专利名称：厌氧工艺的制作方法
厌氧工艺
背景技术：
发酵过程通常是通过微生物转化和工艺净化，将有机物原料分解成颗粒较小、更有价值的分子化合物。发酵一般在分批及补料分批的反应器中进行，发酵之前还有一段厌氧微生物的生长期。发酵过程通常使用无杂菌污染的菌(例如单一菌种)或者几种混合菌。要成功地实现发酵过程，在菌的生长期需要良好的通气环境，这可以通过适宜的搅拌和对微生物的培养基通风实现。通常通风对反应器的设计有诸多要求，同时在很多工艺中限制微生物的生长。当达到充分的微生物量时，马上改变反应条件，一般是通过抽真空，使其发酵并产出有用的目标产品。青霉素和乙醇的生产方法就是典型的发酵工艺。另一方面，厌氧消化是在绝氧环境下，微生物生长并分解可生物降解的物质的过程。微生物种群的生长和有用的目标产物的产出是连在一起的，且只能通过厌氧发酵过程 来实现。所涉及的微生物一般都是以混合微生物群落的形式存在。用于厌氧消化的底物一般是微粒状的，降解比较困难，需要纤维溶酶才能完全降解。厌氧消化广泛应用于废水污泥处理和生物降解有机废弃物。它可使被处理对象的质量和体积都减少，并在降低流动性物质的化学需氧量上特别有效。如果利用合理，厌氧消化可被用以生产沼气(一种富集甲烷与二氧化碳的气体)，使其适合发电，替代化石燃料。厌氧消化过程被大规模商业运用一般是在大型发酵罐中进行，采用一步或两步批量发酵罐系统，并且为达到适当的发酵程度，发酵过程需要10 100天。这种系统的主要缺点在于，就生物气产量而言，其所需体积庞大(占地面积大)稳定性受限制，且由于因底物的抑制性而造成的缺乏有效的消化和消化受阻而引起消化过程受限制。哺乳动物和昆虫摄食植物的消化也是一种包括了生存与缺氧生态系统中的混合微生物群落的专性的厌氧过程。这些微生物就像工业厌氧发酵罐中的种群，其中微生物的生长和目标产物的生成是连在一起的，并且需要纤维溶酶来降解底物。另一相似之处是消化道中的菌群可以实现种间氢转移，包括古生菌，它们也产生甲烷。目前对混合菌群的厌氧发酵研究中，反刍家畜网状瘤胃中的微生物群落是最好的，这体现了反刍家畜的经济价值。其微生态系统内有很多有趣的微生物，包括对纤维素具有高度酶活的厌氧真菌，产挥发性脂肪酸(VFA)、琥珀酸、乳酸的细菌。现在人们对利用这些微生物来进行工业规模的应用有浓厚的兴趣。一些典型的瘤胃微生物包括高纤维溶性的厌氧真菌 Neocallimastix frontalis 和 Cycllamyces aberensis,专性厌氧细菌 fibrolyticRuminococcus f Iavefaciens (纤维溶性)，Bacterodes succinogenes (产玻拍酸)，Butyrivibrio fibrisolvens (可部分分解纤维素和产丁酸)，可利用氢的产烧古细菌，如Methanobacterium ruminantium,它们在瘤胃中非常普通。尽管厌氧消化和瘤胃微生态系统反应过程相类似，但两者的主要区别之一在于瘤胃中可以达到相当的发酵速率与发酵程度，这使得瘤胃可看作一个发酵能力超群的发酵容器，在工业规模上10 100天的厌氧发酵在瘤胃中I 2天就可以完成，提高的程度相当于对数级别。瘤胃提供了一个厌氧的环境以及恒定的温度，稳定的PH，充分的混合。与批次厌氧发酵的过程不同，瘤胃是一个开放、连续的微生态系统，被充分咀嚼的食料经唾液与饮水的良好缓冲，每隔一定时间，通过食管被输送至瘤胃。发酵的终产物或通过瘤胃的胃壁被吸收进血液或流出瘤胃进一步被消化吸收。这样，通过对植物颗粒物质的有效转化，瘤胃发酵产生了微生物蛋白和发酵终产物、挥发性脂肪酸(醋酸，丙酸，丁酸)、二氧化碳、甲烷。这些微生物蛋白和挥发性脂肪酸可以被视为平台化合物，满足肉类和牛奶生产所需的大量的蛋白质和能量，且排放气体对碳排放影响可以被忽略。瘤胃微生态系统优于工厂厌氧发酵的原理是复杂多样的，部分原因可能是由于某些瘤胃中存在的某些微生物群在工厂厌氧发酵系统中却没有。例如瘤胃中的厌氧真菌是人们已知晓的最具纤维溶性的生物体，由于它们专一的厌氧属性，需要被培养在一个开放的生态系统，所以在工业规模的发酵应用中它们无法生存。本项发明的核心即在于使瘤胃中的专性厌氧微生物群能在反应器中作为有活力和反应能力的种群，具有商业上的应用潜力。低剪切力混合是一项重要的必备条件。振荡流挡板系统能提供良好混合，没有过度搅动。当流体流经反应器时使用混合设备例如带挡板的振荡流管混合流体是公知技术(参见Nitech Solutions Ltd的W02006/136850实例)。然而，这些一般都用于简单的化学反应中，如氢化，其中气相混合阶段对反应成功非常重要。尽管上述的专利考虑了在发酵中应用的可能性，但没有表明其优势所在，没有数据的发表，也没有描述特别的改进。
发明内容
发明者们已认识到改进的振荡方案，包含底物和厌氧介质的注射或喷出的准备和操作技术以确保维持无氧条件，是适合厌氧消化和厌氧微生物过程的，特别是对于那些草食动物肠道的专性厌氧微生物菌群，可以相比于它们在瘤胃中的快速过程。这些草食动物瘤胃中具有代表性的微生物有多种专性厌氧细菌，原生生物，真菌，它们需要严格的培养条件，若暴露在空气中则会致死。本发明的一个目的是提供一种生产厌氧微生物的方法，它包括以下步骤提供一个振荡流反应器，所述反应器设有根据微生物过程而垂直或水平布置并沿长度方向设有多个挡板的反应管；将流体物质引入反应管，所述流体包括以下组份细分((2mm2)的底物/基础物；一个厌氧微生物群以及微生物的培养物，所述培养物与所述底物可以相同，使所述流体物质以足以允许培养物厌氧生长和发酵发生的速度流经所述反应管，所述流体相对于所述挡板振荡；收集成熟的微生物细胞、胞外酶、气态和或液态发酵终产物。本发明的另一个目的是提供一种连续性更好的振荡流反应器，它包括一端设有喂料口(3)另一端设有出料口(5，6，9)的反应管(I)，沿管长度方向布置的挡板体系(7)，挡板体系(7)用于通过内容物相对于板的震荡来混合管内的流体；它还包含于厌氧条件下在反应管的喂料口端的用于喂入可溶和/或不可溶的底物颗粒的悬浮液的供料装置和引入厌氧生物体的装置。可选择地或附加地，所述底物包含所述挡板的表面本身。根据微生物生长过程，反应管可以垂直，水平或倾斜放置。在厌氧条件形成前可能会需氧运行。振荡流反应管的挡板除了可用以混合流体和保持颗粒悬浮之外，更显著的两个特征是让设备和培养方法更适合专性厌氧微生物的生长。底物回收过程如下颗粒物循环以保持悬浮状态直到可以被注入反应器。阀同步运行以加入新的培养物和排出废液。总的来说，这些特征都是为了防止颗粒在进入反应器之前沉降聚集，使之以精确的量和精确的次数注射入或喷出反应器。同步阀门系统有助于防止氧气渗入到反应器中，否则对厌氧反应器环境中的厌氧微生物过程有害。挡板本身可以是光滑的，或具有细微小孔或裂纹状的表面，起到生物体底物的作用。很多专性或兼性的微生物，无论基因经过改良与否，都需要附着在一个底物上生长。底物可以是颗粒物本身，或者，可选择地或附加地，是上述挡板。附加的料液可以是处在悬浮或溶解状态。料液进入设备可以在反应管的进料端比如反应管底部，或反应管的其它任何中间部位。微生物生物量、胞外酶、气态或液态发酵终产物可以在反应管的顶部或中间任何部位(远离进料端)排出。这套设备也可以使废水(微生物)回收，且在回收回路中包含分离装置。使反应管中液体振荡的电机最好通过一个向下倾斜的管子连接在反应管上，以防止颗粒沉降而阻塞电机。对专性或兼性的厌氧微生物，培养物的主要碳源可以是磨碎的植物原料如稻草，和/或可溶性物质像糖蜜。它们可以发酵来提供微生物细胞，胞外酶，有用的终产物如氢 气、甲烷、挥发性脂肪酸如醋酸丙酸和丁酸、琥珀酸、乙醇、丁烯醇、乳酸。
为使本发明更好理解，以下结合附图和实施例进行具体化描述。在图中图I为本发明的设备实施例示意图。图2为本发明设备另一实施例的示意图。图3为本发明进一步改进的设备的示意图。图4和5所示为实验数据表。图6为实验中的一些图片。
具体实施例方式设备图I显示了垂直反应管1，在其底部有一个喂料口 3，顶部有两个出料口 5、9，这就是连续性振荡流挡板(COB)反应器。沿反应管I的长度或高度方向上且垂直于其轴线的多个环形挡板7按照一定间隔固定在反应管内。在大部分反应管的长度范围内，挡板间的间隔大约为环形挡板直径的一半。环形挡板有一个中心通孔，大小约为反应管直径的1/3。附加的喂料口可以设置在反应管周身任何部位，以引入其他物质或气体来维持适宜的环境满足生产过程中任何阶段的需要。反应管外部有一个或多个通水的恒温套11来控制内容物温度。探头13a、13b装在靠近底部或顶部的地方，这样温度、pH、氧化还原电位的数据就可以传送到控制回路中去。反应管I底部的营养物供给来自容器21。来自粉碎装置25的专性或兼性厌氧微生物(如源自瘤胃或青贮窖)和颗粒随营养物溶液23输送入容器21。这些颗粒可以是植物材料，例如磨碎的干草、稻草或废弃材料。它们在搅拌中被加入容器21中的悬浮液，并用泵和阀(未显示)间歇性地加入喂料口 3。泵17与反应管I的底部相连，并且可控。这样尽管流体流经反应管是从底部向顶部流动,但仍能保持来回振荡。料液对挡板的来回冲击会产生漩涡，因此可彻底混合料液、使温度分布均匀。气态终产物从反应器顶部的气体出料口 5出来，可被收集应用于燃料电池、燃烧或其它目的。包含微生物生物量、胞外酶和一些可溶性的发酵终产物的液体，可通过出料口9输送入容器如分离装置或过滤器31进行提取。滤过液或或其部分、或固体/浆体可被如33所示回收。同时，可溶性产物可被提取出来。这种废水回收有利于将浮到顶部的颗粒物回置，例如对于被气泡夹带的颗粒物。微生物最好是分别从牛瘤胃或青贮堆中提取的瘤胃或青贮生物体的精华。这些微生态系统中的细菌与真菌繁殖出微生物生物量、胞外酶及前述有价值的发酵终产物。其中一些微生物产生的酶可以将植物原料降解成单糖，而单糖可以发酵成液体燃料如乙醇。但这种过程只能应用于传统的批次发酵系统，这是因为微生物的生长受限于溶氧和产物积累。而对振荡挡板发酵罐加以控制能一直确保发酵条件的适宜。尽管经改进的批次操作也能用，但它能更好的连续运行。此外，也能将发酵罐直接与氢、甲烷燃料电池相连。 其他一些合适的添加物则用来控制氧化还原电位，比如大肠杆菌、牛链球菌，或化学还原剂如硫化钠、盐酸半胱氨酸。挡板7表面一般为光滑状，微生物无法寄生其上。但是也可以改成多孔状或裂纹状使之适应微生物的生长，以此防止微生物生物量的过度繁殖。图2所示的装置与图I类似，但做了一些改进。图中设备标记数字还是保持一致。在进料方面有一个回收回路41附带泵43，用以保持混合器21中的物料颗粒悬浮，进而喂料中颗粒也悬浮。在另一方面，没有产物的回收回路，产物收集在容器31a。此外，尽管反应管仍然垂直，流体的流向却是从顶端向底端的，其喂料口为3a出料口为9a。由于颗粒物有沉降趋势，因此重力有促进作用。图3所示的实施例，设有反应管I (也是垂直的但可水平放置)，其喂料口 3、6仍然位于底端，三个出料口 5 (用于气体)(用于废液)和9 (用于回收)位于顶部。反应器外部有一个恒温套11，水流从其中通过以控制内容物温度。探头13a、13b也是用于测量温度、pH、氧化还原电位等变量。这套装置既有输入回收回路41，也有废液回收回路33。反应管I底部的供料来自冷却过的贮液器21，贮液器21中的营养液23含有颗粒物25( < 2mm2)和/或可溶基质如糖蜜。颗粒物可以来自植物原料，例如磨碎的干草或稻草，一般都是磨碎后再通过I或2_的干燥筛网。它被加入到容器21中，并被搅拌器搅拌呈悬浮液，在回路41里通过快速循环泵27循环，流动速率约为2. 6L/min。介质的供给通过阀门28a从快速循环回路中以精确的次数和精确的量注入到反应器中。与此关联的是，喷出阀28b与注射阀28a同步，确保从反应器中排出等量的废液。这些废液可被用作高营养的肥料或堆肥等。阀优选气动阀，其响应时间仅为几毫秒，且各自开关时间的频率也有差异(ms h)。使用这些阀可确保系统的封闭性以维持无氧条件。振荡泵17需安装合理，以防颗粒底物阻塞泵。本实施例中振荡泵是安装在反应管的基座上，并通过下行的管17a与反应管相连。尽管流体是从反应管的底部流向顶部，但同样可通过对振荡泵的控制，实现流体如前所述的来回振荡，保持颗粒悬浮。在反应管的基座处有一个接种点，可用以在运行初期和过程中接种。另外如有需要，进气口 35a可用以喷射气体。气态终产物从反应器气体出料口 5出来，比如通过汽水分离器，可被收集应用于燃料电池、燃烧或其它目的。包含微生物生物量、胞外酶和一些可溶性的发酵终产物的液体可通过出料口 6被提取出，并被如前所述的新鲜进料替代。反应器也允许废液通过含有出料口 9和分离装置或过滤器31的回收回路33回收。这主要是确保浮到顶部的颗粒和有关的微生物可以被回置到悬浮液中去。图中没有显示的是反应管顶部的气体缓冲器或空间。尽管如图中所示垂直反应管更被偏向选择，但水平、倾斜、蛇形的反应管并不被排除在外。微牛物微生物是发酵或厌氧消化过程中通常涉及的专性和/或兼性厌氧菌的无菌培养物或混合菌群。其中的一些微生物在反应器中可能需要一段有氧生长期以生成一定的微生 物量。为演示反应器的应用，对从非哺乳期奶牛的瘤胃消化物中取得的专性厌氧微生物菌群的生长进行数据论证。这个微生态系统中的专性厌氧细菌、原生生物、真菌在降解顽固木质纤维素以产出微生物生物量、胞外酶、以及前述的有价值的发酵产物及其有效。实际上，来自这个种群中的厌氧真菌类Neocallimastix中的内系统是目前所知的最有活性的。这种真菌同这个种群中的其它具有纤维溶性的微生物一起降解植物生物量直至其单体结构并发酵至初级终产物，其中的一些可以被用作瘤胃(或其它)产烷生物的底物以生产甲烷。用于生产液体燃料的其它生物过程也适用于本反应器，比如酵母生产乙醇。实验数据生成实验数据的反应器见图3，变量参数见图4 6。在此进行了两项实验，生产如图4所示的第一项实验数据的条件如下反应器中反应体积(液体体积)和温度分别为800ml和39°C，pH控制在6.85±0. 1，氧化还原电位(Eh)尽管实验中不予记录，但由启动阶段的瘤胃液接种物和用于人工唾液培养介质中的还原剂用量可得，是150 300mV。挡板装置的活塞以IlOHz的频率运行，以使颗粒维持悬浮状态，从而达到混合良好的效果。鉴于这个频率和反应器垂直安装的情况，反应器不能在塞流的条件下运行。初期接种物源自200ml新鲜的从干草喂食的母牛身上收集的瘤胃液。瘤胃液经4层细棉布过滤后，滤液中再混合8g(以鲜重计)固体消化物。添加进反应器中的接种物包含600ml人工唾液、4g麦杆和4g干草(麦杆和干草均磨碎后过2mm干筛网过滤)。麦杆和干草的干基质量大约在90 95%。连续喷射CO2,如35b所示，以维持反应器在添加接种物过程中的厌氧条件。人工唾液使用的是瘤胃微生物学/瘤胃营养学中常用的标准配方，组成成分如下(g/1) =Na2HPO4 3. 6,NaHCO3 9. 6、NaCl 0. 46,KCl 0. 56,CaCl2 0. 04,MgCl2 0.05。额外加到反应器中的5L人工唾液含有(NH4)2SO4 0. 9g/l，并与粉碎过筛的干草(10g/l)和麦杆(IOg/I)混合，置于4 6°C的介质贮液罐和快速循环回路中。通过注AN2，见35a，合理使用还原剂来确保反应器中厌氧条件的维持。一些实验里，氧化还原指示剂，resasurin,被用来显示介质贮液罐中的人工唾液和反应器中的内容物充分还原以允许专性厌氧瘤胃微生物的生长。图4所示的数据来自批次操作，每批次时间为44h，按照以下时间间隔使用人工唾液通过PID (比例-积分-微分)控制pH。开始6h不控制，接下来15h用PID控制pH(加A 125ml人工唾液)，再接下来Ilh不用控制，然后12h用PID控制pH(加入150ml人工唾液)。在接下来的带PH控制的批次操作中，反应器使用半连续脉冲喂料，每隔24h —次脉冲，进料88ml。在脉冲进料阶段，反应器的pH控制由人工控制在适当范围。图4中的结果显示了取自在经过了 7 9天反应阶段后的反应器的样本中的挥发性脂肪酸浓度和累积的甲烷产量(超过7 9天的数据没有列出)。挥发性脂肪酸、醋酸、丙酸、丁酸是瘤胃中代表性的产物，甲烷也是一种瘤胃发酵的终产物。尽管醋酸、丙酸、丁酸的产量比预期的要低，但它们之间的摩尔比合乎在瘤胃发酵中的范围值。而产量低可以通过调节反应器条件，特别是喂料机制，是有可能将这些挥发性脂肪酸和甲烷的产量显著提闻的。例如，图5所示的数据证明在反应器中获得挥发性脂肪酸的浓度和瘤胃中相比是差不多的。相比于图4中的数据，甲烷产量是2倍，挥发性脂肪酸总量是5倍。挥发性脂肪酸和甲烷以合理的连续的形式从反应器中生产出来的事实表明了纤维溶性的瘤胃微生物菌群的存在，它们包括前述的真细菌和古生菌。光学显微镜观察反应器内容物也证实了反应器中真核生物、厌氧真菌、原生生物的存在(图6)。对于厌氧真菌，其孢子囊在干草和稻 草颗粒上的存在以及液相中的游动孢子都表明它们是可在反应器中存活生长的。总之，这些结果表明我们所发明的反应器和过程方法可以模仿瘤胃微生态系统，用以在它们自生的微生态系统之外连续地培植有活力的专性厌氧微生物菌群。从这些实验中的甲烷和挥发性脂肪酸的产率可看出，反应器中颗粒物的降解率与报道的用混合瘤胃接种物做大量的短期批次培养研究的结果类似(例=Theodorou等人，1994年发表的一篇相关论文，刊登在《动物饲料科学和技术》48期第185 197页)。反应器中的降解率与降解程度优于传统的梭菌属厌氧消化过程。这种反应器具有相当可观的潜力和多功能性，并且可被用于一系列的微生物学应用。连续或半连续的操作模式，利用快速回路/同步阀结构注射和喷出颗粒的喂料方法，利用振荡挡板来保持颗粒悬浮的能力、反应器相比于搅拌型厌氧发酵罐和厌氧消化池的较小体积，构成了微生物利用和工艺流程设计上的巨大优势。
权利要求
1.一种控制厌氧发酵过程的方法，其特征在于它包括以下步骤 提供一个设有反应管的振荡流反应器(I)，所述反应管沿长度方向设有多个挡板(7)； 将(3)流体物质引入反应管，所述流体物质包括以下组份 一种细分的底物， 兼性和/或专性厌氧生物体，以及 所述生物体的培养物，所述培养物与所述底物可以完全相同或部分相同； 使所述流体物质以足以允许培养物厌氧生长和发酵发生的速度流经所述反应管，同时引起或允许所述流体相对于所述挡板振荡；以及、收集发酵产物。
2.如权利要求I所述的一种控制厌氧发酵过程的方法，其特征在于所述细分的底物包含悬浮的颗粒物。
3.如权利要求2所述的一种控制厌氧发酵过程的方法，其特征在于所述颗粒底物包含粉碎的植物体。
4.如上述任何权利要求之一所述的一种控制厌氧发酵过程的方法，其特征在于它是连续的过程。
5.如上述任何权利要求之一所述的一种控制厌氧发酵过程的方法，其特征在于提取的产物包含燃料、微生物生物量，平台化合物或胞外酶。
6.如上述任何权利要求之一所述的一种控制厌氧发酵过程的方法，其特征在于所述生物体包括瘤胃或青贮生物体。
7.如上述任何权利要求之一所述的一种控制厌氧发酵过程的方法，其特征在于所述精细分离的底物在储液槽(21)中保持悬浮状态，并被间歇地注射入所述反应器中。
8.一种振荡流反应器，其特征在于它包括 一端设有喂料口(3)另一端设有出料口(5，6，9)的反应管(I)，沿管长度方向布置的挡板体系(7)，挡板体系(7)用于通过内容物相对于板的震荡来混合管内的流体； 所述反应器还包含在厌氧条件下向所述反应管内输送底物颗粒的悬浮液、兼性和/或专性厌氧生物体以及培养物的供料系统(21，27，34，41)。
9.一种振荡流反应器，其特征在于它包括 一端设有喂料口(3)另一端设有出料口(5，9)的反应管(I)，沿管长度方向布置的挡板体系(7)，挡板体系(7)用于通过内容物相对于板的震荡来混合管内的流体； 所述反应器还包含在厌氧条件下向所述反应管内输送底物颗粒的悬浮液、兼性和/或专性厌氧生物体以及培养物的供料系统(21，27)，所述挡板(7)具有被细分的表面，所述挡板的表面可供生物体在其上生长。
10.如权利要求8或9所述的一种振荡流反应器，其特征在于它还设有温控装置(11)和/或氧化还原电位探头(13)，用以控制反应条件。
11.如权利要求8-10中的任何一种振荡流反应器，其特征在于它包含存放颗粒悬浮液的储液槽(21)、悬浮液回路(41)和使回路内的喂料流保持固体悬浮状态的泵(27，43)，以及回路中的、允许向反应管间歇注射的阀系统(28a)。
12.如权利要求11所述的一种振荡流反应器，它还设有废液排出口(6)，所述废液排出口由与所述颗粒注射阀系统(28a)同步的阀系统(28b)开启。
13.如权利要求8-12中的任何一种振荡流反应器，其特征在于它包含用于反应管内流体振荡的泵(17)。
14.如权利要求8-10中的任何一种振荡流反应器，其特征在于它还包含用于将管出口端的微生物和其它内容物回送到进口端的回收回路(9，31，33)。
15.如权利要求8-14中的任何一种振荡流反应器，其特征在于所述反应管是垂直的。
全文摘要
一种厌氧工艺利用了一种连续性振荡流反应器1，反应器设有沿长度方向设置多层挡板7的反应管。流体物质通过一个循环回路41被引入反应管并控制阀28的构造。流体物质包括以下组份一种细分的底物，如磨碎的干草，兼性和/或专性厌氧生物体，如瘤胃生物体。流体物质以允许厌氧发酵发生的速度流经反应管，并引起相对于挡板的振荡。微生物生物量、胞外酶和气态及液态的发酵终产物可在出料口5、9被收集。振荡流系统由于其在低搅拌力下的易混合性及条件的可控制性，可被用于培养专性，也是一种对发酵工艺的设计。其中，瘤胃过程可以进行，并因此而引发比传统厌氧消化快得多的消化过程。
文档编号C12M1/02GK102741390SQ200880126134
公开日2012年10月17日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月11日
发明者克里斯托弗·乔纳森·陶乐, 斯蒂文·多尼根, 杰里米·库珀, 米歇尔·K·西奥多, 贝恩德·范豪滕 申请人:Cpi创新服务有限公司