单一培养的生物过程Methanothermobacter thermautotrophicus用CO升级沼气池沼气₂,₄转换与H₂

摘要

我们优化并测试了单一培养古菌的生物后处理步骤，通过CO的转化来升级厌氧消化器中的沼气(即增加甲烷含量)₂在CH₄通过喂养H₂气体。我们优化了嗜热甲烷菌的培养Methanothermobacter thermautotrophicus使用方法:(1)合成H₂/公司₂混合物;(2)相同的混合气具有增压作用;(3)不同CH的合成沼气₄内容和H₂；(4)工业未经处理的沼气和H₂．实验室培养物生长健壮(干重为6.4-7.4 g/L;OD₆₀₀(13.6 ~ 15.4)，产甲烷量为21 L/L₂转化效率为89%的沼气被转移到一个工业厌氧消化设施，在那里重新启动，并以CO₂在H₂．在8天的操作期间，培养物的干重最初略有下降，然后稳定在~8 g/L的高水平，达到容量产甲烷速率为21 L/L培养日和H₂转换效率62%。虽然通过显微镜观察到一些微生物污染的培养物，但这并不影响培养物的甲烷产率。

1.介绍

有机废物流含有储存在生物质中的能量，这些能量最初是通过光合作用从太阳中获得的。为了防止这些废水在排放过程中产生环境问题，必须进行生物处理。与此同时，通过将复杂的生物质转化为直接替代化石燃料的生物能源，人们对以更有用的形式回收这些储存的能量越来越感兴趣[1］．利用相对能量密集的废物进行这种转化的传统途径是在厌氧消化器中通过甲烷发酵[2，3.］．厌氧消化器由微生物群落(这里称为反应器微生物组)的开放培养和动态食物网组成，包括细菌水解、酸生成、醋酸生成以及古菌产甲烷[1］．

厌氧消化是一个理想的过程，有两个原因:(1)产品甲烷气泡自由地从溶液中出来，不需要昂贵的分离;(2)厌氧反应器微生物组通过最大限度地生产甲烷(导致高转换效率)来获取最大数量的无氧自由能[4］．然而，在消化过程中，必须同时产生甲烷和二氧化碳，以平衡甲烷的高氧化数(即每个碳的可转移电子数)和二氧化碳的低氧化数。由此产生的化学计量反应使产物的氧化态与底物的氧化态相等，因为在厌氧系统中没有添加替代的电子受体或给体[5］．因此，二氧化碳含量取决于有机废物流的基质组成，通常保持在30-50%的范围内[6］．

沼气池沼气中的二氧化碳作为燃料是惰性的，稀释了沼气的能量含量，阻止了沼气作为可再生天然气引入到目前的天然气管道基础设施中。由于二氧化碳含量为30-50%，沼气的能量密度为每立方米~ 18-23兆焦耳[7，而天然气的能量密度为每立方米37兆焦耳。沼气能量密度低，需要改造能量转换系统，使沼气成为长距离运输和能量储存的低效能量载体[7］．因此，大多数沼气在生产点或生产点附近被用于运行锅炉或联合热力和动力系统，如发动机或涡轮机，或在最坏的情况下，它被燃烧掉。由于电力效率很低(约35%)，当不能直接在当地使用时，很大一部分能量经常作为废热损失掉。

为了克服沼气的低能量含量，已经制定了三种策略将沼气(即增加甲烷含量)升级为可再生天然气:(1)通过后处理技术去除沼气中的二氧化碳;(2)向厌氧消化池的有机废物流提供还原底物(如氢气)，目的是将二氧化碳转化为甲烷原位；或者(3)通过后处理技术将沼气中的二氧化碳转化为甲烷。不同国家对输往天然气网络的产品气的最低甲烷含量要求有所不同，具体取决于天然气系统的规定。例如，在丹麦，天然气中的二氧化碳含量不能超过2.5 mol% [8］．对于第一种策略，物理气体分离方法(例如气液交换、胺萃取、半渗透膜技术、变压吸附或其混合变体)已在工业规模上用于去除沼气中的二氧化碳并将其丢弃[9- - - - - -11］．

第二个和第三个策略是转化二氧化碳原位或作为后处理步骤，分别提供了同时增加净甲烷产量的优势。在一项实验室规模的研究中，Luo等[12除复杂的有机基质(粪便)外，还向中温厌氧消化器提供氢气(第二种策略)。从本质上讲，它们增加了总基质(粪便和氢气)的氧化状态，以缩小与甲烷氧化状态的差距，从而降低了沼气中的二氧化碳含量。生物氢转化导致二氧化碳含量从38%下降到15%，甲烷产量增加22%。一个意想不到的不利条件是pH增加到8.3，这导致了甲烷生成的抑制[12］．作者连续监测短链羧酸的积累，因为，热力学上，在厌氧条件下，丙酸和丙酸的氧化-丁酸是厌氧食物网中的中间化学物质，当氢分压达到10以上时，丁酸的作用就会减弱⁻²千帕(13］．因此，调节补充氢气到一个不断变化的、复杂的有机废物流将是困难的;补充不足将导致沼气中二氧化碳含量过高，而补充过量将导致短链羧酸的积累和不稳定的消化条件，降低总甲烷产量。

对于后处理步骤中升级沼气的第三个策略，可以使用非生物或生物系统。另一种可能富含二氧化碳的工业气体(即合成燃烧气体)，Hoekman等[14探索了利用金属催化剂将二氧化碳转化为甲烷的方法。此外，几种纯培养产甲烷菌，包括Methanothermobacter thermautotrophicus，测试将合成发酵产生的二氧化碳转化为甲烷[15］．对于沼气升级，Luo和Angelidaki [16在实验室规模的嗜热厌氧消化池中，持续向含60% H的合成沼气注入₂, 25%的CH₄， 15%的二氧化碳₂(4: 1 H₂:有限公司₂)，产品气中甲烷含量最高可达~95%。在一个月的运行期间，该消化池的反应器微生物群(开放培养)被氢营养产甲烷菌富集，但其他营养群仍然活跃，如同源产醋酸菌。此外，一项微生物组鉴定发现了一组不同的嗜热厌氧产甲烷菌，包括一个ID为93%的序列m . thermautotrophicus［16］．在另一项研究中，将CO气体送入厌氧消化池，序列的ID小于93%m . thermautotrophicus是丰富的17］．在所有这些研究中，使用的是合成气体，而不是工业沼气。

m . thermautotrophicus是一种岩石自养、嗜热(40-70°C)产甲烷古菌，首次从伊利诺伊州厄巴纳的一个废水处理设施的污水污泥中分离出菌株deltaH [18，并有一个已排序的基因组[19］．m . thermautotrophicusdeltaH被描述为一种严格的专性厌氧菌，最适生长温度为65-70℃，pH为7.2-7.6 [18］．其他相关菌株已被分离出来，包括Hveragerdi菌株，该菌株是从冰岛碱性温泉中分离出来的[20.］．m . thermautotrophicus通过使用氢气将二氧化碳转化为甲烷来节约能源，同时也使用二氧化碳作为其碳源。

一些知识与实验室规模的生物处理与纯培养m . thermautotrophicusSchill等人的两项研究发表了Hveragerdi菌株[21，22］．作者发现m . thermautotrophicus连续H₂:有限公司₂(4:1)和介质流量不仅取决于稀释率，这是通常接受的对液体底物的化学恒温器，但同时需要考虑气体流入率和稀释率。此外，他们观察并建模，通过保持低有效气体浓度，气态基质消耗(去除)率对进入系统的有效气体转移通量有积极的影响。较高的气体传递通量导致生产速率大大高于用标准气体传递系数()及体积液体浓度()的值，为溶解度最低的气体衬底。最高的本研究的报告时间为2,300小时⁻¹生物量浓度为4.84 gL⁻¹在最高的气体流速下。作者还发现，在最低的气体流速下，氢转化效率(转化为甲烷和生物质)为88% [21］．此外，热力学计算解释了为什么热耗散将高于其他生物过程:(1)由二氧化碳合成的细胞将需要较高的能量消耗;(2)由于氢和二氧化碳的小分子转化为大分子，熵将大大降低[23］．同一作者进一步完善了他们的数学模型和实验，并观察到的增长率m . thermautotrophicus必须非常小，但产热率很大，他们称之为熵滞增长[22］．

利用活的微生物将二氧化碳转化为甲烷的沼气升级策略具有依赖自我复制催化剂的优势。为了防止同型醋酸根将氢气转化为醋酸根，以及由此造成的沼气升级效率损失，与反应器微生物组相比，用纯培养的古菌接种生物过程将更有利。其次，要在工业环境中实际使用，理想的古菌接种剂还必须能够承受:(1)意外暴露于氧气;(2)接触硫化氢(通常存在于沼气中);(三)连续饲养的沼气中存在的其他细菌、噬菌体的污染;(4)沼气中甲烷含量高可能有抑制作用;(5)由于风能和光伏能源的波动性，可再生氢的间歇性供应。一个健壮的太古菌还必须避免副产品的产生，并使一个高效能源的过程成为可能。在这里，我们研究了纯培养的沼气升级m . thermautotrophicus由氢气和沼气混合而成。我们通过四个实验来优化生物处理和测试沼气升级:实验1用合成H₂/公司₂没有甲烷气体;实验二用合成H₂/公司₂无甲烷气体和加压顶空;实验三采用合成沼气;实验4使用来自密苏里州圣路易斯安海斯-布希英博(Anheuser-Busch InBev)工厂的工业未经处理的沼气。我们的发现表明，沼气可以通过纯培养来升级m . thermautotrophicus由H₂气体和a的函数m . thermautotrophicus在8天的操作期间，使用未经处理的工业沼气进行培养，即使观察到一些微生物污染。

2.材料和方法

2．1．古菌菌株和生长条件

对于这里描述的实验，我们得到了一个进化的m . thermautotrophicus菌株从大都会实验室(芝加哥大学，IL)，它最初是作为m . thermautotrophicusHveragerdi株(DSM 3590) [20.]，并在实验室适应长期(>1年)缓慢生长条件下稳定产甲烷(> 7天的两倍)。液体25倍介质包括:250毫米KH₂阿宝₄；250毫米氯化钠;25毫米MgCl₂6小时₂O;20毫米Na_3.nitrilotriacetate;10mm硝基三乙酸;12.5毫米半胱氨酸;5毫米FeSO₄- h₂O;0.25毫米Na₂我们₄；0.125毫米NiCl₂6小时₂O;0.0625毫米CoCl₂6小时₂O;0.0625毫米Na₂MoO₄2 h₂O;刃天青约0.05毫米;0.025 mM Na₂搜索引擎优化_3.(Sigma Aldrich, St. Louis, MO)。培养基和其他试剂是用煮沸的水准备的，目的是消毒和除氧。在生物反应器中初步培养时，通过稀释(4% 25倍培养基，96%水)制备1x培养基。由于我们的培养物产生了代谢产生的水，在操作期间活性体积增加了。增加的体积被间歇地从生物反应器中泵出，同时被1x培养基取代。作为硫的来源，0.63 mL/h的钠₂将浓度为500 mM的S (Sigma Aldrich)溶液通过连续的饲料提供给培养物(H₂S是在溶液中形成的，但它随着流出气体不断地流失)，除了在工业沼气的投料过程中，其中包括H₂(~ 7000 ppm)。活性体积温度保持在60℃。通过添加氢氧化铵将培养基的pH控制在6.85，同时也为培养提供了氮源m . thermautotrophicus．实验3在甲烷流量为0.2 L/min时，pH维持在7.35。在所有的实验中，除了使用工业沼气外，培养物都是持续用4:1 H的气体混合物进行净化₂:有限公司₂(Cee Kay gas, St. Louis, MO)。在实验1、2和3之前的基线条件下，通过给料0.4 L/min H，总进气量维持在0.5 L/min₂和0.1 L/min CO₂．实验4前为0.25 L/min，饲喂0.2 L/min H₂0.05 L/min CO₂．对于两个合成的H₂:有限公司₂气体混合物实验(实验1和实验2)，H₂实验1的进水速率为0.1、0.2、0.4、0.8和1.6 L/min;实验二为0.4、0.48、0.8、0.96、1.6、1.99 L/min)，保持4:1 H₂:有限公司₂气体混合比例。对于加压合成气体混合物实验(实验2)，我们通过将产物气体通过2.1 m的垂直水柱，将生物反应器内的顶空压力从101 kPa(大气压)提高到122 kPa。对于合成沼气实验(实验3)，我们采用三种不同的甲烷流速(0、0.2和0.4 L/min)和三种不同的氢气流速(0.2、0.4和1.6)的实验设计，结果产生了9种不同的条件，不同的甲烷含量(0-62%)和进水气体总流量(0.25-2.4 L/min)(表1）.最后，对于工业未经处理的沼气(实验4)，我们在整个操作期间保持氢流量在0.2 L/min。在试验4的前7天(164 h)，我们饲喂0.05 L/min的CO₂，最后8天(192 h;从164到356小时的操作周期)。

2．2.实验设置和操作条件

实验是在生物反应器(BioFlow 110, New Brunswick Scientific, Enfield, CT)中进行的，在流体高度为1、2和3 L时，有3个6cm ID的ruston型叶轮，在介质表面有一个下沉气流型叶轮(New Brunswick)(图)1(一)）.在活性培养体积为~3.5 L(实验1)和3.0 L(实验2、3和4)的情况下，以700 rpm的转速连续搅拌生物反应器。我们安装了生物反应器设置(新不伦瑞克)中包含的挡板和环形喷管。使用数字质量流量控制器(EW-32907-69, Cole-Parmer, Vernon Hills, IL)控制和记录钢瓶中合成气体的供应速率，并使用定制的0.5 L肥皂泡流量计测量总气体流出速率。连续监测反应器内温度、pH、ORP和液位;使用外部加热夹套来保持温度，并通过添加2 M的nhh溶液来控制pH₄哦(Sigma-Aldrich)。消泡剂(SE-15, Sigma-Aldrich)以0.30 mL/h的速率连续注入反应器以消除泡沫。在压力实验(实验2)中，我们在垂直水柱上安装了直径5.1 cm的PVC管，产品气管线在底部。在工业沼气池设施中，未经过滤的沼气通过15米长的管道(Norprene L/S 17, Cole-Parmer)进入生物反应器。在实验室规模的实验中，一旦在生物反应器内建立厌氧条件(通过ORP读数和resazurin指示器的颜色确定)，培养基接种1ml的预培养物m . thermautotrophicus文化。间歇给1x培养基溶液。当液位超过预先设定的有效容积时，自动同时进料和滗出。每隔一定的时间测量倾出的液体的体积。对于实验室规模的实验，干重和外径₆₀₀每天监测，以确定培养的增长率，并确定是否达到了稳态条件。

2．3.工业厌氧消化设施的操作条件

在实验4中，经过5天(117 h)的运行期后，在实验室的稳态培养物关闭过夜冷却，然后将~30分钟运输到工业设施(图)1 (b)）.我们选择了位于密苏里州圣路易斯的Anheuser-Busch InBev啤酒厂的厌氧消化池设施，在那里，啤酒厂废水用六个膨胀颗粒污泥床- biobed系统处理。在抵达工业设施后，反应堆立即被重新部署。重新激活温度、pH值和液位控制，并以与实验室操作条件相同的流速向反应器提供合成气体。在生物反应器重新激活后，我们监测培养OD₆₀₀在~24小时内，干重、进水和流出气体的流动更加紧密，以确保培养和转化效率在移动后保持稳定。接下来，在喂养工业和未经过滤的沼气而不是合成一氧化碳的过程中₂气体流量和钠₂S溶液加料(H₂我们保持了与实验室中使用的所有其他操作条件(例如，温度、pH值、H₂进料流量、自动和间歇介质流量)。通过蠕动泵(Cole-Parmer, Vernon Hills, IL)控制沼气池的进水速率，并将其设置为0.24 L/min，以最大限度地降低CO的风险₂会在无意中受到限制(基于沼气中约25%的二氧化碳含量)。在整个实验过程中，用肥皂泡法测量了进水和出水的气体流量。此外，每天采集培养样品进行光密度、干重分析，并通过光学显微镜进行视觉观察。在操作期间的第166小时和第331小时收集了流入的沼气和流出的沼气样本。

２.４.分析方法

生物量的干重是通过使用离心机(14000 ×g)来确定的，以1 mL培养样品为三倍，滗出多余的液体，并在60°C下干燥颗粒，直到达到稳定的重量读数。对OD₆₀₀分析，将培养物连续稀释2倍，在600 nm光下记录1 cm径长的吸光度。稀释倍数选择为连续3-4稀释可得到OD值₆₀₀读数在0.05到0.8之间。接下来,一个OD₆₀₀对未稀释培养物进行计算。使用光学显微镜(DMI4000B, Leica, Buffalo Grove, IL)在400倍的放大倍数下观察样品，仔细观察是否存在污染或生物体的任何形态变化，并使用Leica应用套件软件捕捉图像。气体样品在疏散的1l Summa罐中收集，并由TestAmerica实验室(Costa Mesa, CA)进行分析。用气相色谱法测定CO₂,有限公司₂,CH₄阿,₂和N₂(根据ASTM D1946)。

2．5．估计转换效率

H₂转换效率和CH₄培养物的生产速率由(1)和(2),分别。假设5体积的输入气体(4体积的H₂和1体积的CO₂)至1体积流出气体(CH₄)，假设H₂甲烷生成(4 h₂+有限公司₂ CH₄+ 2 h₂O) (21，我们用H表示₂转换效率: 在哪里=进水气体总流量;=流出气体总流量;和=进水流量H₂(例如,H₂入渗率)。CH的₄然后计算培养物的生产速率(如果我们假设作为生长碳源的二氧化碳利用率很小):

3.结果

我们操作了一个类似的生物反应器，只培养了m . thermautotrophicus实验1用合成H₂/公司₂混合物;实验二采用相同的合成气体混合物，但采用加压生物反应器顶空;H实验3₂沼气和一种合成沼气在不同的CH₄内容;实验四用H₂气体和工业设施中未经处理的沼气。为了测试培养物对未经处理的沼气及其微生物和化学污染的行为，我们将培养物放置在一个工业酿酒设施中，为期8天。在这一操作期间，除了监测产品气体流的甲烷成分外，还监测培养物的健康和密度m . thermautotrophicus生物反应器。实验四的目的是:(1)评价不同培养方式的培养效果m . thermautotrophicus能利用沼气作为一氧化碳吗₂源甲烷生成;(2)评估任何响应m . thermautotrophicus对沼气中的生物和化学污染物进行培养。

在开始这里描述的实验之前，我们从初步工作和Schill等人那里了解到[21在我们的系统中，氢的传质通量将受到限制，而不是培养物的催化活性(氢的气体传递系数比二氧化碳低得多)。在我们的生物反应器设置中，当混合速度从0增加到1200 RPM时(数据未显示)，体积甲烷产量(VMPRs)会更高。为了比较实验结果，我们使用恒定的700转/分混合速率和单个气体喷雾器环来操作生物反应器。因此，可以进一步改进以提高气体传递通量率和VMPRs。然而，必须在最佳性能和经济运行条件之间作出谨慎的妥协。

3．1.实验1:人工合成H₂/公司₂混合物

在实验1中，我们在4天的每一天中，在0.1-1.6 L/min之间改变氢气的注入速率，以研究甲烷产率和氢气转化效率的影响。实验采用干重为~11 g/L、氢气流速为0.4 L/min的稳态培养条件进行。在0.4 L/min的氢流量下，假定古菌(CH_1.68O_0.39N_0．24)，由Schill等人讨论[21，作为质量平衡实验的一部分，我们在43小时内进行了一项直接测量生物量的实验，我们估计，二氧化碳中1.4%的碳被转移到了生长中。在接下来的研究中，我们假设在计算氢气转化效率和甲烷产量时，这种微小的增长可以忽略不计。

我们观察到VMPR达到平均最大速率47.9 L/L培养日(；；表格2)，在0.8 L/min的充氢速率下观察到2(一个)）.进一步增加氢流量不会增加VMPR。从0.1 L/min增加到1.6 L/min，生物反应器的氢转化率几乎呈线性下降(图)2 (b)）.如预期，平均最高效率为96.6% (；；表格2)在最低的氢流入率下达到，而在最高的氢流入率下(24.5%;；；表格2）.因此，较高的进料速率氢气(和二氧化碳气体因为4:1 H₂:有限公司₂比率不变)，氢通量和甲烷产量增加(注意，在大气压力下的倒数第二个氢流入速率下观察到最大甲烷产量)，而效率较低的H₂转换。

3．2.实验二:顶空加压

在实验2中，我们比较了在生物反应器顶空加压和不加压情况下(分别为101 kPa和122 kPa)从实验1中获得的结果。我们预计，生物反应器的性能将大大提高，因为加压增加了控制氢传质流量的氢分压。实验采用干重为11 g/L、氢流速为0.4 L/min的培养物进行。首先，我们得到了实验1与实验2大气压条件下相似的VMPRs(图3(一个))，但更明显的是H₂1.6 L/min时，VMPR低于H₂进水速率0.8 L/min(图2(一个)和3(一个)）.我们解释说，较低的VMPRs在较高的H₂由于氢气停留时间减少，导致了氢传质限制，这是由于进水速率的原因，我们将在接下来的实施部分进一步讨论这一点。第三，加压系统的最大VMPR增加到65.6 L/L-day(见图)3(一个)和表3.)，这也是本研究中所达到的最大VMPR，尽管它是在最高的氢流量为1.99 L/min时。增压也改善了低H₂我们观察到的最高H₂入渗率(图3 (b))，正如VMPRs的增长所预期的那样。

3．3.实验三:饲喂合成沼气混合物

在实验3中，我们在三种不同的氢气进水速率下，改变合成沼气中甲烷的进水速率，以研究进水气体中甲烷的存在对生物过程的影响。实验采用干重为4.1 g/L、氢气流速为0.4 L/min的稳态培养条件进行。实验3最大VMPR为50.5 L/L-day(图3)4(一))，在不添加甲烷的情况下，产氢率最高，为1.6 L/min。0.4 L/min添加甲烷大大降低了VMPR至26.9 L/L-day，使甲烷产量降低了47%(图)4(一)）.当最低氢气流速为0.2 L/min时，输入气体中不含甲烷的VMPR为21.9 L/L-day，低于实验1中氢气流速为1.6 L/min时的VMPR。引入0.4 L/min的甲烷流量后，VMPR降低至12.6 L/L-day(图)4(一))，造成甲烷产量下降43%。在0.2 L H的条件下，这是一个略低的下降₂/min, 1.6 L H₂/min，尽管甲烷含量要高得多(分别为62%和17%;表格1）.中氢流量条件为0.4 L/min(最大甲烷含量为44%;表格1)，甲烷流量为0和0.4 L/min时，最大和最小VMPR相差45%，介于氢气流量最高和最低降低47%和43%之间。这一观察结果表明，不仅需要考虑甲烷含量，还需要仔细考虑流入气体的流量和甲烷含量。在氢气流量最低为0.2 L/min的条件下，甲烷流量对VMPR的影响相对较弱。

然而，在所有条件下，甲烷含量的增加导致VMPR降低(见图)4(一))，但这并非甲烷产物抑制所致，因为VMPR下降最大，输入气体中甲烷含量最低，为17%，总进水速率最高。因此，输入气体中的甲烷通过稀释降低了氢分压，从而导致了氢传质通量的降低，从而控制了古生烃转化率。与实验1相似，与VMPR相比，氢转化效率表现出相反的行为(图1)4 (b)）.因此，在0.2 L/min的低氢流量条件下，甲烷流量引入对氢气转化效率的影响最大。

3．4．实验四:饲喂未经处理的沼气

在实验4中，经过164 h的操作时间(图5)，我们从合成的H₂/公司₂将混合气体注入未经处理的沼气流入流，并加入合成H₂评价工业条件对污水处理的影响m . thermautotrophicus文化。实验3告诉我们使用较低的氢气流速0.2 L/min，因为在沼气中甲烷的存在对VMPR的影响最小。在获得稳态培养后，我们在实验室操作培养5天(117 h)，同时密切监测其功能。在此期间(0-117 h)， VMPR和h₂转化效率保持在21.4 L/L培养日不变(；数字5(一个))及89.1% (；数字5 (b))，而干重浓度和OD值₆₀₀分别在6.4 ~ 7.4 g/L和13.6 ~ 15.4 g/L之间波动5 (c)）.当操作条件(包括生物反应器混合液的温度)恢复后，转移到工业环境(包括不给培养物喂食过夜，并将其冷却至室温)会略微降低第二天的性能。我们在开始类似实验室条件的第二天观察到恢复(117至164小时)。然后，在操作期第164小时切换到沼气后，培养物的干重先略有下降，然后稳定在增加到8.0 g/L (；数字5 (c))的产甲烷量为21.0 L/L培养日(；数字5(一个))和H₂转换效率为61.9% (；数字5 (b))。我们发现，与合成CO相比，工业沼气获得的VMPR不显著，但略低₂但氢转化效率明显较低(由于甲烷稀释，从实验3中预期)。

在切换到未过滤的沼气后，培养物的VMPRs略低，但在操作期的最后192 h内性能有所提高，且沼气中的一种或多种成分对VMPRs没有长期的抑制作用m . thermautotrophicus根据VMPR数据观察。从反应器中采集的样品的显微镜成像表明，轻微的棒状生物污染已经发生，但绝大多数细胞由长而细的丝组成，这代表了典型的形态学m . thermautotrophicus在一个似乎几乎是单一文化的群体中(图6）.未确定的微生物污染，在8天的操作期间不影响培养物的功效。

气体成分样品是在转换到工业沼气后不久(166小时)和操作期间的331小时采集的。在这两个时间点，排放气体中的二氧化碳含量分别为16%(而沼气中的二氧化碳含量为30%)和13%(沼气中的二氧化碳含量为28%)。尽管在二氧化碳含量方面取得了气体质量的改善，但仍需要优化系统的操作方式，以确保符合规格的可再生天然气。由于氢气的稀释(氢气含量分别为33%和28%)，这两个时间点的甲烷含量实际上较低(分别为54%和68%，61%和66%)，这是因为氢气转化效率较低，分别为46.6%和61.0%(图)5 (b)）.我们模拟了计算出的H₂、有限公司₂,CH₄根据氢转化效率数据估算的流出气体中的含量(1）.在估计和测量的H之间的最佳拟合(最低卡方)₂、有限公司₂,CH₄结果表明，在含氢废水中，氢转化效率分别为46.7%和59.4%，与预估效率分别为46.6%和61.0%基本一致。

4.讨论

4．1.实验与其他研究的比较

在有气体底物的连续生物反应器中纯培养的生长是液体介质稀释率和气体流入率的函数[21］．在相对较低的稀释率下，这导致了非常高的生物量浓度m . thermautotrophicusSchill et al. [21在我们的实验4(氢气进水速率为0.2 L/min，使用工业未经处理的沼气)中，我们获得了干重浓度和OD₆₀₀分别为8.0 g/L和15.2 g。两个单一文化研究(Schill et al. [21和我们的研究)显示，生物量浓度大大高于通常在有液体流入的恒温器中观察到的浓度。因此，在以氢气为限制气体的情况下，该生物催化剂的高吸氢速率导致了相对较高的氢气传递系数，从而产生了更优的有效气体传递通量，支持观察到的最大VMPR为163 L/L培养日(4.39 g/L-h)(见表)3.) ［21］．我们的最大VMPR是H₂/公司₂气体混合物为该速率的~1/3(表3.）.根据实验1和实验2，氢气转移通量限制了我们的生物过程的转化率。因此,操作条件之间的差异的研究,如更大的主动卷3和1.5 L和700和1000 rpm的搅拌速度较低,导致低很多体积口粮,导致更少的混合活动,解释下氢气流量相比,我们观察到希尔et al。21，22］．由于操作条件的改变对氢转移通量有很大的影响，因此在放大过程中必须注意保持高转化率，同时限制混合的寄生能量输入。

在我们的研究中，我们发现在VMPRsm . thermautotrophicus无论用工业沼气还是合成沼气饲喂，均可对培养菌进行培养3.）.因此，沼气升级在工业沼气生产场所的应用前景看好。然而，我们观察到，当输入气体中含有甲烷时，VMPR从~50 L/L培养日到~12 L/L培养日有相当大的下降3.）.通过增加气体通过反应器的流量，减少气体停留时间，降低氢气进入介质的传递通量，实验结果与甲烷作为惰性气体在系统中的作用一致。甲烷作为活性气体(H₂和有限公司₂)是工业后处理沼气生物反应器工程设计中必须考虑的因素。

VMPR为12 L/L-day (0.3 g/L-h)，与用于易降解有机废水的高效厌氧消化器所达到的速率相似(见表2)3.)，由于生物膜(颗粒生物量)的形成，挥发性悬浮物浓度非常高，达到50 g/L，即使甲烷菌存在于非常多样化的反应器微生物群中[24］．由于需要高混合强度来克服氢转移通量的限制，这种通过生物膜形成的高生物量浓度在我们的生物反应器系统与气态底物中是不被预期的。在低速率厌氧消化池中添加氢气和反应器微生物组来升级沼气，与单一培养的研究相比，没有产生兼容的VMPRsm . thermautotrophicus(表3.）.Luo和Angelidaki的VMPR较低，但兼容，为5.3 L/L/ day (0.14 g/L-h) [16]的后处理生物反应器系统，以升级沼气与驯化的反应器微生物组富集的嗜热氢营养产甲烷菌(表3.）.目前尚不清楚进一步驯化的微生物组是否最终能够达到我们单培养的VMPRs的最高水平m . thermautotrophicus美联储与沼气。尽管，我们预计在反应器微生物组中观察到的驯化的同型乙酰原[16会大大降低效率，无法达到纯培养太古菌的性能。值得注意的是，Luo和Angelidaki [16]使用了比我们的研究更小的活性体积600毫升和更高的混合强度800转/分钟。因此，功率体积比更接近Schill等人的研究[21]，而Schill等人[21]的VMPR远优于Luo和Angelidaki [16)(表3.）.

4．2．实现

在实施之前需要进一步发展生物处理技术。我们观察到，在通过增加气体流速来优化VMPRs的过程中，氢转化效率很低。然而，必须提高效率，以避免有价值的氢气进入流出气体，最终进入天然气基础设施。我们的研究表明，通过降低氢气流入速率来提高这些效率，会大大降低VMPRs。因此，性能应该通过其他改进来提高。随着实验2中顶空压力的增加，我们已经表明，增加氢气分压可以提高这些效率。实验2还表明，在加压大气压力(122 kPa)下，在最高的氢气流速下，VMPR增加而不是减少，这是我们在实验1和2中观察到的大气压力(图2)3(一个)）.因此，增压降低了氢传质限制，这是由于随着H的增加，氢在生物反应器中的停留时间变短而变得明显的₂入渗率。然而，在更高的压力下，还需要进一步的优化研究。延长气体在反应器容器内停留时间的其他措施也可能产生更高的氢转换效率，例如，通过使用一种新型生物反应器配置和回收流出气体。后者需要首先进行测试，因为甲烷作为惰性气体会降低氢气的传递通量，正如我们在实验3中所示。由此产生的氢气转化效率的提高还必须导致产生具有足够质量的流出气体，以将其引入天然气电网。在这里，我们没有达到这样的质量，但生物反应器的设计和操作条件的改善应该是可以实现的，同时保持较高的VMPRs。此外，在全面升级沼气系统得以实施之前，还需要回答其他研究问题，包括提高或降低(i) H会有什么影响₂(ii) H₂:有限公司₂和4:1的比例相比呢?

为了生产高甲烷含量的可再生天然气作为我们的排放气体，必须利用可持续的氢气来源。该技术的首次实施可能会使用非高峰电力生产，通过间歇电解水产生氢气。众所周知，产甲烷菌可以间歇喂食，而在大规模消化系统中，休眠培养菌可以迅速启动[2］．当前电力过剩地区存在高密度的风或光伏能源,因此,沼气升级可以被纳入一个能量存储系统,转移过剩从现有的电网电力到其他现有天然气网格,网格,它有一个巨大的能量储存能力。据估计，当废热未被利用时，总的电化能转换效率约为60%，而当废热被利用时，电能转换效率约为80%。然而，需要进行详细的能量平衡和生命周期评估研究，以确定储存能量而不是关闭可再生发电机(如风车)的能源效率和二氧化碳回收收益。

5.结论

纯培养氢营养产甲烷菌的嗜热生物过程m . thermautotrophicus在连续加料的情况下，氢气的转移通量限制了二氧化碳转化为甲烷的速率。在增加氢流量的实验期间，我们观察到VMPRs增加了49.2 L/L培养日(1.33 g/L-h)。然而，这也导致了较低的氢转化效率由于氢旁路。因此，需要仔细优化生物过程，以最大限度地提高氢的转化效率，同时保持足够高的二氧化碳转化成甲烷的速率。顶空加压确实使VMPR进一步增加到培养日65.6 L/L (1.79 g/L-h)。引入不同相对比的甲烷，甲烷本身并没有抑制转化率，但降低了氢分压，导致甲烷产率和氢转化效率降低。单一文化m . thermautotrophicus还能将未经处理的工业沼气中的二氧化碳转化为甲烷，外部来源是氢气。化学污染物(如硫化氢)和沼气中的生物污染物并没有导致性能(VMPR)的降低，即使在培养物中观察到一些微生物污染。在8 d的运行期间，生物量浓度增加到最大水平8.0 g/L (OD)₆₀₀15.2)。稳定的操作条件、旺盛的活性和工业条件下相对较高的生物质浓度，为进一步发展该技术，在可持续性氢气可用时将沼气升级为可再生天然气铺平了道路。

利益冲突

Largus T. Angenent是Electrochaea的董事会成员，laurence Mets是Electrochaea的付费顾问。本文的作者与本节中提到的商业身份都没有直接的经济关系2．

作者的贡献

马修·马丁(Matthew R. Martin)和杰弗里·j·福尔尼洛(Jeffrey J. Fornero)贡献相同。

致谢

作者感谢Ian Rappold和Michael Davies对生物反应器的操作，感谢Anheuser-Busch InBev在收集数据的过程中提供了沼气和厌氧消化设施。

参考文献

1. L. T. Angenent, K. Karim, M. H. Al-Dahhan, B. A. wren，和R. Domíguez-Espinosa，“从工农业废水中生产生物能源和生物化学物质”，生物技术的发展趋势第22卷第2期9，页477-485,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. G. letinga，《厌氧消化和废水处理系统》，安东尼·范·列文虎克，第67卷，第5期1，第3-28页，1995。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. P. Weiland，“农业中的生物质消化:德国能源生产和废物处理的成功途径”，生命科学工程，第6卷，第2期3，页302-309,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. K. W. Hanselmann，“微生物能量学应用于废物仓库”，细胞与分子生命科学，第47卷，第47期。7，第645-687页，1991。视图:谷歌学术搜索
5. A. van handel和J. van der Lubbe，废水生物处理手册， IWA出版社，英国伦敦，2012年第2版。
6. P. Weiland，“沼气生产的现状和前景”，应用微生物学及生物技术第85卷第1期4, pp. 849-860, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. M. Pöschl, S. Ward和P. Owende，“各种沼气生产和利用途径的能源效率评估”，应用能源，第87卷，第2期11, pp. 3305-3321, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 丹麦,气体法规第C-12节气体质量的规定:附录1质量和交货规范，商业和增长部，哥本哈根，丹麦，2012。
9. A. Molino, M. Migliori, Y. Ding, B. Bikson, G. Giordano，和G. Braccio，“通过膜过程的沼气升级:中试工厂规模的模型和网格注入的最终用途，”燃料， vol. 107, pp. 585-592, 2013。视图:谷歌学术搜索
10. A. Molino, F. nana, Y. Ding, B. Bikson，和G. Braccio，“有机废物厌氧消化产生生物甲烷”，燃料， vol. 103, pp. 1003-1009, 2013。视图:谷歌学术搜索
11. 邵平，M. Dal-Cin, a . Kumar, H. Li, D. P. Singh，“一种混合膜-温度变化吸附工艺用于沼气升级的设计与经济性”，膜科学杂志， 2012, vol. 413-414, pp. 17-28。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 罗国强，谢磊，周青，安杰利达基，“厌氧反应器中氢的同时利用和沼气的原位升级”，生物技术和生物工程，第109卷，第2期。4, pp. 1088-1094, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. P. L. McCarty和D. P. Smith，《厌氧废水处理》，环境科学与技术，第20卷，第2期。12，第1200-1206页，1986。视图:谷歌学术搜索
14. S. K. Hoekman, A. Broch, C. Robbins, and R. Purcell， " CO .₂通过与可再生氢气的反应进行回收，”国际温室气体控制杂志，第4卷，第4期。1，页44 - 50,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. L. Mets, 2009, CO生产甲烷的系统₂专利，美国。
16. Luo G.和I. Angelidaki，“厌氧反应器中含富氢营养产甲烷培养物的综合沼气升级和氢利用”，生物技术和生物工程，第109卷，第2729-2736页，2012。视图:谷歌学术搜索
17. 罗光，王伟，安杰利达基，“污泥厌氧消化与CO生物甲烷化:过程性能与微生物生态，”环境科学与技术，第47卷，第47期。18, pp. 10685-10693, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. j·g·泽库斯和r·s·沃尔夫甲烷细菌属thermoautotrophicusSp. n.厌氧，自养，极端嗜热菌细菌学期刊，第109卷，第2期。2，第707-713页，1972。视图:谷歌学术搜索
19. D. R. Smith, L. A. Doucette-Stamm, C. Deloughery等，“全基因组序列甲烷细菌属thermoautotrophicumΔH:功能分析和比较基因组学，”细菌学期刊第179期22, pp. 7135-7155, 1997。视图:谷歌学术搜索
20. B. Butsch和R. Bachofen，冰岛温泉产甲烷菌温度研究[论文]， Zürich大学，Zürich，瑞士，1981。
21. N. Schill, W. M. van Gulik, D. Voisard，和U. von Stockar，“被气体基质限制的连续培养:发展一个简单的，非结构化的数学模型和实验验证甲烷细菌属thermoautotrophicum”,生物技术和生物工程，第51卷，第645-658页，1996。视图:谷歌学术搜索
22. 刘振华，“生长的热力学分析”甲烷细菌属thermoautotrophicum”,生物技术和生物工程， 1999年第64卷，第74-81页。视图:谷歌学术搜索
23. N. Schill和U. von Stockar， "热力学分析甲烷细菌属thermoautotrophicum”,Thermochimica学报，第251卷，第71-77页，1995。视图:谷歌学术搜索
24. 郑德生，宋淑琴，“厌氧生物反应器中微生物群落结构与活性的研究”，水环境研究第74卷第1期5，页450-461,2002。视图:谷歌学术搜索

版权

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