CN114410698A - 一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及生物发酵领域，尤其涉及一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法和系统。所述方法包括以下步骤：将第一气体进行第一气体处理，得到第二气体，其中，所述第一气体包括一氧化碳；将所述第二气体进行第一生物发酵，得到第一混合发酵物和第一发酵尾气；将所述第一混合发酵物进行进行醇分离和蛋白分离，得到醇、蛋白和醪液；将第三气体进行第二气体处理，得到第四气体，其中，所述第三气体包括氢气、二氧化碳和一氧化碳；将所述第四气体和所述第一混合发酵物混合并进行第二生物发酵，得到第二混合发酵物和第二发酵尾气；将所述第二混合发酵物进行处理，以实现醇和蛋白的分离；可实现发酵尾气的循环利用，大幅提高固碳效率。

Description

一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法和系统
技术领域
本申请涉及生物发酵领域，尤其涉及一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法和系统。
背景技术
目前，以含CO的工业气体为原料发酵法生产醇的工艺已经成功实现工业化应用，其环保效益和经济效益受到广泛认可，但CO发酵过程中会产出部分CO2，CO有效利用率较低。而在高H2/CO比例工业气体发酵过程中，H2的参与可大幅降低发酵过程中CO2的排出，并在一定条件下直接将CO2转化为乙醇和菌体蛋白。在工业尾气发酵过程中，单级发酵产出的醪液乙醇浓度较低，相对于两级发酵，会大幅增加耗水量、蒸馏能耗及污水处理量。在发酵过程中CO为主要的碳源和能量来源，在高CO气体发酵过程中，菌体增长较快，但碳源有效利用率较低；而在高H2气体发酵过程中可实现将CO2转化为代谢产物，大幅提高固碳效率，但菌种增长缓慢，难以支撑两级连续发酵过程。
发明内容
本申请提供了一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法和系统，以解决现有碳源利用率低和固碳效率低的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法，所述方法包括以下步骤：
将第一气体进行第一气体处理，得到第二气体，其中，所述第一气体包括一氧化碳；
将所述第二气体进行第一生物发酵，得到第一混合发酵物和第一发酵尾气；
将所述第一混合发酵物进行进行醇分离和蛋白分离，得到醇、蛋白和醪液；
将第三气体进行第二气体处理，得到第四气体，其中，所述第三气体包括氢气、二氧化碳和一氧化碳；
将所述第四气体和所述第一混合发酵物混合并进行第二生物发酵，得到第二混合发酵物和第二发酵尾气；
将所述第二混合发酵物进行处理，以实现醇和蛋白的分离。
可选的，所述第一气体还含有氢气、氮气、二氧化碳中的一种或几种。
可选的，所述第三气体中，氢气和一氧化碳的体积浓度比1∶1-10∶1。
可选的，所述第一生物发酵或第二生物发酵的菌体包括李氏梭菌(Clostridiumljungdahlii)、乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、羧氧化梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)、、食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)(中至少一种。
可选的，所述方法还包括：
将所述第一发酵尾气进行尾气处理，和/或将所述第一发酵尾气与所述第三气体混合，以实现尾气处理。
可选的，所述方法还包括：
将所述第二发酵尾气进行尾气处理，和/或将所述第二发酵尾气与所述第一气体混合，
以实现尾气处理。
第二方面，本申请提供了第一方面所述的系统，所述系统包括：
第气体处理装置，所述第一气体处理装置与第一进气管线连通，用于对含一氧化碳的第一气体进行组分调控和净化；
第一生物发酵装置，所述第一生物发酵装置与所述第一气体处理装置连通，用于将所述第一气体转化为醇；
第二气体处理装置，所述第二气体处理装置与第二进气管线连通，用于对含二氧化碳和一氧化碳的第三气体进行组分调控和净化；
第二生物发酵装置，所述第二生物发酵装置与所述第二气体处理装置连通，用于将所述第三气体转化为醇；所述第二生物发酵装置与第一生物发酵装置连通，用于接收第一混合发酵物；
醇分离装置，所述醇分离装置与所述第一生物发酵装置和/或第二生物发酵装置连通，用于分离所述生物发酵装置中产生的醇；
蛋白浓缩干燥装置，所述蛋白浓缩干燥装置与所述醇分离装置连通，用于浓缩干燥醇分离装置中的蛋白。
可选的，所述系统还包括：
尾气处理装置，与所述第一生物发酵装置和/或所述第二生物发酵装置的出口端连通，用于对产生的尾气进行处理。
可选的，所述系统还包括：
第一发酵尾气连通管道，所述第一发酵尾气连通管道的一端与所述第一生物发酵装置的出口端连通，所述第一发酵尾气连通管道的另一端与所述第二气体处理装置进口端连通，用于对尾气进行回收利用；
和/或，第二发酵尾气连通管道，所述第二发酵尾气连通管道的一端与所述第二生物发酵装置的出口端连通，所述第二发酵尾气连通管道的另一端与所述第一气体处理装置进口端连通，用于对尾气进行回收利用。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的该方法，第一生物发酵采用以CO为组分的工业气体，高效的产出醇和生物菌体，含菌体的醪液连续的送入第二生物发酵；第二生物发酵采用高H2工业气体，持续地接受来自第一生物发酵含菌种醪液，在第二生物发酵中继续发酵将H2、CO2转化菌体蛋白和醇，同时持续排出高醇浓度的成熟醪液。第二生物发酵的工业尾气仍含有较高浓度的H2，可全部或部分送去第一气体处理中，在H2的参与下可提高一第一生物发酵CO有效利用率；而第一生物发酵的尾气中含有少量未反应的CO及高浓度的CO2，可部分或全部送入第二气体处理，第二生物发酵将CO、CO2进一步转化为醇和菌体蛋白，实现两级高效发酵的同时，可实现的发酵尾气的循环利用，大幅提高固碳效率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的系统的结构示意图。
其中，1、第一进气管线，2、第一管道，3、第二管道，4、第三管道，5、第四管道，6、第二进气管线，7、第五管道，8、第六管道，9、第七管道，10、第二发酵尾气连通管道，11、第一气体处理装置，12、第一生物发酵装置，13、第一发酵尾气连通管道，21、第二气体处理装置，22、第二生物发酵装置。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
第一方面，本申请提供了一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1.将第一气体进行第一气体处理，得到第二气体，其中，所述第一气体包括一氧化碳；
S2.将所述第二气体进行第一生物发酵，得到第一混合发酵物和第一发酵尾气；
S3.将所述第一混合发酵物进行进行醇分离和蛋白分离，得到醇、蛋白和醪液；
S4.将第三气体进行第二气体处理，得到第四气体，其中，所述第三气体包括氢气、二氧化碳和一氧化碳；
S5.将所述第四气体和所述第一混合发酵物混合并进行第二生物发酵，得到第二混合发酵物和第二发酵尾气；
S6.将所述第二混合发酵物进行处理，以实现醇和蛋白的分离。
本申请实施例中的方法，通过进行二级生物发酵处理，将第一生物发酵的醪液用于所述第二生物发酵中，可以减少耗水量、蒸馏能耗及污水处理量，发酵过程中菌体增长满足需求，可以支撑两级连续发酵过程；在高H2气体发酵过程中也可实现将CO2转化为代谢产物，大幅提高固碳效率。
本申请实施例中，发酵过程主要产出菌体、乙醇、乙酸、2，3-丁二醇等代谢产物。
在一些实施方式中，所述第一气体还含有氢气、氮气、二氧化碳中的一种或几种。
在一些实施方式中，所述第三气体中，氢气和一氧化碳的体积浓度比1∶1-10∶1。
本申请实施例中，控制氢气和氮气的质量浓度比≥2：1的原因是可以提高固氮效率，使第二生物发酵可以有效地进行。
在一些实施方式中，所述第一生物发酵或第二生物发酵的菌体包括李氏梭菌(Clostridiumljungdahlii)、乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、羧氧化梭菌(Clostridium carboxidivorans)、食甲基丁酸杆菌(Butyribacteriummethylotrophicum)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)中至少一种。还可以是Clostridium coskatii。
李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)、乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)、羧氧化梭菌(Clostridium carboxidivorans)、Clostridiumcoskatii、食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Clostridiumragsdalei，这些菌种均为国内外菌种保藏中心公开保藏菌种。
在一些实施方式中，所述方法还包括：将所述第一发酵尾气进行尾气处理，和/或将所述第一发酵尾气与所述第三气体混合，以实现尾气处理。
本申请实施例中，将所述第一发酵尾气与所述第三气体混合的原因是将第一发酵尾气中的CO和CO2在第二发酵罐中进一步消耗，可以达到提高固碳率的有益效果。
在一些实施方式中，所述方法还包括：将所述第二发酵尾气进行尾气处理，和/或将所述第二发酵尾气与所述第一气体混合，以实现尾气处理。
本申请实施例中，将所述第二发酵尾气与所述第一气体混合的原因是将第二发酵尾气中的剩余H2补充至第一气体，降低第一发酵罐中CO2的产出，可以达到提高固碳率的有益效果。
第二方面，本申请提供了第一方面所述的系统，所述系统包括：
第一气体处理装置11，所述第一气体处理装置与第一进气管线1连通，用于对含一氧化碳的第一气体进行组分调控和净化；
第一生物发酵装置12，所述第一生物发酵装置12与所述第一气体处理装置11连通，用于将所述第一气体转化为醇；
具体地，所述第一生物发酵装置12通过第一管道2与所述第一气体处理装置11连通，第一生物发酵装置可以为一级发酵罐，一级发酵罐中的部分醪液通过管道排往后续工序，进行醇分离和蛋白分离；同时通过管道与第二生物发酵装置相连。
第二气体处理装置21，所述第二气体处理装置与第二进气管线6连通，用于对含二氧化碳和一氧化碳的第三气体进行组分调控和净化；
第二生物发酵装置22，所述第二生物发酵装置22与所述第二气体处理装置21连通，用于将所述第三气体转化为醇；所述第二生物发酵装置与第一生物发酵装置连通，用于接收第一混合发酵物；
具体地，所述第二生物发酵装置22通过第五管道7与所述第二气体处理装置21连通，所述第二生物发酵装置22通过第三管道4与第一生物发酵装置12连通，部分醪液通过第二管道3排往后续工序；
醇分离装置，所述醇分离装置与所述第一生物发酵装置和/或第二生物发酵装置连通，用于分离所述生物发酵装置中产生的醇；
蛋白浓缩干燥装置，所述蛋白浓缩干燥装置与所述醇分离装置连通，用于浓缩干燥醇分离装置中的蛋白。
具体地，第一生物发酵装置可以为一级发酵罐，第二生物发酵装置可以为二级发酵罐，第一生物发酵装置12发酵的尾气通过第四管道5排出，第二生物发酵装置22的部分醪液通过第六管道8排往后续工序；第二生物发酵装置22发酵尾气通过第七管道9排出。
在一些实施方式中，所述系统还包括：
尾气处理装置，与所述第一生物发酵装置和/或所述第二生物发酵装置的出口端连通，用于对剩余的尾气进行末端处理。
在一些实施方式中，所述系统还包括：
第一发酵尾气连通管道13，所述第一发酵尾气连通管道13的一端与所述第一生物发酵装置12的出口端连通，所述第一发酵尾气连通管道13的另一端与所述第二气体处理装置进口端连通，用于对尾气进行回收利用；
和/或，第二发酵尾气连通管道10，所述第二发酵尾气连通管道10的一端与所述第二生物发酵装置22的出口端连通，所述第二发酵尾气连通管道的另一端与所述第一气体处理装置进口端连通，用于对尾气进行回收利用。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的方法进行详细说明。
实施例1
本申请实施例提供了一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法，所述方法包括以下步骤：
S1.将第一气体进行第一气体处理，得到第二气体，其中，所述第一气体包括一氧化碳；
S2.将所述第二气体进行第一生物发酵，得到第一混合发酵物和第一发酵尾气；
S3.将第三气体进行第二气体处理，得到第四气体，其中，所述第三气体包括氢气、二氧化碳和一氧化碳；
S4.将所述第四气体和所述第一混合发酵物混合并进行第二生物发酵，得到第二混合发酵物和第二发酵尾气；
S5.将所述第一混合发酵物和/或第二混合发酵物进行醇分离和蛋白分离，得到醇和蛋白。
本申请提供了将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的系统，所述系统包括：
第一气体处理装置，所述第一气体处理装置与第一进气管线连通，用于对含一氧化碳的第一气体进行组分调控和净化，
第一生物发酵装置，所述第一生物发酵装置与所述第一气体处理装置连通，用于将所述第一气体转化为醇，第一生物发酵装置为一级发酵罐；
第二气体处理装置，所述第二气体处理装置与第二进气管线连通，用于对含二氧化碳和一氧化碳的第三气体进行组分调控和净化；
第二生物发酵装置，所述第二生物发酵装置与所述第二气体处理装置连通，用于将所述第三气体转化为醇；所述第二生物发酵装置与第一生物发酵装置连通，用于接收第一混合发酵物，第二生物发酵装置为二级发酵罐；
醇分离装置，所述醇分离装置与所述第一生物发酵装置和/或第二生物发酵装置连通，用于分离所述生物发酵装置中产生的醇；
蛋白浓缩干燥装置，所述蛋白浓缩干燥装置与所述醇分离装置连通，用于浓缩干燥醇分离装置中的蛋白。
具体地，第一气体为5000Nm3/h，主要组分为CO：50％、CO2：20％、N2：29％，H21％，经预处理系统一加压净化后进入一级发酵罐，在一级发酵罐生物菌体将CO转化为乙醇等代谢产物，同时实现自身的分裂增殖，一级发酵罐醪液乙醇浓度达到30g/L，菌体蛋白浓度15g/L；一级发酵罐排出的尾气3700Nm3/h，主要成分为CO：12％、CO2：52％、N2：35％、H2：1％，一级发酵罐尾气全部进入预处理系统二。第三气体为3000Nm3/h，主要成分为H2：60％、CO2：3％、CO：6％、CH4：25％、N2：6％，与来自一级发酵罐尾气混合后进入预处理系统二，经加压净化后进入二级发酵罐，二级发酵罐持续接受来自一级发酵罐含菌体的醪液，将H2、CO、CO2转化为乙醇和菌体。二级发酵罐醪液乙醇浓度55g/L，菌体蛋白浓度22g/L，持续的排往后续工段；二级发酵罐尾气流量4500Nm3/h，主要组分H2：23％、N2：34％、CO：3％、CO2：40％，二级发酵罐尾气量的30％送往预处理系统一循环回用，其余尾气进入下游工段处理。通过该方案，可实现两级发酵高效连续稳定运行，生产过程吨乙醇直接消耗0.5t CO2，两级综合固碳率达到85％。
对比例1
第一气体10000Nm3/h，以体积分数计，主要组分为CO：50％、CO2：20％、N2：29％，H21％，经预处理系统一加压净化后分别进入一级发酵罐和二级发酵罐，在一级发酵罐生物菌体将CO转化为乙醇、菌体等代谢产物，一级发酵罐醪液乙醇浓度达到30g/L，菌体蛋白浓度15g/L；一级发酵罐排出的尾气3700Nm3/h，主要成分为CO：12％、CO2：52％、N2：35％、H2：1％，一级发酵罐尾气全部进入尾气处理装置。二级发酵罐持续接受来自一级发酵罐全部的醪液，继续将CO转化为乙醇和菌体。二级发酵罐醪液乙醇浓度60g/L，菌体蛋白浓度35g/L，持续的排往后续工段；二级发酵罐尾气流量3700Nm3/h，主要组分CO：12％、CO2：52％、N2：35％、H2：1％，二级发酵罐尾气全部进入下游工段处理。发酵过程两级发酵采用同一种气体，可实现高效两级发酵，但发酵过程不能消耗CO2，CO转化固碳率在40％。其他同实施例1。
对比例2
第一气体为主要组分为CO：20％、CO2：10％、N2：25％，H2：45％，进气流量5000Nm3/h，经预处理系统一加压净化后进入一级发酵罐，在一级发酵罐生物菌体将CO、CO2、H2转化为乙醇、菌体等代谢产物，一级发酵罐醪液乙醇浓度达到28g/L，菌体浓度6g/L，尾气流量3000Nm3/h，尾气中CO：15％，H2：35％，CO28％、N242％，吨乙醇直接消耗CO20.6t，固碳率95％。但因高氢气环境下菌体增长缓慢，无法两级连续发酵，而单级发酵乙醇浓度较低，吨乙醇耗水量为两级发酵2倍，在同等乙醇产量下，蒸馏处理负荷为正常两级发酵的2倍。其他同实施例1。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种将二氧化碳和一氧化碳转化为醇和蛋白的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将第一气体进行第一气体处理，得到第二气体，其中，所述第一气体包括一氧化碳；
将所述第二气体进行第一生物发酵，得到第一混合发酵物和第一发酵尾气；
将所述第一混合发酵物进行进行醇分离和蛋白分离，得到醇、蛋白和醪液；
将第三气体进行第二气体处理，得到第四气体，其中，所述第三气体包括氢气、二氧化碳和一氧化碳；
将所述第四气体和所述第一混合发酵物混合并进行第二生物发酵，得到第二混合发酵物和第二发酵尾气；
将所述第二混合发酵物进行处理，以实现醇和蛋白的分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一气体还含有氢气、氮气、二氧化碳中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三气体中，氢气和一氧化碳的体积浓度比1∶1-10∶1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一生物发酵或第二生物发酵的菌体包括李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)、乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、羧氧化梭菌(Clostridium carboxidivorans)、食甲基丁酸杆菌(Butyribacteriummethylotrophicum)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)中至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述第一发酵尾气进行尾气处理，和/或将所述第一发酵尾气与所述第三气体混合，以实现尾气循环利用。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述第二发酵尾气进行尾气处理，和/或将所述第二发酵尾气与所述第一气体混合，以实现尾气循环利用。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括：
第一气体处理装置，所述第一气体处理装置与第一进气管线连通，用于对含一氧化碳的第一气体进行组分调控和净化；
第一生物发酵装置，所述第一生物发酵装置与所述第一气体处理装置连通，用于将所述第一气体转化为醇；
第二气体处理装置，所述第二气体处理装置与第二进气管线连通，用于对含氢气、二氧化碳和一氧化碳的第三气体进行组分调控和净化；
第二生物发酵装置，所述第二生物发酵装置与所述第二气体处理装置连通，用于将所述第三气体转化为醇；所述第二生物发酵装置与第一生物发酵装置连通，用于接收第一混合发酵物；
醇分离装置，所述醇分离装置与所述第一生物发酵装置和/或第二生物发酵装置连通，用于分离所述生物发酵装置中产生的醇；
蛋白浓缩干燥装置，所述蛋白浓缩干燥装置与所述醇分离装置连通，用于浓缩干燥醇分离装置中的蛋白。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
尾气处理装置，与所述第一生物发酵装置和/或所述第二生物发酵装置的出口端连通，用于对产生的尾气进行处理。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
第一发酵尾气连通管道，所述第一发酵尾气连通管道的一端与所述第一生物发酵装置的出口端连通，所述第一发酵尾气连通管道的另一端与所述第二气体处理装置进口端连通，用于对尾气进行回收循环利用；
和/或，第二发酵尾气连通管道，所述第二发酵尾气连通管道的一端与所述第二生物发酵装置的出口端连通，所述第二发酵尾气连通管道的另一端与所述第一气体处理装置进口端连通，用于对发酵尾气进行回收循环利用。
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