[发明专利]启动用于由一氧化碳和氢气制备含氧有机化合物的深槽厌氧发酵反应器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于启动厌氧深槽发酵系统的方法，这些厌氧深槽发酵系统在处于一种气态基质流中的氢气、一氧化碳以及二氧化碳到含氧有机化合物如乙醇的厌氧生物转化中使用。

背景技术

氢气和一氧化碳的厌氧发酵涉及处于一种液体发酵溶媒中的基质气体与能够产生如乙醇、乙酸、丙醇以及正丁醇的含氧有机化合物的微生物的接触。这些含氧有机化合物的产生要求大量的氢气和一氧化碳。例如，用于一氧化碳和氢气到乙醇的转化的理论公式是：

6CO+3H₂O·C₂H₅OH+4CO₂

6H₂+2CO₂·C₂H₅OH+3H₂O。

如可见的，一氧化碳的转化导致二氧化碳的生成。氢气的转化涉及氢气和二氧化碳的消耗，并且此转化有时被称为H₂/CO₂转化。出于在此的目的，它被称为氢气转化。

典型地，用于一氧化碳和氢气转化的基质气体是，或来源于来自含碳材料的气化的合成气(synthesis gas)((合成气(syngas))；来源于天然气和/或来自厌氧消化的生物气的重整；或来源于各种工业方法的排气流。气体基质包含一氧化碳、氢气以及二氧化碳，并且通常包含其他组分，如水蒸汽、氮气，甲烷，氨、硫化氢等。(出于在此的目的，所有气体组成都以干基报告，除非另外说明或从上下文明了。)

这些基质气体典型地比相等热含量的化石燃料更昂贵。因此，对有效地使用这些气体来制备更高价值产品存在希望。任何转化方法的商业可行性，尤其是针对商品化学品如乙醇和乙酸，将取决于资金成本、一氧化碳和氢气到所寻求产品的转化效率、以及实现转化的能量成本。

合成气发酵过程遭受气体基质即二氧化碳和氢气在发生生物过程的发酵溶媒的液相中的差溶解性。穆纳辛格(Munasinghe)等人在生物燃料中的生物质来源的合成气发酵：机遇与挑战(Biomass-derived Syngas Fermentation in Biofuels:Opportunities and Challenges)，生物来源技术(Biosource Technology)，101(2010)5013-5022中概述了到发酵介质的体积质量传递系数，这些体积质量传递系数是在文献中针对各种反应器构型和流体动力学条件下的合成气和一氧化碳进行报告的。多种条件可提高合成气到液相的质量传递。例如，增大气体进料与液相之间的界面面积可以提高质量传递速率。

已披露了多种用于一氧化碳和氢气到含氧化合物的转化的方法。一种这样的方法如通过使用马达驱动的叶轮将用于转化的微生物悬浮于搅拌槽反应器中所包含的水性溶媒中。搅拌槽发酵反应器提供许多优势。对于搅拌槽反应器，据说加大叶轮的搅动会提高质量传递，因为获得了较小的气泡大小。另外，搅拌动作不仅在水性溶媒中分布气相，而且这些相之间的接触持续时间可得到控制。另一个非常重要的益处是搅拌槽内的组成会相对均匀。例如，穆纳辛格等人在后来的出版论文：合成气发酵成生物燃料：不同反应器构型中的一氧化碳质量传递系数(kua)的评估(Syngas Fermentation to Biofuel:Evaluation of Carbon Monoxide Mass Transfer Coefficient(kua)in Different Reactor Configurations)，生物技术进展(Biotechol.Prog.)，2010，第26卷，第6期，第1616-1621页中将鼓泡器(0.5毫米直径的孔)与不同旋转速率的机械混合相组合以提供增强的质量传递。这种均匀性使得能够良好地控制在稳态操作过程中的发酵过程。这在其中存在两种转化途径的一氧化碳和氢气到含氧化合物的厌氧转化中特别有利。因此，由一氧化碳的转化产生的二氧化碳在位置上接近于消耗二氧化碳的氢气消耗途径。均匀性进一步促进新鲜气体基质的添加。搅拌槽反应器所带来的问题是资金成本、在所需混合和搅动中消耗的大量能量、以及对实现基质的高转化的多级的需要。