[发明专利]通过气化和发酵将二氧化碳封存到醇中的方法

说明书

本申请是申请日为2009年6月19日、申请号为200980129163.7、发明名称为“通过气化和发酵将二氧化碳封存到醇中的方法”的发明专利申请的分案申请。

政府利益声明

本发明的开发与美国能源部授权号DE-FG36-04G014315有关。

发明领域

本发明涉及气化的改良，以从含有至少一种还原气且含有至少一种微生物的气态底物生产醇。

发明背景

本发明构思了通过碳质材料的气化产生合成气体，所产生的含有CO、CO₂、和H₂的合成气体可以进一步通过某些微生物的发酵或消化起到产生醇(甲醇，乙醇，丙醇，丁醇等)、乙酸、乙酸类物质、氢气等的作用。以下反应和讨论说明了涉及醇生产的本发明的实施方案；其在以下对该概念的描述中被用作产物的例子：

6CO+3H₂O→CH₃CH₂OH+4CO₂(1)

6H₂+2CO₂→CH₃CH₂OH+3H₂O(2)

CO₂+C←→2CO(3)

CO₂+H₂←→CO+H₂O(4)

CH₄+CO₂←→2CO+2H₂(5)

所产生的醇的量依赖于气化和发酵过程的效率。在气化中存在着许多无效率之处，包括与下面各方面有关的能量需求：制备碳质原料，供给碳质原料，提高碳质原料温度，维持碳质原料温度，在本发明的各个在前方面中利用各种氧化物质，与碳质原料的不充分氧化接触，能量的环境损失，吸热反应，加压装置内的空气泄漏，以及碳原料向CO和H₂的不完全转化。使用低堆密度的碳质原料产生的无效率之处包括：热点，过度暴露于氧化物质，减少的CO浓度，灰分结渣等。所加入的氧化物质的类型和量可以使温度得以控制和醇产量得以增加。这些以及其它无效率之处减少了所得合成气体中的有效CO和H2，这可以消极影响醇产量。

发酵步骤也可以通过下述方面消极影响醇产量：CO或H₂的不完全转化，CO或H₂的不完全利用，不希望有的副产品的产生，由不希望有的副产物诱导的抑制，细胞团损失等。在一些情况下，微生物参与CO转化比参与H2转化多。因此，较高的CO浓度可以提供较大的乙醇产量。对于用产乙酸细菌从生物质生产乙醇，乙醇产量可以为每吨干碳质原料约80加仑(gal/DT)。未利用或未转化的碳可以作为二氧化碳余留下来。

人们相信，将碳质原料转化为醇可以帮助减少环境中的碳足迹。通过本发明进行的醇的生产可以增加燃料生产中碳的利用；因此对通过改善碳效率来积极地影响气候变化有巨大的潜能。此外，本发明提供了减少对外国石油的依赖和增加全球能源稳定性的方法。

二氧化碳重整是本领域已知的，然而，将碳质材料转化为燃料仍旧具有技术意义和重要性。本发明适用于气化和/或发酵过程，目的在于增加反应式(1)-(5)的醇(发酵产物)的收率，以及改善某些碳质原料的气化效率。本发明还提供了通过将碳封存(sequestering)到液体运输燃料醇中来减少温室气体排放的方法；因此减少了对石油化学燃料源的依赖。

玉米秸秆和其它生物质材料的气化常常导致过高的温度和灰分的熔化(结渣)，而这种熔渣的去除没有现成方法。用纯氧或富氧作为氧化剂时，这种问题尤其普遍。此外，使用生物质原材料时，合成气体中的一氧化碳组分常常十分稀薄(特别是用空气作氧化剂时)，从而导致热值低，以及后续转化为电、化学品或燃料的所需气体较少。二氧化碳是使全球变暖的气体，其很容易由燃烧过程或某些化学或生物反应得到，如通过谷物或甘蔗的糖发酵产生乙醇。作为化石燃料消耗的结果，地球大气中的二氧化碳浓度在逐渐增加。将CO2转化为液体燃料的方法将能够显著地帮助减少地球大气中的CO2浓度，并且能够帮助减少CO2排放。

谷物和甘蔗乙醇工艺需要大量的蒸汽和电用于原料的制备、乙醇的纯化等。由于能源成本的增加，这些项目代表了乙醇生产的主要成本构成。此外，在收割谷物或蔗糖的过程中，一半或一半以上的作物为多半不用的生物质形式，如玉米秸秆或甘蔗叶和甘蔗渣。这种生物质可以用来通过适当的转化工艺产生能量和或额外的乙醇。