具有多种运行模式的太阳能燃气设备制造技术

本发明专利技术涉及一种在一个组合发酵槽中生产沼气的方法和装置。在第一阶段(2)通过光合微生物(1)在使用大气中的二氧化碳和氧气的条件下生成有机材料。在第二阶段(4)通过产甲烷菌(5)生成生物甲烷时，要用到这种有机材料。发酵槽具有多种运行模式并采用特殊的加气和脱气方法，因此可根据各种微生物的需求，保证最佳的气体供应，尤其是保证了吸收或采用大气中的二氧化碳。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有多种运行模式的太阳能燃气设备本专利技术涉及一种从组合发酵槽的需氧阶段分离有机材料并在厌氧阶段将其转化成生物甲烷的方法以及用于执行这种方法的一种装置。用植物生产沼气是一种大有可为的技术，凭借这种技术可实现能量过渡计划。沼气的储存简便、能量含量高，是一种最高效的能量来源。但自2012年起，因为法律和地域方面的限制，在这个领域处于领先地位的国家，如德国(沼气专业协会于2014年6月进行了预测。根据这个预测，安装设备的数量在2015年仅能增加61个，增加至8005个。)，新沼气设备的建设几乎陷于停滞。问题是除了农业用地量较高、食物种植的成本也在不断升高、植物的生长和收割以及沼气的净化过程昂贵之外，向居民集中供应这种能量来源也是非常耗费能源的。与陆地植物相比，光合微生物(英文缩写：PTM，其中包括蓝藻细菌、海藻和海草等)具有更快的生长速度以及在单位面积内具有更高的生产率(Dismukes等，2008年；FHI2011年报告)。光合微生物的培养与食物生产并不冲突，因为光合微生物培养无需使用农业用地。而且光合微生物要求不高并且可以在农业和工业无法使用的地区进行培养，例如：带有铺装路面的区域、沿海地区、绝收土地，例如：不具备相应水体质量的沙漠或咸水区域。光合微生物只需要二氧化碳、阳光以及生存和生长所需的微量元素。因此实现了独立性并确保通过分散供应的方式为居民提供划算的能源。据估算，有多达45,000种以上的光合微生物具备生物技术和经济利用潜力，其中的很大一部分尚未被充分利用。因为与植物相比，它们需要利用燃烧时所释放的二氧化碳生成有机材料，二氧化碳这种能源循环还有助于减缓地球的进一步变暖。将光合微生物完全发酵成沼气的做法效率不高，因为所产生的沼气被氨和硫化氢污染且沼气的清洁以及光合微生物的预处理过程耗费大量的能源。与之相反的是非生长型光合微生物。相比之下，其具有生成有机或无机材料的微型“生产厂”，其更适合用于生产纯沼气。它们不需要肥料且在完成生产阶段的生长之后，能源成本也很低。通过光合微生物本身无法制造沼气。但是它们可以生成中间产物，然后由合作微生物将这种中间产物继续转化为沼气。这两个过程联合起来之后，比单独通过光合微生物生产能量来源要更高效。在专利DE102007031688A1中公布了一种通过水藻、二氧化碳和水生产氢气和氧气，然后通过产甲烷细菌转化为甲烷的方法。专利CN103571876A通过调节水藻所所释放的干扰氧气对这种方法进行了改进。两种方法的缺点在于，都是先建立很高的能源密度，然后在后续流程中形成氢气和氧气。需要强调的是，通过太阳能光电获得能源的方式比通过光合作用(即葡萄糖的合成)获得能源的方式要更高效(BlankenshipR.E.等，2011年)。自然光照的效率实际上只有1％至2％(BarberJ.，2009年)。此外，在转化成氢气的过程中存在能量损失，与类似的蓝藻细菌相比这种能量损失可是吸纳0.005％的效率。只有通过遗传修饰才实现了约1％的效率(MasukawaH.等，2012年)。专利DE102010040440A1涉及一种为光合作用活性微生物供应二氧化碳和氧气的生物反应器。在反应器中通过一层薄膜分离析出的乙醇酸盐，并在厌氧条件下作为产甲烷微生物的培养基并转化为二氧化碳和甲烷。这种方法的缺点在于，不存在仅用于乙醇酸盐的选择性薄膜并且剥离室不足以充分降低氧气含量。另外，不清楚大气中的二氧化碳是如何进入系统中的。为了使用气体混合装置，还需要带有相应纯净气体的单独的气体储存罐。气体储存罐的加注过程至少对能量平衡是有害的。其他未解决问题还包括在使用两个不同培养基的持续运行过程中，如何为微生物供应营养气体或氧气以及营养物质。尤其是未考虑不合适的产甲烷细菌会被有机酸会所腐蚀。专利DE102009008601A1中所示的装置是一种带有三个腔室的装置。其中，为了处理生物液体，在第一和第二腔室之间通过一个气体可渗透且液体不可渗透的薄膜进行气体交换。以及通过一个薄膜在第一和第三腔室之间进行液体交换。通过本专利技术应解决在生产有机材料过程中，在发酵槽的部分区域存在较高氧气分压的问题。因此在与第一个部分区域相连的另一个部分区域中，可以避免出现较高的氧气分压。另外，还应在不耗费大量能源的条件下，在发酵过程中将空气中的碳融入到能量来源中。根据专利技术的内容，通过权利要求1所述的方法解决此项任务，其中在权利要求11中所述的装置适合执行此项方法。本专利技术主要依据以下所展示的科学根据。光合微生物在特定的生理学条件下生产并选择有机材料，即碳化合物，例如：有机羧酸。在糖原生成过程中受到阻碍的集胞蓝藻sp.PCC6803，例如在缺少氮气的情况下，会生成α-酮戊二酸和丙酮酸(CarrieriD.等，2015年)。与空气中较高的氧-二氧化碳比例相比，光合微生物在卡尔文循环中产生在生物技术上特别有趣的一种有机材料。二氧化碳通过卡尔文循环在正常条件下被固定并用于产生能量供应所需的葡萄糖。这种现象的事实依据是，1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RuBisCo)还可以接收氧气，用于替代二氧化碳。此时氧气的Km值为350μMol/l，高于二氧化碳的9μMol/l。长期以来，地球大气中的氧气含量很低，以至于整个过程尚未起到重要的作用。在与氧气发生反应时，除了3-磷酸甘油酸(3-PGA)以外，还会产生在卡尔文循环或有机体中无法被利用的2-磷酸乙醇酸(2-PG)，因此必须通过其他的生物化学反应循环利用或分泌2-PG。开尔文循环中的碳再生所使用的代谢途径是地球上最浪费的过程之一。另一方面，这种情况却可以被本专利技术中所示方法所依据的自然生物技术利用。2-PG是根据开尔文循环生成的第一个稳定的中间产物，不同的有机体对待2-PG的方式也有所不同。2-PG通过磷酸化转化为羟基乙酸(乙醇酸)，部分被分泌(图11)为乙醛酸，部分被代谢为乙醛酸(图10)。有时还会继续分泌或继续代谢乙醛酸，此时某种程度上还会产生过氧化氢、甘氨酸、丝氨酸、含氮配体的α-酮戊二酸或谷氨酸(BauweH.，2011年)。与蓝藻细菌不同，真核PTM中的代谢途径是在不同的隔室中发生的。绝大部分由2-PG3-PGA再生并重新进入开尔文循环，此时释放二氧化碳或“呼出”二氧化碳。为了继续产生羟基乙酸，需要将1,5-二磷酸核酮糖池子注满，而这个过程只能通过二氧化碳吸收才能实现。还可以通过可分离出脂类或其他长链碳氢化合物(细胞壁材料遗失)的光合微生物(例如：葡萄藻属)生产有机体质。在厌氧分解中，使用脂类可以改善甲烷含量。产生生物甲烷的古菌，也就是所谓的产甲烷菌，利用有机材料并从中形成生物甲烷。产甲烷菌可分为醋酸分裂甲烷菌(acetotrophe)和氢利用甲烷菌(hydrogenotrophe)。醋酸分裂甲烷菌从有机材料中分裂甲基并将其还原为生物甲烷。为此它需要使用酶亚甲基吩嗪(Methanophenazine)。甲烷八叠球菌就属于醋酸分裂甲烷菌。早在1973年就已经发现了，缺氧型微生物只能将羟基乙酸作为唯一的二氧化碳来源才能生长(KurzW.G.W.等，1973年；EdenbornH.M.等，1985年)。FriedrichM.Etal.1991和FriedrichM.Etal.1996发现了两种醋酸分本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术涉及一种在一个组合发酵槽中生产沼气的方法和装置。在第一阶段(2)通过光合微生物(1)在使用大气中的二氧化碳和氧气的条件下生成有机材料，尤其是羟基乙酸，并将其分泌到一种培养基(3)中(生产模式)，培养基被输送到第二阶段(4)中。在第二阶段通过产甲烷菌(5)在缺氧条件下生成甲烷和二氧化碳，其特征在于，培养基(3)在从第一阶段(2)过渡到第二阶段(4)时，被除去氧气并在回流时重新加入氧气(交换模式)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.24 EP 15020102.81.本发明涉及一种在一个组合发酵槽中生产沼气的方法和装置。在第一阶段(2)通过光合微生物(1)在使用大气中的二氧化碳和氧气的条件下生成有机材料，尤其是羟基乙酸，并将其分泌到一种培养基(3)中(生产模式)，培养基被输送到第二阶段(4)中。在第二阶段通过产甲烷菌(5)在缺氧条件下生成甲烷和二氧化碳，其特征在于，培养基(3)在从第一阶段(2)过渡到第二阶段(4)时，被除去氧气并在回流时重新加入氧气(交换模式)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在中断与第二阶段(4)的接触时：-为培养基(3)除去氧气并在回流加入环境中的空气；-之后光合微生物(1)将空气用于碳同化(再生模式)；-之后为培养基(3)除去空气并在回流时加入氧气。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，生产模式下第一阶段(2)培养基(3)中的二氧化碳与氧气的比例较低，优先为1:800至1:3000。4.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，在交换模式中从第一阶段(2)过渡到第二阶段(4)时，用替代气体容器中的替代气体排出氧气之后，尤其是要为培养基(3)加入二氧化碳或氮气并在回流时，在加入氧气之前重新排出替代气体。5.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，从第二阶段(4)中生成的沼气中分离出二氧化碳并用于权利要求4所示的二氧化碳加气。6.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，进行加气和排气时，需要使用过滤器，尤其是需要使用空心纤维接触器。其中孔径尺寸低于0.1μm，最好低于0.04μm。7.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，第一阶段(2)中的光合微生物(1)，优先选用可生成生物膜且有机材料代谢率低于10％的蓝藻细菌，尤其是粘杆藻6909、织线藻、鱼腥藻属和念珠藻属。8.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，第二阶段(4)中的产甲烷菌(5)是醋酸分裂古菌和氢利用甲烷古菌的混合物。醋酸分裂古菌，尤其是甲烷八叠球菌属或Synthrophobotulus属，将第一阶段(2)中的有机材料分裂为二氧化碳和氢气。然后，被氢利用甲烷古菌，尤其是Methanocellapaludicola、Methanocellaarvoryzae或Methanopyruskandleri，用于合成生物甲烷。应使用通过选择从湖泊和海洋沉积物、牛瘤胃、蚂类的肠子和其他动物、稻田、沼泽或沼气设备中获取的混合培养物。9.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，在第一阶段(2)中存在有机材料细胞内分解和/或细胞内的二氧化碳储存的抑制剂。10.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，在光合微生物(1)中-羟基乙酸脱氢酶和/或羟基乙酸氧化酶的表达和/或活性被抑制；-通过羧酶体和蛋白核抑制二氧化碳的增；-对1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和/或羟基乙酸磷脂酸磷酸酯酶进行过度表达；-对II...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·福沃斯特，本杰明·赫佐格，约翰·保沃福德，亚尼克·博尔特，
申请(专利权)人：索拉格有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE