用于氢气和碳氧化物厌氧转化成醇的集成方法技术

公开了用于合成气厌氧生物转化成醇的集成方法，其中使一氧化碳、氢气和二氧化碳的气体底物与水性溶剂接触，其使气体底物与所述水性溶剂连续接触以产生醇和贫化气相，从水性溶剂中连续取出所述贫化气相；连续地或间歇地，且所述气体底物由至少两种具有不同组成的气体构成以提供具有大约5.2:1至6.8:1的电子/碳原子比的总气体底物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及用于氢气和碳氧化物厌氧转化成醇，尤其是乙醇、丙醇和丁醇的集成方法。背景氢气和一氧化碳的厌氧发酵涉及底物气体在水性发酵溶剂中与能够生成醇，如乙醇、丙醇、异丁醇和正丁醇的微生物的接触。这些醇的生产需要显著量的氢气和一氧化碳。例如，一氧化碳和氢气转化成乙醇的理论方程是：6CO+3H2O→C2H5OH+4CO26H2+2CO2→C2H5OH+3H2O。可以看出，一氧化碳的转化导致生成二氧化碳。氢气的转化涉及氢气和二氧化碳的消耗，且这种转化有时被称作H2/CO2转化。对于本文中的用途，其被称作氢气转化。通常，用于一氧化碳和氢气转化的底物气体是或衍生自来自碳质材料的气化、天然气的部分氧化或重整的合成气体(合成气)和/或来自厌氧消化的生物气或填埋气体或各种工业方法的废气流，如来自煤焦化和炼钢的废气。该底物气体含有一氧化碳、氢气和二氧化碳并通常含有其它组分，如水蒸气、氮气、甲烷、氨、硫化氢等。(对于本文，除非另行说明或从上下文中显而易见，所有气体组合物在干基上报道。)这些底物气体通常比等效热含量的化石燃料贵。因此，希望有效利用这些气体制造更高价值的产品。任何转化工艺，尤其转化成日用化学品如乙醇的财务可行性部分取决于原料的成本、转化效率和用于生成底物气体的运行和资本成本；并取决于一氧化碳和氢气转化成所需产品的资本成本、效率和实现底物气体转化成更高价值产品的能量成本。在生物反应器中，氢气和碳氧化物从气相溶解在水性溶剂中，然后溶解的氢气和碳氧化物接触用于生物转化的微生物。由于一氧化碳，尤其是氢气在水性介质中的低溶解度，质量传递是在生物转化成醇中限制速率和转化率的因素。因此设计商业规模生物反应器以在使这样的设施具有商业竞争力的资本和运行成本下在仍能实现气体底物的高转化率、同时提供所追求的质量传递时存在挑战。来自生物反应器的废气含有未生物转化的底物和稀释剂，如甲烷和氮气。尽管废气可再循环到该生物反应器或送往另一生物反应器，仍存在挑战。例如，该底物气体可能含有稀释剂，其如果再循环到生物反应器，会累积并降低分压，由此降低氢气和一氧化碳质量传递到水性溶剂中的驱动力。Bell在美国公开专利申请No.20100105118中公开了制造醇的集成方法，其据说在无氧存在的发酵中提供一氧化碳的高生物转化率。Bell在段落0013中指出，理论上，二氧化碳可用作用于更高级醇如乙醇生产的反应物。但是，他指出，在实践中，发酵成更高级醇的途径倾向于是二氧化碳的净生产者。在其公开的方法中，将来自生物反应器的含有二氧化碳的气体供入蒸汽重整器的反应段。该重整器干燥运行或在小于5:1的水:二氧化碳摩尔比下运行。Bell在段落0025中指出：“…本专利技术的集成方法在氢气过量下运行并有效地将重整工艺的进料中的二氧化碳转化成一氧化碳，并实际造成二氧化碳的较低工艺存量。”Bell在实施例中证实其方法的二氧化碳净生产和氢气的低转化率。在实施例1中，将107千摩尔/小时的二氧化碳供入生物反应器并在来自该生物反应器的废气中含有194千摩尔二氧化碳。将氢气以318千摩尔/小时的速率供入生物反应器，并在大约28％的氢气转化率下在废气中含有231千摩尔/小时的氢气。在实施例2中类似地，生物反应器的进料含有25千摩尔/小时的二氧化碳，并在废气中含有117千摩尔/小时的二氧化碳。将氢气以298千摩尔/小时的速率供入生物反应器，并在大约31％的氢气转化率下206千摩尔/小时的氢气进入废气。Bell对该废气施以膜分离单元操作以除去氢气以降低送回重整器的氢气量。将这种氢气作为燃料的一部分供入重整器的热箱。参见段落0074和0075。尽管与使用自热重整或传统蒸汽重整相比，Bell已减少二氧化碳排放，但氢气的低转化率减损了所公开的方法的商业可行性。Datta等人在美国公开专利申请No.20100105118中公开了来自使用生物质的间接气化产生合成气和甲烷的间接气化的合成气的发酵法。将含甲烷的合成气送往发酵区以将一氧化碳和二氧化碳和氢气转化成乙醇。来自发酵区的塔顶物因此是富甲烷料流。将这种富甲烷料流重整以产生额外的一氧化碳和二氧化碳和氢气，将它们送往发酵区。在附图中，对来自发酵区的废气施以与变压吸附结合的膜分离以提高甲烷浓度，然后使用部分氧化重整器进行重整。因此寻求可提供氢气和一氧化碳在商业规模的连续运行中转化成醇的极高转化率的方法。概述通过本专利技术提供氢气和碳氧化物厌氧转化成更高级醇，尤其是乙醇、丙醇和丁醇的连续方法，其中将厌氧发酵单元操作与提供底物气体的单元操作集成并由此提高生物转化效率。特别已经发现，高转化率和e-/C比的特定范围的组合提供惊人的更高级醇的生产率。已经发现，厌氧工艺中的氢气生物转化效率不仅取决于二氧化碳在水性发酵溶剂中的存在，还取决于电子/碳原子比。本专利技术的方法能够使用有利的合成气源以通过添加附加气体调节该合成气的组成而获得增强的合成气转化率。通过添加至少一种其它气体调节组成特别有吸引力，因为进料气体中的所有氢气和碳氧化物值可用于生物转化。此外，通过掺合比容易在几乎实时基础上实施组成调节。因此，如果生成合成气的单元操作具有扰动或影响合成气组成的其它工艺变化，可以快速调节电子/碳(e-/C)比以避免由于使用较不合意的电子/碳原子比而发生合成气值的不当损失。优选地，引入生物反应器组件中的气体底物包含至少大约80，优选至少大约90摩尔％的一氧化碳、氢气和二氧化碳。在这方面，提供包含一氧化碳、氢气和二氧化碳的气体底物在含有适合将所述底物转化成醇的微生物的水性溶剂中的厌氧生物转化的连续方法，其包括使所述气体底物与所述水性溶剂连续接触以将所述气体底物生物转化成醇并提供含醇溶剂和贫化气相；从所述水性溶剂中连续取出所述贫化气相；连续或间歇取出一部分所述溶剂以回收所述醇，所述取出足以使所述溶剂中的醇保持在不适当地负面影响微生物的浓度以下，其中使用至少两种具有不同组成的气体作为气体底物，其中至少一种具有高氢气浓度，如通过蒸汽重整生成的合成气或焦炉气，且其中至少另一种具有高碳氧化物浓度，尤其是高二氧化碳浓度，并可以在与水性溶剂接触前混合或分开添加到水性溶剂中以提供具有大约5.2:1至6.8:1，优选大约5.5:1至6.5:1，最优选大约5.7:1至6.4:1的电子/碳原子比的总或累计气体底物。优选地，具有高氢气浓度的气体(高氢气含量气体)具有至少大约6:1的e-/C比，且具有高碳氧化物浓度的气体(高碳氧化物含量气体)具有0:1(例如含有二氧化碳但不含氢气或一氧化碳)至大约5:1的e-/C比。在含有一个或多个生物反应器的生物反应器组件中进行发酵。可以使用任何合适的生物反应器组件，包括但不限于泡罩塔生物反应器；喷射回路生物反应器(jet loop bioreactor)；搅拌罐生物反应器；滴流床生物反应器；生物膜生物反应器；移动床生物反应器；膜生物反应器和静态混合器生物反应器，包括但不限于管式生物反应器。可能需要在顺序气体流动中的多个生物反应器，其中生物反应器中的底物浓度倾向于相对均匀。该生物反应器不需要，但可以提供基本均匀的水性溶剂组成。优选地，该生物反应器组件含有用于厌氧生物转化的水性溶剂，所述生物反应器组件具有至少一个入口部分和至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
包含一氧化碳、氢气和二氧化碳的气体底物在含有适合将所述底物转化成醇的微生物的水性溶剂中的厌氧生物转化的连续方法，其包括：使所述气体底物与所述水性溶剂连续接触以将气体底物生物转化成醇并提供含醇溶剂和贫化气相；从所述水性溶剂中连续取出所述贫化气相；连续或间歇取出一部分所述溶剂以回收所述醇，所述取出足以使所述溶剂中的醇保持在不适当地负面影响微生物的浓度以下，其中使用至少两种具有不同组成的气体作为气体底物以提供具有大约5.2:1至6.8:1的电子/碳原子比的总气体底物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.07 US 14/175,9051.包含一氧化碳、氢气和二氧化碳的气体底物在含有适合将所述底物转化成醇的微生物的水性溶剂中的厌氧生物转化的连续方法，其包括：使所述气体底物与所述水性溶剂连续接触以将气体底物生物转化成醇并提供含醇溶剂和贫化气相；从所述水性溶剂中连续取出所述贫化气相；连续或间歇取出一部分所述溶剂以回收所述醇，所述取出足以使所述溶剂中的醇保持在不适当地负面影响微生物的浓度以下，其中使用至少两种具有不同组成的气体作为气体底物以提供具有大约5.2:1至6.8:1的电子/碳原子比的总气体底物。2.权利要求1的方法，其中至少一种所述气体是焦炉气或来自烃质气体的蒸汽重整的合成气。3.权利要求2的方法，其中至少一种其它气体选自钢厂气体、来自碳质材料的气化的合成气、来自碳质材料的部分氧化的合成气和来自碳质材料的自热重整的合成气。4.权利要求1的方法，其中至少一种其它气体包含至少大约40摩尔％二氧化碳。5.权利要求4的方法，其中所述至少一种其它气体包含生物气。6.权利要求4的方法，其中所述至少一种其它气体包...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·达塔，S·G·考尔德伦，J·杜，R·希基，
申请(专利权)人：赛纳塔生物有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US