用于提高來源于含碳物質(zhì)的生物甲烷生產(chǎn)的營養(yǎng)組合物、方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于提高來源于含碳物質(zhì)的生物甲烷生產(chǎn)的營養(yǎng)組合物、方法和系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 甲烷與大多數(shù)煤炭儲(chǔ)量有關(guān)，其含量各不相同?？梢栽诿郝癫睾统墒爝^程中生熱 產(chǎn)生形成，或者可以通過微生物的作用而生物產(chǎn)生。據(jù)認(rèn)為細(xì)菌是煤的主要降解菌，其產(chǎn)生 一系列的中間體，所述中間體依次降解為甲烷前體，例如氫氣、二氧化碳、乙酸鹽和各種其 他化合物（如二甲基硫醚、甲酸鹽，甲醇和甲胺）。然后這些前體通過產(chǎn)甲烷古生菌轉(zhuǎn)化成 甲烷。通過多種機(jī)制，包括co2還原、乙酸分解（從乙酸鹽）或甲基營養(yǎng)過程，可以發(fā)生這 種產(chǎn)甲烷過程。
[0003] 產(chǎn)生生物甲烷的煤層環(huán)境是缺氧的和還原的。由于主要營養(yǎng)素的限制，生物甲烷 產(chǎn)生是緩慢的，經(jīng)過長時(shí)間尺度發(fā)生。來自典型的煤層甲烷（CSM)井的生產(chǎn)可能存在5-7 年，之后生產(chǎn)速率變得不經(jīng)濟(jì)，井可能被放棄。
[0004] 有可能通過引入產(chǎn)甲烷微生物種群延長井的生產(chǎn)壽命。美國公開 No. 2004/0033557記載了將所選的厭氧微生物的聚生體引入到用于在形成層中將有機(jī)化合 物原位轉(zhuǎn)化為甲烷和其他化合物的表面形成層中。
[0005] 也可以通過刺激存在于煤和/或相關(guān)的水中的微生物相對迅速補(bǔ)充埋藏的煤 層中的甲烷。已知的是，這可以通過將營養(yǎng)素添加到系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)。例如，美國專利 No. 7, 832, 475描述了提高生物甲烷生產(chǎn)的方法，所述方法涉及引入不加選擇的微生物種群 的刺激組合物，例如玉米糖漿、乳化油和牛奶以全面促進(jìn)含烴形成層的微生物種群。該方法 進(jìn)一步涉及通過使一種或多種微生物群體選擇性饑餓以選擇性供養(yǎng)至少一種所促進(jìn)的微 生物種群的微生物種群后續(xù)處理。
[0006] 雖然通過增強(qiáng)微生物復(fù)合系的生長在提高甲烷產(chǎn)生方面已取得顯著進(jìn)展，但仍有 進(jìn)一步改進(jìn)的余地。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于提高來源于含碳物質(zhì)的生物甲烷生產(chǎn)的營養(yǎng) 組合物，其包括磷（P)源和氣態(tài)氮（N2)源。
[0008] 為了本發(fā)明的目的，術(shù)語"氣態(tài)氮"指的是在大氣壓和25°C下為氣態(tài)的氮。像這 樣，氣態(tài)氮可包括在大氣壓或高于大氣壓的壓力下溶解在水溶液中的氣態(tài)的氮。
[0009] 術(shù)語"碳質(zhì)物質(zhì)"廣義地用于指能夠支持并優(yōu)選存在或供有一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)甲烷微 生物種群的任何含碳物質(zhì)。含碳物質(zhì)經(jīng)過所述一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)甲烷微生物種群的降解產(chǎn)生甲 烷或甲烷前體。含碳物質(zhì)的合適實(shí)例包括，但不限于，煤、褐煤、泥煤、鉆粉、廢煤、煤衍生物、 油頁巖、油層、瀝青砂、烴污染的土壤和石油污泥。含碳物質(zhì)優(yōu)選在干燥無灰基底上包括至 少〇. 5重量％N，更優(yōu)選至少1. 0重量％N。
[0010] 含碳物質(zhì)可以是原位含碳物質(zhì)或非原位含碳物質(zhì)。原位含碳物質(zhì)可以指存在于原 始來源位置，如承載含碳物質(zhì)的地層或采空區(qū)的含碳物質(zhì)。非原位可以指已從其原始來源 位置移除的含碳物質(zhì)。非原位含碳物質(zhì)可以存在于反應(yīng)器、生物反應(yīng)器、堆積堆或可選擇的 地上建筑物、地坑等等。
[0011] 在各種實(shí)施方案中，營養(yǎng)組合物可包括可溶性磷（P)源的溶液和氣態(tài)氮（n2)源的 兩相混合物。所述溶液可以是水溶液。
[0012] 在這些實(shí)施方案的一些中，氣態(tài)氮（N2)也可以溶于溶液，使得在將氣態(tài)氮傳送到 含碳物質(zhì)的壓力下大部分（即至少20%，優(yōu)選至少50%，更優(yōu)選至少80% )氣態(tài)氮溶解于 水溶液中。溶解在溶液中的氮（N)的濃度可以是每千克溶劑，特別是水，5mg-1750mg，優(yōu)選 10mg-1500mg，更優(yōu)選50mg-1000mg，甚至更優(yōu)選100mg-800mg的氣態(tài)氮。溶解的氣態(tài)氮的上 限受到在將營養(yǎng)組合物傳送到含碳物質(zhì)或接近含碳物質(zhì)的壓力下氮的溶解性的限制。
[0013] 氣態(tài)氮（N2)優(yōu)選代表營養(yǎng)組合物的總的氣體組分的相當(dāng)大的一部分（例如，優(yōu)選 大于60 %體積/體積，更優(yōu)選大于95 %體積/體積，甚至更優(yōu)選大于99. 5 %體積/體積）。 氣態(tài)組分優(yōu)選是一致的組成（即，氣態(tài)組分優(yōu)選具有在營養(yǎng)組合物的傳送跨度之上波動(dòng)不 超過5 %體積/體積，更優(yōu)選不超過1 %體積/體積的氮含量）以確保微生物種群不經(jīng)受其 營養(yǎng)源的不利波動(dòng)。在這種程度上，優(yōu)選應(yīng)該不使用煙氣作為氮?dú)猓∟2)，除非煙氣已經(jīng)過處 理去除了包括殘余氧氣、氣態(tài)的硫和氮氧化物的雜質(zhì)。
[0014] 營養(yǎng)組合物還可以包含非氣態(tài)氮源。優(yōu)選地，非氣態(tài)氮源代表不超過營養(yǎng)組合物 的總氮源的50重量％，更優(yōu)選不超過營養(yǎng)組合物的總氮源的20重量％。
[0015] 營養(yǎng)組合物可以包含至少1. 5mM，優(yōu)選至少2mM，更優(yōu)選至少5mM的磷濃度。
[0016] 優(yōu)選的營養(yǎng)組合物進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)甲烷微生物種群。更優(yōu)選一個(gè)或多個(gè) 產(chǎn)甲烷微生物種群包括選自由如下所組成的組中的微生物：
[0017] 甲烷桿菌、甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷火菌。
[0018] 根據(jù)第二個(gè)方面，提供了提高來自含碳物質(zhì)的生物甲烷生產(chǎn)的方法，包括以下步 驟：
[0019] 將包含磷（P)源和氣態(tài)氮（N2)源，或如上另外所限定的營養(yǎng)組合物，分散遍及含 碳物質(zhì)一段時(shí)間，生物性產(chǎn)生甲烷；以及
[0020] 從含碳物質(zhì)收集甲烷。
[0021] 優(yōu)選地，營養(yǎng)組合物與含碳物質(zhì)緊密接觸以使居于營養(yǎng)組合物的產(chǎn)甲烷微生物種 群能夠容易利用所述營養(yǎng)組合物。
[0022] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，通過含碳物質(zhì)的工業(yè)規(guī)模的氣體覆蓋不能實(shí)現(xiàn)將營養(yǎng)組 合物分散遍及含碳物質(zhì)。這種方法不能使得營養(yǎng)組合物滲透并占據(jù)含碳物質(zhì)的顆粒之間的 空隙，以使居于產(chǎn)甲烷微生物種群能夠容易利用所述營養(yǎng)組合物。
[0023] 優(yōu)選地，通過混合或攪拌營養(yǎng)組合物遍及接近含碳物質(zhì)的現(xiàn)存環(huán)境（例如，地層 水），實(shí)現(xiàn)含碳物質(zhì)擴(kuò)散通過含碳物質(zhì)。
[0024] 將營養(yǎng)組合物分散遍及含碳物質(zhì)可以通過相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員可獲得的已經(jīng)技術(shù)， 通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)組合物進(jìn)入到含碳物質(zhì)中的注射壓力而實(shí)現(xiàn)。
[0025] 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，營養(yǎng)組合物的分散通過潛流操作技術(shù)，例如W02011/017771 所公開的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，W02011/017771通過引用而并入本文中。
[0026] 優(yōu)選一段時(shí)間為至少1周，更優(yōu)選為至少2周，甚至更優(yōu)選為至少3個(gè)月，然而甚 至更優(yōu)選為至少6個(gè)月，最優(yōu)選為至少1年。一般情況下，營養(yǎng)組合物與含碳物質(zhì)緊密接觸 的時(shí)間越長，產(chǎn)生的適于收集的甲烷的量越大。商業(yè)考慮可以至少部分推動(dòng)從含碳物質(zhì)收 集甲烷之前將營養(yǎng)組合物分散遍及含碳物質(zhì)的時(shí)間段。
[0027] "提高甲烷的生物產(chǎn)生"可指在給定的時(shí)期內(nèi)由含碳物質(zhì)產(chǎn)生的生物甲烷的體積 相對于在同一時(shí)期在不存在營養(yǎng)組合物的情況下由含碳物質(zhì)生產(chǎn)的生物甲烷的體積增加。 或者，"提高甲烷的生物產(chǎn)生"可指來自含碳物質(zhì)的生物甲烷的生產(chǎn)率與在不存在營養(yǎng)組合 物的情況下由含碳物質(zhì)所產(chǎn)生的生物甲烷的生產(chǎn)率相比加快。
[0028] 通過增加一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)甲烷微生物種群的大小或增加所述微生物種群菌的產(chǎn)甲 烷速率，可實(shí)現(xiàn)提高甲烷的生物產(chǎn)生。
[0029] 一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)甲烷微生物種群可以是能夠產(chǎn)甲烷的任何微生物種菌，換句話說， 是可降解含碳物質(zhì)生成甲烷或甲烷前體，如氫氣、二氧化碳、乙酸鹽和其他有機(jī)化合物，例 如甲酸鹽、甲醇和甲胺等。
[0030] 所述微生物種群可以是自然存在或與含碳物質(zhì)共存的土著微生物種群。
[0031] 可選擇或者另外，可以將產(chǎn)甲烷微生物種群引入到含碳物質(zhì)中。相對于單獨(dú)的或 交替的含碳物質(zhì)，引入的產(chǎn)甲烷微生物種群可以是土著的。或者，引入的產(chǎn)甲烷微生物種群 可以是來自生物反應(yīng)器或改造的微生物培養(yǎng)物。改造的微生物培養(yǎng)物包括通過經(jīng)典選擇方 法或其他遺傳修飾方法產(chǎn)生的微生物培養(yǎng)物。
[0032] 根據(jù)第三個(gè)方面，提供了生物甲烷生產(chǎn)系統(tǒng)，包括：
[0033] 用于提高來源于含碳物質(zhì)的生物甲烷的營養(yǎng)組合物，所述營養(yǎng)組合物包括磷（P) 源和氣態(tài)氮（n2)源；
[0034] 用于將所述營養(yǎng)組合物分散遍及含碳物質(zhì)的傳送系統(tǒng)；以及
[0035] 收集來自含碳物質(zhì)的甲烷的收集器。
[0036] 根據(jù)第四方方面，提供了用于提高來源于含碳物質(zhì)的生物甲烷生產(chǎn)的設(shè)備，所述 設(shè)備包括能將包括磷（P)源和氣態(tài)氮（N2)源的營養(yǎng)組合物分散遍及含碳物質(zhì)的傳送系統(tǒng)。
[0037] 根據(jù)另一個(gè)方面，提供了包括磷（P)源和氣態(tài)氮（N2)源的營養(yǎng)組合物中的氣態(tài)氮 (N2)在提高生物生產(chǎn)中的用途。
【附圖說明】
[0038] 盡管任何其它形式可能落入如摘要所述的營養(yǎng)組合、方法和系統(tǒng)的范圍內(nèi)，現(xiàn)在 參考附圖僅作為示例的方式描述具體實(shí)施例，其中：
[0039] 圖1顯示如實(shí)施例所描述的使用MBC3/4接種物以周為單位從作為碳源的酵母提 取物采樣的頂空氣體中的甲烷濃度（ppm)