CN117157409A - 用于提高碳捕获效率的集成发酵和电解方法 - Google Patents

用于提高碳捕获效率的集成发酵和电解方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117157409A
CN117157409A CN202280026185.6A CN202280026185A CN117157409A CN 117157409 A CN117157409 A CN 117157409A CN 202280026185 A CN202280026185 A CN 202280026185A CN 117157409 A CN117157409 A CN 117157409A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
stream
unit
fermentation
gas stream
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280026185.6A
Other languages
English (en)
Inventor
R·J·孔拉多
S·D·辛普森
M·E·马丁
J·C·布罗姆利
R·R·罗辛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzatech Inc
Original Assignee
Lanzatech Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzatech Inc filed Critical Lanzatech Inc
Publication of CN117157409A publication Critical patent/CN117157409A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
    • C12M43/04—Bioreactors or fermenters combined with combustion devices or plants, e.g. for carbon dioxide removal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0068—General arrangements, e.g. flowsheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/10—Vacuum distillation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/065—Ethanol, i.e. non-beverage with microorganisms other than yeasts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/18—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic polyhydric
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/081—Supplying products to non-electrochemical reactors that are combined with the electrochemical cell, e.g. Sabatier reactor

Abstract

本公开提供了发酵过程与至少一个电解过程、CO2至CO转化单元和C1产生工业过程的集成。具体地，本公开提供了用于利用电解产物，例如在CO2至CO转化单元中的H2和/或O2来提高所述发酵过程或所述C1产生工业过程中的至少一个的过程效率的方法和系统。更具体地，本公开提供了一种方法，其中通过电解产生的H2被通入CO2至CO转化单元以提高发酵过程的基质效率，并且通过电解过程产生的O2被用于改进通过所述C1产生工业过程产生的含C1尾气的组成。

Description

用于提高碳捕获效率的集成发酵和电解方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年4月9日提交的美国临时专利申请第63/173,262号的权益，所述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于提高碳捕获效率的集成发酵和工业方法以及设备。
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％)占剩余部分(美国国家环境保护局(UnitedStates Environmental Protection Agency))。大部分CO2来自燃烧化石燃料以生产能源，但是工业和林业实践也会向大气中排放CO2。减少温室气体排放，尤其是CO2，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过程(如费托过程(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。具体地，已经证明厌氧C1固定型微生物将含有CO2、CO和/或H2的气体转化为如乙醇和2,3-丁二醇的产物。
此类气体可以源自例如工业过程，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、黑色或有色金属产品制造、钢制造、油提炼和相关过程、石油化学品生产、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产、焦炭生产、厌氧或需氧消化产生的气体、合成气体(源自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包括天然气、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/或铁合金的冶金过程、地质储层和催化过程(源自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的蒸汽来源)。
然而，发酵产物的有效生产可能由于若干个因素，例如，微生物生长缓慢、气体吸收有限、对毒素的敏感性或碳基质转化为不期望的副产物而受到限制。因此，这些工业气体可能需要处理或重构以优化用于气体发酵系统。具体地，工业气体可能缺乏足以通过气体发酵驱动CO2的净固定并减少向大气的CO2排放的H2量。例如，工业上对氢气的大部分需求都是通过甲烷蒸汽重整来满足的。通常，该反应使得产生CO和H2，而作为副产物的CO2很少。一氧化碳然后在一个或一系列两个水煤气变换反应器中反应，以进一步产生H2和CO2。然后在变压吸附(PSA)单元中对氢气进行纯化。PSA单元产生经纯化的氢气流和包括一些氢气和未反应的CO2和CO的PSA尾气。PSA尾气通常含有太少的CO，不能直接用作气体发酵的进料。一种提高PSA尾气中的CO浓度的技术涉及仅利用高温水煤气变换反应器。然而，在没有另外的低温水煤气变换反应器的情况下，产生的经纯化的氢气的量更少。一些炼油厂不能承受经纯化的氢气流中经纯化的氢气的这种损失。
高氢气流有利于具有低能量需求并且CO2可以用作反应物的情况下(如乙醇生产)的发酵产物。需要一种用于维持经纯化的氢气的高产率，并且又提供具有合适浓度的CO的气体发酵进料的方法和系统。因此，仍然需要改进工业过程与气体发酵系统的集成，包含用于富集递送到气体发酵系统中的工业气体的H2含量的过程。
发明内容
本公开提供了一种在集成发酵和工业过程中提高碳捕获的方法。所述方法包括从CO2电解单元获得包括O2的第一气流和包括CO的第二气流。从H2O电解[g5]获得包括H2的第三气流。第一气流的至少一部分在工业过程中传递，其中产生包括CO2的尾气流。将尾气流的至少一部分和第三气流的至少一部分通入CO2至CO转化系统以产生包括CO的气态进料流。将气态进料流、第二气流、任选地第三气流的至少一部分和任选地尾气流的至少一部分通入包括至少一种C1固定型微生物的培养物的气体发酵生物反应器中。使培养物发酵以产生至少一种发酵产物和包括CO2的排出气流，所述排出气流再循环至CO2电解过程。
工业过程选自由以下组成的组：部分氧化过程、气化过程和完全氧化过程。CO2电解和/或H2O电解过程需要能量输入，并且所述能量输入可以源自可再生能源。尾气流的至少一部分可以被通入处理单元以产生经处理的尾气流。经处理的尾气流可以再循环到CO2电解单元。CO2至CO转化系统是选自反向水气反应系统、热催化转化系统、部分燃烧系统或等离子体转化系统中的至少一种。至少一种C1固定型细菌选自产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)、扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)或拉氏梭菌(Clostridiumragsdalei)。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。
本公开进一步提供了一种用于生产一种或多种发酵产物的集成系统，所述系统包括：具有第一气流导管和第二气流导管的CO2电解单元；与第一气体导管流体连通的具有尾气导管的工业过程区；具有第三气流导管的H2O电解单元；具有进料流导管的与所述尾气导管和所述第三气流导管流体连通的CO2至CO转化系统；以及与所述进料流导管、与所述进料流导管、与所述第二气流导管以及与所述第三气流导管流体连通的具有产物流导管的气体发酵生物反应器单元。
在一个实施例中，所述CO2电解单元和/或H2O电解单元进一步与可再生能源生产单元连通。CO2至CO转化系统选自反向水气反应系统、热催化转化系统、部分燃烧系统或等离子体转化系统。
在一个实施例中，所述系统进一步包括与所述尾气导管和所述CO2电解单元流体连通的处理单元。气体发酵生物反应器单元进一步与所述第三气流导管、所述尾气导管流体连通，并具有排出气流导管。排出气流导管与CO2电解单元流体连通。
集成系统具有从C1废气中生产有价值的含碳产物并减少CO2排放的益处。提供用于电解水或二氧化碳的电解槽也通过替代方式减少了对空气分离的要求，因为通过电解过程产生的O2可以代替或补充工业过程的O2要求。工业过程区选自部分氧化过程区、气化过程区和完全氧化过程区。
本公开进一步提供了一种集成发酵和工业方法。所述方法包括：从一个或多个工业过程获得包括CO和H2的第一气流、包括CO2的第二气流和包括H2的第三气流。将能量输入通入H2O电解单元以获得包括H2的第四气流和包括O2的第五气流。将所述第一气流的第一部分和所述第二气流的第一部分通入第一气体处理单元，并将所述第三气流的第一部分通入第二气体处理单元以获得经处理的第一气流、经处理的第二气流和经处理的第三气流。将所述第二气流的第二部分、所述经处理的第二气流、所述第三气流的第二部分、所述经处理的第三气流、所述第四气流的第一部分和任选地所述经处理的第一气流的第一部分通入CO2至CO转化系统，以产生包括CO的气态进料流和包括H2O的输出流。将所述输出流通入H2O电解单元。任选地将所述气态进料流通入第三气体处理单元以获得经处理的气态进料流。将所述经处理的气态进料流、所述第一气流的第二部分、所述经处理的第一气流的第二部分、任选地所述第三气流的第二部分和任选地所述第四气流的第二部分通入气体发酵生物反应器单元，以产生包括H2的气体发酵流和尾气。将气体发酵流通入脱气机单元以获得包括至少一种发酵产物和CO2的产物流。将所述产物流的第一部分通入真空蒸馏单元以分离成至少一种发酵产物和包括CO2的排出气流。将所述产物流的第二部分通入所述第一气体处理单元，并且任选地将所述产物流的第三部分通入所述CO2至CO转化系统。将所述排出流通入所述气体发酵生物反应器单元。将所述尾气流的第一部分通入所述第二气体处理单元，并且任选地将所述尾气流的第二部分通入CO2至CO转化系统。将所述尾气流的第三部分和第五气流通入氧化器单元。
在一个实施例中，所述所述工业过程选自合成气排放工业过程、CO2排放工业过程和H2排放工业过程。在实施例中，所述工业过程选自碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼、石油化学品生产、焦炭生产、厌氧消化、好氧消化、天然气提取、油提取、地质储层、冶金过程、用于生产铝、铜和/或铁合金或其任何组合的铝、铜和/或铁合金提炼；或者所述合成气过程选自煤的气化气化、炼油厂残渣的气化、生物质的气化、木质纤维素材料的气化、黑液的气化、城市固体废物的气化、工业固体废物的汽化、污水的气化、来自废水处理的污泥的气化、天然气的重整、沼气的重整、填埋气的重整或其任何组合。
在一个实施例中，所述电解槽的能量输入由可再生能源生产区提供。所述第一气体处理单元、所述第二气体处理单元和所述第三气体处理单元包括除硫模块。CO2至CO转化系统是选自反向水气反应系统、CO2电解系统、热催化转化系统、电催化转化系统，部分燃烧系统和等离子体转化系统中的至少一个单元。所述氧化器单元选自热氧化器单元、热重整器单元、热电联产单元或合成气生成单元。
附图说明
图1示出了根据一个实施例的描绘工业过程与发酵过程、以及二氧化碳和水电解过程以及CO2至CO转化系统的集成的过程集成方案。
图2示出了根据本公开的一个实施例的水泥生产过程与电解过程和气体发酵过程的集成的示意性过程。
图3示出了根据本公开的一个实施例的描绘一个或多个工业过程与CO2至CO转化系统、电解单元和气体发酵过程的集成的过程集成方案。
具体实施方式
公开了一种在集成发酵和工业过程中提高碳捕获效率的方法。C1产生工业过程、H2排放工业过程与C1固定型发酵过程、CO2至CO转化系统和电解过程的集成为C1产生工业过程和C1固定型发酵过程提供了实质性益处。“C1”是指单碳分子，例如CO、CO2、CH4或CH3OH。
“C1产生工业过程”是指在其操作过程中产生至少一种含C1气体的工业过程。C1产生工业过程旨在包含产生含C1的气体作为期望的最终产物或作为生产一种或多种期望的最终产物的副产物的任何工业过程。示例性C1产生工业过程包含但不限于钢制造过程，包含碱性氧气炉(BOF)过程；钢制造过程、高炉(BF)过程和焦炉煤气过程、气化过程(包含城市固体废物的气化、生物质气化、石油焦气化和煤气化)、二氧化钛生产过程、水泥生产过程、天然气发电过程和燃煤发电过程。C1产生工业过程可以进一步包含传统的涉及将源自生物质原料的糖转化为乙醇的生物质到乙醇的发酵过程。适用于传统乙醇发酵过程的生物质原料包含玉米纤维、玉米秸秆、蔗渣和稻草。
“期望最终产物”旨在涵盖工业过程的主要或目标产物。例如，钢制造过程的期望最终产物是钢产物，并且产生含C1气体作为副产物，然而在MSW气化过程中，合成气、含C1气体是气化过程的期望最终产物。
本公开提供了一种H2O和/或CO2电解过程以及CO2至CO转化过程耦合的集成的C1产生工业过程和C1固定型发酵过程以提高由工业过程产生的含C1气体的组成。C1固定型发酵过程为使用C1固定型微生物对含C1气体进行生物固定提供了平台。具体地，C1固定型微生物将含C1气体和/或H2转化为如乙醇和2,3-丁二醇的产物。本公开提供了用于实质上减少从集成设施排放的CO2总量的方法和系统。
氢气是用于发酵过程的合适的能量来源。氢气可以用于改善发酵基质的组成。氢气提供微生物将含碳的气体转化成有用产物所需的能量。当提供最佳浓度的氢气时，微生物培养物可以在很少共产生二氧化碳的情况下产生期望发酵产物(即，乙醇)。
氢气可以通过H2O电解过程产生，所述H2O电解过程由以下化学计量反应定义：2H2O+电→2H2+O2+热。水电解技术是已知的，并且示例性过程包含碱水电解、蛋白质交换膜(PEM)电解和固体氧化物电解。合适的电解槽包含碱性电解槽、PEM电解槽和固体氧化物电解槽。当与含有合适碳源的工业废气(例如，至少一种含C1气体，如一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2))组合供应时，电解产生的氢气可被用作气体发酵的原料。
用于减少CO2的电解过程和电解槽是已知的。用于CO2还原的不同催化剂的使用影响最终产物。已经证明包含Au、Ag、Zn、Pd和Ga催化剂在内的催化剂对从CO2生产CO是有效的。可以使用标准电解槽，如上文描述的用于水电解的那些电解槽。通过CO2电解产生的一氧化碳可以用作气体发酵的原料。另外地，生产的CO可以与工业气流共混作为另外的原料供应。CO2和能量输入可以通过CO2电解过程产生一氧化碳和O2，所述CO2电解过程由以下化学计量反应定义：2CO2+电→2CO+O2+热。
H2O电解单元或CO2电解单元的能量输入可以源自可再生能源。可再生能源的示例性来源包含但不限于风能、水能、太阳能、地热能、核能及其组合。
通过在CO2电解单元中电解CO2产生的一氧化碳可用于改善发酵基质组成，并可富集用作发酵基质的工业废气的CO含量。另外地，发酵过程产生的CO2可以作为CO2电解槽的原料再循环，由此进一步减少CO2排放并增加液体发酵产物中捕获的碳的量。
在许多工业过程中，氧气来源于空气进料。在部分氧化过程，如碱性氧气炉(BOF)过程、钢制造过程、高炉(BF)过程、二氧化钛生产过程、铁合金生产过程和气化过程中，O2通常使用空气分离过程(如低温蒸馏或PSA分离)从空气中产生。根据本公开，通过电解过程产生的O2可以减少或取代对空气分离的要求。
作为电解过程的副产物产生的O2为使用工业气体进行发酵提供了另外的益处。虽然本公开的发酵过程是厌氧过程，但H2O电解和CO2电解过程的O2副产物可用于C1产生工业过程中，从所述C1产生工业过程中获得含C1的尾气。电解过程的高纯度O2副产物可以与工业过程集成并有利地抵消成本，并且在一些情况下具有进一步降低工业过程以及随后的气体发酵的成本的协同作用。通常，工业过程通过空气分离获得所需的氧气。通过空气分离产生氧气是一个能源密集型过程，所述能源密集型过程涉及将O2从N2中低温分离以实现最高纯度。通过电解共产生O2，并取代通过空气分离产生的O2，可以抵消工业过程中至多5％的电力成本。
电解产物如氢气、一氧化碳和氧气也可用于提高工业生产过程和气体发酵过程(如在含C1尾气适合用作发酵基质的工业过程)中的集成的整体效率，通过与氢气或一氧化碳共混进行进一步的基质优化可以提高发酵的整体碳利用率。可以通过以下方式提高效率：(i)使用氢气来改善发酵基质组成；(ii)使用一氧化碳来改善发酵基质组成；(iii)使用源自电解过程的氧气来抵消工业过程的氧气需求；(iv)将来自发酵过程排出气流的CO2再循环到CO2电解槽以产生另外的CO并进一步减少CO2排放；或(v)上述的任何组合。
本公开的集成过程包括从CO2电解单元获得包括O2的第一气流和包括CO的第二气流。从H2O电解单元获得包括H2的第三气流。第一气流的至少一部分在工业过程区中转化为包括CO2的尾气流。将尾气流的至少一部分和任选地第三气流的至少一部分通入CO2至CO转化系统以产生包括CO的气态进料流。
CO2至CO转化系统是选自反向水气反应系统、CO2电解系统、热催化转化系统、电催化转化系统，部分燃烧系统、等离子体转化系统或其任何组合中的至少一个单元。反向水气反应单元(rWGR)从二氧化碳和氢气中生产水，其中一氧化碳是副产物。反向水气反应单元可以包括单个阶段或多于一个阶段。不同阶段可以在不同温度下进行，并且可以使用不同催化剂。热催化转化通过使用热能作为产生CO的反应的驱动力，破坏了CO2和其它反应物在催化剂上的稳定原子和分子键。由于CO2分子在热力学和化学上是稳定的，如果将CO2用作单个反应物，则需要大量的能量。因此，通常使用如氢气等其它物质作为共反应物，以使热力学过程更容易。许多催化剂对于该过程是已知的，如金属和金属氧化物以及纳米尺寸的催化剂金属有机框架。各种碳材料已被用作催化剂的载体。电催化转化是二氧化碳的电催化还原以从水和二氧化碳产生合成气体。二氧化碳的此类电催化转化，也称为电化学转化，通常涉及电化学电池中的电极，该电化学电池具有支持电解质的溶液，二氧化碳通过该电解质鼓泡，参见例如US 10,119,196。产生包括CO的合成气体(也称为合成气)，并将所述合成气体从电化学电池的溶液中分离并去除。光电催化中的光催化和电催化的组合(例如使用阳光照射)也是合适的变型。
将气态进料流、第二气流和任选地第三气流的至少一部分通入包括至少一种C1固定型微生物的培养物的气体发酵生物反应器中。使培养物发酵以产生至少一种发酵产物和包括CO2的排出气流，所述排出气流再循环至CO2电解过程。当在本文中讨论再循环时，对再循环或将流通入单元的描述意指包含将流直接独立地引入到单元，或将流与单元的另一输入组合。
气体发酵生物反应器可以是由一个或多个容器和/或塔或管路布置组成的发酵系统。气体发酵生物反应器的实例包含连续搅拌釜反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、鼓泡塔、气举发酵罐、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))或其它适用于气液接触的装置。气体发酵可以包括并联或串联的多个反应器或级。气体发酵生物反应器可以是生产反应器，其中产生大部分发酵产物。
气体发酵生物反应器包含具有从C1碳源产生一种或多种产物的能力的一种或多种C1固定型微生物的培养物。“C1”是指单碳分子，例如，CO或CO2。“C1碳源”是指充当微生物的部分或唯一碳源的单碳分子。例如，C1碳源可以包括CO、CO2或CH2O2中的一种或多种。在一个实施例中，C1碳源可以包括CO和CO2中的一种或两种。通常，C1固定型微生物是C1固定型细菌。在实施例中，微生物源自表1中所鉴定的C1固定型微生物。微生物可以基于功能特性分类。例如，微生物可以源自C1固定型微生物、厌氧菌、产乙酸菌(acetogen)、产乙醇菌(ethanologen)和/或一氧化碳营养菌(carboxydotroph)。表1提供了微生物的代表性清单，并鉴定了其功能特性。
“厌氧菌”是不需要氧气即可生长的微生物。如果氧气超过某一阈值存在，则厌氧菌可能会产生不良反应或甚至死亡。通常，微生物是厌氧菌。在实施例中，微生物是或衍生自表1中所鉴定的厌氧菌。
“产乙酸菌”是产生或能够产生作为厌氧呼吸的产物的乙酸盐或乙酸的微生物。通常，产乙酸菌是专性厌氧菌，其使用伍德-隆达尔(Wood-Ljungdahl)途径作为其能量保存和合成乙酰辅酶A和乙酰辅酶A衍生产物(如乙酸盐)的主要机制。所有天然存在的产乙酸菌都是C1固定型、厌氧型、自养型和非甲烷氧化型。
所述微生物可以是梭菌属(genus Clostridium)的成员。在一个实施例中，微生物从包括物种产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌的梭菌簇获得。
本公开的微生物可以进行培养以产生一种或多种产物。例如，产乙醇梭菌产生或可以经工程化产生乙醇(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)、1-丙醇(WO 2014/0369152)、乙二醇(WO 2019/125400)和2-苯乙醇(WO 2021/188190)。除一种或多种目标产物外，本公开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认为是一种产物。
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。水性培养基可以是厌氧微生物生长培养基，如最低厌氧微生物生长培养基。合适的培养基是所属领域中众所周知的。
培养和/或发酵可以在适当条件下进行，以便产生目标产物。培养/发酵可以在厌氧条件下执行。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、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、用于确保处于液相的气体不会变成限制的最大气体基质浓度以及用于避免产物抑制的最大产物浓度。具体地，可以控制基质的引入速率来以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，产物可能会因培养而被消耗。
在升压下操作气体发酵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，培养物发酵可以在高于大气压的压力下进行。此外，由于给定的气体转化率部分是基质保留时间的函数，因此转化率决定了气体发酵生物反应器所需的体积。加压系统的使用可以大大减少所需的气体发酵生物反应器的体积，并因此减少培养/发酵设备的资本成本。因此，当气体发酵生物反应器维持在升高的压力而不是大气压下时，可以减少定义为气体发酵生物器中的液体体积除以输入气体流速的保留时间。最优反应条件将部分取决于所使用的特定微生物。然而，通常，发酵可以在高于大气压的压力下操作。
可使用任何方法或技术领域中已知的方法的组合从发酵液中分离目标产物，所述方法包括例如分馏、蒸发、渗透蒸发、气体剥离、相分离、萃取发分离(包括例如液-液萃取)。在某些实施例中，通过从气体发酵生物反应器中连续地去除一部分肉汤、从肉汤分离微生物细胞以及从含水剩余物中分离目标产物从发酵液中回收目标产物。醇、丙酮和/或其它副产物可以例如通过蒸馏回收。可以例如通过吸附于活性炭来回收酸。分离的微生物生物质可以再循环到气体发酵生物反应器中。去除目标产物后剩余的溶液也可以再循环到气体发酵生物反应器中。可以在再循环的溶液返回到气体发酵生物反应器中之前向其中添加另外的营养素来补给培养基。
在一些实例中，含C1气体的气体组成对于典型的发酵过程来说并不理想。由于地质限制、缺乏可用的氢气来源或成本考虑，将氢气用于发酵过程一直具有挑战性。通过利用可再生氢气(例如，通过电解产生的氢气)，可以减少或消除许多限制。此外，将含C1的气体与可再生氢气流共混提供了能量上改善的共混基质流。
可以参考涉及执行本公开的设备和方法的图1至图3中所示的过程配置来描述本公开的一些实施例。对方法“步骤”的任何提及都包括对适用于执行步骤的设备“单元”或设备的提及，并且反之亦然。通过删除在这种性质的过程中通常使用的大量设备，如容器内部构件、温度和压力控制系统、流量控制阀、再循环泵等，简化了附图，这些设备没有被特别要求来说明本公开的性能。
图1描绘了根据本公开的一个实施例的具有发酵过程、具有CO2至CO转化系统的二氧化碳和水电解过程以及用于从气态流产生至少一种发酵产物的过程的集成系统。CO2电解单元120接收可再生能源输入100。可再生能源输入的示例性来源包含但不限于风能、水能、太阳能、地热能、核能及其组合。包括O2的第一气流和包括CO的第二气流可以从CO2电解单元120获得。将第一气流121通入工业过程单元140以取代工业过程单元140的空气需求，并且工业过程产生包括CO2的尾气流141。至少一部分尾气流141可以被通入气体处理单元160。气体处理单元160包括用于从尾气流141中去除一种或多种污染物的至少一个气体处理模块，产生可被通入CO2电解单元120的经处理的尾气流161。将包括CO的第二气流122通入包括至少一种C1固定型微生物的培养物的气体发酵生物反应器单元170中。H2电解单元130接收可再生能源输入110以产生包括H2的第三气流131。将尾气流141的至少一部分142和第三气流131的至少一部分通入CO2至CO转化系统150以产生包括CO的气态进料流151。将气态进料流151通入气体发酵生物反应器单元170中。任选地，尾气流143的至少一部分和任选地第三气流131的至少一部分132可以通入气体发酵生物反应器单元170中。使培养物发酵以产生一种或多种发酵产物171和包括CO2的排出气流172。排出气流172可以再循环到CO2电解单元120。
在一个实施例中，工业过程单元140选自部分氧化过程单元、气化过程单元、完全氧化过程单元或其任何组合。部分氧化过程是包括部分氧化反应的工业过程。部分氧化过程可以选自碱性氧气炉(BOF)反应、COREX或FINEX钢制造过程、高炉(BF)过程、铁合金过程、二氧化钛生产过程、气化过程或其任何组合。气化过程可以选自城市固体废物气化过程、生物质气化过程、石油焦气化过程、煤气化过程或其任何组合。流171中的发酵产物中的至少一种可以是乙醇、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-羟基丙酸酯、萜烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇、1-丙醇、乙二醇或其任何组合。
来自工业过程的尾气流包括至少一种C1组分。含C1尾气中的C1组分选自一氧化碳、二氧化碳、甲烷或其组合。含C1尾气可以进一步包括一种或多种非C1组分，如氮气和氢气。含C1尾气可以进一步包括来自工业过程的污染物组分。在实施例中，在将含C1尾气通入气体发酵生物反应器之前，将其通入用于去除至少一种污染物或非C1组分的气体处理单元，以提供纯化的含C1尾气。
许多工业过程产生含C1气体，这对于典型的C1发酵过程来说可能不是理想的，并且这种工业过程可以包括水泥生产过程、天然气发电厂、提炼过程、乙醇生产发酵过程或其任何组合。水泥生产过程通常产生富含CO2的排出气流。C1固定型微生物可以利用CO2，然而通常也使用氢气来提供将CO2固定到产品中所需的能量。
将完整氧化过程，如水泥生产过程与CO2和/或H2O电解槽单元、CO2至CO转化系统和C1固定型发酵过程组合提供了许多协同益处，包含(i)提供了将CO2转化为CO的机制；(ii)由电解过程提供的O2置换了水泥生产过程的空气进料，并增加了水泥生产过程的排出气体中CO2的组成；(iii)由发酵过程产生的CO2可以再循环至CO2电解槽并转化为CO基质用于发酵，由此通过合并的过程进一步减少CO2排放。
图2示出了水泥生产过程与电解过程和气体发酵过程的集成的示意性过程。包括H2的第一气流132和包括O2的第二气流134通过在水电解单元130中使用可再生能源输入电解水流200而产生。将第二气流134通入水泥生产单元140，以置换水泥生产过程的典型空气需求的至少一部分。水泥生产过程140产生富含CO2的尾气流141。将富含CO2的尾气流141的第一部分和任选地第一气流131的第一部分通入CO2至CO转化系统150以产生包括CO的排出气流。任选地，富含CO2的尾气流143的第二部分和第一气流132的第二部分可以与排出气流合并以提供含C1的进料流151。将含C1的进料流151通入含有C1固定型细菌的培养物的气体发酵生物反应器170中。使含C1的进料流151发酵以产生至少一种发酵产物流171。
在实施例中，水泥生产过程与水电解过程的集成使得能够在能量上改善气态基质。集成具有两个益处：(i)用来自电解过程的O2置换水泥生产过程的空气进料，增加水泥生产过程的排出气体中的CO2的组成，以及(ii)电解过程产生的氢气与产生的富含CO2的气体的共混提供了适合于发酵过程的CO2和H2气流。
在实施例中，来自水泥生产过程的CO2的至少第一部分和来自电解过程的氢气的第一部分可以提供给CO2至CO转化系统，以通过以下化学计量反应产生CO：
由CO2至CO转化系统产生的CO可以与源自工业气流的CO2的第二部分和产生的氢气的第二部分共混，以提供具有期望组成的发酵基质。发酵基质的期望组成将根据发酵反应的期望发酵产物而变化。例如，对于乙醇生产，可以通过以下公式来确定期望组成： 其中对于CO2消耗x>2y。在某些实施例中，发酵基质可以具有H2:CO比小于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，根据代数公式，CO2至少以化学计量量可用。
图3示出了本公开的一个实施例的描绘了一个或多个工业过程与CO2至CO转化系统、电解单元和气体发酵过程的集成的过程集成方案。在图3中，从工业过程310中获得包括CO和H2的第一气流。从工业过程320中获得包括CO2的第二气流。从工业过程340中获得包括H2的第三气流。H2O电解单元130接收能量输入300以产生包括H2的第四气流和包括O2的第五气流。能量输入可以源自可再生能源。可再生能源的示例性来源包含但不限于风能、水能、太阳能、地热能、核能及其组合。
将第一气流的第一部分和第二气流的第一部分通入第一气体处理单元330，以获得经处理的第一气流和经处理的第二气流。将第三气流的第一部分通入第二气体处理单元350以获得经处理的第三气流。将经处理的第二气流332、第二气流321的第二部分、经处理的第三气流351、第三气流341的第二部分、以及任选地经处理的第一气流331的第一部分、第四气流131的第一部分通入CO2至CO转化系统150以产生包括CO的气态进料流和包括H2O的输出流。输出流153被再循环到H2O电解单元130。任选地，将气态进料流152通入第三气体处理单元360以获得经处理的气态进料流和包括未反应的H2或CO2的未反应的气流。任选地，将未反应的气流362通入CO2至CO转化系统150。将经处理的气态进料流361、第一气流311的第二部分、经处理的第一气流333的第二部分、任选地第三气流342的第二部分以及任选地第四气流132的第二部分通入气体发酵生物反应器单元170以产生气体发酵流和包括H2的尾气流。将气体发酵流173通入脱气机单元370以获得包括至少一种发酵产物和CO2的产物流。将产物流371的第一部分通入真空蒸馏单元380以分离成至少一种发酵产物381和排出气流。真空蒸馏单元380被设计为有效地从发酵液中去除产物流。第一气体处理单元、所述第二气体处理单元和所述第三气体处理单元可以包括除硫模块。CO2至CO转化系统选自反向水气反应系统、热催化转化系统、部分燃烧系统或等离子体转化系统。
将产物流372的第二部分通入第一气体处理单元330。任选地，将产物流373的第二部分通入CO2至CO转化系统150。将尾气流175的第一部分通入第二气体处理单元350。任选地，将尾气流176的第二部分通入CO2至CO转化系统150。将尾气流174的第三部分和第五气流133通入氧化器单元390用于空气污染控制。
在实施例中，氧化器单元选自热氧化器单元、热重整器单元、热电联产单元和合成气生成单元。一种或多种工业过程选自合成气排放工业过程、CO2排放工业过程和H2排放工业过程。一种或多种过程可以选自碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼、石油化学品生产、焦炭生产、厌氧消化、好氧消化、天然气提取、油提取、地质储层、冶金过程、用于生产铝、铜和/铁合金或其任何组合的铝、铜和/或铁合金精炼；或者所述合成气过程选自煤的气化气化、炼油厂残渣的气化、生物质的气化、木质纤维素材料的气化、黑液的气化、城市固体废物的气化、工业固体废物的汽化、污水的气化、来自废水处理的污泥的气化、天然气的重整、沼气的重整、填埋气的重整或其任何组合。
在特定实施例中，一种或多种工业过程可以是选自碱性氧气炉、高炉和焦炉过程的钢制造过程。焦炉煤气(COG)的典型组成为5-10％CO、55％ H2、3-5％ CO2、10％ N2和25％CH4。高炉(BF)煤气的典型组成为20-35％ CO、2-4％ H2、20-30％ CO2和50-60％ N2。典型的碱性氧气炉(BOF)气体包括50-70％ CO、15-25％ CO2、15-25％ N2和1-5％ H2。
基质和/或C1碳源可以是合成气，如通过气化煤或精炼残留物、气化生物质或木质纤维素物质或重整天然气而获得的合成气。在另一实施例中，合成气可以从市政固体废物或工业固体废物的气化中获得。
基质的组成可以对反应的效率和/或成本有显著影响。例如，O2的存在可以降低厌氧发酵过程的效率。根据基质的组成，可能需要处理、擦洗或过滤基质以去除任何不期望的杂质如毒素、不期望的组成或灰尘颗粒和/或增加期望组成的浓度。
含C1的气态基质的组成可以根据包含所使用的工业过程的类型和提供到工业过程的原料在内的因素而变化。并非所有产生的含C1的气态基质都将具有用于发酵过程的理想气体组成。将含C1的气体与可再生氢气流、另外的CO流组合或将C1基质中的CO2转化为CO提供了能量上改善的共混气流。
在氢气的存在下操作发酵过程具有减少通过发酵过程产生的CO2的量的增加的益处。例如，包括最小H2的气态基质通常将通过以下化学计量[6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2]产生乙醇和CO2。随着由C1固定型细菌利用的氢气的量增加，所产生的CO2的量减少[例如，2CO+4H2→C2H5OH+H2O]。方程的一般形式为：/>其中x>2y以实现CO2消耗。
当CO是乙醇产生的唯一碳源和能源时，碳的一部分损失为CO2，如下所示：
6CO+3H2O->C2H5OH+4CO2(ΔG°＝-224.90kJ/mol乙醇)
在这些情况下，在显著量的碳被转化为CO2的情况下，期望将CO2通入回工业过程(如气化过程)或可替代地将CO2送至CO2至CO转化系统。根据本公开，当存在CO2电解槽时，CO2尾气可以再循环到电解槽以还原为CO和O2。
随着基质中可用的H2的量增加，所产生的CO2的量减少。在1:2的化学计量比(CO/H2)下，完全避免了CO2的产生。
5CO+1H2+2H2O->1C2H5OH+3CO2(ΔG°＝-204.80kJ/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)
电解生产过程的O2副产物可以用于生产CO2气体的工业过程中。在完全氧化过程的情况下，电解的O2副产物将替代通常需要的空气进料。添加氧气而不是空气会增加过程的排出气体中的CO2的组成。例如，100％氧气进给：CH4+2O2→CO2+2H2O提供排出气体中的100％CO2浓度；而空气进给：CH4+2O2+7.5N2→CO2+2H2O+7.5N2提供排出气流中的12％ CO2。
CO2原料可以与通过电解产生的氢气组合，以提供用于CO2和H2发酵过程的经优化的原料。例如，6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O。
C1固定型细菌通常是选自一氧化碳营养菌、自养菌、产乙酸菌和产乙醇菌的厌氧细菌。更具体地，C1固定型细菌选自梭菌属。在特定实施例中，C1固定型细菌选自由以下组成的组：产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌。
本文引用的所有参考文献(包含出版物、专利申请和专利)均通过引用特此并入，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并入并且在本文中被整体阐述。本说明书中任何引用的提及不是，也不应被视为承认引用形成任何国家所致力的领域中的公知常识的一部分。
除非本文中另外指明或明显与上下文相矛盾，否则在本公开中(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个。除非另有说明，否则术语“包括(comprising)”、“具有”、“包含(including)”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。替代方案(例如“或”)的使用应理解为意指替代方案中的任一个、两个或其任何组合。除非另外说明，否则如本文所使用的，术语“约(about)”意指所指示的范围、值或结构的±20％。
除非本文另有说明，否则本文对数值范围的引用仅旨在用作分别指代落入所述范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独值如同在本文被单独引用一样被并入本说明书中。例如，除非另有指示，否则任何浓度范围、百分比范围、比率范围、整数范围、大小范围或厚度范围应被理解为包含所叙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)。
除非本文另外指示或以其它方式与上下文明显矛盾，否则本文所描述的所有方法都可以按任何合适的顺序来执行。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有实例或示范性语言(例如，“如”)的使用仅旨在更好地说明本公开，而不对本公开的范围构成限制。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公开所必须的。
本文描述了多个实施例。在阅读上述描述后，对本领域的普通技术人员而言，那些实施例的变化可能变得显而易见。技术人员可以在适当时采用此类变型，并且本公开旨在以不同于本文具体描述的其它方式来进行实践。因此，在适用法律允许的情况下，本公开包含所附权利要求中叙述的主题的所有修改和等效物。此外，除非本文另外指明或以其它方式明显与上下文相矛盾，否则本公开涵盖上述要素在其所有可能变型中的任何组合。

Claims (20)

1.一种用于提高碳捕获效率的集成发酵和工业方法，所述方法包括：
a)在H2O电解单元中转化水并产生包括H2的氢气流；
b)将来自工业过程的包括CO2的尾气流的至少一部分通入CO2至CO转化系统，以产生包括CO的气态进料流；
c)将所述气态进料流通入包括至少一种C1固定型微生物的培养物的气体发酵生物反应器单元；
d)将所述氢气流的至少一部分通入所述CO2至CO转化系统、所述气体发酵生物反应器单元或两者；
e)使所述培养物发酵以产生一种或多种发酵产物和包括CO2的排出气流；以及
f)使所述排出气流再循环至CO2至CO转化单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将包括CO2的原料通入CO2电解单元并产生包括O2的氧气流和包括CO的CO流，并将所述氧气流通入所述工业过程并且将所述CO流通入气体发酵生物反应器单元。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述CO2电解单元和/或所述H2O电解单元需要能量输入，其中所述能量输入源自可再生能源。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述工业过程选自部分氧化过程、气化过程、完全氧化过程或其任何组合。
5.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述尾气流的至少一部分通入处理单元以产生经处理的尾气流，并使所述经处理的尾气流再循环至所述CO2电解单元。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述CO2至CO转化系统选自反向水气反应系统、热催化转化系统、部分燃烧系统、等离子体转化系统或其任何组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述C1固定型微生物选自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)或其任何组合。
8.一种集成系统，其包括：
a)CO2电解单元，所述CO2电解单元具有第一气流出口和第二气流出口；
b)工业过程区，所述工业过程区包括入口和尾气出口，所述入口与所述CO2电解单元的所述第一气流出口流体连通；
c)CO2至CO转化系统，所述CO2至CO转化系统包括进料流出口，所述CO2至CO转化系统与所述尾气出口流体连通；
d)气体发酵生物反应器单元，所述气体发酵生物反应器单元包括产物流出口，所述气体发酵生物反应器单元与所述进料流出口和所述第二气流出口流体连通；以及
e)H2O电解单元，所述H2O电解单元具有第三气流出口，其中所述第三气流出口与所述CO2至CO转化系统、所述气体发酵生物反应器单元或两者流体连通。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述CO2电解单元和/或所述H2O电解单元进一步与可再生能源生产单元电连通。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述工业过程区选自部分氧化过程区、气化过程区、完全氧化过程区或其任何组合。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述气体发酵生物反应器单元进一步包括与所述CO2电解单元流体连通的排出气流出口。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述CO2至CO转化系统选自反向水气反应系统、热催化转化系统、部分燃烧系统、等离子体转化系统或其任何组合。
13.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括与所述尾气出口和所述CO2电解单元流体连通的处理单元。
14.一种集成发酵和工业方法，其包括：
a)从一个或多个工业过程获得包括CO和H2的第一气流、包括CO2的第二气流和包括H2的第三气流；
b)将能量输入通入H2O电解单元，以获得包括H2的第四气流和包括O2的第五气流；
c)将所述第一气流的第一部分和所述第二气流的第一部分通入第一气体处理单元，并将所述第三气流的第一部分通入第二气体处理单元，以获得经处理的第一气流、经处理的第二气流和经处理的第三气流；
d)将所述第二气流的第二部分、所述经处理的第二气流、所述第三气流的第二部分、所述经处理的第三气流、所述第四气流的第一部分和任选地所述经处理的第一气流的第一部分通入CO2至CO转化系统，以产生包括CO的气态进料流和包括H2O的输出流；
e)将所述输出流通入所述H2O电解单元；
f)任选地将所述气态进料流通入第三气体处理单元，以获得经处理的气态进料流；
g)将所述经处理的气态进料流、所述第一气流的第二部分、所述经处理的第一气流的第二部分、任选地所述第三气流的第二部分和任选地所述第四气流的第二部分通入气体发酵生物反应器单元，以产生包括H2的气体发酵流和尾气流；
h)将所述气体发酵流通入脱气单元，以获得包括至少一种发酵产物和CO2的产物流；
i)将所述产物流的第一部分通入真空蒸馏单元，并分离成至少一种发酵产物和包括CO2的排出气流；
j)将所述产物流的第二部分通入所述第一气体处理单元，并且任选地将所述产物流的第三部分通入所述CO2至CO转化系统；
k)将所述排出气流通入所述气体发酵生物反应器单元；
l)将所述尾气流的第一部分通入所述第二气体处理单元，并且任选地将所述尾气流的第二部分通入所述CO2至CO转化系统；以及
m)将所述尾气流的第三部分和所述第五气流通入氧化器单元。
15.根据权利要求14所述的方法，其中一种或多种工业过程选自合成气排放工业过程、CO2排放工业过程、H2排放工业过程或其任何组合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述工业过程选自碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、浆和纸制造、钢制造、油提炼、石油化学品生产、焦炭生产、厌氧消化、需氧消化、天然气提取、油提取、地质储层、冶金过程、用于生产铝、铜和或铁合金或其任何组合的铝、铜和或铁合金精炼；或者所述合成气过程选自煤的气化气化、炼油厂残渣的气化、生物质的气化、木质纤维素材料的气化、黑液的气化、城市固体废物的气化、工业固体废物的气化、污水的气化、来自废水处理的污泥的气化、天然气的重整、沼气的重整、填埋气的重整或其任何组合。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述能量输入源自可再生能源。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一气体处理单元、所述第二气体处理单元和所述第三气体处理单元包括除硫模块。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述CO2至CO转化系统选自反向水气反应系统、热催化转化系统、部分燃烧系统或等离子体转化系统。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述氧化器单元选自热氧化器单元、热重整器单元、热电联产单元或合成气生成单元。
CN202280026185.6A 2021-04-09 2022-04-08 用于提高碳捕获效率的集成发酵和电解方法 Pending CN117157409A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163173262P 2021-04-09 2021-04-09
US63/173,262 2021-04-09
PCT/US2022/071632 WO2022217275A1 (en) 2021-04-09 2022-04-08 Integrated fermentation and electrolysis process for improving carbon capture efficiency

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117157409A true CN117157409A (zh) 2023-12-01

Family

ID=83509842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280026185.6A Pending CN117157409A (zh) 2021-04-09 2022-04-08 用于提高碳捕获效率的集成发酵和电解方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20220325227A1 (zh)
EP (1) EP4320246A1 (zh)
JP (1) JP2024513839A (zh)
CN (1) CN117157409A (zh)
AU (1) AU2022254776A1 (zh)
CA (1) CA3213228A1 (zh)
WO (1) WO2022217275A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023019425A (ja) * 2021-07-29 2023-02-09 トヨタ自動車株式会社 燃料製造プラント

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100120104A1 (en) * 2008-11-06 2010-05-13 John Stuart Reed Biological and chemical process utilizing chemoautotrophic microorganisms for the chemosythetic fixation of carbon dioxide and/or other inorganic carbon sources into organic compounds, and the generation of additional useful products
US8263372B2 (en) * 2009-04-29 2012-09-11 Lanzatech New Zealand Limited Carbon capture in fermentation
BR112015013011A2 (pt) * 2012-12-05 2017-07-11 Lanzatech New Zealand Ltd método para fermentação microbiana de um substrato gasoso
ES2955708T3 (es) * 2016-02-01 2023-12-05 Lanzatech Nz Inc Proceso integrado de fermentación y electrólisis
EA201891926A1 (ru) * 2017-02-03 2019-04-30 Киверди, Инк. Микроорганизмы и искусственные экосистемы для производства белка, продуктов питания и полезных побочных продуктов из субстратов c1

Also Published As

Publication number Publication date
CA3213228A1 (en) 2022-10-13
US20220325227A1 (en) 2022-10-13
WO2022217275A1 (en) 2022-10-13
JP2024513839A (ja) 2024-03-27
AU2022254776A1 (en) 2023-10-12
EP4320246A1 (en) 2024-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3411489B1 (en) Integrated fermentation and electrolysis process
CN111683731B (zh) 用于提高碳转化效率的工艺
US20220333140A1 (en) Process for improving carbon conversion efficiency
CN117157409A (zh) 用于提高碳捕获效率的集成发酵和电解方法
JP2024509638A (ja) 二酸化炭素を生成物に変換することの改善のための柔軟な発酵プラットフォーム
CN117120623A (zh) 用于改进二氧化碳转化为产物的灵活发酵平台
CN117098850A (zh) 用于提供原料的方法和设备
EA040968B1 (ru) Способ повышения эффективности конверсии углерода
EA046101B1 (ru) Интегрированный процесс ферментации и электролиза

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination