CN111918957A - 间歇电解流 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用以改进气体发酵工艺的经济性的方法。本发明提供了发酵工艺与工业工艺和电解剂工艺的整合。本发明提供了将电解剂给料从所述电解剂工艺间歇地供应到生物反应器，以进行发酵。所述电解剂给料可以置换来自所述工业工艺的C1给料的至少一部分。所述电解剂给料可以补充来自所述工业工艺的所述C1给料。所述电解剂给料是否用电解剂给料补充或置换所述C1给料可以基于所述C1给料的每单位成本、所述电解剂给料的每单位成本以及发酵产物的每单位价值的作用。

Description

间歇电解流
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月20日提交的美国临时申请第62/660298号的权益，所述美国临时申请的内容在此通过引用并入。
技术领域
本发明涉及用于改进气体发酵工艺的经济性的过程和方法。特别地，本发明涉及发酵工艺与工业工艺和电解剂工艺的组合，其中来自电解剂工艺的电解剂给料被间歇地传递到生物反应器以进行发酵。
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％，其中甲烷(16％)、一氧化二氮(6％)和氟化气体(2％)占剩余的(美国国家环境保护局(UnitedStates Environmental Protection Agency))。减少温室气体排放，尤其是CO2排放，对于阻止全球变暖的进程以及随之而来的气候和天气变换至关重要。
已经长期认识到催化工艺(如费托工艺(Fischer-Tropsch process))可以用于将含有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)的气体转化成各种燃料和化学品。然而，近来，气体发酵已经成为用于这种气体的生物固定的替代平台。特别是，已经证明C1固定微生物将含有CO2、CO、CH4和/或H2的气体转化成如乙醇和2,3-丁二醇的产物。
此类气体可以衍生自例如工业工艺，包含由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(衍生自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(衍生自蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。
利用特定工业工艺，气体的供应可能不足以进行发酵工艺。当气体的供应变得不足以进行发酵工艺时，发酵工艺的产生速率低于最佳速率，从而导致与发酵工艺另外能够产生的产物相比产生更少的产物。
另外，随着不断调整的市场，通过气体发酵工艺产生的产物的价值也有所变化。当通过气体发酵产生的产物的价值与生产此类产物的成本相比较高时，有利的是提高发酵工艺的产生速率。
通过在此类产物的市场价值相对于产生此类产物的成本较高时增加发酵工艺的产生速率，可以优化发酵工艺的经济性。
因此，仍需要改进发酵工艺与工业工艺的整合，在这种情况下与给料的供应相关联的问题会减少并且在此类生产为经济最优时发酵工艺能够以最大水平生产。
发明内容
本发明提供了一种用于改进发酵工艺的性能和/或经济性的方法，所述发酵工艺限定含有液体营养素培养基中的细菌培养物的生物反应器，其中所述方法包括：将包括CO和CO2中的一种或两种的C1给料从工业工艺传递到所述生物反应器，其中所述C1给料具有每单位成本；将包括CO和H2中的一种或两种的电解剂给料从电解剂工艺间歇地传递到所述生物反应器，其中所述电解剂给料具有每单位成本；以及使所述培养物发酵以产生一种或多种发酵产物，其中所述一种或多种发酵产物中的每种发酵产物具有每单位价值。在某些实例中，利用多个电解剂工艺以向所述生物反应器提供CO和H2中的一种或两种。
在某些实例中，所述C1给料衍生自选自包括以下的组的工业工艺：由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(衍生自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(衍生自蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。在某些实例中，所述C1给料衍生自两个或更多种来源的组合。在某些实例中，所述C1给料可以进一步包括H2。
在某些实例中，所述电解剂给料包括CO。所述电解剂给料包括衍生自含CO2的气态底物的电解的CO。含CO2的气态底物可以衍生自含CO2的任何气体流。在特定实例中，此含CO2的气体流至少部分地衍生自包括以下的群组：由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(衍生自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(衍生自蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。在特定实例中，所述含CO2的气态底物衍生自两种或更多种来源的组合。
在某些实例中，所述电解剂给料包括H2。包括H2的所述电解剂给料衍生自水(H2O)的电解。此水可以从各种来源获得。在各个实例中，所述水可以从工业工艺和/或发酵工艺获得。在各个实例中，所述水可以从废水处理工艺获得。在特定实例中，所述水衍生自两个或更多种来源的组合。
在特定实例中，本发明通过用来自所述电解剂工艺的电解剂给料置换来自所述工业工艺的所述C1给料的至少一部分改进所述发酵工艺的经济性。在所述电解剂给料包括H2的各个实例中，所述电解剂给料置换来自所述工业工艺的所述C1给料的至少一部分，作为调节被传递到所述发酵工艺的所述给料的H2:CO:CO2的摩尔比的方式。在某些实例中，包括H2的所述电解剂给料增加H2在被传递到所述发酵工艺的所述给料中的摩尔比。
用来自电解剂工艺的电解剂给料置换来自所述工业工艺的所述C1给料可以至少部分地根据所述C1给料的所述每单位成本和所述电解剂给料的所述每单位成本完成。在某些实例中，当电解剂给料的所述每单位成本小于C1给料的所述每单位成本时，所述电解剂给料置换所述C1给料的至少一部分。
在特定实例中，本发明通过用来自所述电解剂工艺的电解剂给料补充来自所述工业工艺的所述C1给料的至少一部分改进所述发酵工艺的经济性。用所述电解剂给料补充所述C1给料可以至少部分地在所述C1给料的供应足以进行所述发酵工艺时完成。
在某些实例中，所述电解剂给料根据所述电解剂给料的所述每单位成本和所述发酵产物的所述每单位价值补充所述C1给料的至少一部分。
在某些实例中，所述电解剂给料根据所述C1给料的所述每单位成本、所述电解剂给料的所述每单位成本以及所述发酵产物的所述每单位价值补充所述C1给料的至少一部分。
在某些实例中，当所述电解剂给料的所述每单位成本小于所述发酵产物的所述每单位价值时，所述电解剂给料补充所述C1给料。当电的成本降低时，电解剂给料的所述每单位成本可以小于所述发酵产物的所述每单位价值。在某些实例中，电的成本由于电来源于可再生能源而降低。在某些实例中，可再生能源选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能和核能。
用包括H2的电解剂给料补充包括CO2的所述C1给料可以引起许多益处，包含但不限于增加固定在所述一种或多种发酵产物中的CO2的量。因此，在各个实例中，包括H2的电解剂给料补充包括CO2的所述C1给料，从而增加固定在所述一种或多种发酵产物中的CO2的量。
在特定实例中，所述C1给料含有一定比例的需要去除的各种成分。在这些实例中，在将所述C1给料传递到所述生物反应器之前，对所述C1给料进行处理以去除一种或多种成分。从所述C1给料中去除的所述成分可以选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃(alkene)、烷烃、链烯(olefin)、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属离子、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
在特定实例中，所述电解剂给料含有一定比例的需要去除的各种成分。在这些实例中，在将所述电解剂给料传递到所述生物反应器之前，对所述电解剂给料进行处理以去除一种或多种成分。从所述电解剂给料中去除的所述成分可以选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃、烷烃、链烯、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属离子、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。在特定实例中，从所述电解剂给料中去除的至少一种成分包括氧气。所去除的所述成分中的至少一种可以通过所述电解剂工艺产生、引入和/或浓缩。例如，氧气可以通过二氧化碳的电解产生、引入和/或浓缩。在各个实例中，氧气为所述电解剂工艺的副产物。在特定实施例中，氧气在所述电解剂工艺中产生和/或浓缩。
氧气为许多细菌培养物的微生物抑制剂。如此，氧气可以对下游发酵工艺进行抑制。为了将非抑制气体流抑制到其所发酵的所述生物反应器，可能需要通过一个或多个去除模块从所述电解剂给料中去除氧气或其他成分的至少一部分。
在某些实例中，所述C1给料在压力下被传递到所述发酵工艺。在这些实例中，来自所述工业工艺的所述C1给料在被传递到所述生物反应器以进行发酵之前被传递到一个或多个压力模块。
在某些实例中，所述电解剂给料在压力下被传递到所述发酵工艺。在这些实例中，来自所述电解剂工艺的所述电解剂给料在被传递到所述生物反应器以进行发酵之前被传递到一个或多个压力模块。
另外，所述电解剂工艺可以在压力下完成。当在压力下完成时，在被进料到所述电解剂工艺之前，对被电解的材料进行加压。在某些实例中，被电解的材料为含CO2的气体流。在其中含CO2的气体流在被电解之前进行加压的实例中，所述含CO2的气体流可以在被传递到所述电解模块之前被传递到压力模块。
在至少一个实施例中，所述方法降低产生各种发酵产物的相关联的成本。所述发酵产物中的一种或多种发酵产物中的至少一种可以选自由以下组成的群组：乙醇、乙酸盐、丁酸盐、2,3-丁二醇、乳酸盐、丁烯、丁二烯、酮、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇、1-丙醇和C6-C12醇。所述发酵产物中的至少一种可以被进一步转化成柴油、喷气燃料和/或汽油的至少一种组分。
所述一种或多种发酵产物中的至少一种为通过培养物产生的生物质。所述微生物生物质的至少一部分可以被转化成单个细胞蛋白质(SCP)。可以利用单个细胞蛋白质的至少一部分作为动物饲料的组分。
在至少一个实施例中，所述电解剂工艺至少部分地由可再生能源供电。在某些实例中，可再生能源选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能和核能。
在某些实施例中，所述工业工艺可以进一步产生发酵后气态底物。在各个实例中，此发酵后气态底物包括CO2的至少一部分。在特定实施例中，所述发酵后气态底物被传递到所述电解剂工艺。
在特定实例中，所述发酵后气态底物含有一定比例的需要去除的各种成分。在这些实例中，在将所述发酵后气态底物传递到所述电解剂工艺之前，对所述发酵后气态底物进行处理以去除一种或多种成分。从所述发酵后气态底物中去除的所述成分可以选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃、烷烃、链烯、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属离子、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
在特定实例中，从所述发酵后气态底物中去除的至少一种成分包括硫。所去除的这些成分中的至少一种可以通过所述发酵工艺产生、引入和/或浓缩。例如，呈硫化氢(H2S)形式的硫可以通过所述发酵工艺产生、引入和/或浓缩。在特定实施例中，在所述发酵工艺中引入硫化氢。在各个实施例中，所述发酵后气态底物包括硫化氢的至少一部分。硫化氢可以是催化剂抑制剂。如此，所述硫化氢可以对特定电解剂进行抑制。为了将非抑制性发酵后气态底物传递到所述电解剂，可能需要通过一个或多个去除模块去除所述硫化氢或存在于所述发酵后气态底物中的其它成分的至少一部分。
在各个实施例中，从所述发酵后气态底物、所述工业给料和/或所述电解剂给料中去除的所述成分为微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂。
至少一个去除模块可以选自包括以下的群组：水解模块、酸性气体去除模块、脱氧模块、催化氢化模块、微粒去除模块、氯去除模块、焦油去除模块和氰化氢去除模块。
在某些实例中，所述电解剂工艺可以产生富含一氧化碳的流和富含氧气的流。在各个实例中，可以将富含所分离的一氧化碳的流的至少一部分传递到所述生物反应器，以进行发酵。在一些实例中，可以将所述富含氧气的流传递到所述工业工艺，以进一步改进所述工业工艺的性能和/或经济性。
在电解剂给料包括H2的各个实施例中，所述H2可以改进发酵底物组合物。氢提供微生物将含碳的气体转化成有用产物所需的能量。当提供了氢的最优浓度时，微生物培养物可以在不共产生二氧化碳的情况下提供期望的发酵产物，例如，乙醇。
优选地，生物反应器中的细菌培养物包括一氧化碳营养菌。所述一氧化碳营养菌可以选自包括以下的群组：穆尔氏菌(Moorella)、梭菌(Clostridium)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋酸杆菌(Acetobacterium)、真细菌(Eubacterium)、丁酸杆菌(Butyribacterium)、产醋杆菌(Oxobacter)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)。优选地，所述一氧化碳营养菌为产乙醇梭菌。
在一个或多个实施例中，本发明(i)降低了与产生一种或多种发酵产物相关联的成本，和/或(ii)增加了与不进行电解剂工艺的过程相比，转化为产物的碳的总量。
附图说明
图1是描绘工业工艺和电解剂工艺与发酵工艺的整合的示意性流程图。
图2是根据本发明的一方面的描绘工业工艺和电解剂工艺与发酵工艺的整合的示意性流程图，所述整合进一步包含用于加工C1给料的去除模块。
图3是根据本发明的一方面的描绘工业工艺和电解剂工艺与发酵工艺的整合的示意性流程图，所述整合进一步包含用于加工电解剂给料的去除模块。
图4是根据本发明的一方面的描绘用于对电解剂给料进行加压的最优压力模块与用于对C1给料进行加压的最优压力模块的整合的示意性流程图。
图5是根据本发明的一方面的描绘电解剂工艺与发酵工艺的整合的示意性流程图，在所述整合中发酵后气态底物从发酵工艺传递到电解剂工艺。
图6是根据本发明的一方面的描绘用于加工发酵后气态底物的去除模块的整合的示意性流程图。
图7是根据本发明的一方面的描绘来自一个或多个电解剂工艺和/或工业工艺的流中的一个或多个流的混合的示意性流程图。
图8是示出了在比利时在十九天的时间段内电价的图，其中平均每四分钟一个数据点。
具体实施方式
诸位发明人已鉴定了气体发酵工艺与工业工艺和电解剂工艺的整合能够基本上改进发酵工艺的性能和/或经济性，其中电解剂工艺不间歇地供应电解剂给料。
定义
除非另有定义，否则如贯穿本说明书使用的以下术语定义如下：
术语“电解剂给料”可以包含留下电解剂的任何底物。在各个实例中，电解剂给料包含CO、H2或其组合。在某些实例中，电解剂给料可以含有未经转化的CO2的部分。优选地，电解剂给料从电解剂工艺进料到发酵工艺。
术语“C1给料”可以包含留下工业工艺的任何底物。在各个实例中，C1给料包含CO、H2、CO2或其组合。优选地，C1给料从工业工艺进料到发酵工艺。
当与发酵工艺相关使用时，术语“改进经济性”、“优化经济性”等术语包含但不限于在所产生的产物的价值相对于产生此类产物的成本较高的时间段期间增加通过发酵工艺产生的产物中的一种或多种产物的量。发酵工艺的经济性可以通过增加到生物反应器的给料的供应而改进，所述供应可以例如通过补充来自工业工艺的C1给料以及来自电解剂工艺的电解剂给料来实现。给料的另外的供应可以引起发酵工艺的效率提高。改进发酵工艺的经济性的另一种装置用于基于可用给料的相对成本选择给料。例如，当来自工业工艺的C1给料的成本高于来自电解剂工艺的电解剂给料的成本时，可以利用电解剂给料来置换C1给料的至少一部分。通过基于此类给料的成本选择给料，产生所产生的发酵产物的成本会降低。
电解剂工艺能够供应包括H2和CO中的一种或两种的给料。“电解剂给料的每单位成本”可以表达为通过发酵工艺产生的任何给定产物和任何电解剂给料，例如对于利用限定为H2的电解剂给料产生乙醇，电解剂给料的每单位成本由以下等式定义：
Figure BDA0002704182880000091
其中z表示电力的成本，x表示电解效率，并且y表示乙醇的产率。
对于利用限定为CO的电解剂给料产生乙醇，电解剂给料的每单位成本由以下等式定义：
Figure BDA0002704182880000092
其中z表示电力的成本，x表示电解效率，并且y表示乙醇的产率。
除了给料的成本，发酵工艺包含“产生成本”。“产生成本”不包含给料的成本。“生产成本”、“边际生产成本”等包含与运行发酵工艺相关联的可变操作成本。此价值可以取决于所产生的产物。边际生产成本可以由产物的每单位固定成本表示，所述产物的每单位固定成本可以依照产物燃烧的热值来表示。例如，对乙醇的边际生产成本的计算由以下等式定义：
Figure BDA0002704182880000101
其中c表示与运行生物反应器相关联的可变操作成本并且26.8GJ表示乙醇燃烧的较低热值。在某些实例中，与运行生物反应器相关联的可变操作成本c对于乙醇为$200，不包含H2/CO/CO2的价格。
发酵过程能够产生多种产物。每种产物定义了不同的价值。“产物的价值”可以基于产物的当前市场价格和产物燃烧的热值确定。例如，对乙醇的价值的计算由以下等式定义：
Figure BDA0002704182880000102
其中z为每公吨乙醇的当前价值，并且26.8GJ表示乙醇燃烧的较低热值。
为了优化发酵工艺的经济性，所产生的产物的价值必须超过产生此产物的“成本”。产生产物的成本被定义为“给料的成本”与“边际生产成本”的总和。发酵工艺的经济性可以依照由所产生的产物的价值与产生此产物的成本相比而定义的比率来表达。发酵工艺的经济性随着产物的价值与产生此产物的成本相比的比率增加而改进。发酵工艺的经济性可以取决于所产生的产物的价值，所述价值可以至少部分地取决于所实施的发酵工艺而改变，包含但不限于发酵工艺中使用的细菌培养物和/或气体的组成。当乙醇为通过发酵工艺产生的产物时，经济性可以通过以下比率确定：
Figure BDA0002704182880000103
其中z表示乙醇的价值，x表示给料的成本，并且y表示边际生产成本(不包含给料)。
当与发酵工艺相关使用时，术语“增加效率”、“增加的效率”等包含但不限于增加以下中的一种或多种：催化发酵的微生物的生长速率、升高的产物浓度下的生长和/或产物产生速率、每体积所消耗底物所产生的期望的产物的体积、期望的产物的产生速率或产生水平以及所产生的期望的产物相比于发酵的其他副产物的相对比例。在某些实例中，电解剂给料增加了发酵工艺的效率。
当与用于发酵工艺的给料的供应相关使用时，术语“不足”等包含但不限于低于最佳量，由此与发酵工艺另外将使发酵工艺供应有更高量的给料相比，发酵工艺产生更少数量的发酵产物。例如，当工业工艺不提供足够的C1给料来充分供应发酵工艺时，给料的供应可能会变得不足。优选地，发酵工艺供应有最优量的给料，使得发酵产物的数量不受给料供应的限制。
“含C1的气态底物”可以包含含有二氧化碳和一氧化碳中的一种或两种的气体。气态底物通常将含有显著比例的CO2，优选地按体积至少约5％到约100％的CO2。另外，气态底物可以含有氢气(H2)、氧气(O2)、氮气(N2)和/或甲烷(CH4)中的一种或多种。
尽管底物不必含有任何氢气，但是根据本发明的方法，H2的存在不应不利于产物形成。在特定实施例中，氢气的存在引起醇产生的提高总体效率。在一个实施例中，底物包括按体积计约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。在其他实施例中，底物流包括低浓度的H2，例如小于5％、或小于4％、或小于3％、或小于2％、或小于1％，或基本上为无氢气的。
底物还可以含有一些CO，例如，按体积计约1％到约80％的CO，或按体积计1％到约30％的CO。在一些实施例中，底物包括按体积计小于或等于约20％的CO。在特定实施例中，底物包括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。
可以改善底物组合物以提供期望的或最佳的H2:CO:CO2摩尔比。期望的H2:CO:CO2摩尔比取决于发酵工艺的期望的发酵产物。对于乙醇，最佳H2:CO:CO2摩尔比将为：
Figure BDA0002704182880000111
其中x>2y以满足乙醇产生的摩尔化学计量
Figure BDA0002704182880000121
在氢气的存在下操作发酵工艺具有减少通过发酵过程产生的CO2的量的增加的益处。例如，包括最低H2的气态底物通常将产生由以下摩尔化学计量的乙醇和CO2：[6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2]。随着由C1固定细菌利用的氢气的量增加，产生的CO2的量减少[即，2CO+4H2→C2H5OH+H2O]。
当CO是乙醇产生的唯一碳来源和能量来源时，碳的一部分损失为CO2，如下：
6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2 (ΔG°＝-224.90kJ/摩尔乙醇)
随着底物中可用的H2的量增加，所产生的CO2的量减少。在1:2的摩尔化学计量比(CO/H2)下，完全避免了CO2的产生。
5CO+1H2+2H2O→1C2H5OH+3CO2 (ΔG°＝-204.80kJ/摩尔乙醇)
4CO+2H2+1H2O→1C2H5OH+2CO2 (ΔG°＝-184.70kJ/摩尔乙醇)
3CO+3H2→1C2H5OH+1CO2 (ΔG°＝-164.60kJ/摩尔乙醇)
“气体流”是指能够例如从一个模块传递到另一模块、从一个模块传递到生物反应器、从一个工艺传递到另一工艺和/或从一个模块传递到碳捕获装置的任何底物流。
如本文所用的“反应物”是指在化学反应期间参与并经历改变的物质。在特定实施例中，反应物包含但不限于CO和/或H2。
如本文所用的“微生物抑制剂”是指减慢或防止特定化学反应或其他工艺的包含微生物的一种或多种成分。在特定实施例中，微生物抑制剂包含但不限于，氧气(O2)、氰化氢(HCN)、乙炔(C2H2)和BTEX(苯、甲苯、乙基苯、二甲苯)。
如本文所用的“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防止化学反应的一种或多种物质。在特定实施例中，催化剂和/或吸附剂抑制剂可以包含但不限于硫化氢(H2S)和羰基硫(COS)。
“去除模块”、“清理模块”、“加工模块”等包含能够从气体流转化和/或去除微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂的技术。
如本文所用的术语“成分”、“污染物”等是指可以在气体流中发现的微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂。在特定实施例中，成分包含但不限于硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃、烷烃、链烯、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属离子、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。优选地，通过去除模块去除的成分不包含二氧化碳(CO2)。
术语“经过处理的气体”是指已经通过至少一个去除模块并且已经使一种或多种成分去除和/或转化的气体流。
如本文所使的术语“碳捕获”是指封存来自包括CO2和/或CO的流的包含CO2和/或CO的碳化合物并且：
将CO2和/或CO转化为产物；或
将CO2和/或CO转化为适合于长期储存的物质；或
将CO2和/或CO捕集在适合于长期储存的物质中；
这些工艺的组合。
术语“生物反应器”包含由一个或多个容器和/或塔或管路布置组成的发酵装置，所述发酵装置包含连续搅拌釜反应器(CSTR)、固定细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、气泡色谱柱、气升式发酵罐、静态混合器、循环回路反应器、如中空纤维膜生物反应器(HFMBR)等膜反应器或适用于气体-液体接触的其他容器或其他装置。反应器优选地被适配成收纳包括CO或CO2或H2或其混合物的气态底物。反应器可以包括并联或串联的多个反应器(级)。例如，反应器可以包括培养细菌的第一生长反应器以及可以向其进料来自生长反应器的发酵肉汤并且可以在其中产生大多数发酵产物中的第二发酵反应器。
“营养素培养基(Nutrient media)”或“营养素培养基(Nutrient medium)”用于描述细菌生长培养基。通常，此术语是指含有营养素和适合于微生物培养物的生长的其他组分的培养基。术语“营养素”包含可以用于微生物的代谢途径的任何物质。示例性营养素包含钾、维生素B、微量金属离子和氨基酸。
术语“发酵肉汤”或“肉汤”旨在涵盖包含营养素培养基和培养物或一种或多种微生物的组分的混合物。应当注意，术语微生物和术语细菌在整个文件中可互换使用。
如本文所用的术语“酸”包含羧酸和缔合的羧酸根阴离子两者，如存在于本文所描述的发酵肉汤中的游离乙酸和乙酸盐的混合物。发酵肉汤中分子酸与羧酸根的比例取决于系统的pH。另外，术语“乙酸盐”既包含乙酸盐单独，又包含分子或游离乙酸与乙酸盐的混合物，如存在于如本文所描述的发酵肉汤中的乙酸盐和游离乙酸的混合物。
术语“期望的组合物”用于指代物质中的例如气体流的组分的期望的水平和类型。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/或不含有特定组分(即对微生物有害的成分)和/或不含有特定比例的特定组分，则其被视为具有“期望的组合物”。当确定气体流是否具有期望的组合物时，可以考虑多于一种组分。
除非上下文另外要求，否则如本文所用的短语“发酵”、“发酵工艺”或“发酵反应”等旨在涵盖气态底物的生长阶段和产物生物合成阶段两者。
“微生物”是微观有机体，尤其是细菌、古菌、病毒或真菌。本发明的微生物通常是细菌。如本文所用，对“微生物”的引用应被视为涵盖“细菌”。
“亲本微生物”是用于生成本发明的微生物的微生物。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被修饰以表达或过表达在亲本微生物中未表达或过表达的一种或多种酶。类似地，本发明的微生物可以被修饰以含有亲本微生物不含有的一个或多个基因。本发明的微生物也可以被修饰以不表达或表达在亲本微生物中表达的较低量的一种或多种酶。在一个实施例中，亲本微生物是产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、永达尔梭菌(Clostridium ljungdahlii)或拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)。在优选实施例中，亲本微生物是产乙醇梭菌LZ1561，其于2010年6月7日根据《布达佩斯条约(BudapestTreaty)》的条款于2010年6月7日保藏在德国布伦瑞克省D-38124 Inhoffenstraβ7B的Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)，并且一致保藏号为DSM23693。此菌株在国际专利申请第PCT/NZ2011/000144号中进行了描述，所述国际专利申请以WO 2012/015317公开。
术语“衍生自”指示核酸、蛋白质或微生物从不同的(即，亲本或野生型)核酸、蛋白质或微生物修饰或改造，从而产生新的核酸、蛋白质或微生物。此类修饰或改编通常包含核酸或基因的插入、缺失、突变或替换。通常，本发明的微生物衍生自亲本微生物。在一个实施例中，本发明的微生物衍生自产乙醇梭菌、永达尔梭菌或拉氏梭菌。在优选实施例中，本发明的微生物衍生自产乙醇梭菌LZ1561，其保藏在DSMZ保藏号DSM23693下。
“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Wood-Ljungdahl固碳途径。“Wood-Ljungdahl微生物”可预见地指代含有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途径可以是天然的、未经修饰的Wood-Ljungdahl途径，或其可以是具有一定程度的遗传修饰(例如，过表达、异源表达、敲除等)的Wood-Ljungdahl途径途径，只要其仍具有将CO、CO2和/或H2转化为乙酰辅酶A的功能。
“C1”是指一个碳分子，例如CO、CO2、CH4或CH3OH。“C1氧化物”是指也包括至少一个氧原子的单碳分子，例如CO、CO2或CH3OH。“C1碳源”是指作为本发明的微生物的部分或唯一碳源的一个碳分子。例如，C1碳源可以包括以下中的一种或多种：CO、CO2、CH4、CH3OH或CH2O2。优选地，C1碳源包括CO和CO2中的一种或两种。“C1固定微生物”是指具有从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固定细菌。
“厌氧菌”是不需要氧气即可生长的微生物。如果氧气超过一定阈值存在，则厌氧菌可能会产生不良反应或甚至死亡。但是，某些厌氧菌能够忍受低水平的氧气(即，0.000001vol％-5vol％的氧气)。通常，本发明的微生物是厌氧菌。
“乙酰原”是专性厌氧菌，其使用Wood-Ljungdahl途径作为其用于能量保存和用于合成乙酰辅酶A和乙酰辅酶A衍生产物(如乙酸盐)的主要机制(Ragsdale,《生物化学与生物物理学报》,1784:1873-1898,2008)。具体来说，产乙酸菌使用Wood-Ljungdahl途径作为(1)用于从CO2还原合成乙酰辅酶A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)”，见：《原核生物(The Prokaryotes)》,第3版,第354页,纽约,纽约州(New York,NY),2006)。所有天然存在的产乙酸菌都是C1固定型、厌氧型、自养型和非甲烷营养型。通常，本发明的微生物是产乙酸菌。
“乙醇原”是产生或能够产生乙醇的微生物。通常，本发明的微生物是乙醇原。
“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，例如CO和/或CO2。通常，本发明的微生物是自养生物。
“一氧化碳营养生物(carboxydotroph)”是能够利用CO作为碳和能量的唯一来源的微生物。通常，本发明的微生物是一氧化碳营养生物。
“甲烷氧化菌”是能够利用甲烷作为碳和能量的唯一来源的微生物。在某些实施例中，本发明的微生物是甲烷氧化菌或衍生自甲烷氧化菌。在其他实施例中，本发明的微生物不是甲烷氧化菌或不衍生自甲烷氧化菌。
“底物”是指本发明的微生物的碳能源和/或能量来源。通常，底物是气态的并且包括C1碳源，例如CO、CO2和/或CH4。优选地，底物包括CO或CO+CO2的C1碳源。底物可以进一步包括其他非碳组分，如H2、N2或电子。
术语“共底物”是指尽管不一定是用于产物合成的主要能量和材料来源，但是当添加到另一底物(如主要底物)中时可以用于产物合成的物质。
底物和/或C1碳源可以是作为工业工艺的副产物或从一些其它来源，如从汽车废气或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群组：由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(衍生自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(衍生自蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。在各个实例中，底物和/或C1碳源可在其被排放到大气中之前使用任何适宜方法从工业工艺中捕获。
底物的组成可能对反应的效率和/或成本有重大影响。例如，氧气(O2)的存在可能会降低厌氧发酵工艺的效率。根据底物的组成，可能需要处理、擦洗或过滤所述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/或增加期望组分的浓度。
在某些实施例中，发酵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。
本发明的微生物可以用气体流培养以产生一种或多种产物。例如，本发明的微生物可以产生或可以被工程化以产生乙醇(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和WO 2016/094334)、乳酸盐(WO 2011/112103)、丁烯(WO 2012/024522)、丁二烯(WO2012/024522)、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，包含异戊二烯(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)、分支酸盐衍生产物(WO 2016/191625)、3-羟基丁酸盐(WO 2017/066498)和1,3-丁二醇(WO 2017/0066498)。除一种或多种目标产物外，本发明的微生物还可以产生乙醇、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以被视为产物。这些产物可以被进一步转化，以产生柴油，喷气燃料和/或汽油的至少一种组分。另外，微生物生物质可以被进一步处理以产生单细胞蛋白质(SCP)。
“单细胞蛋白质”(SCP)是指可以用于富含蛋白质的人和/或动物饲料的通常置换蛋白质补充剂的常规来源，如豆粕或鱼粉的微生物生物质。为了产生单细胞蛋白质或其他产物，工艺可以包括另外的分离、加工或处理步骤。例如，方法可以包括对微生物生物质进行灭菌，对微生物生物质进行离心和/或对微生物生物质进行干燥。在某些实施例中，微生物生物质使用喷雾干燥或桨叶干燥进行干燥。方法还可以包括使用本领域已知的任何方法来降低微生物生物质的核酸含量，因为摄取核酸含量高的饮食可能导致核酸降解产物的累积和/或胃肠不适。单细胞蛋白质可以适合于喂养如牲畜或宠物等动物。特别地，动物饲料可以适合于喂养一种或多种肉牛、奶牛、猪、绵羊、山羊、马、骡、驴、鹿、水牛/野牛、骆马、羊驼、驯鹿、骆驼、白臀野牛、大额牛、牦牛、鸡、火鸡、鸭、鹅、鹌鹑、珍珠鸡、雏鸟/鸽子、鱼、虾、甲壳类动物、猫、狗和啮齿动物。动物饲料的组成可以根据不同动物的营养要求定制。此外，工艺可以包括将微生物生物质与一种或多种赋形剂共混或组合。
“赋形剂”可以指代可以添加到微生物生物质中以增强或改变动物饲料的形式、性质或营养含量的任何物质。例如，赋形剂可包括以下中的一种或多种：碳水化合物、纤维、脂肪、蛋白质、维生素、矿物质、水、调味剂、甜味剂、抗氧化剂、酶、防腐剂、益生菌或抗生素。在一些实施例中，赋形剂可以是干草、稻草、青贮饲料、谷物、油或脂肪或其他植物材料。赋形剂可以是在Chiba,第18节：“饮食配料和普通饲料原料(Diet Formulation and CommonFeed Ingredients)”,动物营养手册(Animal Nutrition Handbook),第3次修订版,第575-633页,2014中鉴定的任何饲料原料。
“天然产物”是由未经过基因修饰的微生物产生的产物。例如，乙醇、乙酸盐和2,3-丁二醇是产乙醇梭菌、永达尔梭菌和拉氏梭菌的天然产物。“非天然产物”是由经过基因修饰的微生物产生的，而不由衍生出所述经过基因修饰的微生物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微生物产生的所有发酵产物的产量的比率。本发明的微生物可以被工程化来以特定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5wt.％、10wt.％、15wt.％、20wt.％、30wt.％、50wt.％、75wt.％或90wt.％。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10wt.％，使得本发明的微生物具有至少10wt.％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所有发酵产物的至少30wt.％，使得本发明的微生物具有至少30wt.％的目标产物选择率。在一个实施例中，目标产物占由微生物产生的所有发酵产物的至少90wt.％，使得本发明的微生物具有至少90wt.％的目标产物选择率。
通常，培养在生物反应器中进行。术语“生物反应器”包含由一个或多个容器、塔或管路布置组成的培养/发酵装置，如连续搅拌槽反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、气泡色谱柱、气升式发酵罐、静态混合器或适合气-液接触的其它容器或其它装置。在一些实施例中，生物反应器可以包括第一生长反应器和第二培养/发酵反应器。可以向这些反应器中的一个或两个提供底物。如本文所用的，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。
培养通常在含有足以允许微生物生长的营养素、维生素和/或矿物质的水性培养基中维持。优选地，水性培养基是厌氧微生物生长培养基，如最低厌氧微生物生长培养基。合适的培养基是本领域众所周知的。
培养/发酵应该可期望地在产生目标产物的适当条件下执行。通常，培养/发酵在厌氧条件下执行。要考虑的反应条件包含压力(或分压)、温度、气体流速、液体流速、培养基pH值、培养基氧化还原电势、搅拌速率(如果使用连续搅拌槽反应器)、接种物水平、确保处于液相的气体不会变成限制的最大气体底物浓度以及避免产物抑制的最大产物浓度。具体来说，可以控制底物的引入速率来确保处于液相的气体的浓度不会变成限制，因为在气体限制的条件下培养可能会消耗产物。
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递的速率。因此，通常是优选的是，在高于大气压力的压力下进行培养/发酵。同样，由于给定气体转化率部分地为底物保留时间的作用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以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。这进而意味着当将生物反应器保持在升高的压力而不是大气压下时，可以减少保留时间，所述保留时间被定义为生物反应器中的液体体积除以输入气体流速。最佳反应条件将部分取决于所使用的特定微生物。然而，一般来说，优选的是，在高于大气压力的压力下进行发酵。同样，由于给定气体转化率部分地为底物保留时间的作用并且实现期望的保留时间进而指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可以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。
可使用任何方法或技术领域中已知的方法的组合从发酵肉汤中分离或纯化产物，所述方法包含例如分馏、蒸发、渗透蒸发、气体剥离、相分离和萃取发酵(包含例如液-液萃取)。在某些实施例中，目标产物通过以下从发酵肉汤中回收：从生物反应器中不断去除肉汤的一部分、从肉汤分离微生物细胞(宜通过过滤)以及从肉汤中回收一种或多种目标产物。醇和/或丙酮可以例如通过蒸馏回收。酸可以例如通过吸附于活性炭来回收。分离的微生物细胞优选地返回到生物反应器中。去除目标产物之后残留的无细胞渗透物也优选地返回到生物反应器中。可以向无细胞渗透物添加另外的营养素(如维生素B)来补给培养基，随后使其返回到生物反应器。
描述
一氧化碳和氧气可以通过电解剂工艺产生，所述电解剂工艺通过以下摩尔化学计量反应定义：2CO2+电→2CO+O2。通过电解产生的一氧化碳可以用作用于气体发酵的给料。另外，认为所产生的CO可与来自工业工艺的给料一起使用，作为提供另外的给料和/或改进发酵底物组合物的手段。
电解剂工艺还能够从水中产生氢气，这通过以下摩尔化学计量反应定义：2H2O+电→2H2+O2。通过电解产生的氢气可以用作用于气体发酵的给料。此氢气可以与来自工业工艺的给料一起使用，作为提供另外的给料和/或改进发酵底物组合物的手段。
电解剂给料的使用可以在经济上可行时使用。在某些实例中，来自电解剂工艺的给料可以通过降低与生产相关联的成本来提高发酵过程的效率。
由用于产生一氧化碳的电解剂工艺利用的含CO2的底物可以衍生自许多来源。含CO2的气态底物可至少部分地衍生自含有CO2的选自包括以下的群组的任何气体：由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(衍生自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(衍生自蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。另外，底物可在其被排放到大气中之前使用任何适宜方法从工业工艺中捕获。此外，含CO2的底物可以衍生自上述来源中的两种或更多种来源的群组合。
气体流通常将不是纯CO2流，并且将含有成比例的至少一种其他组分。例如，每种来源可以具有不同比例的CO2、CO、H2以及各种成分。由于不同的比例，可以在引入到生物反应器和/或电解模块之前对气体流进行加工。气体流的加工包含去除和/或转化各种成分，所述各种成分可以是微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂。优选地，催化剂抑制剂在传递到电解模块之前去除和/或转化，并且微生物抑制剂在传递到生物反应器之前去除和/或转化。
在气体流中发现的可能需要去除和/或转化的典型成分包含但不限于硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃、烷烃、链烯、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属离子、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
这些成分可以通过本领域已知的常规去除方法去除。这些去除模块可以选自以下：水解模块、酸性气体去除模块、脱氧模块、催化氢化模块、微粒去除模块、氯去除模块、焦油去除模块和氰化氢去除模块。
图1示出了工业工艺110和电解剂工艺120与发酵工艺130的集成。发酵工艺130能够接收来自工业工艺110的C1给料以及来自电解剂工艺120的电解剂给料。来自电解剂工艺120的电解剂给料可以间歇地进料到发酵工艺130。优选地，来自工业工艺110的C1给料通过导管112进料到发酵工艺130，并且来自电解剂工艺120的电解剂给料通过导管122进料到发酵工艺130。发酵工艺130利用来自电解剂工艺110的电解剂给料和来自工业工艺110的C1给料来产生一种或多种发酵产物136。
在某些实例中，所述电解剂给料包括CO。在某些实例中，所述电解剂给料包括H2。在某些实例中，来自电解剂工艺120的电解剂给料置换来自工业工艺110的C1给料的至少一部分。优选地，电解剂给料根据C1给料的每单位成本和电解剂给料的每单位成本来置换C1给料的至少一部分。在各个实例中，当电解剂给料的每单位成本小于C1给料的每单位成本时，电解剂给料置换C1给料的至少一部分。
当电的成本降低时，电解剂给料的每单位成本可以小于C1给料的每单位成本。在某些实例中，电的成本由于电来源于可再生能源而降低。在某些实例中，可再生能源选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能和核能。
来自电解剂工艺120的电解剂给料可以补充来自工业工艺110的C1给料。优选地，当C1给料的供应不足以进行发酵工艺时，电解剂给料补充C1给料。在某些实例中，电解剂给料根据电解剂给料的每单位成本和发酵产物136的每单位价值补充C1给料。在某些实例中，电解剂给料根据C1给料的每单位成本、电解剂给料的每单位成本以及发酵产物136的每单位价值补充C1给料。优选地，当电解剂给料的每单位成本小于发酵产物136的每单位价值时，来自电解剂工艺120的电解剂给料补充C1给料。在各个实例中，用包括H2的电解剂给料补充包括CO2的C1给料会增加固定在一种或多种发酵产物136中的CO2的量。
在特定实例中，C1给料含有一种或多种成分，并且可能需要在发送到发酵工艺之前进行处理。图2示出了用于处理来自工业工艺210的C1给料的去除模块240。当使用去除模块240时，通过导管212将来自工业工艺210的C1给料从工业工艺210发送到去除模块240。优选地，去除模块240去除和/或转化C1给料中的一种或多种成分248。通过导管242将经过处理的C1给料从去除模块240发送到发酵工艺230。
在某些实例中，在发送到发酵工艺之前对C1给料经过处理，其中在发送到发酵工艺230之前不对来自电解剂工艺220的电解剂给料进行处理。当不进行处理时，可以通过导管222将电解剂给料从电解剂工艺220发送到发酵工艺230。优选地，在发酵工艺230中使用来自工业工艺210的C1给料和来自电解剂工艺220的电解剂给料来产生一种或多种发酵产物236。
在特定实例中，电解剂给料含有一种或多种成分，并且在发送到发酵工艺之前可能需要处理。图3示出了用于处理来自电解剂工艺320的电解剂给料的去除模块350。当使用去除模块350时，通过导管322将来自电解剂工艺320的电解剂给料从电解剂工艺320发送到去除模块350。优选地，去除模块350去除和/或转化电解剂给料中的一种或多种成分358。在某些实例中，由去除模块350去除的成分为氧气，所述氧气作为电解工艺的副产物而产生。通过导管352将经过处理的电解剂给料从去除模块350发送到发酵工艺330。
在某些实例中，在发送到发酵工艺之前对C1给料和电解剂给料两者进行处理。当处理C1给料时，通过导管312将C1给料从工业工艺310发送到去除模块340，以去除和/或转化C1给料中的一种或多种成分348。通过导管342将经过处理的C1给料从去除模块340发送到发酵工艺330。优选地，在发酵工艺330中使用来自工业工艺310的C1给料和来自电解剂工艺320的电解剂给料来产生一种或多种发酵产物336。
可以在传递到发酵过程之前对给料进行加压。图4示出了用于对C1给料进行加压的压力模块460和用于对电解剂给料进行加压的压力模块470。在某些实例中，C1给料可以进行加压，而电解剂给料不进行加压。在某些实例中，电解剂给料可以进行加压，而C1给料不进行加压。在各个实例中，给料在不进行处理的情况下加压。在各个实例中，给料在进行处理之后加压。当在进行处理之后对C1给料进行加压时，通过导管412将C1给料从工业工艺410发送到去除模块440，以去除和/或转化一种或多种成分448。通过导管444将经过处理的C1给料从去除模块440发送到压力模块460。通过导管462将经过加压的C1给料从压力模块460发送到发酵工艺430。在未对C1给料进行加压的实例中，可以通过导管442将C1给料从去除模块440发送到发酵工艺430。在不进行处理而对C1给料进行加压的各个实例中，通过导管414将C1给料从工业工艺410发送到压力模块460。当在进行处理之后对电解剂给料进行加压时，通过导管422将电解剂给料从电解剂工艺420发送到去除模块450，以去除和/或转化一种或多种成分458。通过导管454将经过处理的电解剂给料从去除模块450发送到压力模块470。通过导管472将经过加压的电解剂给料从压力模块470发送到发酵工艺430。在未对电解剂给料进行加压的实例中，可以通过导管452将电解剂给料从去除模块450发送到发酵工艺430。在不进行处理而对电解剂给料进行加压的各个实例中，通过导管424将电解剂给料从电解剂工艺420发送到压力模块470。优选地，在发酵工艺430中使用来自工业工艺410的C1给料和来自电解剂工艺420的电解剂给料来产生一种或多种发酵产物436。
除了一种或多种发酵产物之外，发酵工艺可以产生发酵后气态底物。此发酵后气态底物可以含有相对高比例的CO2。在各个实例中，可以将发酵后气态底物发送到电解剂工艺。图5示出了通过导管532将发酵后气态底物从发酵工艺530传递到电解工艺520。优选地，发酵工艺530通过利用来自工业工艺510和/或电解剂工艺520中的一个或两个工艺的给料产生一种或多种发酵产物536和发酵后气态底物。可以通过压力模块560的方式对来自工业工艺510的C1给料进行加压。加压可以在进行或不进行处理的情况下完成。当在进行处理之后对C1给料进行加压时，通过导管512将C1给料从工业工艺510发送到去除模块540，以去除和/或转化一种或多种成分548。通过导管544将经过处理的C1给料从去除模块540发送到压力模块560。通过导管562将经过加压的C1给料从压力模块560发送到发酵工艺530。在未对C1给料进行加压的实例中，可以通过导管542将C1给料从去除模块540发送到发酵工艺530。在不进行处理而对C1给料进行加压的各个实例中，通过导管514将C1给料从工业工艺510发送到压力模块560。当在进行处理之后对电解剂给料进行加压时，通过导管522将电解剂给料从电解剂工艺520发送到去除模块550，以去除和/或转化一种或多种成分558。通过导管554将经过处理的电解剂给料从去除模块550发送到压力模块570。通过导管572将经过加压的电解剂给料从压力模块570发送到发酵工艺530。在未对电解剂给料进行加压的实例中，可以通过导管552将电解剂给料从去除模块550发送到发酵工艺530。在不进行处理而对电解剂给料进行加压的各个实例中，通过导管524将电解剂给料从电解剂工艺520发送到压力模块570。
发酵后气态底物可以含有在传递到电解剂工艺之前可能需要去除和/或转化的一种或多种成分。图6示出了通过导管632将发酵后气态底物传递到去除模块680以去除和/或转化一种或多种成分688。然后通过导管682将经过处理的发酵后气态底物从去除模块680发送到电解剂工艺620。
发酵后气态底物中的成分中的一种或多种成分可以通过发酵工艺产生、引入和/或浓缩。在各个实施例中，通过发酵步骤产生、引入和/或浓缩的一种或多种成分包括硫。如果不去除和/或转化的话，包含硫的这些成分可能降低电解剂工艺620的效率。优选地，对发酵后气态底物进行处理使得其适合于电解。通过在电解模块620中利用发酵后气态底物，可以通过工艺捕获增加比率的碳。
优选地，发酵工艺630利用来自工业工艺610和/或电解剂工艺620中的一个或两个工艺的给料来产生一种或多种发酵产物636，其中电解剂给料的至少一部分可以至少部分地衍生自发酵后气态底物。可以通过压力模块660的方式对来自工业工艺610的C1给料进行加压。加压可以在进行或不进行处理的情况下完成。当在进行处理之后对C1给料进行加压时，通过导管612将C1给料从工业工艺610发送到去除模块640，以去除和/或转化一种或多种成分648。通过导管644将经过处理的C1给料从去除模块640发送到压力模块660。通过导管662将经过加压的C1给料从压力模块660发送到发酵工艺630。在未对C1给料进行加压的实例中，可以通过导管642将C1给料从去除模块640发送到发酵工艺630。在不进行处理而对C1给料进行加压的各个实例中，通过导管614将C1给料从工业工艺610发送到压力模块660。当在进行处理之后对电解剂给料进行加压时，通过导管622将电解剂给料从电解剂工艺620发送到去除模块650，以去除和/或转化一种或多种成分658。通过导管654将经过处理的电解剂给料从去除模块650发送到压力模块670。通过导管672将经过加压的电解剂给料从压力模块670发送到发酵工艺630。在未对电解剂给料进行加压的实例中，可以通过导管652将电解剂给料从去除模块650发送到发酵工艺630。在不进行处理而对电解剂给料进行加压的各个实例中，通过导管624将电解剂给料从电解剂工艺620发送到压力模块670。
在各个实施例中，可以对来自一个或多个电解剂工艺和工业工艺的给料进行共混。图7示出了来自工业工艺710和多个电解剂工艺720、780的给料的共混。通过导管712发送来自工业工艺710的C1给料以进行共混。通过导管722发送来自第一电解剂工艺720的第一电解剂给料以进行共混。通过导管782发送来自第二电解剂工艺780的第二电解剂给料以进行共混。在某些实例中，仅对来自第一电解剂工艺720的电解剂给料和来自工业工艺710的C1给料进行共混。在某些实例中，仅对来自第二电解剂工艺780的电解剂给料和来自工业工艺710的C1给料进行共混。在某些实例中，仅对来自第一电解剂工艺720的电解剂给料和来自第二电解剂工艺780的电解剂给料进行共混。可以通过导管746将经过共混的给料发送到一个或多个去除模块740以去除和/或转化一种或多种成分748。
可以通过压力模块760的方式对经过共混的给料进行加压。加压可以在进行或不进行处理的情况下完成。当在进行处理之后对经过共混的给料进行加压时，通过导管746将经过共混的给料发送到去除模块740，以去除和/或转化一种或多种成分748。通过导管744将经过处理的经过共混的给料从去除模块740发送到压力模块760。通过导管762将经过加压的经过共混的给料从压力模块760发送到发酵工艺730，以产生一种或多种发酵产物736。在未对经过共混的给料进行加压的实例中，可以通过导管742将经过共混的给料从去除模块740发送到发酵工艺730。在不进行处理而对经过共混的给料进行加压的各个实例中，通过导管766将经过共混的给料发送到压力模块760。
在各个实例中，来自一个或多个工艺的给料可以是间歇的，而来自一个或多个工艺的其他给料可以是连续的。在某些实例中，来自一个或多个电解剂工艺720、780的电解剂给料是间歇的，而来自工业工艺710的C1给料是连续的。在某些实例中，来自工业工艺710的C1给料是间歇的，而来自一个或多个电解剂工艺720、780的电解剂给料是连续的。在某些实例中，来自第一电解剂工艺720的电解剂给料是间歇的，而来自第二电解剂工艺780的电解剂给料是连续的。在某些实例中，来自第二电解剂工艺780的电解剂给料是间歇的，而来自第一电解剂工艺720的电解剂给料是连续的。
在各个实施例中，可以发送电解剂给料的至少一部分以进行储存。某些工业工艺可以包含用于长期或短期储存气态底物和/或液态底物的储存装置。在发送电解剂给料的至少一部分以进行储存的实例中，可以将电解剂给料发送到工业工艺所利用的同一储存装置，例如钢厂的现有气体保持器。可以将电解剂给料的至少一部分发送到独立储存装置，其中电解剂给料与来自工业工艺的C1给料单独储存。在某些实例中，可以由发酵工艺在之后的时间使用来自工业工艺和/或一个或多个电解剂工艺中的一个或两个工艺的此储存的给料。
在各个实施例中，本发明提供了包括电解的整合工艺，其中所供应用于电解剂工艺的电力至少部分地衍生自可再生能源。在某些实例中，可再生能源选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能和核能。
尽管底物通常是气态的，但是底物也可以以替代形式提供。举例来说，可以使用微泡分散发生器将底物溶解在用含CO气体饱和的液体中。通过另外的实例，底物可以吸附到固体载体上。
除了增加发酵工艺的效率之外，电解剂工艺可以增加工业工艺的效率。工业工艺的效率的增加可以通过使用电解剂副产物(即，氧气)实现。具体地，电解剂工艺的O2副产物可以由C1生成工业工艺使用。许多C1生成工业工艺被迫使产生O2，以在其工艺中使用。然而，通过利用来自电解剂工艺的O2副产物，可以降低和/或消除产生O2的成本。从电解剂工艺传递O2副产物例示于图1-6中，其中O2副产物分别通过导管126、226、326、426、526和626从电解剂工艺传递到工业工艺。
涉及部分氧化反应的几种C1生成工业工艺需要O2输入。示例性工业工艺包含碱性氧气炉(BOF)反应、COREX或FINEX钢制造工艺、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。气化工艺包含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。在这些工业工艺中的一个或多个工业工艺中，可以使用来自二氧化碳电解剂工艺的O2来抵消或完全置换通常通过空气分离供应的O2。
对本发明的需要通过图8展示，所述图描绘了在比利时在十九天的时间段内的电价。图8突出显示了在一段时间内平均电价(大致0.05EUR/kWh)与最低/最高电价之间的差异。由于给定位置中的巨大电价差异以及电价对作为用于发酵的气体来源的电解效率的影响，因此非常有利的是，具有灵活的方法来利用电解。例如，当电相对便宜时，利用电解作为用于发酵的气体来源，并且在价格高昂的时间段内停止使用。电解的这种需求响应式利用可以为气体发酵设施增加巨大价值。
本文引用的所有参考文献(包含出版物、专利申请和专利)均通过引用的方式并入本文，其程度如同每篇参考文献被单独并且具体地指出通过引用的方式并入并且在本文中被整体阐述。本说明书中对任何现有技术的提及不是、并且不应被视为承认现有技术形成了任何国家的公知常识中的一部分。
除非本文中另有所指或明显与上下文相矛盾，否则在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)使用的术语“一个/一种(a/an)”和“所述(the)”以及类似的指代词应被解释为涵盖单数和复数两者。除非另外指出，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应解释为开放式术语(即，意味着“包含但不限于”)。术语“基本上由……组成”将组合物、过程或方法的范围限制在特定的材料或步骤，或者限制在那些对组合物、过程或方法的基本和新颖特性没有实质性影响的材料或步骤。替代方案(即，“或”)的使用应被理解为意指替代方案中的一个、两个或其任何组合。如本文中所用的，术语“约”意指所指示范围、值或结构的±20％，除非另外指明。
除非在此另外指示，否则在此叙述的值范围仅仅旨在充当单独地提及每个落入该范围内的单独的值的简写方法，并且将每个单独值并入本说明书中，就如同单独在本文中对其进行叙述一样。例如，除非另外指明，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含所陈述范围内的任何整数的值并且在适当的情况下包含其分数(如整数的十分之一和百分之一)。
除非本文中另外指明或明显与上下文相矛盾，否则本文所描述的所有方法均可以以任何合适的顺序执行。本文中提供的任何和所有实例或示例性语言(即，“如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不对本发明的范围构成限制，除非另外指示。本说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元件指示为实践本发明所必须的。
本文描述了本发明的优选实施例。在阅读前文描述后，对本领域的普通技术人员而言，那些优选实施例的变化可能变得显而易见。诸位发明人预期技术人员在适当时采用这些变化，并且诸位发明人意图使本发明以与本文具体描述的方式不同的方式来进行实践。因此，在适用法律允许的情况下，本发明包含对所附权利要求中所叙述的主题的所有修改和等效物。此外，本发明涵盖上述元件在其所有可能的变化的情况下的任意组合，除非本文另有说明或者以其它方式与上下文明显矛盾。

Claims (25)

1.一种利用生物反应器操作发酵工艺的方法，所述生物反应器含有液体营养素培养基中的细菌培养物，所述方法包括：
a.将包括CO和CO2中的一种或两种的C1给料从工业工艺传递到所述生物反应器，其中所述C1给料具有每单位成本；
b.将包括CO和H2中的一种或两种的电解剂给料从电解剂工艺间歇地传递到所述生物反应器，其中所述电解剂给料具有每单位成本；以及
c.使所述培养物发酵以产生一种或多种发酵产物，其中所述一种或多种发酵产物中的每种发酵产物具有每单位价值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述C1给料进一步包括H2。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解剂给料根据所述C1给料的所述每单位成本和所述电解剂给料的所述每单位成本置换所述C1给料的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中当电解剂给料的所述每单位成本小于C1给料的所述每单位成本时，所述电解剂给料置换所述C1给料的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述C1给料的供应不足以进行所述发酵工艺时，所述电解剂给料补充所述C1给料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解剂给料根据所述电解剂给料的所述每单位成本和所述发酵产物的所述每单位价值补充所述C1给料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解剂给料根据所述C1给料的所述每单位成本、所述电解剂给料的所述每单位成本以及所述发酵产物的所述每单位价值补充所述C1给料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中当所述电解剂给料的所述每单位成本小于所述发酵产物的所述每单位价值时，所述电解剂给料补充所述C1给料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中用包括H2的电解剂给料补充包括CO2的C1给料增加固定在所述一种或多种发酵产物中的CO2的量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述C1给料传递到所述生物反应器之前，对所述C1给料进行处理以去除一种或多种成分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中从所述C1给料中去除的所述成分中的至少一种或多种成分选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃(alkene)、烷烃、链烯(olefin)、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属离子、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
12.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述电解剂给料传递到所述生物反应器之前，对所述电解剂给料进行处理以去除一种或多种成分。
13.根据权利要求12所述的方法，其中从所述电解剂给料中去除的至少一种成分包括氧气。
14.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述C1给料传递到所述生物反应器之前，对所述C1给料进行加压。
15.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述电解剂给料传递到所述生物反应器之前，对所述电解剂给料进行加压。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解剂工艺在压力下完成。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种发酵产物中的至少一种选自由以下组成的群组：乙醇、乙酸盐、丁酸盐、2,3-丁二醇、乳酸盐、丁烯、丁二烯、酮、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇和1-丙醇。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种发酵产物中的至少一种为微生物生物质。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解剂工艺至少部分地由可再生能源供电。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述可再生能源选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能和核能。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述培养物进一步产生发酵后气态底物。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括将所述发酵后气态底物传递到所述电解剂工艺。
23.根据权利要求22所述的方法，其中在传递到所述电解剂工艺之前，对所述发酵后气态底物进行处理以去除一种或多种成分。
24.根据权利要求23所述的方法，其中从所述发酵后气态底物中去除的所述一种或多种成分选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃、烷烃、链烯、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属离子、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
25.根据权利要求24所述的方法，其中从所述发酵后气态底物中去除的成分为硫。
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