RU2800360C1 - Advanced carbon capture in fermentation - Google Patents

Advanced carbon capture in fermentation Download PDF

Info

Publication number
RU2800360C1
RU2800360C1 RU2022121313A RU2022121313A RU2800360C1 RU 2800360 C1 RU2800360 C1 RU 2800360C1 RU 2022121313 A RU2022121313 A RU 2022121313A RU 2022121313 A RU2022121313 A RU 2022121313A RU 2800360 C1 RU2800360 C1 RU 2800360C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
stream
fermentation
substrate
bioreactor
Prior art date
Application number
RU2022121313A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Шон Деннис СИМПСОН
Кристоф КОЛЛЕ
Ричард Ллуэллин Сидни ФОРСТЕР
Майкл Чарльз Милнер КОКРЕМ
Саймон Дэвид ОУКЛИ
Original Assignee
ЛанцаТек НЗ, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ЛанцаТек НЗ, Инк. filed Critical ЛанцаТек НЗ, Инк.
Application granted granted Critical
Publication of RU2800360C1 publication Critical patent/RU2800360C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: group of inventions is described, including a method for obtaining at least one product using microbiological fermentation (embodiments). In one embodiment, the method includes the steps of directing carbonaceous material to a gasification zone to produce a substrate, directing the substrate to a bioreactor containing a culture of at least one carboxydotrophic microorganism selected from the genus Clostridium, and anaerobically fermenting the substrate to at least one product selected from group consisting of alcohols, acids and their mixtures.
EFFECT: invention expands the range of means for making alcohols and acids using microbiological fermentation of a gas stream.
18 cl, 18 dwg, 5 tbl, 2 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам, направленным на усовершенствование общего улавливания углерода и/или повышение общей эффективности способов, включающих микробиологическую ферментацию. В частности, настоящее изобретение относится к усовершенствованию улавливания углерода и/или повышению эффективности способов, включающих микробиологическую ферментацию содержащего СО субстрата, полученного из какого-либо промышленного источника.The present invention relates to devices and methods aimed at improving the overall carbon capture and/or increase the overall efficiency of the methods, including microbiological fermentation. In particular, the present invention relates to improving carbon capture and/or improving the efficiency of processes involving the microbiological fermentation of a CO-containing substrate obtained from an industrial source.

Уровень техникиState of the art

Во всем мире этанол быстро занимает место основного обогащенного водородом жидкого моторного топлива. Мировое потребление этанола в 2005 г оценивается в 12,2 миллиарда галлонов. Мировому рынку производства топливного этанола также предсказывают быстрый рост в будущем за счет возросшего интереса к этанолу в Европе, Японии, США и некоторых развивающихся странах.Around the world, ethanol is rapidly taking over as the main hydrogen-enriched liquid motor fuel. World consumption of ethanol in 2005 is estimated at 12.2 billion gallons. The global market for fuel ethanol production is also predicted to grow rapidly in the future due to increased interest in ethanol in Europe, Japan, the US and some developing countries.

Например, в США этанол используют для производства Е10 - 10%-ной смеси этанола и бензина. В смеси Е10 этанол выполняет функцию обогащающего кислородом компонента, повышая эффективность сгорания и уменьшая образование загрязняющих атмосферу веществ. В Бразилии этанол удовлетворяет, приблизительно, 30% спроса на моторное топливо как в составе смеси с бензином в качестве обогащающего кислородом компонента, так и как самостоятельное чистое топливо. Кроме того, в Европе встревоженность состоянием окружающей среды, сопровождающая последствия выбросов парниковых газов, стала побудительным мотивом для постановки Европейским союзом перед своим членам задачи перехода на использование экологичных моторных топлив, таких как этанол, полученный из биомассы.For example, in the US, ethanol is used to produce E10, a 10% mixture of ethanol and gasoline. In the E10 mixture, ethanol acts as an oxygen enriching component, increasing combustion efficiency and reducing the formation of air pollutants. In Brazil, ethanol accounts for approximately 30% of motor fuel demand, both blended with gasoline as an oxygen enrichment component and as a clean fuel on its own. In addition, in Europe, the environmental anxiety that accompanies the effects of greenhouse gas emissions has prompted the European Union to challenge its members to switch to sustainable motor fuels such as biomass-derived ethanol.

Большая часть топливного этанола производится традиционным способом дрожжевого брожения, в котором основным источником углерода являются получаемые из сельскохозяйственных культур углеводы, такие как сахароза, экстрагируемая из сахарного тростника, или крахмал, экстрагируемый из зерновых культур. Однако, стоимость этих углеводных исходных материалов зависит от того, что они ценны как пища для человека или корм для животных, в то время как выращивание являющихся источником крахмала или сахарозы сельскохозяйственных культур для производства этанола неприемлема с экономической точки зрения в любых географических условиях. Следовательно, вызывает интерес разработка технологий превращения более дешевого и/или имеющегося в большем количестве углеродного сырья в топливный этанол.Most fuel ethanol is produced by the traditional yeast fermentation process, in which the main source of carbon is crop-derived carbohydrates, such as sucrose extracted from sugar cane or starch extracted from cereals. However, the cost of these carbohydrate feedstocks depends on their value as human food or animal feed, while growing starch or sucrose source crops for ethanol production is not economically viable in any geographic setting. Therefore, there is interest in developing technologies for converting cheaper and/or more abundant carbon feedstocks into fuel ethanol.

СО является основным, несвязанным, энергоемким побочным продуктом неполного сгорания органических материалов, таких как уголь или нефть и полученные из нефти продукты. Например, сообщается, что сталелитейная промышленность Австралии производит и выбрасывает в атмосферу более 500000 тонн СО ежегодно.CO is the main, uncombined, energy intensive by-product of the incomplete combustion of organic materials such as coal or petroleum and petroleum-derived products. For example, the Australian steel industry is reported to produce and emit more than 500,000 tons of CO2 annually.

Для превращения газов, состоящих, преимущественно, из СО и/или СО и водорода (Н2), в разнообразные топлива и химические соединения можно использовать каталитические процессы. Для превращения этих газов в топлива и химические соединения также можно использовать микроорганизмы. Такие биологические процессы, хотя и протекают, как правило, медленнее, чем химические реакции, имеют несколько преимуществ перед каталитическими процессами, в том числе, бóльшую избирательность, более высокий выход, меньшее энергопотребление и бóльшую устойчивость к отравлению.Catalytic processes can be used to convert gases predominantly composed of CO and/or CO and hydrogen (H 2 ) into a variety of fuels and chemicals. Microorganisms can also be used to convert these gases into fuels and chemicals. Such biological processes, although generally slower than chemical reactions, have several advantages over catalytic processes, including greater selectivity, higher yield, lower energy consumption, and greater resistance to poisoning.

Способность микроорганизмов к росту на СО как единственном источнике углерода впервые была обнаружена в 1903 г. Впоследствии установили, что это является свойством организмов, которые используют метаболический путь автотрофного роста на основе ацетилкоэнзима А (ацетил-CoA) (также известный как метаболический путь Вудса-Юнгдаля (Woods-Ljungdahl) и метаболический путь дегидрогеназы монооксида углерода/синтазы ацетилСоА (CODH/ACS)). Было показано, что целый ряд анаэробных организмов, включая карбоксидотрофные, фотосинтетические, метаногенные и ацетогенные организмы, в процессе обмена веществ превращают СО в различные конечные продукты, а именно, СО2, Н2, метан, н-бутанол, ацетаты и этанол. Все подобные организмы, хотя и используют СО в качестве единственного источника углерода, производят, по меньшей мере, два из указанных конечных продуктов.The ability of microorganisms to grow on CO as the sole source of carbon was first discovered in 1903. This was subsequently found to be a property of organisms that use the acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) metabolic pathway of autotrophic growth (also known as the Woods-Ljungdahl metabolic pathway and the carbon monoxide dehydrogenase/acetyl CoA synthase (CODH/ACS) metabolic pathway )). A variety of anaerobic organisms, including carboxydotrophic, photosynthetic, methanogenic, and acetogenic organisms, have been shown to metabolize CO into various end products, namely CO2 , H2 , methane, n-butanol, acetates, and ethanol. All such organisms, although using CO as their sole carbon source, produce at least two of these end products.

Было показано, что анаэробные бактерии, например, из рода Clostridium, производят этанол из СО, СО2 и Н2 по метаболическому пути на основе ацетил СоА. Например, различные штаммы Clostridium ljungdahlii, которые производят этанол из газов, описаны в WO 00/68407, ЕР 117309, патентах США №№ 5173429, 5593886 и 6368819, WO 98/00558 и WO 02/08438. Также известно, что этанол из газов производят бактерии Clostridium autoethanogenum sp (Arbini и др., Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)).It has been shown that anaerobic bacteria, for example from the genus Clostridium, produce ethanol from CO, CO 2 and H 2 via the acetyl CoA metabolic pathway. For example, various strains of Clostridium ljungdahlii that produce ethanol from gases are described in WO 00/68407, EP 117309, US Pat. The bacteria Clostridium autoethanogenum sp is also known to produce ethanol from gases (Arbini et al., Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)).

Однако, производство этанола микроорганизмами в ходе ферментации газов всегда сопряжено с попутным образованием ацетата и/или уксусной кислоты. Поскольку часть доступного углерода преобразуется в ацетат/уксусную кислоту, а не в этанол, эффективность производства этанола с использованием таких процессов ферментации может быть меньше, чем хотелось бы. Кроме того, если пробочный продукт, представляющий собой ацетат/уксусную кислоту не находит применения для каких-то других целей, он может вызывать проблемы, связанные с удалением отходов. Микроорганизмы преобразуют ацетат/уксусную кислоту в метан и, следовательно, имеется потенциал увеличения выбросов парниковых газов.However, the production of ethanol by microorganisms during the fermentation of gases is always associated with the formation of acetate and/or acetic acid. Because some of the available carbon is converted to acetate/acetic acid rather than ethanol, the efficiency of ethanol production using such fermentation processes may be less than desired. In addition, if the acetate/acetic acid bypass product is not used for some other purpose, it can cause disposal problems. Microorganisms convert acetate/acetic acid to methane and hence the potential for increased greenhouse gas emissions.

Микробиологическая ферментация СО в присутствии Н2 может привести, по существу, к полному преобразованию углерода в спирт. Однако, при отсутствии достаточного количества Н2 некоторая часть СО превращается в спирт, тогда как значительная часть превращается в СО2, как показывают следующие уравнения реакций:Microbiological fermentation of CO in the presence of H 2 can result in essentially complete conversion of carbon to alcohol. However, in the absence of a sufficient amount of H 2 , some of the CO is converted to alcohol, while a significant part is converted to CO 2 , as shown by the following reaction equations:

6СО+3Н2О→С2Н5ОН+4СО2 6CO + 3H 2 O → C 2 H 5 OH + 4CO 2

12Н2+4СО2→2С2Н5ОН+6Н2О12H 2 + 4CO 2 → 2C 2 H 5 OH + 6H 2 O

Образование СО2 делает улавливание углерода в целом неэффективным и, в случае сброса в атмосферу, вносит вклад в количество выбрасываемых парниковых газов.The formation of CO 2 makes carbon capture generally inefficient and, if released to the atmosphere, contributes to the amount of greenhouse gases emitted.

В заявке WO 2007/117157, описание которой включается в настоящий документ путем ссылки, описывается процесс, в ходе которого образуются спирты, в частности этанол, в ходе анаэробной ферментации газов, содержащих монооксид углерода. Ацетат, образующийся в качестве побочного продукта процесса ферментации, преобразуется в газообразный водород и газообразный диоксид углерода, любой из которых может быть использован в процессе анаэробной ферментации. В заявке WO 2008/115080, описание которой включается в настоящий документ путем ссылки, описывается процесс производства спирта(спиртов) за несколько стадий ферментации. Побочные продукты, образующиеся в результате анаэробной ферментации газа(газов) в первом биореакторе, могут быть использованы для производства продуктов во втором биореакторе. Кроме того, побочные продукты второй стадии ферментации могут быть рециркулированы в первый биореактор с целью превращения в продукты.In the application WO 2007/117157, the description of which is incorporated herein by reference, describes a process in which alcohols, in particular ethanol, are formed during the anaerobic fermentation of gases containing carbon monoxide. The acetate produced as a by-product of the fermentation process is converted to hydrogen gas and carbon dioxide gas, either of which can be used in the anaerobic fermentation process. WO 2008/115080, the description of which is incorporated herein by reference, describes a process for the production of alcohol(s) in several fermentation steps. By-products resulting from the anaerobic fermentation of the gas(s) in the first bioreactor can be used to produce products in the second bioreactor. In addition, the by-products of the second fermentation step can be recycled to the first bioreactor to be converted into products.

В документах US 7078201 и WO 02/08438 также описан усовершенствованный способ производства этанола путем изменения условий (например, рН и окислительно-восстановительного потенциала) жидкой питательной среды, в которой осуществляется ферментация. Как указано в этих публикациях, аналогичные процессы могут быть использованы для производства других спиртов, таких как бутанол.Documents US 7078201 and WO 02/08438 also describe an improved method for the production of ethanol by changing the conditions (eg, pH and redox potential) of the liquid nutrient medium in which the fermentation is carried out. As stated in these publications, similar processes can be used to produce other alcohols such as butanol.

Даже небольшие усовершенствования способа ферментации, направленного на производство одной или более кислоты и/или одного или более спирта, могут иметь существенное значение с точки зрения эффективности и, конкретнее, рентабельности такого способа.Even small improvements in the fermentation process aimed at producing one or more acids and/or one or more alcohols can make a significant difference in terms of the efficiency and, more specifically, the cost-effectiveness of such a process.

Например, независимо от источника сырья для реакции ферментации, проблемы могут возникнуть в случае перерывов в подаче сырья. Более конкретно, такие перерывы могут нанести ущерб эффективности производства используемыми для осуществления данной реакции микроорганизмами и, в некоторых случаях, в дополнение к этому, могут быть для них губительными. Например, там, где для производства кислот/спиртов в реакциях ферментации может быть использован газообразный СО из потока отходящего промышленного газа, могут быть моменты, когда этот поток не образуется. В это время микроорганизмы, используемые для осуществления реакции, могут перейти в неактивное, непродуктивное состояние или спячку. Когда поток возобновляется, до полного восстановления продуктивности микроорганизмов по осуществлению целевой реакции может пройти некоторое время. Следовательно, существенное преимущество может принести отыскание средства уменьшения или исключения такого запаздывания.For example, regardless of the source of the feedstock for the fermentation reaction, problems can arise in the event of interruptions in the supply of feedstock. More specifically, such interruptions can be detrimental to the production efficiency of the microorganisms used to carry out a given reaction and, in some cases, in addition to this, can be detrimental to them. For example, where CO gas from an industrial off-gas stream can be used to produce acids/alcohols in fermentation reactions, there may be times when this stream is not produced. At this time, the microorganisms used to carry out the reaction may go into an inactive, unproductive state or hibernation. When the flow is resumed, it may take some time before the full restoration of the productivity of microorganisms for the implementation of the desired reaction. Therefore, a significant advantage can come from finding a means to reduce or eliminate such a delay.

Другой пример; во многих промышленных процессах для уменьшения концентрации твердых частиц (таких как пыль) и других компонентов, загрязняющих отходящие газы, используются системы газоочистки или отдельные газоочистители. Известны системы сухой и мокрой газоочистки. В системе мокрой газоочистки для «вымывания» загрязняющих компонентов из газового потока используют воду или другие жидкости. Типичную систему мокрой газоочистки можно увидеть на сталелитейных заводах, где для очистки отходящих газов, образующихся на различных стадиях производства стали, например, газов, образующихся в коксовых печах, доменных печах, кислородных конвертерах или электродуговых печах, используют воду. Хотя преимуществом газоочистки является уменьшение количества загрязняющих веществ в отходящих газах, при этом загрязняющие вещества никоим образом не уничтожаются. Нежелательные вещества просто переходят из газа в твердую или порошкообразную форму или в орошающую воду или жидкость. Таким образом, вода или жидкость, используемая в системе газоочистки, становится потоком отходов, образующимся в данной отрасли производства. Утилизация таких отходов представляет угрозу окружающей среде. Необходимость очистки и утилизации таких отходов также является существенной материальной нагрузкой на производство.Another example; Many industrial processes use scrubbing systems or separate scrubbers to reduce the concentration of particulate matter (such as dust) and other off-gas pollutants. Known systems of dry and wet gas cleaning. In a wet scrubbing system, water or other liquids are used to “flush” contaminants from the gas stream. A typical wet scrubbing system can be seen in steel mills where water is used to treat off-gases from various stages of steel production, such as gases from coke ovens, blast furnaces, BOFs or electric arc furnaces. Although gas cleaning has the advantage of reducing the amount of contaminants in the exhaust gases, the contaminants are not destroyed in any way. Unwanted substances simply pass from the gas to solid or powder form, or to the irrigation water or liquid. Thus, the water or liquid used in the gas cleaning system becomes a waste stream generated in this industry. The disposal of such waste poses a threat to the environment. The need to clean and dispose of such waste is also a significant material burden on production.

Хотя обычные промышленные газоочистители (как на сталелитейных заводах) удаляют из потоков отходящего промышленного газа часть загрязняющих веществ, в данной области признано, что эти газы нуждаются в дополнительной очистке и/или другой обработке перед тем, как их можно будет использовать для подачи на реакцию ферментации, из-за ощутимого вредоносного влияния таких газов на микроорганизмы, используемые для осуществления данной реакции. См., например, Datar и др., Fermentation of biomass-generated producer gas to ethanol (Ферментация полученного из биомассы генераторного газа в этанол), 2004, Biotechnology and Bioengineering Vol. 86, pp 587-594. Для осуществления дополнительных стадий газоочистки и/или обработки на промышленном предприятии нужна свободная площадь, что особенно проблематично, если процесс ферментации организуется на существующем предприятии. Следовательно, существует потребность в усовершенствованных способах, в которых дополнительные стадии газоочистки или другой обработки не требуются или, по меньшей мере, сведены к минимуму.Although conventional industrial gas scrubbers (as found in steel mills) remove some of the contaminants from industrial off-gas streams, it is recognized in the art that these gases need further purification and/or other treatment before they can be fed into a fermentation reaction due to the perceived detrimental effect of such gases on the microorganisms used to carry out the reaction. See, for example, Datar et al., Fermentation of biomass-generated producer gas to ethanol, 2004, Biotechnology and Bioengineering Vol. 86, pp. 587-594. To carry out additional stages of gas cleaning and/or processing in an industrial plant, free space is needed, which is especially problematic if the fermentation process is organized in an existing plant. Therefore, there is a need for improved processes in which additional gas cleaning or other processing steps are not required, or at least minimized.

Целью настоящего изобретения является обеспечение устройства(устройств) и/или способа(способов), которые позволяют устранить или усовершенствовать, по меньшей мере, один из известных в данной области недостатков, и обеспечение новых способов усовершенствованного и/или расширенного производства различных полезных продуктов.It is an object of the present invention to provide device(s) and/or method(s) that eliminate or improve at least one of the disadvantages known in the art and to provide new methods for improved and/or expanded production of various useful products.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

В первом аспекте обеспечивается способ улавливания углерода при помощи микробиологической ферментации, каковой способ включает:In a first aspect, a microbiological fermentation carbon capture method is provided, which method includes:

i. прием из производственного процесса потока(потоков) дымового или отходящего газа, содержащего СО;i. receiving from the production process flow(s) of flue or off-gas containing CO;

ii. направление этого потока(потоков) в биореактор, в котором имеется культура одного или более типа микроорганизмов;ii. directing this stream(s) to a bioreactor in which one or more types of microorganisms are cultured;

iii. ферментативная активность этой культуры в биореакторе с получением одного или более продукта.iii. the enzymatic activity of this culture in a bioreactor to produce one or more products.

В некоторых вариантах осуществления изобретения данный способ включает улавливание, по меньшей мере, части содержащегося в газе СО2 при помощи устройства для удаления СО2 из одного или обоих потоков:In some embodiments of the invention, this method includes capturing at least part of the CO 2 contained in the gas using a device for removing CO 2 from one or both streams:

i. потока перед его вхождением в биореактор;i. flow before entering the bioreactor;

ii. потока после его выхода из биореактора.ii. stream after it exits the bioreactor.

В определенных вариантах осуществления изобретения данный способ включает первую стадию отделения газа, каковая первая стадия отделения газа включает (i) прием потока газа; (ii) по существу, отделение, по меньшей мере, одной порции этого потока газа, каковая порция содержит один или более компонент этого потока газа; и (iii) направление, по меньшей мере, части отделенной порции(порций) в биореактор. В одном из вариантов осуществления изобретения эта, по меньшей мере, часть отделенной порции(порций), направляемая в биореактор, содержит СО.In certain embodiments, the method includes a first gas separation step, which first gas separation step comprises (i) receiving a gas stream; (ii) essentially separating at least one portion of this gas stream, which portion contains one or more components of this gas stream; and (iii) directing at least a portion of the separated portion(s) to the bioreactor. In one of the embodiments of the invention, this at least part of the separated portion(s) sent to the bioreactor contains CO.

В определенных вариантах осуществления изобретения данный способ включает вторую стадию отделения газа, каковая вторая стадия отделения газа включает (i) прием потока газа; (ii) по существу, отделение, по меньшей мере, одной порции этого потока газа, каковая порция содержит один или более компонент этого потока газа; и (iii) направление, по меньшей мере, части отделенной порции(порций) в устройство для удаления СО2. В одном из вариантов осуществления изобретения на этой стадии отделения газа, по существу, отделяют СО2 от потока газа и направляют отделенный СО2 в устройство для удаления СО2.In certain embodiments, the method includes a second gas separation step, which second gas separation step comprises (i) receiving a gas stream; (ii) essentially separating at least one portion of this gas stream, which portion contains one or more components of this gas stream; and (iii) directing at least a portion of the separated portion(s) to a CO 2 removal device. In one embodiment of the invention, this gas separation step essentially separates CO 2 from the gas stream and directs the separated CO 2 to a CO 2 removal device.

В определенных вариантах осуществления изобретения данный способ включает промежуточное хранение потока газа и направление, по меньшей мере, порции этого потока в биореактор, по существу, в непрерывном режиме. В одном из вариантов осуществления изобретения данная стадия промежуточного хранения включает (i) прием прерывистого или непостоянного потока газа в накопительное устройство; (ii) направление из данного накопительного устройства, по существу, непрерывного потока газа в биореактор.In certain embodiments of the invention, this method includes intermediate storage of the gas stream and the direction of at least a portion of this stream in the bioreactor, essentially in a continuous mode. In one embodiment of the invention, this intermediate storage step includes (i) receiving an intermittent or non-constant gas flow into a storage device; (ii) directing from the storage device a substantially continuous flow of gas into the bioreactor.

В определенных вариантах осуществления изобретения данный способ включает смешивание одного или более потока газа, по меньшей мере, с одним другим потоком.In certain embodiments of the invention, this method includes mixing one or more gas streams with at least one other stream.

В определенных вариантах осуществления изобретения данный способ включает добавление орошающей воды из производственного процесса в биореактор.In certain embodiments of the invention, this method includes adding irrigation water from the production process to the bioreactor.

Во втором аспекте обеспечивается система для улавливания углерода при помощи микробиологической ферментации, в каковой системе имеется впуск для приема из производственного процесса дымового или отходящего газа, и каковая система в эксплуатации предусматривает направление, по меньшей мере, порции этого газа в биореактор с целью производства продуктов путем микробиологической ферментации.In a second aspect, a system is provided for capturing carbon by microbiological fermentation, which system has an inlet for receiving flue or off-gas from a manufacturing process, and which system in operation provides for directing at least a portion of this gas to a bioreactor to produce products by microbiological fermentation.

В некоторых вариантах осуществления изобретения данная система включает устройство для удаления СО2, выполненное с возможностью, при эксплуатации, улавливания, по меньшей мере, части СО2, содержащегося в одном или обоих потоках:In some embodiments of the invention, this system includes a CO 2 removal device configured, in operation, to capture at least a portion of the CO 2 contained in one or both streams:

i. потоке перед его вхождением в биореактор;i. flow before entering the bioreactor;

ii. потоке после его выхода из биореактора.ii. stream after it exits the bioreactor.

В определенных вариантах осуществления изобретения система включает первый газоотделитель, выполненный с возможностью, при эксплуатации: (i) приема потока газа; (ii) по существу, отделения, по меньшей мере, одной порции этого потока газа, каковая порция содержит один или более компонент этого потока газа; и (iii) направления, по меньшей мере, части отделенной порции(порций) в биореактор. В одном из вариантов осуществления изобретения этот газоотделитель приспособлен для того, чтобы, в эксплуатации, по существу, отделять СО от потока газа и направлять отделенный СО в биореактор.In certain embodiments of the invention, the system includes a first gas separator configured, in operation: (i) receiving a gas stream; (ii) essentially separating at least one portion of this gas stream, which portion contains one or more components of this gas stream; and (iii) directing at least a portion of the separated portion(s) to the bioreactor. In one embodiment of the invention, this gas separator is adapted to, in operation, essentially separate CO from the gas stream and direct the separated CO to the bioreactor.

В определенных вариантах осуществления изобретения система включает второй газоотделитель, выполненный с возможностью, при эксплуатации: (i) приема потока газа; (ii) по существу, отделения, по меньшей мере, порции этого потока газа, каковая порция содержит один или более компонент этого потока газа; (iii) направление, по меньшей мере, части отделенной порции в устройство для удаления СО2. В одном из вариантов осуществления изобретения второй газоотделитель приспособлен для того, чтобы отделять СО2 от потока газа и направлять отделенный СО2 в устройство для удаления СО2.In certain embodiments of the invention, the system includes a second gas separator configured, in operation: (i) receiving a gas stream; (ii) essentially separating at least a portion of this gas stream, which portion contains one or more components of this gas stream; (iii) directing at least a portion of the separated portion to a CO 2 removal device. In one embodiment of the invention, the second gas separator is adapted to separate CO 2 from the gas stream and direct the separated CO 2 to a CO 2 removal device.

В некоторых вариантах осуществления изобретения данная система включает накопительное устройство, выполненное с возможностью, при эксплуатации, обеспечения, по существу, непрерывного потока субстрата в реактор. В определенных вариантах осуществления изобретения данное накопительное устройство включает накопительный резервуар-хранилище, предназначенный для:In some embodiments of the invention, this system includes a storage device configured, in operation, to provide a substantially continuous flow of substrate into the reactor. In certain embodiments of the invention, this storage device includes a storage tank designed to:

i. приема прерывистого или непостоянного потока газа/субстрата;i. receiving intermittent or intermittent gas/substrate flow;

ii. направления, по существу, непрерывного потока газа/субстрата в биореактор.ii. directing a substantially continuous flow of gas/substrate to the bioreactor.

В определенных вариантах осуществления изобретения данная система включает смеситель, выполненный с возможностью, при эксплуатации, соединения потока газа с, по меньшей мере, одним другим потоком перед направлением объединенного потока в биореактор.In certain embodiments of the invention, this system includes a mixer configured, in operation, to connect the gas stream with at least one other stream before directing the combined stream to the bioreactor.

В определенных вариантах осуществления изобретения данная система включает, по меньшей мере, одно измерительное устройство для наблюдения за составом, по меньшей мере, одного потока газа, подаваемого в биореактор и/или выходящего из биореактора. В определенных вариантах осуществления изобретения данная система включает устройство управления для направления, по меньшей мере, порции одного или более потока газа/выходящего потока(потоков) в одно или более из следующих устройств:In certain embodiments of the invention, this system includes at least one measuring device for monitoring the composition of at least one gas stream supplied to the bioreactor and/or leaving the bioreactor. In certain embodiments of the invention, this system includes a control device for directing at least a portion of one or more gas stream/outlet stream(s) to one or more of the following devices:

i. биореактор;i. bioreactor;

ii. устройство для удаления СО2;ii. a device for removing CO 2 ;

iii. первый газоотделительiii. first gas separator

iv. второй газоотделительiv. second gas separator

v. накопительное устройство;v. storage device;

vi. смеситель;vi. mixer;

vii. выпускное устройство,vii. outlet device,

при этом определенное целевое устройство из (i)-(vii) выбирается, по меньшей мере частично, на основании данных, полученных измерительным устройством.wherein the specific target device from (i)-(vii) is selected, at least in part, based on data received by the measuring device.

В третьем аспекте обеспечивается система для улучшения общего улавливания углерода в способе производства продуктов в биореакторе при помощи микробиологической ферментации субстрата, в каковой системе имеется устройство для удаления СО2, предназначенное для улавливания, по меньшей мере, части СО2, содержащегося в одном или обоих потоках:In a third aspect, a system is provided for improving overall carbon capture in a process for producing products in a bioreactor by microbiological fermentation of a substrate, which system has a CO 2 removal device for capturing at least a portion of the CO 2 contained in one or both of the streams:

i. потоке перед его вхождением в биореактор;i. flow before entering the bioreactor;

ii. потоке после его выхода из биореактора.ii. stream after it exits the bioreactor.

В четвертом аспекте обеспечивается система для повышения эффективности способов производства продуктов при помощи микробиологической ферментации газа(газов), когда поступление указанного газа(газов) прерывистое, каковая система включает накопительное устройство, предназначенное для приема и хранения, по меньшей мере, порции газа, а биореактор приспособлен для приема, по меньшей мере, порции газа из данного накопительного устройства.In the fourth aspect, a system is provided for improving the efficiency of methods for producing products using microbiological fermentation of gas (gases), when the supply of said gas (gases) is intermittent, which system includes a storage device designed to receive and store at least a portion of the gas, and the bioreactor is adapted to receive at least a portion of the gas from this storage device.

В пятом аспекте обеспечивается система для повышения эффективности способов производства продуктов при помощи микробиологической ферментации газа(газов), каковая система включает газоотделитель, предназначенный для приема потока газа и направления, по меньшей мере, порции указанного потока в биореактор.In a fifth aspect, a system is provided for improving the efficiency of processes for producing products by microbial fermentation of gas(s), which system includes a gas separator for receiving a gas stream and directing at least a portion of said stream to a bioreactor.

В шестом аспекте обеспечивается сталелитейный завод, на котором предусматривается производство спиртов путем микробиологической ферментации отходящего газа(газов).In a sixth aspect, a steel plant is provided that provides for the production of alcohols by microbiological fermentation of exhaust gas(s).

В соответствии с определенными аспектами, устройства и способы настоящего изобретения предусматривают их использование в процессах производства спиртов, более конкретно, этанола и/или бутанола, путем анаэробной ферментации газов, содержащих монооксид углерода. Помимо этого или в качестве альтернативы, могут быть произведены кислоты, такие как уксусная кислота или ацетат. Однако, настоящее изобретение этим не ограничивается и предусматривает охват других реакций ферментации, включая аэробную ферментацию, в ходе которых образуются различные продукты, такие как изопропанол или Н2, и реакций, не включающих ферментацию углеродсодержащих газов.In accordance with certain aspects, the devices and methods of the present invention provide for their use in processes for the production of alcohols, more specifically ethanol and/or butanol, by anaerobic fermentation of gases containing carbon monoxide. Additionally or alternatively, acids such as acetic acid or acetate can be produced. However, the present invention is not limited to this and is intended to cover other fermentation reactions, including aerobic fermentation, which form various products, such as isopropanol or H 2 , and reactions that do not include the fermentation of carbonaceous gases.

Варианты осуществления настоящего изобретения находят конкретное применение в области ферментации газообразного субстрата, содержащего СО, с целью производства кислот и/или спиртов, хотя отдельные аспекты настоящего изобретения не ограничиваются субстратами, содержащими СО. Газообразный субстрат может содержать газ, получаемый как побочный продукт производственного процесса. В определенных вариантах осуществления изобретения производственный процесс подбирают из группы, в которую входят производство изделий из черных металлов, производство изделий из цветных металлов, процессы нефтепереработки, газификация биомассы, газификация угля, выработка электроэнергии, производство технического углерода, производство аммиака, производство метанола и производство кокса. Наиболее предпочтительно, газообразный субстрат содержит газ, получаемый со сталелитейного завода.Embodiments of the present invention find particular application in the fermentation of a CO containing gaseous substrate to produce acids and/or alcohols, although certain aspects of the present invention are not limited to CO containing substrates. The gaseous substrate may contain gas obtained as a by-product of the manufacturing process. In certain embodiments of the invention, the manufacturing process is selected from the group that includes the production of ferrous metal products, the production of non-ferrous metal products, oil refining processes, biomass gasification, coal gasification, power generation, carbon black production, ammonia production, methanol production, and coke production. Most preferably, the gaseous substrate contains a gas obtained from a steel plant.

В определенных предпочтительных вариантах осуществления изобретения газообразный субстрат содержит от 20% об. СО до 100% об. СО, например, от 50% об. СО до 95% об. СО, например, от 50% об. СО до 70% об. СО. Также может быть использован газообразный субстрат с меньшей концентрацией СО, например, 6%, особенно, когда в нем также присутствуют Н2 и СО2.In certain preferred embodiments of the invention, the gaseous substrate contains from 20% vol. CO up to 100% vol. CO, for example, from 50% vol. CO up to 95% vol. CO, for example, from 50% vol. CO up to 70% vol. CO. A gaseous substrate with a lower concentration of CO, for example 6%, can also be used, especially when H 2 and CO 2 are also present.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения реакцию ферментации осуществляют при помощи одного или более штамма карбоксидотрофных бактерий.In preferred embodiments of the invention, the fermentation reaction is carried out using one or more strains of carboxydotrophic bacteria.

Карбоксидотрофные бактерии, предпочтительно, подбирают из Clostridium, Moorella и Carboxydothermus. Наиболее предпочтительно, карбоксидотрофные бактерии представляют собой Clostridium autoethanogenum.Carboxydotrophic bacteria are preferably selected from Clostridium, Moorella and Carboxydothermus. Most preferably, the carboxydotrophic bacteria are Clostridium autoethanogenum.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Далее настоящее изобретение описано подробно со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых представлено:Hereinafter, the present invention is described in detail with reference to the accompanying figures, which show:

Фиг. 1: схема системы, включающей устройство для удаления СО2 после биореактора по ходу технологического потока в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 1 is a diagram of a system including a downstream CO 2 removal device in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 2: схема системы, включающей устройство для удаления СО2 до биореактора по ходу технологического потока в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 2 is a diagram of a system including a downstream CO 2 removal device in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 3: схема системы, включающей устройство для удаления СО2 после биореактора по ходу технологического потока и устройство для возврата потока субстрата в биореактор.Fig. 3: diagram of a system including a device for removing CO 2 downstream of the bioreactor along the process stream and a device for returning the substrate stream to the bioreactor.

Фиг. 4: схема системы, включающей газоотделитель, расположенный до биореактора по ходу технологического потока, в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 4 is a diagram of a system including a gas separator located upstream of the bioreactor in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 5: схема системы, включающей газоотделитель, расположенный после биореактора по ходу технологического потока, в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 5 is a diagram of a system including a gas separator downstream of the bioreactor, in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 6: схема системы, включающей два газоотделителя: один газоотделитель расположен до биореактора по ходу технологического потока, и один газоотделитель расположен после биореактора по ходу технологического потока в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 6 is a diagram of a system including two gas separators, one gas separator located upstream of the bioreactor, and one gas separator located downstream of the bioreactor, in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 7: схема системы, включающей накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 7 is a diagram of a system including a storage tank in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 8: схема системы, включающей необязательный накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 8 is a diagram of a system including an optional storage tank in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 9: схема системы, включающей компрессор в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 9 is a diagram of a system including a compressor in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 10а: схема системы, включающей множество источников потока субстрата и накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 10a is a diagram of a system including a plurality of substrate flow sources and a storage reservoir, in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 10b: схема системы, включающей множество источников потока субстрата и накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 10b is a diagram of a system including a plurality of substrate flow sources and a storage reservoir, in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 11: схема системы, включающей накопительный резервуар-хранилище и устройство для удаления СО2 в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 11 is a diagram of a system including a storage tank and a CO 2 removal device in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 12: схема системы, предназначенной для улавливания углерода из потока отходящего газа в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 12 is a diagram of a system for capturing carbon from an off-gas stream, in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 13: схема системы, включающей смеситель в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.Fig. 13 is a diagram of a system including a mixer in accordance with certain embodiments of the present invention.

Фиг. 14: иллюстрация роста микроорганизмов с течением времени в случае, когда газы поступают со сталелитейного завода.Fig. 14: An illustration of the growth of microorganisms over time in the case where the gases come from a steel plant.

Фиг. 15: иллюстрация синтеза продукта, а именно, производства ацетата, с течением времени в случае, когда газы поступают со сталелитейного завода.Fig. 15: An illustration of the synthesis of a product, namely the production of acetate, over time in the case where the gases come from a steel plant.

Фиг. 16: иллюстрация роста микроорганизмов и синтеза продукта с течением времени в лабораторных средах.Fig. 16: illustration of microbial growth and product synthesis over time in laboratory environments.

Фиг. 17: иллюстрация роста микроорганизмов и синтеза продукта с течением времени при использовании лабораторных сред, смешанных с орошающей водой сталелитейного завода в отношении 1:1.Fig. 17: illustration of microbial growth and product synthesis over time using laboratory media mixed 1:1 with steel mill spray water.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

В соответствии с определенными способами настоящего изобретения, отходящие газы производственных процессов могут быть использованы как добавка и/или основное сырье реакций ферментации при сведенных к минимуму стадиях дополнительной обработки этих газов до их направления в биореактор, в котором осуществляется процесс ферментации. Это особенно удивительно, так как общепризнано, что отходящие газы содержат загрязняющие вещества, которые отрицательно влияют на рост и/или выживаемость микроорганизмов, используемых для ферментации. Настоящее изобретение особенно пригодно в случае, когда отходящие газы образуются в ходе производства стали, в частности, когда эти газы содержат СО и используются для производства спиртов (например, этанола, бутанола, изопропанола) и/или кислот (например, масляной кислоты, уксусной кислоты и/или ацетата) и/или водорода. Хотя существует множество различных микроорганизмов, способных осуществлять подобные процессы, настоящее изобретение особенно пригодно для процессов ферментации, в которых используют Clostridium autoethanogenum.In accordance with certain methods of the present invention, the off-gases of industrial processes can be used as an additive and/or the main raw material of fermentation reactions with minimized stages of additional processing of these gases before they are sent to the bioreactor in which the fermentation process is carried out. This is particularly surprising since it is generally accepted that off-gases contain contaminants that adversely affect the growth and/or survival of the microorganisms used for fermentation. The present invention is particularly useful when off-gases are generated during steel production, in particular when these gases contain CO and are used to produce alcohols (e.g. ethanol, butanol, isopropanol) and/or acids (e.g. butyric acid, acetic acid and/or acetate) and/or hydrogen. Although there are many different microorganisms capable of carrying out such processes, the present invention is particularly useful for fermentation processes that use Clostridium autoethanogenum.

Особая ценность данного аспекта настоящего изобретения заключается в том, что оно позволяет уменьшить число стадий предварительной обработки отходящих газов до их использования в реакции ферментации или исключить такие стадии. Таким образом, изобретение обеспечивает более широкую пригодность и/или применимость подобных процессов ферментации, особенно на существующих промышленных предприятиях, где для системы оборудования, предназначенного для проведения ферментации, имеется ограниченная, заданная площадь. Кроме того, поскольку эти отходящие газы не проходят или проходят ограниченную очистку и/или предварительную обработку, использование вариантов осуществления настоящего изобретения также может способствовать повышению качества или уменьшению количества отходов этих производственных процессов благодаря тому, что уже не требуется обрабатывать отходы или загрязняющие вещества, образующиеся в процессах газоочистки и/или предварительной обработки.A particular value of this aspect of the present invention lies in the fact that it makes it possible to reduce the number of stages of pre-treatment of off-gases prior to their use in the fermentation reaction or to eliminate such stages. Thus, the invention provides a wider suitability and/or applicability of such fermentation processes, especially in existing industrial plants where there is a limited, given area for the system of equipment intended to carry out the fermentation. In addition, since these off-gases do not undergo any or limited purification and/or pre-treatment, the use of embodiments of the present invention can also improve the quality or reduce the amount of waste from these production processes due to the fact that it is no longer necessary to treat waste or pollutants generated in the gas cleaning and/or pre-treatment processes.

Отходящие газы иных производственных процессов помимо производства стали могут быть использованы в способах настоящего изобретения аналогичным образом. Настоящее изобретение легко применимо к реакциям ферментации, в которых в качестве источника углерода и энергии используются другие газообразные субстраты, а не монооксид углерода, образуются другие, нежели этанол, спирты, образуется водород, и/или в которых применяются другие микроорганизмы, а не Clostridium autoethanogenum.Off-gases from industrial processes other than steel production can be used in the processes of the present invention in a similar manner. The present invention is readily applicable to fermentation reactions that use gaseous substrates other than carbon monoxide as a source of carbon and energy, produce alcohols other than ethanol, produce hydrogen, and/or that use microorganisms other than Clostridium autoethanogenum.

Субстраты, пригодные для использования в процессах ферментации, часто также содержат СО2. Кроме того, во многих реакциях ферментации, например, в тех, где СО преобразуется в продукты, включающие кислоты и/или спирты, могут образовываться значительные объемы СО2. Настоящее изобретение относится к способам, системам и процессам, направленным на усовершенствование улавливания общего углерода в таких реакциях ферментации.Substrates suitable for use in fermentation processes often also contain CO 2 . In addition, many fermentation reactions, such as those where CO is converted to products containing acids and/or alcohols, can produce significant amounts of CO 2 . The present invention relates to methods, systems and processes aimed at improving the capture of total carbon in such fermentation reactions.

В соответствии со способами настоящего изобретения, в результате удаления СО2 (или других газов) из потока субстрата увеличивается концентрация СО (или парциальное давление СО в газообразном субстрате), и, таким образом, повышается эффективность реакций ферментации, в которых СО является субстратом. Благодаря увеличению парциального давления, СО в газообразном субстрате увеличивается массоперенос СО в средах ферментации. Кроме того, состав потоков газа, используемых в качестве сырья реакции ферментации, может оказывать значительное влияние на эффективность и/или издержки на проведение этой реакции. Например, наличие О2 может понижать эффективность процесса анаэробной ферментации. Кроме того, обработка нежелательных или ненужных газов на стадиях процесса ферментации до или после ферментации может увеличивать расходы на таких стадиях (например, там, где давление потока газа перед подачей в биореактор увеличивают, на сжатие газа затрачивается энергия, которая не требуется для ферментации). Кроме того или в качестве альтернативы, компонент конкретного потока субстрата, представляющий собой СО2, может иметь ценность в случае использования в другой реакции, в том числе, в другой реакции ферментации.In accordance with the methods of the present invention, by removing CO 2 (or other gases) from the substrate stream, the concentration of CO (or the partial pressure of CO in the gaseous substrate) is increased, and thus the efficiency of fermentation reactions in which CO is the substrate is increased. By increasing the partial pressure of CO in the gaseous substrate, the mass transfer of CO in the fermentation media increases. In addition, the composition of the gas streams used as feedstock for the fermentation reaction can have a significant impact on the efficiency and/or costs of carrying out this reaction. For example, the presence of O 2 can reduce the efficiency of an anaerobic fermentation process. In addition, the treatment of unwanted or unnecessary gases in the stages of the fermentation process before or after fermentation can increase the costs of such stages (for example, where the pressure of the gas stream before entering the bioreactor is increased, energy is expended on compressing the gas that is not required for fermentation). Additionally or alternatively, the CO 2 component of a particular substrate stream may be of value when used in another reaction, including another fermentation reaction.

Кроме того, в соответствии со способами настоящего изобретения, увеличение концентрации СО2 в потоке, например, увеличение парциального давления СО2 в газообразном потоке, способствует повышению эффективности процесса, в котором используется СО2, таком как ферментация. Примеры процессов, в которых используется СО2, таких как ферментация, хорошо известны в данной области. Примеры некоторых подобных процессов подробно описаны в WО 2006/108532 и включаются в настоящий документ путем ссылки.In addition, in accordance with the methods of the present invention, increasing the concentration of CO 2 in the stream, for example, increasing the partial pressure of CO 2 in the gaseous stream, improves the efficiency of the process that uses CO 2 such as fermentation. Examples of processes that use CO 2 , such as fermentation, are well known in the art. Examples of some such processes are detailed in WO 2006/108532 and incorporated herein by reference.

Определенные аспекты настоящего изобретения, в целом, относятся к системам и способам повышения общего улавливания углерода в процессах, включающих микробиологическую ферментацию. В конкретных вариантах своего осуществления, настоящее изобретение относится к улавливанию СО2 из потоков субстрата, подаваемых на реакцию ферментации. В качестве альтернативы или дополнительно, настоящее изобретение относится к улавливанию СО2 из потоков отходящих газов после того, как данный поток вышел из биореактора. В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения субстрат, подаваемый на реакцию ферментации, содержит СО.Certain aspects of the present invention generally relate to systems and methods for increasing overall carbon sequestration in processes involving microbiological fermentation. In specific embodiments of its implementation, the present invention relates to the capture of CO 2 from the streams of the substrate supplied to the fermentation reaction. Alternatively or additionally, the present invention relates to capturing CO 2 from off-gas streams after the stream has left the bioreactor. In specific embodiments of the present invention, the substrate supplied to the fermentation reaction contains CO.

Кроме того, может быть желательным удалять и/или улавливать углеродсодержащие компоненты, такие как СО2 и/или СН4, с целью повышения общего улавливания углерода в описанных выше процессах. Помимо этого или в качестве альтернативы, компоненты конкретного газа могут быть более ценными при использовании где-либо еще, а не в реакции ферментации (например, Н2 имеет большое значение как топливо).In addition, it may be desirable to remove and/or capture carbonaceous components such as CO 2 and/or CH 4 in order to increase overall carbon capture in the processes described above. In addition, or alternatively, the components of a particular gas may be more valuable when used elsewhere than in the fermentation reaction (eg, H 2 is of great importance as a fuel).

Определенные аспекты настоящего изобретения, вообще, относятся к системам и способам повышения эффективности процессов производства продуктов путем микробиологической ферментации газов, в частности, путем использования, по меньшей мере, одного процесса отделения газа от потока газа, используемого в качестве сырья ферментации, и/или потока газа, получаемого в результате ферментации. В одном из вариантов осуществления изобретения газоотделитель предназначен для, по существу, отделения, по меньшей мере, одной порции от потока газа, каковая порция содержит один или более компонент. Например, в газоотделителе может осуществляться отделение СО2 от потока газа, содержащего следующие компоненты: СО, СО2, Н2, где СО2 может быть направлен в устройство для удаления СО2, а оставшийся поток газа (содержащий СО и Н2) может быть направлен в биореактор.Certain aspects of the present invention generally relate to systems and methods for improving the efficiency of product manufacturing processes by microbial gas fermentation, in particular by using at least one process for separating gas from a gas stream used as a fermentation feedstock and/or a gas stream resulting from the fermentation. In one of the embodiments of the invention, the gas separator is designed to essentially separate at least one portion from the gas stream, which portion contains one or more components. For example, a gas separator can separate CO 2 from a gas stream containing the following components: CO, CO 2 , H 2 , where CO 2 can be sent to a CO 2 removal device, and the remaining gas stream (containing CO and H 2 ) can be sent to a bioreactor.

Потоки газов, получаемые в ходе производственных процессов, таких как серийное производство стали из железа на сталелитейном заводе, по своей природе могут быть прерывистыми, что может оказаться нежелательным, если эти газы используются для биоконверсии. Кроме того, природа этих потоков может быть такова, что состав газа изменяется циклически на различных фазах конкретного промышленного процесса. Например, в процессе производства стали, в те периоды, когда образуются, главным образом, не содержащие кислород газы, концентрация СО является наибольшей. Напротив, когда эти газы, большей частью, не содержат СО, могут присутствовать значительные количества О2. Для многих реакций ферментации, таких как реакции, осуществляемые анаэробными бактериями, в частности, карбоксидотрофными бактериями, требуется высокая концентрация СО, который, по существу, не содержит О2.The gas streams produced during manufacturing processes, such as the batch production of steel from iron in a steel mill, can be discontinuous in nature, which may be undesirable if these gases are used for bioconversion. In addition, the nature of these streams may be such that the composition of the gas changes cyclically in different phases of a particular industrial process. For example, in the steelmaking process, during those periods when mainly oxygen-free gases are formed, the concentration of CO is the highest. On the contrary, when these gases are mostly free of CO, significant amounts of O 2 may be present. Many fermentation reactions, such as those carried out by anaerobic bacteria, in particular carboxydotrophic bacteria, require a high concentration of CO, which is substantially free of O 2 .

Определенные аспекты настоящего изобретения, вообще, относятся к системам и способам повышения эффективности процессов производства продуктов путем микробиологической ферментации газов, где потоки газов (или другие источники, такие как растворенные газы и/или углеводы), используемые в качестве сырья реакции ферментации, непостоянные по своей природе. Конкретные варианты осуществления изобретения описаны в контексте сталелитейной промышленности при использовании карбоксидотрофных бактерий для производства кислот и/или спиртов, в частности, этанола или бутанола. При рассмотрении настоящего описания специалистам в данной области станет ясно, что данное изобретение может быть применено в различных отраслях промышленности, а также на различных стадиях процесса изготовления стали. Кроме того, при рассмотрении настоящего описания специалистам в данной области станет ясно, что данное изобретение может быть применено к другим реакциям ферментации, включая реакции, в которых используются те же самые или другие микроорганизмы. Следовательно, подразумевается, что объем настоящего изобретения не ограничивается описанными конкретными вариантами его осуществления и/или применения, напротив, следует понимать, что изобретение относится к любому процессу ферментации, в котором, по меньшей мере, один элемент, используемый в качестве сырья данного процесса, подается в прерывистом режиме, например, в котором используются отходящие газы промышленного процесса, каковые газы производятся в прерывистом режиме.Certain aspects of the present invention generally relate to systems and methods for improving the efficiency of product manufacturing processes by microbial gas fermentation, where the gas streams (or other sources such as dissolved gases and/or carbohydrates) used as fermentation reaction feedstock are inherently variable. Specific embodiments of the invention are described in the context of the steel industry using carboxydotrophic bacteria to produce acids and/or alcohols, in particular ethanol or butanol. Upon review of the present description, it will become clear to those skilled in the art that this invention can be applied to various industries, as well as at various stages of the steelmaking process. In addition, upon consideration of the present description, it will become clear to those skilled in the art that the present invention may be applied to other fermentation reactions, including reactions that use the same or different microorganisms. Therefore, it is understood that the scope of the present invention is not limited to the specific embodiments and/or applications described, on the contrary, it should be understood that the invention relates to any fermentation process in which at least one element used as a raw material of this process is supplied in an intermittent mode, for example, in which off-gases of an industrial process are used, which gases are produced in an intermittent mode.

Определенные аспекты настоящего изобретения, вообще, относятся к системам и способам повышения эффективности процессов производства продуктов и/или улавливания углерода при помощи микробиологической ферментации потоков субстрата, где потоки субстрата смешивают с дополнительными потоками с целью оптимизации состава в соответствии с условиями микробиологической ферментации.Certain aspects of the present invention generally relate to systems and methods for improving the efficiency of product manufacturing and/or carbon capture processes by microbiological fermentation of substrate streams, where substrate streams are mixed with additional streams to optimize composition according to microbiological fermentation conditions.

Неожиданно было обнаружено, что когда орошающую воду основного кислородно-конвертерного процесса или поток отходящего газа кислородного конвертера, поступающие со сталелитейного завода, смешивают со стандартными средами для выращивания микроорганизмов при осуществлении реакции ферментации с использованием газа, содержащего монооксид углерода, с целью производства этанола в соответствии со способами настоящего изобретения, рост Clostridium autoethanogenum, а также их способность производить этанол, улучшается. Это особенно удивительно, так как ожидалось, что вода содержит загрязняющие примеси, которые могут быть вредны для роста и/или выживаемости микроорганизмов.Surprisingly, it has been found that when BOF main process reflux water or BOF off-gas stream from a steel mill is mixed with standard microorganism growth media in a carbon monoxide gas fermentation reaction to produce ethanol according to the methods of the present invention, the growth of Clostridium autoethanogenum as well as their ability to produce ethanol is improved. This is particularly surprising since the water was expected to contain contaminants that could be detrimental to the growth and/or survival of microorganisms.

Этот факт очень ценен с точки зрения повышения качества или уменьшения количества отходов производственных процессов, повышения эффективности реакций ферментации, уменьшения количества сред, необходимых для поддержания реакций ферментации, и, следовательно, снижения эксплуатационных затрат. Таким образом, настоящее изобретение может способствовать уменьшению количества ацетатных побочных продуктов, образующихся в ходе таких реакций ферментации. Это может быть выгодно в тех случаях, когда ацетат не используется и, иначе, подлежал бы сбросу, увеличивая издержки производства и усугубляя экологические проблемы.This fact is very valuable in terms of improving the quality or reducing the amount of waste in production processes, increasing the efficiency of fermentation reactions, reducing the amount of media needed to support fermentation reactions, and therefore reducing operating costs. Thus, the present invention can help reduce the amount of acetate by-products generated during such fermentation reactions. This can be beneficial in cases where acetate is not used and would otherwise be discarded, increasing production costs and exacerbating environmental problems.

На основе полученных результатов, настоящее изобретение делает возможным использование орошающей воды в качестве основного сырья реакций ферментации. Орошающая вода иных производственных процессов помимо производства стали может быть использована аналогичным образом. Кроме этого, настоящее изобретение легко применимо к реакциям ферментации, в которых в качестве источника углерода и энергии используются другие газообразные субстраты, а не монооксид углерода, образуются другие, нежели этанол, спирты, образуется водород, и/или в которых применяются другие микроорганизмы, а не Clostridium autoethanogenum.Based on the results obtained, the present invention makes it possible to use irrigation water as the main raw material for fermentation reactions. Irrigation water from production processes other than steel production can be used in a similar way. In addition, the present invention is readily applicable to fermentation reactions that use gaseous substrates other than carbon monoxide as a source of carbon and energy, produce alcohols other than ethanol, generate hydrogen, and/or that use microorganisms other than Clostridium autoethanogenum.

Одна или более особенность любых двух или более из указанных выше аспектов изобретения могут быть объединены и использованы в одной и той же системе с получением соответствующих преимуществ.One or more features of any two or more of the above aspects of the invention may be combined and used in the same system to obtain their respective benefits.

ОпределенияDefinitions

Если не указано иное, следующие термины, используемые в настоящем описании, означают изложенное ниже:Unless otherwise indicated, the following terms used in this specification have the following meanings:

Термин «улавливание углерода» в контексте настоящего изобретения означает изъятие соединений углерода, в том числе, СО2 и/или СО, из потока, содержащего СО2 и/или СО, и:The term "carbon capture" in the context of the present invention means the removal of carbon compounds, including CO 2 and/or CO, from a stream containing CO 2 and/or CO, and:

- либо преобразование СО2 и/или СО в продукты,- either converting CO 2 and/or CO into products,

- либо преобразование СО2 и/или СО в вещества, пригодные для длительного хранения,- either the conversion of CO 2 and / or CO into substances suitable for long-term storage,

- либо захват СО2 и/или СО веществами, пригодными для длительного хранения;- either the capture of CO 2 and / or CO substances suitable for long-term storage;

или сочетание этих процессов.or a combination of these processes.

Термин «субстрат, содержащий монооксид углерода» и подобные ему термины следует понимать как охватывающие любой субстрат, в котором монооксид углерода доступен для одного или более штамма бактерий, которые используют его, например, для роста и/или ферментации.The term "substrate containing carbon monoxide" and terms like it should be understood as covering any substrate in which carbon monoxide is available to one or more strains of bacteria that use it, for example, for growth and/or fermentation.

Термин «газообразные субстраты, содержащие монооксид углерода» означает любой газ, содержащий монооксид углерода. Этот газообразный субстрат, обычно, содержит значительную долю СО, предпочтительно, по меньшей мере, от, примерно, 5% об. до, примерно, 100% об. СО.The term "gaseous substrates containing carbon monoxide" means any gas containing carbon monoxide. This gaseous substrate usually contains a significant proportion of CO, preferably at least from about 5% vol. up to about 100% vol. CO.

Термин «биореактор» означает устройство для ферментации, состоящее из одного или более резервуара и/или колонны или трубопроводной обвязки, в том числе, проточный реактор с мешалкой (CSTR), биореактор с иммобилизованными клетками (ICR), реактор с орошаемым слоем (TBR), барботажная реакторная колонна, газлифтный ферментер, мембранный реактор, такой как мембранный ферментер с системой полых волокон (HFMBR), статический смеситель или другие резервуары или другие устройства, пригодные для осуществления газожидкостного контакта.The term "bioreactor" means a fermentation device consisting of one or more tanks and/or a column or piping, including a stirred tank reactor (CSTR), an immobilized cell bioreactor (ICR), a trickle bed reactor (TBR), a bubble column reactor, a gas lift fermenter, a membrane reactor such as a hollow fiber membrane fermenter (HFMBR), a static mixer, or other tanks or other devices suitable for gas-liquid contact.

Термин «сопутствующий субстрат» означает субстрат, который хотя и не обязательно является основным источником энергии и вещества для синтеза продукта, может быть использован для синтеза продукта, если его добавляют к другому субстрату, такому как основной субстрат.The term "co-substrate" means a substrate which, although not necessarily the main source of energy and material for the synthesis of a product, can be used to synthesize a product if it is added to another substrate, such as the main substrate.

Термин «кислота» в контексте настоящего документа охватывает и карбоновые кислоты, и соответствующие карбоксилат-анионы, например, смесь свободной уксусной кислоты и ацетата, присутствующая в содержимом ферментера, как описано в настоящем документе. Отношение количества свободной кислоты к количеству карбоксилата в содержимом ферментера зависит от рН этой системы. Кроме того, термин «ацетат» охватывает и ацетат как соль саму по себе, и смесь свободной уксусной кислоты и ацетата, например, смесь этой соли и свободной уксусной кислоты, присутствующую в содержимом ферментера, как описано в настоящем документе.The term "acid" in the context of this document includes both carboxylic acids and the corresponding carboxylate anions, for example, a mixture of free acetic acid and acetate, present in the contents of the fermenter, as described herein. The ratio of the amount of free acid to the amount of carboxylate in the contents of the fermenter depends on the pH of this system. In addition, the term "acetate" encompasses both acetate as a salt per se and a mixture of free acetic acid and acetate, such as a mixture of this salt and free acetic acid, present in the contents of the fermenter, as described herein.

Термин «ограниченная концентрация» означает концентрацию данного компонента в среде микробиологической ферментации, которая достаточно мала для того, чтобы наверняка быть исчерпанной на некоторой стадии ферментации.The term "limited concentration" means a concentration of a given component in the microbiological fermentation medium that is low enough to be certain to be depleted at some stage of the fermentation.

Термин «прерывистый поток» означает не только потоки, которые недоступны в непрерывном режиме, но также потоки, которые не постоянно имеют заданный состав.The term "discontinuous stream" means not only streams that are not available in continuous mode, but also streams that do not always have a given composition.

Термин «орошающая вода» относится к воде или другим жидкостям, полученным в результате очистки потоков газа, образующихся в ходе производственных процессов, таких как производство изделий из черных металлов, производство изделий из цветных металлов, процессы нефтепереработки, газификация угля, газификация биомассы, выработка электроэнергии, производство технического углерода и производство кокса.The term “irrigation water” refers to water or other liquids resulting from the purification of gas streams generated during industrial processes such as the production of ferrous metal products, the production of non-ferrous metal products, oil refining processes, coal gasification, biomass gasification, power generation, carbon black production and coke production.

Термин «непосредственно», используемый в отношении направления промышленного дымового или отходящего газа в биореактор, означает, что не производится никакой или производится минимальная обработка этих газов, такая как охлаждение и удаление твердых частиц, до их подачи в биореактор (примечание: стадия удаления кислорода может быть нужна в случае анаэробной ферментации).The term "directly" used in relation to directing industrial flue or off-gas to the bioreactor means that there is no or minimal treatment of these gases, such as cooling and removal of solid particles, before they are fed into the bioreactor (note: an oxygen removal step may be needed in the case of anaerobic fermentation).

Термин «заданный состав» в настоящем документе используется для обозначения нужного количества и типа компонентов в материале, например, в потоке газа. Более конкретно, газ рассматривается как имеющий «заданный состав», если он содержит определенный компонент (например, СО и/или СО2) и/или содержит определенный компонент в определенном количестве и/или не содержит определенный компонент (например, загрязняющее вещество, вредное для микроорганизмов) и/или не содержит определенный компонент в определенном количестве. При определении, имеет ли поток газа заданный состав, может рассматриваться более чем один компонент.The term "target composition" is used herein to refer to the desired amount and type of components in a material, such as a gas stream. More specifically, a gas is considered to have a "specified composition" if it contains a specific component (e.g., CO and/or CO 2 ) and/or contains a specific component in a specific amount and/or does not contain a specific component (e.g., a contaminant harmful to microorganisms) and/or does not contain a specific component in a specific amount. In determining whether a gas stream has a given composition, more than one component may be considered.

Термин «поток» используется для обозначения движения материала, поступающего, протекающего через и выходящего с одной или более стадии процесса, например, материала, подаваемого в биореактор и/или необязательное устройство для удаления СО2. Состав потока может изменяться по мере его прохождения определенных стадий. Например, когда поток проходит через биореактор, содержание СО в этом потоке может уменьшаться, тогда как содержание СО2 может увеличиваться. Аналогично, когда поток проходит через стадию удаления СО2, содержание СО2 в нем уменьшается.The term "flow" is used to refer to the movement of material entering, flowing through, and exiting one or more process steps, such as material fed into a bioreactor and/or optional CO 2 removal device. The composition of the stream may change as it passes through certain stages. For example, as a stream passes through a bioreactor, the CO content of the stream may decrease while the CO 2 content may increase. Similarly, as the stream passes through the CO 2 removal step, its CO 2 content decreases.

Если контекст не подразумевает иного, фразы «ферментация», «процесс ферментации» или «реакция ферментации» и т.п., используемые в настоящем документе, охватывают и фазу роста, и фазу биосинтеза продукта данного процесса.Unless the context dictates otherwise, the phrases "fermentation", "fermentation process" or "fermentation reaction" and the like, as used herein, cover both the growth phase and the biosynthetic phase of the product of this process.

Термины «повышение эффективности», «повышенная эффективность» и т.п., используемые в отношении процесса ферментации, включают, помимо прочего, увеличение одного из следующих показателей: скорость роста микроорганизмов в ходе ферментации, объем или масса целевого продукта (такого как спирты), производимого на единицу объема или массы потребляемого субстрата (такого как монооксид углерода), производительность или уровень производства целевого продукта и относительная доля целевого продукта по сравнению с другими побочными продуктами ферментации; и, кроме того, могут отражать ценность (которая может быть положительной или отрицательной) любого побочного продукта, образующегося в ходе этого процесса.The terms “increased efficiency”, “improved efficiency”, and the like, as used in relation to a fermentation process, include, but are not limited to, an increase in one of the following: the growth rate of microorganisms during fermentation, the volume or mass of the target product (such as alcohols) produced per unit volume or mass of the substrate (such as carbon monoxide) consumed, the productivity or level of production of the target product, and the relative proportion of the target product compared to other fermentation by-products; and, in addition, may reflect the value (which may be positive or negative) of any by-product formed during this process.

В одном из аспектов настоящее изобретение относится к системам и способам повышения общего улавливания углерода в процессах производства продуктов путем микробиологической ферментации, каковые системы и способы включают, по меньшей мере, одну стадию удаления СО2, осуществляемую в отношении субстратов и/или потоков до (то есть, раньше по ходу технологического потока) или после (то есть, далее по ходу технологического потока) реакции ферментации. В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения субстрат содержит СО. Обычно, субстрат является газообразным; однако, этим настоящее изобретение не ограничивается.In one aspect, the present invention relates to systems and methods for increasing overall carbon capture in microbial fermentation product manufacturing processes, which systems and methods include at least one CO 2 removal step performed on substrates and/or streams prior to (i.e., upstream) or after (i.e., downstream) the fermentation reaction. In certain embodiments of the present invention, the substrate contains CO. Typically, the substrate is gaseous; however, the present invention is not limited to this.

В одном из аспектов настоящее изобретение относится к системам и способам повышения эффективности процессов производства продуктов путем микробиологической ферментации газов, каковые системы и способы включают, по меньшей мере, одну стадию отделения газа, осуществляемую в отношении этих газов до (то есть, раньше по ходу технологического потока) или после (то есть, далее по ходу технологического потока) реакции ферментации. Как отмечено выше, в определенных вариантах осуществления изобретения газообразный субстрат, используемый для микробиологической ферментации, содержит СО; однако, этим настоящее изобретение не ограничивается.In one aspect, the present invention relates to systems and methods for improving the efficiency of product manufacturing processes by microbial fermentation of gases, which systems and methods include at least one gas separation step performed on these gases before (i.e., upstream) or after (i.e., downstream) the fermentation reaction. As noted above, in certain embodiments of the invention, the gaseous substrate used for microbiological fermentation contains CO; however, the present invention is not limited to this.

В другом конкретном аспекте настоящее изобретение относится к системам и способам повышения эффективности процессов производства продуктов путем микробиологической ферментации газов, особенно в случаях, когда подача этих газов по своей природе прерывистая. В определенных вариантах осуществления изобретения газообразный субстрат, используемый для микробиологической ферментации, содержит СО; однако, этим настоящее изобретение не ограничивается.In another specific aspect, the present invention relates to systems and methods for improving the efficiency of food production processes by microbial fermentation of gases, especially in cases where the supply of these gases is inherently intermittent. In certain embodiments of the invention, the gaseous substrate used for microbiological fermentation contains CO; however, the present invention is not limited to this.

Кроме того, настоящим изобретением обеспечиваются способы и системы для производства спирта с использованием микробиологической ферментации. Эти способы и системы предусматривают использование отходящих газов производственных процессов, таких как производство стали, для реакции ферментации, где до такого использования эти газы не подвергаются или подвергаются минимальной дополнительной обработке. В определенных вариантах осуществления изобретения отходящие газы одного или более производственного процесса и/или поступающие из альтернативных источников соединяют или смешивают с целью получения потока с заданным или оптимизированным составом, соответствующим условиям реакции ферментации.In addition, the present invention provides methods and systems for the production of alcohol using microbiological fermentation. These methods and systems involve the use of off-gases from manufacturing processes, such as steel production, for the fermentation reaction, where prior to such use, these gases undergo little or no further processing. In certain embodiments of the invention, off-gases from one or more production processes and/or from alternative sources are combined or mixed in order to obtain a stream with a given or optimized composition corresponding to the conditions of the fermentation reaction.

Настоящим изобретением также обеспечиваются способы и системы для оптимизации состава потока субстрата, содержащего СО, поступающего, по меньшей мере частично, из какого-либо производственного процесса, такого как производство стали.The present invention also provides methods and systems for optimizing the composition of a CO-containing substrate stream coming, at least in part, from any manufacturing process, such as steelmaking.

Настоящим изобретением также обеспечиваются способы производства спирта с использованием микробиологической ферментации и способы повышения эффективности производства спирта с использованием микробиологической ферментации. В одном из вариантов осуществления изобретения эти способы предусматривают использование в реакции ферментации орошающей воды какого-либо производственного процесса.The present invention also provides methods for producing alcohol using microbiological fermentation and methods for improving the efficiency of alcohol production using microbiological fermentation. In one of the embodiments of the invention, these methods involve the use of any production process in the fermentation reaction of the reflux water.

Хотя определенные варианты осуществления настоящего изобретения, а именно те, которые включают производство этанола путем анаэробной ферментации с использованием СО в качестве основного субстрата, со всей очевидностью являются ценными усовершенствованиями технологии, вызывающей на сегодняшний день большой интерес, следует понимать, что данное изобретение применимо к производству альтернативных продуктов, таких как другие спирты, и использованию альтернативных субстратов, в частности, газообразных субстратов, что станет понятно специалистам в данной области, которых касается настоящее изобретение, при рассмотрении данного описания. Например, в конкретных вариантах осуществления изобретения могут быть использованы газообразные субстраты, содержащие диоксид углерода и водород. Кроме того, данное изобретение применимо к процессам ферментации, направленным на производство ацетата, бутирата, пропионата, капроата, этанола, пропанола и бутанола, а также водорода. Например, данные продукты могут быть произведены путем ферментации, для которой используются микроорганизмы рода Moorella, Clostridia, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Butyribacterium, Oxobacter, Methanosarcina и Desulfotomaculum.Although certain embodiments of the present invention, namely those involving the production of ethanol by anaerobic fermentation using CO as the main substrate, are clearly valuable improvements in technology of great interest today, it should be understood that this invention is applicable to the production of alternative products, such as other alcohols, and the use of alternative substrates, in particular, gaseous substrates, as will become clear to specialists in this field, to which the present invention relates, upon consideration of this description. For example, gaseous substrates containing carbon dioxide and hydrogen can be used in specific embodiments of the invention. In addition, this invention is applicable to fermentation processes aimed at the production of acetate, butyrate, propionate, caproate, ethanol, propanol and butanol, as well as hydrogen. For example, these products can be produced by fermentation, which uses microorganisms of the genus Moorella, Clostridia, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Butyribacterium, Oxobacter, Methanosarcina and Desulfotomaculum.

Определенные варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают использование потоков газа, исходящих из одного или более производственного процесса. К таким процессам относятся процессы производства стали, в частности, процессы, в которых образуется поток газа с высоким содержанием СО или содержанием СО, превышающим заранее установленный уровень (то есть, 5%). В соответствии с такими вариантами осуществления изобретения, для производства кислот и/или спиртов, в частности, этанола или бутанола, в одном или более биореакторе используются карбоксидотрофные бактерии. Специалистам в данной области при рассмотрении данного описания станет ясно, что настоящее изобретение может быть применено в различных областях промышленности или к различным потокам газов, в том числе, выхлопным газам двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, специалистам в данной области при рассмотрении данного описания станет ясно, что настоящее изобретение применимо к другим реакциям ферментации, включая те, в которых используются те же или другие микроорганизмы. Следовательно, подразумевается, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными описанными вариантами его осуществления и/или применения, напротив, его следует толковать в более широком смысле; например, источник потока газа не ограничивается ничем кроме того, что, по меньшей мере, один его компонент пригоден как сырье реакции ферментации. Настоящее изобретение особенно применимо для повышения общего улавливания углерода и/или производства этанола и других спиртов из газообразных субстратов, таких как автомобильные выхлопные газы и промышленные отходящие газы с большим объемным содержанием СО.Certain embodiments of the present invention involve the use of gas streams coming from one or more production processes. Such processes include steelmaking processes, in particular processes that produce a gas stream with a high CO content or a CO content in excess of a predetermined level (ie, 5%). In accordance with such embodiments of the invention, carboxydotrophic bacteria are used in one or more bioreactors to produce acids and/or alcohols, in particular ethanol or butanol. Those skilled in the art upon review of this description will appreciate that the present invention may be applied to various industries or to various gas streams, including exhaust gases from internal combustion engines. In addition, those skilled in the art upon review of this disclosure will recognize that the present invention is applicable to other fermentation reactions, including those using the same or different microorganisms. Therefore, it is understood that the scope of the present invention is not limited to the specific described variants of its implementation and/or application, on the contrary, it should be interpreted in a broader sense; for example, the source of the gas stream is not limited except that at least one of its components is suitable as a raw material for the fermentation reaction. The present invention is particularly applicable to improving overall carbon capture and/or production of ethanol and other alcohols from gaseous substrates such as automotive exhaust and industrial waste gases with a high CO volume content.

ФерментацияFermentation

Способы производства этанола и других спиртов из газообразных субстратов (таких, как описаны выше в разделе, посвященном уровню техники) известны. Такие способы описаны, например, в документах WО 2007/117157 и WО 2008/115080, а также патентах США №№ 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111, каждый из которых включается в настоящий документ путем ссылки.Methods for the production of ethanol and other alcohols from gaseous substrates (such as those described in the prior art section above) are known. Such methods are described, for example, in documents WO 2007/117157 and WO 2008/115080, as well as US patent No. 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 and 5821111, each of which is incorporated herein by reference.

Известен целый ряд анаэробных бактерий, способных осуществлять ферментацию СО с образованием спиртов, в том числе, н-бутанола и этанола, уксусной кислоты, и пригодных для использования в способе настоящего изобретения. К примерам таких бактерий, пригодных для использования в контексте настоящего изобретения, относятся бактерии рода Clostridium, такие как штамм Clostridium ljungdahlii, включая описанные в WO 00/68407, ЕР 117309, патентах США №№ 5173429, 5593886 и 6368819, WO 98/00558 и WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou и др., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091) и Clostridium autoethanogenum sp (Arbini и др., Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)). Другими пригодными бактериями являются бактерии рода Moorella, в том числе, Moorella sp HUC22-1 (Salai и др., Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612) и рода Carboxydothermus (Svetlichny, V.A. и др., (1991) Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). Описание каждой из этих публикаций включается в настоящий документ путем ссылки. Кроме того, специалистами в данной области в процессах, к которым относится настоящее изобретение, могут быть использованы другие карбоксидотрофные анаэробные бактерии. При рассмотрении настоящего описания также станет ясно, что в процессах, к которым относится настоящее изобретение, может быть использована смешанная культура из двух или более разновидностей бактерий.A number of anaerobic bacteria are known that are capable of fermenting CO to form alcohols, including n-butanol and ethanol, acetic acid, and suitable for use in the method of the present invention. Examples of such bacteria suitable for use in the context of the present invention include bacteria of the genus Clostridium, such as the strain Clostridium ljungdahlii, including those described in WO 00/68407, EP 117309, US Pat. stridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091) and Clostridium autoethanogenum sp (Arbini et al., Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)). Other suitable bacteria are those of the genus Moorella, including Moorella sp HUC22-1 (Salai et al., Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612) and the genus Carboxydothermus (Svetlichny, V.A. et al., (1991) Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). The description of each of these publications is incorporated herein by reference. In addition, other carboxydotrophic anaerobic bacteria can be used by those skilled in the art in the processes to which the present invention relates. When considering the present description, it will also become clear that in the processes to which the present invention relates, a mixed culture of two or more varieties of bacteria can be used.

Выращивание бактерий, используемых в способе настоящего изобретения, может быть осуществлено с использованием любого числа процессов, известных в данной области и предназначенных для выращивания анаэробных бактерий и ферментации субстратов с их использованием. Примеры методик даны в разделе Примеры, приведенном ниже. Дополнительно скажем, что могут быть использованы следующие процессы с использованием газообразных субстратов для ферментации, в общих чертах описанные в следующих статьях: (i) K.T.Klasson и др., (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling (Биореакторы для реакций ферментации синтез-газа. Консервация и рециркуляция), 5; 145-165; (ii) K.T.Klasson и др., (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. (Конструкция биореактора для ферментации синтез-газа. Топливо.) 70. 605-614; (iii) K.T.Klasson и др., (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. (Биоконверсия синтез-газа в жидкие и газообразные топлива. Ферментативная и микробиологическая технология) 14; 602-608; (iv) J.L.Vega и др. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. (Исследование ферментации газообразного субстрата: преобразование монооксида углерода в ацетат. 2. Непрерывная культура) Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (vi) J.L.Vega и др. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 1. Batch Culture. (Исследование ферментации газообразного субстрата: преобразование монооксида углерода в ацетат. 1. Периодическая культура) Biotechnology and Bioengineering. 34. 774-784; (vii) J.L.Vega и др. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. (Конструкция биореакторов для ферментации полученного газификацией угля синтез-газа. Ресурсы, консервация и рециркуляция) 3. 149-160; все статьи включаются в настоящее описание путем ссылки.The cultivation of the bacteria used in the method of the present invention may be carried out using any number of processes known in the art for growing anaerobic bacteria and fermenting substrates using them. Examples of techniques are given in the Examples section below. Additionally, the following processes using gaseous fermentation substrates can be used, as outlined in the following articles: (i) K.T.Klasson et al., (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling (Bioreactors for synthesis gas fermentation reactions. Conservation and recycling), 5; 145-165; (ii) K.T.Klasson et al., (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. fuel. (Design of a bioreactor for the fermentation of synthesis gas. Fuel.) 70. 605-614; (iii) K.T.Klasson et al., (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. (Bioconversion of synthesis gas into liquid and gaseous fuels. Enzymatic and microbiological technology) 14; 602-608; (iv) J. L. Vega et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous culture. (Substrate gas fermentation study: conversion of carbon monoxide to acetate. 2. Continuous culture) Biotech. Bioeng. 34.6.785-793; (vi) J. L. Vega et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 1. Batch culture. (Study of gaseous substrate fermentation: conversion of carbon monoxide to acetate. 1. Batch culture) Biotechnology and Bioengineering. 34.774-784; (vii) J. L. Vega et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. (Design of bioreactors for the fermentation of synthesis gas obtained by coal gasification. Resources, conservation and recycling) 3. 149-160; all articles are incorporated herein by reference.

Одним из примеров микроорганизмов, пригодных для использования в контексте настоящего изобретения, является Clostridium autoethanogenum. В одном из вариантов осуществления изобретения Clostridium autoethanogenum представляет собой Clostridium autoethanogenum с отличительными характеристиками штамма, который внесен в банк биологического материала в Германии (German resource Centre for Biological Material - DSMZ) под идентификационным номером вложения 19630. В другом варианте осуществления изобретения Clostridium autoethanogenum представляет собой Clostridium autoethanogenum с отличительными характеристиками штамма с номером вложения DSMZ 10061.One example of a microorganism suitable for use in the context of the present invention is Clostridium autoethanogenum. In one embodiment, the Clostridium autoethanogenum is a Clostridium autoethanogenum with distinct strain characteristics that has been entered into the German Resource Center for Biological Material (DSMZ) under attachment identification number 19630. In another embodiment, Clostridium autoethanogenum is a Clostridium autoethanogenum with distinct strain characteristics with attachment number DSMZ 10061.

Ферментация может быть осуществлена в любом подходящем реакторе. В некоторых вариантах осуществления изобретения биореактор может включать первый реактор, реактор роста, в котором выращивают микроорганизмы, и второй реактор, реактор ферментации, в который подают содержимое реактора роста и в котором образуется большая часть продукта ферментации (например, этанола и ацетата).Fermentation can be carried out in any suitable reactor. In some embodiments, the bioreactor may include a first reactor, a growth reactor, in which microorganisms are grown, and a second reactor, a fermentation reactor, into which the contents of the growth reactor are fed and in which most of the fermentation product (e.g., ethanol and acetate) is produced.

В соответствии с различными вариантами осуществления изобретения, источник углерода для реакции ферментации представляет собой газообразный субстрат, содержащий СО. Газообразный субстрат может быть содержащим СО отходящим газом, получаемым в качестве побочного продукта в каком-либо производственном процессе, или может поступать из другого источника, например, представлять собой автомобильные выхлопные газы. В определенных вариантах осуществления изобретения производственный процесс подбирают из группы, в которую входят производство изделий из черных металлов, например, осуществляемое на сталелитейном заводе, производство изделий из цветных металлов, процессы нефтепереработки, газификация биомассы, газификация угля, выработка электроэнергии, производство технического углерода, производство аммиака, производство метанола и производство кокса. В этих вариантах осуществления изобретения содержащий СО газ может быть выведен из производственного процесса перед его выбросом в атмосферу с использованием традиционного способа. В зависимости от состава газообразного содержащего СО субстрата, также может оказаться желательным подвергнуть его обработке с целью удаления любых нежелательных примесей, таких как частицы пыли, перед подачей субстрата на ферментацию. Например, газообразный субстрат может быть отфильтрован или подвергнут газоочистке при помощи известных способов.In accordance with various embodiments of the invention, the carbon source for the fermentation reaction is a gaseous substrate containing CO. The gaseous substrate may be a CO-containing off-gas produced as a by-product in an industrial process, or may come from another source such as automobile exhaust. In certain embodiments of the invention, the production process is selected from the group that includes the production of ferrous metal products, for example, carried out in a steel mill, the production of non-ferrous metal products, oil refining processes, biomass gasification, coal gasification, power generation, carbon black production, ammonia production, methanol production, and coke production. In these embodiments, the CO-containing gas can be removed from the manufacturing process before it is released to the atmosphere using a conventional method. Depending on the composition of the gaseous CO-containing substrate, it may also be desirable to treat it to remove any undesirable impurities, such as dust particles, prior to feeding the substrate to fermentation. For example, the gaseous substrate may be filtered or scrubbed using known methods.

Содержащий СО газообразный субстрат, в идеале, содержит значительную долю СО, например, от, примерно, 5% об. до, примерно, 100% об. СО или от 20% об. до 95% об. СО или от 40% об. до 95% об. СО или от 60% об. до 90% об. СО или от 70% об. до 90% об. СО. Газообразные субстраты с более низкой концентрацией СО, например 6%, также могут быть приемлемы, особенно, если в них еще присутствуют Н2 и СО2.Containing CO gaseous substrate, ideally, contains a significant proportion of CO, for example, from about 5% vol. up to about 100% vol. CO or from 20% vol. up to 95% vol. CO or from 40% vol. up to 95% vol. CO or from 60% vol. up to 90% vol. CO or from 70% vol. up to 90% vol. CO. Gaseous substrates with lower concentrations of CO, eg 6%, may also be acceptable, especially if H 2 and CO 2 are still present.

Хотя необязательно, чтобы газообразный субстрат содержал какое-либо количество водорода, присутствие водорода, как правило, не является неблагоприятным для образования продукта в соответствии со способами настоящего изобретения. Однако, в определенных вариантах осуществления изобретения газообразный субстрат, по существу, не содержит водорода (менее 1%). Газообразный субстрат также может содержать некоторое количество СО2, например, от, примерно, 1% об. до, примерно, 30% об. или, например, от, примерно, 5% об. до, примерно, 10% об. СО2.While it is not necessary for the gaseous substrate to contain any amount of hydrogen, the presence of hydrogen is generally not detrimental to product formation in accordance with the methods of the present invention. However, in certain embodiments of the invention, the gaseous substrate is substantially free of hydrogen (less than 1%). The gaseous substrate may also contain some CO 2 , for example, from about 1% vol. up to about 30% vol. or, for example, from about 5% vol. up to about 10% vol. CO2 .

Как отмечено ранее, присутствие водорода в потоке субстрата может привести к повышению эффективности общего улавливания углерода и/или производительности по этанолу. Например, в WО 0208438 описано производство этанола с использованием потоков газа различного состава. В предпочтительном варианте осуществления изобретения в биореактор с культурой С.ljungdahlii подавали поток субстрата, содержащий 63% Н2, 32% СО и 5% СН4, с целью интенсификации роста микроорганизмов и увеличения производства этанола. Когда культура достигла стабильного состояния, и рост микроорганизмов перестал быть главной целью, поток субстрата изменили на содержащий 15,8% Н2, 36,5% СО, 38,4% N2 и 9,3% СО2, чтобы обеспечить небольшой избыток СО и увеличить производство этанола. В этом документе также описаны потоки газа с более высокими и более низкими концентрациями СО и Н2.As noted previously, the presence of hydrogen in the substrate stream can result in increased overall carbon capture efficiency and/or ethanol productivity. For example, WO 0208438 describes the production of ethanol using gas streams of various compositions. In a preferred embodiment of the invention, a substrate stream containing 63% H 2 , 32% CO and 5% CH 4 was fed into the C. ljungdahlii bioreactor in order to promote microbial growth and increase ethanol production. When the culture reached a steady state and microbial growth was no longer the main goal, the substrate flow was changed to 15.8% H 2 , 36.5% CO, 38.4% N 2 and 9.3% CO 2 to provide a slight excess of CO and increase ethanol production. This document also describes gas streams with higher and lower concentrations of CO and H 2 .

Следовательно, чтобы повысить производство спирта и/или общее улавливание углерода, может оказаться необходимым изменить состав потока субстрата. Помимо этого или в качестве альтернативы, состав может быть изменен (то есть, отрегулированы концентрации СО, СО2 и/или Н2) с целью оптимизации эффективности реакции ферментации и, в конечном счете, увеличения производства спирта и/или общего улавливания углерода.Therefore, to increase alcohol production and/or overall carbon capture, it may be necessary to change the composition of the substrate stream. In addition, or alternatively, the formulation may be modified (i.e., adjusted CO, CO 2 and/or H 2 concentrations) to optimize the efficiency of the fermentation reaction and ultimately increase alcohol production and/or overall carbon capture.

В некоторых вариантах осуществления изобретения источником содержащего СО газообразного субстрата может быть процесс газификации органического материала, такого как метан, этан, пропан, уголь, природный газ, сырая нефть, малоценные остатки нефтепереработки (в том числе нефтяной кокс), твердые бытовые отходы или биомасса. В биомассе содержатся побочные продукты, получаемые в ходе экстракции и обработки пищевых продуктов, такие как сахар из сахарного тростника или крахмал из маиса или зерновых культур; или отходы непищевой биомассы, образующиеся в лесной промышленности. Любой из этих углеродистых материалов может быть подвергнут газификации, то есть частичному сгоранию в присутствии кислорода с получением синтез-газа (газа, содержащего значительные количества Н2 и СО). В процессе газификации, обычно, образуется синтез-газ с молярным отношением Н2/СО, примерно, от 0,4:1 до 1,2:1, наряду с меньшими количествами СО2, Н2S, метана и других инертных соединений. Это отношение в производимом газе может быть изменено известными специалистам способами и подробно описано в WО 200701616. Однако, для регулирования отношения СО:Н2 в продукте могут быть изменены, например, следующие условия в системе для газификации: состав сырья (особенно отношение С:Н), рабочее давление, температурный профиль (влияющий на быстрое охлаждение смеси продуктов) и применяемый окислитель (воздух, обогащенный кислородом воздух, чистый О2 или пар; при этом применение пара дает большее отношение СО:Н2). Следовательно, рабочие условия системы для газификации могут быть отрегулированы так, чтобы обеспечить производство потока субстрата заданного состава, соответствующего условиям ферментации или смешивания с одним или более другим потоком с целью обеспечения оптимизированного или заданного состава, позволяющего получить увеличенный выход спирта и/или повысить общее улавливание углерода в процессе ферментации.In some embodiments, the source of the CO-containing gaseous substrate may be the gasification process of organic material such as methane, ethane, propane, coal, natural gas, crude oil, low-value refinery residues (including petroleum coke), municipal solid waste, or biomass. Biomass contains by-products from extraction and food processing, such as sugar from sugar cane or starch from maize or cereals; or non-food biomass waste from the forestry industry. Any of these carbonaceous materials can be subjected to gasification, that is, partial combustion in the presence of oxygen to produce synthesis gas (a gas containing significant amounts of H 2 and CO). The gasification process typically produces synthesis gas with an H 2 /CO molar ratio of about 0.4:1 to 1.2:1, along with smaller amounts of CO 2 , H 2 S, methane and other inert compounds. This ratio in the produced gas can be changed by methods known to those skilled in the art and are detailed in WO 200701616. However, to adjust the CO:H 2 ratio in the product, for example, the following conditions in the gasification system can be changed: feed composition (especially the C:H ratio), operating pressure, temperature profile (affecting rapid cooling of the product mixture) and the oxidizer used (air, oxygen-enriched air, pure O 2 or steam; however, the use of steam gives a higher ratio of CO: H 2 ). Therefore, the operating conditions of the gasification system can be adjusted to produce a substrate stream of a given composition to match fermentation conditions, or to be mixed with one or more other streams to provide an optimized or targeted composition to produce increased alcohol yield and/or increase overall carbon capture in the fermentation process.

В других вариантах осуществления изобретения содержащий СО субстрат может быть получен из процесса парового реформинга углеводородов. Углеводороды, например, составляющие природный газ, могут быть подвергнуты реформингу при высокой температуре с целью получения СО и Н2 в соответствии со следующим уравнением:In other embodiments, the CO-containing substrate may be obtained from a hydrocarbon steam reforming process. Hydrocarbons, such as those constituting natural gas, can be reformed at high temperature to produce CO and H 2 according to the following equation:

CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2 C n H m + nH 2 O → nCO + (m / 2 + n) H 2

Например, паровой реформинг метана включает осуществление реакции пара с метаном с получением СО и Н2 при повышенной температуре (700-1100°С) в присутствии никелевого катализатора. Образующийся поток (содержащий 1 моль СО и 3 моля Н2 на каждый моль преобразованного СН4) может быть непосредственно направлен в ферментер или смешан с потоком субстрата из другого источника с целью повышения производительности по этанолу и/или общего улавливание углерода в процессе ферментации. Спирты, такие как метанол, также могут быть подвергнуты реформингу с получением СО2 и Н2, которые могут быть использованы аналогичным образом.For example, steam reforming of methane involves reacting steam with methane to produce CO and H 2 at elevated temperature (700-1100°C) in the presence of a nickel catalyst. The resulting stream (containing 1 mole of CO and 3 moles of H 2 for each mole of CH 4 converted) can be sent directly to the fermenter or mixed with a substrate stream from another source to increase ethanol productivity and/or overall carbon capture during the fermentation. Alcohols such as methanol can also be reformed to produce CO 2 and H 2 which can be used in a similar manner.

В другом варианте осуществления изобретения содержащий СО субстрат получают из процесса производства стали. В сталелитейном производстве железную руду измельчают, превращают в порошок и подвергают предварительной обработке, такой как спекание и грануляция, а затем направляют в доменную печь, где она плавится. В процессе плавки кокс выполняет роль источника углерода, который является восстановителем, восстанавливающим железную руду. Кокс также является источником тепла для нагревания и плавления материалов. Горячий металл обезуглероживают в кислородном конвертере путем нагнетания высокоскоростной струи чистого кислорода, направленной на поверхность горячего металла. Кислород вступает в непосредственную реакцию с углеродом внутри горячего металла с образованием монооксида углерода (СО). Следовательно, из кислородного конвертера выходит поток газа с высоким содержанием СО. В соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения, этот поток используют в качестве сырья одной или более реакции ферментации. Однако, как ясно специалистам в данной области, СО может производиться на других стадиях процесса изготовления стали, и, в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения, эти альтернативные источники могут быть использованы вместо или в сочетании с газами, отходящими из кислородного конвертера. В зависимости от конкретного источника (то есть, определенной стадии процесса изготовления стали) содержание СО в отходящих газах может изменяться. Кроме того, могут иметь место периоды, в течение которых один или более такой поток прерывается, особенно на системах периодического действия.In another embodiment of the invention, the CO-containing substrate is obtained from a steelmaking process. In the steel industry, iron ore is crushed, pulverized and subjected to pre-treatment such as sintering and granulation, and then sent to a blast furnace where it is smelted. In the smelting process, coke acts as a source of carbon, which is a reducing agent that reduces iron ore. Coke is also a heat source for heating and melting materials. The hot metal is decarburized in an oxygen converter by injecting a high-velocity jet of pure oxygen directed at the surface of the hot metal. The oxygen reacts directly with the carbon inside the hot metal to form carbon monoxide (CO). Consequently, a CO rich gas stream exits the BOF. In accordance with certain embodiments of the present invention, this stream is used as feedstock for one or more fermentation reactions. However, as those skilled in the art will appreciate, CO can be produced at other stages of the steel making process and, in accordance with various embodiments of the invention, these alternative sources can be used in place of or in combination with BOF off-gases. Depending on the specific source (i.e., specific stage of the steelmaking process), the CO content in the exhaust gases may vary. In addition, there may be periods during which one or more such flow is interrupted, especially on batch systems.

Обычно, потоки, отходящие со стадии обезуглероживания сталелитейного производства, содержат большое количество СО и малое количество Н2. Хотя такие потоки могут быть непосредственно направлены в биореактор при небольшой дополнительной обработке или без нее, может оказаться желательным оптимизировать состав потока субстрата, чтобы достичь более высокой эффективности производства спирта и/или общего улавливания углерода. Например, перед подачей этого потока в биореактор может быть увеличена концентрация Н2 в субстрате.Typically, the effluents from the steelmaking decarburization stage contain a large amount of CO and a small amount of H 2 . Although such streams can be sent directly to the bioreactor with little or no additional processing, it may be desirable to optimize the composition of the substrate stream in order to achieve higher efficiency in alcohol production and/or overall carbon capture. For example, the concentration of H 2 in the substrate can be increased before this stream is fed to the bioreactor.

В соответствии с конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения, потоки из двух или более источников могут быть объединены и/или смешаны с целью получения заданного и/или оптимизированного потока субстрата. Например, поток с высокой концентрацией СО, например, отходящий из сталелитейного конвертера, может быть объединен с потоком с высокой концентрацией Н2, таким как отходящий газ коксовой печи сталелитейного завода.In accordance with specific embodiments of the present invention, streams from two or more sources can be combined and/or mixed in order to obtain a given and/or optimized substrate stream. For example, a high CO stream, such as an off-gas from a steel converter, may be combined with a high H 2 stream, such as off-gas from a steel mill coke oven.

Начальная стадия сталелитейного производства, обычно, включает восстановление железной руды с использованием кокса. Кокс представляет собой источник твердоуглеродного топлива, используемого для плавления и восстановления железной руды, и, обычно, производится на сталелитейном предприятии. В процессе изготовления кокса битуминозный уголь подают в ряд герметичных печей, где его нагревают при высокой температуре в отсутствие кислорода, обычно циклически, с длительностью циклов от 14 до 36 часов. Твердый углерод, оставшийся в печи, это кокс. Его перемещают в башенный охладитель, где охлаждают путем разбрызгивания воды или циркуляции инертного газа (азота), затем просеивают и направляют в доменную печь.The initial stage of steel production usually involves the reduction of iron ore using coke. Coke is a source of hard carbon fuel used to smelt and reduce iron ore and is typically produced in a steel mill. In the coke making process, bituminous coal is fed into a series of pressurized furnaces where it is heated at high temperature in the absence of oxygen, typically in cycles of 14 to 36 hours. The solid carbon remaining in the kiln is coke. It is transferred to a cooling tower, where it is cooled by spraying water or circulating an inert gas (nitrogen), then screened and sent to a blast furnace.

Летучие соединения, образующиеся в ходе этого процесса, как правило, подвергают обработке с целью удаления смол, аммиака, нафталина, фенола, легких фракций и серы перед тем, как использовать этот газ в качестве топлива для нагревания печей. Газ, образующийся в результате производства кокса, обычно, характеризуется высоким содержанием Н2 (типичный состав: 55% Н2, 25% СН4, 6% СО, 3% N2, 2% других углеводородов). По существу, по меньшей мере, часть газа коксовой печи может быть направлена в процесс ферментации для смешивания с потоком, содержащим СО, с целью повышения производительности по спирту и/или общего улавливания углерода. Может оказаться необходимым подвергнуть отходящий газ коксовой печи обработке до направления его в ферментер с целью удаления побочных продуктов, которые могут быть токсичны для данной культуры.The volatile compounds generated during this process are typically treated to remove tar, ammonia, naphthalene, phenol, light ends and sulfur before the gas is used as fuel to heat furnaces. The gas resulting from the production of coke is usually characterized by a high content of H 2 (typical composition: 55% H 2 , 25% CH 4 , 6% CO, 3% N 2 , 2% other hydrocarbons). As such, at least a portion of the coke oven gas may be sent to the fermentation process for mixing with the CO containing stream to improve alcohol production and/or overall carbon capture. It may be necessary to process the off-gas from the coke oven before it is sent to the fermenter to remove by-products that may be toxic to the crop.

В качестве альтернативы или дополнительно, прерывистый поток, содержащий СО, такой как поток отходящих газов конвертера, может быть соединен и/или смешан с, по существу, непрерывным потоком, содержащим СО и, необязательно, Н2, таким как синтез-газ, образующийся в процессе газификации, как описано ранее. В определенных вариантах осуществления изобретения таким образом поддерживается, по существу, непрерывная подача потока субстрата в биореактор. В конкретном варианте осуществления изобретения поток, образующийся в системе газификации, может быть увеличен и/или уменьшен в соответствии с прерывистым поступлением СО из промышленного источника, чтобы поддерживать, по существу, непрерывный поток субстрата с нужным или оптимизированным составом. В другом варианте осуществления изобретения условия в системе газификации могут быть изменены, как описано выше, чтобы увеличить или уменьшить отношение СО:Н2 в соответствии с прерывистым поступлением СО из промышленного источника с целью поддержания, по существу, непрерывного потока субстрата с заданным или оптимизированным содержанием СО и Н2.Alternatively or additionally, an intermittent CO-containing stream, such as a converter off-gas stream, may be combined and/or mixed with a substantially continuous CO-containing and optionally H 2 -containing stream, such as synthesis gas generated from the gasification process, as previously described. In certain embodiments of the invention, a substantially continuous flow of substrate into the bioreactor is thus maintained. In a specific embodiment of the invention, the flow generated in the gasification system can be increased and/or decreased in accordance with the intermittent supply of CO from an industrial source in order to maintain a substantially continuous flow of substrate with the desired or optimized composition. In another embodiment of the invention, the conditions in the gasification system can be changed, as described above, to increase or decrease the CO:H 2 ratio in accordance with the intermittent supply of CO from an industrial source in order to maintain a substantially continuous flow of substrate with a given or optimized content of CO and H 2 .

Обычно, потоки субстрата, используемые в контексте настоящего изобретения, газообразные; однако, этим изобретение не ограничивается. Например, монооксид углерода может быть подан в биореактор в жидкости. Например, жидкость может быть насыщена газом, содержащим монооксид углерода, и затем подана в биореактор. Это может быть выполнено в соответствии со стандартной методикой. Например, для этой цели может быть использован генератор дисперсии микропузырьков (Hensirisak и др.,Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation (Масштабирование генератора дисперсии микропузырьков для аэробной ферментации); Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, number 3, October 2002).Typically, the substrate streams used in the context of the present invention are gaseous; however, the invention is not limited to this. For example, carbon monoxide can be fed into the bioreactor in a liquid. For example, the liquid may be saturated with a gas containing carbon monoxide and then fed into the bioreactor. This can be done according to standard techniques. For example, a microbubble dispersion generator can be used for this purpose (Hensirisak et al., Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, number 3, October 2002).

Следует понимать, что для роста бактерий и ферментации СО в этанол, помимо содержащего СО газообразного субстрата в биореактор необходимо подавать надлежащую жидкую питательную среду. Питательная среда должна содержать достаточно для роста используемых микроорганизмов витаминов и минералов. Анаэробные среды, пригодные для ферментации с получением этанола при использовании СО в качестве единственного источника углерода, известны в данной области. Например, пригодные среды описаны в патентах США №№ 5173429 и 5593886 и WО 02/08438, WО 2007/115157 и WО 2008/115080, ссылки на которые уже приводились. В разделе Примеры настоящего документа даны другие примеры сред.It will be appreciated that for bacterial growth and CO to ethanol fermentation, in addition to the gaseous substrate containing CO, the bioreactor must be supplied with a proper liquid nutrient medium. The nutrient medium must contain enough vitamins and minerals for the growth of the microorganisms used. Anaerobic media suitable for ethanol fermentation using CO as the sole carbon source are known in the art. For example, suitable media are described in US Pat. See the Examples section of this document for more examples of environments.

Желательно, чтобы ферментация осуществлялась в надлежащих с точки зрения нужной реакции ферментации (например, СО в этанол) условиях. Условия реакции, которые следует рассмотреть, включают давление, температуру, расход газа, расход жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, интенсивность перемешивания (если используется проточный реактор с мешалкой), концентрацию посевного материала, максимальную концентрацию газообразного субстрата, гарантирующую, что количество СО в жидкой фазе неограниченно, максимальную концентрацию продукта, исключающую ингибирование его образования.Desirably, the fermentation is carried out under appropriate conditions for the desired fermentation reaction (eg CO in ethanol). Reaction conditions that should be considered include pressure, temperature, gas flow, liquid flow, pH of the medium, redox potential of the medium, intensity of agitation (if a stirred tank reactor is used), inoculum concentration, the maximum gaseous substrate concentration to ensure that the amount of CO in the liquid phase is unlimited, the maximum product concentration that excludes inhibition of its formation.

Оптимальные условия реакции частично зависят от того, какой конкретно микроорганизм используется. Однако, в целом, может быть предпочтительным осуществление ферментации при давлении выше атмосферного. Работа при повышенном давлении позволяет существенно повысить интенсивность перехода СО из газовой фазы в жидкую фазу, где он может быть использован микроорганизмами в качестве источника углерода для производства этанола. Это, в свою очередь, означает, что время пребывания (определяемое как объем жидкости в биореакторе, деленный на расход подаваемого газа) может быть уменьшено тогда, когда в биореакторах поддерживается повышенное, а не атмосферное давление.Optimum reaction conditions depend in part on the particular microorganism used. However, in general, it may be preferable to carry out the fermentation at a pressure above atmospheric pressure. Operation at elevated pressure allows one to significantly increase the intensity of CO transition from the gas phase to the liquid phase, where it can be used by microorganisms as a carbon source for the production of ethanol. This, in turn, means that the residence time (defined as the volume of liquid in the bioreactor divided by the flow rate of the feed gas) can be reduced when the bioreactors are maintained at elevated rather than atmospheric pressure.

Кроме того, поскольку степень конверсии СО в этанол, отчасти, является функцией времени пребывания субстрата, достижение заданного времени удерживания, в свою очередь, определяет требуемый объем биореактора, то в случае использования реактора под давлением требуемый объем биореактора значительно меньше, и, следовательно, меньше капитальные затраты на оборудование для ферментации. В соответствии с примерами, приведенными в патенте США № 5593886, объем реактора может быть уменьшен в линейной зависимости от увеличения рабочего давления в реакторе, то есть, биореакторы, работающие под давлением 10 атмосфер, должны иметь объем, составляющий одну десятую объема реакторов, работающих под давлением 1 атмосфера.In addition, since the degree of conversion of CO to ethanol is partly a function of the residence time of the substrate, achieving a given retention time, in turn, determines the required volume of the bioreactor, in the case of a pressurized reactor, the required volume of the bioreactor is much less, and, therefore, the capital cost of the fermentation equipment is lower. In accordance with the examples given in US patent No. 5593886, the volume of the reactor can be reduced in a linear relationship with the increase in the working pressure in the reactor, that is, bioreactors operating at a pressure of 10 atmospheres should have a volume that is one tenth of the volume of reactors operating at a pressure of 1 atmosphere.

Преимущества осуществления ферментации газа в этанол при повышенном давлении также уже описаны в других публикациях. Например, в заявке WО 02/08438 описаны способы ферментации газа в этанол, осуществляемой под давлением 30 фунтов/кв. дюйм (206,8 кПа) и 75 фунтов/кв. дюйм (517,1 кПа), что обеспечивает производительность по этанолу 150 г/л/день и 369 г/л/день, соответственно. Однако, имеются примеры процессов ферментации, осуществляемых с использованием аналогичных сред и составов подаваемого газа при атмосферном давлении, позволяющие получить в 10 - 20 раз меньше этанола в расчете на литр в день.The advantages of carrying out the fermentation of gas to ethanol at elevated pressure are also already described in other publications. For example, WO 02/08438 describes processes for fermenting gas to ethanol at 30 psi. inch (206.8 kPa) and 75 psi. inch (517.1 kPa), which provides an ethanol performance of 150 g/l/day and 369 g/l/day, respectively. However, there are examples of fermentation processes carried out using similar media and feed gas compositions at atmospheric pressure, producing 10 to 20 times less ethanol per liter per day.

Также желательно, чтобы интенсивность подачи содержащего СО газообразного субстрата была такова, чтобы концентрация СО в жидкой фазе гарантированно была неограниченной. Причина в том, что из-за ограничения количества доступного СО культура может потреблять этанол, являющийся продуктом.It is also desirable that the supply rate of the CO-containing gaseous substrate be such that the concentration of CO in the liquid phase is guaranteed to be unlimited. The reason is that due to the limited amount of available CO, the crop can consume ethanol, which is the product.

Извлечение продуктаProduct extraction

Продукты реакции ферментации могут быть извлечены с использованием известных способов. К примерам таких способов относятся описанные в WО 2007/11757, WО 2008/115080 и патентах США №№ 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111. Однако, если говорить кратко или только в качестве примера, этанол может быть извлечен из содержимого ферментера такими способами, как фракционная перегонка или выпаривание и экстрактивная ферментация.The fermentation reaction products can be recovered using known methods. Examples of such methods include those described in WO 2007/11757, WO 2008/115080 and US Pat. and extractive fermentation.

Отгонка этанола от содержимого ферментера дает азеотропную смесь этанола и воды (то есть, 95% этанола и 5% воды). Впоследствии, безводный этанол может быть получен при помощи технологии обезвоживания этанола на молекулярных ситах, которая также известна в данной области.Stripping the ethanol from the contents of the fermenter gives an azeotropic mixture of ethanol and water (i.e., 95% ethanol and 5% water). Subsequently, anhydrous ethanol can be produced using molecular sieve ethanol dehydration technology, which is also known in the art.

Методика экстрактивной ферментации включает использование смешиваемого с водой растворителя, который представляет малый риск оказания токсического воздействия на осуществляющие ферментацию микроорганизмы, с целью извлечения этанола из разбавленного содержимого ферментера. Например, растворителем, который может быть использован в процессе экстракции такого типа, является олеиловый спирт. В этом случае олеиловый спирт непрерывно подают в ферментер, где этот растворитель поднимается, образуя на поверхности слой, который непрерывно отделяют и пропускают через центрифугу. Вода и клетки легко отделяются от олеилового спирта, и их возвращают в ферментер, тогда как насыщенный этанолом растворитель подают в устройство мгновенного испарения. Большая часть этанола испаряется и конденсируется, тогда как нелетучий олеиловый спирт подлежит повторному использованию в процессе ферментации.The extractive fermentation technique involves the use of a water-miscible solvent, which poses a low risk of toxic effects on the fermenting microorganisms, in order to recover ethanol from the dilute contents of the fermenter. For example, a solvent that can be used in this type of extraction process is oleyl alcohol. In this case, oleyl alcohol is continuously fed into the fermenter, where this solvent rises to form a layer on the surface, which is continuously separated and passed through a centrifuge. The water and cells are readily separated from the oleyl alcohol and returned to the fermenter, while the ethanol-rich solvent is fed to the flasher. Most of the ethanol evaporates and condenses, while the non-volatile oleyl alcohol is reused in the fermentation process.

Ацетат также может быть извлечен из содержимого ферментера известными в данной области способами. Например, может быть использовано адсорбционное устройство, в котором имеется фильтр с активированным древесным углем. В этом случае из содержимого ферментера сначала удаляют клетки микроорганизмов, используя подходящий способ разделения. В данной области известны многочисленные основанные на фильтрации способы получения свободного от клеток микроорганизмов содержимого ферментера, из которого нужно извлечь продукт. Затем освобожденный от клеток фильтрат, содержащий этанол и ацетат, пропускают через колонну, в которой имеется активированный древесный уголь, с целью адсорбции ацетата. Ацетат в форме кислоты (уксусная кислота), а не соли (ацетат) легче адсорбируется активированным древесным углем. Следовательно, предпочтительно уменьшить рН содержимого ферментера перед его подачей в колонну с активированным углем до менее, примерно, 3, чтобы большая часть ацетата перешла в форму уксусной кислоты.Acetate can also be recovered from the contents of the fermenter by methods known in the art. For example, an adsorption device may be used which has an activated charcoal filter. In this case, microorganism cells are first removed from the contents of the fermenter using a suitable separation method. Numerous filtration-based methods are known in the art for obtaining cell-free fermenter contents from which the product is to be recovered. Then, the cell-free filtrate containing ethanol and acetate is passed through a column containing activated charcoal to adsorb the acetate. Acetate in the form of an acid (acetic acid) rather than a salt (acetate) is more readily adsorbed by activated charcoal. Therefore, it is preferable to reduce the pH of the contents of the fermenter before it is fed into the activated carbon column to less than about 3 so that most of the acetate is converted to the form of acetic acid.

Уксусная кислота, адсорбированная на активированном древесном угле, может быть извлечена путем элюирования с использованием известных в данной области способов. Например, для элюирования связанного ацетата может быть использован этанол. В определенных вариантах осуществления изобретения для элюирования ацетата может быть использован тот этанол, который образуется в данном процессе ферментации. Поскольку температура кипения этанола составляет 78,8°С, а температура кипения уксусной кислоты равна 107°С, этанол легко отделить от ацетата при помощи способа, основанного на различии в летучести, такого как перегонка.Acetic acid adsorbed on activated charcoal can be recovered by elution using methods known in the art. For example, ethanol can be used to elute the bound acetate. In certain embodiments of the invention, the ethanol that is produced in the fermentation process can be used to elute the acetate. Since the boiling point of ethanol is 78.8°C and the boiling point of acetic acid is 107°C, ethanol can be easily separated from acetate by a method based on the difference in volatility, such as distillation.

В данной области известны другие способы извлечения ацетата из содержимого ферментера, которые также могут быть использованы в способах настоящего изобретения. Например, в патентах США №№ 6368819 и 6753170 описана система растворителя и сорастворителя, которая может быть использована для экстракции уксусной кислоты из содержимого ферментера. Как и в случае описанной выше системы на основе олеилового спирта, применяемой для экстрактивной ферментации этанола, системы, описанные в патентах США №№ 6368819 и 6753170, содержат смешиваемые с водой растворитель/сорастворитель и могут быть смешаны с содержимым ферментера либо в присутствии, либо в отсутствии ферментирующих микроорганизмов с целью экстракции уксусной кислоты. Систему растворитель/сорастворитель, содержащую уксусную кислоту, затем отделяют от содержимого ферментера перегонкой. После этого может быть применена вторая стадия перегонки с целью очистки уксусной кислоты от системы растворитель/сорастворитель.Other methods for recovering acetate from the contents of the fermenter are known in the art and can also be used in the methods of the present invention. For example, US Pat. Nos. 6,368,819 and 6,753,170 describe a solvent and co-solvent system that can be used to extract acetic acid from the contents of a fermenter. As with the oleyl alcohol based system described above for extractive ethanol fermentation, the systems described in US Pat. The solvent/co-solvent system containing acetic acid is then separated from the contents of the fermenter by distillation. Thereafter, a second distillation step can be applied to purify the acetic acid from the solvent/co-solvent system.

Продукты реакции ферментации (например, этанол и ацетат) могут быть извлечены из содержимого ферментера путем непрерывного отведения из ферментера порции его содержимого, отделения от него клеток микроорганизмов (что удобно выполнить путем фильтрации) и извлечения, одновременно или последовательно, одного или более продукта. Этанол удобно извлекать путем перегонки, ацетат может быть извлечен путем адсорбции на активированном древесном угле с использованием описанных выше способов. Отделенные клетки микроорганизмов могут быть возвращены в ферментер. Свободный от клеток фильтрат, оставшийся после извлечения этанола и ацетата, также может быть возвращен в ферментер. В этот свободный от клеток фильтрат перед его возвращением в ферментер могут быть добавлены питательные вещества (такие как витамины группы В), восстанавливающие питательную среду. Кроме того, если рН содержимого ферментера изменяли, как описано выше, с целью интенсификации адсорбции уксусной кислоты на активированном древесном угле, рН должен быть снова изменен до исходного значения рН содержимого ферментера перед тем, как фильтрат будет возвращен в биореактор.The fermentation reaction products (e.g., ethanol and acetate) can be recovered from the contents of the fermenter by continuously withdrawing a portion of the contents from the fermenter, separating the microbial cells from the fermenter (conveniently by filtration), and recovering, simultaneously or sequentially, one or more products. The ethanol is conveniently recovered by distillation, the acetate can be recovered by adsorption on activated charcoal using the methods described above. The separated microorganism cells can be returned to the fermenter. The cell-free filtrate remaining after the extraction of ethanol and acetate can also be returned to the fermenter. Nutrients (such as B vitamins) can be added to this cell-free filtrate to restore the nutrient medium before it is returned to the fermenter. In addition, if the pH of the fermenter contents was changed as described above in order to enhance the adsorption of acetic acid on the activated charcoal, the pH must be changed back to the original pH of the fermenter contents before the filtrate is returned to the bioreactor.

Удаление СОCO removal 22

В соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения, система для удаления СО2 включает устройства для селективного отделения СО2 от смешанного потока и устройство для преобразования СО2 в продукты и/или подготовки СО2 к хранению или дальнейшему использованию. В качестве альтернативы, данная система включает устройство для преобразования СО2 в потоке непосредственно в продукты и/или соединения, пригодные для хранения или дальнейшего использования.According to certain embodiments of the invention, the CO 2 removal system includes devices for selectively separating CO 2 from the mixed stream and a device for converting CO 2 into products and/or preparing CO 2 for storage or further use. Alternatively, this system includes a device for converting CO 2 in the stream directly into products and/or compounds suitable for storage or further use.

В одном из вариантов осуществления изобретения СО2 селективно отделяют от смешанного потока газа с использованием любого известного в данной области устройства отделения, как, например, в примерах способов, приводимых ниже. Другие способы отделения СО2, которые могут быть использованы в вариантах осуществления изобретения, включают экстракцию оксидом металла, таким как СаО, и использование пористого углерода или экстракции селективным растворителем, например, экстракции амином.In one embodiment of the invention, CO 2 is selectively separated from the mixed gas stream using any separation device known in the art, such as in the example methods below. Other methods of separating CO 2 that can be used in embodiments of the invention include extraction with a metal oxide, such as CaO, and the use of porous carbon, or extraction with a selective solvent, for example, extraction with an amine.

Амины, такие как водный моноэтаноламин (МЕА), дигликольамин (DGA), диэтаноламин (DEA), диизопропаноламин (DIPA) и метилдиэтаноламин (MDEA), широко используются в промышленности для удаления СО2 и сероводорода из потоков природного газа и потоков процесса нефтепереработки.Amines such as aqueous monoethanolamine (MEA), diglycolamine (DGA), diethanolamine (DEA), diisopropanolamine (DIPA), and methyldiethanolamine (MDEA) are widely used in industry to remove CO 2 and hydrogen sulfide from natural gas streams and refinery process streams.

СО2, отделенный в таких процессах, можно временно хранить. В данной области известно множество примеров временного хранения СО2, такие как хранение в подземных хранилищах (геосеквестрация), океаническое хранение и минеральное хранение (например, преобразование в карбонаты металлов).CO 2 separated in such processes can be temporarily stored. Many examples of interim storage of CO 2 are known in the art, such as underground storage (geosequestration), oceanic storage, and mineral storage (eg, conversion to metal carbonates).

При подземном хранении диоксид водорода нагнетают, как правило, в сверхкритическом состоянии, непосредственно в подземные геологические формации. В качестве мест хранения предлагаются нефтяные месторождения, газовые месторождения, соленосные формации, непригодные к эксплуатации угольные пласты и заполненные солончаками базальтовые формации. Для предотвращения выхода СО2 на поверхность используются различные физические (например, в значительной степени непроницаемая экранирующая порода) и геохимические механизмы захвата. По оценкам Межправительственной группы экспертов по изменению климата, в хорошо подобранных, приспособленных и надлежащим образом эксплуатируемых подземных хранилищах СО2 может быть удерживаем в течение миллионов лет, эти хранилища способны удерживать более 99% закаченного СО2 более 1000 лет.In underground storage, hydrogen dioxide is injected, typically in a supercritical state, directly into underground geological formations. Oil fields, gas fields, saline formations, unusable coal seams and saline-filled basalt formations have been proposed as storage sites. Various physical (eg, largely impermeable shield rock) and geochemical trapping mechanisms are used to prevent CO 2 from reaching the surface. The Intergovernmental Panel on Climate Change has estimated that well-selected, adapted and properly operated underground storage facilities can hold CO 2 for millions of years, and these storage facilities are capable of holding more than 99% of injected CO 2 for more than 1000 years.

Для океанического хранения предложено несколько вариантов: (i) закачивание «с растворением», когда СО2 посредством судна или трубопровода закачивают в воду на глубину 1000 м или более, и СО2, по существу, растворяется; (ii) «озерное» хранение СО2 непосредственно на морском дне на глубинах более 3000 м, на которых СО2 имеет большую плотность, чем вода, и, как предполагают, образует «озеро», которое задерживает растворение СО2 в окружающей среде; (iii) преобразование СО2 в биокарбонаты (с использованием известняка); (iv) хранение СО2 в твердых клатратных гидратах, уже имеющихся на дне океана, или использование при выращивании новых твердых клатратов.Several options have been proposed for ocean storage: (i) "dissolution" injection, where CO 2 is injected by ship or pipeline into the water to a depth of 1000 m or more and the CO 2 is substantially dissolved; (ii) "lake" storage of CO 2 directly on the sea floor at depths greater than 3000 m, where CO 2 is denser than water and is believed to form a "lake" that retards the dissolution of CO 2 in the environment; (iii) conversion of CO 2 to biocarbonates (using limestone); (iv) storage of CO 2 in solid clathrate hydrates already present on the ocean floor or use in growing new solid clathrates.

Для минерального хранения осуществляют экзотермическую реакцию СО2 с имеющимися в избытке оксидами металлов с получением устойчивых карбонатов. Этот процесс происходит в природе многие годы, в результате чего образовалась большая часть наземного известняка. Скорость реакции можно увеличить, например, осуществлением реакции при более высокой температуре и/или давлении или путем предварительной обработки минералов, хотя такой способ связан с дополнительными затратами энергии.For mineral storage, an exothermic reaction of CO 2 with metal oxides present in excess is carried out to form stable carbonates. This process takes place in nature for many years, resulting in the formation of most of the terrestrial limestone. The reaction rate can be increased, for example, by carrying out the reaction at a higher temperature and/or pressure or by pre-treating the minerals, although this method is associated with additional energy costs.

В качестве альтернативы, отделенный СО2 можно использовать для изготовления продуктов, как в случае прямого или косвенного преобразования в углеводороды. Хорошо известным процессом производства углеводородов является получение метанола из СО2 и Н2. В данной области также известка каталитическая или электрохимическая диссоциация воды с образованием ионов кислорода и водорода, где ионы водорода могут быть использованы для превращения СО2 в углеводороды. Если СО2 нагреть до 2400°С, он расщепляется на монооксид углерода и кислород. Для преобразования СО в углеводороды может быть использован процесс Фишера-Тропша. В подобных процессах СО может быть возвращен в процесс ферментации. Например, нужная температура может быть достигнута при использовании камеры с зеркалом, фокусирующим солнечный свет на газе. В качестве альтернативы, отделенный СО2 может быть использован в последующей реакции(реакциях) ферментации для получения продуктов. Специалистам в данной области ясно, что имеется множество примеров реакций микробиологической ферментации, в ходе которых СО2 преобразуется в продукты. Например, СО2 может быть превращен в метан путем анаэробной ферментации с использованием метаногенных микроорганизмов. Примеры этого и других родственных процессов ферментации описаны в упоминаемом выше документе WО 2006/108532. Дополнительные примеры реакций ферментации с использованием СО2 с целью производства продуктов приведены в упоминаемых выше документах WО 2007/117157 и WО 2008/115080.Alternatively, the separated CO 2 can be used to make products, as in the case of direct or indirect conversion to hydrocarbons. A well known hydrocarbon production process is the production of methanol from CO 2 and H 2 . Also known in the art is the catalytic or electrochemical dissociation of water to form oxygen and hydrogen ions, where the hydrogen ions can be used to convert CO 2 to hydrocarbons. If CO 2 is heated to 2400°C, it splits into carbon monoxide and oxygen. The Fischer-Tropsch process can be used to convert CO to hydrocarbons. In such processes, CO can be returned to the fermentation process. For example, the desired temperature can be achieved by using a camera with a mirror that focuses sunlight on a gas. Alternatively, the separated CO 2 can be used in the subsequent fermentation reaction(s) to produce products. Those skilled in the art will recognize that there are many examples of microbial fermentation reactions in which CO 2 is converted to products. For example, CO 2 can be converted to methane by anaerobic fermentation using methanogenic microorganisms. Examples of this and other related fermentation processes are described in WO 2006/108532, cited above. Additional examples of fermentation reactions using CO 2 to produce products are given in the documents WO 2007/117157 and WO 2008/115080 mentioned above.

СО2 также является хорошим сырьем для производства синтез-газа. СО2 может быть подан в реформер (систему для газификации угля) с целью уменьшения потребления метана и улучшения/увеличения отношения Н2:СО. Следовательно, в одном из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, часть отделенного СО2 может быть направлена в систему для газификации угля, интегрированную в технологический процесс ферментации.CO 2 is also a good raw material for syngas production. CO 2 may be fed into the reformer (coal gasification system) to reduce methane consumption and improve/increase the H 2 :CO ratio. Therefore, in one embodiment of the invention, at least a portion of the separated CO 2 can be sent to a coal gasification system integrated into the fermentation process.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения отделенный СО2 может быть преобразован в такие продукты, как бетон и цемент. Для имитации морского цемента, производимого кораллами при формировании их оболочки и рифов, магний и/или кальций может быть соединен с СО2 с получением карбонатов.In another embodiment of the present invention, the separated CO 2 can be converted into products such as concrete and cement. To mimic the marine cement produced by corals during the formation of their shells and reefs, magnesium and/or calcium can be combined with CO 2 to form carbonates.

СО2 также охотно поглощается водорослями в процессе фотосинтеза, что может быть использовано для удаления углерода из отходящих потоков. Водоросли быстро растут в присутствии СО2 и солнечного света и могут быть собраны и преобразованы в продукты, такие как биодизельное топливо и/или спирт.CO 2 is also readily taken up by algae during photosynthesis, which can be used to remove carbon from waste streams. Algae grow rapidly in the presence of CO 2 and sunlight and can be harvested and converted into products such as biodiesel and/or alcohol.

В качестве альтернативы, СО2 может быть непосредственно захвачен из потока без дополнительных стадий отделения. Например, в конкретном варианте осуществления изобретения поток, предпочтительно, газообразный поток, содержащий СО2, может быть подан во вторую систему ферментации с целью преобразования СО2 в продукты.Alternatively, CO 2 can be directly captured from the stream without additional separation steps. For example, in a particular embodiment of the invention, a stream, preferably a gaseous stream containing CO 2 , may be fed to a second fermentation system in order to convert CO 2 into products.

Отделение газаGas separation

В соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения, способ, используемый для отделения газа, включает одну или более стадию криогенного фракционирования, молекулярной фильтрации, адсорбции, адсорбции с колебаниями давления или абсорбции. Какой бы процесс не использовался, может быть осуществлено отделение газа с целью изолирования, по меньшей мере, порции одного или более из следующих компонентов: Н2, О2, СО2 и СО из потока газа. Помимо этого или в качестве альтернативы, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения отделение газа может быть применено для удаления одной или более порции из потока газа (например, N2, О2) так, чтобы оставшийся поток можно было использовать более эффективно, например, в биореакторе.In accordance with certain embodiments of the present invention, the method used to separate the gas includes one or more stages of cryogenic fractionation, molecular filtration, adsorption, pressure swing adsorption or absorption. Whichever process is used, gas separation can be carried out to isolate at least a portion of one or more of the following components: H 2 , O 2 , CO 2 and CO from the gas stream. In addition or alternatively, in accordance with embodiments of the present invention, gas separation can be applied to remove one or more portions from the gas stream (for example, N 2 , O 2 ) so that the remaining stream can be used more efficiently, for example, in a bioreactor.

Адсорбция представляет собой накопление газов, жидкостей или растворов на поверхности твердого тела или жидкости. Абсорбция представляет собой процесс, при котором одно вещество, такое как твердое вещество или жидкость, поглощает другое вещество, такое как жидкость или газ, включаемое в мельчайшие поры или пространство между его молекулами.Adsorption is the accumulation of gases, liquids or solutions on the surface of a solid or liquid. Absorption is a process in which one substance, such as a solid or liquid, absorbs another substance, such as a liquid or gas, incorporated into the smallest pores or spaces between its molecules.

Адсорбция с колебаниями давления (РSА) представляет собой адиабатический процесс, который может быть использован для очистки газов с целью удаления сопутствующих примесей путем адсорбции на надлежащих адсорбентах, в виде неподвижного слоя присутствующих в резервуарах высокого давления, под высоким давлением. Регенерацию адсорбентов осуществляют путем противоточного сброса давления и, при низком давлении, продувки ранее извлеченным газом, близким по качеству к продукту. Для получения непрерывного потока продукта предпочтительно иметь, по меньшей мере, два адсорбера, чтобы, по меньшей мере, один адсорбер был готов для приема потока газа (такого как поток отходящих газов/выхлопных газов/биогаза) и фактического производства продукта нужной степени чистоты. Одновременно последовательные стадии сброса давления, продувки и восстановления давления до давления адсорбции выполняются на другом адсорбере(адсорберах). Общепринятые адсорбенты могут быть легко подобраны специалистами в данной области в зависимости от типа примесей, подлежащих адсорбции и удалению. К пригодным адсорбентам относятся цеолитовые молекулярные сита, активированный уголь, силикагель или активированный оксид алюминия. Могут быть использованы сочетания слоев адсорбентов, один поверх другого, тем самым, содержимое адсорбера разделяется на ряд отдельных зон. Адсорбция с колебаниями давления включает колебательное изменение параметров, таких как давление, температура, расход и состав газообразной и адсорбированной фазы.Pressure Swing Adsorption (PSA) is an adiabatic process that can be used to scrub gases to remove associated impurities by adsorption onto the appropriate fixed bed adsorbents present in high pressure pressure vessels. The regeneration of adsorbents is carried out by countercurrent depressurization and, at low pressure, blowing with previously extracted gas close in quality to the product. To obtain a continuous product flow, it is preferable to have at least two adsorbers so that at least one adsorber is available to receive a gas stream (such as an off-gas/exhaust/biogas stream) and actually produce a product of the desired purity. Simultaneously, successive steps of depressurization, purge and repressurization to adsorption pressure are performed on another adsorber(s). Conventional adsorbents can be easily selected by those skilled in the art depending on the type of impurities to be adsorbed and removed. Suitable adsorbents include zeolite molecular sieves, activated carbon, silica gel or activated alumina. Combinations of layers of adsorbents can be used, one on top of the other, thereby separating the contents of the adsorber into a number of separate zones. Pressure fluctuation adsorption involves fluctuations in parameters such as pressure, temperature, flow rate, and composition of the gaseous and adsorbed phases.

Очистка или отделение газов с использованием адсорбции с колебаниями давления в нормальном режиме имеет место при температурах подаваемого газа, близким к комнатной, при этом подлежащие удалению компоненты селективно адсорбируются. В идеале, адсорбция должна быть в достаточной степени обратима, чтобы обеспечить возможность регенерации адсорбентов при близкой температуре окружающей среды. Адсорбция с колебаниями давления может быть использована для обработки и/или очистки наиболее распространенных газов, в том числе, СО, СО2 и Н2. Примеры способов осуществления адсорбции с колебаниями давления подробно описаны в работе Ruthven, Douglas M. и др., 1993 Pressure Swing Adsorption (Адсорбция с колебаниями давления), John Wiley and Sons.Purification or separation of gases using normal mode pressure swing adsorption takes place at feed gas temperatures close to room temperature, whereby the components to be removed are selectively adsorbed. Ideally, adsorption should be sufficiently reversible to allow regeneration of adsorbents at close ambient temperatures. Pressure swing adsorption can be used to treat and/or purify the most common gases, including CO, CO 2 and H 2 . Examples of pressure swing adsorption methods are detailed in Ruthven, Douglas M. et al., 1993 Pressure Swing Adsorption, John Wiley and Sons.

Молекулярное сито представляет собой материал, содержащий мельчайшие поры точного и одинакового размера, который используется в качестве адсорбента для газов и жидкостей. Молекулы, которые достаточно малы для того, чтобы пройти сквозь эти поры, адсорбируются, тогда как более крупные молекулы - нет. Молекулярное сито похоже на обычный фильтр, однако функционирует на молекулярном уровне. Молекулярные сита часто образованы алюмосиликатными минералами, глинами, пористыми стеклами, микропористым древесным углем, цеолитами, активированным углем или синтетическими соединениями с открытой структурой, через которую могут диффундировать небольшие молекулы, такие как молекулы азота и воды. К способам регенерации молекулярных сит относятся изменение давления (например, в концентраторах кислорода) и нагревание и продувка газом-носителем.Molecular sieve is a material containing tiny pores of precise and uniform size, which is used as an adsorbent for gases and liquids. Molecules that are small enough to pass through these pores are adsorbed, while larger molecules are not. A molecular sieve is similar to a regular filter, but it functions at the molecular level. Molecular sieves are often formed from aluminosilicate minerals, clays, porous glasses, microporous charcoal, zeolites, activated carbon, or synthetic compounds with an open structure through which small molecules such as nitrogen and water molecules can diffuse. Methods for regenerating molecular sieves include pressure changes (eg in oxygen concentrators) and heating and purging with a carrier gas.

Мембраны могут быть использованы, например, для отделения водорода от таких газов, как азот и метан, с целью извлечения водорода, отделения метана от биогаза или для удаления паров воды, СО2, Н2S или летучих органических жидкостей. Различные мембраны, включая пористые и непористые, могут быть подобраны в соответствии с имеющейся целью, как станет понятно специалистам в данной области при рассмотрении настоящего описания. Например, палладиевая мембрана обеспечивает перенос только Н2. В определенном варианте осуществления изобретения СО2 может быть отделен от потока газа при помощи проницаемой для СО2 мембраны. СО2, отделенный от потока, может быть направлен в устройство для удаления СО2, такое как ранее описанное устройство для газификацииThe membranes can be used, for example, to separate hydrogen from gases such as nitrogen and methane, to recover hydrogen, to separate methane from biogas, or to remove water vapour, CO 2 , H 2 S or volatile organic liquids. Various membranes, including porous and non-porous, can be selected in accordance with the existing purpose, as will become clear to experts in this field when considering the present description. For example, a palladium membrane only transfers H 2 . In a certain embodiment of the invention, CO 2 can be separated from the gas stream using a CO 2 permeable membrane. The CO 2 separated from the stream may be sent to a CO 2 removal device, such as the previously described gasification device.

Криогенное фракционирование включает сжатие потока газа и охлаждение до температуры, достаточно низкой для того, чтобы было возможным разделение перегонкой. Оно может быть использовано, например, для удаления СО2. Определенные компоненты (например, вода) обычно удаляют из потока до осуществления криогенного фракционирования.Cryogenic fractionation involves compressing a gas stream and cooling it to a temperature low enough to permit separation by distillation. It can be used, for example, to remove CO 2 . Certain components (eg water) are usually removed from the stream prior to cryogenic fractionation.

В некоторых способах может быть применено удаление кислорода из газообразного потока с целью производства анаэробных потоков, обогащенных СО и/или СО2. Кроме того, кислород может быть удален биологически, например, путем пропускания газообразных продуктов сгорания через герметичный ферментер, в котором имеются необязательные аэробные микроорганизмы, субстрат из восстановленного углерода и необходимые для микроорганизмов питательные вещества. Эти необязательные аэробные микроорганизмы могут потреблять кислород и производить анаэробные потоки, обогащенные СО и/или СО2.In some methods, the removal of oxygen from a gaseous stream may be used to produce anaerobic streams enriched in CO and/or CO 2 . In addition, oxygen can be removed biologically, for example, by passing the combustion gases through a sealed fermenter that contains optional aerobic microorganisms, a reduced carbon substrate, and nutrients required by the microorganisms. These optional aerobic microorganisms can consume oxygen and produce anaerobic streams enriched in CO and/or CO 2 .

В данной области также известны альтернативные способы отделения или удаления О2 из газообразных потоков. Однако, для примера, кислород может быть просто восстановлен и/или удален при помощи горячей меди или каталитического конвертера.Alternative methods for separating or removing O 2 from gaseous streams are also known in the art. However, for example, oxygen can simply be reduced and/or removed using hot copper or a catalytic converter.

Разработка процесса отделения газа в соответствии с конкретным источником газа может сделать экономически выгодным процесс биоконверсии, который иначе был бы нерентабельным. Например, при надлежащем отделении СО от потока автомобильных выхлопных газов из этого потока может быть получен пригодный к употреблению источник энергии, а нежелательные выбросы газов - уменьшены. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, газообразный субстрат включает синтез-газ, содержащий СО и Н2, а отделение газа осуществляется с целью удаления из этого потока водорода с тем, чтобы он мог быть выделен и использован в качестве топлива вне процесса ферментации. СО может быть использован как сырье реакции ферментации.Designing a gas separation process to suit a particular gas source can make a bioconversion process economically viable that would otherwise be uneconomical. For example, by properly separating CO from an automotive exhaust stream, a usable energy source can be obtained from that stream and unwanted gas emissions can be reduced. In accordance with one embodiment of the present invention, the gaseous substrate comprises synthesis gas containing CO and H 2 , and gas separation is carried out to remove hydrogen from this stream so that it can be separated and used as a fuel outside the fermentation process. CO can be used as a raw material for the fermentation reaction.

Прерывистые потоки газаIntermittent gas flows

В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения субстрат для ферментации получают из промышленного источника. Обычно, субстраты, получаемые из промышленных источников, являются газообразными, такие газы могут иметь переменный состав и/или давление и, в некоторых случаях, могут быть прерывистыми по своей природе. В определенных вариантах осуществления настоящим изобретением предусматривается средство коррекции или «сглаживания» подачи газообразного субстрата в биореактор на ферментацию с целью производства продуктов, особенно в те периоды, когда подача субстрата по своей природе прерывистая или непостоянная. Может быть использовано любое известное средство достижения непрерывности или «сглаживания» потока газообразного субстрата; однако, конкретные варианты осуществления изобретения включают процессы или устройства, в которых имеется, по меньшей мере, одно накопительное устройство, пригодное для приема прерывистого потока субстрата и подачи, по существу, непрерывного потока субстрата в биореактор.In accordance with various aspects of the present invention, the fermentation substrate is obtained from an industrial source. Typically, substrates obtained from industrial sources are gaseous, such gases may have variable composition and/or pressure and, in some cases, may be discontinuous in nature. In certain embodiments, the present invention provides a means of correcting or "smoothing" the supply of gaseous substrate to the fermentation bioreactor to produce products, especially during periods when the substrate supply is inherently intermittent or intermittent. Any known means of achieving continuity or "smoothing" of the gaseous substrate flow may be used; however, specific embodiments of the invention include processes or devices that include at least one accumulator device suitable for receiving an intermittent flow of substrate and supplying a substantially continuous flow of substrate to the bioreactor.

В конкретных вариантах осуществления изобретения это накопительное устройство включает накопительный резервуар-хранилище, пригодный для приема прерывистых потоков газа. До подачи в этот резервуар-хранилище прерывистый поток может быть сжат; в качестве альтернативы, резервуар-хранилище может иметь возможность расширения по мере приема потока субстрата. Например, накопительный резервуар-хранилище может включать «плавающую крышу», поднимающуюся и опускающуюся в соответствии с количеством газообразного субстрата. Резервуары-хранилища с плавающей крышей известны в данной области, например, они используются для согласования колебаний подачи и потребления газа. Резервуар-хранилище может быть приспособлен для подачи, по существу, непрерывного потока субстрата в биореактор ферментации и, как таковой, может включать устройство регулирования расхода выходящего из него потока.In particular embodiments of the invention, this storage device includes a storage tank suitable for receiving discontinuous gas flows. Prior to being fed into this storage tank, the intermittent flow may be compressed; alternatively, the storage tank may be expandable as the substrate flow is received. For example, a storage tank may include a "floating roof" that rises and falls according to the amount of gaseous substrate. Floating roof storage tanks are known in the art, for example they are used to match fluctuations in gas supply and demand. The storage tank may be adapted to supply a substantially continuous flow of substrate to the fermentation bioreactor and, as such, may include a flow control device for the flow therefrom.

В таких вариантах осуществления изобретения резервуар-хранилище выполняет функцию резервуара для субстрата. Однако, в соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения, накопительный резервуар-хранилище может быть заменен на другую форму хранения с аналогичной функцией. Например, к альтернативным формам относятся один или более вид абсорбции, адсорбции и колебания давления и/или температуры. Дополнительно или в качестве альтернативы, субстрат может быть растворен в жидкости, имеющейся в резервуаре или удерживаемой в матрице, такой как пористый твердый материал, до тех пор, пока он не понадобится. В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения субстрат может быть растворен в жидкости, имеющейся в резервуаре-хранилище, и при необходимости подан в биореактор непосредственно в растворе.In such embodiments, the storage tank functions as a reservoir for the substrate. However, in accordance with an alternative embodiment of the invention, the storage tank can be replaced by another form of storage with a similar function. For example, alternative forms include one or more absorption, adsorption, and pressure and/or temperature fluctuations. Additionally or alternatively, the substrate may be dissolved in a liquid present in a reservoir or held in a matrix, such as a porous solid material, until needed. In a specific embodiment of the present invention, the substrate can be dissolved in the liquid present in the storage tank and, if necessary, fed into the bioreactor directly in solution.

В качестве альтернативы, сам биореактор может иметь такую конструкцию, чтобы свободное пространство в его верхней части над жидкой питательной средой ферментации играло роль накопителя для прерывистого потока. Например, система может включать устройство для сжатия потока газообразного субстрата (когда имеется) и подачи его в биореактор. Давление в свободном пространстве в верхней части биореактора увеличивается по мере поступления дополнительного количества субстрата. Таким образом, субстрат постоянно доступен для преобразования в продукты путем микробиологической ферментации.Alternatively, the bioreactor itself may be designed such that the head space above the liquid fermentation broth acts as a reservoir for intermittent flow. For example, the system may include a device for compressing the gaseous substrate stream (when present) and feeding it into the bioreactor. The headspace pressure at the top of the bioreactor increases as more substrate is added. Thus, the substrate is constantly available for conversion into products by microbiological fermentation.

В другом варианте осуществления изобретения система может быть приспособлена для приема потоков газообразного субстрата из множества прерывистых источников. Такая система может включать устройства для соединения потоков и/или переключения между потоками с целью обеспечения, по существу, непрерывного потока субстрата в биореактор.In another embodiment of the invention, the system may be adapted to receive gaseous substrate streams from a plurality of discontinuous sources. Such a system may include devices for connecting streams and/or switching between streams in order to provide a substantially continuous flow of the substrate into the bioreactor.

Микроорганизмам, используемым для ферментации, обычно, свойственен допустимый температурный диапазон, выше или ниже которого скорость реакции существенно уменьшается. Как таковая, система может включать устройство охлаждения с тем, чтобы, когда субстрат имеется в ограниченном количестве, среду в биореакторе можно было охладить и, тем самым, замедлить реакцию ферментации и уменьшить потребление субстрата. И наоборот, когда подача потока субстрата увеличивается, температуру внутри биореактора можно повысить до верхней границы температурного диапазона, чтобы увеличить скорость реакции.Microorganisms used for fermentation generally have an acceptable temperature range, above or below which the reaction rate is significantly reduced. As such, the system may include a cooling device so that when the substrate is in limited supply, the bioreactor medium can be cooled and thereby slow down the fermentation reaction and reduce substrate consumption. Conversely, when the flow of the substrate is increased, the temperature inside the bioreactor can be raised to the upper end of the temperature range to increase the reaction rate.

В качестве альтернативы или дополнительно, устройство охлаждения может быть предназначено для выравнивания нагрузки на систему охлаждения так, чтобы уменьшить максимум нагрузки на систему охлаждения системы для ферментации. Например, предположим, что нагрузка на систему охлаждения, соответствующая необходимости отводить тепло от потока подаваемого газа и/или экзотермического тепла ферментации в определенный период (во время обработки газа), составляет 2 МВт. Чтобы в это время поддерживать температуру содержимого реактора ферментации постоянной, тепло нужно отводить именно с этой скоростью, чтобы температура в реакторе оставалась постоянной. Следовательно, в те периоды, когда нет подлежащего обработке газа, и выделение экзотермического тепла, по существу, прекращается, нагрузка на систему охлаждения равна нулю. Таким образом, особенно при использовании в крупномасштабном промышленном производстве, существуют периоды, когда нагрузка на систему охлаждения очень высокая, что налагает значительные ограничения на данную систему. При выравнивании нагрузки на систему охлаждения уменьшается ее необходимый максимум. То есть, становится возможной работа с менее мощной системой охлаждения, хотя и в непрерывном (или более непрерывном) режиме.Alternatively or additionally, the cooling device may be designed to equalize the load on the cooling system so as to reduce the maximum load on the cooling system of the fermentation system. For example, suppose that the load on the cooling system, corresponding to the need to remove heat from the feed gas stream and/or fermentation exothermic heat at a certain period (during gas treatment), is 2 MW. In order to keep the temperature of the contents of the fermentation reactor constant at this time, heat must be removed at precisely this rate so that the temperature in the reactor remains constant. Therefore, during those periods when there is no gas to be treated and exothermic heat production essentially stops, the load on the cooling system is zero. Thus, especially when used in large-scale industrial production, there are periods when the load on the cooling system is very high, which imposes significant restrictions on this system. When leveling the load on the cooling system, its required maximum is reduced. That is, it becomes possible to work with a less powerful cooling system, although in a continuous (or more continuous) mode.

Используем параметры предыдущего примера, но предположим, что периоды, когда газ доступен для обработки, и когда газ не обрабатывается, одинаковы по длительности; тогда можно непрерывно отводить из реактора ферментации 1 МВт тепловой энергии. При этих условиях, когда происходит обработка газа, интенсивность теплоотвода отстает от поступления/образования тепла, и температура в ферментере будет расти. Когда притока газа нет, но охлаждение продолжается, температура в ферментере будет падать. Таким образом, нужна система охлаждения, рассчитанная на постоянную нагрузку 1 МВт, а не система, рассчитанная на 2 МВт, которая работает только половину времени. Однако, рост и последующее падение температуры должны быть ограничены, чтобы температура в резервуаре не выходила за границы допустимого для микроорганизмов диапазона. Таким образом, в соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения, нагрузка на систему охлаждения, когда она непостоянна, может быть «сглажена», чтобы ее изменения были более плавными и/или ограниченными, с меньшей разницей между максимальной и минимальной нагрузкой на систему охлаждения.Using the parameters of the previous example, but suppose that the periods when the gas is available for processing and when the gas is not processed are the same in duration; then 1 MW of thermal energy can be continuously removed from the fermentation reactor. Under these conditions, when gas treatment occurs, the rate of heat removal lags behind the input/generation of heat, and the temperature in the fermenter will rise. When there is no gas flow, but cooling continues, the temperature in the fermenter will drop. Thus, a cooling system rated for a continuous load of 1 MW is needed, not a system rated for 2 MW that only runs half the time. However, the rise and subsequent drop in temperature must be limited so that the temperature in the tank does not go beyond the acceptable range for microorganisms. Thus, in accordance with particular embodiments of the invention, the load on the cooling system, when it is not constant, can be "smoothed" so that its changes are more gradual and / or limited, with a smaller difference between the maximum and minimum load on the cooling system.

Промышленный отходящий газ как сырье для ферментацииIndustrial waste gas as a raw material for fermentation

В соответствии с другими аспектами настоящего изобретения, промышленные отходящие газы используют для реакции ферментации при отсутствии или только с минимальной дополнительной очисткой или предварительной обработкой газа, применяемыми, чтобы сделать газ пригодным для ферментации.In accordance with other aspects of the present invention, industrial off-gases are used for the fermentation reaction with no or only minimal additional gas purification or pre-treatment applied to make the gas suitable for fermentation.

Отходящие газы могут образовываться в любом числе производственных процессов. Настоящее изобретение особенно хорошо подходит для поддержания производства этанола из таких газообразных субстратов, как промышленные отходящие газы с высоким объемным содержанием СО. К их примерам относятся газы, образующиеся в процессе производства изделий из черных металлов, производства изделий из цветных металлов, нефтепереработки, газификации угля, газификации биомассы, выработки электроэнергии, производства технического углерода, производства аммиака, производства метанола и производства кокса. В конкретном варианте осуществления изобретения отходящие газы образуются в ходе производства стали. Например, специалистам в данной области понятно, что отходящие газы, образующиеся на различных стадиях процесса производства стали, имеют высокую концентрацию СО и/или СО2. В частности, отходящий газ, образующийся при обезуглероживании стали в соответствии с различными способами производства стали, например, в кислородном конвертере (например, кислородный конвертер BOF или КОМВ), содержит много СО и мало СО2, что делает его пригодным для использования в качестве субстрата для анаэробной карбоксидотрофной ферментации.Off-gases can be generated from any number of industrial processes. The present invention is particularly well suited to support the production of ethanol from gaseous substrates such as industrial off-gases with a high CO volume content. Examples include gases from the production of ferrous metal products, the production of non-ferrous metal products, oil refining, coal gasification, biomass gasification, power generation, carbon black production, ammonia production, methanol production, and coke production. In a specific embodiment of the invention, off-gases are generated during the production of steel. For example, those skilled in the art will appreciate that off-gases generated at various stages of the steelmaking process have a high concentration of CO and/or CO 2 . In particular, the off-gas generated during the decarburization of steel according to various steelmaking methods, for example, in an oxygen converter (for example, a BOF or BOF), contains a lot of CO and a little CO 2 , which makes it suitable for use as a substrate for anaerobic carboxydotrophic fermentation.

Отходящие газы, образующиеся при науглероживании стали, при необходимости, пропускают через воду, чтобы удалить твердые частицы перед подачей в дымовую трубу или газоход, через которые отходящий газ выходит в атмосферу. Обычно, газы нагнетают в дымовую трубу одним или более вентилятором.Off-gases resulting from the carburization of steel are, if necessary, passed through water to remove particulate matter before being fed into a chimney or flue, through which the off-gas is vented to the atmosphere. Typically, the gases are forced into the chimney by one or more fans.

В определенных вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, часть отходящего газа, образующегося при обезуглероживании стали, отводят в систему для ферментации при помощи надлежащего трубопровода. Например, трубопровод или другое передаточное устройство может быть соединено с дымовой трубой сталелитейного завода с целью отведения, по меньшей мере, части отходящего газа в систему для ферментации. Аналогично, один или более вентилятор может быть использован для отведения, по меньшей мере, части отходящего газа в систему для ферментации. В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения трубопровод рассчитан на передачу, по меньшей мере, части отходящего газа, образующегося при обезуглероживании стали, в систему для ферментации. Устройства регулирования и подачи газов в биореактор хорошо известны специалистам в данной области, для которых предназначено настоящее изобретение.In certain embodiments of the invention, at least a portion of the off-gas generated during the decarburization of steel is diverted to the fermentation system by means of a suitable piping. For example, a conduit or other transfer device may be connected to a steel mill chimney to divert at least a portion of the off-gas to the fermentation system. Likewise, one or more fans may be used to divert at least a portion of the exhaust gas to the fermentation system. In particular embodiments of the present invention, the conduit is designed to transfer at least a portion of the off-gas from steel decarburization to the fermentation system. Devices for regulating and supplying gases to a bioreactor are well known to those skilled in the art, for which the present invention is intended.

Хотя сталелитейное предприятие может быть рассчитано на, по существу, непрерывное производство стали и, следовательно, отходящих газов, в определенных аспектах данный процесс может быть прерывистым. Обычно, обезуглероживание стали является периодическим процессом, занимающим от нескольких минут до нескольких часов. Как таковой, трубопровод может быть предназначен для отведения, по меньшей мере, части отходящего газа, такого как газ, образующийся при обезуглероживании стали, в систему для ферментации, если установлено, что данный отходящий газ имеет заданный состав.Although a steel plant may be designed for substantially continuous production of steel and hence off-gases, in certain respects the process may be discontinuous. Typically, the decarburization of steel is a batch process that takes from several minutes to several hours. As such, the conduit may be designed to divert at least a portion of the off-gas, such as the gas generated from the decarburization of steel, to the fermentation system if the off-gas is found to have a predetermined composition.

рН содержимого биореактора в процессе ферментации может быть отрегулировано в соответствии с требованиями. Надлежащее значение рН зависит от условий, необходимых для осуществления конкретной реакции ферментации, с учетом используемых питательных сред и микроорганизмов, что следует понимать специалистам с данной области, для которых предназначено настоящее изобретение. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, при ферментации содержащего СО газообразного субстрата с использованием Clostridium autoethanogenum рН может быть отрегулирован в диапазоне, приблизительно, 5,5-6,5, наиболее предпочтительно, приблизительно 5,5. К другим примерам относятся рН от 5,5 до 6,5 при использовании Moorella thermoacetica для производства уксусной кислоты, рН от 4,5 до 6,5 при использовании Clostridium acetobutylicum для производства бутанола и рН 7 при использовании Carboxydothermus hydrogenaformans для производства водорода. Специалисты в данной области осведомлены о надлежащих средствах поддержания в биореакторе заданного рН. Однако, например, водные основания, такие как NаОН, и водные кислоты, такие как Н24, могут быть использованы для увеличения или уменьшения рН среды ферментации и поддержания заданного рН.The pH of the contents of the bioreactor during fermentation can be adjusted according to requirements. The proper pH value depends on the conditions necessary for the implementation of a particular fermentation reaction, taking into account the culture media and microorganisms used, which should be understood by specialists in this field, for which the present invention is intended. In one preferred embodiment of the invention, when fermenting a CO-containing gaseous substrate using Clostridium autoethanogenum, the pH can be adjusted in the range of about 5.5-6.5, most preferably about 5.5. Other examples include pH 5.5 to 6.5 using Moorella thermoacetica to produce acetic acid, pH 4.5 to 6.5 using Clostridium acetobutylicum to produce butanol, and pH 7 using Carboxydothermus hydrogenaformans to produce hydrogen. Those skilled in the art are aware of the proper means of maintaining the desired pH in the bioreactor. However, for example, aqueous bases such as NaOH and aqueous acids such as H 2 SO 4 can be used to increase or decrease the pH of the fermentation medium and maintain the desired pH.

Дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что из-за отсутствия или минимальной очистки и/или другой обработки газа, осуществляемой в отношении отходящих газов перед их использованием в реакции ферментации, эти газы содержат дополнительный материал, образующихся в ходе производственных процессов, каковой дополнительный материал может быть использован, по меньшей мере частично, в качестве сырья реакции ферментации.A further advantage of the present invention is that, due to the absence or minimal cleaning and/or other gas treatment carried out on the off-gases prior to their use in the fermentation reaction, these gases contain additional material generated during the production processes, which additional material can be used, at least in part, as a feedstock for the fermentation reaction.

Смешивание потоковStream Mixing

Как отмечено ранее, может оказаться желательным смешать поток промышленного отходящего газа с одним или более дополнительным потоком, чтобы повысить эффективность, выработку спирта и/или общее улавливание углерода в реакции ферментации. Без связи с какой-либо определенной теорией, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения карбоксидотрофные бактерии преобразуют СО в этанол в соответствии со следующим уравнением:As previously noted, it may be desirable to mix an industrial off-gas stream with one or more additional streams to improve efficiency, alcohol production, and/or overall carbon capture in the fermentation reaction. Without wishing to be bound by any particular theory, in some embodiments of the present invention, carboxydotrophic bacteria convert CO to ethanol according to the following equation:

6СО+12Н2+3Н2О→С2Н5ОН+4СО2 6CO + 12H 2 + 3H 2 O → C 2 H 5 OH + 4CO 2

Однако, в присутствии Н2 преобразование, в целом, следующее:However, in the presence of H 2 the transformation is, in general, the following:

6СО+12Н2+3Н2О→3С2Н5ОН 6CO + 12H 2 + 3H 2 O → 3C 2 H 5 OH

Следовательно, когда в промышленных потоках содержание СО высокое, но мало или нет Н2, может быть желательно смешать один или более поток, содержащий Н2, с отходящим газом, содержащим СО, перед подачей потока смешанного субстрата в ферментер. Общая эффективность, производительность по спирту и/или общее улавливание углерода при ферментации зависит от стехиометрического соотношения СО и Н2 в смешанном потоке. Однако, в конкретных вариантах осуществления изобретения смешанный поток может, по существу, содержать СО и Н2 в следующих молярных отношениях: 20:1, 10:1, 5:1, 3:1, 2:1, 1:1 или 1:2.Therefore, when industrial streams contain high CO but little or no H 2 , it may be desirable to mix one or more H 2 containing streams with CO containing off-gas prior to feeding the mixed substrate stream to the fermenter. The overall efficiency, alcohol productivity and/or overall carbon capture of the fermentation depends on the stoichiometric ratio of CO and H 2 in the mixed stream. However, in specific embodiments of the invention, the mixed stream may essentially contain CO and H 2 in the following molar ratios: 20:1, 10:1, 5:1, 3:1, 2:1, 1:1 or 1:2.

Кроме этого, может оказаться желательным подавать СО и Н2 на разных стадиях ферментации в конкретном молярном отношении. Например, потоки субстрата с относительно высоким содержанием Н2 (таким как 1:2 СО:Н2) могут быть поданы на ферментацию на стадиях пуска и/или быстрого роста микроорганизмов. Однако, когда рост замедляется, так что культура сохраняет, по существу, постоянную плотность клеток, содержание СО может быть увеличено (например, до, по меньшей мере, 1:1 или 2:1 или выше, причем концентрация Н2 может быть больше или равна нулю).In addition, it may be desirable to supply CO and H 2 at different stages of fermentation in a specific molar ratio. For example, substrate streams with a relatively high content of H 2 (such as 1:2 CO:H 2 ) can be fed to the fermentation during the start-up and/or rapid microbial growth stages. However, when growth slows down so that the culture maintains a substantially constant cell density, the CO content may be increased (eg, to at least 1:1 or 2:1 or higher, where the H 2 concentration may be greater than or equal to zero).

Смешивание потоков также может иметь дополнительные преимущества, особенно в случаях, когда содержащий СО отходящий поток по своей природе прерывистый. Например, прерывистый отходящий поток, содержащий СО, может быть смешан с, по существу, непрерывным потоком, содержащим СО и, необязательно, Н2, и подан в ферментер. В конкретных вариантах осуществления изобретения состав и расход, по существу, непрерывного потока могут быть изменены в соответствии с изменением прерывистого потока, чтобы поддерживать подачу в ферментер потока субстрата с, по существу, постоянным составом и расходом.Mixing of the streams can also have additional advantages, especially in cases where the CO-containing effluent stream is inherently discontinuous. For example, an intermittent effluent stream containing CO may be mixed with a substantially continuous stream containing CO and optionally H 2 and fed to the fermenter. In particular embodiments of the invention, the composition and flow rate of the substantially continuous flow can be changed in accordance with the change in discontinuous flow in order to maintain the supply of the substrate flow to the fermenter with a substantially constant composition and flow rate.

Смешивание двух или более потоков с целью получения заданного состава может включать изменение расходов всех потоков, либо один или более поток может сохраняться постоянным, тогда как другой поток(потоки) изменяют, чтобы «настроить» или оптимизировать поток субстрата до получения необходимого состава. Потоки, которые производятся непрерывно, не требуют или требуют небольшой дополнительной обработки (такой как накопление), такой поток может быть непосредственно подан в ферментер. Однако, может оказаться необходимым обеспечить промежуточный накопитель потоков, когда один или более из них поступает с перерывами, и/или когда потоки поступают непрерывно, но используются и/или производятся с разными скоростями.Mixing two or more streams to obtain a given composition may involve changing the flow rates of all streams, or one or more streams may be kept constant while the other stream(s) is changed to "tune" or optimize the substrate stream to obtain the desired composition. Streams that are produced continuously, require little or no additional processing (such as accumulation), such a stream can be fed directly to the fermenter. However, it may be necessary to provide an intermediate store of streams when one or more of them arrive intermittently and/or when streams arrive continuously but are used and/or produced at different rates.

Специалисты в данной области должны понимать, что необходимо следить за составом и расходами таких потоков перед их смешиванием. Регулирование состава смешанного потока может быть осуществлено путем изменения пропорций составляющих потоков с целью достижения заданного или необходимого состава. Например, основной поток газа может представлять собой, преимущественно, СО, с ним может быть смешан вторичный поток газа с высокой концентрацией Н2 так, чтобы получить заданное соотношение Н2:СО. Состав и расход смешенного потока можно контролировать любым известным в данной области способом. Расход смешанного потока можно регулировать независимо от операции смешивания; однако, расходы, с которыми отводятся отдельные составляющие потоки, необходимо регулировать в определенных пределах. Например, когда производимый с перерывами поток отводят из промежуточного накопителя непрерывно, его расход должен быть таким, чтобы промежуточный накопитель ни опустошался, ни заполнялся целиком.Those skilled in the art will appreciate the need to monitor the composition and flow rates of such streams prior to mixing them. The composition of the mixed stream can be controlled by changing the proportions of the constituent streams in order to achieve a given or desired composition. For example, the main gas stream may be predominantly CO and a secondary gas stream with a high concentration of H 2 may be mixed with it so as to obtain a given H 2 :CO ratio. The composition and flow rate of the mixed stream can be controlled by any method known in the art. The mixed flow rate can be adjusted independently of the mixing operation; however, the costs with which the individual constituent flows are diverted must be regulated within certain limits. For example, when intermittently produced flow is continuously withdrawn from the intermediate storage, its flow rate must be such that the intermediate storage is neither empty nor completely filled.

В месте смешивания отдельные составляющие газы подают в смесительную камеру, которая, обычно, представляет собой небольшой резервуар или отрезок трубы. В таких случаях этот резервуар или труба могут быть снабжены статическими смесителями, такими как отражательные перегородки, расположенными так, чтобы интенсифицировать турбулентное движение и быструю гомогенизацию отдельных компонентов.At the mixing point, the individual constituent gases are fed into a mixing chamber, which is usually a small tank or pipe section. In such cases, this tank or pipe may be provided with static mixers, such as baffles, positioned to enhance turbulent movement and rapid homogenization of the individual components.

Если нужно, также может быть предусмотрен промежуточный накопитель смешанного потока, чтобы поддерживать, по существу, постоянную подачу потока субстрата в биореактор.If desired, an intermediate mixed flow accumulator may also be provided to maintain a substantially constant flow of substrate to the bioreactor.

В данной системе, при необходимости, может быть предусмотрен процессор, предназначенный для мониторирования состава и расходов составляющих потоков и регулирования смешивания этих потоков в надлежащих пропорциях с целью получения требуемой или заданной смеси. Например, определенные компоненты могут подаваться по мере необходимости или по мере поступления, чтобы оптимизировать эффективность производства спирта и/или общее улавливание углерода.The system may optionally include a processor to monitor the composition and flow rates of the constituent streams and to regulate the mixing of these streams in the proper proportions to obtain the desired or desired mixture. For example, certain components may be supplied on an as needed or on a first come first served basis to optimize alcohol production efficiency and/or overall carbon capture.

Может быть невозможно или нерентабельно все время подавать СО и Н2 в определенном соотношении. Как таковая, система, приспособленная для смешивания двух или более потоков, как описано выше, может быть настроена на оптимизацию указанного отношения при имеющихся источниках. Например, в случаях, когда имеет место неадекватная подача Н2, система может включать устройство для отведения избытка СО из данной системы, чтобы обеспечить оптимизированный поток и получить повышенную эффективность производства спирта и/или общее улавливание углерода. В определенных вариантах осуществления изобретения в системе предусмотрено непрерывное мониторирование расходов и состава, по меньшей мере, двух потоков и их соединение с целью получения единого смешанного потока субстрата оптимального состава и наличие устройства для направления оптимизированного потока субстрата в ферментер. В конкретных вариантах осуществления изобретения с использованием карбоксидотрофных микроорганизмов для производства спирта поток субстрата оптимального состава содержит, по меньшей мере, 0% Н2 и до, примерно, 1:2 СО:Н2.It may not be possible or cost effective to supply CO and H 2 in a certain ratio all the time. As such, a system adapted to mix two or more streams, as described above, can be tuned to optimize said ratio given the available sources. For example, in cases where there is an inadequate supply of H 2 , the system may include a device to divert excess CO from the system to provide an optimized flow and obtain improved alcohol production efficiency and/or overall carbon capture. In certain embodiments of the invention, the system provides for continuous monitoring of the flow and composition of at least two streams and their connection in order to obtain a single mixed substrate stream of optimal composition and the presence of a device for directing the optimized substrate stream to the fermenter. In specific embodiments of the invention using carboxydotrophic microorganisms for alcohol production, the substrate stream of optimal composition contains at least 0% H 2 and up to about 1:2 CO:H 2 .

Для примера, не имеющего ограничительного характера, конкретные варианты осуществления изобретения включают использование газа конвертера процесса обезуглероживания стали в качестве источника СО. Обычно, такие потоки содержат мало или не содержат Н2, следовательно, может оказаться желательным соединить поток, содержащий СО, с потоком, содержащим Н2, чтобы получить более подходящее соотношение СО:Н2. Н2 часто в больших количество образуется на сталелитейном предприятии в коксовой печи. Следовательно, поток отходящего газа коксовой печи, содержащий Н2, может быть смешан с потоком отходящего газа конвертера, содержащим СО, чтобы получить заданный состав.By way of non-limiting example, specific embodiments of the invention include the use of a steel decarburization converter gas as a source of CO. Typically, such streams contain little or no H 2 , therefore, it may be desirable to combine a stream containing CO with a stream containing H 2 to obtain a more appropriate CO:H 2 ratio. H 2 is often formed in large quantities in a steel mill in a coke oven. Therefore, a coke oven off-gas stream containing H 2 can be mixed with a converter off-gas stream containing CO to obtain a desired composition.

Кроме этого или в качестве альтернативы, может быть предусмотрено наличие устройства для газификации с целью производства СО и Н2 из разнообразных источников. Поток, образующийся в устройстве для газификации, может быть смешан с потоком, содержащим СО, чтобы получить заданный состав. Специалистам в данной области понятно, что условия в устройстве для газификации можно регулировать так, чтобы получать определенное соотношение СО:Н2. Кроме того, производительность устройства для газификации можно повышать и снижать, чтобы увеличивать и уменьшать расход производимого устройством для газификации потока, содержащего СО и Н2. Следовательно, поток из устройства для газификации может быть смешан с потоком субстрата, содержащим СО, с целью оптимизации соотношения СО:Н2, направленной на повышение производительности по спирту и/или общего улавливания углерода. Кроме того, производительность устройства для газификации можно повышать и снижать, чтобы получать поток с различным расходом и/или составом, который может быть смешан с прерывистым потоком, содержащим СО, с целью получения, по существу, непрерывного потока заданного состава.Additionally or alternatively, a gasification facility may be provided to produce CO and H 2 from a variety of sources. The stream generated in the gasifier may be mixed with the stream containing CO to obtain a desired composition. Those skilled in the art will appreciate that the conditions in the gasification apparatus can be controlled so as to obtain a specific CO:H 2 ratio. In addition, the capacity of the gasification apparatus can be increased and decreased to increase and decrease the flow rate of the CO and H 2 containing stream produced by the gasification apparatus. Therefore, the stream from the gasifier can be mixed with a substrate stream containing CO in order to optimize the CO:H 2 ratio to improve alcohol productivity and/or overall carbon capture. In addition, the capacity of the gasifier can be increased and decreased to produce a stream of varying flow rates and/or compositions that can be mixed with an intermittent CO containing stream to obtain a substantially continuous stream of a given composition.

К другим источникам содержащих СО и/или Н2 потоков, которые могут быть смешаны с содержащим СО потоком субстрата, относятся процессы реформинга углеводородов, таких как природный газ и/или метан, и реформинг метанола.Other sources of CO and/or H 2 containing streams that can be mixed with a CO containing substrate stream include hydrocarbon reforming processes such as natural gas and/or methane and methanol reforming.

Добавление орошающей водыAdding irrigation water

В соответствии с настоящим изобретением, орошающую воду используют для реакции ферментации с целью повышения эффективности роста микроорганизмов и увеличения производства продукта.In accordance with the present invention, the irrigation water is used for the fermentation reaction in order to increase the growth efficiency of microorganisms and increase the production of the product.

Орошающая вода может поступать из любого подходящего промышленного источника, как описано в данном документе выше. В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения орошающую воду получают из процесса очистки одного или более отходящего газа, образующегося в ходе производства стали. Например, орошающую воду получают в результате осуществления очистки отходящих газов коксовых печей, доменных печей, кислородных конвертеров и/или электродуговых печей.Irrigation water may come from any suitable industrial source, as described herein above. In a particular embodiment of the present invention, the spray water is obtained from a process for cleaning one or more off-gases generated during steelmaking. For example, irrigate water is obtained from the treatment of off-gases from coke ovens, blast furnaces, BOFs, and/or electric arc furnaces.

В определенных вариантах осуществления изобретения источником орошающей воды является тот же производственный процесс, из которого поступает (газообразный) субстрат для ферментации; например, и орошающая вода, и субстрат (содержащие СО отходящие газы) образуются на одном и том же сталелитейном предприятии.In certain embodiments of the invention, the source of irrigation water is the same production process from which the (gaseous) substrate for fermentation comes; for example, both the spray water and the substrate (off-gases containing CO) come from the same steel plant.

Орошающая вода может быть использована в необработанной форме непосредственно после системы или устройства газоочистки производственного процесса. Однако, может быть осуществлена обработка орошающей воды с целью удаления или, по меньшей мере, снижения содержания в ней остаточных твердых частиц. Способы обработки орошающей воды известны специалистам в данной области, для которых предназначено настоящее изобретение. Однако, перед подачей в ферментер орошающая вода, например, может быть отфильтрована, подвергнута центрифугированию или отстаиванию.Irrigation water can be used in untreated form directly after the gas cleaning system or device of the production process. However, the irrigation water may be treated to remove or at least reduce its residual solids content. Irrigation water treatment methods are known to those skilled in the art for which the present invention is intended. However, before being fed into the fermenter, the irrigation water, for example, may be filtered, centrifuged or settled.

Как описано выше, рН орошающей воды перед ее использованием может быть отрегулирован. Надлежащее значение рН зависит от условий, необходимых для конкретной реакции ферментации с учетом используемых питательных сред и микроорганизмов, как известно специалистам в данной области, для которых предназначено настоящее изобретение. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения при ферментации содержащего СО газообразного субстрата с использованием Clostridium autoethanogenum рН может быть отрегулирован в диапазоне, приблизительно, 5,5-6,5, наиболее предпочтительно, приблизительно 5,5. К другим примерам относятся рН от 5,5 до 6,5 при использовании Moorella thermoacetica для производства уксусной кислоты, рН от 4,5 до 6,5 при использовании Clostridium acetobutylicum для производства бутанола и рН 7 при использовании Carboxydothermus hydrogenaformans для производства водорода.As described above, the pH of the irrigation water can be adjusted before use. The proper pH depends on the conditions required for the particular fermentation reaction, taking into account the culture media and microorganisms used, as is known to those skilled in the art for which the present invention is intended. In one preferred embodiment of the invention, when fermenting a CO-containing gaseous substrate using Clostridium autoethanogenum, the pH can be adjusted in the range of about 5.5-6.5, most preferably about 5.5. Other examples include pH 5.5 to 6.5 using Moorella thermoacetica to produce acetic acid, pH 4.5 to 6.5 using Clostridium acetobutylicum to produce butanol, and pH 7 using Carboxydothermus hydrogenaformans to produce hydrogen.

Орошающая вода может быть подана на реакцию ферментации при помощи надлежащего устройства. Например, она может быть непосредственно подана из устройства газоочистки в биореактор, в котором происходит или должна быть осуществлена ферментация. В качестве альтернативы, она может быть отведена из устройства газоочистки на хранение в надлежащую камеру, оборудованную устройством ее подачи в биореактор; или она может быть отведена из устройства газоочистки, направлена на хранение и вручную подана в биореактор. Подача орошающей воды в биореактор может быть непрерывной; либо орошающая вода может быть подана в определенные моменты времени в ходе реакции ферментации или по необходимости, в зависимости от обстоятельств.Irrigation water can be supplied to the fermentation reaction with a suitable device. For example, it can be fed directly from the scrubber to the bioreactor in which the fermentation takes place or is to be carried out. Alternatively, it can be taken from the scrubber for storage into a suitable chamber equipped with a device for feeding it to the bioreactor; or it can be withdrawn from the scrubber, stored and manually fed into the bioreactor. The supply of irrigation water to the bioreactor may be continuous; or irrigation water can be supplied at certain times during the fermentation reaction or as needed, depending on the circumstances.

В одном из вариантов осуществления изобретения орошающую воду смешивают с питательными средами, предназначенными к использованию в реакции ферментации, после чего подают в биореактор при помощи любого из упомянутых выше устройств. Следовательно, настоящим изобретением также обеспечивается композиция, содержащая смесь надлежащих питательных сред и орошающей воды. Специалистам в данной области, для которых предназначено настоящее изобретение, известны надлежащие питательные среды, используемые при микробиологической ферментации. Однако, для примера укажем, что такая среда может содержать источники азота, фосфатов, калия, натрия, серы, ионов ряда металлов, витамины группы В и т.п. Примеры сред приводятся в настоящем документе в разделе Примеры.In one of the embodiments of the invention, the irrigation water is mixed with nutrient media intended for use in the fermentation reaction, and then fed into the bioreactor using any of the devices mentioned above. Therefore, the present invention also provides a composition containing a mixture of appropriate nutrient media and irrigation water. Those skilled in the art for whom the present invention is intended will be aware of the proper nutrient media used in microbiological fermentation. However, for example, we point out that such an environment may contain sources of nitrogen, phosphates, potassium, sodium, sulfur, ions of a number of metals, B vitamins, etc. Examples of environments are provided in this document in the Examples section.

Количество используемой орошающей воды может быть таким, чтобы соотношение питательные среды/орошающая вода составляло до, приблизительно, 1:9. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения орошающую воду используют в отношении, приблизительно, 1:1 к питательным средам.The amount of irrigation water used can be such that the nutrient media/irrigation water ratio is up to about 1:9. In one preferred embodiment of the invention, irrigation water is used in a ratio of approximately 1:1 to nutrient media.

Как станет понятно, орошающая вода, поступающая из конкретных процессов, может содержать компоненты, токсичные или вредные для определенных микроорганизмов. То есть, настоящее изобретение не исключает никакой из процессов предварительной обработки, однако, предусматривает исключение таких дополнительных процессов, если возможно. В качестве альтернативы или дополнительно, долю орошающей воды в содержимом биореактора можно регулировать так, чтобы потенциально токсичные или вредные компоненты присутствовали в концентрациях менее допустимых.As will become clear, irrigation water from specific processes may contain components that are toxic or harmful to certain micro-organisms. That is, the present invention does not exclude any of the pretreatment processes, however, provides for the elimination of such additional processes, if possible. Alternatively or additionally, the proportion of irrigate water in the contents of the bioreactor can be adjusted so that potentially toxic or harmful components are present at less than acceptable concentrations.

Орошающая вода как основное исходное сырьеIrrigation water as the main feedstock

В другом варианте осуществления настоящего изобретения реакцию ферментации осуществляют, используя в качестве исходного сырья только орошающую воду. Другими словами, орошающая вода является основным источником углерода для реакции ферментации. В этом варианте осуществления изобретения реакция ферментации может быть осуществлена, по существу, как описано ранее, однако нет необходимости подавать или улавливать содержащие СО газы или подавать альтернативный источник углерода.In another embodiment of the present invention, the fermentation reaction is carried out using only reflux water as a feedstock. In other words, irrigation water is the main source of carbon for the fermentation reaction. In this embodiment, the fermentation reaction can be carried out essentially as previously described, however, it is not necessary to supply or capture CO-containing gases or supply an alternative carbon source.

Орошающая вода может быть подана в биореактор, в котором осуществляется ферментация, как описано выше. В одном из вариантов осуществления изобретения воду подают в биореактор непрерывно и непосредственно из системы или устройства для газоочистки в количестве, соответствующем поддержанию оптимальных для реакции ферментации условий.Irrigation water can be fed into the bioreactor in which the fermentation is carried out, as described above. In one of the embodiments of the invention, water is fed into the bioreactor continuously and directly from the gas cleaning system or device in an amount corresponding to maintaining optimal conditions for the fermentation reaction.

В родственном варианте осуществления изобретения орошающую воду направляют на хранение и затем подают в биореактор в те моменты времени, когда альтернативное исходное сырье или субстрат не поступают. Например, потоки отходящих газов, образующиеся в некоторых процессах производства стали, не постоянные, а прерывистые. Когда эти газы не могут быть поданы на реакцию ферментации, в биореактор подают орошающую воду, чтобы поддерживать производство спирта и повысить общую эффективность реакции. Такие процессы, в которых к орошающей воде добавляют среды ферментации и подают в биореактор, могут быть осуществлены с использованием приемов для удерживания клеток (например, мембранной фильтрации с перекрестным течением, непрерывного центрифугирования или устройства с иммобилизованными клетками). В данном варианте осуществления изобретения смесь орошающей воды и сред ферментации может протекать через реактор, обеспечивая питание бактерий. Преимущество этого варианта в том, что орошающая вода содержит большое количество растворенного монооксида углерода. Поскольку большую часть производственных издержек, связанных с использованием для ферментации газообразных субстратов, составляет приобретение и эксплуатация оборудования, обеспечивающего массоперенос газообразного СО из газовой фазы в жидкую фазу, использование жидких потоков, которые уже содержат СО, значительно уменьшает эти издержки.In a related embodiment of the invention, the irrigation water is sent to storage and then fed to the bioreactor at times when no alternative feedstock or substrate is available. For example, the off-gas flows generated in some steelmaking processes are not constant, but intermittent. When these gases cannot be supplied to the fermentation reaction, reflux water is supplied to the bioreactor to maintain alcohol production and improve the overall reaction efficiency. Such processes, in which fermentation media are added to the reflux water and fed into the bioreactor, can be carried out using cell retention techniques (eg, cross-flow membrane filtration, continuous centrifugation, or cell-immobilized apparatus). In this embodiment, a mixture of reflux water and fermentation media may flow through the reactor to provide nutrition to the bacteria. The advantage of this option is that the irrigation water contains a large amount of dissolved carbon monoxide. Since most of the production costs associated with the use of gaseous substrates for fermentation is the acquisition and operation of equipment that provides mass transfer of gaseous CO from the gas phase to the liquid phase, the use of liquid streams that already contain CO significantly reduces these costs.

Общие положенияGeneral provisions

Варианты осуществления настоящего изобретения описаны для примера. Однако, следует понимать, что конкретные этапы или стадии, необходимые в одном варианте осуществления, могут быть не нужны в другом. И наоборот, этапы или стадии, включенные в описание какого-либо конкретного варианта осуществления, могут быть, при необходимости, с успехом использованы в тех вариантах осуществления изобретения, где они специально не отмечены.Embodiments of the present invention are described by way of example. However, it should be understood that specific steps or steps needed in one embodiment may not be needed in another. Conversely, the steps or steps included in the description of any particular embodiment may, if necessary, be successfully used in those embodiments of the invention where they are not specifically noted.

Хотя настоящее изобретение описано в общем со ссылкой на любой тип потока, который может быть перемещен туда или обратно в данной системе(системах) любым известным передаточным устройством, в определенных вариантах осуществления изобретения субстрат и/или отходящие потоки являются газообразными. Специалистам в данной области ясно, что определенные стадии могут быть соединены друг с другом надлежащими трубопроводами или подобными устройствами, настраиваемыми с целью приема или перемещения потоков по всей системе. Для облегчения передачи этих потоков на определенную стадию может быть использован насос или компрессор. Кроме того, компрессор может быть использован для увеличения давления газа, подаваемого на одну или более стадию, например, в биореактор. Как описано в настоящем документе выше, давление газов в биореакторе может оказывать влияние на эффективность осуществляемой в нем реакции ферментации. Таким образом, давление можно регулировать с целью повышения эффективности ферментации. Величины давления, применимые для распространенных реакций, известны в данной области.While the present invention has been described generally with reference to any type of stream that can be moved back and forth in a given system(s) by any known transfer device, in certain embodiments, the substrate and/or effluent streams are gaseous. It will be appreciated by those skilled in the art that certain stages may be connected to each other by appropriate conduits or similar devices configured to receive or move flows throughout the system. A pump or compressor may be used to facilitate the transfer of these streams to a particular stage. In addition, a compressor may be used to increase the pressure of the gas supplied to one or more stages, such as a bioreactor. As described herein above, the pressure of the gases in the bioreactor can affect the efficiency of the fermentation reaction carried out therein. Thus, the pressure can be adjusted to improve the fermentation efficiency. Pressure values applicable to common reactions are known in the art.

Кроме этого, системы или способы настоящего изобретения могут, необязательно, включать устройства регулирования и/или управления другими параметрами с целью повышения общей эффективности процесса. Система может включать один или более процессор, предназначенный для регулирования и/или управления определенными параметрами данного процесса. Например, конкретные варианты осуществления изобретения могут включать измерительное устройство для слежения за составом субстрата и/или отходящего потока(потоков). Кроме этого, конкретные варианты осуществления изобретения могут включать устройство управления подачей потока(потоков) субстрата на конкретную стадию или элемент в составе конкретной системе, если измерительным устройством определено, что данный поток имеет состав, соответствующей конкретной стадии. Например, в случаях, когда поток газообразного субстрата содержит мало СО или много О2, что может оказать негативное влияние на реакцию ферментации, этот поток субстрата может быть направлен, минуя биореактор. В конкретных вариантах осуществления изобретения система включает устройство мониторирования и регулирования места назначения потока субстрата и/или расхода так, чтобы поток с нужным или пригодным составом мог быть подан на конкретную стадию.In addition, the systems or methods of the present invention may optionally include devices for regulating and/or controlling other parameters in order to improve the overall efficiency of the process. The system may include one or more processors for adjusting and/or controlling certain parameters of a given process. For example, specific embodiments of the invention may include a measuring device for monitoring the composition of the substrate and/or effluent stream(s). In addition, specific embodiments of the invention may include a device for controlling the supply of substrate stream(s) to a particular stage or element in a particular system, if the measuring device determines that this stream has a composition corresponding to a particular stage. For example, in cases where the gaseous substrate stream contains little CO or a lot of O 2 , which can have a negative effect on the fermentation reaction, this substrate stream can be directed without passing through the bioreactor. In particular embodiments of the invention, the system includes a device for monitoring and controlling the destination of the substrate stream and/or flow rate so that a stream with the desired or suitable composition can be supplied to a particular stage.

Кроме того, может оказаться необходимым нагревание или охлаждение определенного компонента или потока(потоков) субстрата до или во время одной или более стадии данного процесса. В таких случаях могут быть использованы известные средства нагревания или охлаждения. Например, для нагревания или охлаждения потоков субстрата могут быть применены теплообменники.In addition, it may be necessary to heat or cool certain component or substrate stream(s) prior to or during one or more of the steps in the process. In such cases, known means of heating or cooling may be used. For example, heat exchangers can be used to heat or cool the substrate streams.

Кроме того, данная система может включать один или более этап предварительной/последующей обработки, направленной на улучшение работы или повышение эффективности конкретной стадии. Например, этап предварительной обработки может включать устройство для удаления из потока газообразного субстрата твердых частиц и/или углеводородов с длинной цепочкой или смол. Другие возможные предварительные или последующие операции включают отделение целевого продукта(продуктов) на определенных стадиях, таких как, например, производственная стадия, осуществляемая в биореакторе (например, отделение этанола перегонкой).In addition, this system may include one or more stages of pre/post processing, aimed at improving the performance or increase the efficiency of a particular stage. For example, the pretreatment step may include a device for removing solids and/or long chain hydrocarbons or tars from the gaseous substrate stream. Other possible preliminary or subsequent operations include the separation of the desired product(s) at certain stages, such as, for example, the production stage carried out in a bioreactor (eg, separation of ethanol by distillation).

Различные варианты осуществления установок настоящего изобретения поясняются на прилагаемых фигурах. Альтернативные варианты осуществления, показанные на фиг. 1-13, имеют общие для них элементы, и для обозначения одинаковых или подобных элементов на различных фигурах использованы одинаковые номера позиций. Описаны только новые элементы (по сравнению с фиг. 1) фиг. 2-13, поэтому эти фигуры следует рассматривать совместно с описанием фиг. 1.Various embodiments of the installations of the present invention are illustrated in the accompanying figures. Alternative embodiments shown in FIG. 1-13 have elements in common, and the same reference numerals are used to refer to the same or similar elements throughout the various figures. Only new elements are described (compared to FIG. 1) of FIG. 2-13, so these figures should be read in conjunction with the description of FIGS. 1.

Фиг. 1 представляет собой схему системы 101, соответствующей одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Входящий поток 1 субстрата поступает в систему 101 по соответствующему трубопроводу. Входящий поток 1 субстрата содержит СО и, необязательно, СО2 и, в определенных вариантах осуществления изобретения, этот поток субстрата представляет собой поток отходящего газа какого-либо производственного процесса, например, высвобождаемого в ходе науглероживания стали в кислородном конвертере. Содержание компонентов в потоке 1 газа может колебаться. Для отклонения потока 1 куда-либо еще (показано, как поток 3), если определено, что поток 1 не имеет заданного состава, может быть использован необязательный клапан 2. Например, если из потока 1 нужно получить СО, для потока 1 может быть задано минимальное содержание СО, тогда этот поток направляется, минуя дальнейшую обработку в системе 101, если требование по минимальному содержанию СО не выполняется. Такой порог может быть установлен для исключения нерентабельной или нецелесообразной обработки какого-либо потока. Для определения, имеет ли газ заданный состав, может быть использовано любое известное устройство. Кроме того, термин «заданный состав» относится не только к веществам, которые должны присутствовать в потоке 1, но также и к нежелательным компонентам. Например, поток 1 может быть отклонен, если в этом потоке 1 имеется определенное загрязняющее вещество.Fig. 1 is a diagram of a system 101 according to one embodiment of the present invention. The incoming stream 1 of the substrate enters the system 101 through the appropriate pipeline. Substrate inlet stream 1 contains CO and optionally CO 2 and, in certain embodiments of the invention, this substrate stream is an off-gas stream from a manufacturing process, such as liberated during carburization of steel in an oxygen converter. The content of the components in the gas stream 1 may fluctuate. An optional valve 2 can be used to divert stream 1 elsewhere (shown as stream 3) if it is determined that stream 1 does not have a predetermined composition. For example, if CO is to be produced from stream 1, a minimum CO content can be set for stream 1, then this stream is directed, bypassing further processing in system 101, if the minimum CO content requirement is not met. Such a threshold may be set to exclude unprofitable or inappropriate processing of any flow. Any device known in the art can be used to determine if a gas has a given composition. In addition, the term "target composition" refers not only to substances that should be present in stream 1, but also to undesirable components. For example, stream 1 may be rejected if there is a certain contaminant in that stream 1.

Как станет ясно специалистам в данной области, клапан 2 может располагаться в любом месте системы 101. Например, он может быть размещен после стадии обработки в биореакторе 5.As will become clear to those skilled in the art, the valve 2 may be located anywhere in the system 101. For example, it may be placed after the processing step in the bioreactor 5.

Если определено, что поток 1 имеет заданный состав, его направляют на необязательную предварительную обработку 4. Предварительная обработка 4 может быть нацелена на регулирование различных параметров данного потока, в том числе, температуры и содержания загрязняющих веществ или других нежелательных компонентов или составляющих. Она также может предназначаться для добавления компонентов в данный поток. Это зависит от конкретного источника потока 1 газа и/или конкретной реакции ферментации и/или выбранных для ее осуществления микроорганизмов.If it is determined that stream 1 has a desired composition, it is sent to an optional pre-treatment 4. Pre-treatment 4 may be aimed at controlling various parameters of this stream, including temperature and the content of contaminants or other undesirable components or constituents. It can also be used to add components to a given stream. This depends on the particular source of gas stream 1 and/or the particular fermentation reaction and/or the microorganisms selected for its implementation.

Предварительная обработка 4 может осуществляться на любом участке системы 101 или может быть опущена, либо множество этапов предварительной обработки 4 могут осуществляться на различных участках системы 101. Это зависит от конкретного источника потока 1 газа и/или конкретной реакции ферментации и/или выбранных для ее осуществления микроорганизмов. Например, дополнительная предварительная обработка (несколько этапов предварительной обработки) может быть проведена до (выше по потоку) устройства 8 для удаления СО2 с целью регулирования параметров потока, поступающего в устройство 8 для удаления СО2.The pre-treatment 4 may be performed at any location in the system 101 or may be omitted, or multiple pre-treatment steps 4 may be performed at different locations in the system 101. This will depend on the particular source of gas stream 1 and/or the particular fermentation reaction and/or the microorganisms chosen to carry it out. For example, additional pre-treatment (multiple pre-treatment steps) may be carried out upstream of the CO 2 removal device 8 to control the parameters of the flow entering the CO 2 removal device 8 .

После необязательной предварительной обработки поток может быть направлен в биореактор 5 при помощи любого известного передаточного устройства. Например, для перемещения потока в системе может быть использован один или более вентилятор и/или насос. Биореактор 5 предназначен для осуществления нужной реакции ферментации с целью производства продуктов. В соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения, биореактор 5 спроектирован для обработки содержащего СО субстрата с целью производства одной или более кислоты и/или одного или более спирта. В одном конкретном варианте осуществления изобретения биореактор 5 используется для производства этанола и/или бутанола. Биореактор 5 может включать более одного резервуара, при этом каждый резервуар предназначен для осуществления одной и той же реакции и/или разных стадий в рамках конкретного процесса ферментации и/или различных реакций, в том числе, различных реакций разных процессов ферментации, которые могут включать одну или более общую стадию.After optional pre-treatment, the stream can be sent to the bioreactor 5 using any known transfer device. For example, one or more fans and/or a pump may be used to move flow in the system. Bioreactor 5 is designed to carry out the desired fermentation reaction in order to produce products. In accordance with certain embodiments of the invention, the bioreactor 5 is designed to treat a CO-containing substrate to produce one or more acids and/or one or more alcohols. In one specific embodiment of the invention, the bioreactor 5 is used to produce ethanol and/or butanol. The bioreactor 5 may include more than one tank, each tank being designed to carry out the same reaction and/or different steps within a particular fermentation process and/or different reactions, including different reactions of different fermentation processes, which may include one or more common steps.

Биореактор 5 может быть снабжен средством охлаждения с целью регулирования в нем температуры в приемлемых для используемых в определенной осуществляемой реакции ферментации микроорганизмов пределах.The bioreactor 5 can be provided with a cooling means in order to regulate the temperature in it within the limits acceptable for use in the particular fermentation reaction of the microorganisms to be carried out.

Продукты, производимые в биореакторе 5, могут быть извлечены при помощи любого известного в данной области процесса извлечения. Однако, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, часть продукта может выходить из биореакторе 5 в потоке 7, содержащем такие компоненты, как СО2 и, необязательно, непреобразованный СО. Такие потоки, необязательно, могут быть подвергнуты обработке в устройстве 6 для извлечения продукта с целью извлечения любого продукта до того, как, по существу, не содержащий продукта поток 7 будет направлен в устройство 8 для удаления СО2.The products produced in the bioreactor 5 may be recovered using any recovery process known in the art. However, in some embodiments of the present invention, at least part of the product may exit the bioreactor 5 in stream 7 containing components such as CO 2 and, optionally, unconverted CO. Such streams may optionally be processed in the product recovery device 6 to recover any product before the substantially product-free stream 7 is sent to the CO 2 removal device 8 .

Устройство 8 для удаления СО2 предназначено для приема потока 7, из которого удаляется, по меньшей мере, часть присутствующего в нем СО2, и остается отходящий поток 9. В определенных вариантах осуществления изобретения устройство 8 для удаления СО2 разработано для отделения, по меньшей мере, части представляющего собой СО2 компонента потока 7 и имеет возможность улавливания отделенного СО2 и/или его преобразования в продукты, пригодные для дальнейшего использования или хранения. В качестве альтернативы, устройство 8 для удаления СО2 может быть разработано с целью непосредственного улавливания СО2 из потока 7 и/или его преобразования в продукты.The CO 2 removal device 8 is designed to receive a stream 7 from which at least a portion of the CO 2 present therein is removed and an effluent stream 9 remains. In certain embodiments, the CO 2 removal device 8 is designed to separate at least a portion of the CO 2 component of the stream 7 and is capable of capturing the separated CO 2 and/or converting it into products suitable for further use or storage. Alternatively, the CO 2 removal device 8 may be designed to directly capture the CO 2 from the stream 7 and/or convert it to products.

Если биореактор 5 включает множество стадий или отдельных резервуаров, потоки, выходящие после, по меньшей мере, подгруппы таких стадий, могут поступать в устройство 8 для удаления СО2. Кроме того, может быть предусмотрено более одного устройства 8 для удаления СО2 далее по ходу технологического потока (ниже по потоку), чтобы один и тот же поток проходил несколько этапов удаления СО2, либо одинаковые или разные операции по удалению могут быть осуществлены в отношении потоков разных стадий или из разных резервуаров ферментации.If the bioreactor 5 includes a plurality of stages or individual tanks, the effluents after at least a subset of such stages may enter the device 8 to remove CO 2 . In addition, more than one CO 2 removal device 8 may be provided downstream of the process stream so that the same stream undergoes multiple CO 2 removal steps, or the same or different removal operations may be performed on streams from different stages or from different fermentation tanks.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 2, устройство 8 для удаления СО2 расположено до (выше по потоку от) биореактора 5 (а не далее по ходу технологического потока, как на фиг. 1). Таким образом, в соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг. 2, устройство 8 для удаления СО2 может быть использовано для улавливания СО2 из потока субстрата до его подачи в биореактор 5. Необязательный клапан 2 может иметь такую конструкцию, чтобы, если определено, что содержание СО2 слишком мало для рационального и/или эффективного улавливания СО2, этот поток может быть направлен непосредственно в биореактор 5. В качестве альтернативы, поток 3 может быть совсем выведен из системы, например, в случаях, когда такой поток непригоден для удаления СО2 или ферментации.In accordance with an alternative embodiment of the invention shown in FIG. 2, the CO 2 removal device 8 is located upstream of (upstream of) the bioreactor 5 (rather than downstream as in FIG. 1). Thus, according to the embodiment shown in FIG. 2, the CO 2 removal device 8 may be used to capture CO 2 from the substrate stream before it is fed to the bioreactor 5. Optional valve 2 may be designed such that if it is determined that the CO 2 content is too low to rationally and/or efficiently capture CO 2 , this stream may be directed directly to the bioreactor 5. Alternatively, stream 3 may be removed from the system altogether, for example, in cases where such the stream is unsuitable for CO 2 removal or fermentation.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 3, устройство 8 для удаления СО2 расположено после биореактора 5 по ходу технологического потока, а клапан 10 предназначен для направления потока 9 обратно в биореактор 5, если определено, что в потоке 9 осталось достаточно СО для дальнейшей ферментации с получением продуктов. Однако, если определено, что содержание СО в этом потоке меньше необходимого уровня, этот поток может быть направлен куда-либо еще (показано как поток 11). Вариант осуществления изобретения, представленный на фиг. 3, также включает сопутствующие преимущества обоих вариантов осуществления, представленных и на фиг. 1, и на фиг. 2.In accordance with the embodiment of the invention shown in FIG. 3, a CO2 removal device 8 is located downstream of the bioreactor 5, and a valve 10 is provided to direct stream 9 back to bioreactor 5 if it is determined that enough CO2 is left in stream 9 for further fermentation to produce products. However, if it is determined that the content of CO in this stream is less than the required level, this stream can be directed elsewhere (shown as stream 11). The embodiment of the invention shown in FIG. 3 also includes the co-benefits of both embodiments shown and in FIG. 1 and in FIG. 2.

На фиг. 4 представлена схема системы 104, соответствующая еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Входящий поток 1 газа поступает в систему 104 по соответствующему трубопроводу. Входящий поток 1 газа может представлять собой поток отходящего газа какого-либо производственного процесса, например, высвобождаемого в ходе науглероживания стали в кислородном конвертере. Входящий поток 1 газа, предпочтительно, содержит, по меньшей мере, один газ на основе углерода. В конкретных вариантах осуществления изобретения поток 1 газа содержит СО и/или СО2. Содержание компонентов в потоке 1 газа может колебаться. Для отклонения потока 1 куда-либо еще (показано, как поток 3), если определено, что поток 1 не имеет заданного состава, может быть использован необязательный клапан 2. Например, если из потока 1 нужно получить СО, для потока 1 может быть задано минимальное содержание СО, тогда этот поток направляется, минуя дальнейшую обработку в системе 104, если требование по минимальному содержанию СО не выполняется. Такой порог может быть установлен для исключения нерентабельной или нецелесообразной обработки какого-либо потока. Для определения, имеет ли газ заданный состав, может быть использовано любое известное устройство. Как указано выше, термин «заданный состав» относится не только к веществам, которые должны присутствовать в потоке 1, но также и к нежелательным компонентам. Например, поток 1 может быть отклонен, если в этом потоке 1 имеется определенное загрязняющее вещество.In FIG. 4 is a diagram of a system 104 in accordance with yet another embodiment of the present invention. The incoming gas stream 1 enters the system 104 through a suitable conduit. The incoming gas stream 1 may be an off-gas stream from a manufacturing process, such as liberated during the carburization of steel in an oxygen converter. The incoming gas stream 1 preferably contains at least one carbon-based gas. In specific embodiments, the gas stream 1 contains CO and/or CO 2 . The content of the components in the gas stream 1 may fluctuate. An optional valve 2 can be used to divert stream 1 elsewhere (shown as stream 3) if it is determined that stream 1 does not have a desired composition. For example, if CO is to be produced from stream 1, a minimum CO content can be set for stream 1, then this stream is directed, bypassing further processing in system 104, if the minimum CO content requirement is not met. Such a threshold may be set to exclude unprofitable or inappropriate processing of any flow. Any device known in the art can be used to determine if a gas has a given composition. As indicated above, the term "target composition" refers not only to substances that should be present in stream 1, but also to undesirable components. For example, stream 1 may be rejected if there is a certain contaminant in that stream 1.

Как станет ясно специалистам в данной области при рассмотрении настоящего описания, клапан 2 может располагаться в любом месте системы 104. Например, он может быть размещен после стадии обработки в газоотделителе 13.As will become clear to those skilled in the art upon review of the present disclosure, valve 2 may be located anywhere in system 104. For example, it may be placed after a processing step in gas separator 13.

Если определено, что поток 1 имеет заданный состав, его направляют в газоотделитель 13. В нем от потока 1 газа отделяют, по меньшей мере, первый компонент этого потока, оставляя другой компонент. Либо этот, по меньшей мере, первый компонент, либо оставшийся компонент могут быть отведены как поток 12, при этом другой компонент направляют на необязательную предварительную очистку 4 и в биореактор 5. Таким образом, если поток газа, подаваемый на реакцию ферментации, должен представлять собой СО, СО может быть отделен от остального потока, тогда только этот СО (или поток, обогащенный СО) направляют в биореактор 5. В качестве альтернативы, от потока может быть отделен один или более компонент (например, О2 и/или Н2), которые, по меньшей мере частично, удаляют, а оставшийся поток направляют в биореактор 5.If it is determined that the stream 1 has a given composition, it is sent to the gas separator 13. In it, at least the first component of this stream is separated from the gas stream 1, leaving the other component. Either this at least first component or the remaining component can be diverted as stream 12, with the other component sent to optional pre-treatment 4 and bioreactor 5. Thus, if the gas stream fed to the fermentation reaction is to be CO, CO can be separated from the rest of the stream, then only this CO (or CO rich stream) is sent to bioreactor 5. Alternatively, one or more components (for example, O 2 and/or H 2 ), which are at least partially removed, and the remaining stream is sent to the bioreactor 5.

Как станет ясно специалистам в данной области при рассмотрении настоящего описания, газоотделитель 13 может включать одну или множество стадий или отдельных устройств, где на каждой стадии происходит отделение одного или более газа.As will become clear to those skilled in the art upon review of the present description, the gas separator 13 may include one or more stages or separate devices, where at each stage one or more gases are separated.

Дополнительное описание процессов и устройств для отделения газа приведено в настоящем документе ниже.Additional description of processes and devices for gas separation is given in this document below.

Как указано выше, предварительная обработка 4 может осуществляться на любом участке системы 104 или может быть опущена, либо множество этапов предварительной обработки 4 могут осуществляться на различных участках системы 104. Использование предварительной обработки 4 может зависеть от конкретного источника потока 1 газа и/или конкретной реакции ферментации и/или выбранных для ее осуществления микроорганизмов.As indicated above, pre-treatment 4 may be performed at any location in system 104 or may be omitted, or multiple pre-treatment steps 4 may be performed at different locations in system 104. The use of pre-treatment 4 may depend on the particular source of gas stream 1 and/or the particular fermentation reaction and/or the microorganisms chosen to carry it out.

Биореактор 5 предназначен для осуществления заданной реакции ферментации. В соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения, биореактор 5 спроектирован для обработки содержащего СО субстрата с целью производства одной или более кислоты и/или одного или более спирта. В конкретных вариантах осуществления изобретения биореактор 5 используется для производства этанола и/или бутанола. Биореактор 5 может включать более одного резервуара, при этом каждый резервуар предназначен для осуществления одной и той же реакции и/или разных стадий в рамках конкретного процесса ферментации и/или различных реакций, в том числе, различных реакций, включая различные реакции разных процессов ферментации, которые могут иметь одну или более общую стадию.The bioreactor 5 is designed to carry out a given fermentation reaction. In accordance with certain embodiments of the invention, the bioreactor 5 is designed to treat a CO-containing substrate to produce one or more acids and/or one or more alcohols. In specific embodiments of the invention, the bioreactor 5 is used to produce ethanol and/or butanol. The bioreactor 5 may include more than one tank, with each tank designed to carry out the same reaction and/or different stages within a particular fermentation process and/or different reactions, including different reactions, including different reactions of different fermentation processes, which may have one or more common stage.

Биореактор 5 может быть снабжен средством охлаждения с целью регулирования в нем температуры в приемлемых для используемых в определенной осуществляемой реакции ферментации микроорганизмов пределах.The bioreactor 5 can be provided with a cooling means in order to regulate the temperature in it within the limits acceptable for use in the particular fermentation reaction of the microorganisms to be carried out.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 5, газоотделитель 13 расположен после (ниже по потоку) биореактора 5 (а не до него, как на фиг. 4). Таким образом, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 5, газоотделитель 13 может быть использован для отделения одного или более компонента от газов, образующихся в ходе реакции ферментации в биореакторе 5, и/или отделения газов, которые были поданы в биореактор 5, но не использованы в нем. Если биореактор 5 включает множество стадий или отдельных резервуаров, газы, выходящие после, по меньшей мере, подгруппы таких стадий, могут поступать в газоотделитель 13. Кроме того, может быть предусмотрено более одного газоотделителя далее по ходу технологического потока (ниже по потоку), чтобы один и тот же поток проходил несколько этапов отделения, либо одинаковые или разные операции по отделению могут быть осуществлены в отношении потоков газа разных стадий или из разных резервуаров ферментации.In accordance with an alternative embodiment of the invention shown in FIG. 5, the gas separator 13 is located after (downstream) the bioreactor 5 (and not before it, as in Fig. 4). Thus, in accordance with the embodiment of the invention shown in FIG. 5, a gas separator 13 may be used to separate one or more components from the gases generated during the fermentation reaction in the bioreactor 5 and/or to separate gases that have been fed into the bioreactor 5 but not used therein. If the bioreactor 5 includes a plurality of stages or separate vessels, the gases leaving after at least a subset of such stages may enter a gas separator 13. In addition, more than one gas separator may be provided downstream of the process stream (downstream) so that the same stream passes through several stages of separation, or the same or different separation operations can be carried out in relation to gas streams of different stages or from different fermentation tanks.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 6, газоотделители 13 расположены до и после биореактора 5 с сопутствующими преимуществами обоих вариантов осуществления, представленных и на фиг. 4, и на фиг. 5.In accordance with the embodiment of the invention shown in FIG. 6, gas separators 13 are located before and after the bioreactor 5 with the attendant advantages of both embodiments shown and in FIG. 4 and in FIG. 5.

До биореактора 5 может быть предусмотрен насос или компрессор (не показан), предназначенный для увеличения давления газа в биореакторе 5. Как описано в настоящем документе выше, давление газов в биореакторе может оказывать влияние на эффективность осуществляемой в нем реакции ферментации. Таким образом, давление можно регулировать с целью повышения эффективности ферментации. Величины давления, применимые для распространенных реакций, известны в данной области.A pump or compressor (not shown) may be provided upstream of the bioreactor 5 to increase the gas pressure in the bioreactor 5. As described herein above, the pressure of the gases in the bioreactor may affect the efficiency of the fermentation reaction carried out therein. Thus, the pressure can be adjusted to improve the fermentation efficiency. Pressure values applicable to common reactions are known in the art.

Поток 1 газа может содержать множество разных потоков. Для различных потоков могут быть предназначены различные обрабатывающие элементы, причем, только подгруппа элементов является общей. Например, первый поток может поступать в первый газоотделитель, второй поток может поступать во второй газоотделитель. Выходящие из первого и второго газоотделителей потоки затем могут быть направлены в общий биореактор. Другие уровни общности или различия входят в объем настоящего изобретения.Gas stream 1 may contain many different streams. Different processing elements may be assigned to different threads, and only a subset of the elements is common. For example, the first stream may enter the first gas separator, the second stream may enter the second gas separator. The effluents from the first and second gas separators can then be sent to a common bioreactor. Other levels of commonality or differences are within the scope of the present invention.

На фиг. 7 представлена схема системы 107, соответствующей одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Поток 14 отходящего газа поступает в систему 107 по надлежащему трубопроводу из производственного процесса (например, науглероживания стали в кислородном конвертере). Поток 14 является прерывистым по своей природе, на что указывает пунктирная линия. Поток 14 может быть постоянным потоком в том смысле, что он поступает постоянно, но содержание конкретных газов в этом потоке может со временем изменяться. Например, содержание СО в потоке 14 может со временем изменяться от высокого до низкого. Независимо от того, является ли поток 14 фактически производимым непрерывно или прерывисто, в те периоды, когда содержание в нем заданного газа слишком мало для поддержания реакции ферментации (или содержание нежелательного газа (например, О2) слишком велико), при помощи клапана 2 поток 14 может быть перенаправлен куда-либо еще, в том числе в атмосферу (показано, как поток 3). В те периоды, когда поток 14 содержит заданный газ в заданной концентрации, клапан 2 направляет получаемый поток 15 в накопительный резервуар-хранилище 16. Поток 15 также показан пунктирной линией из-за его, возможно, прерывистой природы.In FIG. 7 is a diagram of a system 107 in accordance with one embodiment of the present invention. The off-gas stream 14 enters the system 107 through an appropriate piping from a manufacturing process (eg, carburizing steel in an oxygen converter). Flow 14 is discontinuous in nature, as indicated by the dotted line. Stream 14 may be a constant stream in the sense that it is supplied continuously, but the content of particular gases in this stream may change over time. For example, the CO content in stream 14 may change from high to low over time. Regardless of whether stream 14 is actually produced continuously or intermittently, during those periods when its content of a given gas is too low to support the fermentation reaction (or the content of undesirable gas (for example, O 2 ) is too high), using valve 2, stream 14 can be redirected somewhere else, including to the atmosphere (shown as stream 3). During those periods when stream 14 contains a given gas at a given concentration, valve 2 directs the resulting stream 15 to storage tank 16. Stream 15 is also shown in dashed line due to its possibly intermittent nature.

Накопительный резервуар-хранилище 16 выполняет функцию резервуара, обеспечивающего подачу газа в биореактор 5 после любой предварительной обработки этого газа на стадии предварительной обработки 4. Предварительная обработка 4 может проводиться на любом участке системы 1 или даже не проводиться в зависимости от конкретного источника потока 14 газа и/или конкретной реакции ферментации и/или выбранных для ее осуществления микроорганизмов.The accumulative storage tank 16 functions as a reservoir supplying gas to the bioreactor 5 after any pre-treatment of this gas at the pre-treatment stage 4. Pre-treatment 4 can be carried out anywhere in the system 1 or even not be carried out depending on the specific source of the gas stream 14 and / or the specific fermentation reaction and / or the microorganisms selected for its implementation.

Из накопительного резервуара-хранилища 16 выходит, предпочтительно, стабильный поток 17 газа, который направляют на предварительную обработку 4 и, затем, в биореактор 5 как стабильный поток 18. Потоки 17 и 18 показаны сплошной линией, что отражает их, по существу, непрерывных характер. В накопительном резервуаре-хранилище 16 газ может быть сжат с целью уменьшения необходимого для него объема. Для системы расхода газа из накопительного резервуара-хранилища 16 может быть использован клапан (не показан) или другие устройства. Расход газа, предпочтительно, постоянен, его подбирают так, чтобы в накопительном резервуаре-хранилище 16 всегда имелось некоторое количество газа, и резервуар никогда не опорожнялся. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, регулирование работы клапана может осуществляться устройством регулирования (не показано) с целью изменения расхода газа 15 в зависимости от количества имеющегося в резервуаре газа. Конкретнее, когда количество газа в накопительном резервуаре-хранилище 16 становится меньше заранее заданного уровня, расход газа из накопительного резервуара-хранилища 16 может быть уменьшен так, что, хотя оптимальное количество газа не поступает в биореактор 5, подается уменьшенное количество, что может, по меньшей мере, ослабить воздействие на производительность биореактора 5 путем обеспечения улучшенных условий для микроорганизмов, находящихся в биореакторе 5.Preferably, a stable gas stream 17 exits the storage tank 16 and is sent to pre-treatment 4 and then to the bioreactor 5 as a stable stream 18. Streams 17 and 18 are shown with a solid line, reflecting their essentially continuous nature. In the storage tank 16, the gas can be compressed in order to reduce the volume required for it. A valve (not shown) or other devices may be used for the gas flow system from the storage tank 16. The flow rate of the gas is preferably constant and is adjusted so that there is always some gas in the storage tank 16 and the tank is never emptied. In accordance with one embodiment of the invention, the operation of the valve may be controlled by a control device (not shown) in order to change the flow rate of gas 15 depending on the amount of gas present in the reservoir. More specifically, when the amount of gas in the storage tank 16 becomes less than a predetermined level, the flow of gas from the storage tank 16 can be reduced so that, although the optimal amount of gas is not supplied to the bioreactor 5, a reduced amount is supplied, which can at least reduce the impact on the productivity of the bioreactor 5 by providing improved conditions for the microorganisms residing in the bioreactor 5.

Таким образом, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 7, прерывистый характер потока 14 смягчается благодаря промежуточному накоплению газа в резервуаре-хранилище 16.Thus, in the embodiment of the invention shown in FIG. 7, the intermittent nature of the flow 14 is mitigated by the intermediate accumulation of gas in the storage tank 16.

Как ясно специалистам в данной области, для которых предназначено настоящее изобретение, накопительный резервуар-хранилище 16, предпочтительно, включает выпускной канал для удаления отходящих газов процесса ферментации. Биореактор 5 также может быть снабжен средством охлаждения с целью регулирования в нем температуры в приемлемых для микроорганизмов пределах.As will be appreciated by those skilled in the art for whom the present invention is intended, the storage tank 16 preferably includes an outlet for removing off-gases from the fermentation process. The bioreactor 5 can also be provided with a cooling means in order to control its temperature within acceptable limits for microorganisms.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения системы 107, накопительный резервуар-хранилище 16 заменяют на альтернативную форму хранения, пригодную для выполнения той же или подобной функции. Такие формы могут включать один или более вид абсорбции, адсорбции и колебания давления и/или температуры. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, газ хранят в растворе, который затем подают в биореактор 5. Такой порядок может уменьшить время обработки в биореакторе 5, так как требуемые газы растворяют еще до того, как они поступают в биореактор 5.In accordance with an alternate embodiment of the system 107, the storage tank 16 is replaced with an alternative form of storage capable of performing the same or a similar function. Such forms may include one or more of absorption, adsorption, and pressure and/or temperature fluctuations. In accordance with one embodiment of the invention, the gas is stored in solution, which is then fed into the bioreactor 5. This arrangement can reduce the processing time in the bioreactor 5, since the required gases are dissolved before they enter the bioreactor 5.

В конфигурации, показанной на фиг. 8, накопительный резервуар-хранилище 16 необязателен, на что указывает пунктирная линия. В тех вариантах осуществления изобретения, где накопительный резервуар-хранилище 16 исключен, поток 14 направляют в биореактор 5 в том виде и в то время, в котором и когда он имеется в наличии и имеет приемлемый состав, как потоки 19 и 20, прерывистые по своей природе. Как указано выше, этот вариант не идеален для определенных микроорганизмов или процессов. Если накопительный резервуар-хранилище 16 предусмотрен, в него может быть отведена часть потока 15 с тем, чтобы, когда поток 15 поступает, газ направлялся и в биореактор 5, и в накопительный резервуар-хранилище 16. Газ, направленный в накопительный резервуар-хранилище 16 может находиться там на хранении до того момента времени, когда поток 15 перестанет поступать. Тогда, по меньшей мере, небольшой поток газа может быть направлен из накопительного резервуара-хранилища 16 в биореактор 5.In the configuration shown in FIG. 8, a storage tank 16 is optional, as indicated by the dotted line. In those embodiments where storage tank 16 is omitted, stream 14 is sent to bioreactor 5 as and when it is available and of acceptable composition, as streams 19 and 20 are intermittent in nature. As stated above, this option is not ideal for certain microorganisms or processes. If a storage tank 16 is provided, a part of the stream 15 can be diverted into it so that when the stream 15 enters, the gas is sent to both the bioreactor 5 and the storage tank 16. The gas directed to the storage tank 16 can be stored there until the time when the stream 15 stops flowing. Then at least a small gas flow can be directed from the storage tank 16 to the bioreactor 5.

Как ясно специалистам в данной области техники, поток 14 отходящего газа какого-либо производственного процесса может иметь высокую температуру. Диапазоны допустимых температур для микроорганизмов различаются, однако, для анаэробных бактерий, обычно используемых для производства спиртов, таких как этанол, составляют порядка 30°С-50°С. Поток 14 газа может стать причиной увеличения температуры в биореакторе 5, усиливающегося из-за экзотермической природы процесса ферментации, в результате возникает необходимость во включении в данную систему средства охлаждения. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, прерывистый характер потока 14 принимают во внимания при разработке средства охлаждения биореактора 5. Более конкретно, в те периоды времени, когда поток 14 не поступает или не имеет заданного состава, температура в биореакторе 5 может быть уменьшена до значения у нижней границы диапазона допустимых для используемых микроорганизмов температур (например, до 30°С). Затем, когда поток 14 газа заданного состава возобновляется, возможно увеличение температуры внутри биореактора 5, таким образом, снижаются требования к средству охлаждения, обеспечиваемому, когда газ подается в биореактор 5. Так, для анаэробных бактерий, обычно используемых для производства спиртов, таких как этанол, допустимо, чтобы температура в биореакторе 5 приближалась к 50°С. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, в случае, когда температура в биореакторе 5 приближается к максимальному допустимому значению, может быть прекращена подача потока 14 газа в биореактор 5 даже, если он поступает с нужным составом, чтобы облегчить регулирование температуры внутри биореактора 5. В таких случаях газ может быть направлен на хранение для использования позже или отведен куда-либо еще, где он может быть подвергнут дополнительной обработке, как очевидно специалистам в данной области техники из рассмотрения настоящего описания. В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено выравнивание нагрузки на систему охлаждения.As will be appreciated by those skilled in the art, the off-gas stream 14 from any manufacturing process may be at a high temperature. The acceptable temperature ranges for microorganisms vary, however, for anaerobic bacteria commonly used to produce alcohols such as ethanol, they are in the order of 30°C-50°C. The gas stream 14 can cause the temperature in the bioreactor 5 to rise, exacerbated by the exothermic nature of the fermentation process, resulting in the need for a cooling agent to be included in the system. In accordance with one of the embodiments of the invention, the discontinuous nature of the stream 14 is taken into account when developing a means of cooling the bioreactor 5. More specifically, during those periods of time when the stream 14 does not enter or does not have a given composition, the temperature in the bioreactor 5 can be reduced to a value at the lower limit of the temperature range acceptable for the microorganisms used (for example, up to 30 ° C). Then, when the flow 14 of gas of a given composition is resumed, it is possible to increase the temperature inside the bioreactor 5, thus reducing the requirements for the cooling means provided when the gas is supplied to the bioreactor 5. Thus, for anaerobic bacteria commonly used to produce alcohols such as ethanol, it is acceptable that the temperature in the bioreactor 5 approaches 50°C. In accordance with one embodiment of the invention, in the event that the temperature in the bioreactor 5 approaches the maximum allowable value, the supply of gas stream 14 to the bioreactor 5 can be stopped, even if it comes with the desired composition, in order to facilitate temperature control within the bioreactor 5. In such cases, the gas can be sent to storage for later use or diverted somewhere else where it can be subjected to further processing, as will be obvious to specialists in this field of technology from consideration of this description. In particular embodiments of the present invention, load balancing is provided for the cooling system.

На фиг. 9 представлена схема системы 109, соответствующей другому варианту осуществления настоящего изобретения. Компрессор 22 служит для сжатия прерывистого потока 21, когда он поступает, направляя сжатый поток 23 в биореактор 5. Таким образом, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 9, биореактор 5 эффективно функционирует и как резервуар для ферментации, и как резервуар-хранилище, удерживая внутри газ повышенного давления, когда поток 14 поступает и имеет заданный состав. Когда же поток 14 прерывается, или когда состав потока не соответствует заданному, отходящие газы могут быть медленно выпущены из биореактора 5 так, что давление газа в биореакторе 5 падает, но так, чтобы непрерывно поддерживалось или достаточно хорошо поддерживалось количество любого из необходимых газов, достаточное для исключения значительных периодов времени, в течение которых микроорганизмы лишены этих газов.In FIG. 9 is a diagram of a system 109 according to another embodiment of the present invention. The compressor 22 serves to compress the intermittent stream 21 as it enters, directing the compressed stream 23 to the bioreactor 5. Thus, in accordance with the embodiment of the invention shown in FIG. 9, the bioreactor 5 effectively functions as both a fermentation tank and a storage tank, holding pressurized gas inside when stream 14 arrives and has a predetermined composition. When the flow 14 is interrupted, or when the composition of the flow does not correspond to the desired, the off-gases can be slowly released from the bioreactor 5 so that the gas pressure in the bioreactor 5 drops, but so that the amount of any of the necessary gases is continuously maintained or sufficiently well maintained, sufficient to avoid significant periods of time during which the microorganisms are deprived of these gases.

На фиг. 10а и 10b представлены схемы установок 110а и 110b, соответствующие другому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором для подачи на реакцию ферментации в биореакторе 5 используется множество прерывистых потоков 14а и 14b газа. Так, когда поток 14а не поступает или не имеет заданного состава, в качестве альтернативы ему в биореактор 5 может быть подан поток 14b. Как ясно специалистам в данной области, может иметься в наличии более двух источников потока газа. Кроме того, степень общности между этапами обработки этих потоков может изменяться в зависимости от конкретного состава каждого из потоков. Конфигурация, показанная на фиг. 10а и 10b, может быть реализована на сталелитейном предприятии с использованием различных потоков, образующихся на разных стадиях процесса производства стали. Дополнительно или в качестве альтернативы, могут быть использованы другие источники газа. Например, в случае ферментации с использованием анаэробных бактерий для производства спиртов, таких как этанол, для обеспечения этого потока могут быть использованы традиционные источники (например, биомасса).In FIG. 10a and 10b are diagrams of plants 110a and 110b according to another embodiment of the present invention in which a plurality of discontinuous gas streams 14a and 14b are used to feed the fermentation reaction in the bioreactor 5. So, when stream 14a is not supplied or does not have a given composition, stream 14b can be fed into the bioreactor 5 as an alternative. As will be appreciated by those skilled in the art, there may be more than two sources of gas flow. In addition, the degree of commonality between the processing steps of these streams may vary depending on the particular composition of each of the streams. The configuration shown in Fig. 10a and 10b can be implemented in a steel mill using various streams generated at different stages of the steelmaking process. Additionally or alternatively, other sources of gas may be used. For example, in the case of fermentation using anaerobic bacteria to produce alcohols such as ethanol, traditional sources (eg, biomass) can be used to provide this stream.

На фиг. 11 представлена схема системы 111, соответствующей другому варианту осуществления настоящего изобретения, включающему несколько ранее описанных в настоящем документе стадий. Прерывистый поток 14 преобразуют в, по существу, непрерывный поток 17, как описано ранее со ссылкой на фиг. 7. По существу, непрерывный поток 17, направляют в газоотделитель 13, предназначенный для отделения СО2 от других компонентов потока субстрата, таких как СО. Отделенный поток 12, содержащий СО2, направляют в устройство 8 для удаления СО2, где он может быть преобразован в продукты, пригодные для последующего использования или хранения. Оставшуюся часть потока, содержащую СО, направляют на необязательную предварительную обработку 4 и, затем, в биореактор 5. Может быть предусмотрен необязательный трубопровод 24, по которому содержащий СО2 поток, выходящий из биореактора 5, направляется обратно в устройство 8 для удаления СО2, где он может быть преобразован в продукты, пригодные для последующего использования или хранения.In FIG. 11 is a diagram of a system 111 in accordance with another embodiment of the present invention, including several of the steps previously described herein. Discontinuous flow 14 is converted to a substantially continuous flow 17 as previously described with reference to FIG. 7. A substantially continuous stream 17 is sent to a gas separator 13 for separating CO 2 from other components of the substrate stream, such as CO. The separated stream 12 containing CO 2 is sent to a CO 2 remover 8 where it can be converted into products suitable for later use or storage. The remainder of the CO containing stream is sent to an optional pre-treatment 4 and then to the bioreactor 5. An optional conduit 24 may be provided by which the CO 2 containing stream exiting the bioreactor 5 is sent back to the CO 2 removal device 8 where it can be converted into products suitable for later use or storage.

На фиг. 12 представлена схема системы 112, соответствующей еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Кислородный конвертер 25 может быть частью какого-либо производственного процесса, такого как обезуглероживание стали, и является источником отходящего потока 1. В конкретных вариантах осуществления изобретения отходящий поток 1 содержит СО и/или СО2. Отходящий поток 1 направляют на необязательную предварительную обработку 4а. Обычно, предварительную обработку осуществляют в газоочистителе или водяной ванне, приспособленной для удаления из потока 1 твердых частиц. Клапан 2а предназначен для отведения, по меньшей мере, части потока 1 в дымовую трубу 26, если определено, что состав данного потока не соответствует заданному. Отводимый поток показан стрелкой 3а. Обычно, отводимый в дымовую трубу 26 поток выбрасывается в атмосферу, что показано стрелкой 27. Обычно, этот поток является газообразным и может быть перемещен в дымовую трубу и, необязательно, в пределах системы 113 при помощи одного или более вентилятора и/или насоса.In FIG. 12 is a diagram of a system 112 in accordance with yet another embodiment of the present invention. BOF 25 may be part of a manufacturing process, such as steel decarburization, and is the source of effluent 1. In particular embodiments, effluent 1 contains CO and/or CO 2 . The effluent 1 is sent to an optional pre-treatment 4a. Typically, the pre-treatment is carried out in a scrubber or water bath adapted to remove particulate matter from stream 1. The valve 2a is designed to divert at least part of the stream 1 into the chimney 26, if it is determined that the composition of this stream does not correspond to the specified one. The discharged flow is shown by arrow 3a. Typically, the effluent to stack 26 is vented to the atmosphere as indicated by arrow 27. Typically, this stream is gaseous and can be moved to stack and optionally within system 113 by one or more fans and/or pumps.

Если определено, что поток 1 имеет заданный состав, он может быть направлен в необязательный теплообменник 28а как поток 14. Обычно, поток 14 имеет прерывистый характер и может требовать охлаждения. Теплообменник 28а может представлять собой любое известное в данной области устройство для осуществления теплообмена. Однако, например, это может быть кожухотрубный теплообменник. Необязательная предварительная обработка 4b может быть применена для удаления из этого потока, если нужно, оставшихся твердых частиц. Например, для удаления из этого потока оставшихся твердых частиц может быть использован мембранный фильтр. Предварительная обработка 4b также может предусматривать удаление из, необязательно, охлажденного потока сконденсировавшейся воды, например, в отбойном сепараторе или другом подходящем устройстве для сбора конденсата, известном в данной области.If stream 1 is determined to have the desired composition, it may be sent to optional heat exchanger 28a as stream 14. Typically, stream 14 is intermittent and may require cooling. The heat exchanger 28a may be any heat exchanger known in the art. However, for example, it may be a shell and tube heat exchanger. An optional pre-treatment 4b can be applied to remove any remaining solids from this stream, if desired. For example, a membrane filter can be used to remove remaining solids from this stream. The pre-treatment 4b may also include the removal of condensed water from the optionally cooled stream, for example in a baffle separator or other suitable condensate collection device known in the art.

Давление этого потока может быть увеличено любым пригодным устройством, например, газовым компрессором 22, перед его подачей на стадию 29 удаления кислорода. Могут быть использованы любые пригодные средства удаления кислорода, однако, например, стадия 29 удаления кислорода может включать использование горячего медного катализатора или каталитического конвертера. Этот поток может быть охлажден при помощи необязательного теплообменника 28b перед тем, как он будет подан в удерживающую трубку 30. Удерживающая трубка 30 имеет длину, достаточную для того, чтобы до того, как поток достигнет клапана 2b, его состав был определен любым подходящим измерительным устройством (не показано). Если определено, что состав этого потока соответствует заданному, при помощи клапана 2b он может быть направлен в накопительный резервуар-хранилище 16. Если состав непригоден для ферментации, например, слишком велико содержание кислорода, клапан 2b может отклонить этого поток в дымовую трубу 26 (как показано стрелкой 3b). Из накопительного устройства 16 в биореактор 5 поступает, по существу, непрерывный поток субстрата 17, который, необязательно, проходит предварительную обработку 4с. Необязательная предварительная обработка 4с может быть применена для удаления нежелательных загрязняющих примесей, таких как микробы, из потока 17. Например, для удаления из потока нежелательных бактерий может быть использован стерилизующий фильтр или мембрана. Отходящий поток 3с, выходящий из биореактора 5, также может быть направлен в дымовую трубу 26.This stream may be pressurized by any suitable device, such as a gas compressor 22, before it is fed to the oxygen removal stage 29. Any suitable means of removing oxygen may be used, however, for example, stage 29 of removing oxygen may include the use of a hot copper catalyst or catalytic converter. This stream may be cooled by an optional heat exchanger 28b before it is fed into the retention tube 30. The retention tube 30 is long enough that before the stream reaches valve 2b its composition can be determined by any suitable measuring device (not shown). If it is determined that the composition of this stream corresponds to the desired one, by means of valve 2b it can be directed to the storage tank 16. If the composition is not suitable for fermentation, for example, the oxygen content is too high, valve 2b can divert this flow into the chimney 26 (as shown by arrow 3b). From storage device 16, bioreactor 5 receives a substantially continuous stream of substrate 17, which optionally undergoes a 4c pretreatment. An optional pretreatment 4c may be used to remove unwanted contaminants such as microbes from stream 17. For example, a sterilizing filter or membrane may be used to remove unwanted bacteria from the stream. The effluent 3c leaving the bioreactor 5 can also be directed to the chimney 26.

Измерительное устройство для определения состава потока может быть, необязательно, предусмотрено на любом участке данной системы. Например, устройство для определения состава О2, СО и/или СО2 может быть установлено до клапана 2а по ходу технологического потока, до удерживающей трубки или клапана 2b по ходу технологического потока и/или до биореактора 5 по ходу технологического потока. Кроме того, из-за того, что данные потоки по своей природе потенциально легко воспламеняющиеся, на любом участке системы также может быть предусмотрено наличие оборудования для обеспечения безопасности, такого как пламегаситель.A measuring device for determining the composition of the stream may optionally be provided at any point in the system. For example, a device for determining the composition of O 2 , CO and/or CO 2 can be installed upstream of the valve 2a downstream of the process stream, upstream of the holding tube or valve 2b downstream of the process stream and/or upstream of the bioreactor 5 downstream of the process stream. In addition, because these streams are potentially flammable in nature, safety equipment, such as a flame arrester, may also be provided anywhere in the system.

На фиг. 13 представлена схема системы 113, соответствующей еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Поток 1 и поток 31 отходящего газа, один из которых или оба могут быть прерывистыми по своей природе, направляют в смеситель 32. Смеситель 32 предназначен для регулирования расхода, по меньшей мере, двух потоков (таких как потоки 1 и 31) и смешивания этих потоков с целью получения потока заданного состава (поток 33). Нежелательные потоки, такие как потоки с ненадлежащим составом, могут быть выведены из системы 113, как показано стрелкой 3, тогда как потоки с заданным составом 33 могут быть направлены в необязательный накопитель 16, на необязательную предварительную обработку 4 и, затем, в биореактор 5 для преобразования в продукты. Состав и расходы потоков 1, 3, 31 и 33 могут контролироваться постоянно или иным образом любым известным в данной области способом.In FIG. 13 is a diagram of a system 113 according to another embodiment of the present invention. Stream 1 and off-gas stream 31, one or both of which may be discontinuous in nature, are sent to mixer 32. Mixer 32 is designed to control the flow rate of at least two streams (such as streams 1 and 31) and mix these streams to obtain a stream of a given composition (stream 33). Undesired streams, such as streams with improper composition, can be removed from the system 113, as indicated by arrow 3, while streams with a given composition 33 can be directed to an optional accumulator 16, to an optional pre-treatment 4 and then to a bioreactor 5 for conversion into products. The composition and flow rates of streams 1, 3, 31 and 33 may be monitored continuously or otherwise by any method known in the art.

Поток 1 и/или поток 31 может, дополнительно или в качестве альтернативы, быть направлен в обход смесителя 32 на основании данных о его индивидуальном составе. Такой порядок позволяет использовать один из потоков 1, 31, когда только один из них имеет ненадлежащий состав.Stream 1 and/or stream 31 may additionally or alternatively bypass mixer 32 based on its individual composition. This order allows one of the streams 1, 31 to be used when only one of them has an improper composition.

В конкретных вариантах осуществления изобретения смеситель 32 включает смесительную камеру, которая, обычно, представляет собой небольшой резервуар или отрезок трубы. В таких случаях этот резервуар или труба могут быть снабжены устройством перемешивания, таким как отражательные перегородки, расположенными так, чтобы интенсифицировать турбулентное движение и быструю гомогенизацию отдельных компонентов.In particular embodiments, the mixer 32 includes a mixing chamber, which is typically a small tank or piece of pipe. In such cases, this tank or pipe can be provided with a mixing device, such as baffles, positioned so as to intensify turbulent movement and rapid homogenization of the individual components.

В определенных вариантах осуществления изобретения смеситель 32 включает устройство регулирования перемешивания двух или более потоков с целью получения заданного оптимизированного потока субстрата 33. Например, смеситель 32 может включать устройство регулирования расхода каждого из потоков 1 и 31, поступающих в смеситель 32, так, чтобы был получен заданный состав потока 33 (например, заданное отношение СО:Н2). Смеситель также, предпочтительно, включает контрольно-измерительное устройство (работающее в непрерывном или ином режиме) после смесительной камеры по ходу технологического потока. В конкретных вариантах осуществления изобретения смеситель включает процессор, предназначенный для регулирования расходов и/или состава различных потоков на основании данных контрольно-измерительного устройства.In certain embodiments of the invention, the mixer 32 includes a device for controlling the mixing of two or more streams in order to obtain a given optimized flow of the substrate 33. For example, the mixer 32 may include a device for controlling the flow rate of each of the streams 1 and 31 entering the mixer 32, so that a given composition of the stream 33 (for example, a given CO:H 2 ratio) is obtained. The mixer also preferably includes a control device (operating in continuous or otherwise) after the mixing chamber downstream of the process stream. In particular embodiments of the invention, the mixer includes a processor for adjusting the flow rates and/or composition of the various streams based on data from the monitor.

ПРИМЕРЫEXAMPLES

Далее настоящее изобретение дополнительно и более подробно описано со ссылкой на следующие не имеющие ограничительного характера примеры.Hereinafter, the present invention is further and more specifically described with reference to the following non-limiting examples.

Если не указано иное, среды и растворы, использованные в процессах ферментации, описанных в этих примерах, содержат следующие компоненты.Unless otherwise noted, the media and solutions used in the fermentation processes described in these examples contain the following components.

Среды:Wednesdays:

Таблица 1
Состав сред LМ23 и LМ33
Table 1
Composition of LM23 and LM33 media
Компонент средEnvironments component Концентрация на 1,0 л сред (LМ23)Concentration per 1.0 l of media (LM23) Концентрация на 1,0 л сред (LМ33)Concentration per 1.0 l of media (LM33) MgCl2·6H2OMgCl 2 6H 2 O 0,5 г0.5 g 0,5 г0.5 g NaClNaCl 0,2 г0.2 g 0,2 г0.2 g CaCl2 CaCl2 0,2 г0.2 g 0,2 г0.2 g 100 ммоль буфера - фосфата натрия (рН 6,0)*100 mmol buffer - sodium phosphate (pH 6.0) * 160 мл160 ml -- NaH2PO4 NaH2PO4 _ -- 2,04 г2.04 g NH4Cl NH4Cl 0,6 г0.6 g 2,5 г2.5 g 85% H3PO4 85 % H3PO4 0,05 мл0.05 ml -- KClKCl 0,15 г0.15 g 0,15 г0.15 g Комбинированный раствор металлических микроэлементов (LS06)Combined solution of metallic trace elements (LS06) 10 мл10 ml 10 мл10 ml Комбинированный раствор витаминов группы В (LS03)Combined solution of B vitamins (LS03) 10 мл10 ml 10 мл10 ml Резазурин (исходный раствор 1000 мг/л)Resazurin (stock solution 1000 mg/l) 1 мл1 ml 2 мл2 ml FeCl3 FeCl3 0,0025 г0.0025 g 0,01 г0.01 g Цистеин HCl моногидратCysteine HCl monohydrate 0,75 г0.75 g 0,5 г0.5 g Агароза (необязательно)agarose (optional) 15 г15 g 15 г15 g Дистиллированная водаDistilled water до 1 лup to 1 l до 1 лup to 1 l * сочетание NaH2PO4 (13,2 г) и Na2HPO2⋅7H2O (1,1 г) в Н2О (1 л)* combination of NaH 2 PO 4 (13.2 g) and Na 2 HPO 2 ⋅7H 2 O (1.1 g) in H 2 O (1 l)

Таблица 2
Состав раствора витаминов группы В (LS03) и раствора металлических микроэлементов (LS06)
table 2
Composition of a solution of B vitamins (LS03) and a solution of metal trace elements (LS06)
Комбинированный раствор витаминов группы В (LS03)Combined solution of B vitamins (LS03) на 1 л исх. раствораper 1 liter ref. solution Комбинированный раствор металлических микроэлементов (LS06)Combined solution of metallic trace elements (LS06) на 1 л исх. раствораper 1 liter ref. solution БиотинBiotin 20,0 мг20.0 mg Нитрилотриуксусная кислотаNitrilotriacetic acid 1,5 г1.5 g Фолиевая кислотаFolic acid 20,0 мг20.0 mg MgSO4⋅7H2OMgSO 4 ⋅7H 2 O 3,0 г3.0 g Пиридоксин гидрохлоридPyridoxine hydrochloride 10,0 мг10.0 mg MnSO4⋅H2OMnSO 4 ⋅H 2 O 0,5 г0.5 g Тиамин⋅НСlThiamine⋅HCl 50,0 мг50.0 mg NaClNaCl 1,0 г1.0 g РибофлавинRiboflavin 50,0 мг50.0 mg FeSO4⋅7H2OFeSO 4 ⋅7H 2 O 0,1 г0.1 g Никотиновая кислотаA nicotinic acid 50,0 мг50.0 mg Fe(SO4)2(NH4)2⋅6H2OFe(SO 4 ) 2 (NH 4 ) 2 ⋅6H 2 O 0,8 г0.8 g Кальций D-(*)-пантотенатCalcium D-(*)-pantothenate 50,0 мг50.0 mg CoCl2⋅6H2OCoCl 2 ⋅6H 2 O 0,2 г0.2 g Витамин В12Vitamin B12 50,0 мг50.0 mg ZnSO4⋅7H2OZnSO 4 ⋅7H 2 O 0,2 г0.2 g п-Аминобензойная кислотаp-Aminobenzoic acid 50,0 мг50.0 mg CuCl2⋅2H2OCuCl 2 ⋅2H 2 O 0,02 г0.02 g Липоевая кислотаLipoic acid 50,0 мг50.0 mg AlK(SO4)2⋅12H2OAlK(SO 4 ) 2 ⋅12H 2 O 0,02 г0.02 g Дистиллированная водаDistilled water до 1 лup to 1 l H3BO3 H3BO3 _ 0,30 г0.30 g NaMoO4⋅2H2ONaMoO 4 ⋅2H 2 O 0,03 г0.03 g Na2SeO3 Na 2 SeO 3 0,02 г0.02 g NiCl2⋅6H2ONiCl 2 ⋅6H 2 O 0,02 г0.02 g Na2WO4⋅6H2ONa 2 WO 4 ⋅6H 2 O 0,02 г0.02 g Дистиллированная водаDistilled water до 1 лup to 1 l

МетодологияMethodology

Средыenvironments

Растворы сред LМ23 и LМ33 приготовили при рН 5,5 следующим образом. Все ингредиенты за исключением цистеина НСl смешали в 400 мл дистиллированной воды. Раствор обескислородили путем нагревания до кипения и произвольного охлаждения до комнатной температуры при постоянном продувании газа, содержащего 95% СО и 5% СО2. После охлаждения добавили цистеин НСl и довели рН раствора до 5,5 перед доведением объема раствора до 1000 мл (для примера 1) или 500 мл (для примера 2). Анаэробность поддерживали во время всех экспериментов.Solutions of LM23 and LM33 media were prepared at pH 5.5 as follows. All ingredients except for cysteine HCl were mixed in 400 ml of distilled water. The solution was deoxygenated by heating to boiling and random cooling to room temperature while constantly blowing a gas containing 95% CO and 5% CO 2 . After cooling, cysteine HCl was added and the pH of the solution was adjusted to 5.5 before making up the volume of the solution to 1000 ml (for example 1) or 500 ml (for example 2). Anaerobicity was maintained during all experiments.

Отходящий газ сталелитейного заводаWaste gas from a steel mill

Отходящий газ сталелитейного завода получили с предприятия New Zealand Steel Glenbrook, расположенного в Glenbrook, Новая Зеландия. Более конкретно, газ собрали и хранили в газонепроницаемых мешках или в стальных газовых баллонах под давлением 100-130 бар. Отходящий газ сталелитейного завода, хранящийся в мешках, извлекали из них через газонепроницаемую диафрагму из бутилкаучука. Состав отходящего газа сталелитейного завода изменяется во времени в зависимости от стадии производства стали. Однако, в данном случае газ собрали во время процесса обезуглероживания, а такие газы обычно содержат 43-50% СО; 17-20% СО2; 2-3% Н2; 27-34% N2.Steel mill off-gas was received from New Zealand Steel Glenbrook, located in Glenbrook, New Zealand. More specifically, the gas was collected and stored in gas-tight bags or steel gas cylinders at a pressure of 100-130 bar. Steel mill off-gas stored in bags was removed from them through a gas-tight butyl rubber diaphragm. The composition of the off-gas from a steel mill varies over time depending on the stage of steel production. However, in this case the gas was collected during the decarburization process, and such gases typically contain 43-50% CO; 17-20% CO 2 ; 2-3% H 2 ; 27-34% N 2 .

Орошающая вода сталелитейного заводаIrrigation water of a steel mill

Воду, используемую для промывки (очистки) потока отходящего газа кислородного конвертера на предприятии New Zealand Steel Glenbrook, расположенном в Glenbrook, Новая Зеландия, отфильтровали один раз при помощи воронки Бюхнера и вакуумной линии через фильтровальную бумагу S95. рН отфильтрованной воды скорректировали до 5,5, перед дальнейшим использованием через нее в течение 45 минут барботировали газ, содержащий 95% СО и 5% СО2.The water used to wash (clean) the oxygen converter off-gas stream at New Zealand Steel Glenbrook, located in Glenbrook, New Zealand, was filtered once with a Buchner funnel and a vacuum line through S95 filter paper. The pH of the filtered water was adjusted to 5.5 and a gas containing 95% CO and 5% CO 2 was bubbled through it for 45 minutes before further use.

Бактерииbacteria

Clostridium autoethanogenum получены из банка биологического материала в Германии (DSMZ). Идентификационный номер, присвоенный этим бактериям в DSMZ 10061. В качестве альтернативы, были использованы Clostridium autoethanogenum под идентификационным номером вложения в DSMZ 19630.Clostridium autoethanogenum obtained from the biological material bank in Germany (DSMZ). The identification number assigned to these bacteria in DSMZ 10061. Alternatively, Clostridium autoethanogenum was used under the insertion identification number in DSMZ 19630.

Пробоотбор и аналитические процедурыSampling and Analytical Procedures

Пробы сред отбирали с определенными интервалами в течение 5 дней. Каждый раз при отборе проб обеспечивались меры предосторожности, чтобы не допустить поступления или выхода газа из реакторов/колб для сыворотки.Media samples were taken at certain intervals for 5 days. Every time samples were taken, precautions were taken to prevent gas from entering or exiting the whey reactors/flasks.

Все пробы были использованы для измерения оптической плотности при 600 нм (спектрофотометр) с целью определения плотности клеток в культуре, концентрации субстратов и продуктов определяли при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и газовой хроматографии (ГХ). ВЭЖХ в обычном порядке использовали для количественного определения ацетата и этанола. ГХ использовали для определения количества (в процентах по объему) газов монооксида углерода, диоксида углерода, водорода и азота.All samples were used to measure the optical density at 600 nm (spectrophotometer) to determine the density of cells in culture, the concentration of substrates and products were determined using high performance liquid chromatography (HPLC) and gas chromatography (GC). HPLC was routinely used to quantify acetate and ethanol. GC was used to determine the amount (in percent by volume) of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen gases.

ВЭЖХHPLC

Прибор ВЭЖХ системы Agilent, модификация 1100. Подвижная фаза: 0,0025Н серная кислота. Расход и давление: 0,800 мл/мин. Колонка: Alltech IOA; номер по каталогу 9648, 150х6,5 мм, размер частиц 5 мкм. Температура колонки: 60°С. Детектор: показатель преломления. Температура детектора: 45°С.Agilent 1100 HPLC instrument. Mobile phase: 0.0025 N sulfuric acid. Flow rate and pressure: 0.800 ml/min. Column: Alltech IOA; catalog number 9648, 150x6.5 mm, particle size 5 µm. Column temperature: 60°C. Detector: refractive index. Detector temperature: 45°C.

Способ подготовки пробы: 400 мкл пробы + 50мкл 0,15М ZnSO4+50 мкл 0,15М Ва(ОН)2 в пробирке Эппендорфа. Центрифугирование 10 мин при 12000 об/мин, 4°С. Перенесение 200 мкл кондиционированной среды в виалу для ВЭЖХ и инжекция 5 мкл в прибор ВЭЖХ.Sample preparation method: 400 µl of sample + 50 µl of 0.15 M ZnSO 4 +50 µl of 0.15 M Ba(OH) 2 in an Eppendorf tube. Centrifugation 10 min at 12,000 rpm, 4°C. Transfer 200 µl of the conditioned medium to an HPLC vial and inject 5 µl into the HPLC instrument.

Газовая хроматографияGas chromatography

Использовали двухканальный газовый хроматограф СР-4900 Micro-GC: канал СР-4900 молекулярное сито 5А PLOT, 10 м, внутренним диаметром 0,25 мм, 4,2 сек промывки обратным потоком, температура инжектора и колонки 70°С, газ-носитель аргон 200 кПа, инжекция 40 миллисекунд; канал СР-4900 PoraPLOT Q, 10 м, внутренним диаметром 0,25 мм, температура инжектора 70°С, температура колонки 90°С, газ-носитель гелий 150 кПа, инжекция 40 миллисекунд. Продолжительность измерения 20 сек. Продолжительность рабочего цикла метода 2 минуты. Линию ввода проб нагревали до 70°С и соединяли с сушилкой Nafion.A two-channel gas chromatograph CP-4900 Micro-GC was used: channel CP-4900 molecular sieve 5A PLOT, 10 m, inner diameter 0.25 mm, 4.2 sec backwash, injector and column temperature 70°C, carrier gas argon 200 kPa, injection 40 milliseconds; channel CP-4900 PoraPLOT Q, 10 m, inner diameter 0.25 mm, injector temperature 70°C, column temperature 90°C, carrier gas helium 150 kPa, injection 40 milliseconds. Measurement duration 20 sec. The duration of the working cycle of the method is 2 minutes. The sampling line was heated to 70° C. and connected to a Nafion dryer.

Пример 1. Ферментация с использованием отходящего газа сталелитейного завода Example 1 . Fermentation using steel mill off-gas

Пример 1а (колба для сыворотки) Example 1a (serum flask)

Инкубацию осуществляли в герметичных колбах для сыворотки объемом 250 мл, в каждой из которых содержалось 50 мл сред. Свободное пространство над средой в каждой колбе для сыворотки сначала, перед вакуумированием, три раза продули СО2, затем заполнили отходящим газом, отобранным на сталелитейном заводе, до итогового давления 25 psig (172,3 кПа). В каждую колбу внесли 1 мл посевного материала культуры Clostridium autoethanogenum. Далее использовали встряхивающий инкубатор и поддерживали температуру реакции равной 37°С.Incubation was carried out in sealed 250 ml serum flasks, each containing 50 ml of media. The headspace in each serum flask was first purged with CO 2 three times before evacuation, then filled with steel mill off-gas to a final pressure of 25 psig (172.3 kPa). 1 ml of Clostridium autoethanogenum inoculum was added to each flask. Next, a shaking incubator was used and the reaction temperature was maintained at 37°C.

Пробы сред отбирали с одинаковыми интервалами в течение 15 дней. Каждый раз при отборе проб обеспечивались меры предосторожности, чтобы не допустить поступления или выхода газа из колб для сыворотки.Media samples were taken at equal intervals for 15 days. Every time samples were taken, precautions were taken to prevent gas from entering or escaping from the serum flasks.

Все пробы были использованы для измерения плотности клеток в культуре и количества ацетата.All samples were used to measure cell density in culture and the amount of acetate.

Как видно на фиг. 14 и 15, рост клеток и производство ацетата увеличивалось на протяжении начальных 10 дней, после чего медленно убывало. Таким образом, рост клеток и производство ацетата можно было без труда поддерживать при помощи отходящего газа сталелитейного завода даже при том, что перед использованием этого газа для реакции ферментации не проводилась никакая его дополнительная обработка.As seen in FIG. 14 and 15, cell growth and acetate production increased during the initial 10 days, after which it slowly decreased. Thus, cell growth and acetate production could be easily maintained with the off-gas from the steel mill, even though no further treatment had been carried out on the gas before it was used for the fermentation reaction.

Пример 1b (колба для сыворотки) Example 1b (serum flask)

Инкубацию осуществляли в герметичных колбах для сыворотки объемом 234 мл, в каждой из которых содержалась среда LM33. Свободное пространство над средой объемом 184 мл в каждой колбе для сыворотки сначала, перед вакуумированием, три раза продули отходящим газом сталелитейного завода, затем заполнили до избыточного давления 30 psig (206,8 кПа). В каждую колбу внесли 2 мл посевного материала культуры Clostridium autoethanogenum. Далее использовали встряхивающий инкубатор и поддерживали температуру реакции равной 37°С. Результаты этих экспериментов приведены в таблице 3.Incubation was carried out in sealed 234 ml serum flasks, each containing LM33 medium. The 184 ml headspace in each serum flask was first purged with steel mill off-gas three times before evacuation, then filled to 30 psig (206.8 kPa). 2 ml of Clostridium autoethanogenum inoculum was added to each flask. Next, a shaking incubator was used and the reaction temperature was maintained at 37°C. The results of these experiments are shown in Table 3.

Таблица 3
Колба для сыворотки (30 psig (206,8 кПа);
50% СО; 18% СО2; 3% Н2; 29% N2)
Table 3
Serum flask (30 psig);
50% CO; 18% CO 2 ; 3% H 2 ; 29% N 2 )
ДеньDay 00 11 22 Биомасса, г/лBiomass, g/l 0,080.08 0,220.22 0,190.19 Ацетат, г/лAcetate, g/l 0,40.4 1,41.4 3,23.2 Этанол, г/лEthanol, g/l 00 00 0,30.3 Избыточное давление, psigOverpressure, psig 30thirty 2828 1818

Пример 1с (проточный реактор с мешалкой объемом 10 л) Example 1c (10 L Stirred Flow Reactor)

Биореактор Bioflo 3000 заполнили 5 л среды LM33 без цистеина и раствора витаминов (LS03) и обрабатывали в автоклаве в течение 30 мин при 121°С. После охлаждения среду продули N2 и добавили раствор LS03, а также цистеин. Затем, перед внесением 150 мл посевного материала культуры Clostridium autoethanogenum, газ заменили на отходящий газ сталелитейного завода. Температуру в биореакторе поддерживали равной 37°С и осуществляли перемешивание при 200 об/мин в начале развития культуры с расходом газа 60 мл/мин. В ходе фазы роста перемешивание усилили до 400 об/мин, расход газа установили равным 100 мл/мин. рН установили равным 5,5 и поддерживали путем автоматического добавления 5М NaOH. Результаты эксперимента, включая потребление газа, приведены в таблице 4.A Bioflo 3000 bioreactor was filled with 5 L of LM33 without cysteine and vitamin solution (LS03) and autoclaved for 30 min at 121°C. After cooling, the medium was purged with N 2 and a solution of LS03 was added, as well as cysteine. Then, before applying 150 ml of Clostridium autoethanogenum culture inoculum, the gas was changed to steel mill off-gas. The temperature in the bioreactor was maintained at 37°C and agitation was carried out at 200 rpm at the beginning of the culture development with a gas flow rate of 60 ml/min. During the growth phase, stirring was increased to 400 rpm, the gas flow was set to 100 ml/min. The pH was adjusted to 5.5 and maintained by automatic addition of 5M NaOH. The results of the experiment, including gas consumption, are shown in Table 4.

Таблица 4
Ферментация в проточном реакторе с мешалкой при подаче отходящего газа сталелитейного завода
Table 4
Fermentation in a flow reactor with a stirrer in the supply of off-gas from a steel mill
ДеньDay 11 22 33 44 55 Биомасса, г/лBiomass, g/l 0,050.05 0,080.08 0,300.30 0,280.28 0,200.20 Ацетат, г/лAcetate, g/l 0,400.40 0,780.78 2,762.76 3,103.10 4,034.03 Этанол, г/лEthanol, g/l 0,000.00 0,000.00 0,000.00 0,480.48 0,710.71 Подача газа, мл/минGas supply, ml/min 6060 6060 100100 100100 100100 СО, %, в подаваемом газеCO, %, in the supplied gas 49,549.5 49,549.5 49,549.5 49,549.5 49,549.5 СО2, %, в подаваемом газеCO 2 , %, in the supplied gas 17,517.5 17,517.5 17,517.5 17,517.5 17,517.5 Н2, %, в подаваемом газеH 2 , %, in the supplied gas 2,92.9 2,92.9 2,92.9 2,92.9 2,92.9 N2, %, в подаваемом газеN 2 , %, in the supplied gas 27,727.7 27,727.7 27,727.7 27,727.7 27,727.7 Выход газа, мл/минGas output, ml/min 5555 5555 7373 9494 9292 СО, %, в исходящем газеCO, %, in outgoing gas 49,249.2 35,835.8 16,416.4 46,146.1 45,545.5 СО2, %, в исходящем газеCO 2 , %, in outgoing gas 16,916.9 30,630.6 44,644.6 21,121.1 21,121.1 Н2, %, в исходящем газеH 2 ,%, in the outgoing gas 3,23.2 3,23.2 1,11.1 3,23.2 3,23.2 N2, %, в исходящем газеN 2 , %, in outgoing gas 30,430.4 30,430.4 37,837.8 29,529.5 30,230.2

Пример 1d (газлифный реактор объемом 50 л) Example 1d (50 L gas-life reactor)

Газлифный реактор объемом 50 л (высотой 2900 мм х диаметром 150 мм, с направляющей трубкой высотой 200 мм х диаметром 95 мм) заполнили 37 л среды LМ33, стерилизованной на фильтре с порами 0,2 микрометра (фильтр Pall KA2 DFL P2). Через эту среду в течение 18 ч барботировали азот, затем перешли на отходящий газ сталелитейного завода и внесли 5 л посевного материала культуры Clostridium autoethanogenum. Температуру в газлифтном реакторе поддерживали равной 37°С, перемешивание осуществляли путем рециркуляции в пространстве над средой газа с расходом 15 л/мин. Вначале расход газа, подаваемого в реактор, составил 500 мл/мин. Повышенное давление в пространстве над средой поддерживали равным 8 psig (55,1 кПа). На протяжении фазы роста микроорганизмов подачу газа в реактор увеличили до 1000 мл/мин. рН установили равным 5,5 и поддерживали путем автоматического добавления 5М NaOH. Результаты эксперимента, включая потребление газа, приведены в таблице 5.A 50 L gas-lief reactor (2900 mm high x 150 mm diameter, with 200 mm high x 95 mm diameter guide tube) was filled with 37 L of LM33 media sterilized on a 0.2 micrometer filter (Pall KA2 DFL P2 filter). Nitrogen was bubbled through this medium for 18 hours, then switched to steel mill off-gas and 5 L of Clostridium autoethanogenum culture seed was added. The temperature in the gas lift reactor was maintained at 37°C, mixing was carried out by recirculation in the space above the gas medium with a flow rate of 15 l/min. Initially, the flow rate of the gas supplied to the reactor was 500 ml/min. The overpressure in the space above the medium was maintained at 8 psig (55.1 kPa). During the growth phase of microorganisms, the gas supply to the reactor was increased to 1000 ml/min. The pH was adjusted to 5.5 and maintained by automatic addition of 5M NaOH. The results of the experiment, including gas consumption, are shown in Table 5.

Таблица 5
Ферментация в газлифтном реакторе при подаче отходящего газа сталелитейного завода
Table 5
Fermentation in a gas-lift reactor with the supply of off-gas from a steel mill
ДеньDay 11 22 33 44 55 Биомасса, г/лBiomass, g/l 0,150.15 -- -- 0,360.36 0,360.36 Ацетат, г/лAcetate, g/l 0,870.87 3,933.93 7,907.90 9,449.44 10,8610.86 Этанол, г/лEthanol, g/l 0,000.00 0,000.00 0,210.21 0,380.38 0,480.48 Подача газа, мл/минGas supply, ml/min 500500 500500 10001000 10001000 10001000 СО, %, в подаваемом газеCO, %, in the supplied gas 43,643.6 43,643.6 43,643.6 44,344.3 44,344.3 СО2, %, в подаваемом газеCO 2 , %, in the supplied gas 19,719.7 19,719.7 19,719.7 20,020.0 20,020.0 Н2, %, в подаваемом газеH 2 , %, in the supplied gas 2,82.8 2,82.8 2,82.8 2,82.8 2,82.8 N2, %, в подаваемом газеN 2 , %, in the supplied gas 33,933.9 33,933.9 33,933.9 32,832.8 32,832.8 Выход газа, мл/минGas output, ml/min 341341 -- -- 690690 716716 СО, %, в исходящем газеCO, %, in outgoing gas 29,129.1 -- -- 33,133.1 41,341.3 СО2, %, в исходящем газеCO 2 , %, in outgoing gas 29,529.5 -- -- 28,528.5 22,722.7 Н2, %, в исходящем газеH 2 ,%, in the outgoing gas 2,92.9 -- -- 3,03.0 2,62.6 N2, %, в исходящем газеN 2 , %, in outgoing gas 38,438.4 -- -- 34,834.8 33,533.5

Благодаря конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения расширяется применимость реакций микробиологической ферментации с использованием промышленных отходящих газов, особенно для производства этанола бактериями Clostridium autoethanogenum. Содержащие СО отходящие газы, получаемые непосредственно из производственных процессов, могут быть использованы в качестве субстрата в реакциях ферментации с целью производства продуктов, таких как ацетат и/или этанол. Это является результатом улавливания углерода, содержащегося в отходящих газах, и, таким образом, повышается качество или уменьшается количество отходов, образующихся в производственных процессах, в частности, при производстве стали, и уменьшаются затраты, связанные с использованием на практике реакций ферментации.Specific embodiments of the present invention extend the applicability of microbiological fermentation reactions using industrial off-gases, especially for the production of ethanol by the bacteria Clostridium autoethanogenum. Off-gases containing CO, obtained directly from industrial processes, can be used as a substrate in fermentation reactions to produce products such as acetate and/or ethanol. This is the result of capturing the carbon contained in the off-gases, and thus improves the quality or reduces the amount of waste generated in production processes, in particular steel production, and reduces the costs associated with the practical use of fermentation reactions.

Пример 2. Ферментация с использованием орошающей воды Example 2 . Fermentation with irrigation water

В непрерывном потоке газа, содержащего 95% СО и 5% СО2, 25 мл сред LМ23 распределили в колбы для сыворотки объемом 250 мл и смешали либо с 25 мл дистиллированной воды (контрольные коблы), либо с 25 мл обескислороженной орошающей воды со скорректированным рН (экспериментальные колбы). Все колбы закрыли газонепроницаемой диафрагмой из бутилкаучука и герметизировали путем обжима крышки перед обработкой в автоклаве при 121°С в течение 20 мин.In a continuous stream of gas containing 95% CO and 5% CO 2 , 25 ml of LM23 media were dispensed into 250 ml serum flasks and mixed with either 25 ml of distilled water (control flasks) or 25 ml of deoxygenated pH-adjusted reflux water (experimental flasks). All flasks were sealed with a gas-tight butyl rubber septum and sealed by crimping the lid prior to autoclaving at 121°C for 20 minutes.

После охлаждения во все колбы для сыворотки внесли 1 мл посевного материала культуры Clostridium autoethanogenum, которая активно росла в атмосфере 95% СО и 5% СО2. Пространство над культурой заполнили 95% СО и 5% СО2 до давления 35 psig (241,3 кПа). Из каждой колбы в асептических условиях отобрали первую пробу среды. Колбы поместили во встряхивающий инкубатор с температурой 37°С.After cooling, all serum flasks were filled with 1 ml of inoculum of a Clostridium autoethanogenum culture that was actively growing in an atmosphere of 95% CO and 5% CO 2 . The space above the culture was filled with 95% CO and 5% CO 2 to a pressure of 35 psig (241.3 kPa). The first sample of the medium was taken from each flask under aseptic conditions. The flasks were placed in a shaking incubator at 37°C.

Пробы сред отбирали с одинаковым интервалом на протяжении 15 дней. Каждый раз при отборе проб пространство над средой в каждой колбе три раза продували 95% СО и 5% СО2 перед подъемом давления до 35 psig (241,3 кПа).Media samples were taken at the same interval for 15 days. Each time samples were taken, the headspace in each flask was purged three times with 95% CO and 5% CO 2 before pressurizing to 35 psig (241.3 kPa).

Все пробы были использованы для измерения концентрации клеток и количества этанола и ацетата в каждой культуре.All samples were used to measure cell concentration and the amount of ethanol and acetate in each culture.

Результатыresults

Как можно видеть на фиг. 16 и 17, влияние добавления 50% орошающей воды к среде включает:As can be seen in FIG. 16 and 17, the effects of adding 50% irrigation water to the medium include:

1. Снижение уровня производства ацетата;1. Reduced production of acetate;

2. 45% увеличение конечной плотности бактерий;2. 45% increase in the final density of bacteria;

3. 45% увеличение уровня производства этанола.3. 45% increase in ethanol production.

Как таковые, конкретные варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают увеличение эффективности роста бактерий и производства спирта в ходе реакций ферментации, в частности, производства этанола бактериями Clostridium autoethanogenum. В качестве добавки к питательным средам, используемым в реакциях ферментации, могут быть использованы отходы производственных процессов. В частности, орошающая вода может быть использована в качестве альтернативного основного сырья или субстрата для реакций микробиологической ферментации. Результатом этого является повышение качества или уменьшение количества отходов, образующихся в ходе производственных процессов, в частности, производства стали, уменьшение количества сред, необходимых для поддержания реакций ферментации, и уменьшение образования ацетата, являющегося побочным продуктом при производстве этанола путем ферментации, таким образом, повышается общая эффективность реакций ферментации и уменьшаются затраты, связанные с осуществлением на практике таких реакций.As such, specific embodiments of the present invention provide an increase in the efficiency of bacterial growth and alcohol production during fermentation reactions, in particular the production of ethanol by the bacteria Clostridium autoethanogenum. As an additive to the nutrient media used in fermentation reactions, waste from production processes can be used. In particular, irrigation water can be used as an alternative base feedstock or substrate for microbiological fermentation reactions. The result of this is an increase in the quality or a decrease in the amount of waste generated during industrial processes, in particular steel production, a decrease in the amount of media needed to support fermentation reactions, and a decrease in the formation of acetate, which is a by-product in the production of ethanol by fermentation, thus increasing the overall efficiency of fermentation reactions and reducing the costs associated with the implementation of such reactions in practice.

Настоящее изобретение описано со ссылкой на определенные предпочтительные варианты его осуществления, чтобы дать возможность читателю реализовать данное изобретение без ненужного экспериментирования. Специалистам в данной области понятно, что настоящее изобретение может быть воплощено в большом числе вариантов и модификаций, отличных от специально описанных в настоящем документе. Следует понимать, что изобретение включает все подобные варианты и модификации. Кроме того, заголовки, рубрики и т.п. даны для того, чтобы облегчить для читателя понимание данного документа и не должны быть истолкованы как ограничивающие объем настоящего изобретения. Содержание всех патентных заявок, патентов и публикаций, цитируемых в данной документе, во всех их полноте включается в описание путем ссылки.The present invention has been described with reference to certain preferred embodiments to enable the reader to practice the invention without undue experimentation. Those skilled in the art will appreciate that the present invention may be embodied in a large number of variations and modifications other than those specifically described herein. It is to be understood that the invention includes all such variations and modifications. In addition, headings, headings, etc. are given to facilitate the reader's understanding of this document and should not be construed as limiting the scope of the present invention. The contents of all patent applications, patents and publications cited in this document, in their entirety, are incorporated into the description by reference.

Более конкретно, как ясно специалистам в данной области, реализация вариантов осуществления настоящего изобретения может включать один или более дополнительный элемент. В конкретном примере или в настоящем описании могли быть показаны только элементы, необходимые для понимания настоящего изобретения в различных его аспектах. Однако, объем настоящего изобретения не ограничивается описанными вариантами его осуществления и включает системы и/или способы, в которых имеется один или более дополнительный этап и/или один или более замененный этап и/или системы и/или способы, не включающие один или более этап.More specifically, as will be appreciated by those skilled in the art, implementation of the embodiments of the present invention may include one or more additional elements. In a specific example or in the present description, only the elements necessary for understanding the present invention in its various aspects could be shown. However, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments and includes systems and/or methods in which there is one or more additional steps and/or one or more replaced steps and/or systems and/or methods that do not include one or more steps.

Какая-либо ссылка на известный уровень техники в настоящем описании не является и не должна быть истолкована как признание или любая форма указания на то, что этот известный уровень техники составляет часть общедоступных сведений в данной области деятельности в любой стране.Any reference to prior art in this specification is not and should not be construed as an admission or any form of indication that this prior art forms part of the public knowledge in the art in any country.

В настоящем описании и любом пункте нижеследующей формулы изобретения, если контекст не указывает на иное, слова «содержать», «содержащий» и т.п. следует рассматривать как включающие, а не исключающие, то есть, в смысле «включающий, но этим не ограничивающийся».In the present description and any claim of the following claims, unless the context indicates otherwise, the words "comprise", "comprising", etc. should be considered as inclusive and not exclusive, that is, in the sense of "including but not limited to".

Claims (22)

1. Способ получения по меньшей мере одного продукта с помощью микробиологической ферментации, включающий стадии, на которых1. A method for obtaining at least one product using microbiological fermentation, including stages in which а) направляют углеродистый материал в зону газификации, работающую в условиях газификации, посредством чего по меньшей мере часть углеродистого материала превращается в субстрат, содержащий СО и Н2; иa) sending the carbonaceous material to a gasification zone operating under gasification conditions, whereby at least a portion of the carbonaceous material is converted to a substrate containing CO and H 2 ; And б) направляют указанный субстрат в биореактор, содержащий культуру по меньшей мере одного карбоксидотрофного микроорганизма, выбранного из рода Clostridium, и анаэробно ферментируют указанный субстрат до по меньшей мере одного продукта, выбранного из группы, состоящей из спиртов, кислот и их смесей.b) sending said substrate to a bioreactor containing a culture of at least one carboxydotrophic microorganism selected from the genus Clostridium and anaerobically fermenting said substrate to at least one product selected from the group consisting of alcohols, acids and mixtures thereof. 2. Способ по п. 1, где углеродистый материал выбран из группы, состоящей из сырой нефти, нефтяного кокса, твердых бытовых отходов, биомассы и их смесей.2. The method of claim 1, wherein the carbonaceous material is selected from the group consisting of crude oil, petroleum coke, municipal solid waste, biomass, and mixtures thereof. 3. Способ по п. 2, где углеродистый материал представляет собой твердые бытовые отходы.3. The method of claim 2, wherein the carbonaceous material is municipal solid waste. 4. Способ по п. 1, где CO и H2 присутствуют в соотношении от примерно 0,4:1 до примерно 1,2:1.4. The method of claim 1 wherein CO and H 2 are present in a ratio of about 0.4:1 to about 1.2:1. 5. Способ по п. 1, где субстрат дополнительно содержит СО2.5. The method according to p. 1, where the substrate additionally contains CO 2 . 6. Способ по п. 1, где спирт выбран из группы, состоящей из этанола, бутанола и их смесей.6. The method of claim 1 wherein the alcohol is selected from the group consisting of ethanol, butanol and mixtures thereof. 7. Способ по п. 1, где кислота выбрана из группы, состоящей из ацетата, молочной кислоты и их смесей.7. The method of claim 1, wherein the acid is selected from the group consisting of acetate, lactic acid, and mixtures thereof. 8. Способ по п. 1, где микроорганизм выбран из группы, состоящей из Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans и их смесей.8. The method of claim 1 wherein the microorganism is selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans and mixtures thereof. 9. Способ по п. 8, где микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum.9. The method of claim 8 wherein the microorganism is Clostridium autoethanogenum . 10. Способ по п. 9, где микроорганизм представляет собой штамм Clostridium autoethanogenum, который внесен в банк биологического материала в Германии (DSMZ) под идентификационным номером вложения DSM 19630.10. The method according to claim 9, wherein the microorganism is a strain of Clostridium autoethanogenum , which is listed in the German biological material bank (DSMZ) under the attachment identification number DSM 19630. 11. Способ по п. 4, где соотношение СО и Н2, присутствующих в субстрате, изменяют путем регулирования по меньшей мере одного параметра, выбранного из группы, состоящей из состава сырья, рабочего давления, рабочей температуры и используемого окислителя.11. The method of claim 4, wherein the ratio of CO and H 2 present in the substrate is changed by adjusting at least one parameter selected from the group consisting of feedstock composition, operating pressure, operating temperature, and oxidizer used. 12. Способ по п. 1, где субстрат, содержащий СО и Н2, смешивают с прерывистым потоком отходящего газа, содержащим СО.12. The method according to claim 1, wherein the substrate containing CO and H 2 is mixed with an intermittent off-gas stream containing CO. 13. Способ получения по меньшей мере одного продукта с помощью микробиологической ферментации, включающий стадии, на которых13. The method of obtaining at least one product using microbiological fermentation, including stages in which а) направляют углеродистый материал, выбранный из твердых бытовых отходов, биомассы или их смесей, в зону газификации, работающую в условиях газификации, посредством чего по меньшей мере часть углеродистого материала превращается в субстрат, содержащий СО и Н2; иa) sending a carbonaceous material selected from municipal solid waste, biomass, or mixtures thereof, to a gasification zone operating under gasification conditions, whereby at least a portion of the carbonaceous material is converted into a substrate containing CO and H 2 ; And б) направляют указанный субстрат в биореактор, содержащий культуру по меньшей мере одного карбоксидотрофного микроорганизма, выбранного из рода Clostridium, и анаэробно ферментируют указанный субстрат до по меньшей мере одного продукта, выбранного из группы, состоящей из этанола, бутанола, кислот и их смесей.b) sending said substrate to a bioreactor containing a culture of at least one carboxydotrophic microorganism selected from the genus Clostridium, and anaerobically fermenting said substrate to at least one product selected from the group consisting of ethanol, butanol, acids and mixtures thereof. 14. Способ по п. 13, где CO и H2 присутствуют в соотношении от примерно 0,4:1 до примерно 1,2:1.14. The method of claim 13 wherein CO and H 2 are present in a ratio of about 0.4:1 to about 1.2:1. 15. Способ по п. 13, где субстрат, содержащий СО и Н2, смешивают с прерывистым потоком отходящего газа, содержащим СО.15. The method of claim 13, wherein the substrate containing CO and H 2 is mixed with an intermittent off-gas stream containing CO. 16. Способ по п. 13, где микроорганизм выбран из группы, состоящей из Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans и их смесей.16. The method of claim 13 wherein the microorganism is selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans and mixtures thereof. 17. Способ по п. 16, где микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum.17. The method of claim 16 wherein the microorganism is Clostridium autoethanogenum . 18. Способ по п. 13, где углеродистый материал представляет собой твердые бытовые отходы.18. The method of claim 13 wherein the carbonaceous material is municipal solid waste.
RU2022121313A 2007-10-28 2022-08-04 Advanced carbon capture in fermentation RU2800360C1 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NZ560757 2007-10-28
US60/983,203 2007-10-28
US60/983,199 2007-10-28
US60/987,581 2007-11-13

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020131629A Division RU2778024C2 (en) 2007-10-28 2020-09-25 Improved carbon sequestration in fermentation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2800360C1 true RU2800360C1 (en) 2023-07-20

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2060277C1 (en) * 1988-09-27 1996-05-20 Култор Лтд. Process of production of ethanol product
RU2177036C2 (en) * 1994-12-07 2001-12-20 Кэнтроулд Инвайерэнментл Систеэс Копэрейшн Method of lactic acid producing (variants)
WO2006119052A2 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 Anaerobe Systems Anaerobic production of hydrogen and other chemical products
WO2007014349A2 (en) * 2005-07-27 2007-02-01 Lutz Michael J Method of sequestering carbon dioxide in aqueous environments

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2060277C1 (en) * 1988-09-27 1996-05-20 Култор Лтд. Process of production of ethanol product
RU2177036C2 (en) * 1994-12-07 2001-12-20 Кэнтроулд Инвайерэнментл Систеэс Копэрейшн Method of lactic acid producing (variants)
WO2006119052A2 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 Anaerobe Systems Anaerobic production of hydrogen and other chemical products
WO2007014349A2 (en) * 2005-07-27 2007-02-01 Lutz Michael J Method of sequestering carbon dioxide in aqueous environments

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230059296A1 (en) Carbon capture in fermentation
JP6622194B2 (en) Multi-stage reactor system and process for continuous gas fermentation
RU2800360C1 (en) Advanced carbon capture in fermentation
RU2778024C2 (en) Improved carbon sequestration in fermentation
AU2013263735B2 (en) Improved carbon capture in fermentation