CN108603201A - 整合发酵和电解工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于整合发酵工艺与电解工艺和生成C1工业工艺的方案。具体地说，本发明提供用于利用电解产物例如H2和/或O2以改进所述发酵工艺或所述生成C1工业工艺中的至少一种的工艺效率的工艺。更具体地说，本发明提供一种工艺，其中将通过电解生成的H2用于改进发酵工艺的基质效率，并将通过所述电解工艺生成的O2用于改进由所述生成C1工业工艺生成的含C1尾气的组成。

Description

整合发酵和电解工艺
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月01日提交的美国临时专利申请第62/289,900号的权益，其全文以引用的方式并入本文。
背景技术
二氧化碳(CO2)占人类活动全球温室气体排放量的约76％，其中甲烷(16％)、一氧化二氮(6％)和氟化气体(2％)占余数(美国环境保护局(United States EnvironmentalProtection Agency))。尽管工业和林业实践也向大气中排放CO2，但大部分CO2来自燃烧化石燃料以产生能量。减少温室气体排放，特别是CO2，对于制止全球变暖的进程和随之而来的气候和天气变化至关重要。
人们早已认识到，催化工艺可用于将含有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)的气体如工业废气或合成气转化为各种燃料和化学品。然而，最近，气体发酵已经出现为此类气体的生物固定的替代平台。具体地说，已经证明C1固定微生物将含有CO2、CO和/或H2的气体转化为产物如乙醇和2,3-丁二醇。有效生产此类产品可能受限，例如，通过缓慢的微生物生长、有限的气体上气道、对毒素的敏感性或碳基质转移到并非期望的副产物中。
人们早已认识到，催化工艺，如费托(Fischer-Tropsch)工艺，可用于将含有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)的气体转化为各种燃料和化学品。然而，最近，气体发酵已经出现为此类气体的生物固定的替代平台。具体地说，已经证明了厌氧C1固定微生物将含有CO2、CO和/或H2的气体转化为产物，如乙醇和2,3-丁二醇。
此类气体可以衍生自例如工业工艺，包括黑色或非铁金属产品制造、石油精炼、气化、电力生产、碳黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭生产。然而，这些工业气体可能需要处理或重组以优化用于气体发酵系统。具体地说，工业气体可能缺乏足够量的H2以通过气体发酵驱动CO2净固定并减少CO2排放到大气中。
高氢气流有利于发酵产物，其具有低能量需求并且其中CO2可以用作反应物，如乙醇生产。
因此，仍然需要工业工艺与气体发酵系统的改进整合，包括富集输送到气体发酵系统的工业气体H2含量的工艺。
发明内容
本发明提供一种在整合发酵和工业工艺中改进碳捕获的方法，其中所述方法包含将一种或多种原料传递至电解工艺中以产生电解衍生基质，将至少一部分电解衍生基质与来自工业工艺的含C1尾气混合，以提供混合的含C1气态基质，将混合的含C1气态基质传递至含有至少一种C1固定细菌的培养物的生物反应器中，并发酵培养物以产生至少一种发酵产物。在优选实施例中，电解衍生基质包含至少一种电子源和/或至少一种碳源。
优选地，电解衍生基质包含CO或H2。优选地，电解衍生基质进一步包含O2，其中所述O2用于改进工业工艺的效率。在一个实施例中，电解衍生基质包含H2和O2，并衍生自水电解工艺。在替代实施例中，电解衍生基质包含CO和O2，并衍生自CO2电解工艺。在一个实施例中，电解工艺的能量输入是选自由风力、水力、太阳能、核能和地热能组成的组的可再生能源。
工业工艺选自由部分氧化工艺和完全氧化工艺组成的组，示例性的部分氧化工艺包括碱性氧气炉(Basic oxygen furnace，BOF)反应；COREX或FINEX炼钢工艺、高炉(BlastFurnace，BF)工艺、铁合金工艺、二氧化钛生产工艺和气化工艺。完整的氧化工艺包括天然气动力工艺、燃煤动力工艺和水泥生产工艺。
在某些实施例中，将一部分含C1尾气与来自电解装置的一部分氧气混合，以匹配对工业工艺的进料所需的富氧。
发酵产物选自由以下组成的组：乙醇、乙酸盐、丁醇、丁酸盐、2,3-丁二醇、乳酸盐、丁烯、丁二烯、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸盐、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇和1-丙醇。
本发明进一步提供产生一种或多种产物的整合工艺，所述工艺包含：通过电解产生氢气，将至少一部分产生的氢气流与包含至少CO2的气态流混合，将混合的气流传递至含有至少一种C1固定细菌培养物的生物反应器中，并发酵培养物以产生一种或多种产物。
优选地，可再生氢气流通过电解水产生。在某些实施例中，电解工艺产生O2作为副产物。优选地，通过完全氧化工艺产生包含至少CO2的气态流。完全氧化工艺的实例包括但不限于天然气发电厂、燃煤发电厂和水泥生产工艺。
本发明进一步提供从含有可再生氢气的气态基质产生一种或多种产物的工艺，所述工艺包含：接收包含可再生氢气的第一气态基质，和包含CO2的第二气态基质，将第一部分氢气和第一部分CO2传递至在一定条件下操作的反向水煤气变换反应器中，以产生包含CO的出口流，将第二部分氢气、第二部分CO2和包含CO的出口流混合，以提供含有C1的混合基质，将含有C1的混合基质传递至含有一种或多种C1固定细菌培养物的生物反应器中，并发酵培养物以产生一种或多种产物。优选地，可再生氢气通过电解可再生能源产生。在一个实施例中，包含CO2的基质通过工业工艺产生。在优选实施例中，工业工艺是水泥生产工艺。
此外，提供整合系统，其包含：生成C1工业工艺区、电解槽和C1固定发酵区。所述整合系统具有从C1废气产生有价值的含碳产物的益处，并减少CO2排放。通过替代装置提供用于电解水或二氧化碳的电解槽也降低了对空气分离的需求，因为通过电解工艺产生的O2可以取代或补充工业工艺的O2需求。
在一个实施例中，所述整合系统进一步包含混合区，用于将一部分电解衍生基质与来自生成C1工业工艺区的至少一部分含C1尾气混合，以产生混合的含C1基质。所述整合系统进一步包含用于将混合的含C1基质从混合区域传递至固定C1发酵区中的导管。
在一个实施例中，电解槽的能量输入由可再生能量生成区提供。可再生能量生成区可包含至少一种选自由风力、水力、太阳能、核能和地热能组成的组的技术。
附图说明
图1显示描绘碱性氧气炉工艺与发酵工艺的整合的工艺整合方案。
图2显示根据本发明的一个方面，描绘碱性氧气炉工艺与发酵工艺和水电解工艺的整合的工艺整合方案。
图3显示根据本发明的一个方面，描绘水泥生产工艺与发酵工艺和二氧化碳电解工艺的整合的工艺整合方案。
图4显示水泥生产工艺与电解工艺和气体发酵工艺的整合的示意性工艺。
具体实施方式
本发明人已经确定，生成C1工业工艺与固定C1发酵工艺和电解工艺的整合为生成C1工业工艺和固定C1发酵工艺提供实质性益处。
“生成C1工业工艺”是在其操作过程中生成至少一种含C1气体的工业工艺。生成C1工业工艺旨在包括生成含C1气体作为期望的最终产物，或作为一种或多种期望的最终产物的生产中的副产物的任何工业工艺。示例性的生成C1工业工艺包括但不限于钢制造工艺，包括碱性氧气炉(BOF)工艺、COREX或FINEX炼钢工艺、高炉(BF)工艺和焦炉煤气(Coke OvenGas)工艺、气化工艺，其包括城市固体废物气化、生物质气化、木质素和相关流的气化、石油焦炭气化和煤气化、二氧化钛生产工艺、水泥生产工艺、天然气动力工艺和燃煤动力工艺。
“期望的最终产物”旨在涵盖工业工艺的主要或目标产物。例如，钢制造工艺的期望的最终产物是钢产品，并且生成含C1气体作为副产物，然而在MSW气化工艺中，合成气、含C1气体是气化工艺的期望的最终产物。
氢气是发酵工艺的特别合适的能源。本发明人已经发现产生氢气电解工艺与生成C1工业工艺和固定C1发酵工艺两者的整合的许多协同益处。更具体地说，本发明人已经发现电解工艺可以与生成C1工业工艺耦合，以改进由工业工艺生成的含C1气体的组成。
氢气可以通过电解工艺产生，由以下化学计量反应定义：
2H2O+电→2H2+O2+热
水电解技术在本领域中是已知的。示例性方法包括碱性水电解、蛋白质交换膜(protein exchange membrane，PEM)电解和固体氧化物电解。合适的电解槽包括碱性电解槽、PEM电解槽和固体氧化物电解槽(Ursua等，《从水电解生成氢气：现状和未来趋势(Hydrogen Production From Water Electrolysis：Current Status and FutureTrends)》，在：《IEEE的进程(Proceedings of the IEEE)》100(2)：410-426中，2012年2月)。当与含有合适碳源例如至少一种含C1气体如一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2)的工业废气以组合的方式提供时，通过电解产生的氢气可以用作气体发酵的原料。
另外，认为产生的氢气可以与包含至少一部分氢气的工业气流混合，作为供应额外原料并改进基质组成的手段。可以改进基质组成以提供期望的和最佳的H2:CO:CO2比。期望的H2:CO:CO2比取决于发酵工艺的期望的发酵产物。对于乙醇，最佳的H2:CO:CO2比将是：其中x>2y，以便满足乙醇生产的化学计量
或者，一氧化碳和氧气可以通过电解工艺产生，由以下化学计量反应定义：2CO2+电->2CO+O2+热。通过电解产生的一氧化碳可以用作气体发酵的原料。另外，认为产生的CO可以与工业气流混合，作为供应额外原料的手段。
已知电解工艺和电解器中CO2减少。用于CO2减少的不同催化剂会影响最终产物。已经显示包括Au、Ag、Zn、Pd和Ga催化剂的催化剂对于从CO2生成CO有效。可以使用标准电解质，如上述用于水电解的那些。(Jhong等人；《将CO2电化学转化为有用的化学品：现状、剩余挑战和未来机遇(Electrochemical conversion of CO2 to useful chemicals:currentstatus,remaining challenges,and future opportunities)》，在：《科学指引(ScienceDirect)》；2013化工的当前论见(Current Opinion in Chemical Engineering 2013)，2：191-199)。
令人惊讶的是，本发明人已经确定上述电解工艺的O2副产物为将工业气体用于发酵提供额外益处。虽然本发明的发酵工艺是厌氧工艺，但本发明人已经确定氢气生产工艺和CO生产工艺两者的O2副产物可以用于含C1尾气衍生自其中的生成C1工业工艺中。电解工艺的高纯度O2副产物可以与工业工艺整合并有利地抵消成本，并且在一些情况下具有进一步降低工业工艺以及随后气体发酵的成本的协同作用。
通常，本文所述的工业工艺通过空气分离衍生出所需氧气。通过空气分离产生氧气是一种能量密集型工艺，其涉及从N2低温分离O2以获得最高纯度。
通过电解共产生O2，并取代通过空气分离产生的O2，可以抵消工业工艺中高达5％的电力成本。例如，以每Nm3产生的H2的5kWh电力消耗计，电解工艺可以消耗224kWh/kmolO2。相比之下，现代空气分离装置每吨产生的高纯度O2消耗300kWh，9.6kWh/kmol产生的O2。另外，提供高纯度O2源富集通过工业工艺产生的含C1气体尾气，从而提供用于发酵的更有效的含C1基质。例如，典型的BOF尾气含有约20％的氮气(典型的BOF尾气组成为60％CO、20％CO2、20％N2)。BOF流中的N2是将O2进料到BOF工艺中的结果，其通常为94％O2和6％N2。在产生100,000Nm3/h BOF气体的情况下，并且BOF流补充有充足的H2用于总碳捕获(约180,000Nm3/h H2)，所述氢气通过电解水产生，当将来自电解工艺的可用O2送到BOF工艺中以取代94％O2/6％N2的典型进料时，将使得到的BOF气体中的N2组成减少约57％。在本发明的某些实施例中，提供降低含C1尾气中氮气浓度的工艺，所述工艺包含用衍生自水电解工艺的高纯度O2流取代典型的BOF工艺O2进料。在某些实施例中，与典型的O2进料没有被取代的工艺相比，含C1尾气中的氮气浓度减少至少20％，或至少30％，或至少40％，或至少50％，或至少55％。
许多涉及部分氧化反应的生成C1工业工艺需要O2输入。示例性的工业工艺包括碱性氧气炉(BOF)反应；COREX或FINEX炼钢工艺、高炉(BF)工艺、铁合金生产工艺、二氧化钛生产工艺和气化工艺。气化工艺包括但不限于城市固体废物气化、生物质气化、石油焦炭气化和煤气化、木质素和相关流的气化、二氧化钛生产工艺、水泥生产工艺、天然气动力工艺和燃煤动力工艺。
例如，碱性氧气炉(BOF)与发酵装置和电解装置的整合提供许多协同益处。典型的BOF和发酵整合包含使用通过BOF工艺产生的含C1尾气作为利用C1固定微生物的发酵原料。图1显示典型的BOF工艺与利用C1发酵整合。将空气10进料给空气分离装置14，例如低温蒸馏装置或PSA，并分离空气以提供O2流和N2流。将N2流经由导管16从分离装置中去除。将O2经由导管18传递至BOF装置22中。BOF装置接收熔融生铁20(通常从高炉接收)和O2。用O2处理热金属导致热金属中的碳释放CO和CO2。经由导管24回收所需的BOF工艺的最终产物。将包含CO和CO2的得到的气流经由导管26从BOF装置22传递至气体处理装置28中，其中气体经受至少一个处理工艺以去除来自气体的任何不需要的污染物。将离开气体处理装置28的含C1气态基质经由导管30传递至生物反应器32中。生物反应器32在液体营养液中含有至少一种C1固定微生物培养物。C1固定细菌利用含C1基质中的至少一种C1组分作为碳源，并产生一种或多种发酵产物。经由管道36从发酵液中回收一种或多种发酵产物。包含CO2和未反应CO的出口气体经由排气导管34离开生物反应器32作为出口气体。典型的BOF工艺出口气体含有CO、CO2和氮气，具有最少量的氢气。示例性的BOF出口气流组成是50-70％CO、15-25％CO2、15-25％N2和0-5-3％H2。
在含C1基质中没有足够H2的情况下，由C1固定细菌利用的CO如下转化为乙醇和CO2：6CO+3H2O->C2H5OH+4CO2。在整合BOF工艺与发酵工艺之前，来自BOF工艺的出口流通常用于发电。电力生产的反应性化学计量为：6CO→6CO2+电。并入气体发酵装置可以减少总CO2排放量高达33％(与发电的BOF工艺相比)。
本发明提供改进生成C1工业工艺和发酵整合效率的工艺。特别地，本发明提供用于充分减少从整合设施排放的CO2总量的工艺和系统。
电解产物(例如氢气、一氧化碳和氧气)也可以用于改进工业生产工艺和气体发酵工艺的整合的总效率，例如在含C1尾气适用作发酵基质的工业工艺中，通过与氢气或一氧化碳混合进一步优化基质可以改进发酵的总碳利用率。效率可以通过以下改进：(i)使用氢气来改进发酵基质组成；(ii)使用一氧化碳来改进发酵基质组成；(iii)使用衍生自电解工艺的氧气来抵消工业工艺的氧气需求；(iv)将来自发酵工艺出口气流的CO2再循环到CO2电解槽中以产生额外的CO并进一步减少CO2排放；或(v)上述的组合。
氢气可以用于改进发酵基质组成。氢气提供微生物所需的能量以将含碳气体转化为有用产物。当提供最佳浓度的氢气时，微生物培养物能够产生所需的发酵产物(即乙醇)，不带有任何共生成二氧化碳。
通过电解CO2产生的一氧化碳可以用于改进发酵基质组成，并且可以富集用作发酵基质的工业废气的CO含量。另外，可以将通过发酵工艺产生的任何CO2再循环作为CO2电解槽的原料，从而进一步减少CO2排放并增加液体发酵产物中捕获的碳量。
在许多这些工业工艺中，氧气来源于空气进料。在部分氧化工艺中，如碱性氧气炉(BOF)工艺；COREX或FINEX炼钢工艺、高炉(BF)工艺、二氧化钛生产工艺、铁合金生产工艺和气化工艺，O2通常从空气中使用空气分离工艺(例如低温蒸馏或PSA分离)产生。根据本发明，通过电解工艺产生的O2可以减少或取代空气分离的需求。
图2是根据本发明的一个方面的整合系统和工艺的示意图代表。电解装置210接收可再生能量和水。可再生能量的示例性来源包括但不限于风力、水力、太阳能、地热能、核能和其组合。能量和水根据以下反应产生氢气和氧气：2H2O+电→2H2+O2+热。将通过电解装置210产生的O2经由导管218提供给BOF装置222。BOF装置222还经由导管220接收熔融生铁(通常从高炉工艺中接收熔融生铁)。将O2传递至熔融生铁之上以产生钢和包含CO和CO2的出口气体。将出口气体经由导管226传递至气体处理装置228中，气体处理装置228包含至少一个用于从气流中去除一种或多种污染物的气体处理模块。将离开气体处理装置228的含C1基质经由导管230传递至生物反应器232中。根据本发明的一个方面，将在电解装置210中产生的氢气经由导管238传递至生物反应器或任选的混合装置中。在优选实施例中，在将含C1基质传递至生物反应器230中之前，将H2与含C1基质混合。生物反应器在一定条件下操作，以通过C1固定细菌的培养物发酵含C1基质产生至少一种发酵产物。发酵产物可以经由导管236回收。图2的系统和工艺可以进一步包括用于混合含C1基质和通过电解工艺产生的氢气流的混合装置(未示出)。将富含氢气的含C1基质提供给生物反应器232。富含氢气的含C1基质的组成和所生成的产物的量一般可以由下式定义； 其中对于CO2消耗而言，x>2y。在一些例子中，CO2可存在过量的化学计量量
图2中描述的本发明可以应用于许多其它工业工艺中，其涉及部分氧化工艺。以下提供示例性整合。
高炉(BF)和其气体供应和气体产物：将通过电解产生的H2与高炉尾气组合以调节含C1基质中的H2:CO:CO2比。将得到的含C1基质提供给发酵工艺以产生乙醇或其它化学品。通过电解工艺产生的O2用于将氧气需求供应给高炉。通过电解产生的O2将足以满足高炉的氧气需求，并且最小化N2(来自富集O2进料)将使得能够生成富含C1气体的BF气体。富含C1的BF气体将有益于降低发酵所述组合气流的成本。
气化原料和其气体供应和气体产品：通过电解产生的H2可以与来自气化生物质/城市固体废物(municipal solid waste，MSW)/DSW/石油焦炭/煤/重油/石油/固体燃料的气体组合，以调节含C1基质中的H2:CO:CO2比。将得到的含C1基质提供给发酵工艺以产生乙醇或其它产物。通过电解产生的O2可以用于将氧气需求供应给气化器，以使得能够生产具有低氮气的合成气。
COREX/FINEX炼钢和其气体供应和气体产物：通过电解产生的H2可以与COREX/FINEX尾气组合，以调节含C1基质的H2:CO:CO2比。将得到的含C1基质提供给发酵工艺以产生乙醇或其它产物。通过电解产生的O2可以用于将氧气需求供应给COREX装置。
二氧化钛和其气体供应和气体产物：通过电解产生的H2可以与二氧化钛生产工艺尾气组合，以调节含C1基质的H2:CO:CO2比。将得到的含C1基质提供给发酵工艺以产生乙醇或其它产物。通过电解产生的O2可以用于将氧气需求供应给二氧化钛生产装置。
在一个方面，本发明提供产生一种或多种产物的整合工艺，所述工艺包含：通过电解产生氢气；将至少一部分产生的氢气与包含至少一种C1气体的气流混合，以提供混合的气流；将混合的气流传递至含有至少一种C1固定细菌的培养物的生物反应器中；并发酵培养物，以产生一种或多种发酵产物。在某些实施例中，发酵工艺进一步产生包含CO2的出口气流。
在一个实施例中，本发明提供整合工艺，其包含：使用可再生能量通过电解水产生H2和O2；将至少一部分产生的O2提供给生成C1工业工艺；在一定条件下操作生成C1工业工艺，以生成包含至少一种C1组分的尾气，将至少一部分包含至少一种C1组分的尾气与至少一部分产生的氢气混合以提供含C1气态基质；将含C1气态基质传递至含有C1固定细菌的培养物的生物反应器中；并发酵含C1气态基质以产生至少一种发酵产物。
在一个实施例中，本发明提供整合工艺，其包含：使用可再生能源通过电解水产生H2和O2，将至少一部分产生的O2提供给部分氧化工艺，通过部分氧化生成含C1尾气，将至少一部分含C1尾气与至少一部分产生的H2混合，以提供含C1基质，将含C1基质传递至含有C1固定细菌的培养物的生物反应器中，并发酵含C1基质以产生至少一种发酵产物。
在一些例子中，含C1气体的气体组成对于本发明的发酵工艺而言不是理想的。由于地质限制，缺乏可用氢气源或成本考虑，将气体用于发酵工艺尚为不可行的。通过利用可再生氢气(例如通过电解产生的氢气)，可以减少或去除许多这些限制。此外，将有C1气体与可再生氢气流混合，提供能量改进的混合基质流。
已经确定了许多产生含C1气体的工业工艺，这些工艺对本文所公开的C1发酵工艺是不理想的，并且包括水泥生产工艺、天然气发电厂、精炼工艺和乙醇生物反应器发酵工艺。水泥生产工艺通常产生富含CO2出口气流。C1固定微生物可以利用CO2，但是需要氢气来提供将CO2固定到产物中所需的能量。
完全氧化工艺如水泥生产工艺与CO2电解器和固定C1发酵工艺的整合提供许多协同益处，其包括(i)提供将CO2转化为CO的机制，这是一种能量优选发酵基质；(ii)通过电解工艺提供的O2取代进料到水泥生产工艺中的空气，并增加水泥生产工艺出口气体中的CO2组成；(iii)可以将通过发酵工艺产生的CO2可以再循环到CO2电解器中并转化为用于发酵的CO基质，从而通过组合工艺进一步减少CO2排放。
图3是根据本发明的一个方面的整合系统和工艺的示意图代表。电解装置310接收能量和二氧化碳。可再生能量的示例性来源包括但不限于风力、水力、太阳能、地热能、核能和其组合。根据以下反应，能量和CO2产生一氧化碳和O2：2CO2+电→2CO+O2+热量。将通过电解器310产生的O2经由导管318提供给水泥生产装置322，以取代水泥生产工艺的空气需求。将包含CO2的尾气经由导管326传递至气体处理装置328中。气体处理装置328包含至少一个用于从气流中去除一种或多种污染物的气体处理模块。将离开气体处理装置328的含C1基质经由导管330传递至电解器310中。根据本发明的一个方面，将在电解器310中产生的一氧化碳经由导管338传递至生物反应器332中。在某些实施例中，在CO流传递至生物反应器中之前，可以将氢气提供给生物反应器，或与CO流混合。生物反应器在一定条件下操作，以通过C1固定细菌的培养物发酵含C1基质来产生至少一种发酵产物。发酵产物可以经由导管336回收。发酵工艺进一步产生包含CO2的出口气体。在优选实施例中，将出口气流中的至少一部分CO2作为CO2电解工艺的原料经由导管340传递至CO2电解器中。
另一方面，本发明提供整合工艺，其包含：通过电解二氧化碳产生CO和O2，将至少一部分产生的O2提供给生成C1工业工艺，在一定条件下操作生成C1工业工艺以生成包含至少一种C1-组分的尾气，将至少一部分产生的CO与尾气的C1-组分混合以提供混合的含C1基质，将混合的含C1基质传递至含有C1固定细菌的培养物的生物反应器中，并发酵混合的含C1基质以产生至少一种发酵产物。
在一个实施例中，本发明提供整合工艺，其包含：通过电解二氧化碳产生CO和O2，将至少一部分产生的O2提供给部分氧化工艺，通过部分氧化生成含C1尾气，将至少一部分产生的CO与至少一部分含C1尾气混合以提供混合的含C1基质，将混合的含C1基质传递至含有C1固定细菌的培养物的生物反应器中，并发酵含C1基质以产生至少一种发酵产物。
部分氧化工艺是包含部分氧化反应的工业工艺。部分氧化工艺选自由碱性氧气炉(BOF)反应、COREX或FINEX炼钢工艺、高炉(BF)工艺、铁合金工艺；二氧化钛生产工艺和气化工艺组成的组。气化工艺选自由城市固体废物气化工艺、生物质气化工艺、石油焦炭气化工艺和煤气化工艺组成的组。在优选实施例中，部分氧化工艺是BOF工艺。
含C1尾气包含至少一种C1组分。含C1尾气中的C1组分选自由一氧化碳、二氧化碳、甲烷和其组合组成的组。含C1尾气可进一步包含一种或多种非C1组分，如氮气和氢气。含C1尾气可进一步包含来自工业工艺的有毒或污染组分。在优选实施例中，将含C1尾气传递至用于去除至少一种污染物或非C1组分的气体处理装置中，以在传递至生物反应器中之前提供纯化的含C1尾气。
在替代实施例中，本发明提供整合工艺，其包含通过电解CO2产生CO和O2，将至少一部分产生的O2提供给完全氧化工艺，通过完全氧化生成含CO2尾气，将至少一部分含CO2尾气作为原料传递至电解工艺中；将至少一部分产生的CO传递至含有C1固定细菌的培养物的生物反应器中，并发酵CO以产生至少一种发酵产物和包含CO2的生物反应器尾气流。优选地，将至少一部分包含CO2的生物反应器尾气流再循环至CO2电解工艺中。
水泥生产工艺与水电解工艺的整合使得实现能量改进的气态基质。所述整合具有两个益处，(i)用来自电解工艺的O2取代进料到水泥生产工艺中的空气，增加水泥生产工艺出口气体中的CO2组成，和(ii)将通过电解工艺产生的氢气与产生的富含CO2气体混合，提供适合于发酵工艺的CO2和H2气流。
在本发明的特定方面，至少可以将来自水泥生产工艺的第一部分CO2和来自电解工艺的第一部分氢气提供给反向水煤气变换工艺(reverse water-gas shift process，RWGS)以通过以下化学计量反应产生CO：
可以将通过RWGS产生的CO与衍生自工业气流的第二部分CO2和产生的氢气的第二部分混合，以提供具有所需组成的发酵衬底。发酵基质所需的组成将取决于发酵反应的所需发酵产物而变化。例如，对于乙醇生产，可以通过下式确定所需的组成： 其中对于CO2消耗而言，x>2y。在某些实施例中，发酵基质的H2:CO比可小于20:1或小于15:1或小于10:1或小于8:1或小于5:1或小于3:1，其中根据代数公式，CO2以至少化学计量量可用。
在其它实施例中，本发明提供整合工艺，其包含：使用可再生能源通过电解水产生H2和O2，将至少一部分产生的O2提供给完全氧化工艺，通过完全氧化生成含C1尾气；将至少一部分含C1尾气与至少一部分产生的H2混合以提供含C1基质，将含C1基质传递至含有C1固定细菌的培养物的生物反应器中，并发酵含C1基质以产生至少一种发酵产物。
完全氧化工艺选自由水泥生产工艺、天然气动力工艺和燃煤动力工艺组成的组。通过完全氧化产生的含C1尾气包含CO2。在一些实施例中，通过完全氧化产生的含C1尾气进一步包含至少一种选自由H2、CO和CH4组成的组的组分。
图4显示结合水泥生产工艺与电解工艺和气体发酵工艺的整合的示意性工艺。通过在电解装置410中电解可再生能量和水产生H2和O2。将产生的O2提供给水泥生产装置422，以取代水泥生产工艺的空气需求。水泥生产工艺产生富含CO2尾气。将来自水泥生产工艺的第一部分富含CO2尾气和来自电解工艺的第一部分氢气送到反向水煤气变换反应器428中。CO2和H2反应产生包含CO的出口流。将来自水泥生产工艺的第二部分富含CO2尾气和来自电解工艺的第二部分氢气与来自RWGS反应器的富含CO出口气体混合，以提供含C1基质。将含C1基质传递至含有C1固定细菌的培养物的生物反应器432中。发酵含C1基质以产生至少一种发酵产物。
“C1固定微生物”是具有从C1碳源中产生一种或多种产物的能力的微生物。通常，微生物是C1固定细菌。在优选实施例中，微生物是或衍生自表1中确定的C1固定微生物。微生物可基于功能特征进行分类。例如，微生物可为或可衍生自C1固定微生物、厌氧生物、产乙酸生物、产乙醇生物(ethanologen)和/或一氧化碳营养生物(carboxydotroph)。表1提供代表性的微生物列表并确定其功能特征。
1伍氏醋酸杆菌可以从果糖，但不能从气体中产生乙醇。
2已报告了伍氏醋酸杆菌可在CO上生长，但方法论是可疑的。
3尚未研究大梭菌是否能在CO上生长。
4已经报告了热醋穆尔氏菌的一个菌株穆尔氏菌种HUC22-1从气体中产生乙醇。
5尚未研究卵形鼠孢菌是否能在CO上生长。
6尚未研究森林土壤醋酸鼠孢菌是否能在CO上生长。
7尚未研究类球鼠孢菌是否能在CO上生长。
“C1”是指一个碳分子，例如，CO或CO2。“C1”是指也包含至少一个氧原子的一个碳分子，例如，CO或CO2。“C1碳源”是指用作微生物的部分或唯一碳源的一个碳分子。例如，C1碳源可包含CO、CO2或CH2O2中的一种或多种。优选地，C1碳源包含CO和CO2中的一种或两者。“C1固定微生物”是具有从C1碳源中产生一种或多种产物的能力的微生物。通常，微生物是C1固定细菌。在优选实施例中，微生物是或衍生自表1中确定的C1固定微生物。
“厌氧生物”是不需要氧气生长的微生物。如果存在的氧气高于特定临界值，则厌氧生物会做出不利反应或甚至死亡。通常，微生物是厌氧生物(即，是厌氧的)。在优选实施例中，微生物是或衍生自表1中确定的厌氧生物。
“产乙酸生物”是产生或能够产生作为厌氧呼吸产物的乙酸盐(或乙酸)的微生物。通常，产乙酸生物是绝对厌氧细菌，其使用伍德-永达尔(Wood-Ljungdahl)路径作为其能量守恒和合成乙酰辅酶A和乙酰辅酶A衍生产物如乙酸盐(Ragsdale，《生物化学生物物理学报(Biochim Biophys Acta)》1784：1873-1898，2008)的主要机制。产乙酸生物使用乙酰辅酶A路径作为(1)从CO2中还原合成乙酰辅酶A的机制，(2)终端电子接受，能量守恒过程，(3)在合成碳单元中固定(同化)CO2的机制(Drake，《产乙酸原核生物(AcetogenicProkaryotes)》，在：《原核生物(The Prokaryotes)》中，第3版，第354页，纽约，纽约州，2006)。所有天然存在的产乙酸生物都是固定C1、厌氧、自养和非甲烷氧化型。在优选实施例中，微生物是产乙酸生物。在优选实施例中，微生物是或衍生自表1中确定的产乙酸生物。
“产乙醇生物”是产生或能够产生乙醇的微生物。在优选实施例中，微生物是产乙醇生物。在优选实施例中，微生物是或衍生自表1中确定的产乙醇生物。
“自养生物”是能够在不存在有机碳的情况下生长的微生物。相反，自养生物使用无机碳源，如CO和/或CO2。在优选实施例中，微生物是自养生物。在优选实施例中，微生物是或衍生自表1中确定的自养生物。
“一氧化碳营养生物”是能够利用CO作为唯一碳源的微生物。在优选实施例中，微生物是一氧化碳营养生物。在优选实施例中，微生物是或衍生自表1中确定的一氧化碳营养生物。
在某些实施例中，微生物不消耗某些基质，如甲烷或甲醇。在一个实施例中，微生物不是甲烷氧化生物和/或不是甲基氧化生物。
更广泛地，微生物可为或可衍生自表1中确定的任何属或种。例如，微生物可以是梭菌属的一员。
在优选实施例中，微生物是或衍生自梭菌群，其包含菌种自产乙醇梭菌、杨氏梭菌和拉氏梭菌。这些菌种首先由Abrini，《微生物学档案(Arch Microbiol)》，161：345-351，1994(自产乙醇梭菌)，Tanner，《国际系统细菌学杂志(Int J System Bacteriol)》，43：232-236，1993(扬氏梭菌)和Huhnke，WO 2008/028055(拉氏梭菌)进行报告和表征。
这三个菌种具有许多相似之处。具体地说，这些菌种都是梭菌属的固定C1、厌氧、产乙酸、产乙醇和一氧化碳营养型成员。这些菌种具有相似的基因型和表现型和能量守恒模式和发酵代谢模式。此外，这些菌种聚集在相同性超过99％的16S rRNA DNA的梭菌rRNA同源组I中、DNA G+C含量为约22-30mol％、是革兰氏阳性(gram-positive)的、具有相似的形态和大小(对数生长细胞在0.5-0.7×3-5μm之间)、是嗜温的(在30-37℃下生长最佳)、具有约4-7.5的相似pH范围(其中最佳pH为约5.5-6)、缺乏细胞色素并经由Rnf复合物保存能量。此外，已经在这些菌种中显示了羧酸还原成其相应的醇(Perez，《生物技术生物工程(Biotechnol Bioeng)》，110：1066-1077，2012)。重要的是，这些菌种也都显示出对含CO气体的强自养生长，产生乙醇和乙酸盐(或乙酸)作为主要发酵产物，并在某些条件下产生少量的2,3-丁二醇和乳酸。
然而，这三个菌种也具有许多不同之处。这些菌种分离自不同来源：来自兔肠的自产乙醇梭菌、来自鸡场废物的扬氏梭菌和来自淡水沉积物的拉氏梭菌。这些菌种在利用各种糖(例如，鼠李糖、阿拉伯糖)、酸(例如，葡糖酸盐、柠檬酸盐)、氨基酸(例如，精氨酸、组氨酸)和其它基质(例如甜菜碱、丁醇)方面不同。而且，这些菌种在对某些维生素(例如，硫胺素、生物素)的营养缺陷性方面不同。尽管已经发现这些基因和蛋白质的一般组构和数量在所有菌种中都是相同的(Curr Opin Biotechnol，22：320-325，2011)，但这些菌种在伍德-永达尔路径基因和蛋白质的核酸和氨基酸序列方面具有差异。
因此，总之，自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌的许多特征并非特异于所述菌种，而是梭菌属的固定C1、厌氧、产乙酸、产乙醇和一氧化碳营养型菌群的一般特征。然而，由于这些菌种实际上是不同的，对这些菌种之一的遗传修饰或操作可能在这些菌种的另一个中不具有相同的效果。例如，可观察到生长、性能或产物生产的差异。
微生物也可为或衍生自自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌的分离株或突变株。自产乙醇梭菌的分离株和突变株包括JA1-1(DSM10061)(Abrini，《微生物学档案(ArchMicrobiol)》，161：345-351，1994)、LBS1560(DSM19630)(WO2009/064200)和LZ1561(DSM23693)。扬氏梭菌的分离株和突变株包括ATCC 49587(Tanner，《国际系统细菌学杂志(Int J Syst Bacteriol)》，43：232-236，1993)、PETCT(DSM13528，ATCC 55383)、ERI-2(ATCC 55380)(US 5,593,886)、C-01(ATCC 55988)(US 6,368,819)、O-52(ATCC 55989)(US6,368,819)和OTA-1(Tirado-Acevedo，《使用扬氏梭菌从合成气体中生成生物乙醇(Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii)》，博士学位论文，北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)，2010)。拉氏梭菌的分离株和突变株包括PI 1(ATCC BAA-622、ATCC PTA-7826)(WO 2008/028055)。
术语“衍生自”是指经修饰或改编自不同微生物(例如，亲本或野生型)的微生物，以便产生新的微生物。此类修饰或改编通常包括插入、除掉、突变或替代核酸或基因。
“基质”是指本发明微生物的碳和/或能源。通常，基质是气态的并包含C1碳源，例如，CO、CO2和/或CH4。优选地，基质包含CO或CO+CO2的C1碳源。基质可进一步包含其它非碳组分，如H2、N2或电子。
基质一般包含至少一些量的CO，如约1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100mol％CO。基质可包含某一范围的CO，如约20-80、30-70或40-60mol％CO。优选地，基质包含约40-70mol％CO(例如，钢厂或碱性氧气炉气)、约20-30mol％CO(例如，高炉气)或约15-45mol％CO(例如，合成气)。在一些实施例中，基质可包含相对低量的CO，如约1-10或1-20mol％CO。本发明的微生物通常将基质中的至少一部分CO转化为产物。在一些实施例中，基质不包含或基本不包含(<1mol％)CO。
基质可包含一些量的H2。例如，基质可包含约1、2、5、10、15、20或30mol％H2。在一些实施例中，基质可包含相对高量的H2，如约60、70、80或90mol％H2。在进一步的实施例中，基质不包含或基本不包含(<1mol％)H2。
基质可包含一定量的CO2。例如，基质可包含约1-80或1-30mol％CO2。在一些实施例中，基质可包含小于约20、15、10或5mol％CO2。在另一个实施例中，基质不包含或基本不包含(<1mol％)CO2。
尽管基质通常是气态的，但基质也可以替代形式提供。例如，可使用微气泡分散发生器将基质溶解在用含CO气体饱和的液体中。作为另一个实例，基质可以吸附在固体载体上。
基质和/或C1碳源可为作为工业工艺的副产物或来自一些其它来源(生物质气化)获得的废气。在某些实施例中，工业工艺选自由以下组成的组：黑色金属产品制造(如钢厂制造)、非铁产品制造、石油精炼工艺、煤气化、电力生产、碳黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭生产。在这些实施例中，基质和/或C1碳源可在其排放到大气中之前使用任何方便的方法从工业工艺中捕获。
在特定实施例中，工业工艺是选自碱性氧气炉、高炉和焦炉工艺的钢制造工艺。焦炉气(COG)的典型组成为5-10％CO、55％H2、3-5％CO2、10％N2和25％CH4。高炉(BF)气的典型组成为20-35％CO、2-4％H2、20-30％CO2和50-60％N2。典型的碱性氧气炉(BOF)气包含50-70％CO、15-25％CO2、15-25％N2和1-5％H2。
基质和/或C1碳源可为合成气，如通过气化煤或炼油厂残余物、气化生物质或木质纤维材料或重整天然气获得的合成气。在另一个实施例中，合成气可从气化城市固体废物或工业固体废物中获得。
基质的组成可对反应的效率和/或成本具有显著影响。例如，氧气(O2)的存在可降低厌氧发酵工艺的效率。取决于基材的组成，可能需要处理、擦洗或过滤基质以去除任何不需要的杂质，如毒素、不需要的组分或灰尘颗粒，和/或增加期望组分的浓度。
含C1气态基质的组成将根据包括所用工业工艺的类型和提供给工业工艺的原料的因素而变化。并非所有产生的含C1气态基质都将具有用于发酵工艺的理想气体组成。含C1气体与可再生氢气流、另外的CO流或C1基质中的CO2转化为CO的混合提供能量改进的混合气流。
在氢气存在下操作发酵工艺具有减少由发酵工艺产生的CO2量的附加益处。例如，包含最少H2的气态基质将通常通过以下化学计量[6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2]产生乙醇和CO2。随着被C1固定细菌利用的氢气量增加，产生的CO2量减少[例如，2CO+4H2→C2H5OH+H2O]。所述反应式的一般形式为： 其中x>2y以获得CO2消耗。
当CO是乙醇生产的唯一碳源和能源时，耗损一部分碳至CO2，如下所示：
6CO+3H2O->C2H5OH+4CO2 (ΔG°＝-224.90kJ/mol乙醇)
在这些情况下，在大量的碳转换为CO2时，期望将CO2传递回工业工艺(即在气化工艺中)或替代地将CO2送到反向水煤气变换反应器中。根据本发明，当存在CO2电解槽时，可以将CO2尾气再循环到电解槽中以还原成CO和O2。
随着基质中的可用H2量增加，产生的CO2量减少。在化学计量比为1:2(CO/H2)下，完全避免了CO2产生
5CO+1H2+2H2O->1C2H5OH+3CO2 (ΔG°＝-204.80kJ/mol乙醇)
4CO+2H2+1H2O->1C2H5OH+2CO2 (ΔG°＝-184.70kJ/mol乙醇)
3CO+3H2->1C2H5OH+1CO2 (ΔG°＝-164.60kJ/mol乙醇)
在发酵中，其中CO2是碳源并且H2是电子源，化学计量如下
2CO2+6H2->C2H5OH+3H2O (ΔG°＝-104.30kJ/mol乙醇)
电解生产工艺的O2副产物可用于生产CO2气体的工业工艺中。在完全氧化工艺情况下，电解的O2副产物将取代通常所需的空气进料。添加氧气而不是空气增加了工艺的出口气体中的CO2组成。例如，进料100％氧气：CH4+2O2→CO2+2H2O，在出口气体中提供100％CO2浓度；而进料空气：CH4+2O2+7.5N2→CO2+2H2O+7.5N2，在出口气体中提供12％CO2。
可以将CO2原料与通过电解产生的氢气混合，以提供用于CO2和H2发酵工艺的优化原料。[例如，6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O]
C1固定细菌通常是选自由一氧化碳营养生物、自养生物、产乙酸生物和产乙醇生物组成的组的厌氧细菌。更具体地说，C1固定细菌选自梭菌属。在特定实施例中，C1固定细菌选自由自产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌组成的组。
可培养本发明的微生物以产生一种或多种产物。例如，产生自产乙醇梭菌或可以将其工程化以产生乙醇(WO 2007/117157)、乙酸盐(WO 2007/117157)、丁醇(WO 2008/115080和WO 2012/053905)、丁酸盐(WO 2008/115080)、2,3-丁二醇(WO 2009/151342)、乳酸盐(WO 2011/112103)、丁烯(WO 2012/024522)、丁二烯(WO 2012/024522)、甲基乙基酮(2-丁酮)(WO 2012/024522和WO 2013/185123)、乙烯(WO 2012/026833)、丙酮(WO 2012/115527)、异丙醇(WO 2012/115527)、脂质(WO 2013/036147)、3-羟基丙酸盐(3-HP)(WO2013/180581)、异戊二烯(WO 2013/180584)、脂肪酸(WO 2013/191567)、2-丁醇(WO 2013/185123)、1,2-丙二醇(WO 2014/0369152)和1-丙醇(WO 2014/0369152)。除一种或多种目标产物外，本发明的微生物还可产生乙醇、乙酸盐和/或2,3-丁二醇。在某些实施例中，微生物生物质本身可被认为是产物。
“天然产物”是由遗传未修饰的微生物产生的产物。例如，乙醇、乙酸盐和2,3-丁二醇是自产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌的天然产物。“非天然产物”是由遗传修饰的微生物产生的产物，但不是由遗传修饰的微生物衍生自其中的遗传未修饰的微生物产生的。
“增加效率”、“增加的效率”等包括但不限于增加生长速率、产物生产速率或体积，消耗每体积基质的产物体积或产物选择性。可相对于本发明微生物衍生自其中的亲本微生物的性能来测量效率。
通常，在生物反应器中实行培养。术语“生物反应器”包括由一个或多个容器、塔架或管道布置组成的培养/发酵设备，例如连续搅拌釜反应器(continuous stirred tankreactor，CSTR)、固定化细胞反应器(immobilized cell reactor，ICR)、滴流床反应器(trickle bed reactor，TBR)、气泡柱、气升式发酵罐、静态混合器或适于气液接触的其它容器或其它设备。在一些实施例中，生物反应器可包含第一生长反应器和第二培养/发酵反应器。可以将基质提供给这些反应器中的一个或两个。如本文所用，术语“培养”和“发酵”可互换使用。这些术语涵盖培养/发酵工艺的生长阶段和产物生物合成阶段。
一般将培养物保持在含有足以容许微生物生长的营养物、维生素和/或矿物质的含水培养基中。优选地含水培养基是厌氧微生物生长培养基，如最小厌氧微生物生长培养基。合适的介质是本领域熟知的。
理想地培养/发酵应在产生目标产物的适合条件下进行。通常，培养/发酵在厌氧条件下实行。要考虑的反应条件包括压力(或分压)、温度、气体流速、液体流速、介质pH、介质氧化还原电位、搅动速率(如果使用连续搅拌釜反应器)、接种量、最大气体基质浓度以确保液相中的气体不会变得有限，和最大产物浓度以避免产物抑制。具体地说，由于在气体限制条件下产物可被培养物消耗，因此可控制基质的引入速率以确保液相中的气体浓度不会变得有限。
在升高的压力下操作生物反应器允许增加从气相到液相的气体质量传输速率。因此，一般优选在高于大气压的压力下实行培养/发酵。而且，由于给定的气体转化率部分地是基质保留时间的函数，并且保留时间支配生物反应器的所需体积，因此使用加压系统可以大大减少所需生物反应器体积，并且因此大大减少培养/发酵设备的资本成本。这反过来意味着当生物反应器保持在升高的压力而不是大气压下时，可以减少定义为生物反应器中的液体体积除以输入气体流速的保留时间。最佳反应条件将部分取决于所使用的特定微生物。然而，大体上，优选在高于大气压的压力下操作发酵。而且，由于给定的气体转化率部分地是基质保留时间的函数并且实现所需保留时间反过来支配生物反应器的所需体积，因此使用加压系统可以大大减少所需生物反应器体积，并且因此大大减少发酵设备的资本成本。
可使用本领域已知的任何方法或方法组合包括例如分馏、蒸发、渗透蒸发、气提、相分离和萃取发酵包括例如液体-液体萃取，从发酵液中分离或纯化目标产物。在某些实施例中，通过从生物反应器中连续去除一部分发酵液、从发酵液中分离微生物细胞(方便地通过过滤)并从发酵液中回收一种或多种目标产物来从发酵液中回收目标产物。可回收醇和/或丙酮，例如通过蒸馏。可回收酸，例如通过在活性炭上吸附。优选地将分离的微生物细胞返回至生物反应器中。还优选地将已经去除目标产物后剩余的无细胞渗透物返回至生物反应器中。可将额外的营养素(如B维生素)添加到无细胞渗透物中，以在培养基返回生物反应器之前补充培养基。
实例
以下实例进一步说明本发明，但当然不应以任何方式解释为限制其范畴。
实例1
这一实例描述碱性氧气炉(BOF)工艺与电解工艺和发酵工艺的整合，以提供具有改进的组成的发酵基质，从而导致改进的发酵产物产量。
BOF工艺产生具有以下组成的BOF尾气：50-70％CO、15-25％CO2、15-25％N2和0-5-3％H2。
电解工艺如下产生氢气和氧气：2H2O+电->2H2+O2+热。
如果提供BOF，则通过电解工艺产生的氧气可抵消氧气需求。
将通过电解工艺产生的氢气与BOF尾气混合，以提供包含H2:CO:CO2比为10:3.5:1的发酵基质。将发酵基质提供给含有以寄存编号DSM23693存放在DSMZ的自产乙醇梭菌菌株培养物的生物反应器。
总反应过程化学计量如下：
提供电解工艺与BOF工艺和发酵工艺的工艺整合，导致乙醇产生和CO2减缓作为废产物。
实例2
这一实例描述碱性氧气炉(BOF)工艺与电解工艺和发酵工艺的整合，以提供具有改进的组成的发酵基质，从而导致改进的发酵产物产量。
BOF工艺产生具有以下组成的BOF尾气：50-70％CO、15-25％CO2、15-25％N2和0-5-3％H2。
电解工艺如下产生一氧化碳和氧气：2CO2+电->2CO+O2+热。
如果提供BOF，则通过电解工艺产生的氧气可抵消氧气需求。
将通过电解工艺产生的一氧化碳与BOF尾气混合，以提供包含H2:CO:CO2比为[需要的比]的发酵基质。将发酵基质提供给含有以寄存编号DSM23693存放在DSMZ的自产乙醇梭菌菌株培养物的生物反应器。发酵基质以产生一种或多种发酵产物，包括乙醇和尾气流。将来自生物反应器尾气流的CO2捕获并送到CO2电解装置中，将产生的CO再循环回到发酵罐中，并将产生的O2再循环回到炼钢中。用于炼钢的100％O2取代其它O2来源(通常为94％O2、6％N2)，这减少炼钢废气中的N2并富集气体，从而改进两个工艺装置。
总反应过程化学计量如下：
本文引证的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利都以引用的方式并入在此，其程度如同每个参考文献被单独且具体地指出以引用的方式且以其整体阐述并入本文一样。本说明书中对任何现有技术的参考不是，且不应被视为承认现有技术形成任何国家的研究领域中的公知常识的一部分。
除非本文另有指示或上下文明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求书的上下文中)使用的术语“一(a和an)”和“所述”和相似指示物被解释为涵盖单数和复数。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”被解释为开放式术语(即意味着“包括但不限于”)。除非本文另有指示，否则本文对数值范围的叙述仅旨在用作单独提及落入所述范围内的每个独立值的简写方法，并且每个独立值并入本说明书中，如同其在本文中单独叙述一样。除非本文另有指示或上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法或工艺可以以任何合适顺序实行。除非另外要求，否则本文所提供的使用任何和所有实例或示例性语言(例如，“如”)仅旨在更好地说明本发明，而不是对本发明的范畴提出限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的要素对本发明的实践是必不可少的。
本文描述本发明的优选实施例。在阅读前述描述后，那些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员来说可变得显而易见。发明人期待熟练的技术人员适当地采用此类变化，并且发明人希望以不同于本文具体描述的方式实践本发明。因此，本发明包括如适用法律容许的所附权利要求书中叙述的标的物的所有修改和等同物。此外，除非本文另有指示或上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述以其所有可能变化的要素的任何组合。

Claims (26)

1.一种在整合发酵和工业工艺中改进碳捕获效率的工艺，其中所述工艺包含：
i.将一种或多种原料传递至电解工艺中以产生电解衍生基质；
ii.将至少一部分所述电解衍生基质与来自工业工艺的含C1尾气混合，以提供混合的含C1基质；
iii.将所述混合的含C1基质传递至含有至少一种C1固定细菌的培养物的生物反应器中；并且
iv.发酵所述培养物以产生一种或多种发酵产物。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中
i.将CO2传递至电解工艺中以产生包含CO和O2的电解衍生基质；
ii.所述工业工艺产生含C1尾气；并且
iii.将来自(i)的至少一部分所述CO与来自(ii)的至少一部分所述含C1尾气混合，以提供所述混合的含C1基质。
3.根据权利要求2所述的工艺，其中将来自(i)的至少一部分所述O2传递至所述工业工艺中。
4.根据权利要求2所述的工艺，其中出口气流通过发酵产生，出口气体包含CO2，并将至少一部分CO2再循环到所述电解工艺中。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中：
i.将H2O传递至电解工艺中，以产生包含H2和O2的电解衍生基质；
ii.所述工业工艺产生含C1尾气；并且
iii.将来自(i)的至少一部分所述H2与来自(ii)的C1气态基质混合，以提供所述混合的含C1基质。
6.根据权利要求5所述的工艺，其中所述电解工艺需要能量输入，并且所述能量输入来源于可再生能源。
7.根据权利要求5所述的工艺，其中将来自(i)的至少一部分所述O2传递至所述工业工艺中。
8.根据权利要求2或5所述的工艺，其中所述工业工艺是部分氧化工艺，其中所述部分氧化工艺选自由碱性氧气炉(BOF)反应；COREX或FINEX炼钢工艺、高炉(BF)工艺、铁合金工艺、二氧化钛生产工艺和气化工艺组成的组。
9.根据权利要求2或5所述的工艺，其中所述部分氧化工艺是气化工艺，并且其中所述气化工艺选自由城市固体废物气化工艺、生物质气化工艺、石油焦炭气化工艺和煤气化工艺组成的组。
10.根据权利要求5所述的工艺，其中所述工业工艺包含选自由水泥生产工艺、天然气发电厂和燃煤发电厂组成的组的完全氧化工艺。
11.根据权利要求1所述的工艺，其中所述含C1尾气包含CO、CO2和H2。
12.根据权利要求1所述的工艺，其中所述混合的含C1基质包含CO。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中所述混合的含C1基质进一步包含选自由CO2、H2、CH4组成的组的至少一种组分。
14.根据权利要求1所述的工艺，其中所述C1固定细菌选自梭菌(Clostridium)属。
15.根据权利要求14所述的工艺，其中所述至少一种C1固定细菌选自由自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)组成的组。
16.根据权利要求3或7所述的工艺，其中将一部分所述含C1尾气与来自电解装置的一部分氧气混合，以匹配对所述工业工艺的进料所需的富氧。
17.一种从包含可再生氢气的气态基质中产生至少一种产物的整合工艺，所述工艺包含：
i.接收包含可再生氢气的第一气态基质，和包含CO2的第二气态基质；
ii.将第一部分氢气和第一部分CO2传递至在一定条件下操作的反向水煤气变换反应器中，以产生包含CO的出口流；
iii.将第二部分氢气、第二部分CO2和所述包含CO的出口流混合，以提供含C1基质；
iv.将所述含C1基质传递至含有一种或多种C1固定细菌的培养物的生物反应器中；并且
v.发酵所述含C1基质，以产生至少一种发酵产物。
18.根据权利要求17所述的工艺，其中所述可再生氢气通过电解产生，并且其中所述CO2通过水泥生产工艺产生。
19.权利要求18所述的工艺，其中O2作为所述电解工艺的副产物产生。
20.根据权利要求19所述的工艺，其中将O2副产物传递至所述水泥生产工艺中，以满足所述水泥生产工艺的O2需求。
21.根据权利要求1至21中任一项所述的工艺，其中所述至少一种发酵产物选自由以下组成的组：乙醇、乙酸盐、丁醇、丁酸盐、2,3-丁二醇、乳酸盐、丁烯、丁二烯、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸盐、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇和1-丙醇。
22.一种整合系统，其包含；
i.用于产生电解衍生基质的电解槽；
ii.工业工艺区，其利用至少一部分(i)的电解衍生基质并生成含C1尾气；
iii.发酵区，其通过C1固定细菌厌氧发酵至少一部分(ii)的工业废气来产生至少一种发酵产物。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述系统进一步包含混合装置，其用于将来自所述电解装置的一部分电解衍生基质与至少一部分所述含C1尾气混合以产生混合的含C1基质，和导管，其用于将所述混合的含C1基质从所述混合装置传递至发酵装置中。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述电解装置是使用可再生能源产生氢气和氧气的水电解装置。
25.根据权利要求22所述的系统，其中所述电解装置是CO2电解槽。
26.根据权利要求22所述的系统，其中用于所述电解装置的能源通过可再生能量生产装置提供。
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