本发明涉及一种用于产生氢气的固态发酵方法，并且涉及用于所述方法的生物反应器和固体载体。
背景技术：
氢气(h2)是宇宙中最简单并且最丰富的成分。然而，它总是与其它成分组合，并且在地球上仅少量天然地以气体形式存在。
氢气可以通过一氧化碳(co)借助于与水(h2o)在如下水煤气变换反应中反应转化为二氧化碳(co2)和氢气(h2)来产生：co+h2o→co2+h2。该反应可以通过两种可供选择的方式催化：在数百摄氏度的温度下使用金属催化剂以无机方式进行；或在数十摄氏度下以微生物方式进行。
由于所需要的极高操作温度和氢气的易爆性质，所以在无机催化剂的情况下产生氢气是一项具有挑战性的任务。此缺陷能够通过使用以微生物方式催化的氢气发酵生物反应器来避免。
任何生物反应器中影响微生物活性的一般环境因素包括水含量、温度、ph值、溶解氧和其它气体的分压、养分条件以及均匀度。传统上，发酵方法在液体中或在潮湿的固体粒子上进行。机械搅动或搅拌是提高生物反应器中气体和其它物质的传输的最常见方式。液体发酵与搅动结合提供易于控制的生物反应器。然而，此类生物反应器很昂贵，并且搅动消耗大量能量。如果生物反应使用气体底物和/或产生气体终产物，那么以低成本确保有效气体传输变得极其困难。
固态发酵方法相较于液体发酵方法提供数种优点。举例来说，作为微生物生长先决条件的水主要以吸附于潮湿的固体粒子中或以毛细作用结合到潮湿的固体粒子上的形式存在于固态生物反应器中。因此，粒子之间的空间中的水相是不连续的，并且大部分粒子间空间由气相填充。这使得通过施加压力将气体起始材料进料到生物反应器中相对容易。此外，任何气体终产物可以通过压力差离开系统。固态生物反应器中不需要搅动，并且因此，测试设备可以比液体生物反应器中简单的多。此外，可以在潮湿的固体粒子上实现非常致密的微生物生长，从而产生高发酵效率。在终产物的单价很低，因此目的在于建造具有低维护成本的廉价生物反应器的情况下，固态方法特别适用于大规模的发酵方法和生物反应器。
滴流床反应器是一种用于固态发酵的固定床生物反应器。在这些反应器中，液体通过重力滴流经过催化剂粒子的填充床，而气体同时以顺流或逆流方式流动。因此，滴流床的液体饱和度很高，使得潮湿的催化剂粒子无法引起液体吸收。在消耗液体的发酵反应中足够的液体进料特别重要。
wolfrum和watt在2001u.s.doehydrogenprogramreview会议录,baltimore,md,unitedstates,2001年4月17-19日,第11-22页中公开了逆流滴流床反应器用于通过天然存在的微生物代谢co以及水而产生h2和co2的用途。在无菌培养基中提供水，将其新鲜的等分试样周期性地添加到反应器中来补充液相。所测试的载体材料包括两种不同直径的玻璃珠、纤维素海绵材料和研磨的硬木。反应器性能随着载体材料的变化而不同。
也有一些缺点与固态发酵有关。举例来说，由于物理和化学环境条件的变化，微生物生长和其功效可能不均匀地分布在固体粒子上。因为固态生物反应器不能通过搅拌而变均匀，所以微生物的养分可用性可能不均匀，并且难以提供ph控制。此外，生物反应器不同部分之间的气体物质的通气性或传输可能受限制。这可能例如因为粒子间空间被冷凝水或生物反应中所产生的水阻断。另一方面，在生物反应不产生水的情况下，固体粒子可能由于重力或气流而变干，从而降低微生物的发酵能力。
本发明旨在避免常规固态生物反应器的缺点，尤其在生物反应涉及气体起始材料和/或反应产物并且需要低建造和维护成本时。
技术实现要素：
本发明的一个方面涉及一种生物反应器，其包括co进料系统、h2o进料系统、流出物再循环系统以及h2和co2收集系统，其中
所述生物反应器装载有多孔固体载体，所述多孔固体载体的至少10％具有引起与自由水相比约0.01至约1.0巴的水吸力的孔隙体积尺寸，其中
所述孔隙体积的至少10％的所述水吸力通过用固体载体装载生物反应器获得，所述固体载体包含以下材料中的任一者：
(i)粒子，所述粒子的至少20％具有0.1mm至10mm的直径；
(ii)海绵状材料，其孔隙的至少10％具有0.1mm至10mm的孔隙尺寸；
(iii)丝状材料，其中对于其丝间空间的至少10％，丝间空间的直径为0.1mm至10mm；或
(iv)(i)至(iii)的任何混合物，
并且其中用催化水煤气变换反应的微生物接种固体载体；并且
生物反应器包括固相、液相和气相，其中气相的体积是生物反应器体积的20％至80％。
本发明的另一方面涉及通过固态发酵产生氢气的方法，所述方法包括如下步骤：a)提供根据本发明的任何实施方式的生物反应器，b)向反应器中进料co和h2o，c)以厌氧方式生物将所述co和h2o转化为氢气和二氧化碳，以及d)收集来自生物反应器的氢气。
本发明的又一方面涉及如下固体载体用于在固态发酵方法中从一氧化碳和水产生氢气的用途，所述固体载体包含(i)粒子，所述粒子的至少20％具有0.1mm至10mm的直径；(ii)海绵状结构材料，其孔隙的至少10％具有0.1mm至10mm的孔隙尺寸；或(iii)丝状结构材料，其中对于其丝间空间的至少10％，丝间空间的直径是0.1mm至10mm；或其混合物。
本发明的特定实施方式在从属权利要求中阐明。本发明的其它方面、详情、实施方式和优点将根据以下图式、详细描述和实施例而变得显而易见。
附图说明
在下文中，本发明将借助于优选实施方式参考附图更详细地描述，其中
图1示出了示例性氢气生物反应器的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种不饱和固态发酵(ssf)方法和生物反应器，其中一氧化碳(co)和水(h2o)通过如下微生物转化为氢气(h2)和二氧化碳(co2)，所述微生物在生物反应器中的多孔固体载体上生长并且能够催化水煤气变换(wgs)反应。
适用于本发明的ssf方法和生物反应器的微生物可以从各种来源(如菌种保藏)获得，或可以例如从沼泽(如泥炭沼泽或泥炭藓沼泽)或其它湿地或从消化器官或消化道分离到。本发明方法中微生物的选择可以取决于技术人员容易了解的各种因素，包括(但不限于)指定微生物的养分、温度和ph要求。在一些实施方式中，在较低温度下适用的微生物可能是优选的，因为加热生物反应将需要较少能量。本领域技术人员能够判定微生物是否适用于本发明的不同实施方式。
根据本发明的生物反应器包括三个主要相，即：固相，其包含多孔固体载体；液相，其包含发酵方法中所用的水；以及气相，其包含co、h2和co2。气相的体积应该是生物反应器体积的20％至80％以便实现足够大的液-固界面。此外，气相越多，反应时间越长，因此生物反应器越有效。在整个生物反应器中，固相均匀地分布在分散性气相中很重要。
重要地，本发明的生物反应器中的液相是不饱和的。如本文所用，术语“不饱和”指为不饱和的，即具有含有更多液相、通常是水的吸力。因此，本发明的生物反应器基本上不同于饱和生物反应器，如滴流床反应器。如本文所用的术语“饱和”指为饱和的，即不再具有结合更多液体如水的吸力。
毛细传导性和足够的固体载体间气体容积定义穿过固体载体的气体和液体流特征。需要足够的毛细传导性来确保在发酵方法期间气体和液体传输能够均匀地分布并且维持在所需水平下。此外，生物反应器中的湿度必须足够高以使得微生物能够在固体载体上生长。另一方面，过高的水分含量将对至少一些类型的微生物有害，以及因为填充固体载体间空间而阻断气体传输。
适用于本发明中的固体载体必须是多孔的以便获得如本文所述的足够的发酵条件。水通过由吸附和表面张力引起的毛细管力结合于固体载体的孔隙。结合强度可以通过压力单位(如巴)表示。指定孔隙尺寸对应于某个结合强度。假定孔隙是圆柱形管，那么用水填充的最大孔隙的半径可以由以下方程计算：
r＝2γ/hρg，
其中r是孔隙半径(m)；
γ是水的表面张力，即0.073n/m；
h是以水柱高度(m)(水的毛细管势的绝对值)表示的水吸力；
ρ是水的密度，即1000kg/m3；
g是重力加速度，即9.81m/s2。
这个方程通常以简化形式呈现：
d＝0.3/h，
其中d是孔隙的直径(cm)；并且
h是以水柱高度(cm)(水的毛细管势的绝对值)表示的水吸力。
适用于本发明中的固体载体应该使得孔隙体积的至少10％具有引起与自由水相比约0.01至约1.0巴的水吸力的孔隙直径。这个水吸力是本发明的生物反应器在不饱和条件下具有功能的先决条件。
对于孔隙体积的至少10％，约0.01至约1.0巴的所述的所需水吸力通过使用根据下述任何实施方式的固体载体实现。
在一些实施例中，固体载体可以包含直径是0.1mm至10mm的粒子或为直径为0.1mm至10mm的粒子的形式。这个范围内的任何一个粒子尺寸或其任何组合可以用于本发明的方法和生物反应器中。孔隙的适合平均直径的非限制性实例在约10nm至约100nm的范围内，并且适合的粒子材料包括但不限于包含蛭石、改性蛭石、蛭石样材料或合成蛭石的材料混合物；合成阳离子交换树脂；各种泥炭型；其它有机材料；以及其混合物，只要其具有或其提供本文所述的所需物理和化学特征即可。固体载体提供如下气相特别重要，该气相的体积是生物反应器体积的20％至80％，并且其均匀地分布在整个生物反应器中。
在一些其它实施方式中，固体载体可以包含如下海绵状结构或为该海绵状结构的形式，其孔隙体积的至少10％的孔隙尺寸分布在约0.1mm至约10mm范围内。适合的海绵状材料的非限制性实例包括合成海绵状材料(如泡沫塑料聚合物)以及天然海绵。
在又一些其它实施例中，可以提供丝状结构形式的固体载体。在此类情况下，丝间空间可以被认为是丝状固体载体的孔隙，并且对于丝间空间的至少10％，其直径分布应该在约0.1mm至约10mm范围内。
适合的丝状材料的非限定性实例包括钢丝棉。因为钢丝棉不具有任何阳离子交换特性，所以其可以以与具有足够阳离子交换特性的粒子的混合物形式提供。或者或此外，钢丝棉可以用有机材料(如聚丙烯酰胺)涂布或涂覆以便实现足够的阳离子交换特性。
多孔固体载体还可以是粒子、海绵状材料和长丝的任何混合物，只要其满足本文所述的物理要求即可。
固体载体的多孔性不仅影响生物反应器中的潮湿条件，而且还提供了微生物的大附着表面并且保护其以使其免于被冲掉。此外，多孔性提高了固体载体的比表面积。在一些实施例中，固体载体的比表面积至少是5m2/g。
高的比表面积又使多孔固体载体具有高的离子交换能力。为了适用于本发明的发酵方法，固体载体应该具有高的阳离子交换能力，通常高于0.1mmol/g。因为大多数养分物质是阳离子，所以固体载体的阳离子交换特性比阴离子交换特性重要。然而，在一些实施方式中，固体载体也可以具有阴离子交换特性。在一些其它实施例中，阳离子交换能力与阴离子交换能力甚至可以几乎彼此相等。
此外，高的比表面积以及高的阳离子交换能力引起生物膜的形成。这又因为高的微生物含量而提高了发酵方法的效率。
固体载体的上述特性在发酵方法中提供足够缓冲特性。当固体载体由于其阳离子交换能力而能够与液相交换氢和/或羟基离子时，应该无需进行额外ph控制。
不适用于本发明的固体载体包括在阳离子交换能力方面无活性的材料。此类材料的更特定实例包括基于二氧化硅的材料(如玻璃)、基于木头的材料、大多数塑料(除非其与活性基团偶合)以及大多数石材(如长石和石英)。值得注意的是，尽管蛭石以具有足够阳离子交换能力的形式存在，但其不是单独用于本发明的生物反应器中的适合的固体载体材料。这是因为不可能用单独的蛭石实现足够的气相体积。即使在一些特定情况下，有可能实现略超过生物反应器体积的20％的最初气相体积，但借助于湿润和干燥作用进行自发压实将使气相体积减至低于生物反应器体积的20％。因此，如果将蛭石用于本发明的生物反应器，那么其需要以与其它非平坦材料(如珍珠岩)的混合物形式提供，以便满足气相的体积必须是生物反应器体积的20％至80％的要求。
本发明的方法可以在生物反应器中进行，该生物反应器例如是玻璃、不锈钢或塑料罐或容器。生物反应器材料应该对于方法中所用的微生物是无毒的。生物反应器的尺寸和形状可以在本领域技术人员已知的范围内视不同参数(如固体载体材料的选择)而变化。优选地，该尺寸适用于工业规模氢气产生。生物反应器应该是低成本、易于操作并且可靠的。
图1中示出了示例性生物反应器。生物反应器容器10的上端具有co分配系统20和水分配系统30，而容器10的下端具有h2和co2收集系统40以及流出物收集系统50。生物反应器容器的底部覆盖有一层压碎的石灰石60，而容器的其余部分装载有本文所述的多孔固体载体材料70。生物反应器容器由加热水循环80包围。
在一些实施例中，流出物收集系统50是连接于水分配系统30的流出物再循环系统。如本文所用，术语“流出物”指从生物反应器流出的水。
所产生的h2和co2能够通过本领域中已知的标准方法彼此分离。这个分离步骤可以包括在或可以不包括在本发明的发酵方法中。
生物反应器可以具有各种感应器来监测所需参数，如反应器中的温度、ph值和湿度。此类感应器在本领域中可以容易地获得。生物反应器还可以具有气体分析器来监测生物反应器的操作和氢气产生的产量。
本发明方法的温度控制可以例如通过将封闭的水循环系统连接到生物反应器来获得。此类系统可以视指定微生物的需要而提供所述方法的加热或冷却。热在水循环系统与生物反应器之间通过传导性传输。用于调节本发明方法的温度的其它手段和方法是本领域中众所周知的。
在本发明的发酵方法中用作起始材料的一氧化碳可以从任何适合来源捕获，包括但不限于来自化石燃料(如煤、石油)的合成气或发电厂中的气体。
微生物需要其它养分(如氮、镍和/或钴)来进行其生长。这些物质可以在发酵方法期间提供，或优选地，以附着于具有上述阳离子交换能力的固体载体的形式提供，因此在这方面产生自足方法。氮可以例如以尿素或碳酸铵的形式提供。在一些实施方式中，木灰可以用于向微生物提供其它养分。这些成分的特定浓度取决于所用微生物。
根据本发明的实施方式的功能性生物反应器和氢气发酵方法可以在短期(如几天)内建成。发酵方法启动并运行后，生物反应器将在数个月或数年期间持续产生氢气和二氧化碳。在一些实施方式中，生物反应的效率可能超过数瓦/升，和/或所产生的气体的纯度可能接近理论值50％氢气和50％二氧化碳。生物反应器的体积越有效，其尺寸可以越小。
从生物反应器收集的氢气可以用于任何所需目的，包括但不限于燃料电池。氢气还可以用作用于产生各种烃例如甲烷的起始材料。
本领域技术人员显而易见，随着技术进步，本发明构思能够以多种方式实施。本发明和其实施方式不限于下述实施例，而是可以在权利要求书范畴内变化。
实施例1.
从直径是160mm并且高度是1000mm的聚氯乙烯排水管建造图1中所示的18.15升垂直生物反应器。将用于co和生物反应器流出物传送的两个尼龙进口管安装在管的上部。管的下部具有两个出口管，一个用于气体收集并且另一个用于可能的维护程序，如使生物反应器流出物再循环。用10cm厚度的压碎的石灰石的层覆盖排水管的下部，并且生物反应器的其它部分用固体载体——蛭石填充。在填充之前，将2.5kg蛭石与700g珍珠岩、40.0g木灰、0.8g水合硫酸钴(coso4·7h2o)和0.8g水合氯化镍(nicl2·6h2o)混合。用8.4升从早期生物反应器获得并且储存在co中的微生物的水性浆液通过穿过生物反应器上部的进口泵送来接种生物反应器。
使用水循环系统加热生物反应器。将加热水的温度调节到所需水平，通常53至55℃。
使生物反应器流出物和co穿过安装在生物反应器上部的两个尼龙进口管输送到生物反应器。在发酵方法开始时根据变量(如生物反应器的干燥度)调节co和生物反应器流出物传送的比例和模式。
从反应器输出物中收集气体样品。用hewlettpackard6890气相色谱仪通过使用tcd检测器分析co、co2和ch4。用combimassga-m气体分析器通过使用电化学感应器测量h2s、h2和o2。因为所测量气体组分的高浓度，所以在测量气体组成前稀释样品气体。对于co、co2和ch4，测量稀释度是100倍。对于h2、h2s和o2，测量稀释度是500至1000倍。用
当co进料速率在30升/天与300升/天之间变化时，生物反应器的平均效率在0.2瓦/升与2瓦/升之间变化，而h2和co2分别是45体积％和45体积％。