KR20180118651A - 통합형 발효 및 전해 공정 - Google Patents

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로버트 존 콘라도
크리스토프 다니엘 미할체
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Abstract

본 발명은 발효 공정과, 전해 공정, 및 C1-발생 산업 공정을 통합하는 구성을 제공한다. 특히, 본 발명은 전해 생성물, 예를들면 H2 및/또는 O2를 활용하는 공정을 제공하여, 발효 공정 또는 C1-발생 산업 공정 중 적어도 하나의 공정 효율을 개선시킨다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 전해에 의해 발생되는 H2는 발효 공정의 기질 효율을 개선하고, 전해 공정에 의해 발생되는 O2 는 C1-발생 산업 공정에 의해 생성되는 C1-함유 배가스의 조성을 개선하는 공정을 제공한다.

Description

통합형 발효 및 전해 공정
관련 출원들 상호 참조
본원은 참조로서 본원에 전체가 포함되는 2016.02.01자 출원된 미국 임시 특허출원번호 제62/289,900호의 이익을 주장한다.
이산화탄소 (CO2)는 인간 활동에 따른 지구 온실 가스 방출량의 약 76%를 차지하고, 메탄 (16%), 질소 산화물 (6%), 및 불화 가스 (2%)가 수지를 이룬다 (미국 환경보호국). 대다수 CO2 는 에너지 생산을 위한 화석 연료 연소로부터 발생하지만, 산업 및 산림 활동 역시 대기중으로 CO2 를 발생시킨다. 온실 가스 방출량, 특히 CO2 감축은, 지구 온난화 진행 및 이에 동반되는 온도 및 기후 변화 진행을 중지시키는데 중요하다.
촉매 공정이 이산화탄소 (CO2), 일산화탄소 (CO), 및/또는 수소 (H2)를 함유한 가스, 예컨대 산업 폐가스 또는 합성가스를, 다양한 연료 및 화학물질로 전환시키는데 사용될 수 있다고 오랫동안 인식되었다. 최근에, 그러나, 가스 발효가 이러한 가스의 생물학적 고정을 위한 대안 플랫폼으로 등장하였다. 특히, C1-고정 미생물은 CO2, CO, 및/또는 H2 를 함유한 가스를 생성물 예컨대 에탄올 및 2,3-부탄디올로 전환시키는 것을 보였다. 이러한 생성물의 효율적 생성은, 예를들면, 느린 미생물 성장, 제한적인 가스 소모, 독성 민감성, 또는 바람직하지 않은 부산물로의 탄소 기질 변환에 의해 한정된다.
촉매 공정, 예컨대 피셔-트롭슈 (Fischer-Tropsch) 공정이, 이산화탄소 (CO2), 일산화탄소 (CO), 및/또는 수소 (H2)를 함유하는 가스를 다양한 연료 및 화학물질로 전환하는데 사용될 수 있다고 오랫동안 인식되었다. 최근에, 그러나, 가스 발효가 이러한 가스의 생물학적 고정을 위한 대안의 플랫폼으로 등장하였다. 특히, 혐기성 C1-고정 미생물은 CO2, CO, 및/또는 H2 를 함유한 가스를 에탄올 및 2,3-부탄디올과 같은 생성물로 전환시키는 것을 보였다.
이러한 가스들은, 예를들면, 철 또는 비철 금속 제품 제조, 석유 정제, 가스화, 전력 생산, 카본 블랙 생성, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 및 코크스 제조를 포함한 산업 공정에서 유래한다. 그러나, 이들 산업 가스는 가스 발효 시스템에 사용에 최적화되도록 처리 또는 재조성되어야 한다. 특히, 산업 가스는 가스 발효에 의한 CO2 알짜 (net) 고정을 추진하고 대기 중 CO2 방출을 감소시키기에 충분한 H2 가 부족하다.
높은 수소 스트림은 에너지 요구가 낮고 반응물로서 CO2가 사용되는 발효 생성물, 예컨대 에탄올 생산에 있어서 유익하다.
따라서, 가스 발효 시스템에 전달되는 산업 가스의 H2 양을 높이는 공정을 포함하여, 가스 발효 시스템과 산업 공정을 일체화하는 개선에 대한 요구는 여전하다.
본 발명은 통합형 발효 및 산업 공정에서 탄소 포집을 개선하는 공정을 제공하고, 본 방법은 하나 이상의 공급원료를 전해 공정에 전달시켜 전해 유도 기질을 생성하고, 전해 유도 기질의 적어도 일부와 산업 공정에서 나오는 C1-함유 배가스를 혼합하여 혼합 C1-함유 가스성 기질을 제공하고, 혼합 C1-함유 가스성 기질을 적어도 하나의 C1-고정 박테리아의 배양체를 함유한 생물반응기에 전달시키고, 배양체를 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생성한다. 바람직한 실시태양에서, 전해 유도 기질은 적어도 하나의 전자 공급원 및/또는 적어도 하나의 탄소 공급원을 포함한다.
바람직하게는, 전해 유도 기질은 CO 또는 H2를 포함한다. 바람직하게는, 전해 유도 기질은 O2 를 더욱 포함하고, 상기 O2 는 산업 공정 효율 개선에 활용된다. 하나의 실시태양에서 전해 유도 기질은 H2 및O2를 포함하고, 물전해 공정에서 유래된다. 대안의 실시태양에서, 전해 유도 기질은 CO 및 O2를 포함하고, CO2 전해 공정에서 유래된다. 하나의 실시태양에서 전해 공정을 위한 에너지 투입은 풍력, 수력, 태양광, 원자력 및 지열로 이루어진 군에서 선택되는 재생 에너지 공급원이다.
산업 공정은 부분 산화 공정 및 완전 산화 공정으로 이루어진 군에서 선택되고, 예시적 부분 산화 공정은 순 산소 전로 (BOF) 반응; COREX 또는 FINEX 제강 공정, 고로 (BF) 공정, 합금철 공정, 이산화티탄 생성 공정 및 가스화 공정을 포함한다. 완전 산화 공정은 천연 가스 발전 공정, 석탄 화력 발전 공정, 및 시멘트 생산 공정을 포함한다.
소정의 실시태양들에서, C1-함유 배가스 일부는 전해 유닛에서 나오는 산소 일부와 혼합되어 산업 공정의 공급물에 요구되는 산소 농후성 (richness)에 부응된다.
발효 생성물(들)은 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 및 1프로판올로 이루어진 군에서 선택된다.
본 발명은 하나 이상의 생성물을 생산하는 통합형 공정을 더욱 제공하고, 본 공정은; 전해에 의해 수소를 생성하는 단계, 생성 수소 스트림의 적어도 일부를 적어도 CO2를 포함하는 가스성 스트림과 혼합하는 단계, 혼합 스트림을 적어도 하나의 C1 고정 박테리아의 배양체를 함유하는 생물반응기에 전달시키는 단계, 및 배양체를 발효하여 하나 이상의 생성물을 생산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 재생 수소 스트림이 물전해에 의해 생성된다. 소정의 실시태양들에서 전해 공정은 부산물로서 O2 를 생성한다. 바람직하게는, 적어도 CO2 를 포함하는 가스성 스트림은 완전 산화 공정에 의해 생성된다. 완전 산화 공정의 예시로는, 제한되지 않지만 천연 가스 발전소, 석탄 화력 발전소, 및 시멘트 생산 공정을 포함한다.
본 발명은 재생 수소를 포함하는 가스성 기질로부터 하나 이상의 생성물을 생산하는 공정을 더욱 제공하고, 본 공정은: 재생 수소를 포함하는 제1 가스성 기질, 및 CO2를 포함하는 제2 가스성 기질을 수용하는 단계, 수소 제1 부분 및 CO2 제1 부분을 CO를 포함하는 유출 스트림 생성 조건에서 작동되는 역 수성가스 전환 반응기에 전달시키는 단계, 제2 부분 수소, 제2 부분 CO2 및CO를 포함하는 유출 스트림을 혼합하여 혼합 C1-함유 기질을 제공하는 단계, 혼합 C1-함유 기질을 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양체를 함유하는 생물반응기에 전달시키는 단계, 및 배양체를 발효하여 하나 이상의 생성물을 생산하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 재생 수소는 재생 에너지 공급원의 전해에 의해 생성된다. 하나의 실시태양에서 CO2 를 포함하는 기질은 산업 공정에 의해 생성된다. 바람직한 실시태양에서, 산업 공정은 시멘트 생산 공정이다.
또한, 통합형 시스템이 제공되고; C1-발생 산업 공정 구역, 전해조, 및 C1 고정 발효 구역을 포함한다. 통합형 시스템은 C1 폐가스에서 유가 탄소 함유 생성물을 생산하고, CO2 방출을 감축하는 이점을 가진다. 물 또는 이산화탄소 전해를 위한 전해조가 제공되면 또한 전해 공정에 의해 생성되는 O2 는 산업 공정의 O2 요구를 대체하거나 보충할 수 있으므로 다른 수단에 의한 공기 분리 필요성이 감소된다.
하나의 실시태양에서, 통합형 시스템은 전해 유도 기질 일부와 C1-발생 산업 공정 구역에서 나오는 C1-함유 배가스의 적어도 일부를 혼합하여 혼합 C1-함유 기질을 생성하기 위한 혼합 구역을 더욱 포함한다. 통합형 시스템은 혼합 구역에서 C1-고정 발효 구역으로 혼합 C1-함유 기질을 전달시키기 위한 도관을 더욱 포함한다.
하나의 실시태양에서, 전해조를 위한 에너지 투입은 재생 에너지 생산 구역에 의해 제공된다. 재생 에너지 생산 구역은 풍력, 수력, 태양광, 원자력 및 지열로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 기술을 포함할 수 있다.
도 1은 순산소 전로 공정과 발효 공정의 통합을 보이는 공정 통합 구조이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 의한 순산소 전로 공정과 발효 공정 및 물전해 공정의 통합을 보이는 공정 통합 구조이다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 의한 시멘트 생산 공정과 발효 공정 및 이산화탄소 전해 공정의 통합을 보이는 공정 통합 구조이다.
도 4는 시멘트 생산 공정과 전해 공정 및 가스 발효 공정의 통합을 위한 개략적 공정을 보인다.
본 발명자들은 C1-발생 산업 공정과 C1-고정 발효 공정, 및 전해 공정의 일체화를 통해 C1-발생 산업 공정, 및 C1-고정 발효 공정에 대한 실질적인 유익이 제공될 수 있다는 것을 알았다.
“C1-발생 산업 공정”이란 작업 공정 과정에서 적어도 하나의 C1-함유 가스를 발생시키는 산업 공정이다. C1-발생 산업 공정은 원하는 최종 생성물, 또는 하나 이상의 원하는 최종 생성물 생산에서 부산물로서 C1-함유 가스를 발생시키는 임의의 산업 공정을 포함할 의도이다. 예시적 C1-발생 산업 공정은, 제한되지 않지만, 제강 공정, 예컨대 순산소 전로 (BOF) 공정; COREX 또는 FINEX 제강 공정, 고로 (BF) 공정 및 코크스로 가스 공정, 가스화 공정, 예컨대, 도시 고형 폐기물의 가스화, 바이오매스 가스화, 리그닌 및 연관 스트림의 가스화, 석유 코크스 가스화 및 석탄 가스화, 이산화티탄 생성 공정, 시멘트 생산 공정, 천연 가스 발전 공정 및 석탄 화력 발전 공정을 포함한다.
“원하는 최종 생성물”은 산업 공정의 주요 또는 목표 생성물을 포괄할 의도이다. 예를들면, 제강 공정의 원하는 최종 생성물은 강철 제품이고, C1-함유 가스는 부산물로 발생되지만, MSW 가스화 공정에서는, 합성가스, C1-함유 가스가 가스화 공정의 원하는 최종 생성물이다.
수소는 발효 공정을 위한 특히 적합한 에너지 공급원이다. 본 발명자들은 수소 생산 전해 공정과 C1-발생 산업 공정 및 C1-고정 발효 공정 양자와의 통합에 대한 수 많은 상승 효과들을 확인하였다. 더욱 상세하게는, 본 발명자들은 전해 공정이 C1-발생 산업 공정과 결합되면, 산업 공정에서 발생되는 C1-함유 가스의 조성을 개선할 수 있다는 것을 알았다.
수소는 전해 공정에서, 다음 화학량론적 반응에 의해 생성된다:
2 H2O + 전기 -> 2 H2 + O2 + 열
물전해 기술들이 본 분야에서 알려져 있다. 예시적 공정으로는 알칼리성 물전해, 단백질 교환막 (PEM) 전해, 및 고체 산화물 전해를 포함한다. 적합한 전해조는 알칼리성 전해조, PEM 전해조, 및 고체 산화물 전해조 (Ursua et al, Hydrogen Production From Water Electrolysis: Current Status and Future Trends, In: Proceedings of the IEEE100(2): 410-426, Feb 2012)를 포함한다. 전기분해에 의해 생산되는 수소는 적합한 탄소 공급원 예를들면 적어도 하나의 C1 함유 가스, 예컨대 일산화탄소 (CO) 및/또는 이산화탄소 (CO2)를 함유하는 산업 폐가스와 조합하여 공급될 때 가스 발효를 위한 공급원료로 사용될 수 있다.
또한 추가 공급원료 (feedstock)를 제공하고 기질 조성을 개선할 수단으로 생성 수소가 적어도 수소 일부를 포함하는 산업 가스 스트림과 혼합될 수 있다. 기질 조성이 개선되어 원하는 또는 최적 H2:CO:CO2 비율이 제공된다. 원하는 H2:CO:CO2 비율은 발효 공정에서 원하는 발효 생성물에 따라 달라진다. 에탄올의 경우, 에탄올 생성을 위한 화학량론
Figure pct00001
을 만족하기 위하여 최적 H2:CO:CO2 비율은:
Figure pct00002
, 식중
Figure pct00003
, 이다.
달리 일산화탄소 및 산소가 전해 공정에서, 다음 화학량론적 반응: 2CO2 + 전기 -> 2CO + O2 + 열에 의해 생산될 수 있다. 전기분해에 의해 생산되는 일산화탄소는 가스 발효를 위한 공급원료로 사용될 수 있다. 또한 추가 공급원료의 공급 수단으로 생성 CO가 산업 가스 스트림과 혼합될 수 있다.
CO2 감소 전해 공정 및 전해조가 알려져 있다. CO2 감소를 위해 상이한 촉매를 사용하면 최종 생성물에 영향을 준다. Au, Ag, Zn, Pd, 및 Ga 촉매를 포함하는 촉매는 CO2에서 CO 생성에 효과적이라는 것을 보인다. 표준 전해조, 예컨대 물전해에 대하여 상기된 것이 사용될 수 있다. (Jhong et al; Electrochemical conversion of CO2 to useful chemicals: current status, remaining challenges, and future opportunities, In: Science Direct; Current Opinion in Chemical Engineering 2013, 2:191-199).
놀랍게도, 본 발명자들은 상기 전해 공정의 O2 부산물은 발효를 위한 산업 가스 이용에 더욱 유익하다는 것을 알았다. 본 발명의 발효 공정은 혐기성 공정이지만, 본 발명자들은 수소 생성 공정 및 CO 생성 공정 모두의 O2 부산물은 C1-함유 배가스가 유래되는 C1-발생 산업 공정에서 사용될 수 있다는 것을 알았다. 전해 공정의 고-순도 O2 부산물은 산업 공정과 통합되어 유익하게도 비용을 절감하고 몇몇 경우에 산업 공정 및 이어 가스 발효 모두에 대하여 추가로 비용을 절감하는 상승 효과를 가진다.
전형적으로, 본원에 기술되는 산업 공정은 요구 산소를 공기 분리에 의해 유도한다. 공기 분리에 의한 산소 생산은 최고순도를 달성하기 위하여 극저온으로 N2에서 O2 를 분리하는 에너지 집약적 공정이다.
전기분해에 의한 O2 공동-생산, 및 공기 분리에 의해 생산되는 O2 대체로, 산업 공정에서 전기 비용의5% 까지를 절감할 수 있다. 예를들면, 전해 공정은 생산 H2 의 Nm3 당 5 kWh 전기 소비를 가정하면, 224 kWh/kmol O2 를 소비한다. 이는 생산되는 고순도 O2 톤 당300 kWh, 9.6 kWh/kmol 생산 O2를 소비하는 현대식 공기 분리 유닛과 비교된다. 추가로, 고순도 O2 공급원이 제공되면 산업 공정에 의해 생성되는 C1-가스함유 배가스가 농축되어, 발효에 더욱 효율적인 C1-함유 기질이 제공된다. 예를들면, 전형적인 BOF 배가스는 대략 20% 질소를 함유한다 (전형적인 BOF 배가스 조성은 60%CO, 20% CO2, 20% N2). BOF 스트림에서 N2 는 전형적으로 94% O2 및 6% N2인 BOF 공정의 O2 공급의 결과이다. BOF 가스가 100,000 Nm3/h 생성되고, BOF 스트림에 총 탄소 포집을 위해 물전해에 의해 생산되는 충분한 H2 가 보충되는 경우 (대략 180,000 Nm3/h H2), 전해 공정에 의한 가용 O2가, 전형적인 공급인 94%O2/6%N2을 대체하도록 BOF 공정으로 보내질 때, 결과적인 BOF 가스에서 N2 조성은 대략 57%까지 감소된다. 본 발명의 소정의 실시태양들에서, C1-함유 배가스에서 질소 농도를 감소시키는 공정이 제공되고, 본 공정은 전형적인 BOF 공정 O2 공급물을, 물전해 공정에 의해 유래하는 고순도 O2 스트림으로 대체하는 단계를 포함한다. 소정의 실시태양들에서, C1-함유 배가스에서 질소 농도는 전형적인 O2 공급이 대체되지 않는 공정과 비교할 때 적어도 20%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 55% 감소된다.
부분 산화 반응이 관여되는 다수의 C1-발생 산업 공정은, O2 투입이 필요하다. 예시적 산업 공정은 순산소 전로 (BOF) 반응; COREX 또는 FINEX 제강 공정, 고로 (BF) 공정, 합금철 생성 공정, 이산화티탄 생성 공정, 및 가스화 공정을 포함한다. 가스화 공정은, 제한되지 않지만 도시 고형 폐기물 가스화, 바이오매스 가스화, 석유 코크스 가스화 및 석탄 가스화, 리그닌 및 연관 스트림의 가스화, 이산화티탄 생성 공정, 시멘트 생산 공정, 천연 가스 발전 공정 및 석탄 화력 발전 공정을 포함한다.
예를들면, 순산소 전로 (BOF)와 발효 유닛, 및 전해 유닛의 통합은 여러 상승적 이점들을 제공한다. 전형적인 BOF 및 발효 통합은 BOF 공정에서 생성되는C1-함유 배-가스를 C1-고정 미생물을 활용하여 발효 공급원료로 사용하는 단계를 포함한다. 도 1은 C1-활용 발효와의 전형적인 BOF 공정 통합을 보인다. 공기 (10)는 공기 분리 유닛 (14), 예를들면 액화 증류 유닛 또는 PSA로 공급되고, 공기는 분리되어 O2 스트림 및 N2 스트림을 제공한다. N2 스트림은 분리 유닛으로부터 도관 (16)을 통해 제거된다. O2 는 도관 (18)을 통해 BOF 유닛 (22)에 전달된다. BOF 유닛은 (전형적으로 고로로부터 수용되는) 용융 선철 (20) 및 O2를 수용한다. 용선을 O2 로 처리하면 용선 중의 탄소로부터 CO 및 CO2가 방출된다. BOF 공정의 원하는 최종 생성물은 도관 (24)를 통해 회수된다. CO 및 CO2 를 포함한 얻어진 가스 스트림은 BOF 유닛 (22)으로부터 도관 (26)을 통해 가스 처리 유닛 (28)으로 이송되고 여기에서 가스는 적어도 하나의 처리 공정을 거쳐 가스로부터 임의의 원치 않는 오염물들이 제거된다. 가스 처리 유닛 (28)에서 유출되는 C1-함유 가스성 기질은 도관 (30)을 통해 생물반응기 (32)로 전달된다. 생물반응기 (32)는 액상 영양배지 중에 적어도 하나의 C1-고정 미생물의 배양체를 가진다. C1-고정 박테리아는 C1-함유 기질 중 적어도 하나의 C1-성분을, 탄소 공급원으로 활용하고, 하나 이상의 발효 생성물을 생산한다. 하나 이상의 발효 생성물이 도관 (36)을 통해 발효 배지로부터 회수된다. CO2 및 미반응 CO를 포함하는 유출 가스는 생물반응기 (32)로부터 유출 가스로서 방출 도관 (34)을 통해 배출된다. 전형적인 BOF 공정 유출 가스는 최소량의 수소와 CO, CO2 및 질소를 함유한다. 예시적 BOF 유출 가스 스트림 조성은 50-70% CO, 15-25% CO2, 15-25% N2, 및 0-5-3%H2이다.
C1-함유 기질에서 충분한 H2 가 결여되면, C1-고정 박테리아에 의해 활용되는 CO는 다음과 같이 에탄올 및 CO2 로 전환된다: 6CO +3H2O -> C2H5OH + 4CO2. BOF 공정과 발효 공정의 통합 전에는, BOF 공정의 유출 스트림은 전형적으로 발전에 사용된다. 전기 생산의 반응 화학량론: 6 CO -> 6 CO2 + 전기. 가스 발효 유닛의 통합으로 총 CO2 방출은 33%까지 감소된다(전기 생산의 BOF 공정과 비교).
본 발명은 C1-발생 산업 공정 및 발효 통합 효율을 개선하는 공정을 제공한다. 특히, 본 발명은 통합형 설비에서 방출되는 총 CO2 양을 실질적으로 감소하기 위한 공정 및 시스템을 제공한다.
전해 생성물 (예를들면 수소, 일산화탄소 및 산소)은 또한 산업 생산 공정 및 가스 발효 공정 예를들면 C1-함유 배가스가 발효 기질로서 사용하기에 적합한 산업 공정에서 전체적인 통합 효율을 개선시키기 위하여 활용될 수 있고, 또한 수소 또는 일산화탄소와의 혼합에 의한 기질 최적화는 발효에 있어 전체적인 탄소 활용을 개선할 수 있다. 효율은, (i) 발효 기질 조성 개선을 위한 수소 이용; (ii) 발효 기질 조성 개선을 위한 일산화탄소 이용; (iii) 산업 공정의 산소 요건을 보충하기 위하여 전해 공정에서 유래되는 산소 이용; (iv) 추가 CO 생산 및 추가 CO2 방출 감소를 위하여 발효 공정 유출 가스 스트림에서 나온 CO2 를 CO2 전해조로 재순환; 또는 (v) 상기의 조합에 의해 개선될 수 있다.
수소는 발효 기질 조성 개선에 사용될 수 있다. 수소는 탄소 함유 가스를 유용한 생성물로 전환하기 위하여 미생물에 의해 요구되는 에너지를 제공한다. 최적 수소 농도가 제공되면, 미생물 배양체는 임의의 이산화탄소 공동-생산 없이 원하는 발효 생성물 (즉 에탄올)을 생산할 수 있다.
CO2 전기분해로 생산되는 일산화탄소는 발효 기질 조성을 개선하기 위하여 사용될 수 있고, 발효 기질로 활용되는 산업 폐가스의CO 함량을 농후화한다. 추가로, 발효 공정에 의해 생성되는 임의의 CO2 는 CO2 전해조의 공급원료로 재순환될 수 있고, 따라서 CO2 방출을 더욱 줄이고 액체 발효 생성물에 포집되는 탄소량을 증가시킬 수 있다.
여러 이들 산업 공정에서, 산소는 공기 공급에서 유래한다. 부분 산화 공정, 예컨대 순산소 전로 (BOF) 공정; COREX 또는 FINEX 제강 공정, 고로 (BF) 공정, 이산화티탄 생성 공정, 합금철 생성 공정 및 가스화 공정에서, O2 는 전형적으로 공기 분리 공정 (예를들면 액화 증류 또는 PSA 분리)을 이용하여 공기에서 생산된다. 본 발명에 의하면, 전해 공정에서 생산되는 O2 는, 공기 분리 요건을 줄이거나 대체할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 의한 통합형 시스템 및 공정 개략도이다. 전해 유닛 (210)은 재생 에너지 및 물을 수용한다. 재생 에너지의 예시적 공급원은, 제한되지 않지만 풍력, 수력, 태양 에너지, 지열 에너지, 원자력 및 이들 조합을 포함한다. 에너지 및 물은 다음 반응에 따라 수소 및 산소를 생산한다: 2 H2O + 전기 -> 2 H2 + O2 + 열. 전해 유닛 (210)에 의해 생산되는 O2 는 도관 (218)을 통해 BOF 유닛 (222)에 제공된다. BOF 유닛 (222)은 또한 도관 (220)을 통해 용융 선철을 수용한다 (전형적으로 용융 선철은 고로 공정으로부터 수용된다). O2 는 용융 선철에 전달되어 철, 및 CO 및 CO2를 포함하는 유출 가스를 생성한다. 유출 가스는 도관 (226)을 통해 가스 처리 유닛 (228)으로 전달되고, 가스 처리 유닛 (228)은 가스 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 제거하기 위한 적어도 하나의 가스 처리 모듈을 포함한다. 가스 처리 유닛 (228)에서 나온 C1-함유 기질은 도관 (230)을 통해 생물반응기 (232)로 이송된다. 본 발명의 일 양태에 의하면, 전해 유닛 (210)에서 생산되는 수소는 도관 (238)을 통해 생물반응기 또는 선택적인 혼합 수단으로 전달된다. 바람직한 실시태양에서, H2는 C1-함유 기질이 생물반응기 (230)에 전달하기 전에 C1-함유 기질과 혼합된다. 생물반응기는 C1-고정 박테리아 배양체에 의해 C1-함유 기질 발효로 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 조건에서 작동된다. 발효 생성물은 도관 (236)을 통해 회수된다. 도 2의 시스템 및 공정은, 또한 C1-함유 기질 및 전해 공정에서 생산되는 수소 스트림의 혼합을 위한 혼합 수단 (미도시)을 포함한다. 수소 농후 C1-함유 기질이 생물반응기 (232)에 제공된다. 수소 농후 C1-함유 기질 조성 및 생산되는 생성물 함량은, 대체로 다음 식으로 정의된다;
Figure pct00004
], 식중 CO2 소비에 대하여
Figure pct00005
. 일부 경우에서, CO2는 화학량론적함량,
Figure pct00006
보다 과잉으로 존재할 수 있다.
도 2에 기술되는 본 발명은, 부분 산화 공정이 포함되는 다수의 다른 산업 공정에 적용될 수 있다. 예시적 통합은 이하 제공된다.
고로 (BF) 및 이의 가스 공급 및 가스 생성물: 전기분해로 생산되는 H2 는 고로 배가스와 조합되어 C1-함유 기질의 H2:CO:CO2 비율을 조종한다. 얻어진 C1-함유 기질은 발효 공정에 제공되어 에탄올 또는 기타 화학물질을 생산한다. 전해 공정에서 생산되는 O2 는 고로에 산소 요구를 공급하는데 사용된다. 전기분해로 생산되는 O2 는 고로의 산소 요건을 충족하기에 충분하고, (농후 O2 공급에 의한) N2 최소화는 C1-가스농후 BF 가스 생성을 가능하게 한다. C1-농후 BF 가스는 이러한 조합 가스 스트림의 발효 비용을 낮추는 유익이 있다.
가스화 공급원료 및 이의 가스 공급 및 가스 생성물: 전기분해로 생산되는 H2 는 가스화 바이오매스/도시 고형 폐기물 (MSW)/ DSW/석유 코크스/석탄/중유/석유/고체 연료로부터의 가스와 조합되어 C1-함유 기질의 H2:CO:CO2 비율을 조종한다. 얻어진 C1- 함유 기질은 발효 공정에 제공되어 에탄올 또는 기타 생성물을 생산한다. 전기분해로 생산되는 O2 는 가스화 장치에 산소 요구를 공급하는데 사용되어 질소 함량이 낮은 합성가스 생성을 가능하게 한다.
COREX/FINEX 제강 및 이의 가스 공급 및 가스 생성물: 전기분해로 생산되는 H2 는 COREX/FINEX 배가스와 조합되어 C1-함유 기질의 H2:CO:CO2 비율을 조종한다. 얻어진 C1- 함유 기질은 발효 공정에 제공되어 에탄올 또는 기타 생성물을 생산한다. 전기분해로 생산되는 O2 는 COREX 유닛에 산소 요구를 공급하는데 사용된다.
이산화티탄 및 이의 가스 공급 및 가스 생성물: 전기분해로 생산되는 H2 는 이산화티탄 생성 공정 배가스와 조합되어 C1-함유 기질의 H2:CO:CO2 비율을 조종한다. 얻어진 C1- 함유 기질은 발효 공정에 제공되어 에탄올 또는 기타 생성물을 생산한다. 전기분해로 생산되는 O2 는 이산화티탄 생성 유닛에 산소 요구를 공급하는데 사용된다.
일 양태에서 본 발명은 하나 이상의 생성물을 생산하는 통합형 공정을 제공하고, 본 공정은; 전기분해에 의한 수소 생성 단계; 생성 수소의 적어도 일부와 적어도 하나의 C1 가스를 포함하는 가스성 스트림과의 혼합으로 혼합 가스성 스트림을 제공하는 단계; 혼합 가스성 스트림을 적어도 하나의 C1 고정 박테리아 배양체를 함유하는 생물반응기로 전달시키는 단계; 및 배양체를 발효하여 하나 이상의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함한다. 소정의 실시태양들에서, 발효 공정은 또한 CO2를 포함하는 유출 가스 스트림을 생성한다.
하나의 실시태양에서, 본 발명은 통합형 공정을 제공하고, 이는: 재생 에너지 공급원을 이용하여 물전해에 의한 H2 및O2 의 생성 단계; 생성 O2 의 적어도 일부를 C1-발생 산업 공정에 제공하는 단계; 적어도 하나의 C1-성분을 포함하는 배가스를 발생시키는 조건에서 C1-발생 산업 공정을 작동하는 단계, 적어도 하나의 C1-성분을 포함하는 배가스의 적어도 일부와 생성 수소의 적어도 일부를 혼합하여 C1-함유 가스성 기질을 제공하는 단계; C1-함유 가스성 기질을 C1-고정 박테리아 배양체 함유 생물반응기에 전달시키는 단계; 및 C1-함유 가스성 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함한다.
하나의 실시태양에서, 본 발명은 통합형 공정을 제공하고, 이는: 재생 에너지 공급원을 이용하여 물전해에 의한 H2 및O2 의 생성 단계, 생성 O2 의 적어도 일부를 부분 산화 공정에 제공하는 단계, 부분 산화에 의해 C1-함유 배가스를 발생시키는 단계, C1-함유 배가스의 적어도 일부를 생성 H2 의 적어도 일부와 혼합하여 C1-함유 기질을 제공하는 단계, C1-함유 기질을 C1-고정 박테리아 배양체 함유 생물반응기에 전달시키는 단계, 및 C1-함유 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함한다.
어떤 경우에는 C1 함유 가스의 조성은 본 발명의 발효 공정에 이상적이지 않다. 지리적 제한, 가용 수소 공급원 부족, 또는 가격으로 인하여, 발효 공정을 위한 가스가 이용되지 못한다. 재생 수소 (즉 전해에 의해 생성되는 수소)를 이용하여, 다수의 이러한 제한들이 줄어들거나 없어질 수 있다. 또한, C1 함유 가스와 재생 수소 스트림을 혼합하면, 에너지적으로 개선된 혼합 기질 스트림이 제공된다.
본원에 개시되는 C1 발효 공정에 이상적이지 않은 C1 함유 가스를 생성하는 다수의 산업 공정이 확인되었고, 시멘트 생산 공정, 천연 가스 발전소, 정제 공정, 및 에탄올 생물반응기 발효 공정을 포함한다. 시멘트 생산 공정은 전형적으로 CO2 농후 유출 가스 스트림을 생성한다. CO2 는 C1- 고정 미생물에 의해 활용될 수 있지만, CO2 를 생성물로 고정하기 위하여 요구되는 에너지를 제공하기 위하여 수소가 요구된다.
완전 산화 공정, 예컨대 시멘트 생산 공정이, CO2 전해조 및 C1-고정 발효 공정과 통합되면 (i) CO2 를, 에너지적으로 바람직한 발효 기질인 CO로 전환하는 메카니즘 제공; (ii) 전해 공정에 의해 제공되는 O2 는 시멘트 생산 공정에 대한 공기 공급을 대체하고 시멘트 생산 공정의 유출 가스에서 CO2 조성을 증가시키고; (iii) 발효 공정에 의해 생성되는 CO2 는 CO2 전해조로 재순환되고 발효를 위한 CO 기질로 전환됨으로써, 조합 공정에 의한 CO2 방출을 더욱 줄이는 다수의 상승적 이점들이 제공된다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 의한 통합형 시스템 및 공정 개략도이다. 전해 유닛 (310)은 에너지 및 이산화탄소를 수용한다. 예시적 재생 에너지 공급원은, 제한되지 않지만 풍력, 수력, 태양 에너지, 지열 에너지, 원자력 및 이들 조합을 포함한다. 에너지 및 CO2 는 다음 반응에 따라 일산화탄소 및 O2를 생산한다: 2 CO2+ 전기 -> 2 CO + O2 + 열. 전해조 (310)에 의해 생성되는 O2 는 도관 (318)을 통해 시멘트 생산 유닛 (322)으로 제공되어, 시멘트 생산 공정의 공기 요건을 대체한다. CO2 를 포함하는 배가스는 도관 (326)를 통하여 가스 처리 유닛 (328)으로 전달된다. 가스 처리 유닛 (328)은 가스 스트림의 하나 이상의 오염물들을 제거하기 위한 적어도 하나의 가스 처리 모듈을 포함한다. 가스 처리 유닛 (328)에서 유출되는 C1-함유 기질은 도관 (330)을 통해 전해조 (310)에 전달된다. 본 발명의 일 양태에 의하면, 전해조 (310)에서 생산되는 일산화탄소는 도관 (338)을 통해 생물반응기 (332)로 이송된다. 소정의 실시태양들에서, 수소는 생물반응기에 제공되거나, 또는 CO 스트림이 생물반응기에 유입되기 전에 CO 스트림과 혼합된다. 생물반응기는 C1-고정 박테리아 배양체에 의해 C1-함유 기질 발효에 따라 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 조건에서 작동된다. 발효 생성물은 도관 (336)을 통해 회수된다. 발효 공정은 또한 CO2를 포함하는 유출 가스를 생성한다. 바람직한 실시태양들에서, 유출 가스 스트림의 CO2 적어도 일부는 도관 (340)을 통해, CO2 전해 공정 공급원료로서 CO2 전해조에 전달된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 통합형 공정을 제공하고, 이는: 이산화탄소의 전기분해에 의해 CO 및 O2 를 생성하는 단계, 생성 O2 의 적어도 일부를 C1-발생 산업 공정에 제공하는 단계, 적어도 하나의 C1-성분을 포함하는 배가스가 발생되는 조건에서 C1-발생 산업 공정을 작동시키는 단계, 생성 CO의 적어도 일부와 배가스의 C1-성분을 혼합하여 혼합 C1-함유 기질을 생성하는 단계, 혼합 C1-함유 기질을 C1-고정 박테리아 배양체 함유 생물반응기로 전달하는 단계, 및 혼합 C1-함유 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함한다.
하나의 실시태양에서, 본 발명은 통합형 공정을 제공하고, 이는: 이산화탄소의 전기분해에 의해 CO 및 O2 를 생성하는 단계, 생성 O2 의 적어도 일부를 부분 산화 공정에 제공하는 단계, 부분 산화에 의해 C1-함유 배가스를 발생시키는 단계, 생성 CO의 적어도 일부를 C1-함유 배가스의 적어도 일부와 혼합하여 혼합 C1-함유 기질을 제공하는 단계, 혼합 C1-함유 기질을 C1-고정 박테리아 배양체 함유 생물반응기로 전달하는 단계, 및 혼합 C1-함유 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함한다.
부분 산화 공정은, 부분 산화 반응을 포함하는 산업 공정이다. 부분 산화 공정은 순산소 전로 (BOF) 반응, COREX 또는 FINEX 제강 공정, 고로 (BF) 공정, 합금철 공정; 이산화티탄 생성 공정 및 가스화 공정으로 이루어진 군에서 선택된다. 가스화 공정은 도시 고형 폐기물 가스화 공정, 바이오매스 가스화 공정, 석유 코크스 가스화 공정, 및 석탄 가스화 공정으로 이루어진 군에서 선택된다. 바람직한 실시태양에서, 부분 산화 공정은 BOF 공정이다.
C1-함유 배가스는 적어도 하나의 C1-성분을 포함한다. C1-함유 배가스 중 C1-성분은 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 이들 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. C1-함유 배가스는 하나 이상의 비-C1 성분, 예컨대 질소 및 수소를 더욱 포함한다. C1-함유 배가스는 산업 공정으로부터 독성 또는 오염물 성분을 더욱 포함한다. 바람직한 실시태양에서, C1-함유 배가스는 적어도 하나의 오염물 또는 비-C1 성분을 제거하고, 생물반응기로 전달되기 전에 순수 C1-함유 배가스를 제공하기 위하여, 가스 처리 유닛에 이송된다.
대안의 실시태양에서, 본 발명은 통합형 공정을 제공하고, 이는 CO2 전기분해에 의한 CO 및 O2 의 생성 단계, 생성 O2 의 적어도 일부를 완전 산화 공정으로 제공하는 단계, 완전 산화에 의한 CO2-함유 배가스 발생 단계, CO2-함유 배가스의 적어도 일부를 공급원료로서 전해 공정으로 전달하는 단계; 생성 CO의 적어도 일부를 C1-고정 박테리아 배양체 함유 생물반응기로 전달하는 단계, 및 CO를 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물 및 CO2를 포함하는 생물반응기 배가스 스트림을 생성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, CO2를 포함하는 생물반응기 배가스 스트림의 적어도 일부는 CO2 전해 공정으로 재순환된다.
시멘트 생산 공정과 물전해 공정의 통합으로 에너지적으로 개선된 가스성 기질이 가능하다. 통합은, (i) 시멘트 생산 공정에 대한 공기 공급을 전해 공정의 O2 로 대체하고, 시멘트 생산 공정의 유출 가스에서 CO2 조성이 증가하고, (ii) 전해 공정에서 생성되는 수소와 얻어진 CO2 농후 가스와의 혼합으로 발효 공정에 적합한 CO2 및 H2 가스 스트림이 제공되는2가지 이점들을 가진다.
본 발명의 특정 양태에서, 시멘트 생산 공정에서 나오는 CO2 의 적어도 제1 부분 및 전해 공정에서 나오는 수소의 제1 부분은 역 수성가스 전환 공정(RWGS)에 제공되어 다음 화학량론적 반응에 따라 CO를 생산한다:
CO2 + H2 ↔ CO + H2O
RWGS에 의해 생성되는 CO 는, 산업 가스 스트림에서 유래하는 CO2 의 제2 부분 및 생성 수소의 제2 부분과 혼합되어 원하는 조성을 가지는 발효 기질을 제공한다. 원하는 발효 기질 조성은 발효 반응의 원하는 발효 생성물에 따라 달라진다. 에탄올 생성에 있어서, 예를들면, 원하는 조성은 다음 화학식으로 결정된다:
Figure pct00007
, 식 중 CO2 소비에 있어서
Figure pct00008
. 소정의 실시태양들에서, 발효 기질은 H2: CO 비율이 20:1 미만 또는 15:1 미만 또는 10:1 미만 또는 8:1 미만 또는 5:1 미만 또는 3:1 미만이고 CO2 는 대수 공식에 따라 적어도 화학량론적 함량으로 가용된다.
다른 실시태양들에서, 본 발명은 통합형 공정을 제공하고, 이는: 재생 에너지 공급원을 이용하여 물전해에 의해 H2 및 O2 를 생성하는 단계, 생성 O2 의 적어도 일부를 완전 산화 공정에 제공하는 단계, 완전 산화에 의해 C1-함유 배가스의 발생 단계; C1-함유 배가스의 적어도 일부와 생성 H2 의 적어도 일부를 혼합하여 C1-함유 기질을 생성하는 단계, C1-함유 기질을 C1-고정 박테리아 배양체 함유 생물반응기에 전달하는 단계, 및 C1-함유 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함한다.
완전 산화 공정은 시멘트 생산 공정, 천연 가스 발전 공정 및 석탄 화력 발전 공정으로 이루어진 군에서 선택된다. 완전 산화에 의해 생성되는 C1-함유 배가스는 CO2를 포함한다. 일부 실시태양들에서 완전 산화에 의해 생성되는 C1-함유 배가스는 H2, CO 및 CH4 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 더욱 포함한다.
도 4는 시멘트 생산 공정과 전해 공정 및 가스 발효 공정이 통합된 개략 공정을 도시한 것이다. 전해 유닛 (410)에서 재생 에너지 및 물의 전기분해로 H2 및O2 가 생성된다. 생성 O2 는 시멘트 생산 유닛 (422)으로 제공되어, 시멘트 생산 공정의 공기 요건을 대체한다. 시멘트 생산 공정은 CO2 농후 배가스를 생성한다. 시멘트 생산 공정에서 나오는 CO2 농후 배가스의 제1 부분, 및 전해 공정에서 나오는 수소의 제1 부분은 역 수성가스 전환 반응기 (428)로 보내진다. CO2 및 H2 는 반응하여 CO를 포함하는 유출 스트림을 생성한다. 시멘트 생산 공정에서 나오는 CO2 농후 배가스의 제2 부분, 및 전해 공정에서 나오는 수소의 제2 부분은 RWGS 반응기에서 나오는 CO 농후 유출 가스와 혼합되어 C1-함유 기질을 생성한다. C1-함유 기질은 C1-고정 박테리아 배양체 함유 생물반응기 (432)로 전달된다. C1-함유 기질이 발효되어 적어도 하나의 발효 생성물이 생산된다.
“C1-고정 미생물”은 C1탄소 공급원으로부터 하나 이상의 생성물을 생산할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 미생물은 C1-고정 박테리아이다. 바람직한 실시태양에서, 미생물은 표 1에 제시되는 C1-고정 미생물 또는 이로부터 유래된다. 미생물은 기능성 특징에 기반하여 분류될 수 있다. 예를들면, 미생물은 C1-고정 미생물, 혐기성생물, 아세토겐, 에탄올로겐, 및/또는 카복시도영양생물일 수 있거나 이로부터 유래될 수 있다. 표 1은 미생물의 대표적인 목록을 제공하고 그들의 기능성 특징을 확인한다.
표 1 C1-고정 혐기성생물 아세토겐 에탄올로겐 독립영양생물 카복시도영양생물 메타노영양생물
아세토박테리움 우디이 + + + +/- 1 - +/- 2 -
알칼리바쿨룸 바치이 + + + + + + -
블라우티아 프로덕트 + + + - + + -
부티리박테리움 메틸로트로피쿰 + + + + + + -
클로스트리듐 아세티쿰 + + + - + + -
클로스트리듐 오토에타노게눔 + + + + + + -
클로스트리듐 바르복시디보란스 + + + + + + -
클로스트리듐 코스카티이 + + + + + + -
클로스트리듐 드라케이 + + + - + + -
클로스트리듐 포르미코아세티쿰 + + + - + + -
클로스트리듐 륭달리 + + + + + + -
클로스트리듐 마그눔 + + + - + +/- 3 -
클로스트리듐 라그스달레이 + + + + + + -
클로스트리듐 스카톨로게네스 + + + - + + -
유박테리움 리모숨 + + + - + + -
모오엘라 테르마우토트로피카 + + + + + + -
모오엘라 테르모아세티카 (이전 클로스트리듐 테르모아세티쿰) + + + - 4 + + -
옥소박터 펜니기이 + + + - + + -
스포로무사 오바타 + + + - + +/- 5 -
스포로무사 실바세티카 + + + - + +/- 6 -
스포로무사 스파에로이데스 + + + - + +/- 7 -
테르모아나에로박터 키우비 + + + - + - -
Figure pct00009
"C1"은 1-탄소 분자, 예를들면, CO 또는 CO2 를 지칭한다. "C1-옥시게네이트"는 적어도 1종의 산소 원자를 또한 포함하는 1-탄소 분자, 예를들면, CO 또는 CO2 를 지칭한다. "C1-탄소 공급원"은 미생물에 대하여 부분적 또는 단독 탄소 공급원으로서 작용하는 1 탄소-분자를 지칭한다. 예를들면, C1-탄소 공급원은 1종 이상의 CO, CO2, 또는 CH2O2를 포함할 수 있다. 바람직하게는, C1-탄소 공급원은 CO 및 CO2의 한쪽 또는 양쪽을 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1-탄소 공급원으로부터 1종 이상의 생성물을 생산하기 위한 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 미생물은 C1-고정 박테리아이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 표 1에서 확인된 C1-고정 미생물이거나 이로부터 유래된다.
"혐기성생물"은 성장에 산소가 필요 없는 미생물이다. 산소가 특정 역치 초과 존재하면 혐기성생물은 부정적으로 반응할 수 있거나 심지어 죽을 수 있다. 전형적으로, 미생물은 혐기성생물 (즉, 혐기성) 이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 표 1에서 확인된 혐기성생물이거나 이로부터 유래된다.
"아세토겐"은 혐기성 호흡의 생성물로서 아세테이트 (또는 아세트산)을 생산하는 또는 생산할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 아세토겐은 에너지 보존을 위하여 그리고 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA-유래된 생성물, 예컨대 아세테이트의 합성을 위하여 그들의 주요 기전으로서 우드-리융다흘 경로를 이용하는 절대적으로 혐기성 박테리아이다 (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008). 아세토겐은 아세틸-CoA 경로를 (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원성 합성용 기전, (2) 말단 전자-허용, 에너지 보존 공정, (3) 세포 탄소의 합성에서 CO2의 고착 (동화작용)용 기전으로서 이용한다 (Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). 모든 자연 발생 아세토겐은 C1-고정, 혐기성, 자가영양, 및 비-메탄영양성이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 아세토겐이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 표 1에서 확인된 아세토겐이거나 이로부터 유래된다.
"에탄올로겐"은 에탄올을 생산하는 또는 생산할 수 있는 미생물이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 에탄올로겐이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 표 1에서 확인된 에탄올로겐이거나 이로부터 유래된다.
"독립영양생물"은 유기 탄소의 부재 하에 성장할 수 있는 미생물이다. 대신에, 독립영양생물은 무기 탄소 공급원, 예컨대 CO 및/또는 CO2를 이용한다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 독립영양생물이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 표 1에서 확인된 독립영양생물이거나 이로부터 유래된다.
"카복시도영양생물"은 탄소의 단독 공급원으로서 CO를 사용할 수 있는 미생물이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 카복시도영양생물이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 표 1에서 확인된 카복시도영양생물이거나 이로부터 유래된다.
특정 구현예에서, 미생물은 소정의 기질 예컨대 메탄 또는 메탄올을 소비하지 않는다. 구현예에서, 미생물은 메타노영양생물이 아니고 및/또는 메틸영양균이 아니다.
더욱 광범위하게, 미생물은 표 1에서 확인된 임의의 속 또는 종이거나 이로부터 유래될 수 있다. 예를들면, 미생물은 클로스트리듐 속의 멤버일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 미생물은 종 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 및 클로스트리듐 라그스달레이를 포함하는 클로스트리듐의 클러스터로부터 유래된다. 이들 종은 하기에 의해 최초 보고되었고 특성 규명되었다: Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994 (클로스트리듐 오토에타노게눔), Tanner, Int J System Bacteriol, 43: 232-236, 1993 (클로스트리듐 륭달리), 및 Huhnke, WO　2008/028055 (클로스트리듐 라그스달레이).
이들 3 종은 많은 유사성을 갖는다. 특히, 이들 종 모두는 속 클로스트리듐의 C1-고정, 혐기성, 초산생성, 에탄올로겐성, 및 일산화탄소영양 구성원을 갖는다. 이들 종은 유사한 유전자형 및 표현형 그리고 에너지 보존 및 발효성 대사의 방식을 갖는다. 또한, 이들 종은 99% 초과 동일한 16S rRNA DNA를 가진 클로스트리듐성 rRNA 상동성 그룹 I에서 클러스터링되고, 약 22-30 mol%의 DNA G　+　C 함량을 갖고, 그램-양성이고, 유사한 형태학 및 크기 (0.5-0.7 x 3-5 ㎛ 사이 로그 성장 세포)를 갖고, 중온성이고 (30-37　℃에서 최적으로 성장하고), 약 4-7.5의 유사한 pH 범위 (최적의 pH 약 5.5-6)을 갖고, 사이토크롬이 부족하고, Rnf 복합체를 통해 에너지를 보존한다. 또한, 카복실산의 그들의 대응하는 알코올로의 환원은 이들 종에서 나타났다 (Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012). 중요하게는, 이들 종은 또한 모두 CO-함유 기체에서 강한 자가영양 성장을 보여주고, 에탄올 및 아세테이트 (또는 아세트산)을 주요 발효 생성물로서 생산하고, 특정 조건 하에서 2,3-부탄디올 및 락트산의 소량을 생산한다.
하지만, 이들 3 종은 또한 수많은 차이를 갖는다. 이들 종은 상이한 공급원으로부터 단리되었다: 토끼 소화관으로부터 클로스트리듐 오토에타노게눔, 양계장 폐기물로부터 클로스트리듐 륭달리, 및 담수 침전물로부터 클로스트리듐 라그스달레이. 이들 종은 다양한 당류 (예를 들면, 람노오스, 아라비노오스), 산 (예를 들면, 글루코네이트, 시트레이트), 아미노산 (예를 들면, 아르기닌, 히스티딘), 및 다른 기질 (예를 들면, 베타인, 부탄올)의 이용에서 상이하다. 또한, 이들 종은 특정 비타민 (예를 들면, 티아민, 바이오틴)에 대한 영양요구에서 상이하다. 이들 유전자 및 단백질의 일반 조직화 및 수가 모든 종에서 동일한 것으로 밝혀졌어도, 이들 종은 우드-리융다흘 경로 유전자 및 단백질의 핵산 및 아미노산 서열에서 차이를 갖는다 (Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011).
따라서, 요약하면, 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이의 많은 특징은 그 종에 특이적이지 않지만, 속 클로스트리듐의 C1-고정, 혐기성, 초산생성, 에탄올로겐성, 및 일산화탄소영양 구성원의 상기 클러스터에 다소 일반적인 특징이다. 하지만, 이들 종이, 사실상, 구별되기 때문에, 이들 종 중 하나의 유전자 변형 또는 조작은 이들 종의 또 다른 것에서 동일한 효과를 가질 수 없다. 예를 들면, 성장, 성능, 또는 생성물 생산에서 차이는 관측될 수 있다.
미생물은 또한 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이의 단리물 또는 돌연변이체로부터 유래될 수 있다. 클로스트리듐 오토에타노게눔의 단리물 및 돌연변이체는 JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (WO　2009/064200), 및 LZ1561 (DSM23693)을 포함한다. 클로스트리듐 륭달리의 단리물 및 돌연변이체는 하기를 포함한다: ATCC 49587 (Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5,593,886), C-01 (ATCC 55988) (US 6,368,819), O-52 (ATCC 55989) (US 6,368,819), 및 OTA-1 (Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridiumljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010). 클로스트리듐 라그스달레이의 단리물 및 돌연변이체는 PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826)을 포함한다 (WO　2008/028055).
용어 "으로부터 유래된"은, 신규한 미생물을 생산하기 위해, 미생물이 상이한 (예를 들면, 친계 또는 야생형) 미생물로부터 변형 또는 적응되는 것을 나타낸다. 이러한 변형 또는 적응은 전형적으로 핵산 또는 유전자의 삽입, 결실, 돌연변이, 또는 치환을 포함한다.
"기질"은 본 발명의 미생물용 탄소 및/또는 에너지 공급원을 지칭한다. 전형적으로, 기질은 가스성이고 C1-탄소 공급원, 예를들면, CO, CO2, 및/또는 CH4를 포함한다. 바람직하게는, 기질은 CO 또는 CO + CO2의 C1-탄소 공급원을 포함한다. 기질은 추가로 다른 비-탄소 성분, 예컨대 H2, N2, 또는 전자를 포함할 수 있다.
기질은 일반적으로 CO의 적어도 일부 양, 예컨대 약 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100 mol% CO를 포함한다. 기질은 다양한 CO, 예컨대 약 20-80, 30-70, 또는 40-60 mol% CO를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 기질은 약 40-70 mol% CO (예를 들면, 제강소 또는 염기성 산소 노 가스), 약 20-30 mol% CO (예를 들면, 고로 가스), 또는 약 15-45 mol% CO (예를 들면, 합성가스)를 포함한다. 일부 구현예에서, 기질은 CO의 비교적 적은 양, 예컨대 약 1-10 또는 1-20 mol% CO를 포함할 수 있다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 기질에서 CO의 적어도 일 부분을 생성물로 전환시킨다. 일부 구현예에서, 기질은 CO를 포함하지 않거나 또는 실질적으로 포함하지 않는다(< 1 mol%).
기질은 H2의 일부 양을 포함할 수 있다. 예를들면, 기질은 약 1, 2, 5, 10, 15, 20, 또는 30 mol% H2를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 기질은 H2의 비교적 많은 양, 예컨대 약 60, 70, 80, 또는 90 mol% H2를 포함할 수 있다. 추가 구현예에서, 기질은 H2를 포함하지 않거나 또는 실질적으로 포함하지 않는다(< 1 mol%).
기질은 CO2의 일부 양을 포함할 수 있다. 예를들면, 기질은 약 1-80 또는 1-30 mol% CO2를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 기질은 약 20, 15, 10, 또는 5 mol% CO2 미만을 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 기질은 CO2를 포함하지 않거나 또는 실질적으로 포함하지 않는다(< 1 mol%).
기질이 전형적으로 가스성이어도, 기질은 또한 대안적 형태로 제공될 수 있다. 예를들면, 기질은 마이크로 버블 분산 발생기를 이용하여 CO-함유 기체로 포화된 액체에 용해될 수 있다. 추가 예로써, 기질은 고형 지지체상에 흡착될 수 있다.
기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 산업 공정의 부산물로서 또는 일부 다른 공급원, 바이오매스 가스화로부터 수득된 폐가스일 수 있다. 특정 구현예에서, 산업 공정은 하기로 구성되는 군으로부터 선택된다: 철 금속 제품 제조, 예컨대 제강 제조, 비-철 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄 기화, 전력 생산, 탄소 흑색 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 및 코크스 제조. 이들 구현예에서, 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은, 임의의 편리한 방법을 이용하여, 분위기 속에 방출되기 전에 산업 공정으로부터 포착될 수 있다.
특정 실시태양들에서, 산업 공정은 순산소 전로, 고로 및 코크스로 공정에서 선택되는 제강 공정이다. 코크스로 가스 (COG)의 전형적인 조성은 5-10% CO, 55% H2, 3-5% CO2, 10% N2 및 25% CH4이다. 전형적인 고로 (BF) 가스 조성은 2035% CO, 2-4% H2, 20-30% CO2 및 50-60% N2이다. 전형적인 순산소 전로 (BOF) 가스는 50-70% CO, 15-25% CO2, 15-25% N2 및 1-5% H2를 포함한다.
기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 합성가스, 예컨대 석탄 또는 정제시설 잔류물의 기화, 바이오매스 또는 리그노셀룰로오스 물질의 기화, 또는 천연 가스의 개질에 의해 수득된 합성가스일 수 있다. 또 다른 구현예에서, 합성가스는 도시 고형 폐기물 또는 산업 고형 폐기물의 기화로부터 수득될 수 있다.
기질의 조성물은 반응의 효율 및/또는 비용에서 상당한 영향을 가질 수 있다. 예를들면, 산소 (O2)의 존재는 혐기성 발효 공정의 효율을 감소시킬 수 있다. 기질의 조성물에 의존하여, 임의의 요망되지 않는 불순물, 예컨대 독소, 요망되지 않은 구성요소, 또는 분진 입자를 제거하기 위해, 및/또는 바람직한 성분의 농도를 증가시키기 위해 기질을 처리, 스크러빙, 또는 필터링 하는 것이 바람직할 수 있다.
C1-함유 가스성 기질 조성은 적용되는 산업 공정 유형, 및 산업 공정에 제공되는 공급원료를 포함한 인자들에 따라 달라진다. 생성되는 C1 함유 가스성 기질 모두가 발효 공정을 위한 이상적인 가스 조성을 가지지 않는다. C1 함유 가스와 재생 수소 스트림, 추가 CO 스트림과의 혼합 또는 C1기질에서 CO2를 CO로 전환 단계를 통해, 에너지적으로 개선된 혼합 가스 스트림이 제공된다.
수소 존재에서 발효 공정을 작동하면, 발효 공정에 의해 생성되는 CO2 양을 줄이는 추가적인 이점이 있다. 예를들면, 최소 H2를 포함하는 가스성 기질은, 다음 화학량론 [6 CO + 3 H2O -> C2H5OH + 4 CO2]에 따라 전형적으로 에탄올 및 CO2를 생산한다. C1 고정 박테리아에 의해 활용되는 수소가 증가하면, CO2 생산량은 감소한다 [예를들면, 2 CO + 4 H2 -> C2H5OH + H2O]. 일반식 형태는 다음과 같다:
Figure pct00010
, CO2 소비를 달성하기 위하여 식 중
Figure pct00011
.
CO가 에탄올 생성을 위한 단독 탄소 및 에너지 공급원인 경우, 탄소 일부는 다음과 같이 CO2 로 손실된다:
6 CO + 3 H2O -> C2H5OH + 4 CO2 (ΔGº = -224.90 kJ/mol 에탄올)
상당량의 탄소가 CO2로 변환되는 경우에는, CO2 를 다시 산업 공정 (즉 가스화 공정)으로 보내거나 또는 달리 CO2 를 역 수성가스 전환 반응기로 전달하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, CO2 전해조가 존재하면, CO2 배가스는 CO 및 O2로 환원되도록 전해조로 재순환될 수 있다.
기질 내에 H2 가용량이 높아지면, CO2 생성량은 감소한다. 화학량론적 비율 1:2 (CO/H2)에서, 완전히 CO2 생성이 회피된다.
5 CO + 1 H2 + 2 H2O -> 1 C2H5OH + 3 CO2(ΔGº = -204.80 kJ/mol 에탄올)
4 CO + 2 H2 + 1 H2O -> 1 C2H5OH + 2 CO2(ΔGº = -184.70 kJ/mol 에탄올)
3 CO + 3 H2 -> 1 C2H5OH + 1 CO2 (ΔGº = -164.60 kJ/mol 에탄올)
CO2가 탄소 공급원이고 H2가 전자 공급원인 발효에 있어서, 화학량론은 다음과 같다
2 CO2 + 6 H2 -> C2H5OH + 3 H2O (ΔGº = -104.30 kJ/mol 에탄올)
전기분해 생산 공정의 O2 부산물은 CO2 가스 생성을 위하여 산업 공정에 사용될 수 있다. 완전 산화 공정의 경우, 전해의 O2 부산물은 전형적으로 요구되는 공기 공급을 대체할 수 있다. 공기 대신 산소 부가로 공정의 유출 가스에서 CO2 조성을 높일 수 있다. 예를들면, 100% 산소 공급: CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2H2O 으로 유출 가스에서100% CO2 농도가 제공되지만; 공기 공급: CH4 + 2 O2 + 7.5 N2 -> CO2 + 2H2O + 7.5 N2으로 유출 가스에서 12% CO2 가 제공된다.
CO2 공급원료는 전해에 의해 생성되는 수소와 혼합되어 CO2 및 H2 발효 공정을 위한 최적화 공급원료가 제공된다. [예를들면, 6 H2 + 2 CO2 -> C2H5OH + 3 H2O]
C1 고정 박테리아는 전형적으로 카복시도영양생물, 독립영양생물, 아세토겐, 및 에탄올로겐으로 이루어진 군에서 선택되는 혐기성 박테리아이다. 더욱 상세하게는 C1 고정 박테리아는 클로스트리듐 속에서 선택된다. 특정 실시태양들에서, C1 고정 박테리아는 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 및 클로스트리듐 라그스달레이로 이루어진 군에서 선택된다.
본 발명의 미생물은 1종 이상의 생성물을 생산하기 위해 배양될 수 있다. 예를 들면, 클로스트리듐 오토에타노게눔은 하기를 생산하거나 또는 하기를 생산하기 위해 조작될 수 있다: 에탄올 (WO　2007/117157), 아세테이트 (WO　2007/117157), 부탄올 (WO　2008/115080 및 WO 2012/053905), 부티레이트 (WO　2008/115080), 2,3-부탄디올 (WO　2009/151342), 락테이트 (WO　2011/112103), 부텐 (WO　2012/024522), 부타디엔 (WO　2012/024522), 메틸 에틸 케톤 (2-부탄온) (WO　2012/024522 및 WO　2013/185123), 에틸렌 (WO　2012/026833), 아세톤 (WO　2012/115527), 이소프로판올 (WO　2012/115527), 지질 (WO　2013/036147), 3-하이드록시프로피오네이트 (3-HP) (WO　2013/180581), 이소프렌 (WO　2013/180584), 지방산 (WO　2013/191567), 2-부탄올 (WO　2013/185123), 1,2-프로판디올 (WO　2014/0369152), 및 1-프로판올 (WO　2014/0369152). 1종 이상의 표적 생성물에 더하여, 본 발명의 미생물은 또한 에탄올, 아세테이트, 및/또는 2,3-부탄디올을 생산할 수 있다. 특정 구현예에서, 미생물 바이오매스 자체는 생성물로서 간주될 수 있다.
"천연 생성물"은 유전적으로 비변형된 미생물에 의해 생산된 생성물이다. 예를들면, 에탄올, 아세테이트, 및 2,3-부탄디올은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 및 클로스트리듐 라그스달레이의 천연 생성물이다. "비-천연 생성물"은 유전자 변형 미생물에 의해 생산되는 생성물이지만, 유전자 변형 미생물이 유래되는 유전적으로 비변형된 미생물에 의해 생산되지 않는다.
"효율 증가", "상승된 효능" 및 동종은, 비제한적으로, 성장률, 생성물 생산 속도 또는 용적, 소비된 기질의 용적당 생성물 용적, 또는 생성물 선택성의 증가를 포함한다. 효율은 본 발명의 미생물이 유래되는 친계 미생물의 성능에 비해 측정될 수 있다.
전형적으로, 배양은 생물반응기에서 수행된다. 용어 "생물반응기"는 1종 이상의 용기, 타워, 또는 파이핑 배열로 구성되는 배양/발효 디바이스, 예컨대 연속 교반식 탱크 반응기 (CSTR), 고정된 세포 반응기 (ICR), 살수층 반응기 (TBR), 거품 탑, 기체 리프트 발효조, 정정 혼합기, 또는 기체-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 디바이스를 포함한다. 일부 구현예에서, 생물반응기는 제1 성장 반응기 및 제2 배양/발효 반응기를 포함할 수 있다. 기질은 이들 반응기의 한쪽 또는 양쪽에 제공될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "배양체" 및 "발효"는 교환가능하게 사용된다. 이들 용어들은 배양/발효 공정의 성장기 및 생성물 생합성기 둘 모두를 포함한다.
배양체는 미생물의 성장을 허용하기에 충분한 영양소, 비타민, 및/또는 미네랄을 함유하는 수성 배양 배지에서 일반적으로 유지된다. 바람직하게는 수성 배양 배지는 혐기성 미생물 성장 배지, 예컨대 최소 혐기성 미생물 성장 배지이다. 적합한 배지는 당해 기술에 공지되어 있다.
배양/발효는 바람직하게는 표적 생성물의 생산에 적절한 조건 하에 수행될 수 있다. 전형적으로, 배양/발효는 혐기성 조건 하에 수행된다. 고려해야 하는 반응 조건은 하기를 포함한다: 압력 (또는 분압), 온도, 기체 유량, 액체 유량, 배지 pH, 배지 산화환원 잠재적인, 진탕 속도 (연속 교반식 탱크 반응기를 이용하는 경우), 접종물 수준, 액상에서 기체가 제한되지 않는 것을 확보하기 위한 최대 기체 기질 농도, 및 생성물 억제를 피하기 위한 최대 생성물 농도. 특히, 생성물이 기체-제한된 조건 하에 배양에 의해 소비될 수 있기 때문에, 기질의 도입의 속도는 액상에서 기체의 농도가 제한되지 않는 것을 확보하기 위해 제어될 수 있다.
고압에서 생물반응기 작동은 기상부터 액상까지 기체 물질 전달의 증가된 속도를 허용한다. 따라서, 대기압 보다 더 높은 압력에서 배양/발효를 허용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 또한, 제공된 기체 전환 속도가, 부분적으로, 기질 체류 시간의 함수이고 체류 시간이 생물반응기의 요구된 용적을 좌우하기 때문에, 가압된 시스템의 이용은 요구된 생물반응기의 용적 및, 결과적으로, 배양/발효 설비의 자본비용을 크게 감소시킬 수 있다. 이것은, 차례로, 투입 기체 유량에 의해 분할된 생물반응기에서 액체 용적으로서 정의된, 체류 시간이 대기압 보다는 고압에서 생물반응기가 유지되는 경우 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 최적의 반응 조건은 부분적으로 사용된 특정한 미생물에 의존할 것이다. 하지만, 일반적으로, 대기압 보다 더 높은 압력에서 발효를 작동시키는 것이 바람직하다. 또한, 제공된 기체 전환 속도가 부분적으로 기질 체류 시간의 함수이고 요망된 체류 시간 달성이 차례로 생물반응기의 요구된 용적을 좌우하기 때문에, 가압된 시스템의 이용은 요구된 생물반응기의 용적, 및 결과적으로 발효 설비의 자본비용을 크게 감소시킬 수 있다.
표적 생성물은, 예를들면, 분별 증류, 증발, 투석증발, 기체 스트립핑, 상 분리, 및, 예를들면, 액체-액체 추출을 포함하는, 추출성 발효를 포함하는, 임의의 방법 또는 당해 분야에 공지된 방법의 조합을 이용하여 발효 액체배지로부터 분리 또는 정제될 수 있다. 특정 구현예에서, 표적 생성물은 생물반응기로부터 액체배지의 일 부분의 계속해서 제거, (편리하게 여과에 의한) 액체배지로부터 미생물 세포의 분리, 및 액체배지로부터 1종 이상의 표적 생성물의 회수에 의해 발효 액체배지로부터 회수된다. 알코올 및/또는 아세톤은, 예를들면, 증류에 의해 회수될 수 있다. 산은, 예를들면, 활성탄에서 흡착에 의해 회수될 수 있다. 분리된 미생물 세포는 바람직하게는 생물반응기에 되돌아간다. 표적 생성물이 제거된 이후 남아있는 무세포 침투물은 또한 바람직하게는 생물반응기에 되돌아간다. 추가의 영양소 (예컨대 비타민 B)는 생물반응기에 되돌려지기 전에 배지를 보충하기 위해 무세포 침투물 에 첨가될 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 발명을 추가로 실증하지만, 물론, 어떤 식으로든 그의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실시예 1
본 실시예는 개선된 조성의 발효 기질을 제공하여, 개선된 발효 생성물 수율을 얻기 위하여 순산소 전로 (BOF) 공정과 전해 공정 및 발효 공정의 통합을 기술한 것이다.
BOF 공정은 다음 조성: 50-70% CO, 15-25% CO2, 15-25% N2, 및 0-5-3%H2. 을 가지는 BOF 배가스를 생성한다.
전해 공정은 다음과 같이 수소 및 산소를 생산한다: 2H2O + 전기 -> 2H2 + O2 + 열.
전해 공정에 의해 생산되는 산소가 BOF에 제공되면 산소 요건을 보완한다.
전해 공정에서 생산되는 수소는 BOF 배가스와 혼합되어 H2:CO:CO2 비율이 10:3.5:1인 발효 기질이 제공된다. 발효 기질은 수탁번호 DSM23693로 DSMZ에 기탁된 클로스트리듐 오토에타노게눔 균주 배양체 함유 생물반응기에 제공된다.
반응의 전체 공정 화학량론은 다음과 같다:
Figure pct00012
BOF 공정 및 발효 공정과 전해 공정 통합 공정으로, 에탄올 생성, 그리고 폐기물로서 CO2 감소로 이어진다.
실시예 2
본 실시예는 개선된 조성의 발효 기질을 제공하여, 개선된 발효 생성물 수율을 얻기 BOF 공정은 다음 조성: 50-70% CO, 15-25% CO2, 15-25% N2, 및 0-5-3%H2. 을 가지는 BOF 배가스를 생성한다.
전해 공정은 다음과 같이 일산화탄소 및 산소를 생산한다: 2CO2 + 전기 -> 2CO + O2 + 열.
전해 공정에 의해 생산되는 산소가 BOF에 제공되면 산소 요건을 보완한다.
전해 공정에 의해 생산되는 일산화탄소는 BOF 배가스와 혼합되어 H2:CO:CO2 비율 [비율 요청]을 가지는 발효 기질이 제공된다. 발효 기질은 수탁번호 DSM23693로 DSMZ에 기탁된 클로스트리듐 오토에타노게눔 균주 배양체 함유 생물반응기에 제공된다. 기질이 발효되어 에탄올을 포함하는 하나 이상의 발효 생성물, 및 배가스 스트림을 생성한다. 생물반응기 배가스 스트림에서 나오는 CO2 는 포획되어 CO2 전해 유닛으로 보내고, 생성 CO는 다시 발효기로 재순환되고, 생성 O2 는 다시 제강소로 재순환된다. 제강에 필요한100% O2 는 다른 O2 공급원 (전형적으로 94% O2, 6% N2)을 대체하여 제강 배출가스에서 N2 를 감소시키고 가스를 농후하게 하여, 양 공정 유닛들을 개선시킨다.
반응의 전체 공정 화학량론은 다음과 같다:
Figure pct00013
본 명세서에서 인용된, 공보, 특허 출원, 및 특허를 포함하는, 모든 참조문헌은 각각의 참조문헌이 참고로 편입되도록 개별적으로 및 구체적으로 지시되고 그 전문이 본 명세서에서 제시된 것과 동일한 정도로 참고로 이로써 편입된다. 본 명세서의 임의의 선행기술에 대한 참조는 선행기술이 임의의 국가에서 노력의 분야에서 공통 일반 지식의 일부를 형성한다는 인식이 아니고, 상기로서 채택되지 않아야 한다.
본 발명 기재의 문맥에서 (특히 하기 청구항들의 문맥에서) 용어 "한" 및 "하나" 및 "그" 및 유사한 지시대상의 이용은, 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한 또는 맥락에 의해 명확히 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하는", "갖는", "포괄하는", 및 "함유하는"은 달리 지적되지 않는 한 개방형 용어들 (즉, "비제한적으로, 포함하는" 의미)로서 해석되어야 한다. 본 명세서에서 다양한 값의 인용은, 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한, 그 범위 내에 해당하는 각각의 별도의 값을 개별적으로 참조하는 속기 방법으로서 작용하도록 단지 의도되고, 각각의 별도의 값은 본 명세서에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 편입된다. 본 명세서에서 기재된 모든 방법 및 공정은 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한 또는 맥락에 의해 달리 명확히 반박되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에서 제공된 임의의 및 모든 실시예, 또는 예시적 언어 (예를 들면, "예컨대")의 이용은 본 발명을 더욱 양호하게 예시하기 위해 단지 의도되고 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위에서 제한을 두지 않는다. 명세서의 언어는 본 발명의 실시에 필수로서 임의의 비-청구된 요소를 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 바람직한 구현예는 본 명세서에서 기재된다. 그들 바람직한 구현예의 변동은 전술한 설명 판독시 당해 분야의 숙련가에 분명해질 수 있다. 본 발명자들은 숙련가가 상기 변동을 적절히 사용할 것을 예상하고, 본 발명자들은 구체적으로 본 명세서에서 기재된 바와 달리 본 발명이 실시되는 것을 의도한다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법에 의해 허용된 바와 같이 여기에 첨부된 청구항들에서 인용된 요지의 모든 변형 및 등가물을 포함한다. 또한, 이들의 모든 가능한 변동에서 상기-기재된 요소의 임의의 조합은 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한 또는 맥락에 의해 달리 명확히 반박되지 않는 한 본 발명에 의해 포함된다.

Claims (26)

  1. 통합형 발효 및 산업 공정에서 탄소 포집 효율을 개선하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    i. 하나 이상의 공급원료를 전해 공정으로 전달하여 전해 유도 기질을 생성하는 단계;
    ii. 상기 전해 유도 기질의 적어도 일부와 산업 공정에서 나오는 C1-함유 배가스를 혼합하여 혼합 C1-함유 기질을 제공하는 단계;
    iii. 상기 혼합 C1-함유 기질을 적어도 하나의 C1-고정 박테리아 배양체를 함유하는 생물반응기에 전달하는 단계; 및
    iv. 상기 배양체를 발효하여 하나 이상의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    i. CO2 가 전해 공정에 전달되어 CO 및 O2를 포함하는 전해 유도 기질을 생성하고;
    ii. 상기 산업 공정은 C1-함유 배가스를 생성하고;
    iii. (i)로부터의 상기 CO의 적어도 일부는 (ii)로부터의 상기 C1-함유 배가스의 적어도 일부와 혼합되어 상기 혼합 C1-함유 기질을 제공하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, (i)로부터의 상기 O2 의 적어도 일부는 상기 산업 공정으로 전달되는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발효에 의해 유출 가스 스트림이 생성되고, 상기 유출 가스는 CO2를 포함하고, 상기 CO2의 적어도 일부는 상기 전해 공정으로 재순환되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    i. H2O가 전해 공정으로 전달되어 H2 및 O2를 포함하는 전해 유도 기질을 생성하고;
    ii. 상기 산업 공정은 C1-함유 배가스를 생성하고;
    iii. (i)로부터의 상기 H2 의 적어도 일부는 (ii)로부터의 상기 C1 가스성 기질과 혼합되어 상기 혼합 C1-함유 기질을 제공하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전해 공정은 에너지 투입을 필요로 하고, 상기 에너지 투입은 재생 에너지 공급원에서 유래되는, 방법.
  7. 제5항에 있어서, (i)로부터의 상기 O2의 적어도 일부는 상기 산업 공정으로 전달되는, 방법.
  8. 제2항 또는 제5항에 있어서, 상기 산업 공정은 부분 산화 공정이고, 상기 부분 산화 공정은 순산소 전로 (BOF) 반응; COREX 또는 FINEX 제강 공정, 고로 (BF) 공정, 합금철 공정; 이산화티탄 생성 공정 및 가스화 공정으로 이루어진 군에서 선택되는, 방법.
  9. 제2항 또는 제5항에 있어서, 상기 부분 산화 공정은 가스화 공정이고, 상기 가스화 공정은 도시 고형 폐기물 가스화 공정, 바이오매스 가스화 공정, 석유 코크스 가스화 공정 및 석탄 가스화 공정으로 이루어진 군에서 선택되는, 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 산업 공정은 시멘트 생산 공정, 천연 가스 발전소, 및 석탄 화력 발전소로 이루어진 군에서 선택되는 완전 산화 공정을 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 C1-함유 배가스는 CO, CO2 및 H2를 포함하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 혼합 C1-함유 기질은 CO를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 혼합 C1-함유 기질은 CO2, H2, CH4 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 더욱 포함하는, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 C1 고정 박테리아는 클로스트리듐 속에서 선택되는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 C1 고정 박테리아는 클로스트리듐 오토에타노게눔 , 클로스트리듐 륭달리 , 및 클로스트리듐 라그스달레이 로 이루어진 군에서 선택되는, 방법.
  16. 제3항 또는 제7항에 있어서, 상기 C1-함유 배가스의 일부는 상기 전해 유닛에서 나오는 상기 산소의 일부와 혼합되어 상기 산업 공정의 공급물에 대하여 요구되는 산소 농후성에 부응하는, 방법.
  17. 재생 수소를 포함하는 가스성 기질로부터 적어도 하나의 생성물의 생산을 위한 통합 방법으로서, 상기 방법은:
    i. 재생 수소를 포함하는 제1 가스성 기질, 및 CO2를 포함하는 제2 가스성 기질을 수용하는 단계;
    ii. CO를 포함하는 유출 스트림을 생성하는 조건에서 작동되는 역 수성가스 전환 반응기로 수소의 제1 부분 및 CO2의 제1 부분을 전달하는 단계;
    iii. 수소의 제2 부분, CO2의 제2 부분 및 CO를 포함하는 상기 유출 스트림을 혼합하여 C1-함유 기질을 제공하는 단계;
    iv. 상기 C1-함유 기질을 하나 이상의 C1 고정 박테리아 배양체를 함유하는 생물반응기에 전달하는 단계; 및
    v. 상기 C1-함유 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 재생 수소는 전해로 생성되고, 상기 CO2 는 시멘트 생산 공정에 의해 생성되는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, O2 는 상기 전해 공정의 부산물로 생성되는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 O2 부산물은 상기 시멘트 생산 공정으로 전달되어 상기 시멘트 생산 공정의 상기 O2 요건을 충족시키는, 방법.
  21. 제1항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 발효 생성물은 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 및 1프로판올로 이루어진 군에서 선택되는, 방법.
  22. 통합형 시스템으로서,
    i. 전해 유도 기질을 생성하는 전해조;
    ii. (i)의 전해 유도 기질의 적어도 일부를 활용하고 C1-함유 배가스를 발생하는 산업 공정 구역;
    iii. C1-고정 박테리아에 의해 (ii)의 상기 산업 폐가스의 적어도 일부를 혐기성 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 발효 구역을 포함하는, 통합형 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 시스템은 상기 전해 유닛에서 나오는 전해 유도 기질의 일부와 상기 C1-함유 배가스의 적어도 일부와 혼합하여 혼합 C1-함유 기질을 생성하는 혼합 유닛, 및 상기 혼합 유닛으로부터 상기 발효 유닛으로 상기 혼합 C1-함유 기질을 전달하는 도관을 더욱 포함하는, 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 상기 전해 유닛은 재생 에너지 공급원을 이용하여 수소 및 산소를 생성하기 위한 물전해 유닛인, 시스템.
  25. 제22항에 있어서, 상기 전해 유닛은 CO2 전해조인, 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 상기 전해 유닛을 위한 상기 에너지 공급원은 재생 에너지 생산 유닛에 의해 제공되는, 시스템.
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