EA015812B1

EA015812B1 - Способ продуцирования жидкого или газообразного синтетического топлива из углеродсодержащего материала

Info

Publication number: EA015812B1
Application number: EA200702159A
Authority: EA
Inventors: Уилльям Дж. Кор
Original assignee: ДЖЕОСИНФЬЮЭЛЗ, ЭлЭлСи
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-12-30
Also published as: NZ591622A; AU2006232215B2; WO2006107696A2; AR055322A1; EA201101123A1; JP2008538281A; US20100062507A1; EP1869196A2; AU2006232215A1; EA200702159A1; NZ591620A; KR20080007236A; MY147437A; CN101374773A; IL186765A0; US20100041130A1; JP5236458B2; CN101374773B; CA2604018A1; NZ591621A

Abstract

Предлагается способ продуцирования топлива из биодеградируемого углеродсодержащего материала с использованием многослойного биореактора из частиц. Многослойный биореактор из частиц сформирован из частиц, включающих биодеградируемый углеродсодержащий материал. Биодеградируемый углеродсодержащий материал в многослойном биореакторе из частиц аэробно и/или анаэробно биоконвертируется в одно или несколько синтетических топлив, которые собирают из реактора. Синтетические топлива, продуцированные с помощью способа, могут включать синтетическую нефть, спирт и/или газообразное топливо, содержащее метан. Предпочтительно способ включает фазу аэробной биообработки с последующей фазой анаэробной биоконверсии. Также описан многослойный биореактор из частиц для проведения анаэробной и предпочтительно аэробной деградации.

Description

Настоящий патентный документ относится к способам и биореакторам для биодеградации углеродсодержащего материала в синтетическое топливо, включая, например, синтетическую нефть, спирт и/или газообразное топливо.

Предшествующий уровень техники

Ценность метана как потенциального источника топлива долго была признанной и используемой. Поскольку текущая цена природного газа является приблизительно такой же, как нефти в терминах ВТИ, тем не менее, природный газ оценивали исходя из низкой стоимости источника топлива, который часто являлся побочным продуктом добычи нефти по отношению к источнику топлива, имеющему ценность при бурении. Увеличение ценности природного газа было запущено рядом факторов, включая сокращение объема мировых запасов нефти и все более строгое природоохранительное законодательство, установленное для электростанций, работающих на угле. Генерация электричества из угля, например, высвобождает удвоенное количество диоксида углерода, чем при производстве его из природного газа. Сжигание угля также продуцирует ртутный пар, который был оценен как соответствующий более двенадцати процентам мирового загрязнения ртутью. Дополнительно сжигание угля может высвобождать мышьяковистые соединения и серы диоксид. В результате дорогостоящие системы контроля за загрязнением сейчас требуются для все новых электростанций, работающих на угле, и для большинства существующих электростанций.

Потребность в газах, которые содержат метан, таких как природный газ и синтетический природный газ, будет вероятно продолжать увеличиваться в будущем не только из-за увеличения потребности в полностью сгорающих топливах, но также из-за мировой потребности в нефти, которая будет продолжать приводить к более высокой цене особенно по мере того, как известные запасы нефти истощаются. Потребность в метане также будет вероятно увеличиваться по мере того, как водородные топливные элементы запускаются в серийное производство. Это происходит потому, что наименее дорогостоящий способ продуцирования водорода включает химическое конвертирование метана и воды в водород и углерод диоксид в присутствии катализатора.

Для удовлетворения потребности в природном газе США в настоящее время импортируют приблизительно 2 биллиона кубических футов жидкого природного газа ('ΈΝ6) в день. Импорт ΤΝ6 имеет по меньшей мере два значительных препятствия. Первое, стоимость импорта ΤΝ6 является высокой. Второе, опасно иметь большие терминалы ΤΝ6, расположенные в крупных морских портах, в современной обстановке в мире, так как терминалы могут быть объектом террористической атаки. Даже в отсутствие терроризма, тем не менее, такие терминалы представляют значительную взрывоопасность.

Из-за мирового увеличения потребности в метановом газе и полностью сгорающих топливах, в общем, альтернативные источники газообразных топлив, которые содержат метан, являются необходимыми. В результате экономически выгодный способ продуцирования газообразных топлив, которые содержат метан и/или жидкое синтетическое топливо, такое как синтетическая нефть, будет иметь значительную рыночную стоимость.

Искусственный газ для применения в качестве горючего для отопительных целей и полученный из угля или кокса широко применялся на протяжении конца девятнадцатого столетия и на протяжении первых нескольких декад двадцатого столетия в США. Из-за большой доступности и одновременно кажущейся неисчерпаемости запаса природного газа в США, а также в некоторых других областях мира искусственные газы были быстро сняты с производства. Применение природного газа с другой стороны увеличилось на 730% между 1940 и 1970 в США. В течение этого периода газовая индустрия США продуцировала 313 триллионов кубических футов природного газа. Однако в других областях мира, где природный газ был в дефиците в пределах определенного района, искусственный газ сохранился.

Исторически газификация угля включает нагревание угля при помощи пиролиза, карбонизацию или перегонку в реторте, чтобы вызвать его разложение и газификацию. Газ, полученный в результате способа газификации, обычно содержит различные концентрации углерод монооксида, диоксид углерода, метана и водорода, концентрация каждого компонента зависит от конкретной использованной методики газификации. Так, несмотря на то что газификация является ключевой стадией в этих основанных на нагревании методиках газификации, необходимо учесть, что существует только одна стадия общего способа получения искусственного или синтетического природного газа (8Ν6) из угля. Дополнительно в стадии газификации такие способы обычно включают кондиционирование газа, очистку газа, метанизацию и способы переработки побочных продуктов. Далее очистка получаемого газа из стадии газификации угля до степени чистоты, требуемой для синтеза метана, является трудной вследствие больших количеств и варьирования примесей в газе.

Другим недостатком газификации угля с использованием методик тепловой газификации является то, что способ газификации является высокоэндотермическим способом, и требования к нагреванию по способу могут быть обеспечены путем добавления тепла. Это может быть достигнуто при помощи, например, прямой подачи тепла через неполное сгорание угля с кислородом или непрямой подачи тепла от внешнего источника топлива. И в том и в другом случае, однако, значительная часть общей теплоты сгорания, содержащейся в угле до газификации, увеличивается при газифицировании угля. Наконец, осно

- 1 015812 ванные на нагревании способы газификации не применимы к животным или растительным отходам, двум важным возобновляемым источникам углеродсодержащих материалов.

Биологическая конверсия органического вещества в метан также была изучена в течение многих лет. Деградация органического вещества в метан и углерод диоксид (то есть метаногенная деградация) происходит в ограниченных по кислороду или другим акцепторам электронов условиях окружающей среды. Этот способ широко распространен в болотах, на рисовых плантациях, в торфяных болотах и в желудочно-кишечном тракте жвачных животных и играет важную роль в глобальном круговороте углерода. Действительно, общее биологическое метаногенное продуцирование метана оценивают в 500000000 т в год, что делает метан вторым наиболее распространенным парниковым газом.

Метаногенная деградация является более медленной и менее экзергонической, чем аэробная деградация. Однако аэробная деградация не продуцирует метан. Более того, метаногенная конверсия высвобождает только приблизительно 15% энергии, которая высвобождается посредством полной аэробной конверсии того же органического углеродного соединения в углерод диоксид и воду. Причина состоит в том, что остальные 85% энергии сохраняются в полученном метане для последующего окисления.

Метаногены представляют собой группу Лтсйаеа, которая продуцирует метан в анаэробных или аноксических условиях окружающей среды. Они являются облигатными анаэробами и, таким образом, не могут быть толерантными к любому молекулярному или ионному кислороду в своей окружающей среде. Они формируют взаимозависимую связь с другими организмами, включая бактерий, простейших, насекомых и травоядных животных, таких как коров. Они используют простые органические соединения (например, формат, ацетат, метиламины и некоторые спирты), продуцируемые этими организмами, и углерод диоксид в качестве источника энергии для продуцирования метана.

Хотя метаногены зависят от ферментирующих организмов, продуцирующих простые органические субстраты, на которых они основываются для [получения] энергии, ферментирующие микроорганизмы аналогичным образом зависят от метаногенов, удаляя водород и простые органические соединения, которые они продуцируют для улучшения своей энергетики. Эта взаимозависимость называется синтрофной кооперацией. В этой кооперативной связи виды ферментирующих микроорганизмов ферментируют длинноцепные органические углеродные молекулы в Н₂ и С-1 и С-2 соединения для питания метаногенов. Этот ферментативный способ ингибируется Н₂ и продуцированными С-1 и С-2 соединениям. Метаногены, однако, обслуживают эти ферментирующие виды посредством удаления водорода и С-1 и С-2 соединений ввиду того, что они конвертируют их в метан. В результате синтрофно кооперирующие анаэробы кооперируют в конверсии сложного органического вещества в метан и углерод диоксид с очень низкой потерей теплоты сгорания, содержащейся в исходном органическом веществе. Последние достижения в молекулярной биологии привели к лучшему пониманию этого сложного, но широко распространенного природного процесса.

Более всесторонний обзор метаногенной деградации и список некоторых метаногенных микроорганизмов представлен в В. 8сЫпк, Епетдейс оГ 8уп1торЫс Сооретайоп ίη МеШаиодешс ЭедгайаОоп. МктоЫо1оду апй Мо1еси1аг Вю1оду Веу1е№, 61:262-280 (.Типе 1997), который включен в данное описание посредством ссылки.

Задолго до того, как была изучена биология метаногенной деградации, люди пытались использовать метаногенную деградацию для продуцирования метана из-за его теплотворной способности. Например, патент США № 1990523, который выдан Ви5\\'е11 в 1935, описывает способ деградации метана с использованием анаэробной бактериальной конверсии сточных вод.

Большие усилия были отданы разработке ίη кйи микробных способов конверсии низкокачественных ископаемых топлив в метан. Например, патент США № 3826308, который выдан Сошрете-^Ы1пеу в 1974, и патент США № 5424195, который выдан Уо1к\\'ет в 1995, сфокусированы на переработке очень низкокачественного угля, который был оставлен в рудниках. В патенте США № 6543535, который выдан Сопуегае с сотр. в 2003, описан способ ίη δίΐιι биоконверсии углеводородов в метан в нефтегазоносных пластах. Способ, описанный в патенте Сопуегае с сотр., включает изменение окружающей среды нефтегазоносных пластов так, чтобы стимулировать рост природных микробов, найденных в пластах.

В некоторых подземных способах микробной углеводородной конверсии, описанных в литературе, также использовали взрывчатые вещества в стремлении увеличить площадь поверхности угля или залежей нефтеносного сланца, перерабатываемых микробами. Взрывы вызывали то, что называют забитой обломками трубой. Хотя пласт забитой обломками трубы увеличивает скорость конверсии в метан, общая скорость конверсии остается относительно низкой.

Биологические способы также были использованы как средство извлечения нефти из нефтяных запасов. Например, патент США № 2413278, который выдан 2оЬе11 в 1946, патент США № 2807570, который выдан ирйедгаГГ в 1957 и патент США № 2907389, который выдан Нйхшап в 1959, указывают пути применения бактерий для генерации дополнительного извлечения нефти из нефтяных запасов после того, как 40-50% содержащейся нефти было извлечено путем откачивания и заводнения. Способ с использованием бактерий для извлечения дополнительной нефти из подземных резервуаров называется Микробное усиленное извлечение нефти (МЕОН).

Одним из главных ограничений ш δίΐιι микробной газификации и МЕОН способов является не об

- 2 015812 щая способность бактерий, используемых в этих способах, отделять нефть, снижать вязкость или конверсию нефти в метан, но скорее проблемы, связанные с обеспечением подходящей окружающей среды для микробного роста в глубоких подземных резервуарах или пластах. В такой окружающей среде может встретиться ряд факторов окружающей среды, которые индивидуально или совместно ингибируют в различной степени или даже препятствуют микробной конверсии или процессу деградации. Такие стимулы окружающей среды могут включать, например, высокие температуры, высокие концентрации солей или других биоцидов и ограниченную пористость материнской горной породы, в которой нефть будет задерживаться, так как это будет ограничивать доступность микробов к нефти. И хотя возможно модифицировать окружающую среду пласта до некоторой степени, иногда отсутствует возможность или практические условия изменения окружающей среды пласта, достаточные для практического воздействия на микробную активность.

Существует необходимость, поэтому, в ех 8Йи способе, который способен конвертировать очень большие количества низкокачественных ископаемых топлив, а также других органических углеродсодержащих материалов в один или несколько синтетических топлив, включая метан и/или нефть. Так как биодеградация низкокачественных ископаемых топлив может быть теоретически выполнена в биореакторах с механическим перемешиванием вследствие относительно длительного времени пребывания, которое будет необходимо для конверсии таких углеродсодержащих материалов в нефть и/или газообразное топливо, и большого количества материала, который будет необходимо переработать с выходом относительно небольших количеств теплотворной способности, стоимость пересчета масштаба от способов с механическим перемешиванием до коммерческого масштаба является попросту слишком высокой для создания практического варианта биореакторов с механическим перемешиванием. С другой стороны очень большой низкозатратный, однако относительно эффективный кучный биореактор может экономически разблокировать триллионы баррелей нефти в мировых ресурсах нефтеносных сланца и песков. Такой биореактор может быть также использован в биогазификации других органических углеродсодержащих материалов, включая возобновляемые ресурсы, такие как растительные и животные отходы, а также другие невозобновляемые ресурсы, такие как уголь. Синтетическое топливо (например, метан, спирт и/или синтетическое нефтяное масло), продуцированное в таких биореакторах, могло бы быть вспомогательным топливом в требующем энергии мире до конца столетия.

С учетом изложенного выше, одной целью настоящего изобретения является предоставление новой конструкции биореактора, пригодного к использованию для конвертирования органических углеродсодержащих материалов в синтетическое топливо. Другой и отдельной целью является предоставление нового способа конвертирования органических углеродсодержащих материалов в синтетическое топливо.

Сущность изобретения

Настоящий патентный документ направлен на способы и биореакторы для биоконвертирования органического углеродсодержащего материала в синтетическое топливо. Полученное синтетическое топливо может быть, например, синтетической нефтью, спиртом и/или газообразным топливом, содержащим метан.

В соответствии с одним вариантом осуществления многослойный биореактор из частиц формируют из частиц, содержащих биодеградируемый углеродсодержащий материал. Многослойный биореактор из частиц затем подвергают биообработке с конверсией углеродсодержащего материала в биореакторе в синтетическое топливо, которое затем собирают из биореактора. Синтетическое топливо представляет собой синтетическую нефть, спирт и/или газообразное топливо.

Размер и распределение частиц по размеру, применяемых для формирования биореактора, предпочтительно выбирают так, что большой процент углеродсодержащего материала подвергается воздействию микробов, применяемых для проведения биообработки. Свободный объем реактора составляет предпочтительно более чем или равен приблизительно 15% и более предпочтительно более чем или равен приблизительно 20%. Предпочтительный диапазон свободного объема реактора находится между приблизительно 15 и 35% и более предпочтительно между 20 и 35%. Предпочтительно свободный объем является, в основном, равномерным во всем реакторе.

Биодеградируемый углеродсодержащий материал, переработанный в биореакторе, может включать, например, нефтеносные пески, углеродистую породу, асфальт, асфальтовую нефть, отработанное смазочное масло, битум, гудрон, смолу, кероген, резину и сельскохозяйственные отходы.

Одна или несколько культур могут быть использованы для биообработки многослойного биореактора из частиц, причем каждая культура включает один тип микроорганизма или группу различных микроорганизмов. Обычно культуры будут включать группу различных микроорганизмов. Далее микроорганизмы, применяемые для биообработки углеродсодержащего материала в реакторе, могут быть аэробными, факультативно анаэробными или анаэробными микроорганизмами. В особенно предпочтительном варианте осуществления биообработка начинается как процесс аэробной микробной деградации и затем конвертируется в процесс анаэробной микробной деградации. В других осуществлениях, однако, может быть желательно выполнить только аэробную биообработку или только анаэробную биообработку.

Если углеродсодержащий материал в биореакторе подлежит анаэробной биообработке, биореактор

- 3 015812 должен быть спроектирован так, чтобы новые культуры микробов могли быть введены анаэробно в биореактор и диспергированы эффективно во всем биореакторе.

Каждый из микроорганизмов, применяемых для выполнения биодеградации, будет обычно выполнять один из следующих биохимических процессов в течение биообработки: 1) продуцирование соединений со сниженным поверхностным натяжением или растворителей, которые освобождают природную нефть из углеродсодержащего материала; 2) ферментацию углеродсодержащего материала в маленькие органические соединения, включая, например, синтетическую нефть, спирт и/или простые органические соединения; или 3) конвертирование простых органических соединений, полученных в результате процесса ферментации, в биогаз, содержащий метан. Так сбор синтетической нефти, спирта, газообразного топлива или всех трех из многослойного биореактора из частиц будет зависеть от сырья, типов микроорганизмов, применяемых для выполнения биообработки, и пространства, в котором проводится переваривание углеродсодержащего материала в биореакторе.

Например, когда основными конечными продуктами аэробной деградации органических углеродных соединений являются углерод диоксид и вода, для достижения конечных продуктов аэробной деградации аэробные и факультативно анаэробные микроорганизмы выполняют первый и второй биохимические процессы, идентифицированные выше. Так путем торможения реакций аэробной деградации до того, как завершение будет достигнуто, синтетическая нефть или спирт могут быть продуцированы из широкого ассортимента углеродсодержащих материалов. Далее по желанию вся или некоторая часть органических соединений, продуцированных в течение фазы аэробной ферментации, могут быть далее переварены и конвертированы в метан в течение последующей анаэробной биообработки. По существу, продукты аэробной ферментации в биореакторе рассматриваются как часть биодеградируемого углеродсодержащего материала в биореакторе в целях настоящего патентного документа.

Основными конечными продуктами анаэробной деградации органических углеродных соединений являются метан и углерод диоксид. Для достижения этих конечных продуктов деградации, опять-таки ферментативные анаэробы и факультативные анаэробы будут выполнять первый и второй биохимические процессы, идентифицированные выше, тогда как метаногены будут выполнять третий [процесс]. Так можно собрать синтетические нефтяные продукты и спирт из биореактора ввиду того, что углеродные соединения с большей молекулярной массой анаэробно деградируют, в частности углеводороды с большой молекулярной массой. Если, однако, допускается протекание анаэробной деградации с завершением [переработки] по меньшей мере части органического углеродсодержащего материала в биореакторе, будет продуцирован биогаз, содержащий метан.

После формирования многослойный биореактор из частиц будет продолжать продуцировать синтетическое топливо в течение нескольких месяцев или лет. Жидкое и/или газообразное синтетическое топливо, продуцированное в биореакторе, может быть собрано и удалено из биореактора с помощью сети труб, включенных в биореактор во время его сооружения.

В соответствии с другим вариантом осуществления предлагается способ продуцирования газообразного топлива из углеродсодержащего материала с использованием многослойного биореактора из частиц. Способ включает стадии: а) формирование многослойного биореактора из частиц, который включает биодеградируемый углеродсодержащий материал; б) формирование окружающей среды, поддерживающей анаэробные микроорганизмы в биореакторе; в) анаэробное биоконвертирование биодеградируемого углеродсодержащего материала в многослойном биореакторе из частиц в газообразное топливо и г) сбор газообразного топлива из биореактора. Предпочтительно газообразное топливо, продуцированное и собранное по способу, включает метан.

В особенно предпочтительном осуществлении варианта осуществления многослойный биореактор из частиц аэробно биообрабатывают вплоть до формирования анаэробной окружающей среды в биореакторе. Это делается для аэробной ферментации углеродсодержащего материала в биореакторе и/или освобождения природной нефти из углеродсодержащего материала.

Предпочтительно способ также включает стадию сбора нефти из многослойного биореактора из частиц.

Анаэробная окружающая среда в биореакторе может быть сформирована, например, покрытием многослойного биореактора из частиц газонепроницаемым барьером, таким как глина или пластиковый барьерный слой. Хотя реактор будет конечно становиться анаэробным с таким барьером со временем, если не вводят воздух или кислород в покрытый биореактор, биореактор может быть также продут аргоном, азотом, диоксидом углерода, аммиаком или газообразным водородом для ускорения конверсии его окружающей среды в среду, поддерживающую анаэробные микроорганизмы. Дополнительно с удалением кислорода из реактора эти газы могут обеспечить необходимые питательные вещества для микроорганизмов в биореакторе или предшественников продуцирования метана (например, углерод диоксид и водород).

Если биодеградируемый углеродсодержащий материал включает частицы меньшие чем приблизительно 0,3 см, может быть желательно агломерировать частицы до формирования многослойного биореактора из частиц. Предпочтительно полученные агломераты имеют размер частиц в диапазоне от приблизительно 0,3 см до приблизительно 2,54 см. Альтернативно, частицы биодеградируемого углеродсо

- 4 015812 держащего материала могут быть нанесены на поверхность множества субстратов, имеющих размер частиц больший чем или равный приблизительно 0,3 см и предпочтительно меньший чем или равный приблизительно 5 см и более предпочтительно меньший чем или равный приблизительно 2,54 см. Методика покрытий особенно эффективна, когда субстратов значительно больше, чем частиц биодеградируемого углеродсодержащего материала, который наносят. Для того чтобы частицы углеродсодержащего материала правильно укладывались на субстраты, обычно они должны иметь размер частиц приблизительно 250 мкм или менее.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления частицы скринируют на два или более класса по крупности и затем формируют множество многослойных биореакторов из частиц, имеющих свободный объем больший чем или равный приблизительно 15% с формированием каждого биореактора из частиц одного из выделенного класса по крупности. Предпочтительно если один из классов по крупности включает существенно мелкую фракцию или существенное число частиц меньше чем приблизительно 0,3 см в диаметре, этот класс по крупности предпочтительно агломерируют с формированием частиц, имеющих размер частиц в диапазоне от 0,3 до 2,54 см, пока не сформируется биореактор с этим классом по крупности.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления предлагается способ конвертирования биодеградируемого углеродсодержащего материала в синтетическое топливо с использованием многослойного биореактора из частиц. В соответствии со способом многослойный биореактор из частиц формируют из частиц, включающих биодеградируемый углеродсодержащий материал. Биореактор инокулируют культурой, включающей один или несколько аэробных и/или факультативно анаэробных микроорганизмов, способных ферментировать углеродсодержащее вещество. Углеродсодержащее вещество в куче аэробно ферментируют и синтетическую нефть и/или газообразное топливо собирают из кучи. Окружающая среда в куче конвертируется из аэробной окружающей среды в анаэробную окружающую среду, и кучу инокулируют культурой, включающей один или несколько анаэробных микроорганизмов. Аэробно биообработанную кучу затем анаэробно биообрабатывают с продуцированием синтетической нефти и/или газообразного топлива. Наконец, синтетическую нефть и/или газообразное топливо собирают из анаэробно биообработанной кучи.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления предлагается способ биоконвертирования органического углеродсодержащего материала в синтетическое топливо с использованием многослойного биореактора из частиц. Способ в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает стадии: а) покрытие поверхности множества субстратов, имеющих размер частиц больший чем или равный приблизительно 0,3 см, органическим углеродсодержащим материалом и формирование тем самым множества покрытых субстратов; б) формирование многослойного биореактора из частиц с покрытыми субстратами, многослойный биореактор из частиц имеет свободный объем больший чем или равный приблизительно 15%; в) формирование анаэробной окружающей среды в многослойном биореакторе из частиц; г) анаэробная биообработка многослойного биореактора из частиц до тех пор, пока требуемое количество органического углеродсодержащего материала в многослойном биореакторе из частиц не будет конвертировано в газообразное топливо; и д) сбор газообразного топлива из многослойного биореактора из частиц.

Предпочтительно газообразное топливо, продуцированное и собранное по способу, включает метан. Далее в предпочтительном осуществлении варианта осуществления синтетическую нефть также собирают из многослойного биореактора из частиц.

Множество субстратов могут включать, например, один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из нефтеносного сланца, угля, породы, асфальта, резины и растительных отходов. Кроме того, типы растительных отходов, которые могут быть использованы как субстраты по способу, включают, например, растительные отходы, выбранные из группы, состоящей из коры, стержней кукурузных початков, ореховой скорлупы, древесных побочных продуктов и побочных продуктов сельскохозяйственных культур.

Органический углеродсодержащий материал, нанесенный на субстраты, может включать, например, органический углеродсодержащий материал, выбранный из группы, состоящей из нефтеносных песков, нефтеносного сланца, асфальтовой нефти, отработанного смазочного масла, битума, гудрона, смолы, керогена, угля и сельскохозяйственных отходов. Далее типы сельскохозяйственных отходов, которые могут быть нанесены на субстраты, включают, например, навоз, фруктовые отходы, солому, ферментированные отходы и пульверизованные растительные отходы. Кожица винограда является особенно предпочтительной формой фруктовых отходов, которая может быть нанесена на грубоизмельченные субстраты для биообработки. Дополнительно рисовая солома является особенно предпочтительной формой соломы, которая может быть нанесена на субстраты для биообработки.

В частности, энергосодержание одного фунта рисовой соломы составляет приблизительно 6500 ВТи, которое аналогично энергосодержанию некоторых бурых углей. В одном только 8астатеи1о Уа11еу продуцируется ежегодно приблизительно 1500000 т рисовой соломы. Так энергосодержание, накопленное в годовом урожае рисовой соломы в 8астатеи1о Уа11еу, составляет приблизительно 1,95х10¹² ВТИ, переработка ее является потенциально важным возобновляемым источником продуцирования синтети

- 5 015812 ческого топлива.

Как использовано в данном описании, термин уголь включает все типы углей, включая в порядке снижения метаморфического ранга антрацитовый уголь, полуантрацитовый уголь, полубитуминозный уголь, битуминозный уголь, суббитуминозный уголь, бурый уголь, торфяной уголь, торф и кеннельский уголь. Если уголь применяют как органический углеродсодержащий материал, нанесенный на субстрат, предпочтительно уголь имеет метаморфический ранг битуминозного угля или менее и более предпочтительно метаморфический ранг торфа или менее. Кроме того, если органический углеродсодержащий материал, нанесенный на субстрат, включает уголь или нефтеносный сланец, предпочтительно покрытие представляет собой концентрат этих материалов.

В особенно предпочтительном осуществлении по настоящему изобретению способ далее включает стадию покрытия многослойного биореактора из частиц газонепроницаемым барьером.

Газонепроницаемый барьер может, например, включать глинистый барьерный слой или пластиковый барьерный слой.

Многослойный биореактор из частиц также предпочтительно инокулируют культурой, включающей один или несколько аэробных и/или факультативно анаэробных микроорганизмов. Органический углеродсодержащий материал в биореакторе затем аэробно ферментируют вплоть до формирования анаэробной окружающей среды в биореакторе. Предпочтительно биореактор аэрируют в течение по меньшей мере части аэробной ферментации.

Аэробная окружающая среда может быть сформирована в биореакторе снижением концентрации кислорода в биореакторе посредством аэробной ферментации. Альтернативно или дополнительно, многослойный биореактор из частиц может быть продут аргоном, азотом, диоксидом углерода, аммонием или газообразным водородом.

В соответствии с другим вариантом осуществления предлагается способ биоконвертирования органического углеродсодержащего материала в синтетическое топливо, включающий в себя стадии: а) агломерацию частиц, включающих органический углеродсодержащий материал, с помощью агломерационного средства во множество агломератов, имеющих размер частиц больший чем или равный приблизительно 0,3 см; б) формирование многослойного биореактора из частиц с агломератами, многослойный биореактор из частиц имеет свободный объем больший чем или равный 15%; в) формирование анаэробной окружающей среды в многослойном биореакторе из частиц; г) анаэробная биообработка многослойного биореактора из частиц до тех пор, пока желательное количество органического углеродсодержащего материала в многослойном биореакторе из частиц не будет конвертировано в газообразное топливо; и д) сбор газообразного топлива из многослойного биореактора из частиц. Предпочтительно газообразное топливо включает метан, как в других вариантах осуществления. Дополнительно синтетическую нефть предпочтительно собирают из многослойного биореактора из частиц по мере ее выпускания из биореактора.

Частицы, применяемые для формирования агломератов, могут включать широкий ассортимент органических углеродсодержащих материалов, включая один или несколько выбранных из группы, состоящей из нефтеносных песков, углеродистой породы, асфальта, резины и сельскохозяйственных отходов. Приемлемые сельскохозяйственные отходы включают, например, кору, стержни кукурузных початков, ореховую шелуху, древесные побочные продукты и побочные продукты сельскохозяйственных культур. Приемлемые углеродистые породы включают любой из углей и нефтеносный сланец. Угольные частицы, применяемые для формирования агломератов, имеют метаморфический ранг битуминозного угля или менее и более предпочтительно метаморфический ранг торфа или менее.

Способ также предпочтительно включает стадию покрытия многослойного биореактора из частиц газонепроницаемым барьером. Газонепроницаемый барьер может, например, включать глинистый барьерный слой или пластиковый барьер.

Анаэробная окружающая среда может быть сформирована в биореакторе снижением концентрации кислорода в биореакторе аэробной ферментацией. Альтернативно или дополнительно, многослойный биореактор из частиц может быть продут аргоном, азотом, диоксидом углерода, аммонием или газообразным водородом.

Множество агломератов может быть также покрыто жидким или полужидким углеродсодержащим материалом, таким как асфальтовая нефть, отработанное смазочное масло, битум, гудрон, смола и кероген для увеличения концентрации углеродсодержащего материала в биореакторе и обеспечения легко биодеградируемого источника органических соединений для микроорганизмов, обеспечивающих биодеградацию в биореакторе.

В соответствии с другим вариантом осуществления предлагается способ конвертирования органического углеродсодержащего материала в синтетическое топливо, включающий стадии: а) получение

- 6 015812 частиц твердого углеродсодержащего органического материала, имеющего размер частиц меньший чем приблизительно 5,0 см; б) скринирование частиц на два или более класса по крупности; в) формирование множества многослойных биореакторов из частиц, имеющих свободный объем больший чем или равный приблизительно 15%, каждый биореактор сформирован из частиц одного из выделенных классов по крупности; г) формирование анаэробной окружающей среды в каждом из многослойных биореакторов из частиц; д) анаэробную биообработку каждого из многослойных биореакторов из частиц до тех пор, пока желательное количество органического углеродсодержащего материала в многослойном биореакторе из частиц не будет конвертировано в газообразное топливо; и е) сбор газообразного топлива из каждого многослойного биореактора из частиц. Предпочтительно газообразное топливо включает метан, как в других вариантах осуществления. Дополнительно синтетическую нефть предпочтительно собирают из многослойного биореактора из частиц.

Частицы твердого органического углеродсодержащего материала могут включать широкий ассортимент органических углеродсодержащих материалов, включая, например, нефтеносные пески, углеродистую породу, асфальт, резину и сельскохозяйственные отходы. Приемлемые сельскохозяйственные отходы для применения по способу включают, например, один или несколько растительных отходов, выбранных из группы, состоящей из коры, стержней кукурузных початков, ореховой шелухи, древесных побочных продуктов и побочных продуктов сельскохозяйственных культур. Приемлемые углеродистые породы для применения по способу включают любой из углей и нефтеносный сланец.

Предпочтительно способ далее включает стадию покрытия каждого многослойного биореактора из частиц газонепроницаемым барьером. Многослойный биореактор из частиц также предпочтительно инокулируют культурой, включающей один или несколько аэробных и/или факультативно анаэробных микроорганизмов. Органический углеродсодержащий материал в биореакторе затем аэробно ферментируют вплоть до формирования анаэробной окружающей среды в биореакторе. Предпочтительно биореактор аэрируют в течение по меньшей мере части аэробной ферментации.

Анаэробная окружающая среда может быть сформирована в биореакторе способом, описанным в связи с любым вышеуказанным вариантом осуществления.

Предпочтительно жидкий или полужидкий углеродсодержащий материал, такой как асфальтовая нефть, отработанное смазочное масло, битум, гудрон, смола и кероген добавляют в по меньшей мере один из биореакторов для увеличения концентрации углеродсодержащего материала в биореакторе и обеспечения легко биодеградируемого источника органических соединений для микроорганизмов, обеспечивающих биодеградацию в биореакторе.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается биореактор для конвертирования биодеградируемого углеродсодержащего материала в синтетическое топливо. В соответствии с одним вариантом осуществления биореактор включает: а) множество частиц, уложенных с формированием кучи, имеющей свободный объем больший чем или равный приблизительно 15%, частицы включают биодеградируемый углеродсодержащий материал; б) средство подачи газов в кучу; в) средство подачи водных растворов в кучу; г) средство подачи газа из кучи; д) средство сбора жидкостей, которые вытекают из кучи; е) газонепроницаемый барьер, покрывающий кучу; и ж) микробный консорциум в куче, способный биодеградировать биодеградируемый углеродсодержащий материал в куче в синтетическое топливо.

Дальнейшие аспекты, цели, желательные особенности и преимущества по изобретению будут лучше поняты из детального описания и чертежей, которые следуют, в которых различные варианты осуществления раскрытого изобретения иллюстрированы посредством примера. Также следует понимать, тем не менее, что чертежи служат только цели иллюстрации и не предполагаются как определяющие объем изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 схематически иллюстрирует силовую установку для биодеградации, соответствующий биореактор и вспомогательное оборудование для выделения синтетического топлива из углеродсодержащего материала;

фиг. 2 представляет собой вид в поперечном разрезе агломерированной частицы одного или нескольких типов органических углеродсодержащих материалов, удерживаемых вместе связующим агентом;

фиг. 3 представляет собой вид в поперечном разрезе покрытой частицы, которая может быть использована для формирования подложки и покрытия углеродсодержащего материала;

фиг. 4 представляет собой схематическую иллюстрацию способа продуцирования агломерированных и покрытых частиц;

фиг. 5 представляет собой схематическую иллюстрацию способа формирования множества биореакторов в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

В соответствии с его обычным значением термин синтетическое топливо, применяемый в данном описании, относится к жидкому или газообразному топливу, полученному из ископаемого топлива, которое является твердым, таким как уголь, или частично твердым, таким как гудронные пески или нефтеносный сланец, или после ферментации. Продуцированное синтетическое топливо может быть, напри

- 7 015812 мер, синтетической нефтью, спиртом и/или газообразным топливом, содержащим метан.

Как использовано в данном описании, термины биодеградируемый углеродсодержащий материал и органический углеродсодержащий материал являются существенно взаимозаменяемыми и относятся к углеродсодержащему сырью, которое может быть использовано в способах или биореакторах по настоящему изобретению для продуцирования синтетического топлива. Следует понимать, что эти термины также охватывают и относятся к органическим ферментативным продуктам, полученным из исходного углеродсодержащего сырья, которое находится в биореакторе.

Фиг. 1 схематически иллюстрирует силовую установку для биодеградации 10. Силовая установка 10 включает многослойный биореактор из частиц 20. В настоящем варианте осуществления биореактор 20 включает кучу 30, включающую множество уложенных частиц и газонепроницаемый барьер 36, покрывающий кучу 30. Барьер 36 установлен так, что биореактор 20 может действовать в анаэробной манере. Если биореактор 20 [в тексте - 36] не будет действовать в анаэробной манере, тогда барьер 36 не является необходимым.

Многослойный биореактор из частиц 20 может быть сформирован путем укладывания в кучу частиц, включающих биодеградируемый углеродсодержащий материал с формированием кучи 30. Многослойный биореактор из частиц 20 затем аэробно и/или анаэробно биообрабатывают с конвертированием углеродсодержащего материала в биореакторе 20 в синтетическое топливо, которое затем собирают из биореактора, например, с помощью системы сбора жидкости 32 и/или системы сбора газа 33.

Биодеградируемый углеродсодержащий материал, переработанный в биореакторе 20, может включать, например, нефтеносные пески, углеродистую породу, асфальт, асфальтовую нефть, отработанное смазочное масло, битум, гудрон, смолу, кероген, резину и сельскохозяйственные отходы. Материалы углеродистой породы, которые могут быть переработаны в способах и биореакторах по настоящему изобретению, включают, например, все различные угли и нефтеносный сланец. Низкокачественные угли являются особенно предпочтительными вследствие того факта, что они содержат меньше связанного углерода, содержат более высокие концентрации водорода и являются, в общем, более легкими для биодеградации. Так, предпочтительно, что уголь имеет метаморфический ранг битуминозного угля или ниже, более предпочтительно бурого угля или ниже и даже более предпочтительно торфа или ниже.

Как природный, так и синтетический асфальт может быть переработан в способах и биореакторах по настоящему изобретению, таким образом обеспечивая новое применение и альтернативные средства удаления выработанного асфальта с поверхностных слоев дорожного покрытия. Аналогично измельченные шины или шины с грунтозацепами могут быть использованы как источник резины в способах и биореакторах по настоящему изобретению. Сельскохозяйственные отходы включают животные и растительные отходы, полезные примеры которых включают навоз, кору, стержни кукурузных початков, ореховую шелуху, древесные побочные продукты, побочные продукты сельскохозяйственных культур, фруктовые отходы, солому, ферментированные отходы и пульверизованные растительные отходы.

Большое разнообразие конструкций многослойных биореакторов из частиц может быть использовано для практического осуществления способов по настоящему изобретению.

Действительно, многие конструкции многослойных биореакторов из частиц, применяемые в кучном биовысщелачивании металлических руд, могут быть адаптированы для применения по настоящему изобретению. Далее размер и распределение по крупности частиц, применяемых для формирования биореактора 20, предпочтительно выбирают так, что большой процент углеродсодержащего материала подвергается воздействию микробов, применяемых для проведения биообработки. Размер и распределение по крупности частиц также предпочтительно выбирают так, что свободный объем реактора 20 составляет более чем или равен приблизительно 15% и более предпочтительно больше чем или равен приблизительно 20%. Предпочтительный диапазон свободного объема реактора 20 находится между приблизительно 15 и 35% и более предпочтительно между приблизительно 20 и 35%. Также желательным для свободного объема является существенно равномерное распределение по всему реактору.

Для биореактора 20, который анаэробно биообрабатывается, в общем, свободные объемы с более высокой стороны диапазонов будут желательны, так же, как хорошая проницаемость будет необходима для переноса кислорода и жидкости в куче. Хотя определенный уровень проницаемости не требуется для биореакторов, для тех, которые являются исключительно или первично анаэробно биообрабатываемыми, проницаемость в таких биореакторах остается важной. Причина состоит в том, что проницаемость еще требуется в таких реакторах для контроля рН и температуры, точного контроля низкого уровня кислорода и эффективного перевода в аэробные условия в куче. Проницаемость также необходима для возможности адекватного переноса жидкости в куче, так что инокулум и питательные вещества могут достигать всех областей реактора. Далее 1 т угля способна продуцировать вплоть до 0,5 т метанового газа. Это составляет приблизительно тысячекратное объемное расширение. Так, важно, что реактор имеет адекватную проницаемость, чтобы выпустить это газообразное синтетическое топливо.

Одна или несколько культур могут быть использованы для биообработки многослойного биореактора из частиц 20, причем каждая культура включает один тип микроорганизма или группу различных микроорганизмов. Обычно культуры будут включать группу различных микроорганизмов. Далее микроорганизмы, применяемые для биообработки углеродсодержащего материала в реакторе 20, могут быть

- 8 015812 аэробными, факультативно анаэробными или анаэробными микроорганизмами и это может изменяться со временем. Например, в особенно предпочтительном варианте осуществления биообработка начинается как аэробный процесс микробной деградации и затем превращается в анаэробный процесс микробной деградации. В других осуществлениях, однако, может быть желательно выполнить только аэробную биообработку или только анаэробную биообработку.

Если аэробная биообработка подлежит выполнению, тогда кучу 30 предпочтительно инокулируют по мере формирования кучи 30 или в кратчайший срок после этого микробным консорциумом, который способен биодеградировать биодеградируемый углеродсодержащий материал, который будет переработан в биореакторе 20. Например, инокулянт может быть распылен на частицы при их укладывании, предпочтительно штабелером с формированием кучи 30. Альтернативно, на каждый слой частиц, уложенных с формированием кучи 30, может быть распылен инокулянт до укладывания другого слоя частиц. Далее если агломераты или покрытые частицы, рассмотренные ниже, применяют для формирования кучи 30, тогда инокуляция может также иметь место в течение процесса формирования частиц. Вышеуказанная методика инокуляции не является эксклюзивной и специалисты в данной области будут понимать исходя из незамедлительного раскрытия сущности изобретения, что существует широкий круг других путей инокуляции биореактора 20, включая применение диких штаммов микроорганизмов, которые уже присутствуют в частицах, применяемых для формирования реактора.

Если углеродсодержащий материал в биореакторе 20 анаэробно биообрабатывается, тогда биореактор 20 предпочтительно проектируют так, что новые культуры микробов могут быть введены анаэробно в биореактор и эффективно распределены по всему биореактору. Это может быть, например, выполнено при помощи оросительной системы 34, которая имеет связь с источником 40 микробов и питательных веществ, и водой 66, извлеченной из сепаратора нефть/вода 37. В настоящем варианте осуществления оросительная система 34 представляет собой предпочтительно систему капельного орошения, чтобы обеспечить расположение газонепроницаемого барьера 36 как можно ближе к верху кучи 30. Оросительную систему 34 предпочтительно располагают по соседству с верхней частью кучи 30, так что вся куча 30 может быть орошена. Однако также может быть желательно иметь эмиттеры 61, погруженные на различные глубины в кучу с различными частями оросительной системы независимо контролируемой для усиления контроля процесса в биореакторе 20.

Бактерии, перечисленные в табл. 1 ниже, могут быть использованы в анаэробно биодеградируемых углеродсодержащих материалах, найденных в ископаемых топливах, таких как уголь, нефтеносный сланец и нефтеносный песок. Дополнительно найденные дикие штаммы, связанные с этими природными ресурсами, также могут быть использованы.

Таблица 1

Аэробные и факультативно анаэробные организмы, способные деградировать длинноцепные углеводороды

АсйготоЬасГег рага££1пос1а8£из

АстпеЪоЬасГег са1соасе£1сиз

АгЕйгоЬасЕег рага££1пеиз

АгЪйгоЬасЬег з±тр1ех

СапсНба Иро1у£1сип1 СарБа1озрог1ит гозет

СогупеЬасЪегтит дХиГатхсит

СогупеЬас£ег1ип1 Ну0госагЬос1азЪиз

СогупеЬасГегтит ребгорБИит

ΕΊθνοΡΒοΕβτίαιη зресгез

Мгсгососсиз д1и£т1сиз

МусоЬасЪегхит рага££1сит

М1сгососсиз рага££1по1уЬ1сиз

МусоЬасБегпит зтедта£1з

ЫосагсНа реЪгоо1еорЫ1а

₽. аегид!поза

РзеисХотопаз £1иогезсепз

Тоги1орз£з со111си1оза

5£гер£отусеэ агдеп£ео1из

ЗЪгерботусез аигеиз

Факультативные микроорганизмы в табл. 1 и микроорганизмы, перечисленные в табл. 3 ниже, могут быть использованы в анаэробно ферментированных различных углеродсодержащих материалах в биореакторе 20. Далее метаногенные микроорганизмы, перечисленные в табл. 2, могут быть использованы в конце биодеградации углеродсодержащих материалов, включенных в биореактор 20 конвертированием простых органических соединений, полученных при аэробной и/или анаэробной ферментации в метан. Анаэробные микроорганизмы, применяемые для биодеградации сельскохозяйственных и других органических отходов, также могут быть легко получены, например, из коровьего навоза или илистых отложений отходов факультативной или анаэробной обработки прудов.

- 9 015812

Таблица 2

МеСЪапоЬасЪег1ит £огт1С1сит МебЬапсЬасбегТит ТЪегтаибобгорШсит Ме-ЬЬапоЬасбегТит νζοίίβί МеЪЬапоЬасбегтит а1са11рШ1ит МебНапоЬасбегхит £Ьегто£огт1схит МеМчапоЬасТегтит Ызегта1саИрпИит Ме£йапоЬас111из отеИапзкИ С1оз£г1с11ит Ьибугхсит Ре1оЬас£ег асе£у1еп1сиз

Ме1Ьапозрд.гШшп 11ипс|а£е1 Ме1:11апоЬгет1Ьас£ег гиттпаггб^ит Ме£НапоЬгеуп.Ьас1:ег зтх1:Ы1 Ме£11апоЬгеу1Ьас£ег агЬогхрЬИхсиз МеЪИапобЬегтиз Γθτνΐάιιε Ме£Ьапо1:Ьегтиз 8ос1аЫ.11з МебкапозрЬаега з£ай£тапае

МебЬапозагсхпа Ьагкегх МебНапозагстпа таге!

МеЪЬапозагсхпа £ЪегторЫ1а

Метаногенные организмы

МекНаподепхит сагхасх

МеЪЬаподепхит тагхзпхдгх

Ме£Ьаподеп1ит £ЬегторЫ11сит

МеГНаподепхит о1еп£апду1

Мебкаподепхит £а£д.оп1з

Ме£Ьапососсиз νθπηίθΐίί

Меккапососсиз νο1£3ε

МебЬапососсиз таг1ра1исИз МеЫаапососсиз ТЬегтоЫЫюЪгорЫсиз Ме£Ьапот1сгоЫит тоЬПе

Ме£Ьапот1сгоЫшп раутбегх Ме1:Ьапососсо1дез те£Ну1и1:епз Ме£Ьапор1апиз 11т1со1а

Ме£Напо1оЬиз ЪхпсЗагхиз Ме£Ьапо1оЬи® згсШае Ме£Ьапо1оЬиз νυΐο^ηί

Ме£1аапо1:Г1Г1х зоеЬпдепИ МебЬапоЪЬгхх οοηοίΐϋ

Ме£Ьапо£Ьг1х РНегтоасеЬорНИа

Таблица 3

Анаэробные ферментирующие микроорганизмы

Органический субстрат	Переваривающий анаэроб
Спиртовое окисление	Рези1£оу1Ьг4о ллиТдагтз, ТЪегтоапаегоЫит ЬгоокИ, Ре1оЬас£ег уепе£1апиз и Ре1оЬас£ег сагЫпо!1сиз
Окисление пропионата	Зуп^горКоЬасбег «οϋηίί, ЗупбгорЬоЬасбег рЕеппхдИ
Окисление бутирата	Зуп£горНотопаз «ο1£εί, ЗупТгорЬотопаз зароуогапз, ЗупТгорЬозрога ЬгуапЪИ
Окисление ацетата	С1оз£г1й1шп и1бипепзе
Окисление гликолата	Зуп£горГ1оЬо£и1ив д1усо11сиз
Окисление ароматических соединений	ЗупСгорНиз ЬизиеНП, ЗупбгорЬиз депбхапае

Любой один или несколько микроорганизмов, перечисленных в табл. 1-3, или дикие штаммы, которые выбирают для использования в настоящем способе, будут зависеть от факторов, таких как тип углеродсодержащего материала для биодеградации, предполагаемый рН окружающей среды и предполагаемые температуры в куче в течение биодеградации. Эти критерии отбора, однако, хорошо известны специалистам в данной области и не требуют описания в деталях в данном описании. В общих чертах, однако, будет предпочтительно применять консорциум микроорганизмов во время аэробной и анаэробной биообработок. Консорциумы микроорганизмов являются предпочтительными, потому что условия окружающей среды (например, рН, температура, Ей, типы питательных веществ и концентрации, органические субстраты, уровни токсинов и т.п.) будут обычно варьировать во всей куче 30. Так, когда консорциум используют, условия в куче 30 будут, естественно, выбирать для тех микроорганизмов, которые лучше приспособлены для условий, которые существуют в куче 30 или какой-нибудь ее части.

Кроме того, способы и биореакторы, раскрытые в данном описании, не ограничены применением бактерий и Агсйаеа для выполнения биодеградации. Например, дрожжи и грибы и/или плесени, которые биодеградируют углеродсодержащий материал в биореакторе 20, также могут быть использованы.

Как отмечено выше многослойный биореактор из частиц 20 предпочтительно начинает действовать как аэробный биореактор и затем конвертируется в анаэробный биореактор. Анаэробная окружающая среда в биореакторе 20 может быть сформирована, например, путем покрытия кучи 30 газонепроницаемым барьером 36. Газонепроницаемый барьер 36 представляет собой предпочтительно глинистый барьерный слой или пластиковый лейнер.

Как только кучу 30 покрывают, если только не подают дополнительный воздух или кислород в

- 10 015812 биореактор 20, биореактор 20 будет, естественно, становиться анаэробным с течением времени, так как весь имеющийся в наличии кислород будет потреблен посредством аэробной биодеградации углеродсодержащего материала в биореакторе 20. Как только имеющийся в наличии кислород потребляется, процесс в биореакторе 20 будет конвертироваться из аэробного процесса биодеградации в анаэробный процесс биодеградации. Для ускорения процесса конверсии кислород может быть продут из биореактора путем вытеснения или продувки биореактора неоксигенированным газом, таким как аргон, азот, углерод диоксид, аммиак, водород или их комбинации, а также любым другим обеспечивающим анаэробную окружающую среду газом. Для процесса биодеградации будет также полезно применение факультативных анаэробных бактерий в течение конверсии из аэробной в анаэробную окружающую среду в куче 30. Это происходит потому, что факультативные анаэробы могут продолжать процесс деградации несмотря на то, что находится еще слишком много кислорода в окружающей среде для поддержания роста облигатных анаэробов, но недостаточно кислорода для поддержания робастной аэробной ферментации.

Система подвода газа 60 может быть использована для подачи газа по всему биореактору. Система подвода газа 60 включает перфорированные трубы 31, которые погребены в куче 30, предпочтительно прилегая к части дна кучи 30 в период сооружения кучи. Система подвода газа 60 также включает трубу 62, которая сообщается с перфорированными трубами 31 и селективно сообщается через клапан 27 с воздуходувкой 28 или источником продувки газом 64. Перед конвертированием биореактора 20 в анаэробную систему клапан 27 предпочтительно установлен для открытия сообщения между воздуходувкой 28 и трубой 62. В результате воздух из воздуходувки 28 может быть подан в биореактор 20 через перфорированные трубы 31, в то время как аэробная биодеградация осуществляется в биореакторе 20. Так система подвода газа 60 может быть использована для регуляции и контроля уровней кислорода в куче 30, а также контроля температуры в куче 30 во время аэробной фазы.

Предпочтительно система подвода газа 60 адаптирована так, что она может быть использована для подачи газа для продувки в биореактор 20 для того, чтобы создать анаэробную окружающую среду в биореакторе. При этом когда биореактор 20 конвертируется в анаэробный реактор, клапан 27 предпочтительно установлен на закрытие сообщения между трубой 62 и воздуходувкой 28 (или атмосферой). Дополнительно при этом предпочтительно клапан 27 может быть также установлен на открытие сообщения между трубой 62 и источником газа для продувки 64. Как только биореактор 20 достаточно продут, клапан 27 может быть установлен в третье положение, в котором сообщение между трубой 62 и воздуходувкой 28 и источником газа для продувки 64 закрыто.

Система сбора газа 33 может быть использована для сбора и удаления газообразного синтетического топлива из биореактора 20. Система сбора газа 33 включает множество перфорированных труб 68, расположенных по направлению к верхней части кучи 30 в период сооружения кучи 30. Дополнительно система сбора 33 включает средство для передачи собранного газообразного синтетического топлива, такое как труба 70, в сборный танк 26. Так как газообразное синтетическое топливо обычно содержит смесь метана и диоксид углерода, полученную в результате метаногенной деградации, предпочтительно уловленное газообразное синтетическое топливо обрабатывают при помощи сепаратора 39 перед хранением желательного метанового топлива в сборном танке 26. Сепаратор 39 спроектирован для сепарации диоксид углерода от метана в уловленном газообразном синтетическом топливе. Примеры приемлемых технологий сепарации углерод диоксид/метан описаны в патенте США № 4518399, который включен в данное описание посредством ссылки. Сепарированный газ углерод диоксид предпочтительно передают через трубу 72 в трубопровод 62 системы подвода газа 60 и тем самым рециклизируют в биореактор 20. Очищенный метан, полученный из сепаратора 39, может затем храниться в сборном танке 26 для последующей продажи или использования.

Диоксид углерода из сепаратора 39 предпочтительно рециклизируют в биореактор 20 для поддержания положительного давления в биореакторе в течение анаэробной фазы, тем самым содействуя поддержанию анаэробных условий посредством минимизации случайного кислородного загрязнения. Кроме того, углерод диоксид является действительно одним из субстратов, который метаногенные организмы используют для продуцирования метана.

Если газообразное синтетическое топливо, собранное из биореактора 20, имеет достаточную метановую топливную способность, оно альтернативно может быть подано непосредственно в работающий на газе электрогенератор 45. Работающий на газе электрогенератор может быть приведен в действие газовой турбиной или двигателем внутреннего сгорания, адаптированным для отвода собранного газообразного синтетического топлива. Энергия, генерированная из генератора 45, может быть использована для получения электричества для других операций на заводе, продажи частной энергетической компании или продажи непосредственно потребителям.

Благодаря эффективности двигателей и турбин только небольшой процент (24-38% для двигателей внутреннего сгорания и 16-18% для небольших турбин) сжигаемой метановой теплотворной способности будет трансформироваться в электрическую энергию. Остальная теплотворная способность в сжигаемом метановом газе будет конвертироваться в избыток тепла. Однако, если силовая установка для биодеградации 10 расположена около запасов угля, нефтеносного сланца или нефтеносного песка, избыток тепла, продуцированный с помощью работающего на газе электрогенератора 45, может быть использован для

- 11 015812 различных целей, включая, например, продуцирование пара и/или горячей воды для применения при экстрагировании нефтеподобных продуктов из нефтеносных песков, газификацию угля и пиролиз нефтеносного сланца; это позволяет избыток тепла, генерированный силовой установкой 10, использовать в соответствующих методиках для извлечения нефти из этих запасов ископаемых топлив.

Так как все части кучи 30 аэробно биодеградируют, будет продуцирован только газ углерод диоксид. Исходя из этого клапан 71, который может быть установлен в трубе 70, может быть открыт для выпуска диоксид углерода, продуцированного в биореакторе.

Множество сенсоров 35 может быть размещено в одном или нескольких положениях по всей куче 30 для измерения уровней кислорода в биореакторе 20 в течение процесса биодеградации. Сенсоры 35 могут также мониторировать другие параметры процесса, включая температуру, ионную силу, концентрацию сульфата, токсические уровни металлов, рН или Ей. Уровни кислорода и других газов могут быть также измерены путем мониторирования газов, движущихся при помощи системы сбора газа 33. Аналогично параметры, такие как температура, ионная сила, концентрация сульфата, токсические уровни металлов, растворенный кислород, Ей или рН могут быть измерены в биореакторе путем мониторирования жидкостей, удаленных из биореактора 20 посредством системы сбора жидкости 32.

Система сбора жидкости 32 включает дренажную систему 74, смонтированную в самом нижнем слое кучи 30. Дренажная система 74 адаптирована для удаления жидкостей из биореактора 20 и включает дрену 80, из которой жидкости, которые выпускают из кучи 30, могут быть собраны и рециклизированы в кучу 30 или переработаны до их теплотворной способности. В настоящем варианте осуществления дренажная система 74, в основном, включает серии французских дрен, в которых она включает серии обычно параллельных перфорированных труб 76, ориентированных своими перфорационными отверстиями по направлению к земле и погребенных в слое гравия 78. Жидкости, которые выпускают через перфорированные трубы 76, собирают в дрену 80, где они предпочтительно передаются в сепаратор нефть/вода 37. Жидкое синтетическое топливо, продуцированное в биореакторе 20, удаляют из верхней части сепаратора 37 и воду со дна. Жидкое синтетическое топливо передают в танк 25 для хранения в ожидании применения или продажи. Извлеченное жидкое синтетическое топливо может включать различные углеводороды, а также спирты, поэтому может быть желательна дальнейшая очистка жидкого синтетического топлива до применения или продажи его на рынке.

Вода 66, извлеченная из сепаратора 37, предпочтительно рециклирует в биореактор 20 через оросительную систему 34 и в объеме с необходимыми добавлениями дополнительного инокулянта и питательных веществ из источника 40. Инокулянт в источник 40 может поступать из жидкости, взятой из разнородно переработанной кучи как средство для введения активных и адаптированных микроорганизмов в кучу 30. Дополнительно к инокулянту и питательным веществам жидкости, введенные в кучу, могут содержать другие агенты, добавленные из источника 40, так как жидкость подается обратно в кучу. Дополнительные добавки могут включать, например, воду, буферные агенты, сахара, отработанное смазочное масло, разжиженный коровий навоз. Предпочтительно загрязнители и/или биотоксины удаляют из воды 66, извлеченной из сепаратора 37 до того, как извлеченная вода 66 рециклирует в кучу 30.

Многослойный биореактор из частиц 20 будет продолжать продуцировать газообразное и/или жидкое синтетическое топливо в течение нескольких месяцев или лет. Возможный выход энергии из ископаемых топлив или другого углеродсодержащего материала, включенного в биореактор, однако, будет выше вследствие очень маленькой энергии, которая будет поглощена при образовании диоксид углерода в качестве конечного продукта.

После того как в биореакторе 20 истощится углеродсодержащий материал, биореактор может быть оставлен нетронутым. Альтернативно, можно по желанию аэрировать биореактор для полного удаления всех остаточных углеводородов или другого углеродсодержащего материала в биореакторе. Наконец, если биореактор сформирован из покрытых субстратов, которые обсуждены более полно ниже, субстраты могут быть извлечены, покрыты вновь добавочным углеродсодержащим материалом и уложены в новую кучу.

Несколько предпочтительных типов частиц для формирования кучи 30 биореактора 20 теперь описаны в связи с фиг. 2-5.

В общих чертах кучу 30 предпочтительно составляют из множества крупнозернистых частиц, включающих углеродсодержащий материал. Частицы предпочтительно попадают в довольно узкий размерный диапазон для обеспечения адекватного потока флюида, особенно потока жидкости во всей куче. Применение частиц с существенно однородным размером для формирования определенной кучи 30 будет обеспечивать однородный поток жидкости или газа по всему биореактору. Широкое распределение по размерам с другой стороны будет вызывать уплотнение и снижение свободного объема. Свободный объем в куче будет, в общем, больше чем или равен приблизительно 15% и более предпочтительно больше чем или равен приблизительно 20%. Обычно свободный объем будет находится в диапазоне от 15 до 35%. Более предпочтительно свободный объем будет находиться в диапазоне от 20 до 30%. Неравномерная упаковка или сегрегация по размерам может вызвать неравномерный поток газа или жидкости в куче 30 и снижение способности контроля однородного потока жидкости или газа в многослойном биореакторе из частиц 20.

- 12 015812

Частицы, применяемые для формирования кучи 30, должны также иметь достаточную целостность для того, чтобы быть способными выдержать ожидаемые силы сжатия, которые будут встречаться в куче 30. Обычно это будет означать, что частицы должны иметь способность противостоять силе многих тонн материала, уложенного поверх них. И так как частицы предпочтительно имеют, в общем, однородный размер для стимуляции флюидного потока в биореакторе 20, они также предпочтительно имеют грубую неоднородную поверхностную морфологию, способствующую увеличению общей площади поверхности биореактора 20.

Эти способы достижения частицами приемлемых характеристик для осуществления способов, раскрытых в данном описании, описаны в патентах США № 5766930, 5431717 и 5332559, которые включены в данное описание посредством ссылки.

Агломерация раздробленных частиц является одним подходом для увеличения размера частиц и тем самым улучшения просачивания жидкости по всей куче. Фиг. 2 показывает вид в поперечном разрезе агломерированной частицы 14, множество которой может быть использовано для формирования кучи 30. Агломерированная частица 14 включает множество более мелких частиц 15, 16 и 17, удерживаемых вместе посредством связующего агента 18. Более мелкая частица 15, 16 и 17 может включать мелкие фракции, генерированные из раздробленного биодеградируемого углеродсодержащего материала. Альтернативно, более мелкие частицы 15, 16 и 17 могут включать частицы из двух или более различных источников углеродсодержащего материала, которые будут скомбинированы вместе для получения агломерированной частицы 14. Так, может быть желательно комбинировать частицы из двух или более углеродсодержащих материалов, имеющих различные характеристики биодеградации для улучшения полного процесса биодеградации в биореакторе 20. Также может быть желательно покрыть множество агломерированных частиц 14 дополнительным углеродсодержащим материалом. Например, агломерированные частицы 14, применяемые для формирования кучи 30, могут быть покрыты суспензией, полученной из биомассы после спиртовой ферментации, жидких муниципальных отходов или сельскохозяйственных отходов с обеспечением питательных веществ для биодеградирующих микроорганизмов, присутствующих в куче.

Агломерация должна учитываться, когда биодеградируемый углеродсодержащий материал для биодеградации включает значительную фракцию частиц менее чем приблизительно 0,3 см в диаметре. При последующей агломерации предпочтительно агломерированная частица 14 имеет размер частицы в диапазоне от приблизительно 0,3 см до приблизительно 2,54 см. В этом отношении если углеродсодержащий материал является предпочтительно тонкогранулированным, так что имеет менее чем приблизительно 250 мкм в размере, то процесс покрытия, обсужденный ниже, может быть более соответствующим опции получения частиц.

Средство для продуцирования вышеупомянутых агломерированных частиц 14 иллюстрировано на фиг. 4. Частицы углеродсодержащего материала 41, которые должны быть агломерированы, подаются во вращающийся барабан 43 вместе с соответствующим количеством связующего вещества 18. Связующее вещество 18, например, может быть известью, портландцементом или любым приемлемым полимерным связующим агентом, применяемым в горной промышленности. Альтернативно, если может быть возможно применение другого углеводородного источника, такого как асфальтовая нефть, отработанное смазочное масло, битум, гудрон, смола или кероген в качестве связующего вещества 18, то минимум таких материалов может быть добавлен в качестве покрытия на агломерированные частицы 14.

Приемлемые связующие агенты должны быть такими материалами, которые связывают частицы углеродсодержащего материала 41 вместе во множество относительно однородных отсортированных по крупности частиц 14 и которые продуцируют частицы, которые достаточно прочны, чтобы выдержать вес кучи. Далее полученные агломерированные частицы 14 должны быть совместимы с рН биологического процесса и не препятствовать доступу микробов к углеродсодержащему материалу, подвергающемуся деградации и конвертированию в жидкое и газообразное синтетическое топливо. Метаногенные и ферментативные микроорганизмы, применяемые в предпочтительных вариантах осуществления по настоящему изобретению, могут расти в диапазоне рН от 6 до 8 и являются, таким образом, совместимыми с портландцементом и другими нейтральными к щелочному рН агломерирующими средствами. Вследствие микробной деградации углеродсодержащих материалов образуются органические кислоты, которые могут снижать рН ниже оптимального диапазона от 6 до 8, однако применение цемента в качестве связующего вещества может помочь поддержать оптимальный диапазон рН для метаногенных анаэробов. Главным преимуществом портландцементного типа агломерирующих средств является их прочность и таким образом несжимаемость частиц 14, когда цемент применяют в качестве связующего вещества 18.

Как только агломерированные частицы 14 сформированы, они могут быть уложены в кучу 30 и использованы в биореакторе 20, раскрытом в данном описании.

Фиг. 3 иллюстрирует вид в поперечном разрезе покрытой частицы 23, второй тип частицы, которая может быть использована по настоящему изобретению. В этом варианте осуществления частицы углеродсодержащего материала 41 наносят на множество субстратов 21 с формированием множества покрытых частиц 23, имеющих покрытие 22 углеродсодержащего материала. Альтернативно, покрытие 22 может включать или быть сформировано из жидкого углеродсодержащего материала. Частицы углеродсо

- 13 015812 держащего материала 41 и/или жидкого углеродсодержащего материала могут быть нанесены на субстраты 21 с использованием различных методик, включая применение вращающегося барабана 43, как показано на фиг. 4, или распылителя суспензии пульпы высокой плотности.

Субстраты 21 являются предпочтительно твердыми и предпочтительно имеют размер частиц больший чем или равный приблизительно 0,3 см и меньший чем или равный приблизительно 5 см. Более предпочтительно субстраты 21 имеют размер частиц больший чем или равный приблизительно 0,3 см и меньший чем или равный приблизительно 3 см. Так как крупнозернистые субстраты 21 предпочтительно имеют размер частиц больший чем или равный приблизительно 0,3 см, общепризнано и теоретически предусмотрено, что некоторые субстраты могут действительно быть более меньшими чем этот размер частиц. Как признано специалистами в данной области, если крупнозернистые субстраты 21 продуцированы дроблением крупного материала в желательный размерный диапазон, раздробленный материал будет иметь определенное распределение по размерам. И даже если материал скринируют для исключения материала меньше чем приблизительно 0,3 см, определенный материал, имеющий размер частиц меньше чем минимум 0,3 см, будет еще представлен в крупнозернистых субстратах вследствие неустранимой неэффективности в способе скринирования и вследствие притирки частиц в процессе перемещения. Таким образом, больший чем или равный приблизительно 0,3 см подразумевает, что в основном все крупнозернистые субстраты имеют приблизительно этот размер, так что свободный объем реактора остается выше по меньшей мере приблизительно 20% в течение формирования кучи 30 и предпочтительно по всей операции. Предпочтительно количество крупнозернистых субстратов ниже формата 0,3 см составляет менее чем 5 мас.%.

Желательно сформировать относительно однородное покрытие 22 частиц углеродсодержащего материала 41 на субстратах 21 с максимизацией целостности покрытия и площади поверхности частиц 41, переработанных микроорганизмами в биореакторе 20. Далее как только размер частиц 41 снижается, процесс биодеградации протекает более быстро. Более мелкие частицы будут также стремиться прилипнуть лучше к субстратам 21. Ввиду этого размер частиц углеродсодержащего материала 41 является предпочтительно меньшим чем приблизительно 250 мкм и более предпочтительно номинальный размер частиц углеродсодержащего материала 41 для покрытия на субстраты 21 является большим чем приблизительно 75 мкм и меньшим чем приблизительно 106 мкм. Толщина покрывного материала составляет предпочтительно меньше чем 1 мм для уверенности в том, что микроорганизм(ы), применяемый для биодеградации, имеет адекватный доступ ко всему углеродсодержащему материалу, предназначенному для переработки.

Общая площадь поверхности биореактора 20 может быть также увеличена путем снижения размера частиц субстратов 21 с применением субстратов 21, которые имеют грубую неоднородную поверхностную морфологию, и/или увеличения числа покрытых субстратов 23, уложенных на кучу 30. Преимущество увеличения общей площади поверхности субстратов в куче состоит в том, что количество углеродсодержащего материала, которое может быть загружено на субстраты 21 в покрытие 22, возрастает пропорционально, что при обороте повышает количество углеродсодержащего материала, которое может быть деградировано в жидкое или газообразное топливо.

Покрытые частицы 23 могут быть продуцированы с использованием различных методик. Одна из возможностей состоит в добавлении субстратов 21 и частиц 41 во вращающийся барабан 43 в соответствующих количествах. Предпочтительно субстраты 21 являются сухими и частицы 41 представляют собой суспензию пульпы высокой густоты, так что они будут прилипать к субстратам 21 с формированием покрытия 22. Альтернативно, и субстраты 21, и частицы 41 могут быть добавлены во вращающийся барабан 43 сухими и затем вода и/или другой связующий агент могут быть распылены во вращающемся барабане 43 для стимуляции адгезии частиц 41 с субстратами 21.

Альтернативный способ формирования покрытых частиц 23 включает распыление частиц углеродсодержащего материала 41 в суспензии высокой густоты на субстраты 21 до или в тот момент, когда субстраты укладывают с формированием кучи 30 биореактора 20.

Устойчивое от нейтрального к щелочному рН связующее вещество 18, такое как портландцемент, может быть использовано, чтобы помочь удержать покрытые частицы углеродсодержащего материала 41 на твердом субстрате 21. Однако частицы углеродсодержащего материала 41, нанесенные на субстраты 21, могут быть также нанесены на субстрат без связующего вещества с тем же успехом, если субстраты 21 и частицы 41 являются достаточно гидрофобными. Преимущество этого последнего подхода состоит в том, что затрат на связующий материал можно избежать. Жидкий или полужидкий углеводород может быть также использован для удержания частиц 41 на субстрате 21 с формированием покрытия 22 с достаточной структурной целостностью. Так, например, асфальтовая нефть, отработанное смазочное масло, битум, гудрон, смола и/или кероген могут быть использованы для связывания частиц 41 с субстратами 21. Или покрытые частицы 23 могут быть далее покрыты такими субстратами для дальнейшего увеличения содержания углеродсодержащего материала в биореакторе 20.

Преимущество применения множества покрытых частиц 23 для формирования кучи 30 над применением агломератов 14 состоит в том, что твердый субстрат 21 покрытых частиц 23 обеспечивает высокую прочность для поддержания формы частицы. Другое преимущество этого варианта осуществления

- 14 015812 состоит в том, что покрытие 22 может быть мягким углеводородом или биомассой, которые не могут быть агломерированы в частицу с достаточной плотностью, чтобы выдержать сжатие, но могут выдержать сжатие, когда нанесены на субстрат. Таким образом, путем нанесения мягкого материала на твердую подложку может поддерживаться проницаемость в очень больших кучах. Другое преимущество состоит в том, что наружное покрытие углеводородов будет полностью усваиваться микробами для конверсии в жидкое топливо, нефть и/или метан.

Субстраты 21 могут быть получены из любого числа материалов, которые способны выдерживать вес уложенных частиц. Примеры приемлемых субстратов 21, которые не содержат любую допустимую концентрацию углеродсодержащего материала, включают пустую породу, гравий, лаву, пустую породу, содержащую карбонатные минералы, кирпич, шлакобетонный блок и шлак. Предпочтительно, однако, субстраты 21 также включают биодеградируемый углеродсодержащий материал, который будет также, в конечном счете, конвертироваться либо в нефть либо в метан. В этом отношении множество субстратов могут включать, например, один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из нефтеносного сланца, угля, породы, асфальта, резины и растительных отходов. Примеры приемлемых растительных отходов, которые могут быть использованы как субстраты 21, включают, например, растительные отходы, выбранные из группы, состоящей из коры, стержней кукурузных початков, ореховой скорлупы, древесных побочных продуктов и побочных продуктов сельскохозяйственных культур. Угольные субстраты могут включать любые истинные угли, включая полуантрацитовый уголь, полубитуминозный уголь, битуминозный уголь, суббитуминозный уголь и бурый уголь.

Частицы углеродсодержащего материала 41, нанесенные на субстраты 21, могут включать, например, органический углеродсодержащий материал, выбранный из группы, состоящей из нефтеносных песков, нефтеносного сланца, асфальтовой нефти, отработанного смазочного масла, битума, гудрона, смолы, керогена, угля и сельскохозяйственных отходов. Далее типы сельскохозяйственных отходов, которые могут быть нанесены на субстраты, включают, например, навоз, фруктовые отходы, солому, ферментированные отходы и пульверизованные растительные отходы. Кожица винограда является особенно предпочтительной формой фруктовых отходов, которая может быть нанесена на крупнозернистые субстраты для биообработки. Дополнительно рисовая солома является особенно предпочтительной формой соломы, которая может быть нанесена на субстраты для биообработки. Если уголь применяют как органический углеродсодержащий материал, нанесенный на субстрат, предпочтительно уголь имеет метаморфический ранг битуминозного угля или менее и более предпочтительно метаморфический ранг торфа или менее. Кроме того, если органический углеродсодержащий материал, нанесенный на субстрат, включает уголь или нефтеносный сланец, предпочтительно покрытие представляет собой концентрат этих материалов.

В особенно предпочтительном варианте осуществления частицы углеродсодержащего материала 41, формирующие покрытие 22, включают углеродсодержащий материал, который легко биодеградирует, такой как биомасса или сельскохозяйственные отходы, и тем самым ускоряется общий процесс путем обеспечения больших количеств жирных кислот для конверсии метана с помощью метаногенных микроорганизмов в биореакторе 20.

Третий способ продуцирования частиц однородного размера иллюстрирован на фиг. 5. В этом варианте осуществления мелкие частицы удаляют для усиления потока воздуха или жидкости в куче 30. Дробление и скринирование могут удалять мелкий материал из раздробленного углеродсодержащего материала. Путем удаления мелких фракций перед укладыванием распределение по размерам сужается и поэтому воздушный или жидкий поток во всей куче еще улучшает поточные характеристики всего раздробленного материала. Дополнительно к удаленным мелким фракциям раздробленная порода может быть далее разделена с помощью классов по крупности. Различные классы по крупности могут быть затем уложены в отдельные кучи 30 или слои в куче, как рассмотрено более полно ниже в связи с фиг. 5

В предпочтительном варианте осуществления углеродсодержащий материал, такой как углеводородная минеральная руда 51, дробят в рудодробилке 84 до размера приблизительно 5 см или менее. Раздробленную руду пропускают через набор сит 86, 88 и 90, которые разделяют раздробленный материал на два или более размерных диапазона. Классы по крупности могут быть, например, разделены следующим образом: наибольший класс по крупности составляет 3-5 см, средний класс по крупности составляет 1-3 см, маленький класс по крупности составляет 0,5-1 см и мелкая фракция составляет 0,5 см и менее. Первые три сепарированные фракции раздробленного материала могут быть уложены в отдельные кучи в соответствии с размером фракции. Так в настоящем варианте осуществления сформированы три кучи: куча 54 для фракции большого размера; куча 55 для фракции среднего размера и куча 56 для фракции маленького размера. Углеродсодержащий материал в мелкой фракции, (например, углеродсодержащий материал менее чем 0,5 см по размеру) может быть слишком маленьким для укладывания в кучу без начальной агломерации мелкой фракции. Соответственно, как показано на фиг. 5, частицы углеродсодержащего материала 41 в мелкой фракции могут быть агломерированы в барабане для агломерации 92. Агломерированные частицы 14 из барабана для агломерации 92 могут быть затем уложены с формированием кучи 58 агломерированных частиц.

Формирование агломерированных частиц 14 в барабане для агломерации 92 может быть выполнено

- 15 015812 способом, описанным выше в связи с фиг. 2 и 4. Мелкая фракция может быть также далее измельчена и затем флотирована с формированием более высококачественного углеродсодержащего материала. Полученный флотационный концентрат может быть затем агломерирован в барабане для агломерации 92 с формированием агломерированных частиц 14 или нанесен обратно на поверхность твердого раздробленного или отсортированного по крупности материала с формированием покрытых частиц 23.

Другой путь обработки мелкой фракции состоит в том, что фракцию обрабатывают полностью в кучном биореакторе. Например, мелкая фракция может быть обработана с помощью традиционных высокотемпературных способов, таких как реторт.

Хотя мелкая фракция по настоящему изобретению укладывается в 0,5 см и менее, в других вариантах осуществления она может быть уложена по-другому. Например, в некоторых осуществлениях может быть желательно или достаточно уложить мелкую фракцию в частицы, имеющие размер частиц приблизительно 0,3 см или менее.

Классы по крупности углеродсодержащего материала, собранные из различных сит, таких как сито большого размера 86, могут быть способны удерживать покрытие 22, как показано на фиг. 3. Углеродсодержащий материал, покрытый на класс по крупности, может быть нанесен на множество субстратов 21, изготовленных по классу по крупности в барабане для покрытия 53. Полученные покрытые частицы 23 могут быть затем уложены, например, в кучу 54. Различные типы углеродсодержащих материалов, которые могут быть уложены на частицы в различных классах по крупности, полностью описаны выше в связи с фиг. 3. Однако стоит отметить, что кроющий материал может быть мягким углеродсодержащим материалом, нежели чем углеводородной минеральной рудой, применяемой как субстрат. Например, углеродсодержащий материал, применяемый как кроющий материал, может быть, например, биомассой, углеводородной суспензией, биомассой от спиртовой ферментации, суспензией муниципальных отходов или сельскохозяйственными отходами.

Каждая куча 54, 55, 56 и 58 (или каждый слой, если принят подход стратифицированных слоев) будет иметь лучшие поточные характеристики по отдельности, чем если бы они были смешаны вместе. Если смешанный вместе материал наименьшего размера будет заполнять свободные пространства, тем самым он будет уменьшать свободное пространство и ограничивать поток. Дополнительно к ограничению свободного пространства некоторые области будут неизбежно иметь меньше мелких фракций и тем самым больше свободного пространства и лучший поток, чем другие. Это неравенство в скоростях потоков будет приводить к каналообразованию и неравномерному потоку вокруг области с избытком мелких фракций и ограниченным потоком. Это становится проблематичным при попытке продувки кислорода из системы или введении новой культуры анаэробных микроорганизмов.

Материал наименьшего класса по крупности будет иметь наибольшую скорость деградации. Тем не менее, если эту фракцию укладывают отдельно в кучу 56, она будет все еще иметь однородные характеристики газового и жидкостного потока. Более крупный отсортированный материал будет иметь лучшие характеристики потока, но более низкие скорости конверсии в метан. Более крупная по классу крупности куча может быть также использована в качестве поддерживающей породы для нанесения мягкого и более легко биодеградируемого материала, как описано выше. Также большие классы по крупности будут иметь большие свободные пространства и могут выдерживать большее сжатие и поэтому будут поддаваться лучшему укладыванию, чем материал наименьшего класса по крупности. Способность выдерживать большее сжатие будет создавать возможность укладывания мелкого материала как слоя поверх более крупного по классу материала. При укладывании отдельно каждая куча будет генерировать нефть или метан с различными скоростями. Если куча больше не продуцирует метан с экономически выгодной скоростью, новая куча может быть сформирована сверху этой. На этой стадии не будет иметь значение, если оставшийся материал в исходной куче уплотнен в месте, которое утратило проницаемость. В результате это может быть менее дорогостоящий путь продуцирования высокопрочных частиц для больших куч. Далее, более крупные по классу частицы не будут требовать повторного дробления на меньшие размерные диапазоны, которые также будут генерировать более мелкие фракции и увеличивать расходы. И хотя материал большего размерного диапазона будет биодеградировать более медленно, так как он может быть уложен в более высокие и большие кучи, кучи, сформированные из материала большего класса по крупности, могут быть фактически способны продуцировать то же самое количество метана на квадратный фут занимаемой земли, что и кучи, сформированные из фракций меньшего класса по крупности.

Раздробленная углеводородная минеральная руда 51, такая как уголь или нефтеносный сланец, с заданным максимальным классом по крупности в диапазоне приблизительно 0,5-3 см может быть легко получена с использованием технологии, широко известной в данной области. Окончательный максимальный заданный класс по крупности операции дробления, однако, будет зависеть от скорости биодеградации и времени, предполагаемого для продуцирования кучей жидкого или газообразного топлива. Когда размер частиц сделан меньшим, площадь поверхности, доступная для микробной деградации, становиться большей. Однако меньший размер дробления мишеней приводит к увеличению расходов на дробление и количество мелких фракций, которые становятся еще меньше, включают в кучу без агломерации или покрытия, как описано выше.

- 16 015812

Как теперь следует понимать, способ биодеградации, соответствующий настоящему изобретению и иллюстрированный на фиг. 1, применяют для формирования большого ех δίΐιι биореактора, в то же время обеспечивая доступ адекватного микроорганизма в углеродсодержащий материал для биоконвертирования в полезное жидкое и газообразное топливо или синтетическое топливо. Далее, усиленный жидкий или газовый поток, обеспеченный посредством предпочтительных вариантов осуществления, предусматривает легкое удаление жидких углеводородных топлив, таких как синтетическая нефть или газообразные углеводородные топлива, такие как метан. Усиленный поток также предусматривает введение микроорганизмов и питательных веществ в биореактор в любое время после формирования кучи. Как иллюстрировано на фиг. 1 и описано выше, средство может быть предусмотрено на дне, вершине и по всей куче 30 для облегчения введения и удаления жидкостей и газов.

Настоящее изобретение также предоставляет эффективный по затратам путь получения реактора с очень большой, высокой площадью поверхности для аэробной и/или анаэробной деградации углеродсодержащих материалов в синтетическое топливо. Действительно, можно оценить эффективно масштаб способов и биореакторов по настоящему изобретению для переработки тысяч тонн нефтеносного сланца или нефтеносного песка в день. Обычная коммерческая разработка этого изобретения может включать, например, укладывание 10000 т или более в день углеродсодержащего материала в кучи вплоть до миллиона или более тонн углеродсодержащего материала в целом. Способность оценить эффективно масштаб способов и биореакторов по настоящему изобретению в очень большом масштабе является важной, не только потому что конверсионный процесс будет медленным, но также потому, что он будет необходим для экстракции теплотворной способности из значительных количеств углеродсодержащего материала с получением материала, влияющего на мировые запасы нефти. Оценивая это в перспективе, будет, например, необходимо экстрагировать теплотворную способность из приблизительно 100000-400000 т нефтеносного сланца в день с пополнением приблизительно 1% находящихся в обращении в США 10 млн баррелей нефти, импортируемых каждый день.

В свете вышеизложенных преимуществ способы и биореакторные конструкции, описанные в текущем патентном документе, являются практически хорошо подходящими для получения синтетического топлива из низкокачественных ископаемых топлив. Причина состоит в том, что можно со способами и реакторами по настоящему изобретению обрабатывать большие количества таких ископаемых топлив в обычно больших низкостоимостных способах, в которых критически рассматривают длительное резидентное время, которое будет необходимо для биодеградации этих ископаемых топлив в синтетическое топливо, и концентрацию теплоты сгорания в этих ископаемых топливах на тонну материала. Так как нефтеносный сланец, нефтеносные пески, торф и низкокачественный уголь стремятся ближе к поверхности, при этом они будут способствовать относительному удешевлению добычи, таким образом сохраняя затраты на сооружение биореактора относительно низкими по сравнению с извлекаемой теплотворной способностью при добавлении в биореактор. С другой стороны, глубокие залежи углеродсодержащей породы будут стоить больше при добыче, таким образом потенциально влияя на экономические показатели отрицательно, даже если добываемая углеродсодержащая порода может быть более высококачественной.

При рассмотрении потенциальной ценности настоящего изобретения и его экономических показателей имеет значение рассмотрение некоторых заслуживающих внимания фактов, касающихся некоторых низкокачественных ископаемых топлив, которые могут быть переработаны по настоящему изобретению.

Нефтеносный сланец - общие мировые запасы нефтеносного сланца оценивают как свыше 2,6 триллиона баррелей нефти с одной из наибольших залежей, расположенных в США. Так, запасы нефти, блокированные в нефтеносном сланце, затмевают известные запасы нефти в несколько раз. Нефтеносный сланец обычно содержит 10 галлонов (гал) или более нефти на 1 т сланца с большими количествами сланца в США, содержащими свыше 20 гал/т или даже 30 гал/т. Действительно подсчитано, что в месторождении Сгееп К1уег в США имеется 731 биллионов баррелей нефти в запасах сланца, которые содержат по меньшей мере 25 гал нефти на 1 т сланца. Если такой сланец может быть переработан по цене $5 за 1 т или менее, способ будет, несомненно, экономически выгодным. Учитывая, однако, что стоимость переработки тонны руды по методике кучного биовысщелачивания в горной промышленности находится в диапазоне от $2 до $5 за 1 т, переработка сланца по цене $5 или менее за 1 т является вполне подходящей.

Нефтеносные пески - нефтеносные пески в мире содержат наибольшие аккумуляции жидких углеводородов в земной коре. Иногда называемые гудронными песками и битуминозными песками, нефтеносные пески содержат тяжелое вязкое нефтяное вещество, названное асфальтовой нефтью. Наибольшие запасы нефтеносных песков в мире расположены в Л1Ьег1а. Канада, которые были оценены как содержащие свыше одного триллиона баррелей нефти. Другая залежь нефтеносных песков в Южной Америке, как утверждается, содержит 692 биллиона баррелей нефти. Нефтеносные пески обычно содержат от 0,5 до 1 барреля нефти на 1 т.

Низкокачественный уголь - США имеют значительные запасы низкокачественного угля, такого как бурый уголь и торф, а также другие гуминовые вещества. Кроме того, США имеют наибольшие запасы

- 17 015812 торфа в мире. Торф имеет постоянно высокую влажность (минимум 75%), которая обычно требует его высушивания до его пережигания в других способах. Торф может быть использован по настоящему способу, однако без высушивания вначале, таким образом приводя к экономии значительного количество денежных средств для переработки этого ресурса.

Высокосернистая нефть и угли - в результате ограничений по выбросу серы диоксида в окружающую среду эти ископаемые топлива могут только пережигаться на заводах, имеющих соответствующие системы контроля загрязнения, или сера может быть удалена до пережигания топлив. По настоящему изобретению, однако, высокосернистые ископаемые топлива могут быть легко переработаны.

Предлагается предпочтительный вариант осуществления для продуцирования и извлечения жидкого углеводородного топлива из гудронных песков или нефтеносных песков и нефтеносного сланца. Гудрон или нефтеносные пески и нефтеносный сланец содержат большое количество углеводородов. Некоторая доля углеводородов может быть промыта или удалена с водой и повышенными температурами. Дополнительно продукты аэробной микробной ферментации этих углеводородов будут способствовать удалению углеводорода. Например, микробы рода Лг111гоЬас1ег. ВасШик, СогупеЬас1егшт, Ркеиботопак и другие, перечисленные в табл. 1 выше, продуцируют сурфактанты и растворители, которые будут способствовать удалению нефти, удерживаемой на поверхности песка или сланца этих углеводородных источников.

Дополнительно к этим продуцируемым с помощью микробов экстрагирующим агентам микробы способны снижать молекулярную массу парафинированных углеводородов и тем самым снижать их вязкость. Полученная нефть со сниженной вязкостью может быть затем более легко извлечена из песка и сланца при помощи водного потока.

Таким образом, биологический способ мобилизации нефти представляет собой способ усиления экстракции нефти, содержащейся в нефтеносном песке или нефтеносном сланце. Дополнительно к продуцированию экстрагирующих агентов, применяемых для сепарации углеводородных запасов из минералов, микроорганизмы конвертируют углеводороды в нефтяное масло с более низкой молекулярной массой. Далее, аэробные микроорганизмы, применяемые для продуцирования экстрагирующих агентов и снижения вязкости нефти, будут продуцировать через дальнейшую биодеградацию маленькие органические молекулы, которые могут впоследствии потребляться метаногенными микроорганизмами и конвертироваться в метан и углерод диоксид. Так как могут быть использованы микроорганизмы, доступные из культуральных коллекций, микроорганизмы дикого типа, изолированные из углеводородного участка, сами являются, вероятно, наиболее полезными для включения в кучную культуру.

Освобожденная нефть может быть впоследствии экстрагирована из минералов в куче с использованием бульона от аэробной ферментации. Как описано выше, нефть-мобилизирующая бактерия может быть добавлена в кучу агломерированного нефтеносного песка или нефтеносного сланца или при формировании кучи или сразу после этого. Эта аэробная часть способа начинается мобилизацией и снижением вязкости тяжелых углеводородов и гудрона в извлекаемой нефти, которая ускользает из кучи с помощью потока жидкости через частицы кучи и в систему сбора жидкости 32, где она затем попадает в сепаратор нефть/вода 37, и сепарированная нефть собиралась в танк 25.

После покрытия или герметизации кучи способ может быть конвертирован в анаэробную окружающую среду путем очистки биореактора 20 диоксидом углерода или путем предоставления аэробным микробам возможности потреблять захваченный кислород. Способ извлечения нефти может еще продолжаться, потому что анаэробные микробы могут еще мобилизовать нефть путем продуцирования сурфактантов и растворителей.

Как только куча становиться анаэробной, метаногенные микроорганизмы вводят в кучу 30 через оросительную систему 34 для начала генерации метана. Эти строго анаэробные микроорганизмы могут быть получены из культуральных коллекций, некоторые из них перечислены в табл. 2. Дополнительно с получением метаногенов из культуральных коллекций смешанная культура может быть изолирована при анаэробных условиях из торфяных болот, обработанных сточными водами растений, риса-сырца и желудочно-кишечных трактов жвачных животных. В этой части способа остаточные углеводороды и органические соединения, продуцированные с помощью аэробной части процесса, конвертируются в метан. Дополнительно в течение этой части процесса уровень кислорода и другие параметры, такие как температура, рН, химия растворов, уровни сульфата и токсических металлов, должны быть мониторированы с использованием сенсоров 35 или других средств, обсужденных выше. Регулирование условий окружающей среды в куче может быть сделано контролированием потока жидкости и газа в куче системой подвода газа 60 и оросительной системы 34.

Анаэробная фаза этого процесса будет продолжительнее, чем аэробная фаза процесса. Далее, поверхностные углеводороды на частицах, которые составляют биореактор, быстрей всего будут конвертироваться в нефть и метан. Позже в процессе микробы будут потреблять больше внедренных в частицы углеводородов. Общее время и скорость генерации метана будут являться функцией размера, распределения частиц и биодеградируемости углеродсодержащего материала. Большая часть угля, например, будет биодеградировать анаэробно в метан, но с очень низкой скоростью. Твердая подложка, сделанная из низкокачественного угля, может также несколько лет конвертироваться в метан. Слой гудронного песка,

- 18 015812 нанесенный на твердую угольную подложку, может быть конвертирован в жидкую нефть и метан в первый год процесса. Слой биомассы или сельскохозяйственных отходов, нанесенный на угольную подложку, может быть конвертирован в метан в течение нескольких месяцев. Быстрый рост микробов на наружном слое более чувствительного органического материала будет облегчать биодеградацию более резистентной твердой подложки путем ускорения быстрого развития толстого покрытия из активно растущих микробов над всей твердой подложкой частиц.

После того как наружные слои деградируют и большая часть легкодоступных углеводородов конвертируется в нефть или метан, необходимость в свободном пространстве и хороших поточных характеристиках отпадает. Поэтому новые кучные биореакторы могут быть спроектированы на вершинах старых кучных биореакторов, которые потребляют больше внешнего мягкого материала. На этой стадии старая куча в более медленной части цикла генерации метана может быть лучше приспособлена для размещения дополнительного веса другой кучи или постройки подъемника на ее вершину.

Следующие примеры далее определяют изобретение и не должны истолковываться как ограничивающие изобретение в изложенных примерах. Например, специфические примеры, описанные ниже, направлены на биодеградацию нефтеносного сланца, нефтеносного песка, угля и торфа. Однако, как описано выше, устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для биодеградации всех типов биодеградируемого углеродсодержащего материала.

Пример 1.

В этом примере твердый углеводородсодержащий материал, такой как нефтеносный сланец, применяют в кучном биореакторе 20 для продуцирования нефти и метана. Нефтеносный сланец добывают и дробят до размера менее чем 5 см со средним классом по крупности приблизительно 3 см. Как иллюстрировано на фиг. 5, наименьший класс по размеру менее чем приблизительно 1 см агломерируют в большие частицы приблизительно 3 см. Полимерное или портландцементное связующее вещество 18 может быть использовано для содействия формированию стабильных агломератов. Нельзя не отметить, что другой углеводородный источник, такой как гудрон или высоковязкая нефть, может действовать как приемлемое агломерационное средство или может быть нанесен на поверхность агломерата. Другой путь переработки мелких фракций состоит в удалении их полностью из кучного процесса. Далее измельчение и флотация могут быть использованы для формирования высококачественного углеводорода, который может быть затем агломерирован или нанесен снова на твердый раздробленный и отсортированный по крупности материал. Альтернативно, мелкая фракция может быть переработана в соответствующих высокотемпературных способах, таких как ретортный.

Размер частиц выбирают путем компромисса между затратами и скоростью продуцирования нефти и газа. Меньший размерный диапазон 1-3 см будет давать более быстрое продуцирование нефти и метана. Больший размерный диапазон 3-5 см будет обходиться дешевле при дроблении и продуцировании меньшего количества мелких фракций, которые будут требовать удаления или агломерации. Смесь или больший размерный диапазон от 1 до 5 см будет упаковываться более плотно и сдерживать газовый или жидкостный поток. Будут лучше уложить две отдельные кучи или поднять два размерных диапазона (1-3 см и 3-5 см), чем комбинировать их. Поэтому более выгодно тестировать каждый размер или размерные диапазоны для определения относительных скоростей деградации органического углерода и углеводорода и экстракции, и генерации метана. Это может быть сделано в мелкомасштабном лабораторном тесте для каждого типа углеводородного минерала, предназначенного для переработки в промышленном масштабе. Этот тип теста будет определять скорость продуцирования нефти и метана со временем. Микробы, применяемые в тесте, и условия окружающей среды, такие как температура, рН и питательные вещества, будут также влиять на скорость.

Как только агломераты созданы или как только куча уложена, консорциум углеводороддеградирующих микробов добавляют в кучу. Консорциум должен быть смешанной культурой микробов аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, которые известны как деградирующие углеводороды типа перерабатываемых в кучном способе. Конкретнее, смешанная культура должна быть адаптирована к питанию на углеводородном источнике, предназначенном для переработки в куче. Способы изоляции и адаптации микроорганизмов для углеводородной деградации нефтяного масла, в общем, известны специалисту по микробиологии. Один способ микробной адаптации сообщен 1ксба с сотр. в патенте США № 5919696, который в данное описание включен посредством ссылки.

Куча будет аэробной в течение времени, пока ее укладывают. Перфорированные трубы 31 и 76 в системе подвода газа 60 и системе сбора жидкости 32 соответственно устанавливают первыми и накрывают породой или непосредственно кучными частицами. По мере того как укладываемая куча становится выше, оросительную систему 34 и систему сбора газа 33 помещают в кучу. Они могут находиться на вершине и в средней части кучи. Сенсоры 35 могут быть добавлены в кучу 30 для мониторирования различных параметров процесса, включая температуру, концентрацию кислорода, давление и рН и для передачи детектированной информации на контроллер, не иллюстрированный в данном описании.

В аэробной фазе процесса микробы, питающиеся на углеводородах, продуцируют биосурфактанты, растворители и тепло, которое содействует вытеснению и мобилизации нефти, содержащейся в нефтеносном сланце. Дополнительно микробы вызывают химические изменения в вязких углеводородах, ко

- 19 015812 торые снижают вязкость нефти, содержащейся в сланце. Эта нефть мигрирует в более нижнюю часть кучи для извлечения с помощью системы сбора жидкости 32. Вода также может быть использована как носитель, содействуя вытеснению нефти из уложенных частиц. Водный раствор и нефть затем собирают в сепаратор нефть/вода 37, где нефть может быть сепарирована из водного раствора и затем доставлена в танк 25 для хранения. Сепарированная вода затем может быть рециклирована обратно в кучу при помощи системы орошения 34. Альтернативно, вода может быть удалена как отходы.

Аэробный процесс может продолжаться после того, как куча уложена и накрыта непроницаемым лейнером 36, например глинистой покрышкой или пластиковым лейнером. Промежуток времени будет зависеть от материала, подвергающегося переработке, и промышленной стоимости жидкой нефти по сравнению с метаном. Процесс изменяется от аэробного процесса на анаэробный процесс путем остановки потока воздуха при помощи системы подвода газа 60, встроенной в кучу, или путем пропускания через кучу газовой смеси с низким содержанием кислорода (менее чем 1,0%). Возможной газовой смесью может быть азот и углерод диоксид. Аэробные микробы будут разлагать углеводороды с более высокой молекулярной массой на меньшие молекулы. Это будет способствовать началу генерации метана в течение анаэробного процесса. Однако аэробный процесс будет расходовать больше энергетического потенциала углеводородного топлива посредством деградации углеводорода полностью в углерод диоксид, воду и тепло. Технико-экономические показатели будут определять лучшее время конверсии кучи из быстрого аэробного процесса в более медленный анаэробный процесс деградации метана.

Точный контроль уровней кислорода может быть необходим для оптимизации генерации метана без генерации водород сульфида. Сульфат-восстанавливающая бактерия будет конкурировать с метаногенными микробами за ацетат, жирные кислоты и водород, продуцируемый ферментирующими анаэробными микробами. Сульфат-восстанавливающая бактерия будет продуцировать водород сульфид и не продуцировать метан, тем самым снижая эффективность процесса.

Строго анаэробные метаногенные микроорганизмы могут нуждаться в снабжении питательными веществами в куче после того, как она стала анаэробной, потому что не были способны пережить аэробную часть процесса. Эти метаногенные микроорганизмы могут быть получены из существующей кучи, обработанной анаэробным способом, сама по себе куча является источником адаптированных и активно растущих микроорганизмов. В течение анаэробной фазы жидкая нефть может быть еще продуцирована и собрана. Метановый газ продуцируется до тех пор, пока наибольшее количество пригодного углеводорода не будет конвертировано в жидкую нефть/нефтяное масло или метан. Время будет зависеть от размера частиц или размера дробления сланца, подвергаемого переработке. Размер дробления меньше чем 5 см будет стоить больше при продуцировании, но будет продуцировать нефть и метан быстрее. Экспериментальный и экономический анализ может определить лучший размер дробления для определенного сланца.

Пример 2.

В этом примере углеводородным источником является нефтеносный песок. Этот материал также называют как гудронные пески и [он] содержит битум, аналогичный нефтеносному сланцу. Л1Ьсг1а. Канада, имеет три из наибольших мировых запасов нефтеносного песка, которые с запасом оценены как превышающие один триллион баррелей. Битум составляет приблизительно 10-12% нефтеносных песков. Остаток составляет 80-85% песка и глинистых минералов и 4-6% воды. Только приблизительно 10% этих запасов признаны извлекаемыми при традиционной эстракции горячей водой или методике обогащения флотацией. Эти небиологические способы экстракции оставляют приблизительно 25% битума в щелочной хвостовой фракции.

В этом примере материал нефтеносных песков агломерируют в маленькие шарики или частицы приблизительно 1-3 см по размеру. Размер биообработанных частиц должен быть выбран на основе скорости, с которой микробы будут снижать вязкость тяжелой нефти и экстрагировать ее из частиц. Это может быть определено в лабораторном эксперименте, как сделано в примере 1. В общем, меньшие частицы будут давать больше нефти с большей скоростью, чем большие частицы. Однако меньшие частицы могут быть более дорогостоящими и трудными в продуцировании.

Дополнительно к определению соответствующего размера частиц соответствующее количество и тип связующего вещества могут быть экспериментально определены с использованием методики, известной в горном деле. Выбранное связующее вещество должно быть достаточно сильным, чтобы удержать агломерированную частицу 14 связанной и устойчивой к весу кучи. Количество применяемого связующего вещества, однако, не должно быть таким большим, чтобы препятствовать проникновению микробов или экстракции нефти. Также применение избытка связующего вещества будет увеличивать стоимость способа. Приемлемые связующие вещества включают, например, портландцемент и полимеры. Флотационный концентрат битума может быть также агломерирован в частицу или нанесен на наружную поверхность частицы. Количество использованного цемента будет обычно в диапазоне от приблизительно 1 до 3%.

Агломерированные частицы 14 инокулируют адаптированным консорциумом микробов, которые способны снизить вязкость битума и конвертировать его в нефть с меньшей молекулярной массой. Этот консорциум должен быть смешанной культурой аэробных и факультативно анаэробных микроорганиз- 20 015812 мов, которые, как известно, продуцируют сурфактантные растворители и тепло, которые способствуют вытеснению нефти. Смешанная культура должна также содержать термофилы, которые могут выжить при высокой температуре, которая является следствием тепла, освобожденного посредством аэробной углеводородной деградации. Куча должна быть спроектирована и эксплуатироваться с сохранением генерированного тепла, потому что это будет способствовать экстракции нефти.

Куча запускается как аэробный процесс, как в примере 1. Система подвода газа 60, оросительная система 34 и система сбора жидкости 32 могут быть встроены в кучу для введения технологического газа и воды и сбора дренажной воды, которая содержит экстрагированную нефть и технологическую воду. Когда кучу укладывают выше, оросительную систему 34 и систему сбора газа 33 устанавливают в куче. Технологическую воду, собранную в систему сбора жидкости 32, сепарируют от нефти в сепараторе нефть/вода 37 и затем регенерируют для повторного введения и многократно используют при помощи оросительной системы 34. Стадия регенерации может включать регулировку рН и удаление токсических материалов, которые могут сдерживать бактериальный рост. Также новые микробы могут быть добавлены в эту технологическую воду. Они могут быть строго анаэробными ферментирующими и метаногенными микробами для продуцирования метана.

Дополнительно к оросительной системе и трубам для сбора жидкости кучу проектируют с трубами газового снабжения и удаления 31, 68. Подводящие трубы 31 необходимы для введения газовой смеси, которая может контролировать уровни кислорода в куче. В течение аэробной части процесса уровень кислорода может быть от 1-10% или более для стимуляции деградации битума и конверсии в жидкую нефть. После того как большую часть извлеченной нефти удаляют, уровень кислорода снижают для облегчения генерации метана. Остаточная нефть и органические соединения с низкой молекулярной массой и сами аэробные микробы быстро конвертируются в ацетат и другие одно или двухуглеродные соединения с помощью анаэробно ферментирующих микробов. Анаэробные метаногенные бактерии затем конвертируют эти соединения в метан, который собирают посредством системы сбора газа 33.

Процесс затем продолжается более медленно, так как анаэробный консорциум ферментирующих и метаногенных микробов продолжает деградировать битум с высокой молекулярной массой или другие органические углеводородные источники. Этот более медленный процесс может продолжаться несколько лет. Генерированный газ будет содержать смесь метана и диоксид углерода. Более высококонцентрированный метановый газ может быть продуцирован путем удаления диоксид углерода из газовой смеси посредством сепаратора 39. Очищенный метановый газ может быть продан как природный газ. Альтернативно, если еще не достаточна концентрация в трубе 70, газ может быть очищен достаточно для сжигания в электрогенераторе 45 для получения тепла и/или электричества.

Пример 3.

США и другие страны во всем мире имеют значительные количества извлекаемого угля. К сожалению, многие из этих источников угля являются низкокачественными или имеют высокое содержание серы или золы и не являются пригодными для получения энергии из-за экологических соображений. Жесткие требования к качеству воздуха снижают пригодность многих из этих источников угля. Большинство новых энергоблоков спроектированы для применения более чистого горючего природного газа.

В этом примере низкокачественный уголь конвертируют в более чистый сжигаемый метановый газ путем анаэробной биоконверсии угля в метан в большой ех δίΐιι куче 30 раздробленного и отсортированного по крупности угля. Твердая природа угля и его сложная химическая структура делает медленной его микробную конверсию в метан. Так дополнительно к инокуляции ферментирующими микробами и метаногенными микробами хороший источник питательных веществ и ростовой субстрат должен быть также комбинирован с углем. Субстрат, питательные вещества и микробы могут быть смешаны или агломерированы, или нанесены на угольные частицы, когда их укладывают в кучу 30. Некоторыми хорошими источниками материалов ростовых субстратов являются биомасса от спиртовых ферментаций, муниципальные жидкие отходы и сельскохозяйственные отходы. Они будут обеспечивать органический материал для микробного роста и будут также способствовать тому, что куча станет анаэробной посредством потребления кислорода. Более легко деградирующий органический субстрат будет стимулировать рост большого количества микробов, которые будут покрывать все угольные частицы.

Размерный диапазон угольных частиц должен быть определен в лабораторных тестах с определением скорости конверсии угля в метан как функции размера или площади поверхности к объему. Один способ выполнения этих тестов состоит в установке ряда колонок, каждая из которых содержит различные размерные диапазоны, каждый из которых смешан с избытком питательного вещества и микробных культур. Колонки поддерживают в анаэробном состоянии и измеряют количество генерированного метана. Дополнительно к колонкам маленькие реакторы с перемешиванием могут быть использованы для измерения скоростей биометановой генерации для более высоких отношений площади поверхности к объему с последующим потенциальным применением в крупномасштабном процессе. Результаты этого лабораторного теста должны быть затем использованы для оценки скоростей генерации метана для куч на крупномасштабных площадках.

Этот тип тестирования позволит оптимизировать рН, температуру и другие условия окружающей среды, которые будут использоваться для моделирования и контроля большой промышленной эксплуа

- 21 015812 тации. Модели системы могут быть также использованы для предсказания и контроля скорости генерации метана. Несколько куч различных размерных диапазонов могут быть спроектированы для продуцирования метана с различными скоростями как способ конфигурирования скоростей продуцирования для удовлетворения ожидаемой потребности в метане.

В этом примере большая куча может быть спроектирована рядом со старой угольной электростанцией, которая находится в процессе преобразования в газовую электростанцию. Уголь, который доставляют в электростанцию, которая больше не соответствует стандартам качества воздуха при выбросах, может быть раздроблен до экспериментально определенного размера, затем размер сепарирован по одной или нескольким кучам или подъемникам с различными размерными диапазонами. Наименьший размерный диапазон может быть агломерирован и уложен в другую кучу. Каждая куча или подъемник будут начинать продуцировать метан, который может снабжать работающий на газе турбинный электрогенератор. Более чистый сжигаемый уголь можно продолжать использовать для генерации электрической энергии в существующей работающей на угле электростанции. Таким путем станция может продолжать продуцировать столько энергии, сколько она получала прежде, и снижение выбросов. Этот тип переключения может также использоваться большей частью существующих станций.

Пример 4.

Торфяные болота содержат приблизительно 30% мировых запасов почвенного углерода. Природная биодеградация торфа оценивается в 3-7% общих метановых выбросов. Торф представляет собой молодой уголь и США имеют второй крупнейший торфяной запас в мире. Общую энергию, содержащуюся в торфяных запасах США, оценивают как эквивалентную приблизительно 240 биллионов баррелей нефти. Он равномерно распределен по всей стране и находится на поверхности с небольшим покрывающим пластом или в его отсутствие.

Торфяные болота являются обычно кислыми и аноксическими с метаногенным продуцированием метана как основным микробиологическим процессом. Однако верхний слой торфа содержит метанотрофные микробы, которые потребляют много продуцируемого метана, и окисляют его до диоксид углерода и воды. Общий метановый выброс из торфяных болот составляет менее чем 0,1 л на 1 м² поверхности в день.

Торф может быть обезвожен и выжжен для прямого [получения] топлива. По ряду причин, включая расходы на обезвоживание, это обычно не делают в США, хотя это происходит в других частях мира. В этом примере торф вынимают из болота и превращают в маленькие шарики или частицы для укладывания в биореактор. Вследствие высокого содержания воды в торфе и его мягкой и сжимаемой природы он должен подвергаться определенной обработке для снижения сжимаемости до его укладывания в кучу. Дополнительно к изменению его физических свойств добавление питательных веществ, регулировка рН и микробная инокуляция могут быть проведены, когда кучный биореактор будет сформирован.

Для усиления торфяной частицы может быть добавлен связующий агент. Портландцемент может функционировать как связующее средство и использоваться для регулировки рН торфа. Далее метаногенез при нейтральном рН может использовать широкий диапазон маленьких органических соединений для продуцирования метана. Так лабораторное тестирование метаногенного продуцирования метана может быть проанализировано как функция рН, питательных веществ и других требований к окружающей среде для определенного торфяного примера. Оптимум рН, питательных веществ и другие параметры могут затем регулироваться по мере продуцирования агломерированных частиц 14. Другими словами, другой материал 15 и 17 может быть агломерирован в частицы 14, содействуя созданию оптимальной окружающей среды и прочности агломерированных частиц 14. Дополнительно к цементу или углеродистая порода для укрепления и контроля рН биомассы либо сельскохозяйственные отходы или жидкие отбросы могут быть добавлены для обеспечения питательными веществами и микробами. Альтернативно, для обеспечения менее сжимаемых частиц торф может быть нанесен на множество твердых субстратов 21, таких как уголь, нефтяной сланец или порода, как иллюстрировано на фиг. 3.

Полученные торфяные частицы укладывают в кучу 30, как ранее описано. Куча будет запускаться как аэробный процесс, но будет изменяться в анаэробный процесс по мере вытеснения или потребления кислорода. Кучу также накрывают газонепроницаемым барьером 36 для предотвращения попадания нежелательного кислорода. Высота кучи ограничивается сжимаемостью и проницаемостью кучных частиц. Куча должна оставаться проницаемой даже после того, как она уложена, так что жидкость может просачиваться через кучу с переносом питательных веществ, микробов и контроля рН. Дополнительно она должна быть достаточно газонепроницаемой, так чтобы метан можно было извлечь и уровни кислорода контролировать.

Скорость генерации метана будет зависеть от способности микробов ферментировать сложный торфяной органический материал в ацетат и другие простые органические материалы. Эти простые жирные кислоты и водород, и углерод диоксид могут конвертироваться в метан. Ожидается, что скорость продуцирования метана должна увеличиться в 10 раз и более, нежели чем скорость генерации метана из торфяных болот. Кислые торфяные болота продуцируют от 6 до 30 г метана на 1 т торфа в день. Кучный биореактор 20, описанный в данном примере, должен быть, однако, способен продуцировать более чем 300 г метана на 1 т торфа в день.

- 22 015812

Хотя изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления и специфические примеры, специалистам ясно, что многие модификации и реконструкции способов и биореакторов, описанные в данном описании, возможны без отступления от сущности и объема изобретения, как заявлено в дальнейшем в данном документе. Так легко понять, что описание сделано только посредством примера и не как ограничение объема изобретения, как заявлено ниже.

Claims

1. Способ продуцирования жидкого или газообразного синтетического топлива из углеродсодержащего материала, причем способ включает стадии формирования многослойного биореактора из частиц, включающих биодеградируемый углеродсодержащий материал; причем многослойный биореактор из частиц имеет свободный объем между частицами и многослойный биореактор из частиц включает дренажную систему, адаптированную для постоянного удаления жидкости из многослойного биореактора из частиц, так чтобы частицы не были погружены в жидкую фазу;

инокуляции биореактора культурой, включающей один или несколько аэробных и/или факультативно анаэробных микроорганизмов, способных ферментировать углеродсодержащее вещество;

ферментации углеродсодержащего вещества в многослойном биореакторе из частиц с продуцированием спирта;

конвертирования окружающей среды в многослойном биореакторе из частиц от аэробной окружающей среды в анаэробную окружающую среду;

инокуляции многослойного биореактора из частиц культурой, включающей один или несколько анаэробных микроорганизмов;

анаэробного биоконвертирования продуктов ферментации в многослойном биореакторе из частиц в газообразное синтетическое топливо и сбора спирта и газообразного синтетического топлива из многослойного биореактора из частиц.

2. Способ по п.1, далее включающий стадию покрытия многослойного биореактора из частиц газонепроницаемым барьером.

3. Способ по п.1, где продуцированный спирт собирают с помощью системы для сбора жидкостей.

4. Способ по п.1, где продуцированное газообразное синтетическое топливо собирают с помощью системы для сбора газов.

5. Способ по п.1, где углеродсодержащий материал выбран из группы, состоящей из нефтеносных песков, углеродистой породы, асфальта, асфальтовой нефти, отработанного смазочного масла, битума, гудрона, смолы, керогена, резины и сельскохозяйственных отходов.

6. Способ по п.5, где углеродсодержащий материал включает сельскохозяйственные отходы.

7. Способ по п.1, где свободный объем между частицами превышает или равен приблизительно 15% от общего объема биореактора.

8. Способ по п.1, где свободный объем между частицами превышает или равен приблизительно 20% от общего объема биореактора.

9. Способ по п.1, где свободный объем между частицами находится в диапазоне приблизительно 2035% от общего объема биореактора.

10. Способ по п.1, где стадию инокуляции указанного многослойного биореактора из частиц культурой, включающей один или несколько аэробных и/или факультативно анаэробных микроорганизмов, проводят, когда частицы образуют кучу с формированием биореактора.

11. Способ по п.1, далее включающий агломерацию частиц с образованием агломератов, имеющих размер частиц в диапазоне от 0,3 до 2,54 см перед стадией формирования.

12. Способ по п.1, далее включающий смешение множества субстратов, имеющих размер частиц больший чем или равный 0,3 см, с частицами перед стадией формирования.

13. Способ по п.1, где стадия формирования многослойного биореактора из частиц включает предоставление оросительной системы вблизи верхней части многослойного биореактора из частиц.

14. Способ по п.1, где стадия формирования многослойного биореактора из частиц включает погружение множества эмиттеров в верхней части многослойного биореактора из частиц.

15. Способ по п.14, где по меньший мере один из погруженных эмиттеров адаптирован так, чтобы он контролировался независимо.

16. Способ по п.2, где газонепроницаемый барьер включает глинистый барьерный слой.

17. Способ по п.2, где газонепроницаемый барьер включает пластиковый лейнер.

18. Способ по п.1, где стадия конвертирования включает подачу кислорода из многослойного биореактора из частиц.

19. Способ по п.18, где в многослойный биореактор из частиц подают газ, выбранный из группы, состоящей из аргона, азота, диоксида углерода, аммония и водорода.

20. Способ по п.1, где стадия формирования включает предоставление системы подвода газа для многослойного биореактора из частиц.

- 23 015812

21. Способ по п.20, где система подвода газа соединена с нижней частью многослойного биореактора из частиц.

22. Способ по п.1, далее включающий стадию очистки собранного газообразного синтетического топлива.

23. Способ по п.1, далее включающий стадию предоставления множества датчиков кислорода по всему многослойному биореактору из частиц.

24. Способ продуцирования жидкого и газообразного синтетического топлива из углеродсодержащего материала, причем способ включает стадии формирования многослойного биореактора из частиц, включающих биодеградируемый углеродсодержащий материал, инокулят, содержащий один или несколько аэробных и/или факультативно анаэробных микроорганизмов и инертных субстратов, причем многослойный биореактор из частиц имеет свободный объем между частицами и многослойный биореактор из частиц включает дренажную систему, адаптированную для постоянного удаления жидкости из многослойного биореактора из частиц, так чтобы частицы не были погружены в жидкую фазу;

ферментации углеродсодержащего материала в многослойном биореакторе с помощью группы аэробных микробов с получением продуктов ферментации, содержащих спирт;

предоставления анаэробного окружения в многослойном биореакторе из частиц после ферментации и анаэробного биоконвертирования продуктов ферментации в газообразное синтетическое топливо, где субстраты сохраняют свободный объем между частицами в процессе стадий ферментации и анаэробное биоконвертирование выше заданного уровня.