群落和出自PHB发酵罐(3)的残留生物群落，分别经由回输管线(4)和回输管线(5)重又供入生物气体装置，出自PHB发酵罐(3)的发酵气体经由管线(6)供给能量循环。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物气体脱硫步骤，在置于生物气体装置(1)之后的脱硫装置中进行。
3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用Methylocystis spec.DSM7674菌种进行PHB的生物技术制备，并在不灭菌条件下进行培养。
4.物质上和能量上有效利用生物气体的装置，其特征在于，该装置由生物气体装置(1)、置于生物气体装置(1)下游的藻反应器(2)及后随的制备聚β-羟基丁酸(PHB)用的发酵罐(3)组成。
5.权利要求4中所述的装置，其特征在于，藻反应器(2)经由回输管线(4)与生物气体装置(1)连通。
6.权利要求5所述的装置，其特征在于，藻反应器(2)还经由输入管线(7)与生物气体装置(1)连通。
7.权利要求4所述的装置，其特征在于，PHB发酵罐(3)经由回输管线(5)与生物气体装置(1)连通。
8.权利要求4所述的装置，其特征在于，在生物气体装置(1)与藻反应器(2)之间，置有脱硫装置。
CN98805067A 1997-05-14 1998-05-08 物质上或能量上有效利用生物气体的方法及实施该方法用的装置 Expired - Fee Related CN1103817C (zh)

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DE19721243.3 1997-05-14
DE19721243A DE19721243C2 (de) 1997-05-14 1997-05-14 Verfahren und Anlage zur effizienten energetischen und stofflichen Nutzung von Biogas
US29708955.2 1997-05-14

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