[发明专利]气体馈给发酵系统

说明书

背景

技术领域

本发明总体上涉及适用于发酵的容器、系统和过程，并且尤其涉及使用气态基质的发酵系统。

相关技术描述

随着化石燃料沉积物不断增加的消耗、温室气体的产生增加和最近关于气候变化的关注，用生物燃料(例如，乙醇、生物柴油)替代化石燃料已成为工业重点。但是，迄今为止所产生的生物燃料具有其自身的困难和问题。第一代生物燃料来源于植物(例如，淀粉；蔗糖；和玉米、油菜籽、大豆、棕榈和其它植物油)，但这些燃料作物与为了人和动物消耗而种植的作物竞争。在全球可耕地的数量不足以满足食物和燃料日益增长的需求。为了减少食品生产者承担的对于生物燃料相容谷物的需求，使用替代性生物材料如纤维素或藻类的第二代生物燃料正在开发中。但是，生产中的技术困难，以及较高生产成本，还未使得第二代生物燃料更具成本效益或可使用。

第三或下一代生物燃料使用替代性非食物基碳原料制成。作为这种努力的一部分，在生产高级烃化合物包括燃料、润滑剂和塑料中使用替代性非生物基的原料正获得不断增加的势头。这类原料可包括一种或多种含碳化合物或含碳和非含碳化合物(尤其包括甲烷和合成气)的混合物。举例来说，甲烷是相对丰富、天然发生的并且发现于世界各地的许多位置。甲烷也在许多生物腐烂过程期间产生，并且因此可从废物处理和垃圾掩埋场设施捕获。由于它的相对丰度，甲烷是有效温室气体，具有CO₂的23x相对温室气体贡献。从历史上看，甲烷一直被看作是一种稍微有价值的副产物，其难以转化为更高价值的产物，或从远程或滞留位置如远程气田或沿海生产平台输送到市场。来自这类来源的甲烷，以及通过在污水处理设施和垃圾掩埋场发生的生物分解过程所产生的甲烷主要排放或燃烧掉。经济地并有效地将甲烷和类似含碳气体转化成一种或多种较高价值C₂或高级烃的能力允许生产者利用相对丰富、非生物产生的原料，同时提供显著的环境益处。

近期国内甲烷生产的增加(从2006年的480亿立方英尺当量/天至2012年的650亿立方英尺当量/天)将天然气的成本推动至历史新低(从2006年的约$14.00/MMBTU至2012年的约$2.50/MMBTU)。国内天然气主要通过水力压裂(hydraulic fracturing)(“压裂(fracking)”)来生产，但是甲烷也可从其它来源，如垃圾掩埋场和污水获得。但是，甲烷的挥发性使得甲烷的运输和/或作为燃料的直接使用是成问题的。

出于这些原因，存在将甲烷转化成一种或多种液体产物，例如发动机燃料的强烈诱因，以允许更容易运输至使用或出售点。当前追求两种主要方法：产生液化天然气(LNG)的液化和将气体转化至液体(GTL)的化学转化(Patel,2005,第7届世界化学工程大会(7th World Congress of Chemical Engineering),Glasgow,Scotland,UK)。Fischer Tropsch(F-T)过程当前是将大量甲烷转化至高阶烃的最普遍方法(Patel,2005)。注意F-T过程采用合成气作为输入，所述合成气通过蒸汽重整从天然气产生(合成气也可通过与水和氧的高温反应而来源于煤的气化)。F-T过程产生与现在燃料供应一致的石油产品，但是受许多缺点影响，包括低产量、不良选择性(使得下游利用复杂)，并且需要大量资本支出和规模以达到经济的生产(Spath和Dayton,2003年12月NRELlTP-510-34929)。F-T工厂所需要的巨大规模(资本成本总体上超过二十亿美元[Patel,2005])也代表显著限制，因为需要大量甲烷原料来补偿F-T过程的巨大资本成本。因为甲烷输送在大多数情况下过于昂贵，所以这样的工厂必须与稳定、可靠和具有成本效益的甲烷来源共同定位，通常呈显著甲烷储槽或甲烷管道的形式。额外的成本和比例因素是气体洗涤技术的经济性(Spath和Dayton,2003)，因为F-T催化剂对于不受影响地通过合成气转化过程的天然气中的常见污染物相当敏感。