[发明专利]将进料气流注入液体的垂直延伸柱中的方法

说明书

相关U.S.申请数据 

本申请要求在2010年6月30日提出的作为非临时实用新型申请的美国专利申请12/826,991的利益和优先权。在此将该申请的全文并入。 

发明领域

本发明涉及在包含深度发酵容器的液相转化区中将包含CO、CO₂,和H₂的进料气与包含含水醇料流的液体介质混合以产生进料气的细分散体。 

背景 

通过与液相中转化介质接触而转化气流组分在许多领域中很好地实践。如果气流的溶解度有限，则气流组分的接触和转化需要将气流作为细分散体良好地分布在液体介质中以提高气相与液相中转化介质之间的质量转移。气体在液流中的这一分散是能量消耗大的且通常需要将气流压缩以提供产生气体在液相接触介质中的高分散体所需的能量。 

已知多种装置用于将气体分散到液体介质中。这类装置包括文丘里注射器、缝隙式注射器或喷射注射器和其它高压混合器。发现这类气体转移装置广泛用于多个领域中，包括废水处理和发酵的那些。 

这些气体液体接触器的目的是得到经受转化的化学或生物材料的高反应速率。得到高反应速率通常需要克服质量转移限制。为此，设计液体和气体的混合以在两相之间产生高界面面积以使气体组分溶解并随后在液相中转化时的气体吸收/转移最大化。降低液体中气泡的大小能提高界面面积并帮助克服反应或生物转化的质量转移限制。 

最理想地，液体会夹带气体作为微泡的细分散体。产生微泡的分散体需要高能量输入。当产生时，微泡会开始聚结成较大的气泡和气栓。因此，典型的实践使气体分散体从其产生点至其与转化介质的接触点的输送最小化。 

US-A-4,683,122显示使用位于气体-液体反应器的顶部空间中的多个注射喷嘴将气体-液体混合物排到反应容器的下部中。‘122参考文献中的反应气体的初级输入需要气体供应的压缩。 

将气体分散到液体介质中在发酵领域中是特别重要的，因为日益强调将可再生能源转化成液体产物。例如，转化用于生物燃料生产的生物质以用作液体发动机燃料或用于与常规汽油或柴油发动机燃料混合是世界范围内日益增加的。这类生物燃料包括例如乙醇和正丁醇。生物燃料的主要驱动之一是它们通过发酵和生物加工技术衍生自可再生资源。 

生产这种生物燃料的一个技术路线是将木质纤维生物质转化成合成气(也称为合成气，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微生物发酵以产生生物燃料如乙醇、丙醇、正丁醇或化学品如乙酸、丙酸、丁酸等。该路线可以是非常有效的，因为气化步骤可将所有组分以良好的效率(例如大于75%的能量可有效作为可发酵化合物)转化成合成气，且一些厌氧微生物的菌株可以以高(例如大于90%理论值)效率将合成气转化成乙醇、丙醇、正丁醇或其它化学品。 

然而，该技术路线需要合成气组分CO和H₂有效且经济地分散或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和CO₂转化成乙醇的理论公式为： 

6CO+3H₂O→C₂H₅OH+4CO₂

6H₂+2CO₂→C₂H₅OH+3H₂O 

因此，对于每摩尔产生的乙醇，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这些气体具有类似的大化学计量需求。 

许多装置和设备用于在发酵和废物处理应用中将气体转移至微生物。配置这些反应器或系统中的大多数与浮游或悬浮形式的微生物一起使用，即它们作为单独的细胞存在于液体介质中。这类反应器或生物反应器含有大体积的液体且通常具有10米或更多的液体高度以保持足够的悬浮微生 物与气体接触并实现所需转化率。