本披露提供了一种用于从有机材料、优选地在连续揽拌反应器(CSTR)中 通过暗发酵和优选地其他化学品（如碳酸氨盐、乙醇、下醇、乙酸、丙酸、和下酸)生产生物制 氨的方法和整合的系统。一个下游重力沉降器可W在该CSTR之后被整合到该系统中。在此 披露了该方法和系统的实施例。然而，运些披露的实施例仅仅是示例性的，并且该方法和系 统可W是W很多不同的并且可替代的形式实施。
[0042] 如在此使用的，术语"约"和"大约"结合尺寸、浓度、溫度、或其他物理或化学特性 和特征的范围使用。运些术语的使用意思是涵盖可存在于运些特性和特征的范围的上限W 及下限中的轻微的变化。
[0043] 如在此使用的，术语"完全混合型生物反应器"意思是一种用于与在悬浮液中的微 生物和一种生长介质(例如，一种由营养素如有机碳、含氮化合物、含憐化合物、和痕量矿物 质溶液等组成的生长介质)一起使用的器皿，该器皿包括一种用于揽拌该器皿的内容物(例 如通过液压揽拌、机械揽拌等）的机构。连续揽拌反应器(CSTR)是一个完全混合型生物反应 器的实例。
[0044] 如在此使用的，术语"微生物"意思是能够在厌氧(不微好氧的)条件下发酵有机材 料W产生氨或甲烧、二氧化碳、和多种有机酸W及醇类的微生物。在运个术语内的微生物的 种属可W包括例如各种W下项中的一种或组合:梭菌种属（如下酸梭菌、拜氏梭菌、乙酷下 酸梭菌和双酶梭菌(C.bifermen化nts))、肠杆菌种属(如产气肠杆菌）、芽胞杆菌种属(如巨 大芽胞杆菌、苏云金芽抱杆菌）、W及其他厌氧细菌(例如类球红细菌）。
[0045] 如在此使用的，术语"有机材料"指的是在其分子结构中包括碳和氨的材料，例如 醇、酬、醒、脂肪酸、醋、簇酸、酸、糖、蛋白质、脂、多糖、单糖、纤维素、核酸、等。有机材料可W 例如存在于废物(例如工业废物流）、有机流体流、生物质等中。 方法
[0046] 图1是一种用于从有机生物质生产氨气、二氧化碳、挥发性脂肪酸类、和醇的方法 200的流程图。该方法200包括一个生物产氨步骤210、C02封存步骤215、氨气体回收步骤 220、第一液体流出物回收步骤230、和第一液体流出物分离步骤240。在该方法的一个变体 中，其导致产生甲烧和C〇2，该方法进一步包括一个第二液体流出物分离步骤250、第=液体 流出物回收步骤260、生物甲烧产生步骤270(还被称为生物产甲烧步骤270)、W及甲烧回收 步骤280。运些步骤210、220、230、240、250、260、270、280可^是^一种连续的方式进行，其 中运些步骤210、220、230、240、250、260、270、280中的一些或所有是同时地并且连续地或不 连续地进行的，与其中运些步骤210、220、230、240、250、260、270、280将是顺序地而不是同 时地进行的分批方法形成对比。
[0047] 在该生物产氨步骤210中，将有机材料和微生物提供至一个用于将该有机材料分 解成包括此、0)2、挥发性脂肪酸类、和醇类的产物的完全混合型生物反应器(例如，图2的完 全混合型生物反应器22)。在该C〇2封存步骤中，将C〇2气体捕获在该生物反应器的顶部空间 中并且在该顶部空间内将其转化为碳酸氨盐。通过封存在该顶部空间中的C〇2气体，该C〇2气 体有效地从该反应器动力学中去除，而没有从该反应器物理去除该C〇2。在该氨气体回收步 骤220中，在真空下从该完全混合型生物反应器回收该此气体的至少一部分。在该第一液体 流出物回收步骤230中，从该完全混合型生物反应器回收一种第一液体流出物的至少一部 分，该第一液体流出物包括运些微生物、运些挥发性脂肪酸类、W及运些醇类的至少一部 分。
[0048] 在该C〇2封存步骤中，将该碳酸氨盐在该顶部空间中收集并且不连续地从该顶部 空间去除。在该C〇2封存步骤中，0)2气体被捕获并且通过与一种固体氨氧化物、优选金属氨 氧化物、更优选碱金属氨氧化物、最优选KOH或化OH反应从该反应器动力学中去除。该金属 氨氧化物优选地处于100 %KOH或化OH粒料的形式。在该顶部空间中使用C〇2气体封存具有 多个优点。在该反应器顶部空间内的C〇2封存产生一种基本上没有C〇2气体的出流。对于本发 明人出人意料的是通过在该反应器顶部空间内直接进行C〇2气体捕获，所捕获的C〇2气体的 量可W升高至在该反应器中产生的C〇2的100%。此外，从该顶部空间通过C〇2封存连续地完 全去除该C〇2气体具有增加出产生的另外的副作用。运可能是由于丙酸醋形成的完全抑制， 运也是出人意料地观察到的。因此，本发明的方法不仅提供了先前不可达到的显著改进的 H2产率，而且同时导致直接来自该反应器的一种几乎没有C〇2的此流，从而消除任何进一步 从该反应器中分离下游的C〇2和出气体。与在一个与该反应器分开的器皿中使用KO田容液来 与气态出/0)2反应的已知方法相比，本系统要求较少的能量和设备，因为该气体不必从该反 应器通过该KOH溶液使用某种类型的机械装置如鼓风机来转化。运显著地降低了资本成本 并且使得出气体生产更经济。它进一步允许出和C〇2从该反应器分离去除。
[0049] 除了与本固体/气体封存反应系统相关的较低的资本和操作成本之外，所封存的 C〇2量显著地从79% (Mandel等人从初始的24.5 %封存19.3 % )增加至约100 %。
[0050] 在该第一液体流出物分离步骤240中，将该第一液体流出物的至少一部分进料至 一个重力沉降器(例如，图2的重力沉降器24)用于将该第一液体流出物的至少一部分分离 成一种包括运些微生物的至少一部分的第一生物质和一种包括运些挥发性脂肪酸类、运些 醇类和运些微生物的至少一部分的第二液体流出物。虽然其他分离器如膜分离器是已知 的，但是它们是资本密集的并且更难操作。在该第二液体流出物分离步骤250中，将该第二 液体流出物的至少一部分进料至一个分离模块(例如，图2的分离模块30)用于将该第二液 体流出物的至少一部分分离成一种包括运些微生物的至少一部分的第二生物质和一种包 括运些挥发性脂肪酸类和运些醇类的至少一部分的第=液体流出物。在该第=液体流出物 回收步骤260中回收该第=液体流出物的至少一部分。
[0051] 该第一液体流出物分离步骤240可包括将该第一生物质的至少一部分再循环至该 完全混合型生物反应器W保持微生物在该完全混合型生物反应器中的浓度在一个预选值 下。
[0052] 在该生物产甲烧步骤270中，将该第一生物质的、该第二生物质的、或两者的至少 一部分回收并且提供给一个生物制甲烧装置(例如图2的生物制甲烧装置40)用于生产CH4 和C〇2。运些术语生物甲烧发生器和生物制甲烧装置在本说明书中可交换地使用并且两者 旨在指的是用于生物产生甲烧的反应器。在该甲烧回收步骤280中回收该CH4和C〇2的至少一 部分。
[0053] 该第二液体流出物分离步骤250可包括多种分离方法例如应用膜溶剂分离。
[0054] 在该生物产氨步骤210过程中可W控制在该完全混合型生物反应器中的抑范围。 例如，可W根据所希望的终产物将抑范围保持在3至6.8的范围内。优选地，将该抑保持在约 5.2下W使出生产速率最大化。
[0055] 在该生物产甲烧步骤270过程中可W控制在该生物制甲烧装置中的pH范围。在该 生物产氨步骤210过程中可W控制在该完全混合型生物反应器中的溫度。例如，可W将该溫 度保持在约25 °C至约37 °C的范围内。
[0056] 在该生物产甲烧步骤270过程中可W控制在该生物制甲烧装置中的溫度。例如，可 W将该溫度保持在约25 °C至约37 °C的范围内。
[0057] 对于在本申请的系统中应用的有用的微生物包括梭菌种属（如下酸梭菌、拜氏梭 菌、乙酷下酸梭菌和双酶梭菌(C.Mfermen化nts))、肠杆菌种属(如产气肠杆菌）、芽胞杆菌 种属(如巨大芽胞杆菌、苏云金芽抱杆菌）、和红杆菌种属(如类球红细菌）。 系统
[0058] 图2是一种用于从有机材料生产氨气、二氧化碳、甲烧、挥发性脂肪酸类、和醇类的 系统10的示意图。通过该系统10产生的另外的产物可W包括丙酬、乙醇、下醇、乙酸、丙酸、 和下酸。该系统10包括一个生物氨发生器20、分离模块30、和生物甲烧发生器或生物制甲烧 装置40。
[0059] 该生物氨发生器20包括一个完全混合型生物反应器22,该生物反应器具有一个用 于将有机材料100接收至该完全混合型生物反应器22中的入口。将微生物添加至该完全混 合型生物反应器22中W分解该有机材料100,从而产生出和C〇2。该反应器22进一步包括一个 用于出气体102的气体出口 101和用于第一液体流出物104的液体出口 103。该第一液体流出 物104可包括，例如微生物、挥发性脂肪酸类（例如，乙酸、下酸等）、醇类（例如乙醇、下醇 等）、丙酬等。一个C〇2捕集器105包括于该生物反应器22的顶部空间中，该捕集器包括一种 W固体形式的氨氧化物、优选碱金属氨氧化物(如KOH或化OH)、最优选100 %的KOH或NaOH粒 料。该C〇2捕集器105优选地在该生物产氨的操作过程中从该生物反应器可拆卸。最优选地， 该生物反应器22包括2个或更多个C〇2捕集器，运些捕集器可W单独地并且独立地从该生物 反应器拆卸并且放回W允许甚至在运些C〇2捕集器之一更换的过程中继续C〇2封存。
[0060] 该生物氨发生器20进一步包括一个重力沉降器24,该重力沉降器在该完全混合型 生物反应器22的下游并且与该完全混合型生物反应器22处于流体连通，用于接收来自该完 全混合型生物反应器22的该第一液体流出物104。在该重力沉降器24中，该第一液体流出物 104沉降为第一生物质106和第二液体流出物108。该第二液体流出物108可包括，例如微生 物、挥发性脂肪酸类(例如，乙酸、丙酸、下酸等）、醇类(例如乙醇、下醇等）、丙酬等。
[0061] -个再循环导管26提供了从该重力沉降器24的底部至该完全混合型生物反应器 22的流体连通用于将来自该重力沉降器24的第一生物质106再循环至完全混合型生物反应 器22。一个来自该重力沉降器24的底部的输出导管27是用于排出并且处置该第一生物质 106。一个第一生物制甲烧装置导管28提供了从该重力沉降器的底部至该生物制甲烧装置 40的流体连通用于将来自该重力沉降器24的第一生物质106循环至生物制甲烧装置40。一 个阀29允许流过该再循环导管26、该输出导管27、和该第一生物制甲烧装置导管28中的一 个或多个的选择。
[0062] 该分离模块30是与该重力沉降器24处于流体连通用于接收该第二液体流出物 108。在该分离模块30中，该第二液体流出物108通过施加一种分离方法可W被分离成一种 第二生物质110和一种第=液体流出物112。该第=液体流出物112可包括，例如挥发性脂肪 酸类(例如，乙酸、丙酸、下酸等）、醇类(例如乙醇、下醇等）、丙酬等。一个第二生物制甲烧装 置导管32提供了从该分离模块30至该生物制甲烧装置40的流体连通用于将来自该分离模 块30的第二生物质110循环至生物制甲烧装置40。
[0063] 该生物制甲烧装置40是在该重力沉降器24、分离模块30、或两者的下游并且与该 重力沉降器24、分离模块30、或两者处于流体连通。该生物制甲烧装置40可W接收用于被分 解成CH4和C〇2 114和一种含有残留的有机物和微生物的液体废物116的来自该生物氨发生 器20、该分离模块30、或两者的生物质。
[0064] 该生物制甲烧装置40可包括一个第一生物制甲烧装置器皿42、一个第二生物制甲 烧装置器皿44、或两者。该第一生物制甲烧装置器皿42与该第一生物制甲烧装置导管28处 于