Способы и системы управления процессом высокоэффективной анаэробной конверсии водорода и оксидов углерода в спирты - заявка 2016135923 на патент на изобретение в РФ

1. Непрерывный способ анаэробной биоконверсии газового субстрата, содержащего монооксид углерода, водород и диоксид углерода в растворителе на водной основе, содержащем микроорганизмы, необходимые для конверсии указанного субстрата в спирт, включающий:
а. непрерывное введение указанного субстрата в виде газовых пузырьков через один или несколько газовых впускных патрубков биореакторной установки, включающей, по меньшей мере, один биореактор для растворителя, содержащий, по меньшей мере, один газовый впускной патрубок и включает, по меньшей мере, один газовый выпускной патрубок, и, по меньшей мере, один биореактор в биореакторной установке содержит по существу, однородный растворитель на водной основе и характеризуется, по существу, неравномерным распределением концентрации субстрата между газовым впускным патрубком и газовым выпускным патрубком, причем суммарный субстрат, вводимый в биореакторную установку через указанный один или более газовые впускные патрубки, имеет отношение числа электронов к числу атомов углерода от приблизительно 5,2:1 до приблизительно 6,8:1;
b. обеспечение контактирования между газовыми пузырьками и указанным растворителем для получения содержащего спирт растворителя и обедненной субстратом газовой фазы в газовом выпускном патрубке в указанной биореакторной установке, причем продолжительность контактирования является достаточной для конверсии, по меньшей мере, приблизительно 80% водорода в газовом субстрате в спирт;
c. непрерывный отбор обедненной субстратом газовой фазы из указанной биореакторной установки, по меньшей мере, из одного газового выпускного патрубка, при котором обедненная субстратом газовая фаза, отбираемая из биореакторной установки, имеет величину парциального давления диоксида углерода от приблизительно 2,5 до приблизительно 25 кПа; и
d. непрерывный или периодический отбор части указанного растворителя из указанной биореакторной установки выделения спирта, причем отбор является достаточным для поддержания уровня содержания спирта в указанном растворителе ниже концентрации, при которой имеет место неблагоприятное воздействие спирта на микроорганизмы.

2. Способ по п. 1, в котором отношение числа электронов к числу атомов углерода в газовом субстрате составляет от приблизительно 5,5:1 до приблизительно 6,5:1.

3. Способ по п. 2, в котором величина парциального давления диоксида углерода в обедненном газом составляет от приблизительно 3,5 до приблизительно 10 кПа.

4. Способ по п. 1, в котором биореакторная установка включает, по меньшей мере, два проточных последовательно соединенных по газу биореактора.

5. Способ по п. 4, в котором, по меньшей мере, последний биореактор в каскаде реакторов содержит, по существу, однородный растворитель на водной основе и содержит, по существу, неравномерный по концентрации субстрат.

6. Способ по п. 1, в котором газовый субстрат содержит синтез-газ, поступающий из установки парового риформинга, и содержит, по меньшей мере, приблизительно 80% мол. монооксида углерода, водорода и диоксида углерода.

7. Способ по п. 6, в котором биореакторная установка включает биореактор с глубоким резервуаром.

8. Способ по п. 1, в котором газовый субстрат получают проведением риформинга углеродсодержащего сырья.

9. Способ по п. 8, в котором риформинг представляет собой автотермический риформинг, обеспечивающий образование синтез-газа, имеющего отношение числа электронов к числу атомов углерода от приблизительно 5,7:1 до приблизительно 6,0:1.

10. Способ по п. 8, в котором риформинг представляет собой паровой риформинг, и суммарный газовый субстрат имеет отношение числа электронов к числу атомов углерода от приблизительно 5,8:1 до приблизительно 6,4:1.

11. Способ по п. 10, в котором паровой риформинг представляет собой риформинг, имеющий отношение числа электронов к числу атомов углерода, большее, чем 8:1, и диоксид углерода добавляют в биореакторную установку для получения суммарного газового субстрата, имеющего отношение числа электронов к числу атомов углерода от приблизительно 5,8:1 до приблизительно 6,4:1.

12. Способ по п. 11, в котором (а) предусмотрена достаточная продолжительность контактирования газовых пузырьков с растворителем на водной основе в реакторной установке, (b) отношение числа электронов к числу атомов углерода поддерживают от 5,5:1 до приблизительно 6,8:1, (c) парциальное давление диоксида углерода в обедненной газовой фазе составляет от приблизительно 3,5 до приблизительно 10 кПа, и (d) монооксид углерода, водород и диоксид углерода составляют, по меньшей мере, приблизительно 80% мол. от общего объема газового субстрата, таким образом, что эффективность энергопользования, основанная на сырьевом потоке, подаваемом в установку для парового риформинга, включающем исходное сырье и топливо, составляет, по меньшей мере, приблизительно 60%.

13. Способ по п. 12, в котором биореакторная установка включает биореактор с глубоким резервуаром.

14. Способ по п. 13, в котором биореактор с глубоким резервуаром представляет собой барботажную колонну.

15. Способ по п. 14, в котором эффективность энергопользования, рассчитанная на основе углерода, подаваемого в установку парового риформинга в качестве сырья и топлива, составляет, по меньшей мере, приблизительно 65%.

16. Способ управления функционированием биореакторной установки анаэробной биоконверсии газового субстрата, содержащего монооксид углерода, водород и диоксид углерода в растворителе на водной основе, содержащем микроорганизмы, необходимые для конверсии указанного субстрата в спирт, в котором:
а. указанный субстрат непрерывно вводят в виде газовых пузырьков через один или несколько газовых впускных патрубков биореакторную установку, включающую, по меньшей мере, один биореактор для растворителя, который включает, по меньшей мере, один газовый впускной патрубок и включает, по меньшей мере, один газовый выпускной патрубок, и, по меньшей мере, один биореактор в биореакторной установки содержит по существу, однородный растворитель на водной основе и характеризуется, по существу, неравномерным распределением концентрации субстрата между газовым впускным патрубком и газовым выпускным патрубком;
b. поддерживают контактирование между газовыми пузырьками и указанным растворителем для получения содержащего спирт растворителя и обедненной субстратом газовой фазы в газовом выпускном патрубке в указанной биореакторной установке;
c. обедненную субстратом газовую фазу непрерывно отбирают из указанной биореакторной установки, по меньшей мере, из одного газового выпускного патрубка; и
d. часть указанного растворителя непрерывно или периодически отбирают из указанной биореакторной установки выделения спирта, причем отбор является достаточным для поддержания уровня содержания спирта в указанном растворителе ниже концентрации, при которой имеет место неблагоприятное воздействие спирта на микроорганизмы;
причем способ дополнительно включает стадию регулирования отношения числа электронов к числу газовых пузырьков атомов углерода, чтобы она составляла от приблизительно 5,2:1 до приблизительно 6,8:1, и включает стадию корректировки концентрации диоксида углерода в газовом субстрате с той целью, чтобы величина парциального давления диоксида углерода в обедненной субстратом газовой фазе, по меньшей мере, в одном газовом выпускном патрубке составляла от приблизительно 2,5 до приблизительно 25 кПа.

17. Способ по п. 16, в котором газовый субстрат получают путем, по меньшей мере, газификацией, частичным окислением или риформингом углеродсодержащего сырья.

18. Способ по п. 17, в котором риформинг представляет собой автотермический риформинг, и функционирование автотермического риформинга приводит к образованию синтез-газа, имеющего отношение числа электронов к числу атомов углерода от приблизительно 5,7:1 до приблизительно 6,0:1.

19. Способ по п. 17, в котором риформинг включает паровой риформинг.

20. Способ по п. 19, в котором паровой риформинг обеспечивает получение продукта риформинга, имеющего отношение числа электронов к числу атомов углерода, большее, чем 8:1, и диоксид углерода добавляют к продукту риформинга для получения газового субстрата.

21. Непрерывный способ анаэробной биоконверсии газового субстрата, содержащего монооксид углерода, водород и диоксид углерода в растворителе на водной основе, содержащем микроорганизмы, необходимые для конверсии указанного субстрата в спирт, включающий:
а. проведение непрерывного риформинга углеродсодержащего сырья путем автотермического риформинга с использованием воздуха в качестве источника кислорода для автотермического риформинга с получением синтез-газа, имеющего отношение числа электронов к числу атомов углерода от приблизительно 5,5:1 и 6,0:1, и концентрацию азота от приблизительно 25 до приблизительно 35% мол.;
b. непрерывное введение указанного синтез-газа в виде газовых пузырьков через один или несколько газовых впускных патрубков в биореакторную установку, включающую, по меньшей мере, один биореактор для растворителя, который включает, по меньшей мере, один газовый впускной патрубок и включает, по меньшей мере, один газовый выпускной патрубок, и, по меньшей мере, один биореактор в биореакторной установке содержит, по существу, однородный растворитель на водной основе и характеризуется, по существу, неравномерным распределением концентрации субстрата между газовым впускным патрубком и газовым выпускным патрубком;
c. обеспечение контактирования между газовыми пузырьками и указанным растворителем для получения содержащего спирт растворителя и обедненной субстратом фазы синтез-газа в газовом выпускном патрубке в указанной биореакторной установке, причем продолжительность контактирования является достаточной для конверсии, по меньшей мере, приблизительно 90% водорода и, по меньшей мере, приблизительно 95% монооксида углерода в газовом субстрате в спирт;
d. непрерывный отбор обедненной субстратом газовой фазы синтез-газа из указанной биореакторной установки, по меньшей мере, из одного газового выпускного патрубка, при котором обедненная субстратом газовая фаза, отбираемая из биореакторной установки, имеет величину парциального давления диоксида углерода от приблизительно 2,5 до приблизительно 25 кПа; и
e. непрерывный или периодический отбор части указанного растворителя из указанной биореакторной установки выделения спирта, причем отбор является достаточным для поддержания уровня содержания спирта в указанном растворителе ниже концентрации, при которой имеет место неблагоприятное воздействие спирта на микроорганизмы.

22. Способ по п. 21, в котором эффективность энергопользования, рассчитанная на основе углерода, подаваемого в установку для автотермического риформинга, по меньшей мере, составляет приблизительно 65%.
Наверх