用于从有机材料电辅助制氢的方法和系统技术方案

在一个完全混合型生物反应器中提供有机材料和产氢微生物来将该有机材料分解成H2、CO2、脂肪酸类、和醇类。从该完全混合型生物反应器中回收H2、CO2、和一种第一液体流出物。该第一液体流出物包括产氢微生物、脂肪酸类、以及醇类。该第一液体流出物被提供至一个重力沉降器中，该重力沉降器用于将该第一液体流出物分离成一种浓缩的生物质(包括产氢微生物)以及一种第二液体流出物(包括这些脂肪酸和这些醇的至少一部分)。将该浓缩的生物质提供至该完全混合型生物反应器中。将一个输入电压施加到该完全混合型生物反应器和该重力沉降器中至少一者，用于在其中促进一种电制氢的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于从有机材料电辅助制氢的方法和系统领域本披露涉及氢的生产。更具体地说，本披露涉及用微生物处理有机材料来生产氢。背景猛增的能源需求以及环境污染的问题通过用于处理工业废料的不同生物学方法着手解决。通过暗发酵的生物制氢生产是一种已知的用于处理工业废料来生产氢的方法。微生物能够通过光合作用或优选通过发酵生产氢(Matsunaga,T.,Hatano,T.,Yamada,A.,Matsumoto,M.,(2000)在双相光生物反应器中通过光合细菌微好氧制氢(Microaerobichydrogenproductionbyphotosytheticbacteriainadoublephasephotobioreactor)生物技术.生物工程(Biotechnol.Bioeng.)68(6),647-651))。这些有机污染物是在酸化以及产甲烷这两个相异的阶段中厌氧地转化为甲烷。酸化产生作为一种副产品的氢，该副产品进而在该方法的第二阶段通过许多产甲烷菌用来作为一种电子供体(Fang,H.H.P.andLiu,H.(2002)pH对通过一种混合培养物从葡萄糖产氢的影响(EffectofpHonhydrogenproductionfromglucosebyamixedculture)生物资源技术(BioresourceTechnology)82,87-93)。用于从该第一阶段收集氢的这两个阶段的分离是可行的。该第二阶段进一步用于该剩余酸化产品的处理，这些剩余酸化产品主要包括挥发性脂肪酸(VFAs)。连续搅拌槽反应器(CSTR)一直是最广泛使用的连续制氢系统(Li,C.,Fang,H.H.P.,(2007)从废水和固体废物通过混合培养物发酵制氢(Fermentativehydrogenproductionfromwastewaterandsolidwastesbymixedcultures)环境科学和技术评论(CriticalreviewsinEnv.Sci.andTech.)，37,1-39)。由于在一种CSTR中的生物质固体滞留时间(SRT)与液压保留时间(HRT)相同，在该混合溶液中其浓度受到所推荐的1-12hHRT的大幅度影响，该推荐的HRT对于高制氢率是最佳的(Li和Fang,2007)。用于0.333h-1混合培养物的最大比生长速率(μmax)(HoriuchiJ.I.,ShimizuT.,TadaK.,KannoT.,KobayashiM.,(2002)在厌氧酸反应器中通过pH控制有机酸的选择性生产(SelectiveproductionoforganicacidsinanaerobicacidreactorbypHcontrol)生物资源技术82,209-13)对应于3.0h的SRTmin。然而，高稀释率导致在反应器中在生物质含量上的显著减少，由于严重的细胞冲蚀和系统故障(Wu,S.Y.,Hung,C.H.,Lin,C.Y.,Lin,P.J.,Lee,K.S.,Lin,C.N.,Chang,F.Y.AndChang,J.S.(2008)在悬浮的、颗粒的和固定化的使用葡萄糖作为碳底物的污泥系统中，依赖HRT制氢和混合厌氧微生物区系的细菌群落结构(HRT-dependenthydrogenproductionandbacterialcommunitystructureofmixedanaerobicmicroflorainsuspended,granularandimmobilizedsludgesystemsusingglucoseasthecarbonsubstrate)国际氢能源杂志(Int.J.HydrogenEnergy)33,1542-1549)。由于丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵使用相同的用于生物制氢的细菌群，这个方法也受到生物质冲蚀的影响。因此，为了解决在ABE发酵中的生物质冲蚀，在文献和全面应用中的大多数研究已经使用分批或进料分批反应器。在氢生物反应器中SRT与HRT的去耦合一直主要通过使用在几个介质上的生物膜来实现，这些介质包括合成塑料介质和处理后的厌氧颗粒污泥(Das,D.,Khanna,N.,Veziroglu,T.N.,(2008)在生物制氢方法中的最新发展(Recentdevelopmentsinbiologicalhydrogenproductionprocesses)化学工业和化学工程(ChemInd.Andchem..Eng.)14(2),57-67)、活性炭、膨胀粘土和丝瓜海绵(Chang,J.S.,Lee,K.S.,andLin,P.J.,(2002)用固定床生物反应器生物制氢生产(Biohydrogenproductionwithfixed-bedbioreactors)国际氢能源杂志27(11/12),1167-1174)、玻璃细珠(Zhang,H.,Mary,A.B.,Bruce,E.L.,(2006)在一种不饱和流动反应器中通过乙酰丁酸梭菌生物制氢生产(Biologicalhydrogenproductionbyclostridiumacetobutylicuminanunsaturatedflowreactor)水研究(WaterResearch)40,728-734)和隔膜(Vallero,M.V.G.,Lettinga,G.,andLens,P.N.L.,(2005)在一种浸没的厌氧膜生物反应器中(SAMBaR)在高盐度下高比率的硫酸盐还原(Highratesulfatereductioninasubmergedanaerobicmembranebioreactor(SAMBaR)athighalinity)膜科学杂志(J.Membr.Sci.)253(1/2),217-232)。与在载体介质上的产甲烷的生物膜的发展有关的问题不利地影响方法的稳定性，这对于持续制氢是关键性的。此外，就体积产氢量而言膜还没有显示许多优点并且在这样一种还原环境中膜也倾向于被污染。在WO2010/085893中提供的一种生物制氢装置系统旨在着手解决对于持续生物制氢的两个局限：制氢培养物与制甲烷培养物的微生物的污染以及低的氢生产器的细菌产率。在那种系统中，在一种用于通过污泥将SRT从HRT去耦合SRT的氢反应器之后使用一种重力沉降器。所披露的系统包括一种用于生物制氢的CSTR、然后为一种放置在该CSTR下游的重力沉降器，它们的组合形成了该生物制氢装置。在该氢反应器中的该生物质的浓度通过从该重力沉降器的底部的生物质的再循环和/或从该重力沉降器的底流的生物质消耗量(wastage)而保持在要求的范围。这种现有技术的生物制氢装置被描述为将来自糖和碳水化合物基废物的产氢量从1.6增加至3.2molH2/mol葡萄糖，同时产生VFAs主要是乙酸酯作为剩余的水溶性代谢物。虽然这代表着比以前系统的改进，这种生物制氢装置仍然受制于常见暗发酵方法的限制：氢生产受到发酵的最终产物的积累的抑制。乙酸以及丁酸的生产和积累导致较低的产氢量以及19mM起始产溶剂菌的总的未离解酸浓度。不同梭菌的菌株产生不同比例的最终产品因此影响它们的氢生产潜能。丁酸形成的去除以及乙酸生产的增加将供给来自葡萄糖的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从有机材料生产氢的方法，该方法包括：将有机材料和产氢微生物提供到一个完全混合型生物反应器中，用于将该有机材料分解成包括H2、CO2、脂肪酸类、和醇类的产物；从该完全混合型生物反应器回收H2和CO2的至少一部分；从该完全混合型生物反应器回收一种第一液体流出物的至少一部分，该第一液体流出物包括这些产氢微生物、这些脂肪酸、以及这些醇的至少一部分；将该第一液体流出物的至少一部分提供至一个重力沉降器中，该重力沉降器用于将该第一液体流出物的至少一部分分离成一种包括这些产氢微生物的至少一部分的浓缩的生物质，和一种包括这些脂肪酸和这些醇的至少一部分的第二液体流出物；从该重力沉降器回收该浓缩的生物质的至少一部分并且将该浓缩的生物质提供至该完全混合型生物反应器中；以及将一个输入电压施加到该完全混合型生物反应器和该重力沉降器中至少一者，用于在其中促进一种电制氢的方法。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.17 US 61/600,3251.一种用于通过在暗发酵液中电制氢从有机材料连续生产氢的方法，该方法包括：将作为生长介质的有机材料和产氢微生物以一个加载速率提供到一个连续搅拌槽反应器(CSTR)中，用于产生包括在悬浮液中的该产氢微生物和该生长介质的暗发酵液并且用于通过在5.5-6.8的pH的暗发酵将该有机材料分解成包括H2、CO2、挥发性脂肪酸、和醇的产物并且从该CSTR送出一种第一液体流出物，该第一液体流出物包括这些产氢微生物、这些挥发性脂肪酸、以及这些醇的至少一部分；从该CSTR回收H2和CO2的至少一部分；将该第一液体流出物的至少一部分提供至一个重力沉降器中，该重力沉降器用于将该第一液体流出物的至少一部分分离成一种包括在该第一液体流出物中的这些产氢微生物的至少一部分的浓缩的生物质，和一种包括这些挥发性脂肪酸和这些醇的至少一部分的第二液体流出物；将该浓缩的生物质的至少一部分从该重力沉降器再循环至该CSTR中，用于在该CSTR中将液压停留时间与固体停留时间去耦合；以及将一个输入电压施加到该CSTR中的该暗发酵液，用于促进一种电制氢的方法以便转化在该暗发酵液中的挥发性脂肪酸。2.如权利要求1所述的方法，还包括从该重力沉降器回收H2和CO2的至少一部分。3.如权利要求2所述的方法，其中施加该输入电压还包括将该输入电压也施加至该重力沉降器，并且该方法还包括回收通过在该重力沉降器中电制氢生产的H2和CO2的至少一部分。4.如权利要求3所述的方法，其中在该重力沉降器中的温度保持在20℃与70℃之间。5.如权利要求1所述的方法，其中在该CSTR中的温度保持在20℃与70℃之间。6.如权利要求1所述的方法，其中该输入电压是在0.5V与1.8V之间。7.如权利要求6所述的方法，其中该输入电压是1.0V。8.如权利要求1所述的方法，其中该输入电压是一种连续电压。9.如权利要求1所述的方法，其中该输入电压是一种间歇电压。10.如权利要求1所述的方法，还包括将该第二液体流出物提供至一个用于从该第二液体流出物生产甲烷的生物制甲烷装置中。11.如权利要求10所述的方法，还包括在将该第二液体流出物提供至该生物制甲烷装置中之前将该第二液体流出物提供至一个储槽中。12.如权利要求10所述的方法，其中在该生物制甲烷装置中的温度保持在20℃与70℃之间。13.如权利要求1所述的方法，其中这些产氢微生物包括选自下组的一个或更多个物种，该组由乙酰丁酸梭菌...

【专利技术属性】
技术研发人员：希沙姆·穆罕默德·哈菲兹，
申请(专利权)人：格林菲尔德专业醇类公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA