[发明专利]氢气和碳氧化物有效地厌氧转化成醇的方法和控制系统的硫管理

说明书

本发明涉及氢气和碳氧化物有效地厌氧转化成醇的方法和控制系统的硫管理。具体而言，公开了通过微生物将合成气厌氧生物转化成醇的高转化效率方法，所述微生物具有使用有限量的硫的代谢过程。该方法通过形成对微生物有利的硫化合物而从离开生物反应器装置的气体中除去硫化氢。硫化合物可返回生物反应器装置中以满足一部分的微生物硫需求。

本申请为2013年12月30日提交的发明名称为“氢气和碳氧化物有效地厌氧转化成醇的方法和控制系统的硫管理”的PCT申请PCT/US2013/078200的分案申请，所述PCT申请进入中国国家阶段日期为2015年9月15日，申请号为201380074720.6。

技术领域

本发明涉及用于将氢气和碳氧化物厌氧转化成醇、尤其是乙醇、丙醇和丁醇的系统中回收副产物硫化氢的方法。

背景技术

氢气和一氧化碳的厌氧发酵涉及使在含水发酵液中的底物气体与能够产生醇如乙醇、丙醇、异丁醇和正丁醇的微生物接触。这些醇的产生要求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方程式为：

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。

通常用于一氧化碳和氢气转化的底物气体为或者衍生自以下来源的合成气体(合成气)：含碳材料的气化、天然气的部分氧化或重整，和/或来自厌氧消化的生物气，或者填埋气体或各种工业方法的废气流，例如来自煤焦化和生产钢的废气。底物气体包含一氧化碳、氢气和二氧化碳，并且通常包含其它组分如水蒸气、氮气、甲烷、氨、硫化氢等。

这些底物气体通常比相同热含量的化石燃料更昂贵。因此，需要有效地使用这些气体以制备更高价值的产物。任何转化方法，尤其是转化成日用化学品如乙醇的财政可行性部分地取决于用于产生底物气体的原料成本、转化效率以及操作和资本成本；以及取决于将一氧化碳和氢气转化成所寻求的产物的资本成本、转化效率以及将底物气体有效转化成较高价值产物的能量成本。

在生物反应器中，氢气和碳氧化物由气相变成溶于含水发酵液中，然后溶解的氢气和碳氧化物接触生物转化的微生物。由于一氧化碳以及尤其是氢气在含水介质中的低溶解度，物质传递能够是对生物转化成醇中的速率和转化率而言的限制性因素。因此，商业规模的生物反应器的设计中存在的挑战是在使该设备具有商业竞争力的资本和操作成本下提供所寻求的物质传递，同时仍能实现气体底物的高转化率。

来自生物反应器的废气包含不能生物转化的底物和稀释剂如甲烷、二氧化碳、氮气、硫化氢和其它杂质。存在于生物反应器中的微生物还将组分代谢成杂质如硫化氢、氧气、氮气、氢气和其它气体。副产物废气可燃烧以产生热和电，但这不是没有忧虑的。具体而言，硫化氢是有毒的，并且如果释放到大气中的话具有产生酸雨的倾向。当粗废气燃烧时，存在的硫化氢会形成硫氧化物，这是烟道气污染物。环境法规通常要求除去和处置这类烟道气污染物。在燃烧以前或以后除去硫的商业方法是已知的；但是，含硫气体的处理和硫回收具有显著的成本和操作缺点，这可能影响商业上的可行性。另外，尽管借助碱例如氢氧化钠、氢氧化钙等回收硫化物的各种方法是已知的，但由于共同产生的二氧化碳导致的废气的酸性性质会导致过度的碱消耗。更具体而言，与硫化氢的7.04的pKal相比，二氧化碳的6.37的较低且更酸性的pKal意味着从包含二氧化碳的生物反应器废气中回收硫化物的增加的碱消耗。因此，与通过用碱处理生物反应器废气而回收硫化物的设备及其操作有关的成本可能使这类回收不可行。