[发明专利]控制在由合成气制备乙醇中由污染性有机体导致的不希望的副产物形成的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过在发酵系统中与微生物接触将气体基质料流中的氢气和一氧化碳低能、厌氧生物转化成氧合C₂化合物如乙醇的方法，氢气和一氧化碳的转化效率都高。本发明方法降低了由发酵系统中的细菌污染产生的不希望的副产物如丁酸、丁醇和其它更长链有机酸或醇的产生。

发明背景

用作液体发动机燃料的生物乙醇生产在世界范围内日益提高。这类生物燃料包括例如可与具有宽组成范围的汽油混合的乙醇。生物乙醇的主要驱动之一是它通过发酵和生物方法技术衍生自可再生资源。通常，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种主要农作物为甘蔗(巴西和其他热带国家)和玉米(corn)或玉米(maize)(美国和其他温带国家)。由于与食品和饲料生产竞争、耕地使用、水可得性和其他因素，提供易发酵碳水化合物的农业原料的可得性有限。因此，木质纤维素原料如林业余料、种植园树木、稻草、禾草和其他农业余料可被视为生物燃料生产的原料。不同于化石燃料的使用，由这类植物或甚至城市废物来源得到生物乙醇提供了对液体燃料的生产而言环境上可许可的资源。

生产生物乙醇的高效路线为生物质或其它有机物质气化成包含CO和/或氢气的基质气体，其后使用同型产乙酸(homoacetogenic)微生物将气体转化成乙醇。这类转化方法由US7,285,402B2、US20110059499A1、US20090215163A1及其它中已知。

通常，用于一氧化碳或氢气转化的基质气体衍生自合成气体(合成气)，所述合成气来自于含碳材料气化、天然气重整，和/或衍生自来自于厌氧发酵罐或来自各种工业方法的排出物流的生物气体。气体基质包含一氧化碳、氢气和二氧化碳，且通常包含其它组分如水蒸气、氮气、甲烷、氨、硫化氢等。(就本文而言，除非另外指出或者上下文明示，所有气体组合物基于干燥报告。)

通过这些方法由基质气体制备乙醇需要显著量的氢气和一氧化碳。例如，一氧化碳和氢气转化成乙醇的理论公式为：

6CO+3H₂O→C₂H₅OH+4CO₂

6H₂+2CO₂→C₂H₅OH+3H₂O

可以看出，一氧化碳的转化导致产生二氧化碳。氢气的转化涉及氢气和二氧化碳的消耗，该转化有时称为H₂/CO₂转化。就本文而言，它称为氢气转化。

合成气发酵方法的问题是气体基质，即一氧化碳和氢气，在发酵溶媒的液相中的溶解度差。Munasinghe等人在Biomass-derived Syngas Fermentation in Biofuels：Opportunities and Challenges，Biosource Technology,101(2010)5013-5022中，总结了在各种反应器构造和流体动力条件下，文献中报告的用于合成气和一氧化碳的发酵介质的体积传质系数。因此，制备乙醇的生物发酵方法需要大体积的发酵液。例如，商业规模装置，具有55,000,000加仑或更大的生产能力的那些装置需要使用容纳百万加仑或更多发酵液的容器的发酵区。此外，发酵方法需要以连续方式操作延长的时间。

为保持由这类发酵区制备乙醇的效率，需要使C₂氧合产物的产生最大化，同时使较高碳链产物如C₄、C₆、C₈和较高有机酸或醇的产生最小化。已知方法设法通过使用对C₂产物的产生具有非常高选择性的同型产乙酸细菌实现该效率。由于它们的性质，将气体基质转化成乙醇的同型产乙酸有机体不具有制备这些较长碳链产物的路径。

同型产乙酸有机体在厌氧条件下与最少的介质存活于CO和H₂基质上的能力提供保护以对抗需要许多不同环境的许多生物污染物。然而，工业乙醇生产所需发酵区和总设备的尺寸和规模使设备的无菌操不可能。因此，微生物污染不可避免地在一些点发生并可能由于产生这类更高链副产物而使生产劣化，这又严重降低乙醇或其它理想产物的收率。