EA046101B1 - INTEGRATED FERMENTATION AND ELECTROLYSIS PROCESS - Google Patents
INTEGRATED FERMENTATION AND ELECTROLYSIS PROCESS Download PDFInfo
- Publication number
- EA046101B1 EA046101B1 EA202192868 EA046101B1 EA 046101 B1 EA046101 B1 EA 046101B1 EA 202192868 EA202192868 EA 202192868 EA 046101 B1 EA046101 B1 EA 046101B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- fermentation
- gas
- substrate
- electrolysis
- processes
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 200
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 187
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 title claims description 122
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 title claims description 121
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims description 99
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 133
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 129
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 36
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 28
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 26
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 24
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 20
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 17
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 9
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 175
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 175
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 175
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 150
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 94
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 75
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 75
- 239000000047 product Substances 0.000 description 73
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 60
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 57
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 53
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 45
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 41
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 38
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 37
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 36
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 31
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 28
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 20
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 241000894007 species Species 0.000 description 16
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 15
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 14
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 241001656809 Clostridium autoethanogenum Species 0.000 description 12
- 230000000789 acetogenic effect Effects 0.000 description 12
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 11
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 10
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 241001611023 Clostridium ragsdalei Species 0.000 description 9
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 9
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 241000186566 Clostridium ljungdahlii Species 0.000 description 8
- ZSLZBFCDCINBPY-ZSJPKINUSA-N acetyl-CoA Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 ZSLZBFCDCINBPY-ZSJPKINUSA-N 0.000 description 8
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 8
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 7
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 7
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 241000193403 Clostridium Species 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 244000062766 autotrophic organism Species 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- BTANRVKWQNVYAZ-UHFFFAOYSA-N butan-2-ol Chemical compound CCC(C)O BTANRVKWQNVYAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OWBTYPJTUOEWEK-UHFFFAOYSA-N butane-2,3-diol Chemical compound CC(O)C(C)O OWBTYPJTUOEWEK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 6
- 239000010813 municipal solid waste Substances 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 5
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 5
- 238000009628 steelmaking Methods 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N Butadiene Chemical compound C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001021 Ferroalloy Inorganic materials 0.000 description 4
- RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N Isoprene Chemical compound CC(=C)C=C RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ALRHLSYJTWAHJZ-UHFFFAOYSA-M 3-hydroxypropionate Chemical compound OCCC([O-])=O ALRHLSYJTWAHJZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 241000193459 Moorella thermoacetica Species 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 230000037353 metabolic pathway Effects 0.000 description 3
- 230000001450 methanotrophic effect Effects 0.000 description 3
- 229930014626 natural product Natural products 0.000 description 3
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 3
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 2
- DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N (R)-(-)-Propylene glycol Chemical compound C[C@@H](O)CO DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N 0.000 description 2
- 241001468161 Acetobacterium Species 0.000 description 2
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-M Butyrate Chemical compound CCCC([O-])=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N Butyric acid Natural products CCCC(O)=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001468167 Clostridium magnum Species 0.000 description 2
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 2
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M Lactate Chemical compound CC(O)C([O-])=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 241000204376 Sporomusa ovata Species 0.000 description 2
- 241000217849 Sporomusa sphaeroides Species 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 2
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001651 autotrophic effect Effects 0.000 description 2
- 238000009844 basic oxygen steelmaking Methods 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 2
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 2
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 2
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 2
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 2
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 2
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N monopropylene glycol Natural products CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 2
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 2
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 2
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 235000013772 propylene glycol Nutrition 0.000 description 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 2
- 230000009919 sequestration Effects 0.000 description 2
- 239000003053 toxin Substances 0.000 description 2
- 231100000765 toxin Toxicity 0.000 description 2
- 108700012359 toxins Proteins 0.000 description 2
- 241001148471 unidentified anaerobic bacterium Species 0.000 description 2
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 2
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 2
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 2
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 2
- VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 1-Butene Chemical compound CCC=C VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108020004465 16S ribosomal RNA Proteins 0.000 description 1
- 241001468163 Acetobacterium woodii Species 0.000 description 1
- 241000037909 Alkalibaculum Species 0.000 description 1
- 239000004475 Arginine Substances 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N Betaine Natural products C[N+](C)(C)CC([O-])=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001202853 Blautia Species 0.000 description 1
- 108091028026 C-DNA Proteins 0.000 description 1
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K Citrate Chemical compound [O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 241001112696 Clostridia Species 0.000 description 1
- 241001112695 Clostridiales Species 0.000 description 1
- 241001656810 Clostridium aceticum Species 0.000 description 1
- 241001611022 Clostridium carboxidivorans Species 0.000 description 1
- 241001171821 Clostridium coskatii Species 0.000 description 1
- 241000328950 Clostridium drakei Species 0.000 description 1
- 241000193161 Clostridium formicaceticum Species 0.000 description 1
- 241000186587 Clostridium scatologenes Species 0.000 description 1
- 102000018832 Cytochromes Human genes 0.000 description 1
- 108010052832 Cytochromes Proteins 0.000 description 1
- RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-M D-gluconate Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-M 0.000 description 1
- SHZGCJCMOBCMKK-UHFFFAOYSA-N D-mannomethylose Natural products CC1OC(O)C(O)C(O)C1O SHZGCJCMOBCMKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 1
- 241001379910 Ephemera danica Species 0.000 description 1
- 241000186398 Eubacterium limosum Species 0.000 description 1
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 1
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 1
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 1
- 241000287828 Gallus gallus Species 0.000 description 1
- ODKSFYDXXFIFQN-BYPYZUCNSA-P L-argininium(2+) Chemical compound NC(=[NH2+])NCCC[C@H]([NH3+])C(O)=O ODKSFYDXXFIFQN-BYPYZUCNSA-P 0.000 description 1
- HNDVDQJCIGZPNO-YFKPBYRVSA-N L-histidine Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CC1=CN=CN1 HNDVDQJCIGZPNO-YFKPBYRVSA-N 0.000 description 1
- SHZGCJCMOBCMKK-JFNONXLTSA-N L-rhamnopyranose Chemical compound C[C@@H]1OC(O)[C@H](O)[C@H](O)[C@H]1O SHZGCJCMOBCMKK-JFNONXLTSA-N 0.000 description 1
- PNNNRSAQSRJVSB-UHFFFAOYSA-N L-rhamnose Natural products CC(O)C(O)C(O)C(O)C=O PNNNRSAQSRJVSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000178985 Moorella Species 0.000 description 1
- 241000186544 Moorella thermoautotrophica Species 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O N,N,N-trimethylglycinium Chemical compound C[N+](C)(C)CC(O)=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 1
- 241001509483 Oxobacter pfennigii Species 0.000 description 1
- 229910000805 Pig iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000204388 Sporomusa Species 0.000 description 1
- 241000543642 Sporomusa silvacetica Species 0.000 description 1
- 241000186339 Thermoanaerobacter Species 0.000 description 1
- JZRWCGZRTZMZEH-UHFFFAOYSA-N Thiamine Natural products CC1=C(CCO)SC=[N+]1CC1=CN=C(C)N=C1N JZRWCGZRTZMZEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 about 1 Chemical compound 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000004099 anaerobic respiration Effects 0.000 description 1
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N arabinose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N arabinose Natural products OCC(O)C(O)C(O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N arginine Natural products OC(=O)C(N)CCCNC(N)=N ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N beta-D-Pyranose-Lyxose Natural products OC1COC(O)C(O)C1O SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960003237 betaine Drugs 0.000 description 1
- 229960002685 biotin Drugs 0.000 description 1
- 235000020958 biotin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011616 biotin Substances 0.000 description 1
- IAQRGUVFOMOMEM-UHFFFAOYSA-N butene Natural products CC=CC IAQRGUVFOMOMEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000004508 fractional distillation Methods 0.000 description 1
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012239 gene modification Methods 0.000 description 1
- 238000010353 genetic engineering Methods 0.000 description 1
- 230000005017 genetic modification Effects 0.000 description 1
- 235000013617 genetically modified food Nutrition 0.000 description 1
- 229940050410 gluconate Drugs 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010763 heavy fuel oil Substances 0.000 description 1
- HNDVDQJCIGZPNO-UHFFFAOYSA-N histidine Natural products OC(=O)C(N)CC1=CN=CN1 HNDVDQJCIGZPNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 210000001822 immobilized cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 210000000936 intestine Anatomy 0.000 description 1
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 1
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000012978 lignocellulosic material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000009629 microbiological culture Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 239000010742 number 1 fuel oil Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005373 pervaporation Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000005504 petroleum refining Methods 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 description 1
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 1
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- KYMBYSLLVAOCFI-UHFFFAOYSA-N thiamine Chemical compound CC1=C(CCO)SCN1CC1=CN=C(C)N=C1N KYMBYSLLVAOCFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960003495 thiamine Drugs 0.000 description 1
- 235000019157 thiamine Nutrition 0.000 description 1
- 239000011721 thiamine Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 235000019156 vitamin B Nutrition 0.000 description 1
- 239000011720 vitamin B Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000010925 yard waste Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Description
Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross reference to related applications
Заявка на данное изобретение испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США № 62/289900, поданной 1 февраля 2016 г., содержание которой полностью включено в данный документ посредством ссылки.This invention claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/289900, filed February 1, 2016, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
Уровень техникиState of the art
Диоксид углерода (СО2) составляет около 76% глобальных выбросов парниковых газов от человеческой жизнедеятельности, с метаном (16%), оксидом одновалентного азота (6%) и фторированными газами (2%), которые учитывают как оставшуюся часть (согласно данным Агентства по охране окружающей среды США). Большая часть СО2 выделяется от сжигаемых горючих полезных ископаемых для производства энергии, хотя производственная и лесохозяйственная деятельность также выделяет в атмосферу СО2. Сокращение выбросов парниковых газов, особенно СО2, имеет решающее значение для остановки прогрессирования глобального потепления и сопутствующих сдвигов в климате и погоде.Carbon dioxide ( CO2 ) accounts for about 76% of global greenhouse gas emissions from human activity, with methane (16%), nitrogen oxide (6%) and fluorinated gases (2%) accounting for the remainder (according to the Agency for US Environmental Protection Agency). Most CO2 is released from fossil fuels burned to produce energy, although manufacturing and forestry activities also release CO2 into the atmosphere. Reducing greenhouse gas emissions, especially CO2, is critical to halting the progression of global warming and accompanying shifts in climate and weather.
Уже давно известно, что для переработки газов, содержащих диоксид углерода (СО2), монооксид углерода (СО) и/или водород (Н2), как, например, остаточный промышленный газ или синтетический газ, в различные виды топлива и химические вещества могут быть использованы каталитические процессы. Однако в последнее время альтернативной платформой для биологического связывания таких газов стала ферментация газа. В частности, для того, чтобы перерабатывать газы, содержащие СО2, СО и/или Н2, в такие продукты, как этанол и 2,3-бутандиол, были представлены связывающие С1 микроорганизмы. Эффективное производство таких продуктов может быть ограничено, например, медленным ростом микроорганизмов, ограниченным поглощением газа, чувствительностью к токсинам или перенаправлением углеродных субстратов в нежелательные побочные продукты.It has long been known that gases containing carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO) and/or hydrogen (H 2 ), such as industrial residue gas or synthetic gas, can be converted into various fuels and chemicals. catalytic processes can be used. However, recently, gas fermentation has emerged as an alternative platform for biological sequestration of such gases. In particular, C1-binding microorganisms have been introduced in order to process gases containing CO 2 , CO and/or H 2 into products such as ethanol and 2,3-butanediol. Efficient production of such products may be limited, for example, by slow microbial growth, limited gas uptake, sensitivity to toxins, or diversion of carbon substrates into undesirable byproducts.
Уже давно известно, что для переработки газов, содержащих диоксид углерода (СО2), монооксид углерода (СО) и/или водород (Н2), в различные виды топлива и химические вещества, могут быть использованы каталитические процессы, такие как процесс Фишера-Тропша. Однако в последнее время альтернативной платформой для биологического связывания таких газов стала ферментация газа. В частности, для того, чтобы перерабатывать газы, содержащие СО2, СО и/или Н2, в такие продукты, как этанол и 2,3-бутандиол, были представлены анаэробные микроорганизмы, связывающие С1.It has long been known that catalytic processes such as the Fischer-Tropsch process can be used to convert gases containing carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO) and/or hydrogen (H2) into various fuels and chemicals. However, recently, gas fermentation has emerged as an alternative platform for biological sequestration of such gases. In particular, anaerobic C1-binding microorganisms have been introduced in order to process gases containing CO 2 , CO and/or H 2 into products such as ethanol and 2,3-butanediol.
Такие газы могут быть получены, например, в результате промышленных технологических операций, которые включают в себя производство черных или цветных металлов, нефтепереработку, газификацию, производство электрической энергии, производство газовой сажи, производство аммиака, производство метанола и производство кокса. Однако для обеспечения достижения наивысшей эффективности при использовании в системах ферментации газа эти промышленные газы могут потребовать обработки или переработки состава. В частности, промышленные газы могут не иметь достаточного количества Н2 для обеспечения сетевой фиксации СО2 путем ферментации газа и снижения выбросов СО2 в атмосферу.Such gases may be produced, for example, from industrial process operations that include ferrous or non-ferrous metal production, oil refining, gasification, electrical power generation, carbon black production, ammonia production, methanol production and coke production. However, to achieve the highest efficiency when used in gas fermentation systems, these industrial gases may require treatment or reformulation. In particular, industrial gases may not have sufficient H2 to provide network CO2 fixation through gas fermentation and reduction of CO2 emissions to the atmosphere.
Интенсивные потоки водорода являются полезными для продуктов ферментации, которые имеют низкие энергетические потребности и где СО2 можно использовать в качестве реагента, например, при производстве этанола.Intense hydrogen flows are beneficial for fermentation products that have low energy requirements and where CO2 can be used as a reactant, such as in ethanol production.
Соответственно, существует потребность в улучшенной интеграции производственных процессов с системами ферментации газа, что включает в себя процессы обогащения содержания Н2 в промышленных газах, поступающих в системы ферментации газа.Accordingly, there is a need for improved integration of industrial processes with gas fermentation systems, which includes processes for enriching the H 2 content of industrial gases entering gas fermentation systems.
Краткое описание сущности изобретенияBrief description of the invention
Данное изобретение обеспечивает процесс улучшения улавливания углерода в комплексном ферментационном и производственном процессе, при этом способ включает в себя передачу одного или нескольких исходных материалов в процесс электролиза, результатом чего является полученный с помощью электролиза субстрат, смешивание по меньшей мере части полученного с помощью электролиза субстрата с остаточным газом, содержащим С1, полученным в результате производственного процесса, результатом чего является смешанный газообразный субстрат, содержащий С1, подача смешанного газообразного субстрата, содержащего С1, в биореактор, содержащий культуру по меньшей мере одной бактерии, связывающей С1, и ферментация культуры для получения по меньшей мере одного продукта ферментации. В предпочтительном варианте осуществления изобретения полученный в результате процесса электролиза субстрат содержит по меньшей мере один источник электронов и/или по меньшей мере один источник углерода.This invention provides a process for improving carbon capture in an integrated fermentation and production process, the method including transferring one or more starting materials to an electrolysis process resulting in an electrolyzed substrate, mixing at least a portion of the electrolyzed substrate with residual gas containing C1 obtained from a manufacturing process resulting in a mixed gaseous substrate containing C1, supplying the mixed gaseous substrate containing C1 to a bioreactor containing a culture of at least one C1-binding bacterium, and fermenting the culture to produce at least one fermentation product. In a preferred embodiment of the invention, the substrate resulting from the electrolysis process contains at least one source of electrons and/or at least one source of carbon.
Предпочтительно, когда полученный в результате процесса электролиза субстрат содержит СО или Н2. Предпочтительно, когда полученный в результате процесса электролиза субстрат дополнительно содержит О2, при этом указанный О2 используют для повышения эффективности производственного процесса. В одном варианте осуществления изобретения полученный в результате процесса электролиза субстрат содержит Н2 и О2, и он получен в результате процесса электролиза в водных растворах. В альтернативном варианте осуществления изобретения полученный в результате процесса электролиза субстрат содержит СО и О2, и он получен в результате процесса электролиза СО2. В одном варианте осуществления изобретения энергия, потребляемая для процесса электролиза, является возобновляемым источником энергии, выбранным из группы, состоящей из энергии ветра, энергии гидроэнергетики, солнечной энергии, ядерной энергии и геотермальной энергии.Preferably, the substrate obtained as a result of the electrolysis process contains CO or H 2 . Preferably, the substrate obtained as a result of the electrolysis process additionally contains O2, and said O2 is used to improve the efficiency of the production process. In one embodiment of the invention, the substrate resulting from the electrolysis process contains H2 and O2, and it is obtained from the electrolysis process in aqueous solutions. In an alternative embodiment of the invention, the substrate resulting from the electrolysis process contains CO and O2, and is obtained from the CO2 electrolysis process. In one embodiment of the invention, the energy consumed for the electrolysis process is a renewable energy source selected from the group consisting of wind energy, hydroelectric energy, solar energy, nuclear energy and geothermal energy.
- 1 046101- 1 046101
Производственный процесс выбирают из группы, состоящей из процессов частичного окисления и процессов полного окисления. Типовые процессы частичного окисления включают в себя реакции Основного Кислородного Конвертера (BOF); процессы производства стали COREX или FINEX, процессы Доменной Печи (BF), ферросплавные процессы, процессы производства диоксида титана и процессы газификации. Процессы полного окисления включают в себя процессы производства природного газа, процессы производства электроэнергии, вырабатываемой на угольной электростанции и процессы производства цемента.The manufacturing process is selected from the group consisting of partial oxidation processes and total oxidation processes. Typical partial oxidation processes include Basic Oxygen Converter (BOF) reactions; COREX or FINEX steelmaking processes, Blast Furnace (BF) processes, ferroalloy processes, titanium dioxide processes and gasification processes. Total oxidation processes include natural gas production processes, coal-fired power generation processes, and cement production processes.
В некоторых вариантах осуществления изобретения часть остаточного газа, содержащего С1, смешивают с частью кислорода из блока электролиза для того, чтобы достичь насыщенности кислородом, необходимой для подачи в производственный процесс.In some embodiments, a portion of the C1-containing residual gas is mixed with a portion of the oxygen from the electrolysis unit to achieve the oxygen saturation required for supply to the production process.
Продукт(ы) ферментации выбирают из группы, состоящей из этанола, ацетата, бутанола, бутирата, 2,3-бутандиола, лактата, бутена, бутадиена, метилэтилкетона, этилена, ацетона, изопропанола, липидов, 3-гидроксипропионата, изопрена, жирных кислот, 2-бутанола, 1,2-пропандиола и 1-пропанола.The fermentation product(s) is selected from the group consisting of ethanol, acetate, butanol, butyrate, 2,3-butanediol, lactate, butene, butadiene, methyl ethyl ketone, ethylene, acetone, isopropanol, lipids, 3-hydroxypropionate, isoprene, fatty acids, 2-butanol, 1,2-propanediol and 1-propanol.
Кроме того, данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс получения одного или нескольких продуктов, процесс включает в себя получение водорода путем электролиза, смешивание по меньшей мере части полученного потока водорода с газообразным потоком, содержащим по меньшей мере СО2, подачу смешанного потока в биореактор, содержащий культуру по меньшей мере одной связывающей С1 бактерии, и ферментацию культуры для получения одного или нескольких продуктов.Additionally, the present invention provides an integrated process for producing one or more products, the process comprising producing hydrogen by electrolysis, mixing at least a portion of the resulting hydrogen stream with a gaseous stream containing at least CO 2 , supplying the mixed stream to a bioreactor containing the culture at least one C1 binding bacterium, and fermenting the culture to obtain one or more products.
Предпочтительно возобновляемый поток водорода получают путем электролиза в водных растворах. В некоторых вариантах осуществления изобретения процесс электролиза предоставляет О2 в качестве побочного продукта. Предпочтительно газообразный поток, содержащий по меньшей мере СО2, получают путем полного окисления. Примеры процессов полного окисления включают в себя, но не ограничиваются перечисленным, газовые электростанции, угольные электростанции и процессы производства цемента.Preferably, the renewable hydrogen stream is produced by electrolysis in aqueous solutions. In some embodiments of the invention, the electrolysis process provides O 2 as a by-product. Preferably, a gaseous stream containing at least CO2 is obtained by complete oxidation. Examples of total oxidation processes include, but are not limited to, gas power plants, coal power plants, and cement manufacturing processes.
Кроме того, данное изобретение обеспечивает процесс получения одного или нескольких продуктов из газообразного субстрата, который содержит возобновляемый водород, при этом процесс включает в себя получение первого газообразного субстрата, содержащего возобновляемый водород, и второго газообразного субстрата, содержащего СО2, подачу первой части водорода и первой части СО2 в реактор обратной конверсии водяного газа, работающий в условиях для получения выходного потока, содержащего СО, смешивание второй части водорода, второй части СО2 и выходного потока, содержащего СО, для получения смешанного, содержащего С1, субстрата, подачу смешанного, содержащего С1, субстрата в биореактор, содержащий культуру одной или более связывающих С1 бактерий, и ферментацию культуры для получения одного или нескольких продуктов. Предпочтительно, когда возобновляемый водород получают путем электролиза возобновляемого источника энергии. В одном варианте осуществления изобретения субстрат, содержащий СО2, получают с помощью производственного процесса. В предпочтительном варианте осуществления изобретения производственный процесс представляет собой процесс производства цемента.In addition, the present invention provides a process for producing one or more products from a gaseous substrate that contains renewable hydrogen, the process including producing a first gaseous substrate containing renewable hydrogen and a second gaseous substrate containing CO 2 , supplying a first portion of the hydrogen, and a first part of CO 2 into a water gas reverse shift reactor operating under conditions to produce an output stream containing CO, mixing a second part of hydrogen, a second part of CO 2 and an output stream containing CO to produce a mixed substrate containing C1, feeding the mixed, containing C1, a substrate into a bioreactor containing a culture of one or more C1-binding bacteria, and fermenting the culture to produce one or more products. Preferably, the renewable hydrogen is produced by electrolysis of a renewable energy source. In one embodiment of the invention, the CO2 containing substrate is produced through a manufacturing process. In a preferred embodiment of the invention, the production process is a cement production process.
Кроме того, предусмотрена интегрированная система, включающая в себя зону производственного процесса, где получают С1, электролизер и зону ферментации, где связывают С1. Интегрированная система имеет преимущество в том, что производит ценный продукт, содержащий углерод, из С1 остаточного газа, сокращая выбросы СО2. Предоставление электролизера для электролиза в водных растворах или диоксида углерода также снижает потребность в разделении воздуха альтернативными средствами, как, например, когда О2, полученный в процессе электролиза, может заменить или дополнить О2 до требований, предъявляемых производственным процессом.In addition, an integrated system is provided, including a production process area where C1 is produced, an electrolyzer and a fermentation area where C1 is bound. The integrated system has the advantage of producing a valuable carbon product from the C1 tail gas, reducing CO2 emissions. Providing an electrolyser for electrolysis in aqueous solutions or carbon dioxide also reduces the need for air separation by alternative means, such as when the O2 produced by the electrolysis process can replace or supplement the O2 required by the production process.
В одном варианте осуществления изобретения интегрированная система дополнительно содержит зону смешивания, предназначенную для смешивания части полученного с помощью электролиза субстрата по меньшей мере с частью остаточного газа, содержащего С1, полученного из производственной зоны, производящей С1, для получения смешанного субстрата, содержащего С1. Интегрированная система дополнительно содержит трубопровод для подачи смешанного, содержащего С1, субстрата из зоны смешивания в зону ферментации, где связывают С1.In one embodiment of the invention, the integrated system further comprises a mixing zone for mixing a portion of the electrolyzed substrate with at least a portion of the C1-containing residual gas obtained from the C1-producing production area to produce a mixed C1-containing substrate. The integrated system further includes a pipeline for supplying the mixed substrate containing C1 from the mixing zone to the fermentation zone where C1 is bound.
В одном варианте осуществления изобретения энергию для электролизера обеспечивают зоной производства возобновляемой энергии. Зоны производства возобновляемой энергии могут включать в себя по меньшей мере одну технологию, выбранную из группы, состоящей из: энергии ветра, энергии гидроэнергетики, солнечной энергии, ядерной энергии и геотермальной энергии.In one embodiment of the invention, energy for the electrolyzer is provided by a renewable energy production area. The renewable energy production zones may include at least one technology selected from the group consisting of: wind energy, hydroelectric energy, solar energy, nuclear energy and geothermal energy.
Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials
На фиг. 1 показана схема интеграции процессов, изображающая интеграцию процесса Основного Кислородного Конвертера с процессом ферментации.In fig. 1 is a process integration diagram depicting the integration of the Main Oxygen Converter process with the fermentation process.
На фиг. 2 показана схема интеграции процессов, изображающая интеграцию процесса Основного Кислородного Конвертера с процессом ферментации и процессом электролиза в водных растворах, в соответствии с одним аспектом данного изобретения.In fig. 2 is a process integration diagram depicting the integration of a Main Oxygen Converter process with a fermentation process and an aqueous electrolysis process, in accordance with one aspect of the present invention.
На фиг. 3 показана схема интеграции процессов, изображающая интеграцию процесса производства цемента с процессом ферментации и процесса получения диоксида углерода электролизом, в соответстIn fig. 3 is a process integration diagram depicting the integration of the cement production process with the fermentation process and the carbon dioxide electrolysis process, according to
- 2 046101 вии с одним аспектом данного изобретения.- 2 046101 vii with one aspect of the present invention.
На фиг. 4 показан схематический процесс интеграции процесса производства цемента с процессом электролиза и процессом ферментации газа.In fig. Figure 4 shows a schematic process of integrating the cement production process with the electrolysis process and gas fermentation process.
Подробное описание сущности изобретенияDetailed description of the invention
Изобретатели установили, что интеграция производственного процесса, в результате которого вырабатывается С1, с процессом ферментации, при котором связывается С1, и процессом электролиза обеспечивает существенные преимущества производственному процессу, в результате которого вырабатывается С1, и процессу ферментации, при котором связывается С1.The inventors have found that integrating the manufacturing process that produces C1 with the fermentation process that binds C1 and the electrolysis process provides significant benefits to the manufacturing process that produces C1 and the fermentation process that binds C1.
Производственный процесс, в результате которого вырабатывается С1, представляет собой производственный процесс, который создает по меньшей мере один газ, содержащий С1, в процессе своего функционирования. Производственный процесс, в результате которого вырабатывается С1, предусматривает включение в себя любого производственного процесса, который создает содержащий С1 газ в качестве либо желаемого конечного продукта, либо как побочный продукт при получении одного или нескольких желаемых конечных продуктов. Типовые производственные процессы, в результате которых вырабатывается С1, включают в себя, но не ограничиваются перечисленными, процесс производства стали, включая процессы Основного Кислородного Конвертера (BOF); процессы COREX или FINEX производства стали, процессы Доменной Печи (BF) и процессы Газа Коксовой Печи, процессы газификации, которые включают в себя газификацию твердых бытовых отходов, газификацию биомассы, газификацию лигнина и связанных с ним потоков, газификацию нефтяного кокса и газификацию угля, процессы производства диоксида титана, процессы производства цемента, процессы производства природного газа и процессы производства электроэнергии, вырабатываемой на угольных электростанциях.A production process that produces C1 is a production process that produces at least one gas containing C1 during its operation. A production process that produces C1 includes any production process that produces a C1-containing gas as either a desired end product or as a by-product in producing one or more desired end products. Typical production processes that produce C1 include, but are not limited to, the steel production process, including Main Oxygen Converter (BOF) processes; COREX or FINEX steelmaking processes, Blast Furnace (BF) processes and Coke Oven Gas processes, gasification processes that include gasification of municipal solid waste, gasification of biomass, gasification of lignin and related streams, gasification of petcoke and gasification of coal, processes titanium dioxide production, cement production processes, natural gas production processes and electricity production processes generated from coal-fired power plants.
Предполагается, что желаемый конечный продукт включает в себя основной или целевой продукт производственного процесса. Например, желаемым конечным продуктом процесса производства стали является продукт из стали, а содержащий С1 газ вырабатывается в качестве побочного продукта, однако в процессе газификации ТБО синтетический газ, содержащий С1 газ, является желаемым конечным продуктом процесса газификации.It is assumed that the desired end product includes the main or target product of the production process. For example, the desired end product of a steel production process is a steel product and C1 containing gas is produced as a by-product, however, in the MSW gasification process, syngas containing C1 gas is the desired end product of the gasification process.
Водород является особенно подходящим источником энергии для процессов ферментации. Изобретатели нашли ряд синергетических преимуществ для интеграции процессов электролиза, в результате которых вырабатывается водород, как с производственным процессом, в результате которого вырабатывается С1, так и с процессом ферментации, при котором связывается С1. В частности, изобретатели обнаружили, что процесс электролиза может быть соединен с производственным процессом, в результате которого вырабатывается С1, для того, чтобы улучшить состав содержащих С1 газов, образующихся в результате производственного процесса.Hydrogen is a particularly suitable energy source for fermentation processes. The inventors have found a number of synergistic advantages for integrating the electrolysis processes that produce hydrogen with both the manufacturing process that produces C1 and the fermentation process that binds C1. In particular, the inventors have discovered that the electrolysis process can be coupled to a manufacturing process that produces C1 in order to improve the composition of C1-containing gases resulting from the manufacturing process.
Водород может быть получен с помощью процесса электролиза, определяемого следующей стехиометрической реакцией:Hydrogen can be produced through an electrolysis process defined by the following stoichiometric reaction:
Н2О + электроэнергия ^ 2 Н2 + О2 + тепловая энергия.H 2 O + electricity ^ 2 H 2 + O 2 + thermal energy.
Технологии электролиза в водных растворах известны в данной области техники. Типовые процессы включают в себя электролиз воды в щелочной среде, электролиз при помощи протонно-обменной мембраны (РЕМ) и электролиз при помощи твердого оксида. Подходящие электролизеры включают в себя щелочные электролизеры, РЕМ электролизеры и твердооксидные электролизеры (Ursua et al., Hydrogen Production From Water Electrolysis: Current Status and Future Trends, опубликовано в Proceedings of the IEEE, 100(2):410-426, Feb 2012). Водород, полученный в результате процесса электролиза, может быть использован в качестве исходного материала для ферментации газа, если он подается в сочетании с производственными остаточными газами, содержащими подходящий источник углерода, например по меньшей мере один содержащий С1 газ, такой как монооксид углерода (СО) и/или диоксид углерода (СО2).Electrolysis technologies in aqueous solutions are known in the art. Typical processes include alkaline water electrolysis, proton exchange membrane (PEM) electrolysis, and solid oxide electrolysis. Suitable electrolysers include alkaline electrolysers, PEM electrolysers and solid oxide electrolysers (Ursua et al., Hydrogen Production From Water Electrolysis: Current Status and Future Trends, published in Proceedings of the IEEE, 100(2):410-426, Feb 2012) . Hydrogen produced from the electrolysis process can be used as a feedstock for fermentation gas if it is supplied in combination with process residual gases containing a suitable carbon source, for example at least one C1 containing gas such as carbon monoxide (CO) and/or carbon dioxide (CO 2 ).
Кроме того, считается, что полученный водород можно смешивать с потоком производственного газа, содержащим по меньшей мере часть водорода, в качестве средства для подачи дополнительного исходного материала и для улучшения состава субстрата. Для обеспечения желаемого или оптимального соотношения Н2:СО:СО2 состав субстрата может быть улучшен. Желаемое соотношение Н2:СО:СО2 зависит от желаемого продукта ферментации процесса ферментации. Для этанола оптимальное соотношение Н2:СО:СО2 будет:It is further contemplated that the produced hydrogen may be mixed with a production gas stream containing at least a portion of the hydrogen as a means to provide additional feed material and to improve the composition of the substrate. To ensure the desired or optimal ratio of H 2 :CO:CO 2 the composition of the substrate can be improved. The desired H 2 :CO:CO 2 ratio depends on the desired fermentation product of the fermentation process. For ethanol, the optimal ratio of H 2 : CO: CO 2 will be:
где х>2у, для того, чтобы удовлетворить условиям стехиометрии для производства этанола (%)Н2 + (у)СО + (^) СОг (^) С2Н5ОН + (^) Н2Оwhere x>2y, in order to satisfy the stoichiometric conditions for ethanol production (%)H 2 + (y)CO + (^) CO g (^) C 2 H 5 OH + (^) H 2 O
В качестве альтернативы монооксид углерода и кислород могут быть получены с помощью процесса электролиза, определяемого следующей стехиометрической реакцией:Alternatively, carbon monoxide and oxygen can be produced by an electrolysis process defined by the following stoichiometric reaction:
2СО2 + электроэнергия ^ 2СО + О2 + тепловая энергия.2CO2 + electricity ^ 2CO + O 2 + thermal energy.
Монооксид углерода, полученный в результате процесса электролиза, может быть использован вCarbon monoxide produced from the electrolysis process can be used in
- 3 046101 качестве исходного материала для ферментации газа. Кроме того, считается, что полученный СО можно смешивать с производственным потоком газа в качестве средства для подачи дополнительного исходного материала.- 3 046101 as a starting material for gas fermentation. In addition, it is believed that the resulting CO can be mixed with the production gas stream as a means to supply additional feed material.
Известны процессы электролиза и электролизеры сокращения выбросов СО2. Использование различных катализаторов для сокращения выбросов СО2 влияет на конечный продукт. Продемонстрировано, что катализаторы, включающие в себя Au, Ag, Zn, Pd и Ga-катализаторы, являются эффективными для получения СО из СО2. Для электролиза в водных растворах могут использоваться стандартные электролизеры, как например те, что описаны выше. (Jhong et al., Electrochemical conversion of CO2 to useful chemicals: current status, remaining challenges, and future opportunities, опубликовано в: Science Direct; Current Opinion in Chemical Engineering, 2013, 2:191-199).Electrolysis processes and electrolyzers for reducing CO2 emissions are known. The use of various catalysts to reduce CO2 emissions affects the final product. Catalysts including Au, Ag, Zn, Pd and Ga catalysts have been demonstrated to be effective for producing CO from CO2. For electrolysis in aqueous solutions, standard electrolyzers, such as those described above, can be used. (Jhong et al., Electrochemical conversion of CO2 to useful chemicals: current status, remaining challenges, and future opportunities, published in: Science Direct; Current Opinion in Chemical Engineering, 2013, 2:191-199).
Неожиданно изобретатели обнаружили, что побочный продукт О2 описанных выше процессов электролиза обеспечивает дополнительное преимущество при использовании производственного газа для ферментации. Хотя процессы ферментации в соответствии с данным изобретением являются анаэробными процессами, изобретатели выяснили, что побочный продукт О2, как процесса получения водорода, так и процесса получения СО, может быть использован в производственном процессе, в ходе которого вырабатывается С1 и в результате которого получают содержащий С1 остаточный газ. Побочный продукт О2 с высокой степенью чистоты, полученный в результате процесса электролиза, может быть интегрирован с производственным процессом и выгодно компенсировать затраты, а в некоторых случаях иметь синергетический эффект, что еще больше снижает затраты как на производственный процесс, так и на последующую ферментацию газа.Surprisingly, the inventors have discovered that the O 2 by-product of the electrolysis processes described above provides an additional benefit when using the production gas for fermentation. Although the fermentation processes of this invention are anaerobic processes, the inventors have discovered that the O2 by-product of both the hydrogen production process and the CO production process can be used in a production process that produces C1 and results in a C1 containing residual gas. The high purity O2 by-product obtained from the electrolysis process can be integrated into the production process and benefit the costs, and in some cases have a synergistic effect, further reducing the costs of both the production process and subsequent gas fermentation .
Как правило, описанные в данном документе производственные процессы обеспечивают необходимый кислород путем разделения воздуха. Производство кислорода путем разделения воздуха является энергоемким процессом, который включает криогенное отделение О2 от N2 для достижения наивысшей чистоты.Typically, the manufacturing processes described herein provide the necessary oxygen by separating the air. Oxygen production by air separation is an energy-intensive process that involves cryogenic separation of O2 from N2 to achieve the highest purity.
Совместное производство О2 путем электролиза и замещение О2, производимого путем разделения воздуха, может компенсировать до 5% затрат на электроэнергию в производственном процессе. Например, процесс электролиза может потреблять 224 кВт-ч/кмоль О2 исходя из потребления электроэнергии 5 кВт-ч/Н-м3 произведенного Н2. Это сопоставимо с современными блоками разделения воздуха, которые потребляют 300 кВт-ч на 1 т произведенного О2 с высокой степенью чистоты, 9,6 кВт-ч/кмоль произведенного О2. Кроме того, обеспечение источника О2 с высокой степенью чистоты обогащает остаточный газ, содержащий С1, полученный в результате производственного процесса, тем самым предоставляя для ферментации более эффективный субстрат, содержащий С1. Например, типовой остаточный газ BOF содержит приблизительно 20% азота (типовой состав остаточного газа BOF составляет 60% СО, 20% СО2, 20% N2). N2 в потоке BOF является результатом подачи О2 в процесс BOF, который обычно составляет 94% О2 и 6% N2. В случае, когда образуется 100000 Н-м3/ч газа BOF, и поток BOF обеспечивается достаточным количеством Н2 для полного улавливания углерода (около 180000 Н-м3/ч Н2), указанный водород получают с помощью электролиза в водных растворах, доступный в результате процесса электролиза О2, когда он подается в процесс BOF для вытеснения типового исходного материала - 94% О2/6% N2 - приводит к уменьшению состава N2 в полученном в результате газе BOF приблизительно на 57%. В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается процесс снижения концентрации азота в содержащем С1 остаточном газе, процесс включает в себя замещение типового исходного материала О2 BOF процесса потоком О2 высокой чистоты, полученным в результате процесса электролиза в водных растворах. В некоторых вариантах осуществления изобретения концентрация азота в содержащем С1 остаточном газе снижается по меньшей мере на 20%, или по меньшей мере на 30%, или по меньшей мере на 40%, или по меньшей мере на 50%, или по меньшей мере на 55% по сравнению с процессом, где типовой исходный материал О2 не замещается.Co-production of O2 by electrolysis and replacement of O2 produced by air separation can offset up to 5% of the energy costs of the production process. For example, the electrolysis process may consume 224 kWh/kmol O 2 based on an electricity consumption of 5 kWh/N-m 3 of H2 produced. This compares to modern air separation units, which consume 300 kWh per tonne of high purity O2 produced, 9.6 kWh/kmol of O2 produced. In addition, providing a high purity O2 source enriches the C1-containing residual gas produced from the manufacturing process, thereby providing a more efficient C1-containing substrate for fermentation. For example, a typical BOF tail gas contains approximately 20% nitrogen (a typical BOF tail gas composition is 60% CO, 20% CO2, 20% N2). The N2 in the BOF stream is the result of the O2 feed to the BOF process, which is typically 94% O2 and 6% N2. In the case where 100,000 N-m 3 /h of BOF gas is generated, and the BOF flow is provided with sufficient H2 for complete carbon capture (about 180,000 N-m 3 /h H 2 ), said hydrogen is obtained by electrolysis in aqueous solutions, available As a result of the O 2 electrolysis process, when fed to the BOF process to displace the typical 94% O 2 /6% N 2 feed material, the resulting N 2 composition of the resulting BOF gas is reduced by approximately 57%. In some embodiments, the invention provides a process for reducing the concentration of nitrogen in a C1-containing tail gas, the process including replacing a typical O2 BOF process feedstock with a high purity O2 stream obtained from an aqueous solution electrolysis process. In some embodiments, the nitrogen concentration in the C1-containing tail gas is reduced by at least 20%, or by at least 30%, or by at least 40%, or by at least 50%, or by at least 55 % compared to a process where the typical O2 feed material is not replaced.
Ряд производственных процессов, в результате которых вырабатывается С1, включающие реакции частичного окисления, требует подвода О2. Типовые производственные процессы включают в себя реакции Основного Кислородного Конвертера (BOF); процессы COREX или FINEX производства стали, процессы Доменной Печи (BF), ферросплавные процессы, процессы производства диоксида титана и процессы газификации. Процессы газификации включают в себя, но не ограничиваются перечисленными, газификацию твердых бытовых отходов, газификацию биомассы, газификацию нефтяного кокса и газификацию угля, газификацию лигнина и связанных с ним потоков, процессы производства диоксида титана, процессы производства цемента, процессы производства природного газа и процессы производства электроэнергии, вырабатываемой на угольных электростанциях.A number of production processes that produce C1, including partial oxidation reactions, require the supply of O 2 . Typical manufacturing processes include Main Oxygen Converter (BOF) reactions; COREX or FINEX steelmaking processes, Blast Furnace (BF) processes, ferroalloy processes, titanium dioxide processes and gasification processes. Gasification processes include, but are not limited to, gasification of municipal solid waste, gasification of biomass, gasification of petroleum coke and coal gasification, gasification of lignin and related streams, titanium dioxide production processes, cement production processes, natural gas production processes and manufacturing processes. electricity generated from coal-fired power plants.
Например, интеграция Основного Кислородного Конвертера (BOF) с блоком ферментации и установкой для электролиза обеспечивает ряд синергетических преимуществ. Типовая интеграция BOF и ферментации включает использование остаточного газа, содержащего С1, полученного в результате BOF процесса в то время как исходный материал ферментации использует микроорганизм, связывающий С1.For example, integrating a Main Oxygen Converter (BOF) with a fermentation unit and an electrolysis unit provides a number of synergistic benefits. A typical integration of BOF and fermentation involves the use of a C1-containing residual gas obtained from the BOF process while the fermentation feedstock uses a C1-binding microorganism.
На фиг. 1 показана типовая интеграция BOF процесса с ферментацией, использующей С1. Воздух 10 подают в блок 14 разделения воздуха, например блок криогенной дистилляции или PSA, и воздух отIn fig. Figure 1 shows a typical integration of a BOF process with fermentation using C1. Air 10 is supplied to an air separation unit 14, such as a cryogenic distillation or PSA unit, and air from
- 4 046101 деляют для обеспечения потока О2 и потока N2. Поток N2 удаляют из блока разделения через трубопровод 16. По трубопроводу 18 О2 подают в блок 22 BOF. Блок BOF получает расплавленный доменный чугун 20 (который обычно получают из Доменной Печи) и О2. Обработка горячего металла О2 приводит к высвобождению СО и СО2 из углерода в горячем металле. Желаемый конечный продукт BOF процесса извлекается по трубопроводу 24. Получаемый в результате газовый поток, содержащий СО и СО2, проходит из блока 22 BOF через трубопровод 26 в блок 28 обработки газа, где газ подвергается по меньшей мере одному процессу обработки для удаления из газа любых нежелательных примесей. Газообразный субстрат, содержащий С1, который выходит из блока 28 обработки газа, подается в биореактор 32 через трубопровод 30. Биореактор 32 содержит культуру по меньшей мере одного связывающего С1 микроорганизма в жидкой питательной среде. Бактерии, связывающие С1, используют как источник углерода по меньшей мере один компонент С1 в содержащем С1 субстрате и производят один или несколько продуктов ферментации. Один или несколько продуктов ферментации извлекаются из ферментационной среды по трубопроводу 36. Отходящий газ, содержащий СО2 и непрореагировавший СО, выходит из биореактора 32 в качестве отходящего газа через вентиляционный трубопровод 34. Типовой отходящий газ BOF процесса содержит СО, СО2 и азот, с минимальным количеством водорода. Типовой состав потока отходящего газа BOF составляет 50-70% СО, 15-25% СО2, 15-25% N2 и 0-5-3% Н2.- 4 046101 are divided to provide an O 2 flow and an N2 flow. The N2 stream is removed from the separation unit through line 16. Through line 18, O2 is supplied to the BOF block 22. The BOF unit receives molten pig iron 20 (which is usually obtained from a Blast Furnace) and O 2 . Treating hot metal with O 2 results in the release of CO and CO 2 from the carbon in the hot metal. The desired end product of the BOF process is recovered through conduit 24. The resulting gas stream containing CO and CO 2 passes from BOF unit 22 through conduit 26 to gas processing unit 28, where the gas undergoes at least one treatment process to remove any unwanted impurities. The gaseous substrate containing C1 that exits the gas treatment unit 28 is supplied to the bioreactor 32 through conduit 30. The bioreactor 32 contains a culture of at least one C1-binding microorganism in a liquid nutrient medium. C1-binding bacteria utilize at least one C1 component in a C1-containing substrate as a carbon source and produce one or more fermentation products. One or more fermentation products are recovered from the fermentation medium through line 36. An off-gas containing CO 2 and unreacted CO exits bioreactor 32 as off-gas through vent line 34. A typical BOF process off-gas contains CO, CO 2 and nitrogen, with minimal amount of hydrogen. A typical BOF exhaust gas stream composition is 50-70% CO, 15-25% CO 2 , 15-25% N2 and 0-5-3% H 2 .
При отсутствии достаточного количества Н2 в содержащем С1 субстрате СО, используемое связывающими С1 бактериями, перерабатывается в этанол и CO2 следующим образом:In the absence of sufficient H2 in the C1-containing substrate, CO used by C1-binding bacteria is converted into ethanol and CO2 as follows:
6СО + 3Н2О ^ С2Н5ОН + 4СО2.6CO + 3H2O ^ C2H5OH + 4CO2.
Перед интеграцией процессов BOF с процессами ферментации выходной пар, полученный в результате BOF процесса, обычно используют для выработки электроэнергии. Стехиометрия реакции выработки электроэнергии: 6СО ^ 6СО2+ электроэнергия. Объединение с блоком ферментации газа может снизить общие выбросы СО2 на 33% (по сравнению с процессами BOF с выработкой электроэнергии).Before integrating BOF processes with fermentation processes, the steam output from the BOF process is typically used to generate electricity. Stoichiometry of the electricity generation reaction: 6CO ^ 6CO2+ electricity. Coupling with a gas fermentation unit can reduce overall CO2 emissions by 33% (compared to BOF processes with electricity generation).
Данное изобретение обеспечивает процессы повышения эффективности, за счет интеграции производственного процесса, в результате которого вырабатывается С1, и ферментации. В частности, данное изобретение обеспечивает процессы и системы для существенного уменьшения общего количества СО2, выделяемого из интегрированного производства.This invention provides processes for increasing efficiency by integrating the production process that produces C1 and fermentation. In particular, the present invention provides processes and systems for significantly reducing the total amount of CO2 emitted from an integrated production facility.
Продукты электролиза (например, водород, монооксид углерода и кислород) также могут быть использованы для повышения общей эффективности интеграции производственных процессов и процессов ферментации газа, например в производственных процессах, где содержащий С1 остаточный газ подходит для использования в качестве ферментационного субстрата, а дальнейшая оптимизация субстрата путем смешивания с водородом или монооксидом углерода может улучшить использование углерода для ферментации в полном объеме. Эффективность может быть улучшена за счет (i) использования водорода для улучшения состава ферментационного субстрата; (ii) использования монооксида углерода для улучшения состава ферментационного субстрата; (iii) использования кислорода, полученного в результате процесса электролиза, для компенсации потребностей в кислороде производственного процесса; (iv) рециркуляции СО2, полученного в результате процесса ферментации потока отходящего газа, в электролизер СО2 для производства дополнительного СО и дальнейшего снижения выбросов СО2 или (v) сочетания вышеуказанного.The products of electrolysis (e.g. hydrogen, carbon monoxide and oxygen) can also be used to improve the overall efficiency of process integration and gas fermentation processes, for example in production processes where a C1-containing tail gas is suitable for use as a fermentation substrate and further optimization of the substrate by mixing with hydrogen or carbon monoxide can improve the full utilization of carbon for fermentation. Efficiency can be improved by (i) using hydrogen to improve the composition of the fermentation substrate; (ii) using carbon monoxide to improve the composition of the fermentation substrate; (iii) using oxygen obtained from the electrolysis process to offset the oxygen requirements of the production process; (iv) recycling the CO 2 produced from the fermentation process of the off-gas stream into a CO 2 electrolyzer to produce additional CO and further reduce CO 2 emissions, or (v) a combination of the above.
Для улучшения состава ферментационного субстрата можно использовать водород. Водород обеспечивает энергию, необходимую микроорганизмам для превращения газов, содержащих углерод, в полезные продукты. Когда обеспечены оптимальные концентрации водорода, микробиологическая культура способна продуцировать желаемые продукты ферментации (т.е. этанол) без какого-либо совместного производства диоксида углерода.Hydrogen can be used to improve the composition of the fermentation substrate. Hydrogen provides the energy microorganisms need to convert carbon-containing gases into useful products. When optimal hydrogen concentrations are provided, the microbial culture is able to produce the desired fermentation products (ie ethanol) without any co-production of carbon dioxide.
Монооксид углерода, образующийся с помощью электролиза СО2, может быть использован для улучшения состава ферментационного субстрата и может обогащать содержание СО в производственном остаточном газе, используемом в качестве ферментационного субстрата. Кроме того, любой СО2, образующийся в результате процесса ферментации, может быть рециркулирован в качестве исходного материала для электролизера СО2, тем самым дополнительно уменьшая выбросы СО2 и увеличивая количество углерода, поглощенного в жидких продуктах ферментации.Carbon monoxide produced by electrolysis of CO 2 can be used to improve the composition of the fermentation substrate and can enrich the CO content of the production residual gas used as the fermentation substrate. Additionally, any CO2 produced from the fermentation process can be recycled as feedstock to the CO2 electrolyzer, thereby further reducing CO2 emissions and increasing the amount of carbon sequestered in the fermentation liquids.
В ряде таких производственных процессов кислород поступает из воздуха. В процессах частичного окисления, таких как процессы Основного Кислородного Конвертера (BOF); процессы COREX или FINEX производства стали, процессы Доменной Печи (BF), процессы производства диоксида титана, процессы производства ферросплавов и процессы газификации, О2 обычно получают из воздуха с использованием процесса разделения воздуха (например, криогенной дистилляции или разделения PSA). В соответствии с данным изобретением О2, полученный в результате процесса электролиза, может уменьшить или заменить нужное количество для разделения воздуха.In some of these manufacturing processes, oxygen comes from the air. In partial oxidation processes such as Basic Oxygen Converter (BOF) processes; COREX or FINEX steel production processes, Blast Furnace (BF) processes, titanium dioxide production processes, ferroalloy processes and gasification processes, O 2 is typically obtained from air using an air separation process (eg cryogenic distillation or PSA separation). According to the present invention, O 2 obtained from the electrolysis process can reduce or replace the required amount for air separation.
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение интегрированных систем и процесса в соответствии с одним аспектом данного изобретения. Установка 210 для электролиза получает возобновляемую энергию и воду. Типовые источники возобновляемой энергии включают в себя, но не ограничиваются перечисленным, ветроэнергетику, гидроэнергетику, солнечную энергию, геотермальнуюFig. 2 is a schematic diagram of integrated systems and a process in accordance with one aspect of the present invention. The electrolysis plant 210 receives renewable energy and water. Typical sources of renewable energy include, but are not limited to, wind power, hydropower, solar power, geothermal
- 5 046101 энергию, ядерную энергию и их комбинации. Энергия и вода производят водород и кислород в соответствии со следующей реакцией:- 5 046101 energy, nuclear energy and their combinations. Energy and water produce hydrogen and oxygen according to the following reaction:
2Н2О + электроэнергия ^ 2Н2+О2 + тепловая энергия.2H 2 O + electricity ^ 2H 2 + O 2 + thermal energy.
О2, полученный установкой 210 для электролиза, подается в блок 222 BOF через трубопровод 218. Блок 222 BOF также принимает расплавленный доменный чугун через трубопровод 220 (как правило, расплавленный доменный чугун получают в результате процесса Доменной Печи). О2 пропускают через расплавленный доменный чугун для получения стали и отходящего газа, содержащего СО и СО2. Отходящий газ пропускают по трубопроводу 226 в блок 228 обработки газа, блок 228 обработки газа содержит по меньшей мере один модуль обработки газа для удаления из газового потока одной или нескольких нежелательных примесей. Содержащий С1 субстрат, который выходит из блока 228 обработки газа, подается в биореактор 232 через трубопровод 230. В соответствии с одним аспектом данного изобретения водород, полученный в установке 210 для электролиза, подают либо в биореактор, либо в необязательные смешивающие средства по трубопроводу 238. В предпочтительном варианте осуществления изобретения Н2 смешивают с содержащим С1 субстратом до того, как содержащий С1 субстрат подают в биореактор 230. Биореактор функционирует в условиях получения по меньшей мере одного продукта ферментации в результате ферментации содержащего С1 субстрата культурой связывающих С1 бактерий. Продукты ферментации могут быть получены через трубопровод 236. Система и процесс, показанные на фиг. 2, могут дополнительно включать в себя смешивающие средства (не показаны) для смешивания содержащего С1 субстрата и потока водорода, полученного в результате процесса электролиза. Обогащенный водородом содержащий С1 субстрат подается в биореактор 232. Состав обогащенного водородом содержащего С1 субстрата и количества произведенного продукта может быть в общем случае определен следующим уравнением;The O 2 produced by the electrolysis unit 210 is supplied to the BOF unit 222 via conduit 218. The BOF unit 222 also receives molten blast iron through conduit 220 (typically, molten blast iron is produced from a Blast Furnace process). O 2 is passed through molten blast iron to produce steel and an off-gas containing CO and CO 2 . The exhaust gas is passed through conduit 226 to a gas treatment unit 228, the gas treatment unit 228 comprising at least one gas treatment module to remove one or more undesirable impurities from the gas stream. The C1-containing substrate that exits the gas processing unit 228 is supplied to the bioreactor 232 through line 230. In accordance with one aspect of the present invention, hydrogen produced in the electrolysis unit 210 is supplied to either the bioreactor or optional mixing means through line 238. In a preferred embodiment of the invention, H 2 is mixed with the C1-containing substrate before the C1-containing substrate is fed to the bioreactor 230. The bioreactor operates under conditions of producing at least one fermentation product by fermenting the C1-containing substrate with a culture of C1-binding bacteria. Fermentation products may be obtained through line 236. The system and process shown in FIG. 2 may further include mixing means (not shown) for mixing the C1-containing substrate and the hydrogen stream resulting from the electrolysis process. The hydrogen-enriched C1-containing substrate is supplied to the bioreactor 232. The composition of the hydrogen-enriched C1-containing substrate and the amount of product produced can generally be determined by the following equation;
(х)Я2 + (у)СО + (^)СО2 (^)С2Н5ОН + (^)Н2О] где х>2у, для потребления СО2.(x)I 2 + (y)CO + (^)CO 2 (^)C 2 H 5 OH + (^)H 2 O] where x>2y, for CO 2 consumption.
/х-2за/x-2za
В некоторых случаях СО2 может присутствовать сверх стехиометрического количества 7 4 7.In some cases, CO 2 may be present in excess of the stoichiometric amount 7 4 7 .
Данное изобретение, описанное на фиг. 2, может быть применено к ряду других производственных процессов, которые включают в себя процесс частичного окисления. Ниже приведены примеры типового объединения.This invention, described in FIGS. 2 can be applied to a number of other manufacturing processes that involve a partial oxidation process. Below are examples of a typical join.
Доменная печь (BF) и ее Газовое Снабжение и Газовые Продукты: Н2, полученные в результате процесса электролиза, объединяются с остаточным газом Доменной Печи для регулирования соотношения Н2:СО:СО2 в содержащем С1 субстрате. Получаемый в результате содержащий С1 субстрат подается в процесс ферментации для того, чтобы получить этанол или другие химические вещества. О2, полученный в результате процесса электролиза, используется для подачи требуемого количества кислорода в Доменную Печь. О2, полученный в результате процесса электролиза, будет достаточным для удовлетворения требуемого Доменной Печью количества кислорода, а минимизация N2 (от обогащения исходного материала О2) позволит производить обогащенные С1 BF газы. Обогащенные С1 BF газы будут иметь преимущества для снижения стоимости ферментации этого комбинированного газового потока.The Blast Furnace (BF) and its Gas Supply and Gas Products: H 2 obtained from the electrolysis process are combined with the residual gas of the Blast Furnace to control the H 2 :CO:CO 2 ratio in the C1 containing substrate. The resulting C1-containing substrate is fed into a fermentation process to produce ethanol or other chemicals. O 2 obtained from the electrolysis process is used to supply the required amount of oxygen to the Blast Furnace. The O2 produced from the electrolysis process will be sufficient to meet the amount of oxygen required by the Blast Furnace, and minimizing N2 (from O2 enrichment of the feedstock) will produce C1-rich BF gases. C1-rich BF gases will have advantages in reducing the cost of fermentation of this combined gas stream.
Газифицированные Исходные Материалы и их Газовое Снабжение и Газовые Продукты: Н2, полученный в результате процесса электролиза, можно объединять с газами, полученными при газификации биомассы/твердых бытовых отходов (ТБО)/DSW/нефтяного кокса/угля/тяжелого нефтяного топлива/ нефти/твердого топлива для корректировки соотношения Н2:СО:СО2 в содержащем С1 субстрате. Получаемый в результате содержащий С1 субстрат подается в процесс ферментации для того, чтобы получить этанол или другие продукты. О2, полученный в результате процесса электролиза, может использоваться для подачи требуемого количества кислорода в газификатор, чтобы обеспечить получение синтетического газа с низким содержанием азота.Gasified Feed Materials and their Gas Supply and Gas Products: H 2 obtained from the electrolysis process can be combined with gases obtained from gasification of biomass/municipal solid waste (MSW)/DSW/petroleum coke/coal/heavy fuel oil/petroleum/ solid fuel to adjust the H 2 : CO : CO 2 ratio in the C1-containing substrate. The resulting C1-containing substrate is fed into the fermentation process to produce ethanol or other products. The O 2 produced from the electrolysis process can be used to supply the required amount of oxygen to the gasifier to produce low nitrogen syngas.
COREX/FINEX Сталеплавильные Производства и их Газовое Снабжение и Газовые Продукты: Н2, полученный в результате процесса электролиза, можно объединять с остаточными газами COREX/FINEX для регулирования отношения Н2:СО:СО2 содержащего С1 субстрата. Получаемый в результате содержащий С1 субстрат подается в процесс ферментации для того, чтобы получить этанол или другие продукты. О2, полученный в результате процесса электролиза, может использоваться для подачи требуемого количества кислорода в блок COREX.COREX/FINEX Steel Plants and their Gas Supply and Gas Products: H 2 obtained from the electrolysis process can be combined with COREX/FINEX residual gases to control the H 2 :CO:CO 2 ratio of the C1-containing substrate. The resulting C1-containing substrate is fed into the fermentation process to produce ethanol or other products. The O 2 produced from the electrolysis process can be used to supply the required amount of oxygen to the COREX unit.
Диоксид Титана и его Газовое Снабжение и Газовые Продукты: Н2, полученный в результате процесса электролиза, можно объединять с остаточными газами процесса производства диоксида титана, чтобы регулировать соотношение Н2:СО:СО2 содержащего С1 субстрата. Получаемый в результате содержащий С1 субстрат подается в процесс ферментации для того, чтобы получить этанол или другие продукты. О2, полученный в результате процесса электролиза, может быть использован для подачи требуемого количества кислорода в установку для производства диоксида титана.Titanium Dioxide and its Gas Supply and Gas Products: H 2 obtained from the electrolysis process can be combined with residual gases from the titanium dioxide production process to control the H 2 :CO:CO 2 ratio of the C1-containing substrate. The resulting C1-containing substrate is fed into the fermentation process to produce ethanol or other products. The O 2 obtained from the electrolysis process can be used to supply the required amount of oxygen to the titanium dioxide production plant.
В одном аспекте данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс получения одного или нескольких продуктов, процесс включает в себя получение водорода путем электролиза, смешивание поIn one aspect, the present invention provides an integrated process for producing one or more products, the process including producing hydrogen by electrolysis, mixing
- 6 046101 меньшей мере части полученного водорода с газообразным потоком, содержащим по меньшей мере один С1 газ для получения смешанного газообразного потока, подачу смешанного газообразного потока в биореактор, содержащий культуру по меньшей мере одной связывающей С1 бактерии, и ферментацию культуры для получения одного или нескольких продуктов ферментации. В некоторых вариантах осуществления изобретения процесс ферментации дополнительно создает поток отходящего газа, содержащий СО2.- 6 046101 at least part of the produced hydrogen with a gaseous stream containing at least one C1 gas to produce a mixed gaseous stream, supplying the mixed gaseous stream to a bioreactor containing a culture of at least one C1 binding bacterium, and fermenting the culture to produce one or more fermentation products. In some embodiments of the invention, the fermentation process further creates an off-gas stream containing CO2.
В одном варианте осуществления изобретения данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс, включающий в себя: получение Н2 и О2 с помощью электролиза в водных растворах с использованием возобновляемого источника энергии; предоставление по меньшей мере части полученного О2 производственному процессу, в результате которого вырабатывается С1; обеспечение функционирования производственного процесса, в результате которого вырабатывается С1, в условиях генерации остаточного газа, содержащего по меньшей мере один компонент С1, смешивающий по меньшей мере части остаточного газа, содержащего по меньшей мере один компонент С1, по меньшей мере с частью полученного водорода для получения газообразного содержащего С1 субстрата; подачу газообразного содержащего С1 субстрата в биореактор, содержащий культуру связывающих С1 бактерий; и ферментацию газообразного содержащего С1 субстрата для того, чтобы получить по меньшей мере один продукт ферментации.In one embodiment, the present invention provides an integrated process comprising: producing H 2 and O 2 by electrolysis in aqueous solutions using a renewable energy source; providing at least a portion of the resulting O 2 to a production process that produces C1; allowing the production process that produces C1 to operate under conditions of generating a residual gas containing at least one component C1, mixing at least portions of the residual gas containing at least one component C1 with at least a portion of the produced hydrogen to produce gaseous substrate containing C1; supplying a gaseous C1-containing substrate to a bioreactor containing a culture of C1-binding bacteria; and fermenting the gaseous C1-containing substrate to produce at least one fermentation product.
В одном варианте осуществления изобретения данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс, включающий в себя: получение Н2 и О2 с помощью электролиза в водных растворах с использованием возобновляемого источника энергии; предоставление по меньшей мере части полученного О2 в процесс частичного окисления, генерирование содержащего С1 остаточного газа с помощью частичного окисления, смешивание по меньшей мере части содержащего С1 остаточного газа, по меньшей мере с частью полученного Н2, чтобы получить содержащий С1 субстрат, подачу содержащего С1 субстрата в биореактор, содержащий культуру связывающих С1 бактерий, и ферментацию содержащего С1 субстрата для того, чтобы получить по меньшей мере один продукт ферментации.In one embodiment, the present invention provides an integrated process comprising: producing H 2 and O 2 by electrolysis in aqueous solutions using a renewable energy source; providing at least a portion of the resulting O 2 to the partial oxidation process, generating a C1-containing residual gas by the partial oxidation, mixing at least a portion of the C1-containing residual gas with at least a portion of the resulting H2 to produce a C1-containing substrate, supplying a C1-containing substrate substrate into a bioreactor containing a culture of C1-binding bacteria, and fermenting the C1-containing substrate to produce at least one fermentation product.
В некоторых случаях газовые составы содержащих С1 газов не являются идеальными для процесса ферментации в соответствии с данным изобретением. Из-за геологических ограничений, отсутствия доступных источников водорода или стоимостных факторов использование газов для процессов ферментации не представляется возможным. При использовании возобновляемого водорода (например, водорода, полученного в результате процесса электролиза) ряд этих ограничений может быть уменьшен или устранен. Кроме того, смешивание содержащего С1 газа с возобновляемым потоком водорода обеспечивает энергетически улучшенный смешанный поток субстрата.In some cases, gas compositions containing C1 gases are not ideal for the fermentation process in accordance with this invention. Due to geological limitations, lack of available hydrogen sources or cost factors, the use of gases for fermentation processes is not possible. By using renewable hydrogen (eg hydrogen produced from an electrolysis process), a number of these limitations can be reduced or eliminated. Additionally, mixing the C1 containing gas with the renewable hydrogen stream provides an energetically improved mixed substrate stream.
Был идентифицирован ряд производственных процессов, в результате которых вырабатываются содержащие С1 газы, которые не являются идеальными для процессов ферментации С1, описанных в данном документе, и которые включают в себя процессы производства цемента, электростанции на природном газе, процессы рафинадного производства и процессы биореактора ферментации этанола. Процесс производства цемента, как правило, создает потоки отходящего газа, насыщенного СО2. СО2 может быть использован связывающими С1 микроорганизмами, однако для обеспечения энергии, необходимой для связывания СО2 в продуктах, необходим водород.A number of manufacturing processes have been identified that produce C1-containing gases that are not ideal for the C1 fermentation processes described herein and include cement manufacturing processes, natural gas power plants, refinery processes, and ethanol fermentation bioreactor processes. . The cement production process typically produces off-gas streams laden with CO2. CO2 can be used by C1-binding microorganisms, but hydrogen is required to provide the energy needed to bind CO2 in products.
Интеграция процесса полного окисления, такого как процесс производства цемента, с электролизером СО2 и процессом ферментации, при котором связывается С1, обеспечивает ряд синергетических преимуществ, которые включают в себя (i) обеспечение механизма преобразования СО2 в СО, который является энергетически предпочтительным ферментационным субстратом; (ii) О2, полученный в результате процесса электролиза, замещает подачу воздуха в процесс производства цемента и увеличивает состав СО2 в отходящем газе процесса производства цемента; (iii) CO2, полученный в результате процесса ферментации, может быть рециркулирован в электролизер СО2 и преобразован в СО субстрат для ферментации, тем самым дополнительно уменьшая выбросы СО2 в результате объединенных процессов.Integrating a complete oxidation process, such as a cement manufacturing process, with a CO2 electrolyser and a fermentation process that binds C1 provides a number of synergistic benefits that include (i) providing a mechanism for converting CO2 into CO, which is the energetically preferred fermentation substrate ; (ii) O2 produced from the electrolysis process displaces the air supply to the cement production process and increases the CO 2 composition in the off-gas of the cement production process; (iii) CO 2 produced from the fermentation process can be recycled to the CO 2 electrolyzer and converted into a CO fermentation substrate, thereby further reducing CO 2 emissions from the combined processes.
Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение интегрированных систем и процесса в соответствии с одним аспектом данного изобретения. Электролизный блок 310 получает энергию и диоксид углерода. Типовые источники возобновляемой энергии включают в себя, но не ограничиваются перечисленным: ветроэнергетику, гидроэнергетику, солнечную энергию, геотермальную энергию, ядерную энергию и их комбинации. Энергия и СО2 производят монооксид углерода и О2 в соответствии со следующей реакцией:Fig. 3 is a schematic diagram of integrated systems and a process in accordance with one aspect of the present invention. Electrolysis unit 310 receives energy and carbon dioxide. Typical sources of renewable energy include, but are not limited to: wind power, hydropower, solar power, geothermal power, nuclear power, and combinations thereof. Energy and CO 2 produce carbon monoxide and O 2 according to the following reaction:
2СО2+ электроэнергия ^ 2СО + О2 + тепловая энергия.2CO2+ electricity ^ 2CO + O 2 + thermal energy.
О2, полученный электролизером 310, подается в блок 322 производства цемента по трубопроводу 318, для того чтобы заместить необходимое в процессе производства цемента количество воздуха. Остаточный газ, содержащий СО2, подают по трубопроводу 326 в блок 328 обработки газа. Блок 328 обработки газа содержит по меньшей мере один модуль обработки газа для удаления из газового потока одной или нескольких нежелательных примесей. Содержащий С1 субстрат, который выходит из блока 328 обработки газа, подается в электролизер 310 через трубопровод 330. В соответствии с одним аспектом данного изобретения монооксид углерода, полученный в электролизере 310, подают в биореактор 332 по трубопроводу 338. В некоторых вариантах осуществления изобретения водород можетThe O 2 produced by the electrolyser 310 is supplied to the cement production unit 322 via line 318 in order to replace the amount of air required during the cement production process. The residual gas containing CO 2 is supplied through line 326 to gas processing unit 328. The gas processing unit 328 includes at least one gas processing module for removing one or more undesirable impurities from the gas stream. The C1 containing substrate that exits the gas treatment unit 328 is supplied to the electrolyzer 310 via line 330. In accordance with one aspect of the present invention, carbon monoxide produced in electrolyzer 310 is supplied to the bioreactor 332 through line 338. In some embodiments, hydrogen may
- 7 046101 быть подан в биореактор или смешан с потоком СО до того, как поток СО будет подан в биореактор. Биореактор функционирует в условиях получения по меньшей мере одного продукта ферментации в результате ферментации содержащего С1 субстрата культурой связывающих С1 бактерий. Продукты ферментации могут быть получены через трубопровод 336. Процесс ферментации дополнительно создает поток отходящего газа, содержащий СО2. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения по меньшей мере часть СО2 в потоке отходящего газа подается в электролизер СО2 по трубопроводу 340 в качестве исходного материала для процесса электролиза СО2.- 7 046101 be fed into the bioreactor or mixed with the CO stream before the CO stream is fed into the bioreactor. The bioreactor operates under conditions of obtaining at least one fermentation product as a result of fermentation of a C1-containing substrate by a culture of C1-binding bacteria. The fermentation products can be obtained through conduit 336. The fermentation process further produces an off-gas stream containing CO2. In preferred embodiments of the invention, at least a portion of the CO2 in the off-gas stream is supplied to the CO2 electrolyzer via line 340 as a feedstock to the CO2 electrolysis process.
В другом аспекте данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс, который включает в себя получение СО и О2 в результате электролиза диоксида углерода, предоставление по меньшей мере части полученного О2 производственному процессу, в результате которого вырабатывается С1, обеспечение функционирования производственного процесса, в результате которого вырабатывается С1, в условиях генерации остаточного газа, содержащего по меньшей мере один компонент С1, смешивание по меньшей мере части полученного СО с компонентом С1 остаточного газа для получения смешанного содержащего С1 субстрата, подачу смешанного содержащего С1 субстрата в биореактор, содержащий культуру связывающих С1 бактерий и ферментацию смешанного содержащего С1 субстрата для того, чтобы получить по меньшей мере один продукт ферментации.In another aspect, the present invention provides an integrated process that includes producing CO and O2 from the electrolysis of carbon dioxide, providing at least a portion of the resulting O2 to a manufacturing process that produces C1, operating a manufacturing process that produces C1, under conditions of generating a residual gas containing at least one C1 component, mixing at least a portion of the resulting CO with the C1 component of the residual gas to produce a mixed C1-containing substrate, supplying the mixed C1-containing substrate to a bioreactor containing a culture of C1-binding bacteria, and fermenting the mixed substrate C1 substrate in order to obtain at least one fermentation product.
В одном варианте осуществления изобретения данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс, который включает в себя получение СО и О2 с помощью электролиза диоксида углерода, предоставление по меньшей мере части полученного О2 в процесс частичного окисления, получение содержащего С1 остаточного газа, путем частичного окисления, смешение по меньшей мере части полученного СО с по меньшей мере частью содержащего С1 остаточного газа для получения смешанного содержащего С1 субстрата, подачу смешанного содержащего С1 субстрата в биореактор, содержащий культуру связывающих С1 бактерий и ферментацию содержащего С1 субстрата для того, чтобы получить по меньшей мере один продукт ферментации.In one embodiment, the present invention provides an integrated process that includes producing CO and O 2 by electrolysis of carbon dioxide, providing at least a portion of the resulting O 2 to a partial oxidation process, producing a C1-containing tail gas by partial oxidation, mixing at least a portion of the resulting CO with at least a portion of the C1-containing tail gas to produce a mixed C1-containing substrate, supplying the mixed C1-containing substrate to a bioreactor containing a culture of C1-binding bacteria, and fermenting the C1-containing substrate to produce at least one product fermentation.
Процесс частичного окисления представляет собой производственный процесс, содержащий реакцию частичного окисления. Процесс частичного окисления выбирают из группы, состоящей из: реакции Основного кислородного конвертера (BOF), процесса производства стали COREX или FINEX, процесса Доменной Печи (BF), процесса производства ферросплавов; процесса производства диоксида титана и процессов газификации. Процесс газификации выбирают из группы, состоящей из: процесса газификации твердых бытовых отходов, процесса газификации биомассы, процесса газификации нефтяного кокса и процесса газификации угля. В предпочтительном варианте осуществления изобретения процесс частичного окисления представляет собой процесс BOF.The partial oxidation process is a manufacturing process containing a partial oxidation reaction. The partial oxidation process is selected from the group consisting of: a Basic Oxygen Facility (BOF) reaction, a COREX or FINEX steelmaking process, a Blast Furnace (BF) process, a ferroalloys manufacturing process; titanium dioxide production process and gasification processes. The gasification process is selected from the group consisting of: a municipal solid waste gasification process, a biomass gasification process, a petcoke gasification process, and a coal gasification process. In a preferred embodiment of the invention, the partial oxidation process is a BOF process.
Содержащий С1 остаточный газ содержит по меньшей мере один компонент С1. Компонент С1 в содержащем С1 остаточном газе выбран из группы, включающей в себя монооксид углерода, диоксид углерода, метан и их комбинации. Содержащий С1 остаточный газ может дополнительно содержать один или несколько не-С1 компонентов, таких как азот и водород. Содержащий С1 остаточный газ может дополнительно содержать токсичные компоненты или компоненты нежелательных примесей, полученные в результате производственного процесса. В предпочтительном варианте осуществления изобретения содержащий С1 остаточный газ подают в блок для обработки газа для удаления по меньшей мере одной нежелательной примеси или не-С1 компонента, чтобы получить очищенный содержащий С1 остаточный газ перед тем, как его направляют в биореактор.The C1-containing residual gas contains at least one C1 component. The C1 component in the C1-containing tail gas is selected from the group consisting of carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and combinations thereof. The C1-containing tail gas may further contain one or more non-C1 components such as nitrogen and hydrogen. The C1-containing tail gas may further contain toxic components or undesirable impurity components resulting from the manufacturing process. In a preferred embodiment of the invention, the C1-containing tail gas is supplied to a gas processing unit to remove at least one undesirable impurity or non-C1 component to obtain a purified C1-containing tail gas before it is sent to the bioreactor.
В альтернативном варианте осуществления данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс, который включает в себя получение СО и О2 с помощью электролиза СО2, предоставление по меньшей мере части полученного О2 в процесс полного окисления, генерирование содержащего СО2 остаточного газа путем полного окисления, подачу по меньшей мере части содержащего СО2 остаточного газа в процесс электролиза в качестве исходного материала; подачу по меньшей мере части полученного СО в биореактор, содержащий культуру связывающих С1 бактерий и ферментацию СО для того, чтобы получить по меньшей мере один продукт ферментации и потока остаточного газа биореактора, содержащий СО2. Предпочтительно, когда по меньшей мере часть потока остаточного газа биореактора, который содержит СО2, рециркулируют в процесс электролиза СО2.In an alternative embodiment, the present invention provides an integrated process that includes producing CO and O2 by electrolysis of CO2, submitting at least a portion of the resulting O2 to a complete oxidation process, generating a CO2-containing tail gas through complete oxidation, submitting at least a portion of the resulting O2 to CO2 residual gas into the electrolysis process as the starting material; supplying at least a portion of the resulting CO to a bioreactor containing a culture of C1-binding bacteria and fermenting the CO to produce at least one fermentation product and a bioreactor tail gas stream containing CO 2 . Preferably, at least a portion of the bioreactor tail gas stream that contains CO 2 is recycled to the CO 2 electrolysis process.
Интеграция процесса производства цемента с процессом электролиза в водных растворах позволяет получить энергетически улучшенный газообразный субстрат. Интеграция имеет два преимущества: (i) замещение подачи воздуха в процесс производства цемента с помощью О2, полученного в результате процесса электролиза, увеличивает состав СО2 в отходящем газе процесса производства цемента и (ii) смешивание водорода, полученного в результате процесса электролиза, с газом, насыщенным СО2, обеспечивает поток газа СО2 и Н2, подходящий для процессов ферментации.Integrating the cement production process with the electrolysis process in aqueous solutions makes it possible to obtain an energetically improved gaseous substrate. Integration has two advantages: (i) replacing the air supply to the cement production process with O2 obtained from the electrolysis process increases the CO 2 composition in the off-gas of the cement production process and (ii) mixing hydrogen obtained from the electrolysis process with the gas saturated with CO2, provides a flow of CO2 and H2 gas suitable for fermentation processes.
В конкретных аспектах данного изобретения по меньшей мере первая часть СО2, полученного в результате процесса производства цемента, и первая часть водорода, полученного в результате процесса электролиза, могут быть предоставлены для процесса конверсии водяного газа (RWGS), чтобы получить СО в результате следующей стехиометрической реакции:In specific aspects of the present invention, at least a first portion of CO2 produced from the cement manufacturing process and a first portion of hydrogen produced from the electrolysis process may be provided to a water gas shift (RWGS) process to produce CO from the following stoichiometric reaction :
СО2 + Н2 θ СО + Н2О.CO2 + H2 θ CO + H2O.
СО, полученный в результате RWGS, может быть смешан со второй частью СО2, полученного изThe CO obtained from RWGS can be mixed with a second part of the CO2 obtained from
- 8 046101 потока производственного газа, и второй частью полученного водорода, чтобы обеспечить ферментационный субстрат с желаемым составом. Желаемый состав ферментационного субстрата будет варьироваться в зависимости от желаемого продукта ферментации реакции ферментации. Например, для производства этанола желаемый состав можно определить по следующей формуле:- 8 046101 production gas stream, and the second part of the resulting hydrogen, to provide the fermentation substrate with the desired composition. The desired composition of the fermentation substrate will vary depending on the desired fermentation product of the fermentation reaction. For example, for ethanol production, the desired composition can be determined by the following formula:
(х)я2 + (у)со + (^:) со2 - (^) с2н5он + (^)н2о, где х>2у, для потребления СО2.(x)i 2 + (y)co + (^:) co 2 - (^)s 2 n 5 he + (^) n 2 o, where x>2y, for CO 2 consumption.
В некоторых вариантах осуществления изобретения ферментационный субстрат может иметь соотношение Н2:СО менее чем 20:1, или менее чем 15:1, или менее чем 10:1, или менее чем 8:1, или менее чем 5:1, или менее чем 3:1 с СО2, доступным по меньшей мере в стехиометрических количествах в соответствии с алгебраической формулой.In some embodiments, the fermentation substrate may have an H 2 :CO ratio of less than 20:1, or less than 15:1, or less than 10:1, or less than 8:1, or less than 5:1, or less than 3:1 with CO 2 available in at least stoichiometric quantities according to the algebraic formula.
В других вариантах осуществления данное изобретение обеспечивает интегрированный процесс, который включает в себя получение Н2 и О2 с помощью электролиза в водных растворах с использованием возобновляемого источника энергии; предоставление по меньшей мере части полученного О2 в процесс полного окисления, генерирование содержащего С1 остаточного газа с помощью полного окисления, смешивание по меньшей мере части содержащего С1 остаточного газа, по меньшей мере с частью полученного Н2, чтобы получить содержащий С1 субстрат, подачу содержащего С1 субстрата в биореактор, содержащий культуру связывающих С1 бактерий, и ферментацию содержащего С1 субстрата для того, чтобы получить по меньшей мере один продукт ферментации.In other embodiments, the present invention provides an integrated process that includes producing H 2 and O 2 by electrolysis in aqueous solutions using a renewable energy source; providing at least a portion of the resulting O 2 to the complete oxidation process, generating a C1-containing tail gas by the complete oxidation, mixing at least a portion of the C1-containing residual gas with at least a portion of the resulting H2 to produce a C1-containing substrate, supplying a C1-containing substrate substrate into a bioreactor containing a culture of C1-binding bacteria, and fermenting the C1-containing substrate to produce at least one fermentation product.
Процесс полного окисления выбирают из группы, состоящей из: процесса производства цемента, процесса получения электроэнергии, вырабатываемой на газовой электростанции и процесса получения электроэнергии, вырабатываемой на угольной электростанции. Содержащий С1 остаточный газ, полученный при полном окислении, содержит СО2. В некоторых вариантах осуществления изобретения содержащий С1 остаточный газ, полученный путем полного окисления, дополнительно содержит по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из Н2, СО и СН4.The total oxidation process is selected from the group consisting of: a cement production process, a process for generating electricity generated from a gas power plant, and a process for generating electricity from a coal power plant. The C1-containing residual gas obtained from complete oxidation contains CO2 . In some embodiments of the invention, the C1-containing tail gas obtained by complete oxidation further contains at least one component selected from the group consisting of H2 , CO and CH4.
На фиг. 4 показан схематический процесс интеграции процесса производства цемента с процессом электролиза и процессом ферментации газа. Н2 и О2 получают в результате процесса электролиза возобновляемой энергии и воды в установке 410 для электролиза. Полученный О2 подают в блок 422 производства цемента для того, чтобы заместить количество воздуха, требуемое в процессе производства цемента. В процессе производства цемента образуется остаточный газ, насыщенный СО2. Первую часть остаточного газа, насыщенного СО2, полученного в результате процесса производства цемента, и первую порцию водорода, полученного в результате процесса электролиза, направляют в реактор 428 обратной конверсии водяного газа. СО2 и Н2 реагируют с образованием выходного потока, содержащего СО. Вторую часть остаточного газа, насыщенного СО2, полученного в результате процесса производства цемента, и вторую порцию водорода, полученного в результате процесса электролиза, смешивают с отходящим газом, насыщенным СО, полученным из реактора RWGS для того, чтобы получить содержащий С1 субстрат. Содержащий С1 субстрат подают в биореактор 432, содержащий культуру связывающих С1 бактерий. Содержащий С1 субстрат ферментируют с получением по меньшей мере одного продукта ферментации.In fig. Figure 4 shows a schematic process of integrating the cement production process with the electrolysis process and gas fermentation process. H2 and O2 are obtained from the electrolysis process of renewable energy and water in the electrolysis unit 410. The resulting O 2 is supplied to the cement production unit 422 in order to replace the amount of air required in the cement production process. During the cement production process, residual gas saturated with CO 2 is formed. The first portion of the CO 2 -rich residual gas obtained from the cement production process and the first portion of hydrogen obtained from the electrolysis process are sent to the water gas reverse shift reactor 428 . CO2 and H2 react to form an output stream containing CO. A second portion of CO2-rich tail gas obtained from the cement production process and a second portion of hydrogen obtained from the electrolysis process are mixed with the CO2-rich off-gas obtained from the RWGS reactor to obtain a C1-containing substrate. The C1-containing substrate is supplied to a bioreactor 432 containing a culture of C1-binding bacteria. The C1-containing substrate is fermented to produce at least one fermentation product.
Связывающие С1 микроорганизмы представляет собой микроорганизмы, который обладают способностью продуцировать один или несколько продуктов из С1-источника углерода. Как правило, микроорганизмы представляют собой связывающие С1 бактерии. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизм является микроорганизмом или выведен из связывающего С1 микроорганизма, указанного в таблице. Микроорганизм может быть классифицирован на основе функциональных характеристик. Например, микроорганизмы могут представлять собой микроорганизмы, или могут быть получены из связывающих С1 микроорганизмов, анаэробных организмов, ацетогенных организмов, этанологенных организмов и/или карбоксидотрофных организмов. В таблице представлен репрезентативный список микроорганизмов и указаны их функциональные характеристики.C1-binding microorganisms are microorganisms that have the ability to produce one or more products from a C1 carbon source. Typically, the microorganisms are C1-binding bacteria. In a preferred embodiment of the invention, the microorganism is a microorganism or is derived from a C1 binding microorganism listed in the table. A microorganism can be classified based on functional characteristics. For example, the microorganisms may be microorganisms, or may be derived from C1-binding microorganisms, anaerobic organisms, acetogenic organisms, ethanogenic organisms, and/or carboxydotrophic organisms. The table provides a representative list of microorganisms and their functional characteristics.
- 9 046101- 9 046101
Acetobacterium woodi может производить этанол из фруктозы, но не из газа.Acetobacterium woodi can produce ethanol from fructose, but not from gas.
2 Сообщалось, что Acetobacterium woodi может расти на СО, но методология вызывает сомнения. 2 Acetobacterium woodi has been reported to grow on CO, but the methodology is questionable.
3 Не исследовано, может ли Clostridium magnum расти на СО. 3 It has not been studied whether Clostridium magnum can grow on CO.
4 Один штамм Moorella thermoacetica, Moorella sp. HUC22-1, как сообщается, производит этанол из газа. 4 One strain of Moorella thermoacetica, Moorella sp. HUC22-1 is reported to produce ethanol from gas.
5 Не исследовано, может ли Sporomusa ovata расти на СО. 5 It has not been studied whether Sporomusa ovata can grow on CO.
6 Не исследовано, может ли Sporomusa silvacetica расти на СО. 6 It has not been studied whether Sporomusa silvaceca can grow on CO.
7 Не исследовано, может ли Sporomusa sphaeroides расти на СО. 7 Whether Sporomusa sphaeroides can grow on CO has not been studied.
С1 относится к молекуле с одним атомом углерода, например СО или СО2. С1-оксигенат относится к молекуле с одним атомом углерода, которая также содержит по меньшей мере один атом кислорода, например СО или СО2. С1-источник углерода относится к молекуле с одним атомом углерода, которая служит в качестве частичного или единственного источника углерода для микроорганизмов. Например, С1-источник углерода может содержать один или несколько СО, СО2 или СН2О2. Предпочтительно, когда С1-источник углерода содержит один из, или оба из СО и СО2. Связывающий С1 микроорганизм представляет собой микроорганизм, который обладают способностью продуцировать один или несколько продуктов из С1-источника углерода. Как правило, микроорганизмы представляют собой связывающие С1 бактерии. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизм является микроорганизмом или выведен из связывающего С1 микроорганизма, указанного в таблице.C1 refers to a molecule with one carbon atom, such as CO or CO2. C1-oxygenate refers to a molecule with one carbon atom that also contains at least one oxygen atom, such as CO or CO2. A C1 carbon source refers to a single carbon molecule that serves as a partial or sole carbon source for microorganisms. For example, a C1 carbon source may contain one or more CO, CO2 or CH2O2. Preferably, the C1 carbon source contains one or both of CO and CO2. A C1-binding microorganism is a microorganism that has the ability to produce one or more products from a C1 carbon source. Typically, the microorganisms are C1-binding bacteria. In a preferred embodiment of the invention, the microorganism is a microorganism or is derived from a C1 binding microorganism listed in the table.
Анаэробные организмы представляют собой микроорганизмы, которые не требует кислорода для роста. Анаэробные организмы могут реагировать отрицательно или даже погибнуть, если кислород присутствует выше определенного порогового значения. Как правило, микроорганизмы являются анаэробаAnaerobic organisms are microorganisms that do not require oxygen to grow. Anaerobic organisms may react negatively or even die if oxygen is present above a certain threshold. Typically, microorganisms are anaerobes
- 10 046101 ми (т.е. представляют собой анаэробные организмы). В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы являются анаэробными организмами, указанными в таблице, или выведены из них.- 10 046101 mi (i.e. they are anaerobic organisms). In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are or are derived from the anaerobic organisms listed in the table.
Ацетогенные организмы являются микроорганизмами, которые продуцируют или которые способны продуцировать ацетат (или уксусную кислоту) в качестве продукта анаэробного дыхания. Как правило, ацетогенные организмы обязательно являются анаэробными бактериями, которые используют метаболический путь Вуд-Льюнгдаля в качестве своего основного механизма для сохранения энергии и для синтеза ацетил-СоА продуктов и ацетил-СоА-производных продуктов, таких как ацетат (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784:1873-1898, 2008). Ацетогенные организмы используют метаболический путь ацетил-СоА как (1) механизм редуктивного синтеза ацетил-СоА из СО2, (2) прием конечных электронов, процесс сохранения энергии, (3) механизм связывания (поглощения) СО2 при синтезе клеточного углерода (Drake, Acetogenic Prokaryotes, опубликовано в The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). Все ацетогенные организмы природного происхождения представляют собой связывающие С1, анаэробные, автотрофные и неметанотрофные организмы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой ацетогенные организмы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой ацетогенные организмы, указанные в таблице, или выведены из них.Acetogenic organisms are microorganisms that produce or are capable of producing acetate (or acetic acid) as a product of anaerobic respiration. In general, acetogenic organisms are necessarily anaerobic bacteria that use the Wood-Ljungdahl metabolic pathway as their primary mechanism for energy conservation and for the synthesis of acetyl-CoA products and acetyl-CoA-derived products such as acetate (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784:1873-1898, 2008). Acetogenic organisms use the acetyl-CoA metabolic pathway as (1) a mechanism for the reductive synthesis of acetyl-CoA from CO 2 , (2) the reception of final electrons, a process of energy conservation, (3) a mechanism for the binding (absorption) of CO 2 during the synthesis of cellular carbon (Drake, Acetogenic Prokaryotes, published in The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). All naturally occurring acetogenic organisms are C1-binding, anaerobic, autotrophic, and non-methanotrophic organisms. In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are acetogenic organisms. In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are or are derived from the acetogenic organisms listed in the table.
Этанологенные организмы представляют собой микроорганизмы, которые продуцируют или способны продуцировать этанол. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой этанологенные организмы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой этанологенные организмы, указанные в таблице, или выведены из них.Ethanogenic organisms are microorganisms that produce or are capable of producing ethanol. In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are ethanogenic organisms. In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are or are derived from the ethanogenic organisms listed in the table.
Автотрофные организмы представляют собой микроорганизмы, способные расти в отсутствие органического углерода. Вместо этого автотрофные организмы используют неорганические источники углерода, такие как СО и/или СО2. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой автотрофные организмы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой автотрофные организмы, указанные в таблице, или выведены из них.Autotrophic organisms are microorganisms that can grow in the absence of organic carbon. Instead, autotrophic organisms use inorganic carbon sources such as CO and/or CO 2 . In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are autotrophic organisms. In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are or are derived from autotrophic organisms listed in the table.
Карбоксидотрофные организмы представляет собой микроорганизмы, способные использовать СО в качестве единственного источника углерода. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой карбоксидотрофные организмы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой карбоксидотрофные организмы, указанные в таблице, или выведены из них.Carboxydotrophic organisms are microorganisms capable of using CO as the only carbon source. In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are carboxydotrophic organisms. In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are or are derived from the carboxydotrophic organisms listed in the table.
В некоторых вариантах осуществления изобретения микроорганизмы не потребляют определенные субстраты, такие как метан или метанол. В одном варианте осуществления изобретения микроорганизмы не являются метанотрофными организмами и/или не являются метилотрофными организмами.In some embodiments, microorganisms do not consume certain substrates, such as methane or methanol. In one embodiment of the invention, the microorganisms are not methanotrophic organisms and/or are not methylotrophic organisms.
В более широком смысле микроорганизмы могут представлять собой микроорганизмы любого рода или видов, указанных в таблице, или могут быть получены из них. Например, микроорганизмы могут являться представителями рода Clostridium.In a broader sense, microorganisms can be or can be derived from any of the genus or species listed in the table. For example, the microorganisms may be members of the genus Clostridium.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения микроорганизмы являются представителями кластера Clostridia, включающего виды Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii и Clostridium ragsdalei, или выведены из них. Эти виды были впервые описаны в литературе и охарактеризованы Abrini, Arch. Microbiol., 161:345-351, 1994 (Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int. J. System Bacteriol., 43:232-236, 1993 (Clostridium ljungdahlii), и Huhnke, WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).In a preferred embodiment of the invention, the microorganisms are members of or derived from the Clostridia cluster, including the species Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii and Clostridium ragsdalei. These species were first described in the literature and characterized by Abrini, Arch. Microbiol., 161:345-351, 1994 (Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int. J. System Bacteriol., 43:232-236, 1993 (Clostridium ljungdahlii), and Huhnke, WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).
Эти три вида имеют много общего. В частности, этими видами являются все С1-связывающие, анаэробные, ацетогенные, этанологенные и карбоксидотрофные представители рода Clostridium. Эти виды имеют сходные генотипы и фенотипы и характер сохранения энергии и ферментативного метаболизма. Более того, эти виды кластеризуются в группу I гомологии клостридиальной рРНК с 16S рРНК ДНК, которые более чем на 99% идентичны, имеют содержание ДНК G+С около 22-30 мол.%, являются грамположительными, имеют сходную морфологию и размер (экспоненциально растущие клетки между 0,50,7х3-5 мкм), являются мезофильными (оптимально растут при 30-37°С), имеют аналогичные диапазоны рН - около 4-7,5 (при оптимальном рН около 5,5-6), в них отсутствуют цитохромы, и они сохраняют энергию посредством комплекса Rnf. Кроме того, в этих видах было продемонстрировано превращение карбоновых кислот в их соответствующие спирты (Perez, Biotechnol. Bioeng., 110:1066-1077, 2012). Важно отметить, что эти виды также демонстрируют сильный автотрофный рост на содержащих СО газах, продуцируют этанол и ацетат (или уксусную кислоту) в качестве основных продуктов ферментации, а при определенных условиях продуцируют небольшие количества 2,3-бутандиола и молочной кислоты.These three types have a lot in common. In particular, these species are all C1-binding, anaerobic, acetogenic, ethanogenic and carboxidotrophic representatives of the genus Clostridium. These species have similar genotypes and phenotypes and patterns of energy conservation and enzymatic metabolism. Moreover, these species cluster into group I homology of clostridial rRNA with 16S rRNA DNA, which are more than 99% identical, have a G+C DNA content of about 22-30 mol.%, are Gram-positive, have similar morphology and size (exponentially growing cells between 0.50.7x3-5 µm), are mesophilic (grow optimally at 30-37°C), have similar pH ranges - about 4-7.5 (with an optimal pH of about 5.5-6), in them there are no cytochromes and they store energy through the Rnf complex. Additionally, the conversion of carboxylic acids to their corresponding alcohols has been demonstrated in these species (Perez, Biotechnol. Bioeng., 110:1066-1077, 2012). It is important to note that these species also exhibit strong autotrophic growth on CO-containing gases, produce ethanol and acetate (or acetic acid) as major fermentation products, and under certain conditions produce small amounts of 2,3-butanediol and lactic acid.
Однако эти три вида также имеют ряд отличий. Эти виды были выделены из разных источников: Clostridium autoethanogenum - из кишечника кролика, Clostridium ljungdahlii - из отходов куриного двора, и Clostridium ragsdalei - из осадка пресной воды. Эти виды отличаются использованием различных сахаров (например, рамнозы, арабинозы), кислот (например, глюконата, цитрата), аминокислот (например, аргинина, гистидина) и других субстратов (например, бетаина, бутанола). Более того, эти виды отлича- 11 046101 ются в ауксотрофии некоторыми витаминами (например, тиамин, биотин). Эти виды имеют различия в нуклеиновых и аминокислотных последовательностях генов и белков метаболического пути Вуд-Льюнгдаля, хотя общая организация и количество этих генов и белков оказались одинаковыми у всех видов (Kopke, Curr. Opin. Biotechnol., 22:320-325, 2011).However, these three types also have a number of differences. These species were isolated from different sources: Clostridium autoethanogenum from rabbit intestines, Clostridium ljungdahlii from chicken yard waste, and Clostridium ragsdalei from freshwater sediment. These species are distinguished by the use of various sugars (e.g., rhamnose, arabinose), acids (e.g., gluconate, citrate), amino acids (e.g., arginine, histidine), and other substrates (e.g., betaine, butanol). Moreover, these species differ in auxotrophy for certain vitamins (for example, thiamine, biotin). These species have differences in the nucleic acid and amino acid sequences of the genes and proteins of the Wood-Ljungdahl metabolic pathway, although the general organization and number of these genes and proteins appeared to be the same in all species (Kopke, Curr. Opin. Biotechnol., 22:320-325, 2011) .
Таким образом, в целом, многие характеристики Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii или Clostridium ragsdalei не являются специфическими для этого вида, но являются довольно общими характеристиками для этого кластера С1-связывающих, анаэробных, ацетогенных, этанологенных и карбоксидотрофных представителей рода Clostridium. Однако, поскольку эти виды, по сути, различны, генетическая модификация или манипуляция одним из этих видов может не иметь идентичного эффекта у другого из этих видов. Например, могут наблюдаться различия в росте, производительности или выработке продукта.Thus, overall, many of the characteristics of Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii, or Clostridium ragsdalei are not specific to this species, but are rather common characteristics for this cluster of C1-binding, anaerobic, acetogenic, ethanogenic, and carboxidotrophic members of the genus Clostridium. However, because these species are essentially different, genetic modification or manipulation in one of these species may not have an identical effect in another of these species. For example, there may be differences in growth, productivity, or product output.
Микроорганизмы также могут представлять собой Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii или Clostridium ragsdalei, или могут быть получены из их изолята или мутанта. Изоляты и мутанты Clostridium autoethanogenum включают в себя JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch. Microbiol., 161:345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (WO 2009/064200) и LZ1561 (DSM23693). Изоляты и мутанты Clostridium ljungdahlii включают в себя АТСС 49587 (Tanner, Int. J. Syst. Bacteriol., 43:232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5593886), C-01 (ATCC 55988) (US 6,368,819), 0-52 (ATCC 55989) (US 6368819) и ОТА-1 (Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, диссертация PhD, North Carolina State University, 2010). Изоляты и мутанты Clostridium ragsdalei включают в себя PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826) (WO 2008/028055).The microorganisms may also be Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii or Clostridium ragsdalei, or may be obtained from an isolate or mutant thereof. Clostridium autoethanogenum isolates and mutants include JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch. Microbiol., 161:345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (WO 2009/064200) and LZ1561 (DSM23693). Clostridium ljungdahlii isolates and mutants include ATCC 49587 (Tanner, Int. J. Syst. Bacteriol., 43:232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5593886) , C-01 (ATCC 55988) (US 6,368,819), 0-52 (ATCC 55989) (US 6368819) and OTA-1 (Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University , 2010). Clostridium ragsdalei isolates and mutants include PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826) (WO 2008/028055).
Термин полученные из относится к микроорганизмам, модифицированным или адаптированным из других (например, родительских или немутантных) микроорганизмов, чтобы получить новые микроорганизмы. Такие модификации или адаптации обычно включают в себя вставку, делецию, мутацию или замещение нуклеиновых кислот или генов.The term derived from refers to microorganisms modified or adapted from other (eg, parent or non-mutant) microorganisms to produce new microorganisms. Such modifications or adaptations typically include insertion, deletion, mutation or substitution of nucleic acids or genes.
Субстрат относится к источнику углерода и/или энергии для микроорганизма согласно данному изобретению. Как правило, субстрат является газообразным и содержит С1-источник углерода, например СО, СО2 и/или СН4. Предпочтительно, когда субстрат содержит С1-источник углерода из СО или СО + СО2. Субстрат может дополнительно содержать другие не углеродные компоненты, такие как Н2, N2 или электроны.Substrate refers to a source of carbon and/or energy for a microorganism according to this invention. Typically, the substrate is gaseous and contains a C1 carbon source, such as CO, CO 2 and/or CH 4 . Preferably, the substrate contains a C1 carbon source from CO or CO + CO 2 . The substrate may additionally contain other non-carbon components such as H 2 , N 2 or electrons.
Субстрат обычно содержит по меньшей мере некоторое количество СО, как, например, около 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 мол.% СО. Субстрат может содержать диапазон значений СО, как, например, около 20-80, 30-70 или 40-60 мол.% СО. Предпочтительно, когда субстрат содержит около 40-70 мол.% СО (например, газ металлургического комбината или основного кислородного конвертера), около 20-30 мол.% СО (например, газ доменной печи) или около 15-45 мол.% СО (например, синтетический газ). В некоторых вариантах осуществления изобретения субстрат может содержать относительно низкое количество СО, например около 1-10 или 1-20 мол.% СО. Микроорганизмы согласно данному изобретению обычно преобразовывают по меньшей мере часть СО субстрата в продукт. В некоторых вариантах осуществления изобретения субстрат не содержит или практически не содержит (<1 мол.%) СО.The substrate typically contains at least some amount of CO, such as about 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 or 100 mol% CO. The substrate may contain a range of CO values, such as about 20-80, 30-70 or 40-60 mol% CO. Preferably, the substrate contains about 40-70 mol% CO (for example, smelter or basic oxygen converter gas), about 20-30 mol% CO (for example, blast furnace gas), or about 15-45 mol% CO ( e.g. synthetic gas). In some embodiments, the substrate may contain a relatively low amount of CO, such as about 1-10 or 1-20 mol% CO. The microorganisms of this invention typically convert at least a portion of the CO substrate into a product. In some embodiments, the substrate contains no or substantially no (<1 mol %) CO.
Субстрат может содержать некоторое количество Н2. Например, субстрат может содержать около 1, 2, 5, 10, 15, 20 или 30 мол.% Н2. В некоторых вариантах осуществления изобретения субстрат может содержать относительно высокое количество Н2, например около 60, 70, 80 или 90 мол.% Н2. В дополнительных вариантах осуществления изобретения субстрат не содержит или практически не содержит (<1 мол.%) Н2.The substrate may contain some H 2 . For example, the substrate may contain about 1, 2, 5, 10, 15, 20 or 30 mol% H 2 . In some embodiments, the substrate may contain a relatively high amount of H 2 , such as about 60, 70, 80 or 90 mol% H 2 . In further embodiments, the substrate contains little or no (<1 mol%) H2.
Субстрат может содержать некоторое количество СО2. Например, субстрат может содержать около 1-80 или 1-30 мол.% СО2. В некоторых вариантах осуществления изобретения субстрат может содержать менее чем около 20, 15, 10 или 5 мол.% СО2. В другом варианте осуществления изобретения субстрат не содержит или практически не содержит (<1 мол.%) СО2.The substrate may contain some CO2. For example, the substrate may contain about 1-80 or 1-30 mol.% CO 2 . In some embodiments, the substrate may contain less than about 20, 15, 10, or 5 mole percent CO 2 . In another embodiment of the invention, the substrate contains no or substantially no (<1 mol.%) CO 2 .
Хотя субстрат обычно является газообразным, субстрат также может быть предоставлен в альтернативных формах. Например, субстрат может быть растворен в жидкости, насыщенной содержащим СО газом, с использованием микропузырькового генератора взвеси. В качестве дополнительного примера субстрат может быть адсорбированным на твердой подложке.Although the substrate is typically gaseous, the substrate may also be provided in alternative forms. For example, the substrate can be dissolved in a liquid saturated with CO gas using a microbubble slurry generator. As a further example, the substrate may be adsorbed on a solid support.
Субстратом и/или С1-источником углерода может быть остаточный газ, полученный в качестве побочного продукта в результате производственного процесса или из какого-либо другого источника, газификации биомассы. В некоторых вариантах осуществления изобретения производственный процесс выбирают из группы, состоящей из производства изделий из черных металлов, как, например, производство на металлургическом комбинате, производство изделий из цветных металлов, процессы переработки нефти, газификация угля, производство электрической энергии, производство газовой сажи, производство аммиака, производство метанола и производство кокса. В этих вариантах осуществления изобретения субстрат и/или С1-источник углерода может быть получен из производственного процесса до его выброса в атмосферу с использованием любого удобного метода.The substrate and/or C1 carbon source may be a residual gas obtained as a by-product from the production process or from some other source, gasification of biomass. In some embodiments of the invention, the manufacturing process is selected from the group consisting of ferrous metal product manufacturing, such as smelter manufacturing, non-ferrous metal product manufacturing, petroleum refining processes, coal gasification, electrical power generation, carbon black manufacturing, ammonia, methanol production and coke production. In these embodiments, the substrate and/or C1 carbon source may be obtained from the manufacturing process prior to release to the atmosphere using any convenient method.
В конкретных вариантах осуществления изобретения производственный процесс представляет соIn specific embodiments of the invention, the manufacturing process is
- 12 046101 бой процесс производства стали, выбранный из процессов: Основного Кислородного Конвертера, Доменной Печи и Коксовой Печи. Газ Коксовой печи (COG) имеет типовой состав: 5-10% СО, 55% Н2, 3-5% СО2, 10% N2 и 25% СН4. Типовой состав газа Доменной Печи (BF) составляет 20-35% СО, 2-4% Н2, 20-30% СО2 и 50-60% N2. Типовой газ Основного Кислородного Конвертера (BOF) содержит 50-70% СО, 15-25% СО2, 15-25% N2 и 1-5% Н2.- 12 046101 combat steel production process selected from the processes: Basic Oxygen Converter, Blast Furnace and Coke Oven. Coke Oven Gas (COG) has a typical composition of 5-10% CO, 55% H2, 3-5% CO2, 10% N2 and 25% CH4 . The typical composition of Blast Furnace (BF) gas is 20-35% CO, 2-4% H2 , 20-30% CO2 and 50-60% N2. A typical Main Oxygen Converter (BOF) gas contains 50-70% CO, 15-25% CO2 , 15-25% N2 and 1-5% H2 .
Субстратом и/или С1-источником углерода может быть синтетический газ, такой как синтетический газ, полученный путем газификации угля или остатков нефтеперерабатывающего завода, газификации биомассы или лигноцеллюлозного материала, или преобразованием природного газа. В другом варианте осуществления изобретения синтетический газ может быть получен из газификации твердых бытовых отходов или производственных твердых отходов.The substrate and/or C1 carbon source may be a syngas, such as a syngas produced by gasification of coal or refinery residues, gasification of biomass or lignocellulosic material, or conversion of natural gas. In another embodiment of the invention, the synthetic gas can be obtained from the gasification of municipal solid waste or industrial solid waste.
Состав субстрата может оказать значительное влияние на эффективность и/или стоимость реакции. Например, присутствие кислорода (О2) может снизить эффективность анаэробного процесса ферментации. В зависимости от состава субстрата, может быть желательным обработать, промыть или отфильтровать субстрат для удаления любых нежелательных примесей, таких как токсины, нежелательные компоненты или частицы пыли, и/или увеличения концентрации желаемых компонентов.Substrate composition can have a significant impact on the efficiency and/or cost of the reaction. For example, the presence of oxygen (O2) can reduce the efficiency of the anaerobic fermentation process. Depending on the composition of the substrate, it may be desirable to treat, wash or filter the substrate to remove any unwanted impurities such as toxins, unwanted components or dust particles and/or increase the concentration of desired components.
Состав газообразного содержащего С1 субстрата будет варьироваться в зависимости от факторов, которые включают в себя тип используемого производственного процесса и исходного материала, подаваемого в производственный процесс. Не все полученные содержащие С1 газообразные субстраты будут иметь идеальный состав газа для процесса ферментации. Смешивание содержащих С1 газов с возобновляемым потоком водорода, дополнительный поток СО или преобразование СО2 из субстрата С1 в СО обеспечивает энергетически улучшенный смешанный газовый поток.The composition of the gaseous C1-containing substrate will vary depending on factors which include the type of manufacturing process used and the feedstock fed to the manufacturing process. Not all C1-containing gaseous substrates produced will have the ideal gas composition for the fermentation process. Mixing C1-containing gases with a renewable hydrogen stream, an additional CO stream, or converting CO 2 from a C1 substrate to CO provides an energetically improved mixed gas stream.
Обеспечение функционирования процесса ферментации в присутствии водорода имеет дополнительное преимущество в сокращении количества СО2, образующегося в результате процесса ферментации. Например, газообразный субстрат, содержащий минимальное количество Н2, обычно образует этанол и СО2 в соответствии со следующей стехиометрией: [6СО + 3Н2О ^ С2Н5ОН + 4СО2]. По мере увеличения количества водорода, используемого связывающими С1 бактериями, количество продуцируемого СО2 уменьшается [например, 2СО + 4Н2 ^ С2Н5ОН + Н2О]. Общий вид уравнения представляет собой:Running the fermentation process in the presence of hydrogen has the added benefit of reducing the amount of CO2 produced by the fermentation process. For example, a gaseous substrate containing a minimal amount of H2 will usually form ethanol and CO2 according to the following stoichiometry: [6CO + 3H2O ^ C2H5OH + 4CO2]. As the amount of hydrogen used by C1- binding bacteria increases, the amount of CO2 produced decreases [for example, 2CO + 4H2 ^ C2H5OH + H2O ]. The general form of the equation is:
(х)Я2 + (у)СО + СО2 С2Н5ОН + (^) Н2О где х>2у, для достижения потребления СО2.(x)I 2 + (y)CO + CO 2 C 2 H 5 OH + (^) H 2 O where x>2y, to achieve CO 2 consumption.
Когда СО является единственным источником углерода и энергии для производства этанола, часть углерода уходит при образовании СО2 следующим образом:When CO is the only source of carbon and energy for ethanol production, some of the carbon is lost during the formation of CO 2 as follows:
6СО + 3Н2О ^ С2Н5ОН + 4СО2 (Δϋ° = -224,90 кДж/моль этанола).6CO + 3H2O ^ C 2 H 5 OH + 4CO2 (Δϋ° = -224.90 kJ/mol ethanol).
В этих случаях, когда значительное количество углерода отводится на СО2, желательно либо подавать СО2 обратно в производственный процесс (т.е. в процесс газификации), либо в качестве альтернативы отправлять СО2 в реактор обратной конверсии водяного газа. В соответствии с данным изобретением, когда присутствует СО2 электролизера, остаточный газ СО2 может быть рециркулирован в электролизер для превращения в СО и О2.In these cases, where a significant amount of carbon is being diverted to CO 2 , it is desirable to either feed the CO 2 back into the production process (ie gasification process) or alternatively send the CO 2 into the reverse water gas shift reactor. According to the present invention, when electrolyzer CO 2 is present, the residual CO 2 gas can be recycled to the electrolyzer to be converted into CO and O2.
Поскольку количество Н2, доступного в субстрате, увеличивается, количество произведенного СО2 уменьшается. При стехиометрическом соотношении 1:2 (СО/Н2) производство СО2 полностью исключается:As the amount of H 2 available in the substrate increases, the amount of CO 2 produced decreases. With a stoichiometric ratio of 1:2 (CO/ H2 ), the production of CO2 is completely eliminated:
5СО + 1Н2+ 2Н2О ^ 1С2Н5ОН + 3СО2 (Δϋ° = -204,80 кДж/моль этанола), 4СО + 2Н2 + 1Н2О ^ 1С2Н5ОН + 2СО2 (Δ(Δ = -184,70 кДж/моль этанола), 3СО + 3Н2 ^ 1С2Н5ОН + 1СО2 (Δ(Δ = -164,60 кДж/моль этанола).5CO + 1H 2 + 2H2O ^ 1C 2 H 5 OH + 3CO 2 (Δϋ° = -204.80 kJ/mol ethanol), 4CO + 2H2 + 1H 2 O ^ 1C 2 H 5 OH + 2CO2 (Δ(Δ = - 184.70 kJ/mol ethanol), 3CO + 3H 2 ^ 1C 2 H 5 OH + 1CO 2 (Δ(Δ = -164.60 kJ/mol ethanol).
При ферментации, когда СО2 является источником углерода, а Н2 является источником электронов, стехиометрия выглядит следующим образом:In fermentation, where CO 2 is the carbon source and H 2 is the electron source, the stoichiometry is as follows:
2СО2 + 6Н2 ^ С2Н5ОН + 3Н2О (Δϋ° = -104,30 кДж/моль этанола).2CO2 + 6H 2 ^ C 2 H 5 OH + 3H 2 O (Δϋ° = -104.30 kJ/mol ethanol).
Побочный продукт О2 процесса электролиза может использоваться в производственном процессе для производства газа СО2. В случае процессов полного окисления побочный продукт О2 электролиза заменит подачу воздуха, которая требуется в обычных случаях. Добавление кислорода, а не воздуха увеличивает состав СО2 в отходящем газе процесса. Например, подача 100%-ного кислорода: СН4 + 2О2 ^ СО2 + 2Н2О обеспечивает 100% концентрацию СО2 в отходящем газе; в то время как подача воздуха: СН4 + 2О2 + 7,5 N2 ^ СО2 + 2Н2О + 7,5 N2 обеспечивает 12% СО2 в отходящем газе.The O2 by-product of the electrolysis process can be used in the production process to produce CO2 gas. In the case of complete oxidation processes, the by-product O 2 of electrolysis will replace the air supply that is required in normal cases. Adding oxygen rather than air increases the CO2 composition in the process exhaust gas. For example, supplying 100% oxygen: CH 4 + 2O2 ^ CO 2 + 2H2O provides 100% concentration of CO 2 in the exhaust gas; while the air supply: CH 4 + 2O2 + 7.5 N2 ^ CO 2 + 2H2O + 7.5 N2 provides 12% CO 2 in the exhaust gas.
Исходный материал СО2 можно смешивать с водородом, полученным в результате процесса электролиза, для обеспечения оптимизированного исходного материала для процесса ферментации СО2 и Н2. [например, 6Н2 + 2СО2 ^ С2Н5ОН + 3Н2О].The CO2 feedstock can be mixed with hydrogen produced from the electrolysis process to provide an optimized feedstock for the CO2 and H2 fermentation process. [for example, 6H2 + 2CO2 ^ C2H5OH + 3H2O].
Связывающие С1 бактерии обычно представляет собой анаэробные бактерии, выбранные из группы, состоящей из: карбоксидотрофные организмы, автотрофные организмы, ацетогенные организмы и этанологенные организмы. Более конкретно, связывающие С1 бактерии выбраны из рода Clostridium. ВThe C1-binding bacteria are typically anaerobic bacteria selected from the group consisting of: carboxydotrophic organisms, autotrophic organisms, acetogenic organisms and ethanogenic organisms. More specifically, the C1-binding bacteria are selected from the genus Clostridium. IN
- 13 046101 конкретных вариантах осуществления изобретения связывающие С1 бактерии выбраны из группы, состоящей из: Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii и Clostridium ragsdalei.- 13 046101 specific embodiments of the invention, the C1 binding bacteria are selected from the group consisting of: Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii and Clostridium ragsdalei.
Микроорганизмы, согласно данному изобретению, могут быть культивированы для получения одного или нескольких продуктов. Например, Clostridium autoethanogenum производит или может быть запроектирован для производства этанола (WO 2007/117157), ацетата (WO 2007/117157), бутанола (WO 2008/115080 и WO 2012/053905), бутирата (WO 2008/115080), 2,3-бутандиола (WO 2009/151342), лактата (WO 2011/112103), бутена (WO 2012/024522), бутадиена (WO 2012/024522), метилэтилкетона (2-бутанона) (WO 2012/024522 и WO 2013/185123), этилена (WO 2012/026833), ацетона (WO 2012/115527), изопропанола (WO 2012/115527), липидов (WO 2013/036147), 3-гидроксипропионата (3-НР) (WO 2013/180581), изопрена (WO 2013/180584), жирных кислот (WO 2013/191567), 2-бутанола (WO 2013/185123), 1,2-пропандиола (WO 2014/0369152) и 1-пропанола (WO 2014/0369152). В дополнение к одному или нескольким целевым продуктам, микроорганизмы, согласно данному изобретению, могут также продуцировать этанол, ацетат и/или 2,3-бутандиол. В некоторых вариантах осуществления изобретения микробиологическая биомасса сама по себе может считаться продуктом.Microorganisms according to this invention can be cultured to produce one or more products. For example, Clostridium autoethanogenum produces or can be designed to produce ethanol (WO 2007/117157), acetate (WO 2007/117157), butanol (WO 2008/115080 and WO 2012/053905), butyrate (WO 2008/115080), 2. 3-Butaniol (Wo 2009/151342), lactate (WO 2011/112103), Buten (Wo 2012/024522), Butadiene (Wo 2012/024522), methylEtilketon (2-tanones) (Wo 2012/024522 and Wo 2013/185123 ), ethylene (WO 2012/026833), acetone (WO 2012/115527), isopropanol (WO 2012/115527), lipids (WO 2013/036147), 3-hydroxypropionate (3-HP) (WO 2013/180581), isoprene (WO 2013/180584), fatty acids (WO 2013/191567), 2-butanol (WO 2013/185123), 1,2-propanediol (WO 2014/0369152) and 1-propanol (WO 2014/0369152). In addition to one or more target products, microorganisms according to this invention can also produce ethanol, acetate and/or 2,3-butanediol. In some embodiments, the microbial biomass itself may be considered a product.
Натуральный продукт представляет собой продукт, произведенный генетически немодифицированными микроорганизмами. Например, этанол, ацетат и 2,3-бутандиол являются натуральными продуктами Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii и Clostridium ragsdalei. Ненатуральный продукт представляет собой продукт, который продуцируют генетически модифицированные микроорганизмы, а не продуцируют генетически немодифицированные микроорганизмы, из которых получены генетически модифицированные микроорганизмы.A natural product is a product produced by non-genetically modified microorganisms. For example, ethanol, acetate, and 2,3-butanediol are natural products of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, and Clostridium ragsdalei. A non-natural product is a product that is produced by genetically modified microorganisms rather than produced by the non-genetically modified microorganisms from which the genetically modified microorganisms are derived.
Термины Повышение эффективности, повышенная эффективность и т.п. включают в себя, но не ограничиваются перечисленным, увеличение темпов прироста, скорость или объем производства продукта, объем продукта в пересчете на объем потребляемого субстрата или селективность продукта. Эффективность может быть измерена относительно характеристик родительских микроорганизмов, из которых получены микроорганизмы согласно данному изобретению.Terms Increased efficiency, increased efficiency, etc. include, but are not limited to, increased growth rate, rate or volume of product production, product volume per volume of substrate consumed, or product selectivity. Efficacy can be measured relative to the characteristics of the parent microorganisms from which the microorganisms of the present invention are derived.
Как правило, культуру производят в биореакторе. Термин биореактор включает в себя устройство для культивирования/ферментации, состоящее из одного или нескольких сосудов, башен или устройств трубопроводов, как например, проточный реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR), реактор с использованием иммобилизованных клеток (ICR), реактор с орошаемым слоем (TBR), барботажная колонка, газлифтный ферментёр, статический смеситель или другой сосуд или другое устройство, подходящее для контакта газ-жидкость. В некоторых вариантах осуществления изобретения биореактор может содержать первый реактор роста и второй реактор культивирования/ферментации. Субстрат может быть подан в один или оба из этих реакторов. Используемые в данном документе термины культивирование и ферментация используются взаимозаменяемо. Эти термины охватывают как фазу роста, так и фазу биосинтеза продукта процесса культивирования/ферментации.Typically, the culture is produced in a bioreactor. The term bioreactor includes a culture/fermentation apparatus consisting of one or more vessels, towers or piping arrangements, such as a continuous stirred flow reactor (CSTR), an immobilized cell reactor (ICR), a trickled bed reactor (TBR). ), bubble column, gas lift fermenter, static mixer or other vessel or other device suitable for gas-liquid contact. In some embodiments, the bioreactor may comprise a first growth reactor and a second culture/fermentation reactor. The substrate may be fed to one or both of these reactors. As used herein, the terms cultivation and fermentation are used interchangeably. These terms cover both the growth phase and the biosynthesis phase of the product of the cultivation/fermentation process.
Культуру обычно поддерживают в водной культуральной среде, которая содержит питательные вещества, витамины и/или минералы, достаточные для роста микроорганизмов. Предпочтительно, когда водная культуральная среда представляет собой анаэробную среду для роста микроорганизмов, такую как анаэробная среда для минимального роста микроорганизмов. Подходящие среды хорошо известны в данной области техники.The culture is typically maintained in an aqueous culture medium that contains nutrients, vitamins and/or minerals sufficient for the growth of microorganisms. Preferably, the aqueous culture medium is an anaerobic medium for microbial growth, such as an anaerobic medium for minimal microbial growth. Suitable media are well known in the art.
Культивирование/ферментацию желательно проводить в подходящих условиях для производства целевого продукта. Как правило, культивирование/ферментацию проводят в анаэробных условиях. Рассматриваемые условия реакции включают в себя давление (или парциальное давление), температуру, расход газа, скорость потока жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (в случае использования проточного реактора с непрерывным перемешиванием), уровень инокулята, максимальные концентрации газового субстрата для гарантии того, что газ в жидкой фазе не становится ограничивающим, и максимальные концентрации продукта для того, чтобы не допустить ингибиции продукта. В частности, скорость введения субстрата может контролироваться, чтобы гарантировать, что концентрация газа в жидкой фазе не станет ограничивающей, так как продукты могут потребляться культурой в условиях, ограниченных газом.Cultivation/fermentation is preferably carried out under suitable conditions for the production of the target product. Typically, cultivation/fermentation is carried out under anaerobic conditions. Reaction conditions considered include pressure (or partial pressure), temperature, gas flow rate, liquid flow rate, pH of the medium, redox potential of the medium, stirring speed (if using a continuous stirred flow reactor), inoculum level, maximum gas concentrations substrate to ensure that gas in the liquid phase does not become limiting, and maximum product concentrations to avoid product inhibition. In particular, the rate of substrate introduction can be controlled to ensure that the gas concentration in the liquid phase does not become limiting as products can be consumed by the crop under gas-limited conditions.
Эксплуатация биореактора при повышенных давлениях позволяет увеличить скорость переноса массы газа из газовой фазы в жидкую фазу. Соответственно, обычно предпочтительно выполнять культивирование/ферментацию при давлениях выше, чем атмосферное давление. Кроме того, поскольку данная скорость конверсии газа частично зависит от времени удерживания субстрата, а время удерживания определяет требуемый объем биореактора, использование систем под давлением может значительно уменьшить требуемый для биореактора объем и, следовательно, капитальные затраты на оборудование культивирования/ферментации. Это, в свою очередь, означает, что время удерживания, определяемое как объем жидкости в биореакторе, деленный на скорость потока нагнетаемого газа, может быть уменьшено, когда биореакторы эксплуатируются при повышенном давлении, а не при атмосферном давлении. Оптимальные условия реакции будут частично зависеть от конкретных используемых микроорганизмов. Однако в целом предпочтительнее производить операцию ферментации при давлении выше, чем атмосферное давление. Кроме того, поскольку заданная скорость преобразования газа частично зависит от времеOperating a bioreactor at elevated pressures makes it possible to increase the rate of gas mass transfer from the gas phase to the liquid phase. Accordingly, it is generally preferable to perform cultivation/fermentation at pressures higher than atmospheric pressure. Additionally, since a given gas conversion rate is dependent in part on substrate retention time, and retention time determines the bioreactor volume required, the use of pressurized systems can significantly reduce the bioreactor volume required and therefore the capital cost of culture/fermentation equipment. This in turn means that retention time, defined as the volume of liquid in a bioreactor divided by the flow rate of the injected gas, can be reduced when bioreactors are operated at elevated pressure rather than at atmospheric pressure. Optimal reaction conditions will depend in part on the specific microorganisms used. However, in general it is preferable to carry out the fermentation operation at a pressure higher than atmospheric pressure. In addition, since the target gas conversion rate is partially dependent on time
- 14 046101 ни удерживания субстрата, а достижение требуемого времени удерживания, в свою очередь, определяет требуемый объем биореактора, использование систем под давлением может значительно уменьшить требуемый для биореактора объем и, следовательно, капитальные затраты на оборудование ферментации.- 14 046101 nor substrate retention, and achieving the required retention time in turn determines the required bioreactor volume, the use of pressurized systems can significantly reduce the bioreactor volume required and therefore the capital cost of fermentation equipment.
Целевые продукты могут быть отделены или очищены от ферментационной среды с использованием любого способа или комбинации способов, известных в данной области техники, которые включают в себя, например, фракционную дистилляцию, испарение, первапорацию, отгонку легких фракций газа, разделение фаз и экстрактивную ферментацию, что включает в себя, например, экстрагирование жидкости жидкостью. В некоторых вариантах осуществления изобретения целевые продукты извлекают из ферментационного среды путем непрерывного удаления части среды из биореактора, отделения микробиологических клеток от среды (удобно путем фильтрации) и выделения из среды одного или нескольких целевых продуктов. Спирты и/или ацетон могут быть выделены, например, путем дистилляции. Кислоты могут быть выделены, например, путем адсорбции на активированном угле. Отделенные микробные клетки предпочтительно возвращают в биореактор. Не содержащий клетки пермеат, оставшийся после удаления целевых продуктов, также предпочтительно возвращают в биореактор. Дополнительные питательные вещества (такие как витамины группы В) могут быть добавлены в не содержащий клетки пермеат для восполнения среды до ее возвращения в биореактор.The target products can be separated or purified from the fermentation medium using any method or combination of methods known in the art, which include, for example, fractional distillation, evaporation, pervaporation, stripping, phase separation and extractive fermentation, which involves, for example, extracting a liquid with a liquid. In some embodiments, the target products are recovered from the fermentation medium by continuously removing a portion of the media from the bioreactor, separating the microbial cells from the media (conveniently by filtration), and isolating one or more target products from the media. Alcohols and/or acetone can be isolated, for example, by distillation. Acids can be isolated, for example, by adsorption on activated carbon. The separated microbial cells are preferably returned to the bioreactor. The cell-free permeate remaining after removal of the target products is also preferably returned to the bioreactor. Additional nutrients (such as B vitamins) can be added to the cell-free permeate to replenish the medium before it is returned to the bioreactor.
ПримерыExamples
Следующие примеры дополнительно иллюстрируют данное изобретение, но, разумеется, никоим образом не должны толковаться как ограничивающие его объем.The following examples further illustrate the present invention, but, of course, should in no way be construed as limiting its scope.
Пример 1.Example 1.
В этом примере описывается интеграция процесса Основного Кислородного Конвертера (BOF) с процессом электролиза и процессом ферментации для обеспечения ферментационного субстрата, имеющего улучшенный состав, в результате чего получают улучшенный выход продукта ферментации.This example describes the integration of a Main Oxygen Converter (BOF) process with an electrolysis process and a fermentation process to provide a fermentation substrate having an improved composition, resulting in an improved fermentation product yield.
Процесс BOF продуцирует остаточный газ BOF, имеющий следующий состав: 50-70% СО, 15-25% СО2, 15-25% N2 и 0-5-3% ЩThe BOF process produces residual BOF gas having the following composition: 50-70% CO, 15-25% CO2, 15-25% N2 and 0-5-3% N2
Процесс электролиза продуцирует водород и кислород следующим образом:The electrolysis process produces hydrogen and oxygen as follows:
Н2О + электроэнергия ^ 2 Н2 + О2 + тепловая энергия.H2O + electricity ^ 2 H 2 + O 2 + thermal energy.
Кислород, полученный в результате процесса электролиза, подают в BOF для того, чтобы компенсировать требуемое количество кислорода.Oxygen produced from the electrolysis process is supplied to the BOF to compensate for the required amount of oxygen.
Водород, полученный в результате процесса электролиза, смешивают с остаточным газом BOF для обеспечения ферментационного субстрата, у которого соотношение Н2:СО:СО2 составляет 10:3,5:1. Ферментационный субстрат подается в биореактор, содержащий культуру штамма Clostridium autoethanogenum, депонированную в DSMZ под учетным номером DSM23693. Стехиометрия реакции процесса в целом выглядит следующим образом:Hydrogen produced from the electrolysis process is mixed with the residual BOF gas to provide the fermentation substrate, which has a H 2 : CO : CO 2 ratio of 10:3.5:1. The fermentation substrate is fed into a bioreactor containing a culture of the Clostridium autoethanogenum strain deposited with the DSMZ under accession number DSM23693. The reaction stoichiometry of the process as a whole is as follows:
• е + 100 Н2О---► 50 О2 + сталь---► 100 Н2 + 35 СО + 10 СО2 + 5 N2 j 22.5 СН3СН2ОН + 5 N2 + 32.5 Н2О• e + 100 N 2 O---► 50 O 2 + steel---► 100 N 2 + 35 CO + 10 CO 2 + 5 N 2 j 22.5 CH 3 CH 2 OH + 5 N 2 + 32.5 N 2 O
Обеспечение интеграции процессов - процесс электролиза с процессом BOF и процессом ферментации - приводит к получению этанола и уменьшению выбросов СО2 в качестве побочных продуктов.Ensuring process integration - the electrolysis process with the BOF process and the fermentation process - results in ethanol production and reduced CO 2 emissions as by-products.
Пример 2.Example 2.
В этом примере описывается интеграция процесса Основного Кислородного Конвертера (BOF) с процессом электролиза и процессом ферментации для обеспечения ферментационного субстрата, имеющего улучшенный состав, в результате чего получают улучшенный выход продукта ферментации.This example describes the integration of a Main Oxygen Converter (BOF) process with an electrolysis process and a fermentation process to provide a fermentation substrate having an improved composition, resulting in an improved fermentation product yield.
Процесс BOF продуцирует остаточный газ BOF, имеющий следующий состав: 50-70% СО, 15-25% СО2, 15-25% N2 и 0-5-3% ЩThe BOF process produces residual BOF gas having the following composition: 50-70% CO, 15-25% CO2, 15-25% N2 and 0-5-3% N2
Процесс электролиза продуцирует монооксид углерода и кислород следующим образом:The electrolysis process produces carbon monoxide and oxygen as follows:
2СО2 + электроэнергия ^ 2СО + О2 + тепловая энергия.2CO2 + electricity ^ 2CO + O 2 + thermal energy.
Кислород, полученный в результате процесса электролиза, подают в BOF для того, чтобы компенсировать требуемое количество кислорода.Oxygen produced from the electrolysis process is supplied to the BOF to compensate for the required amount of oxygen.
Монооксид углерода, полученный в результате процесса электролиза, смешивают с остаточным газом BOF для получения ферментационного субстрата, у которого соотношение Н2:СО:СО2 составляет [необходимое соотношение]. Ферментационный субстрат подается в биореактор, содержащий культуру штамма Clostridium autoethanogenum, депонированную в DSMZ под учетным номером DSM23693. Субстрат ферментируется для получения одного или нескольких продуктов ферментации, которые включают в себя этанол и поток остаточного газа. СО2 из потока остаточного газа биореактора улавливают и направляют в установку для электролиза СО2, полученный СО рециркулируют обратно в ферментер, а полученный О2 возвращают обратно в сталеплавильное производство. 100% О2 для сталеплавильного производства замещают другие источники О2 (обычно 94% О2, 6% N2), что уменьшает количество N2 в сталелитейных отходах и обогащает газы, улучшая оба технологических блока. Стехиометрия реакцииThe carbon monoxide produced from the electrolysis process is mixed with the residual BOF gas to obtain a fermentation substrate having a ratio of H2 : CO: CO2 [required ratio]. The fermentation substrate is fed into a bioreactor containing a culture of the Clostridium autoethanogenum strain deposited with the DSMZ under accession number DSM23693. The substrate is fermented to produce one or more fermentation products, which include ethanol and a tail gas stream. CO 2 from the bioreactor tail gas stream is captured and sent to a CO 2 electrolysis unit, the resulting CO is recycled back to the fermenter, and the resulting O 2 is returned back to the steelmaking plant. 100% O 2 for steel production replaces other sources of O 2 (typically 94% O 2 , 6% N2), which reduces the amount of N2 in steel waste and enriches the gases, improving both process units. Reaction stoichiometry
--
Claims (5)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/289,900 | 2016-02-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046101B1 true EA046101B1 (en) | 2024-02-06 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA3013354C (en) | Integrated fermentation and electrolysis process | |
| JP7273834B2 (en) | A process for improving carbon conversion efficiency | |
| EP3411491B1 (en) | Product management in biological conversion processes | |
| EA024474B1 (en) | Method for the production of hydrocarbon products | |
| US20220333140A1 (en) | Process for improving carbon conversion efficiency | |
| US20220325227A1 (en) | Integrated fermentation and electrolysis process for improving carbon capture efficiency | |
| EA046101B1 (en) | INTEGRATED FERMENTATION AND ELECTROLYSIS PROCESS | |
| US20220325216A1 (en) | Intermittent feedstock to gas fermentation | |
| JP2024509638A (en) | Flexible fermentation platform for improved conversion of carbon dioxide to products | |
| EA040968B1 (en) | METHOD FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF CARBON CONVERSION |