用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物、方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养组合物、方法和系 统。
【背景技术】
[0002] 甲烷与大多数煤炭储量有关，其含量各不相同。可以在煤埋藏和成熟过程中生热 产生形成，或者可以通过微生物的作用而生物产生。据认为细菌是煤的主要降解菌，其产生 一系列的中间体，所述中间体依次降解为甲烷前体，例如氢气、二氧化碳、乙酸盐和各种其 他化合物（如二甲基硫醚、甲酸盐，甲醇和甲胺）。然后这些前体通过产甲烷古生菌转化成 甲烷。通过多种机制，包括co2还原、乙酸分解（从乙酸盐）或甲基营养过程，可以发生这 种产甲烷过程。
[0003] 产生生物甲烷的煤层环境是缺氧的和还原的。由于主要营养素的限制，生物甲烷 产生是缓慢的，经过长时间尺度发生。来自典型的煤层甲烷（CSM)井的生产可能存在5-7 年，之后生产速率变得不经济，井可能被放弃。
[0004] 有可能通过引入产甲烷微生物种群延长井的生产寿命。美国公开 No. 2004/0033557记载了将所选的厌氧微生物的聚生体引入到用于在形成层中将有机化合 物原位转化为甲烷和其他化合物的表面形成层中。
[0005] 也可以通过刺激存在于煤和/或相关的水中的微生物相对迅速补充埋藏的煤 层中的甲烷。已知的是，这可以通过将营养素添加到系统中来实现。例如，美国专利 No. 7, 832, 475描述了提高生物甲烷生产的方法，所述方法涉及引入不加选择的微生物种群 的刺激组合物，例如玉米糖浆、乳化油和牛奶以全面促进含烃形成层的微生物种群。该方法 进一步涉及通过使一种或多种微生物群体选择性饥饿以选择性供养至少一种所促进的微 生物种群的微生物种群后续处理。
[0006] 虽然通过增强微生物复合系的生长在提高甲烷产生方面已取得显著进展，但仍有 进一步改进的余地。
【发明内容】
[0007] 根据本发明的第一方面，提供了用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的营养 组合物，其包括磷（P)源和气态氮（N2)源。
[0008] 为了本发明的目的，术语"气态氮"指的是在大气压和25°C下为气态的氮。像这 样，气态氮可包括在大气压或高于大气压的压力下溶解在水溶液中的气态的氮。
[0009] 术语"碳质物质"广义地用于指能够支持并优选存在或供有一个或多个产甲烷微 生物种群的任何含碳物质。含碳物质经过所述一个或多个产甲烷微生物种群的降解产生甲 烷或甲烷前体。含碳物质的合适实例包括，但不限于，煤、褐煤、泥煤、钻粉、废煤、煤衍生物、 油页岩、油层、沥青砂、烃污染的土壤和石油污泥。含碳物质优选在干燥无灰基底上包括至 少〇. 5重量％N，更优选至少1. 0重量％N。
[0010] 含碳物质可以是原位含碳物质或非原位含碳物质。原位含碳物质可以指存在于原 始来源位置，如承载含碳物质的地层或采空区的含碳物质。非原位可以指已从其原始来源 位置移除的含碳物质。非原位含碳物质可以存在于反应器、生物反应器、堆积堆或可选择的 地上建筑物、地坑等等。
[0011] 在各种实施方案中，营养组合物可包括可溶性磷（P)源的溶液和气态氮（n2)源的 两相混合物。所述溶液可以是水溶液。
[0012] 在这些实施方案的一些中，气态氮（N2)也可以溶于溶液，使得在将气态氮传送到 含碳物质的压力下大部分（即至少20%，优选至少50%，更优选至少80% )气态氮溶解于 水溶液中。溶解在溶液中的氮（N)的浓度可以是每千克溶剂，特别是水，5mg-1750mg，优选 10mg-1500mg，更优选50mg-1000mg，甚至更优选100mg-800mg的气态氮。溶解的气态氮的上 限受到在将营养组合物传送到含碳物质或接近含碳物质的压力下氮的溶解性的限制。
[0013] 气态氮（N2)优选代表营养组合物的总的气体组分的相当大的一部分（例如，优选 大于60 %体积/体积，更优选大于95 %体积/体积，甚至更优选大于99. 5 %体积/体积）。 气态组分优选是一致的组成（即，气态组分优选具有在营养组合物的传送跨度之上波动不 超过5 %体积/体积，更优选不超过1 %体积/体积的氮含量）以确保微生物种群不经受其 营养源的不利波动。在这种程度上，优选应该不使用烟气作为氮气（N2)，除非烟气已经过处 理去除了包括残余氧气、气态的硫和氮氧化物的杂质。
[0014] 营养组合物还可以包含非气态氮源。优选地，非气态氮源代表不超过营养组合物 的总氮源的50重量％，更优选不超过营养组合物的总氮源的20重量％。
[0015] 营养组合物可以包含至少1. 5mM，优选至少2mM，更优选至少5mM的磷浓度。
[0016] 优选的营养组合物进一步包括一个或多个产甲烷微生物种群。更优选一个或多个 产甲烷微生物种群包括选自由如下所组成的组中的微生物：
[0017] 甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷火菌。
[0018] 根据第二个方面，提供了提高来自含碳物质的生物甲烷生产的方法，包括以下步 骤：
[0019] 将包含磷（P)源和气态氮（N2)源，或如上另外所限定的营养组合物，分散遍及含 碳物质一段时间，生物性产生甲烷；以及
[0020] 从含碳物质收集甲烷。
[0021] 优选地，营养组合物与含碳物质紧密接触以使居于营养组合物的产甲烷微生物种 群能够容易利用所述营养组合物。
[0022] 本领域技术人员将理解，通过含碳物质的工业规模的气体覆盖不能实现将营养组 合物分散遍及含碳物质。这种方法不能使得营养组合物渗透并占据含碳物质的颗粒之间的 空隙，以使居于产甲烷微生物种群能够容易利用所述营养组合物。
[0023] 优选地，通过混合或搅拌营养组合物遍及接近含碳物质的现存环境（例如，地层 水），实现含碳物质扩散通过含碳物质。
[0024] 将营养组合物分散遍及含碳物质可以通过相关领域技术人员可获得的已经技术， 通过调节营养组合物进入到含碳物质中的注射压力而实现。
[0025] 在优选的实施方案中，营养组合物的分散通过潜流操作技术，例如W02011/017771 所公开的技术实现，W02011/017771通过引用而并入本文中。
[0026] 优选一段时间为至少1周，更优选为至少2周，甚至更优选为至少3个月，然而甚 至更优选为至少6个月，最优选为至少1年。一般情况下，营养组合物与含碳物质紧密接触 的时间越长，产生的适于收集的甲烷的量越大。商业考虑可以至少部分推动从含碳物质收 集甲烷之前将营养组合物分散遍及含碳物质的时间段。
[0027] "提高甲烷的生物产生"可指在给定的时期内由含碳物质产生的生物甲烷的体积 相对于在同一时期在不存在营养组合物的情况下由含碳物质生产的生物甲烷的体积增加。 或者，"提高甲烷的生物产生"可指来自含碳物质的生物甲烷的生产率与在不存在营养组合 物的情况下由含碳物质所产生的生物甲烷的生产率相比加快。
[0028] 通过增加一个或多个产甲烷微生物种群的大小或增加所述微生物种群菌的产甲 烷速率，可实现提高甲烷的生物产生。
[0029] 一个或多个产甲烷微生物种群可以是能够产甲烷的任何微生物种菌，换句话说， 是可降解含碳物质生成甲烷或甲烷前体，如氢气、二氧化碳、乙酸盐和其他有机化合物，例 如甲酸盐、甲醇和甲胺等。
[0030] 所述微生物种群可以是自然存在或与含碳物质共存的土著微生物种群。
[0031] 可选择或者另外，可以将产甲烷微生物种群引入到含碳物质中。相对于单独的或 交替的含碳物质，引入的产甲烷微生物种群可以是土著的。或者，引入的产甲烷微生物种群 可以是来自生物反应器或改造的微生物培养物。改造的微生物培养物包括通过经典选择方 法或其他遗传修饰方法产生的微生物培养物。
[0032] 根据第三个方面，提供了生物甲烷生产系统，包括：
[0033] 用于提高来源于含碳物质的生物甲烷的营养组合物，所述营养组合物包括磷（P) 源和气态氮（n2)源；
[0034] 用于将所述营养组合物分散遍及含碳物质的传送系统；以及
[0035] 收集来自含碳物质的甲烷的收集器。
[0036] 根据第四方方面，提供了用于提高来源于含碳物质的生物甲烷生产的设备，所述 设备包括能将包括磷（P)源和气态氮（N2)源的营养组合物分散遍及含碳物质的传送系统。
[0037] 根据另一个方面，提供了包括磷（P)源和气态氮（N2)源的营养组合物中的气态氮 (N2)在提高生物生产中的用途。
【附图说明】
[0038] 尽管任何其它形式可能落入如摘要所述的营养组合、方法和系统的范围内，现在 参考附图仅作为示例的方式描述具体实施例，其中：
[0039] 图1显示如实施例所描述的使用MBC3/4接种物以周为单位从作为碳源的酵母提 取物采样的顶空气体中的甲烷浓度（ppm)