[发明专利]具有多种运行模式的太阳能燃气设备

说明书

本发明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；FHI 2011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(Blankenship R.E.等，2011年)。自然光照的效率实际上只有1％至2％(Barber J.，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(Masukawa H.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。

通过本发明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。

根据发明的内容，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。