[发明专利]过量产氢的方法

说明书

本发明领域

本发明属于氢产生的领域。

背景和现有技术

导致CO₂、SO_x及NO_x生成的化石燃料的过度燃烧是全球变暖和 酸雨的一个主要原因，所述全球变暖和酸雨已经开始影响到地球的气 候、天气、植被和水生生态系统。氢是最清洁的能源，产生作为它的 唯一燃烧产物的水。可以从诸如生物质和水的可再生原料中产生氢。 因此，氢是化石燃料的潜在清洁能源替代物。尽管氢作为燃料有所述 的“绿色”性质，但它仍然主要由诸如基于天然气和石油的碳氢化合物 的非可再生来源通过蒸气转化产生，并且只有4％使用电解由水生成。 然而，这些方法是高度能量密集的，且并不总是环境无害的。考虑到 这些观点，生物学氢产生作为可选择的能源极其重要。

生物质或基于碳氢化合物的底物的发酵与光合或化学途径相比， 呈现了有前景的生物氢产生途径。包括葡萄糖、淀粉和纤维素的纯底 物以及不同有机废料可以用于氢发酵。众多微生物物种中，诸如梭状 芽孢杆菌和肠道菌的严格厌氧生物和兼性厌氧化能生物是氢的有效产 生者。尽管有较高的产氢速率，但使用发酵方法，氢产量是每摩尔葡 萄糖4摩尔H₂，低于使用其他方法达到的氢产量；因而，所述方法以 它目前的形式不是经济可行的。文献中引用的途径和实验证据揭示从 诸如葡萄糖的底物中可以获得最多4摩尔的氢。

通过所有已知的微生物途径进行的葡萄糖的发酵在理论上可以产 生多达每摩尔葡萄糖4摩尔的氢。研究者仅通过使用酶达到了基于4 摩尔H₂/摩尔葡萄糖的96.7％的转化效率。

氢的发酵产生的主要挑战是通常仅有15％的来自有机来源的能量 可以以氢的形式被获得。尽管33％的转化效率对从葡萄糖产生氢在理 论上是可能的(基于每摩尔葡萄糖最多四摩尔氢)，但在分批发酵和连 续发酵条件下，通常获得的只有该效率的一半。如果产生两分子乙酸 盐，只能从葡萄糖获得4摩尔氢，然而当丁酸盐是主要的发酵产物时， 只有2摩尔氢被产生。通常，在糖发酵过程中60％-70％的所述水相产 物是丁酸盐。这是因为在反应器内的高H₂压导致负责将丙酮酸盐转化 成乙酸盐的两种酶，丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶和丙酮酸甲酸裂解 酶的抑制。因而，约10^-3atm的低氢压对于实现高转化效率是必需的。

最近已经报道了嗜热生物体，所述生物体可能能够实现更高的转 化效率。然而，它产生氢的生化途径是未知的，且高的氢产生转化的 宣称还没有被独立验证或被表明是经济的。

细菌的遗传工程学可以增加氢回收。然而，即便被诸如梭状芽孢 杆菌的细菌使用的生化途径被成功修饰以通过最优化乙酸的产生增加 氢的产生，最大的转化效率仍然低于33％。

考虑到上述缺点，申请人努力开发导致从葡萄糖产生更多氢的方 法。

本发明目的

本发明的目的是开发在发酵过程中增加氢产生的方法。

本发明的另一个目的是开发实施上述方法的反应器。

申请中使用的缩写

VFA＝挥发性脂肪酸

附图简要说明

图1具有用于捕获厌氧发酵期间释放的质子的电极的电生化反应器 的示意性代表图。

本发明详细描述

因此，本发明揭示了增加发酵过程中氢产生的方法。为了达到相 同目的，开发电生化反应器以通过应用电荷捕获质子，所述电荷在发 酵的产酸相生成。

所述的氢产量低且其背后的原因是较高的氢分压，这在发酵氢产 生的现有技术中是明显的。较高的产量需要维持反应器中低的氢分压 以使所述反应在热力学上利于丙酮酸盐向乙酸盐而不是向诸如丁酸盐 的其它还原终产物转化。同样，发酵过程中形成的所述质子降低了所 述发酵肉汤的pH，从而降低了氢产生速率。多种策略(例如，氮鼓泡) 已经被报道用于氢的移除。这些方法中的大多数还需要从汽提的惰性 气体中分离氢，由此增加所述氢产生的成本。然而，现有技术中没有 一个给出捕获所述过多的质子且将其转化为分子氢并且由此增加氢从 底物的转化比率的线索。

在所述发酵肉汤中生成的质子在负电极被转化为氢，并且如果被 同时移除的话，不但使所述系统维持低的氢分压和恒定的pH，而且增 加了氢产生的量。