TWI500766B

TWI500766B - 將電力轉換成替代能源資源之方法及系統

Info

Publication number: TWI500766B
Application number: TW099121889A
Authority: TW
Inventors: Laurens Mets
Original assignee: Univ Chicago
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2015-09-21
Also published as: EP2449084A4; EP2449084A1; US20210032582A1; DK2449084T3; EP3839860A1; BR112012000046B1; US20220411733A1; WO2011003081A1; TW201116628A; HUE051809T2; EP2449084B1; BR112012000046A2

Description

將電力轉換成替代能源資源之方法及系統

本專利係針對將電能轉換成替代能源資源，諸如燃料。特定言之，本專利係關於使用電能將二氧化碳轉換成甲烷及其它能源資源，該轉換亦可形成或產生其它產物或副產物，例如碳信用額(carbon credit)或氧氣。

美國每年消耗約90艾焦耳(ExaJoule/EJ)碳基燃料，在2008年佔其總能源消耗之88%。使用此等燃料受高度資本化之處理、分配及利用行業支持。

此等系統之可持續性有兩點問題。第一，美國進口其所用能源之25%，此比例預計實質上增加。進口能源係獲自處於滿足世界其它地區正增長之經濟體逐漸增加之需求壓力下的來源。第二，超過96%之碳基燃料係獲自有限的化石儲備。有用能量係藉由將還原狀態之碳氧化為二氧化碳而自碳基燃料獲得。對於化石燃料而言，此過程基本上為開環的，產生CO₂ ，而不補償碳還原過程以閉合循環。隨後大氣中CO₂ 之逐漸累積開始引起全球氣候變化，此威脅吾等生活方式之許多方面。因此，需要對於總能源經濟而言可閉合此碳能量循環之方法。

每年58,000 EJ通量之太陽能進入美國土壤，使其成為吾等最豐富之不含碳能源資源，為當前消耗之500倍。不僅在美國，而且在人類生活之各個地方，太陽能具有作為國內資源之獨特優點。其廣泛用作初級資源將在全世界確保能源獨立性。然而，現在太陽能僅為能源經濟之微小組成部分，佔美國市售能源消耗之0.1%以下。太陽能之利用有限，主要因為其為間斷的且無法可靠地提供基本負載能量，而該基本負載能量必須無論何時需要時均可得到。缺乏一種將太陽能以無論何時需要時即可利用之穩定形式儲存的方法。理想情況下，該種儲存形式應能順利地適合現有能源基礎設施以使得開發後即可快速使用。

能源工業中需要將一種能量形式轉換成另一種能量形式之系統。特定言之，需要將電力轉換成可以工業規模廉價儲存之能量形式的系統。許多發電來源無法調整來與變化之需求相符。舉例而言，煤發電廠在以恆定速率維持時運作最有效且無法如燃燒天然氣(甲烷)之發電廠般輕易地調整。同樣，當風吹動時，風力機發電，而該風吹動在電力需求最高時卻不一定發生。

亦需要將電力轉換成可長距離傳輸而無顯著損耗之形式。風力發電廠、地熱發電設施、水力發電設施或太陽能發電設施大多數可能並不靠近較大人口中心，但歷經數百英里之電力損耗使得對該等遠距離電力設施增加大量成本。

甲烷為最多用途的能量形式之一且可容易地儲存。已存在很多用於運輸及分配甲烷之基礎設施以及用於將甲烷轉換成電力及用於向載具供電之基礎設施。在所有化石燃料中，甲烷亦具有最高每碳原子能量密度，且因此在所有化石燃料中，甲烷在燃燒時釋放最小每單位能量二氧化碳。因此，將電力轉換成甲烷之系統將在能量產生及利用行業中非常有用及有價值。

原則上，有可能以兩步驟方法自電力產生甲烷，諸如圖1中所示意性概述。第一步驟將使用電力在標準水電解系統50中自水製備氫氣。在第二步驟中，該氫氣可接著泵入產甲烷反應室52中，諸如具有產甲烷微生物之高度專用生物反應器。一種該生物反應器描述於Laurens Mets之美國專利申請案12/333,932中，該案以全文引用的方式併入本文中。

根據本發明之一態樣，將電力轉換成甲烷之系統包括生物反應器，該生物反應器至少具有至少含有陰極、包含產甲烷微生物之培養物及水的第一腔室，及至少含有陽極之第二腔室。該生物反應器具有將該培養物維持在高於50℃之溫度下的操作狀態。該系統亦包括耦接至該陽極及該陰極之電力來源、耦接至該第一腔室之二氧化碳供應源及接收來自該第一腔室之甲烷的出口。

根據本發明另一態樣，將電力轉換成甲烷之方法包括向生物反應器之陽極及陰極供應電力，該生物反應器至少具有至少含有該陰極、包含產甲烷微生物之培養物及水的第一腔室，及至少含有該陽極之第二腔室，該生物反應器具有將該培養物維持在高於50℃之溫度下的操作狀態。該方法亦包括向第一腔室供應二氧化碳，及自第一腔室收集甲烷。

根據本發明之另一態樣，產生碳信用額之方法包括向生物反應器之陽極及陰極供應電力，該生物反應器至少具有至少含有該陰極、包含產甲烷微生物之培養物及水的第一腔室，及至少含有該陽極之第二腔室，該生物反應器具有將該培養物維持在約50℃之溫度下的操作狀態。該方法亦包括向第一腔室供應二氧化碳，及接收碳信用額以在生物反應器中將二氧化碳轉換成甲烷。

咸信將由以下描述結合附圖來更充分地瞭解本發明。一些圖可藉由出於更清楚地展示其它元件之目的省略所選元件而進行簡化。在一些圖中該等元件之省略不一定表示在任何例示性實施例中存在或不存在特定元件，除了可在相應書面描述中明確地描述以外。並非所有圖式均一定按比例繪製。

儘管下文陳述本發明之許多不同實施例的詳細描述，但應瞭解，本發明之合法範疇係由本專利結尾處所述之申請專利範圍的言語定義。該詳細描述應僅視為例示性的且未描述本發明之每一可能實施例，因為描述每一可能實施例將不切實際(即使可能，亦很困難)。可使用目前技術或在本專利之申請日期後開發的技術實施許多替代實施例，此仍將屬於定義本發明之申請專利範圍的範疇內。

亦應瞭解，除非本專利中使用句子「如本文中所使用，術語『______』由此定義為意謂......」或類似句子來明確地定義術語，否則不欲明確地或含蓄地限制該術語之含義超出其平常或普通含義，且該術語不應解釋為限於基於本專利之任何章節(除申請專利範圍之語言外)中所作的任何陳述的範疇。在一定程度上，本專利結尾處之申請專利範圍中所述的任何術語在本專利中以與單一含義一致之方式提及，此僅為明確起見進行以便不使讀者感到困惑，且不希望該申請專利範圍術語含蓄地或以其它方式限於該單一含義。最後，除非所主張元件藉由描述詞語「構件」及功能而不敍述任何結構來定義，否則不希望任何主張元件之範疇基於35 U.S.C. §112第六段之應用來解釋。

本發明解決使用電生物裝置將二氧化碳處理或轉換成甲烷。該裝置可在本文中稱為生物學反應器、生物反應器、處理器、轉換器或產生器。應認識到，此表示不欲限制在包括一或多個轉換器之系統中轉換器可執行之作用。

舉例而言，裝置提供非化石碳基能源資源。就此而言，裝置用於產生可取代化石基碳燃料的能源資源，以例如減少對化石基碳燃料的依賴。另外，裝置轉換或處理二氧化碳以產生此能源資源。就此而言，裝置自環境移除二氧化碳，就其自身而言此可為有益行為。該自環境移除二氧化碳可藉由直接自大氣中移除二氧化碳或藉由使用來自另一工業製程之二氧化碳且藉此防止該二氧化碳釋放至大氣或儲存系統或另一製程中來發生。此外，例如當對電力之需求可能會使得電力將以其它方式浪費或甚至蝕本出售給電力生產者時，裝置使用電力將二氧化碳轉換或處理成甲烷以將電力轉換成另一能源資源。就此而言，裝置可視為能量儲存系統之一部分。在操作電網或個別發電廠或該電網上之其它電源時，或作為不與電網關聯之設施的一部分，或在操作生物反應器時，可用電力輸出可由一或多個生物反應器使用以作為輸入二氧化碳、水或電力形式消耗且當商業條件有利於提供比該等輸入之其它用途大的動機時產生甲烷或氧氣。當某些調控政策、購電協議、碳信用額、期貨貿易機會、儲存能力、電力需求、稅、抵稅或減稅、合同、消費者偏好、輸送能力、價格條件或其它市場動機可提供足以操作生物反應器產生甲烷或氧氣或消耗二氧化碳、水或電力之價值時，可存在該等情況。除以上及其它用途外，裝置將電能轉換成甲烷，該甲烷可經由以每單位能量計比輸電線廉價之天然氣輸送管線來輸送，且在一些地區，輸電線無法具有與天然氣輸送線同樣多的空間輸送能力。就此而言，裝置可視為能量輸送系統之一部分。所有此等作用均可由本發明之裝置執行。

如圖2中所說明，本發明之生物反應器可包括至少分成第一腔室及第二腔室之容器。至少一個陰極安置於該第一腔室中，且至少一個陽極安置於該第二腔室中。第一腔室可具有連接至二氧化碳氣體來源及水源之入口及例如連接至用於儲存第一腔室中所產生之甲烷之儲存器件的出口。第一及第二腔室由為離子(質子)可滲透的以允許其自第二腔室移動至第一腔室之間隔物分隔。此膜對轉換過程之氣態產物及副產物不可滲透以限制或防止其在第一腔室與第二腔室之間移動。

I.　系統及生物反應器之描述

產甲烷微生物可例如培養於震盪或攪拌槽生物反應器、中空纖維生物反應器或流體化床生物反應器中，且以分批、分批饋送、連續、半連續或灌注模式操作。在分批模式(單批)中，將初始量之含有生長所必需之營養物的培養基添加至生物反應器中，且操作生物反應器直至活細胞數目升至穩態最大值或穩定條件。在分批饋送模式中，以固定時間間隔將濃縮培養基或所選量之單一營養物添加至培養物中。產甲烷微生物可在分批饋送條件下存活數年，限制條件為有效地使任何廢產物減至最少或移除任何廢產物以防止甲烷產生效率隨時間降低。任何抑制性廢產物可藉由此項技術中熟知之連續灌注製備方法移除。灌注方法可涉及藉由將新鮮培養基連續饋入培養物中，同時自反應器持續抽出相同體積而進行簡單稀釋。灌注方法亦可涉及藉由離心，同時使細胞保留於培養物中，或藉由利用透析、吸附、電泳或其它方法選擇性移除有毒組分而連續、選擇性地移除培養基。持續灌注之培養物可維持數週、數月或數年。

圖3說明可例如用於將電力轉換成甲烷之系統100的第一實施例。系統100包括至少具有第一腔室104及第二腔室106之生物反應器102。第一腔室104可至少含有陰極108、包含活產甲烷微生物之培養物及水。特定言之，該培養物可包含自養型及/或氫營養型產甲烷古菌(archaea)，且該水可為與該等活微生物相容之水性電解質介質的一部分。該第二腔室可至少含有陽極110。

生物反應器102亦可包括質子可滲透性障壁112。障壁112可為至少氣體半透性的，不過根據某些實施例，障壁112不透氣。根據某些實施例，不透性障壁112可為固態聚合物電解質膜(PEM)，諸如可以商品名Nafion購自E. I. du Pont de Nemours and Company。為了根據某些實施例在反應器中進行最佳能量轉換，咸信障壁對於水合氫離子之可滲透性應較佳在反應器之操作條件下以莫耳計比障壁對氧氣之可滲透性大最少兩個數量級。符合此等準則之其它適合PEM膜正在許多實驗室中積極開發，諸如磺酸化聚伸芳基嵌段共聚物(參見例如Bae,B.,K Miyatake及M. Watanabe. Macromolecules 43:2684-2691(2010)，其以全文引用的方式併入本文中)及PTFE負載型Nafion(參見例如G.-B. Jung等人，J Fuel Cell Technol 4:248-255(2007)，其以全文引用的方式併入本文中)。除Nafion外，適合市售PEM膜亦包括Gore-Select(PRIMEA)、Flemion(Asahi)、3M含氟聚合物離聚物、SPEEK(Polyfuel)、Kynar摻合膜(Arkema)、Fumapem(FuMA-Tech)及Solupor(Lydall)。

在生物反應器102中，水充當用於生物反應器中之產甲烷微生物(例如產甲烷古菌)的淨電子供體。因此，亦咸信障壁112對水合氫離子(H₃ O+)應可滲透。Nafion PEM為適於該障壁112之材料的一個實例。

陰極108可由多孔導電材料製成。特定言之，根據某些實施例，陰極108可由網狀玻璃質碳發泡體製成。如下文更詳細說明，可使用其它材料。根據某些實施例，陰極之孔隙可足夠大(例如最小尺寸大於1-2微米)以在該等孔隙中容納活產甲烷微生物。陰極基質之電導率較佳比其孔隙中所含之水性電解質介質的離子電導率大至少兩個數量級。

應認識到，陰極108之作用在於向微生物供應電子，同時使副反應減至最少並使能量損失減至最少。另外，陰極宜為廉價的。目前，咸信某些材料可能較適於或較不適於包括在反應器中。

舉例而言，鉑陰極可能較不適於包括在反應器中。就此而言，鉑提供對於催化由質子或水合氫離子與陰極所提供之電子的組合產生氫氣具有高度活性之表面。鉑陰極催化劑對於在水溶液中形成氫氣之活性如此高以使得催化劑附近之氫氣濃度快速升高至高於其溶解限度且出現氫氣氣泡。儘管產甲烷微生物進化至在甲烷形成過程中消耗氫氣，但氣泡中之氫氣僅緩慢再溶解於介質中且微生物基本上無法利用。因此，在鉑催化劑下氫氣形成所消耗之大部分能量並不促進甲烷形成。另外，氫氣之結合能高於甲烷每一鍵之結合能。當產生氫氣作為中間步驟時，此差異導致能量損失。

另一方面，固態碳陰極為對於氫氣形成具有低活性且可向微生物提供電子之廉價導電材料的一實例。然而，應認識到，微生物與外部電子來源或槽(諸如電極)之間的電子轉移需要微生物與電極之間具有一定程度的接近且電子轉移之總速率與同微生物緊密接觸之電極面積有關。因為允許微生物進入孔隙之多孔電極的接近微生物之表面積比相等尺寸之平坦電極大得多，所以預期多孔電極提供優良體積電流密度。

如實例1中所顯示，適合多孔陰極材料可由網狀玻璃質碳發泡體提供。其為廉價且導電的。其多孔結構提供與許多微生物之電連接，此得到高體積產率。另外，碳之玻璃質性質對於氫氣產生具有低活性，此提高能量效率與法拉第效率(Faradaic efficiency)。亦應認識到，玻璃質碳亦極耐腐蝕。

其它適合多孔電極材料可包括(但不限於)石墨發泡體(參見例如美國專利6033506，其以全文引用的方式併入本文中)、編織碳及石墨材料、碳、石墨或碳奈米管浸漬紙(參見例如Hu,L.等人Proc Nat Acad Sci USA 106: 21490-4(2009)，其以全文引用的方式併入本文中)、及金屬發泡體、或包含在反應條件下不反應且提供高表面體積比之材料(諸如鈦)的編織或非編織篩網。

此外，陰極與微生物之間的電子轉移之增強可用導電纖維達成。適合導電纖維可由如下文更詳細描述之微生物所產生的導電菌毛組成。或者或另外，諸如碳奈米管(Iijima,S. Nature 354:56(1991)，其以全文引用的方式併入本文中)之奈米線可直接連接至陰極。Wang,J.等人，J. Am. Chem. Soc. 125:2408-2409(2003)及其中之參考文獻(其全部均以全文引用的方式併入本文中)提供用於以碳奈米管改良玻璃狀碳電極之技術。另外，導電有機聚合物可用於此目的(參見例如Jiang,P. Angewandte Chemie 43:4471-4475(2004)，其以全文引用的方式併入本文中)。使微生物結合於電極表面之非導電材料亦可增強電子轉移。適合非導電結合劑包括(但不限於)聚陽離子聚合物，諸如聚離胺酸或聚(β-胺基磺醯胺)。活產甲烷微生物亦可產生使其有效地結合於電極表面之生物材料，諸如幫助生物膜形成之生物材料。

陽極110可包含Pt-碳催化層或已知提供用於將水氧化為氧氣之低過電位的其它材料。

如圖3中所說明，電力來源120耦接至陽極110及陰極108。如上文所述，來源120可自不含碳之再生來源產生。特定言之，來源120可自不含碳之再生來源產生，諸如太陽來源(例如光伏打電池陣列)及風來源(例如風輪機)。然而，根據其它實施例，來源120可為煤發電廠、燃料電池、核能發電廠。根據又一實施例，來源120可為輸電網之連接器。以下提供其它詳情。

基於含有水性電解質之多孔電極的動態計算模型，咸信在反應器之操作狀態下陰極電解質之最佳電導率較佳在0.01 S/cm至0.25 S/cm或更高之範圍內。電解質之較高電導率可減少反應器中之歐姆損失且因此可提高能量轉換效率。此外，計算模型表明多孔陰極之最佳厚度(垂直於反應器層之平面)可介於0.2 cm與0.01 cm之間或更小。較薄陰極層可在特定操作條件組下具有較低歐姆電阻且因此可具有提高之能量轉換效率。

生物反應器102可在高於6 mA/cm² 之電流密度下操作。舉例而言，生物反應器102可在介於6 mA/cm² 與10 mA/cm² 之間的電流密度下操作。根據某些實施例，生物反應器102可在高至少一個數量級之電流密度(例如60-100 mA/cm² )下操作。電流可以直流電形式供應，或可以脈衝電流形式供應，諸如自整流交流電供應。該脈衝電流之頻率不受反應器之性質限制。脈衝電流之頻率可為可變的，諸如由變速渦輪機(例如缺乏定速傳動裝置之風輪機)產生。

活產甲烷微生物(例如自養型及/或氫營養型產甲烷古菌)可浸漬至陰極108中。雖然在下一節中更詳細描述微生物之各種實施例及變型，但應注意根據本發明之某些實施例，微生物可為適合於接近穩定生長條件之古菌菌株。另外，根據本發明之某些實施例，微生物可為廣古菌亞界(subkingdom Euryarchaeota)之古菌，特定言之，微生物可基本上由熱自養甲烷熱桿菌(Methanothermobacter thermautotrophicus)組成。

如下文更詳細說明，生物反應器102可具有將培養物維持在高於50℃之溫度下的操作狀態，不過某些實施例可具有在約60℃至100℃之範圍內的操作狀態。生物反應器102亦可具有不向反應器102供應電力或二氧化碳之待用狀態。根據該待用狀態，相對於操作狀態，甲烷產生可顯著減少，以使得該產生可比操作狀態小若干個數量級，且同樣，對於輸入電力及輸入二氧化碳之需求可比操作狀態小若干個數量級。根據本發明之某些實施例，生物反應器102可在不向反應器102中添加微生物下在操作狀態與待用狀態之間或在待用狀態與操作狀態之間變化。

生物反應器102可具有連接至第一腔室之用於接收氣態二氧化碳的入口130。入口130可耦接至二氧化碳供應源132以將該二氧化碳供應源耦接至第一腔室104。生物反應器102亦可具有接收來自第一腔室之甲烷的出口134。

生物反應器102亦可具有連接至第二腔室106之用於接收副產物的出口136。舉例而言，氣態氧氣可在第二腔室106中作為在第一腔室104中甲烷產生之副產物而產生。根據某些實施例，氧氣可為生物反應器102之唯一氣態副產物。在任一情形下，氣態氧氣均可由連接至第二腔室106之出口134接收。

與圖3之揭示內容相一致，本發明之方法可包括向生物反應器102之陽極110及陰極108供應電力，該生物反應器102至少具有至少含有陰極108、包含活產甲烷微生物(例如自養型及/或氫營養型產甲烷古菌)之培養物及水(例如作為與活微生物相容之水性電解質介質的一部分)之第一腔室104，及至少含有陽極110之第二腔室106，其中將該培養物維持在高於50℃之溫度下。此外，如上所述，該方法可包括自不含碳之再生來源發電，諸如自太陽及風來源發電。根據某些實施例，可在非高峰需求期期間供應電力。在以下第III節中提供其它詳情。

方法亦可包括向第一腔室104供應二氧化碳。如上所述，方法可包括使來自至少濃縮工業來源之二氧化碳或大氣二氧化碳再循環，向第一腔室104供應該二氧化碳。

方法可進一步包括收集來自第一腔室104之甲烷。方法可進一步包括儲存及運輸甲烷。方法亦可包括收集生物反應器之其它氣態產物或副產物；舉例而言，方法可包括收集來自第二腔室106之氧氣。

應認識到，雖然圖3之系統可視為用於將電力轉換成甲烷，但亦有可能將圖3之系統視為用於產生或掙得碳信用額，例如作為碳隔離(carbon sequestration)之替代方案。根據該方法，方法將包括向生物反應器102之陽極110及陰極108供應電力，該生物反應器102至少具有至少含有陰極108、產甲烷微生物(例如產甲烷古菌)及水(例如作為與活微生物相容之水性電解質介質的一部分)之第一腔室104，及至少含有陽極之第二腔室，其中將該培養物維持在高於50℃之溫度下。方法亦將包括向第一腔室104供應二氧化碳。最後，方法將包括接收碳信用額以在生物反應器102中將二氧化碳轉換成甲烷。根據該方法，可使來自濃縮工業來源之二氧化碳再循環。

應認識到，系統100僅為本發明之系統的一個此類實施例。系統100之其它實施例及變型在圖4-10中說明，且將在下一節中描述。雖然此等實施例通常以剖面展示，但假設反應器為大致圓柱體形狀且陽極及陰極為圓盤狀形狀，該陽極及陰極可如所說明彼此平行配置，應瞭解可使用其它幾何形狀作為替代。

圖4說明包括生物反應器202、電力來源204及二氧化碳來源206之系統200。如所說明，電力來源204與二氧化碳來源206皆耦接至生物反應器202。如下文更詳細說明，生物反應器202使用循環液體/氣體介質。

生物反應器202包括部分界定第一腔室212及第二腔室214之外殼210。反應器202亦包括安置於第一腔室212中之陰極216及安置於第二腔室214中之陽極218。第一腔室212及第二腔室214由質子可滲透的不透氣性障壁220分隔，障壁220具有亦部分界定第一腔室212及第二腔室214之表面222、224。

生物反應器202亦包括集電器230、232，該等集電器分別用於陰極216及陽極218。用於陰極216之集電器230可以固體材料圓盤形式製成，以便維持腔室212中在用於二氧化碳之入口234與用於甲烷(及可能之副產物)之出口236之間的密封條件。入口234及出口236可界定於外殼210中。用於陽極218之集電器232亦可界定多孔氣體擴散層，陽極催化劑層安置於該多孔氣體擴散層上。應認識到，應提供多孔氣體擴散層以便允許氣態副產物離開第二腔室214，因為障壁220防止其經由第一腔室212穿過出口236離開。

與以上揭示內容相一致，陰極216由諸如網狀碳發泡體之多孔材料製成。陰極216浸漬有產甲烷微生物及水性電解質介質。因此，產甲烷微生物(例如古菌)在入口234與出口236之間、在障壁220與集電器230之間形成的通道238中。

在操作時，二氧化碳溶解於水性電解質介質中且經由陰極216循環。產甲烷微生物可存在於循環電解質介質中或可結合於多孔陰極216。在電流存在下，產甲烷微生物處理二氧化碳以產生甲烷。甲烷由電解質介質經由出口236載運至反應器202外。根據該實施例，諸如液體/氣體分離器之後處理設備可連接至出口以自溶液萃取甲烷。

圖5說明包括反應器252之系統250，該反應器252為圖4中所說明之反應器的變型。與反應器202類似，反應器252包括部分界定第一腔室262及第二腔室264之外殼260。反應器252亦包括安置於第一腔室262中之陰極266及安置於第二腔室264中之陽極268。第一腔室262及第二腔室264由質子可滲透的不透氣性障壁270分隔，障壁270具有亦部分界定第一腔室262及第二腔室264之表面272、274。

不同於圖4中所說明之實施例，圖5中所說明之實施例亦包括多孔的質子傳導性氣體擴散層280。氣體擴散層280安置於陰極266與障壁270之間。使用此氣體擴散層280，氣態二氧化碳可經由氣體擴散層280進入第一腔室212且接著擴散至陰極266中，同時微生物所產生之氣態甲烷可自陰極266擴散至層280中且接著離開第一腔室212。適合用作層280之質子傳導性氣體擴散層可藉由用質子傳導性離聚物塗佈多孔材料，藉由將離聚物直接併入多孔基質中，或藉由用例如硫酸鹽、磷酸鹽或促進質子傳導之其它基團對多孔基質材料進行化學衍生化來產生。

因此，應認識到根據圖5之實施例，二氧化碳及甲烷不由循環液體介質載運。實情為，第一腔室262中含有培養物及介質，同時僅氣態二氧化碳及甲烷在入口與出口之間循環。該實施例相對於圖4之反應器202可提供某些優點，因為可簡化甲烷後處理或產生之處置。此外，如圖11中所說明，反應器202中不存在循環液體介質可簡化多個反應器之間的串聯連接。然而，雖然圖4之實施例中的循環介質提供培養物所需之任何水，但可能有必要將設備耦接至反應器以除氣態二氧化碳外亦向培養物提供水蒸汽。電解質介質及微生物可藉由表面張力或者藉由將增加其黏度或形成凝膠之材料包括於電解質中而保留於陰極266之孔隙中。

圖6說明包括反應器302之系統300，該反應器302為圖5中所說明之反應器的變型。與反應器202及252類似，反應器302包括部分界定第一腔室312及第二腔室314之外殼310。反應器302亦包括安置於第一腔室312中之陰極316及安置於第二腔室314中之陽極318。第一腔室312及第二腔室314由質子可滲透的不透氣性障壁320分隔，障壁320具有亦部分界定第一腔室312及第二腔室314之表面322、324。

此外，與圖5中所說明之實施例類似，圖6中所說明之實施例亦包括多孔的質子傳導性氣體擴散層330。然而，氣體擴散層330不安置於陰極316與障壁320之間，而改為安置於陰極316與集電器332之間。在此配置下，氣體擴散層330為導電的而非如反應器252中之氣體擴散層280為質子傳導性的。電流將通過層330進入陰極316中。如反應器252中一般，二氧化碳仍將進入第一腔室312，通過氣體擴散層330且擴散至陰極316中，而微生物所產生之甲烷將自陰極316擴散穿過層330。

因此，圖6之實施例說明氣態二氧化碳自與質子相反之一側或沿與質子相反之路徑進入陰極的反應器。相比之下，圖5之實施例說明氣態二氧化碳及質子自同一側或沿類似路徑進入陰極之反應器。相較於圖5，圖6之實施例的逆擴散可提供較慢的生產，但可提供可接受之生產水準。關於根據該實施例用於障壁320之材料，咸信浸有Nafion粒子之多孔碳發泡體可為適合的。

圖7-10說明包括生物反應器402之系統400，其突顯出除圖2-6中所說明以外的本發明之若干態樣。特定言之，雖然反應器(具有第一及第二腔室、陽極、陰極、障壁、微生物及水性電解質介質)之一般性質與圖2-6中所說明之系統有許多共同之處，但反應器402說明新幾何形狀，以及存在複數個陽極及複數個陰極之反應器。

特定言之，如圖7中所說明，反應器402包括可以矩陣格式排列之許多管狀反應器次單元404。應認識到，次單元404之特定排列利用相對於次單元404之相鄰列的排列之偏移，以便在一定體積內增加次單元404之數目。亦應認識到，次單元404之相鄰列可彼此對準作為替代。亦應認識到，雖然已說明4列每列各5個次單元404及4列每列各4個次單元404，但此不應視為由此限制反應器402。

圖8以剖面說明複數個次單元，以便瞭解與以上圖2-6中所說明之系統的相似性及差異。雖然其無需為用於所有實施例之情況，但圖8中所說明之每一次單元404為相同的，以使得對任一次單元404之論述將包涵亦可對其它次單元404進行之評論。

如圖8中所見，反應器402包括外殼410，次單元404安置於該外殼410中。應認識到如下文更詳細說明，外殼410經密封以防產物及副產物洩漏。連接至各次單元404之大致管狀陰極414的共同集電器412安置於外殼410之一端。以類似方式，反應器402包括連接至各次單元404之大致管狀陽極418的多孔氣體擴散層/集電器416。如下文更詳細論述，大致管狀質子可滲透的不透氣性障壁420安置於陰極414與陽極418之間。此配置亦在圖9中說明。

根據此實施例，二氧化碳經由入口430進入反應器402且沿通道432移動。接著二氧化碳沿浸有產甲烷微生物及水性電解質介質之多孔陰極414通過。接著將陰極414中所產生之甲烷收集於連接至出口436之空間434中。

圖10說明關於圖7及8中之系統400說明之次單元404的變型。鑒於次單元404與其變型之間有相似性，共同結構將以撇號表示。

如圖10中所說明，次單元404'包括管狀陰極414'、管狀陽極418'及管狀障壁420'。如同次單元404中一般，管狀陰極414'安置於次單元404'之中心，而陽極418'徑向安置於陰極416'外部且障壁420'安置於其之間。然而，與圖5中所述之變型類似，次單元404'包括多孔的質子傳導性氣體擴散層440。此層440可與反應器402中之通道432及空間434連通，而非陰極414'。因此，二氧化碳將自入口430穿過層440到達陰極414'，同時甲烷將自陰極414'穿過層440到達出口436。與圖10類似、但如圖6中在陰極414'與集電器412'之間配置導電氣體擴散層的配置亦有可能。

圖11及12說明可用於上述任何反應器之兩個不同電源管理選擇。就此而言，應認識到，圖11及12中所說明之系統450、452的每一者可包括複數個個別反應器454、456。

在圖11中，個別反應器454串聯連接以匹配固定或恆定電壓。系統450藉由提供複數個開關458以允許其它串聯之反應器454鏈接入電路中以匹配可變電流而適應可變電流。在圖12中，個別反應器456並聯連接以匹配固定或恆定電流。系統452藉由提供成對開關460以允許其它並聯之反應器456平面接入電路中以匹配可變電壓而適應可變電壓。應認識到，亦有可能用可定址切換來解決可變電流及可變電壓應用以便視需要建立動態並聯反應器平面及調整串聯鏈之長度。

II.　包含產甲烷微生物之培養物

培養物

就本發明而言，反應器(本文中亦稱為電產甲烷反應器、電生物產甲烷反應器、生物學反應器、生物反應器等)包含含有產甲烷微生物(可與「產甲烷菌」互換使用之術語)之培養物。如本文中所使用，術語「培養物」係指培養基中或培養基上之活微生物群體。當作為反應器之一部分時，該培養基亦充當有助於反應器中之電導的電解介質。

單培養物，實質上純培養物

在一些實施例中，培養物為單培養物及/或實質上純培養物。如本文中所使用，術語「單培養物」係指來源於或起源於單一物種(其可涵蓋多種菌株)或微生物之單一菌株的微生物群體。在一些態樣中，單培養物為「純的」，亦即幾乎均質，除了(a)可能在後代中出現之天然存在之突變及(b)因暴露於非無菌條件引起之非產甲烷微生物的天然污染。單培養物中之生物體可例如藉由在特定條件下選擇或適應、照射或重組DNA技術來生長、選擇、適應、操作、改造、突變或轉型，而不損失其單培養物性質。

如本文中所使用，「實質上純培養物」係指實質上無除微生物之所需物種或菌株外之微生物的培養物。換言之，微生物之菌株的實質上純培養物實質上不含其它污染物，該等污染物可包括微生物污染物(例如不同物種或菌株之生物體)。在一些實施例中，實質上純培養物為如下培養物，其中培養物之總微生物群體中超過或約70%、超過或約75%、超過或約80%、超過或約85%、超過或約90%、超過或約91%、超過或約92%、超過或約93%、超過或約94%、超過或約95%、超過或約96%、超過或約97%、超過或約98%、超過或約99%為產甲烷微生物之單一物種或菌株。舉例而言，在一些實施例中，實質上純培養物為如下培養物，其中培養物之總微生物群體中超過70%、75%、80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%或更多為單一產甲烷微生物物種，例如熱自養甲烷熱桿菌。

當初始設置時，給生物反應器接種純或實質上純單培養物。因為生物反應器在操作期間暴露於非無菌條件，所以生物反應器可能會受環境中之其它非產甲烷微生物污染，但在1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12個月或1.5年或2年內對操作效率無顯著影響。

混合培養物

在其它實施例中，培養物包含複數個(例如兩個或兩個以上之混合物或組合)不同產甲烷微生物物種。在一些態樣中，培養物包含2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多不同產甲烷微生物物種。在一些態樣中，培養物包含複數個不同產甲烷微生物物種，但培養物實質上不含任何非產甲烷微生物。

在其它實施例中，培養物包含複數個不同微生物物種，其中至少一種為產甲烷微生物。在此實施例之一些態樣中，培養物包含至少一個產甲烷微生物物種且進一步包含至少一種所選非產甲烷微生物。在一些態樣中，培養物包含兩個或兩個以上不同產甲烷菌物種，且視情況包含至少一種所選非產甲烷微生物。

兩種或兩種以上微生物之混合物的適合培養物亦容易自指定環境來源分離(Bryant等人Archiv Microbiol 59:20-31(1967)「Methanobacillus omelianskii,a symbiotic association of two species of bacteria.」，其以全文引用的方式併入本文中)。適合混合物可為兩個或兩個以上物種之細胞物理性締合的共生物種或其可為兩個或兩個以上物種在代謝上合作而無物理性締合之互飼混合物。又，適合混合物可為兩個或兩個以上物種之細胞物理性締合的共生物種或其可為兩個或兩個以上物種在代謝上合作並物理性締合之互飼混合物。除得自已知氫營養型產甲烷菌之純培養物的彼等性質外，混合培養物可具有有用性質。此等性質可包括例如對氣體進料流中之污染物(諸如氧氣、乙醇或其它微量組分)具有抗性，或聚集生長，此可增加培養物密度及培養物之體積氣體處理能力。氣體進料流中之另一污染物可為一氧化碳。

適合混合生物體培養物亦可藉由組合自兩個或兩個以上來源分離之培養物而獲得。適合混合培養物中的一或多個物種應為古菌產甲烷菌。任何非古菌物種可為細菌或真核物種。

混合培養物已在此項技術中描述。參見例如Cheng等人，U.S. 2009/0317882，及Zeikus US 2007/7250288，其中每一者以全文引用的方式併入本文中。

反應器狀態及生長期

如本文所述，就甲烷產生而言，反應器可處於待用(例如停用)狀態或處於操作(例如啟用)狀態，且因此，反應器可根據甲烷產生之需要或要求視需要「啟用」或「停用」。在一些實施例中，培養物之產甲烷微生物處於符合反應器之狀態的狀態。因此，在一些實施例中，產甲烷微生物處於產甲烷微生物不產生甲烷(例如不產生可偵測含量之甲烷)之待用狀態。在替代實施例中，產甲烷微生物處於產甲烷微生物產生甲烷(例如產生可偵測含量之甲烷)之操作狀態。

當產甲烷微生物處於操作狀態時，產甲烷微生物可處於多種生長期之一，該等生長期就微生物之生長速率(其可例如以微生物數目或細胞質量之倍增時間表示)而言不同。通常所觀察到之生長期包括停滯期、活躍生長期(亦稱為指數或對數期，此時微生物快速繁殖)、穩定期及死亡期(細胞數目呈指數或對數衰退)。在一些態樣中，生物反應器之產甲烷微生物處於停滯期、活躍生長期、穩定期或接近穩定期。

活躍生長期

在一些實施例中，產甲烷微生物處於產甲烷微生物活躍地快速繁殖之活躍生長期。

在一些態樣中，在生物反應器之操作期間，微生物之倍增時間可能較快或與在生長期期間在其天然環境中或在營養豐富的環境中所觀察到的類似。舉例而言，處於活躍生長期之許多產甲烷微生物的倍增時間為約15分鐘、約20分鐘、約30分鐘、約45分鐘、約60分鐘、約75分鐘、約80分鐘、約90分鐘或約2小時。

穩定生長期、接近穩定生長期

穩定期表示在對數或活躍生長期後細胞分裂速率及細胞死亡速率達到平衡或接近平衡之生長期，且因此，反應器中維持相對恆定濃度之微生物。(參見Eugene W. Nester,Denise G. Anderson,C. Evans Roberts Jr.,Nancy N. Pearsall,Martha T. Nester;Microbiology: A Human Perspective,2004,第4版，第4章，其以全文引用的方式併入本文中)。

在其它實施例中，產甲烷微生物處於產甲烷微生物並不快速生長或生長速率實質上降低之穩定生長期或接近穩定生長期。在一些態樣中，產甲烷微生物之倍增時間為約1週或更久，包括約2、3、4週或更久，或1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12個月或更久。

在一些實施例中，反應器包含含有產甲烷微生物之培養物，該等微生物最初處於活躍生長期，且隨後處於穩定期或接近穩定期。在一些實施例中，反應器包含含有產甲烷微生物之培養物，該等產甲烷微生物在待用狀態與操作狀態之間循環。

產甲烷作用

如本文中所使用，術語「產甲烷作用」係指微生物產生甲烷作為代謝副產物。在一些實施例中，反應器(本文中亦可互換地稱為電產甲烷反應器、生物學反應器或生物反應器等)包含含有氫營養型產甲烷微生物之培養物。如本文中所使用，術語「氫營養型」係指微生物能夠將氫氣轉換成另一化合物作為其代謝之一部分。氫營養型產甲烷微生物能夠利用氫氣產生甲烷。在一些實施例中，反應器包含含有自養型產甲烷微生物之培養物。如本文中所使用，術語「自養型」係指微生物能夠使用二氧化碳及還原力來源來提供細胞(例如微生物)之生長及維持所必需之所有碳及能量。適合還原力來源可包括(但不限於)氫氣、硫化氫、硫、甲酸、一氧化碳、還原金屬、糖(例如葡萄糖、果糖)、乙酸鹽、光子或陰極電極或其組合。在一些態樣中，產甲烷微生物由二氧化碳、電力及水產生甲烷，此為稱為電生物產甲烷之過程。

如本文所述，產甲烷微生物在操作狀態下產生大量甲烷。在一些態樣中，產甲烷微生物在活躍生長期或穩定生長期或接近穩定生長期產生甲烷。

產甲烷微生物之每個二氧化碳(CO₂ )分子的甲烷產生效率可為適於本文目的之任何效率。已報導，處於活躍生長期之天然存在之產甲烷微生物以每有一個CO₂ 分子轉換成細胞物質有約8個CO₂ 分子轉換成甲烷之比率，直至每有一個CO₂ 分子轉換成細胞物質有約20個CO₂ 分子轉換成甲烷之比率產生甲烷。在一些實施例中，本發明之生物反應器的產甲烷微生物顯示效率提高，尤其當適應穩定期生長條件時。因此，在一些態樣中，轉換成甲烷之CO₂ 分子數目與轉換成細胞物質之CO₂ 分子數目的比率高於處於活躍生長期之天然存在之產甲烷微生物的比率。在例示性實施例中，轉換成甲烷之CO₂ 分子數目與轉換成細胞物質之CO₂ 分子數目的比率為N:1，其中N為大於20之數值，例如約25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80或更高。在一些態樣中，N小於500、小於400、小於300或小於200。在一些態樣中，N在約40至約150之範圍內。

古菌

天然存在之古菌

在一些實施例中，產甲烷微生物(例如自養型產甲烷微生物)為古菌。術語「古菌」係指疵壁菌門(divisionMendosicutes )之生物體的分類，通常見於罕見環境中且與原核生物之其餘部分的不同之處為若干個準則，包括醚鍵聯膜脂質及細胞壁中缺乏胞壁酸。基於ssrRNA分析，古菌由兩個系統發生上迥異之群組組成：泉古菌(Crenarchaeota )及廣古菌。基於其生理學，古菌可編組成三個部分重疊之分組：產甲烷菌(產生甲烷之原核生物)；極端嗜鹽菌(在極高濃度之鹽(NaCl)下生存之原核生物)；及極端(超)嗜熱菌(在極高溫度(例如50-122℃)下生存之原核生物)。除使得有別於細菌之統一古菌特徵(亦即細胞壁中無胞壁質、醚鍵聯膜脂質等)外，此等原核生物亦展現獨特結構或生物化學屬性，此使其適應其特定生境。泉古菌主要由超嗜熱硫依賴性原核生物組成且廣古菌含有產甲烷菌及極端嗜鹽菌。

適於實施本發明之產甲烷菌(或甲烷桿菌(methanobacteria))容易自生物體之公開收藏獲得或可自多種環境來源分離。該等環境來源包括厭氧土壤及砂、泥地、濕地、沼澤、河口、茂密藻被、陸地與海底淤泥及沈降物、深海及深井場所、污水及有機廢物場所及處理設施、及動物腸道及糞便。適合生物體的實例已分類成甲烷桿菌綱中之4個不同屬(例如嗜鹼甲烷桿菌(Methanobacterium alcaliphilum )、布氏甲烷桿菌(Methanobacterium bryantii )、剛果甲烷桿菌(Methanobacterium congolense )、污水甲烷桿菌(Methanobacterium defluvii )、依斯帕諾拉甲烷桿菌(Methanobacterium espanolae )、甲酸甲烷桿菌(Methanobacterium formicicum )、伊氏甲烷桿菌(Methanobacterium ivanovii )、沼澤甲烷桿菌(Methanobacterium palustre )、熱聚甲烷桿菌(Methanobacterium thermaggregans )、泥沼甲烷桿菌(Methanobacterium uliginosum )、耐酸甲烷短桿菌(Methanobrevibacter acididurans )、嗜樹甲烷短桿菌(Methanobrevibacter arboriphilicus )、哥查奇甲烷短桿菌(Methanobrevibacter gottschalkii )、奧利甲烷短桿菌(Methanobrevibacter olleyae )、瘤胃甲烷短桿菌(Methanobrevibacter rum inantium )、史氏甲烷短桿菌(Methanobrevibacter smithii )、沃氏甲烷短桿菌(Methanobrevibacter woesei )、沃麗尼甲烷短桿菌(Methanobrevibacter wolinii )、馬爾堡甲烷熱桿菌(Methanothermobacter marburgensis )、熱自養甲烷熱桿菌(Methanothermobacter thermautotrophicum )(亦稱為嗜熱自養甲烷熱桿菌(Methanothermobacter thermoautotroiphicus ))、高溫彎曲甲烷熱桿菌(Methanothermobacter thermoflexus )、嗜熱甲烷熱桿菌(Methanothermobacter thermophilus )、沃氏甲烷熱桿菌(Methanothermobacter wolfeii )、集結甲烷嗜熱菌(Methanothermus sociabilis ))、甲烷微菌綱(Methanomicrobia)中之5個不同屬(例如巴伐利亞甲烷粒菌(Methanocorpusculum bavaricum )、小甲烷粒菌(Methanocorpusculum parvum )、智利甲烷囊菌(Methanoculleus chikuoensis )、海底甲烷囊菌(Methanoculleus submarinus )、寒冷產甲烷菌(Methanogenium frigidum )、泥遊產甲烷菌(Methanogenium liminatans )、海洋產甲烷菌(Methanogenium marinum )、嗜乙酸甲烷八聯球菌(Methanosarcina acetivorans )、巴氏甲烷八聯球菌(Methanosarcina barkeri )、馬氏甲烷八聯球菌(Methanosarcina mazei )、嗜熱甲烷八聯球菌(Methanosarcina thermophila )、運動甲烷微菌(Methanomicrobium mobile ))、甲烷球菌綱(Methanococci)中之7個不同屬(例如詹氏甲烷暖球菌(Methanocaldococcus jannaschii )、雜色甲烷球菌(Methanococcus aeolicus )、海沼甲烷球菌(Methanococcus maripaludis )、萬氏甲烷球菌(Methanococcus vannielii )、沃氏甲烷球菌(Methanococcus voltaei )、熱自養甲烷熱球菌(Methanothermococcus thermolithotrophicus )、熱烈甲烷暖球菌(Methanocaldococcus fervens )、印度甲烷暖球菌(Methanocaldococcus indicus )、地獄火甲烷暖球菌(Methanocaldococcus infernus )、烏爾坎甲烷暖球菌(Methanocaldococcus vulcanius ))及甲烷火菌綱(Methanopyri)中之一個屬(例如康德萊甲烷火菌(Methanopyrus kandleri ))。適合培養物可獲自公開培養物保存中心(例如美國典型培養物保存中心(American Type Culture Collection)，德國微生物及細胞保存中心(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)，及俄勒岡州產甲烷菌保存中心(Oregon Collection of Methanogens)。在一些實施例中，產甲烷菌係選自由巴氏甲烷八聯球菌、海沼甲烷球菌及熱自養甲烷熱桿菌組成之群。

適於本發明目的之產甲烷菌的其它物種包括(但不限於)甲酸甲烷桿菌、瘤胃甲烷短桿菌、耐鹽甲烷礫菌(Methanocalculus chunghsingensis)、布氏甲烷類球菌(Methanococcoides burtonii)、德爾塔甲烷球菌(Methanococcus deltae)、拉布雷甲烷粒菌(Methanocorpusculum labreanum)、布雷斯甲烷囊菌(Methanoculleus bourgensis)(奧蘭湯基產甲烷菌(Methanogenium olentangyi)、布爾日產甲烷菌(Methanogenium bourgense))、黑海甲烷囊菌(Methanoculleus marisnigri)、卡里亞薩產甲烷菌(Methanggnium cariaci)、嗜器官產甲烷菌(Methanogenium organophilum)、康德萊甲烷火菌、產甲烷廣菌(Methanoregula boonei)。在一些實施例中，生物反應器包含嗜熱或超嗜熱微生物(其亦可為嗜鹽菌)之培養物(例如單培養物或實質上純培養物)。在一些實施例中，產甲烷微生物來自廣古菌門(phylumEuryarchaeota )。適於本發明目的之嗜熱或超嗜熱自養型產甲烷菌之物種的實例包括熱烈甲烷暖球菌、印度甲烷暖球菌、地獄火甲烷暖球菌、詹氏甲烷球菌、烏爾坎甲烷暖球菌、康德萊甲烷火菌、污水甲烷桿菌、馬爾堡甲烷熱桿菌、熱自養甲烷熱桿菌、高溫彎曲甲烷熱桿菌、嗜熱甲烷熱桿菌、沃氏嗜熱甲烷桿菌、沖繩甲烷熱球菌(Methanothermococcus okinawensis )、熱自養甲烷熱球菌、熾熱甲烷嗜熱菌(Methanothermus fervidus )、集結甲烷嗜熱菌、甲酸甲烷炎菌(Methanotorris formicicus )及火源甲烷炎菌(Methanotorris igneus )。

根據上文，在一些實施例中，產甲烷微生物屬於超界古菌，原名為古細菌(Archaebacteria)。在某些態樣中，古菌具有以下門：泉古菌門、廣古菌門、初古菌門(Korarchaeota )、納古菌門(Nanoarchaeota )或奇古菌門(Thaumarchaeota )。在一些態樣中，泉古菌門具有熱變形菌綱(Thermoprotei )。在一些態樣中，廣古菌門具有以下綱：古丸菌綱(archaeoglobi )、鹽桿菌綱(halobacteria )、甲烷桿菌綱、甲烷球菌綱、甲烷微菌綱、甲烷火菌綱、熱球菌綱(thermococci )、熱原體綱(thermoplasmata )。在一些實施例中，初古菌門具有以下綱：初古菌暫定綱(Candidatus Korarchaeum )或初古菌SRI-306(korarchaeote SRI-306)。在一些態樣中，納古菌門具有納古菌綱(class nanoarchaeum)。在一些態樣中，奇古菌門具有餐古菌綱(classCenarchaeales )或海洋古菌群1。

經改造之古菌

任何以上天然存在之產甲烷微生物可經改造。因此，在一些實施例中，反應器之培養物包含已經改造(例如經培養適應、經遺傳改造)以展現或包含某些特性或特徵之產甲烷微生物，該等特性或特徵視情況可為指定生長期(活躍生長期、穩定生長期、接近穩定生長期)或反應器狀態(例如待用狀態、操作狀態)所特有。舉例而言，在一些實施例中，反應器之培養物包含如下產甲烷微生物，其已經改造以在與產甲烷微生物存活及/或生長之先前培養條件(例如分離出微生物之天然環境)或先前在文獻中報導之培養條件不同的所需培養條件下存活及/或生長。所需培養條件在以下方面可與先前環境不同：溫度、pH值、壓力、細胞密度、體積、濕度、鹽含量、電導率、碳含量、氮含量、維生素含量、胺基酸含量、礦物質含量或其組合。在一些實施例中，生物反應器之培養物包含如下產甲烷微生物，其在培養適應或遺傳改造之前不為嗜鹽菌及/或不為嗜熱菌或超嗜熱菌，但經由培養適應或遺傳改造已變成嗜鹽菌及/或嗜熱菌或超嗜熱菌。又，舉例而言，在一些實施例中，產甲烷微生物在遺傳改造之前為不表現蛋白質之產甲烷微生物，但經由遺傳改造已變成表現該蛋白質之產甲烷微生物。此外，舉例而言，在一些實施例中，產甲烷微生物在培養適應或遺傳改造之前為在特定碳源、氮源、胺基酸、礦物質、鹽、維生素或其組合存在下存活及/或生長之產甲烷微生物，但經由培養適應或遺傳改造已變成在上述條件實質上不存在下存活及/或生長之產甲烷微生物。或者或另外，在一些實施例中，產甲烷微生物在培養適應或遺傳改造之前為在特定量或濃度之碳源、氮源、胺基酸、礦物質、鹽、維生素存在下存活及/或生長之產甲烷微生物，但經由培養適應或遺傳改造已變成在不同量或濃度之上述條件下存活及/或生長之產甲烷微生物。

在一些實施例中，產甲烷微生物適應於特定生長期或反應器狀態。此外，舉例而言，在一些實施例中，產甲烷微生物為在培養適應或遺傳改造之前為在指定pH值範圍內存活及/或生長之產甲烷微生物，但經由培養適應變成在不同pH值範圍內存活及/或生長之產甲烷微生物。在一些實施例中，產甲烷微生物(例如古菌)經培養適應於pH值範圍為約3.5至約10(例如約5.0至約8.0、約6.0至約7.5)之接近穩定生長期。因此，在一些態樣中，產甲烷微生物經培養適應於pH值為約3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0之接近穩定生長期。在一些實施例中，產甲烷微生物(例如古菌)經培養適應於pH值範圍為約6.5至約7.5(例如約6.8至約7.3)之活躍生長期。因此，在一些態樣中，產甲烷微生物經培養適應於pH值為約6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4或7.5之接近穩定生長期。

如本文中所使用，術語「培養適應」係指微生物(例如天然存在之古菌)在與先前培養條件不同之一組所需培養條件(例如高鹽度、高溫、實質上不存在任何碳源、低pH值等)下培養之過程。在所需條件下之培養進行足以得到在所需條件下存活及/或生長之經改造之微生物(親本系(亦即未適應之微生物)之後代)的一段時間。在一些態樣中，適應之時間段為1天、2天、3天、4天、5天、6天、7天、8天、9天、10天、11天、12天、13天、2週、3週、4週、5週、6週、1個月、2個月、3個月、4個月、5個月、6個月、7個月、8個月、9個月、10個月、12個月、1年、2年。培養適應之過程選擇可在所需培養條件下存活及/或生長及/或產生甲烷之微生物；此等所選微生物保留於培養物中，而在所需培養條件下無法存活及/或生長及/或產生甲烷之其它微生物最終在培養物中死亡。在一些實施例中，培養適應之結果是，產甲烷微生物以較高效率產生甲烷，例如轉換成甲烷之二氧化碳分子數目與轉換成細胞物質之二氧化碳分子數目的比率高於N:1，其中N為大於20之數值，如本文進一步描述。

在一些實施例中，適應過程在將微生物置於反應器中之前進行。在一些實施例中，適應過程在將微生物置於反應器中後進行。在一些實施例中，使微生物適應於第一組條件且接著置於反應器中，並在置於生物反應器中後，使微生物適應於另一組條件。

出於本發明之目的，在一些實施例中，反應器之培養物包含已經培養適應於在高鹽及/或高電導率培養基中存活及/或生長之產甲烷微生物(例如古菌)。舉例而言，生物反應器之培養物包含已經培養適應於在電導率為約1 S/m至約25 S/m之培養基中存活及/或生長之產甲烷微生物(例如古菌)。

在替代或其它實施例中，反應器之培養物包含已經培養適應於在較高溫度(例如介於約1℃與約15℃之間的溫度，此高於微生物在適應之前存活及/或生長之溫度)下存活及/或生長之產甲烷微生物(例如古菌)。在例示性實施例中，產甲烷微生物適應於在高於50℃、例如高於55℃、高於60℃、高於65℃、高於70℃、高於75℃、高於80℃、高於85℃、高於90℃、高於95℃、高於100℃、高於105℃、高於110℃、高於115℃、高於120℃之溫度下存活及/或生長。

在一些實施例中，培養物包含已經培養適應於在任何維生素較少或實質上不存在之條件下生長及/或存活之產甲烷微生物(例如古菌)。在一些態樣中，培養物包含已經培養適應於在任何有機碳源較少或實質上不存在之條件下生長及/或存活之產甲烷微生物(例如古菌)。在一些實施例中，培養物包含已經培養適應於在實質上減少量之二氧化碳的條件下生長及/或存活之產甲烷微生物。在此等實施例中，產甲烷微生物可經適應以展現提高之產甲烷效率，使用減少量之二氧化碳產生相同量之甲烷(與未適應之微生物相比)。在一些實施例中，培養物包含已經培養適應於在實質上無二氧化碳之條件下存活之產甲烷微生物。在此等實施例中，產甲烷微生物可處於微生物存活、但不產生可偵測含量之甲烷的待用期。在一些實施例中，產甲烷微生物已適應於在任何氫氣較少或實質上不存在之條件下生長及/或存活。在一些實施例中，產甲烷微生物已適應於在任何外部水源較少或實質上不存在之條件下生長及/或存活，例如該等條件不包含稀釋步驟。

在例示性實施例中，產甲烷菌經培養適應於接近穩定生長期。相對於細胞生長，該等產甲烷菌偏向於產生甲烷，如例如藉由轉換成甲烷之CO₂ 分子數目與轉換成細胞物質之CO₂ 分子數目的比率所量測。與未適應之產甲烷菌(其可展現例如範圍為約8:1至約20:1之比率)相比，此比率增加。在一些實施例中，藉由剝奪最佳生長另外所需之一或多種營養物歷時較長時間段(例如1週、2週、3週、1個月、2個月、3個月、4個月、5個月、6個月、7個月、8個月、9個月、10個月、11個月、1年、2年、3年、4年、5年或更久)而將產甲烷菌培養適應於接近穩定生長期。在一些實施例中，產甲烷菌被剝奪最佳生長所必需之無機營養物(例如氫氣或電子)。在一些實施例中，剝奪產甲烷菌之氫氣或電子係藉由用插入氣體混合物(諸如Ar:CO₂ )以250mL/min之流速對培養基噴射數小時直至排出氣流中既不存在氫氣亦不存在甲烷而達成。在一些實施例中，產甲烷微生物已適應於在任何外部水源較少或實質上不存在之條件下的接近穩定生長期，例如該等適應條件不包含稀釋步驟。

在一些態樣中，培養物包含如下產甲烷微生物，其已經培養適應於在本文陳述為培養基1及/或培養基2之培養基或實質上與培養基1或培養基2類似之培養基中生長及/或存活。

經遺傳改造之古菌

在一些實施例中，培養物包含已經有目的或有意地遺傳改造而變得適合(例如更適合)用於本發明之目的之產甲烷微生物。適合培養物亦可藉由對非產甲烷生物體進行遺傳改造而獲得，其中自產甲烷微生物或自可能或可能不單獨產甲烷之微生物的組合轉移對於支持自養型產甲烷必需之基因。適合之遺傳改造亦可藉由酶促或化學合成必需基因而獲得。

在例示性實施例中，並不天然產甲烷之宿主細胞經有意地遺傳改造以表現一或多種已知對於產甲烷重要之基因。舉例而言，在一些態樣中，宿主細胞經有意地遺傳改造以表現一或多種產甲烷所涉及之輔酶或輔因子。在一些特定態樣中，該等輔酶或輔因子係選自由F420、輔酶B、輔酶M、亞甲基呋喃(methanofuran)及亞甲基蝶呤(methanopterin)組成之群，其結構為此項技術中所已知。在一些態樣中，生物體經改造以表現此項技術中熟知之利用此等輔因子產甲烷之酶。

在一些實施例中，經有意地改造之宿主細胞為極端嗜鹽菌。在其它實施例中，經有意地改造之宿主細胞為嗜熱菌或超嗜熱菌。在其它實施例中，經有意地改造之宿主細胞為非自養型產甲烷菌。在一些態樣中，經有意地改造之宿主細胞為不為自養型之產甲烷菌。在一些態樣中，經有意地改造之宿主細胞為既不產甲烷亦不為自養型之細胞。在其它實施例中，經有意地改造之宿主細胞為包含合成基因組之宿主細胞。在一些態樣中，經有意地改造之宿主細胞為包含對於宿主細胞非天然之基因組的宿主細胞。

在一些實施例中，培養物包含如下微生物，其已經有目的或有意地遺傳改造以表現菌毛或改變之菌毛，例如促進細胞黏著於陰極或電生物產甲烷反應器之其它組件的改變之菌毛或改變為變得導電之菌毛。菌毛為細的絲狀蛋白質複合物，其形成由稱為菌毛素(pilin)之蛋白質形成的可撓性長絲。菌毛穿過微生物細胞之外膜且可自細胞表面伸出以附著於多種其它表面。菌毛形成促進該等完全不同且重要之功能，如表面黏著，介導諸如聚集、結合及顫搐活動力之過程的細胞-細胞相互作用。最近，對超過二十種古菌基因組進行之電腦分析已鑑別出許多編碼類似於IV型菌毛素之推定蛋白質的古菌基因(Szab等人2007，以全文引用的方式併入本文中)。隨後在活體內證實若干古菌菌毛素樣蛋白之表現(Wang等人2008;Zolghadr等人2007；Frls等人2007,2008，該等文獻以全文引用的方式併入本文中)。此等蛋白質之序列分歧(sequence divergence)以及編碼此等蛋白質之操縱子的差異表現表明其在不同生物過程中起多種作用。

諸如地桿菌屬(Geobacter)物種及紅育菌屬(Rhodoferax)物種之某些微生物具有高度導電菌毛，其可如US 20060257985中所述充當生物製造的奈米線，該案以全文引用的方式併入本文中。包括甲烷暖球菌屬物種及甲烷炎菌屬物種之大部分的許多產甲烷生物體具有天然菌毛且在一些情況下此等菌毛用於附著。已知此等生物體均無天然導電菌毛。

在本發明之某些實施例中，產甲烷生物體之菌毛及/或與產甲烷生物體之菌毛或其它生物組分接觸之表面可經改變以促進細胞黏著於陰極或電生物產甲烷反應器之其它組件。產甲烷生物體之菌毛可進一步經工程改造以最佳化其電導率。菌毛素蛋白可經工程改造以結合於各種複合物。舉例而言，菌毛素蛋白可經工程改造以結合鐵，模擬桿菌屬之菌毛，或者，其可經工程改造以結合天然存在於許多超嗜熱產甲烷菌中之低電位鐵氧化還原蛋白樣鐵-硫叢集。特定應用所需之複合物將取決於氧化還原反應之中點電位。

細胞可例如使用重組DNA技術進行遺傳改造。舉例而言，細胞或菌株變異體或突變體可藉由將適當核苷酸變化引入生物體之DNA中來製備。該等變化可包括例如所關注核酸序列中之核苷酸的缺失、插入或取代。變化亦可包括引入天然情況下不存在於菌株或細胞類型中之DNA序列。一般技術者將能夠容易地視所改造之特定細胞類型而選擇適當方法。引入該等變化之方法為此項技術中所熟知且包括例如寡核苷酸介導之突變誘發、轉座子突變誘發、噬菌體轉導、轉型、隨機突變誘發(其可藉由暴露於誘變化合物，諸如X射線、UV光之輻射等來誘導)、PCR介導之突變誘發、DNA轉染、電穿孔等。

產甲烷生物體之菌毛黏著於陰極之能力聯合增加之傳導電子的能力將使生物體能夠直接接收自電源之負電極穿過陰極的電子。使用具有附著於陰極之經基因工程改造之菌毛的產甲烷生物體將大大提高電力轉換成甲烷之效率。

培養基

包含產甲烷微生物(例如產甲烷古菌)之培養物可維持於培養基中或培養基上。在一些實施例中，培養基為溶液或懸浮液(例如水溶液)。在其它實施例中，培養基為固體或半固體。在其它實施例中，培養基包含凝膠、明膠或糊狀物或為凝膠、明膠或糊狀物。

在一些實施例中，培養基為促進產甲烷微生物之活躍生長期的培養基。在例示性態樣中，培養基包含支持微生物相對快速生長的非限制性量之物質(例如營養物)。支持產甲烷微生物之活躍期的培養基之物質及各物質之量將視培養物之微生物的物種或菌株而變化。然而，測定適於支持培養物之微生物的活躍期之培養基含量在一般技術者之技術範圍內。在一些實施例中，培養基促進或允許產甲烷微生物之穩定期。下文更詳細描述例示性培養基組分及濃度。使用此指導，可為特定物種選擇替代變異體以使用此領域中之熟知技術在生物反應器之操作狀態下進行電生物產甲烷。

無機物質：無機元素、礦物質及鹽

在一些實施例中，用於培養古菌之培養基包含一或多種為無機元素或其鹽的營養物。常見無機元素包括(但不限於)鈉、鉀、鎂、鈣、鐵、氯化物、硫源(諸如硫化氫或元素硫)、磷源(諸如磷酸鹽)及氮源(諸如銨、氮氣或硝酸鹽)。例示性來源包括NaCl、NaHCO₃ 、KCl、MgCl₂ 、MgSO₄ 、CaCl₂ 、硫酸亞鐵、Na₂ HPO₄ 、NaH₂ PO₄ H₂ O、H₂ S、Na₂ S、NH₄ OH、N₂ 及NaNO₃ 。在一些實施例中，培養基進一步包含一或多種選自由以下離子組成之群的微量元素：鋇、溴、硼、鈷、碘、錳、鉻、銅、鎳、硒、釩、鈦、鍺、鉬、矽、鐵、氟、銀、銣、錫、鋯、鎘、鋅、鎢及鋁。此等離子可例如以微量元素鹽形式提供，諸如H₃ BO₃ 、Ba(C₂ H₃ O₂ )₂ 、KBr、CoCl₂ -6H₂ O、KI、MnCl₂ -2H₂ O、Cr(SO₄ )₃ -15H₂ O、CuSO₄ -5H₂ O、NiSO₄ -6H₂ O、H₂ SeO₃ 、NaVO₃ 、TiCl₄ 、GeO₂ 、(NH₄ )6Mo₇ O₂₄ -4H₂ O、Na₂ SiO₃ -9H₂ O、FeSO₄ -7H₂ O、NaF、AgNO₃ 、RbCl、SnCl₂ 、ZrOCl₂ -8H₂ O、CdSO₄ -8H₂ O、ZnSO₄ -7H₂ O、Fe(NO₃ )₃ -9H₂ ONa₂ WO₄ 、AlCl₃ -6H₂ O。

在一些實施例中，培養基包含一或多種選自由以下組成之群的礦物質：鎳、鈷、鈉、鎂、鐵、銅、錳、鋅、硼、磷、硫、氮、硒、鎢、鋁及鉀，包括其任何適合無毒鹽。因此，在一些實施例中，培養基中之礦物質係以無機鹽形式提供。可使用任何適合鹽或水合物來製備培養基。舉例而言，且在一些實施例中，培養基包含一或多種以下無機鹽：氮基三乙酸鈉、氮基三乙酸、NiCl₂ -6H₂ O、CoCl₂ -6H₂ O、Na₂ MoO₄ -H₂ O、MgCl₂ -6H₂ O、FeSO₄ -H₂ O、Na₂ SeO₃ 、Na₂ WO₄ 、KH₂ PO₄ 及NaCl。在一些實施例中，L-半胱胺酸可作為氧化還原緩衝劑添加以支持低密度培養物之生長的初期。在一些實施例中，培養基包含鎳，視情況為NiCl₂ -6H₂ O，其用量為約0.001 mM至約0.01 mM，例如0.002 mM、0.003 mM、0.004 mM、0.005 mM、0.006 mM、0.007 mM、0.008 mM、0.009mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含氮源，例如氫氧化銨或氯化銨，其用量為約1 mM至約10 mM，例如2 mM、3 mM、4 mM、5 mM、6 mM、7 mM、8 mM、9 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含鈷，視情況為CoCl₂ -6H₂ O，其用量為約0.001 mM至約0.01 mM，例如0.002 mM、0.003 mM、0.004 mM、0.005 mM、0.006 mM、0.007 mM、0.008 mM、0.009 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含鉬、鉬源或鉬酸鹽，例如Na₂ MoO₄ -H₂ O，其用量為約0.005 mM至約0.05 mM，例如0.006 mM、0.007 mM、0.008 mM、0.009 mM、0.01 mM、0.02 mM、0.03 mM、0.04 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含鎂，例如MgCl₂ -6H₂ O，其用量為約0.5 mM至約1.5 mM，例如0.6 mM、0.7 mM、0.8 mM、0.9 mM、1.0 mM、1.1 mM、1.2 mM、1.3 mM、1.4 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含鐵，例如FeSO₄ -H₂ O，其用量為約0.05 mM至約0.5 mM，例如0.06 mM、0.07 mM、0.08 mM、0.09 mM、0.1 mM、0.2 mM、0.3 mM、0.4 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含硫源或硫酸鹽，其用量為約0.05 mM至約0.5 mM，例如0.06 mM、0.07 mM、0.08 mM、0.09 mM、0.1 mM、0.2 mM、0.3 mM、0.4 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含硒、硒源或硒酸鹽，例如Na₂ SeO₃ ，其用量為約0.005 mM至約0.05 mM，例如0.006 mM、0.007 mM、0.008 mM、0.009 mM、0.01 mM、0.02 mM、0.03 mM、0.04 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含鎢、鎢源或鎢酸鹽，例如Na₂ WO₄ ，其用量為約0.005 mM至約0.05 mM，例如0.006 mM、0.007 mM、0.008 mM、0.009 mM、0.01 mM、0.02 mM、0.03 mM、0.04 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含鉀，例如KH₂ PO₄ ，其用量為約5 mM至約15 mM，例如6 mM、7 mM、8 mM、9 mM、10 mM、11 mM、12 mM、13 mM、14 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含磷、磷源或磷酸鹽，例如KH₂ PO₄ ，其用量為約5 mM至約15 mM，例如6 mM、7 mM、8 mM、9 mM、10 mM、11 mM、12 mM、13 mM、14 mM或以上範圍端點之任何組合。在一些實施例中，培養基包含NaCl，其用量為約5 mM至約15 mM，例如6 mM、7 mM、8 mM、9 mM、10 mM、11 mM、12 mM、13 mM、14 mM或以上範圍端點之任何組合。

一些古菌為極端嗜鹽菌且偏愛高鹽條件，例如約1.5M至約5.5 M NaCl或約3 M至約4 M NaCl。其它古菌可適應在較高鹽條件(相較於其正常環境)下生長。

在一些實施例中，培養基用於一種以上目的。因此，在一些態樣中，培養基支持培養物之微生物的生長及/或存活並充當反應器中之陰極電解介質。電解質為當溶解於水中時允許電流流過溶液之物質。電解質介質之電導率(或比電導)為其導電能力之量度。電導率之SI單位為西門子/公尺(siemens per meter；S/m)，且除非另外限定，否則其在25℃之標準溫度下量測。去離子水可具有約5.5 μS/m之電導率，而海水具有約5 S/m之電導率(亦即海水之電導率為去離子水之一百萬倍高)。

電導率傳統上藉由量測兩個電極之間溶液的AC電阻或藉由環形電感計來測定。

例示性離子在298 K水中之離子電導率限度：

在一些實施例中，培養基包含高鹽濃度以用於增加培養基/反應器陰極電解質之電導率之目的。電導率容易例如藉由添加NaCl直至達成所需電導率來調整。在一些實施例中，培養基/電解質之電導率在1 S/m至25 S/m(0.01 S/cm至0.25 S/cm)之範圍內。此電導率容易在與活產甲烷古菌相容之鹽濃度範圍內達成。

維生素

在一些實施例中，培養基中實質上不存在維生素，以減少非產甲烷菌之污染及/或降低培養基成本，及因此降低生物反應器之總成本。然而，有可能操作使用補充有一或多種選自由以下組成之群的維生素之培養基之生物反應器：抗壞血酸、生物素、氯化膽鹼；D-泛酸鈣、葉酸、異肌醇、甲萘醌、菸鹼醯胺、菸鹼酸、對胺基苯甲酸(PABA)、吡哆醛、吡哆醇、核黃素、硫胺素-HCl、乙酸維生素A、維生素B₁₂ 及維生素D₂ 。在一些實施例中，培養基補充有對於產甲烷微生物之存活不可缺少之維生素，但其它維生素實質上不存在。

其它物質

在一些實施例中，培養基包含除無機化合物及鹽外之物質。舉例而言，在一些實施例中，培養基包含螯合劑。適合螯合劑為此項技術所已知且包括(但不限於)氮基三乙酸及/或其鹽。又，在一些態樣中，培養基包含氧化還原緩衝劑，例如Cys，以支持在低密度培養物中之活躍生長初期。

碳源

在一些態樣中，培養基包含碳源，例如二氧化碳、甲酸鹽或一氧化碳。在一些實施例中，培養基包含複數種此等碳源之組合。較佳地，有機碳源實質上不存在，以減少非產甲烷菌之污染。

氮源

在一些實施例中，培養基包含氮源，例如銨、無水氨、銨鹽及其類似物。在一些實施例中，培養基可包含硝酸鹽或亞硝酸鹽作為氮源，不過較佳為以化學方式還原之氮化合物。在一些態樣中，培養基實質上無有機氮源，例如尿素、玉米漿、酪蛋白、蛋白腖酵母萃取物及肉汁。在一些實施例中，雙原子氮(N₂ )可單獨或與其它氮源組合充當氮源。

氧氣

基本厭氧之產甲烷菌可能仍能夠在氧氣壓力下存活較長時間，例如暴露於周圍空氣中至少6、12、18或24小時、或2天、3天、4天、5天、6天、1週或更久。理想的是，暴露於空氣中4天或更短、或3天或更短、或2天或更短、或24小時或更短。甲烷產生可在高達氣相之2-3%的氧氣濃度存在下持續較長時間(至少數天)。然而，厭氧生物體將最佳在低氧條件下生長。在一些實施例中，生物反應器實質上不包括氧氣以促進高水準之甲烷產生。

在一些實施例中，系統包含各種減少饋入生物反應器中之CO₂ 流中之氧氣存在的方法及/或特徵。當使用絕對厭氧產甲烷微生物來催化甲烷形成時，氧氣之存在可能會對方法之效能有害且污染產物氣體。因此，減少CO₂ 流中氧氣之存在有助於改良方法。在一實施例中，藉由預處理生物反應器中之氣流來移除氧氣。在此實施例中，可藉由提供可充當氧化醱酵之受質的有機物質來源(例如葡萄糖、澱粉、纖維素、乙醇廠之醱酵殘餘物、乳清殘餘物等)來提供還原劑。選擇微生物生物催化劑來氧化醱酵所選有機來源，由污染氧氣得到CO₂ 。在另一實施例中，在主要醱酵容器中經由微生物之混合培養物來實現氧氣移除，該微生物之混合培養物除甲烷產生所必需之自養型產甲烷菌外亦包括能夠氧化醱酵所添加之有機來源的微生物。適合混合培養物的一實例最初以「奧氏甲烷芽孢桿菌(Methanobacillus omelianskii)」分離且容易自環境來源獲得(Bryant等人Archiv Microbiol 59:20-31(1967)「Methanobacillus omelianskii,a symbiotic association of two species of bacteria.」，其以全文引用的方式併入本文中)。在另一實施例中，藉由選擇吸附或藉由膜分離來純化輸入氣流中之二氧化碳而使其遠離污染氣體(包括氧氣)。製備充分不含氧氣之二氧化碳的方法為此項技術中所熟知。

例示性培養基

在一些實施例中，培養基包含以下組分：氮基三乙酸鈉、氮基三乙酸、NiCl₂ -6H₂ O、CoCl₂ -6H₂ O、Na₂ MoO₄ -H₂ O、MgCl₂ -6H₂ O、FeSO₄ -H₂ O、Na₂ SeO₃ 、Na₂ WO₄ 、KH₂ PO₄ 及NaCl。在一些實施例中，L-半胱胺酸可作為氧化還原緩衝劑添加以支持低密度培養物之生長的初期。在一些實施例中，培養基包含氮基三乙酸鈉(0.81 mM)、氮基三乙酸(0.4 mM)、NiCl₂ -6H₂ O(0.005 mM)、CoCl₂ -6H₂ O(0.0025 mM)、Na₂ MoO₄ -H₂ O(0.0025 mM)、MgCl₂ -6H₂ O(1.0 mM)、FeSO₄ -H₂ O(0.2 mM)、Na₂ SeO₃ (0.001 mM)、Na₂ WO₄ (0.01 mM)、KH₂ PO₄ (10 mM)及NaCl(10 mM)。可包括L-半胱胺酸(0.2 mM)。

在一些實施例中，培養基包含以下組分：KH₂ PO₄ 、NH₄ Cl、NaCl、氮基三乙酸鈉、NiCl₂ -6H₂ O、CoCl₂ -H₂ O、Na₂ MoO₄ -2H₂ O、FeSO₄ -7H₂ O、MgCl₂ -6H₂ O、Na₂ SeO₃ 、Na₂ WO₄ 、Na₂ S-9H₂ O。包含此等組分之培養基可在本文中稱為培養基1，其能夠支持最初來源於陸地環境之產甲烷微生物(例如甲烷熱桿菌屬物種)的存活及/或生長。因此，在一些實施例中，生物反應器包含甲烷熱桿菌屬之培養物及培養基1之培養基。在一些態樣中，用NH₄ OH將培養基調整至介於約6.8與約7.3之間的pH值。在一些實施例中，培養基不僅支持產甲烷微生物之生長及/或存活及/或甲烷產生，而且亦充當適於在反應器中導電之陰極電解介質。因此，在一些態樣中，培養基之電導率在約1 S/m至約25 S/m(約0.01 S/cm至約0.25 S/cm)之範圍內。

在一些實施例中，KH₂ PO₄ 存在於培養基中，其濃度在約1 mM至約100 mM之範圍內，例如約2 mM、約50 mM、約5 mM至約20 mM。

在一些實施例中，NH₄ Cl存在於培養基中，其濃度在約10 mM至約1500 mM之範圍內，例如約20 mM至約600 mM、約60 mM至約250 mM。

在一些實施例中，NaCl存在於培養基中，其在約1 mM至約100 mM之範圍內，例如約2 mM、約50 mM、約5 mM至約20 mM。

在一些實施例中，氮基三乙酸鈉存在於培養基中，其在約0.1 mM至約10 mM之範圍內，例如0.20 mM至約6 mM、約0.5 mM至約2.5 mM。

在一些實施例中，NiCl₂ -6H₂ O存在於培養基中，其在約0.00025 mM至約0.025 mM之範圍內，例如約0.005 mM至約0.0125 mM、約0.0005 mM至約0.005 mM。

在一些實施例中，CoCl₂ -H₂ O存在於培養基中，其在約0.0005 mM至約0.05 mM之範圍內，例如約0.001 mM至約0.025 mM、約0.0025 mM至約0.01 mM。

在一些實施例中，Na₂ MoO₄ -2H₂ O存在於培養基中，其在約0.00025 mM至約0.025 mM之範圍內，例如約0.0005 mM至約0.0125 mM、約0.00125 mM至約0.005 mM。

在一些實施例中，FeSO₄ -7H₂ O存在於培養基中，其在約0.02 mM至約2 mM之範圍內，例如約0.04 mM至約1 mM、約0.1 mM至約0.4 mM。

在一些實施例中，MgCl₂ -6H₂ O存在於培養基中，其在約0.1 mM至約10 mM之範圍內，例如約0.2 mM至約5 mM、約0.5 mM至約2 mM。

在一些實施例中，Na₂ SeO₃ 存在於培養基中，其在約0.0001 mM至約0.01 mM之範圍內，例如約0.0002 mM至約0.005 mM、約0.0005 mM至約0.002 mM。

在一些實施例中，Na₂ WO₄ 存在於培養基中，其在約0.001 mM至約0.1 mM之範圍內，例如約0.05 mM至約0.05 mM、約0.005 mM至約0.02 mM。

在一些實施例中，培養基1補充有支持微生物之活躍生長期或相對快速繁殖的組分，諸如硫化物。因此，在一些態樣中，培養基包含較高硫化物濃度，例如0.1 mM至約10 mM(例如約0.2 mM至約5 mM、約0.5 mM至約2 mM)、約0.5 mM至5 mM、或約1 mM Na₂ S-9H₂ O，且較佳大於0.01 mM Na₂ S-9H₂ O，視情況其pH值介於約6.8與約7.0之間。在其它實施例中，培養基1支持微生物之不活躍或穩定或接近穩定生長期且培養基包含較低硫化物濃度。因此，在一些態樣中，培養物包含約0.01 mM或更少Na₂ S-9H₂ O而非1 mM Na₂ S-9H₂ O，視情況其pH值介於約7.2與約7.4之間。

在一些實施例中，培養基包含以下組分：KH₂ PO₄ 、NaCl、NH₄ Cl、Na₂ CO₃ 、CaCl₂ ×2H₂ O、MgCl₂ ×6H₂ O、FeCl₂ ×4H₂ O、NiCl₂ ×6H₂ O、Na₂ SeO₃ ×5 H₂ O、Na₂ WO₄ ×H₂ O、MnCl₂ ×4H₂ O、ZnCl₂ 、H₃ BO₃ 、CoCl₂ ×6H₂ O、CuCl₂ ×2H₂ O、Na₂ MoO₄ ×2H₂ O、氮基三乙酸、氮基三乙酸鈉、KAl(SO₄ )₂ ×12 H₂ O、Na₂ S×9H₂ O。包含此等組分之培養基可在本文中稱為培養基2，其能夠支持最初來源於海洋環境之產甲烷微生物的存活及/或生長，例如甲烷暖球菌屬物種、甲烷炎菌屬物種、甲烷火菌屬物種或甲烷熱球菌屬物種。在一些態樣中，用NH₄ OH將培養基調整至介於約6.3與約6.8之間(約6.4至約6.6)的pH值。在一些實施例中，培養基不僅支持產甲烷微生物之生長及/或存活及/或甲烷產生，而且亦充當適於在反應器中導電之陰極電解介質。因此，在一些態樣中，培養基之電導率在約1 S/m至約25 S/m(約0.01 S/cm至約0.25 S/cm)之範圍內。

在一些實施例中，KH₂ PO₄ 存在於培養基中，其濃度在約0.35 mM至約37 mM之範圍內，例如約0.7 mM至約0.75 mM、約1.75 mM至約7.5 mM。

在一些實施例中，NaCl存在於培養基中，其濃度在約17 mM至約1750 mM之範圍內，例如約30 mM至約860 mM、約80 mM至約350 mM。

在一些實施例中，NH₄ Cl存在於培養基中，其濃度在約0.7 mM至約750 mM之範圍內，例如約1.5 mM至約40 mM、約3.75 mM至約15 mM。

在一些實施例中，Na₂ CO₃ 存在於培養基中，其濃度在約5 mM至約600 mM之範圍內，例如10 mM至約300 mM、約30 mM至約150 mM。

在一些實施例中，CaCl₂ ×2H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.05 mM至約50 mM之範圍內，例如0.2 mM至約5 mM、約0.5 mM至約2 mM。

在一些實施例中，MgCl₂ ×6H₂ O存在於培養基中，其濃度在約3 mM至約350 mM之範圍內，例如約6.5 mM至約175 mM、約15 mM至約70 mM。

在一些實施例中，FeCl₂ ×4H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.003 mM至約0.3 mM之範圍內，例如約0.006 mM至約0.15 mM、約0.015 mM至約0.06 mM。

在一些實施例中，NiCl₂ ×6H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.0005 mM至約0.007 mM之範圍內，例如0.0012 mM至約0.03 mM、約0.003 mM至約0.012 mM。

在一些實施例中，Na₂ SeO₃ ×5 H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.0001 mM至約0.01 mM之範圍內，例如約0.00025 mM至約0.01 mM、約0.001 mM至約0.005 mM。

在一些實施例中，Na₂ WO₄ ×H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.0005 mM至約0.007 mM之範圍內，例如0.0012 mM至約0.03 mM、約0.003 mM至約0.012 mM。

在一些實施例中，MnCl₂ ×4H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.003 mM至約0.4 mM之範圍內，例如約0.08 mM至約2 mM、約0.02 mM至約0.08 mM。

在一些實施例中，ZnCl₂ 存在於培養基中，其濃度在約0.0005 mM至約0.007 mM之範圍內，例如0.0012 mM至約0.03 mM、約0.003 mM至約0.012 mM。

在一些實施例中，H₃ BO₃ 存在於培養基中，其濃度在約0.0001 mM至約0.01 mM之範圍內，例如約0.00025 mM至約0.01 mM、約0.001 mM至約0.005 mM。

在一些實施例中，CoC₁₂ ×6H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.0005 mM至約0.007 mM之範圍內，例如0.0012 mM至約0.03 mM、約0.003 mM至約0.012 mM。

在一些實施例中，CuCl₂ ×2H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.00004 mM至約0.004 mM之範圍內，例如0.00008 mM至約0.002 mM、約0.0002 mM至約0.0008 mM。

在一些實施例中，Na₂ MoO₄ ×2H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.00004 mM至約0.004 mM之範圍內，例如0.00008 mM至約0.002 mM、約0.0002 mM至約0.0008 mM。

在一些實施例中，氮基三乙酸存在於培養基中，其濃度在約0.003 mM至約0.7 mM之範圍內，例如約0.12 mM至約0.3 mM、約0.03 mM至約0.12 mM。

在一些實施例中，氮基三乙酸鈉存在於培養基中，其濃度在約0.002 mM至約0.2 mM之範圍內，例如約0.004 mM至約0.1 mM、約0.01 mM至約0.04 mM。

在一些實施例中，KAl(SO₄ )₂ ×12 H₂ O存在於培養基中，其濃度在約0.00004 mM至約0.004 mM之範圍內，例如0.00008 mM至約0.002 mM、約0.0002 mM至約0.0008 mM。

在一些實施例中，將培養基2中之鹽濃度向上調整至400 mM至800 mM之範圍以用於調配反應器中之電解質。另外，將相對穩定培養物之硫化物濃度向下調整至小於0.01 mM(排出氣流中之硫化物小於1 ppm)之範圍。

在一些實例中，用4:1比率之H₂ :CO₂ 氣體混合物噴射培養基。在一些實施例中，該氣體混合物可用質量流量控制器以250 ml/min之總流量產生。在一些實施例中，培養基應以適於維持適用濃度之必需礦物質且清除可能抑制產甲烷作用之任何代謝產物的速率補充。低於每小時0.1培養物體積之稀釋速率為適合的，因為其得到高體積濃度之有效甲烷產生能力。

培養條件

溫度

在一些實施例中，培養物之溫度維持在培養物中所用之生物體生長的最佳溫度附近(例如對於諸如巴氏甲烷八聯球菌及海沼甲烷球菌之適溫性生物體為約35℃至約37℃，或對於諸如熱自養甲烷熱桿菌之嗜熱菌為約60℃至約65℃，且對於諸如詹氏甲烷暖球菌、熱烈甲烷暖球菌、印度甲烷暖球菌、地獄火甲烷暖球菌及烏爾坎甲烷暖球菌之生物體為約85℃至約90℃)。然而，預想可使用高於或低於最佳生長溫度之溫度。事實上，較高甲烷轉換率可在高於最佳生長速率溫度之溫度下獲得。預期約50℃或更高之溫度，例如約51℃或更高、約52℃或更高、約53℃或更高、約54℃或更高、約55℃或更高、約56℃或更高、約57℃或更高、約58℃或更高、約59℃或更高、約60℃至約150℃、約60℃至約120℃、約60℃至約100℃、約60℃至約80℃。預期約40℃或更高、或約50℃或更高之溫度，例如約40℃至約150℃、約50℃至約150℃、約40℃至約120℃、約50℃至約120℃、約40℃至約100℃、或約50℃至約100℃。

鑒於上文，培養物所維持之溫度可視為對本文中所涵蓋之產甲烷微生物的描述。舉例而言，當培養物之溫度維持在介於55℃與120℃之間的溫度時，產甲烷微生物被視為可在此溫度下培養之產甲烷微生物。因此，在一些實施例中，產甲烷微生物為嗜熱菌或超嗜熱菌。在一些態樣中，生物反應器之培養物包含自養型嗜熱產甲烷微生物或自養型超嗜熱產甲烷微生物。在一些態樣中，生物反應器之培養物包含自養型嗜熱產甲烷微生物或自養型超嗜熱產甲烷微生物，兩者皆對如本文所述之高電導率培養基(例如約1 S/m至約25 S/m)耐受，例如嗜鹽菌。

古菌可能能夠在次最佳溫度下存活較長時間。在一些實施例中，古菌之培養物可自然存活或適應於在室溫(例如22-28℃)下存活至少3週至1、2、3、4、5或6個月之時間。

在一些實施例中，培養物中之生物體不為嗜溫性的。在一些實施例中，培養物不維持在低於或約37℃之溫度下。關於嗜熱生物體(包括(但不限於)熱自養甲烷熱桿菌、詹氏甲烷暖球菌、熱烈甲烷暖球菌、印度甲烷暖球菌、地獄火甲烷暖球菌及烏爾坎甲烷暖球菌)，在一些實施例中，培養物之溫度為例如約60℃至約150℃、約60℃至約120℃、約60℃至約100℃或約60℃至約80℃。

pH值

古菌亦可在多種pH值條件下存活。在一些實施例中，包含產甲烷微生物之培養物的pH值介於約3.5與約10.0之間，不過對於生長條件而言，pH值可介於約6.5與約7.5之間。舉例而言，培養物之pH值可為約3.5、約3.6、約3.7、約3.8、約3.9、約4.0、約4.5、約5.0、約5.5、約6.0、約6.5、約7.0、約7.5、約8.0、約8.5、約9.0、約9.5、約10.0。在一些實施例中，培養基之pH值呈酸性，例如約0.1至約5.5、約0.1至約4、約0.1至約3、約1至約3或約2至約3。在一些實施例中，培養基之pH值接近中性，例如約6至約8。在一些實施例中，培養基之pH值呈鹼性，例如約8.5至約11或約8至約10。培養基之pH值可藉由此項技術中已知之方法來改變。舉例而言，pH值可藉由噴射CO₂ 及/或藉由按需要添加酸(例如HCl)或鹼(例如NaOH或NH₄ OH)來控制。

壓力

在一些實施例中，生物反應器中之壓力適當地在約0.5個大氣壓至約500個大氣壓之範圍內。生物反應器亦可含有培養物之間歇攪拌的來源。又，在一實施例中，自生物反應器移出之甲烷氣體適當地包含少於約450 ppm之硫化氫，或者少於約400 ppm、300 ppm、200 ppm、150 ppm、100 ppm、50 ppm或20 ppm之硫化氫。總氣體傳遞速率(CO₂ )在每分鐘每體積培養物0.2至4體積氣體(STP)之範圍內為適合的，因為其維持及利用高體積濃度之有效甲烷產生能力。在一實施例中，在產甲烷期間使氧化還原電位維持低於-100 mV或更低。本發明之方法包涵氧化還原電位短暫增加至高於-100 MV之條件，例如當將空氣添加至系統中時。

培養容器

如本文中所述之亦稱為醱酵罐容器、生物反應器或簡單反應器的生物反應器可為可進行產甲烷作用之任何適合容器。適合用於本發明中之生物反應器應相對於CO₂ 來源之體積來定尺寸。來自每年100,000,000加侖乙醇廠之每天2,200,000 lb CO₂ 的典型流將需要總容量約750,000加侖之CO₂ 回收/甲烷產生醱酵罐。與該乙醇廠中所安裝之750,000加侖個別醱酵罐單元類似的醱酵罐容器將為適合的。

培養物體積及密度

在一些實施例中，培養基中活細胞之濃度(培養物密度)維持在高於每公升1 g乾重。在某些實施例中，該密度可為每公升30 g乾重或更高。培養物之體積係基於反應器中多孔陰極結構中的孔隙體積，加上填充反應器系統(諸如泵及液體/氣體分離器)之任何輔助組件所需的任何體積。

用於減少非產甲烷菌之污染的培養基

如本文中所使用，術語「非產甲烷菌」係指不為產甲烷菌或不為表現允許產甲烷作用之基因的宿主細胞之任何微生物。舉例而言，在一些實施例中，在溫度、pH值、鹽度、硫化物濃度、碳源、氫氣濃度或電源經改變以使得非產甲烷菌之生長在該等條件下顯著受阻的條件下培養古菌。舉例而言，在一些實施例中，在高於37℃之溫度下培養產甲烷菌。在一些態樣中，在如本文中所論述之至少50℃或更高(例如100℃或更高)之溫度下培養產甲烷微生物，以避免受嗜溫非產甲烷菌污染。在其它實施例中，在高鹽度(例如大於75%)之條件下培養產甲烷菌，以避免受不能夠在高鹽條件下生長之非產甲烷菌污染。在其它實施例中，在將培養基之pH值改變至更具酸性或更具鹼性之條件下培養產甲烷菌以減少或消除不能夠在該等條件下生長之非產甲烷菌的污染。

非產甲烷菌之污染亦可藉由使培養基中有機碳營養物(例如糖、脂肪酸、油等)的量減至最少來完成。舉例而言，在一些實施例中，培養基中實質上不存在有機營養物。

在一些實施例中，培養基中實質上不存在非產甲烷生物體生長所需之組分。該等組分包括(但不限於)一或多種有機碳源及/或一或多種有機氮源及/或一或多種維生素。在一些實施例中，培養基中實質上不存在甲酸鹽、乙酸鹽、乙醇、甲醇、甲胺及任何其它代謝可用之有機物質。

在一些實施例中，允許產甲烷菌存活之高鹽條件可阻礙污染生物體之生長。

在一些實施例中，允許產甲烷菌存活之高溫可阻礙污染生物體之生長。

如本文中所使用，術語「實質上無」或「實質上不存在」或「實質上不包括」係指缺乏顯著足以有助於所需功能(例如微生物生長、甲烷產生)之量的特定組分之定性條件。在一些實施例中，術語「實質上無」在應用於培養基之指定組分時意謂培養基含有少於5%、4%、3%、2%、1%、0.9%、0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、0.4%、0.3%、0.2%、0.1%或更少之該組分。在一些實施例中，培養基不含有可偵測量之指定組分。

套組

本發明進一步提供包含以下任一者或組合之套組：包含產甲烷微生物之培養物、反應器、培養基。該套組之培養物可符合本文所述之關於培養物的任何教示。在例示性實施例中，套組包含含有能夠在高溫條件(例如高於約50℃，如本文進一步描述)、高鹽或高電導率條件(如本文進一步描述)下生長及/或存活之產甲烷微生物之適應菌株的培養物。在一些實施例中，套組僅包含產甲烷微生物。套組之培養基可符合本文所述之關於培養基的任何教示。在一些實施例中，套組包含如本文所述含有培養基1之組分或含有培養基2之組分的培養基。在一些實施例中，套組僅包含培養基。在某些此等態樣中，套組可包含含有陽極及陰極之反應器。該反應器可符合本文所述之關於反應器的任何教示。

III.　系統之實施及應用

根據上述任何實施例之生物反應器可用於多種實施或應用中，諸如圖13及14中所說明。

舉例而言，如圖13中所說明，生物反應器可用作獨立系統500之一部分。系統500可用於提供多種能源資源(例如電力及甲烷)，或以其它能源資源(例如甲烷)形式儲存在有利條件期間所產生之電能以供無法產生所需水準之電能時使用。該獨立系統500可尤其適用於處理空間或時間困境電力，在此空間或時間中此電力不具有較佳市場。

系統500可包括耦接至一或多個電力來源之生物反應器502，該等電力來源例如碳基發電廠(例如燃煤發電廠、燃燒天然氣之發電廠或燃燒生物質之發電廠)504、風動力渦輪機506、水動力渦輪機508、燃料電池510、太陽熱系統512或光伏打系統514、或核能發電廠516。應認識到，除所說明之彼等電力來源外或取代所說明之彼等電力來源，可使用其它電力來源(例如地熱電力來源、或用於能量儲存之電容器或超電容器)。根據一實施例，生物反應器502可直接耦接至碳基發電廠504、核能發電廠516或不能連續向上或向下調節電力生產而無顯著成本及/或延遲之其它發電廠，且在該系統中，生物反應器502使用過剩電力將二氧化碳轉換成可用於發電機中來產生足以滿足額外需求之電力的甲烷。根據另一實施例，生物反應器502可使用由來源506、508、510、512、514中之一或多者所產生的過剩電力(出於其它目的不需要之電力)將二氧化碳轉換成欲用於發電機中來在風、水、太陽或其它條件不利於產生電力或產生足以滿足需求之電力時產生電力之甲烷。

亦如圖13中所說明，生物反應器502可耦接至一或多個二氧化碳來源，例如一或多個碳基發電廠(例如燃煤發電廠、燃燒天然氣之發電廠、燃燒生物質之發電廠或碳基燃料電池，其可用作加熱及電聯產設施或用作專用工廠電力設施)520，該等工廠可與工廠504相同或不同。或者，獨立系統500可安置於提供二氧化碳作為副產物或廢產物之工業工廠附近，包括乙醇製造廠(例如燃料乙醇醱酵設施)522、工業製造廠(例如水泥製造廠或化學品製造設施)524、商業製造廠(例如啤酒廠)526及石油化學品精煉廠528。雖然該等相當大的點排放源可良好地充當生物反應器502之二氧化碳來源，但亦有可能使用大氣來源530(例如藉由使用二氧化碳吸附/解吸附系統來捕捉大氣二氧化碳)。作為另一替代方案，可儲存二氧化碳以供生物反應器使用(例如儲存來源532)。

若使用相當大的點排放源作為二氧化碳來源(例如來源520、522、524、526、528)，則當電力可以低於預定臨限值之價格得到時，二氧化碳排放可轉入生物反應器502中以產生甲烷。當電力超過預定臨限值時，二氧化碳排放可改為排放至大氣中，或可將其儲存(如由來源532所表示)以供生物反應器502以後利用。

根據某些實施例，來自點排放源之二氧化碳可與其它氣體混合，包括一氧化碳、氫氣、硫化氫、氮氣或氧氣或工業製程所共有之其它氣體，或其可為實質上純的。可將氣體混合物直接傳遞至生物反應器502，或可在傳遞至生物反應器502之前將二氧化碳與氣體混合物分離。該等混合氣體來源包括掩埋場、垃圾轉能量設施、城市或工業固體廢物設施、厭氣消化槽、集中動物飼養操作、天然氣井及用於純化天然氣之設施，可認為該等來源在所說明之來源520、522、524、526、528、530、532旁。

在操作中，可將電力及二氧化碳持續傳遞至生物反應器502以維持所需甲烷輸出。或者，電流、二氧化碳或水傳遞至生物反應器502之速率可變化，此可引起甲烷產生速率變化。電流、二氧化碳及水之變化可根據設計變化(以回應於較大或較小需求來調節甲烷產生速率)或隨此等輸入之可用性變化而變化。

亦如圖13中所說明，系統500可包括某些與生物反應器502相關之後處理設備540。舉例而言，視生物反應器502之性質而定，離開第一(陰極)腔室之物質流可送至液體-氣體分離器。或者，可能有必要將氣態形式之甲烷處理成液體形式，此可能更便於儲存或運輸之目的。根據其它實施例，可能需要過濾氣體以移除副產物，該等副產物可分別儲存或運輸或可作為廢料處置。在任何情況下，由生物反應器產生之甲烷可送至儲存場所550，或視情況送至分配或運輸系統552，諸如參考圖14中所說明之系統詳細論述。甲烷亦可在當地使用，例如在當地加熱操作中或在化學品製造中替代天然氣。

應認識到，雖然論述集中於作為反應器502之主要產物的甲烷，但反應器502亦將產生氧氣，其可稱為次要產物或副產物。氧氣可以與甲烷相同之方式儲存或運輸，且因此，亦可建立用於所產生之氧氣的平行儲存場所及/或分配系統。作為一個該實例，氧氣可在當地使用，例如用來提高燃燒效率及/或燃料電池能量轉換率。

在獨立實施例之替代方案中，如圖14中所說明，可提供整合系統600，其中反應器602耦接至配電網604(或簡稱電網)。電網604可連接至電力來源606，例如一或多個上述發電廠，諸如碳基發電廠(例如燃煤發電廠、燃燒天然氣之發電廠或燃燒生物質之發電廠)、風動力渦輪機、水動力渦輪機、燃料電池、太陽熱系統或光伏打系統、或核能發電廠。此等工廠606可經由輸電變電所608及高壓輸電線610連接至變電所612及相關當地配電網614。當地配電網614可經由感應電路616連接至本發明之一或多個生物反應器602。

如上所述，此等發電廠中某些發電廠(諸如燃燒碳基燃料之發電廠)在穩定狀態下最有效地運作(亦即，連續向上或向下調節電力生產可引起顯著成本及/或延遲)。電網亦可連接至具有可變輸出之發電廠，諸如風動力與及水動力渦輪機及太陽熱系統與光伏打系統。另外，電力使用者具有可變需求。因此，具有最低邊際操作費用之電力生產商希望供應至電網604之電力可能且通常在較長時間(所謂的離峰期)內超過需求。在彼等時期期間，超過的生產量可由本發明之一或多個生物反應器602用來產生甲烷。

亦如上文所述，生物反應器602可耦接至一或多個二氧化碳來源620，例如包括碳基發電廠(例如燃煤發電廠、燃燒天然氣之發電廠、燃燒生物質之發電廠或碳基燃料電池)。或者，系統600可安置於提供二氧化碳作為副產物或廢產物之工業工廠附近，或可使用大氣二氧化碳來源或儲存二氧化碳。事實上，雖然有可能具有在亦可獲得離峰電力時轉換成甲烷的易於得到之二氧化碳來源，但亦可能有必要在非離峰(或高峰)期期間儲存二氧化碳以用於以後在可獲得電力時進行轉換。舉例而言，工業二氧化碳來源通常可在白晝時間期間產生其大部分二氧化碳，此可能與電力之典型高峰需求期一致，使得需要某一儲存方式以使得可得到足夠二氧化碳以與離峰電力生產結合使用。簡單且廉價的不透氣貯槽對於該短時間(諸如一天之一部分)或數天的儲存可為足夠的。關於該等較長時間或較大體積的儲存問題，目前正付出相當努力將二氧化碳隔離於地下儲存場所中，且有可能利用儲存於該等場所中之隔離二氧化碳作為用於本發明之生物反應器602中的二氧化碳來源620。

如同系統500之情況一般，系統600可包括用於按需要分離或處理反應器602中所產生之甲烷的視情況選用之後處理設備630。可將甲烷自生物反應器602(存在或不存在後處理)引導至一或多個圍阻容器640。事實上，甲烷可儲存於地面儲存槽中，或經由當地或跨州天然氣管線運輸至地下儲存位置或儲集器，諸如枯竭氣藏、含水層及鹽洞。另外，甲烷可經液化以用於甚至更緊湊之儲存，尤其當生物反應器602位於易於獲得連接至電網及二氧化碳來源，但連接至天然氣管線不經濟之處時。

將進一步自圖14獲悉，甲烷可取自儲存器640或直接自反應器602(視情況經由後處理設備630)送至甲烷收集子系統650。自收集子系統650，可將甲烷引入運輸系統652中，該系統652可為用於運輸甲烷或者天然氣之當地、跨州或國際管線的系統。就此而言，由反應器602產生之甲烷可利用現有基礎設施將甲烷自其生產地運輸至其消費地。運輸系統652可耦接至分配子系統654，該分配子系統進一步有助於其輸送至消費者656，該消費者可能遠離生物反應器602。應認識到，根據本發明之某些實施例，消費者656甚至可為連接至電網604之電力來源606之一。

亦應認識到，用於製造甲烷之生物反應器可適用於含有二氧化碳或由呼吸或其它生物過程或由化學反應(諸如燃燒)或由燃料電池釋放二氧化碳之封閉大氣環境。根據該實施例，生物反應器可以獨立實施例形式(如圖13中)或以整合系統之一部分形式(如圖14中)操作。該環境中之二氧化碳可在生物反應器中與電流及水組合以產生甲烷及氧氣。藉由此方法製造甲烷可在出於圍阻目的而密封之建築，或地下隔室、礦井或洞穴中或在潛水載具(諸如潛水艇)或限制接近外部分子氧、但具有足夠電力、水及二氧化碳以支持甲烷及氧氣之產生的任何其它器件或隔室中進行。由生物反應器產生之氧氣同樣可以氣體形式儲存，或經液化以供將來使用、銷售或分配。

雖然上述實例已論述由生物反應器產生之甲烷在符合工業、市售、運輸或住宅需要(例如經由在碳基燃料發電機中燃燒而轉換成電力或其它用途(諸如加熱或烹調)，將甲烷以非基於燃燒方式轉換成電力(諸如經由燃料電池)，或以化學方式轉換成其它化合物(諸如經由鹵化)，或與其它反應性物質反應))方面之潛在用途，但亦可瞭解，本發明之生物反應器在獨立系統中或當連接至電網時作為捕捉碳之機構的用途。亦即，除了其提供替代能源資源之用途以外，本發明之生物反應器亦可用於自大氣中移除二氧化碳，其中二氧化碳係由活微生物、由有機物質之化學氧化或自燃燒碳基化石燃料產生，尤其其中二氧化碳可由諸如化石燃料發電廠、水泥窯或醱酵設施之大型點源產生。因此，將二氧化碳轉換成甲烷可不僅產生具有多種其它用途之甲烷，而且根據本發明對二氧化碳進行轉換亦可產生或掙得用於二氧化碳來源之碳信用額，亦即減少來源之二氧化碳產生。接著，此等碳信用額可在調控計劃中用於補償二氧化碳產生者所進行之其它活動，或在二氧化碳產生者所使用或出售之產品的壽命週期中使用，諸如用於來源於生物質之再生燃料，或自原油精煉之汽油，或可在貿易計劃中用於產生獨立稅收來源。信用額或補償可與由生物反應器產生或經由使用生物反應器產生之甲烷或氧氣或其它次要產物結合出售或轉讓，或信用額可獨立地交易，諸如交換或直接出售給消費者。在生物反應器在與使用化石或地質來源之氧氣、天然氣或甲烷之實體之商業中或作為與該實體之商業合同的一部分起作用的情況下，由生物反應器產生之甲烷有時或在不同於使用天然氣之場所可傳遞至或出售給天然氣分配系統且該商業可保留與使用生物反應器產生之氧氣或甲烷相關的任何信用額或補償並將該等信用額或補償應用於購自其它來源且不直接由生物反應器產生之天然氣或氧氣。

實例1

豎直電解腔室/池組態。 內徑為1.2 cm之圓柱形電解池由聚碸塑膠構成且以暴露於空氣之陽極位於底部並由Nafion 117 PEM覆蓋且密封陰極室位於頂部的形式配置(圖3)。使用碳篩網氣體擴散層(GDE-LT)上之Pt-碳催化層作為陽極，其中鈦環集電器包圍該池之四周。Nafion 117 PEM之有效面積為1.2 cm² 。封閉式陰極室之總內部體積為3 ml且在操作期間用惰性載氣之連續流(20 mL/min)掃除液相上方約1.5 ml氣相。藉由質譜法持續分析包括陰極室中排放之任何氣體的排出氣體之組成。陰極由網狀玻璃質碳發泡體(ERG Materials and Aerospace Corp.)構成，其呈直徑為1.2 cm、高為1 cm、與PEM接觸置放、填充約一半腔室且經由鈦絲電連接至外部之圓柱體形式。陰極室填充有1.5 ml濃縮細胞懸浮液，其沈降至發泡體電極中且填充該發泡體電極。碳發泡體提供用於陰極與微生物之間緊密接觸的高表面積。偶爾，藉由添加5-10微升消泡劑而自溶液中所形成之氣泡釋放氣體。

細胞懸浮液之製備。 初始培養物生長。使細胞在總內部體積為1.3 L且典型液體體積為0.6 L之連續攪拌槽醱酵罐BioFlo 110中生長。使自養型氫營養性嗜熱產甲烷菌，熱自養甲烷熱桿菌，DSMZ 3590之初始接種物以分批培養形式在60℃下在含有以下組分之培養基中生長：氮基三乙酸鈉，0.81 mM；氮基三乙酸，0.4 mM；NiCl₂ -6H₂ O，0.005 mM；CoCl₂ -6H₂ O，0.0025 mM；Na₂ MoO₄ -2H₂ O，0.0025 mM；MgCl₂ -6H₂ O，1.0 mM；FeSO₄ -7H₂ O，0.2 mM；Na₂ SeO₃ ，0.001 mM；Na₂ WO₄ ，0.01 mM；KH₂ PO₄ ，10 mM；NaCl，10 mM；L-半胱胺酸，0.2 mM。以用質量流量控制器以250標準毫升/分鐘之總流量產生的4:1 H₂ :CO₂ 氣體混合物噴射此培養基。經由使用2 M氫氧化銨進行調整之恆pH值滴定儀(pH stat)，使培養基之pH值最初維持在6.85。在培養物之生長初期期間，此時甲烷產生受細胞濃度限制且以指數速率增加，按需要添加0.5 M硫化鈉溶液以維持氧化還原電位低於-300 mV。一旦培養物生長且甲烷產生達到穩態，即使用氫氣作為還原劑，使培養物自身維持氧化還原電位低於-450 mV。將硫化物添加減慢至維持此產甲烷菌菌株之穩定甲烷產率所需的最小速率(如藉由質譜法所測定，流出氣體中之H₂ S小於1 ppm)。在此等條件下，穩態甲烷產生對應於輸入氫氣之96-98%轉換率。

適應於接近穩定生長條件之菌株的選擇。 在已建立穩態條件後，維持培養物數週而不添加新鮮培養基。實情為，不斷地移除在產甲烷期間因產生水而產生之培養物的增加體積。由如下調配之100×濃縮儲備液替代移除之無機營養物以及移除之培養基及微生物：氮基三乙酸鈉，81 mM；氮基三乙酸，40 mM；NiCl₂ -6H₂ O，0.5 mM；CoCl₂ -6H₂ O，0.25 mM；Na₂ MoO₄ -2H₂ O，0.25 mM；MgCl₂ -6H₂ O，100 mM；FeSO₄ -7H₂ O，20 mM；Na₂ SeO₃ ，0.1 mM；Na₂ WO₄ ，1.0 mM；KH₂ PO₄ ，1.0 M；NaCl，1.0 M；L-半胱胺酸，20 mM。在接近穩定生長條件下維持此長時間培養之目的為選擇可在與電解腔室中遇到的類似之條件下良好執行且存活的菌株。

在電解條件下之效能。 藉由用Ar:CO₂ 之4:1氣體混合物以250 mL/min噴射數小時直至排出氣體流中既不存在氫氣亦不存在甲烷而使細胞濃度為每公升5-7 g乾重之經適應培養物缺乏能量。接著藉由在厭氧條件下離心而將來自培養物之樣品中的細胞濃縮三倍且以每公升15-21 g乾重之最終濃度再懸浮。將1.5毫升此濃縮懸浮液置於腔室中且浸漬至碳發泡體陰極中(圖3)。相對於陽極，以3.0至4.0 V之電壓極化陰極，且在20 mL/min流速之He載氣中監測自腔室出現之氣體。如圖15中可見，甲烷為在小於4.0 V之電壓下的唯一氣體產物，但在較高電壓下亦可產生微小比例之氫氣。未偵測到諸如一氧化碳、甲酸或甲醇之其它可能電化學反應產物。

50．．．標準水電解系統

52．．．產甲烷反應室

100．．．系統

102．．．生物反應器

104．．．第一腔室

106．．．第二腔室

108．．．陰極

110．．．陽極

112．．．質子可滲透性障壁/障壁/不透性障壁

120．．．電力來源/來源

130．．．入口

132．．．二氧化碳供應源

134．．．出口

136．．．出口

200．．．系統

202．．．生物反應器

204．．．電力來源

206．．．二氧化碳來源

210．．．外殼

212．．．第一腔室/腔室

214．．．第二腔室

216．．．陰極

218．．．陽極

220．．．質子可滲透的不透氣性障壁

222．．．表面

224．．．表面

230．．．集電器

232．．．集電器

234．．．入口

236．．．出口

238．．．通道

250．．．系統

252．．．反應器

260．．．外殼

262．．．第一腔室

264．．．第二腔室

266．．．陰極

268．．．陽極

270．．．質子可滲透的不透氣性障壁/障壁

272．．．表面

274．．．表面

280．．．多孔的質子傳導性氣體擴散層/氣體擴散層/層

300．．．系統

302．．．反應器

310．．．外殼

312．．．第一腔室

314．．．第二腔室

316．．．陰極

318．．．陽極

320．．．質子可滲透的不透氣性障壁/障壁

322．．．表面

324．．．表面

330．．．多孔的質子傳導性氣體擴散層/氣體擴散層/層

332．．．集電器

400．．．系統

402．．．反應器

404．．．管狀反應器次單元/次單元

404'．．．次單元

410．．．外殼

412．．．共同集電器

412'．．．集電器

414．．．大致管狀陰極/陰極/多孔陰極

414'．．．管狀陰極/陰極

416．．．多孔氣體擴散層/集電器

416'．．．陰極

418．．．陽極

418'．．．管狀陽極/陽極

420．．．大致管狀質子可滲透的不透氣性障壁

420'．．．管狀障壁/障壁

430．．．入口

432．．．通道

434．．．空間

436．．．出口

440．．．多孔的質子傳導性氣體擴散層/層

450．．．系統

452．．．系統

454．．．反應器

456．．．反應器

458．．．開關

460．．．開關

500．．．獨立系統/系統

502．．．生物反應器

504．．．碳基發電廠/來源/工廠

506．．．風動力渦輪機

508．．．水動力渦輪機/來源

510．．．燃料電池/來源

512．．．太陽熱系統/來源

514．．．光伏打系統/來源

516．．．核能發電廠

520．．．碳基發電廠/來源

522．．．乙醇製造廠/來源

524．．．工業製造廠/來源

526．．．商業製造廠/來源

528．．．石油化學品精煉廠/來源

530．．．大氣來源

532．．．儲存來源/來源

540．．．後處理設備

550．．．儲存場所

552．．．分配或運輸系統

600．．．整合系統

602．．．反應器/生物反應器

604．．．配電網/電網

606．．．電力來源/工廠

608．．．輸電變電所

610．．．高壓輸電線

612．．．變電所

614．．．當地配電網

616．．．感應電路

620．．．二氧化碳來源/來源

630．．．後處理設備

640．．．圍阻容器/儲存器

650．．．甲烷收集子系統

652．．．運輸系統/系統

654．．．分配子系統

656．．．消費者

圖1為先前技術之將二氧化碳轉換成甲烷之系統的示意圖；

圖2為本發明之將二氧化碳轉換成甲烷之系統的示意圖；

圖3為將二氧化碳轉換成甲烷之生物反應器之一實施例的剖面圖；

圖4為將二氧化碳轉換成甲烷之生物反應器之另一實施例的剖面圖；

圖5為將二氧化碳轉換成甲烷之生物反應器之另一實施例的剖面圖；

圖6為將二氧化碳轉換成甲烷之生物反應器之另一實施例的剖面圖；

圖7為具有複數個陽極及陰極之生物反應器之一實施例的示意圖；

圖8為沿線8-8得到之圖7之系統的剖面圖；

圖9為沿線9-9得到之圖8之複數個生物反應器之一的剖面圖；

圖10為用於圖7之系統中之生物反應器變型的剖面圖；

圖11為本發明之生物反應器之串聯配置的示意圖；

圖12為本發明之生物反應器之並聯配置的示意圖；

圖13為本發明之獨立系統的示意圖；

圖14為本發明之整合系統的示意圖；及

圖15為甲烷產生隨時間及對圖3之生物反應器的陽極及陰極所施加之不同電壓變化的圖。

(無元件符號說明)

Claims

一種將電力轉換成甲烷之系統，該系統包含：生物反應器，其至少具有至少含有陰極、包含產甲烷微生物之培養物及水的第一腔室，及至少含有陽極之第二腔室，及分隔該第一腔室與該第二腔室之質子可滲透的障壁；該生物反應器具有將該培養物維持在高於50℃之溫度下的操作狀態；耦接至該陽極及該陰極之電力來源；耦接至該第一腔室之二氧化碳供應源；及接收來自該第一腔室之甲烷的出口。
如請求項1之系統，其中該反應器具有在該第一腔室中將該培養物維持在約55℃或更高溫度下之操作狀態。
如請求項2之系統，其中該反應器具有在該第一腔室中將該培養物維持在約60℃或更高溫度下之操作狀態。
如請求項1之系統，其中該障壁包含固態聚合物電解質膜。
如請求項1之系統，其中該陰極包含多孔導電材料。
如請求項5之系統，其中該多孔導電材料包含網狀碳發泡體。
如請求項6之系統，其中該產甲烷微生物浸漬至該網狀碳發泡體中。
如請求項1之系統，其中該培養物包含適合於接近穩定生長條件之古菌(Archaea)。
如請求項1之系統，其中該培養物包含廣古菌亞界(subkingdom Euryarcheaota)之古菌。
如請求項9之系統，其中該培養物為廣古菌亞界之單培養物。
如請求項10之系統，其中該古菌基本上由熱自養甲烷熱桿菌(Methanothermobacter thermautotrophicus)組成。
如請求項1之系統，其中該生物反應器具有該操作狀態及待用狀態，該反應器在不添加產甲烷微生物之情況下自該待用狀態變成該操作狀態。
如請求項12之系統，其中當該生物反應器自該電力來源或該二氧化碳來源去耦時，存在該待用狀態。
如請求項1之系統，其中該電力來源包含以下至少一者：燃煤發電廠、燃燒天然氣之發電廠、燃燒生物質之發電廠、核能發電廠、風動力渦輪機、水動力渦輪機、燃料電池、地熱電源、太陽熱系統或光伏打系統。
如請求項1之系統，其中氧氣為唯一氣態副產物。
如請求項1之系統，其中水為產甲烷微生物之主要淨電子供體。
如請求項1之系統，其中該生物反應器在高於6mA/cm² 之電流密度下操作。
一種將電力轉換成甲烷之方法，該方法包含：向生物反應器之陽極及陰極供應電力，該生物反應器至少具有至少含有該陰極、包含產甲烷微生物之培養物及水的第一腔室，及至少含有該陽極之第二腔室，及分隔該第一腔室與該第二腔室之質子可滲透的障壁；該生物反應器具有將該培養物維持在高於50℃之溫度下的操作狀態；向該第一腔室供應二氧化碳；及收集來自該第一腔室之甲烷。
如請求項18之方法，其進一步包含自不含碳之再生來源發電。
如請求項19之方法，其中自不含碳之再生來源發電包含自風、水及太陽來源發電。
如請求項18至20中任一項之方法，其中供應電力包含在非高峰需求期期間供應電力。
如請求項18之方法，其進一步包含收集來自該第二腔室之氧氣。
如請求項18之方法，其進一步包含儲存及運輸該甲烷。
如請求項18之方法，其中供應二氧化碳包含使來自至少濃縮工業來源之二氧化碳或大氣二氧化碳再循環。
一種產生碳信用額之方法，該方法包含：向生物反應器之陽極及陰極供應電力，該生物反應器至少具有至少含有該陰極、包含產甲烷微生物之培養物及水的第一腔室，及至少含有該陽極之第二腔室，及分隔該第一腔室與該第二腔室之質子可滲透的障壁；該生物反應器具有將該培養物維持在約50℃之溫度下的操作狀態；向該第一腔室供應二氧化碳；及接收碳信用額以在該生物反應器中將該二氧化碳轉換成甲烷。
如請求項25之方法，其中供應二氧化碳包含使來自濃縮工業來源之二氧化碳再循環。
如請求項18之方法，其中電源與該反應器電連通以提高該陽極與該陰極之間的電位。
如請求項27之方法，其中該電源係選自由以下組成之群：風電、太陽能、微生物燃料電池、DC電源、電化電池及其兩種或兩種以上之組合。
如請求項18之方法，其進一步包含藉由向該陰極施加額外電壓來提高甲烷氣體產生速率。
如請求項18之方法，其中不將有機碳源添加至該陰極室中。
如請求項30之方法，其中不將氫氣添加至該陰極室中。
如請求項18之方法，其中實質上無有機碳源可被該複數個產甲烷微生物利用。
如請求項18之方法，其中實質上自該陰極排除金屬催化劑。