用於從含碳材料生產合成燃料的方法和生物反應器的製作方法

2023-10-09 20:28:59 2

專利名稱：：用於從含碳材料生產合成燃料的方法和生物反應器的製作方法
技術領域：
：本專利文件涉及用於生物降解含碳材料成為包括例如合成油、乙醇和/或氣體燃料的合成燃料的方法和生物反應器。
背景技術：
：作為可能的燃料源，曱烷值早經被認可和利用。然而，因為天然氣的現行價格在BTUs方面與石油差不多相同，天然氣已經從通常是石油領域生產的副產物的低價燃料源變為值得鑽探的燃料源。天然氣的增值由許多因素驅動，包括世界石油儲量供應減少和日益嚴厲的對燒煤電廠的環境保護法規。例如從煤炭發電釋放的二氧化碳是從天然氣發電的兩倍。燃燒煤炭此外產生汞蒸汽，估算其貢獻超過20%的世界汞汙染。此外，燃燒煤炭可能釋放砷化合物和二氧化硫。結果，現在對於所有新燃煤的工廠和大部分的現有工廠需要昂貴的汙染控制系統。對包含甲烷氣體例如天然氣和合成天然氣的需要將來很可能繼續增加，不僅因為對清潔燃燒燃料的需要增加，並且因為世界對石油的需要將持續驅動其價格升高，特別是如已知的石油儲量將耗盡。此外對甲烷的需要很可能隨著氫燃料電池商品化而增加。這是因為生產氫氣最便宜的方法包括在催化劑的存在下，將曱烷和水化學轉化為氫氣和二氧化碳。為了滿足對天然氣的需要，美國目前每天進口約20億立方英尺的液化天然氣("LNG")。進口LNG具有至少兩種明顯缺點。首先，進口LNG的成本高。其次，現在世界環境中在主要海港中放置大的LNG中轉庫是危險的，因為該中轉庫可能受到恐怖分子進攻。然而，即使在沒有恐怖主義的情況下，該中轉庫形成明顯爆炸危險。因為世界對甲烷氣體和清潔燃燒燃料的需要增加，通常需要包含曱烷的氣體燃料的替代來源。結果，用於生產包含甲烷的氣體燃料和/或液體合成燃料例如合成石油的經濟的技術具有明顯市場價值。在美國中十九世紀後部分和二十世紀最初幾個十年期間廣泛使用用作加熱用燃料並得自煤或焦炭的人造氣體。因為巨大的可獲得性並且一度在美國明顯用不完的天然氣供應，以及世界上其它少數地區，很快停止了人造煤氣。另一方面在美國1940至1970年中使用天然氣增加730%。在這期間，美國燃氣工業生產313萬億立方英尺天然氣。然而，在世界其它天然氣局部供應不足地區，堅持人造煤氣。歷史上，煤的氣化包括通過熱解加熱煤，碳化，或乾餾，以導致其分解和氣化。由氣化過程產生的燃氣通常包括變化的一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氫氣的濃度，每個組分的濃度取決於使用的特定氣化工藝。因此，雖然氣化是基於加熱的氣化工藝中的關鍵步驟，必須理解它僅是從煤形成人造或合成天然氣("SNG")全過程的一個步驟。除了氣化步驟，該方法通常包括氣體處理、氣體淨化、甲烷化和副產物處理過程。此外，由於大批量和氣體中的多種雜質，難以淨化從煤氣化步驟產生的氣體至曱烷合成所需純度。另一個利用已知加熱氣化技術煤氣化的缺點是氣化過程是高度吸熱過程，必須通過加入熱量支付過程所需熱量。這可以通過例如通過煤與氧的部分燃燒直接提供熱量，或從外部燃料源提供間接加熱來實現。然而，無論在哪種情況，氣化之前，煤中包含的總能量值的重要部分都被用於氣化煤。最後，基於加熱的氣化方法看起來對動物或植物廢物不具有任何適用性，其中動物或植物廢物二者都是重要的含碳材料的可再生資源。此外將有機物質生物轉化為曱烷已經研究多年。在有限的氧或其它電子受體環境中出現有機物質降解為甲烷和二氧化碳(即曱烷生成降解)。該過程在沼澤、稻田、泥炭沼澤，以及反芻類動物腸道中是普遍的，並且在全球碳循環中起到重要作用。實際上，全部生物曱烷生成產生曱烷估計為500百萬噸每年，使曱烷成為第二大豐富的溫皇氣體。曱烷生成降解比需氧降解更緩慢並且釋放能量更小。然而，需氧的降解不產生甲烷。更重要地，曱烷生成轉化僅釋放完成相同有機碳化合物需氧轉化為二氧化碳和水釋放能量的約15%。這是因為得到的甲烷中儲存有剩餘的85%的能量用於隨後的氧化。產曱烷生物體是在厭氧或缺氧環境中產生甲烷的古生菌(Archaea)類。它們是專性厭氧微生物，因此在它們的環境中不能允許任何分子或離子氧。它們與其它生物體，包括細菌、原生動物、昆蟲和食草動物例如牛形成相互依賴的關係。它們使用由這些生物體產生的簡單生物化合物(例如甲酸酯、乙酸酯、曱基胺和幾種醇類)和二氧化碳作為產生曱烷的能源。儘管產甲烷生物體依賴於發酵性生物體產生它們為了能量所依靠的簡單的有機底物，發酵性的微生物同樣依靠產甲烷生物體，以除去它們產生的氫和簡單的有機化合物，以改善其能量學。該互相依賴被稱作互養合作(syntrophiccooperation)。該合作關係中，發酵性的微生物物種發酵長鏈有機碳分子成為氫氣和C-1和C-2化合物，用於產曱烷生物體進料。產生的氫氣和C-l和C-2化合物抑制該發酵過程。然而，由於它們轉化為曱烷，產甲烷生物體替這些發酵物種除去氫和C-1以及C-2化合物。結果，互養(syntrophically)合作厭氧性生物有助於將複雜的有機物質轉化為曱烷和二氧化碳，極少損失初始有機物質中包含的能量值。分子生物學中的最近的發展導致更好理解該複雜的，但是普遍的自然過程。在B.Schink，EnergeticsofSyntrophicCooperaUonisMethanogenicDegradation,MicrobiologyandMolecularBiologyReviews,61:262-280(1997年6月)中提供了對曱烷生成降解的更深綜述並列舉一些甲烷生成微生物，其在此引入作為參考。在很久以前甲烷生成降解的生物學就被了解了，人們試圖利用甲烷生成降解生產利用其燃燒值的曱烷。例如，1935年授予Bushwell的美國第l，990,523號專利公開了一種利用厭氧菌轉化汙水生產曱烷的方法。此外許多努力致力於就地開發微生物方法，用於轉化低等級的化石燃料成為甲烷。例如，在1974年授予Compere-Whitney的美國笫3，826，308號專利，和在1995年授予Volkwein的美國等5，424，195號專利，其關注於處理地下礦井中留下的極低等級煤。在2003年授予Converse等人的美國第6，5453，535號專利中，公開了就地生物轉化含烴地層中烴為曱烷的方法。Converse等人的專利中公開的方法包括改變含烴地層的環境，以刺激地層內發現的天然微生物生長。此外文獻中公開的一些地下微生物烴轉化方法在致力於增加微生物處理的煤或油頁巖沉積物的表面積中使用了爆炸物質。爆炸形成通常所說的"碎石豎筒(rubblechimney)"。雖然碎石豎筒地層增加轉化為曱烷的速度，總轉化速度仍保持相對緩慢。生物過程還用於幫助從石油儲量回收石油。例如，在1946年授予Zobell的美國第2，413，278號專利、在1957年授予Updegraff的美國第2，807，570號專利和在1959年授予的HUzman美國第2，907，389號從油層額外回收石油的方法。利用細菌從地下儲集層回收額外石油的方法被稱作微生物增強油回收(MEOR)。就地微生物氣化和MEOR方法的一個主要限制不是用於這些取出油的方法中的細菌的總的能力，減小粘度或將油轉化為甲烷，而是與提供在深處地下儲集層或地層中微生物生長的正常環境相衝突的問題。在這樣的環境中可能遭遇多種環境因素，其單獨或共同地抑制微生物轉化或降解過程至不同程度，或甚至阻止微生物轉化或降解過程。這樣的環境挑戰可以包括例如高溫、高濃度鹽或其它抗微生物劑，以及保持油的原生巖有限的孔隙率，因為其將限制微生物與油的可及性。雖然可以在某種程度上改變地層環境，但有時充分改變地層環境，以對微生物活性具有實際影響是不可能和不實際的。因此需要一種外部方法，其能夠轉化大量低等的化石燃料，以及其它有機含碳材料，使其成為一種或多種合成燃料，包括曱烷和/或油。雖然理論上可以在攪拌槽生物反應器中進行生物降解低等的化石燃料，由於轉化這樣的含碳材料為油和/或氣體燃料需要相對長的停留時間，並且需要加工大量材料，以產生相對少量的燃燒值，將攪拌槽工藝按比例擴大至工業規模的費用就過高，使攪拌槽生物反應器不是實際選擇。另一方面，非常大、低價然而相對有效率的堆積生物反應器反應器還可以用於生物氣化其它有機含碳材料，包括可再生資源例如植物和動物廢物，以及其它非再生資源例如煤。該生物反應器中產生的合成燃料(例如甲烷、醇和/或合成石油)可以有助於為本世紀餘下部分的能源缺乏的世界提供燃料。考慮到上述，本發明的一個目的是提供新的生物反應器設計，其用於將有機含碳材料轉化成為合成燃料。此外，另一個目的是提供一種將有機含碳材料轉化成為合成燃料的新方法。概述法和生物反應器。所得到的合成燃料可以是例如合成石油、醇和/或包含甲烷的氣體燃料。才艮據一個實施方式，堆疊顆粒生物反應器(stackedparticlebioreactor)由包含可生物降解的含碳材料的顆粒形成。然後生物處理堆疊顆粒生物反應器，以將生物反應器內含碳材料轉化成為合成燃料，然後從生物反應器收集合成燃料。合成燃料優選是合成石油、醇和/或氣體燃料。優選選擇用於形成生物反應器顆粒的尺寸和粒徑分布，使得較大百分數的含碳材料暴露於用於進行生物處理的微生物。反應器的空隙率優選大於或等於約15%，更優選大於或等於約20%。反應器的空隙率優選範圍為約15°/。至35%,更優選為約20°/。至35%。優選空隙率在整個反應器內是基本上均勻的。碳質巖、地瀝青(asphalt)、瀝青油、廢油、油石少瀝青(bitumen)焦油、焦油瀝青(pitch)、油母巖質(kerogen)、橡膠和農業廢棄物。一種或多種培養物可以用於生物處理堆疊顆粒生物反應器，每種培養物包含單個類型的微生物或不同微生物的群。通常，培養物會包含不同微生物的群。此外，用於在反應器中生物處理含碳材料的微生物可以是需氧的、兼性厭氧的、或厭氧微生物。在特別優選的實施方式中，生物處理開始為需氧微生物降解過程，然後變為厭氧的微生物降解過程。然而，在其它實施方式中，可以合乎需要的僅進行需氧生物處理，或僅進行厭氧的生物處理。如果厭氧地生物處理生物反應器內含碳材料，應該將生物反應器設計成可以將微生物的新培養物厭氧地引入生物反應器，並有效分散在整個生物反應器內。物化學過程之一1)從含碳材料產生釋放天然石油的表面張力減小的化合物或溶劑，2)將含碳材料發酵成為更小有機化合物，包括例如合成石油、醇和/或簡單的有機化合物，或3)將發酵過程產生的簡單有機化合物轉化成為包含甲烷的生物氣體。因此，從堆疊顆粒生物反應器收集無論合成石油、醇、氣體燃料或全部三種將取決於原料、用於進行生物處理的微生物類型，以及生物反應器內消化含碳材料進行的程度。例如，雖然需氧降解有機碳化合物的主要最終產物是二氧化碳和水，獲得最終需氧降解產物中，需氧和兼性厭氧的微生物進行上述提出的第一和第二生物化學過程。因此，達到完成之前通過停止需氧降解反應，可以從多種含碳材料生產合成石油或醇。此外如果需要，可以進一步消化需氧發酵階段期間產生的全部或一部分有機化合物，並在隨後的厭氧生物處理期間轉變為曱烷。因而，生物反應器內需氧發酵產物被認為是用於本專利文件目的的生物反應器中可生物降解的含碳材料的一部分。厭氧降解有機碳化合物的主要最終產物是甲烷和二氧化碳。然而，在獲得這些最終降解產物中，發酵性的厭氧微生物和兼性厭氧微生物將進行上述第一和第二生物化學過程，而產甲烷生物體將進行第三生物化學過程。因此，當厭氧分解較大分子量碳化合物，特別是大分子量烴時，可以從生物反應器收集合成石油產品和醇。然而，如果允許在生物反應器中至少一些有機含碳材料上完成厭氧降解，將產生包含曱烷的生物氣體。形成後，堆疊顆粒生物反應器將持續幾個月或幾年產生合成燃料。可以收集生物反應器中產生的液體和/或氣體合成燃料，並用建造期間併入生物反應器的管網從生物反應器移去。根據另一個實施方式，提供了一種利用堆疊顆粒生物反應器從含碳材料生產氣體燃料的方法。該方法包含步驟a)從包括可生物降解的含碳材料的顆粒形成堆疊顆粒生物反應器；b)在生物反應器內形成支持厭氧微生物的環境；c)將堆疊顆粒生物反應器中的可生物降解的含碳材料厭氧生物轉化成為氣體燃料；和d)從生物反應器收集氣體燃料。優選該方法中產生和收集的氣體燃料包含曱烷。在特別優選實施方式中，在生物反應器內形成厭氧環境之前，需氧生物處理堆疊顆粒生物反應器。以便需氧發酵生物反應器中的含碳材料和/或從含碳材料釋放的天然油。優選該方法還包括從堆疊顆粒生物反應器收集油的步驟。形成生物反應器內厭氧環境例如可以通過用不透氣的阻擋層例如粘土或塑料阻擋層覆蓋堆疊顆粒生物反應器。儘管來用該阻擋經過一定時間，反應器會自然成為厭氧的，除非將空氣或氧氣引入覆蓋的生物反應器中，還可以用氬氣、氮氣、二氧化碳、氨氣或氫氣吹掃生物反應器，以加速其環境轉化為支持厭氧微生物的環境。除了從反應器吹除氧氣，這些氣體可以提供生物反應器中微生物需要的營養或用於產生曱烷的前體(例如二氧化碳和氫氣)。如果可生物降解的含碳材料包括小於約O.3cra的顆粒，形成堆疊顆粒生物反應器之前，可以合乎需要地聚集顆粒。優選得到的團聚體具有約O.3cm至約2.54cm的粒徑。替代地，可以在多種粒徑大於或等於約0.3cm,優選小於或等於約5cm,更優選小於或等於約2.54cm的底物的表面上塗布可生物降解的含碳材料的顆粒。當底物明顯地大於要塗布在其上的可生物降解的含碳材料顆粒時，該塗布工藝是特別有利的。對於適於塗布在底物上的含碳材料顆粒，通常它們應該具有約250um或更小的粒徑。根據另一個實施方式，將顆粒篩選成為兩個或更多個粒級，然後形成空隙率大於或等於約15%的多個堆疊顆粒生物反應器，每個生物反應器由一個單獨粒級的顆粒形成。如果粒級包括特別細的粒級，或大量顆粒直徑小於約O.3cm，優選用該粒級形成生物反應器之前，聚集該粒級形成淨立徑為O.3cm至2.54cm範圍的顆氺立。根據另一個實施方式，提供了一種利用堆疊顆粒生物反應器，將可生物降解的含碳材料轉化成為合成燃料的方法。根據該方法，堆疊顆粒生物反應器由包含可生物降解的含碳材料的顆粒形成。用包含一種或多種能夠發酵含碳物質的需氧和/或兼性厭氧微生物的培養物培植生物反應器。需氧發酵堆疊中的含碳物質，並從堆疊收集合成石油和/或氣體燃料。堆疊內的環境從含氧環境轉變成厭氧環境，並且用包含一種或多種厭氧微生物的培養物培植該堆疊。然後厭氧生物處理該需氧生物處理的堆疊，以產生合成石油和/或氣體燃料。最後，從厭氧生物處理堆疊收集合成石油和/或氣體燃料。根據另一個實施方式，提供了一種利用堆疊顆粒生物反應器，將有機含碳材料生物轉化成為合成燃料的方法。根據本實施方式的方法包含步驟a)用有機含碳材料塗布多個粒徑大於或等於約O.3cm的底物，從而形成多個塗布底物；b)用塗布底物形成堆疊顆粒生物反應器，該堆疊顆粒生物反應器具有大於或等於約15%的空隙率；。在堆疊顆粒生物反應器內形成厭氧環境；d)厭氧生物處理堆疊顆粒生物反應器，直至堆疊顆粒生物反應器內需要量的有機含碳材料已經轉變為氣體燃料；和e)從堆疊顆粒生物反應器收集氣體燃料。優選該方法中產生和收集的氣體燃料包含甲烷。此外，在優選實施方式中，還從堆疊顆粒生物反應器收集合成石油。多個底物可以包含例如一種或多種選自油頁巖、煤、巖石、源青、橡膠和植物廢物的材料。而且，可以在該方法中用作底物的植物廢物類型包括例如選自樹皮、玉米穗軸、堅果殼、木材副產物和農作物副產物的植物廢物。塗布在底物上的有機含碳材料可以包括例如選自油砂、油頁巖、瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青、油母巖質、油母巖質、煤和農業廢棄物的有機含碳材料。此外，可以塗布在底物上的農業廢棄物類型包括例如糞肥、果實廢物、禾杆、發酵廢物和粉碎的植物廢物。葡萄皮是特別優選的果實廢物形式，其可以塗布在用於生物處理的粗糙底物上。此外，稻草是特別優選的禾杆形式，其可以塗布在生物處理用底物上。值得注意的是，一磅稻草的能量含量是約6，500Btu，其類似於一些褐煤的能量含量。只在SacramentoValley中，每年產生大約l,500，OOOp屯稻草。因此，從SacramentoValley每年收成稻草中儲存的能量含量是約l.95xlO"BTU，使其成為生產合成燃料的潛在的有價值的可再生資源。如此處使用那樣，術語"煤"包括所有種類的煤，按照降低的變質等級次序包括無煙煤、半無煙煤、半煙煤、煙煤、次煙煤、褐煤、泥炭煤、泥炭和燭煤。如果煤用作塗布在底物上的有機含碳材料，優選煤具有煙煤或更低的變質等級，更優選泥炭或更低的變質等級。而且，如果塗布在底上的有機含碳材料包含煤或油頁巖，優選塗層是這些材料的濃縮物。在特別優選的實施方式中，該方法進一步包含用不透氣的阻擋層覆蓋堆疊顆粒生物反應器的步驟。不透氣的阻擋層例如可以包含粘土阻擋層或塑料阻擋層。此外優選用包含一種或多種需氧和/或兼性厭氧的微生物的培養物培植堆疊顆粒生物反應器。然後在生物反應器內形成厭氧環境之前，需氧發酵生物反應器中的有機含碳材料。優選至少需氧發酵的部分期間，對生物反應器進行通風。說明書第10/41頁可以通過需氧發酵減小生物反應器內的氧濃度，在生物反應器內形成厭氧環境。替代地，或此外，可以用氬氣、氮氣、二氧化碳、氨氣或氫氣吹掃堆疊顆粒生物反應器。根據另一個實施方式，提供了一種生物將有機含碳材料轉化成為合成燃料的方法，其包括步驟a)用聚集助劑聚集包含有機含碳材料的顆粒，成為粒徑大於或等於約O.3cm的多個團聚體；b)用該團聚體形成堆疊顆粒生物反應器，該堆疊顆粒生物反應器具有大於或等於約15%的空隙率；c)在堆疊顆粒生物反應器內形成厭氧環境；d)厭氧生物處理堆疊顆粒生物反應器，直至堆疊顆粒生物反應器內需要量的有機含碳材料已經轉變為氣體燃料；和e)從堆疊顆粒生物反應器收集氣體燃料。優選氣體燃料包含曱烷，如其它實施方式。此外，優選隨著從生物反應器排出，從堆疊顆粒生物反應器收集合成石油。用於形成團聚體的顆粒可以包括多種有機含碳材料，包括一種或多種選自油砂、碳質巖、地瀝青、橡膠和農業廢棄物的材料。合適的農業廢物包括例如樹皮、玉米穂軸、堅果殼、木材副產物和農作物副產物。合適的碳質巖包括任何煤和油頁巖。用於形成團聚體的煤顆粒優選具有煙煤或更低的變質等級，更優選泥炭或更低的變質等級。該方法此外優選包括用不透氣的阻擋層覆蓋堆疊顆粒生物反應器的步驟。不透氣的阻擋層例如可以包含粘土阻擋層或塑料阻擋層。此外優選用包含一種或多種需氧和/或兼性厭氧的微生物的培養物培植堆疊顆粒生物反應器。然後在生物反應器內形成厭氧環境之前，需氧發酵生物反應器中的有機含碳材料。優選在至少需氧發酵的部分期間，對生物反應器進行通風。可以通過需氧發酵減小生物反應器內的氧濃度，在生物反應器內形成厭氧環境。替代地，或此外，可以用氬氣、氮氣、二氧化碳、氨氣或氫氣吹掃堆疊顆粒生物反應器。還可以用液體或半液體的含碳材料例如瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青和油母巖質塗布多個團聚體，以增加生物反應器內的含碳材料的濃度，並為微生物提供容易生物降解的有機化合物源，以在生物反應器內進行生物降解。根據另一個實施方式，提供了一種將有機含碳材料轉化成為合成燃料的方法，其包括步驟a)提供粒徑小於約5.Ocm的固體含碳有機材料顆粒；b)將顆粒篩選成為兩個或更多個粒級；c)形成多個空隙率大於或等於約15%的堆疊顆粒生物反應器，每個生物反應器由一種單獨粒級的顆粒形成；d)在每個堆疊顆粒生物反應器內形成厭氧環境；e)厭氧生物處理每個堆疊顆粒生物反應器，直至堆疊顆粒生物反應器內需要量的有機含碳材料已經轉變為氣體燃料；和f)從每個堆疊顆粒生物反應器收集氣體燃料。優選氣體燃料如其它實施方式一樣包含甲烷。此外，優選從堆疊顆粒生物反應器收集合成石油。固體有機含碳材料顆粒可以包含多種固體有機含碳材料，包括例如油砂、碳質巖、地瀝青、橡膠和農業廢棄物。適用於本方法的農業廢棄物包括例如一種或更多種選自樹皮、玉米穗軸、堅果殼、木材副產物和農作物副產物的植物廢物。適用於本方法的碳質巖包括任何煤和油頁巖。優選本方法進一步包括用不透氣的阻擋層覆蓋每個堆疊顆粒生物反應器的步驟。還優選用包含一種或多種需氧和/或兼性厭氧的微生物的培養物培植堆疊顆粒生物反應器。然後在生物反應器內形成厭氧環境之前，需氧發酵生物反應器中的有機含碳材料。優選在至少需氧發酵的部分期間對生物反應器進行通風。可以在生物反應器內，以與任何上述實施方式一樣的方式形成厭氧環境。優選將液體或半液體的含碳材料例如瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青和油母巖質加入至少一個生物反應器，以增加生物反應器內含碳材料的濃度，並為微生物提供容易生物降解的有機化合物源，以在生物反應器內生物降解。根據本發明另一個方面，提供了用於將可生物降解的含碳材料轉變成為合成燃料的生物反應器。根據一個實施方式，生物反應器包含a)多個堆疊的顆粒，以形成大於或等於約15。/。空隙率的堆積，所述顆粒包含可生物降解的含碳材料；b)用於傳遞氣體至該堆積的裝置；c)用於傳遞水溶液至堆積的裝置；d)用於從堆積傳遞氣體的裝置；e)用於收集從堆積排出液體的裝置；f)覆蓋堆積的不透氣的阻擋層；g)堆積內的能夠生物降解堆積內可生物降解的含碳材料，使之成為合成燃料的微生物聚生體。從後面的詳細說明和附圖，將會更好地理解本發明的其它方面、目標、所期望的特徵和優點，其中，用實施例舉例說明了所公開的本發明的多種實施方式。然而，應該理解附圖僅用於舉例說明，不是用於限定本發明。圖l示意說明了生物降解發電裝置和其相應的生物反應器以及用於從含碳材料回收合成燃料的配套設備；圖2是用粘合劑保持在一起的一種或多種有機含碳材料的團聚顆粒的剖面圖3是可以用於形成載體和含碳材料塗層的塗布顆粒剖面圖4是製備團聚體和/或塗布顆粒的方法示意圖5是形成根據本發明的多個生物反應器的方法示意圖。優選實施方案的詳細說明與其普通含義一致，此處使用的術語"合成燃料"是指得自化石燃料或發酵的液體或氣體燃料，其中化石燃料為固體、例如煤，或部分固體，例如焦油砂或油頁巖。生產的合成燃料可以是例如合成石油、醇、和/或含有曱烷的氣體燃料。此處使用的術語"可生物降解的含碳材料"和"有機含碳材料"基本上是可互換的，並且是指可以用於本發明生產合成燃料的方法或生物反應器的含碳原料。應該認識到這些術語還指包括並且涉及得自生物反應器內初始含碳原料的有機發酵產物。圖1示意說明了生物降解發電裝置10。發電裝置10包括堆疊顆粒生物反應器20。在本實施方式中，生物反應器20包括由多個堆疊顆粒組成的堆積30，和覆蓋堆積30的不透氣的阻擋層36。提供阻擋層36，使得生物反應器20可以厭氧的模式運轉。如果生物反應器36不以厭氧的模式運轉，則阻擋層36是不需要的。通過堆疊包含可生物降解的含碳材料的顆粒，以形成堆積30，可以形成堆疊顆粒生物反應器20。然後有氧和/或厭氧地生物處理堆疊顆粒生物反應器20，以將生物反應器20內的含碳材料轉變成為合成燃料，然後從生物反應器例如，通過液體收集系統32和/或氣體收集體系33收集合成燃料。砂、碳質巖、地瀝青、瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青、油母巖質、橡膠和農業廢物。可以用本發明方法和生物反應器加工的碳質巖材料包括例如全部不同的煤和油頁巖。由於它們具有較少的固定碳，具有較高氫濃度，並且通常容易生物降解，特別優選低級煤。因此，優選煤具有煙煤或更低，更優選褐煤或更低，甚至更優選泥炭或更低的變質級。天然和合成地瀝青都可以用本發明的方法和生物反應器加工，因此提供了從路面剝離的地瀝青的新用途和替代處理手段。類似地，撕碎或磨碎的輪胎可以用作本發明方法和生物反應器中的橡膠源。農業廢物包括動物和植物廢物，其中有用的實例包括糞肥、樹皮、玉米穗軸、堅果殼、木材副產物、農作物副產物、水果廢物、禾稈、發酵廢物和粉碎植物廢物。可以使用多種堆疊顆粒生物反應器設計來實踐本發明的方法。實際上，用於堆積生物浸析金屬礦的許多堆積生物反應器設計可以適用於本發明。此外，優選選擇用於形成生物反應器20的顆粒尺寸和粒徑分布，使得大百分比含碳材料暴露於用於進行生物處理的微生物。還優選選擇顆粒的尺寸和粒徑分布，使得反應器20的空隙率大於或等於約15%,更優選大於或等於約20%。優選反應器20的空隙率範圍為約15%至35%，更優選為約20%至35%。還期望整個反應器內空隙率是基本上均勻的。對於有氧生物處理過的生物反應器20，因為氧及液體在堆積內移動需要良好滲透性，通常要求空隙率在上述範圍較高側。儘管，對於只是或主要是厭氧生物處理的生物反應器，不需要相同的滲透性水平，但是在該生物反應器中保持滲透性是重要的。這是因為該反應器中仍然需要滲透性，用於pH和溫度控制、精確低水平氧氣控制、以及有效轉換堆積內至有氧條件。此外需要滲透性，以充分轉移堆積內液體，使得接種物和營養可以到達反應器的全部區域。此外，一公噸煤能夠生產O.5公噸那樣多的曱烷氣體。這是約一千倍體積膨脹。因此，重要的是反應器具有充分的滲透性，以允許排出該氣態合成燃料。一種或更多種培養物可以用於生物處理堆疊顆粒生物反應器20，每種培養物包含單個類型的微生物或一組不同的微生物。通常，培養物會包含一組不同的微生物。此外，用於生物處理反應器20中含碳材料的微生物可以是需氧的、兼性厭氧的或厭氧微生物，並且這可以隨時間改變。例如，在特別優選實施方式中，生物處理開始為需氧的微生物降解過程，然後轉變為厭氧的微生物降解過程。然而，在另一個實施方式中，可以合乎需要地僅進行需氧的生物處理或僅進行厭氧的生物處理。如果進行需氧的生物處理，則優選在形成堆積30的同時或不久以後，用微生物聚生體培植堆積3Q，該微生物聚生體能夠生物降解將在生物反應器20中加工的可生物降解的含碳材料。例如，可以將接種體噴霧到正在堆疊、優選輸送帶堆疊的顆粒上，以形成堆積30。替代地，鋪設另一層顆粒之前，可以用接種體噴霧鋪設形成堆積30的每層顆粒。此外，如果以下討論的團聚體或塗布顆粒用於形成堆積30，則還可以在顆粒形成過程期間進行接種。上述接種技術不是唯一的，本領域技術人員從現在公開的內容會認識到存在多種培植生物反應器20的其它方法，包括利用顆粒上已經存在的野生微生物菌株來形成反應器。如果要厭氧地生物處理生物反應器20內的含碳材料，則優選設計生物反應器20使得可以將新的微生物培養物厭氧地引入生物反應器，並有效地分散在整個生物反應器內。這可以例如通過灌注系統34實現，其聯繫微生物的供給源40和營養以及從油/水分離器37回收的水66。在本實施方式中，灌注系統34優選是滴灌系統，以允許在堆積30上儘可能近地設置不透氣的阻擋層36。優選鄰近堆積30的頂部設置灌注系統34，使得可以灌溉整個堆積30。然而，還希望在整個堆積的多個深度埋設發射器61，灌注系統的不同部分是獨立可控的，以增強生物反應器20內的工藝控制。以下面表1中列出的細菌可以用於有氧地生物降解化石燃料例如煤、油頁巖和油砂中發現的烴材料。此外，還可以使用伴隨這些自然資源發現的野生菌林。堆肥(compostpile)中發現的典型微生物可以用於有氧地生物降解生物反應器20中的農業和有機廢物。還可以使用得自需氧或兼性菌糖的接種物。表l能夠降解長鏈烴的需氧和兼性厭氧的生物體Achromobacterparaffinoclastus醋酸鉤不動桿菌(Acinetobactercalcoaceticus)石蠟節桿菌(Arthrobacterparaffineus)簡單節桿菌(Arthrobactersimplex)CandidalipolyticumCaphalosporirosem穀氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)裂烴棒桿菌(Corynebacteriumhydrocarboclastus)嗜石油棒桿菌(Corynebacteriumpetrophilum)黃桿菌屬種(Flavobacteriumspecies)穀氨酸微球菌(Micrococcusglutmicus)石蠟分支桿菌(Mycobacteriumparafficum)解蠟微球菌(Micrococcusparaffinolyticus)恥垢分枝桿菌(Mycobacteriumsmegmatis)嗜石油諾卡氏菌(Nocardiapetrooleophila)綠膿桿菌(P.aeruginosa)螢光假單胞菌(Pseudoraonasfluorescens)TorulopsiscolliculosaStreptomycesargenteolus金色鏈黴菌(Streptomycesaureus)酵生物反應器20內的多種含碳材料。此外，表2中列出的產甲烷菌微生物可以用於通過將需氧和/或厭氧發酵得到的簡單有機化合物轉變成為曱烷，完成生物降解生物反應器20中包含的含碳材料。還可以例如從奶牛糞或兼性或厭氧廢物處理池淤泥，容易獲得可用於生物降解農業和其它有機廢物的厭氧微生物。表l、2和3中列出的細菌和古生菌全部可以從AmericanTypeCultureCollection或類似菌種保藏中心獲得。表2產曱烷生物體曱酸甲烷桿菌(Methanobacteriumformicicum)熱自養曱烷桿菌(Methanobacteriumthermautotrophicum)沃氏產甲烷菌(Methanobacteriumwolfei)嗜鹼產甲烷桿菌(Methanobacteriumalcaliphilum)Methanobacteriumthermoformicium嗜熱鹼曱烷桿菌屬(Methanobacteriumthermalcaliphilum)Methanobaci1lusomelianskii酪酸梭狀芽胞桿菌(Clostridiumbutyricum)乙炔暗桿菌(Pelobacteracetylenicus)亨氏甲烷螺菌(Methanospiri1lumhungatei)瘤胃曱垸短桿菌(Methanobrevibacterruminantiura)史氏曱烷短桿菌屬(Methanobrevibactersmithii)嗜樹曱烷短桿菌(Methanobrevibacterarboriphi1icus)織熱曱烷嗜熱菌(Methanothermusfervidus)集結甲烷嗜熱菌(Methanothermussociabilis)斯氏甲烷球形菌(Methanosphaerastadtmanae)巴氏曱烷八疊球菌(Methanosarcinabarkeri)梅氏甲烷八疊球菌(Methanosarcinamazei)嗜熱曱烷八疊球菌(Methanosarcinathermophila)卡裡亞薩產甲烷菌(Methanogeniumcariaci)黑海產甲烷菌(Methanogenium歸risnigri)嗜熱產甲烷菌(Methanogeniumthermophi1icum)奧蘭湯基產甲烷菌(Methanogeniumolentangyi)塔提尼產甲烷菌(Methanogeniumtationis)萬氏甲烷球菌(Methanococcusvannielii)沃氏甲烷球菌(Methanococcusvoltae)海沼曱烷球菌(Methanococcusmaripaludis)熱自養甲烷球菌(Methanococcusthermolithotrophicus)運動曱烷微菌(Methanomicrobiummobile)佩氏甲烷微菌(Methanomicrobiumpayrnteri)曱基擬甲烷球菌(Methanococcoidesmethylutens)居泥甲烷盤菌(Methanoplanuslimicola)廷達爾角甲烷葉菌(Methanolobustindarius)西西里甲烷葉菌(Methanolobussiciliae)瓦爾肯甲烷葉菌(Methanolobusvulcani)索氏曱烷絲菌(Methanothrixsoehngenii)聯合甲烷絲菌(Methanothrixconcilii)嗜熱乙酸曱烷絲菌(Methanothrixthermoacetophila)表3厭氧的發酵微生物tableseeoriginaldocumentpage26是否選擇表l-3中列出的一種或多種微生物或野生菌林用於本方法將取決於例如要生物降解的含碳材料類型、生物降解期間所期望的環境的pH和所期望的堆積中的溫度這些因素。然而，這些選擇正好在本領域技術人員技能內，在這裡不必詳細描述。然而，概括地優選在需氧和厭氧的生物處理期間都使用微生物聚生體。優選微生物聚生體是因為整個堆積30內環境條件(例如pH、溫度，Eh，養分類型和濃度，有機底物，毒素水平等)通常會變化。因此，當使用聚生體時，堆積30內的條件會自然選擇最適合存在於堆積30內，或其一部分的條件的那些微生物。此外，此處公開的方法和生物反應器不局限於利用細菌和古生菌進行生物降解。例如，還可以使用生物降解生物反應器20內含碳材料的酵母、真菌和/或黴菌。如上所述，堆疊顆粒生物反應器20優選開始為需氧生物反應器，然後轉變成厭氧的生物反應器。例如可以通過用不透氣的阻擋層36覆蓋堆積30，在生物反應器20內形成厭氧環境。不透氣的阻擋層36優選是粘土阻擋層或塑料襯裡。一旦覆蓋堆積30，除非向生物反應器20提供額外的空氣或氧氣，生物反應器20將自然地隨時間變為厭氧的，因為全部有效氧將被生物反應器20內含碳材料的需氧生物降解耗盡。隨著有效氧耗盡，生物反為了加速轉化過程，可以通過用非氧化氣體例如氬氣、氮氣、二氧化碳、氨氣、氫氣或其組合物，以及任何其它厭氧環境載氣清掃或吹掃生物反應器，從生物反應器驅除氧氣。生物降解過程還得益於在堆積30內從需氧轉化為厭氧環境期間使用兼性厭氧菌。這是因為在環境中仍然存在太多氧氣以致不能支持專性厭氧微生物生長，而對於繼續穩定的需氧發酵氧又不夠時，兼性厭氧微生物可以繼續降解過程。氣體輸送系統60可以用於提供氣體至整個生物反應器。氣體輸送系統60包括在構成堆積時埋設在堆積30內，優選靠近堆積30底部的穿孔管31。氣體輸送系統60還包括連接穿孔管31和選擇地通過閥27與鼓風機28或吹掃氣源64相連接的管道62。在將生物反應器20轉變成為厭氧體系之前，優選設置閥門27，以打開鼓風機28和管道62之間的連通。結果，可以從鼓風機27通過穿孔管31將空氣提供給生物反應器20，同時在生物反應器20內進行需氧生物降解。因此，氣體輸送系統60可以用於調節並控制需氧階段期間堆積30內的氧含量，以及控制堆積30內的溫度。優選，釆用氣體輸送系統60，使得它還可以用於將吹掃氣體提供至生物反應器20，以在生物反應器內形成厭氧環境。在這方面，當生物反應器20轉變為厭氧的反應器時，優選調節閥門27關閉管道62和鼓風機28(或大氣)之間的連通。然而，此外還可以優選調節閥門27，打開管道62和吹掃氣體64源之間的連通。一旦充分吹掃生物反應器20，可以調節閥門27至第三位置，在該位置管道62和鼓風機28以及吹掃氣體供應源64之間的連通都被關閉。氣體收集系統33可以用於從生物反應器20收集並除去氣體合成燃料。氣體收集系統33包括構成堆積30期間朝向堆積30上部設置的多個穿孔管68。此外，收集系統33包括連通收集氣體燃料至收集槽26的裝置，例如管道70。因為氣體合成燃料通常包含曱烷生成降解產生的曱烷和二氧化碳混合物，優選在收集槽26中儲存所需甲烷燃燒值(methanefuelvalues)之前，通過分離器39處理收集的氣體合成燃料。分離器39設計為使其能夠從收集的氣體合成燃料中的甲烷中分離出二氧化碳。合適的二氧化碳/曱烷分離技術的實例公開於美國專利第4，518，399號，其在此引入作為參考。分離的二氧化碳氣體優選通過管道72連通至氣體輸送系統60的導管62，並且循環至生物反應器20。然後從分離器39得到的純化曱烷被儲存在收集槽26中，用於隨後的出售或使用。優選來自分離器39的二氧化碳循環至生物反應器20，以保持厭氧階段期間生物反應器內的正壓力，從而有助於通過使氧汙染的可能性最小化，保持厭氧條件。此外，二氧化碳實際上是一種在甲烷生產中產甲烷生物體使用的底物。如果從生物反應器20收集的氣體合成燃料具有足夠的曱烷燃燒值，它可以替代地直接供給燃氣發電機45。可以用適合於排出所收集的氣體合成燃料的燃氣輪機或內燃機驅動燃氣發電機。發電機45產生的電力可以用於為其它設備操作提供電力，賣給當地的電力公司或直接賣給消費者。由於發動機和渦輪機的效率，僅較小百分比的燃燒的甲烷燃燒值(對於內燃機24至38%,對於小渦輪機16至18W轉變成電能。燃燒的甲烷氣體中燃燒值的其餘部分將轉變為餘熱。然而，如果生物降解發電裝置10位置靠近煤、油頁巖或油砂儲藏，燃氣發電機45產生的餘熱可以用於多種用途，包括例如產生用於從油砂萃取石油狀產物的蒸汽和/或熱水、煤的氣化和熱解油頁巖；因此從發電裝置10產生的餘熱可以傳統技術用於從這些化石燃料資源回收油。堆積30的整個部分需氧生物降解的時候，將僅產生二氧化碳氣體。因此，可以打開可設置在管道70上的閥門71，以排出生物反應器內產生的二氧化碳。可以將多個檢測器35設置在整個堆積30內的一個或多個位置，以測量生物降解處理期間生物反應器20內的氧含量。檢測器35還可以監測其它過程參數，包括溫度、離子強度、硫酸鹽濃度、有毒金屬水平、pH或Eh。通過監測通過氣體收集系統33的氣體，還可以測量氧含量和其它氣體。類似地，通過監測從生物反應器20通過液體收集系統32除去的液體，可以測量生物反應器內的參數例如溫度、離子強度、硫酸鹽濃度、有毒金屬水平、溶解氧、Eh或pH。液體收集系統32包括嵌入堆積3O最低層的排放系統74。排放系統74用於從生物反應器20除去液體，並包括排放口80，從該排放口可以收集從堆積30排出的液體，並循環到堆積30或為其燃燒值被加工。本實施方式中，排放系統74基本上包含一系列暗溝，其中包含一系列通常平行的穿孔管76，其穿孔取向朝向地面並埋於砂礫層78中。在排放口80收集通過穿孔管76排出的液體，其中優選將它們傳遞給油/水分離器37。從分離器37頂部除去生物反應器20中產生的液體合成燃料，並從底部除去水66。將液體合成燃料傳遞至槽25，用於儲存等待將來使用或出售。回收的液體合成燃料可以包括多種烴以及醇，因此希望在使用或在市場上銷售之前，進一步精製液體合成燃料。優選將從分離器37回收的水66通過灌注系統34循環至生物反應器20,並從供給源40用附加的接種體和養料補充至必要程度。供給源40內的接種體可以來自取自不同運行堆積的液體，作為引入活性和可接受的微生物進入堆積30的手段。除了接種體和養料，隨著液體移動回到堆積中，引入堆積的液體可以具有從供給源40加入的其它劑。附加的添加劑可以包括例如水、緩沖劑、糖、廢油、變成漿的牛糞。優選在回收的水66循環到堆積30之前，從分離器37回收的水66除去汙染物和/或生體毒素。堆疊顆粒生物反應器2Q會持續產生氣體和/或液體合成燃料幾個月或幾年。然而，從生物反應器中包含的化石燃料或其它含碳材料最終產生的能量是高的，因為形成作為最終產物的二氧化碳將損失極少的能量。生物反應器20耗盡含碳材料後，生物反應器可以保持完整。替代地，希望通風生物反應器，以完全除去生物反應器中的全部殘餘烴或其它含碳材料。最後，如果生物反應器由以下更充分討論的塗布底物形成，可以回收底物用更多含碳材料再塗布，並堆疊成為新堆積。現在結合圖2-5敘述用於形成生物反應器20的堆積30的幾種優選顆粒類型。大體上，堆積30優選由包含含碳材料的多種粗顆粒製成。顆粒優選在相當窄的粒度範圍內，以確保足夠的流體流動，特別是液體流過整個堆積。使用基本上均勻粒度的顆粒形成特定的堆積30將允許液體或氣體均勻流過生物反應器。另一方面，較寬的粒度分布，將引起填滿和空隙率減小。堆積中的空隙率通常應該大於或等於約15%,更優選大於或等於約20%。通常，空隙率將在15至35%的範圍。更優選，空隙率將在20至30%的範圍。不規則填充或粒度分離會在堆積30內產生氣體和液體不均勻流動，並減小了控制堆疊顆粒生物反應器20內液體或氣體均勻流動的能力。用於形成堆積30的顆粒應該還具有足夠的完整性，以能夠承受堆積30內遭遇的預期壓力。通常，這意味著顆粒應該具有承受堆疊在它們上面許多噸材料的力的能力。並且雖然顆粒通常優選為均勻的粒度，以促進生物反應器20內流體流動，它們還優選具有粗糙不均勻的表面形態，以有助於增加生物反應器20的總表面積。獲得具有實踐此處公開方法合適特徵顆粒的三種方法公開於美國專利第5，766，930號，第5，431，717號和第5，332，559號中，在此處將其引入作為參考。聚集粉碎的顆粒是一種增加粒徑的方法，從而改善液體在整個堆積內的滲透。圖2展示了團聚顆粒14的剖面圖，其中大多數可以用於形成堆積30。團聚顆粒14由多個用粘合劑18結合在一起的較小顆粒15、16和17組成。較小顆粒15、16和17可以包含粉碎可生物降解的含碳材料產生的粉末。替代地，較小顆粒15、16和17可以包含得自兩種或更多種不同的已經結合在一起的含碳材料源的顆粒以產生團聚顆粒14。因此，希望結合得自兩種或更多種具有不同生物降解特徵的含碳材料的顆粒，以改善生物反應器20內整個生物降解過程。此外希望用另外的含碳材料塗布多個團聚顆粒14。例如，可以用得自乙醇發酵生物資源、城市廢物淤泥或農業廢物形成的漿液塗布用於形成堆積30的團聚顆粒14，以提供養分給堆積中存在的生物降解微生物。當要生物降解的可生物降解的含碳材料包括大部分顆粒直徑小於約O.3cm的顆粒時，應該考慮團聚。團聚後，優選團聚顆粒14具有約3cm至約2.54cm範圍的粒徑。在這方面，如果含碳材料是特別細的顆粒狀，使得它的粒度小於約250jum，則以下討論的塗布方法可以是更合適的顆粒製備選擇。圖4中圖解了用於產生上述團聚顆粒14的方法。將要團聚的含碳材料41的顆粒送入伴隨有合適量粘合劑18的滾筒43。粘合劑18例如可以是石灰、波特蘭水泥或任何用於釆礦業的聚合粘合劑。替代地，可以4吏用另一種烴源例如瀝青油、廢油、油砂、瀝青、焦油、焦油瀝青或油母巖質作為粘合劑18，但是可以加入少量該材料作為團聚顆粒14上的塗層。合適的粘合劑是將含碳材料41的顆粒粘合在一起成為多個相對均勻尺寸的顆粒14而且產生足夠強以承受堆積重量的顆粒的材料。此外，得到的團聚顆粒14必須與生物過程的pH相容，並且不阻止微生物進入要分解並轉變為液體和氣體合成燃料的含碳材料。用於本發明優選實施方式的甲烷生成和發酵性的微生物可以在6至8的pH範圍內生長，因此與波特蘭水泥和其它中性至鹼性pH的團聚助劑相容。然而，因為微生物降解含碳材料產生可以降低pH離開6至8的最佳範圍的有機酸，使用水泥作為粘合劑，可以有助於保持對於甲烷生成厭氧菌的最佳pH範圍。波特蘭水泥型團聚助劑的基本優點是它們的強度，因此當水泥用作粘合劑18時顆粒14無可壓縮性。一旦形成團聚顆粒14，它們可以堆疊成為堆積30，並用於此處公開的生物反應器20。圖3圖解了塗布顆粒23，第二種可以用於本發明的顆粒類型的剖面圖。該實施方式中，將含碳材料41的顆粒塗布到多個底物21上，以形成多個具有含碳材料塗層22的塗布顆粒23。替代地，塗層22可以包括或由液體含碳材料形成。可以利用多種技術，包括使用如圖4所示的滾筒43或高漿液密度漿料噴霧器，將含碳材料41的顆粒和/或液體含碳材料塗布到底物21上。底物21優選是固體，並優選具有大於或等於約0.3cm並且小於或等於約5cm的粒徑。更優選底物21具有大於或等於約0.3cm並且小於或等於約3cm的粒徑。雖然粗糙底物21優選具有大於約0.3cm的粒徑，認識到並預期一些底物實際上可以小於該粒徑。如本領域技術人員會認識到的那樣，如果通過粉碎較大的材料至所需尺寸範圍製備粗糙底物21，粉碎材料將具有一定粒徑分布。即使篩選材料以排除小於約O.3cm的材料，由於篩選過程中固有的效率低，並且由於處理期間顆粒磨損，一些粒徑小於O.3cm最小目標的材料仍然存在於粗糙底物內。因此通過大於或等於約O.3，可望基本上全部粗糙底物保持大於該尺寸，使得形成堆積30期間，並優選在整個操作內，反應器的孔隙率保持大於至少約20%。優選低於O.3cm界限的粗糙底物的量小於5重量yo。希望在底物21上形成相對均勻的含碳材料41的顆粒塗層22，以最大化暴露於生物反應器20中的微生物的顆粒41的塗層完整性和表面積。此外，隨著顆粒41的粒徑減小，生物降解過程將進行的更快。較小的顆粒還傾向於與底物21粘附更好。考慮到這些，含碳材料41的顆粒粒徑優選小於約25Qjum，更優選要塗布在底物21上的含碳材料41的顆粒標稱粒徑大於約75jum,並小於約106pm。塗布材料的厚度優選小於lmm，以保證用來進行生物降解的微生物具有足夠的到達全部要處理含碳材料的通道。還可以通過降低底物21的粒徑，利用具有粗糙不均勻表面形態的底物21和/或增加堆疊在堆積30上的塗布底物23數量，以增加生物反應器20的總表面積。增加堆積內底物的總表面積的優點是可以加載在塗層22中的底物21的含碳材料量相應地增加，其隨後增加可以降解成為液體和氣體燃料的含碳材料量。可以利用多種技術製備塗布顆粒23。一種可能是將適量的底物21和顆粒41加入滾筒43。優選乾燥底物21，並且顆粒41在高漿液密度漿料中，使得它將粘附到底物21上，以形成塗層22。替代地，可以將底物21和顆粒41都加入滾筒43乾燥，然後可以將水和/或其它粘合劑噴霧到滾筒43中，以促進顆粒41粘附到底物21上。形成塗布顆粒23的可選擇的方法包括堆疊底物以形成生物反應器20的堆積30之前或同時，將高密度漿液中的含碳材料41的顆粒噴霧到底物21上。耐中性至鹼性pH的粘合劑18,例如波特蘭水泥可以用於幫助將含碳材料41的塗布顆粒保持在固體底物21上。然而，如果底物21和顆粒41是充分疏水性的，還可以將塗布在底物21上的含碳材料41的顆粒不用粘合劑施加到底物上。後者方法的優點是可以避免粘合材料的費用。液體或半液體的烴也可以用於將顆粒41保持在底物21上，以形成具有足夠結構完整性的塗層22。因此，例如瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青和/或油母巖質可以用於將顆粒41粘合到底物21上。或可以進一步用該物質塗布塗布顆粒23，以進一步增加生物反應器20內含碳物質的含量。利用多個塗布顆粒23形成堆積30優於利用團聚體14的優點是塗布顆粒23的固體底物21提供高強度，以保持顆粒的形狀。該實施方式的另一個優點是塗層22可以是不能團聚成為具有足夠承受壓縮的強度的顆粒的較軟的烴或生物質，但是可以承受塗布到底物上的壓縮。因此，通過將該軟材料塗布到固體載體上，可以在非常大的堆積中保持滲透性。另一個優點是烴的外塗層會充分接近微生物以轉化為液體燃料、油和/或甲烷。可以從任何能夠承受堆疊顆粒重量的材料形成底物21。不包含任rock)、礫石、熔巖巖石、包含碳酸鹽礦物的廢脈石、磚塊、煤渣磚和熔渣。然而優選底物21還包含可生物降解的含碳材料，其最後也轉變為油或甲烷。在這方面，多數底物可以包含例如一種或多種選自油頁巖、煤、巖石、地瀝青、橡膠和植物廢物的材料。可以用作底物21的合適植物廢物實例包括例如選自樹皮、玉米穗軸、堅果殼、木材副產物和農作物副產物的植物廢物。煤底物可以包含任何純煤，包括半無煙煤、半煙煤、煙煤、亞煙煤和褐煤。塗布在底物21上的含碳材料41的顆粒可以包含例如選自油砂、油頁巖、瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青、油母巖質、煤和農業廢物的有機含碳材料。此外，可以塗布在底物上的農業廢物類型包括例如糞肥、果實廢物、禾杆、發酵廢物和粉碎的植物廢物。葡萄皮是特別優選的果實廢物形式，其可以塗布在用於生物處理的粗糙底物上。此外，稻草是特別優選的禾杆形式，其可以塗布在生物處理用底物上。如果煤用作塗布在底物上的有機含碳材料，優選煤具有煙煤或更低的變質等級，更優選泥炭或更低的變質等級。此外，如果塗布在底物上的有機含碳材料包含煤或油頁巖，優選塗層是這些材料的濃縮物。在特別優選的實施方式中，形成塗層22的含碳材料41的顆粒包含易於生物降解的含碳材料，例如生物質或農業廢物，從而通過提供利用生物反應器20內的產曱烷生物體要轉變為曱烷的大量脂肪酸，加速全過程。圖5中圖解了製備均勻粒度顆粒的第三種方法。在該實施方式中，除去較細顆粒以增強堆積30內空氣和液體流動。粉碎並篩選可以從粉碎的含碳材料除去細材料。通過堆疊之前除去細粒，粒度分布變窄，因此空氣和液體流過整體粉碎材料的流動特性得到改善的堆積。除了除去細粒，可以利用粒度分級進一步分離粉碎的巖石。然後可以將各種粒級堆疊成為獨立的堆積30或堆積內的層，如以下結合圖5更充分討論的那樣。在優選的實施方式中，在碎礦機84中粉碎含碳材料，例如烴礦石51至大小約5cm或更小。令碎礦石通過一組篩網86、88和90,其將粉碎材料分離成為兩個或更多個粒度範圍。例如可以如下所述分離粒級最大粒級為3至5cm，中間粒級為l至3cm，小粒級為O.5至lcm，細粒級為O.5cm和更小。前面三種單獨的粉碎材料部分可以根據部分尺寸堆疊成為獨立的堆積。因此，本實施方式中，形成三種堆積大粒級的堆積54，中間粒級的堆積55和小粒級的堆積56。細粒級(例如尺寸小於0.5cm的含碳材料)中的含碳材料可能太小，以至於不首先團聚粉末無法堆疊成為堆積。因此，如圖5所示，可以在團聚滾筒92中團聚細粒級中的含碳材料41的顆粒。然後可以堆疊得自團聚滾筒92的團聚顆粒14,以形成團聚顆粒的堆積58。可以以如上所述方式結合圖2和4，在團聚滾筒92中實現形成團聚顆粒14。還可以進一步研磨細顆粒部分，然後浮選形成高等級含石友材料。然後可以在團聚滾筒92中團聚得到的浮選濃縮物，以形成團聚顆粒14，或塗布在粉碎的固體和分級的材料表面，以形成塗布顆粒23。另一個處理細粒級的方法是一起加工得自堆積生物反應器部分。例如，可以在傳統高溫過程例如乾餾中處理細粒級。儘管本實施方式的細粒級設置為O.5cm和更低，其它實施方式中可以設定為不同的。例如，一些實施方式中，可以希望或足以將細粒級設置為具有約O.3cra或更低的顆粒。從各種篩網例如大尺寸篩網86收集的含碳材料粒級也許能保持如圖3所示的塗層22。可以將塗布在所述粒級上的含碳材料塗布在多種構成塗布滾筒53中粒級的底物21上。然後例如可以在堆積54中堆疊得到的塗布顆粒23。上面結合圖2充分描述了可以各種粒級塗布在顆粒上的各種含碳材料。然而，值得注意是塗布材料可以是比用作底物的烴礦石更軟的含碳材料。例如，用作塗布材料的含碳材料可以是例如生物質、爛漿料、得自乙醇發酵的生物質、城市廢物淤泥或農業廢物。每個堆積54、55、56和58(或如果採用層積方法為每個層)將單獨具有比混合在一起更好的流動特性。如果混合在一起，較小尺寸材料將填充空隙空間，從而減小空隙空間並限制流動。除了減小空隙空間，一些區域將不可避免地具有更少的細粒，因此比其它具有更多空隙空間，並且流動性更好。該流速上的不一致將在具有過量細粒區域的周圍產生溝流和不均勻流動，並且限制流動。當試圖吹掃氧氣離開系統或引入厭氧微生物的新培養物時，這是有問題的。最小粒級材料將具有最快的降解速度。然而，如果在堆積56中單獨堆疊該部分，它將仍然具有均勻的氣體和液體流動特徵。較大尺寸材料將具有更好的流動特性，但是轉化為甲烷的速度較慢。較大粒級堆積還可以用作如上所述的更軟和更易於生物降解的材料塗層的支持巖石。此外，大粒級將具有較大的空隙空間，並且可以承受更大的壓縮，因此可比小尺寸材料堆疊得更高。承受更大壓縮的能力將使得可以在較大尺寸材料上堆疊較細材料作為層。如果單獨堆疊，每個堆積將以不同速度產生油或甲烷。一旦堆積不再以經濟的速度產生甲烷，可以在它上面形成新堆積。此時，如果壓縮初始堆積中留下的材料到滲透性消失的程度也沒關係。結果，這可能是製備用於較大堆積的高強度顆粒的最便宜方法。此外，不需要再粉碎較大粒度的顆粒至較小粒度範圍，其還會產生更多細粒並增加成本。並且儘管較大粒度的範圍的材料生物降解將更緩慢，因為它將能夠堆疊在更高和更大的堆積中，由較大粒級材料形成的堆積實際上能夠產生與較小粒級形成的堆積相同的所佔據的每平方英尺土地的曱烷量。利用本領域普遍已知的技術易於實現將烴礦石51，例如煤或油頁巖粉碎至大約O.5至3cm的目標最大尺寸。然而，粉碎操作的極限最大目標粒度將取決於生物降解速度和堆積預計產生液體或氣體燃料的時間。因為使顆粒的尺寸較小，微生物降解可得到的表面積變為較大。然而，較小粉碎粒度目標增加粉碎成本和太小以至於沒有如上所述的團聚或塗層就不能包含在堆積內的細粒量。現在應該理解，根據本發明和圖l中圖解的生物降解方法可用於形成較大外部生物反應器，同時確保足夠的微生物通道至將要轉變為有用的液體和氣體燃料或合成燃料的含碳材料。此外，由本優選實施方式提供的增強的液體和氣體流使得可以容易地除去液烴燃料，例如合成石油或氣態烴燃料例如甲烷。增強的流動還允許在形成堆積後，在任何時候將微生物和養分引入生物反應器。如圖l中圖解的和如上所述，可以在堆積30底部、頂部和整個堆積提供手段，以方便引入和除去液體和氣體。本發明還提供了一種成本效益好的方法，以獲得非常大高表面積的反應器，用於將含碳材料需氧和/或厭氧降解為合成燃料。實際上，可以成本效益好地將本發明的方法和生物反應器換算為每天處理數千噸油頁巖或油砂。本發明典型的商業性開發可以包括例如每天將10，ooo噸或更多含碳材料堆疊成直至百萬或更多噸含碳材料總量的堆積。將本發明方法和反應器成本效益好地換算至非常大規模的性能是重要的，不僅因為轉化過程緩慢，而且因為它是從大量含碳材料提取燃燒值以對世界石油供應產生實質性影響所必需的。從實際的角度處理，例如需要每天從大約IOO,000至400，ooo噸油頁巖提取燃燒值，以取代美國每天現在進口的1千萬桶石油的約1%。鑑於上述優點，本專利文件中公開的方法和生物反應器設計特別適用於從低等的礦物燃料獲得合成燃料。這是因為可以用本發明的方法和反應器以非常大型的低成本方法處理大量這樣的礦物燃料，其被認為關鍵的是長停留時間，這是生物降解這些礦物燃料成為合成燃料所必需的，以及每噸材料這些礦物燃料中能量值的濃度。因為油頁巖、油砂、泥炭和低等煤傾向於接近表面，然而，它們對於礦山是相對廉價的，因此與加入生物反應器的可回收的燃燒值相比，保持構成生物反應器的費用相對較低。另一方面，較深的碳質巖礦層將花費很多用於採礦，因此可能負面影響所述方法的經濟性，即使採出的碳質巖可以具有更高等級。考慮到本發明的潛在價值和其經濟性，值得回故一些與在本發明中可以加工的低等礦物燃料有關的一些值得注意的事實。油頁巖-油頁巖的全部世界資源估計為超過2.6兆桶石油，具有一個位於美國的最大的礦層。因此油頁巖中固定的石油蘊藏是已知石油儲量的幾倍，使其相形見絀。油頁巖通常包含10加侖或更多石油每噸頁巖，在美國許多頁巖包含多於20加侖/噸或甚至30加侖/噸。實際上，據估計在美國的綠河(GreenRiver)巖層中在巖儲藏量中存在7310億桶石油頁，其包含至少25加侖石油每噸頁巖。如果可以35每p屯或更低的價格加工該頁巖，無疑地該加工是經濟的。然而考慮到採礦業中以堆積生物浸取技術加工一噸礦石的費用為$2至$5每噸的範圍，以每噸$5或更低的費用加工頁巖是非常可行的。油砂-世界的油砂含有地球外殼中最多液烴積聚物。有時稱為焦油砂和瀝青砂，油砂包含異常粘性的石油物質，稱為瀝青油。世界上最大的油砂儲藏位於加拿大，艾伯塔，其已經估算含有多於一萬億桶石油。另一個南美洲的油砂礦層據稱含有6920億桶石油。油砂通常包含O.5至1桶石油每噸。低級煤-美國具有很大的低級煤例如褐煤和泥炭以及其它腐殖質的儲藏量。此外，美國具有世界上最大的泥炭儲藏量。泥炭具有不變的高水分(最小75W,其通常在其它方法中燃燒之前，需要乾燥它。泥炭可以用於本方法，然而，首先沒有乾燥它，因此處理該資源中節省大量資金。高硫石油和煤-由於對二氧化疏排放的環境制約，這些礦物燃料只能在具有足夠汙染控制系統的工廠中燃燒，或必須在燃燒燃料之前除去石克。然而在本發明中，可以容易地加工高石危礦物燃料。提供了用於從焦油砂或油砂以及油頁巖生產並回收液烴燃料的優選實施方式。焦油或油^^、以及油頁巖包含大量烴。可以用水和高溫洗去或除去一部分烴。此外，這些烴的需氧微生物發酵的產物將有助於除去烴。例如，節桿菌屬、芽孢棒狀桿菌屬、Pseudominass和其它上述表l中列出的微生物產生表面活性劑和溶劑，其有助於除去這些烴源的砂子和頁巖表面上保持的油。除了這些微生物產生的萃取劑，微生物能夠減少石蠟烴的分子量，從而降低其粘度。然後可以更容易地利用水流從砂子和頁巖除去得到的低粘度油。因此，使油流動的生物學方法是提高萃取油砂或油頁巖中包含的油的方法。除了產生萃取劑可用於從礦物質分離烴值，微生物轉化烴為低分子量石油。此外，用於產生萃取劑並降低油粘度的需氧微生物將通過進一步生物降解產生小有機分子，其隨後可以被產甲烷微生物消耗，並轉變為曱烷和二氧化碳。雖然可以使用可從菌種保藏中心得到的孩^生物，從烴位點(hydrocarbonsite)本身分離的野生型孩i生物對於包含在堆積培養物中最有用處。隨後利用得自需氧發酵的發酵液，可以從堆積中的礦物質萃取釋-改的油。如上所述，隨著形成堆積或在剛剛形成之後，可以將油活化細菌加入團聚的油砂或油頁巖堆積。該方法需氧部分開始活化並且降低重質烴類和焦油粘度成為可除去的油，其中利用液體通過堆積顆粒流動，從堆積排出可除去的油，並進入液體收集系統32，然後提供至油/水分離器37，並在槽25中收集分離的油。覆蓋或密封堆積後，通過用二氧化碳吹掃生物反應器20，或通過讓需氧微生物耗盡俘獲的氧，可以將該過程轉變成厭氧環境。除油過程仍然可以繼續，因為通過產生表面活性劑和溶劑，厭氧微生物仍然可以活化。隨著堆積變為厭氧的，通過灌注系統34將產甲烷微生物引入堆積30，以開始產生甲烷。可以通過菌種保藏中心獲得這些確實厭氧的微生物，其中一些列於表2。除了從菌種保藏中心得到產曱烷生物體，可以在厭氧條件下從泥炭沼澤、汙水處理廠、水稻田和反芻動物的腸胃分離混合的培養物。該部分過程中，通過需氧部分過程產生的殘餘烴和有機化合物被轉變成曱烷。此外，該部分過程期間，應該利用檢測器35或其它上述討論的手段監測氧含量和其它參數例如溫度、pH、溶液化學試劑、硫酸鹽水平和有毒金屬。可以通過控制經由氣體提供系統60和灌注系統34至堆積的氣體和液體流，調節堆積的環境條件。該過程厭氧階段花費時間比該過程的需氧階段更長。此外，構成生物反應器的顆粒上的表面烴將快速轉變成油和曱烷。該過程後面，微生物將消耗更多顆粒內含有的烴。甲烷產生的總時間和速度將是顆粒尺寸、分布和含碳材料生物的可降解性的函數。例如大部分煤將厭氧地生物降解為曱烷，但是速度非常緩慢。由低級煤製成的固體載體可以花費幾年轉變成甲烷。該過程第一年內，塗布到固體煤栽體上的焦油砂層可轉變成液體油和曱烷。塗布到煤載體上的生物質或農業廢物層可在幾個月內轉變成曱烷。在更易受影響的有機材料外層上迅速生長的微生物將通過加速遍及固體栽體顆粒積極生長的微生物的厚塗層的快速成長，促進生物降解更多有耐性的固體載體。外層降解並且大部分可容易接近的烴轉變成油或曱烷後，對堆積內空隙空間和良好流動特性的需要減弱。因此，可以在已經消耗大部分外部柔材料的舊堆積生物反應器頂上構置新的堆積生物反應器。此時，曱烷產生循環的較慢部分中較舊的堆積可以較好地適應另一個堆積的額外重量或建立在頂部上的層(lift)。下列預示的實施例進一步詳細說明了本發明，並且不應該^i人為本發明限於提出的實施例。例如，如下所述具體實施例涉及生物降解油頁巖、油砂、煤和泥炭。然而，如上所述，根據本發明的裝置和方法可以用於生物降解各種可生物降解的含碳材料。實施例l在本實施例中，在堆積生物反應器20中使用包含例如油頁巖的材料的固體烴，以產生油和甲烷。開釆油頁巖，並粉碎至低於5cm的大小，平均粒級約3cm。如圖5中說明的，低於約lcm的更小粒級團聚成為約3cm的較大顆粒。聚合物或波特蘭水泥粘合劑42可以用於幫助形成穩定的團聚體。認識到另一種烴來源例如焦油或高粘性油可以作為合適的團聚助劑，或可以塗布在團聚體表面上。另一種處理細粒的方法是從堆積過程完全除去它們。進一步研磨和浮選可以用於形成高等級烴，其然後可以團聚或塗回粉碎的固體和分級的材料上。替代地，可以常規高溫過程例如乾餾處理細粒部分。通過平衡成本和油和氣體產生的速度，選擇顆粒的尺寸。l至3cm的較小尺寸範圍將更快地產生油和甲烷。3至5cm較大尺寸範圍將降低粉碎成本，並產生更少需要除去或團聚的細粒。混合物或lcm至5cm較大尺寸範圍將更緊密地填充，並限制氣體和液體流動。最好堆疊兩個單獨的堆積或兩種尺寸範圍(1-3cm和3-5cm)層(lifts)，而不是將它們結合。因此，有益的是測試每個尺寸或尺寸範圍，以確定有機碳和爛降解、萃取和曱烷產生的相對速率。這可以在小規模實驗室測試中完成，其中測試每種要以工業規模處理的烴礦物。這類測試將確定隨時間的油和甲烷生產速度。測試中使用的微生物和環境條件例如溫度、pH和養分也影響速度。隨著產生團聚體，或隨著堆疊堆積，將烴降解微生物聚生體加入堆積。聚生體應該是需氧微生物和兼性厭氧微生物的混合培養物，已知其降解堆積方法中要處理的烴類型。更具體地說，混合培養物應該適應於以堆積中要處理的烴源為能源。分離並改進用於石油的烴降解微生物的方法通常是微生物學熟練技術人員已知的。由Ikeda等人在美國專利第5，919，696號中教導了一種微生物改進的方法，在此引入作為參考。堆疊期間，堆積將是需氧的。氣體提供系統60和液體收集系統32中分別首先鋪設穿孔管31和76，並用巖石或堆積顆粒直接覆蓋。隨著堆積堆疊升高，在堆積中設置灌注系統34和氣體收集系統33。這些可以在堆積的頂部和中央部分。可以將檢測器35加入堆積30，以監測各種過程參數，包括溫度、氧濃度、壓力和pH，檢測信息傳輸至此處沒有圖示的控制器。在該方法的需氧階段中，微生物以烴為能源，產生生物表面活性劑、溶劑和熱量，其有助於逐出並調動油頁巖中包含的石油。此外，微生物使粘性烴產生化學變化，其降低頁巖中含有的油的粘度。所述油遷移至堆積的下部，用液體收集系統32除去。水還可以用作幫助將油清掃出堆疊顆粒的載體。然後在油/水分離器37中收集水溶液和油，在此可以從水溶液將油分離，然後提供至槽25儲存。然後可以通過灌注系統34，將分離的水循環回到堆積。替代地，水可以作為廢物淨皮除去。在堆疊堆積並用不滲透的村裡36例如粘土蓋子或塑料襯裡覆蓋後，需氧過程可以繼續。持續時間將取決於要加工的材料和液體油對曱烷的經濟價值。通過停止通過嵌入堆積的氣體提供系統60的空氣流動，或通過用低氧(小於l.0%)氣體混合物吹掃堆積，過程從需氧過程轉變為厭氧過程。可能的氣體混合物可以是氮和二氧化碳。需氧微生物'將高分子量烴分解為較小分子。這有助於在厭氧過程期間開始產生曱烷。然而，需氧過程將通過將烴一直降解為二氧化碳、水和熱量，浪費更多烴燃料的能源潛力。經濟因素將確定將堆積從較快的需氧過程轉化到較慢的厭氧曱烷生產過程的最佳時間。為了優化甲烷產生，不產生硫化氫可能需要仔細控制氧含量。硫酸鹽還原菌將為了由發酵厭氧微生物產生的乙酸酯、脂肪酸和氫，與產曱烷微生物竟爭。硫酸鹽還原菌將產生硫化氫，而不是甲烷，從而降低該過程的效能。在堆積變為厭氧後，可能需要將確實厭氧的產甲烷微生物提供給堆積，因為它們可以不能在該過程的需氧部分生存。這些產甲烷微生物可以從正以厭氧模式運行的現有堆積得到，該堆積是改進並積極生長微生物的來源。厭氧階段期間，仍然可以產生並收集液體油。甲烷氣體一直產生到大部分可用的烴已經轉變為液體石油/油或曱烷。該時間將取決於被加工的頁巖的顆粒尺寸或粉碎尺寸。產生小於5cm的粉碎尺寸會花費更多，但是將更快地產生油和甲烷。實驗和經濟分析可以確定對於特定頁巖的最佳粉碎尺寸。實施例2在本實施例中，烴來源是油砂。該材料也稱為焦油砂，並類似於油頁巖含有油砂瀝青。加拿大艾伯塔具有三個世界上最大的油砂礦層，其保守地估計為超過一萬億桶。油砂瀝青構成油砂的約10-12%。其餘是80-85%砂子和粘土礦物以及4-6%水。認為用傳統熱水萃取或浮選濃縮技術僅可回收這些礦層的約10%。這些非生物萃取過程在鹼性尾料中留下約25。/。油砂瀝青。在這一實施例中，油砂材料團聚成為尺寸約l至3cm的小球團或顆粒。應該根據微生物降低重油粘度以及從顆粒萃取它的速度，選擇生物處理的顆粒尺寸。這可以在實驗室實驗中確定，如實施例l所做。通常，較小顆粒將以比較大顆粒以更快的速度產生更多的油。然而，較小顆粒可能更昂貴，並且難以生產。除了確定合適粒徑，可以利用採礦領域已知技術試驗性地確定粘合劑的合適量和類型。選擇的粘合劑應該足夠強，以將團聚顆粒14保持在一起，並且耐得住堆積重量。然而，使用的粘合劑量不應該太多，以致於阻止微生物滲入或萃取油。此外使用過量粘合劑將增加方法的成本。合適的粘合劑包括例如波特蘭水泥和聚合物。還可以將浮選的油砂瀝青濃縮物團聚成為顆粒，或塗布到顆粒的外表面上。使用的水泥量通常為約1至3°/。的範圍。用能夠減小油砂瀝青粘度並將其轉變為較輕分子量油的改進^:生物聚生體培植團聚顆粒14。該聚生體應該是需氧和兼性厭氧微生物的混合培養物，已知其產生有助於逐出油的表面活性劑溶劑和熱量。混合培養物還應該包含嗜熱細菌，其可以在需氧烴降解釋放的熱產生的較高溫度下生存。應該設計並操作堆積，使其節省產生的熱量，因為它將有助於油萃取。堆積將作為如實施例1中的需氧過程開始。可以將氣體提供系統60、灌注系統34和液體收集系統32嵌入堆積，以注入加工氣體和水，並收集包含萃取油和工藝用水的排出水。隨著堆積堆疊較高，將灌注系統34和氣體收集系統33置於堆積中。在油/水分離器37中將油與液體收集系統32中收集的工藝用水分離，然後通過灌注系統34再生用於再注入和再利用。再生步驟可包括pH調節和除去毒性物質，其可能延緩細菌生長。還可以將新的微生物加入該工藝用水。其可能是用於生產甲烷的確實厭氧的發酵和產曱烷微生物。除了灌注系統和液體收集管，堆積構造為具有氣體源和除去管31，68。注入氣體混合物需要供給管31，其可以控制堆積內氧含量。在該方法的需氧部分期間，氧含量可以是1-10%或更大，以促進油砂瀝青降解，並轉化為液體油。除去大部分可回收的油後，減小氧含量，以促進甲烷產生。利用厭氧的發酵微生物，剩餘油和低分子量有機化合物以及需氧微生物本身快速轉變成醋酸酯和其它一種或兩種碳化合物。然後厭氧的產甲烷細菌將這些化合物轉變成為曱烷，其由氣體收集系統33收集。然後隨著發酵和產甲烷微生物的厭氧聚生體繼續降解高分子量油砂瀝青或其它有機烴源，該方法更緩慢地進行。該緩慢過程可以進行幾年。產生的氣體將包含曱烷和二氧化碳的混合物。利用分離器39，通過從氣體混合物除去二氧化碳，可產生更加高濃縮的甲烷氣體。淨化的曱烷氣體可以作為天然氣銷售。替代地，如果管道70中還沒有足夠濃度，可以充分地淨化氣體，以在發電機45中燃燒，以提供熱量和/或電力。實施例3在全世界內美國和其它國家具有許多可採的煤。令人遺憾地，許多這些煤來源都是低等級的，或者硫或灰分含量較高，並且因為環境原因不可用於發電。更嚴格的大氣質量要求已經減小了許多這些煤來源的可用性。大部分新發電廠設計使用更清潔的燃燒天然氣。在本實施例中，在粉碎和分級煤的較大外部堆積30中，通過將煤厭氧生物轉化為甲烷，低級煤轉變成更清潔的燃燒甲烷氣體。煤和其複雜化學結構的固體性質使其緩慢生物轉變成曱烷。因此，除了用發酵微生物和產曱烷微生物培植，還應該將良好的養分和生長底物來源與煤結合。可以混合或團聚底物、養分和微生物，或將其堆疊成堆積30時，塗布到煤顆粒上。一些良好的生長底物材料源是得自乙醇發酵、城市廢物淤泥和農業廢物的生物質。這將提供微生物生長用有機材料，並且還通過消耗氧，有助於產生厭氧的堆積。更容易降解的有機底物將促進大量微生物生長，其將覆蓋全部煤顆粒。應該在實驗室測定中確定煤顆粒的尺寸範圍，以確定作為尺寸或表面積對體積的函數的煤向曱烷轉化的速度。一種進行這些測試的方法是設立多個各自包含不同尺寸範圍的柱，每個混合大量的養分和微生物培養物。將該柱保持厭氧的，並測量產生的甲烷量。除了柱以外，小的攪拌反應器可用於測量對於非常高的表面積與體積比的生物曱烷產生速度，然後用於大規模過程。然後該實驗室測試結果可以用於估算對於大規模領域堆積的甲烷產生速度。這類測試將考慮到優化pH、溫度和其它環境條件，其將用於模擬並控制較大商業操作。該系統模式還可以可用於預測並控制曱烷產生速度。可以構造不同尺寸範圍的幾個堆積，以不同的速度產生曱烷，作為設置生產速度以符合預期甲烷需求的方法。在本實施例中，可以在處於轉變成燃氣電廠過程中的老燒煤電廠附近構造較大的堆積。可以將引入不再滿足大氣質量排放標準的發電廠的煤粉碎成試驗性地確定的尺寸，然後對於一個或更多個堆積或不同尺寸範圍的層(lifts)進行尺寸分離。可以團聚最細的尺寸範圍，並堆疊在另一個堆積中。每個堆積或層(lift)開始產生甲烷，其可以提供給燃氣的渦輪發電機。現有燃煤電廠可以繼續使用更清潔的燃燒煤產生電力。用這種方法，設備可以繼續產生與之前同樣多的電力，並減少排放物。這類轉換還利用大量現有設備。實施例4泥炭沼澤隱藏了大約30%世界上的泥土碳儲備。泥炭的天然生物降解佔全球甲烷排放物的3至7%。泥炭是初期的煤，美國具有世界上第二大的泥炭資源。美國泥炭資源包含的總能量估計相當於約2400億桶石油。它在均勻分布在全國，並且在地表，很少或沒有履蓋層。泥炭沼澤對於作為主要微生物過程的產甲烷甲烷生成(methanogenicmethaneproduction)通常是酸性並且缺氧的。然而，泥炭頂層包含甲烷氧化孩吏生物(methanotrophicmicrobes)，其消耗大量產生的甲烷，並將其氧化為二氧化碳和水。來自泥炭沼澤的總的甲烷排放低於O.l升每平方米地表每天。可以對泥炭進行脫水，並直接作為燃料燃燒。因為多種原因，包括脫水成本，美國通常不這樣做，儘管在世界其它地區這樣做。在本實施例中，從沼澤取出泥炭，並製成要堆疊成生物反應器的小球團或顆粒。因為泥炭的高水含量和其柔軟性以及可壓縮的性質，它應該經歷一些加工，以在堆疊成堆積之前減小可壓縮性。除了改變其物理性能外，當形成堆積生物反應器時，可以加入養分、調節pH和微生物接種。為了增強泥炭顆粒，可以加入粘合劑。波特蘭水泥可以作為粘合助劑，並用於調節泥炭的pH。此外，中性pH的甲烷生成可以使用多種小的有機化合物，以產生曱烷。因此，可以分析產曱烷曱烷生產的實驗室測試作為pH、養分和特定泥炭實例的其它環境要求的函數。然後可以隨著產生團聚顆粒14，調節至最適pH、養分和其它條件。換言之，可以將其它材料15和17團聚成為顆粒14，以有助於產生團聚顆粒14的最佳環境和強度。除了用於增強和pH控制的水泥或碳酸鹽巖石，可以加入生物質或農業廢物或淤泥，以提供養分和微生物。替代地，為了提供較小可壓縮性的顆粒，可以將泥炭塗布到多個圖3中圖解的固體底物21上，例如煤、油頁巖或巖石。如之前所描述的，將得到的泥炭顆粒堆疊成堆積30。堆積開始為需氧過程，但是隨著氧被清除或消耗，將轉變為厭氧過程。此外用不透氣的阻擋層36覆蓋堆積，以防止引入不需要的氧。堆積的高度受堆積顆粒的可壓縮性和滲透性限制。堆疊後，堆積必須保持足夠的滲透性，液體可以滲透通過堆積，以帶進養分、微生物，並控制pH。此外，它必須是足夠能透氣的，使得可以除去甲烷，並控制氧含量。曱烷產生速度將取決於微生物發酵複雜泥炭有機材料成為醋酸酯和其它簡單有機材料的能力。這些簡單的脂肪酸和氫和二氧化碳可以轉變成甲烷。可以預料曱烷生產速度應該超過從泥炭沼澤產生甲烷速度的10倍。酸性泥炭沼澤產生6至30g甲烷每噸泥炭每天。然而本實施例中描述的堆積生物反應器20應該能夠產生超過300g曱烷每噸泥炭每天。儘管已經參考優選實施方式和具體實施例描述了本發明，本領域熟練技術人員應該容易地認識到在不偏離在下文中權利要求提出的本發明精神和範圍情況下，可以對此處描述的方法和生物反應器作出許多改變和改進。因此，應該清楚地理解給出本說明書僅用於舉例，而不是限定以下提出權利要求的本發明的範圍。權利要求1.一種利用堆疊顆粒生物反應器從可生物降解的含碳材料產生氣體燃料的方法，該方法包含步驟從包含可生物降解的含碳材料的顆粒形成堆疊顆粒生物反應器；在生物反應器內形成厭氧微生物支持環境；將所述堆疊顆粒生物反應器中可生物降解的含碳材料厭氧地生物轉化成為氣體燃料；並從生物反應器收集所述氣體燃料。2.權利要求l的方法，其中所述氣體燃料包括甲炕。3.權利要求l的方法，進一步包括在生物反應器內形成厭氧環境之前，需氧生物處理所述堆疊顆粒生物反應器，所述需氧生物處理髮酵生物反應器中含碳材料和/或從含碳材料釋放天然的油。4.權利要求3的方法，進一步包括從所述堆疊顆粒生物反應器收集油。5.權利要求l的方法，其中形成厭氧環境的步驟包括用氬氣、氮氣、二氧化碳、氨氣或氫氣吹掃堆疊顆粒生物反應器。6.權利要求l的方法，進一步包括將顆粒團聚在一起，以形成粒徑0.3cm至2.54cm範圍的顆粒。7.權利要求l的方法，進一步包括用顆粒塗布粒徑大於或等於約0.3cm的多個底物表面。8.權利要求l的方法，進一步包括篩選顆粒成為兩個或更多粒級，並形成多個空隙率大於或等於約15%的堆疊顆粒生物反應器，每個生物反應器由一個單獨粒級的顆粒形成。9.權利要求8的方法，其中一個粒級是細粒級，並且方法進一步包括團聚細粒級中的顆粒，以形成粒徑O.3cm至2.54cm範圍的顆粒。10.—種利用堆疊顆粒生物反應器將可生物降解的含碳材料轉變成為合成石油和/或氣體燃料的方法，該方法包括步驟從包含可生物降解的含碳材料的顆粒形成堆疊顆粒生物反應器；用包含一種或更多種能夠發酵含碳物質的需氧和/或兼性厭氧的微生物的培養物培植所述生物反應器；需氧地發酵所述堆疊中的含碳物質；從所述堆疊收集合成石油和/或氣體燃料；將所述堆疊內的環境從需氧環境轉變為厭氧環境；用包含一種或更多種厭氧微生物的培養物培植所述堆疊；厭氧生物處理需氧生物處理的堆疊，以產生合成石油和/或氣體燃料；並從所述厭氧生物處理的堆疊收集合成石油和/或氣體燃料。11.一種利用堆疊顆粒生物反應器，將有機含碳材料生物轉化成為燃料的方法，該方法包括步驟用有機含碳材料塗布粒徑大於或等於約0.3cm的多個底物表面，從而形成多個塗布的底物；用所述塗布的底物形成堆疊顆粒生物反應器，所述堆疊顆粒生物反應器具有大於或等於約15%的空隙率；在所述堆疊顆粒生物反應器內形成厭氧環境；厭氧生物處理所述堆疊顆粒生物反應器，直至所述堆疊顆粒生物反應器內所需量的有機含碳材料已經轉變成氣體燃料；並從所述堆疊顆粒生物反應器收集氣體燃料。12.權利要求ll的方法，進一步包括隨著合成石油從生物反應器排出，從所述堆疊顆粒生物反應器收集合成石油的步驟。13.權利要求11或12的方法，其中多個底物由至少一種選自油頁巖、煤、巖石、地瀝青、橡膠和植物廢物的材料組成。14.權利要求13的方法，其中所述多個底物包含選自樹皮、玉米穗軸、堅果殼、木材副產物和農作物副產物的植物廢物。15.權利要求或11或12的方法，其中塗布在底物上的所述有機含碳材料包含選自油砂、油頁巖、瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青、油母巖質、煤和農業廢物的有機含碳材料。16.權利要求15的方法，其中塗布在底物上的所述有機含碳材料包括農業廢物。17.權利要求16的方法，其中所述農業廢物選自糞肥、水果廢物、禾稈、發酵廢物和粉碎的植物廢物。18.權利要求15的方法，其中塗布在底物上的所述有機含碳材料包括煤，其中煤具有煙煤或更低變質等級。19.權利要求15的方法，其中塗布在底物上的所述有機含碳材料包括煤，其中煤具有泥炭或更低變質等級。20.權利要求15的方法，其中所述有機含碳材料是由油頁巖製成的濃縮物。21.權利要求ll的方法，進一步包括用不透氣的阻擋層覆蓋堆疊顆粒生物反應器的步驟。22.權利要求21的方法，其中所述不透氣的阻擋層選自粘土阻擋層或塑料阻擋層。23.權利要求ll的方法，其中形成厭氧環境的步驟包括用氬氣、氮氣、二氧化碳、氨氣或氫氣吹掃堆疊顆粒生物反應器。24.權利要求ll的方法，進一步包括用包含一種或多種需氧和/或兼性厭氧的微生物的培養物培植所述堆疊顆粒生物反應器，並在生物反應器內形成厭氧環境之前，在所述生物反應器中需氧發酵有機含碳材料。25.權利要求24的方法，進一步包含在至少部分需氧發酵的期間，通風所述生物反應器。26.權利要求24的方法，其中形成厭氧環境的步驟包括通過需氧發酵降低所述堆疊顆粒生物反應器內的氧濃度。27.權利要求ll的方法，其中所述氣體燃料包括曱烷。28.—種利用堆疊顆粒生物反應器將有機含碳材料生物轉化成為燃料的方法，所述方法包括步驟用團聚助劑團聚包含有機含碳材料的顆粒成為多個粒徑大於或等於約O.3cm的團聚體；用所述團聚體形成堆疊顆粒生物反應器，所述堆疊顆粒生物反應器具有大於或等於約15%的空隙率；在所述堆疊顆粒生物反應器內形成厭氧環境；厭氧生物處理所述堆疊顆粒生物反應器，直至堆疊顆粒生物反應器內所需量的有機含碳材料已經轉化為氣體燃料；並從所述堆疊顆粒生物反應器收集氣體燃料。29.權利要求28的方法，進一步包括隨著合成石油從生物反應器排出，從堆疊顆粒生物反應器收集所述合成石油的步驟。30.權利要求28或29的方法，其中所述顆粒包含選自油砂、碳質巖、地瀝青、橡膠和農業廢物的有機含碳材料。31.權利要求30的方法，其中所述顆粒包含農業廢物，所述農業廢物包括至少一種選自樹皮、玉米穗軸、堅果殼、木材副產物和農作物副產物的植物廢物。32.權利要求31的方法，其中所述顆粒包含碳質巖，所述碳質巖包括煤或油頁巖。33.權利要求32的方法，其中所述碳質巖包括具有煙煤或更低變質等級的煤。34.權利要求32的方法，其中所述碳質巖包括具有泥炭或更低變質等級的煤。35.權利要求28的方法，進一步包括用不透氣的阻擋層覆蓋堆疊顆粒生物反應器的步驟。36.權利要求28的方法，進一步包括用包含一種或多種需氧和/或兼性厭氧的微生物的培養物培植所述堆疊顆粒生物反應器，並在生物反應器內形成厭氧環境之前，在所述生物反應器中需氧發酵有機含碳材料。37.權利要求36的方法，其中形成厭氧環境的步驟包括通過需氧發酵降低所述堆疊顆粒生物反應器內的氧濃度。38.權利要求28的方法，進一步包括用選自瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青和油母巖質的至少一種材料塗布多個所述團聚體。39.—種利用堆疊顆粒生物反應器將有機含碳材料轉化成為燃料的方法，所述方法包括步驟提供粒徑小於約5.Ocm的固體含碳有機材料的顆粒；篩選所述顆粒成為兩個或更多個粒級；形成多個空隙率大於或等於約15。/。的堆疊顆粒生物反應器，每個生物反應器由一個單獨粒級的顆料形成；在所述每個堆疊顆粒生物反應器內形成厭氧環境；厭氧生物處理所述每個堆疊顆粒生物反應器，直至所述堆疊顆粒生物反應器內所需量的有機含碳材料已經轉化為氣體燃料；並從所述每個堆疊顆粒生物反應器收集氣體燃料。40.權利要求39的方法，進一步包括從所述堆疊顆粒生物反應器收集合成石油。41.權利要求39或40的方法，其中所述顆粒包含選自油砂、碳質巖、地瀝青、橡膠和農業廢物的固體有機含碳材料。42.權利要求41的方法，其中所述顆粒包含農業廢物，所述農業廢物包括至少一種選自樹皮、玉米穗軸、堅果殼、木材副產物和農作物副產物的植物廢物。43.權利要求41的方法，其中顆粒包含碳質巖，所述碳質巖包括煤或油頁巖。44.權利要求39的方法，進一步包括用不透氣的阻擋層覆蓋所述每個堆疊顆粒生物反應器的步驟。45.權利要求39的方法，其中形成厭氧環境的步驟包括用氮氣、二氧化碳、氨氣或氫氣吹掃所述堆疊顆粒生物反應器。46.權利要求39的方法，進一步包括用包含一種或多種需氧和/或兼性厭氧的微生物的培養物培植每個堆疊顆粒生物反應器，並在生物反應器內形成厭氧環境之前，在每個生物反應器中需氧發酵有機含碳材料。47.權利要求39的方法，進一步包括將選自瀝青油、廢油、油砂瀝青、焦油、焦油瀝青和油母巖質的至少一種材料加入至至少一個所述堆疊顆粒生物反應器。48.—種用於將可生物降解的含碳材料轉化成為燃料的生物反應器，所述生物反應器包括多個堆疊的顆粒，以形成空隙率大於或等於約15%的堆積，所述顆粒包含可生物降解的含碳材料；用於連通氣體至堆積的裝置；用於連通水溶液至堆積的裝置；用於連通來自堆積的氣體的裝置；用於收集從堆積排出的液體的裝置；覆蓋堆積的不透氣的阻擋層；和堆積內能夠生物降解堆積內可生物降解的含碳材料成為合成燃料的微生物聚生體。全文摘要本發明提供了一種利用堆疊顆粒生物反應器，從可生物降解的含碳材料生產燃料的方法。堆疊顆粒生物反應器由包含可生物降解的含碳材料的顆粒形成。堆疊顆粒生物反應器中可生物降解的含碳材料需氧和/或厭氧地生物轉化為一種或多種合成燃料，其從反應器收集得到。用該方法生產的合成燃料可以包括合成石油、醇和/或包含甲烷的氣體燃料。優選該方法包括需氧的生物處理階段，隨後為厭氧的生物轉化階段。此外公開了用於進行厭氧，和優選需氧降解的堆疊顆粒生物反應器。文檔編號C10G32/00GK101374773SQ200680019917公開日2009年2月25日申請日期2006年3月29日優先權日2005年4月5日發明者W·J·科爾申請人:地理合成燃料有限責任公司