[发明专利]由间接气化的合成气发酵的方法

说明书

相关申请

本申请要求2009年9月16日提交的美国专利申请12/561,116的利益和优先权。

发明领域

本发明涉及合成气的生产及CO和CO₂与H₂的混合物向液体产物的生物转化。

发明详述

发明背景

用作液体发动机燃料或用于与常规汽油或柴油机燃料混合的生物燃料的生产在世界范围内日益增加。这类生物燃料例如包括乙醇和正丁醇。生物燃料的主要驱动力之一是它们通过发酵和生物加工技术由可再生资源得到。按照惯例，生物燃料由容易发酵的碳水化合物如糖和淀粉制备。例如，用于常规生物乙醇生产的两类主要农作物为甘蔗(巴西和其它热带国家)和玉米或玉米(美国和其它温带国家)。提供容易发酵的碳水化合物的农业原料的可得性由于食品和饲料生产、耕地使用、水可用性和其它因素而受限。因此，木素纤维素原料如森林残留物、来自种植园的树、稻草、草和其它农业废弃物可变成用于生物燃料生产的可行原料。然而，木素纤维素材料非常均匀的性质能使它们提供植物和树的机械支撑结构，使得它们天生地抗生物转化。而且，这些材料主要含有三种单独类别的组分作为结构单元：纤维素(C₆糖聚合物)、半纤维素(各种C₅和C₆糖聚合物)和木质素(芳族和醚连接的杂聚物)。

例如，分解这些反抗结构以提供用于生物转化成乙醇的可发酵糖通常需要预处理步骤以及化学/酶水解。此外，常规酵母不能将C₅糖发酵成乙醇，木质素组分不可通过这类有机体完全发酵。通常木质素占物质含量的25-30％和木素纤维素生物质的化学能含量的35-45％。由于所有这些原因，用于将木素纤维素生物质转化成乙醇的基于预处理/水解/发酵路线的方法例如固有地困难且通常为不经济的多步骤和多转化方法。

可选择的技术路线为将木素纤维素生物质转化成合成气(也称为合成气体，主要是CO、H₂和CO₂与其它组分如CH₄、N₂、NH₃、H₂S和其它痕量气体的混合物)，然后将该气体用厌氧性微生物发酵以产生生物燃料如乙醇、正丁醇或化学品如乙酸、丁酸等。该路线可固有地比预处理/水解/发酵路线更有效，因为气化步骤可以以良好效率(例如大于75％)将所有组分转化成合成气，且一些厌氧性微生物菌株可以以高(例如大于90％理论值)效率将合成气转化成乙醇、正丁醇或其它化学品。此外，合成气可由许多其它含碳原料如天然气、重整气、泥煤、石油焦、煤、固体废物和填埋场气体制备，使得这是更普遍的技术路线。

然而，该技术路线需要合成气组分CO和H₂有效且经济地溶于含水介质中并转移至厌氧性微生物，所述厌氧性微生物将它们转化成想要的产物。并需要非常大量的这些气体。例如CO或H₂转化成乙醇的理论公式为：

6CO+3H₂O→C₂H₅OH+4CO₂

6H₂+2CO₂→C₂H₅OH+3H₂O

因此，对于每摩尔乙醇，必须将6摩尔相对不溶性气体如CO或H₂转移至含水介质中。其它产物如乙酸和正丁醇对于气体具有类似的大化学计量需求。

此外，产生这些生物转化的厌氧性微生物由这些生物转化产生非常少的代谢能。因此，它们生长非常缓慢且通常在它们生活周期的非生长阶段继续转化以获得用于其维持的代谢能。

如理论公式显示想要产物生产中合成气主要输入的组分包含CO及H₂和CO₂，且用于供入微生物中的主要进料组分包含CO和H₂。对于高转化率，合成气生物转化方法可尤其使用CO和H₂/CO₂以制备产物如乙醇、乙酸、丁醇等。这类生物转化方法一般在中等压力和低温下操作。