KR20200110705A - 탄소 전환 효율을 개선하기 위한 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CO2 전기분해 공정과, 가스 발효 공정과 같은 CO-소비 공정의 통합을 제공한다. 본 발명은 산업 공정에 의해 생산된 CO2-포함 가스 기질을 이용할 수 있고 가스 기질을 CO2 전기분해 모듈에 통과시키기 전에 CO2-포함 가스 기질로부터 적어도 하나의 성분을 제거하기 위한 하나 이상의 제거 모듈을 제공한다. 본 발명은 하나 이상의 압력 모듈, 하나 이상의 CO2 농축 모듈, 하나 이상의 O2 분리 모듈, 및/또는 H2 전기분해 모듈을 추가로 포함할 수 있다. 탄소 전환 효율은 CO-소비 공정에 의해 생산된 CO2를 CO2 전기분해 공정으로 재순환시킴으로써 증가된다.
Description
본 발명은 탄소 전환 효율을 개선하기 위한 공정 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 일산화탄소-소비 공정과 산업 공정의 조합에 관한 것으로서, 여기서 산업 공정으로부터의 가스는 처리 및 전환을 겪고, 일산화탄소-소비 공정에 의해 생산된 이산화탄소는 재순환되어 생산 수율을 증가시킨다.
이산화탄소(CO2)는 인간의 활동으로 인한 세계 온실 가스 배출량의 약 76%를 차지하며, 메탄(16%), 아산화질소(6%) 및 불소화 가스(2%)가 나머지를 차지한다(미국 환경보호청(United States Environmental Protection Agency)). 온실 가스, 특히 CO2의 감소는 지구 온난화의 진행 및 이에 수반되는 기후 및 날씨 변화를 중단시키는 데 있어 대단히 중요하다.
촉매 공정, 예컨대 피셔-트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch process)을 사용하여 CO2, 일산화탄소(CO) 및/또는 수소(H2)를 포함하는 가스를 다양한 연료 및 화학 물질로 전환할 수 있다는 것이 오랫동안 인식되어 왔다. 그러나 최근에는, 가스 발효가 이러한 가스들의 생물학적 고정을 위한 대안적인 플랫폼으로 등장하였다. 특히, C1-고정 미생물이 CO2, CO, CH4 및/또는 H2를 포함하는 가스를 에탄올 및 2,3-부탄디올과 같은 생성물로 전환시키는 것이 입증되었다.
이러한 가스는 예컨대 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 가스화, 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철 생산 및/또는 제련, 지질 저장조, 피셔-트롭쉬 공정, 메탄올 생산, 열분해, 증기 메탄 개질, 건식 메탄 개질, 바이오가스 또는 천연 가스의 부분 산화, 및 바이오가스 또는 천연 가스의 자열 개질로부터의 가스 배출을 포함하는 산업 공정으로부터 유래될 수 있다.
C1-고정 발효 공정과 같은 CO-소비 공정에서 이러한 가스의 사용을 최적화하기 위해, 산업용 가스는 처리 및 전환의 조합을 요구할 수 있다. 따라서, 산업 가스의 처리 및 전환을 위한 공정을 포함하여, CO-소비 공정과 산업 공정의 통합 개선으로 탄소 전환 효율을 최적화하기 위한 요구가 남아있다.
상기 배경 기술에 대하여 본 발명은 종래 기술에 비해 특정 장점 및 진보를 제공한다.
본원에 개시된 본 발명은 특정 장점 및 기능성에 제한되지 않지만, 본 발명은 탄소 전환 효율을 개선하는 공정을 제공하며, 여기서, 상기 공정은 CO2-포함 가스 기질로부터 적어도 하나의 성분의 제거를 위해 CO2-포함 가스 기질을 산업 공정으로부터 제1 제거 모듈로 전달하여 제1 CO2-처리된 가스 스트림을 생산하는 단계, 제1 CO2-처리된 가스 스트림 중 적어도 일부의 변환을 위해 제1 CO2-처리된 가스 스트림을 CO2 전기분해 모듈로 전달하여 CO-풍부 스트림 및 제1 O2-풍부 스트림을 생산하는 단계, 및 CO-풍부 스트림 중 적어도 일부를 CO-소비 공정에 전달하는 단계를 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 산업 공정으로부터의 CO2-포함 가스 기질은 먼저 압력 모듈로 전달되어 가압된 CO2-포함 가스 스트림을 생산하고, 가압된 CO2-포함 가스 스트림은 제1 제거 모듈에 전달된다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 제1 O2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 직접 산업 공정에 전달하고 제1 O2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 O2 분리 모듈에 전달하여 제2 O2-풍부 스트림 및 O2-린(lean) 스트림을 생산하는 단계 중 하나 이상을 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 제2 O2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 산업 공정에 전달하는 단계, O2-린 스트림 중 적어도 일부를 CO2 전기분해 모듈에 전달하는 단계, 및 O2-린 스트림 중 적어도 일부를 CO-소비 공정에 전달하는 단계 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 산업 공정으로부터의 CO2-포함 가스 기질 중 적어도 일부 및/또는 제1 CO2-처리된 가스 스트림 중 적어도 일부를 제1 CO2- 농축 모듈에 전달하여 제1 CO2-농축된 스트림 및 제1 CO2-린 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 제1 CO2-농축된 스트림 중 적어도 일부를 제1 제거 모듈 및 CO2 전기분해 모듈 중 하나 이상에 전달하는 단계를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 제1 CO2-린 스트림은 CO 및/또는 H2를 포함하고, 상기 공정은 제1 CO2-린 스트림 중 적어도 일부를 CO-소비 공정에 전달하는 단계를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 CO-풍부 스트림 중 적어도 일부를 압력 모듈에 전달하여 가압된 CO-스트림을 생산하는 단계 및 가압된 CO-스트림 중 적어도 일부를 CO-소비 공정에 전달하는 단계를 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 수성 기질을 H2 전기분해 모듈에 전달하여 H2-풍부 스트림을 생산하는 단계 및 H2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 CO-소비 공정에 전달하는 단계를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, CO-소비 공정은 CO2를 포함하는 테일 가스를 생산한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 테일 가스로부터 적어도 하나의 성분을 제거하기 위해 CO2를 포함하는 테일 가스 중 적어도 일부를 제1 제거 모듈 또는 제2 제거 모듈에 전달하여 제2 CO2-처리된 가스 스트림을 생산하는 단계 및 CO2를 포함하는 테일 가스 중 적어도 일부를 제2 CO2 농축 모듈에 전달하여 제2 CO2-농축된 스트림 및 제2 CO2-린 스트림을 생산하는 단계 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, CO2를 포함하는 테일 가스 중 적어도 일부가 압력 모듈에 전달되어 가압된 테일 가스 스트림이 생산되고, 가압된 테일 가스 스트림은 제1 제거 모듈 및/또는 제2 제거 모듈에 전달된다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 테일 가스로부터 적어도 하나의 성분을 제거하기 위해 제2 CO2-농축된 스트림 중 적어도 일부를 제1 제거 모듈 또는 제2 제거 모듈에 전달하여 제2 CO2-처리된 가스 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 상기 공정은 제2 CO2-처리된 가스 스트림 중 적어도 일부를 CO2 전기분해 모듈에 전달하는 단계를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 산업 공정으로부터의 CO2-포함 가스 기질은 CO, H2, 및 CH4 중 하나 이상을 추가로 포함한다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 산업 공정은 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 가스화, 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 생산 및/또는 제련, 지질 저장조, 피셔-트롭쉬 공정, 메탄올 생산, 열분해, 증기 메탄 개질, 건식 메탄 개질, 바이오가스 또는 천연 가스의 부분 산화, 및 바이오가스 또는 천연 가스의 자열 개질을 포함하는 군으로부터 선택된다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, CO2-포함 가스 기질은 적어도 2개 이상의 공급원의 블렌드로부터 유래된다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 제1 제거 모듈은 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 염화물 제거 모듈, 타르 제거 모듈, 및 시안화수소 연마 모듈로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, CO2-포함 가스 기질로부터 제거된 적어도 하나의 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 산소, 인-포함 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 할로겐화 화합물, 규소-포함 화합물, 카보닐, 금속, 알코올, 에스터, 케톤, 과산화물, 알데히드, 에터, 타르, 및 나프탈렌으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, CO-소비 공정은 적어도 하나의 일산화탄소영양 미생물의 배양을 포함하는 발효 공정이다. 일산화탄소영양 미생물은 일산화탄소영양 박테리아일 수 있다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 일산화탄소영양 박테리아는 무렐라(Moorella), 클로스트리듐(Clostridium), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 부티리박테리움(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina), 및 디설포토마컬럼(Desulfotomaculum)을 포함하는 군으로부터 선택된다. 본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 일산화탄소영양 박테리아는 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)이다.
본원에 기술된 공정의 일부 양태에서, 발효 공정은 에탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드로프로피오네이트, 테르펜, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 및 1-프로판올로 이루어진 군으로부터 선택되는 발효 산물을 생산한다.
도 1a, 1b, 및 1c는 제거 모듈, CO2 전기분해 모듈, 및 CO-소비 공정을 갖는 선택적인 H2 전기분해 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다. 도 1b는 제거 모듈 이전의 압력 모듈을 추가로 도시한다. 도 1c는 CO-소비 공정 이전의 압력 모듈을 추가로 도시한다.
도 2는 제거 모듈, CO2 전기분해 모듈, 선택적인 O2 분리 모듈, 및 CO-소비 공정을 갖는 선택적인 H2 전기분해 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
도 3은 제거 모듈 이전의 선택적인 CO2 농축 모듈, CO2 전기분해 모듈, 선택적인 H2 전기분해 모듈, 및 CO-소비 공정을 갖는 선택적인 O2 분리 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
도 4는 제거 모듈 다음의 선택적인 CO2 농축 모듈, CO2 전기분해 모듈, 선택적인 H2 전기분해 모듈, 및 CO-소비 공정을 갖는 선택적인 O2 분리 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
도 5는 선택적인 압력 모듈 다음의 H2 전기분해 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시하며, 여기서, H2 전기분해 모듈로부터의 가스 일부는 CO-소비 공정으로 전달되기 전에 CO2 전기분해 모듈로부터의 가스와 블렌딩된다.
도 6은 CO2 전기분해 모듈 다음의 추가 제거 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
도 2는 제거 모듈, CO2 전기분해 모듈, 선택적인 O2 분리 모듈, 및 CO-소비 공정을 갖는 선택적인 H2 전기분해 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
도 3은 제거 모듈 이전의 선택적인 CO2 농축 모듈, CO2 전기분해 모듈, 선택적인 H2 전기분해 모듈, 및 CO-소비 공정을 갖는 선택적인 O2 분리 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
도 4는 제거 모듈 다음의 선택적인 CO2 농축 모듈, CO2 전기분해 모듈, 선택적인 H2 전기분해 모듈, 및 CO-소비 공정을 갖는 선택적인 O2 분리 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
도 5는 선택적인 압력 모듈 다음의 H2 전기분해 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시하며, 여기서, H2 전기분해 모듈로부터의 가스 일부는 CO-소비 공정으로 전달되기 전에 CO2 전기분해 모듈로부터의 가스와 블렌딩된다.
도 6은 CO2 전기분해 모듈 다음의 추가 제거 모듈의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다.
본 발명자들은 CO-소비 공정을 갖는 CO2-생산 산업 공정, 및 CO2 전기분해 공정 이전의 제거 공정의 통합이 C1-고정 발효 공정일 수 있는, CO2-생산 산업 공정 및 CO-소비 공정에 실질적인 이익을 제공할 수 있음을 확인하였다.
용어 "산업 공정"은 화학적, 물리적, 전기적, 및/또는 기계적 단계를 포함하는 물질을 생산, 전환, 정제, 개질, 추출, 또는 산화시키는 공정을 지칭한다. 예시적인 산업 공정은, 비제한적으로 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 가스화(예컨대 바이오매스, 액체 폐기물 스트림, 고체 폐기물 스트림, 시립 스트림, 천연 가스, 석탄 및 오일을 포함한 화석 자원의 가스화), 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 생산 및/또는 제련, 지질 저장조, 피셔-트롭쉬 공정, 메탄올 생산, 열분해, 증기 메탄 개질, 건식 메탄 개질, 바이오가스 또는 천연 가스의 부분 산화, 및 바이오가스 또는 천연 가스의 자열 개질을 포함한다. 이들 구현예에서, 상기 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 대기로 방출되기 전에 임의의 편리한 방법을 사용하여 상기 산업 공정으로부터 포획될 수 있다.
용어 "산업 공정으로부터의 가스", "산업 공정으로부터의 가스 공급원", 및 "산업 공정으로부터의 가스 기질"은 산업 공정으로부터의 배출-가스, 산업 공정의 부산물, 산업 공정의 공동-생성물, 산업 공정 내에서 재순환된 가스, 및/또는 에너지 회수를 위한 산업 시설 내에서 사용된 가스를 지칭하기 위해 상호교환적으로 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 산업 공정으로부터의 가스는 압력 스윙 흡착(pressure swing adsorption, PSA) 테일 가스이다. 일부 구현예에서, 산업 공정으로부터의 가스는 아민 세정 또는 탄산 탈수효소 용액의 사용을 포함할 수 있는 CO2 추출 공정을 통해 수득된 가스이다.
"C1"은 단일-탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2, 메탄(CH4), 또는 메탄올(CH3OH)을 의미한다. "C1-옥시게네이트(C1-oxygenate)"는 적어도 하나의 산소 원자를 또한 포함하는 단일-탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2, 또는 CH3OH를 의미한다. "C1-탄소 공급원"은 본 발명의 미생물에 대한 부분적 또는 유일한 탄소 공급원으로서 작용하는 단일-탄소 분자를 의미한다. 예를 들어, C1-탄소 공급원은 하나 이상의CO, CO2, CH4, CH3OH, 또는 포름산(CH2O2)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, C1-탄소 공급원은 CO 및 CO2 중 하나 또는 둘 다를 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1-탄소 공급원으로부터 하나 이상의 생성물을 생성할 수 있는 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1-고정 박테리아이다.
"기질"은 탄소 및/또는 에너지 공급원을 의미한다. 전형적으로, 상기 기질은 가스이며, C1-탄소 공급원, 예를 들어, CO, CO2, 및/또는 CH4를 포함한다. 바람직하게는, 상기 기질은 CO 또는 CO 및 CO2의 C1-탄소 공급원을 포함한다. 상기 기질은 H2, N2 또는 전자와 같은 다른 비탄소 성분을 추가로 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "기질"은 본 발명의 미생물을 위한 탄소 및/또는 에너지 공급원을 지칭할 수 있다.
용어 "공-기질"은 반드시 생성물 합성을 위한 1차 에너지 및 물질 공급원일 필요는 없지만, 또 다른 기질, 예컨대 1차 기질과 조합될 때 생성물 합성을 위해 사용될 수 있는 기질을 지칭한다.
"CO2-포함 가스 기질," "CO2-포함 가스," 또는 "CO2-포함 가스 공급원"은 CO2를 포함하는 임의의 가스를 포함할 수 있다. 상기 가스 기질은 전형적으로 상당한 비율의 CO2, 바람직하게는 적어도 약 5 부피% 내지 약 100 부피%의 CO2를 포함한다. 추가로, 가스 기질은 수소 (H2), 산소 (O2), 질소 (N2), 및/또는 CH4 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, CO, H2, 및 CH4는 "에너지-풍부 가스"로 지칭될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "탄소 포획"은 CO2 및/또는 CO를 포함하는 스트림으로부터 CO2 및/또는 CO를 포함하는 탄소 화합물의 격리 및 a) CO2 및/또는 CO를 생성물로의 전환, b) CO2 및/또는 CO를 장기 보관에 적합한 물질로의 전환, c) 장기 보관에 적합한 물질 중에 CO2 및/또는 CO를 포획, 또는 d) 이러한 공정의 조합을 지칭한다.
용어 "효율의 증가", "증가된 효율" 등은 CO2 및/또는 CO를 생성물 및/또는 증가된 생성물 농도로 전환시키는 속도의 증가와 같이 반응 속도 및/또는 출력의 증가를 지칭한다. 발효 과정과 관련하여 사용되는 경우, "효율의 증가"는 발효를 촉매하는 미생물의 성장 속도, 증가된 생성물 농도에서의 성장 및/또는 생성물 생성 속도, 소비된 기질의 부피당 생산된 목적 생성물의 부피, 목적 생성물의 생성 속도 또는 생성 수준, 및 발효의 다른 부산물에 대비한 생산된 목적 생성물의 상대적인 비율 중 하나 이상을 증가시키는 것을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 사용된 "반응물"은 화학 반응에 존재하고 생성물을 생산하기 위한 반응 동안 소비되는 물질을 지칭한다. 반응물은 화학 반응 동안 변화를 겪는 출발 물질이다. 특정 구현예에서, 반응물은 비제한적으로 CO 및/또는 H2를 포함한다. 특정 구현예에서, 반응물은 CO2이다.
"CO-소비 공정"은 CO가 반응물이며; CO가 생성물을 생산하기 위해 소비되는 공정을 지칭한다. CO-소비 공정의 비-제한적인 예는 C1-고정 가스 발효 공정이다. CO-소비 공정은 CO2-생성 반응을 포함할 수 있다. 예컨대, CO-소비 공정은 CO2 뿐만 아니라, 발효 산물과 같은 적어도 하나의 생성물을 생성할 수 있다. 또 다른 예에서, 아세트산 생성은 CO-소비 공정이며, 여기서 CO는 압력 하에 메탄올과 반응한다.
"가스 스트림"은 예컨대 하나의 모듈에서 또 다른 모듈로, 하나의 모듈에서 CO-소비 공정으로, 및/또는 하나의 모듈에서 탄소 포획 수단으로 전달될 수 있는 기질의 임의의 스트림을 지칭한다.
가스 스트림은 전형적으로 순수한 CO2 스트림이 아니며 적어도 하나의 다른 성분의 분율을 포함할 것이다. 예컨대, 각각의 공급원은 상이한 분율의 CO2, CO, H2, 및 다양한 성분을 가질 수 있다. 다양한 분율로 인해, 가스 스트림은 CO-소비 공정에 도입되기 전에 처리되어야 한다. 가스 스트림의 처리는 미생물 억제제 및/또는 촉매 억제제일 수 있는 다양한 성분의 제거 및/또는 전환을 포함한다. 바람직하게는, 촉매 억제제는 전기분해 모듈에 전달되기 전에 제거 및/또는 전환되고, 미생물 억제제는 CO-소비 공정에 전달되기 전에 제거 및/또는 전환된다. 추가로, 가스 스트림은 하나 이상의 농축 단계를 거쳐 CO 및/또는 CO2의 농도가 증가될 필요가 있을 수 있다. 바람직하게는, 가스 스트림은 전기분해 모듈에 전달되기 전에 CO2의 농도를 증가시키기 위한 농축 단계를 거칠 것이다. 전기분해 모듈로 더 높은 농도의 CO2가 전달되는 것이 전기분해 모듈로부터 더 높은 농도의 CO가 나오는 것으로 밝혀졌다.
"제거 모듈," "오염물 제거 모듈," "정화 모듈," "처리 모듈," 등은 가스 스트림의 적어도 하나의 성분을 전환 및/또는 제거할 수 있는 기술을 포함한다. 제거 모듈의 비-제한적인 예는 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소화 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 염화물 제거 모듈, 타르 제거 모듈, 및 시안화수소 연마 모듈을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "성분", "오염물" 등은 가스 스트림에서 발견될 수 있는 미생물 억제제 및/또는 촉매 억제제를 지칭한다. 특정 구현예에서, 성분은 비제한적으로 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인-포함 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 할로겐화 화합물, 규소-포함 화합물, 카보닐, 금속, 알코올, 에스터, 케톤, 과산화물, 알데히드, 에터, 타르, 및 나프탈렌을 포함한다. 바람직하게는, 제거 모듈에 의해 제거된 성분은 CO2를 포함하지 않는다.
본원에서 사용된 "미생물 억제제"는 미생물을 포함하여, 특정 화학 반응 또는 다른 공정을 늦추거나 방지하는 하나 이상의 성분을 지칭한다. 특정 구현예에서, 미생물 억제제는, 비제한적으로 산소(O2), 시안화 수소(HCN), 아세틸렌(C2H2), 및 BTEX( 벤 젠, 톨 루엔, 에 틸 벤젠, 자 일렌)을 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "촉매 억제제", "흡착 억제제" 등은 화학 반응의 속도를 감소시키거나 방지하는 하나 이상의 물질을 지칭한다. 특정 구현예에서, 촉매 억제제는 비제한적으로 황화 수소(H2S) 및 카보닐 설파이드(COS)를 포함할 수 있다.
특정 예에서, 적어도 하나의 제거된 성분은 발효 단계에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축된다. 하나 이상의 이러한 성분은 발효 후 가스 기질 중에 존재할 수 있다. 예컨대, H2S 형태의 황은 발효 단계에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축될 수 있다. 특정 구현예에서, 황화 수소는 발효 단계에서 도입된다. 다양한 구현예에서, 발효 후 가스 기질은 황화 수소의 적어도 일부를 포함한다. 황화 수소는 촉매 억제제일 수 있다. 이와 같이, 황화 수소는 특정 전기분해 모듈을 억제할 수 있다. 비-억제 발효 후 가스 기질을 전기분해기로 전달하기 위해, 황화 수소, 또는 발효 후 가스 기질 중에 존재하는 다른 성분 중 적어도 일부는 하나 이상의 제거 모듈에 의해 제거될 필요가 있을 수 있다. 또 다른 구현예에서, 아세톤은 발효 단계에 의해 생성될 수 있고 숯은 제거 모듈로서 사용될 수 있다.
용어 "처리된 가스" 및 "처리된 가스 스트림"은 적어도 하나의 제거 모듈을 통과하여 하나 이상의 성분이 제거 및/또는 전환된 가스 스트림을 지칭한다. 예컨대, "CO2-처리된 가스 스트림"은 하나 이상의 제거 모듈을 통과한 CO2-포함 가스를 지칭한다.
"농축 모듈" 등은 가스 스트림 중의 특정 성분의 수준을 증가시킬 수 있는 기술을 지칭한다. 특정 구현예에서, 농축 모듈은 CO2 농축 모듈이며, 여기서, CO2 농축 모듈을 떠나는 가스 스트림 중의 CO2의 분율은 CO2 농축 모듈로 전달되기 전의 가스 스트림 중의 CO2의 분율에 비해 더 높다. 일부 구현예에서, CO2 농축 모듈은 가스 스트림으로부터 O2를 제거하기 위해 탈산소화 기술을 사용하며 이에 따라 가스 스트림 중의CO2 분율은 증가한다. 일부 구현예에서, CO2 농축 모듈은 가스 스트림으로부터 H2를 제거하기 위해 압력 스윙 흡착(PSA) 기술을 사용하며 이에 따라 가스 스트림 중의CO2 분율은 증가한다. 특정 예시에서, 발효 공정은 CO2 농축 모듈의 기능을 수행한다. 일부 구현예에서, 농축 모듈로부터의 가스 스트림은 탄소 포획 및 격리(carbon capture and sequestration, CCS) 유닛 또는 향상된 오일 회수(enhanced oil recovery, EOR) 유닛에 전달된다.
용어 "전기분해 모듈" 및 "전기분해기"는 비-자발적인 반응을 유도하기 위해 전기를 사용하는 유닛을 지칭하기 위해 상호교환적으로 사용될 수 있다. 전기분해 기술은 당업계에 공지되어 있다. 예시적인 공정은 알칼리수 전기분해, 양성자 또는 음이온 교환 멤브레인 (PEM, AEM) 전기분해, 및 고체 산화물 전기분해 (SOE) (Ursua et al., Proceedings of the IEEE 100(2):410-426, 2012; Jhong et al., Current Opinion in Chemical Engineering 2:191-199, 2013)를 포함한다. 용어 "페러데이 효율"은 전기분해기를 통해 흐르고 관련되지 않은 공정보다는 환원된 생성물로 전달되는 전자의 수를 나타내는 값이다. SOE 모듈은 고온에서 작동한다. 전기분해 모듈의 열중성 전압(thermoneutral voltage) 미만에서, 전기분해 반응은 흡열성이다. 전기분해 모듈의 열중성 전압 초과에서, 전기분해 반응은 발열성이다. 일부 구현예에서, 전기분해 모듈은 추가의 압력 없이 작동된다. 일부 구현예에서, 전기분해 모듈은 5-10 bar의 압력에서 작동된다.
"CO2 전기분해 모듈"은 CO2가 CO 및 O2로 분리될 수 있는 유닛을 지칭하며 다음의 화학량론적인 반응에 의해 정의된다: 2CO2 + 전기 → 2CO + O2. CO2 감소를 위해 다른 촉매를 사용하면 최종 산물에 영향을 미친다. 비제한적으로 Au, Ag, Zn, Pd, 및 Ga 촉매를 포함하는 촉매는 CO2로부터의 CO 생성에 효과적인 것으로 나타났다. 일부 구현예에서, CO2 전기분해 모듈을 떠난 가스 스트림의 압력은 대략 5-7 barg이다.
"H2 전기분해 모듈," "물 전기분해 모듈," 및 "H2O 전기분해 모듈"은 증기 형태의 H2O를 H2 및 O2로 분해할 수 있는 유닛을 지칭하며 다음의 화학량론적인 반응에 의해 정의된다: 2H2O + 전기 → 2H2 + O2. H2O 전기분해 모듈은 양성자를 H2로 환원시키고 O2-를 O2로 산화시킨다. 전기분해에 의해 생산된 H2는 추가의 공급원료를 공급하고 기질 조성을 개선하기 위한 수단으로서 C1-포함 가스 기질과 블렌딩될 수 있다.
H2 및 CO2 전기분해 모듈은 2개의 가스 배출구를 갖는다. 전기분해 모듈의 한 측면인 양극은 H2 또는 CO(및 다른 기체 예컨대 미반응 물 기체 또는 미반응 CO2)를 포함한다. 두 번째 면인 음극은 O2(및 잠재적으로 다른 가스)를 포함한다. 전기분해 공정으로 전달되는 공급원료의 조성은 CO 스트림에서 다양한 성분의 존재를 결정할 수 있다. 예컨대, 공급원료 중의 불활성 성분, 예컨대 CH4 및/또는 N2가 존재하면 하나 이상의 이러한 성분이 CO-풍부 스트림에 존재할 수 있다. 또한, 일부 전기분해기에서, 음극에서 생산된 O2는 양극 측으로 넘어가고 여기서 CO가 생산되고/되거나 CO가 양극 측으로 넘어가 원하는 가스 생성물의 교차 오염을 초래한다.
용어 "분리 모듈"은 물질을 둘 이상의 성분으로 분할할 수 있는 기술을 지칭하기 위해 사용된다. 예컨대, "O2 분리 모듈"은 O2-포함 가스 기질을 주로 O2 ("O2-풍부 스트림" 또는 "O2-풍부 가스"로도 지칭됨)를 포함하는 스트림 및 주로 O2를 포함하지 않거나, O2를 포함하지 않거나, 미량의 O2만을 포함하는 (또한 "O2-린 스트림" 또는 "O2-고갈 스트림"으로도 지칭됨)스트림으로 분리하는데 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "풍부 스트림", "풍부 가스", "고순도 가스" 등은 모듈로의 투입 스트림 중의 성분의 분율과 비교하여, 전기분해 모듈과 같이 모듈을 통과한 후 더 큰 분율의 특정 성분을 갖는 가스 스트림을 지칭한다. 예컨대, "CO-풍부 스트림"은 CO2 전기분해 모듈을 통해 CO2-포함 가스 기질의 통과 시 생성될 수 있다. "H2-풍부 스트림"은 H2 전기분해 모듈을 통해 수성 가스 기질의 통과 시 생성될 수 있다. "O2-풍부 스트림"은 CO2 또는 H2 전기분해 모듈의 양극으로부터 자동으로 생성되며; "O2-풍부 스트림"은 또한 O2 분리 모듈을 통해 O2-포함 가스 기질의 통과 시 생성될 수 있다. "CO2-풍부 스트림"은 CO2 농축 모듈을 통해 CO2-포함 가스 기질의 통과 시 생성될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "린 스트림", "고갈 가스" 등은 모듈로의 투입 스트림 중의 성분의 분율과 비교하여, 농축 모듈 또는 분리 모듈과 같은 모듈을 통과한 후 더 적은 분율의 특정 성분을 갖는 가스 스트림을 지칭한다. 예컨대, O2-린 스트림은 O2 분리 모듈을 통해 O2-포함 가스 기질의 통과 시 생성될 수 있다. O2-린 스트림은 CO2 전기분해 모듈로부터의 미반응 CO2를 포함할 수 있다. O2-린 스트림은 미량의 O2를 포함하거나 O2가 없을 수 있다. "CO2-린 스트림"은 CO2 농축 모듈을 통해 CO2-포함 가스 기질의 통과 시 생성될 수 있다. CO2-린 스트림은 CO, H2, 및/또는 미생물 억제제 또는 촉매 억제제와 같은 성분을 포함할 수 있다. CO2-린 스트림은 미량의 CO2를 포함하거나 CO2가 없을 수 있다.
특정 구현예에서, 본 발명은 가스 스트림의 압력이 증가되고/되거나 감소될 수 있는 통합된 공정을 제공한다. 용어 "압력 모듈"은 가스 스트림의 압력을 생성(즉, 증가) 또는 감소시킬 수 있는 기술을 지칭한다. 가스의 압력은 임의의 적절한 수단, 예컨대 하나 이상의 압축기 및/또는 밸브를 통해 증가 및/또는 감소될 수 있다. 특정 예시에서, 가스 스트림은 최적 압력보다 낮을 수 있거나, 가스 스트림의 압력은 최적보다 높을 수 있고, 따라서, 밸브는 압력을 감소시키기 위해 밸브가 포함될 수 있다. 압력 모듈은 본원에 기술된 임의의 모듈 전후에 위치될 수 있다. 예컨대, 압력 모듈은 제거 모듈 이전에, 농축 모듈 이전에, 전기분해 모듈 이전에, 및/또는 CO-소비 공정 이전에 이용될 수 있다.
"가압 가스 스트림"은 압력 모듈을 통과한 가스 기질을 지칭한다. "가압 가스 스트림"은 또한 특정 모듈의 작동 압력 요건을 충족하는 가스 스트림을 지칭하는데 사용될 수 있다.
용어 "CO-소비 공정 후 가스 기질", "CO-소비 공정 후 테일 가스", "테일 가스" 등은 CO-소비 공정을 통과한 가스를 지칭하는데 상호교환적으로 사용될 수 있다. CO-소비 공정 후 가스 기질은 CO-소비 공정에 의해 생산된 (또는 평행하게 취해지지 않은) 미반응 CO, 미반응 H2, 및/또는 CO2를 포함할 수 있다. CO-소비 공정 후 가스 기질은 압력 모듈, 제거 모듈, CO2 농축 모듈, 및/또는 전기분해 모듈 중 하나 이상에 추가로 전달될 수 있다. 일부 구현예에서, "CO-소비 공정 후 가스 기질"은 발효 후 가스 기질이다.
용어 "원하는 조성"은 예컨대 가스 스트림과 같은 물질 중의 원하는 수준 및 유형의 성분을 지칭하기 위해 사용된다. 보다 구체적으로, 가스는 특정 성분 (즉, CO, H2, 및/또는 CO2)을 함유하고/하거나 특정 분율로 특정 성분을 함유하고/하거나 특정 성분(즉, 미생물에 해로운 오염물)을 포함하지 않고/않거나 특정 분율로 특정 성분을 포함하지 않는 경우 "원하는 조성물"을 갖는 것으로 간주된다. 가스 스트림이 원하는 조성을 갖는지 여부를 결정할 때 하나 이상의 성분이 고려될 수 있다.
상기 기질이 임의의 H2를 포함할 필요는 없는 반면, H2의 존재가 본 발명의 방법에 따른 생성물의 형성에 유해하지 않아야 한다. 특정 구현예에서, H2의 존재는 알코올 생성 효율을 전반적으로 개선한다. 일 구현예에서, 상기 기질은 약 30 부피% 이하의 H2, 약 20 부피% 이하의 H2, 약 15 부피% 이하의 H2, 약 10 부피% 이하의 H2를 포함한다. 다른 구현예에서, 상기 기질 스트림은 낮은 농도, 예를 들어, 5% 미만, 또는 4% 미만, 또는 3% 미만, 또는 2% 미만, 또는 1% 미만의 H2를 포함하거나 실질적으로 H2를 포함하지 않는다.
상기 기질은 또한 약간의 CO, 예를 들어, 약 1부피% 내지 약 80 부피%의 CO, 또는 약 1부피% 내지 약 30 부피%의 CO를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 기질은 약 20 부피% 이하의 CO를 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 기질은 약 15 부피% 이하의 CO, 약 10 부피% 이하의 CO, 또는 약 5 부피% 이하의 CO를 포함하거나, 또는 실질적으로 CO를 포함하지 않는다.
기질 조성은 원하는 또는 최적의 H2:CO:CO2 비를 제공하도록 개선될 수 있다. 원하는 H2:CO:CO2 비는 발효 공정의 원하는 발효 산물에 의존한다. 에탄올의 경우, 에탄올 생산에 대한 화학량론을 만족시키기 위한, 최적의 H2:CO:CO2 비는 다음과 같다: 
, 상기 식에서 
:
H2의 존재 하에 발효 공정을 작동시키는 것은 발효 공정에 의해 생산된 CO2의 양을 감소시키는 추가의 이점을 갖는다. 예컨대, 최소 H2를 포함하는 가스 기질은 전형적으로 다음의 화학량론에 의해 에탄올 및 CO2를 생성할 것이다: 6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2. C1 고정 박테리아에 의해 이용되는 H2의 양이 증가함에 따라, 생산된 CO2의 양은 감소한다, 즉, 2 CO + 4 H2 → C2H5OH + H2O.
CO가 에탄올 생성을 위한 단독 탄소 및 에너지 공급원인 경우, 탄소의 일부는 다음과 같이 CO2로 손실된다:
6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2
(ΔG° = -224.90 kJ/mol 에탄올)
기질에서 이용가능한 H2의 양이 증가함에 따라, 생산된 CO2의 양은 감소한다. 1:2 (CO/H2)의 화학량론적 비에서, CO2 생성이 완전히 방지된다.
5 CO + 1 H2 + 2 H2O → 1 C2H5OH + 3 CO2
(ΔG° = -204.80 kJ/mol 에탄올)
4 CO + 2 H2 + 1 H2O → 1 C2H5OH + 2 CO2
(ΔG° = -184.70 kJ/mol 에탄올)
3 CO + 3 H2 → 1 C2H5OH + 1 CO2
(ΔG° = -164.60 kJ/mol 에탄올)
기질의 조성은 반응의 효율 및/또는 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, O2의 존재는 혐기성 발효 공정의 효율을 감소시킬 수 있다. 기질의 조성에 따라, 독소, 바람직하지 않은 성분, 또는 먼지 입자와 같은 임의의 원하지 않는 불순물을 제거하고 /하거나 바람직한 성분의 농도를 증가시키기 위해 기질을 처리, 세정 또는 여과하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, CO-소비 공정에 의해 생산된 CO2를 CO2 전기분해 모듈로 재순환함으로써 탄소 포획을 증가시켜, CO-소비 공정의 수율을 증가시킬 수 있다. CO-소비 공정에 의해 생산된 CO2는 CO2 전기분해 모듈을 통과하기 이전에 처리될 수 있다.
일부 구현예에서, CO-소비 공정은 생물 반응기에서 수행된다. 용어 "생물 반응기"는, 연속 교반 탱크 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor: CSTR), 고정 세포 반응기(Immobilized Cell Reactor: ICR), 살수층 반응기(Trickle Bed Reactor: TBR), 버블 컬럼(Bubble Column), 가스 리프트 발효조(Gas Lift Fermenter), 정적 혼합기(Static Mixer), 순환 루프 반응기, 막 반응기, 예를 들어, 중공 섬유 막 생물 반응기(Hollow Fibre Membrane Bioreactor: HFMBR), 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함하는, 하나 이상의 용기 및/또는 탑 또는 배관 장치로 구성된 발효 장치를 포함한다. 상기 반응기는 바람직하게는 CO, CO2, H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스 기질을 수용하도록 조정된다. 상기 반응기는 복수의 반응기들(단들(stage))을 병렬 또는 직렬로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기는 상기 박테리아가 배양되는 제1 성장 반응기, 및 상기 성장 반응기로부터의 발효 브로스가 공급될 수 있고 발효 생성물의 대부분이 생성될 수 있는 제2 발효 반응기를 포함할 수 있다.
고압에서 생물 반응기를 작동시키면 기상으로부터 액상으로의 가스 질량 이동 속도가 증가한다. 따라서, 일반적으로, 대기압보다 높은 압력에서 배양/발효를 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 특정 가스 전환율은 부분적으로 기질 체류 시간의 함수이고 체류 시간은 생물 반응기의 필요한 부피를 좌우하기 때문에, 가압 시스템의 사용은 생물 반응기의 필요한 부피 및 결국에는 배양/발효 장비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다. 이는, 결과적으로, 생물 반응기가 대기압 대신 고압으로 유지될 때, 생물 반응기 내의 액체 부피를 유입 가스 유량으로 나눈 값으로 정의된 체류 시간이 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 최적 반응 조건은 사용된 특정 미생물에 의해 부분적으로 결정된다. 그러나, 일반적으로, 대기압보다 높은 압력에서 발효를 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 주어진 기체 전환율은 부분적으로 기질 체류 시간의 함수이고 원하는 체류 시간의 달성이 결국 생물 반응기의 필요한 부피를 좌우하기 때문에, 가압 시스템의 사용은 생물 반응기의 필요한 부피 및 결국에는 발효 장비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
문맥상 달리 요구하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 문구 "발효", "발효 공정" 또는 "발효 반응" 등은 상기 가스 기질의 성장 단계 및 생성물 생합성 단계 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 특정 구현예에서, 발효는 당, 전분, 리그닌, 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스와 같은 탄수화물 기질이 없는 상태에서 수행된다.
배양물은 일반적으로, 미생물의 성장을 허용하기에 충분한 영양, 비타민 및/또는 미네랄을 함유하는 수성 배양 배지에서 유지된다. "영양 배지", "영양 배지들", 및 "배양 배지"는 박테리아 성장 배지를 기술하기 위해 사용된다. 바람직하게는, 상기 수성 배양 배지는 혐기성 미생물 성장 배지, 예를 들어, 최소 혐기성 미생물 성장 배지이다. 적합한 배지는 당업계에 널리 공지되어 있다. 용어 "영양"은 미생물의 대사 경로에 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예시적인 영양소에는 칼륨, 비타민 B, 미량 금속 및 아미노산이 포함된다.
용어 "발효 브로스" 및 "브로스"는 영양 배지 및 배양 또는 하나 이상의 미생물을 포함하는 성분의 혼합물을 포함하도록 의도된다. 용어 미생물과 용어 박테리아가 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용된다는 점에 유의해야 한다.
본 발명의 미생물은 하나 이상의 생성물을 생산하기 위해 가스 스트림을 사용하여 배양될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은 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 및 WO 2016/094334), 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-히드록시프로피오네이트(3-HP)(WO 2013/180581), 이소프렌을 포함한 테르펜(WO 2013/180584), 지방산(WO 2013/191567), 2-부탄올(WO 2013/185123), 1,2-프로판디올(WO 2014/036152), 1-프로판올(WO 2014/0369152), 코리스메이트-유도된 생성물(WO 2016/191625), 3-히드록시부티레이트(WO 2017/066498) 및 1,3-부탄디올(WO 2017/0066498)을 생산하거나, 이를 생산하도록 조작될 수 있다. 하나 이상의 표적 생성물 외에, 본 발명의 미생물은 또한 에탄올, 아세테이트, 및/또는 2,3-부탄디올을 생산할 수 있다. 특정 구현예에서, 미생물 바이오 매스 자체는 제품으로 간주될 수 있다. 디젤, 제트 연료 및/또는 가솔린 중 적어도 하나의 성분을 생산하기 위해 이들 제품이 추가로 전환될 수 있다. 추가로, 미생물 바이오매스는 추가로 처리되어 단일 세포 단백질(single cell protein, SCP)을 생성할 수 있다.
"미생물"은 미생물, 특히 박테리아, 고세균, 바이러스 또는 곰팡이이다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 박테리아이다. 본 명세서에 사용된 용어 "미생물"은 "박테리아"를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"모체 미생물"은 본 발명의 미생물을 생성시키는데 사용되는 미생물이다. 상기 모체 미생물은 자연 발생 미생물(즉, 야생형 미생물) 또는 이전에 변형된 미생물(즉, 돌연변이 또는 재조합 미생물)일 수 있다. 본 발명의 미생물은 모체 미생물에서 발현되지 않거나 과발현되지 않은 하나 이상의 효소를 발현 또는 과발현하도록 변형될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 미생물은 모체 미생물에 포함되지 않은 하나 이상의 유전자를 포함하도록 변형될 수 있다. 본 발명의 미생물은 또한 모체 미생물에서 발현된 하나 이상의 효소를 발현하지 않거나 보다 적은 양으로 발현하도록 변형될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 모체 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이이다. 바람직한 구현예에서, 상기 모체 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔 LZ1561이며, 이는 부다페스트 조약의 조건에 따라 2010년 6월 7일자로 Inhoffenstraβ 7B, D-38124 Braunschwieg, Germany에 위치한 Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)에 기탁되었고 수탁 번호 DSM23693을 부여받았다. 이러한 균주는 WO 2012/015317로 공개된 국제 특허 출원 제PCT/NZ2011/000144호에 기재되어 있다.
용어 "로부터 유래된"은 핵산, 단백질, 또는 미생물이 새로운 핵산, 단백질, 또는 미생물을 생산하기 위해 다른 (즉, 모체 또는 야생형) 핵산, 단백질, 또는 미생물로부터 변형되거나 개작된 것을 지칭한다. 이러한 변형 또는 개작은 전형적으로 핵산 또는 유전자의 삽입, 결실, 돌연변이, 또는 치환을 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 모체 미생물로부터 유래된다. 일 구현예에서, 본 발명의 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이로부터 유래된다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 DSMZ 수탁 번호 DSM23693 하에 기탁된 클로스트리듐 오토에타노게눔 LZ1561로부터 유래된다.
본 발명의 미생물은 기능적 특성에 기초하여 추가로 분류될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은 C1- 고정 미생물, 혐기성 생물, 아세토젠, 에탄올로젠, 일산화탄소 영양체 및/또는 메탄 영양체로부터 유래되거나 유래될 수 있다.
"우드-융달(Wood-Ljungdahl)"은 문헌 [Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008]에 기술된 바와 같은 탄소 고정의 우드-융달 경로를 의미한다. "우드-융달 미생물"은, 예상대로, 우드-융달 경로를 포함하는 미생물을 의미한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 천연 우드-융달 경로를 포함한다. 본 명세서에서, 우드-융달 경로는 천연의 변형되지 않은 우드-융달 경로일 수 있거나, 또는, CO, CO2, 및/또는 H2를 아세틸-CoA로 전환하는 작용을 하는 한, 어느 정도의 유전적 변형(즉, 과발현, 이종 발현, 녹아웃(knockout) 등)을 갖는 우드-융달 경로일 수 있다.
"혐기성 생물"은 성장을 위해 O2를 필요로 하지 않는 미생물이다. 혐기성 생물은 O2가 특정 임계치 초과로 존재하면 부정적으로 반응하거나 심지어 사멸할 수도 있다. 그러나 일부 혐기성 생물은 낮은 수준의 O2(즉, 0.000001 내지 5%의 O2)를 견딜 수 있다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 혐기성 생물이다.
"아세토젠(acetogen)"은 에너지 보존과 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA-유래 생성물, 예를 들어, 아세테이트의 합성을 위한 주요 기작으로 우드-융달 경로를 사용하는 혐기성 박테리아이다(Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008). 특히, 아세토젠은, (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원 합성을 위한 기작, (2) 말단 전자-수용, 에너지 보존 과정, (3) 세포 탄소의 합성에서의 CO2 고정(동화)을 위한 기작으로서 우드-융달 경로를 사용한다(Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). 모든 자연 발생 아세토젠은 C1-고정, 혐기성, 독립 영양성 및 비-메탄영양요구성이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 아세토젠이다.
"에탄올로젠(ethanologen)"은 에탄올을 생산하거나 생성할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 에탄올로젠이다.
"독립 영양체(autotroph)"는 유기 탄소의 부재 하에 성장할 수 있는 미생물이다. 대신, 독립 영양체는 무기 탄소 공급원, 예를 들어, CO 및/또는 CO2를 사용한다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 독립 영양체이다.
"일산화탄소 영양체(carboxydotroph)"는 CO를 탄소 및 에너지의 유일한 공급원으로서 사용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 일산화탄소 영양체이다.
"메탄 영양체(methanotroph)"는 메탄을 탄소 및 에너지의 유일한 공급원으로서 사용할 수 있는 미생물이다. 특정 구현예에서, 본 발명의 미생물은 메탄 영양체이거나 또는 메탄 영양체에서 유래된다. 다른 구현예에서, 본 발명의 미생물은 메탄 영양체가 아니거나 또는 메탄 영양체에서 유래되지 않는다.
표 1은 대표적인 미생물 목록과 기능적 특성을 나타낸다.
"천연 생성물"은 유전적으로 변형되지 않은 미생물에 의해 생산된 생성물이다. 예를 들어, 에탄올, 아세테이트, 및 2,3-부탄디올은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리 및 클로스트리듐 라그스달레이의 천연 생성물이다. "비천연 생성물"은 유전적으로 변형된 미생물에 의해 생성되나, 상기 유전적으로 변형된 미생물이 유래하는 유전적으로 변형되지 않은 미생물에 의해서는 생성되지 않는 생성물이다.
"선택성"은, 표적 생성물의 생산량 대 미생물에 의해 생산된 모든 발효 생성물의 생산량의 비를 의미한다. 본 발명의 미생물은 특정 선택성 또는 최소 선택성으로 생성물을 생산하도록 조작될 수 있다. 일 구현예에서, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생산된 모든 발효 생성물의 적어도 약 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 50% 또는 75%를 차지한다. 일 구현예에서, 상기 표적 생성물은, 본 발명의 미생물이 상기 표적 생성물에 대해 적어도 10%의 선택성을 갖도록, 본 발명의 미생물에 의해 생산된 모든 발효 생성물의 적어도 10%를 차지한다. 다른 구현예에서, 상기 표적 생성물은, 본 발명의 미생물이 상기 표적 생성물에 대해 적어도 30%의 선택성을 갖도록, 본 발명의 미생물에 의해 생산된 모든 발효 생성물의 적어도 30%를 차지한다.
배양/발효는 표적 생성물의 생성을 위한 적절한 조건 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 상기 배양/발효는 혐기성 조건하에 수행된다. 고려해야 할 반응 조건은 압력(또는 분압), 온도, 가스 유속, 액체 유속, 배지 pH, 배지 산화 환원 전위, 교반 속도(연속 교반 탱크 반응기를 이용하는 경우), 접종 수준, 액상 내의 가스가 제한적이 되지 않도록 보장하기 위한 최대 가스 기질 농도, 및 생성물 억제를 회피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다. 특히, 가스-제한된 조건 하에서 배양물에 의해 생성물이 소비될 수 있기 때문에, 상기 기질의 도입 속도는 액상 내의 가스 농도가 제한적이 되지 않도록 제어될 수 있다.
표적 생성물은 예컨대 분별 증류, 증발, 기화, 가스 스트립핑, 상 분리, 및 예컨대 액체-액체 추출을 포함하는 추출 발효를 포함하여, 당업계에 공지된 임의의 방법 또는 방법의 조합을 사용하여 발효 브로스로부터 분리 또는 정제될 수 있다. 특정 구현예에서, 표적 생성물은 생물 반응기로부터의 브로스의 일부를 연속으로 제거하여, 브로스로부터 미생물 세포를 분리하여 (편리하게 여과에 의해), 그리고 브로스로부터 하나 이상의 표적 생성물을 회수하여 발효 브로스로부터 회수된다. 알코올 및/또는 아세톤은 예를 들어 증류에 의해 회수될 수 있다. 산은 예를 들어 활성탄에 흡착시켜 회수될 수 있다. 분리된 미생물 세포는 바람직하게는 생물 반응기로 되돌아간다. 표적 생성물이 제거된 후 남아있는 무세포 투과물은 또한 바람직하게는 생물 반응기로 되돌아간다. 추가의 영양소(예컨대 비타민 B)가 무세포 투과물에 첨가되어 배지가 생물 반응기에 되돌아오기 전에 배지를 보충할 수 있다.
도 1a는 산업 공정(110), 하나 이상의 제거 모듈(120), CO2 전기분해 공정(130), 선택적인 H2 전기분해 공정(160), 및 CO-소비 공정(140)의 통합을 위한 공정을 도시한다. 산업 공정(110)으로부터의 CO2-포함 가스는 도관(112)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(120)에 공급되어 하나 이상의 성분(128)을 제거 및/또는 전환한다. 이어서 하나 이상의 제거 모듈(120)로부터의 처리된 가스는 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(122)을 통해 CO2 전기분해 모듈(130)로 공급된다. 일부 구현예에서, 산업 공정(110)으로부터의 CO2-포함 가스는 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(114)을 통해 CO2 전기분해 모듈(130)로 직접 공급되며; 이러한 구현예에서, 황과 같은 성분은 산업 공정을 통과하기 이전에 제거될 수 있다. 선택적으로, O2 중 적어도 일부는 도관(136)을 통해 CO2 전기분해 모듈(130)에서 산업 공정(110)으로 공급될 수 있다. 전환된 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(132)을 통해 CO2 전기분해 모듈(130)에서 CO-소비 공정(140)으로 전달된다. 일부 구현예에서, 수성 기질은 수성 기질 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(162)을 통해 H2 전기분해 모듈(160)로 공급되고, H2-풍부 스트림은 도관(164)을 통해 CO-소비 공정(140)으로 전달된다. 선택적으로, O2 중 적어도 일부는 도관(166)을 통해 H2 전기분해 모듈(160)에서 산업 공정(110)으로 공급될 수 있다. CO-소비 공정(140)은 적어도 하나의 생성물(146) 및 CO-소비 공정 후 가스 기질을 생산한다.
도 1a의 CO-소비 공정(140)은 가스 발효 공정일 수 있고 접종기 및/또는 하나 이상의 생물 반응기에서 발생할 수 있다. 예컨대, CO-소비 공정(140)은 적어도 하나의 C1-고정 미생물의 배양을 포함하는 생물 반응기에서의 가스 발효 공정일 수 있다. CO-소비 공정(140)이 가스 발효 공정인 구현예에서, 배양은 하나 이상의 발효 산물(146) 및 발효 후 가스 기질(CO-소비 공정 가스 기질)을 생산하도록 발효될 수 있다.
일부 구현예에서, 도 1a의 CO-소비 공정(140)은 CO2-생산 반응 단계를 포함한다. CO-소비 공정 후 가스 기질이 CO2를 포함하는 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질 중 적어도 일부는 도관(142)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(150)에 전달되어 하나 이상의 성분(158)을 제거 및/또는 전환한다. 이어서 CO2를 포함하는 처리된 가스 스트림은 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(152)을 통해 CO2 전기분해 모듈(130)로 전달된다. 특정 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 도관(142)을 통해 산업 공정(110)으로부터 CO2-포함 가스를 수용하는 동일한 하나 이상의 제거 모듈(120)로 전달된다. 다양한 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 산업 공정(110) 및 하나 이상의 제거 모듈(150)로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 하나 이상의 제거 모듈(120)로 전달될 수 있다. CO-소비 공정 후 가스 기질을 처리 및 전기분해하는 이러한 공정은 탄소 포획 효율을 증가시키는 것으로 밝혀졌다.
특정 구현예에서, 도 1a의 제거 모듈(150)에 의해 제거된 적어도 하나의 성분은 가스 발효 공정과 같은 CO-소비 공정(140)에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축된다. 다양한 구현예에서, 발효 단계에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축된 하나 이상의 성분은 황을 포함한다. 특정 예시에서, 황화 수소와 같은 황은 CO-소비 공정(140)으로 도입된다. 이러한 황은 CO2 전기분해 모듈(130)의 효율을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 제거 모듈(150)은 CO-소비 공정 후 가스 기질이 CO2 전기분해 모듈(130)에 전달되기 이전에 CO-소비 공정 후 가스 기질 중의 황의 양을 감소시키는데 성공적인 것으로 밝혀졌다. CO2 전기분해 모듈(130) 이전의 제거 모듈(150)의 사용은 CO2 전기분해 모듈(130)의 효율을 증가시키는 것으로 밝혀졌다.
본 발명자들은 CO2 및 H2 전기분해 공정의 O2 부산물이 C1-생산 산업 공정에 대해 추가의 이익을 제공할 수 있음을 확인하였다. 본 발명의 발효 공정은 혐기성 공정이지만, 본 발명자들은 도 1a의 도관(136)을 통과하는 O2와 같은 CO 생성 공정의 O2 부산물이 C1-생산 산업 공정에서 사용될 수 있음을 확인하였다. CO2 전기분해 공정의 고순도의 O2 부산물은 산업 공정과 통합될 수 있고 비용을 유리하게 상쇄할 수 있으며, 경우에 따라서, 산업 공정 및 후속 가스 발효 둘 모두에 대한 비용을 추가로 감소시키는 시너지 효과가 있다.
전형적으로, 본원에 기술된 산업 공정은 공기 분리에 의해 필요한 O2를 유도한다. 공기 분리에 의한 O2의 생성은 에너지 집약적인 공정으로, 이는 O2를 초저온적으로 N2로부터 분리하여 최고 순도를 달성하는 것을 포함한다. CO2 및/또는 H2 전기분해로 O2를 생산하고, 공기 분리로 생산된 O2를 대체하면 산업 공정에서 전기 비용의 최대 5%를 상쇄할 수 있다.
부분 산화 반응과 관련된 몇 가지 C1-생산 산업 공정에는 O2 투입이 필요하다. 예시적인 산업 공정은 기본 산소로(Basic Oxygen Furnace, BOF) 반응, COREX 또는 FINEX 제강 공정, 용광로(Blast Furnace, BF) 공정, 합금철 생산 공정, 이산화 티타늄 생산 공정, 및 가스화 공정을 포함한다. 가스화 공정은, 비제한적으로 시립 고체 폐기물 가스화, 바이오매스 가스화, 애완동물 코크스 가스화, 및 석탄 가스화를 포함한다. 이러한 산업 공정 중 하나 이상에서, CO2 전기분해 공정으로부터의 O2는 공기 분리를 통해 전형적으로 공급되는 O2를 상쇄시키거나 완전히 대체하는데 사용될 수 있다.
도 1b 및 1c에 도시된 바와 같이, 산업 공정, 하나 이상의 제거 모듈, CO2 전기분해 공정, 선택적인 H2 전기분해 공정, 및 CO-소비 공정의 통합을 위한 공정은 하나 이상의 압력 모듈(170)의 통합을 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 도 1b에 도시된 바와 같이, 산업 공정(110)으로부터의 CO2-포함 가스의 일부는 도관(112)을 통해 압력 모듈(170)에 공급되어 가압된 CO2-포함 가스 스트림을 생산한다. 가압된 CO2-포함 가스 스트림 중 적어도 일부는 이어서 도관(172)을 통해 제거모듈(120)에 전달된다. CO-소비 공정 후 가스 기질 중 적어도 일부는 또한 도관(142)을 통해 압력 모듈(170)에 전달되어 가압된 테일 가스를 생산할 수 있다. 가압된 테일 가스 중 적어도 일부는 이어서 도관(172)을 통해 제거 모듈(150) 및/또는 제거모듈(120)에 전달된다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 전환된 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(132)을 통해 CO2 전기분해 모듈(130)에서 압력 모듈(170)로 전달되어 가압된 CO-포함 가스 스트림을 생산하며, 이는 도관(172)을 통해 CO-소비 공정(140)에 전달된다.
도 2는 산업 공정(210), 제거 모듈(220), CO2 전기분해 모듈(230), 선택적인 H2 전기분해 공정(270), CO-소비 공정(240), 및 선택적인 O2 분리 모듈(260)의 통합을 위한 공정을 도시한다. 산업 공정(210)으로부터의 CO2-포함 가스는 도관(212)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(220)로 공급되어 하나 이상의 성분(228)을 제거 및/또는 전환한다. 하나 이상의 제거 모듈(220)로부터의 처리된 가스는 이어서 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(222)을 통해 CO2 전기분해 모듈(230)로 공급된다. 선택적으로, O2 중 적어도 일부는 도관(236)을 통해 CO2 전기분해 모듈(230)에서 산업 공정(210)으로 공급될 수 있다. 전환된 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(232)을 통해 CO2 전기분해 모듈(230)에서 CO-소비 공정(240)으로 전달되어 생성물(246) 및 CO-소비 공정 후 가스 기질을 생산한다. 일부 구현예에서, 수성 기질은 수성 기질 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(272)을 통해 H2 전기분해 모듈(270)로 공급되고, H2-풍부 스트림은 도관(274)을 통해 CO-소비 공정(240)으로 전달된다. 선택적으로, O2 중 적어도 일부는 도관(276)을 통해 H2 전기분해 모듈(270)에서 산업 공정(210)으로 공급될 수 있다.
특정 구현예에서, 상기 공정은 가스 스트림으로부터 O2 중 적어도 일부를 분리하기 위해 CO2 전기분해 모듈(230) 다음에 O2 분리 모듈(260)을 포함한다. CO2 전기분해 모듈(230) 이후에 O2 분리 모듈(260)을 이용하는 구현예에서, 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(234)을 통해 CO2 전기분해 모듈(230)에서 O2 분리 모듈(260)로 공급된다. O2 분리 모듈(260)을 통합하는 구현예에서, O2 분리 모듈(260)(O2-풍부 스트림)로부터의 가스 스트림으로부터 분리된 O2 중 적어도 일부는 도관(264)을 통해 산업 공정(210)으로 공급될 수 있다. CO2 전기분해 모듈(230) 이후에 O2 분리 모듈(260)을 이용하는 구현예에서, O2-린 스트림 중 적어도 일부는 도관(262)을 통해 O2 분리 모듈(260)에서 CO-소비 공정(240)으로 공급된다. CO2 전기분해 모듈(230) 이후에 O2 분리 모듈(260)을 이용하는 구현예에서, O2-린 스트림 중 적어도 일부는 도관(266)을 통해 O2 분리 모듈(260)에서 CO2 전기분해 모듈(230)로 다시 공급된다. O2 분리 모듈(260)을 이용하지 않는 구현예에서, 가스 스트림의 일부는 도관(236)을 통해 CO2 전기분해 모듈(230)에서 산업 공정(210)으로 공급될 수 있다.
일부 구현예에서, 도 2의 CO-소비 공정(240)은 CO2-생성 반응 단계를 포함한다. CO-소비 공정 후 가스 기질이 CO2를 포함하는 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질 중 적어도 일부는 도관(242)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(250)에 전달되어 하나 이상의 성분(258)을 제거 및/또는 전환한다. 이어서 처리된 가스 스트림은 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(252)을 통해 CO2 전기분해 모듈(230)로 전달된다. 특정 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 도관(242)을 통해 산업 공정(210)으로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 동일한 하나 이상의 제거 모듈(220)로 전달된다. 다양한 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 산업 공정(210) 및 하나 이상의 제거 모듈(250)로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 하나 이상의 제거 모듈(220)로 전달될 수 있다.
도 2의 CO-소비 공정(240)은 가스 발효 공정일 수 있고 접종기 및/또는 하나 이상의 생물 반응기에서 발생할 수 있다. 예컨대, CO-소비 공정(240)은 적어도 하나의 C1-고정 미생물의 배양을 포함하는 생물 반응기에서의 가스 발효 공정일 수 있다. CO-소비 공정(240)이 가스 발효 공정인 구현예에서, 배양은 하나 이상의 발효 산물(246) 및 발효 후 가스 기질(CO-소비 공정 후 가스 기질)을 생산하도록 발효될 수 있다.
CO2 전기분해 공정에 고순도의 CO2 스트림(CO2-풍부 스트림)을 제공하는 것은 CO-소비 공정의 (탄소 포획) 효율을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키기 위해, 하나 이상의 CO2 농축 모듈이 상기 공정에 통합될 수 있다. 바람직하게는, 전기 분해 후 스트림은 20 내지 90% 사이의 CO 농도를 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따라, 선택적인 CO2 농축 모듈(370)을 갖는 산업 공정(310), 제거 모듈(320), CO2 전기분해 모듈(330), 선택적인 H2 전기분해 모듈(380), CO-소비 공정(340), 및 선택적인 O2 분리 모듈(360)의 통합을 위한 공정을 도시한다. CO2 농축 모듈(370)을 포함하지 않는 구현예에서, 산업 공정(310)으로부터의 CO2-포함 가스는 도관(312)을 통해 제거 모듈(320)에 공급된다. CO2 농축 모듈(370)을 포함하는 구현예에서, 산업 공정(310)으로부터의 CO2-포함 가스는 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(374)을 제거하기 위해 도관(314)을 통해 CO2 농축 모듈(370)에 공급된다. 이어서 CO2-농축된 가스 스트림은 도관(372)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(320)에 공급되어 하나 이상의 성분(328)을 제거 및/또는 전환한다. 하나 이상의 제거 모듈(320)로부터의 처리된 가스는 이어서 가스 스트림의 적어도 일부를 전환하기 위해 도관(322)을 통해 CO2 전기분해 모듈(330)에 공급된다. 전환된 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(332)을 통해 CO2 전기분해 모듈(330)에서 CO-소비 공정(340)으로 전달된다. 일부 구현예에서, 성분(374)은 CO 및/또는 H2이고, 이는 도관(376)을 통해 CO-소비 공정(340)으로 전달된다. 일부 구현예에서, 수성 기질은 수성 기질 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(382)을 통해 H2 전기분해 모듈(380)로 공급되고, H2-풍부 스트림은 도관(384)을 통해 CO-소비 공정(340)에 전달된다. 선택적으로, O2 중 적어도 일부는 도관(386)을 통해 H2 전기분해 모듈(380)에서 산업 공정(310)으로 공급될 수 있다.
CO2 전기분해 모듈(330)로부터의 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(336)을 통해 산업 공정(310)으로 전달될 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 공정은 CO2 전기분해 모듈(330) 이후 O2 분리 모듈(360)을 포함하며, 여기서 가스 스트림은 도관(334)을 통해 CO2 전기분해 모듈(330)에서 O2 분리 모듈(360)로 전달되어 가스 스트림으로부터 O2 중 적어도 일부를 분리한다. CO2 전기분해 모듈(330) 이후 O2 분리 모듈(360)을 이용하는 구현예에서, 제거된 O2(O2-풍부 스트림) 중 적어도 일부는 도관(364)을 통해 O2 분리 모듈(360)에서 산업 공정(310)으로 공급된다. CO2 전기분해 모듈(330) 이후 O2 분리 모듈(360)을 이용하는 구현예에서, O2-린 스트림 중 적어도 일부는 도관(362)을 통해 O2 분리 모듈(360)에서 CO-소비 공정(340)으로 공급된다. CO2 전기분해 모듈(330) 이후 O2 분리 모듈(360)을 이용하는 구현예에서, O2-린 스트림 중 적어도 일부는 도관(366)을 통해 O2 분리 모듈(260)에서 CO2 전기분해 모듈(330)로 다시 공급된다. O2 분리 모듈(360)을 이용하지 않는 구현예에서, 가스 스트림의 일부는 도관(336)을 통해 CO2 전기분해 모듈(330)에서 산업 공정(310)으로 공급될 수 있다.
하나 이상의 제거 모듈(320) 이전에 가스 스트림에서 CO2를 농축하는 공정은 원치 않는 가스를 감소시켜 발효 공정과 같은 CO-소비 공정의 효율을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 전기분해 모듈의 양극 측면에서 생산된 O2의 양은 전기분해 모듈의 음극에서 생산된 CO2의 양의 50%이다. 생산된 O2는 산업 공정(310)의 효율을 증가시키는데 사용될 수 있으며, 여기서, 전기분해 다음의 가스 스트림 중 적어도 일부는 산업 공정(310)에 전달된다.
일부 구현예에서, 도 3의 CO-소비 공정(340)은 CO2-생성 반응 단계를 포함한다. CO-소비 공정 후 가스 기질이 CO2를 포함하는 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 도관(342)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(350)에 전달되어 하나 이상의 성분(358)을 제거 및/또는 전환한다. 처리된 가스 스트림은 이어서 가스 스트림 중 적어도 일부를 전환하기 위해 도관(352)을 통해 CO2 전기분해 모듈(330)에 전달된다. 특정 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 도관(342)을 통해 산업 공정(310)으로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 하나 이상의 제거 모듈(320)에 전달된다. 다양한 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 산업 공정(310) 및 하나 이상의 제거 모듈(350)로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 하나 이상의 제거 모듈(320)에 전달될 수 있다.
도 3의 CO-소비 공정(340)은 가스 발효 공정일 수 있고 접종기 및/또는 하나 이상의 생물 반응기에서 발생할 수 있다. 예컨대, CO-소비 공정은 적어도 하나의 C1-고정 미생물의 배양을 포함하는 생물 반응기에서의 가스 발효 공정일 수 있다. CO-소비 공정(340)에서, 배양은 하나 이상의 발효 산물(346) 및 CO-소비 공정 후 가스 기질을 생산하기 위해 발효된다.
특정 구현예에서, CO2 농축 모듈은 제거 모듈 후에 배치될 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 양태에 따른, 제거 모듈(420)을 갖는 산업 공정(410), 선택적인 CO2 농축 모듈(470), CO2 전기분해 모듈(430), 선택적인 H2 전기분해 모듈(480), CO-소비 공정(440), 및 선택적인 O2 분리 모듈(460)의 통합을 위한 공정을 도시한다. 선택적인 CO2 농축 모듈(470)을 포함하지 않는 구현예에서, 산업 공정(410)으로부터의 CO2-포함 가스는 도관(422)을 통해 제거 모듈(420)에서 CO2 전기분해 모듈(430)로 공급된다. 선택적인 CO2 농축 모듈(470)을 포함하는 구현예에서, 산업 공정(410)으로부터의 CO2-포함 가스는 도관(412)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(420)로 공급되어 하나 이상의 성분(428)을 제거 및/또는 전환한다. 처리된 스트림은 이어서 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(474)을 제거하기 위해 도관(424)을 통해 선택적인 CO2 농축 모듈(470)에 공급된다. CO2-농축된 가스 스트림은 이어서 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(472)을 통해 CO2 전기분해 모듈(430)에 공급된다. 전환된 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(432)을 통해 CO2 전기분해 모듈(430)에서 CO-소비 공정(440)으로 전달될 수 있다. 일부 구현예에서, 성분(474)은 CO 및/또는 H2이며, 이는 도관(476)을 통해 CO-소비 공정(440)에 전달된다. 일부 구현예에서, 수성 기질은 수성 기질 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(482)을 통해 H2 전기분해 모듈(480)에 공급되고, H2-풍부 스트림은 도관(484)을 통해 CO-소비 공정(440)에 전달된다. 선택적으로, O2 중 적어도 일부는 도관(486)을 통해 H2 전기분해 모듈(480)에서 산업 공정(410)으로 공급될 수 있다.
CO2 전기분해 모듈(430)로부터의 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(436)을 통해 산업 공정(410)에 전달될 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 공정은 가스 스트림으로부터 O2 중 적어도 일부를 분리하기 위해 CO2 전기분해 모듈(430) 후에 O2 분리 모듈(460)을 포함한다. CO2 전기분해 모듈(430) 후에 O2 분리 모듈(460)을 포함하는 구현예에서, 가스 스트림은 도관(434)을 통해 CO2 전기분해 모듈(430)에서 O2 분리 모듈(460)로 공급된다. CO2 전기분해 모듈(430) 후에 O2 분리 모듈(460)을 이용하는 구현예에서, 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(464)을 통해 O2 분리 모듈(460)에서 산업 공정(410)으로 공급된다. CO2 전기분해 모듈(430) 후에 O2 분리 모듈(460)을 이용하는 구현예에서, O2-린 스트림 중 적어도 일부는 도관(462)을 통해 O2 분리 모듈(460)에서 CO-소비 공정으로 공급된다. CO2 전기분해 모듈(430) 후에 O2 분리 모듈(460)을 이용하는 일부 구현예에서, O2-린 스트림 중 적어도 일부는 도관(466)을 통해 O2 분리 모듈(460)에서 다시 CO2 전기분해 모듈(430)로 공급된다. O2 분리 모듈(460)을 이용하지 않는 구현예에서, 가스 스트림의 일부는 도관(436)을 통해 CO2 전기분해 모듈(430)에서 산업 공정(410)으로 공급될 수 있다.
일부 구현예에서, 도 4의 CO-소비 공정(440)은 CO2-생성 반응 단계를 포함한다. CO-소비 공정 후 가스 기질이 CO2를 포함하는 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질 중 적어도 일부는 도관(442)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(450)에 전달되어 하나 이상의 성분(458)을 제거 및/또는 전환한다. 처리된 가스 스트림은 이어서 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(452)을 통해 CO2 전기분해 모듈(430)에 전달된다. 특정 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 도관(442)을 통해 산업 공정(410)으로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 동일한 하나 이상의 제거 모듈(420)에 전달된다. 다양한 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 산업 공정(410) 및 하나 이상의 제거 모듈(450)로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 하나 이상의 제거 모듈(420)에 전달될 수 있다.
도 4의 CO-소비 공정(440)은 가스 발효 공정일 수 있고 접종기 및/또는 하나 이상의 생물 반응기에서 발생할 수 있다. 예컨대, CO-소비 공정(440)은 적어도 하나의 C1-고정 미생물의 배양을 포함하는 생물 반응기에서의 가스 발효 공정일 수 있다. CO-소비 공정(440)이 가스 발효 공정인 구현예에서, 배양은 하나 이상의 발효 산물(446) 및 발효 후 가스 기질(CO-소비 공정 가스 기질)을 생산하기 위해 발효될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 양태에 따라, 제거 모듈(520)을 갖는 산업 공정(510), 선택적인 CO2 농축 모듈(570), CO2 전기분해 모듈(530), CO-소비 공정(540), 선택적인 O2 분리 모듈(560), 선택적인 압력 모듈(580), 및 선택적인 H2 전기분해 모듈(1500)의 통합을 위한 공정을 도시한다. 산업 공정(510)으로부터의 CO2-포함 가스는 도관(512)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(520)에 공급되어 하나 이상의 성분(528)을 제거 및/또는 전환한다. 하나 이상의 제거 모듈(520)로부터의 처리된 가스는 이어서 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(522)을 통해 CO2 전기분해 모듈(530)에 공급된다. H2를 블렌딩하는 구현예에서, 가수분해 전기분해 모듈(1500)은 도관(1502)을 통해 H2-풍부 가스 스트림을 보내어 CO-소비 공정(540)에 도입되기 전에 전환된 가스 스트림 이전에 전환된 가스 스트림과 블렌딩되도록 할 수 있다.
특정 구현예에서, 본 발명은 CO2 전기분해 모듈(530)로부터의 전환된 가스의 압력을 증가시키기 위해 하나 이상의 압력 모듈(580)을 제공한다. CO2 전기분해 모듈(530) 후에 압력 모듈(580)을 이용하는 구현예에서, 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(532)을 통해 CO2 전기분해 모듈(530)에서 압력 모듈(580)로 공급된다. 압력 모듈(580)은 가스 스트림의 압력을 증가시키고 도관(582)을 통해 가스 스트림에서 CO-소비 공정(540)에 전달된다.
다양한 구현예에서, H2 전기분해 모듈(1500)은 O2 분리 모듈(560) 및/또는 압력 모듈(580)과 통합된다. 다양한 구현예에서, 수성 기질은 도관(1506)을 통해 H2 전기분해 모듈(1500)에 공급되고, H2 전기분해 모듈은 도관(1502)을 통해 H2-풍부 가스 스트림을 보내어 CO-소비 공정(540)에 도입될 가스 스트림 이전에 전환된 가스 스트림과 블렌딩될 수 있다. 특정 구현예에서, H2-풍부 가스 스트림을 보내기 위한 도관(1502)은 가압된 CO-풍부 스트림을 보내기 위한 도관(582)과 연결되어 스트림의 블렌딩을 제공한다. 다양한 구현예에서, H2 전기분해 모듈(1500)은 도관(1504)을 통해 CO-소비 공정(540)에 H2-풍부 가스 스트림을 직접 보낸다. 선택적으로, O2 중 적어도 일부는 도관(1508)을 통해 H2 전기분해 모듈(1500)에서 산업 공정(510)으로 공급될 수 있다.
특정 구현예에서, 본 발명은 본 발명의 일 양태에 따라, 산업 공정(510), 선택적인 CO2 농축 모듈(570), 제거 모듈(520), CO2 전기분해 모듈(530), 선택적인 O2 분리 모듈(560), 선택적인 압력 모듈(580), H2 전기분해 모듈(1500), 및 CO-소비 공정(540)을 통합한다. 산업 공정(510)으로부터의 CO2-포함 가스는 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(574)을 제거하기 위해 도관(514)을 통해 선택적인 CO2 농축 모듈(570)에 공급된다. 선택적인 CO2 농축 모듈(570)은 하나 이상의 성분(528)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(572)을 통해 가스를 제거 모듈(520)로 보낸다. 처리된 스트림은 이어서 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(574)을 제거하기 위해 도관(524)을 통해 선택적인 CO2 농축 모듈(570)에 공급된다. 선택적인 CO2 농축 모듈(570)은 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(572)을 통해 가스를 CO2 전기분해 모듈(530)로 보낸다. 전환된 가스 스트림 중 적어도 일부는 가스 스트림으로부터 O2 중 적어도 일부를 분리하기 위해 도관(534)을 통해 선택적인 O2 분리 모듈(560)에 전달될 수 있다. O2-풍부 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(564)을 통해 선택적인 O2 분리 모듈(560)에서 산업 공정(510)으로 전달될 수 있다. O2-풍부 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(536)을 통해 CO2 전기분해 모듈(530)에서 산업 공정(510)으로 공급될 수 있다. O2-고갈된 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(562)을 통해 선택적인 O2 분리 모듈(560)에서 선택적인 압력 모듈(580)로 전달될 수 있다. 선택적인 압력 모듈(580)로부터의 가스 스트림은 도관(582)을 통해 CO-소비 공정(540)으로 보내진다. 가스 스트림은 CO-소비 공정(540)으로 도입되기 이전에 H2-풍부 가스 스트림과 블렌딩될 수 있다. 바람직하게는, H2-풍부 가스 스트림은 도관(1502)을 통해 H2 전기분해 모듈(1500)로부터 전달된다.
도 5의 CO-소비 공정(540)은 생성물(546)을 생산한다. CO-소비 공정은 가스 발효 공정일 수 있고 접종기 및/또는 하나 이상의 생물 반응기에서 발생할 수 있다. 예컨대, CO-소비 공정은 하나 이상의 발효 산물(546) 및 발효 후 가스 기질(CO-소비 공정 후 가스 기질)을 생산하기 위한 배양물을 발효시키는 단계를 포함할 수 있다. CO-소비 공정 후 가스 기질은 하나 이상의 성분(558)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(542)을 통해 제거 모듈(550)에 전달될 수 있다. CO-소비 공정 후 CO2 농축 모듈(570)을 포함하는 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(574)을 제거하기 위해 도관(544)을 통해 선택적인 CO2 농축 모듈(570)에 공급될 수 있다. 선택적인 CO2 농축 모듈(570)은 하나 이상의 성분(558)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(572)을 통해 CO-소비 공정 후 가스 기질을 제거 모듈(550)로 보낼 수 있다. 처리된 가스 스트림은 이어서 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(552)을 통해 CO2 전기분해 모듈(530)에 전달될 수 있다. 특정 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 도관(542)을 통해 산업 공정(510)으로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 동일한 하나 이상의 제거 모듈(520)에 전달된다. 다양한 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 산업 공정(510)으로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 하나 이상의 제거 모듈(520) 및 하나 이상의 제거 모듈(550) 둘 모두에 전달될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 하류 공정, 예컨대 하류 발효 공정 및/또는 하류 모듈에 악영향을 미칠 수 있는 가스 스트림으로부터의 성분의 제거를 제공한다. 특정 구현예에서, 본 발명은 이러한 악영향의 발생을 방지하기 위해 다양한 모듈 사이에 하나 이상의 추가 제거 모듈을 제공한다.
다양한 예시에서, CO2 전기분해 모듈에 의한 CO2-포함 가스 기질의 전환은 하나 이상의 성분이 CO2 전기분해 모듈(630)을 통과하하게 한다. 다양한 구현예에서, 이는 CO-풍부 스트림에서의 하나 이상의 성분을 초래한다. 특정 예시에서, 상기 성분은 일부 전환된 O2를 포함한다. 다양한 구현예에서, 추가 제거 모듈은 CO-풍부 스트림으로부터 O2 제거를 위한 탈산소 모듈이다.
도 6은 추가 제거 모듈(690)을 갖는, CO2 전기분해 모듈(630), 선택적인 O2 분리 모듈(660), 선택적인 압력 모듈(680)의 통합을 도시한다. 특정 예시에서, 추가 제거 모듈(690)은 CO2 전기분해 모듈(630) 다음에 이용된다. CO2 전기분해 모듈(630) 후에 추가 제거 모듈(690)을 이용하는 구현예에서, 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(632)을 통해 CO2 전기분해 모듈(630)에서 추가 제거 모듈(690)로 공급된다. 추가 제거 모듈(690)은 가스 스트림 중의 하나 이상의 성분(698)을 제거 및/또는 전환한다. 추가로, 선택적인 O2 분리 모듈(660)을 이용하는 경우, O2 분리 모듈(660)은 하나 이상의 성분(698)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(662)을 통해 가스 스트림을 추가 제거 모듈(690)로 보낸다. 처리된 스트림은 이어서 도관(692)을 통해 선택적인 압력 모듈(680)에 공급된다.
특정 구현예에서, 본 발명은 본 발명의 일 양태에 따라, 산업 공정(610), 선택적인 CO2 농축 모듈(670), 제거 모듈(620), CO2 전기분해 모듈(630), 추가 제거 모듈(690), 선택적인 O2 분리 모듈(660), 선택적인 압력 모듈(680), 선택적인 H2 전기분해 모듈(1600), 및 CO-소비 공정(640)을 통합한다. 산업 공정(610)과 제거 모듈(620) 사이에 선택적인 CO2 농축 모듈(670)을 포함하지 않는 구현예에서, 산업 공정(610)으로부터의 CO2-포함 가스는 도관(612)을 통해 제거 모듈(620)에 공급된다. 산업 공정(610)과 제거 모듈(620) 사이에 선택적인 CO2 농축 모듈(670)을 포함하는 구현예에서, 산업 공정(610)으로부터의 CO2-포함 가스는 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(674)을 제거하기 위해 도관(614)을 통해 선택적인 CO2 농축 모듈(670)에 공급된다. 선택적인 CO2 농축 모듈(670)은 하나 이상의 성분(628)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(672)을 통해 가스를 제거 모듈(620)로 보낸다. 제거 모듈(620)과 CO2 전기분해 모듈(630) 사이에 CO2 농축 모듈(670)을 포함하지 않는 구현예에서, 처리된 스트림은 도관(622)을 통해 제거 모듈(620)에서 CO2 전기분해 모듈(630)로 공급된다. 제거 모듈(620)과 CO2 전기분해 모듈(630) 사이에 CO2 농축 모듈(670)을 포함하는 구현예에서, 처리된 스트림은 이어서 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(674)을 제거하기 위해 도관(624)을 통해 선택적인 CO2 농축 모듈(670)에 공급된다. 선택적인 CO2 농축 모듈(670)은 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(672)을 통해 가스를 CO2 전기분해 모듈(630)로 보낸다. O2-풍부 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(636)을 통해 CO2 전기분해 모듈(630)에서 산업 공정(610)으로 공급될 수 있다. CO-풍부 가스 스트림 중 적어도 일부는 하나 이상의 성분(698)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(632)을 통해 추가 제거 모듈(690)에 전달될 수 있다. 처리된 가스 스트림 중 적어도 일부는 가스 스트림으로부터 O2 중 적어도 일부를 분리하기 위해 도관(634)을 통해 선택적인 O2 분리 모듈(660)에 전달될 수 있다. O2-풍부 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(664)을 통해 선택적인 O2 분리 모듈(660)에서 산업 공정(610)으로 전달될 수 있다. 가스 스트림 중 적어도 일부는 하나 이상의 성분(698)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(662)을 통해 선택적인 O2 분리 모듈(660)에서 추가 제거 모듈(690)로 전달될 수 있다. 가스 스트림 중 적어도 일부는 도관(692)을 통해 추가 제거 모듈(690)에서 선택적인 압력 모듈(680)로 전달될 수 있다. 선택적인 압력 모듈(680)로부터의 가스 스트림은 도관(682)을 통해 CO-소비 공정(640)으로 보내진다. 가스 스트림은 CO-소비 공정(640)에 도입되기 이전에 H2-풍부 가스 스트림과 블렌딩될 수 있다. 바람직하게는, 수성 기질은 도관(1606)을 통해 H2 전기분해 모듈(1600)에 전달되고, H2-풍부 가스 스트림은 도관(1602)을 통해 H2 전기분해 모듈(1600)로부터 전달된다. 다양한 구현예에서, H2 전기분해 모듈(1600)은 도관(1604)을 통해 H2-풍부 가스 스트림을 CO-소비 공정(640)으로 직접 보낸다. 일부 구현예에서, H2 전기분해 모듈(1600)에 의해 생산된 O2는 도관(1608)을 통해 산업 공정(610)에 전달된다.
도 6의 CO-소비 공정(640)은 생성물(646)을 생성할 수 있다. CO-소비 공정은 가스 발효 공정일 수 있고 접종기 및/또는 하나 이상의 생물 반응기에서 발생할 수 있다. 예컨대, CO-소비 공정은 하나 이상의 발효 산물(646) 및 발효 후 가스 기질(CO-소비 공정 후 가스 기질)을 생산하기 위한 배양물을 발효시키는 단계를 포함할 수 있다. CO-소비 공정 후 가스 기질은 가스 스트림 중의 CO2의 농도를 증가시키고 하나 이상의 성분(674)을 제거하기 위해 도관(644)을 통해 선택적인 CO2 농축 모듈(670)에 전달될 수 있다. 선택적인 CO2 농축 모듈(670)은 하나 이상의 성분(658)을 제거 및/또는 전환하기 위해 도관(672)을 통해 CO-소비 공정 후 가스 기질을 제거 모듈(650)로 보낸다. 처리된 가스 스트림은 이어서 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 도관(652)을 통해 CO2 전기분해 모듈(630)로 전달된다. 특정 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 도관(642)을 통해 산업 공정(610)으로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 동일한 하나 이상의 제거 모듈(620)로 전달된다. 다양한 구현예에서, CO-소비 공정 후 가스 기질은 산업 공정(610)으로부터의 CO2-포함 가스를 수용하는 하나 이상의 제거 모듈(620) 및 하나 이상의 제거 모듈(650)에 전달될 수 있다.
다양한 구현예에서, 본 발명은 전기분해 공정을 위해 공급된 전력이 적어도 부분적으로 재생가능한 에너지 공급원으로부터 유도되는 전기분해를 포함하는 통합된 공정을 제공한다.
상기 기질은 전형적으로 가스이지만, 상기 기질은 대안적인 형태로 제공될 수도 있다. 예를 들면, 상기 기질은 마이크로버블 분산 발생기(microbubble dispersion generator)를 사용하여 CO-포함 가스로 포화된 액체에 용해될 수 있다. 추가적인 예로서, 상기 기질은 고체 지지체 상에 흡착될 수 있다.
생물 반응기 중의 C1-고정 미생물은 전형적으로 일산화탄소영양 박테리아이다. 특정 구현예에서, 일산화탄소영양 박테리아는 무렐라, 클로스트리듐, 루미노코커스, 아세토박테리움, 유박테리움, 부티리박테리움, 옥소박터, 메타노사르시나, 메타노사르시나, 및 디설포토마컬럼 으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다양한 구현예에서, 일산화탄소영양 박테리아는 클로스트리듐 오토에타노게눔이다.
본 명세서에 인용된, 공개문헌들, 특허 출원들 및 특허들을 포함한 모든 참고 문헌들은, 마치 각각의 참고 문헌이 원용에 의해 편입되도록 구체적으로 그리고 개별적으로 표기되고 전체로서 본 명세서에 기술된 것처럼, 원용에 의해 본 명세서에 편입된다. 본 명세서 내에서의 임의의 선행 기술에 대한 인용은, 그 선행 기술이 임의의 국가에서의 관련 분야의 일반적인 지식의 일부를 형성함을 인정하는 것이 아니며, 이와 같이 이해되지도 않아야 한다.
본 발명의 기재의 맥락에서(특히 하기 청구범위의 맥락에서) 단수 용어들 및 유사한 지시 대상의 사용은 본 명세서에 달리 명시되거나 맥락상 명확히 모순되지 않는 한, 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하는(comprising, including)", "갖는", 및 "함유하는(containing)"은 달리 지시되지 않는 한, 개방형 용어(즉, "포함하나 이에 제한되지 않는"의 의미)로 해석되어야 한다. 용어 "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)"은 조성물, 공정, 또는 방법의 범위를 특정 물질 또는 단계로, 또는 조성물, 공정, 또는 방법의 기본 및 신규 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것으로 제한한다. 대안(즉, "또는")의 사용은 대안의 하나, 둘 모두, 또는 임의의 조합을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 달리 지시되지 않는 한 지시된 범위, 값, 또는 구조의 ±20%를 의미한다.
본 명세서에서의 값 범위의 언급은, 본 명세서에 달리 명시되지 않는 한, 단지, 그 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 나타내는 약식 방법으로서 작용하려는 것이며, 각각의 개별 값은 그것이 본 명세서에서 개별적으로 언급된 것과 마찬가지로 본 명세서 내에 편입된다. 예컨대, 임의의 농도 범위, 퍼센트 범위, 비율 범위, 정수 범위, 크기 범위, 또는 두께 범위는 달리 지시되지 않는 한 언급된 범위 내의 임의의 정수의 값, 및 적절한 경우, 이들의 분수(예컨대 정수의 1/10 및 1/100)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 기재된 방법은 본 명세서에 달리 명시되지 않거나 맥락상 명확히 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에서 제공된 임의의 및 모든 예 또는 예시 언어(즉, "예를 들어")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 예시하기 위한 것이며, 달리 청구되지 않는 한, 본 발명의 범위에 제한을 부과하지 않는다. 본 명세서의 어떤 언어도 임의의 청구되지 않은 구성 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 명시하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 바람직한 구현예가 본 명세서에 기재된다. 이들 바람직한 구현예의 변형은 상기 기재의 판독 시 당업자에게 자명해질 수 있다. 본 발명자들은 당업자들이 적합한 바에 따라 이와 같은 변형을 사용할 것으로 예상하며, 본 발명자들은 본 발명이 본 명세서에 구체적으로 기재된 바와 다르게 실시되도록 의도한다. 따라서, 본 발명은, 준거법에 의해 허용되는, 본 명세서에 첨부된 청구범위에 언급된 기술 요지의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 달리 명시하지 않거나 맥락상 명확히 모순되지 않는 한, 본 발명은 그의 모든 가능한 변형에서의 전술된 구성 요소의 임의의 조합을 포함한다.
Claims (20)
- 탄소 전환 효율을 개선하기 위한 공정으로서,
a. CO2-포함 가스 기질로부터의 적어도 하나의 성분의 제거를 위해 산업 공정으로부터의 CO2-포함 가스 기질을 제1 제거 모듈로 전달하여 제1 CO2-처리된 가스 스트림을 생산하는 단계;
b. 상기 제1 CO2-처리된 가스 스트림 중 적어도 일부의 전환을 위해 상기 제1 CO2-처리된 가스 스트림을 CO2 전기분해 모듈로 전달하여 CO-풍부 스트림 및 제1 O2-풍부 스트림을 생산하는 단계; 및
c. 상기 CO-풍부 스트림 중 적어도 일부를 CO-소비 공정에 전달하는 단계를 포함하는, 탄소 전환 효율을 개선하기 위한 공정. - 제1항에 있어서, 상기 산업 공정으로부터의 상기 CO2-포함 가스 기질이 우선 압력 모듈에 전달되어 가압된 CO2-포함 가스 스트림을 생산하고, 상기 가압된 CO2-포함 가스 스트림이 상기 제1 제거 모듈로 전달되는 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 공정은,
a. 상기 제1 O2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 상기 산업 공정에 직접 전달하는 단계; 및
b. 상기 제1 O2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 O2 분리 모듈에 전달하여 제2 O2-풍부 스트림 및 O2-린(lean) 스트림을 생산하는 단계 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 공정. - 제3항에 있어서, 상기 공정은,
a. 상기 제2 O2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 상기 산업 공정에 전달하는 단계;
b. 상기 O2-린 스트림 중 적어도 일부를 상기 CO2 전기분해 모듈에 전달하는 단계; 및
c. 상기 O2-린 스트림 중 적어도 일부를 상기 CO-소비 공정에 전달하는 단계 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 공정. - 제1항에 있어서, 상기 공정은 상기 산업 공정으로부터의 상기 CO2-포함 가스 기질 중 적어도 일부 및/또는 상기 제1 CO2-처리된 가스 스트림 중 적어도 일부를 제1 CO2 농축 모듈로 전달하여 제1 CO2-농축된 스트림 및 제1 CO2-린 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
- 제5항에 있어서, 상기 공정은 상기 제1 CO2-농축된 스트림 중 적어도 일부를 하나 이상의 제1 제거 모듈 및 상기 CO2 전기분해 모듈로 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 CO2-린 스트림이 CO 및/또는 H2를 포함하고, 여기서 상기 공정은 제1 CO2-린 스트림 중 적어도 일부를 상기 CO-소비 공정으로 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 공정은 CO-풍부 스트림 중 적어도 일부를 압력 모듈로 전달하여 가압된 CO-스트림을 생산하는 단계 및 상기 가압된 CO-스트림 중 적어도 일부를 상기 CO-소비 공정으로 전달하는 단계를 포함하는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 공정은 수성 기질을 H2 전기분해 모듈로 전달하여 H2-풍부 스트림을 생산하는 단계 및 상기 H2-풍부 스트림 중 적어도 일부를 CO-소비 공정으로 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 CO-소비 공정이 CO2를 포함하는 테일 가스를 생산하는, 공정.
- 제10항에 있어서, 상기 공정은,
a. 테일 가스로부터 적어도 하나의 성분의 제거를 위해 CO2를 포함하는 상기 테일 가스 중 적어도 일부를 상기 제1 제거 모듈 또는 제2 제거 모듈로 전달하여 제2 CO2-처리된 가스 스트림을 생산하는 단계; 및
b. CO2를 포함하는 상기 테일 가스 중 적어도 일부를 제2 CO2 농축 모듈로 전달하여 제2 CO2-농축된 스트림 및 제2 CO2-린 스트림을 생산하는 단계 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 공정. - 제11항에 있어서, CO2를 포함하는 상기 테일 가스 중 적어도 일부가 압력 모듈에 전달되어 가압된 테일 가스 스트림을 생산하고, 상기 가압된 테일 가스 스트림이 상기 제1 제거 모듈 및/또는 상기 제2 제거 모듈에 전달되는, 공정.
- 제11항에 있어서, 상기 공정은 테일 가스로부터 적어도 하나의 성분의 제거를 위해 상기 제2 CO2-농축된 스트림 중 적어도 일부를 제1 제거 모듈 또는 제2 제거 모듈에 전달하여 제2 CO2-처리된 가스 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
- 제13항에 있어서, 상기 공정은 상기 제2 CO2-처리된 가스 스트림 중 적어도 일부를 CO2 전기분해 모듈에 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 산업 공정으로부터의 상기 CO2-포함 가스 기질이 CO, H2, 및 CH4 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 산업 공정은 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 가스화, 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 생산 및/또는 제련, 지질 저장조, 피셔-트롭쉬 공정, 메탄올 생산, 열분해, 증기 메탄 개질, 건식 메탄 개질, 바이오가스 또는 천연 가스의 부분 산화, 및 바이오가스 또는 천연 가스의 자열 개질을 포함하는 군으로부터 선택되는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 제거 모듈이 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 염화물 제거 모듈, 타르 제거 모듈, 및 시안화수소 연마 모듈로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 CO2-포함 가스 기질로부터 제거된 적어도 하나의 성분이 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 산소, 인-포함 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 할로겐화 화합물, 규소-포함 화합물, 카보닐, 금속, 알코올, 에스터, 케톤, 과산화물, 알데히드, 에터, 타르, 및 나프탈렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
- 제1항에 있어서, 상기 CO-소비 공정이 적어도 하나의 일산화탄소영양 박테리아의 배양을 포함하는 발효 공정인, 공정.
- 제19항에 있어서, 상기 발효 공정이 에탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드로프로피오네이트, 테르펜, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 및 1-프로판올로 이루어진 군으로부터 선택되는 발효 산물을 생산하는, 공정.
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