CN111683731A - 用于提高碳转化效率的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供如气体发酵工序的CO消耗工序与CO2电解工序的整合。本发明能够利用通过工业工序生成的包含CO2的气态底物，并且提供一个或多个去除模块，以在所述气态底物通过CO2电解模块之前，从包含CO2的气态底物中去除至少一种成分。本发明可进一步包含一个或多个压力模块、一个或多个CO2浓缩模块、一个或多个O2分离模块和/或H2电解模块。通过将由CO消耗工序产生的CO2再循环到所述CO2电解工序提高了碳转化效率。

Description

用于提高碳转化效率的工艺
技术领域
本发明涉及用于提高碳转化效率的工艺和方法。具体来说，本发明涉及一氧化碳消耗工序与工业工序的组合，其中来自工业工序的气体经历处理和转化，并且将通过一氧化碳消耗工序产生的二氧化碳再循环以提高产物产率。
背景技术
二氧化碳(CO2)占由人类活动引起的全球温室气体排放的约76％，其中余下的是甲烷(16％)、一氧化二氮(6％)和氟化气体(2％)(美国环境保护局(United StatesEnvironmental Protection Agency))。减少温室气体排放，特别是CO2排放，对于停止全球变暖的进程以及随之而来的气候和天气变化至关重要。
早已认识到，催化工艺(如费托工艺(Fischer-Tropsch process))可用于将包含CO2、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)的气体转化成各种燃料和化学品。然而，最近，气体发酵已成为用于对这类气体进行生物固定的替代平台。具体来说，已证明C1固定性微生物将包含CO2、CO、CH4和/或H2的气体转化成如乙醇和2,3-丁二醇的产物。
这类气体可来源于例如工业工序，包括来自以下的气体排放物：碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、制浆造纸、炼钢、炼油及相关工序、石化生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化、气化、天然气开采、原油开采、冶金工序、铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层、费托工艺、甲醇生产、热解、蒸汽甲烷重整、干甲烷重整、沼气或天然气的部分氧化，和沼气或天然气的自热重整。
为了在如C1固定性发酵工序的CO消耗工序中优化这些气体的使用，工业气体可需要将处理和转化组合。因此，仍然需要改善工业工序与CO消耗工序(包括用于工业气体的处理和转化的工序)的整合，从而优化碳转化效率。
发明内容
在上述背景下，本发明提供了相对于现有技术的某些优点和进步。
尽管本文公开的本发明不限于特定的优点或功能，但是本发明提供一种用于提高碳转化效率的工艺，其中所述工艺包含：将来自工业工序的包含CO2的气态底物传送到第一去除模块，所述模块用于从包含CO2的气态底物中去除至少一种成分，以产生第一CO2经处理的气体料流；将第一CO2经处理的气体料流传送到CO2电解模块，所述模块用于转化第一CO2经处理的气体料流的至少一部分，以产生富含CO的料流和第一富含O2的料流；和将富含CO的料流的至少一部分传送到CO消耗工序。
在本文描述的工艺的一些方面，首先将来自工业工序的包含CO2的气态底物传送到压力模块，以产生加压的包含CO2的气体料流，并且将加压的包含CO2的气体料流传送到第一去除模块。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含以下中的一者或多者：将第一富含O2的料流的至少一部分直接传送到工业工序；和将第一富含O2的料流的至少一部分传送到O2分离模块，以产生第二富含O2的料流和贫O2的料流。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含以下中的一者或多者：将第二富含O2的料流的至少一部分传送到工业工序；将贫O2的料流的至少一部分传送到CO2电解模块；和将贫O2的料流的至少一部分传送到CO消耗工序。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含：将来自工业工序的包含CO2的气态底物的至少一部分和/或第一CO2经处理的气体料流的至少一部分传送到第一CO2浓缩模块，以产生第一CO2浓缩的料流和第一贫CO2的料流。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含：将第一CO2浓缩的料流的至少一部分传送到第一去除模块和CO2电解模块中的一个或多个。
在本文描述的工艺的一些方面，第一贫CO2的料流包含CO和/或H2，并且所述工艺进一步包含将第一贫CO2的料流的至少一部分传送到CO消耗工序。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺包含：将富含CO的料流的至少一部分传送到压力模块，以产生加压的CO料流；和将加压的CO料流的至少一部分传送到CO消耗工序。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含：将水底物传送到H2电解模块，以产生富含H2的料流；和将富含H2的料流的至少一部分传送到CO消耗工序。
在本文描述的工艺的一些方面，CO消耗工序产生包含CO2的尾气。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含以下中的一者或多者：将包含CO2的尾气的至少一部分传送到第一去除模块或第二去除模块，所述模块用于从尾气去除至少一种成分，以产生第二CO2经处理的气体料流；和将包含CO2的尾气的至少一部分传送到第二CO2浓缩模块，以产生第二CO2浓缩的料流和第二贫CO2的料流。
在本文描述的工艺的一些方面，将包含CO2的尾气的至少一部分传送到压力模块，以产生加压的尾气料流，并且将加压的尾气料流传送到第一去除模块和/或第二去除模块。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含将第二CO2浓缩的料流的至少一部分传送到第一去除模块或第二去除模块，所述模块用于从尾气中去除至少一种成分，以产生第二CO2经处理的气体料流。
在本文描述的工艺的一些方面，所述工艺进一步包含将第二CO2经处理的气体料流的至少一部分传送到CO2电解模块。
在本文描述的工艺的一些方面，来自工业工序的包含CO2的气态底物进一步包含CO、H2和CH4中的一种或多种。
在本文描述的工艺的一些方面，工业工序选自包含以下的组：碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、制浆造纸、炼钢、炼油及相关工序、石化生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化、气化、天然气开采、原油开采、冶金工序、铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层、费托工艺、甲醇生产、热解、蒸汽甲烷重整、干甲烷重整、沼气或天然气的部分氧化，和沼气或天然气的自热重整。
在本文描述的工艺的一些方面，包含CO2的气态底物来源于至少两种或更多种来源的共混物。
在本文描述的工艺的一些方面，第一去除模块选自由以下组成的组：水解模块、酸性气体去除模块、脱氧模块、催化氢化模块、颗粒去除模块、氯化物去除模块、焦油去除模块和氰化氢精制模块。
在本文描述的工艺的一些方面，从包含CO2的气体底物中去除的至少一种成分选自由以下组成的组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯属烃、烷烃、烯烃、氮化合物、氧气、含磷化合物、颗粒物、固体、氧气、卤代化合物、含硅化合物、羰基化合物、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚、焦油和萘。
在本文描述的工艺的一些方面，CO消耗工序是包含至少一种一氧化碳营养型微生物的培养的发酵工序。一氧化碳营养型微生物可以是一氧化碳营养型细菌。
在本文描述的工艺的一些方面，一氧化碳营养型细菌选自由以下组成的组：穆尔氏菌属(Moorella)、梭菌属(Clostridium)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋杆菌属(Acetobacterium)、真杆菌属(Eubacterium)、丁酸杆菌属(Butyribacterium)、产醋杆菌属(Oxobacter)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)和脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)。在本文描述的工艺的一些方面，一氧化碳营养型细菌是自产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)。
在本文描述的工艺的一些方面，发酵工序产生选自由以下组成的组的发酵产物：乙醇、丁酸酯、2,3-丁二醇、乳酸酯、丁烯、丁二烯、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、萜烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇和1-丙醇。
附图说明
图1A、图1B和图1C示出工序整合方案，其描绘去除模块、CO2电解模块和任选的H2电解模块与CO消耗工序的整合。图1B进一步示出在去除模块之前的压力模块。图1C进一步示出在CO消耗工序之前的压力模块。
图2示出工序整合方案，其描绘去除模块、CO2电解模块、任选的O2分离模块和任选的H2电解模块与CO消耗工序的整合。
图3示出工序整合方案，其描绘在去除模块之前的任选的CO2浓缩模块、CO2电解模块、任选的H2电解模块和任选的O2分离模块与CO消耗工序的整合。
图4示出工序整合方案，其描绘在去除模块之后的任选的CO2浓缩模块、CO2电解模块、任选的H2电解模块和任选的O2分离模块与CO消耗工序的整合。
图5示出工序整合方案，其描绘在任选的压力模块之后的H2电解模块的整合，其中在传送到CO消耗工序之前，将来自H2电解模块的气体的一部分与来自CO2电解模块的气体共混。
图6示出工序整合方案，其描绘在CO2电解模块之后的另外的去除模块的整合。
具体实施方式
本发明人已经鉴定，生成CO2的工业工序与CO消耗工序以及在CO2电解工序之前的去除工序的整合能够为生成CO2的工业工序和CO消耗工序提供显著的益处，所述CO消耗工序可以是C1固定性发酵工序。
术语“工业工序”是指涉及化学、物理、电气和/或机械步骤的用于将物质产生、转化、精炼、重整、提取或氧化的工序。实例性工业工序包括但不限于碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、制浆造纸、炼钢、炼油及相关工序、石化生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化、气化(如生物质、液体废物料流、固体废物料流、市政料流、化石资源(包括天然气、煤炭和石油)的气化)、天然气开采、原油开采、冶金工序、铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层、费托工艺、甲醇生产、热解、蒸汽甲烷重整、干甲烷重整、沼气或天然气的部分氧化，和沼气或天然气的自热重整。在这些实施例中，底物和/或C1碳源可在其被排出到大气中之前使用任何适宜方法从工业工序中捕获。
术语“来自工业工序的气体”、“来自工业工序的气体源”和“来自工业工序的气态底物”可互换使用，以指代来自工业工序的废气、工业工序的副产物、工业工序的联产物、在工业工序内再循环的气体和/或在工业设施中用于能量回收的气体。在一些实施例中，来自工业工序的气体是变压吸附(PSA)尾气。在一些实施例中，来自工业工序的气体是通过CO2提取工序中获得的气体，这可涉及胺洗涤或使用碳酸酐酶溶液。
“C1”是指单碳分子，例如CO、CO2、甲烷(CH4)或甲醇(CH3OH)。“C1含氧物”是指还包含至少一个氧原子的单碳分子，例如CO、CO2或CH3OH。“C1碳源”是指充当本发明的微生物的部分或唯一碳源的单碳分子。举例来说，C1碳源可包含CO、CO2、CH4、CH3OH或甲酸(CH2O2)中的一种或多种。优选地，C1碳源包含CO和CO2中的一种或两种。“C1固定性微生物”是具有从C1碳源产生一种或多种产物的能力的微生物。通常，本发明的微生物是C1固定性细菌。
“底物”是指碳源和/或能量源。通常，底物是气态的并且包含C1碳源，例如CO、CO2和/或CH4。优选地，底物包含CO或CO+CO2的C1碳源。底物可进一步包含其它非碳组分，如H2、N2或电子。如本文所用，“底物”可指代本发明的微生物的碳源和/或能量源。
术语“共底物”是指虽然不一定是产品合成的主要能量和材料来源的物质，但当与另一种底物(如主要底物)组合中时可用于产品合成。
“包含CO2的气态底物”、“包含CO2的气体”或“包含CO2的气态源”可包括包含CO2的任何气体。气态底物通常将包含显著比例的CO2，优选地按体积计至少约5％至约100％的CO2。另外，气态底物可包含氢气(H2)、氧气(O2)、氮气(N2)和/或CH4中的一种或多种。如本文所用，CO、H2和CH4可被称为“富能量气体”。
如本文所使用的术语“碳捕获”是指将碳化合物(包括CO2和/或CO)从包含CO2和/或CO的料流中封存，和a)将CO2和/或CO转化成产物，b)将CO2和/或CO转化成适合长期储存的物质，c)将CO2和/或CO捕集在适合长期储存的物质中，或d)这些工序的组合。
术语“增加效率”、“增加的效率”等是指反应速率和/或输出的增加，如将CO2和/或CO转化成产物的速率增加，和/或产物浓度增加。当与发酵工序相关使用时，“增加效率”包括但不限于增加以下中的一个或多个：催化发酵的微生物的生长速率、在提高的产物浓度下生长和/或产物生产速率、每体积底物消耗产生的期望产物的体积、期望产物的生产速率或生产水平，以及所生产的期望产物与发酵的其它副产物相比的相对比例。
如本文所用，“反应物”是指存在于化学反应中并且在反应期间被消耗以产生产物的物质。反应物是在化学反应过程中经历变化的起始材料。在特定实施例中，反应物包括但不限于CO和/或H2。在特定实施例中，反应物是CO2。
“CO消耗工序”是指其中CO为反应物的工序；消耗CO以产生产物。CO消耗工序的非限制性实例是C1固定性气体发酵工序。CO消耗工序可涉及CO2产生反应。举例来说，CO消耗工序可产生至少一种产物(如发酵产物)，以及CO2。在另一个实例中，乙酸生产是CO消耗工序，其中CO在压力下与甲醇反应。
“气体料流”是指能够例如从一个模块传送到另一个模块、从一个模块传送到CO消耗工序和/或从一个模块传送到碳捕获装置的底物的任何料流。
气体料流通常将不是纯CO2气体料流，并且将包含一定比例的至少一种其它组分。例如，每种来源可具有不同的比例CO2、CO、H2和各种成分。由于比例的变化，必须在将气体料流引入CO消耗工序之前对其进行处理。气体料流的处理包括可以是微菌抑制剂和/或催化剂抑制剂的各种成分的去除和/或转化。优选地，在传送到电解模块之前，将催化剂抑制剂去除和/或转化，并且在传送到CO消耗工序之前，将微菌抑制剂去除和/或转化。另外，气体料流可需要经历一个或多个浓缩步骤，由此增加CO和/或CO2的浓度。优选地，在传送到电解模块之前，气体料流将经历浓缩步骤以增加CO2的浓度。已经发现，将较高浓度的CO2传送到电解模块使得从电解模块中出来的CO的浓度较高。
“去除模块”、“污染物去除模块”、“清除模块”、“处理模块”等包括能够从气体料流中转化和/或去除至少一种成分的技术。去除模块的非限制性实例包括水解模块、酸性气体去除模块、脱氧模块、催化氢化模块、颗粒去除模块、氯化物去除模块、焦油去除模块和氰化氢精制模块。
如本文所用，术语“成分”、“污染物”等是指可在气体料流中发现的微菌抑制剂和/或催化剂抑制剂。在特定实施例中，成分包括但不限于硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯属烃、烷烃、烯烃、氮化合物、含磷化合物、颗粒物、固体、氧气、卤代化合物、含硅化合物、羰基化合物、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚、焦油和萘。优选地，由去除模块去除的成分不包括CO2。
如本文所用，“微菌抑制剂”是指减慢或阻止特定化学反应或其它过程(包括微菌)的一种或多种成分。在具体实施例中，微菌抑制剂包括但不限于氧气(O2)、氰化氢(HCN)、乙炔(C2H2)和BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)。
如本文所用，“催化剂抑制剂”、“吸附剂抑制剂”等是指降低化学反应的速率或阻止化学反应的一种或多种物质。在特定实施例中，催化剂抑制剂可包括但不限于硫化氢(H2S)和硫化羰(COS)。
在某些情况下，通过发酵步骤产生、引入和/或浓缩至少一种去除的成分。这些成分中的一种或多种可存在于发酵后气态底物中。举例来说，可通过发酵步骤产生、引入和/或浓缩呈H2S形式的硫。在特定实施例中，在发酵步骤中引入硫化氢。在各种实施例中，发酵后气态底物包含硫化氢的至少一部分。硫化氢可以是催化剂抑制剂。因此，硫化氢可抑制特定的电解模块。为了将非抑制性发酵后气态底物传送到电解器中，可需要通过一个或多个去除模块来去除存在于发酵后气态底物中的硫化氢的至少一部分或其它成分。在另一个实施例中，可通过发酵步骤产生丙酮，并且木炭可用作去除模块。
术语“经处理的气体”和“经处理的气体料流”是指已经被传送通过至少一个去除模块并将一种或多种成分去除和/或转化的气体料流。举例来说，“CO2经处理的气体料流”是指已经被传送通过一个或多个去除模块的包含CO2的气体。
“浓缩模块”等是指能够增加气体料流中的特定组分的水平的技术。在特定实施例中，浓缩模块是CO2浓缩模块，其中离开CO2浓缩模块的气体料流中的CO2的比例高于在传送到CO2浓缩模块之前气体料流中的CO2的比例。在一些实施例中，CO2浓缩模块使用脱氧技术从气体料流中去除O2，并且因此增加气体料流中CO2的比例。在一些实施例中，CO2浓缩模块使用变压吸附(PSA)技术从气体料流中去除H2，并且因此增加气体料流中CO2的比例。在某些情况下，发酵工序执行CO2浓缩模块的功能。在一些实施例中，将气体料流从浓缩模块传送到碳捕获和封存(CCS)单元或提高石油采收率(EOR)单元。
术语“电解模块”和“电解器”可互换使用，以指代使用电驱动非自发反应的单元。电解技术是本领域中已知的。实例性工序包括碱性水电解、质子或阴离子交换膜(PEM、AEM)电解和固体氧化物电解(SOE)(Ursua等人,《电气与电子工程师协会会报(Proceedings ofthe IEEE)》100(2):410-426,2012；Jhong等人,《化学工程最新意见(Current Opinion inChemical Engineering)》2:191-199,2013)。术语“法拉第效率”是指参考流动通过电解器并转移到还原产物而不是无关过程中的电子数量的值。SOE模块在高温下操作。在电解模块的热中性电压以下，电解反应是吸热的。在电解模块的热中性电压以上，电解反应是放热的。在一些实施例中，在不增加压力的情况下操作电解模块。在一些实施例中，电解模块在5-10巴的压力下操作。
“CO2电解模块”是指能够将CO2分解成CO和O2的单元并且由以下化学计量反应所定义：2CO2+电→2CO+O2。使用不同的催化剂还原CO2会影响最终产物。已经表明催化剂(包括但不限于Au、Ag、Zn、Pd和Ga催化剂)对于由CO2生产CO是有效的。在一些实施例中，离开CO2电解模块的气体料流的压力为大约5-7巴。
“H2电解模块”、“水电解模块”和“H2O电解模块”是指能够将呈蒸汽形式的H2O分解为H2和O2的单元，并且由以下化学计量反应定义：2H2O+电→2H2+O2。H2O电解模块将质子还原为H2并将O2-氧化为O2。可将通过电解产生的H2与包含C1的气态底物共混作为一种手段来供应附加原料，并改善底物组成。
H2和CO2电解模块具有2个气体出口。在电解模块的一侧(阳极)包含H2或CO(以及其它气体，如未反应的水蒸气或未反应的CO2)。第二侧(阴极)包含O2(以及潜在的其它气体)。传送到电解工序的原料的组成可确定CO料流中各种组分的存在。例如，原料中惰性组分(如CH4和/或N2)的存在可导致那些组分中的一种或多种存在于富含CO的料流中。另外，在一些电解器中，在阴极处产生的O2跨越到生成CO的阳极，和/或CO跨越到阳极侧，从而导致期望的气体产物的交叉污染。
术语“分离模块”用于指代能够将物质分为两种或更多种组分的技术。举例来说，“O2分离模块”可用于将包含O2的气态底物分离成主要包含O2的料流(也称为“富含O2的料流”或“富O2的气体”)和主要不包含O2、不包含O2或仅包含痕量的O2的料流(也称为“贫O2的料流”或“贫化O2的料流”)。
如本文所用，术语“富含料流”、“富气体”，“高纯度气体”等是指在通过如电解模块的模块之后特定组分的比例与进入模块的输入料流中的所述组分的比例相比较大的气体料流。举例来说，当包含CO2的气态底物通过CO2电解模块时，可产生“富含CO的料流”。当水气态底物通过H2电解模块时，可产生“富含H2的料流”。从CO2或H2电解模块的阳极自动出现“富含O2的料流”；当包含O2的气态底物通过O2分离模块时，也可产生“富含O2的料流”。当包含CO2的气态底物通过CO2浓缩模块时，可产生“富含CO2的料流”。
如本文所用，术语“贫料流”、“贫化气体”等是指在通过如浓缩模块或分离模块的模块之后特定组分的比例与进入所述模块的输入料流中所述组分的比例相比较低的气体料流。举例来说，当包含O2的气态底物通过O2分离模块时，可产生贫O2的料流。贫O2的料流可包含来自CO2电解模块的未反应的CO2。贫O2的料流可包含痕量的O2或不包含O2。当包含CO2的气态底物通过CO2浓缩模块时，可产生“贫CO2的料流”。贫CO2的料流可包含CO、H2和/或如微菌抑制剂或催化剂抑制剂的成分。贫CO2的料流可包含痕量的CO2或不包含CO2。
在特定实施例中，本发明提供一种整合工艺，其中气体料流的压力能够增加和/或降低。术语“压力模块”是指能够产生(即增加)或降低气体料流压力的技术。可通过任何合适的手段增加和/或降低气体的压力，例如一个或多个压缩机和/或阀。在某些情况下，气体料流的压力可低于最佳压力，或气体料流的压力可高于最佳压力，并且因此可包括阀以降低压力。压力模块可位于本文所述的任何模块之前或之后。举例来说，可在去除模块之前、浓缩模块之前、电解模块之前和/或CO消耗工序之前利用压力模块。
“加压的气体料流”是指已经传送通过压力模块的气态底物。“加压的气体料流”也可用来指代满足特定模块的操作压力要求的气体料流。
术语“CO消耗工序后气态底物”、“CO消耗工序后尾气”、“尾气”等可互换使用，以指代已经传送通过CO消耗工序的气体。CO消耗工序后气态底物可包含未反应的CO、未反应的H2和/或由CO消耗工序产生(或未并行吸收)的CO2。可将CO消耗工序后气态底物进一步传送到压力模块、去除模块、CO2浓缩模块和/或电解模块中的一个或多个。在一些实施例中，“CO消耗工序后气态底物”是发酵后气态底物。
术语“期望的组成”用于指代在物质(例如气体料流)中组分的期望水平和类型。更具体地，如果气体含有特定组分(即，CO、H2和/或CO2)和/或含有特定比例的特定组分和/或不包含特定组分(即对微生物有害的污染物)和/或不包含特定比例的特定组分，则认为所述气体具有“期望组成”。当确定气体料流是否具有期望的组成时，可考虑多于一种组分。
虽然底物不必包含任何H2，但是根据本发明的方法，H2的存在不应对产物形成有害。在特定实施例中，H2的存在使醇生产的总效率提高。在一个实施例中，底物包含按体积计约30％或更少的H2、按体积计20％或更少的H2、按体积计约15％或更少的H2或按体积计约10％或更少的H2。在其它实施例中，底物料流包含低浓度的H2，例如，小于5％、或小于4％、或小于3％、或小于2％、或小于1％或基本上无H2。
底物还可包含一些CO，例如按体积计约1％至约80％的CO，或按体积计1％至约30％的CO。在一个实施例中，底物包含按体积计小于或等于约20％的CO。在特定实施例中，底物包含按体积计小于或等于约15％的CO、按体积计小于或等于约10％的CO、按体积计小于或等于约5％的CO或基本上无CO。
可改善底物组成，以提供期望的或最佳的H2:CO:CO2比率。期望的H2:CO:CO2比率取决于发酵工序的所期望的发酵产物。对于乙醇，最佳H2:CO:CO2比率将是:
Figure BDA0002618549450000121
其中x＞2y，以便满足用于乙醇生产的化学计量：
Figure BDA0002618549450000122
在H2的存在下操作发酵工序具有减少由发酵工序产生的CO2量的额外益处。举例来说，包含最少H2的气态底物通常将会通过以下化学计量产生乙醇和CO2：6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2。随着由C1固定细菌利用的H2的量的增加，产生的CO2的量减少，即，2CO+4H2→C2H5OH+H2O。
当CO是乙醇生产的唯一碳源和能量源时，碳的一部分会如下损失到CO2：
6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2(ΔG°＝-224.90kJ/mol乙醇)
随着底物中可用的H2量增加，产生的CO2量减少。在化学计量比率为1:2(CO/H2)时，完全避免了CO2的产生。
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)
底物的组成可对反应的效率和/或成本有显著影响。举例来说，O2的存在可降低厌氧发酵工序的效率。根据底物的组成，可期望处理、洗涤或过滤底物以去除任何不期望的杂质，如毒素、不期望的组分或灰尘颗粒，和/或增加所期望组分的浓度。此外，可通过将由CO消耗工序产生的CO2再循环返回到CO2电解模块来增加碳捕获，从而提高CO消耗工序的产率。由CO消耗工序产生的CO2可在通过CO2电解模块之前进行处理。
在一些实施例中，在生物反应器中执行CO消耗工序。术语“生物反应器”包括由一个或多个容器和/或塔或管道布置组成发酵装置，其包括连续搅拌槽反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、鼓泡塔、气升式发酵罐、静态混合器、循环环管反应器、膜反应器，如中空纤维膜生物反应器(HFM BR)或适合于气体-液体接触的其它容器或其它装置。反应器优选地适于接收包含CO、CO2、H2或其混合物的气态底物。反应器可包含多个并联或串联的反应器(级)。举例来说，反应器可包含其中培养细菌的第一生长反应器和第二发酵反应器，来自生长反应器的发酵液可进料到所述第二发酵反应器中，并且其中可生产大多数发酵产物。
在升高的压力下操作生物反应器允许增加气体从气相到液相的传质速率。因此，在高于大气压力的压力下执行培养/发酵通常是优选的。此外，由于给定的气体转化速率在某种程度上随底物保留时间而变并且保留时间指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可大大减小所需生物反应器的体积，并且因此降低培养/发酵设备的资金成本。这继而意味着当在升高的压力而不是大气压力下维持生物反应器时，可缩短保留时间，所述保留时间被定义为是生物反应器中的液体体积除以输入气体流动速率。最佳反应条件将部分取决于所用的特定微生物。然而，一般来说，在高于大气压力的压力下操作发酵是优选的。此外，由于给定的气体转化速率在某种程度上随底物保留时间而变，并且实现期望的保留时间继而指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可大大减小所需生物反应器的体积，并且因此降低发酵设备的资金成本。
除非上下文另有要求，否则本文所用的短语“发酵”、“发酵工序”、“发酵反应”等旨在涵盖气态底物的生长期和产物生物合成期两者。在某些实施例中，在不存在碳水化合物底物如糖、淀粉、木质素、纤维素或半纤维素的情况下执行发酵。
通常在含有足以允许微生物生长的营养物、维生素和/或矿物质的水性培养基中维持培养。“营养培养基”和“培养基”用于描述细菌生长培养基。优选地，水性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。合适的培养基是本领域中众所周知的。术语“营养物”包括可用于微生物代谢途径的任何物质。实例性营养物包括钾、维生素B、痕量金属和氨基酸。
术语“发酵液”和“培养液”旨在涵盖组分，包括营养培养基和培养物或一种或多种微生物的混合物。应注意，术语微生物和术语细菌在本文中可互换使用。
可用气体料流培养本发明的微生物以产生一种或多种产物。例如，本发明的微生物可产生或可被工程化以产生乙醇(WO 2007/117157、乙酸酯(WO 2007/117157)、丁醇(WO2008/115080和WO 2012/053905)、丁酸酯(WO 2008/115080)、2,3-丁二醇(WO 2009/151342和WO 2016/094334)、乳酸酯(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-羟基丙酸酯(3-HP)(WO 2013/180581)、萜烯，包括异戊二烯(WO 2013/180584)、脂肪酸(WO2013/191567)、2-丁醇(WO 2013/185123)、1,2-丙二醇(WO 2014/036152)、1-丙醇(WO2014/0369152)、分支酸衍生产物(WO 2016/191625)、3-羟基丁酸酯(WO 2017/066498)，和1,3-丁二醇(WO 2017/0066498)。除了一种或多种目标产物以外，本发明的微生物还可产生乙醇、乙酸酯和/或2,3-丁二醇。在某些实施例中，微生物生物质本身就可认为是一种产物。这些产物可进一步转化以产生柴油、喷气燃料和/或汽油的至少一种组分。另外，可进一步处理微生物生物质以产生单细胞蛋白(SCP)。
“微生物”为微观生物，尤其为细菌、古细菌、病毒或真菌。本发明的微生物通常是细菌。如本文所用，“微生物”的表述应理解为涵盖“细菌”。
“亲本微生物”是用于产生本发明微生物的微生物。亲本微生物可以是天然存在的微生物(即，野生型微生物)或先前已经被修饰的微生物(即，突变或重组微生物)。本发明的微生物可以经修饰以表达或过度表达在亲本微生物中不表达或过度表达的一种或多种酶。类似地，本发明的微生物可以经修饰以包含亲本微生物所不含有的一个或多个基因。本发明的微生物还可以经修饰以不表达或表达较低量的在亲本微生物中表达的一种或多种酶。在一个实施例中，亲本微生物是自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)或拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)。在优选的实施例中，亲本微生物为自产乙醇梭菌LZ1561，其以布达佩斯条约(Budapest Treaty)项目在2010年6月7日保藏于在2010年6月7日位于德国D-38124Braunschwieg的Inhoffenstraβ7B处的莱布尼兹研究所公司(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)(DSMZ)并且赋予登录号DSM23693。此菌株描述于国际专利申请第PCT/NZ2011/000144号中，其公开为WO 2012/015317。
术语“来源于”指示核酸、蛋白质或微生物从不同的(即，亲本或野生型)核酸、蛋白质或微生物经过修饰或适应，从而产生新的核酸、蛋白质或微生物。这类修饰或适应通常包括核酸或基因的插入、缺失、突变或取代。通常，本发明的微生物来源于亲本微生物。在一个实施例中，本发明的微生物来源于自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌。在优选实施例中，本发明的微生物来源于以DSMZ登录号DSM23693保藏的自产乙醇梭菌LZ1561。
可基于功能特性进一步分类本发明的微生物。举例来说，本发明的微生物可以来自或可以来源于C1固定性微生物、厌氧菌、产乙酸菌、产乙醇菌、一氧化碳营养菌和/或产甲烷菌。
“Wood-Ljungdahl”是指如(即，由Ragsdale,《生物化学与生物物理学报(BiochimBiophys Acta)》,1784:1873-1898,2008)所描述的碳固定Wood-Ljungdahl途径。“Wood-Ljungdahl微生物”可预测地指代包含Wood-Ljungdahl途径的微生物。一般来说，本发明的微生物含有天然Wood-Ljungdahl途径。在本文中，Wood-Ljungdahl途径可为天然未修饰的Wood-Ljungdahl途径，或可为具有一些程度的基因修饰(即，过表达、异源表达、敲除等)只要其仍然用于将CO、CO2和/或H2转化成乙酰-CoA的Wood-Ljungdahl途径。
“厌氧菌”是一种生长不需要O2的微生物。如果存在的O2高于某一阈值，那么厌氧菌可负面地反应或甚至死亡。然而，一些厌氧菌能够耐受低水平的O2(即，0.000001-5％O2)。通常，本发明的微生物是厌氧菌。
“产乙酸菌”为使用Wood-Ljungdahl途径作为其能量守恒和合成乙酰-CoA与乙酰-CoA衍生产物(如乙酸酯)的主要机制的绝对厌氧细菌(Ragsdale,《生物化学与生物物理学学报》,1784:1873-1898,2008)。具体来说，产乙酸菌使用Wood-Ljungdahl途径作为(1)从CO2还原合成乙酰-CoA的机制，(2)最终电子接收、能量保存过程，(3)在细胞碳的合成中固定(同化)CO2的机制(Drake,产乙酸原核生物(Acetogenic Prokaryotes),《原核生物(TheProkaryotes)》第3版,第354页,纽约州纽约,2006)。所有天然存在的产乙酸菌都是C1固定性、厌氧性、自养性和非甲烷氧化性的。通常，本发明的微生物是产乙酸菌。
“产乙醇菌”是产生或能够产生乙醇的微生物。通常，本发明的微生物是产乙醇菌。
“自养菌”是能够在不存在有机碳的情况下生长的微生物。相反，自养菌使用无机碳源，如CO和/或CO2。通常，本发明的微生物是自养菌。
“一氧化碳营养菌”是能够利用CO作为唯一碳源和能量源的微生物。通常，本发明的微生物是一氧化碳营养菌。
“产甲烷菌”是能够利用甲烷作为唯一碳源和能量源的微生物。在某些实施例中，本发明的微生物是产甲烷菌或来源于产甲烷菌。在其它实施例中，本发明的微生物不是产甲烷菌或不来源于产甲烷菌。
表1提供代表性的微生物列表，并鉴定了它们的功能特性。
表1
Figure BDA0002618549450000171
Figure BDA0002618549450000181
1 伍氏醋酸杆菌可从果糖中产生乙醇，但不能从气体中产生乙醇。
2 尚未研究大梭菌是否可依靠CO生长。
3 已报导热醋穆尔氏菌、穆尔氏菌属(Moorella sp.)HUC22-1中的一个菌株从气体中产生乙醇。
4 尚未研究卵形鼠孢菌是否可依靠CO生长。
5 尚未研究森林土壤醋酸鼠孢菌是否可依靠CO生长。
6 尚未研究球形鼠孢菌是否可依靠CO生长。
“天然产物”是由未经过基因修饰的微生物产生的产物。举例来说，乙醇、乙酸和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”是由经基因修饰的微生物产生的，而不是由经基因修饰的微生物来源于的未经基因修饰的微生物产生的产物。
“选择率”是指目标产物的产量与由微生物产生的全部发酵产物的产量的比率。本发明的微生物可经工程化来以某一选择率或最低选择率产生产物。在一个实施例中，目标产物占由本发明的微生物产生的所有发酵产物的至少约5％、10％、15％、20％、30％、50％或75％。在一个实施例中，目标产物占由本发明的微生物产生的全部发酵产物的至少10％，使得本发明的微生物具有至少10％的目标产物选择率。在另一个实施例中，目标产物占由本发明的微生物产生的全部发酵产物的至少30％，使得本发明的微生物具有至少30％的目标产物选择率。
培养/发酵应该理想地在产生目标产物的适当条件下实行。通常，培养/发酵在厌氧条件下执行。要考虑的反应条件包括压力(或分压)、温度、气体流动速率、液体流动速率、培养基pH、培养基氧化还原电势、搅动速率(如果使用连续搅拌槽反应器)、接种物水平、确保液相中的气体不会变成限制因素的最大气体底物浓度和避免产物抑制的最大产物浓度。具体来说，可控制底物的引入速率来确保液相中的气体的浓度不会变成限制因素，因为在气体限制条件下培养会消耗产物。
可使用任何方法或本领域中已知方法的组合从发酵液中分离或纯化目标产物，所述方法包括例如分馏、蒸发、渗透蒸发、气提、相分离和萃取发酵(包括例如液-液萃取)。在某些实施例中，通过从生物反应器中不断去除培养液的一部分、从培养液分离微生物细胞(宜通过过滤)和从培养液中回收一种或多种目标产物而从发酵液中回收目标产物。可例如通过蒸馏回收醇类和/或丙酮。可例如通过吸附于活性炭来回收酸类。优选地使分离的微生物细胞返回到生物反应器。还优选地使去除目标产物之后剩余的无细胞渗透物返回到生物反应器。附加营养物(如维生素B)可添加到无细胞渗透物中以补给培养基，随后使其返回到生物反应器。
图1A示出用于工业工序110、一个或多个去除模块120、CO2电解工序130、任选的H2电解工序160和CO消耗工序140的整合的工艺。将来自工业工序110的包含CO2的气体经由导管112进料到一个或多个去除模块120，以去除和/或转化一种或多种成分128。然后将来自一个或多个去除模块120的经处理的气体经由导管122进料到CO2电解模块130，用于转化气体料流的至少一部分。在一些实施例中，将来自工业工序110的包含CO2的气体经由导管114直接进料到CO2电解模块130，用于转化气体料流的至少一部分；在此实施例中，可在通过工业工序之前去除如硫的成分。任选地，可经由导管136将O2的至少一部分从CO2电解模块130进料到工业工序110。将转化的气体料流的至少一部分经由导管132从CO2电解模块130传送到CO消耗工序140。在一些实施例中，将水底物经由导管162进料到H2电解模块160，用于转化水底物的至少一部分，并且将富含H2的料流经由导管164传送到CO消耗工序140。任选地，可经由导管166将O2的至少一部分从H2电解模块160进料到工业工序110。CO消耗工序140产生至少一种产物146和CO消耗工序后气态底物。
图1A的CO消耗工序140可以是气体发酵工序，并且可在接种器和/或一个或多个生物反应器中发生。举例来说，CO消耗工序140可以是包含至少一种C1固定性微生物的培养物的生物反应器中的气体发酵工序。在其中CO消耗工序140是气体发酵工序的实施例中，可发酵培养物以产生一种或多种发酵产物146和发酵后气态底物(CO消耗工序气态底物)。
在一些实施例中，图1A的CO消耗工序140包含CO2产生反应步骤。在其中CO消耗工序后气态底物包含CO2的实施例中，将CO消耗工序后气态底物的至少一部分经由导管142传送到一个或多个去除模块150，以去除和/或转化一种或多种成分158。然后将包含CO2的经处理的气体料流经由导管152传送到CO2电解模块130，用于转化气体料流的至少一部分。在特定实施例中，将CO消耗工序后气态底物经由导管142传送到从工业工序110接收包含CO2的气体的相同的一个或多个去除模块120。在各种实施例中，可将CO消耗工序后气态底物传送到从工业工序110接收包含CO2的气体的一个或多个去除模块120，和一个或多个去除模块150。已经发现处理和电解CO消耗工序后气态底物的此工序提高了碳捕获效率。
在特定实施例中，由图1A的去除模块150去除的至少一种成分由由CO消耗工序140(如气体发酵工序)产生、引入和/或浓缩。在各种实施例，由发酵步骤产生、引入和/或浓缩的一种或多种成分包含硫。在某些情况下，将硫(如硫化氢)引入到CO消耗工序140中。发现此硫降低了CO2电解模块130的效率。发现在将CO消耗工序后气态底物传送到CO2电解模块130之前，去除模块150成功地减少了CO消耗工序后气态底物中的硫的量。发现在CO2电解模块130之前使用去除模块150增加了CO2电解模块130的效率。
本发明人已经鉴定了CO2和H2电解工序的O2副产物可为C1生成工业工序提供附加益处。虽然本发明的发酵工序是厌氧工序，但是本发明人已经鉴定，CO生产工序的O2副产物(如通过图1A的导管136传送的O2)可用于C1生成工业工序。CO2电解工序的高纯度O2副产物可与工业工序整合并且有益地抵消成本，并且在一些情况下，具有协同作用，其进一步降低工业工序以及随后的气体发酵的成本。
通常，本文所述的工业工序通过空气分离得到所需的O2。通过空气分离产生O2是一种能量密集的过程，其涉及将N2与O2低温分离以实现最高的纯度。通过CO2和/或H2电解产生O2，并且替换通过空气分离产生O2可抵消工业工序中电力成本的高达5％。
涉及部分氧化反应的若干C1生成工业工序需要O2输入。实例性工业工序包括碱性氧气转炉(BOF)反应、COREX或FINEX炼钢工序、高炉(BF)工序、铁合金生产工序、二氧化钛生产工序和气化工序。气化工序包括但不限于市政固体废物气化、生物质气化、石油焦气化和煤气化。在这些工业工序中的一个或多个中，来自CO2电解工序的O2可用于抵销或完全代替通常通过空气分离供应的O2。
如图1B和图1C所示，用于工业工序、一个或多个去除模块、CO2电解工序、任选的H2电解工序和CO消耗工序的整合的工艺可进一步包含一个或多个压力模块170的整合。举例来说，如图1B所示，将来自工业工序110的包含CO2的气体的至少一部分经由导管112进料到压力模块170，以产生加压的包含CO2的气体料流。然后，将加压的包含CO2的气体料流的至少一部分经由导管172传送到去除模块120。还可将CO消耗工序后气态底物的至少一部分经由导管142传送到压力模块170，以产生加压的尾气。然后，将加压的尾气的至少一部分经由导管172传送到去除模块150和/或去除模块120。如图1C所示，将转化的气体料流的至少一部分经由导管132从CO2电解模块130传送到压力模块170，以产生加压的包含CO的气体料流，将所述加压的包含CO的气体料流经由导管172传送到CO消耗工序140。
图2示出用于工业工序210、去除模块220、CO2电解模块230、任选的H2电解工序270、CO消耗工序240和任选的O2分离模块260的整合的工艺。将来自工业工序210的包含CO2的气体经由导管212进料到一个或多个去除模块220，以去除和/或转化一种或多种成分228。然后将来自一个或多个去除模块220的经处理的气体经由导管222进料到CO2电解模块230，用于转化气体料流的至少一部分。任选地，可经由导管236将O2的至少一部分从CO2电解模块230进料到工业工序210。将转化的气体料流的至少一部分经由导管232从CO2电解模块230传送到CO消耗工序240，以产生产物246和CO消耗工序后气态底物。在一些实施例中，将水底物经由导管272进料到H2电解模块270，用于转化水底物的至少一部分，并且将富含H2的料流经由导管274传送到CO消耗工序240。任选地，可经由导管276将O2的至少一部分从H2电解模块270进料到工业工序210。
在特定实施例中，工序包括在CO2电解模块230之后的O2分离模块260，以从气体料流中分离O2的至少一部分。在CO2电解模块230之后利用O2分离模块260的实施例中，将气体料流的至少一部分经由导管234从CO2电解模块230进料到O2分离模块260。在结合有O2分离模块260的实施例中，可将来自O2分离模块260的从气体料流中分离的O2的至少一部分(富含O2的料流)经由导管264进料到工业工序210。在CO2电解模块230之后利用O2分离模块260的实施例中，将贫O2的料流的至少一部分经由导管262从O2分离模块260进料到CO消耗工序240。在CO2电解模块230之后利用O2分离模块260的一些实施例中，将贫O2的料流的至少一部分经由导管266从O2分离模块260进料返回到CO2电解模块230。在不利用O2分离模块260的实施例中，可将气体料流的一部分经由导管236从CO2电解模块230进料到工业工序210。
在一些实施例中，图2的CO消耗工序240包含CO2产生反应步骤。在其中CO消耗工序后气态底物包含CO2的实施例中，将CO消耗工序后气态底物的至少一部分经由导管242传送到一个或多个去除模块250，以去除和/或转化一种或多种成分258。然后将经处理的气体料流经由导管252传送到CO2电解模块230，用于转化气体料流的至少一部分。在特定实施例中，将CO消耗工序后气态底物经由导管242传送到从工业工序210接收包含CO2的气体的相同的一个或多个去除模块220。在各种实施例中，可将CO消耗工序后气态底物传送到从工业工序210接收包含CO2的气体的一个或多个去除模块220，和一个或多个去除模块250。
图2的CO消耗工序240可以是气体发酵工序，并且可在接种器和/或一个或多个生物反应器中发生。举例来说，CO消耗工序240可以是包含至少一种C1固定性微生物的培养物的生物反应器中的气体发酵工序。在其中CO消耗工序240是气体发酵工序的实施例中，可发酵培养物以产生一种或多种发酵产物246和发酵后气态底物(CO消耗工序后气态底物)。
已经发现将高纯度CO2料流(富CO2的料流)提供到CO2电解工序增加了CO消耗工序的(碳捕获)效率。为了提高料流中的CO2的浓度，可将一个或多个CO2浓缩模块结合在工序中。优选地，电解后料流的CO浓度为20-90％。
图3示出根据本发明的一个方面的用于工业工序310与任选的CO2浓缩模块370、去除模块320、CO2电解模块330、任选的H2电解模块380、CO消耗工序340和任选的O2分离模块360的整合的工艺。在不包括CO2浓缩模块370的实施例中，将来自工业工序310的包含CO2的气体经由导管312进料到去除模块320。在包括CO2浓缩模块370的实施例中，将来自工业工序310的包含CO2的气体经由导管314进料到CO2浓缩模块370，以便增加气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分374。然后，将CO2浓缩的气体料流经由导管372进料到一个或多个去除模块320，以去除和/或转化一种或多种成分328。然后将来自一个或多个去除模块320的经处理的气体经由导管322进料到CO2电解模块330，用于转化气体料流的至少一部分。将转化的气体料流的至少一部分经由导管332从CO2电解模块330传送到CO消耗工序340。在一些实施例中，成分374是CO和/或H2，将所述成分374经由导管376传送到CO消耗工序340。在一些实施例中，将水底物经由导管382进料到H2电解模块380，用于转化水底物的至少一部分，并且将富含H2的料流经由导管384传送到CO消耗工序340。任选地，可将O2的至少一部分经由导管386从H2电解模块380进料到工业工序310。
可将来自CO2电解模块330的气体料流的至少一部分经由导管336传送到工业工序310。在特定实施例中，工序包括在CO2电解模块330之后的O2分离模块360，其中将气体料流经由导管334从CO2电解模块330传送到O2分离模块360，以从气体料流中分离O2的至少一部分。在CO2电解模块330之后利用O2分离模块360的实施例中，将去除的O2的至少一部分(富含O2的料流)经由导管364从O2分离模块360进料到工业工序310。在CO2电解模块330之后利用O2分离模块360的实施例中，将贫O2的料流的至少一部分经由导管362从O2分离模块360进料到CO消耗工序340。在CO2电解模块330之后利用O2分离模块360的一些实施例中，将贫O2的料流的至少一部分经由导管366从O2分离模块260进料返回到CO2电解模块330。在不利用O2分离模块360的实施例中，可将气体料流的一部分经由导管336从CO2电解模块330进料到工业工序310。
已经发现在一个或多个去除模块320之前浓缩气体料流中CO2的工序减少了不期望的气体，从而提高了如发酵工序的CO消耗工序的效率。在电解模块的阳极侧生成的O2的量是在电解模块的阴极处产生的CO2的量的50％。产生的O2可用于提高工业工序310的效率，其中将电解后的气体料流的至少一部分传送到工业工序310。
在一些实施例中，图3的CO消耗工序340包含CO2产生反应步骤。在其中CO消耗工序后气态底物包含CO2的实施例中，将CO消耗工序后气态底物经由导管342传送到一个或多个去除模块350，以去除和/或转化一种或多种成分358。然后将经处理的气体料流经由导管352传送到CO2电解模块330，用于转化气体料流的至少一部分。在特定实施例中，将CO消耗工序后气态底物经由导管342传送到从工业工序310接收包含CO2的气体的一个或多个去除模块320。在各种实施例中，可将CO消耗工序后气态底物传送到从工业工序310接收包含CO2的气体的一个或多个去除模块320，和一个或多个去除模块350。
图3的CO消耗工序340可以是气体发酵工序，并且可在接种器和/或一个或多个生物反应器中发生。举例来说，CO消耗工序可以是包含至少一种C1固定性微生物的培养物的生物反应器中的气体发酵工序。在CO消耗工序340中，将培养物发酵以产生一种或多种发酵产物346和CO消耗工序后气态底物。
在特定实施例中，可将CO2浓缩模块放置在去除模块之后。图4示出根据本发明的一个方面的用于工业工序410与去除模块420、任选的CO2浓缩模块470、CO2电解模块430、任选的H2电解模块480、CO消耗工序440和任选的O2分离模块460的整合的工艺。在不包括任选的CO2浓缩模块470的实施例中，将来自工业工序410的包含CO2的气体经由导管422从去除模块420进料到CO2电解模块430。在包括任选的CO2浓缩模块470的实施例中，将来自工业工序410的包含CO2的气体经由导管412进料到一个或多个去除模块420，以去除和/或转化一种或多种成分428。然后将经处理的料流经由导管424进料到任选的CO2浓缩模块470，以便提高气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分474。然后，将CO2浓缩的气体料流经由导管472进料到CO2电解模块430，用于转化气体料流的至少一部分。可将转化的气体料流的至少一部分经由导管432从CO2电解模块430传送到CO消耗工序440。在一些实施例中，成分474是CO和/或H2，将所述成分474经由导管476传送到CO消耗工序440。在一些实施例中，将水底物经由导管482进料到H2电解模块480，用于转化水底物的至少一部分，并且将富含H2的料流经由导管484传送到CO消耗工序440。任选地，可将O2的至少一部分经由导管486从H2电解模块480进料到工业工序410。
可将来自CO2电解模块430的气体料流的至少一部分经由导管436传送到工业工序410。在特定实施例中，工序包括在CO2电解模块430之后的O2分离模块460，以从气体料流中分离O2的至少一部分。在包括在CO2电解模块430之后的O2分离模块460的实施例中，将气体料流经由导管434从CO2电解模块430进料到O2分离模块460。在CO2电解模块430之后利用O2分离模块460的实施例中，将气体料流的至少一部分经由导管464从O2分离模块460进料到工业工序410。在CO2电解模块430之后利用O2分离模块460的实施例中，将贫O2的料流的至少一部分经由导管462从O2分离模块460进料到CO消耗工序。在CO2电解模块430之后利用O2分离模块460的一些实施例中，将贫O2的料流的至少一部分经由导管466从O2分离模块460进料返回到CO2电解模块430。在不利用O2分离模块460的实施例中，可将气体料流的一部分经由导管436从CO2电解模块430进料到工业工序410。
在一些实施例中，图4的CO消耗工序440包含CO2产生反应步骤。在其中CO消耗工序后气态底物包含CO2的实施例中，将CO消耗工序后气态底物的至少一部分经由导管442传送到一个或多个去除模块450，以去除和/或转化一种或多种成分458。然后将经处理的气体料流经由导管452传送到CO2电解模块430，用于转化气体料流的至少一部分。在特定实施例中，将CO消耗工序后气态底物经由导管442传送到从工业工序410接收包含CO2的气体的相同的一个或多个去除模块420。在各种实施例中，可将CO消耗工序后气态底物传送到从工业工序410接收包含CO2的气体的一个或多个去除模块420，和一个或多个去除模块450。
图4的CO消耗工序440可以是气体发酵工序，并且可在接种器和/或一个或多个生物反应器中发生。举例来说，CO消耗工序440可以是包含至少一种C1固定性微生物的培养物的生物反应器中的气体发酵工序。在其中CO消耗工序440是气体发酵工序的实施例中，可发酵培养物以产生一种或多种发酵产物446和发酵后气态底物(CO消耗工序气态底物)。
图5示出根据本发明的一个方面的用于工业工序510与去除模块520、任选的CO2浓缩模块570、CO2电解模块530、CO消耗工序540、任选的O2分离模块560、任选的压力模块580和任选的H2电解模块1500的整合的工艺。将来自工业工序510的包含CO2的气体经由导管512进料到一个或多个去除模块520，以去除和/或转化一种或多种成分528。然后将来自一个或多个去除模块520的经处理的气体经由导管522进料到CO2电解模块530，用于转化气体料流的至少一部分。在共混H2的实施例中，水解电解模块1500可经由导管1502输送富H2的气体料流，以在将转化的气体料流引入CO消耗工序540之前与转化的气体料流共混。
在特定实施例中，本发明提供一个或多个压力模块580以增加来自CO2电解模块530的转化的气体的压力。在CO2电解模块530之后利用压力模块580的实施例中，将气体料流的至少一部分经由导管532从CO2电解模块530进料到压力模块580。压力模块580增加气体料流的压力，并将气体料流经由导管582传送到CO消耗工序540。
在各种实施例中，H2电解模块1500与O2分离模块560和/或压力模块580结合在一起。在各种实施例中，将水底物经由导管1506进料到H2电解模块1500，并且H2电解模块可经由导管1502输送富H2的气体料流，以在将气体料流引入CO消耗工序540之前与转化的气体料流共混。在特定实施例中，用于输送富H2的气体料流的导管1502与用于输送加压的富CO的料流的导管582连接以提供料流的共混。在各种实施例中，H2电解模块1500经由导管1504将富H2的气体料流直接输送到CO消耗工序540。任选地，可经由导管1508将O2的至少一部分从H2电解模块1500进料到工业工序510。
在某些实施例中，根据本发明的一个方面，本发明整合了工业工序510、任选的CO2浓缩模块570、去除模块520、CO2电解模块530、任选的O2分离模块560、任选的压力模块580、H2电解模块1500和CO消耗工序540。将来自工业工序510的包含CO2的气体经由导管514进料到任选的CO2浓缩模块570，以增加气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分574。任选的CO2浓缩模块570经由导管572将气体输送到去除模块520，以去除和/或转化一种或多种成分528。然后将经处理的料流经由导管524进料到任选的CO2浓缩模块570，以增加气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分574。任选的CO2浓缩模块570经由导管572将气体输送到CO2电解模块530，用于转化气体料流的至少一部分。可将转化的气体料流的至少一部分经由导管534传送到任选的O2分离模块560，以从气体料流中分离O2的至少一部分。可将富O2的气体料流的至少一部分经由导管564从任选的O2分离模块560传送到工业工序510。可将富O2的气体料流的至少一部分经由导管536从CO2电解模块530进料到工业工序510。可将贫化O2的气体料流的至少一部分经由导管562从任选O2分离模块560传送到任选的压力模块580。将来自任选的压力模块580的气体料流经由导管582输送到CO消耗工序540。在将气体料流引入到CO消耗工序540之前，可将其与富H2的气体料流共混。优选地，将富H2的气体料流经由导管1502从H2电解模块1500中传送。
图5的CO消耗工序540产生产物546。CO消耗工序可以是气体发酵工序，并且可在接种器和/或一个或多个生物反应器中发生。举例来说，CO消耗工序可涉及发酵培养物以产生一种或多种发酵产物546和发酵后气态底物(CO消耗工序后气态底物)。可将CO消耗工序后气态底物经由导管542传送到去除模块550，以去除和/或转化一种或多种成分558。在包括在CO消耗工序之后的CO2浓缩模块570的实施例中，可将CO消耗工序后气态底物经由导管544传送到任选的CO2浓缩模块570，以增加气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分574。任选的CO2浓缩模块570可经由导管572将CO消耗工序后气态底物输送到去除模块550，以去除和/或转化一种或多种成分558。然后可将经处理的气体料流经由导管552传送到CO2电解模块530，以转化气体料流的至少一部分。在特定实施例中，将CO消耗工序后气态底物经由导管542传送到从工业工序510接收包含CO2的气体的相同的一个或多个去除模块520。在各种实施例中，可将CO消耗工序后气态底物传送到从工业工序510接收包含CO2的气体的一个或多个去除模块520和一个或多个去除模块550两者。
本发明大体上提供从气体料流中去除可对下游工序(例如下游发酵工序和/或下游模块)有不利影响的成分。在特定实施例中，本发明在各个模块之间提供一个或多个另外的去除模块，以便防止这类不利影响的发生。
在各种情况下，通过CO2电解模块对包含CO2的气态底物进行转化使得一种或多种成分传送通过CO2电解模块630。在各种实施例中，这在富含CO的料流中产生一种或多种成分。在某些情况下，所述成分包括转化的O2的部分。在各种实施例中，另外的去除模块是用于从富含CO的料流中去除O2的脱氧模块。
图6示出CO2电解模块630、任选的O2分离模块660、任选的压力模块680与另外的去除模块690的整合。在某些情况下，在CO2电解模块630之后利用另外的去除模块690。在CO2电解模块630之后利用另外的去除模块690的实施例中，将气体料流的至少一部分经由导管632从CO2电解模块630进料到另外的去除模块690。另外的去除模块690去除和/或转化气体料流中的一种或多种成分698。另外，当利用任选的O2分离模块660时，O2分离模块660经由导管662将气体料流输送到另外的去除模块690，以去除和/或转化一种或多种成分698。然后将经处理的料流经由导管692进料到任选的压力模块680。
在某些实施例中，根据本发明的一个方面，本发明整合了工业工序610、任选的CO2浓缩模块670、去除模块620、CO2电解模块630、另外的去除模块690、任选的O2分离模块660、任选的压力模块680、任选的H2电解模块1600和CO消耗工序640。在工业工序610与去除模块620之间不包括任选的CO2浓缩模块670的实施例中，将来自工业工序610的包含CO2的气体经由导管612进料到去除模块620。在工业工序610与去除模块620之间包括任选的CO2浓缩模块670的实施例中，将来自工业工序610的包含CO2的气体经由导管614进料到任选的CO2浓缩模块670，以增加气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分674。任选的CO2浓缩模块670经由导管672将气体输送到去除模块620，以去除和/或转化一种或多种成分628。在去除模块620与CO2电解模块630之间不包括CO2浓缩模块670的实施例中，将经处理的料流经由导管622从去除模块620进料到CO2电解模块630。在去除模块620与CO2电解模块630之间包括CO2浓缩模块670的实施例中，然后将经处理的料流经由导管624进料到任选的CO2浓缩模块670，以增加气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分674。任选的CO2浓缩模块670经由导管672将气体输送到CO2电解模块630，用于转化气体料流的至少一部分。可将富O2的气体料流的至少一部分经由导管636从CO2电解模块630进料到工业工序610。可将富CO的气体料流的至少一部分经由导管632传送到另外的去除模块690，以去除和/或转化一种或多种成分698。可将经处理的气体料流的至少一部分经由导管634传送到任选的O2分离模块660，以从气体料流中分离O2的至少一部分。可将富O2的气体料流的至少一部分经由导管664从任选的O2分离模块660传送到工业工序610。可将气体料流的至少一部分经由导管662从任选的O2分离模块660传送到另外的去除模块690，以去除和/或转化一种或多种成分698。可将气体料流的至少一部分经由导管692从另外的去除模块690传送到任选的压力模块680。将来自任选的压力模块680的气体料流经由导管682输送到CO消耗工序640。可将气体料流与富H2的气体料流共混，然后引入到CO消耗工序640。优选地，将水底物经由导管1606传送到H2电解模块1600，并且将富H2的气体料流经由导管1602从H2电解模块1600传送。在各种实施例中，H2电解模块1600经由导管1604将富H2的气体料流直接输送到CO消耗工序640。在一些实施例中，将由H2电解模块1600产生的O2经由导管1608传送到工业工序610。
图6的CO消耗工序640可产生产物646。CO消耗工序可以是气体发酵工序，并且可在接种器和/或一个或多个生物反应器中发生。举例来说，CO消耗工序可涉及发酵培养物以产生一种或多种发酵产物646和发酵后气态底物(CO消耗工序后气态底物)。将CO消耗工序后气态底物经由导管644传送到任选的CO2浓缩模块670，以增加气体料流中CO2的浓度并去除一种或多种成分674。任选的CO2浓缩模块670经由导管672将CO消耗工序后气态底物输送到去除模块650，以去除和/或转化一种或多种成分658。然后将经处理的气体料流经由导管652传送到CO2电解模块630，用于转化气体料流的至少一部分。在特定实施例中，将CO消耗工序后气态底物经由导管642传送到从工业工序610接收包含CO2的气体的相同的一个或多个去除模块620。在各种实施例中，可将CO消耗工序后气态底物传送到从工业工序610接收包含CO2的气体的一个或多个去除模块620，和一个或多个去除模块650。
在各种实施例中，本发明提供一种包含电解的整合工艺，其中为电解工序供应的功率至少部分地来源于可再生能源。
尽管底物通常是气态的，但底物也可以以替代形式提供。举例来说，可使用微泡分散发生器将底物溶解在用包含CO的气体饱和的液体中。借助于另外的实例，底物可吸附到固体载体上。
生物反应器中的C1固定性微生物通常是一氧化碳营养型细菌。在特定实施例中，一氧化碳营养型细菌选自包含以下的组：穆尔氏菌属、梭菌属、瘤胃球菌属、醋杆菌属、真杆菌属、丁酸杆菌属、产醋杆菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷八叠球菌属和脱硫肠状菌属。在各种实施例中，一氧化碳营养型细菌是自产乙醇梭菌。
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除非在本文中另外指示，否则对本文中数值范围的叙述仅旨在充当个别提及属于所述范围的每一单独值的速记方法，并且每一单独值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。举例来说，除非另外指示，否则任何浓度范围、百分比范围、比率范围、整数范围、尺寸范围或厚度范围应被理解为包括所列举范围内的任何整数的值并且适当时包括其分数(如整数的十分之一和百分之一)。
除非在本文中另外指示或明显与内容相矛盾，否则本文所述的所有方法可按任何适合的顺序执行。除非另外主张，否则本文中所提供的任何和所有实例或实例性语言(即“如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明并且不对本发明的范围造成限制。说明书中的任何语言都不应理解为指示任何非要求保护的要素对于实践本发明是必需的。
本发明的优选实施例描述于本文中。在阅读前文描述之后，那些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员可变得显而易见。本发明人期望熟练的技术人员在适当时采用这些变化，并且本发明人打算以与本文中具体描述不同的方式来实施本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的随附权利要求书中所引述的主题的所有修改和等效物。此外，除非在本文中另外指示或明显与内容相矛盾，否则本发明涵盖上述要素的所有可能的变化的任何组合。

Claims (20)

1.一种用于提高碳转化效率的工艺，其中所述工艺包含：
a.将来自工业工序的包含CO2的气态底物传送到第一去除模块，所述模块用于从所述包含CO2的气态底物中去除至少一种成分，以产生第一CO2经处理的气体料流；
b.将所述第一CO2经处理的气体料流传送到CO2电解模块，所述模块用于转化所述第一CO2经处理的气体料流的至少一部分，以产生富含CO的料流和第一富含O2的料流；和
c.将所述富含CO的料流的至少一部分传送到CO消耗工序。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中首先将来自所述工业工序的所述包含CO2的气态底物传送到压力模块，以产生加压的包含CO2的气体料流，并且将所述加压的包含CO2的气体料流传送到所述第一去除模块。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中所述工艺进一步包含以下中的一者或多者：
a.将所述第一富含O2的料流的至少一部分直接传送到所述工业工序；和
b.将所述第一富含O2的料流的至少一部分传送到O2分离模块，以产生第二富含O2的料流和贫O2的料流。
4.根据权利要求3所述的工艺，其中所述工艺进一步包含以下中的一者或多者：
a.将所述第二富含O2的料流的至少一部分传送到所述工业工序；
b.将所述贫O2的料流的至少一部分传送到所述CO2电解模块；和
c.将所述贫O2的料流的至少一部分传送到所述CO消耗工序。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述工艺进一步包含：将来自所述工业工序的所述包含CO2的气态底物的至少一部分和/或所述第一CO2经处理的气体料流的至少一部分传送到第一CO2浓缩模块，以产生第一CO2浓缩的料流和第一贫CO2的料流。
6.根据权利要求5所述的工艺，其中所述工艺进一步包含：将所述第一CO2浓缩的料流的至少一部分传送到所述第一去除模块和所述CO2电解模块中的一个或多个。
7.根据权利要求5所述的工艺，其中所述第一贫CO2的料流包含CO和/或H2，并且其中所述工艺进一步包含将所述第一贫CO2的料流的至少一部分传送到所述CO消耗工序。
8.根据权利要求1所述的工艺，其中所述工艺包含将所述富含CO的料流的至少一部分传送到压力模块，以产生加压的CO料流；和将所述加压的CO料流的至少一部分传送到所述CO消耗工序。
9.根据权利要求1所述的工艺，其中所述工艺进一步包含将水底物传送到H2电解模块，以产生富含H2的料流；和将所述富含H2的料流的至少一部分传送到所述CO消耗工序。
10.根据权利要求1所述的工艺，其中所述CO消耗工序产生包含CO2的尾气。
11.根据权利要求10所述的工艺，其中所述工艺进一步包含以下中的一者或多者：
a.将所述包含CO2的尾气的至少一部分传送到所述第一去除模块或第二去除模块，所述模块用于从所述尾气去除至少一种成分，以产生第二CO2经处理的气体料流；和
b.将所述包含CO2的尾气的至少一部分传送到第二CO2浓缩模块，以产生第二CO2浓缩的料流和第二贫CO2的料流。
12.根据权利要求11所述的工艺，其中将所述包含CO2的尾气的至少一部分传送到压力模块，以产生加压的尾气料流，并且将所述加压的尾气料流传送到所述第一去除模块和/或所述第二去除模块。
13.根据权利要求11所述的工艺，其中所述工艺进一步包含将所述第二CO2浓缩的料流的至少一部分传送到所述第一去除模块或所述第二去除模块，所述模块用于从所述尾气中去除至少一种成分，以产生第二CO2经处理的气体料流。
14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述工艺进一步包含将所述第二CO2经处理的气体料流的至少一部分传送到所述CO2电解模块。
15.根据权利要求1所述的工艺，其中来自所述工业工序的所述包含CO2的气态底物进一步包含CO、H2和CH4中的一种或多种。
16.根据权利要求1所述的工艺，其中所述工业工序选自包含以下的组：碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、制浆造纸、炼钢、炼油及相关工序、石化生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化、气化、天然气开采、原油开采、冶金工序、铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层、费托工艺、甲醇生产、热解、蒸汽甲烷重整、干甲烷重整、沼气或天然气的部分氧化，和沼气或天然气的自热重整。
17.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一去除模块选自由以下组成的组：水解模块、酸性气体去除模块、脱氧模块、催化氢化模块、颗粒去除模块、氯化物去除模块、焦油去除模块和氰化氢精制模块。
18.根据权利要求1所述的工艺，其中从所述包含CO2的气体底物中去除的所述至少一种成分选自由以下组成的组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯属烃、烷烃、烯烃、氮化合物、氧气、含磷化合物、颗粒物、固体、氧气、卤代化合物、含硅化合物、羰基化合物、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚、焦油和萘。
19.根据权利要求1所述的工艺，其中所述CO消耗工序是包含至少一种一氧化碳营养型细菌的培养的发酵工序。
20.根据权利要求19所述的工艺，其中所述发酵工序产生选自由以下组成的组的发酵产物：乙醇、丁酸酯、2,3-丁二醇、乳酸酯、丁烯、丁二烯、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、萜烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇和1-丙醇。
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