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氢和甲烷混合产物的两相厌氧消化 Michael Cooney , Nathan Maynard , Christopher Cannizzaro , John Benemann 摘要 一个厌氧消化过程产生的氢气和甲烷在两个连续的阶段，分别地使用2和15 L工作容积的两种生物反应器。这个相对体积比（更短的保留时间在第二甲烷生产反应堆）被选中在某种程度上以第二甲烷生产反应堆测试相分离可以增强新陈代谢的假设。反应器系统为传统厌氧污泥消化池，以葡萄糖、酵母膏、蛋白胨为底物，相对较低混合的操作条件下模拟完整的全面运行。两级总共9个稳定状态，对底物的浓度、稀释率、底物碳氮比和融合的程度进行调查。本文就两级处理的性能和潜在生产清洁可燃烧的氢和甲烷的混合物的实际应用进行了讨论。 2006爱思唯尔有限公司保留所有权利。 关键词:生物氢气,甲烷,厌氧消化,可再生能源;产乙酸菌,产烷生物1. 介绍 生物氢燃料生产是一项具有挑战性的生物技术领域。光生物学的过程，微藻类和微光合细菌分别从阳光和水或有机基质中任一个产生氢气，研究了几十年,但受到许多实际和基本的限制(Benemann, 1997; Levin et al., 2004; Nath and Das,2004)。黑暗细菌的氢发酵和有机基质也有局限性，主要是相对氢的低收益率获得直到现在，通常只有10 - 20%,最多30%,衬基底的能量转化为氢燃料l (Das and Veziroglu, 2001; Van Ginkeland Logan, 2005)。相比之下,获得商业乙醇或沼气发酵有80 - 90%的收益率(Claassen et al., 1999)。原则上通过代谢工程得到更高的收益率可能是可实现的,(Hallenback and Benemann, 2002; Keasling et al., 1998)但是，到目前为止,没有已报告的重大改进的收益率。 甲烷发酵,又称厌氧消化，主要涉及联盟两种类型的细菌：所谓的引起酸化的细菌分解成主要基质H2,乙酸和CO2,产甲烷菌转换成乙酸、H2和CO2、甲烷气体。各种各样的更高的有机酸，比如丙酸,酪酸和乳酸,以及醇类和酮类，也形成了分解有机底物高度多样化的种群一般被称为抑制产酸菌。然而,在良好的操作过程中,然而,在一个良好的操作过程中,这些产品主要是转化为乙酸、氢气,反过来,然后转化为沼气。这个过程的关键是产乙酸细菌产生的H2迁到一个非常低的分压，典型的在物质的量浓度范围，由产甲烷菌,从而允许否则热力学不利的代谢更高的有机酸、醇类乙酸及氢气(Belaich et al., 1990)。结果共生关系是一个全面的高产的可发酵底物到甲烷转化燃料与最多微量氢气的存在于气相(Ferris,1993)。事实上,即使是少量的氢( 0.1%)的气相显示一个出了故障的过程中,由于过载、毒性、或其他因素使共生关系失衡,一般随后停止产甲烷。然而,两种反应,形成的有机酸和氢气和甲烷,可至少部分被分离成单独的生物反应器串联,第一个，更小的反应器生产有机酸、氢气和二氧化碳,而第二,还有更大的反应器生产甲烷及二氧化碳。这样的两相厌氧消化时提出了优化的一种方式生长的每个类型的细菌在分开的反应器,特别是产乙酸菌生长在一个较低的pH值(例如:5 - 6)和短水力停留时间(通常1 - 2天)在第一阶段,而较慢生长的产甲烷菌阶段,需要一个更中性的pH值,优先培养在第二阶段中,随着水力停留时间较长(通常是10 - 20天),( Blonskaja et al., 2003;Demirel and Yenigun, 2002; Pohland and Ghosh, 1971)。然而,如上所述,厌氧消化共生相互作用两种一般类型的细菌种群,以产甲烷生物为食进行有效的去除,废品(氢气及乙酸)的引起酸化的细菌。因此这两个基本过程分离一般不显著加快或提高整体产甲烷,尽管它可能有一些优势使过程更加耐冲击负荷。在早期的工作对两相厌氧消化,气体,氢和二氧化碳,产生于第一阶段被转移到第二阶段转换成甲烷,而且,事实上,一些在第一阶段测量产气量的文献报道。然而,由于新兴的兴趣和燃料电池氢燃料, 近年来在黑暗的氢气发酵已经有大量的研究 (Das and Veziroglu, 2001; Hallenback and Benemann, 2002; Levin et al., 2004),从本质上讲,对应的第一阶段两相厌氧消化工艺等。然而,如前所述,在所有这些研究之后,该整体氢气收益率低,只有10 - 20%的能量被转换基质氢燃料与其余转化为有机酸和其他产品。许多作者提出了利用光合细菌转换这些氢气燃料副产物,可以显示出高产、虽然太阳能转换效率很低(Miyake,1998),使这种方法不切实际。在第二个生产沼气反应器已被推荐另外一个方法(Benemann,1998), 最近出现一些努力做这样的双重氢气和甲烷产品(Benemann et al., 2004; Kramer and Bagley, 2004)。然而,如果产氢气是客观的,是更直接和似乎有理的甲烷气体通过正常的厌氧消化,然后把这种燃料氢气通过传统的转化的过程。近期的一个潜在的实际应用两相厌氧消化是产氢气和甲烷的混合物。氢气和甲烷混合物,范围氢气为10 - 30%,甲烷为90 - 70%,在一个立方体的基础上,用已知氮氧化物排放低得多内燃机,这允许使用这样的燃料地区是严格规范了氮氧化物的排放量(Bauer and Forest, 2001; Collier et al., 1996)。在这里我们解决氢气和甲烷混合在两相厌氧消化工艺,采用一个模拟的高碳水化合物废水混合所得细菌种群传统厌氧消化池设计用来模拟在操作条件下的一个一般的过程。2方法2.1 两级厌氧生物反应器系统两级厌氧生物反应器系统(图1),包括一个4.7升的树脂缸覆盖(DS5300-9609, Nalgene, Rochester, NY)第一(“hydrogen-production,”)反应器和一个18.8升的树脂缸覆盖(DS5300-9212, Nalgene)第二( methane-production”)反应器。工作容积分别为2.0和15.0 L。所有连接是用聚四氟乙烯管(890 FEP, Nalgene)和不锈钢尼龙压缩配件(Swagelok Co., Solon, Ohio)。反应器入侵检测系统盖子的压缩攻击O型密封圈使用两种钢板放置上方和下方反应器和螺栓在发生在四个角。组合反应器进行煤气泄漏独立引入氮气通过气体喷射口和排气管放置在量筒底45.0厘米充满水(对应于一个压头大约0.05 bar或0.67 psi)。停止后气体氮流量水平排管浮水保持至少一个小时不变,表示没有明显的气体泄漏。反应器混合被放置在每个反应器磁搅拌对(PC-310, Corning Inc., Corning, NY)和搅拌1.5英寸。当产氢产甲烷反应器各自独立运行(non-integrated operation), 污水来自每个反应器蠕动泵分离废弃的瓶子。当操作一个两相的过程(“一体化运作”), 污水从第一个反应器被泵注入了第二个反应器。在这两种情况下,蠕动泵是通过反应器的管安置的表面下的反应器液体,避免了这两个之间的交换气体反应器、泡沫分离和相关的有关系的工件。液体高度,从而在两个反应器反应器容量,因此控制电导率传感器的在液体达到顶端的传感器启动一个蠕动泵,。在这些试验中,在第一(生产氢气)反应器电导率传感器集保持高度的工作容积2.0 L而第二(生产甲烷)反应器的高度调整到15.0 L的工作量。饲料媒介在一个聚乙烯水槽容量的114.0 L,保持在5与内在铝线圈换热器(EX11, Aquatic Eco-systems Inc., Apopka, FL)连接到外部,设定的控制cryostat(Ultratemp,2000,Julabo Labortecknic、德国)和混合磁搅拌棒。在两个反应器混合是故意低能更好地反映条件的工业规模系统, 在实验生物反应器通常应用高混合率是不能接受的。饲料套管日常或每2天根据需要被替换。氮气是不断通过介质壳有助于维持厌氧环境。饲料媒介通过蠕动泵由反应器被送到聚四氟乙烯管(101U/R, WatsonMar-low Ltd., Cornwall, England)。泵的校对和饲料是利率定期验证。在两个反应器温度和pH被限制在一个MicroDCU单元(B. Braun Biotech Inc., Allentown,PA),不断记录通过RS232串联接口连接到外部戴尔电脑(Dell,Texas USA)。温度是原位测量使用PT - 100进行了探查和pH与整体探头(Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland)维持在350.1在两个反应器采用200 W 和450 W发热管(McMaster-Carr, Los Angeles, CA) 分别在第一和第二反应器。在第一个反应器pH值控制在5.5，在第二个反应器通过自动化添加氢氧化钠到7.0。基地的浓度为2.0M,但是在这个实验中使用大量的饲料的浓度被增加到4.0和6.0M。总碱的消耗的计算记录“准时”的基础和基地消耗率泵根据最小平方回归的数据根据时间在60分钟的间隔。在数据计算了1或2分钟间隔和使用实验室的观点。为每一个稳定状态,利率(gas evolution,base addition)是一个24小时的平均数据,期间展现出一致性的时候,并没有显示出机械或其他干扰(发泡、堵塞、缺乏混合线路、电力中断)。稳态假设已达到至少两个完整的停留时间(即反应器体积)过去了,气体进化速率(大约二十小时一周期)有同样的测试值稳定超过三天。2.2 媒介,接种剂和启动标准的媒体用于批量和连续实验包括(每升):10.0克葡萄糖,1.5 gK氢气PO4, 1.67 Na2HPO4, 0.5 NH4Cl, 0.18 MgCl6 氢气O,2.0 g酵母提取物、2.0 g为原料,消泡剂 0.02毫升(Sigma)。在一些实验中这种媒介通过修改或增加饲料葡萄糖浓度的浓度增加一倍,每公升酵母为原料(称为2N而不是1 N为标准中)所描述的。碳氮比计算公式计算了各媒介合计碳和氮(每升)由葡萄糖、氯化铵为原料、酵母膏。氮和碳的贡献(每升)从为原料(15.4%N、31.5% C)和酵母膏(18% N和32% C)的贡献估计合计碳和氮组件 (如氨基酸、酪蛋白等)在每一个按提供的构图分析制造商。C:N组分摩尔比标准的媒介是7.59。厌氧消化池污泥收集夏威夷污水处理装置(Hawaii Kai, HI)和储存在4到5.0毫升的混合污泥被用来接种两反应器。没有预处理(例如,加热帮助选择孢子形状厌氧菌)并将其应用, 在相对较短的初期能更好地反映大规模的过程中细菌的数量将会主导自选。建立产甲烷培养,第二个反应器与第一个各自独立运行,通过直接输入标准媒介的流动速率大大增加。一次甲烷体积比例可达50%出水从第一个产氢反应器代替慢慢去习惯第二反应器媒介饲料,最终实现一个完全集成的操作两相厌氧消化工艺。对批量的培养,每一个反应器四分之一废气的体积和添加新的标准媒介,在5分钟的时期。简述了核反应器和N2气含氧量高才被封存、液体和气体相位测量启动,在连续培养试验。2.3 进化速率测量气体产气速率从每一个反应器在线使用高精度测量燃气表建立内部组成的一个压力传感器、三向式电磁阀、镇流器室和电路板。这是与燃气表校准蠕动泵送到一个精确的气体的排放量超过一个规定的时间间隔测量数字流量计(model 520, Fisher Scientic),给一个线性响应率对比阀门气体流量。标定后的燃气表连接了头部空间的反应器。燃气计量表的反应不扰乱关于行动的液位控制,确认的准确性和一般气体流量测量的紧密性气体生物反应器。从泄漏的第一和第二反应器在44小时期间被发现只有分别为2.1ml h-1和3.7 ml h-1,不可以影响的结果。6个月期间的重复校准曲线在实验是稳定、可靠和线性高达600.0 ml h-1。完整描述了燃气表是在别处(Cooney et al., 2006).2.4 气-液相代谢产物中反应器气体组成成分的分析测定使用一个安捷伦科技6890气相色谱分离配备两个柱切换阀设计的制造商。第一圆柱是一个Q聚合物圆柱(19091P-Q04, Agilent Technologies),分离二氧化碳和高分子量化合物,第二个为分子筛圆柱(19091P-MS8, Agilent Technologies)分离的低分子量气体(氢气,O2，N2，甲烷)。校准曲线产生的这五个元件是直线的和可再生的。液相中挥发性有机酸(VOAs)进行了高效液相色谱分析(1100 series, Agilent Technologies)。分离是按0.1%的硫酸实现流动相的速度在泵0.8ml min-1通过一个Supelcogel C-610H交换柱保持在30注入体积的样品是10.0。检测使用一个检测器完成保持在30和Timberline TL - 105柱加热器(Timberline Instruments, Boulder, CO)。识别未知的峰保留时间,超过30种化合物被挑选的。基于这些结果,校准混合了十一个代谢物,通常出现在显著水平在样本从两个生物反应器。2.5 碳质量平衡计算了各反应器碳平衡 (独立运行的时候)通过对比碳进入反应器(即饲料、酵母提取物、葡萄糖)反对碳离开生物反应器(如下液相、气相代谢物、生物量、未消耗的蛋白胨，酵母膏)。碳进入反应器的计算公式和葡萄糖估计值为1.27g C L-1为原料,添加在2.0克酵母为原料每公升2.0克(例如,制造商信息和碳含量从你们的胺基酸(s)为原料的组成)。液相色谱中的挥发性有机酸根据高效液相色谱测量。碳在溶解的二氧化碳和甲烷的计算公式是亨利的法律的系数分别为29.76和714.0atm-1mol,分别考虑,以二氧化碳的形式碳酸盐和碳酸氢盐(Blanch and Clark, 1997)。碳的生物量离开生物反应器估算通过假设产量系数为0.2克每克葡萄糖消耗干重、微生物生物量碳成分的50%,认为合理的众多的生物将来自输入酵母和为原料提取物。碳离开的形式以未消耗的蛋白胨和酵母膏计算假设只有60%的消灭了这两种媒介(40%被剩下)。虽然承认这种测试值是基本不可能精确近似,但是这一些碳占的影响,改变这种测试值是下面讨论。2.6 统计分析发酵数据表格1、3、4给出了通过用微软优越试算表计算平均测试值和标准偏差在两到三天之后检视分离稳态取得了较好的应用效果。在所有情况下,高效液相色谱法(例如,VOAs)和GC(例如,氢气和甲烷)测量了2天、3天、甚至4天前稳态得出,用这些值作为基线测量的准确性稳态测量(例如, 用任何一个测量的发展趋势来衡量他们的测试值是不现实的)。最基本的消耗速度表现为一个单值取线性回归穿在一个24小时期间(R2值在0.95以上) 是一个例外。某些情况下,顶部空间的氢气和甲烷值与TCD检测器检测出的精度低(如小于1%) ,平均值和标准差是无法得到。统计相关性的比较稳定的状态在表格1、3号和4号(氢气 Rxr或甲烷 Rxr)使用的评价Tukey两两比较一个家庭的5%的错误率(如下95%的置信水平)执行通过方差分析的单向函数统计软件分析程序MINITAB(SBTI, San Marcos Texas)。3结果和讨论3.1 不同稀释率下开始阶段和个别阶段的培养反应器的性能在污泥池中两个反应器被接种 (见方法),然后在2个月内用标准媒体操作稀释1.02.0 Ld,为的是自动选择适当的培养,第一， 2L产氢的反应器pH值维持在5.5和第二,15 L产甲烷的反应器pH值维持在7.0。经过相当长的时间滞后,通过两反应器的培养信息,得出气体组成成分(如35% 氢气在产氢反应器和54%的甲烷在产甲烷反应器,剩下的大部分气体是二氧化碳)。结果表明, 通过标准操做的反应器,在pH和稀释液不变的情况下,对培养细菌的选择,要么是氢气的生产要么是甲烷生产。在标准媒介下底物浓度不变时，稀释率的影响首次被研究在每个反应器各自独立运行。媒介供给率逐步增加的数据和结果在表1中。结果报道产甲烷反应器只不过是在0.27 h-1以上稀释率因为时间花了这个系统能够达到稳定和稳定的操作。两个反应器相当稳定,只有偶尔的故障,如停机时间由于停电,在喂入时减量由于蠕动泵、或温度波动或混合,当磁搅拌棒都被暂时搅乱。从表1中得出,产氢率增加到5.0 Ld,实现了总气体进化速率为139ml h-1,其中的35%是氢气，剩余的大部分是二氧化碳,只有微量的甲烷。当进给速率增加到6 Ld时,总气体和产氢拒绝值统计得到稳定的国家,除了以下2 Ld (如下,SS1,Tukey两两比较的误差率为5%),大概是由于清除了细菌群体(Van Ginkel和Logan,2005)。尽管葡萄糖被完全消耗,但是从葡萄糖组分计算产氢量所有的稀释液低于1.0 mol mol-1,由乳酸细菌的控制生产的观察报告得出, 在每一个稳定状态下乳酸是主要代谢产物 (表1,氢气Rxr)。他们的优势和低氢产量是由于使用非热处理接种剂治疗,和低混合在反应器,这两种乳酸菌青睐,缺乏混合液相面局部压力增加的氢,既反映了预计在生产放大条件。虽然热处理将杀死大部分细菌和选择孢子形成,使实验产氢量增加,但这只是一种短暂的现象,因为污染物进入与饲料或否则就会快速其控制反应器,特别是当操作在短时间内保留时间1天或者更少。事实上,即使是在这些实验中饲料槽,虽然冷冻、陈列视觉成长的细菌,大概是乳酸菌,正如媒体喂线,必须清洗和更换大约每2天。在产甲烷的反应器中产甲烷率同样达到高点在进给率为5.0 Ld重要气体的进化速率171.74ml h-1和甲烷空间构成38.13%(表1,Tukey两两比较，误差率为5%)。 当进给率增加到6 Ld时，产气速率下降到一个值,这个值明显低于SS3和SS4(表1,Tukey两两比较的误差率为5%)。在进给率为4.0和5.0 Ld时葡萄糖量为0.21和0.22产甲烷量最高, 在最高进给率为6.0 Ld葡萄糖量下降到0.03时(表1,Tukey两两比较的误差率为5%)。在较低的进给率下占优势的液相产物是乙酸乙烯和丙酮(1.97和2.0 g L-1)，在更高进给率为6.0 Ld-1下甲酸盐、酯、乙醇、丁酸接近或超过1.0 g L-1。在产物为甲酸盐、乙醇、丁酸进给率为6.0 L d-1他们的测试值高于低水平稳定状态(表1,Tukey两两比较,误差率为5%)。在产物为乙酸的情况下进给率为6.0 L d-1其测试值低于进给率为5.0 L d-1的测试值，在进给率为4.0 L d-1 时不易区别(表格1,Tukey两两比较，误差率为5%)。在适度水平没有乳酸。以葡萄糖底物的低甲烷产量可能是由于这些反应器相对较短的保留时间和可能通过使用酵母和为原料的高生物量产量系数。在一个碳平衡产氢反应器关闭,以平均1%的稳定状态全(例如,在93%和110%之间),但只有70%的平均稳定的全美国产甲烷反应器,留下很大一部份的碳下落不明(表2)。高效液相色谱的色谱图产甲烷反应器出水没有透露任何新出现的山峰和失踪,这可以解释失踪的碳。一个可能的来源也能在估计饲料比例为原料和酵母精华,消灭了。如果合格率为原料中的碳和酵母精华,在两个反应器消耗降低为20%,碳排放的质量平衡所有州的平均稳定上升到11%的多余的二氧化碳而产氢反应器反应器为产甲烷减少到20%。虽然合理为指导,碳排放的质量平衡是有限的过程中使用复杂的媒体,因为很难分析复杂的碳源。未来的工作可以用总碳分析仪作为一种工具来跟踪碳流但这技术带来了一点洞察代谢流的营养和产品。然而,合理的会计的碳在产氢给了信心反应器进行了测算,提出了在这部作品中,并提出失踪的碳甲烷反应器是一种重要的观察,而不是一个神器可怜的测量。3.2 两相综合生物反应器操作,稀释、加入量和C:N比率在一体的、两相过程中, 从第一产氢反应器出的废器输入第二产甲烷反应器中。这些实验在稳态下测量值在表格3中,以头空间气体成分数据对整个六个月的运作为两个反应器。如图 2a和2 b。帮助适应生产甲烷培养新饲料,最初仅仅一部分从产氢反应器放出的废气被采用,剩下的废气由标准媒介(稳定状态SS1和SS2,图表3)。在那之后,两反应器的完全一体(稳定状态,SS3 SS4和SS5，在表3)。产氢反应器的最高产量(0.2,0.19和0.22 mmol-1)被发现在进给率分别为2.0、3.0、5.0 L d-1 顶部空间组成氢气的范围在30.7%和37.7%之间,其余的大部分是二氧化碳)。统计学显著性较低的利率被发现进给率为4.0和6.0 L d-1 (表3、Tukey的两两比较，误差率为5%)虽然顶部空间组成氢气为37%等价于其它稳定状态,其余是二氧化碳)。在进给率为 5 L d-1最大的产气速率是217.95ml h-1 (表3、Tukey两两比较,误差率为5%)。产甲烷反应器的在进给率最低2 L d-1产量最高和低(在统计上彼此区分)产量较高的进给率4.0,5.0和6.0 L d-1 (表3、Tukey两两比较，误差率为5%)。这些结果表明,气液两相操作是可达到的,产甲烷和产氢在各自的反应器,虽然产量相对较低(基于葡萄糖输入)。研究表明,该氢气产量通常在一体化方法相对于非一体化的方法要高。乍一看这应该不会发生因为这两种反应器的操作和不受类似一体化进程(例如葡萄糖发酵的反应性,在这两个过程相同)。检查数据表1和3显示,这种差异的来源是由于产气率统计更高(ml h-1)在每个稀释率。否则,生理的统计数字仍是相似的培养(例如,从顶部空间组成的氢气和代谢产物的型材在每一个稳定状态)。然而,在现实中是截然不同的两种培养方面的时候。在我们的工作中, 非一体化的培养是大约两个半月比综合培养。具体地说,我们选第一个建立培养展示非一体化的过程证明关于培养选择原则的氢气和甲烷生产,分别在这两个生物反应器(例如,而选择不同压力下运行的酸碱度和稀释率)前的综合生物反应器接种。两个系统中我们发现年长的氢气生产培养倾向于降低总体产气率(mlh),观察我们属性的影响和生长的生物膜的培养选择。那就是说,我们建议未来的研究中应考虑这一地区产气率总体功能的培养时代,特别是当种植在持续压力下的培养选择pH、稀释率,详细分析了生物膜的种类组成及程度的衡量和直接相关。液相产物而构成的,受控制于乳酸,美联储从产氢反应器反应器的产甲烷大都是消耗仅有微量的主要区别酯、乳酸、丁酸未耗尽的(表3、Tukey两两比较,误差率为5%)。甲烷对葡萄糖产量相对较低的再次在0.27 mol-1组分对喂入5 Ld-1,虽然这并略高于美联储的葡萄糖时,直接(0.22组分1,看甲烷Rxr组分,表1)。如产氢反应器,以沼气产量和产气率提高了集成系统相对独立运转的反应器。甲烷的葡萄糖最高收益混合饲料(如下。0.57和0.39的水解组分组分对SS1组分)虽然这可能是由于饲料率低(1和2 Ld-1)。然而,即使在这种增长,整体甲烷产量还低。虽然没有显示,甲烷的乳酸产量大约是略高于计算值的一半,葡萄糖(计算未显示),预计为得到两个生产的葡萄糖。