CN103958687A - 工业废物中的碳氧化物到生物质和化学产物的化能自养转换 - Google Patents

工业废物中的碳氧化物到生物质和化学产物的化能自养转换 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于使用化能自养微生物来从工业废物俘获碳的系统和方法。一个示例性的系统包括：工业源，诸如水泥厂；以及包括微生物的生物反应器。生物反应器被供给有来自源的废物流，该废物流向微生物提供碳；并且也被供给有氢原料，微生物从该氢原料获取它们的能量。可以从被供给有机原料的气化器提供附加的或备选的碳。向微生物提供的碳被转换为化学产物，该化学产物可以从生物反应器恢复。可以通过使用由可再生能源产生的电通过电解来产生氢。

Description

工业废物中的碳氧化物到生物质和化学产物的化能自养转换
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年9月12日提交并且名称为“Methods andMicrobes for Industrial Greenhouse Gas Capture and Production ofChemicals and Biomass by Chemoautotrophic Microbes”的第61/533672号美国临时专利申请以及于2012年4月30日提交并且名称为“Chemoautotrophic Methods and Microbes for CarotenoidSynthesis”的第61/640459号美国临时专利申请的权益，这两个美国临时专利申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及生物反应器系统，并且更具体地涉及将生物反应器系统用于由从工业废物流俘获的碳化能自养合成化学产物的方法。
背景技术
对作为用于生产诸如塑料、化妆品、润滑剂、粘合剂、涂料、交通运输燃料以及许多其它的日用品、特制品和精细化学产品之类的产品的主要原料的石油化学产品的依赖日益受到关注，这是由于由此导致的温室气体产生以及石油原料的高且可变的成本两方面的原因。从微生物源获取的可再生化学产品提供了对于从化石资源获取的化学产品的在环境上可持续的替代选择。
微生物需要碳源以存活、生长并生产化学产物。许多工业源产生大量的碳，主要是在废气(如，碳氧化物(二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO))中的一种或两种)中。来自工业源的碳氧化物主要是由燃烧化石燃料和/或化学产品产生的，并且由于它们对有害的环境条件有贡献的原因而被归类为温室气体。因此，从工业气体废气(effluent)俘获碳氧化物既是一种用于生物介导的化学生产以获得碳的方法，也是一种减少释放到大气中的碳氧化物的量的方法。
水泥制造是大气碳氧化物以及其它温室气体的一个主要来源。在水泥生产中，将矿物原料逐渐加热到越来越高的温度，引起一系列化学反应发生。这些反应中的一个是煅烧，也称作焙烧，其中在原料内的含碳酸盐矿物分解，释放二氧化碳。碳酸钙的分解例如表达如下：
CaCO3→CaO+CO2.
在甚至更高的温度下的进一步反应产生“熟料(clinker)”，该熟料是烧结的物质，其随后被磨碎至用于水泥的适当的细度。
除了在上文的煅烧过程中由碳酸盐矿物分解所产生的二氧化碳之外，水泥生产也以其它方式产生二氧化碳。例如，机械加工过程(诸如，压碎和碾碎)以及用于生产最终熟料的高温，所有这些都倾向于通过燃烧化石燃料来实现。
因此，水泥制造产生至少两个碳废物流。第一流主要包括碳酸盐分解所得的二氧化碳。在该第一流中水蒸气(蒸汽)是主要杂质，因为在原矿物原料中的水也被驱掉了。其它杂质气体随着在原矿物原料中的具体组分、纯度和污染物而变化。
第二碳废物流包括二氧化碳、一氧化碳以及由原料燃料的燃烧而产生的其它气体，该原料燃料的燃烧例如用于加热以及使传送器和研磨器的发动机运行。这些燃料经常是化石燃料，但也可以是由生物质、废物材料或其它燃料源的燃烧或气化而获取的燃料。该气体在第二流中的准确组分取决于在使用的燃料原料的组分。
第一和第二气流两者的组分还受空气的使用并且有时受其它气体的使用影响。例如，两种流都倾向于包括来自大气的氮和氧，这是因为焙烧通常在空气中执行并且空气通常为燃烧提供氧。水泥厂烟道气还经常包含硫和氮的氧化物(通常称作SOx和NOx)以及硫化氢和其它温室气体。
可再生化学产品的生产涉及俘获碳氧化物并且将其并入化学产物中。微生物系统提供在环境上可持续的、避免温室气体的、并且能量、水和碳高度有效的、用于俘获碳氧化物的化学制造过程。在多数领域中微生物化学生产可以是本地的，并且可以与释放碳的工业(诸如，水泥制造)位于共同的位置。通过使用从工业废物流(无论是气态、液态或固态的废物)俘获的碳，能够生产真正碳中和的、可再生的石油产物替代品。这还减少对于进口化石能源的依赖。
发酵是一个众所周知的过程，其中提供化学化合物(诸如，糖)作为原料。在发酵中，糖被分解以提供商业上有用的但是能量更低的产物(如，酒精)。这类化学原料提供碳源，该碳源对于构建新的化合物以及允许微生物代谢和生长(合成代谢)是必不可少的；并且提供用于在能量上驱动该过程的化学键能。该类代谢被称作是异养的，并且在历史上已经主导不同细菌和真菌的使用以用于制造对社会有益的化学产品。
称为自养的另一类微生物代谢指的是将无机碳源(主要是俘获的二氧化碳)用作主要碳源。这些无机碳源提供了必须的碳源，但是包含的化学能量明显比在异养生长中使用的糖更少。包括绿色植物和水藻的光自养生物使用光能以驱动对二氧化碳的俘获。术语“化能自养”与以下生物体有关，该生物从无机化学源获取它们的能量和它们的碳两者。
化能自养代谢描述一种代谢模式，其中生物摄取无机碳作为主要碳源(诸如，通过俘获二氧化碳)，并且从化学源获得能量(诸如，通过将氢氧化)。化能自养代谢主要被发现在数种细菌中，包括但不限于，紫色非硫(PNS)细菌(诸如，荚膜红细菌、类球红细菌、沼泽红假单胞菌)、β-变形菌(诸如，耐金属罗尔斯通氏菌(Ralstonia metallidurans)(富养罗尔斯通氏菌))、假单胞菌(诸如，假单胞菌carboxydovorans(Pseudomonas carboxydovorans))、产甲烷细菌(诸如，嗜热自养甲烷杆菌、富养罗尔斯通氏菌(Ralstoniaeutropha))、β-变形菌(诸如，耐金属罗尔斯通氏菌、富养罗尔斯通氏菌)、产乙酸细菌(acetogenous bacteria)(诸如，伍氏醋酸杆菌)或者表达吸氢酶和二氧化碳固定代谢两者(无论是内源性的还是通过基因操作、突变、选择或定向进化所引入的)的其它微生物，诸如大肠埃希氏菌、项圈藻、枯草芽孢杆菌等。在许多情况下，这些微生物能够异养以及光养代谢，或者使用能源和碳源两者的混合代谢。在一些情况下使用分子氢(H2)作为能源，并且使用碳氧化物作为碳源。一氧化碳也可以充当可能的能源和可能的碳源，但是由于一氧化碳的毒性，一氧化碳通常最好与氢和/或二氧化碳和/或氧混合使用。
气化是如下过程，其中生物质、化石燃料或其它含碳材料在称作气化器的受控反应器中经受高温以及受限供应的空气或氧。该过程(当未提供氧时称作热解)产生数种气体，主要包括一氧化碳和氢，但还可能产生二氧化碳、水蒸气、甲烷、乙烯和乙烷中的一种或多种。在更低温度下的热解称作烘焙。通过气化产生的气体流具有大量的一氧化碳，并且可以进一步处理以经由称作重整工艺的数个过程，来将一氧化碳和水转换为二氧化碳和氢。重整技术包括但不限于，蒸汽重整、催化重整和生物介导的重整(诸如，生物催化电解或发酵氢生产)。此外，分子氢和一氧化碳是合成气的主要组分，其中变化的量的一氧化碳和分子氢由含碳燃料的气化产生。例如，合成气可以通过使城市废物、废水固体、废木制品、废木材、废塑料和非生物可降解的含碳材料的有机生物质裂化来生产，以产生用于生产燃料和更复杂的化学产品的前体。
发明内容
根据本发明，在不包含显著备选能源的生物反应器中的水培养基中的化能自养微生物，从被添加到生物反应器的分子氢和碳氧化物获取它们的主要能源和碳。碳氧化物可以作为工业过程(诸如，水泥制造)的废产物被产生。附加地或备选地，可以由对有机原料的气化提供碳氧化物，该碳氧化物可能然后被重整。向微生物提供的碳被微生物转换为有用的化学产物，该化学产物每单位重量包含更多能量并且比气态输入更有价值。本发明的方法还生产“绿色”水泥；该水泥是碳中和的，或者至少是使用在制造期间向大气中释放更少的温室气体的过程生产的。此外，本发明的方法允许在水泥制造中使用备选的燃料源，并且允许提供对于废气的俘获和利用，而从管理和/或成本角度来看这通常是不实际的。备选能源包括气化的煤、生物质或废物材料、和燃料油、以及直接燃烧的许多类型的材料。此外，本发明的方法提供对于用于混合(blending)气体的方法的过程的改进。用于混合气体的这些方法在与由水泥制造产生的废气一起使用时，特别实用。
本发明的一个示例性的系统包括生物反应器和工业源，该工业源(诸如，水泥制造、发电等)产生包括碳氧化物的废物流。生物反应器包括：第一底物，包括废物流；第二底物，包括分子氢；以及液体培养基，包括微生物的培养物，该微生物的培养物能够化能自养地俘获在第一底物中的至少一些碳氧化物(诸如，荚膜红细菌和/或富养罗尔斯通氏菌)。系统的一些实施例包括第二底物的源(诸如，存储罐或电解系统)。在一些实例中，电解系统可以被设置在生物反应器内。包括电解系统的一些实施例还包括与电解系统电连通的可再生能源。各个实施例进一步包括分离系统，该分离系统被配置用于从生物反应器接收液体培养基，并且被配置用于从接收到的液体培养基分离生物质和/或化学产物。
本发明的一些实施例进一步包括气体混合单元，该气体混合单元在工业源和生物反应器之间流体连通。在这些实施例中，气体混合单元被配置用于将来自工业源的废物流与另一个气流(诸如，来自气化器)混合，以产生用于生物反应器的第一底物。包括气体混合单元的一些实施例还包括与气体混合单元流体连通的存储系统。由于在第一底物中的碳是用于微生物培养物的碳源，因此存储系统可以在其中工业源不生产的实例中提供第一底物。
各个实施例还包括气化器以及重整器，其中重整器被配置用于从气化器接收气态输出并且其中生物反应器被配置用于接收重整器的气态输出。来自气化器的热和/或一些气态输出还可以被转移到其它用途。在这些实施例中的一些中，重整器进一步被配置用于接收除了来自气化器的气态输出之外的第二气流(例如，来自过程冷却的流)。在其中重整器接收流的实施例中，重整器可以是蒸汽重整器。在各个实施例中，重整器还可以是催化重整器。
本发明的另一个示例性的系统包括水泥制造设施和生物反应器系统。水泥制造设施包括水泥窑以及被配置用于俘获来自水泥窑的排出气体的排气系统；而生物反应器系统包括生物反应器，该生物反应器与排气系统流体连通并且被配置用于从来自排气系统的第一气态流中的碳氧化物来产生化学产物，第一气态流包括来自水泥窑的排出气体。生物反应器系统还可以包括分离系统，该分离系统被配置用于从生物反应器接收液体培养基并且从接收到的液体培养基分离化学产物。示例性的系统可选地还包括：气化器，被配置用于产生第二气态流；以及重整器，被配置用于接收第二气态流并且产生第三气态流，其中生物反应器与重整器流体连通以接收第三气态流。在这些实施例中的一些中，重整器进一步被配置用于从水泥制造设施接收至少一些第一气态流，从而在生物反应器和排气系统之间的流体连通路径包括重整器。
在各个实施例中，系统还包括气体混合单元，该气体混合单元在生物反应器和排气系统之间流体连通。这些系统中的一些进一步包括被配置用于产生分子氢流的电解系统，并且其中气体混合单元被配置用于接收分子氢流。在这些后者实施例中的一些中，电解系统进一步被配置用于产生分子氧流，并且气体混合单元被配置用于独立于分子氢流而接收分子氧流。包括气体混合单元的一些实施例进一步包括控制器，该控制器被配置用于监控生物反应器中的条件(诸如，pH值、温度、气体组分等)，并且进一步被配置用于响应于条件而调节进入气体混合单元的气体的流量。
本发明的一个示例性的方法包括：向生物反应器提供碳氧化物；向生物反应器提供分子氢，并且可选地向生物反应器提供分子氧；并且在生物反应器中的生长培养基中维持化能自养微生物的培养物，该微生物能够化能自养地俘获至少部分碳氧化物以产生化学产物。在一些实施例中，向生物反应器提供碳氧化物包括：将来自工业过程的废物流连通到生物反应器。同样地在一些实施例中，向生物反应器提供碳氧化物包括：使有机原料气化以产生气化的输出，使气化的输出经受重整以产生经重整的输出，并且将经重整的输出连通到生物反应器。
在各个实施例中，提供分子氢的步骤包括产生分子氢。在这些实施例中的一些中，产生分子氢包括使用重整(诸如，蒸汽重整或催化重整)。同样地在一些实施例中，产生分子氢包括使用水的电解。在这些后者实施例中，产生分子氢进一步包括产生用于水的电解的电力；并且在这些实施例中的一些中，在生物反应器内执行电解。
可选地，示例性的方法还包括：在生物反应器中维持培养物之前，使化能自养微生物培养物生长。示例性的方法还可以包括从生长培养基分离化学产物；并且例如，在这些实施例中的一些中，化学产物包括羟基链烷酸酯或聚羟基链烷酸酯。在各个实施例中，示例性的方法还包括从生长培养基分离生物质；在这些实施例中，使有机原料气化包括使生物质气化。在各个实施例中，按体积在约60％至约80％的范围内提供分子氢，按体积在约5％至约20％的范围内提供碳氧化物，并且按体积在最多30％的范围内提供分子氧。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例性的实施例的系统的示意图。
图2是根据本发明的一个示例性的实施例的生物反应器的示意图。
图3是根据本发明的另一个示例性的实施例的系统的示意图。
图4是结合本发明的系统可用的示例性的混合器和存储系统的示意图。
图5是结合本发明的系统可用的示例性的气化器和蒸汽重整器的示意图。
图6是根据本发明的另一个示例性实施例的系统的示意图。
图7是根据本发明的另一个示例性实施例的系统的示意图。
图8是根据本发明的一个示例性实施例的合成方法的流程图。
图9是根据本发明的另一个示例性实施例的系统的示意图。
具体实施方式
本发明涉及将废物碳化能自养转换为有用产物(诸如，生物质和/或化学产品)，以便提供用于俘获温室气体的经济上可行、环境上有吸引力并且可持续的过程，并且由其大规模地生产化学产物和/或生物质。更具体地，工业废物中的一氧化碳和/或二氧化碳可以与分子氢一起供给在生物反应器中的化能微生物；微生物将氢用作它们的能源。微生物使用能量来俘获碳以及生长、繁殖以及产生副产物(它们自己的废物流)。生物质和这些副产物(典型地为有机化合物)两者可以被收集。
生物材料的保藏
下列微生物已经由美国模式培养物保藏所(10801UniversityBoulevard,Manassas Va.20110-2209,USA(ATCC))保藏。
表格1
微生物名称    ATCC编号    保藏日期
荚膜红细菌    PTA-12049    2011年8月25日
该保藏根据“国际承认用于专利程序的微生物保存布达佩斯条约”及其(布达佩斯条约)细则的条款来进行。这就保证从保藏日期开始保持培养物可行30年。微生物将根据布达佩斯条约的条款而由ATCC提供，并且受到Oakbio公司与ATCC之间协议的约束，这就保证了在相关美国专利发布时或者在向公众公开任何美国或外国专利申请时(无论哪种情况在先出现)，公众可永久且不受限制的获得保藏培养物的子代，而且保证了依据35USC§122及依照它的管理章程(包括37CFR§1.12，特别要提及886OG638)由美国专利和商标局长决定的个人将有资格可获得子代。
本申请的受让人已经同意，如果在保管的培养物将在适合的条件下培养时死亡或丢失或被破坏，它们将在通知时被迅速地用相同培养物的可行样本所替换。所保藏的菌株的可获得性不应被解释为对违反任何政府的机构依据其专利法所授予的权利实践本发明的许可。
图1示出了本发明的一个示例性系统100的示意图。系统100包括生物反应器110，该生物反应器110包括化能自养微生物培养物120。系统100还包括碳源130，诸如产生废物流140的工业源，该废物流140包括二氧化碳、一氧化碳和碳氧化物中的一种或多种。碳源130的示例包括水泥制造设施、燃烧化石燃料的发电厂、含铁金属产品制造(例如，铸造和锻制)、有色金属产品制造、食品制造、生物质的气化、煤的气化、以及化学制造(诸如，石油炼制、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭制造)。废物流140对被供给到生物反应器110中的第一底物有贡献。第一底物可以简单地是废物流140自身，或者可以包括与其它组分组合(诸如与空气混合)的废物流140。
系统100还包括分子氢源150，诸如氢存储罐或者电解系统(见图7)。氢源150产生包括分子氢的氢流160。氢流160向生物反应器110贡献第二底物。第二底物可以同样简单地为氢流160自身，或者可以包括与其它组分组合的氢流160。系统100可以进一步包括对第二底物有贡献的分子氢的一个或多个附加源150。
虽然图1示出两个底物单独地被供给到生物反应器110中，但是可以在引入生物反应器110之前组合底物。如本文所使用的，符合在生物化学中通常理解的含义而使用术语“底物”，即“微生物摄取以生长的材料”。在一些实施例中，底物被提供到生物反应器110的速率的比受控，以优化被供给到培养物120的总组分，和/或以获得期望的总废气组分。
底物可以是气态、液态或固态的。液态底物可以利用碳氧化物气体来饱和、或者利用分子氢来饱和、或两者。可以通过使用标准方法学(诸如例如，微气泡分散生成器(micro-bubble dispersiongenerator)(见通过引用并入本文的Hensirisak等人的“Scale-up ofMicrobubble Dispersion Generator for Aerobic Fermentation”，AppliedBiochemistry and Biotechnology Volume101,Number3/October,2002))来达到这点。
化能自养微生物培养物120能够在生物反应器110内的适当条件下俘获第一底物中的碳氧化物中的至少一些，并且在一些实例中俘获其中的大部分或所有，以产生生物质170和/或化学产物180。在一些实施例中，这种适当的条件并不需要光，因而在一些实施例中生物反应器110不包括人工光源。自然光照可以用作附加能源，或者被排除。在另外的实施例中，自然或人工光可以选择性地用于激励或影响代谢途径。用于应用该过程的候选微生物的两个特征是：在它们的外膜中表达吸氢酶(诸如，镍铁(NiFe),氢化酶，经常写作‘[NiFe]氢化酶)，并且在它们的外细胞膜中在羧酶体或微区室(microcompartment)中表达碳氧化物俘获系统(诸如由核酮糖二磷酸羧化酶-加氧酶提供)，该羧酶体或微区室能够从氢化酶或一氧化碳俘获接收能量。适用于培养物120的微生物包括细菌，诸如，紫色非硫(PNS)细菌(如，荚膜红细菌、类球红细菌、沼泽红假单胞菌)、β-变形菌(诸如，耐金属罗尔斯通氏菌(富养罗尔斯通氏菌)、假单胞菌(诸如，假单胞菌carboxydovorans)、产甲烷细菌(诸如，嗜热自养甲烷杆菌)、β-变形菌(诸如，耐金属罗尔斯通氏菌和富养罗尔斯通氏菌)、产乙酸细菌(诸如，伍氏醋酸杆菌)以及表达吸氢酶和二氧化碳固定代谢两者(无论是内源性的还是通过基因操作、突变、选择或定向进化所引入的)的其它微生物，诸如大肠埃希氏菌、项圈藻、枯草芽孢杆菌等。
可以通过化能自养转换而产生的化学产物180的示例包括有机化合物，诸如羟基链烷酸酯类和聚羟基链烷酸酯类(如，羟基丁酸和聚羟基丁酸)以及杂聚物类，该杂聚物类包含下列各项的各种混合：羟基丁酸酯和羟基戊酸酯、链烷酸酯二醇类、丙二醇、正十八烷-1,12-二醇、和类胡萝卜素类、脂肪酸类、脂肪类、油类、和烷烃类。一些示例性的聚羟基链烷酸酯类包括3-羟基丁酸酯单体类或者羟基丁酸酯和羟基戊酸酯单体类。可以通过各种方法，包括解聚，来将聚羟基链烷酸酯类转换为其它物质，诸如单体、脂肪酸甲酯类和其它聚合物类。
一些化学产物180可以进一步被转换为其它物质，诸如生物燃料(如，丁醇、甲酮类、甲酯类、烷烃类、生物柴油)、脂肪酸类和聚三亚甲基(polytrimethylene)(如，聚对苯二甲酸丙二醇酯)以及各种生物燃料。在一些实施例中，化学产物180包括聚羟基链烷酸酯类、类胡萝卜素类、脂多糖类、包括一种或多种链烷酸酯二醇类以及一种或多种其它醇类的混合醇流、或者各种其它化学产品，并且可以通过本领域已知的方法从化能自养合成培养液(broth)恢复。副产物(诸如，酸类，包括乙酸和丁酸)也可以使用本领域已知的方法从培养物培养液恢复。从生物反应器110收集的生物质170也可以是有用的商品，因为它可以被转换为生物燃料，用作动物饲料、颜料、用于人和/或动物的用于化妆品或营养目的的产品的添加剂，被转换为肥料，被气化等。
用于化能自养合成的生物反应器110可以包括一个或多个容器和/或塔或管道设备，并且可以包括例如连续搅拌釜式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)、固定化细胞反应器(Immobilized Cell Reactor，ICR)、滴流床反应器(Trickle BedReactor，TBR)、鼓泡塔(Bubble Column)、气升式发酵罐(Gas LiftFermenter)、静态混合器(Static Mixer)、流化床(Fluidized Bed)、升流(Up-flow)或降流(Down-flow)、连续、分批或循环的反应器、或者适合于维持适合的气流接触的任何其它容器。在一些实施例中，生物反应器110可以包括第一生长容器和第二化能自养合成容器；而在其它实施例中，贯穿生长和合成阶段两者使用单个容器。可以连同本发明一起使用的附加的生物反应器设计可以在于2011年8月6日提交的名称为“Chemoautotrophic Bioreactor Systems andMethods of Use”的第13/204649号美国专利申请中找到，该专利通过引用并入本文。
在生长阶段，小量的化能自养微生物培养物120生长到适合于随后合成阶段的浓度，其中化能自养微生物培养物120用于产生生物质170和/或一种或多种化学产物180。在这两个阶段中，生物反应器170中的条件通常不同，并且培养物120可以接收不同的底物。在其中生物反应器110包括生长和合成容器的那些实施例中，培养液从生长容器被供给到合成容器中，在该合成容器中产生化能自养合成产物(生物质170和/或化学产物180)。
图2示出了生物反应器200的示意图，其为适合于连续培养物的生物反应器110的一个示例。生物反应器200可以包括用于连同分离的生长容器一起使用的合成容器，或者可以包括适合于生长和合成阶段两者的容器。在图2中，生物反应器200包括容器205，该容器205在操作过程中保持包含化能自养微生物培养物120的一定量的液态培养基210。生物培养器200还包括：底物端口215，通过其可以将气态底物220引入容器205，以便引入到液态培养基210；培养基入口225，通过其可以将新鲜培养基230引入容器205，以便引入到液态培养基210；以及培养基出口235，通过其可以去除培养基210，例如以便收集生物质170和/或化学产物180。生物反应器200可以还包括顶部空间240和用于从顶部空间240排出气体的气体释放阀245。在一些实施例中，培养基出口235和培养基入口225经由如下系统连接，该系统收集生物质170和/或化学产物180并且更新培养基210以便再循环(见图3)。在一些实施例中，气体释放阀245附接到如下系统，该系统将气态底物再循环回底物端口215，并且可以进行增减以优化气体组分。
回到图1，将理解除了这两个底物之外，培养物120需要适合的培养基(即，培养基210)。适合的培养基210包含如下组分，诸如维生素、矿物质、和保持培养物120的必需并有效的微量营养素。这些组分中的一些可以被优化，以用于增加产物产量。适合于荚膜红细菌生长的化能自养培养基为本领域所知，例如由Madigan和Gest在“Growth of the Photosynthetic Bacteria Rhodopsuedomonas capsulatachemoautotrophically in the Dark with H2as the Sole Energy Source”(J.of Bacteriology，524-5301979年1月)中所描述的，该文章通过引用并入本文。
图3示出另一个示例性系统300的示意图。系统300包括生物反应器305作为生物反应器110的另一个示例。系统300还包括水泥制造设施310，并且生物反应器305位置接近水泥制造设施310，并且与水泥制造设施310流体连通以便从其处接收废物碳。水泥制造设施310包括：水泥窑315，在该水泥窑315中矿石原料被逐渐加热以产生熟料；以及排气系统320，其被配置用于俘获水泥窑315的排出气体。可以例如通过化石燃料(诸如，石油焦炭)的燃烧、气化或热解来实现加热。
虽然未在图3中示出，将理解设施310包括其它部件，诸如预热器、输送材料并且驱动研磨器的电机驱动设备等。由水泥窑315产生的排出气体包括：在水泥窑315内由碳酸盐分解而释放的二氧化碳、通过加热驱掉的矿物原料的水蒸气、以及在水泥窑315内消耗的燃料的燃烧产物。由排气系统320俘获的气体被提供到生物反应器305的入口325。在一些实例中，来自排气系统320的气体与其它气体混合(见图4)，或者在进入生物反应器305之前进一步被处理(见图5)。
可选地，来自设施310内的其它源的废气也可以由排气系统俘获并且与由水泥窑315产生的排出气体组合，或者如图3所示单独地提供到生物反应器305的另一个端口330，或者在单独的气体混合单元中(见图4)与来自排气系统320的气流组合、或者在引向生物反应器305之前进一步被处理(见图5)。这些其它废气可以包括来自蒸汽动力设备的蒸汽、来自制冷系统的蒸汽、来自预热器的排气、来自化学工艺的排气、来自发动机的排气、通过燃烧或加热过程作为蒸汽被驱掉的湿气等。
生物反应器305可选地包括用于引入空气或其它气体的入口335。生物反应器305进一步可选地包括用于从源345(诸如，源150)引入分子氢的入口340。生物反应器305还包的气孔350，用于从生物反应器305的顶部空间355释放在液态培养基360水平面的上方的气体。液态培养基360通过另外的入口365引入，并且从出口370取出。可以用分离系统375从培养基360分离生物质170和/或化学产物180，该培养基360是从生物反应器305去除的。如图3所示的液态培养基360的与各个端口的位置有关的水平面并不是有意义的，并且各种底物可以诸如通过喷洒而被引入顶部空间355或者引入液态培养基360。
在各个实施例中，通过气孔350排出的气体中的一些或全部可以通过一个或多个入口再循环，从而通过允许它再一次经过液相来增加它的反应时间或者影响它的反应程度。类似地，经过分离系统375的一些或所有液态培养基360可以通过入口365再循环回到生物反应器305中。在各个实施例中，生物质170由水泥制造设施310气化。分离系统375可以使用众所周知的分离技术，诸如分馏或蒸馏、渗透蒸发、以及萃取发酵。
图4示出一个示例性的气体混合单元400的示意图，该气体混合单元400是本发明的系统(诸如，系统100和300)的可选部件。例如，在一些实施例中，可选地在水泥制造设施310和生物反应器305之间使用气体混合单元400。气体混合单元400可以接收含碳废物流，诸如那些来自排气系统320和在水泥制造设施310中的其它源的含碳废物流，可选地为空气或其它气体，并且可选地为从气孔350再循环的气体。气体混合单元400可以将输入气流混合到期望的比例，诸如按体积约60％至约80％的分子氢、按体积约5％至20％的二氧化碳、和按体积约0％至约30％的氧。
图4还图示用于向第一底物提供备用碳供应的存储系统410。存储系统410可以存储含碳氧化物气体、包括有机或无机碳源的液体、或者包括碳源的固体。在一些实施例中，存储系统410存储由排气系统320提供的气体。在各个实施例中，存储系统410可以存储该气体作为加压气体或者作为液化产物。可以响应于组分的减少、改变、或者来自任何其它源的输入的终止，而向混合单元400动态地添加来自存储系统410的碳。例如，来自存储系统410的备用碳的输入可以在来自工艺源的碳流量中断时(诸如，在为了工厂维护或者响应于机械故障而水泥制作过程中断时)用于补偿碳输入的减少。以这种方式，生物反应器110中的生长和/或合成阶段可以继续不中断。
图5示出与流重整单元510组合的一个示例性的气化器500的示意图，该气化器500是本发明的系统(诸如，系统100和300)的另一可选的部件。气化器500接收有机原料(诸如，生物质)；在一些实施例中，生物质原料包括从生物反应器110收集的生物质170。气化器500在一些实施例中通过热解反应将有机原料转换为气态废气。将来自气化器500的气态废气与一种或多种可选的其它气流一起传输到蒸汽重整器510。例如，在碳源130包括发电厂的地方，另一个气流可以是由用于冷却烟道气的冷却水所产生的蒸汽。将来自气化器500的输出与任何其它被引入的气体一起，经由蒸汽重整过程，由蒸汽重整器510从主要由一氧化碳和水组成的混合物转换为主要包括分子氢和二氧化碳的混合物。来自蒸汽重整器510的产生的气流是第一和第二底物的混合物，并且被导向生物反应器110。将理解，在一些实施例中可以使用催化重整器来代替蒸汽重整器510。除了流之外或者替代流，催化重整器可以使用液态水来产生二氧化碳和分子氢的混合物。
除了来自生物反应器110的生物质，用于气化器500的其它适合的原料包括在提取和处理食品的过程中所获得的副产物，诸如来自甘蔗的糖、来自玉米或谷物的淀粉、以及由林业产业产生的非食物生物质废物。也可以使包括塑料废物、城市废物、工业废物和化学废物的其它废物产物气化。由气化器500产生的气体可以具有被添加的附加气体(诸如空气、氧、二氧化碳和/或氮)，从而影响蒸汽重整器510的效率，并且优化所得的底物混合物以用于微生物的最佳生长，或者使化学产物180的生产最大化。例如，来自气化器500的热可以用于使用蒸汽涡轮机生成能量。在各个实施例中，由气化器500产生的气体中的一些可以放掉并燃烧，而不是导向蒸汽重整器510。
图6示出另一个示例性系统600的示意图，为清楚起见该示意图省略了分子氢的产生。系统600包括生物反应器605，作为生物反应器110的另一个示例。系统600还包括将矿物原料处理为水泥的水泥制造设施310。生物反应器沿流体连通路径与排气系统流体连通，该流体连通路径可以是直接的，在该流体连通路径中排出气体从排气系统直接进入生物反应器中；或者该流体连通路径可以是间接的，在该流体连通路径中路径引导经过一个或多个处理阶段。系统600还可选地包括气化器610，该气化器610被供给有机原料(诸如，生物质170)。由气化器610产生的热可以在水泥制造设施310中使用(例如，用于预加热矿物原料)，或者可以被转换为蒸汽或电，用于使设备运行。例如，来自气化器610的气态输出中的一些还可以被水泥制造设施310在水泥窑315中用作燃料。
系统600还可选地包括蒸汽重整器615，该蒸汽重整器615接收一些或所有的来自气化器610的气态输出，典型地为与其它气体(可能还包括蒸汽)混合的一氧化碳。由水泥制造设施310产生的(诸如，来自过程冷却水的)蒸汽还可以可选地被供给到蒸汽重整器615中。来自水泥制造设施310的碳氧化物(主要为二氧化碳)可以可选地还被供给到蒸汽重整器615中，直接被供给到生物反应器605中，或者部分地被导向蒸汽重整器615和生物反应器605中的每一个。在包括蒸汽重整器的系统中，以及在蒸汽重整器从水泥制造设施接收至少一些第一气流的地方，在生物反应器和排气系统之间的流体连通路径包括蒸汽重整器，作为另外的处理阶段的一个示例。
蒸汽重整器615的输出作为第一和第二底物的混合物被提供到生物反应器605。生物反应器605可以包括附加端口用于接收空气和/或其它输入气体，如上文所描述。来自生物反应器605的废气可以再循环，如前文所表明。在各个实施例中，可以向最终水泥产品添加化学产物180，以便改变颜色、强度、固化时间、或者水泥的其它特征。
在具体的实施例中，供应到蒸汽重整器615或者生物反应器605的气体包含按体积至少约5％至约100％的蒸汽、或者从约40％至约95％的蒸汽、或者从约40％至约60％的蒸汽、或者从约45％至约55％的蒸汽。在具体的实施例中，供应到蒸汽重整器615或者生物反应器605的蒸汽包含按体积约25％、或约30％、或约35％、或约40％、或约45％、或约50％、或约55％、或约60％的蒸汽。
图7示出另一个示例性系统700的示意图。系统700与图1的系统100相似，除了分子氢的源150已经使用电解系统710代替，以用于通过使水分解来产生分子氢。如关于图1所表明的，分子氢的源150可以为存储罐；并且在这些实施例中，可以使用卡车或轨道车(rail car)或者通过管道来将分子氢提供到系统100。递送的氢可以通过任何数目的众所周知的化学工艺来间接地产生，该化学工艺包括电解。备选地，可以由电解系统710本地产生去往碳源130的分子氢，该电解系统710使用电力来将水分子离解为分子氢和氧。在各个实施例中，电力来自可再生源，该可再生源可以或也可以不与碳源130放置在一起。在一些实例中可以与碳源130放置在一起的可再生电力源的示例包括阳光720和风130。其它可再生能源包括潮汐发电和地热发电。在其中不与碳源130放置在一起的这些后者源的那些实施例中，电力源还是可以通过专用输电线或者通过电力网来与电解系统710电连通。
图8图示本发明的方法800的一个示例性的实施例。方法800可以用于从由工业废物流或由其它源提供的碳氧化物来合成化学产物。方法800包括生长化能自养微生物培养物的可选步骤810，将化能自养微生物培养物移入生物反应器的可选步骤820，通过向在生物反应器中的培养物提供碳氧化物、分子氢和生长培养基来在生物反应器中维持培养物的步骤830，从生长培养基分离化学产物的步骤840，以及将化学产物或生物质转移到另一种底物的可选步骤850。
方法800的步骤810包括使化能自养微生物培养物生长。该初始步骤(在本文中也称作生长阶段)，化能自养微生物培养物生长至用于后续步骤的适合的浓度。步骤810可以包括向化能自养微生物培养物提供固态或液态的底物，该底物包括一种或多种碳水化合物(诸如，果糖)。可选地，在生长容器(专用于使化能自养微生物生长至适合的浓度的生物反应器)中执行步骤810。在备选例中，在在后续步骤830中使用的相同生物反应器中执行步骤810。
步骤820包括将在步骤810中生长的化能自养微生物培养物移入生物反应器。在步骤810和830中使用相同的生物反应器的地方，可以省略该步骤。在步骤810中使用一个生长容器并且在步骤830中使用另一个生物反应器的地方，步骤820可以包括从生长容器收集化能自养微生物培养物中的至少一些并且将培养物转移到下一个生物反应器。
步骤830包括：在生物反应器(在本文中也指合成容器)中维持化能自养微生物培养物在适合于微生物化能自养地产生化学产物的条件下。这些条件包括生长培养基、碳源和能源。因此，步骤830包括向在生物反应器中的培养物提供生长培养基、作为碳源的碳氧化物、和作为能源的分子氢。
适合的生长培养基包括如下组分，诸如维生素、矿物质、和维持化能自养微生物培养物的必需并有效的微量营养素。例如，由Madigan和Gest在“Growth of the Photosynthetic BacteriaRhodopsuedomonas capsulata chemoautotrophically in the Dark with H2as the Sole Energy Source”(J.of Bacteriology，524-5301979年1月)中描述的适合于荚膜红细菌生长的培养基，该文章通过引用并入本文。步骤830，在一些实施例中，不需要控制生长培养基的pH值。在一些实施例中，在步骤830中提供生长培养基可以包括：使在步骤840结束时剩余的生长培养基再循环，如下文所论述。使生长培养基再循环可以自身包括通过向其添加组分(微生物、矿物质、微量营养素)来重建生长培养基。可以添加的维生素的一个示例是维生素D。
在步骤830中向生物反应器提供碳氧化物可以包括将废物流从工业过程连通到生物反应器。示例性的废物流包括来自燃烧化石燃料的发电厂的烟道气以及通过水泥生产所排出的气体。提供碳氧化物还可以包括使有机原料(诸如，生物质、煤、燃料油)和包括有机物质的各种废物材料(诸如，城市废物)气化。在各个实施例中，使用多个这类源。例如，提供碳氧化物可以包括使有机原料气化并且将气化的输出与来自工业过程的废物流混合，然后将产生的混合物连通到生物反应器中。可选地，提供碳氧化物还可以包括工业废物流的蒸汽重整物、气化过程的气态输出、或者两者的混合物，然后将蒸汽重整的产物引入生物反应器。可选地在各个实施例中提供碳氧化物可以包括：在引入到生物反应器之前，向来自工业过程的任何废物蒸汽、气化产物、蒸汽重整产物、或者混合任何这三者的产物添加空气或氧。在各个实施例中，在步骤830中提供碳氧化物进一步包括对废气、气化产物、蒸汽重整产物、或者任何这些的混合物进行冷却。在这些实施例中的一些中，用水执行冷却以产生蒸汽。在这些另外的实施例中的一些中，步骤830包括在蒸汽重整过程中使用蒸汽。
在一些实施例中提供碳氧化物包括：利用废物流气体、或者利用气化步骤的气态产物、或者利用蒸汽重整的气态产物、或者利用它们的混合物来是液态培养基饱和，然后将饱和的液态培养基引入到生物反应器中。在其它实施例中提供碳氧化物包括：将废物流气体、或者气化步骤的气态产物、或者蒸汽重整的气态产物、或者它们的混合物，例如作为气体通过喷洒或者微气泡分散，来引入到生物反应器。
在其中在步骤830中将碳氧化物作为气体引入生物反应器的那些实施例中，含碳氧化物的气体可以包括按体积浓度在至少约20％至约100％的一氧化碳。在其它实施例中一氧化碳被提供为，按体积浓度在从约40％至约95％的一氧化碳、或者按体积浓度在从约40％至约60％的一氧化碳、或者按体积浓度在从约45％至约55％的一氧化碳。在更多其它实施例中，一氧化碳按体积浓度为约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、或约60％。在另外的其它实施例中，在步骤830中被提供到生物反应器的含碳氧化物的气体包括按体积约6％的一氧化碳，并且相同的气体或者被提供到生物反应器的另一种气体包括分子氢和/或硫化氢和/或二氧化碳。
在其中在步骤830中将碳氧化物作为气体引入到生物反应器中的那些实施例中，含碳氧化物的气体可以包括按体积浓度在5％至约100％的二氧化碳。在其它实施例中，二氧化碳被提供为按体积浓度在从约40％至约95％的二氧化碳、或者按体积浓度在从约40％至约60％的二氧化碳、或者按体积浓度在从约45％至约55％的二氧化碳。在更多其它实施例中，二氧化碳按体积浓度为约25％、或约30％、或约35％、或约40％、或约45％、或约50％、或约55％、或约60％。在这些实施例中的一些中，二氧化碳浓度部分地或者整体地是从水泥生产获取的。
步骤830还包括将分子氢引入生物反应器。在一些实施例中，将分子氢引入生物反应器包括通过卡车或轨道车或管道接收作为压缩气体或液体的分子氢，例如，在存储罐中存储分子氢并且从存储罐将分子氢连通到生物反应器。在其它实施例中，将分子氢引入生物反应器包括产生分子氢。各种化学和电化学工艺(包括蒸汽重整和电解水)产生氢。在一些实例中，电解是在设置于生物反应器的外部的电解系统中执行的；而在其它实例中，电解是在生物反应器内执行的，正如例如在第13/204649号美国专利申请中所描述，如前文所表明。在两种情况中，用于使水分解的电都可以从电力公司获得或者本地发电或者两者。在发电与生物反应器放置在一起的地方，产生分子氢包括发电并且使用电来电解水以产生分子氢和分子氧。在各个实施例中，将产生的分子氧的至少一些连通到生物反应器、排出到大气、用于工业过程(诸如，在水泥窑中燃烧燃料)、压缩并出售、或者它们的任何组合。
在其中在步骤830中将分子氢作为气体引入到生物反应器的那些实施例中，含分子氢的气体可以包括按体积浓度在至少约20％至约100％的分子氢。在其它实施例中，分子氢被提供为按体积浓度在从至少约5％至约95％的分子氢、或者按体积浓度在从至少约40％至约95％的分子氢、或者按体积浓度在从至少约20％至约80％的分子氢、或者按体积浓度在从至少约40％至约60％的分子氢、或者按体积浓度在从至少约45％至约55％的分子氢。在更多其它实施例中，分子氢按体积浓度为约25％、或约30％、或约35％、或约40％、或约45％、或约50％、或约55％、或约60％。在另外的实施例中，分子氢被提供为按体积浓度在约6％，并且也向生物反应器添加一氧化碳和/或硫化氢和/或甲烷。
除了提供一氧化碳和/或二氧化碳和分子氢之外，在各个实施例中步骤830还包括向生物反应器添加其它气体，其中其它气体可以包括空气、甲烷、硫化氢和分子氧中的所有或任何组合。分子氧的示例性的浓度为按体积约0％至约1％、按体积从约1％至约10％、按体积从约10％至约16％、以及按体积从约16％至约30％。在一些实施例中，分子氧按体积浓度为约0％、或约1％、或约5％、或约8％、或约10％、或约16％。
步骤810和830两者之一或者两者可选地可以包括将培养物暴露在光下。暴露在光下可以帮助微生物合成各种维生素(诸如，维生素D)，这可以促进生长更好。光暴露还可以激励或影响微生物的代谢途径，以选择或者激励生产特定的化合物或者化合物类型作为化学产物180。
步骤840包括从生长培养基分离化学产物。在各个实施例中，生物反应器被配置用于执行分离；而在其它实施例中步骤包括从生物反应器取出生长培养基，并且将生长培养基传送通过分离系统。示例性的分离系统使用众所周知的技术，诸如分馏或蒸馏、渗透蒸发、以及萃取发酵。在一些实施例中，附加地从步骤840中的生长培养基分离生物质。可以由方法800产生的示例性的化学产物包括羟基链烷酸酯类和聚羟基链烷酸酯类(诸如，丙二醇、正十八烷-1,12-二醇、类胡萝卜素类、脂肪酸类、脂肪类、油类、和烷烃类)。在一些实施例中，化学产物180还可以包括类胡萝卜素类、脂多糖类、包括一种或多种链烷酸酯二醇类以及一种或多种其它醇类的混合醇流、或者各种其它化学产品，并且可以通过本领域已知的方法，从化能自养合成培养液恢复。副产物(诸如，酸类，包括乙酸和丁酸)也可以使用本领域已知的方法从培养物培养液恢复。从生物反应器110收集的生物质170也可以是有用的商品，因为它可以被转换为生物燃料，用作动物饲料、颜料、用于人和/或动物的用于化妆品或营养目的的产品的添加剂，被转换为肥料，被气化等。
如上文所表明的，在一些实施例中，可以使从分离步骤840获得的生长培养基再循环回到生物反应器中，并且在步骤830中可选地使从步骤840获得的生物质气化。在可选步骤850中，在步骤840中获得的化学产物或生物质可以被转换为另一种产物。可以在步骤850中合成的产物的示例包括生物燃料和聚对苯二甲酸丙二醇酯。
图9示出本发明的另一个示例性系统900的示意图。系统900包括水泥制造设施910和生物反应器920，两者都如在本文其它部分所描述。系统900还包括气体混合单元930，该气体混合单元930与水泥制造设施910流体连通，以便从水泥窑接收排出气体，并且可选地从水泥制造设施910接收包括蒸汽的其它气流，并且从其它源(诸如，预热器和电机驱动设备)接收排出气体。还可以在进入气体混合单元930之前，重整来自水泥制造设施910的气流。气体混合单元930也与生物反应器920流体连通，从而来自气体混合单元930的输出被引入到生物反应器920中。
系统还包括产生分子氢和氧两者的流的电解系统940；电解系统940也与气体混合单元930流体连通。用于在电解系统940中离解水的电可以由电力公司网或者由专用的可再生能源来供应，如上文所描述。由电解系统940产生的分子氢被引到气体混合单元930，并且在一些实施例中由电解系统940产生的分子氧也被引到气体混合单元930。来自水泥制造设施910的各种气流中的任何气流都可以在它们被气体混合单元930收到之前被混合，并且同样地，来自水泥制造设施910的任何气流都可以被气体混合单元930独立地接收。类似地，来自电解系统940的分子氢和氧可以在气体混合单元930处被混合或者被独立地接收。
系统900还可选地包括控制器950，该控制器950被配置用于通过独立地控制来自水泥制造设施910和电解系统940的输入来调节进入气体混合单元930的气体流量。气体混合单元930并不限于从水泥制造设施910和电解系统940接收气体，并且可以还包括从包括大气的第三源接收并调节气体的能力。来自生物反应器920的排出气体也可以通过附加地回到气体混合单元930中，再循环回经过生物反应器920。
在一些实施例中，控制器950通过使用可选地设置在生物反应器920内的(在水培养基中或在顶层空间中或者两者)一个或多个传感器960，来监控在生物反应器920内的条件。在一些示例中，在控制器950不正在允许正在被产生的气流尽可能多地进入气体混合单元930的地方，来自流的过量气体可以被排放到大气，正如如下情况，在该情况中具有来自电解系统940的或者存储在存储系统410(图4)中的过量的分子氧，其中过量气体包括碳氧化物。传感器960可以监控并且用于调节进入到气体混合单元930的气体的条件包括：温度，酸度，压力，以及在顶部空间中、在进入的混合物中、或者溶解在水培养基中的一种或多种气体的浓度。在一些实施例中，控制器950可选地被配置用于调节电解系统940仅产生与在气体混合单元930处所需的一样多的分子氢。在各个实施例中，控制器950被配置用于维持来自气体混合单元的输出，该输出包括按体积约60％至约80％的分子氢、按体积约5％至约20％的二氧化碳、以及按体积约0％至约30％的分子氧。
控制器950可以包括硬件(诸如，ASIC或FPGA)、固件、和/或被配置用于执行存储在计算机可读介质上的软件的微处理器、或它们的组合。计算机可读介质可以包括非瞬态存储器器件。控制器950可以因此包括计算设备，诸如运行控制软件的PC、平板电脑、或服务器。
在上述说明书中，参照本发明的特定实施例来描述本发明，但是本领域技术人员将认识到本发明并不限于此。上文描述的发明的各个特征和方面可以单独地或联合地使用。此外，在不脱离本说明的更广泛的精神和范围的情况下，除了本文所描述的那些环境和应用，本发明还可以用于任何数目的环境和应用。因此说明书和附图应被视作说明性的而非限制性的。将认识到，本文中使用的术语“包括”和“具有”具体地意在被理解为开放式的技术术语。

Claims (36)

1.一种系统，包括：
工业源，产生包括碳氧化物的废物流；
生物反应器，包括
第一底物，包括所述废物流，
第二底物，包括分子氢，以及
液体培养基，包括微生物的培养物，所述微生物能够化能自养地俘获在所述第一底物中的至少一些所述碳氧化物。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述工业源包括水泥制造设施。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述微生物的所述培养物包括富养罗尔斯通氏菌。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述微生物的所述培养物包括荚膜红细菌。
5.根据权利要求1-3或4所述的系统，进一步包括所述第二底物的源。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第二底物的所述源包括电解系统。
7.根据权利要求5所述的系统，进一步包括与所述电解系统电连通的可再生电力源。
8.根据权利要求1-6或7所述的系统，进一步包括气体混合单元，所述气体混合单元被设置在所述工业源和所述生物反应器之间，并且被配置用于将来自所述工业源的所述废物流与另一气流混合，以产生用于所述生物反应器的所述第一底物。
9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括与所述气体混合单元流体连通的存储系统。
10.根据权利要求1-8或9所述的系统，进一步包括气化器和重整器，其中所述重整器被配置用于从所述气化器接收气态输出，并且其中所述生物反应器被配置用于接收所述重整器的气态输出。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述重整器进一步被配置用于接收除了来自所述气化器的所述气态输出之外的第二气流。
12.根据权利要求1-10或11所述的系统，其中所述重整器包括催化重整器。
13.根据权利要求1-10或11所述的系统，其中所述重整器通过生物介导的重整来产生二氧化碳和分子氢的混合物。
14.根据权利要求1-12或13所述的系统，进一步包括分离系统，所述分离系统被配置用于从所述生物反应器接收所述液体培养基并且从接收到的所述液体培养基分离生物质或化学产物。
15.一种系统，包括：
水泥制造设施，包括水泥窑以及被配置用于俘获来自所述水泥窑的排出气体的排气系统；以及
生物反应器系统，包括生物反应器，所述生物反应器与所述排气系统流体连通并且被配置用于从来自所述排气系统的第一气态流中的碳氧化物来产生化学产物，所述第一气态流包括来自所述水泥窑的所述排出气体。
16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括
气化器，被配置用于产生第二气态流，以及
重整器，被配置用于接收所述第二气态流并且产生第三气态流，其中所述生物反应器与所述重整器流体连通以接收所述第三气态流。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述重整器进一步被配置用于从所述水泥制造设施接收至少一些所述第一气态流，从而在所述生物反应器和所述排气系统之间的流体连通路径包括所述重整器。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的系统，其中所述重整器包括蒸汽重整器。
19.根据权利要求15-17或18所述的系统，其中所述生物反应器系统包括分离系统，所述分离系统被配置用于从所述生物反应器接收液体培养基并且从接收到的所述液体培养基分离所述化学产物。
20.根据权利要求15-18或19所述的系统，进一步包括在所述排气系统和所述生物反应器之间流体连通的气体混合单元。
21.根据权利要求20所述的系统，进一步包括被配置用于产生分子氢流的电解系统，并且其中所述气体混合单元被配置用于接收所述分子氢流。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述电解系统被配置用于产生分子氧流，并且其中所述气体混合单元被配置用于接收独立于所述分子氢流的所述分子氧流。
23.根据权利要求20、21或22所述的系统，进一步包括控制器，所述控制器被配置用于监控所述生物反应器中的条件，并且进一步被配置用于响应于所述条件而调节进入所述气体混合单元的气体的流量。
24.一种方法，包括：
向生物反应器提供碳氧化物；
向所述生物反应器提供分子氢；
向所述生物反应器提供分子氧，并且
在所述生物反应器中的生长培养基中维持化能自养微生物的培养物，所述微生物能够化能自养地俘获至少部分所述碳氧化物以产生化学产物。
25.根据权利要求24所述的方法，其中向所述生物反应器提供所述碳氧化物包括：将来自工业过程的废物流连通到所述生物反应器。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中向所述生物反应器提供所述碳氧化物包括：使有机原料气化以产生气化的输出，使所述气化的输出经受重整以产生经重整的输出，并且将所述经重整的输出连通到所述生物反应器。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括从所述生长培养基分离生物质，并且其中使所述有机原料气化包括使所述生物质气化。
28.根据权利要求24-26或27所述的方法，其中提供分子氢包括产生所述分子氢。
29.根据权利要求28所述的方法，其中产生所述分子氢包括采用蒸汽重整。
30.根据权利要求28所述的方法，其中产生所述分子氢包括采用水的电解。
31.根据权利要求30所述的方法，其中产生所述分子氢进一步包括产生用于所述水的所述电解的电力。
32.根据权利要求30所述的方法，其中在所述生物反应器内执行所述电解。
33.根据权利要求24-31或32所述的方法，进一步包括在所述生物反应器中维持所述培养物之前，使所述化能自养微生物培养物生长。
34.根据权利要求24-32或33所述的方法，进一步包括从所述生长培养基分离化学产物。
35.根据权利要求24-33或34所述的方法，其中所述化学产物包括羟基链烷酸酯或聚羟基链烷酸酯。
36.根据权利要求24-34或35所述的方法，其中按体积在约60％至约80％的范围内提供所述分子氢，按体积在约5％至约20％的范围内提供所述碳氧化物，并且按体积在最多约30％的范围内提供所述分子氧。
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