改進(jìn)的發(fā)酵中碳捕捉的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)包括醇類和/或酸類的一種或多種產(chǎn)品的方法，該方法包括：i.接收來自工業(yè)工藝的含有CO的氣流；ii.將氣流送入含有在液體營養(yǎng)基質(zhì)中的一種或多種一氧化碳營養(yǎng)菌的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中；和iii.將所述生物反應(yīng)器中的所述培養(yǎng)物發(fā)酵以生成包括醇類和/或酸類的一種或多種產(chǎn)品，其中所述含有CO的氣流來源于甲烷或天然氣的氣化或由烴的蒸汽轉(zhuǎn)化得到。
【專利說明】改進(jìn)的發(fā)酵中碳捕捉
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在包括微生物發(fā)酵的工藝中提高總碳捕捉和/或提高總效率的系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明涉及在包括物質(zhì)微生物發(fā)酵的工藝中提高碳捕捉和/或提高效率的方法，所述物質(zhì)包含源于工業(yè)來源的CO。
【背景技術(shù)】
[0002]乙醇正迅速成為全球主要的富氫液體運(yùn)輸燃料。2005年，全球乙醇消費(fèi)量約為122億加侖。因為歐洲、日本、美國和多個發(fā)展中國家對乙醇的需求增長，預(yù)計乙醇燃料工業(yè)的全球市場在未來會繼續(xù)急劇增長。
[0003]例如，在美國，乙醇被用于生產(chǎn)ElO (含有10%乙醇的汽油混合物)。在ElO混合物中，乙醇成分作為補(bǔ)氧劑(oxygenating agent),以提高燃燒效率并降低空氣污染物的產(chǎn)生。在巴西，乙醇作為汽油中混合的補(bǔ)氧劑以及單獨(dú)作為純?nèi)剂蠞M足了約30%的運(yùn)輸燃料需求。此外，在歐洲，對溫室氣體(GHG)排放后果的環(huán)境方面的關(guān)注已促使歐盟(EU)對其成員國制訂了消費(fèi)可持續(xù)運(yùn)輸燃料例如生物乙醇的強(qiáng)制性目標(biāo)。
[0004]絕大多數(shù)燃料乙醇通過傳統(tǒng)的基于酵母的發(fā)酵工藝生產(chǎn)，所述工藝使用作物來源的碳水化合物(例如甘蔗中提取的蔗糖或谷物中提取的淀粉)作為主要碳源。然而，這些碳水化合物原料的成本受其作為人類糧食或動物飼料的價格影響，并且種植產(chǎn)淀粉或產(chǎn)蔗糖作物用于生產(chǎn)乙醇并非在所有地域都是經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)的。因此，需要開發(fā)將低成本和/或更充足碳源轉(zhuǎn)化成燃料乙醇的技術(shù)。
[0005]CO是有機(jī)材料(例如煤炭或石油和石油衍生產(chǎn)品)不完全燃燒時產(chǎn)生的主要的、免費(fèi)的、富含能量的副產(chǎn)品。例如，據(jù)報道澳大利亞鋼鐵工業(yè)每年產(chǎn)生并向空氣中釋放超過500，000 噸 CO。
[0006]催化工藝可用于將主要由CO和/或CO和氫氣(H2)組成的氣體轉(zhuǎn)化為多種燃料和化學(xué)品。也可以用微生物將這些氣體轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品。這些生物工藝雖然通常比化學(xué)反應(yīng)慢，但與催化工藝相比具有多種優(yōu)勢，包括更高的特異性、更高的產(chǎn)量、更低的能量消耗和更大的耐毒性。
[0007]微生物以CO作為唯一碳源生長的能力于1903年首次發(fā)現(xiàn)。這后來被確定為采用自養(yǎng)生長的乙酰輔酶A (乙酰CoA)生化路徑(也稱為Woods-Ljungdahl路徑和一氧化碳脫氫酶/乙酰輔酶A合成酶(C0DH/ACS)路徑)的生物的一種特性。已經(jīng)表明，很多厭氧生物，包括一氧化碳營養(yǎng)生物、光合作用生物、產(chǎn)甲烷生物和產(chǎn)乙酸生物，均將CO代謝成多種最終產(chǎn)物，即C02、H2、甲烷、正丁醇、乙酸鹽和乙醇。當(dāng)使用CO作為唯一碳源時，所有此類生物產(chǎn)生至少兩種此類最終產(chǎn)物。
[0008]已證實厭氧細(xì)菌(例如梭菌屬的細(xì)菌)通過乙酰Cok生化路徑從C0、C02、和H2生成乙醇。例如，從氣體生成乙醇的Clostridium Ijungdahlii的多個菌株在W000/68407、EP117309、美國專利 5， 173，429,5, 593，886 和 6，368，819、W098/00558 和 W002/08438中有描述。也已知細(xì)菌菌種Clostridium autoethanogenum從氣體生成乙醇(Abrini等，Archives of Microbiologyl61,第 345-351 頁(1994))。
[0009]然而，微生物通過氣體發(fā)酵生成乙醇通常伴隨生成乙酸鹽和/或乙酸副產(chǎn)品。由于部分可用的碳被轉(zhuǎn)化為乙酸鹽/乙酸而不是乙醇，使用此類發(fā)酵工藝生產(chǎn)乙醇的效率可能低于期望值。并且，除非乙酸鹽/乙酸副產(chǎn)品能用于一些其它目的，其可能形成廢物處理問題。乙酸鹽/乙酸通過微生物轉(zhuǎn)化為甲烷并因此可能增加GHG排放。
[0010]在H2存在下CO的微生物發(fā)酵能使碳基本完全轉(zhuǎn)化為醇。然而，當(dāng)缺乏足夠的H2時，部分CO被轉(zhuǎn)化為醇，但很大一部分被轉(zhuǎn)化為CO2，如下述方程式中所示:
[0011 ] 6C0+3H20 — C2H50H+4C02
[0012]12H2+4C02 — 2C2H50H+6H20
[0013]CO2的產(chǎn)生表不總碳捕捉低效,如果排放，同樣可能增加溫室氣體排放。
[0014]W02007/117157(其公開內(nèi)容作為參考并入本文)描述了通過厭氧發(fā)酵含有一氧化碳的氣體生產(chǎn)醇類(尤其是乙醇)的一種工藝。作為發(fā)酵工藝中的副產(chǎn)品而生成的乙酸鹽被轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳?xì)怏w，兩者都可用于厭氧發(fā)酵工藝。W02008/115080(其公開內(nèi)容作為參考并入本文)描述了經(jīng)多級發(fā)酵階段制備醇類的工藝。第一個生物反應(yīng)器中氣體厭氧發(fā)酵所生成的副產(chǎn)物能被用于第二生物反應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)品。此外，第二發(fā)酵階段的副產(chǎn)品能被回收到第一生物反應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)品。
[0015]US7, 078，201和W002/08438還描述了通過改變用于發(fā)酵的液體培養(yǎng)基的條件(例如pH和氧化還原電位)來改進(jìn)生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵工藝。如在這些出版物中公開的，類似的工藝也可用于生產(chǎn)其它醇類，如丁醇。
[0016]即使對生產(chǎn)一種或多種酸和/或一種或多種醇的發(fā)酵工藝進(jìn)行微小的改善也可能對該工藝的效率，尤其是商業(yè)可行性產(chǎn)生重大的影響。
[0017]例如，無論用于供給發(fā)酵反應(yīng)的來源為何，當(dāng)原料供給中斷時會發(fā)生問題。更具體的，上述中斷可能不利于反應(yīng)中使用的微生物的生產(chǎn)效率，在某些情況下，可能對其是有害的。例如，當(dāng)工業(yè)廢氣流中的CO氣體被用于發(fā)酵反應(yīng)生產(chǎn)酸/醇類時，可能有時沒有氣流被生產(chǎn)出來。在這些時候，反應(yīng)中使用的微生物可能進(jìn)入失活的、非生產(chǎn)的狀態(tài)或者進(jìn)入休眠。當(dāng)氣流再次形成時，可能在微生物以完全生產(chǎn)能力進(jìn)行所需反應(yīng)之前存在滯后期。因此，如果有一種減少或消除該滯后時間的方法，將會有顯著的益處。
[0018]　作為另一個例子，在許多工業(yè)生產(chǎn)工藝中，使用洗滌系統(tǒng)或設(shè)備減少污染廢氣的顆粒(如灰塵)以及其它成分的濃度。干法或濕法洗滌系統(tǒng)是公知的。在濕法洗滌系統(tǒng)中，水或者其它液體被用于從氣流中“清洗”掉污染物。典型的濕法洗滌系統(tǒng)見于鋼廠，在那里使用水來清潔在鋼鐵制造的不同階段生成的煙道氣:例如在煉焦?fàn)t、鼓風(fēng)爐、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐或電弧爐中生成的氣體。盡管洗滌具有減少廢氣中污染物水平的益處，但卻不能徹底除去污染物。不需要的物質(zhì)僅僅被從氣體中除去形成固體或粉末形式，或者進(jìn)入洗滌水或液體。洗滌系統(tǒng)中使用的水或液體因此成為該工業(yè)中產(chǎn)生的廢物流。上述廢物的處理構(gòu)成環(huán)境危害。清潔和處理上述廢料的需求對該工業(yè)而言也意味著巨額的成本。
[0019]盡管傳統(tǒng)工業(yè)洗滌器(如在鋼廠)從工業(yè)廢氣流中除去了部分污染物，由于上述氣體對發(fā)酵反應(yīng)中所用微生物的可預(yù)知的不良影響，本領(lǐng)域已經(jīng)認(rèn)同，在將氣體提供給發(fā)酵反應(yīng)之前需要對其進(jìn)行額外的洗滌和/或處理步驟。例如參見Datar等，F(xiàn)ermentation of biomass-generated producer gas to ethanol，2004， Biotechnologyand Bioengineering,第86卷,第587-594頁。進(jìn)行額外的洗漆和/或處理步驟需要工廠中有額外的空間，當(dāng)發(fā)酵工藝被添加到現(xiàn)有工廠時，這一要求可能尤其麻煩。因此，需要改進(jìn)的工藝，其中不需要上述洗滌或其它處理步驟，或者至少上述洗滌或其它處理步驟被保持在最低限度。
[0020]本發(fā)明的目的是提供克服或改善現(xiàn)有技術(shù)中已知的至少一種缺陷的系統(tǒng)和/或方法，并向公眾提供改善或增加各種有用產(chǎn)品生成的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]第一方面，本發(fā)明提供了通過微生物發(fā)酵捕捉碳的方法，該方法包括:
[0022]1.接收工業(yè)工藝中含有CO的尾氣或廢氣流；
[0023]I1.將該氣流送入含有一種或多種微生物培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器；和
[0024]II1.在該生物反應(yīng)器中發(fā)酵該培養(yǎng)物以生成一種或多種產(chǎn)品。
[0025]在一些實施方案中，該方法包括使用CO2去除設(shè)備從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內(nèi)容物:
[0026]1.進(jìn)入該生物反應(yīng)器之前的流體；和
[0027]I1.已經(jīng)離開該生物反應(yīng)器的流體。
[0028]在某些實施例中，所述方法包括第一氣體分離步驟，該第一氣體分離步驟包括:
(i)接收氣流；(ii)基本分離該氣流的至少一部分，其中該部分含有該氣流的一種或多種組分；和(iii)將至少部分`所述分離部分送入生物反應(yīng)器。在一個實施方案中，所述送入生物反應(yīng)器中的至少部分所述分離部分含有CO。
[0029]在具體實施方案中，所述方法包括第二氣體分離步驟，該第二氣體分離步驟包括:
(i)接收氣流；(ii)基本分離該氣流的至少一部分，其中該部分含有該氣流的一種或多種組分；和(iii)將至少部分所述分離部分送入CO2去除設(shè)備。在一個實施方案中，所述氣體分離步驟從氣流中基本分離出CO2并將分離出的CO2送入CO2去除設(shè)備。
[0030]在具體實施方案中，所述方法包括緩沖氣流并將至少部分氣流以基本連續(xù)的方式送入生物反應(yīng)器。在一個實施方案中，所述緩沖步驟包括:(i)在儲存裝置中接收間斷的或非連續(xù)的氣體流；和(ii)從儲存裝置中向生物反應(yīng)器送入基本連續(xù)的流體。
[0031]在某些實施方案中，所述方法包括將一種或多種氣流與至少一種其它流體混合。
[0032]在某些實施方案中，所述方法包括向生物反應(yīng)器加入工業(yè)工藝中的洗滌水。
[0033]第二方面，本發(fā)明提供了通過微生物發(fā)酵捕捉碳的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個接收工業(yè)工藝中的尾氣或廢氣的入口，其中，在使用中，該系統(tǒng)被設(shè)置成將至少一部分氣體送入生物反應(yīng)器以通過微生物發(fā)酵生成產(chǎn)品。
[0034]在一些實施方案中，所述系統(tǒng)包括被設(shè)置成在使用中從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內(nèi)容物的CO2去除設(shè)備:
[0035]1.進(jìn)入該生物反應(yīng)器之前的流體；和
[0036]I1.已經(jīng)離開該生物反應(yīng)器的流體。
[0037]在具體實施方案中，所述系統(tǒng)包括第一氣體分離器，其被設(shè)置成在使用中:(i)接收氣體流；(ii)基本分離該氣體流的至少一部分，其中該部分含有該氣體流中的一種或多種組分；和(iii)將至少部分的所述分離部分送入生物反應(yīng)器。在一個實施方案中，所述第一氣體分離器適于在使用中從氣體流中基本分離CO并將分離的CO送入生物反應(yīng)器。
[0038]在具體實施方案中，所述系統(tǒng)包括第二氣體分離器，其被設(shè)置成在使用中:(i)接收氣體流；(ii)基本分離該氣體流的至少一部分，其中該部分含有該氣體流中的一種或多種組分；和(iii)將至少部分的所述分離部分送入CO2去除設(shè)備。在一個實施方案中，所述第二氣體分離器適于從氣體流中分離CO2并將分離的CO2送入CO2去除設(shè)備。
[0039]在一些實施方案中，所述系統(tǒng)包括緩沖裝置，其適于在使用中以基本連續(xù)的流體向生物反應(yīng)器供應(yīng)底物流。在具體實施方案中，所述緩沖裝置包括緩沖儲罐，其適于在使用中:
[0040]1.接收間斷的或非連續(xù)的氣體流/底物流；和
[0041]i1.將基本連續(xù)的氣體流/底物流送入生物反應(yīng)器。
[0042]在某些實施方案中，所述系統(tǒng)包括混合裝置，其適于在使用中將氣體流與至少一種其它流體混合之后將該混合流體送入生物反應(yīng)器。
[0043]在具體實施方案中，所述系統(tǒng)包括一個確定性裝置以監(jiān)測進(jìn)入生物反應(yīng)器和/或從生物反應(yīng)器排出的至少一種氣體流的組成。在某些實施方案中，所述系統(tǒng)包括控制裝置，該裝置用于將至少部分的一種或多種氣體流/排氣流導(dǎo)向下述一種或多種設(shè)備:
[0044]1.生物反應(yīng)器；
[0045]i1.CO2 去除設(shè)備；
[0046]ii1.第一氣體分離器；
`[0047]iv.第二氣體分離器；
[0048]V.緩沖裝置；
[0049]v1.混合裝置；和
[0050]vi1.排氣裝置，
[0051]對i至vii中具體設(shè)備的選擇至少部分由確定性裝置所決定。
[0052]第三方面，本發(fā)明提供了在通過生物反應(yīng)器中微生物發(fā)酵底物來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝中提高總碳捕捉的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括CO2去除設(shè)備，該設(shè)備被設(shè)置成從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內(nèi)容物:
[0053]1.進(jìn)入該生物反應(yīng)器之前的流體；和
[0054]I1.已經(jīng)離開該生物反應(yīng)器的流體。
[0055]第四方面，本發(fā)明提供了提高以氣體微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝之效率的系統(tǒng)，其中所述氣體的供給是間斷的，該系統(tǒng)包括適于接收和儲存至少一部分氣體的緩沖裝置，和適于從該緩沖裝置接收至少一部分氣體的生物反應(yīng)器。
[0056]第五方面，本發(fā)明提供了提高以氣體微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝之效率的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于接收氣體流并將至少一部分該流體送入生物反應(yīng)器的氣體分離器。
[0057]第六方面，本發(fā)明提供了適于通過微生物發(fā)酵廢氣來生產(chǎn)醇類的鋼廠。
[0058]根據(jù)具體的方面，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法適合用于通過厭氧發(fā)酵含有一氧化碳?xì)怏w來生產(chǎn)醇類(更具體的，為乙醇和/或丁醇)的工藝。此外或可選擇地，也可生產(chǎn)酸類，如乙酸或乙酸鹽。然而，本發(fā)明并不限于此而是旨在覆蓋其它發(fā)酵反應(yīng)，包括需氧發(fā)酵、生成不同產(chǎn)品(如異丙醇或H2)的發(fā)酵反應(yīng)、以及不包括含碳?xì)怏w發(fā)酵的發(fā)酵反應(yīng)。
[0059]本發(fā)明的實施方案發(fā)現(xiàn)了在發(fā)酵含有CO的氣態(tài)底物來生產(chǎn)酸類和/或醇類中的具體應(yīng)用，盡管本發(fā)明的具體方面并不限于包含CO的底物。氣態(tài)底物可含有從工業(yè)工藝中作為副產(chǎn)品獲得的氣體。在某些實施方案中，該工業(yè)工藝選自:黑色金屬產(chǎn)品制造、有色產(chǎn)品制造、石油精煉工藝、生物質(zhì)氣化、煤炭氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭生產(chǎn)。更優(yōu)選地，所述氣體底物包含從鋼廠獲得的氣體。
[0060]在某些優(yōu)選的實施方案中，所述氣態(tài)底物含體積比為20%至100%的CO，如體積比為50%至95%的CO，如體積比為50%至70%的CO。具有較低CO濃度(如6%)的氣態(tài)底物也是合適的，尤其當(dāng)H2和CO2也同時存在時。
[0061]在優(yōu)選實施方案中，發(fā)酵反應(yīng)通過一氧化碳營養(yǎng)菌的一種或多種菌株進(jìn)行。 [0062]優(yōu)選地,所述一氧化碳營養(yǎng)菌選自:梭菌(Clostridium)、穆爾氏菌(Moorella)、氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus)。最優(yōu)選地，該一氧化碳營養(yǎng)菌為Clostridiumautoethanogenum。
[0063]附圖簡要描述
[0064]參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0065]圖1是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案在生物反應(yīng)器下游包括CO2去除設(shè)備的系統(tǒng)的示意圖。
[0066]圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案在生物反應(yīng)器上游包括CO2去除設(shè)備的系統(tǒng)示意圖。
[0067]圖3是在生物反應(yīng)器下游包括CO2去除設(shè)備以及將底物流返送至生物反應(yīng)器的設(shè)備的系統(tǒng)不意圖。
[0068]圖4是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案在生物反應(yīng)器的上游包括氣體分離器的系統(tǒng)示意圖。
[0069]圖5是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案在生物反應(yīng)器的下游包括氣體分離器的系統(tǒng)示意圖。
[0070]圖6是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括兩個氣體分離器的系統(tǒng)示意圖:一個氣體分離器位于生物反應(yīng)器的上游，而一個氣體分離器位于生物反應(yīng)器的下游。
[0071]圖7是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括緩沖儲罐的系統(tǒng)示意圖。
[0072]圖8是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括可選的緩沖儲罐的系統(tǒng)示意圖。
[0073]圖9是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括壓縮機(jī)的系統(tǒng)示意圖。
[0074]圖1Oa是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括多個底物流源以及緩沖儲罐的系統(tǒng)示意圖。
[0075]圖1Ob是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括多個底物流源以及緩沖儲罐的系統(tǒng)示意圖。
[0076]圖11是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括緩沖儲罐、氣體分離器和CO2去除設(shè)備的系統(tǒng)的不意圖。
[0077]圖12是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案適于從廢氣流中捕捉碳的系統(tǒng)示意圖。
[0078]圖13是根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案包括混合裝置的系統(tǒng)示意圖。
[0079]圖14顯示當(dāng)鋼廠氣作為氣源時微生物隨時間的生長；和
[0080]圖15顯示當(dāng)鋼廠氣作為氣源時產(chǎn)品(即乙酸鹽產(chǎn)品)隨時間的合成。
[0081]圖16顯不在實驗室基質(zhì)中細(xì)囷生長和廣品合成隨時間的變化；和[0082]圖17顯示采用比例為1:1的實驗室基質(zhì)和鋼廠洗滌水時細(xì)菌生長和產(chǎn)品合成隨時間的變化。
[0083]本發(fā)明詳細(xì)描述
[0084]根據(jù)本發(fā)明的某些方法，工業(yè)工藝中的廢氣或尾氣可用于補(bǔ)充和/或支持發(fā)酵反應(yīng)，且在將該氣體送入進(jìn)行發(fā)酵工藝的生物反應(yīng)器之前對氣體進(jìn)行最少的附加加工或處理步驟。這是特別令人驚訝的，因為人們普遍認(rèn)為廢氣或尾氣含有可能損害發(fā)酵中所用微生物的生長和/或生存的污染物。本發(fā)明對鋼鐵制造工藝中產(chǎn)生的廢氣或尾氣尤其適用，尤其那些用于生產(chǎn)醇類(例如乙醇、丁醇、異丙醇)和/或酸類(例如丁酸、乙酸和/或乙酸鹽)和/或氫的含有CO的氣體。盡管有能夠進(jìn)行所述工藝的多種不同的微生物，本發(fā)明對涉及使用Clostridium autoethanogenum的發(fā)酵工藝尤其適用。
[0085]本發(fā)明的這一方面具有重要價值，因為其減少了在將廢氣用于發(fā)酵反應(yīng)之前對廢氣進(jìn)行的預(yù)處理步驟的數(shù)量或者消除了預(yù)處理步驟。因此，本發(fā)明為上述發(fā)酵工藝提供了更廣泛的適應(yīng)性和/或適用性，尤其是在僅有有限的、預(yù)定量空間可用于增加設(shè)備進(jìn)行發(fā)酵的已建成的工廠里。同樣，由于對廢氣不進(jìn)行或者進(jìn)行有限的洗滌和/或預(yù)處理工藝，由于不需要處理由洗滌和/或預(yù)處理工藝產(chǎn)生的廢物或污染物，本發(fā)明的實施方案也能改善或減少工業(yè)工藝中的廢物。
[0086]除了鋼鐵制造業(yè)之外的其它工業(yè)工藝中產(chǎn)生的廢氣也可以以類似的方法被用于本發(fā)明的方法。本發(fā)明可以容易地適用于使用除一氧化碳之外的其它氣態(tài)底物作為碳源和能量源，來生產(chǎn)乙醇之外的醇類、生產(chǎn)氫、和/或使用除Clostridium autoethanogenum之外的微生物的發(fā)酵反應(yīng)。
[0087]適用于發(fā)酵工藝的底物也常含有C02。此外，在許多發(fā)酵反應(yīng)中，例如當(dāng)CO被轉(zhuǎn)化為包括酸類和/或醇類的產(chǎn)品時，會生成大量的co2。本發(fā)明涉及提高上述發(fā)酵反應(yīng)中總碳捕捉的方法、系統(tǒng)、和工藝。
[0088]根據(jù)本發(fā)明的方法，從底物流中去除CO2 (或其它氣體)將提高CO濃度(或CO在氣態(tài)底物中的分壓)，并且從而提高CO作為底物時的發(fā)酵反應(yīng)效率。增加氣態(tài)底物中的CO分壓會增加CO向發(fā)酵基質(zhì)中的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。此外，用于供給發(fā)酵反應(yīng)的氣體流的組成可對該反應(yīng)的效率和/或成本產(chǎn)生重大影響。例如，O2會降低厭氧發(fā)酵工藝的效率。另外，在進(jìn)行發(fā)酵之前或之后的發(fā)酵工藝階段中處理不希望的或不必要的氣體會增加上述階段的負(fù)荷(例如當(dāng)氣體流在進(jìn)入生物反應(yīng)器之前被壓縮時，會不必要地使用能源壓縮發(fā)酵中不需要的氣體)。此外或可選擇地，如果用于另一反應(yīng)(包括另一發(fā)酵反應(yīng))，特定底物流中的CO2組分可具有更高的價值。
[0089]此外，根據(jù)本發(fā)明的方法，增加流體中CO2的濃度，例如增加氣體流中CO2的分壓，將提高使用CO2工藝(如發(fā)酵)的效率。使用CO2的工藝的例子，例如發(fā)酵，是本領(lǐng)域熟知的。一些此類工藝的例子在W02006/108532中詳細(xì)描述并通過參考并入本文。
[0090]本發(fā)明的某些方面一般涉及用于提高包括微生物發(fā)酵在內(nèi)的工藝之總碳捕捉的系統(tǒng)和方法。在具體實施方案中，本發(fā)明涉及從供給發(fā)酵反應(yīng)的底物流中捕捉co2。此外或可選擇地，本發(fā)明涉及當(dāng)流體已經(jīng)離開生物反應(yīng)器后從廢氣流中捕捉co2。在本發(fā)明具體實施方案中，供給發(fā)酵反應(yīng)的底物包含有CO。
[0091]此外，可能希望去除和/或捕捉如CO2和/或CH4的含碳組分以提高上述工藝的總碳捕捉。此外或可選擇地，如果用于非發(fā)酵反應(yīng)，特定氣體的組分可能具有更高的價值(例如，H2用作燃料時具有相當(dāng)大的價值)。
[0092]本發(fā)明的某些方面總體上涉及用于提高通過微生物發(fā)酵氣體來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝之效率的系統(tǒng)和方法，尤其是通過對用于供給發(fā)酵的氣體流和/或作為發(fā)酵產(chǎn)物的氣體流使用至少一個氣體分離工藝來提高上述效率。在一個實施方案中，氣體分離器被設(shè)置成可基本分離氣體流的至少一部分，其中該部分包含一種或多種組分。例如，該氣體分離器可從含有下述組分的氣體流中分離出CO2:C0、C02、H2，其中CO2可被送入CO2分離器，而余下的氣體流(含有CO和H2)可被送入生物反應(yīng)器。
[0093]工業(yè)工藝中生成的氣體流(如在鋼廠從鐵至鋼的批量處理中生成的氣體流)是間斷性的，當(dāng)這樣的氣體用于生物轉(zhuǎn)化時是不理想的。另外，流體的性質(zhì)可以是氣體組成隨特定工業(yè)工藝的不同階段呈循環(huán)變化。例如，在鋼鐵制造工藝中，在生成基本上不含氧氣的氣體階段中，CO的濃度是最高的。相反地，當(dāng)氣體基本不含有CO時，可存在高水平的02。許多發(fā)酵反應(yīng)需要基本上不含O2的高濃度CO，如涉及厭氧細(xì)菌，尤其是一氧化碳營養(yǎng)菌的反應(yīng)。
[0094]本發(fā)明的某些方面總體上涉及用于提高通過氣體微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝之效率的系統(tǒng)和方法，其中用于供給發(fā)酵反應(yīng)的氣體流(或其它來源如溶解氣體和/或碳水化合物)是間斷性的。本發(fā)明的具體實施方案基于鋼鐵制造工業(yè)進(jìn)行描述，一氧化碳營養(yǎng)菌被用于生產(chǎn)酸類和/或醇類，尤其是乙醇或丁醇。基于本發(fā)明的公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明可用于不同的工業(yè)，以及鋼鐵制造工藝的不同階段。并且，基于本發(fā)明的公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明可用于其它發(fā)酵反應(yīng)，包括使用相同或不同微生物的反應(yīng)。因此，本發(fā)明的范圍并不局限于所描述的具體實施方案和/或應(yīng)用，而應(yīng)被理解為涉及以間斷方式提供至少一種用于供給發(fā)酵工藝之組分的任何發(fā)酵工藝，如當(dāng)使用以間斷方式產(chǎn)生的工業(yè)工藝中的 廢氣。
[0095]本發(fā)明的某些方面總體上涉及用于提高通過底物流微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品和/或捕捉碳的工藝之效率的系統(tǒng)和方法，其中該底物流與另外的流體混合以優(yōu)化進(jìn)行微生物發(fā)酵的組分。
[0096]令人驚訝地，當(dāng)來自鋼廠的氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的洗滌水或氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐廢氣與標(biāo)準(zhǔn)微生物生長基質(zhì)在使用含有一氧化碳的氣體的發(fā)酵反應(yīng)中混合，從而依據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)乙醇時，Clostridium autoethanogenum的生長以及其生產(chǎn)乙醇的能力增強(qiáng)了。這是相當(dāng)令人驚訝的，因為水被認(rèn)為含有對微生物生長和生存有害的污染物。
[0097]這一發(fā)現(xiàn)在改善或減少工業(yè)工藝廢物、提高發(fā)酵反應(yīng)效率、減少需要用來支持發(fā)酵反應(yīng)的基質(zhì)水平從而減少生產(chǎn)費(fèi)用方面具有重要價值。本發(fā)明因此能夠用于減少發(fā)酵反應(yīng)中形成的乙酸鹽副產(chǎn)品的水平。這在當(dāng)乙酸鹽沒有用處而將被丟棄從而增加工業(yè)成本并造成環(huán)境問題的情況下有益處。
[0098]根據(jù)得到的結(jié)果，本發(fā)明可使用洗滌水作為發(fā)酵反應(yīng)的主要原料。除鋼鐵制造業(yè)之外的其它工業(yè)工藝洗滌水也可以類似的方式被使用。另外，本發(fā)明可適用于使用一氧化碳之外的氣態(tài)底物作為碳源和能量源、生產(chǎn)乙醇之外的其它醇類、生產(chǎn)氫、和/或使用Clostridium autoethanogenum之外的其它微生物的發(fā)酵反應(yīng)。
[0099]任意兩個或多個上述方面的每個方面的一個或多個特征可以組合并在同一系統(tǒng)中使用并具有相應(yīng)特征的優(yōu)勢。
[0100]定義
[0101]除非另有定義，本說明書通篇使用的下述術(shù)語定義如下:
[0102]本文所用術(shù)語“碳捕捉”指從含有CO2和/或CO的流體中聚集包括CO2和/或CO在內(nèi)的碳化合物并且:
[0103].將該CO2和/或CO轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品；或
[0104].將該CO2和/或CO轉(zhuǎn)化為適合長期儲存的物質(zhì)；或
[0105].將該CO2和/或CO收集進(jìn)適合長期儲存的物質(zhì)中；或
[0106]這些工藝的組合。
[0107]術(shù)語“含有一氧化碳的底物”以及類似術(shù)語應(yīng)被理解為一種或多種菌株可從中獲得一氧化碳用于例如生長和/或發(fā)酵的任何底物。
[0108]“含有一氧化碳的氣態(tài)底物”包括含有一氧化碳的任何氣體。氣態(tài)底物通常含有相當(dāng)比例的CO，優(yōu)選至少體積比為約5%至約100%的CO。
[0109]術(shù)語“生物反應(yīng)器”包括由一個或多個容器和/或塔或管道設(shè)置組成的發(fā)酵設(shè)備，其包括連續(xù)攪拌反應(yīng)釜(CSTR)、固定化細(xì)胞反應(yīng)器(ICR)、滴流床反應(yīng)器(TBR)、鼓泡塔、氣舉發(fā)酵罐、膜反應(yīng)器如中空纖維膜生物反應(yīng)器(HFMBR)、靜態(tài)混合器、或其它適合氣液接觸的容器或設(shè)備。
[0110]術(shù)語“共底物”指一種物質(zhì)，盡管該物質(zhì)不必需是產(chǎn)品合成中的主要能源和材料源，但當(dāng)加入到另一物質(zhì)如主要底物中時，其可被用于產(chǎn)品合成。
[0111]本文所用的術(shù)語“酸”包括羧酸和相應(yīng)的羧酸鹽陰離子，例如本文描述的發(fā)酵液中存在的游離乙酸和乙酸鹽的混合物。發(fā)酵液中酸和羧酸鹽的分子比取決于該系統(tǒng)的pH值。另外，術(shù)語“乙酸鹽”包括乙酸鹽本身以及游離乙酸和乙酸鹽的混合物，例如本文描述的發(fā)酵液中存在的乙酸鹽和游離乙酸的混合物。
[0112]術(shù)語“限制性濃度”指微生物發(fā)酵基質(zhì)中特定組分的初始濃度，該濃度非常低以保證其能夠在發(fā)酵的某個階段中被耗盡。
[0113]術(shù)語“間斷性流體”不僅指不能連續(xù)獲得的流體，而且指不連續(xù)具有預(yù)期組成的流體。
[0114]術(shù)語“洗滌水”指對諸如如下的工業(yè)工藝中生成的氣體流進(jìn)行清潔而產(chǎn)生的水或其它液體:黑色金屬產(chǎn)品制造、有色產(chǎn)品制造、石油精煉工藝、生物質(zhì)氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、和焦炭生產(chǎn)。
[0115]術(shù)語“直接地”，當(dāng)涉及將工業(yè)尾氣或廢氣送入生物反應(yīng)器時，指在氣體進(jìn)入該生物反應(yīng)器之前沒有對該氣體進(jìn)行或僅進(jìn)行極少的加工或處理步驟，如冷卻和顆粒去除(注:厭氧發(fā)酵需要氧氣去除步驟)。
[0116]術(shù)語“期望的組成”用于指物質(zhì)(如氣體流)中的組分的期望水平和類型。更具體地，如果氣體含有特定組分(例如CO和/或CO2)、和/或含有特定水平的特定組分、和/或不含有特定組分(例如對微生物有害的污染物)、和/或不含有特定水平的特定組分，該氣體被認(rèn)為具有“期望的組成”。當(dāng)確定氣體是否具有預(yù)期的組成時，可考慮多于一種的組分。
[0117]術(shù)語“流體”指進(jìn)入、通過和離開工藝的一個或多個階段的材料流，例如，供給生物反應(yīng)器和/或任選的CO2去除設(shè)備的材料。流體的組成在其通過特定階段時可發(fā)生變化。例如，當(dāng)流體通過生物反應(yīng)器時,流體中的CO含量將減少，而CO2含量將增加。類似地，當(dāng)流體通過CO2去除設(shè)備階段時，CO2含量將減少。
[0118]除非本文另有規(guī)定，本文所用的短語“發(fā)酵”、“發(fā)酵工藝”或“發(fā)酵反應(yīng)”等等，旨在包括該工藝中的生長階段和產(chǎn)品生物合成階段。
[0119]術(shù)語“增加效率”、“增加的效率”等，當(dāng)用于涉及發(fā)酵工藝時，包括但不限于，提高以下一種或多種水平:發(fā)酵中微生物的生長率、消耗單位體積或質(zhì)量的底物(例如一氧化碳)所生成的期望產(chǎn)品(如醇類)的體積或質(zhì)量、所期望產(chǎn)品的生產(chǎn)速率或生產(chǎn)水平、以及與發(fā)酵的其它副產(chǎn)品相比期望產(chǎn)品的相對比例，并進(jìn)一步反映該工藝中生成的任何副產(chǎn)品的價值(可能是正面的或負(fù)面的)。
[0120]一方面，本發(fā)明涉及用于提高通過底物微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝中總碳捕捉的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法包括至少一個在發(fā)酵反應(yīng)之前(即上游)或之后(即下游)的對底物和/或流體進(jìn)行的CO2去除工藝。在本發(fā)明的某些實施方案中，底物包含有CO。通常，該底物是氣態(tài)的；然而，本發(fā)明并不局限于此。
[0121]一方面，本發(fā)明涉及用于提高通過氣體微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝中總碳捕捉的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法包括至少一個在發(fā)酵反應(yīng)之前(即上游)或之后(即下游)對氣體進(jìn)行的氣體分離工藝。如上所述，在具體實施方案中，用于微生物發(fā)酵的底物氣體含有CO;然而，本發(fā)明并不局限于此。
[0122]本發(fā)明另一具體方面涉及用于提高通過氣體微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝中總碳捕捉的系統(tǒng)和方法，尤其是當(dāng)該氣體的供應(yīng)是間斷性的時候。在具體實施方案中，用于微生物發(fā)酵的底物氣體含有CO ;然而，本發(fā)明并不局限于此。
[0123]本發(fā)明進(jìn)一步提供了采用微生物發(fā)酵生產(chǎn)醇類的方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)包括在發(fā)酵反應(yīng)中使用工業(yè)工藝(如鋼鐵制造)中的廢氣，其中在所述使用之前對該氣體沒有進(jìn)行或僅進(jìn)行了最小限度的額外處理步驟。在某些實施方案中，將來自一種或多種工業(yè)工藝中和/或備選來源的廢氣組合或混合以向該發(fā)酵反應(yīng)提供具有期望組分或優(yōu)化組分的流體。
[0124]本發(fā)明還提供了優(yōu)化包含CO的底物流之組成的方法和系統(tǒng)，所述CO至少部分源于工業(yè)工藝(如鋼鐵制造)。
[0125]本發(fā)明還提供了使用微生物發(fā)酵制備醇類的方法和提高微生物發(fā)酵生產(chǎn)醇類的效率的方法。在一個實施方案中，這些方法包括在發(fā)酵反應(yīng)中使用源自工業(yè)工藝的洗滌水。
[0126]盡管本發(fā)明的某些實施方案(即那些包括采用CO作為主要底物，通過無氧發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的實施方案)已被認(rèn)為是對當(dāng)前十分關(guān)注的技術(shù)具有重要價值的改進(jìn)，但應(yīng)該理解本發(fā)明也適用于其它產(chǎn)品(如其它醇類)的生產(chǎn)以及對其它底物(尤其是氣態(tài)底物)的使用，本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員基于本發(fā)明的公開應(yīng)該了解這一點。例如，含有二氧化碳和氫的氣態(tài)底物可用于本發(fā)明的具體實施方案中。此外，本發(fā)明可用于發(fā)酵以生產(chǎn)乙酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽、己酸鹽、乙醇、丙醇、和丁醇、和氫。作為例子，這些產(chǎn)品可以采用選自穆爾氏菌屬(Moorella)、梭狀芽胞桿菌屬(Clostridia)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、醋酸桿菌屬(Acetobacterium)、真桿菌屬(Eubacterium)、丁酸桿菌屬(Butyribacterium)、醋菌屬(Oxobacter)、甲燒八疊球菌屬(Methanosarcina)、和脫硫腸狀菌屬(Desulfotomaculum)的微生物通過發(fā)酵進(jìn)行生產(chǎn)。
[0127]本發(fā)明的某些實施方案適于使用一種或多種工業(yè)工藝中產(chǎn)生的氣體流。這些工藝包括鋼鐵制造工藝，尤其是產(chǎn)生具有高CO含量或高于預(yù)定水平(例5%)的CO含量的氣體流的工藝。根據(jù)這些實施方案，優(yōu)選使用一氧化碳營養(yǎng)菌在一個或多個生物反應(yīng)器中生產(chǎn)酸類和/或醇類，尤其是乙醇或丁醇。基于本發(fā)明的公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，本發(fā)明可用于多種工業(yè)或廢氣流，包括內(nèi)燃機(jī)車輛的廢氣流。并且，基于本發(fā)明的公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，本發(fā)明可用于其它發(fā)酵反應(yīng)，包括采用相同或不同微生物的發(fā)酵反應(yīng)。因此，本發(fā)明的范圍并不局限于描述的具體實施方案和/或應(yīng)用，而應(yīng)從更廣泛的范圍去理解；例如，氣體流來源并沒有被限定，只要其至少一種組分可用于供給發(fā)酵反應(yīng)。本發(fā)明在提高總碳捕捉和/或從氣體底物(如汽車廢氣和高容量含有CO的工業(yè)廢氣)進(jìn)行乙醇和其它醇類生產(chǎn)方面具有特別的適用性。
[0128]發(fā)酵
[0129]從氣態(tài)底物制備乙醇和其它醇類的工藝(如在以上【背景技術(shù)】部分中所描述的)是公知的。典型的工藝包括在例如W02007/117157和W02008/115080，以及美國專利6，340，581,6, 136，577,5, 593，886,5, 807，722 和 5，821，111 中描述的工藝，上述各文獻(xiàn)通
過參考并入本文。
[0130]已知若干厭氧細(xì)菌能夠進(jìn)行CO至醇類(包括正丁醇和乙醇)、以及CO至乙酸的發(fā)酵，且適用于本發(fā)明的工藝。適用于本發(fā)明的這些細(xì)菌的例子包括梭菌屬(Clostridium)的細(xì)菌，如 Clostridium Ijungdahlii 菌株(包括在 W000/68407、EP117309、美國專利 5，173，429,5, 593，886、和 6，368，819、W098/00558 和 W002/08438 中描述的菌株)、Clostridium carboxydivorans 菌株(Liou 等，International Journal of Systematicand Evolutionary Micr`obiology33:第 2085-2091 頁)和 Clostridium autoethanogenum菌株(Abrini 等，Archives of Microbiologyl61:第 345-351 頁)。其它適合細(xì)菌包括穆爾氏菌屬(Moorella)的細(xì)菌，包括穆爾氏菌屬HUC22-1種(Sakai等,BiotechnologyLetters29:第1607-1612頁)，以及氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus)的細(xì)菌(Svetlichny, V.A.等(1991), Systematic and Applied Microbiologyl4:第 254-260 頁)。上述出版物的公開內(nèi)容各自通過參考納入本文。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可將其它一氧化碳營養(yǎng)厭氧細(xì)菌用于本發(fā)明的工藝?；诒景l(fā)明的公開內(nèi)容，還應(yīng)該知道，兩種或多種細(xì)菌的混合培養(yǎng)物可用于本發(fā)明的工藝。
[0131]對本發(fā)明方法中所用細(xì)菌的培養(yǎng)可采用任意數(shù)量的本領(lǐng)域已知的用厭氧細(xì)菌培養(yǎng)和發(fā)酵底物的方法來進(jìn)行。典型技術(shù)在以下“實施例”部分提供。通過進(jìn)一步舉例的方式，可以使用在下述文章中一般性描述的利用氣態(tài)底物進(jìn)行發(fā)酵的方法:(i)K.Τ.Klasson 等，(1991).Bioreactors for synthesis gas fermentations resources.Conservation and Recycling,5 ；145-165 ； (ii)K.T.Klasson 等，(1991)Bioreactordesign for synthesis gas fermentations.Fuel.70.605-614 ； (iii)K.T.Klasson 等，(1992)Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels.Enzymeand Microbial Technology.14 ；602~608 ； (iv)J.L Vega 等，(1989)Study of GaseousSubstrate Fermentation:Carbon Monoxide Conversion to Acetate.2.ContinuousCulture.Biotech.Bioeng.34.6.785-793 ； (vi) J.L Vega 等，(1989) Study of gaseoussubstrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate.1.Batch culture.Biotechnology and Bioengineering.34.6.774-784 ； (vii) J.L Vega 等，(1990)Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations.Conservation andRecycling.3.149-160 ;所有上述文章通過參考納入本文。
[0132]適用于本發(fā)明的一種示例性微生物為Clostridium autoethanogenum。在一個實施方案中，Clostridium autoethanogenum為具有德國生物材料資源中心(DSMZ)保藏號19630菌株的識別特征的Clostridium autoethanogenum。在另一個實施方案中，Clostridium autoethanogenum 為具有 DSMZ 保藏號 DSMZ10061 識別特征的 Clostridiumautoethanogenum。
[0133]發(fā)酵可在任意合適的生物反應(yīng)器中進(jìn)行。在本發(fā)明的某些實施方案中，該生物反應(yīng)器可以包括第一生長反應(yīng)器，微生物在其中培養(yǎng)；以及第二發(fā)酵反應(yīng)器，生長反應(yīng)器中的發(fā)酵液供給該發(fā)酵反應(yīng)器并且在該發(fā)酵反應(yīng)器中生成絕大多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)品(例如乙醇和乙酸鹽)。
[0134]根據(jù)本發(fā)明的不同實施方案，發(fā)酵反應(yīng)的碳源是含有CO的氣態(tài)底物。該氣態(tài)底物可以是作為工業(yè)工藝中的副產(chǎn)品得到的含有CO的廢氣，或者從一些其它來源如汽車尾氣中得到的含有CO的廢氣。在某些實施方案中，該工業(yè)工藝選自黑色金屬產(chǎn)品制造(如鋼廠中進(jìn)行的工藝)、有色產(chǎn)品制造、石油精煉工藝、煤炭氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭生產(chǎn)。在這些實施方案中，含有CO的氣體可在其進(jìn)入大氣之前使用任意便捷的方法從工業(yè)工藝中捕捉。根據(jù)氣態(tài)含有CO的底物的組成，還可能希望在對底物進(jìn)行發(fā)酵之前對底物進(jìn)行處理以除去任意不希望的雜質(zhì)，如塵粒。例如，可采用公知的方法對氣態(tài)底物進(jìn)行過濾或洗滌。
[0135]含有CO的氣態(tài)底物 在理想狀態(tài)下包含相當(dāng)比例的CO，如至少含體積比為5%到100%的CO、或者體積比為20%到95%的CO、或者體積比為40%到95%的CO、或者體積比為60%到90%的CO或體積比為70%到90%的CO。含有更低濃度CO的氣態(tài)底物，如6%，也是適
宜的，尤其當(dāng)還存在H2和CO2時。
[0136]盡管氣態(tài)底物中不必須含有氫，但在本發(fā)明的方法中氫的存在通常不會對產(chǎn)品形成造成不利的影響。然而，在本發(fā)明的某些實施方案中，氣態(tài)底物基本上不含氫(低于1%)。氣態(tài)底物也可含有一些C02，如體積比為約1%至約30%、或者如約5%至約10%的C02。
[0137]如前所述，底物流中氫的存在可提高導(dǎo)致總碳捕捉效率和/或乙醇生產(chǎn)率。例如，W00208438描述了采用不同組分的氣體流進(jìn)行乙醇生產(chǎn)。在一個優(yōu)選的實施方案中，向生物反應(yīng)器中的C.1jungdahlii培養(yǎng)物提供含有63%H2、32%C0和5%CH4的底物流以促進(jìn)微生物生長和乙醇生產(chǎn)。當(dāng)該培養(yǎng)基達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并且微生物生長不再是主要目標(biāo)時，將底物流轉(zhuǎn)換為15.8%H2、36.5%C0、38.4%N2和9.3%C02以提供稍微過量的CO并促進(jìn)乙醇生成。該文獻(xiàn)還描述了具有更高和更低CO和H2濃度的氣體流。
[0138]因此，可能必須改變底物流的組成以提高醇生成和/或總碳捕捉。此外或可選擇地，可以改變組成(即調(diào)整0)、0)2和/或!12水平)以優(yōu)化發(fā)酵反應(yīng)的效率并最終提高乙醇生成和/或總碳捕捉。
[0139]在一些實施方案中，含有一氧化碳的氣態(tài)底物可源于有機(jī)物的氣化，所述有機(jī)物例如甲烷、乙烷、丙烷、煤炭、天然氣、原油、煉油廠中低價值殘余物(包括石油焦)、固體都市廢棄物或生物質(zhì)。生物質(zhì)包括食品提取和加工中得到的副產(chǎn)品，如從甘蔗中得到的糖，或從玉米或谷物中得到的淀粉，或林業(yè)產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生的非食品生物質(zhì)廢棄物。任意這些含碳物質(zhì)能夠被氣化，即與氧部分燃燒，以生成合成氣(含有大量的H2和CO的合成氣)。氣化工藝通常產(chǎn)生合成氣，其中H2和CO的摩爾比為約0.4:1至1.2:1，以及更少量的C02、H2S、甲烷和其它惰性氣體。生成的氣體比例可通過本領(lǐng)域已知的和W0200701616中詳細(xì)描述的方法而改變。然而，作為例子，可改變以下氣化器條件以調(diào)整CO:H2產(chǎn)品比例:進(jìn)料組成(尤其是C:H比率)、操作壓力、溫度特征(影響產(chǎn)品混合物的急冷)和所用的氧化劑(空氣、富氧空氣、純O2或O2流；其中該流體傾向于產(chǎn)生更高的CO =H2比率)。相應(yīng)的，可調(diào)節(jié)氣化器的操作條件以提供具有期望組成的底物流，用于發(fā)酵或者與其它一種或多種流體混合以提供優(yōu)化的或預(yù)期的組成，從而提高發(fā)酵工藝中的乙醇生產(chǎn)率和/或總碳捕捉。
[0140]在其它實施方案中，可通過烴的蒸汽轉(zhuǎn)化得到含有CO的底物。根據(jù)以下方程式，烴(如天然氣烴)能夠在高溫下轉(zhuǎn)化生成CO和H2:
[0141 ] CnHm+nH20 — nCO+ (m/2+n) H2
[0142]例如，甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化包括將蒸汽和甲烷在鎳催化劑存在下且在高溫(700-1100°C)下反應(yīng)生成CO和H2。所得的流體(每摩爾轉(zhuǎn)化的CH4包含I摩爾CO和3摩爾H2)可直接送入發(fā)酵罐或與來自其它來源的底物流混合，以提高發(fā)酵工藝中的乙醇生產(chǎn)率和/或總碳捕捉。醇類如甲醇也可轉(zhuǎn)化生成CO和H2，其可以以類似方式被使用。
[0143]在另一個實施方案中，含有CO的底物源自鋼鐵制造工藝。在鋼鐵制造工藝中，鐵礦石被壓碎并研磨，進(jìn)行預(yù)處理如燒結(jié)或微?；?，然后送入一個鼓風(fēng)爐(BF)中冶煉。在冶煉過程中，提供焦炭作為碳源 ，其作為還原劑還原鐵礦石。焦炭作為熱源加熱并熔化材料。通過向高熱金屬表面高速噴射純氧，高熱金屬在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐(BOF)中脫碳。氧氣與高熱金屬中的碳直接反應(yīng)生成一氧化碳(CO)。由此，具有高CO含量的氣體流從BOF中排出。根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案，該流體用于供給一種或多種發(fā)酵反應(yīng)。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，CO可在鋼鐵制造工藝的其它步驟中產(chǎn)生，且根據(jù)本發(fā)明的不同實施方案，可使用這些備選氣源取代BOF中的廢氣或與BOF中的廢氣結(jié)合使用。根據(jù)來源(即鋼鐵制造工藝中的具體階段)，所排出的氣體中的CO含量可能不同。而且，可能會有在一種或多種流體中產(chǎn)生中斷的時期，尤其在批處理工廠。
[0144]通常，從鋼廠脫碳處理工序中排出的流體含高濃度的CO和低濃度的H2。盡管這些流體可直接送入生物反應(yīng)器而僅進(jìn)行很少的或不進(jìn)行進(jìn)一步的處理，但還是希望優(yōu)化底物流的組成以實現(xiàn)更高效率的乙醇生成和/或總碳捕捉。例如，可以在底物流進(jìn)入生物反應(yīng)器之前提高底物流中H2的濃度。
[0145]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，兩種或多種來源的流體可組合和/或混合以產(chǎn)生期望的和/或優(yōu)化的底物流。例如，包含高濃度CO的流體(例如鋼廠吹風(fēng)轉(zhuǎn)爐廢氣)可以與包含高濃度H2的流體(如鋼廠焦?fàn)t尾氣)組合。
[0146]鋼鐵制造工藝的早期階段一般包括采用焦炭對鐵礦石的還原。焦炭是用于熔化和還原鐵礦石的固體碳燃料且一般在鋼廠現(xiàn)場生產(chǎn)。在焦碳制作工序中，將煙煤送入一系列焦?fàn)t中，密封焦?fàn)t并在無氧條件下高溫加熱，通常為持續(xù)14到36小時的周期。焦?fàn)t中留下的固體碳就是焦炭。將焦炭送入急冷塔，在其中用水噴霧或通過惰性氣體(氮?dú)?循環(huán)將其冷卻，然后過篩并送入鼓風(fēng)爐。[0147]在該工序中產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物通常在氣體被作為燃料加熱爐之前經(jīng)處理除去焦油、氨、萘、苯酚、輕油和硫。焦炭生產(chǎn)中產(chǎn)生的氣體通常具有高4含量(典型組成:55%H2、25%CH4、6%C0、3%N2、2%其它烴)。這樣，至少一部分焦?fàn)t氣可被送入發(fā)酵工序與含有CO的流體混合，以提高醇生產(chǎn)率和/或總碳捕捉。在將焦?fàn)t氣送入發(fā)酵罐之前，可能需要對其進(jìn)行處理以除去對培養(yǎng)物可能有毒的副產(chǎn)品。
[0148]此外或可選擇地，含有CO的間斷流體(如吹風(fēng)轉(zhuǎn)爐廢氣流)可與含有CO和任選地含有H2的基本連續(xù)的流體(如此前描述的氣化工藝中生成的合成氣)混合。在某些實施方案中，這將維持向生物反應(yīng)器提供基本連續(xù)的底物流。在具體實施方案中，可根據(jù)工業(yè)來源的CO的間斷生成來增加和/或減少氣化器生成的流體，以保持具有期望或優(yōu)化組成的基本連續(xù)的底物流。在另一實施方案中，可以如前所述改變氣化器條件以根據(jù)工業(yè)來源的CO的間斷生成來提高或降低CO =H2比，以保持具有期望或優(yōu)化組成的基本連續(xù)的底物流。
[0149]通常，本發(fā)明中使用的底物流將是氣態(tài)的；然而，本發(fā)明并不局限于此。例如，可在液體中將一氧化碳供給生物反應(yīng)器。例如，液體可以被含一氧化碳的氣體飽和，然后將該液體加入生物反應(yīng)器。這可通過標(biāo)準(zhǔn)方法實現(xiàn)。例如，可將微泡分布發(fā)生器(Hensirisak等，Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation ；AppliedBiochemistry and Biotechnology,第 101 卷，第 3 期，2002 年 10 月)用于該目的。
[0150]應(yīng)該了解，為了細(xì)菌生長和CO至醇類的發(fā)酵，除了需要向生物反應(yīng)器提供含有CO的底物氣體，還需要提供液體營養(yǎng)培養(yǎng)基。營養(yǎng)培養(yǎng)基中含有足以使所用微生物生長的維生素和礦物質(zhì)。適于采用CO作為唯一碳源進(jìn)行醇類發(fā)酵的厭氧基質(zhì)是本領(lǐng)域已知的。例如，合適的基質(zhì)在美國專利5，173，429和5，593，886和W002/08438、W02007/115157和W02008/115080中進(jìn)行了描述，參見上文。本文的“實施例”提供了其它典型基質(zhì)。
[0151]理想地，發(fā)酵應(yīng)在適于發(fā)生期望的發(fā)酵(例CO至醇類的發(fā)酵)的適當(dāng)條件下進(jìn)行。應(yīng)考慮的反應(yīng)條件包括壓力、溫度、氣流速率、液流速率、基質(zhì)pH、基質(zhì)氧化還原電位、振蕩速率(如果使用連續(xù)攪拌`反應(yīng)釜)、接種水平、最大氣體底物濃度(以確保液相中的CO不會成為限制性條件)、和最大產(chǎn)品濃度(以避免產(chǎn)物抑制)。
[0152]最佳反應(yīng)條件部分取決于所用的具體微生物。然而，通常發(fā)酵最好在高于環(huán)境壓力的壓力下進(jìn)行。在提高的壓力下進(jìn)行操作可使CO從氣相進(jìn)入液相的速率顯著增加，CO在液相中被微生物吸收作為碳源進(jìn)行醇類生產(chǎn)。這也就意味著當(dāng)生物反應(yīng)器保持在升高的壓力而不是大氣壓力下時，能夠減少停留時間(定義為生物反應(yīng)器中的液體體積除以進(jìn)氣流速率)。
[0153]并且，因為給定的CO至醇類的轉(zhuǎn)化速率在某種程度上是停留時間的函數(shù)，而獲得期望的停留時間意味著確定了生物反應(yīng)器所需的容積，使用加壓系統(tǒng)可大大減少生物反應(yīng)器所需的容積，并因此降低發(fā)酵設(shè)備的成本。根據(jù)美國專利5，593，886中所舉的例子，反應(yīng)器容積可隨反應(yīng)器操作壓力的增加呈線性比例減少，即在10個大氣壓下操作的生物反應(yīng)器的體積僅為需要在I個大氣壓下操作的反應(yīng)器體積的十分之一。
[0154]在升高的壓力下進(jìn)行氣體至醇類發(fā)酵的好處也已在其它地方有描述。例如，W002/08438描述了在壓力30psig和75psig下進(jìn)行的氣體至醇類的發(fā)酵，分別獲得150g/I/天和369g/l/天的醇類生產(chǎn)率。然而，發(fā)現(xiàn)采用相似的基質(zhì)和進(jìn)氣組成在大氣壓下進(jìn)行的示例發(fā)酵每天每升生成的乙醇減少了 10至20倍。[0155]同樣希望含有CO的氣態(tài)底物的進(jìn)入速率能保證液相中的CO濃度不會成為限制性條件。這是因為CO缺乏的后果是醇類產(chǎn)品被培養(yǎng)物消耗。
[0156]產(chǎn)品回收
[0157]可采用已知方法回收發(fā)酵反應(yīng)的產(chǎn)品。典型的方法包括在W02007/117157、W02008/115080、美國專利 6，340，581,6, 136，577,5, 593，886,5, 807，722 和 5，821，111 中描述的方法。然而，簡要地舉例，乙醇可通過諸如分餾或蒸發(fā)、以及萃取發(fā)酵的方法從發(fā)酵液中回收。
[0158]對發(fā)酵液中的乙醇進(jìn)行蒸餾產(chǎn)生乙醇和水(即95%醇和5%水)的共沸混合物。隨后通過分子篩乙醇脫水技術(shù)可得到無水乙醇，該技術(shù)也為本領(lǐng)域已知。
[0159]萃取發(fā)酵步驟包括使用對發(fā)酵有機(jī)物具有低毒風(fēng)險的水混溶性溶劑，從稀釋的發(fā)酵液中回收乙醇。例如，油醇是可用于這類萃取工藝的溶劑。在這個工藝中，油醇被連續(xù)加入發(fā)酵罐，隨后該溶劑上升在發(fā)酵罐上部形成一個層，該層被連續(xù)萃取并被送入離心機(jī)。水和細(xì)胞可輕易與油醇分離并返回發(fā)酵罐，而載有乙醇的溶劑被送入閃蒸單元。大部分乙醇被蒸發(fā)并冷凝，而非揮發(fā)性的油醇被回收并在發(fā)酵中重復(fù)使用。
[0160]也可用本領(lǐng)域已知的方法從發(fā)酵液中回收乙酸鹽。例如，可用包括活性炭過濾器的吸附系統(tǒng)。在這種情況下，通常采用合適的分離方法首先從發(fā)酵液中去除微生物細(xì)胞。本領(lǐng)域已知很多用于形成無細(xì)胞發(fā)酵液以回收產(chǎn)物的基于過濾的方法。然后使上述無細(xì)胞的含有乙醇和含有乙酸的滲透液(permeate)通過活性炭柱以吸附乙酸鹽。乙酸鹽在酸形式(乙酸)中比在鹽形式(乙酸鹽)中更易被活性炭吸附。因此最好在發(fā)酵液通過活性炭柱前將其PH降低到約小于3，從而將大部分乙酸鹽轉(zhuǎn)化為酸形式。
[0161]吸附至活性炭的乙酸可采用本領(lǐng)域已知的方法通過洗脫進(jìn)行回收。例如，可用乙醇洗脫結(jié)合的乙酸鹽。在某些實施方案中，發(fā)酵工藝中生成的乙醇本身可用于洗脫乙酸鹽。因為乙醇的沸點是78.8°C而乙酸的沸點是107°C，乙醇和乙酸鹽可采用基于揮發(fā)性的方法(如蒸餾)被容易地彼此分離。`
[0162]從發(fā)酵液中回收乙酸鹽的其它方法也是本領(lǐng)域已知的且可用于本發(fā)明的工藝中。例如，美國專利6，368，819和6，753，170描述了可用于從發(fā)酵液中提取乙酸的溶劑和助溶劑系統(tǒng)。如同上述進(jìn)行乙醇萃取發(fā)酵的基于油醇的系統(tǒng)，美國專利6，368，819和6，753，170中描述的系統(tǒng)描述了與水不能混溶的溶劑/助溶劑，其能在發(fā)酵微生物存在或不存在下與發(fā)酵液混合從而萃取乙酸。然后，含有乙酸的溶劑/助溶劑通過蒸餾從發(fā)酵液中分離。接著，采用第二蒸餾步驟從該溶劑/助溶劑系統(tǒng)中純化乙酸。
[0163]可通過如下步驟從發(fā)酵液中回收發(fā)酵反應(yīng)的產(chǎn)品(例如乙醇和乙酸鹽):連續(xù)地從發(fā)酵生物反應(yīng)器中移走部分發(fā)酵液，從發(fā)酵液中分離微生物細(xì)胞(通過過濾方便地分離)，并同時或之后從發(fā)酵液中回收一種或多種產(chǎn)品。采用上述方法，可通過蒸餾方便地回收乙醇，并可通過活性炭吸附回收乙酸鹽。分離的微生物細(xì)胞可返回發(fā)酵生物反應(yīng)器。除去乙醇和乙酸鹽后留下的無細(xì)胞滲透液也可返回發(fā)酵生物反應(yīng)器。在無細(xì)胞滲透液返回生物反應(yīng)器之前，可向其中加入額外的營養(yǎng)物(如維生素B)以補(bǔ)充營養(yǎng)培養(yǎng)基。并且，在返回生物反應(yīng)器之前，如果已經(jīng)如上所述調(diào)節(jié)過該發(fā)酵液的pH以提高活性炭對乙酸的吸附，應(yīng)重新調(diào)節(jié)PH至與發(fā)酵生物反應(yīng)器中發(fā)酵液相似的pH。
[0164]CO2 去除[0165]根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案，用于CO2去除的系統(tǒng)包括從混合流體中選擇性分離CO2的裝置和將CO2轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物和/或?qū)O2準(zhǔn)備用于儲存或進(jìn)一步使用的設(shè)備?？蛇x擇地，該工藝包括將流體中的CO2直接轉(zhuǎn)化為適于儲存或進(jìn)一步使用的產(chǎn)物和/或物質(zhì)。
[0166]在一個實施方案中，采用本領(lǐng)域已知的任意分離方式(如下文提供的典型方法)從混合氣體流中選擇性分離co2。可用于本發(fā)明實施方案的其它CO2分離方法包括用金屬氧化物(如CaO)提取，和采用多孔碳或者選擇性溶劑萃取，如胺萃取。
[0167]胺，如一乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)、二乙醇胺(DEA)、二異丙醇胺(DIPA)和甲基二乙醇胺(MDEA)，在工業(yè)中被廣泛用于去除天然氣流和精煉工藝的流體中的CO2以及硫化氫。
[0168]從這些工藝中分離的CO2可被永久保存。CO2永久儲存的許多例子是本領(lǐng)域已知的，如地質(zhì)埋存(地質(zhì)隔離)、海洋封存和礦物質(zhì)儲存(例如轉(zhuǎn)化為金屬碳酸鹽)。
[0169]地質(zhì)埋存包括將一般為超臨界狀態(tài)的二氧化碳直接注入地下地質(zhì)構(gòu)造中。建議的儲存地點為油田、天然氣田、含鹽地層、不可采煤層、和充滿鹽的玄武巖地層?？刹捎迷S多物理(例如高度不滲透蓋層)和地質(zhì)化學(xué)捕捉機(jī)制防止CO2向表面逃逸。對于合理選擇、設(shè)計和管理的地質(zhì)埋存地點，政府間氣候變化問題小組估計可截留CO2長達(dá)數(shù)百萬年，并且這些地點很可能保留超過99%的注入的CO2超過1000年。
[0170]已經(jīng)提出了多種海洋封存的方法:(i)用船或管道將CO2 “溶解”注射至水下1000米或更深的深度，CO2隨后溶解；(ii)直接將CO2 “湖”沉積至深度超過3000米的海底，在此處CO2比水密度大因此預(yù)期形成一個“湖”，其延遲CO2向周圍環(huán)境的溶解；(iii)將0)2轉(zhuǎn)化為重碳酸鹽(采用石灰石)；和(iv)將CO2存儲于已經(jīng)存在于海底的固態(tài)籠形水合物中，或者用于形成更多固態(tài)包合物。
[0171]在礦物質(zhì)儲存中，CO2與可大量獲得的金屬氧化物進(jìn)行放熱反應(yīng)生成穩(wěn)定的碳酸鹽。該過程經(jīng)歷多年自然發(fā)生并且是大量表面石灰石的形成原因。例如通過在高溫和/或高壓下反應(yīng)，或者通過對礦物質(zhì)的預(yù)處理可加快反應(yīng)速率，盡管這個方法可需要額外的能量。
[0172]可選擇地，分離的CO2可用于制備產(chǎn)品，如直接或間接轉(zhuǎn)化為烴。眾所周知的生產(chǎn)烴的工藝是從CO2和H2制備甲醇的工藝。水催化解離或電化學(xué)解離生成氧和氫離子也是本領(lǐng)域已知的，其中氫離子可用于將CO2轉(zhuǎn)化為烴。如果CO2被加熱到2400°C，其裂解成一氧化碳和氧氣。然后可用費(fèi)-托法(Fischer-Tropsch process)將CO轉(zhuǎn)化為烴。在這個工藝中，CO可返回發(fā)酵工藝。作為例子，可通過使用包含鏡面的箱室將陽光聚焦到氣體上來達(dá)到所需的溫度?？蛇x擇地，分離的CO2可用于進(jìn)一步發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道有很多微生物發(fā)酵將CO2轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的例子。例如，可通過采用產(chǎn)甲烷微生物的厭氧發(fā)酵將CO2轉(zhuǎn)化為甲烷。該發(fā)酵工藝或其它相關(guān)的發(fā)酵工藝的例子在前面提到的W02006/108532中公開。用CO2生產(chǎn)產(chǎn)物的發(fā)酵反應(yīng)更多的例子在前面提到的W02007/117157 和 W02008/115080 中提供。
[0173]CO2也是合成氣生成中的理想原料?？上蜣D(zhuǎn)化器(氣化器)中提供CO2以減少甲烷消耗并提高/增加H2:C0比率。相應(yīng)地，在一個實施方案中，至少一部分分離的CO2被加入整合在發(fā)酵工藝的氣化器中。
[0174]在本發(fā)明的另一個實施方案中，可將分離的CO2轉(zhuǎn)化成例如水泥混凝土的產(chǎn)品。在處理珊瑚的外殼和礁體制造模擬海洋的水泥制品的過程中，鎂和/或鈣可與CO2結(jié)合生成碳酸鹽。
[0175]在光合作用中，CO2也很容易被藻類吸收，可使用光合作用來捕捉廢流中的碳。在CO2和陽光的存在下，藻類快速生長且可被采收并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物如生物柴油和/或醇。
[0176]可選擇地，可直接從流體中捕捉CO2而不需要額外的分離步驟。例如，在具體實施方案中，可將含有CO2的流體(優(yōu)選氣體流)送入第二發(fā)酵工藝中以將CO2轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。
[0177]氣體分離
[0178]根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案，用于氣體分離的工藝包括低溫分餾、分子篩分離、吸附、變壓吸附、或吸附中的一個或多個步驟。無論采用哪種工藝，可以進(jìn)行氣體分離以從氣體流中分離至少一部分的一種或多種下列組分洱、02、0)2和0)。此外或可選擇地，可使用本發(fā)明實施方案中的氣體分離去除氣體流中的一個或多個部分(例如N2、O2)，因此剩余部分可在例如生物反應(yīng)器中被更高效地使用。
[0179]吸附是氣體、液體或溶質(zhì)在固體或液體表面的積累。吸附是一種物質(zhì)(如固體或液體)通過分子間的微小孔隙或空間接收另一種物質(zhì)(如液體或氣體)的過程。
[0180]變壓吸附(PSA)是絕熱過程，其可被用于通過壓力容器內(nèi)的固定床中的合適吸附劑在高壓下吸附來凈化氣體以去除伴隨雜質(zhì)。通過逆向減壓(countercurrentdepressuriz ation)和在低壓下用先前回收的接近產(chǎn)品質(zhì)量的氣體清洗來完成吸附劑再生。為了得到連續(xù)的產(chǎn)品流，最好提供至少兩套吸附器，這樣至少一個吸附器接收氣體流(如廢氣流/排氣流/生物氣流)并實際上生成期望純度的產(chǎn)品。同時，隨后的減壓、清洗和恢復(fù)壓力至吸附壓力的步驟通過另外的吸附器進(jìn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)待被吸附和除去的雜質(zhì)的類型容易地選擇常用吸附劑。適用的吸附劑包括沸石分子篩、活性炭、硅膠或活性氧化鋁?？梢来委B放吸附床進(jìn)行組合，從而將吸附器中的物質(zhì)分成多個不同的區(qū)。變壓吸附包括參數(shù)如壓力、溫度、流速、以及氣相和吸附相組成的擺動變化。
[0181]通常在接近周圍進(jìn)氣流的溫度下采用PSA對氣體進(jìn)行凈化或分離，由此待被去除的組分被選擇性吸附。理想地，吸附應(yīng)是充分可逆的從而可以在相似的周圍溫度下實現(xiàn)吸附劑的再生。PSA可用于處理和/或凈化大多數(shù)常見氣體，包括CO、CO2和4。變壓吸附技術(shù)的例子在 Ruthven, Douglas Μ.等，1993Pressure Swing Adsorption, John Wiley andSons中進(jìn)行了詳細(xì)描述。
[0182]分子篩是含有具有精確和統(tǒng)一大小的微孔的材料，其被用作氣體和液體的吸附劑。小至足夠通過微孔的分子被吸附而大分子不會被吸附。分子篩與普通過濾器相似，但是在分子水平操作。分子篩常由以下材料組成:鋁硅酸鹽礦物質(zhì)、粘土、多孔玻璃、微孔炭、沸石、活性炭、或合成化合物，其具有小分子(如氮和水)能夠擴(kuò)散通過其中的開放結(jié)構(gòu)。
[0183]可以使用膜，例如，從氮?dú)夂图淄闅怏w中分離氫氣，回收氫氣，從生物氣中分離甲烷，或去除水蒸氣、co2、h2s或揮發(fā)性有機(jī)液體?；诒景l(fā)明的公開內(nèi)容，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可選擇不同的膜(包括多孔膜和無孔膜)用于實現(xiàn)期望的目的。例如，鈀膜只允許H2通過。在具體實施方案中，可用CO2滲透膜從流體中分離C02。從流體中分離的CO2可被送入CO2去除設(shè)備，如先前討論過的氣化器。
[0184]低溫分餾包括壓縮氣流并將其冷卻至足以通過蒸餾實現(xiàn)分離的低溫。例如，其可被用于去除co2。某些組分(例如水)通常在進(jìn)行低溫分餾之前從流體中除去。[0185]相同的技術(shù)也可用于從氣流中去除氧氣生成富含CO和/或CO2的厭氧流。此外，也可生物去除氧氣，例如通過將燃燒廢氣通入含有兼性好氧微生物、減碳底物、和微生物必需的營養(yǎng)物的密封發(fā)酵罐。兼性好氧微生物能夠消耗氧氣生成富含CO和/或CO2的厭氧流。
[0186]從氣體流中分離或去除O2的其它方法是本領(lǐng)域已知的。然而，作為舉例，可通過使用熱銅或催化轉(zhuǎn)化器就可減少和/或去除氧氣。
[0187]針對特定的氣體源設(shè)計氣體分離工藝，可使商業(yè)上不可行的生物轉(zhuǎn)化工藝具有商業(yè)可行性。例如，通過適當(dāng)分離汽車尾氣流中的CO，可從該氣流中得到可用能源并減少不希望的氣體排放。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，氣態(tài)底物包含含有CO和H2的合成氣，進(jìn)行氣體分離以從該氣流中除去氫氣，這樣該氣流可被分離并可用作發(fā)酵工藝之外的燃料。CO可用于給發(fā)酵反應(yīng)供料。
[0188]間斷氣體流
[0189]根據(jù)本發(fā)明的不同方面，發(fā)酵底物源自工業(yè)源。一般的，源自工業(yè)源的底物為氣態(tài)，這些氣體的組成和/或壓力各不相同，在某些情況下這些氣體是間斷性的。在某些實施方案中，本發(fā)明提供了改善或“穩(wěn)定”生物反應(yīng)器的氣態(tài)底物供應(yīng)以發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)品的裝置，尤其當(dāng)?shù)孜锕?yīng)是間斷性的或非連續(xù)的情況下?？墒褂萌魏斡糜诟倪M(jìn)氣態(tài)底物流的連續(xù)性或“穩(wěn)定”氣態(tài)底物流的已知裝置；然而，本發(fā)明的具體實施方案包括具有至少一個緩沖裝置的工藝和系統(tǒng)，該緩沖裝置適于接收間斷底物流并將基本連續(xù)的底物流送入生物反應(yīng)器。
[0190]在具體實施方案中，緩沖裝置包括適于接收間斷氣體流的儲罐。間斷流體可在進(jìn)入儲罐前進(jìn)行壓縮；或者，該儲罐可被設(shè)置成當(dāng)其接收底物流時發(fā)生膨脹。例如，該緩沖儲罐可包括適于上升和下降以接納氣態(tài)底物的“浮頂”。浮頂型儲罐為公知技術(shù)，如那些適應(yīng)氣體供應(yīng)中存在供給需求波動的儲罐。儲罐可適于向發(fā)酵反應(yīng)器提供基本連續(xù)的底物流，因此可包括用于控制流體 離開儲罐的流速的裝置。
[0191]在這些實施方案中，儲罐作為底物儲存容器。然而，根據(jù)備選的實施方案，緩沖儲罐可被具有相同功能的備選存儲方式替代。例如，備選的方式可包括吸附以及變壓和/或變溫中的一種或多種。此外或可選擇地，該底物可溶解于儲存容器內(nèi)的液體中或保存于基質(zhì)(如多孔固體材料)中直到需要使用。在本發(fā)明的具體實施方案中，底物可溶解于儲罐內(nèi)的液體中并在需要時直接將溶液送入生物反應(yīng)器。
[0192]可選擇地，生物反應(yīng)器本身也可被設(shè)置成使發(fā)酵液體營養(yǎng)基質(zhì)上方的頂部空間作為間斷流體的緩沖器。例如，該系統(tǒng)可包括壓縮氣態(tài)底物流(如果可用)并將其送入生物反應(yīng)器的裝置。當(dāng)提供額外的底物時，生物反應(yīng)器頂部空間的壓力將增加。因此，底物可以通過微生物發(fā)酵連續(xù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。
[0193]在另一實施方案中，該系統(tǒng)適于從多個間斷源接收氣態(tài)底物流。這樣的系統(tǒng)可包括在流體間組合和/或切換的裝置，以便向生物反應(yīng)器提供基本連續(xù)的底物流。
[0194]用于發(fā)酵反應(yīng)的微生物一般具有允許的溫度范圍，高于或低于該范圍時，反應(yīng)速率明顯減慢。因此，所述系統(tǒng)可包括冷卻裝置，其中當(dāng)獲取底物流受限時，可冷卻生物反應(yīng)器中的基質(zhì)以減緩發(fā)酵反應(yīng)并減少對底物的需求。相反地，當(dāng)可利用的底物流增加時，可增加生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度到溫度范圍的上限提高反應(yīng)速率。[0195]此外或可選擇地，冷卻裝置可被設(shè)置成能使冷負(fù)荷均勻以降低發(fā)酵系統(tǒng)的峰值冷負(fù)荷。例如，假設(shè)在預(yù)定期間內(nèi)(當(dāng)氣體正被處理時)需要用來處理進(jìn)氣中的熱量和/或發(fā)酵放熱的冷負(fù)荷為2MW。為了使發(fā)酵罐中的內(nèi)容物在這個期間保持恒溫，必須以這個速率去除熱量以保持發(fā)酵罐內(nèi)的恒定溫度。相反地，在沒有氣體被處理且放熱基本停止的期間內(nèi)，冷負(fù)荷將是零。因此，尤其對于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，存在冷負(fù)荷非常高的階段，其對系統(tǒng)產(chǎn)生重大制約。通過調(diào)整冷負(fù)荷，降低所需的最大冷卻率。因此，在連續(xù)的(或更連續(xù)的)基礎(chǔ)上使用更小規(guī)模的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行操作是可能的。
[0196]采用前面例子的參數(shù)，但假設(shè)氣體被處理和氣體不被處理的階段具有相同時間，熱量可以以IMW連續(xù)從發(fā)酵罐中去除。在這些條件下，當(dāng)氣體被處理時的熱去除率將不能趕上熱量輸入/熱量產(chǎn)生，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度將升高。當(dāng)氣體處理停止但冷卻繼續(xù)進(jìn)行時，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度將下降。以這種方式，需要大小適于IMW連續(xù)負(fù)荷的冷卻系統(tǒng)，而不是大小適于2MW負(fù)荷但僅需要運(yùn)行一半時間的系統(tǒng)。然而，必須限制溫度的上升和隨后的下降以將發(fā)酵罐內(nèi)的溫度保持在微生物的允許溫度范圍內(nèi)。因此，根據(jù)具體實施方案，盡管不是不變的，冷負(fù)荷可被“穩(wěn)定”，因此其中的變化將更緩和和/或有限，因此在最大和最小冷負(fù)荷之間的區(qū)別更小。
[0197]工業(yè)尾氣作為發(fā)酵源
[0198]根據(jù)本發(fā)明的其它方面，工業(yè)廢氣被用于發(fā)酵反應(yīng)，而沒有進(jìn)行或僅進(jìn)行極少量的使氣體更適合于發(fā)酵反應(yīng)的額外洗滌或預(yù)處理步驟。
[0199]廢氣可來自任意數(shù)量的工業(yè)工藝。本發(fā)明尤其適于支持氣態(tài)底物(如含有高容量CO的工業(yè)廢氣)生產(chǎn)乙醇。其實例包括在以下工藝中生成的氣體:黑色金屬產(chǎn)品制造、有色產(chǎn)品制造、石油精煉工藝、煤炭氣化、生物質(zhì)氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭生產(chǎn)。在本發(fā)明的具體實施方案中，廢氣是在鋼鐵制造工藝中生成的。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，在鋼鐵制造工藝的不同階段生成的廢氣具有高CO和/或CO2濃度。特別地，在鋼鐵制造的不同方法，如氧氣轉(zhuǎn)爐(例如BOF或Κ0ΒΜ)方法中，鋼鐵脫碳階段產(chǎn)生的廢氣具有高CO含量和低O2含量,使其成為厭氧一氧化碳營養(yǎng)發(fā)酵中合適的底物。
[0200]在鋼鐵增碳工藝中生成的廢氣可在進(jìn)入廢氣煙?或煙道以將廢氣送入大氣前任選地通過水以去除顆粒物質(zhì)。一般地，使用一個或多個風(fēng)機(jī)將氣體送入廢氣煙囪。
[0201]在本發(fā)明的具體實施方案中，鋼鐵脫碳階段中產(chǎn)生的至少部分廢氣通過合適的導(dǎo)管裝置被送入發(fā)酵系統(tǒng)。作為例子，可用管道或其它傳遞裝置與鋼廠廢氣煙囪相連，將至少一部分廢氣送入發(fā)酵系統(tǒng)。此外，可用一個或多個風(fēng)機(jī)將至少一部分廢氣送入發(fā)酵系統(tǒng)。在本發(fā)明的具體實施方案中，導(dǎo)管裝置適于提供至少一部分鋼鐵脫碳階段中產(chǎn)生的廢氣至發(fā)酵系統(tǒng)。對氣體進(jìn)入生物反應(yīng)器的控制和將氣體送入生物反應(yīng)器的裝置對與本發(fā)明相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。
[0202]盡管鋼廠能基本上連續(xù)生產(chǎn)鋼鐵和其伴隨的廢氣，該工藝的具體方面可以是間斷的。典型的鋼鐵脫碳是持續(xù)幾分鐘到幾小時的批處理過程。因此，如果確定廢氣具有期望的組成，導(dǎo)管裝置應(yīng)可適于將至少一部分廢氣(如鋼鐵脫碳工藝中生成的氣體)送入發(fā)酵系統(tǒng)。
[0203]發(fā)酵工藝中所用生物反應(yīng)器中內(nèi)容物的pH可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。除了考慮所用營養(yǎng)基質(zhì)和微生物，適宜的PH還取決于具體發(fā)酵反應(yīng)所需的條件，并且是本發(fā)明相關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員能夠理解的。在一個優(yōu)選的實施方案中，在使用Clostridiumautoethanogenum進(jìn)行的含有CO的氣態(tài)底物的發(fā)酵中，可調(diào)節(jié)pH到約5.5至6.5,最好為約5.5。進(jìn)一步的例子包括在ρΗ5.5至6.5采用熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica)生產(chǎn)乙酸,在pH4.5至6.5采用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)生產(chǎn)丁醇，和在pH7米用生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hygrogenaformans)生產(chǎn)氫氣。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)知道適于將生物反應(yīng)器保持在需要的PH的方式。然而，作為例子，堿的水溶液(如NaOH)以及酸的水溶液(如H2SO4)可被用于提高和降低發(fā)酵基質(zhì)的pH并保持所需的pH。
[0204]本發(fā)明其它益處是，由于在將廢氣用于發(fā)酵反應(yīng)之前對該廢氣沒有進(jìn)行或者僅進(jìn)行極少的洗滌和/或其它處理，該氣體將含有源自工業(yè)工藝的其它材料，該其它材料至少部分地可用作發(fā)酵反應(yīng)的原料。
[0205]流體混合
[0206]如先前所述，為了提高發(fā)酵反應(yīng)的效率、醇生產(chǎn)和/或總碳捕捉，可能需要將工業(yè)廢流與一種或多種另外的流體混合。不希望被理論束縛，在本發(fā)明的一些實施方案中，一氧化碳營養(yǎng)菌根據(jù)下述方程式將CO轉(zhuǎn)化為乙醇:
[0207]6C0+12H2+3H20 — C2H50H+4C02
[0208]然而，在H2存在下，總轉(zhuǎn)化如下:
[0209]6C0+12H2+3H20 — 3C2H50H
[0210]因此，當(dāng)工業(yè)流體具有高CO含量，但含有微量或不含H2時，可能需要將一種或多種含有H2的流體與含有CO的廢流在其進(jìn)入發(fā)酵罐之前進(jìn)行混合。發(fā)酵總效率、醇生產(chǎn)率和/或總碳捕捉將取決于混合流體中⑶和仏的化學(xué)計量。然而，在具體實施方案中，混合流體可基本上包含具有下列摩爾比的CO和仏:20:1、10:1、5:1、3:1、2:1、1:1或1:2。
[0211]另外，在發(fā)酵不同階段可能需要提供特定比例的CO和H2。例如，具有相對高H2含量的底物流(如1:2的C0:H2)可在開始和/或微生物快速生長期提供給發(fā)酵階段。然而，當(dāng)生長期減慢，培養(yǎng)物中的微生物密度保持基本穩(wěn)定時，可增加CO含量(如至少1:1或2:1或更高，其中H2濃度可大于或等于零)。
[0212]混合流體還可具有進(jìn)一步的優(yōu)勢，尤其在含有CO的廢流是間斷性的情況下。例如，可將含有CO的間斷廢流與含有CO和任選地含有H2的基本連續(xù)的流體混合并提供給發(fā)酵罐。在本發(fā)明的具體實施方案中，為了維持向發(fā)酵罐提供具有基本連續(xù)組成和一定流速的底物流，基本連續(xù)流體的組成和流速可根據(jù)間斷性的流體而不同。
[0213]為獲得期望的組成可對兩種或多種流體進(jìn)行混合，該混合可涉及改變所有流體的流速，或者使一種或多種流體保持恒定而改變其它流體以“修剪”或優(yōu)化底物流至期望的組成。對于被連續(xù)加工的流體，僅需要很少或不需要進(jìn)一步的處理(如緩沖)并且該流體可直接供給發(fā)酵罐。然而，當(dāng)一種或多種流體是間斷的，和/或雖然流體是連續(xù)的，但其以不同的速率被使用和/或被制備時，需要為流體提供緩沖儲罐。
[0214]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在混合之前監(jiān)測流體的組成和流速是必要的?？赏ㄟ^改變組成流體的比例以得到目標(biāo)組成或期望的組成來實現(xiàn)對混合流體組成的控制。例如，基礎(chǔ)加載氣體流主要含有CO，可與含有高H2濃度的第二氣體流混合以獲得特定的H2: CO比?；旌狭黧w的組成和流速可通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測?；旌狭黧w的流速可獨(dú)立于混合操作進(jìn)行控制；然而每個成份流體被提取的速率必須被控制在一定限度內(nèi)。例如，間斷生成但從緩沖儲罐被連續(xù)提取的流體必須以一定的速率提取，使得緩沖儲罐容量既不會耗盡也不會滿載。
[0215]在混合時，單個組成氣體將進(jìn)入一個混合室，該混合室通常是小容器、或一段管道。在這種情況下，該容器或管道可具有促進(jìn)各組分湍動以及加速均質(zhì)的靜態(tài)混合設(shè)備，如擋板。
[0216]為了保持向生物反應(yīng)器的基本連續(xù)地提供底物流，如果需要，也可提供混合流體的緩沖儲罐。
[0217]所述系統(tǒng)可任選地包括適于監(jiān)測成份流體的組成和流速以及控制流體以恰當(dāng)?shù)谋壤旌蠌亩玫叫枰蚱谕幕旌衔锏奶幚砥?。例如，可以按照要求提供具體的組分或者提供可以獲得的具體組分，以優(yōu)化醇生產(chǎn)效率和/或總碳捕捉。 [0218]一直以特定比例提供CC^PH2是不可能的或者不經(jīng)濟(jì)的。因此，如上所述的適于混合兩種或多種流體的系統(tǒng)應(yīng)能優(yōu)化可用來源的比例。例如，在H2供給不足時，為了提供優(yōu)化的流體并提高醇生產(chǎn)和/或總碳捕捉效率，所述系統(tǒng)可包括將過量CO排出該系統(tǒng)的裝置。在本發(fā)明的某些實施方案中，所述系統(tǒng)適于連續(xù)監(jiān)測至少兩種流體的流速和組成，并將它們混合生成具有最優(yōu)組成的單個混合底物流，以及將該優(yōu)化的底物流送入發(fā)酵罐的裝置。在采用一氧化碳營養(yǎng)微生物生產(chǎn)醇的具體實施方案中，底物流的最佳組成包括至少0%H2和至多約1:2的C0:H2。
[0219]作為非限制性例子，本發(fā)明的具體實施方案包括利用鋼鐵脫碳中的轉(zhuǎn)爐氣作為CO源。一般地，這種流體僅含有微量或不含H2，因此為了得到更理想的C0:H2比，需要將含有CO的流體與含有H2的流體混合。H2通常在鋼廠焦?fàn)t中大量生成。因此，來自焦?fàn)t含4的廢流可與轉(zhuǎn)爐廢流混合得到期望的混合物。
[0220]此外或可選擇地，可提供氣化器以從各種來源生產(chǎn)CO和H2。通過氣化器生成的流體可與含有CO的流體混合得到期望的組成。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可控制氣化器的條件得到特定的CO = H2比。此外，可上調(diào)和下調(diào)氣化器來增加和減少氣化器生成的含有CO和H2流體的流速。因此，來自氣化器的流體可以與包含CO的底物流混合以優(yōu)化C0:H2比，從而提高乙醇生產(chǎn)率和/或總碳捕捉。此外，可上調(diào)和下調(diào)氣化器以提供具有變化流量和/或組成的流體，該流體可與包含CO的間斷流體混合以獲得具有期望組成的基本連續(xù)的流體。
[0221]可與含有CO底物流混合的其它CO和/或H2源包括烴(如天然氣和/或甲烷)的轉(zhuǎn)化以及甲醇轉(zhuǎn)化。
[0222]洗滌水的加入
[0223]根據(jù)本發(fā)明，洗滌水被用于發(fā)酵反應(yīng)以提高生長和生產(chǎn)產(chǎn)品的效率。
[0224]洗滌水可來自任意適合的工業(yè)源，如上文所述。在本發(fā)明的具體實施方案中，洗滌水源自對鋼鐵制造中產(chǎn)生的一種或多種廢氣進(jìn)行清潔的工藝。作為例子，洗滌水源自對來自煉焦?fàn)t、鼓風(fēng)爐、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐、和/或電弧爐的尾氣進(jìn)行的清潔。
[0225]在某些實施方案中，洗滌水源自與(氣態(tài))發(fā)酵底物相同的工業(yè)工藝；例如，洗滌水和底物(含有CO的廢氣)均來自同一鋼廠。
[0226]洗滌水可以以直接來自工業(yè)工藝洗滌系統(tǒng)或設(shè)備的原始形式使用。然而，可以處理洗滌水以除去或至少減少其中殘留顆粒物的水平。與本發(fā)明相關(guān)的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該了解處理洗滌水的方法。然而，作為例子，洗滌水在送入發(fā)酵罐之前可被過濾、離心或允許沉淀。
[0227]如前面討論的，在使用之前可調(diào)節(jié)洗滌水的pH。除了考慮營養(yǎng)基質(zhì)和微生物，適合的PH還取決于具體發(fā)酵反應(yīng)所需的條件，并且是與本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解的。在優(yōu)選實施方案中，在利用Clostridium autoethanogenum對含有CO的氣態(tài)底物發(fā)酵時，pH可調(diào)節(jié)至約5.5至6.5，最好為約5.5。進(jìn)一步的例子包括，在pH5.5至
6.5利用熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica)生產(chǎn)乙酸，在pH4.5至6.5利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)生產(chǎn)丁醇，以及在pH7利用生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hygrogenaformans)生產(chǎn)氧氣。
[0228]可采用任意適當(dāng)?shù)姆绞綄⑾礈焖尤氚l(fā)酵反應(yīng)。作為例子，來自洗滌裝置的洗滌水可被直接加入正在發(fā)酵或即將發(fā)酵的生物反應(yīng)器中?？蛇x擇地，可從洗滌裝置收集洗滌水并將其存儲在向反應(yīng)器供料的合適箱室中，或者可從洗滌裝置中收集、儲存洗滌水然后人工將其加入生物反應(yīng)器?？梢赃B續(xù)向生物反應(yīng)器中加入洗滌水，或者在發(fā)酵反應(yīng)的某個時間點加入洗滌水，或者根據(jù)實際要求按需加入。 [0229]在本發(fā)明的一個實施方案中，洗滌水與將在發(fā)酵反應(yīng)中所用的營養(yǎng)基質(zhì)混合，然后通過前述的任一方式加入生物反應(yīng)器。因此，本發(fā)明還提供了含有合適的營養(yǎng)基質(zhì)和洗滌水的混合物。與本發(fā)明相關(guān)的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知道適用于微生物發(fā)酵的營養(yǎng)基質(zhì)。然而，作為例子，這些基質(zhì)可含氮源、磷源、鉀源、鈉源、硫源、一系列金屬離子源和B族維生素等。典型的基質(zhì)在以下“實施例”部分提供。
[0230]洗滌水可以按不超過約1:9營養(yǎng)基質(zhì):洗滌水的量被使用。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，洗滌水的使用比例為約1:1營養(yǎng)基質(zhì):洗滌水。
[0231]應(yīng)該知道，源自特定工藝的洗滌水可能含有對特定微生物有毒或有害的組分。因此，本發(fā)明并不排除所有的預(yù)處理工藝，而是在可能的情況下避免這些額外的工藝。此外或可選擇地，可控制生物反應(yīng)器中洗滌水的含量比例，使?jié)撛谟卸净蛴泻Φ慕M分保持在可接受的濃度以下。
[0232]洗滌水作為主要原料
[0233]在本發(fā)明另一個實施方案中，發(fā)酵反應(yīng)僅使用洗滌水作為原料進(jìn)行。也就是說，洗滌水是發(fā)酵反應(yīng)中的主要碳源。在該實施方案中，發(fā)酵反應(yīng)可基本上根據(jù)前文描述進(jìn)行，但不需要提供或捕捉含有CO的氣體或提供備選碳源。
[0234]可如上所述，將洗滌水送入即將進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)的生物反應(yīng)器中。在一個實施方案中，以適當(dāng)?shù)乃綄⑾礈焖畯南礈煜到y(tǒng)或裝置直接并且連續(xù)地送入生物反應(yīng)器中以保持發(fā)酵反應(yīng)的最優(yōu)條件。
[0235]在相關(guān)實施方案中，洗滌水被儲存然后在備選原料或底物無法獲得時供給生物反應(yīng)器。例如，在某些鋼鐵制造工藝中產(chǎn)生的廢氣不是連續(xù)的而是間斷的。當(dāng)無法向發(fā)酵反應(yīng)提供這些氣體時，向生物反應(yīng)器加入洗滌水以保持醇生產(chǎn)以及提高反應(yīng)總效率。向洗滌水中補(bǔ)充發(fā)酵基質(zhì)并將其送入生物反應(yīng)器的此類工藝可采用細(xì)胞留滯系統(tǒng)(如錯流膜濾系統(tǒng)、連續(xù)離心系統(tǒng)或固定化細(xì)胞系統(tǒng))進(jìn)行。在這個實施方案中，洗滌水和發(fā)酵基質(zhì)的混合物可流經(jīng)反應(yīng)器，向細(xì)菌提供營養(yǎng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于該洗滌水含有高水平的溶解態(tài)一氧化碳。因為使用氣態(tài)底物進(jìn)行發(fā)酵的主要工藝操作費(fèi)用是購買和運(yùn)行使CO氣體從氣相到液相發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移的設(shè)備，使用已經(jīng)含有CO的液態(tài)流體將大幅度降低這項成本。
[0236]綜述
[0237]舉例描述本發(fā)明的實施方案。然而，應(yīng)該知道，在一個實施方案中必需的特定步驟或階段在另一實施方案中可能并不需要。相反，在一個特定實施方案中描述的步驟或階段可任選地、有利地用在沒有特別提到該步驟或階段的實施方案中。
[0238]盡管參照能通過任何已知傳遞方式通過系統(tǒng)或在系統(tǒng)周圍移動的任意類型流體已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了廣泛描述，在某些實施方案中，底物和/或廢流是氣態(tài)的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，特定的階段可需要合適的導(dǎo)管裝置等，該裝置被設(shè)置成在整個系統(tǒng)中接收或傳遞流體。可提供泵或壓縮機(jī)以促進(jìn)流體向特定階段的傳遞。
[0239]而且，可使用壓縮機(jī)提高向一個或多個階段(例如生物反應(yīng)器)供給的氣體的壓力。如在上文討論的，生物反應(yīng)器內(nèi)的氣體壓力可影響在其中進(jìn)行的發(fā)酵反應(yīng)效率。因此，可調(diào)節(jié)壓力提高發(fā)酵效率。一般反應(yīng)合適的壓力是本領(lǐng)域已知的。
[0240]此外，本發(fā)明的系統(tǒng)或工藝可任選地包括調(diào)節(jié)和/或控制其它參數(shù)以提高該工藝整體效率的裝置。可在系統(tǒng)中結(jié)合一個或多個處理器以調(diào)節(jié)和/或控制該工藝的特定參數(shù)。例如，具體實施方案可包括確定性裝置以監(jiān)測底物和/或廢氣流的組成。此外，如果該確定性裝置確定流體具有適合特定階段的組成，具體實施方案可包括用于控制底物流向特定系統(tǒng)中的特定階段或單元遞送的裝置。例如，在氣態(tài)底物流含有低水平CO或者可能對發(fā)酵反應(yīng)有害的高水平O2情況下，可將底物流排出生物反應(yīng)器。在本發(fā)明的具體實施方案中，所述系統(tǒng)包括監(jiān)測和控制底物流的目的地和/或流速的裝置，使得具有期望或合適組成的流體能被送至特定的階段。
[0241]此外，可能需要在工藝中一個或多個階段之前或之中加熱或冷卻特定的系統(tǒng)組份或底物流。在這種情況下，可用已知的加熱或冷卻裝置。例如，換熱器可用來加熱或冷卻底物流。
[0242]此外，所述系統(tǒng)可包括一個或多個預(yù)處理/后處理步驟以改善特定階段的操作或效率。例如，預(yù)處理步驟可包括用于從氣態(tài)底物流中去除顆粒物質(zhì)和/或長鏈烴或焦油的裝置。可進(jìn)行的其它預(yù)操作或后操作包括從特定階段例如生物反應(yīng)器生產(chǎn)階段分離期望的產(chǎn)品(例如通過蒸餾去除乙醇)。
[0243]本發(fā)明系統(tǒng)的不同實施方案用附圖表示。在圖1-13中描述的可選實施方案包含共同特征，并且在不同附圖中使用相同的參考標(biāo)號表示相同或相似的特征。圖2到圖13中僅描述了新特征(相對于圖1)，因此這些附圖應(yīng)結(jié)合圖1的描述進(jìn)行理解。
[0244]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的系統(tǒng)101的示意圖。輸入底物流I通過合適導(dǎo)管進(jìn)入系統(tǒng)101。輸入底物流I包含CO并任選包含CO2，在某些實施方案中，底物流是來自工業(yè)工藝的廢氣流，例如在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中鋼鐵增碳過程中釋放出的廢氣。氣流I中的組分水平可以波動。如果確定流體I不具備期望的組成，可包括任選的閥門2將流體I移向別處(用流體3表示)。例如，當(dāng)希望從流體I得到CO時，可設(shè)定流體I的最小CO含量，這樣如果沒有達(dá)到最小CO含量，該流體被移出系統(tǒng)101而不進(jìn)行進(jìn)一步的處理?？稍O(shè)置此類閾值以避免對流體進(jìn)行不經(jīng)濟(jì)或不可行的處理。可使用任何已知的手段確定氣體是否具有期望的組成。同樣，“期望的組成”不僅指希望包含于流體I中的物質(zhì)，而且指不希望的組分。例如，如果流體I中存在特定的污染物，該流體I可被移走。[0245]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，閥門2可位于系統(tǒng)101中其它地方。例如，其可位于生物反應(yīng)器5的處理之后。
[0246]如果已經(jīng)確定流體I具備期望的組成，對其進(jìn)行任選的預(yù)處理4。預(yù)處理4可用于控制流體的多個方面，包括溫度和污染物或不希望的組分或成分的水平。其也可用來將組分加入流體。這還取決于氣流I的具體來源和/或具體的發(fā)酵反應(yīng)和/或為此所選的微生物。
[0247]預(yù)處理4可位于系統(tǒng)101內(nèi)的其它地方或者可省略，或者可在系統(tǒng)101內(nèi)的不同位點提供多個預(yù)處理4。這取決于氣流I的具體來源和/或具體發(fā)酵反應(yīng)和/或為此所選的微生物。例如，可在CO2去除設(shè)備8的上游提供額外的預(yù)處理以控制進(jìn)入CO2去除設(shè)備8的流體的各個方面。
[0248]在任選的預(yù)處理之后，可通過任何已知的轉(zhuǎn)移裝置將流體送入生物反應(yīng)器5。例如，流體可由一個或多個風(fēng)機(jī)和/或泵驅(qū)動通過所述系統(tǒng)。生物反應(yīng)器5被設(shè)置成進(jìn)行期望的發(fā)酵反應(yīng)以生產(chǎn)產(chǎn)品。根據(jù)某些實施方案，生物反應(yīng)器5被設(shè)置成處理含有CO的底物以生成一種或多種酸和/或一種或多種醇。在具體實施方案中，生物反應(yīng)器5被用來生產(chǎn)乙醇和/或丁醇。生物反應(yīng)器5可包括不止一個罐，每個罐被設(shè)置成進(jìn)行相同反應(yīng)和/或特定發(fā)酵工藝內(nèi)的不同階段和/或不同反應(yīng)，包括可包含一個或多個共同階段的不同發(fā)酵工藝的不同反應(yīng)。
[0249]生物反應(yīng)器5可配備用于控制其中溫度的冷卻設(shè)備，所述溫度被控制在對于待進(jìn)行的特定發(fā)酵反應(yīng)中所用微生物而言可接受的限值內(nèi)。
[0250]生物反應(yīng)器5 中生成的產(chǎn)品可通過本領(lǐng)域已知的任何回收工藝回收。然而，在本發(fā)明的一些實施方案中，至少一部分產(chǎn)品可在流體7中離開生物反應(yīng)器5，流體7包含例如CO2和任選的未轉(zhuǎn)化的CO。任選地，在產(chǎn)品去除設(shè)備6中處理該流體以在基本上不包含產(chǎn)品的流體7進(jìn)入CO2去除設(shè)備8之前去除流體中的任何產(chǎn)品。
[0251]CO2去除設(shè)備8被設(shè)置成接收流體7，其中至少一部分存在于流體7中的CO2被去除，剩下殘留的廢流9。在某些實施方案中，CO2去除設(shè)備8被設(shè)置成從流體7中分離至少一部分CO2組分，并適于捕捉分離的CO2和/或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為適合進(jìn)一步使用或存儲的產(chǎn)品。可選擇地，CO2去除設(shè)備8可被設(shè)置成從流體7中直接捕捉CO2和/或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為產(chǎn)品。
[0252]當(dāng)生物反應(yīng)器5包含多個階段或多個獨(dú)立的罐時，至少一部分階段中的流體可被CO2去除設(shè)備8接收。同樣，可提供不止一個下游CO2去除設(shè)備8，由此同樣的流體經(jīng)歷多個CO2去除步驟，或者可對來自不同發(fā)酵階段或發(fā)酵罐中的流體進(jìn)行相同或不同的去處步驟。
[0253]根據(jù)圖2所示的備選實施方案，CO2去除設(shè)備8位于生物反應(yīng)器5上游(請對照圖1中的下游)。這樣，根據(jù)圖2的實施方案，CO2去除設(shè)備8可被用于在將底物流送入生物反應(yīng)器5之前捕捉其中的C02。任選的閥門2可被設(shè)置成，如果確定CO2含量太低而不能進(jìn)行高效和/或有效的C02捕捉，可將該流體直接送入生物反應(yīng)器5?？蛇x擇地，在流體不適合進(jìn)行CO2去除或發(fā)酵的情況下，可將流體3全部導(dǎo)離該系統(tǒng)。
[0254]根據(jù)圖3的實施方案，在生物反應(yīng)器5的下游提供了 CO2去除設(shè)備8，并且閥門10被設(shè)置成，如果確定有足量 的CO保留在流體9中可供進(jìn)一步發(fā)酵成產(chǎn)品，則將流體9導(dǎo)回生物反應(yīng)器5。然而，如果確定流體中的CO含量低于期望水平，該流體可被導(dǎo)入別處(如流體11表示)。圖3的實施方案還包括圖1的實施方案和圖2的實施方案兩者的伴隨優(yōu)勢。[0255]圖4是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實施方案的系統(tǒng)104的示意圖。輸入氣流I通過合適的導(dǎo)管進(jìn)入系統(tǒng)104。輸入氣流I可以是來自工業(yè)工藝中的廢氣流，如在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼鐵增碳工藝中釋放出的廢氣流。輸入氣流I優(yōu)選地包含至少一種基于碳的氣體。在具體實施方案中，流體I含有CO和/或C02。氣流I中的組分水平可以波動。如果確定流體I不具備期望的組成，可包括任選的閥門2將流體I引開(用流體3表示)。例如，當(dāng)希望從流體I中得到CO時，可設(shè)定流體I的最小CO含量，這樣如果沒有達(dá)到該最小CO含量，該流體被移出系統(tǒng)101而不進(jìn)行進(jìn)一步的處理?？稍O(shè)置此類閾值以避免對流體進(jìn)行不經(jīng)濟(jì)或不可行的處理。使用任何已知的方式確定氣體是否具有期望的組成。如上所述，“期望的組成”不僅指希望被包含于流體I中的物質(zhì)，也指不包含不希望的組分。例如，如果流體I中存在特定的污染物中，該流體I可被移走。
[0256]基于本發(fā)明的公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，閥門2可位于系統(tǒng)104中的其它地方。例如，其可位于系統(tǒng)中氣體分離器13處理之后。
[0257]如果確定流體I具備期望的組成，將該流體送入氣體分離器13。從氣流I中分離出至少第一組分，留下剩余組分。所述至少第一組分或剩余組分可作為流體12被移走，而另一組分被送入任選的預(yù)處理4和生物反應(yīng)器5。這樣，當(dāng)氣流中需要CO以供給生物反應(yīng)時，CO可從剩余流體中分離，僅將C0(或富含CO的流體)送入生物反應(yīng)器5。可選擇地，可以分離流體中的一種或多種組分(例如O2和/或H2)，從而至少部分地去除所述組分，并將剩余流體送入生物反應(yīng)器5。
[0258]基于本發(fā)明的公開，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，氣體分離器13可包括一個或多個階段或獨(dú)立單元，在每個階段分離一種或多種氣體。
[0259]下文進(jìn)一步描述了氣體分離工藝和設(shè)置。
[0260]如上所述，預(yù)處理4可位于系統(tǒng)104內(nèi)的其它地方或者可省略，或者可在系統(tǒng)101內(nèi)的不同位點提供多個預(yù)處理`4。預(yù)處理4的應(yīng)用取決于氣流I的具體來源和/或具體的發(fā)酵反應(yīng)和/或為此所選的微生物。
[0261]生物反應(yīng)器5被設(shè)置成進(jìn)行期望的發(fā)酵反應(yīng)。根據(jù)某些實施方案，生物反應(yīng)器5被設(shè)置成處理含有CO的底物以生成一種或多種酸和/或一種或多種醇。在具體實施方案中，生物反應(yīng)器5被用來生產(chǎn)乙醇和/或丁醇。生物反應(yīng)器5可包括不止一個罐，每個罐被設(shè)置成進(jìn)行相同的反應(yīng)和/或特定發(fā)酵工藝內(nèi)的不同階段和/或不同的反應(yīng)，包括可包含一個或多個共同階段的不同發(fā)酵工藝的不同反應(yīng)。
[0262]生物反應(yīng)器5可配備有用于控制其內(nèi)溫度的冷卻設(shè)備，所述溫度被控制在對于待進(jìn)行的特定發(fā)酵反應(yīng)中所用微生物而言可接受的限值內(nèi)。
[0263]根據(jù)圖5的備選實施方案，將氣體分離器13置于生物反應(yīng)器5下游(請對照圖4中的上游)。這樣，根據(jù)圖5的實施方案，可使用氣體分離器13來分離生物反應(yīng)器5中發(fā)酵反應(yīng)生成的氣體的一種或多種組分，和/或分離已經(jīng)進(jìn)入生物反應(yīng)器5但沒有被使用的氣體。當(dāng)生物反應(yīng)器5包括多個階段或多個獨(dú)立的罐時，至少部分階段中的氣體被氣體分離器13接收。同樣的，可以提供不止一個下游氣體分離器13，由此同一氣流經(jīng)歷多次分離，或者可對不同的發(fā)酵階段或發(fā)酵罐中的流體進(jìn)行相同或不同的分離。
[0264]根據(jù)圖6的實施方案，在生物反應(yīng)器5的上游和下游提供氣體分離器13，具備圖4和圖5實施例兩者的伴隨優(yōu)點。[0265]可在生物反應(yīng)器5上游提供泵或者壓縮機(jī)(未顯示)使生物反應(yīng)器5內(nèi)的氣體壓力增加。如上文所討論的，生物反應(yīng)器內(nèi)的氣體壓力可影響在其中進(jìn)行的發(fā)酵反應(yīng)效率。因此，可調(diào)節(jié)壓力以提高發(fā)酵效率。常見反應(yīng)的合適壓力是本領(lǐng)域已知的。
[0266]氣流I可包含多個不同流體?？蔀椴煌牧黧w提供獨(dú)立的處理單元，僅有一部分單元是共用的。例如，可用第一氣體分離器接收第一流體，用第二分離器接收第二流體。第一和第二分離器中的輸出可都被送入同一個生物反應(yīng)器。其它程度的共同性或差異也包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。
[0267]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的系統(tǒng)107的示意圖。工業(yè)工藝中(例如BOF鋼鐵增碳工藝)的廢氣流14通過合適的導(dǎo)管進(jìn)入系統(tǒng)107。如虛線所示，流體14是間斷性的。就持續(xù)供應(yīng)而言，流體14可以是持續(xù)的流體，但該流體中特定氣體的含量可隨時間變化。例如，流體14中的CO可隨時間在高水平和低水平之間變化。無論流體14是否實際上是持續(xù)或間斷生成，在預(yù)期的氣體水平太低而無法支持發(fā)酵反應(yīng)(或不希望的氣體(例如O2)水平太高)時，可使用閥門2將流體14導(dǎo)向其它地方，包括進(jìn)入大氣(用流體3表示)。當(dāng)流體14含有期望濃度的期望的氣體時，閥門2將產(chǎn)生的流體15送入緩沖儲罐16。由于流體15可能的間斷性，其也用虛線表示。
[0268]緩沖儲罐16作為儲存容器在預(yù)處理4對氣體進(jìn)行預(yù)處理之后向生物反應(yīng)器15提供氣體。根據(jù)氣流14的具體來源和/或具體的發(fā)酵反應(yīng)和/或為此所選的微生物，預(yù)處理4可位于系統(tǒng)１內(nèi)的其它地方或甚至省略。
[0269]緩沖儲罐16優(yōu)選地釋放穩(wěn)定的氣流17，其經(jīng)過預(yù)處理4后以穩(wěn)定的流體18進(jìn)入生物反應(yīng)器5。以實線顯示流體17和18以體現(xiàn)它們的基本連續(xù)性。可在緩沖儲罐16內(nèi)壓縮氣體以減少所需的空間。可使用閥門(未顯示)或其它裝置設(shè)置緩沖儲罐16的氣體的流速。流速優(yōu)選為恒定的并且選擇使緩沖儲罐16始終有氣體供應(yīng)并且不會耗盡。根據(jù)一個實施方案，控制裝置(未顯示)可根據(jù)其中含有的氣體量控制閥門來改變氣體15的流速。更具體的，當(dāng)緩沖儲罐16中儲存的氣體降至預(yù)定水平之下時，可降低緩沖儲罐16的氣體流速，因此，盡管未向生物反應(yīng)器5提供最優(yōu)水平的氣體，通過改進(jìn)生物反應(yīng)器5內(nèi)的微生物的條件，提供降低水平的氣體至少可以減輕對生物反應(yīng)器5生產(chǎn)率的影響。
[0270]因此，由于在儲罐16中對氣體的緩沖，在圖7所示的實施方案中，緩解了流體14的間斷性。
[0271]基于本發(fā)明的公開，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，緩沖儲罐16優(yōu)選包括除去發(fā)酵工藝廢氣的排氣口。生物反應(yīng)器5還可具有用于將其內(nèi)溫度控制在微生物可接受限度內(nèi)的冷卻裝置。
[0272]根據(jù)系統(tǒng)107的備選實施方案，用實現(xiàn)相同或相似功能的備選存儲形式代替緩沖儲罐16。這些形式可包括吸附以及變壓和/或變溫中的一種或多種。根據(jù)一個實施方案，氣體存儲在溶液中，然后溶液被送入生物反應(yīng)器5。這樣一種設(shè)置可減少生物反應(yīng)器5內(nèi)的處理時間，因為所需的氣體在它們進(jìn)入生物反應(yīng)器5之前已經(jīng)溶解。
[0273]在圖8顯示的設(shè)置中，緩沖儲罐16是任選的，用虛線表示。在省略緩沖儲罐16的實施方案中，當(dāng)流體14可以獲得并且具有可接受的組成時被送入生物反應(yīng)器5，導(dǎo)致流體19和20間斷。正如前面提到的，這對特定的微生物或工藝是不理想的。當(dāng)包括緩沖儲罐16時，一部分流體15可被送入，因此當(dāng)可以獲得流體15時，氣體同時進(jìn)入生物反應(yīng)器5和緩沖儲罐16。進(jìn)入緩沖儲罐16的氣體可被儲存直到當(dāng)流體15不可獲得時。然后至少低水平的氣流可從緩沖儲罐16進(jìn)入生物反應(yīng)器5。
[0274]對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，工業(yè)工藝中的廢氣流14可能溫度很高。微生物允許的溫度范圍不同，但對于通常用來制備醇類如乙醇的厭氧細(xì)菌而言，大約在30°C到50°C的范圍。氣流14可導(dǎo)致生物反應(yīng)器5內(nèi)的溫度上升，并且由于發(fā)酵工藝的放熱性而加劇，從而需要在系統(tǒng)中添加降溫措施。根據(jù)一個實施方案，當(dāng)為生物反應(yīng)器5配置冷卻裝置時，應(yīng)考慮到流體14的間斷性。更具體地，當(dāng)流體14不可獲得或者沒有期望的組成時，生物反應(yīng)器5中的溫度可下降到所用微生物允許溫度范圍的下限(例如到30°C )。然后，當(dāng)具有期望組成的氣流14可以獲得時，允許生物反應(yīng)器5內(nèi)的溫度的上升，從而降低了當(dāng)氣體進(jìn)入生物反應(yīng)器5時對提供冷卻裝置的要求。這樣，對通常用來制備醇類如乙醇的厭氧細(xì)菌，允許生物反應(yīng)器5內(nèi)的溫度達(dá)到50°C。根據(jù)一個實施方案，在生物反應(yīng)器5接近最高允許溫度時，可禁止氣流14進(jìn)入生物反應(yīng)器5，即使該氣流具有期望的組成，從而使生物反應(yīng)器5中的溫度更易控制。在這種情況下，可將氣體儲存以便供以后使用或?qū)怏w移至別處，此時可對氣體進(jìn)行額外的處理步驟，基于本發(fā)明的公開，所述處理步驟對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。本發(fā)明的具體實施方案提供了冷負(fù)荷的測量。
[0275]圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的系統(tǒng)109的示意圖。壓縮機(jī)22用來壓縮間斷的流體21，如果可能，將壓縮流體23送入生物反應(yīng)器5。這樣，根據(jù)圖9的實施方案，生物反應(yīng)器5有效地同時作為發(fā)酵罐以及儲罐，當(dāng)可以獲得流體14并且流體具有期望的組成時，所述生物反應(yīng)器可將氣體在升高的壓力下保存于其中。在流體14中斷或當(dāng)流體14不具有期望的組成時，廢氣可從生物反應(yīng)器5中緩慢排出使得生物反應(yīng)器內(nèi)的壓力下降，但這樣能夠連續(xù)保持或充分好地保持任意期望的氣體的足量水平，以防止出現(xiàn)微生物失去氣體的過長時間。
[0276]圖1Oa和IOb是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的系統(tǒng)IIOa和IIOb的示意圖，其中使用多組間斷性氣流14a和14b給生物反應(yīng)器5內(nèi)的發(fā)酵反應(yīng)供料。這樣，當(dāng)流體14a不可獲得或不具備期望的組成時，流體14b可作為備選為生物反應(yīng)器5供料。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可以利用兩種以`上的氣流源。同樣，根據(jù)每種流體的具體組成，流體處理步驟中共同步驟的數(shù)量可以不同。圖1Oa和IOb中所示的設(shè)置可以在鋼廠中實施，所述鋼廠在鋼鐵制造工藝不同階段產(chǎn)生不同流體。此外或可選擇地，可使用其它氣源。例如，在利用厭氧細(xì)菌發(fā)酵制備醇類如乙醇時，可使用傳統(tǒng)來源提供流體(例如生物質(zhì))。
[0277]圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的系統(tǒng)111的示意圖，并結(jié)合了本文之前描述的若干階段。如之前參照圖7所描述的，將間斷性流體14轉(zhuǎn)化為基本連續(xù)流體17?；具B續(xù)的流體17進(jìn)入氣體分離器13，該分離器適于從底物流的其它組分如CO中分離C02。含有CO2的分離流體12被送入CO2去除設(shè)備8，在其中該流體可被轉(zhuǎn)化為適合進(jìn)一步使用或儲存的產(chǎn)物。剩余的含有CO的流體進(jìn)入任選的預(yù)處理4，然后進(jìn)入生物反應(yīng)器5。還可提供任選的導(dǎo)管24將生物反應(yīng)器5中排出的含有CO2的流體送回CO2去除設(shè)備8，在其中該流體可被轉(zhuǎn)化為適合進(jìn)一步使用或儲存的產(chǎn)物。
[0278]圖12是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施方案的系統(tǒng)112的示意圖。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐25可以是工業(yè)工藝(如鋼鐵脫碳)的一部分，并產(chǎn)生廢流I。在具體實施方案中，廢流I含有CO和/或C02。廢流I通過任選的預(yù)處理4a。通常，預(yù)處理4a是適合從流體I中去除顆粒物質(zhì)的洗滌器或水浴設(shè)備。當(dāng)確定流體不具備期望的組成時，閥門2a適于將至少一部分的流體I送入廢氣煙? 26。移走的流體用箭頭3a表示。通常，送入廢氣煙? 26的流體將如箭頭27所示被排出進(jìn)入大氣。通常，流體是氣態(tài)的并且能夠由一個或多個風(fēng)機(jī)和/或泵送入廢氣煙囪和任選地通過系統(tǒng)113。
[0279]如果確定流體I具有期望的組成，其可以作為流體14被送入任選的熱交換器28a。通常，流體14是間斷性的并且可能需要冷卻。熱交換器28a可以是本領(lǐng)域已知的任何熱交換裝置。然而，作為例子，其是殼管式換熱器。如果需要，可以使用任選的預(yù)處理4b以從流體中去除殘留的顆粒物質(zhì)。作為例子，可使用膜濾器從流體中去除顆粒物質(zhì)。預(yù)處理4b還可包括從任選的冷凝流體中去除冷凝水的裝置，如氣液分離罐或者本領(lǐng)域已知的其它合適的水汽收集設(shè)備。
[0280]在進(jìn)入氧氣去除階段29之前，可通過任意合適的裝置對流體加壓，如氣體壓縮機(jī)22?？梢允褂萌我膺m合去除氧氣的方式，作為例子，氧氣去除階段29包括熱銅催化劑或催化轉(zhuǎn)化器。流體在進(jìn)入保持管30之前，可用任選的熱交換器28b進(jìn)行冷卻。保持管30有足夠的長度，從而在流體到達(dá)閥門2b之前可通過任意合適的確定方式(未顯示)來確定流體組成。如果確定該流體具有期望的組成，其可通過閥門2b被送入緩沖存儲設(shè)備16。如果組成不適合發(fā)酵，例如氧氣含量太高，閥門2b可將流體移到廢氣煙? 26 (以箭頭3b表示)。緩沖裝置16將基本連續(xù)的底物流17經(jīng)過任選的預(yù)處理4c送入生物反應(yīng)器5?？墒褂萌芜x的預(yù)處理4c從流體17中去除不希望的污染物如微生物。作為例子，可使用滅菌過濾器或膜從該流體中去除不希望的細(xì)菌。從生物反應(yīng)器5中排出的廢流3c也可進(jìn)入廢氣煙囪26。
[0281]確定流體組成的裝置可被任選地包括在系統(tǒng)的任意階段。作為例子，用于確定02、CO和/或C02組成的裝置可包括在閥門2a的上游、保持管30或閥門2b的上游和/或生物反應(yīng)器5的上游。此外，由于流體的潛在易燃性，安全設(shè)備如阻火器也可被包括在系統(tǒng)的任意階段。
[0282]圖13是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施方案的系統(tǒng)113的示意圖。廢流I和流31 (其中之一或兩者可以是間斷的)被導(dǎo)入混合器32?；旌掀?2適于控制至少兩種流體(如流體I和31)的流動并將流體混合得到具有期望組成的流體(流體33)。不希望的流體，如具有不希望組成的流體可如箭頭3所示被導(dǎo)出系統(tǒng)113，而具有期望組成的流體33可被導(dǎo)入任選的緩沖器16、任選的預(yù)處理4及隨后的生物反應(yīng)器5進(jìn)行產(chǎn)品轉(zhuǎn)化?？蛇B續(xù)監(jiān)測或者采用本領(lǐng)域中已知的任意方式監(jiān)測流體1、3、31和33的組成和流速。
[0283]基于它們各自的組成，在進(jìn)入混合器32之前，流體I和/或31可被另外或可選擇地移走。當(dāng)只有一種流體具有不希望的組成時，這樣的設(shè)置能夠使得流體1、31的其中一種被使用。
[0284]在具體實施方案中，混合器32包括混合室，其通常包括小容器或一段管道。在這種情況下，該容器或管道可具有適于促進(jìn)各個組分湍動并加速均質(zhì)的靜態(tài)混合設(shè)備，如擋板。
[0285]在本發(fā)明的某些實施方案中，混合器32包括用于控制兩種或多種流體混合以獲得理想優(yōu)化的底物流33的裝置。例如，混合器32可包括控制流體I和31各自進(jìn)入混合器32的流速的裝置，由此獲得具有期望組成的流體33 (例如期望的C0:H2比)。該混合器在混合室下游還優(yōu)選地包括監(jiān)測設(shè)備(連續(xù)的或其它方式的)。在具體實施方案中，該混合器包括處理器，其適于根據(jù)監(jiān)測裝置的反饋結(jié)果控制不同流體的流速和/或組成。
實施例
[0286]參照下述非限制性的實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步更詳細(xì)的描述。
[0287]除非另有說明，在這些實施例描述的發(fā)酵中所用的基質(zhì)和溶液含有下述成份。
[0288]基質(zhì):
[0289]表1:基質(zhì)LM23和LM33的組成
【權(quán)利要求】
1.通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)包括包括醇類和/或酸類的一種或多種產(chǎn)品的方法，該方法包括: i.接收來自工業(yè)工藝的含有CO的氣流； ?.將氣流送入含有在液體營養(yǎng)基質(zhì)中的一種或多種一氧化碳營養(yǎng)菌的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中；和 ii1.將所述生物反應(yīng)器中的所述培養(yǎng)物發(fā)酵以生成包括醇類和/或酸類的一種或多種產(chǎn)品， 其中所述含有CO的氣流來源于甲烷或天然氣的氣化或由烴的蒸汽轉(zhuǎn)化得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含有CO的氣流由甲烷的蒸汽轉(zhuǎn)化得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含有CO的氣流來源于天然氣的氣化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括使用CO2去除設(shè)備，從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內(nèi)容物: i.進(jìn)入所述生物反應(yīng)器之前的流體；和 ?.已經(jīng)離開所述生物反應(yīng)器的流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一氧化碳營養(yǎng)菌選自梭菌屬、穆爾氏菌屬和氧化碳嗜熱菌屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其中所述一氧化碳營養(yǎng)菌為Clostridiumautoethanogenum、Clostridium Ijungdhalii 或 Clostridium carboxydivorans。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、5或6所述的方法，其中所述一氧化碳營養(yǎng)菌為Clostridiumautoethanogenum。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述Clostridiumautoethanogenum為具有德國生物材料資源中心(DSMZ)保藏號19630菌株的識別特征的Clostridiumautoethanogenum。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和/或乙酸鹽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其中所述甲醇或天然氣的氣化包括將該甲醇或天然氣與氧部分燃燒以生成合成氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述烴的蒸汽轉(zhuǎn)化包括將天然氣烴在高溫下轉(zhuǎn)化生成CO和h2。
【文檔編號】C12P7/54GK103757059SQ201410048962
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2007年10月28日
【發(fā)明者】肖恩·丹尼斯·辛普森, 克里斯托夫·科利特, 理查德·盧埃林·雪莉·福斯特, 邁克爾·查爾斯·米爾納·科克雷姆, 西蒙·大衛(wèi)·奧克利 申請人:蘭扎泰克新西蘭有限公司