利用气/液分离容器的进气发酵反应器、系统和方法技术方案

描述了利用非垂直减压区的通过在水性液体培养基循环内环反应器中培养微生物来生产生物质的反应器、系统和方法。描述了回收和处理培养微生物以获得产物如蛋白质或烃。

The reactor, system and method of air inlet fermentation using gas / liquid separation vessel

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用气/液分离容器的进气发酵反应器、系统和方法
技术介绍

本专利技术涉及利用气/液分离容器的可用于发酵的进气发酵反应器、系统和方法，并且尤其涉及使用气态底物的发酵系统。相关技术描述随着化石燃料沉积物不断增加的消耗、温室气体的产生增加和最近关于气候变化的关注，用生物燃料(例如，乙醇、生物柴油)替代化石燃料已成为工业重点。然而，迄今为止所产生的生物燃料具有其自身的困难和问题。第一代生物燃料来源于植物(例如，淀粉；蔗糖；和玉米、油菜籽、大豆、棕榈和其他植物油)，但是这些燃料作物与为了人和动物消耗而种植的作物竞争。全球可用的农用土地的量不足以满足食物和燃料二者的日益增长的需求。为了减少食品生产者承担的对于生物燃料相容谷物的需求，使用替代性生物材料如纤维素或藻类的第二代生物燃料正在开发中。然而，生产中的技术困难，以及高生产成本，还未使得第二代生物燃料更具成本效益或可使用。第三代或下一代生物燃料使用替代性非食物基碳原料制成。作为这种努力的一部分，在生产高级烃化合物(包括燃料、润滑剂和塑料)中使用替代性非生物基的原料正获得不断增长的势头。这样的原料可以包括一种或多种含碳化合物或者含碳和非含碳化合物的混合物(尤其包括甲烷和合成气)。例如，甲烷是相对丰富的、天然存在的并且发现于世界各地的许多位置。甲烷也在许多生物腐烂过程期间产生，并且因此可以从废物处理和垃圾掩埋场设施中捕获。由于它的相对丰度，甲烷是有效温室气体，具有CO2的23x相对温室气体贡献。从历史上看，甲烷被看作是一种稍微有价值的副产物，其难以转化为更高价值的产物或难以从远程或滞留位置如远程气田或近海生产平台输送到市场。来自这样的来源的甲烷以及由在污水处理设施和垃圾掩埋场发生的生物分解过程产生的甲烷主要被排放或燃烧掉。经济地并有效地将甲烷和类似含碳气体转化为一种或多种较高价值的C2或高级烃的能力将允许生产者利用相对丰富的、非生物产生的原料，同时提供显著的环境益处。国内的甲烷生产能力的增加使得甲烷更容易在国内获得。国内的天然气主要通过水力压裂(hydraulicfracturing)(“压裂(fracking)”)生产，但是甲烷也可以从其他来源如垃圾掩埋场和污水获得。但是，甲烷的挥发性使得甲烷的输送和/或作为燃料的直接使用是成问题的。由于这些原因，存在将甲烷转化为一种或多种液体产物(例如发动机燃料)的强烈诱因，以允许更容易输送至使用或销售点。当前追求两种主要方法：产生液化天然气(LNG)的液化和气转液(GTL)的化学转化(Patel,2005,7thWorldCongressofChemicalEngineering(第7届世界化学工程大会),Glasgow,Scotland,UK)。当前，费-托(F-T)法(FischerTropsch(F-T)process)是将大量甲烷转化为高阶烃的最普遍的方法(Patel,2005)。注意F-T法采用合成气作为输入；合成气通过蒸汽重整由天然气产生(合成气也可以通过与水和氧的高温反应而来源于煤的气化)。F-T法产生与现在燃料供应一致的石油产品，但是具有许多缺点，包括低产量、不良选择性(使得下游利用复杂)，并且需要大量资本支出和规模以达到经济的生产(Spath和Dayton，2003年12月，NRELlTP-510-34929)。F-T工厂所需要的巨大规模(资本成本通常超过二十亿美元[Patel,2005])也代表了一个显著限制，因为需要大量甲烷原料来补偿F-T法的巨大资本成本。由于甲烷输送在大多数情况下过于昂贵，所以这样的工厂必须与稳定、可靠和具有成本效益的甲烷来源位于同一地点，所述甲烷来源通常为显著的甲烷储槽或甲烷管道的形式。另外的成本和放大因素是气体洗涤技术的经济性(Spath和Dayton,2003)，因为F-T催化剂对于在不受影响地通过合成气转化过程的天然气中发现的常见污染物相当敏感。目前，容易获得大量相对干净的含甲烷气体连同大规模资本投入的要求将基于天然气的F-T工厂限制于在世界范围内仅少数地方中成功且经济上可行的操作(Spath和Dayton,2003)。气转液过程或液化天然气工厂的较高最小化加工要求连同高输送成本导致剩余的作为“滞留(stranded)”气体沉积物的较小甲烷源。这样的滞留气体可以包括但不限于在近岸油井产生的天然气，或来自垃圾填埋场的甲烷废气。由于目前缺少有效的小规模转化技术，所以这样的滞留气体源通常排放到大气中或者被燃烧，因为甲烷积聚存在显著的安全风险。自1938年以来，使用费-托法的气转液设施一直半连续地运行。考虑到上面所讨论的甲烷的当前可用性和价格，几家公司正在研究引入新工厂。然而，尽管在过去70多年中进行了显著的研究和开发，但是费-托技术的限制妨碍了商业化气转液过程的广泛采用。在过去几十年中，通过使用饲料添加剂已经实现了动物饲料利用效率的进步。这些添加的物质增加了动物饲料组合物的营养含量、能量含量和/或抗病特性。商业动物生产者面临的日益增长的挑战是粮食成本上升。上升的成本部分地是由于用于生物燃料和人类食品用途的谷物的竞争性需求。随着谷物和蛋白质补充剂成本的上升，加上可用于饲料生产的有限土地，需要具有有益营养和抗病特性的替代性低成本动物饲料产品。已经提出许多不同的含蛋白质材料作为在人类食品中更传统的蛋白质来源的替代物(如鱼粉、大豆产品和血浆)和作为动物饲料。这些含蛋白质材料包括含有高比例蛋白质的单细胞微生物，如真菌、酵母和细菌。这些微生物可以在碳氢化合物或其他底物上生长。鉴于以上，使用C1底物作为碳源的生物发酵为食物来源与生产化学品/燃料的发酵之间的当前竞争、替代性低成本动物饲料产品的需求以及缺乏使用天然气的良好选项提供了有吸引力的解决方案。然而，发酵气态底物如甲烷、CO或CO2提出了重大的挑战，这是因为以下要求：必须将碳底物从气相传递至水相以允许被培养物中的C1代谢非光合微生物吸收并代谢。同时，还可能需要其他气体如O2或H2以从气相传递，从而允许进行细胞代谢(分别为需氧或厌氧代谢)。废产物(如在需氧代谢的情况下的CO2)必须从微生物分离以允许有效的微生物生长。此外，来自C1底物代谢的发热是显著的并且系统需要冷却以维持微生物生长的最佳条件。另外，C1底物的生物发酵有时导致C1底物(诸如甲烷)与氧化剂(诸如氧气)处于同一容器中。必须注意避免燃烧和爆燃。从液相至汽相的对流传质可以用传质系数描述。通量等于传质系数、表面积和浓度差的乘积(通量＝kAΔC)。传质系数受多种因素影响，包括待传递的分子的大小、它在水相中的溶解性和各相之间的边界层的大小(通常在发酵系统中由混合速度和湍流控制)。在大多数发酵系统中，气相与液相之间的表面积主要由输入气体的气泡大小限制。可以通过引入气体穿过小孔，以及增加剪切力以使气泡分裂开并且防止聚结来控制气泡大小。浓度差可以是跨越气相边界层的浓度差、跨越液相边界层的浓度差、整体(bulk)蒸汽和与整体液体平衡的蒸汽之间的浓度差、或整体液体和与整体蒸汽平衡的液体之间的浓度差。在大多数发酵系统中，通过气相的压力来控制浓度差。常规发酵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于刺激生物质生产的系统，所述系统包含：/n环流式反应器，所述环流式反应器包括：/n具有入口和出口的流体移动装置，所述流体移动装置的所述入口与基本垂直的下流区的出口流体连通；/n包括出口和入口的环路区段，所述环路区段的所述入口与所述流体移动装置的所述出口流体连通，/n包括出口和入口的基本垂直的上流区，所述基本垂直的上流区的所述入口与所述环路区段的所述出口流体连通；以及/n气/液分离容器，所述气/液分离容器具有纵轴并且包括：/n出口、入口，所述气/液分离容器的所述入口位于所述气/液分离容器的下部并且与所述基本垂直的上流区的所述出口流体连通，所述水平气/液分离容器的所述出口与所述基本垂直的下流区的入口流体连通；/n在所述气/液分离容器的所述出口和所述入口之间的中间区段，所述中间区段具有等于D的恒定直径；/n在所述中间区段的一侧的出口侧区段，所述出口侧区段包括所述气/液分离容器的所述出口；/n在所述中间区段的与所述出口侧区段相反的一侧的入口侧区段，所述入口侧区段包括所述气/液分离容器的所述入口，所述入口侧区段具有斜圆锥平截头体形状，并且在流体流通过所述入口侧区段的方向上具有增加的直径；以及/n在所述气/液分离容器的所述出口和所述流体移动装置的所述入口之间延伸的直径不增加的流体导管。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170814 US 62/545,3471.一种用于刺激生物质生产的系统，所述系统包含：
环流式反应器，所述环流式反应器包括：
具有入口和出口的流体移动装置，所述流体移动装置的所述入口与基本垂直的下流区的出口流体连通；
包括出口和入口的环路区段，所述环路区段的所述入口与所述流体移动装置的所述出口流体连通，
包括出口和入口的基本垂直的上流区，所述基本垂直的上流区的所述入口与所述环路区段的所述出口流体连通；以及
气/液分离容器，所述气/液分离容器具有纵轴并且包括：
出口、入口，所述气/液分离容器的所述入口位于所述气/液分离容器的下部并且与所述基本垂直的上流区的所述出口流体连通，所述水平气/液分离容器的所述出口与所述基本垂直的下流区的入口流体连通；
在所述气/液分离容器的所述出口和所述入口之间的中间区段，所述中间区段具有等于D的恒定直径；
在所述中间区段的一侧的出口侧区段，所述出口侧区段包括所述气/液分离容器的所述出口；
在所述中间区段的与所述出口侧区段相反的一侧的入口侧区段，所述入口侧区段包括所述气/液分离容器的所述入口，所述入口侧区段具有斜圆锥平截头体形状，并且在流体流通过所述入口侧区段的方向上具有增加的直径；以及
在所述气/液分离容器的所述出口和所述流体移动装置的所述入口之间延伸的直径不增加的流体导管。


2.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包含排出导管，所述排出导管包括入口端和出口端，所述排出导管的所述入口端连接至所述气/液分离容器的所述出口侧区段，并且所述排出导管的所述出口端连接至所述基本垂直的下流区。


3.根据权利要求1所述的系统，其中所述气/液分离容器的所述入口、所述出口、所述中间区段、所述出口侧区段和所述入口侧区段的最低边缘接触公共面。


4.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包含供给导管，所述供给导管包括入口和出口，所述供给导管的所述入口连接至所述基本垂直的上流区，并且所述供给导管的所述出口端连接至所述气/液分离容器的所述入口侧区段。


5.根据权利要求1所述的系统，其中具有斜圆锥平截头体形状的所述入口侧区段包括范围在5至30°的锥角。


6.根据权利要求1所述的系统，其中所述气/液分离容器的所述出口的直径小于所述气/液分离容器的所述入口的直径。


7.根据权利要求1所述的系统，其中沿着所述气/液分离容器的所述纵轴测量的所述入口侧区段的长度大于沿着所述气/液分离容器的所述纵轴测量的所述中间区段的长度，并且大于沿着所述气/液分离容器的所述纵轴测量的所述出口侧区段的长度。


8.根据权利要求1所述的系统，其中所述出口侧区段具有碟形形状。


9.一种气/液分离容器，所述气...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮栾清，乔舒亚·A·西尔弗曼，格雷厄姆·伊恩·艾伦，
申请(专利权)人：凯利斯塔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US