[发明专利]将生物质转化为含氧有机化合物的方法、用于该方法的设备及通过该方法产生的组合物

说明书

本申请是申请人于2012年11月6日提交的题为“用于将生物质转化为含氧的有机化合物的方法、用于该方法的设备及通过该方法产生的组合物”的中国专利申请201280068080.3的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于以商业上具有吸引力的方式将生物质转化为含氧的有机化合物的方法和设备及发生炉煤气组合物。

背景技术

存在许多用于使生物质产生包含一氧化碳、氢和二氧化碳的气体的嫌气气体发酵法的提议。对于本文的目的，将来自气化(gasification)的气体称为合成气(syngas)。已提出了一氧化碳、氢气和二氧化碳的厌氧发酵，其涉及使该底物气体在液体水性溶剂中与能够产生含氧的有机化合物诸如乙醇、乙酸、丙醇和正丁醇的微生物接触。这些含氧的有机化合物的产生需要大量的氢和一氧化碳。例如，一氧化碳和氢转化为乙醇的理论公式是：

6CO+3H₂0·C₂H₅OH+4C0₂

6H₂+2C0₂·C₂H₅OH+3H₂0

如可以看到，一氧化碳的转化导致二氧化碳的产生。氢的转化涉及氢和二氧化碳的消耗，此转化有时称为H₂/C0₂转化。对于本文的目的，将它称为氢转化。

包含在合成气中的成分可以不利地影响用于合成气的厌氧发酵的微生物。见例如Xu等人,The Effects of Syngas Impurities on Syngas Fermentation to Liquid Fuels,Biomass and Bioenergy,35(2011),2690-2696；美国公开的专利申请号20110097701；Abubackar等人,Biological Conversion of Carbon Monoxide:Rich Syngas or Waste Gases to Bioethanol,Biofuels,Bioproducts&Biorefining,5,(2011),93-114；及Munasinghe等人,Biomass-derived Syngas Fermentation into Biofuels:Opportunities and Challenges,Bioresource Technology,101,(2011),5013-5022。

已提出了净化用于厌氧发酵的合成气的许多方法。通常，该方法涉及从合成气去除不同的不利成分的多种操作。Xu等人在第2692页中指出：

“取决于杂质对生物过程和环境的影响，可能需要或不需要去除合成气杂质。主要根据可负担性和满足终端用户规格的能力来选择适合于合成气净化的商业技术……目前，焦油裂解法(包括气化器内的裂化)可以有效地将重烃和轻烃转化至可忽略的水平。可以利用水淬洗涤器来去除氨和痕量杂质。因此，氨处理可以用于冷却合成气后的硫及C0₂处理。还可以加入氧化锌床以用于额外的硫去除，使其下降至符合燃料合成要求的低水平……对于用C0₂作为底物之一的发酵方法，应考虑不同的硫处理法。备选地，可以通过使用可再生混合型氧化物吸附剂诸如钛酸锌来从气化方法去除H₂S……。”

“气化器下游的热催化性气体调节证明比物理策略(洗涤器+滤器)更有利。催化策略提供了将杂质(尤其是焦油和氨)转化为有用的气体化合物的可能性。通过向Zn-Ti吸附剂加入钴和镍促进剂(promoter)，NH₃分解和H₂S吸附将同时发生。大部分文献集中于在973和1173K之间的温度下在碱(煅烧白云石)和氧化铝支持的镍催化剂的作用下将焦油转化为有用的气体。煅烧白云石制成的保护床与镍催化单元的偶联可以有效地将焦油水平降至几个ppm……”。

合成气通常比等热焓量的矿物燃料贵。因此，存在这样的期望，在发酵操作中有效使用合成气来制备价值更高的产物且在任何净化操作中维持合成气价值。尤其是对于诸如乙醇和乙酸的日用化学制品，任何转化方法的财务可行性都将取决于资本成本以及一氧化碳和氢转化为所寻求的产物的效率和实现该转化的能耗。