使用胺基酸和生物催化劑捕獲CO₂的製劑和方法

2023-10-17 21:13:39 1

專利名稱：使用胺基酸和生物催化劑捕獲CO2的製劑和方法
技術領域：
本發明總體上涉及(X)2捕獲，並且更特別地涉及使用胺基酸和生物催化劑捕獲CO2 的製劑和方法。
背景技術：
全世界科學界對氣候變化危險的越來越急迫的警告以及對該問題的更多的公眾意識和關心已經促進了對以減少人為溫室氣體(GHGs)排放，最值得注意的是ニ氧化碳為目標的全局調控的増加的動力。最終，北美和全球CO2排放的顯著削減將需要來自全世界 CO2的最大単一來源電カ生產行業的縮減。根據國際能源署(IEA)的GHG計劃，到2006為止，全世界有近5，000家化石燃料發電廠，產生近110億噸CO2,佔全球總人為(X)2排放的近 40%。在來自發電行業的這些排放中，61%來自燃煤發電廠。儘管政府提倡的長期議事日程是用可再生能源代替生產化石燃料，但不斷増加的能量需求結合中短期對火力發電的巨大依賴決定了這種基於化石燃料的發電廠仍然運行。因此，為實現有效的GHG縮減體系將需要減少由此行業產生的CO2排放，而碳捕獲和封存(CCS)提供了最廣為人知的解決方案之一。CCS方法從含(X)2煙氣去除CO2,能夠產生高度濃縮的(X)2氣體流，所述(X)2氣體流被壓縮並被運輸至封存場所。此場所可以是衰竭油田或鹽水層。在海洋中封存和礦物碳酸鹽化是處在研究階段的封存的兩種替代方式。捕獲的(X)2還可以用於提高石油回收。當前用於(X)2捕獲的技術主要基於胺溶液的使用，所述胺溶液通過兩個主要的不同単元循環與解吸(或汽提)塔連接的吸收塔。大規模採用碳捕獲技術的一個極大障礙是捕獲的成本。採用主要基於胺溶劑使用的現有技術的傳統(X)2捕獲是ー個能量密集過程，該過程涉及將溶劑加熱至高溫以汽提 CO2 (並且再生所述溶劑)用於地下封存。傳統的胺溶劑的使用所涉及的與捕獲相關的成本為大約每噸CO2 (IPCC) 60美元，這佔碳捕獲和封存(CCS)的總成本的大約80%，剰餘的20% 歸屬於CO2壓縮、管道鋪設、儲存和監測。到目前為止，捕獲部分的這種巨大成本已經使得大規模CCS變得不可行；基於來自IPCC的數據，例如，對於每年產生400萬公噸(X)2的700 兆瓦(MW)粉煤發電廠，以翻新計傳統(X)2捕獲設備的基建費用為差不多8億美元，且年度營運成本和エ廠能源消耗為近2. 4億美元。就此而言，存在對減小エ藝成本以及開發解決該問題的新的和改進的措施的需求。胺基酸是含有至少ー個氨基和一個羧基的分子。因此，並且與胺的情況一祥，胺基酸可以分成三類伯、仲和叔胺基酸。它們的CO2捕獲和解吸性能也通常可以與胺類相比擬；伯胺基酸對於捕獲在動力學上迅速，並且具有較高的解吸能，而叔胺基酸的捕獲較慢但表現出更有利的解吸能。胺基酸與胺類相比的主要優勢在於它們通常更為穩定，它們是可生物降解的並且無蒸汽壓。然而，動力學快速的胺基酸用於エ業CO2捕獲操作是不穩定的， 而穩定的胺基酸的捕獲十分緩慢。胺基酸以類似於胺類的方式，即，通過形成氨基甲酸鹽和碳酸氫鹽的方式與CO2反應
氨基甲酸鹽形成(伯氨基和仲氨基)
CO2 + l~OOC-R-N H2**-OOC -R-NH- COO ~ + 一 OOC-R-NH^氨基甲酸鹽水解
-OOC-R-NH-COO- + H2O**-OOC -R-NHz + HCO;碳酸氫鹽形成(叔氨基，位阻仲氨基)
CO2 + -OOC -R-NH2+ H2O^iC ο + ~OOC-R-NH す對於無羧基的胺基酸衍生物，如牛磺酸
CO2++K-O3SRNH2。CO2++K O3SRNH 2+COOB++K~03SRNH2+C00~ o BH+++K~O3SRNHCOO~，其中 B 指的是鹼。基於胺基酸的溶液的另ー個特徵是，當(X)2與該化合物反應時，產物可以形成沉澱物。當溶液的載量增加吋，在吸收溶液中固體的存在能夠使化學反應平衡移動，產生恆定的 CO2壓カ。為了利用較慢的胺基酸如叔胺基酸的穩定性、低蒸汽壓、生物可降解性和有利的解吸能，使用具有吸收促進劑的溶液將是有利的。然而，多種促進劑諸如MEA胺將產生較高的解吸能，並且因此在整個(X)2捕獲過程中存在缺點。生物催化劑也已經用於CO2吸收。更具體地，CO2水合可以由酶碳酸酐酶如下催化
碳酸酐酶
CO2 + H2O *---------- H- + HCOl在最適條件下，該反應的催化轉換率可以達到1 χ IO6分子/秒。碳酸酐酶已經用作基於胺的溶液中的吸收促進劑以增加CO2吸收速率。事實上， 已經對傳統捕獲方法即胺溶液與碳酸酐酶的結合給予了特別的關注。除了作為被最廣泛地研究和應用的捕獲方法之外，一直偏好胺溶液用於催化增強的其他原因是它們具有相對低的離子強度，這是被認為對於碳酸酐酶水合活性很重要的特性，因為高離子強度可能對蛋白質的穩定性和功能不利。然而，基於胺的溶液傾向於降解和氧化，不是生物可降解的，並且具有高蒸汽壓。 存在對於以下技術的需求克服這些缺點中的至少ー些，並且提供CO2捕獲領域中的改進。發明ネ既述本發明通過提供使用胺基酸和生物催化劑捕獲CO2的製劑和方法以滿足上面提到的需求。本發明提供了ー種用於從含0)2氣體捕獲CO2的方法，所述方法包括使所述含CO2 氣體與水、生物催化劑和胺基酸化合物接觸，能夠使CO2溶解並轉化為碳酸氫根離子和氫離子，由此產生富離子溶液和貧CO2氣體。本發明還提供了ー種用於從含CO2氣體捕獲CO2的製劑，其包含允許CO2溶解於其中的水；生物催化劑，所述生物催化劑用於增強CO2在水中的溶解並轉化為碳酸氫根和氫離子；水中的胺基酸化合物，所述胺基酸化合物可用於增強由所述生物催化劑催化的0)2轉化以允許CO2的溶解，並且用幹與CO2反應。本發明還提供了用於從含CO2氣體捕獲(X)2的系統。該系統包括吸收單元，所述吸收單元包括用於含(X)2氣體的進氣ロ、用於提供吸收混合物的液體進ロ，所述吸收混合物包含水、生物催化劑和胺基酸化合物，所述吸收混合物能夠使(X)2溶解並轉化為碳酸氫根離子和氫離子，從而產生富離子溶液和貧(X)2氣體。該系統包括用於接收吸收混合物和含CO2氣體的反應室，在所述反應室中發生CO2和向碳酸氫根離子和氫離子的溶解和轉化。該系統任選地包括用於排出貧CO2氣體的出氣口和用於排出富離子混合物的液體出ロ。該系統任選地包括再生単元，所述再生単元用於接收富離子溶液並允許解吸或礦物碳酸鹽化以產生貧離子溶液。可以將貧離子溶液再循環至吸收單元。在一個任選的方面，可以選擇所述胺基酸化合物和所述生物催化劑以使得所述生物催化劑包含受益於質子移除的活性位點，並且所述胺基酸化合物從所述生物催化劑捕獲質子，從而增強(X)2向碳酸氫根離子和氫離子的轉化。在另ー個任選的方面，所述生物催化劑包括金屬酶，優選碳酸酐酶或其類似物。在另ー個任選的方面，所述方法包括通過從所述富離子溶液釋放碳酸氫根離子進行所述富離子溶液的解吸或礦物碳酸鹽化，從而產生CO2流或礦物質以及貧離子溶液。在另ー個任選的方面，所述胺基酸化合物包括至少ー種伯、仲和/或叔胺基酸，其衍生物，其鹽和/或其混合物。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物所述胺基酸化合物包括下列中的至少ー種 甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、組氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、穀氨酸、蛋氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、穀氨醯胺、半胱氨酸、天冬醯胺、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸；牛磺酸、N-環己基-1，3-丙ニ胺、N-仲丁基甘氨酸、N-甲基-N-仲丁基甘氨酸、ニ 乙基甘氨酸、ニ甲基甘氨酸、肌氨酸、甲基牛磺酸、甲基-α-氨基丙酸、Ν-(β-乙氧基)牛磺酸、Ν-(β-氨乙基)牛磺酸、N-甲基丙氨酸、6-氨基己酸；或其鹼金屬鹽；或它們的組合。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物包括甘氨酸的鹼金屬鹽。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物包括L-蛋氨酸的鹼金屬鹽。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物包括牛磺酸的鹼金屬鹽。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物包括N，N-ニ甲基甘氨酸的鹼金屬鹽。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物包括脯氨酸的鹼金屬鹽。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物是非揮發性的。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物不包含側鏈醇基。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物具有促進氫鍵穩定性的親水-疏水性質。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物是胺基酸的鈉鹽或鉀鹽，選擇所述鹽和所述胺基酸以促進沉澱物的沉澱。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物以約0. IM至約6Μ的濃度提供。在另ー個任選的方面，按以下方式提供生物催化劑游離於水中；溶解於水中；固定化在混合於水中井隨水流動的載體的表面上；固定化在載體的表面上，所述載體固定在吸收反應器內；由混合於水中的多孔載體包埋或固定化，或包埋或固定化在混合於水中的多孔載體中；由固定在吸收反應器內的多孔載體包埋或固定化，或包埋或固定化在多孔載體中，所述多孔載體固定在吸收反應器內；作為交聯的酶聚集體(CLEA)；和/或交聯的酶晶體(CLEC)；或它們的組合。
在另ー個任選的方面，生物催化劑被由水攜帯的微粒負載。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物具有約8至約12. 5的pKa。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物具有約9以上的pKa。在另ー個任選的方面，胺基酸化合物是叔胺基酸或其衍生物。胺基酸也可以是表現出緩慢吸收動力學但具有増加的穩定性的其他胺基酸。附圖簡述

圖1是本發明的實施方案的エ藝圖，其中生物催化粒子或酶在吸收溶液中流動。圖2是本發明的另ー實施方案的エ藝圖，其中吸收單元與解吸單元連接，並且生物催化粒子在吸收溶液中流動。圖3是500mg/L(人碳酸酐酶II型)HCAII在濃度為0. 1,0. 25和0. 5M的甘氨酸鉀溶液中的相對(X)2轉移速率的圖。圖4是500mg/L HCAII在濃度為0. 1,0. 25和0. 5M的牛磺酸鉀溶液中的相對CO2
轉移速率的圖。圖5是500mg/L HCAII在濃度為0. 1,0. 25和0. 5M的N，N- ニ甲基甘氨酸的鉀鹽溶液中的相對(X)2轉移速率的圖。圖6是顯示在20°C的溫度，在酶濃度為0. 5g/L的甘氨酸鉀溶液中，酶對CO2轉移速率的影響的圖。圖7是顯示在40°C暴露於MDEA 2M的酶微粒的殘餘活性的圖，以說明穩定性效果。本發明的優選實施方案的描述圖1和2分別顯示本發明的方法和系統的兩個不同的實施方案。應該理解的是可以將本發明的製劑的實施方案與所述方法和系統結合使用。在本發明的ー個方面，該製劑包含允許溶解(X)2的水，用於催化(X)2轉化為碳酸氫根和氫離子的生物催化劑如碳酸酐酶，以及胺基酸化合物，所述胺基酸化合物用幹與(X)2反應以形成碳酸氫根離子，並且在一些情況下形成氨基甲酸根離子，以允許(X)2溶解，並且用於增強由所述生物催化劑催化的(X)2的轉化。這三種組分可以作為預混的溶液提供或在CO2 捕獲操作的過程中現場混合。(X)2捕獲方法的吸收步驟在胺基酸化合物的存在下由於生物催化劑的催化能力而提高。這種提高有助於改進如下所述的整個(X)2捕獲過程。考慮生物催化劑如金屬酶(例如碳酸酐酶)的情況，這種生物催化劑受益於鹼以促進從各個活性位點捕獲H+，從而使其能夠快速地與(X)2分子反應。如果在水中僅使用酶， 則CO2吸收的發生十分緩慢，因為未能將H+快速地轉化並被捕獲。另ー方面，如果在水中僅使用胺基酸，則吸收將僅比在水中更快，但通常比伯胺如MEA慢，導致了ー些不足，如更大的吸收器容器。然而，通過將這種金屬酶和穩定的但動力學較慢的胺基酸組合，獲得了提高的效果從而改善了 CO2捕獲方法。例如，胺基酸可以迅速地吸收CO2,並且還經由胺基酸的至少ー個氨基從金屬酶的活性位點捕獲H+離子，從而允許酶以加速的方式催化(X)2的水合反應。與傳統的胺類相比，這種有益的組合帶來較小的吸收設備和較低的解吸能量要求， 同時使用了在穩定性和生物降解方面更有益的溶剤。例如，DECAB方法的數據顯示，在能量上，6M胺基酸鹽溶液需要2. 3GJ/噸CO2,相比MEA方法為4. 2GJ/噸CO2。在本發明的一個優選方面，本發明中使用的胺基酸比傳統胺類的揮發性小。胺基酸的低揮發性產生多種改迸，如避免蒸發損失，減少了所需的溶液補充，並且減少了氣相中溶液的部分，同時有效地増加了(X)2的分壓，從而增加了質量傳遞和吸收。在本發明的另ー個優選方面，本發明中使用的胺基酸不太受降解的影響，並且因此比傳統的胺類更穩定。例如，當含(X)2氣體含有其他氣體如可以加重傳統胺類的降解的氧時，胺基酸減輕了降解。在本發明的另一個優選方面，CO2捕獲方法在鹼性PH水平範圍內進行，從而使得胺基酸是中性的或帶負電荷的。在特定的鹼性PH條件下，酸根缺少質子，並且氨基可以是中性的或帶正電的。胺基酸的淨電荷性質可以促進金屬酶的特定質子捕獲機制。在本發明的另ー個優選方面，選擇胺基酸以使得它們不含有傾向於破壞氫鍵的官能團。例如，胺基酸可以不包含側鏈醇基，所述側鏈醇基傾向於破壞酶中的氫鍵並使其變性。傳統的胺類如MEA具有醇基，其可以破壞蛋白質結構。在許多胺基酸組合中，氫鍵出現在ニ級蛋白質結構中的醯胺基團之間，以及三級蛋白質結構中的「側鏈」之間，這兩種情況都會被另ー種醇的加入而破壞。在本發明的又ー優選方面，選擇胺基酸以具有「中間的(in between)」親水-疏水性質。此類胺基酸的側鏈傾向於避免破壞酶中的氫鍵。胺基酸化合物還可以從非極性胺基酸中選擇，其可以是疏水的、親水的或中間的，和/或具有鹼性R基團的胺基酸。在本發明的多個實施方案中，根據胺基酸的水溶性、R基團、酸類型和鹽選擇胺基酸。應該理解的是本發明的胺基酸可以包括氨基磺酸和它們的鹽，例如，牛磺酸的鉀鹽。還應該理解的是「胺基酸化合物」包括其衍生物和變體。還應該理解的是每種「胺基酸化合物」可以是單ー類型的胺基酸，不同胺基酸或其衍生物或其變體的混合物，或包含至少兩個相同或不同的胺基酸的化合物，即多肽。在本發明的一個實施方案中，胺基酸化合物的類型和加入量足以促進吸收期間氨基物種的沉澱。可以控制エ藝參數以進一歩促進這樣的沉澱。可以選擇胺基酸化合物使得通過視情況而定使沉澱物懸浮在反應溶液中、被泵送、沉降等，從而具有使其在整個過程中易於處理的特性。該沉澱物可以是富離子溶液的一部分，所述富離子溶液被傳送用於解吸或単獨處理以轉化為CO2氣體。所述沉澱物可以是碳酸氫鹽物種，如KHCO3，胺基酸(就脯氨酸、肌氨酸和β-丙氨酸而言)的碳酸氫鹽或胺基酸自身(就牛磺酸而言)，並且可以根據需要選擇所述胺基酸鹽以允許這些物種的沉澱。在本發明的一個實施方案中，生物催化劑包括增強用於(X)2捕獲的吸收溶液性能的碳酸酐酶。可以將所述碳酸酐酶直接作為製劑的一部分提供，也可以在反應器中提供以與所引入的溶液和氣體反應。應該注意到以游離狀態使用的酶可以為純的形式，也可以在包含雜質或添加劑如其他蛋白、鹽類和來自於酶生產過程的其他分子的混合物中。可以將所述酶固定至固體非多孔填料，固定在多孔填料之上或之中，固定在隨吸收溶液在填料塔或其他類型的反應器內流動的粒子之上或之中。所述碳酸酐酶還可以以游離狀態處於製劑中或固定化在所述製劑內的粒子上。在吸收溶液中自由流動的固定化酶可以被包埋在多孔塗層材料內或被固定至多孔塗層材料，所述多孔塗層材料在多孔的或非多孔的載體周圍提供。所述酶可以直接固定化在載體(多孔或非多孔的)的表面上，也可以作為「交聯酶聚集體」(CLEA)或「交聯酶晶體」(CLEC)存在。CLEA包含形成聚集體的沉澱的酶分子，隨後將所述聚集體通過使用化學試劑交聯。CLEA可以具有或不具有由另ー種材料製成的「載體」或 「芯」，所述另ー種材料可以是也可以不是磁性的。CLEC包含使用化學試劑交聯的酶晶體，並且還可以與由另ー種材料製成的「載體」或「核心」締合。當使用固體載體吋，其可以由聚合物、陶瓷、ー種或多種金屬、ニ氧化矽、溶膠凝膠、纖維素、殼聚糖、磁性粒子和/或本領域中已知的適合於固定化或酶載體的其他材料。當所述酶被固定化或設置在粒子(如微粒) 上吋，優選將粒子製成一定尺寸並且以可隨吸收溶液一起泵送的粒子濃度提供。也可以將生物催化劑同時固定在反應器內(例如，在填料上)以及隨製劑流動(作為游離的酶，在粒子上和/或作為CLEA或CLEC)而提供，並且它們可以是相同或不同的生物催化劑。可以使用依賴於以下因素的手段提供生物催化劑胺基酸化合物的濃度和類型、 エ藝操作參數和其他因素。例如，當提供高濃度的胺基酸化合物吋，可以將酶固定化在載體上以減少胺基酸化合物造成失活的可能性，所述失活取決於使用哪ー種胺基酸化合物。可以將它們固定化在多孔或非多孔的載體上，所述載體可以是安裝在吸收單元內的填充物或隨溶液流動的粒子。在一些實施方案中，可以將生物催化劑有益地固定化在微孔結構中，從而允許(X)2進入，同時保護其免受高濃度胺基酸化合物的影響。製劑中使用的胺基酸化合物可以包括伯、仲或叔胺基酸。所述胺基酸化合物可以更具體地包括甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、組氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、穀氨酸、蛋氨酸、絲氨酸、 蘇氨酸、穀氨醯胺、半胱氨酸、天冬醯胺、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸，以及它們的衍生物諸如牛磺酸、N-環己基-1，3-丙ニ胺、N-仲丁基甘氨酸、N-甲基-N-仲丁基甘氨酸、ニ乙基甘氨酸、ニ甲基甘氨酸、肌氨酸、甲基牛磺酸、甲基-α -氨基丙酸、N- ( β -乙氧基)牛磺酸、N- ( β -氨乙基)牛磺酸、N-甲基丙氨酸、6-氨基己酸等，以及它們的鹽。胺基酸可以具有約8至約12. 5的pKa。所測試的胺的pKa在7. 7至9. 75的範圍內。所述胺基酸化合物可以優選是穩定的但「緩慢」的胺基酸，如叔胺基酸及其衍生物。例如，所述胺基酸可以是ニ乙基甘氨酸或ニ甲基甘氨酸或另ー種叔胺基酸。碳酸酐酶如下提高胺基酸吸收溶液的性能通過與溶解的(X)2反應，從而維持氣相與液相之間的最大(X)2濃度梯度，然後使從氣相至吸收溶液的(X)2轉移速率最大化。胺基酸化合物還可以實現碳酸氫鹽物種的沉澱或氫離子的緩衝從而進一歩提高氣相與液相之間的CO2濃度梯度，並且從而進ー步提高(X)2轉移速率。胺基酸的使用還通過改善(X)2的解吸從而改進整個(X)2捕獲方法。使用胺基酸解吸所需的能量消耗顯著小於傳統胺類(如一乙醇胺(MEA) 5M參比)通常所需的能量消耗。 因此，生物催化劑和胺基酸的相互活化提高了吸收，並且胺基酸進ー步實現了較低的解吸能量需求。在一個實例中，6M胺基酸溶液的解吸能量消耗為2. 3GJ/噸(X)2 (DECAB法)，而傳統的胺MEA 5M參比為4. 2GJ/噸CO2，這表現了顯著的改進。另外，如果酶對解吸條件穩定， 則其可以有助於加速(X)2解吸，於是對設備的尺寸和進行(X)2解吸的能量需求具有影響。下面是本發明的一些實施方案的一些益處、改進和/或特徵-賦予吸收溶液提高的CO2吸收速率。-將碳酸酐酶引入至特定的胺基酸溶液中使吸收速率増加至與現有的基於胺或胺基酸的方法相比更有益的水平。-與傳統的胺溶液和酶增強的胺溶液相比，通過組合胺基酸和碳酸酐酶的反應性對ω2吸收速率的綜合增加，以使不揮發的、可生物降解的但動力學受阻的胺基酸能夠與整體能量需求的減少相結合，提供了有益的整體CO2捕獲方法。這是將此種技術用於其在燃燒後CO2捕獲中的エ業應用的主要步驟。方法和系統的ー個實施方案顯示在圖1中，並且在後面進ー步詳述。為了利用在吸收溶液中流動的生物催化劑(游離的或固定化於在吸收溶液中流動的粒子之上/之中或作為CLEA)用於氣體洗滌，並且尤其是用於從含(X)2流出物中移除CO2，ー個エ藝實施方案配置顯示在圖1中。首先，生物催化粒子在混合室(E-4)中懸浮在貧吸收溶液中。所述生物催化粒子具有能夠使其在填充塔的填充物上、通過填充物和/或填充物周圍流動而不會發生阻塞的尺寸。貧吸收溶液是指以低濃度的待吸收物種為特徵的吸收溶液。此溶液是新鮮溶液或來自CO2解吸過程(1)。然後將帶有生物催化粒子的吸收溶液(11)給料至帶有泵 (E-7)的填充塔(E-I)的頂部。填料(9)可以由傳統材料如聚合物、金屬和陶瓷製成。填充物的幾何形狀可以選自可商購的那些形狀。填充物優選地選擇為具有促進吸收溶液中存在的小粒子的流動的幾何形狀或填充結構。填充物的實例為鮑爾環(Pall ring)、拉西環 (Raschig ring) ,Flexipak.Intalox,Mellapak Plus 等。含 CO2 氣體(12)逆流地給料至填充塔(E-I)並且在填料(9)上，通過填料(9)和/或在填料(9)周圍從塔的底部流動至頂部。吸收溶液和生物催化粒子在填料(9)上，通過填料(9)和/或在填料(9)周圍從塔的頂部流動至底部。隨著吸收溶液和生物催化粒子在填充物上、通過填充物和/或在填充物周圍流動，吸收溶液變得越來越富含被吸收的化合物，在此例中為C02。在氣-液界面附近存在的生物催化粒子通過立即與(X)2反應以產生碳酸氫根離子和質子並且因此使跨氣-液界面的(X)2濃度梯度最大化，從而增強(X)2吸收。在離開塔吋，富吸收溶液和生物催化粒子 (13)被泵送(E-5)至粒子分離單元(E-3)。富吸收溶液是指以被吸收的化合物的濃度高於貧溶液中的濃度為特徵的吸收溶液。分離單元可以包括過濾單元、離心機、旋風分離器、磁 カ分離器、沉降池，以及已知用於粒子或固體分離的任何其他単元或設備。之後將不含粒子的吸收溶液(15)泵送(E-9)至另ー個単元，所述另ー個單元可以是CO2解吸單元(10)。將生物催化粒子(16)泵送(E-6)至混合室(E-4)，在混合室中它們與貧CO2吸收溶液混合。混合室可以配備有葉輪或其他単元，所述其他単元的功能是保證生物催化粒子懸浮在吸收溶液中，之後將上述吸收溶液再次泵送(E-7)至吸收塔(E-I)。在一個實施方案中，吸收可以在40-70°C操作，且解吸在80-150°C操作。在一個實施方案中，如圖2中進ー步詳述的那樣，吸收單元與解吸單元連接。在該實施方案中，富含CO2不含生物催化微粒的吸收溶液(15)通過熱交換器(E-10)泵送(E-9)， 在所述熱交換器中其被加熱，並且之後傳送至解吸塔(E-11)。在解吸単元中，將該溶液進一歩加熱，以使得將(X)2以氣態從溶液中釋放。由於在解吸期間使用相對高的溫度，水也被蒸發。部分吸收溶液(18)被引向再沸器(E-12)，在此將其加熱至能夠使CO2解吸的溫度。將氣態(X)2以及水蒸氣冷卻，水凝結並被給料返回至解吸単元(19)。之後將乾燥的氣態CO2 00)引向壓縮和運輸エ序用於進一歩加工。之後將含有較少CO2的被稱為貧吸收溶液(17)的液相泵送(E-14)至熱交換器(E-10)以將其冷卻，並給料至混合室(E-4)。貧吸收溶液(17)的溫度應當足夠低以致不會使酶變性。在一個實施方案中，除了胺基酸化合物以外，還可以在吸收溶液中使用碳酸鹽和/ 或胺。所述碳酸鹽化合物可以是碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸銨、活化的(promoted)碳酸鉀溶液和活化的碳酸鈉溶液，並且多個益處之中的ー個是這種化合物可以實現所需的解吸能的下降和/或其他物種的沉澱以加速吸收。在組合胺基酸、碳酸鹽和生物催化劑的這個實施方案中，可以進ー步提高本發明的製劑、方法和系統的性能。在一個優選實施方案中，胺基酸促進劑與固定化在填充塔吸收反應器中的填充物上的生物催化劑結合使用。在酶在吸收溶液中自由流動且對解吸操作條件穩定的情況下，該方法可以與圖1 中顯示的方法稍有不同。對於這種情況，単元E-3、E-6和E-9可以不存在，因為它們是用於生物催化粒子在吸收溶液中的方法中所需要的。在該方法中可以使用単元E-4引入新的酶。可以將牛磺酸的鉀鹽(2-氨基乙磺酸鉀鹽)的吸收水溶液與碳酸酐酶組合使用以增強其(X)2吸收性能。該酶可以以上面所述的任ー種方式，以游離的或固定化的形式使用。 例如，固定化酶可以由附著至載體(多孔的或非多孔的)表面上的酶分子組成，或由包埋在多孔粒子基體內部的酶分子組成，或由交聯的酶聚集體(CLEA)組成。載體可以由塔填充物或小粒子如珠粒組成。在粒子的情況下，可以選擇其尺寸以便可以將它們在牛磺酸鉀鹽溶液中懸浮並泵送。酶的作用是快速地與溶解的CO2反應並從而使跨吸收溶液和包含CO2的氣相的CO2濃度梯度最大化。使用此胺基酸化合物和酶的性能増加可能依賴於使用酶的方式。 由於酶的作用是使跨氣-液界面的CO2濃度梯度最大化，因此酶越靠近界面，並且酶在溶液中的分布越均勻，則酶作為加速劑的效果越好。牛磺酸鉀鹽與游離酶的的吸收性能最大，其優於在粒子之上/之中的酶的性能，後者相當於CLEA或CLEC，CLEA或CLEC又優於塔填充物上的酶，塔填充物上的酶優於無酶的情況。胺基酸吸收製劑可以包含甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、組氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、穀氨酸、蛋氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、穀氨醯胺、半胱氨酸、天冬醯胺、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸，以及衍生物如牛磺酸、N-環己基-1，3-丙ニ胺、N-仲丁基甘氨酸、N-甲基-N-仲丁基甘氨酸、ニ乙基甘氨酸、ニ甲基甘氨酸、肌氨酸、甲基牛磺酸、甲基-α -氨基丙酸、N- ( β -乙氧基)牛磺酸、 Ν-(β-氨乙基)牛磺酸、N-甲基丙氨酸、6-氨基己酸等，以及它們的鹽。在一個實施方案中，作為(X)2吸收以及與此吸收溶液和與酶的反應的結果，含有酶 (游離的或粒子)的吸收溶液形成固體沉澱物。將固體沉澱物從富吸收溶液中移除，然後給料至解吸単元。移除方法包括過濾、沉降、離心等。將貧吸收溶液(不含固體沉澱物)再循環回吸收單元。在此過程中，游離酶將不會暴露於解吸過程(或暴露僅非常小的一部分)。 在酶存在於粒子之上/之中的情況下，如果酶對解吸條件穩定，則可以將粒子與固體沉澱物一起給料至解吸過程。在酶對解吸條件不穩定的情況下，不得不將該粒子與固體沉澱物分離並保留在貧溶液中。
實施例下面的實施例給出了活化帶有碳酸酐酶的吸收溶液的不同方式，並且總體上對本發明的實施方案進行了闡述。實施例1在吸收填充塔中進行實驗。吸收溶液是牛磺酸鉀(1，5Μ)的水溶液。該吸收溶液與(X)2濃度為130，OOOppm的氣相逆流接觸。液體流速為0. 65g/分鐘，並且氣體流速為 65g/分鐘，對應的L/G為10(g/g)。氣體和吸收溶液處在室溫。將吸收塔的操作壓カ設置為1.4psig。塔的直徑為7. 5cm，並且高度為50cm。填料為0. 25英寸的聚合拉西環。進行兩個測試第一個不帶生物催化劑，第二個帶有固定化至填充物載體的碳酸酐酶。所獲得的結果顯示採用固定化於拉西環的表面上的碳酸酐酶，CO2轉移速率或CO2 移除速率從83増加至117mmol CO2/分鐘。這些結果清楚地證明在填充塔中添加酶的正面影響。實施例2在攪拌池中以500mg/L的酶濃度在濃度為0. 1、0. 25和0. 5M的甘氨酸鉀(或甘氨酸的鉀鹽)溶液中並且在20°C的溫度進行測試。所使用的酶為人碳酸酐酶II (HCAII)。初始CO2載量為Omol/mol。該攪拌池含有吸收溶液(以及酶，當需要時)。將純CO2的連續流吹掃至攪拌池中的液相上方，並且監控溶液的PH變化。將pH的變化與無機碳濃度的變化相關聯，其用於計算CO2轉移速率。在帶有酶和不帶有酶的條件下進行測試從而能夠確定酶的效果。結果表示為在帶有酶時的CO2轉移速率與不存在酶時的CO2轉移速率的比例(參見圖3)。結果清晰地表明對於對K2CO3溶液的所有測試，酶均帶來了明顯的益處。在40°C的溫度使用0. 5M甘氨酸鉀溶液中的500mg/L HCAII進行追加測試。結果表明酶的影響與在20°C觀察到的影響保持相同。實施例3在攪拌池中以500mg/L的酶濃度在濃度為0. 1和0. 25M的蛋氨酸鉀溶液(L_蛋氨酸的鉀鹽)中並且在20°C的溫度進行測試。所使用的酶為人碳酸酐酶II (HCAII)。初始 CO2載量為Omol/mol。該攪拌池含有吸收溶液(以及酶，當需要時)。將純CO2的連續流吹掃至攪拌池中的液相上方，並且監控溶液的PH變化。將pH的變化與無機碳濃度的變化相關聯，其用於計算(X)2轉移速率。在帶有酶和不帶有酶的條件下進行測試從而能夠確定酶的效果。結果表示為在帶有酶時的CO2轉移速率與不存在酶時的CO2轉移速率的比例(參見表1)。結果清晰地表明對於採用蛋氨酸鉀溶液的所有測試，酶均帶來了明顯的益處。表1 在25°C採用500mg/L的酶濃度在蛋氨酸鉀溶液中觀察到的相對CO2轉移速 ゴ、.
權利要求
1.ー種用於從含CO2氣體捕獲(X)2的方法，所述方法包括使所述含0)2氣體與水、生物催化劑和胺基酸化合物接觸，使(X)2能夠溶解並轉化為碳酸氫根離子和氫離子，從而產生富離子溶液和貧CO2氣體。
2.權利要求1所述的方法，其中選擇所述胺基酸化合物和所述生物催化劑，以使得所述生物催化劑包含受益於質子移除的活性位點，並且所述胺基酸化合物從所述生物催化劑捕獲質子以增強CO2向碳酸氫根離子和氫離子的轉化。
3.權利要求1或2所述的方法，其中所述生物催化劑包括金屬酶。
4.權利要求1至3中的任一項所述的方法，其中所述生物催化劑包括碳酸酐酶或其類似物。
5.權利要求1至4中的任一項所述的方法，所述方法包括通過從所述富離子溶液釋放碳酸氫根離子進行所述富離子溶液的解吸或礦物碳酸鹽化以產生(X)2流或礦物質以及貧離子溶液。
6.權利要求1至5中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物包括至少ー種伯、仲和/或叔胺基酸，其衍生物，其鹽和/或其混合物。
7.權利要求1至6中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物包括下列中的至少ー種甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、組氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、穀氨酸、蛋氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、穀氨醯胺、半胱氨酸、天冬醯胺、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸；牛磺酸、N-環己基-1，3-丙ニ胺、N-仲丁基甘氨酸、N-甲基-N-仲丁基甘氨酸、ニ乙基甘氨酸、ニ甲基甘氨酸、肌氨酸、甲基牛磺酸、甲基-α -氨基丙酸、Ν_( β -乙氧基)牛磺酸、Ν-(β-氨乙基)牛磺酸、N-甲基丙氨酸、6-氨基己酸；或它們的鹼金屬鹽；或它們的組合。
8.權利要求1至6中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物包括甘氨酸的鹼金
9.權利要求1至6中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物包括L-蛋氨酸的鹼J>E/|Mj ΠΤΤ. ο
10.權利要求1至6中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物包括牛磺酸的鹼金j^J ΠΤΤ. O
11.權利要求1至6中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物包括N，N-ニ甲基甘氨酸的鹼金屬鹽。
12.權利要求1至6中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物包括脯氨酸的鹼金j^J ΠΤΓ. O
13.權利要求1至12中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物是非揮發性的。
14.權利要求1至13中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物不包含側鏈醇基。
15.權利要求1至14中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物具有促進氫鍵穩定性的親水-疏水性質。
16.權利要求1至15中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物是胺基酸的鹽，選擇所述鹽和所述胺基酸以促進沉澱物的沉澱。
17.權利要求1至16中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物以約0.IM至約 6M的濃度提供。
18.權利要求1至17中的任一項所述的方法，其中按以下方式提供所述生物催化劑 游離於水中；溶解於水中；固定化在混合於水中井隨水流動的載體的表面上；固定化在載體的表面上，所述載體固定在吸收反應器內；由混合於水中的多孔載體包埋或固定化，或包埋或固定化在混合於水中的多孔載體中；由固定在吸收反應器內的多孔載體包埋或固定化，或包埋或固定化在多孔載體中，所述多孔載體固定在吸收反應器內；作為交聯的酶聚集體(CLEA)；和/或作為交聯的酶晶體(CLEC)；或它們的組合。
19.權利要求1至18中的任一項所述的方法，其中所述生物催化劑通過由水攜帯的微粒負載。
20.權利要求1至19中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物具有約8至約 12. 5 的 pKa。
21.權利要求1至20中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物具有高於約9的pKa。
22.權利要求1至21中的任一項所述的方法，其中所述胺基酸化合物是叔胺基酸或其衍生物。
23.ー種用於從含(X)2氣體捕獲(X)2的製劑，所述製劑包含 水，所述水使(X)2溶解於其中；生物催化劑，所述生物催化劑用於增強CO2在水中向碳酸氫根和氫離子的溶解和轉化；水中的胺基酸化合物，所述胺基酸化合物可用於增強由所述生物催化劑催化的(X)2轉化。
24.權利要求23所述的製劑，其中選擇所述胺基酸化合物和所述生物催化劑，以使得所述生物催化劑包含受益於質子移除的活性位點，並且所述胺基酸化合物從所述生物催化劑捕獲質子以增強(X)2向碳酸氫根離子和氫離子的轉化。
25.權利要求23或M所述的製劑，其中所述生物催化劑包括金屬酶。
26.權利要求23至25中的任一項所述的製劑，其中所述生物催化劑包括碳酸酐酶或其類似物。
27.權利要求23至沈中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物包括至少ー種伯、仲和/或叔胺基酸，其衍生物，其鹽和/或其混合物。
28.權利要求23至27中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物包括下列中的至少ー種甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、組氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、穀氨酸、蛋氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、穀氨醯胺、半胱氨酸、天冬醯胺、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸；牛磺酸、N-環己基-1，3-丙ニ胺、N-仲丁基甘氨酸、N-甲基-N-仲丁基甘氨酸、ニ乙基甘氨酸、ニ甲基甘氨酸、肌氨酸、甲基牛磺酸、甲基-α -氨基丙酸、Ν_( β -乙氧基)牛磺酸、Ν-(β-氨乙基)牛磺酸、N-甲基丙氨酸、6-氨基己酸；它們的鹼金屬鹽；或它們的組合。
29.權利要求23至27中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物包括甘氨酸的鹼金屬鹽
30.權利要求23至27中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物包括L-蛋氨酸的鹼金屬鹽。
31.權利要求23至27中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物包括牛磺酸的鹼
32.權利要求23至27中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物包括N，N-ニ甲基甘氨酸的鹼金屬鹽。
33.權利要求23至27中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物包括脯氨酸的鹼
34.權利要求23至33中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物是非揮發性的。
35.權利要求23至34中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物不包含側鏈醇基。
36.權利要求23至35中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物具有促進氫鍵穩定性的親水-疏水性質。
37.權利要求23至36中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物是胺基酸的鈉鹽或鉀鹽，選擇所述鹽和所述胺基酸以促進沉澱物的沉澱。
38.權利要求23至37中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物以約0.IM至約 6Μ的濃度提供。
39.權利要求23至38中的任一項所述的製劑，其中按以下方式提供所述生物催化劑活化劑游離於水中；溶解於水中；固定化在混合於水中井隨水流動的載體的表面上；由混合於水中並可隨水流動的多孔載體包埋或固定化，或包埋或固定化在混合於水中並可隨水流動的多孔載體中；作為交聯的聚集體或晶體；或它們的組合。
40.權利要求20至39中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物具有約8至約 12. 5 的 pKa。
41.權利要求20至40中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物具有高於約9的pKa0
42.權利要求20至41中的任一項所述的製劑，其中所述胺基酸化合物是叔胺基酸或其衍生物。
全文摘要
本發明提供用於捕獲CO2的製劑和方法，其中含CO2氣體與水、生物催化劑和胺基酸化合物接觸，能夠使CO2溶解並轉化為碳酸氫根離子和氫離子，產生富離子溶液和貧CO2氣體。胺基酸可以表現出緩慢的吸收動力學並且具有增加的穩定性，使得在與生物催化劑的組合的情況下吸收得到提高。可以選擇胺基酸化合物和生物催化劑，以使得生物催化劑的活性位點受益於由所述胺基酸化合物所促進的質子移除，從而提高CO2吸收。
文檔編號B01D53/86GK102548644SQ201080044392
公開日2012年7月4日 申請日期2010年8月4日 優先權日2009年8月4日
發明者喬納森·卡利, 奧利維拉·切佩爾科維奇, 朱莉·金格拉斯, 格倫·R·凱利, 西爾維·弗拉代特 申請人:二氧化碳處理公司