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专利名称:甲烷的厌氧氧化方法
技术领域:
本发明涉及一种用于将甲烷转化成氢或氢等价物的厌氧生物学方法。此外,该发明涉及将含硫化合物还原为硫化物的生物学方法。
背景技术:
氧气存在下生物的甲烷氧化在自然环境和工业用途中是一种沿用已久的方法。据报导,在深海条件下古细菌(archaea)和硫酸盐还原细菌的聚集体能够进行甲烷氧化(Boetius等,Nature,407623-626(2000),Hoehler等,GlobalBiogeochemicalCycles,8451-563(1994))。然而,没有纯的或限定的微生物的培养物被人们所知能够进行厌氧性甲烷氧化(Orphan等,(2002),99,7663-7668)。因此,甲烷的厌氧氧化没有被很好地了解并且没有在工业规模上应用。古细菌(archaea)在工业过程中的使用几乎是不可行的,如果是这样的话,全然是由于它们非常低的生长速率。
硫氧化物化合物如硫酸盐、亚硫酸盐、二氧化硫、硫代硫酸盐等等以及元素硫在中等的或高的温度下通过厌氧转换为硫化物而被除去是众所周知的,例如,见EP-A-0451922,WO92/17410,WO93/24416和WO98/02524。这些过程通常需要可以是氢、一氧化碳或有机分子如乙醇和脂肪酸的电子供体
(或氢供体)。
近来发现(Balk等,,(2002),52,1361-1368)某些热袍菌(Thermotoga)可单独,在与Methanothermobacter或热脱硫弧菌(Thermodesulfovibrio)共培养下,或在硫、硫氧化物或有机硫化合物如蒽醌-2,6-二磺酸酯存在下进行厌氧降解甲醇。
发明内容
依照本发明可以发现,Thermotogales目的厌氧嗜热细菌,特别是来自栖热袍菌属(Thermotoga)的细菌,能够在没有氧气时将甲烷转化成氢或氢等价物。发现甲烷碳原子被转化为二氧化碳而并未合并在生物质中。产生的氢可以用作氢,或可以用来提供适合于还原不同化合物如含硫化合物(如硫酸盐、亚硫酸盐和硫代硫酸盐)的氢等价物。而且还发现生物还原反应所必需的氢等价物可以由通过厌氧性甲烷氧化细菌进行的甲烷氧化而有效地提供。因此,本发明涉及一种产生氢或氢等价物的方法,其是在厌氧条件下将甲烷处于一种或多种Thermotogales种的活性下。同样地,本发明涉及一种使用Thermotogales种或菌株进行厌氧氧化甲烷的方法。此外,本发明涉及一种用于生物还原化学品如硫化合物和金属的方法,其中所需的氢等价物通过将甲烷处于厌氧甲烷氧化细菌中而产生。
具体实施例方式
本发明涉及氢或氢等价物的厌氧细菌制备。在此上下文中,氢等价物被理解为包括降低基体氧化态的原子、分子或电子,即还原态等价物。这些包括例如醋酸盐和甲酸盐。它们也指电子供体。当本方法产生不同于(分子)氢的氢等价物时,该方法在适宜的能够接受氢等价物的基体存在下实施。所涉及的是甲烷,也可以考虑更高的烷和链烯烃,如乙烷、乙烯、丙烷等。
依照本发明所使用的细菌是厌氧甲烷氧化(烷-氧化)细菌。这些细菌包括陆地的和水生的(海生的)种,其可以从热液源、油井以及有时从厌氧嗜热的生物反应器中获得。它们可以在多种环境条件下生长,并且它们可以是嗜温的和/或嗜热的,这取决于天然污染源以及可能的适应过程。适宜细菌的例子属于与通常嗜热的Thermotogales目。Wery等人(,(2002)105-114)和Reysenbach等人(.,52,(2002)685-690)给出了对它的描述。WO02/06503中描述了它们由有机源如糖制备氢的用途。Thermotogales包括Marinitoga、Geotoga、Petrotoga、栖热袍菌属(Thermotoga)、栖热腔菌属(Thermosipho)和闪烁杆菌属(Fervidobacterium)。它们特别选自包含后三类的组中。这些包括(带有DSM登记号)海栖热袍菌
(Thermotogamaritima)(DSM3109)、温泉栖热袍菌(Thermotogathermarum)(DSM5069)、Thermotogahypogea(DSM11164)、Thermotogasubterranea(DSM9912)、埃氏热袍菌(Thermotogaelfei)(DSM9442)、Thermotogalettingae(DSM14385)、Thermosiphomelanesiensis(DSM12029)、Thermosiphogeolei(DSM13256)、海岛闪烁杆菌(Fervidobacteriumislandicum)(DSM5733)和多节闪烁杆菌()(DSM5306)。它们中的大多数可以以被认可的培养物收集如DSM或ATCC的方式得到,并且它们中的一些如海栖热袍菌的基因组已经被测序(Nelson等,Nature(1999),399,323-329)。
如果需要并且优选在适应要求的工艺条件后,甲烷氧化的细菌可以用作上述种或菌株中的一种的纯培养物或与其它细菌作为限定的混合物,或者作为从环境样品或从生物反应器中得到的混合培养物的一部分。纯培养物的使用在允许过程按所希望的来控制方面占有优势。本发明也涉及这种纯培养物以及下面所进一步说明的限定的培养物的组合物。
用于本发明的方法中的种是嗜温的或嗜热的种。嗜热的种在50℃和100℃之间具有它们最大的活性,但是如果需要在适应之后,它们在30℃和50℃之间的温度下乃至从25℃向上用于实施过程的中温温度范围也通常是十分活泼的。嗜温的种在30℃和50℃之间具有它们最大的活性,但是从20℃并且直到例如
60℃也是十分活泼的。本发明方法的更优选的温度为25℃和90℃之间,最优选在30℃和60℃之间。
在本发明方法的实施方案中,进行厌氧甲烷氧化以制备分子氢。相关的总反应可以简化如下
培养基包含基本的添加生长要素的矿质培养基,例如甲烷通过喷射或其他保证能与微生物密切接触的方法引入。产生的氢可以被收集,例如,可以使用气体再循环,其中气体与选择性膜相接触,该选择性膜对于氢来说是可渗透的而对于包括甲烷的大分子来说是不渗透的,剩余的气体可以再循环到甲烷氧化反应器中。或者,可以以这种方式安排适当选择的吸收剂使得从反应器演变来的气体与吸收剂相接触。氢从反应混合物中有效的排出保证了甲烷到氢的充分的生物转化。产生的氢可以用作燃料或作为化学合成试剂或用于生物学或化学还原处理中。
在优选的实施方案中,进行厌氧性甲烷氧化以用于还原基体,例如硝酸盐,偶氮化合物,无机和有机硫化合物如元素硫、硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、多硫化物、蒽醌-2,6-二磺酸盐,溶解的金属,氧化的卤素化合物,硝酸盐和其它必须被去除的化合物。如果适当的在从气体流中通过洗气或类似方法萃取以后,化合物可以存在于废液流中。它们也可以作为例如土壤污染物而存在。被还原的化合物也可以存在于用于制备所希望的还原化合物的生产线中。下列反应可以适用
其中A为氢受体,AH2可以被等价物或随后的转换产物所替换。依照这个实施方案,使用的甲烷氧化细菌包括那些如上所述的Thermotogales,以及其它甲烷氧化剂,例如那些与脱硫八叠球菌(Desulfosarcina)有关的。特别地,还原步骤本身是一种利用适宜的呼吸有机体而进行的生物还原。
图1中示意说明了这个过程。
在一个特别优选的实施方案中,使用厌氧甲烷氧化以还原经氧化的硫化合物,如硫酸盐、亚硫酸盐和元素硫。下文中,指的是硫酸盐,但是也包括其它的硫-氧物种,如亚硫酸盐和氢化的(例如亚硫酸氢盐)以及中性的(例如三氧化硫)等价物。相关的总反应可以简化如下
这个实施方案要求能够将氢等价物转移到硫酸盐的试剂的存在。这种试剂特别是本领域中所熟知的硫酸盐还原微生物。适宜的硫酸盐-还原微生物包括来自细菌的硫酸盐还原属的嗜温的和嗜热的氢-使用菌株,例如Desulforomonas、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、热脱硫弧菌属(Thermodesulfovibrio)和脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)(例如WO98/02524中描述的菌株)以及archaeal硫酸盐-还原属,例如古生球菌(Archaeoglobus),如深处古生球菌()。
通过共培养包括如上所述的厌氧甲烷氧化剂进行的硫酸盐的转化可以在常规的生物反应器中进行,该反应器具有一个用于包含硫酸盐的水
(例如源自气体脱硫装置的流体)的入口,一个用于甲烷供给的气体入口,一个用于包含硫化物的水的液体出口,一个用于所得到的气体混合物包含例如残余的甲烷、氢、硫化氢的气体出口以及任选用于负载生物质并且使其保持与液体和(溶解的)气态材料有效接触的装置,任选的用于将气体产物从培养混合物中分离的过滤器以及用于保持所希望的反应器温度的装置。此外,可以配备一个用于分离所得到的气体混合物和返回回收的甲烷的气体分离装置以及一个用于处理硫化氢的处理装置,例如一种用于将硫化物生物学转化为元素硫并且用于分离硫的装置。由于细菌不将甲烷用于它们的细胞合成,因此除甲烷之外,应该提供给生物反应器更多的碳源,例如甲醇、乙醇、有机酸、酵母抽提物或其组分、或者其它的有机物质。
图2-5示意说明了使用甲烷-氧化剂和硫酸盐-还原剂的共培养物还原硫化合物的方法的方案。图2为将硫酸盐还原到硫化物,接着通过硫化物的生物氧化而成为元素硫的流程图。图3显示了与金属以利用产生的硫化氢而得到的金属硫化物(MeS)的形式沉淀反应共同发生的硫酸盐还原反应以及过剩的硫化氢变为元素硫的氧化反应。图4显示了通过分离汽提或者通过使用甲烷流进行硫化氢去除的制备硫化氢方法的二种变体。硫化氢可以被浓缩并用于硫酸的生产。图5
图解说明了二氧化硫通过洗涤(第一阶段)随后通过如图2所示的生物还原从气体中的去除。
在本发明方法的另一个实施方案中,可以用于将有毒的溴酸盐或氯酸盐还原到较低毒性的溴化物和氯化物。这些化合物可以存在于化学工业的工业用水中。溴酸盐或氯酸盐的还原要求可以是硫酸盐-还原细菌和古细菌的溴酸盐-或氯酸盐-还原种的存在。能够还原氯酸盐或溴酸盐的种包括那些属脱氯体细胞(Dechlorosoma)、Dechloromonas和假单胞菌属(Pseudomonas)如Pseudomonaschloritidismutans,Dechloromonasagitata,Dechlorosomasuillum,菌株GR-1。同样地,使用通常所周知的脱氮菌可以进行硝酸盐的还原。已知的脱氮菌包括施氏假单胞菌(Pseudomonasstutzeri),脱氮附球菌(Paracoccusdenitrificans),死海盐盒菌(Haloarculamarismortui)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus-aureus)。
依照另外的实施方案,该方法可以被用于将金属离子还原到它们的低价或零价态。它们可以在这些低价态例如作为氧化物、氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐、硫化物或中性金属被沉淀并分离。例如在WO00/39035中描述了金属的生物还原。能够被还原并转化成不溶的金属或不溶的金属氧化物、氢氧化物或类似物的金属的例子包括硒、碲、铀、钼、钒、铬和锰。能够还原这些金属的细菌包括属Geobacter,假单胞菌属
(Pseudomonas),西瓦氏菌属(Shewanella)、脱硫弧菌属(De-sulfovibrio)、脱硫细菌属(Desulfobacterium)、脱硫盐菌属(Desulfomicrobium)、脱硫单胞菌属(Desulforomonas)和异单胞菌属(Alteromonas)。如果需要,可以使用如WO00/39035中所描述的移动的砂滤器用于分离所得到的金属沉淀物。
(生物)还原过程中甲烷-氧化细菌在提供还原等价物上的使用从技术和经济方面来说是有利的。目前的使用甲烷作为最终还原剂的方法要求中间使用由甲烷通过化学(催化)重整产生的氢。这意味着对重整炉或类似装置的投资和使用并且也消耗约50%的甲烷用于通过必要的燃烧以保持催化过程处在必要的高温下。本生物学方法消除了这些缺点,因而导致了既在设备成本又在生产成本方面真正的成本节约(例如,低50%的甲烷消耗量)。
本发明的方法可以在厌氧型的常规生物反应器中进行,该反应器带有用于将气体引入反应器内的装置以及从反应器的顶部空间带走气体的装置。反应器可以是搅拌型的,但优选的反应器为带有存在于载体微粒如沙子、玄武岩,聚合物颗粒等上的或以颗粒、板材、膜等等形式存在的生物膜型反应器,以便优化基体(甲烷)和微生物之间的接触,(如果是共培养物,则是不同的微生物之间的接触)。
一个适宜的用于生物转化的反应器类型的例子是所谓的气开
-环反应器(gaslift-loopreactor)。这是一类当必须将气体基体供应给反应时特别有利的反应器。它使用被在反应器的底部引入的气体(甲烷)活化的垂直环流进行操作。这种反应器的一个例子是在荷兰的BudelZinc的锌车间使用的500m3气开-环反应器。在此情况下,10吨/天的硫酸盐通过加入12,000nm3/天的氢气被生物还原。此外,部分生物反应器废气通过压缩机回收以提高氢气使用的效率。这里20000nm3/天的天然气在蒸汽转化装置中被转化以提供必要量的氢气。当使用如上所述的厌氧甲烷氧化时,可以忽略重整炉并且可以直接将甲烷引入反应器。
另一种适宜的反应器类型是膜生物反应器,其中通过将反应器流出物穿过(膜)过滤器而实现生物体保留。膜生物反应器也可用于分离气体产物(如氢或硫化氢)。在这样一类的实施方案中,可渗透气体(例如硫化氢)的膜将反应器液体从反应器的气体空间分离,吸附性气体穿过膜以带走气体。这样允许了反应器保持低的硫化氢水平而无需高水位流经反应器。
本发明的方法可以在大气压下进行,或者如果希望可使用适当的耐压装置在高压如10-100巴的压力下进行。高压可有利于增加使用甲烷的生物学方法的转化率。
实施例菌株海栖热袍菌(Thermotogamaritima)(DSM3109)和深处古生球菌(Archaeoglobusprofundus)(DSM5631)从DeutscheSammlungvonMikroorganismenundZellkulturen(Braunschweig