改進的發酵中碳捕捉的製作方法

2023-09-18 03:26:55

改進的發酵中碳捕捉的製作方法
【專利摘要】本發明提供了通過微生物發酵生產包括醇類和/或酸類的一種或多種產品的方法，該方法包括：i.接收來自工業工藝的含有CO的氣流；ii.將氣流送入含有在液體營養基質中的一種或多種一氧化碳營養菌的培養物的生物反應器中；和iii.將所述生物反應器中的所述培養物發酵以生成包括醇類和/或酸類的一種或多種產品，其中所述含有CO的氣流來源於甲烷或天然氣的氣化或由烴的蒸汽轉化得到。
【專利說明】改進的發酵中碳捕捉
【技術領域】
[0001]本發明涉及在包括微生物發酵的工藝中提高總碳捕捉和/或提高總效率的系統和方法。特別地，本發明涉及在包括物質微生物發酵的工藝中提高碳捕捉和/或提高效率的方法，所述物質包含源於工業來源的CO。
【背景技術】
[0002]乙醇正迅速成為全球主要的富氫液體運輸燃料。2005年，全球乙醇消費量約為122億加侖。因為歐洲、日本、美國和多個發展中國家對乙醇的需求增長，預計乙醇燃料工業的全球市場在未來會繼續急劇增長。
[0003]例如，在美國，乙醇被用於生產ElO (含有10%乙醇的汽油混合物)。在ElO混合物中，乙醇成分作為補氧劑(oxygenating agent),以提高燃燒效率並降低空氣汙染物的產生。在巴西，乙醇作為汽油中混合的補氧劑以及單獨作為純燃料滿足了約30%的運輸燃料需求。此外，在歐洲，對溫室氣體(GHG)排放後果的環境方面的關注已促使歐盟(EU)對其成員國制訂了消費可持續運輸燃料例如生物乙醇的強制性目標。
[0004]絕大多數燃料乙醇通過傳統的基於酵母的發酵工藝生產，所述工藝使用作物來源的碳水化合物(例如甘蔗中提取的蔗糖或穀物中提取的澱粉)作為主要碳源。然而，這些碳水化合物原料的成本受其作為人類糧食或動物飼料的價格影響，並且種植產澱粉或產蔗糖作物用於生產乙醇並非在所有地域都是經濟上可持續的。因此，需要開發將低成本和/或更充足碳源轉化成燃料乙醇的技術。
[0005]CO是有機材料(例如煤炭或石油和石油衍生產品)不完全燃燒時產生的主要的、免費的、富含能量的副產品。例如，據報導澳大利亞鋼鐵工業每年產生並向空氣中釋放超過500，000 噸 CO。
[0006]催化工藝可用於將主要由CO和/或CO和氫氣(H2)組成的氣體轉化為多種燃料和化學品。也可以用微生物將這些氣體轉化為燃料和化學品。這些生物工藝雖然通常比化學反應慢，但與催化工藝相比具有多種優勢，包括更高的特異性、更高的產量、更低的能量消耗和更大的耐毒性。
[0007]微生物以CO作為唯一碳源生長的能力於1903年首次發現。這後來被確定為採用自養生長的乙醯輔酶A (乙醯CoA)生化路徑(也稱為Woods-Ljungdahl路徑和一氧化碳脫氫酶/乙醯輔酶A合成酶(C0DH/ACS)路徑)的生物的一種特性。已經表明，很多厭氧生物，包括一氧化碳營養生物、光合作用生物、產甲烷生物和產乙酸生物，均將CO代謝成多種最終產物，即C02、H2、甲烷、正丁醇、乙酸鹽和乙醇。當使用CO作為唯一碳源時，所有此類生物產生至少兩種此類最終產物。
[0008]已證實厭氧細菌(例如梭菌屬的細菌)通過乙醯Cok生化路徑從C0、C02、和H2生成乙醇。例如，從氣體生成乙醇的Clostridium Ijungdahlii的多個菌株在W000/68407、EP117309、美國專利 5， 173，429,5, 593，886 和 6，368，819、W098/00558 和 W002/08438中有描述。也已知細菌菌種Clostridium autoethanogenum從氣體生成乙醇(Abrini等，Archives of Microbiologyl61,第 345-351 頁(1994))。
[0009]然而，微生物通過氣體發酵生成乙醇通常伴隨生成乙酸鹽和/或乙酸副產品。由於部分可用的碳被轉化為乙酸鹽/乙酸而不是乙醇，使用此類發酵工藝生產乙醇的效率可能低於期望值。並且，除非乙酸鹽/乙酸副產品能用於一些其它目的，其可能形成廢物處理問題。乙酸鹽/乙酸通過微生物轉化為甲烷並因此可能增加GHG排放。
[0010]在H2存在下CO的微生物發酵能使碳基本完全轉化為醇。然而，當缺乏足夠的H2時，部分CO被轉化為醇，但很大一部分被轉化為CO2，如下述方程式中所示:
[0011 ] 6C0+3H20 — C2H50H+4C02
[0012]12H2+4C02 — 2C2H50H+6H20
[0013]CO2的產生表不總碳捕捉低效,如果排放，同樣可能增加溫室氣體排放。
[0014]W02007/117157(其公開內容作為參考併入本文)描述了通過厭氧發酵含有一氧化碳的氣體生產醇類(尤其是乙醇)的一種工藝。作為發酵工藝中的副產品而生成的乙酸鹽被轉化為氫氣和二氧化碳氣體，兩者都可用於厭氧發酵工藝。W02008/115080(其公開內容作為參考併入本文)描述了經多級發酵階段製備醇類的工藝。第一個生物反應器中氣體厭氧發酵所生成的副產物能被用於第二生物反應器中生產產品。此外，第二發酵階段的副產品能被回收到第一生物反應器中生產產品。
[0015]US7, 078，201和W002/08438還描述了通過改變用於發酵的液體培養基的條件(例如pH和氧化還原電位)來改進生產乙醇的發酵工藝。如在這些出版物中公開的，類似的工藝也可用於生產其它醇類，如丁醇。
[0016]即使對生產一種或多種酸和/或一種或多種醇的發酵工藝進行微小的改善也可能對該工藝的效率，尤其是商業可行性產生重大的影響。
[0017]例如，無論用於供給發酵反應的來源為何，當原料供給中斷時會發生問題。更具體的，上述中斷可能不利於反應中使用的微生物的生產效率，在某些情況下，可能對其是有害的。例如，當工業廢氣流中的CO氣體被用於發酵反應生產酸/醇類時，可能有時沒有氣流被生產出來。在這些時候，反應中使用的微生物可能進入失活的、非生產的狀態或者進入休眠。當氣流再次形成時，可能在微生物以完全生產能力進行所需反應之前存在滯後期。因此，如果有一種減少或消除該滯後時間的方法，將會有顯著的益處。
[0018]　作為另一個例子，在許多工業生產工藝中，使用洗滌系統或設備減少汙染廢氣的顆粒(如灰塵)以及其它成分的濃度。幹法或溼法洗滌系統是公知的。在溼法洗滌系統中，水或者其它液體被用於從氣流中「清洗」掉汙染物。典型的溼法洗滌系統見於鋼廠，在那裡使用水來清潔在鋼鐵製造的不同階段生成的煙道氣:例如在煉焦爐、鼓風爐、氧氣頂吹轉爐或電弧爐中生成的氣體。儘管洗滌具有減少廢氣中汙染物水平的益處，但卻不能徹底除去汙染物。不需要的物質僅僅被從氣體中除去形成固體或粉末形式，或者進入洗滌水或液體。洗滌系統中使用的水或液體因此成為該工業中產生的廢物流。上述廢物的處理構成環境危害。清潔和處理上述廢料的需求對該工業而言也意味著巨額的成本。
[0019]儘管傳統工業洗滌器(如在鋼廠)從工業廢氣流中除去了部分汙染物，由於上述氣體對發酵反應中所用微生物的可預知的不良影響，本領域已經認同，在將氣體提供給發酵反應之前需要對其進行額外的洗滌和/或處理步驟。例如參見Datar等，Fermentation of biomass-generated producer gas to ethanol，2004， Biotechnologyand Bioengineering,第86卷,第587-594頁。進行額外的洗漆和/或處理步驟需要工廠中有額外的空間，當發酵工藝被添加到現有工廠時，這一要求可能尤其麻煩。因此，需要改進的工藝，其中不需要上述洗滌或其它處理步驟，或者至少上述洗滌或其它處理步驟被保持在最低限度。
[0020]本發明的目的是提供克服或改善現有技術中已知的至少一種缺陷的系統和/或方法，並向公眾提供改善或增加各種有用產品生成的新方法。

【發明內容】

[0021]第一方面，本發明提供了通過微生物發酵捕捉碳的方法，該方法包括:
[0022]1.接收工業工藝中含有CO的尾氣或廢氣流；
[0023]I1.將該氣流送入含有一種或多種微生物培養物的生物反應器；和
[0024]II1.在該生物反應器中發酵該培養物以生成一種或多種產品。
[0025]在一些實施方案中，該方法包括使用CO2去除設備從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內容物:
[0026]1.進入該生物反應器之前的流體；和
[0027]I1.已經離開該生物反應器的流體。
[0028]在某些實施例中，所述方法包括第一氣體分離步驟，該第一氣體分離步驟包括:
(i)接收氣流；(ii)基本分離該氣流的至少一部分，其中該部分含有該氣流的一種或多種組分；和(iii)將至少部分`所述分離部分送入生物反應器。在一個實施方案中，所述送入生物反應器中的至少部分所述分離部分含有CO。
[0029]在具體實施方案中，所述方法包括第二氣體分離步驟，該第二氣體分離步驟包括:
(i)接收氣流；(ii)基本分離該氣流的至少一部分，其中該部分含有該氣流的一種或多種組分；和(iii)將至少部分所述分離部分送入CO2去除設備。在一個實施方案中，所述氣體分離步驟從氣流中基本分離出CO2並將分離出的CO2送入CO2去除設備。
[0030]在具體實施方案中，所述方法包括緩衝氣流並將至少部分氣流以基本連續的方式送入生物反應器。在一個實施方案中，所述緩衝步驟包括:(i)在儲存裝置中接收間斷的或非連續的氣體流；和(ii)從儲存裝置中向生物反應器送入基本連續的流體。
[0031]在某些實施方案中，所述方法包括將一種或多種氣流與至少一種其它流體混合。
[0032]在某些實施方案中，所述方法包括向生物反應器加入工業工藝中的洗滌水。
[0033]第二方面，本發明提供了通過微生物發酵捕捉碳的系統，該系統包括一個接收工業工藝中的尾氣或廢氣的入口，其中，在使用中，該系統被設置成將至少一部分氣體送入生物反應器以通過微生物發酵生成產品。
[0034]在一些實施方案中，所述系統包括被設置成在使用中從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內容物的CO2去除設備:
[0035]1.進入該生物反應器之前的流體；和
[0036]I1.已經離開該生物反應器的流體。
[0037]在具體實施方案中，所述系統包括第一氣體分離器，其被設置成在使用中:(i)接收氣體流；(ii)基本分離該氣體流的至少一部分，其中該部分含有該氣體流中的一種或多種組分；和(iii)將至少部分的所述分離部分送入生物反應器。在一個實施方案中，所述第一氣體分離器適於在使用中從氣體流中基本分離CO並將分離的CO送入生物反應器。
[0038]在具體實施方案中，所述系統包括第二氣體分離器，其被設置成在使用中:(i)接收氣體流；(ii)基本分離該氣體流的至少一部分，其中該部分含有該氣體流中的一種或多種組分；和(iii)將至少部分的所述分離部分送入CO2去除設備。在一個實施方案中，所述第二氣體分離器適於從氣體流中分離CO2並將分離的CO2送入CO2去除設備。
[0039]在一些實施方案中，所述系統包括緩衝裝置，其適於在使用中以基本連續的流體向生物反應器供應底物流。在具體實施方案中，所述緩衝裝置包括緩衝儲罐，其適於在使用中:
[0040]1.接收間斷的或非連續的氣體流/底物流；和
[0041]i1.將基本連續的氣體流/底物流送入生物反應器。
[0042]在某些實施方案中，所述系統包括混合裝置，其適於在使用中將氣體流與至少一種其它流體混合之後將該混合流體送入生物反應器。
[0043]在具體實施方案中，所述系統包括一個確定性裝置以監測進入生物反應器和/或從生物反應器排出的至少一種氣體流的組成。在某些實施方案中，所述系統包括控制裝置，該裝置用於將至少部分的一種或多種氣體流/排氣流導向下述一種或多種設備:
[0044]1.生物反應器；
[0045]i1.CO2 去除設備；
[0046]ii1.第一氣體分離器；
`[0047]iv.第二氣體分離器；
[0048]V.緩衝裝置；
[0049]v1.混合裝置；和
[0050]vi1.排氣裝置，
[0051]對i至vii中具體設備的選擇至少部分由確定性裝置所決定。
[0052]第三方面，本發明提供了在通過生物反應器中微生物發酵底物來生產產品的工藝中提高總碳捕捉的系統，該系統包括CO2去除設備，該設備被設置成從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內容物:
[0053]1.進入該生物反應器之前的流體；和
[0054]I1.已經離開該生物反應器的流體。
[0055]第四方面，本發明提供了提高以氣體微生物發酵來生產產品的工藝之效率的系統，其中所述氣體的供給是間斷的，該系統包括適於接收和儲存至少一部分氣體的緩衝裝置，和適於從該緩衝裝置接收至少一部分氣體的生物反應器。
[0056]第五方面，本發明提供了提高以氣體微生物發酵來生產產品的工藝之效率的系統，該系統包括適於接收氣體流並將至少一部分該流體送入生物反應器的氣體分離器。
[0057]第六方面，本發明提供了適於通過微生物發酵廢氣來生產醇類的鋼廠。
[0058]根據具體的方面，本發明的系統和方法適合用於通過厭氧發酵含有一氧化碳氣體來生產醇類(更具體的，為乙醇和/或丁醇)的工藝。此外或可選擇地，也可生產酸類，如乙酸或乙酸鹽。然而，本發明並不限於此而是旨在覆蓋其它發酵反應，包括需氧發酵、生成不同產品(如異丙醇或H2)的發酵反應、以及不包括含碳氣體發酵的發酵反應。
[0059]本發明的實施方案發現了在發酵含有CO的氣態底物來生產酸類和/或醇類中的具體應用，儘管本發明的具體方面並不限於包含CO的底物。氣態底物可含有從工業工藝中作為副產品獲得的氣體。在某些實施方案中，該工業工藝選自:黑色金屬產品製造、有色產品製造、石油精煉工藝、生物質氣化、煤炭氣化、電力生產、炭黑生產、氨生產、甲醇生產和焦炭生產。更優選地，所述氣體底物包含從鋼廠獲得的氣體。
[0060]在某些優選的實施方案中，所述氣態底物含體積比為20%至100%的CO，如體積比為50%至95%的CO，如體積比為50%至70%的CO。具有較低CO濃度(如6%)的氣態底物也是合適的，尤其當H2和CO2也同時存在時。
[0061]在優選實施方案中，發酵反應通過一氧化碳營養菌的一種或多種菌株進行。 [0062]優選地,所述一氧化碳營養菌選自:梭菌(Clostridium)、穆爾氏菌(Moorella)、氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus)。最優選地，該一氧化碳營養菌為Clostridiumautoethanogenum。
[0063]附圖簡要描述
[0064]參照附圖對本發明進行詳細描述:
[0065]圖1是根據本發明的某些實施方案在生物反應器下遊包括CO2去除設備的系統的示意圖。
[0066]圖2是根據本發明的某些實施方案在生物反應器上遊包括CO2去除設備的系統示意圖。
[0067]圖3是在生物反應器下遊包括CO2去除設備以及將底物流返送至生物反應器的設備的系統不意圖。
[0068]圖4是根據本發明的某些實施方案在生物反應器的上遊包括氣體分離器的系統示意圖。
[0069]圖5是根據本發明的某些實施方案在生物反應器的下遊包括氣體分離器的系統示意圖。
[0070]圖6是根據本發明的某些實施方案包括兩個氣體分離器的系統示意圖:一個氣體分離器位於生物反應器的上遊，而一個氣體分離器位於生物反應器的下遊。
[0071]圖7是根據本發明的某些實施方案包括緩衝儲罐的系統示意圖。
[0072]圖8是根據本發明的某些實施方案包括可選的緩衝儲罐的系統示意圖。
[0073]圖9是根據本發明的某些實施方案包括壓縮機的系統示意圖。
[0074]圖1Oa是根據本發明的某些實施方案包括多個底物流源以及緩衝儲罐的系統示意圖。
[0075]圖1Ob是根據本發明的某些實施方案包括多個底物流源以及緩衝儲罐的系統示意圖。
[0076]圖11是根據本發明的某些實施方案包括緩衝儲罐、氣體分離器和CO2去除設備的系統的不意圖。
[0077]圖12是根據本發明的某些實施方案適於從廢氣流中捕捉碳的系統示意圖。
[0078]圖13是根據本發明的某些實施方案包括混合裝置的系統示意圖。
[0079]圖14顯示當鋼廠氣作為氣源時微生物隨時間的生長；和
[0080]圖15顯示當鋼廠氣作為氣源時產品(即乙酸鹽產品)隨時間的合成。
[0081]圖16顯不在實驗室基質中細囷生長和廣品合成隨時間的變化；和[0082]圖17顯示採用比例為1:1的實驗室基質和鋼廠洗滌水時細菌生長和產品合成隨時間的變化。
[0083]本發明詳細描述
[0084]根據本發明的某些方法，工業工藝中的廢氣或尾氣可用於補充和/或支持發酵反應，且在將該氣體送入進行發酵工藝的生物反應器之前對氣體進行最少的附加加工或處理步驟。這是特別令人驚訝的，因為人們普遍認為廢氣或尾氣含有可能損害發酵中所用微生物的生長和/或生存的汙染物。本發明對鋼鐵製造工藝中產生的廢氣或尾氣尤其適用，尤其那些用於生產醇類(例如乙醇、丁醇、異丙醇)和/或酸類(例如丁酸、乙酸和/或乙酸鹽)和/或氫的含有CO的氣體。儘管有能夠進行所述工藝的多種不同的微生物，本發明對涉及使用Clostridium autoethanogenum的發酵工藝尤其適用。
[0085]本發明的這一方面具有重要價值，因為其減少了在將廢氣用於發酵反應之前對廢氣進行的預處理步驟的數量或者消除了預處理步驟。因此，本發明為上述發酵工藝提供了更廣泛的適應性和/或適用性，尤其是在僅有有限的、預定量空間可用於增加設備進行發酵的已建成的工廠裡。同樣，由於對廢氣不進行或者進行有限的洗滌和/或預處理工藝，由於不需要處理由洗滌和/或預處理工藝產生的廢物或汙染物，本發明的實施方案也能改善或減少工業工藝中的廢物。
[0086]除了鋼鐵製造業之外的其它工業工藝中產生的廢氣也可以以類似的方法被用於本發明的方法。本發明可以容易地適用於使用除一氧化碳之外的其它氣態底物作為碳源和能量源，來生產乙醇之外的醇類、生產氫、和/或使用除Clostridium autoethanogenum之外的微生物的發酵反應。
[0087]適用於發酵工藝的底物也常含有C02。此外，在許多發酵反應中，例如當CO被轉化為包括酸類和/或醇類的產品時，會生成大量的co2。本發明涉及提高上述發酵反應中總碳捕捉的方法、系統、和工藝。
[0088]根據本發明的方法，從底物流中去除CO2 (或其它氣體)將提高CO濃度(或CO在氣態底物中的分壓)，並且從而提高CO作為底物時的發酵反應效率。增加氣態底物中的CO分壓會增加CO向發酵基質中的質量轉移。此外，用於供給發酵反應的氣體流的組成可對該反應的效率和/或成本產生重大影響。例如，O2會降低厭氧發酵工藝的效率。另外，在進行發酵之前或之後的發酵工藝階段中處理不希望的或不必要的氣體會增加上述階段的負荷(例如當氣體流在進入生物反應器之前被壓縮時，會不必要地使用能源壓縮發酵中不需要的氣體)。此外或可選擇地，如果用於另一反應(包括另一發酵反應)，特定底物流中的CO2組分可具有更高的價值。
[0089]此外，根據本發明的方法，增加流體中CO2的濃度，例如增加氣體流中CO2的分壓，將提高使用CO2工藝(如發酵)的效率。使用CO2的工藝的例子，例如發酵，是本領域熟知的。一些此類工藝的例子在W02006/108532中詳細描述並通過參考併入本文。
[0090]本發明的某些方面一般涉及用於提高包括微生物發酵在內的工藝之總碳捕捉的系統和方法。在具體實施方案中，本發明涉及從供給發酵反應的底物流中捕捉co2。此外或可選擇地，本發明涉及當流體已經離開生物反應器後從廢氣流中捕捉co2。在本發明具體實施方案中，供給發酵反應的底物包含有CO。
[0091]此外，可能希望去除和/或捕捉如CO2和/或CH4的含碳組分以提高上述工藝的總碳捕捉。此外或可選擇地，如果用於非發酵反應，特定氣體的組分可能具有更高的價值(例如，H2用作燃料時具有相當大的價值)。
[0092]本發明的某些方面總體上涉及用於提高通過微生物發酵氣體來生產產品的工藝之效率的系統和方法，尤其是通過對用於供給發酵的氣體流和/或作為發酵產物的氣體流使用至少一個氣體分離工藝來提高上述效率。在一個實施方案中，氣體分離器被設置成可基本分離氣體流的至少一部分，其中該部分包含一種或多種組分。例如，該氣體分離器可從含有下述組分的氣體流中分離出CO2:C0、C02、H2，其中CO2可被送入CO2分離器，而餘下的氣體流(含有CO和H2)可被送入生物反應器。
[0093]工業工藝中生成的氣體流(如在鋼廠從鐵至鋼的批量處理中生成的氣體流)是間斷性的，當這樣的氣體用於生物轉化時是不理想的。另外，流體的性質可以是氣體組成隨特定工業工藝的不同階段呈循環變化。例如，在鋼鐵製造工藝中，在生成基本上不含氧氣的氣體階段中，CO的濃度是最高的。相反地，當氣體基本不含有CO時，可存在高水平的02。許多發酵反應需要基本上不含O2的高濃度CO，如涉及厭氧細菌，尤其是一氧化碳營養菌的反應。
[0094]本發明的某些方面總體上涉及用於提高通過氣體微生物發酵來生產產品的工藝之效率的系統和方法，其中用於供給發酵反應的氣體流(或其它來源如溶解氣體和/或碳水化合物)是間斷性的。本發明的具體實施方案基於鋼鐵製造工業進行描述，一氧化碳營養菌被用於生產酸類和/或醇類，尤其是乙醇或丁醇。基於本發明的公開，本領域技術人員將認識到，本發明可用於不同的工業，以及鋼鐵製造工藝的不同階段。並且，基於本發明的公開，本領域技術人員將認識到，本發明可用於其它發酵反應，包括使用相同或不同微生物的反應。因此，本發明的範圍並不局限於所描述的具體實施方案和/或應用，而應被理解為涉及以間斷方式提供至少一種用於供給發酵工藝之組分的任何發酵工藝，如當使用以間斷方式產生的工業工藝中的 廢氣。
[0095]本發明的某些方面總體上涉及用於提高通過底物流微生物發酵來生產產品和/或捕捉碳的工藝之效率的系統和方法，其中該底物流與另外的流體混合以優化進行微生物發酵的組分。
[0096]令人驚訝地，當來自鋼廠的氧氣轉爐煉鋼工藝的洗滌水或氧氣頂吹轉爐廢氣與標準微生物生長基質在使用含有一氧化碳的氣體的發酵反應中混合，從而依據本發明的方法生產乙醇時，Clostridium autoethanogenum的生長以及其生產乙醇的能力增強了。這是相當令人驚訝的，因為水被認為含有對微生物生長和生存有害的汙染物。
[0097]這一發現在改善或減少工業工藝廢物、提高發酵反應效率、減少需要用來支持發酵反應的基質水平從而減少生產費用方面具有重要價值。本發明因此能夠用於減少發酵反應中形成的乙酸鹽副產品的水平。這在當乙酸鹽沒有用處而將被丟棄從而增加工業成本並造成環境問題的情況下有益處。
[0098]根據得到的結果，本發明可使用洗滌水作為發酵反應的主要原料。除鋼鐵製造業之外的其它工業工藝洗滌水也可以類似的方式被使用。另外，本發明可適用於使用一氧化碳之外的氣態底物作為碳源和能量源、生產乙醇之外的其它醇類、生產氫、和/或使用Clostridium autoethanogenum之外的其它微生物的發酵反應。
[0099]任意兩個或多個上述方面的每個方面的一個或多個特徵可以組合併在同一系統中使用並具有相應特徵的優勢。
[0100]定義
[0101]除非另有定義，本說明書通篇使用的下述術語定義如下:
[0102]本文所用術語「碳捕捉」指從含有CO2和/或CO的流體中聚集包括CO2和/或CO在內的碳化合物並且:
[0103].將該CO2和/或CO轉化為產品；或
[0104].將該CO2和/或CO轉化為適合長期儲存的物質；或
[0105].將該CO2和/或CO收集進適合長期儲存的物質中；或
[0106]這些工藝的組合。
[0107]術語「含有一氧化碳的底物」以及類似術語應被理解為一種或多種菌株可從中獲得一氧化碳用於例如生長和/或發酵的任何底物。
[0108]「含有一氧化碳的氣態底物」包括含有一氧化碳的任何氣體。氣態底物通常含有相當比例的CO，優選至少體積比為約5%至約100%的CO。
[0109]術語「生物反應器」包括由一個或多個容器和/或塔或管道設置組成的發酵設備，其包括連續攪拌反應釜(CSTR)、固定化細胞反應器(ICR)、滴流床反應器(TBR)、鼓泡塔、氣舉發酵罐、膜反應器如中空纖維膜生物反應器(HFMBR)、靜態混合器、或其它適合氣液接觸的容器或設備。
[0110]術語「共底物」指一種物質，儘管該物質不必需是產品合成中的主要能源和材料源，但當加入到另一物質如主要底物中時，其可被用於產品合成。
[0111]本文所用的術語「酸」包括羧酸和相應的羧酸鹽陰離子，例如本文描述的發酵液中存在的游離乙酸和乙酸鹽的混合物。發酵液中酸和羧酸鹽的分子比取決於該系統的pH值。另外，術語「乙酸鹽」包括乙酸鹽本身以及游離乙酸和乙酸鹽的混合物，例如本文描述的發酵液中存在的乙酸鹽和游離乙酸的混合物。
[0112]術語「限制性濃度」指微生物發酵基質中特定組分的初始濃度，該濃度非常低以保證其能夠在發酵的某個階段中被耗盡。
[0113]術語「間斷性流體」不僅指不能連續獲得的流體，而且指不連續具有預期組成的流體。
[0114]術語「洗滌水」指對諸如如下的工業工藝中生成的氣體流進行清潔而產生的水或其它液體:黑色金屬產品製造、有色產品製造、石油精煉工藝、生物質氣化、電力生產、炭黑生產、和焦炭生產。
[0115]術語「直接地」，當涉及將工業尾氣或廢氣送入生物反應器時，指在氣體進入該生物反應器之前沒有對該氣體進行或僅進行極少的加工或處理步驟，如冷卻和顆粒去除(注:厭氧發酵需要氧氣去除步驟)。
[0116]術語「期望的組成」用於指物質(如氣體流)中的組分的期望水平和類型。更具體地，如果氣體含有特定組分(例如CO和/或CO2)、和/或含有特定水平的特定組分、和/或不含有特定組分(例如對微生物有害的汙染物)、和/或不含有特定水平的特定組分，該氣體被認為具有「期望的組成」。當確定氣體是否具有預期的組成時，可考慮多於一種的組分。
[0117]術語「流體」指進入、通過和離開工藝的一個或多個階段的材料流，例如，供給生物反應器和/或任選的CO2去除設備的材料。流體的組成在其通過特定階段時可發生變化。例如，當流體通過生物反應器時,流體中的CO含量將減少，而CO2含量將增加。類似地，當流體通過CO2去除設備階段時，CO2含量將減少。
[0118]除非本文另有規定，本文所用的短語「發酵」、「發酵工藝」或「發酵反應」等等，旨在包括該工藝中的生長階段和產品生物合成階段。
[0119]術語「增加效率」、「增加的效率」等，當用於涉及發酵工藝時，包括但不限於，提高以下一種或多種水平:發酵中微生物的生長率、消耗單位體積或質量的底物(例如一氧化碳)所生成的期望產品(如醇類)的體積或質量、所期望產品的生產速率或生產水平、以及與發酵的其它副產品相比期望產品的相對比例，並進一步反映該工藝中生成的任何副產品的價值(可能是正面的或負面的)。
[0120]一方面，本發明涉及用於提高通過底物微生物發酵來生產產品的工藝中總碳捕捉的系統和方法，所述系統和方法包括至少一個在發酵反應之前(即上遊)或之後(即下遊)的對底物和/或流體進行的CO2去除工藝。在本發明的某些實施方案中，底物包含有CO。通常，該底物是氣態的；然而，本發明並不局限於此。
[0121]一方面，本發明涉及用於提高通過氣體微生物發酵來生產產品的工藝中總碳捕捉的系統和方法，所述系統和方法包括至少一個在發酵反應之前(即上遊)或之後(即下遊)對氣體進行的氣體分離工藝。如上所述，在具體實施方案中，用於微生物發酵的底物氣體含有CO;然而，本發明並不局限於此。
[0122]本發明另一具體方面涉及用於提高通過氣體微生物發酵來生產產品的工藝中總碳捕捉的系統和方法，尤其是當該氣體的供應是間斷性的時候。在具體實施方案中，用於微生物發酵的底物氣體含有CO ;然而，本發明並不局限於此。
[0123]本發明進一步提供了採用微生物發酵生產醇類的方法和系統。這些方法和系統包括在發酵反應中使用工業工藝(如鋼鐵製造)中的廢氣，其中在所述使用之前對該氣體沒有進行或僅進行了最小限度的額外處理步驟。在某些實施方案中，將來自一種或多種工業工藝中和/或備選來源的廢氣組合或混合以向該發酵反應提供具有期望組分或優化組分的流體。
[0124]本發明還提供了優化包含CO的底物流之組成的方法和系統，所述CO至少部分源於工業工藝(如鋼鐵製造)。
[0125]本發明還提供了使用微生物發酵製備醇類的方法和提高微生物發酵生產醇類的效率的方法。在一個實施方案中，這些方法包括在發酵反應中使用源自工業工藝的洗滌水。
[0126]儘管本發明的某些實施方案(即那些包括採用CO作為主要底物，通過無氧發酵生產乙醇的實施方案)已被認為是對當前十分關注的技術具有重要價值的改進，但應該理解本發明也適用於其它產品(如其它醇類)的生產以及對其它底物(尤其是氣態底物)的使用，本發明相關領域的普通技術人員基於本發明的公開應該了解這一點。例如，含有二氧化碳和氫的氣態底物可用於本發明的具體實施方案中。此外，本發明可用於發酵以生產乙酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽、己酸鹽、乙醇、丙醇、和丁醇、和氫。作為例子，這些產品可以採用選自穆爾氏菌屬(Moorella)、梭狀芽胞桿菌屬(Clostridia)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、醋酸桿菌屬(Acetobacterium)、真桿菌屬(Eubacterium)、丁酸桿菌屬(Butyribacterium)、醋菌屬(Oxobacter)、甲燒八疊球菌屬(Methanosarcina)、和脫硫腸狀菌屬(Desulfotomaculum)的微生物通過發酵進行生產。
[0127]本發明的某些實施方案適於使用一種或多種工業工藝中產生的氣體流。這些工藝包括鋼鐵製造工藝，尤其是產生具有高CO含量或高於預定水平(例5%)的CO含量的氣體流的工藝。根據這些實施方案，優選使用一氧化碳營養菌在一個或多個生物反應器中生產酸類和/或醇類，尤其是乙醇或丁醇。基於本發明的公開，本領域技術人員應該知道，本發明可用於多種工業或廢氣流，包括內燃機車輛的廢氣流。並且，基於本發明的公開，本領域技術人員應該知道，本發明可用於其它發酵反應，包括採用相同或不同微生物的發酵反應。因此，本發明的範圍並不局限於描述的具體實施方案和/或應用，而應從更廣泛的範圍去理解；例如，氣體流來源並沒有被限定，只要其至少一種組分可用於供給發酵反應。本發明在提高總碳捕捉和/或從氣體底物(如汽車廢氣和高容量含有CO的工業廢氣)進行乙醇和其它醇類生產方面具有特別的適用性。
[0128]發酵
[0129]從氣態底物製備乙醇和其它醇類的工藝(如在以上【背景技術】部分中所描述的)是公知的。典型的工藝包括在例如W02007/117157和W02008/115080，以及美國專利6，340，581,6, 136，577,5, 593，886,5, 807，722 和 5，821，111 中描述的工藝，上述各文獻通
過參考併入本文。
[0130]已知若干厭氧細菌能夠進行CO至醇類(包括正丁醇和乙醇)、以及CO至乙酸的發酵，且適用於本發明的工藝。適用於本發明的這些細菌的例子包括梭菌屬(Clostridium)的細菌，如 Clostridium Ijungdahlii 菌株(包括在 W000/68407、EP117309、美國專利 5，173，429,5, 593，886、和 6，368，819、W098/00558 和 W002/08438 中描述的菌株)、Clostridium carboxydivorans 菌株(Liou 等，International Journal of Systematicand Evolutionary Micr`obiology33:第 2085-2091 頁)和 Clostridium autoethanogenum菌株(Abrini 等，Archives of Microbiologyl61:第 345-351 頁)。其它適合細菌包括穆爾氏菌屬(Moorella)的細菌，包括穆爾氏菌屬HUC22-1種(Sakai等,BiotechnologyLetters29:第1607-1612頁)，以及氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus)的細菌(Svetlichny, V.A.等(1991), Systematic and Applied Microbiologyl4:第 254-260 頁)。上述出版物的公開內容各自通過參考納入本文。此外，本領域技術人員可將其它一氧化碳營養厭氧細菌用於本發明的工藝。基於本發明的公開內容，還應該知道，兩種或多種細菌的混合培養物可用於本發明的工藝。
[0131]對本發明方法中所用細菌的培養可採用任意數量的本領域已知的用厭氧細菌培養和發酵底物的方法來進行。典型技術在以下「實施例」部分提供。通過進一步舉例的方式，可以使用在下述文章中一般性描述的利用氣態底物進行發酵的方法:(i)K.Τ.Klasson 等，(1991).Bioreactors for synthesis gas fermentations resources.Conservation and Recycling,5 ；145-165 ； (ii)K.T.Klasson 等，(1991)Bioreactordesign for synthesis gas fermentations.Fuel.70.605-614 ； (iii)K.T.Klasson 等，(1992)Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels.Enzymeand Microbial Technology.14 ；602~608 ； (iv)J.L Vega 等，(1989)Study of GaseousSubstrate Fermentation:Carbon Monoxide Conversion to Acetate.2.ContinuousCulture.Biotech.Bioeng.34.6.785-793 ； (vi) J.L Vega 等，(1989) Study of gaseoussubstrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate.1.Batch culture.Biotechnology and Bioengineering.34.6.774-784 ； (vii) J.L Vega 等，(1990)Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations.Conservation andRecycling.3.149-160 ;所有上述文章通過參考納入本文。
[0132]適用於本發明的一種示例性微生物為Clostridium autoethanogenum。在一個實施方案中，Clostridium autoethanogenum為具有德國生物材料資源中心(DSMZ)保藏號19630菌株的識別特徵的Clostridium autoethanogenum。在另一個實施方案中，Clostridium autoethanogenum 為具有 DSMZ 保藏號 DSMZ10061 識別特徵的 Clostridiumautoethanogenum。
[0133]發酵可在任意合適的生物反應器中進行。在本發明的某些實施方案中，該生物反應器可以包括第一生長反應器，微生物在其中培養；以及第二發酵反應器，生長反應器中的發酵液供給該發酵反應器並且在該發酵反應器中生成絕大多數發酵產品(例如乙醇和乙酸鹽)。
[0134]根據本發明的不同實施方案，發酵反應的碳源是含有CO的氣態底物。該氣態底物可以是作為工業工藝中的副產品得到的含有CO的廢氣，或者從一些其它來源如汽車尾氣中得到的含有CO的廢氣。在某些實施方案中，該工業工藝選自黑色金屬產品製造(如鋼廠中進行的工藝)、有色產品製造、石油精煉工藝、煤炭氣化、電力生產、炭黑生產、氨生產、甲醇生產和焦炭生產。在這些實施方案中，含有CO的氣體可在其進入大氣之前使用任意便捷的方法從工業工藝中捕捉。根據氣態含有CO的底物的組成，還可能希望在對底物進行發酵之前對底物進行處理以除去任意不希望的雜質，如塵粒。例如，可採用公知的方法對氣態底物進行過濾或洗滌。
[0135]含有CO的氣態底物 在理想狀態下包含相當比例的CO，如至少含體積比為5%到100%的CO、或者體積比為20%到95%的CO、或者體積比為40%到95%的CO、或者體積比為60%到90%的CO或體積比為70%到90%的CO。含有更低濃度CO的氣態底物，如6%，也是適
宜的，尤其當還存在H2和CO2時。
[0136]儘管氣態底物中不必須含有氫，但在本發明的方法中氫的存在通常不會對產品形成造成不利的影響。然而，在本發明的某些實施方案中，氣態底物基本上不含氫(低於1%)。氣態底物也可含有一些C02，如體積比為約1%至約30%、或者如約5%至約10%的C02。
[0137]如前所述，底物流中氫的存在可提高導致總碳捕捉效率和/或乙醇生產率。例如，W00208438描述了採用不同組分的氣體流進行乙醇生產。在一個優選的實施方案中，向生物反應器中的C.1jungdahlii培養物提供含有63%H2、32%C0和5%CH4的底物流以促進微生物生長和乙醇生產。當該培養基達到穩定狀態並且微生物生長不再是主要目標時，將底物流轉換為15.8%H2、36.5%C0、38.4%N2和9.3%C02以提供稍微過量的CO並促進乙醇生成。該文獻還描述了具有更高和更低CO和H2濃度的氣體流。
[0138]因此，可能必須改變底物流的組成以提高醇生成和/或總碳捕捉。此外或可選擇地，可以改變組成(即調整0)、0)2和/或!12水平)以優化發酵反應的效率並最終提高乙醇生成和/或總碳捕捉。
[0139]在一些實施方案中，含有一氧化碳的氣態底物可源於有機物的氣化，所述有機物例如甲烷、乙烷、丙烷、煤炭、天然氣、原油、煉油廠中低價值殘餘物(包括石油焦)、固體都市廢棄物或生物質。生物質包括食品提取和加工中得到的副產品，如從甘蔗中得到的糖，或從玉米或穀物中得到的澱粉，或林業產業中產生的非食品生物質廢棄物。任意這些含碳物質能夠被氣化，即與氧部分燃燒，以生成合成氣(含有大量的H2和CO的合成氣)。氣化工藝通常產生合成氣，其中H2和CO的摩爾比為約0.4:1至1.2:1，以及更少量的C02、H2S、甲烷和其它惰性氣體。生成的氣體比例可通過本領域已知的和W0200701616中詳細描述的方法而改變。然而，作為例子，可改變以下氣化器條件以調整CO:H2產品比例:進料組成(尤其是C:H比率)、操作壓力、溫度特徵(影響產品混合物的急冷)和所用的氧化劑(空氣、富氧空氣、純O2或O2流；其中該流體傾向於產生更高的CO =H2比率)。相應的，可調節氣化器的操作條件以提供具有期望組成的底物流，用於發酵或者與其它一種或多種流體混合以提供優化的或預期的組成，從而提高發酵工藝中的乙醇生產率和/或總碳捕捉。
[0140]在其它實施方案中，可通過烴的蒸汽轉化得到含有CO的底物。根據以下方程式，烴(如天然氣烴)能夠在高溫下轉化生成CO和H2:
[0141 ] CnHm+nH20 — nCO+ (m/2+n) H2
[0142]例如，甲烷蒸汽轉化包括將蒸汽和甲烷在鎳催化劑存在下且在高溫(700-1100°C)下反應生成CO和H2。所得的流體(每摩爾轉化的CH4包含I摩爾CO和3摩爾H2)可直接送入發酵罐或與來自其它來源的底物流混合，以提高發酵工藝中的乙醇生產率和/或總碳捕捉。醇類如甲醇也可轉化生成CO和H2，其可以以類似方式被使用。
[0143]在另一個實施方案中，含有CO的底物源自鋼鐵製造工藝。在鋼鐵製造工藝中，鐵礦石被壓碎並研磨，進行預處理如燒結或微粒化，然後送入一個鼓風爐(BF)中冶煉。在冶煉過程中，提供焦炭作為碳源 ，其作為還原劑還原鐵礦石。焦炭作為熱源加熱並熔化材料。通過向高熱金屬表面高速噴射純氧，高熱金屬在氧氣頂吹轉爐(BOF)中脫碳。氧氣與高熱金屬中的碳直接反應生成一氧化碳(CO)。由此，具有高CO含量的氣體流從BOF中排出。根據本發明的某些實施方案，該流體用於供給一種或多種發酵反應。然而，對本領域技術人員顯而易見的是，CO可在鋼鐵製造工藝的其它步驟中產生，且根據本發明的不同實施方案，可使用這些備選氣源取代BOF中的廢氣或與BOF中的廢氣結合使用。根據來源(即鋼鐵製造工藝中的具體階段)，所排出的氣體中的CO含量可能不同。而且，可能會有在一種或多種流體中產生中斷的時期，尤其在批處理工廠。
[0144]通常，從鋼廠脫碳處理工序中排出的流體含高濃度的CO和低濃度的H2。儘管這些流體可直接送入生物反應器而僅進行很少的或不進行進一步的處理，但還是希望優化底物流的組成以實現更高效率的乙醇生成和/或總碳捕捉。例如，可以在底物流進入生物反應器之前提高底物流中H2的濃度。
[0145]根據本發明的具體實施方案，兩種或多種來源的流體可組合和/或混合以產生期望的和/或優化的底物流。例如，包含高濃度CO的流體(例如鋼廠吹風轉爐廢氣)可以與包含高濃度H2的流體(如鋼廠焦爐尾氣)組合。
[0146]鋼鐵製造工藝的早期階段一般包括採用焦炭對鐵礦石的還原。焦炭是用於熔化和還原鐵礦石的固體碳燃料且一般在鋼廠現場生產。在焦碳製作工序中，將煙煤送入一系列焦爐中，密封焦爐並在無氧條件下高溫加熱，通常為持續14到36小時的周期。焦爐中留下的固體碳就是焦炭。將焦炭送入急冷塔，在其中用水噴霧或通過惰性氣體(氮氣)循環將其冷卻，然後過篩並送入鼓風爐。[0147]在該工序中產生的揮發性化合物通常在氣體被作為燃料加熱爐之前經處理除去焦油、氨、萘、苯酚、輕油和硫。焦炭生產中產生的氣體通常具有高4含量(典型組成:55%H2、25%CH4、6%C0、3%N2、2%其它烴)。這樣，至少一部分焦爐氣可被送入發酵工序與含有CO的流體混合，以提高醇生產率和/或總碳捕捉。在將焦爐氣送入發酵罐之前，可能需要對其進行處理以除去對培養物可能有毒的副產品。
[0148]此外或可選擇地，含有CO的間斷流體(如吹風轉爐廢氣流)可與含有CO和任選地含有H2的基本連續的流體(如此前描述的氣化工藝中生成的合成氣)混合。在某些實施方案中，這將維持向生物反應器提供基本連續的底物流。在具體實施方案中，可根據工業來源的CO的間斷生成來增加和/或減少氣化器生成的流體，以保持具有期望或優化組成的基本連續的底物流。在另一實施方案中，可以如前所述改變氣化器條件以根據工業來源的CO的間斷生成來提高或降低CO =H2比，以保持具有期望或優化組成的基本連續的底物流。
[0149]通常，本發明中使用的底物流將是氣態的；然而，本發明並不局限於此。例如，可在液體中將一氧化碳供給生物反應器。例如，液體可以被含一氧化碳的氣體飽和，然後將該液體加入生物反應器。這可通過標準方法實現。例如，可將微泡分布發生器(Hensirisak等，Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation ；AppliedBiochemistry and Biotechnology,第 101 卷，第 3 期，2002 年 10 月)用於該目的。
[0150]應該了解，為了細菌生長和CO至醇類的發酵，除了需要向生物反應器提供含有CO的底物氣體，還需要提供液體營養培養基。營養培養基中含有足以使所用微生物生長的維生素和礦物質。適於採用CO作為唯一碳源進行醇類發酵的厭氧基質是本領域已知的。例如，合適的基質在美國專利5，173，429和5，593，886和W002/08438、W02007/115157和W02008/115080中進行了描述，參見上文。本文的「實施例」提供了其它典型基質。
[0151]理想地，發酵應在適於發生期望的發酵(例CO至醇類的發酵)的適當條件下進行。應考慮的反應條件包括壓力、溫度、氣流速率、液流速率、基質pH、基質氧化還原電位、振蕩速率(如果使用連續攪拌`反應釜)、接種水平、最大氣體底物濃度(以確保液相中的CO不會成為限制性條件)、和最大產品濃度(以避免產物抑制)。
[0152]最佳反應條件部分取決於所用的具體微生物。然而，通常發酵最好在高於環境壓力的壓力下進行。在提高的壓力下進行操作可使CO從氣相進入液相的速率顯著增加，CO在液相中被微生物吸收作為碳源進行醇類生產。這也就意味著當生物反應器保持在升高的壓力而不是大氣壓力下時，能夠減少停留時間(定義為生物反應器中的液體體積除以進氣流速率)。
[0153]並且，因為給定的CO至醇類的轉化速率在某種程度上是停留時間的函數，而獲得期望的停留時間意味著確定了生物反應器所需的容積，使用加壓系統可大大減少生物反應器所需的容積，並因此降低發酵設備的成本。根據美國專利5，593，886中所舉的例子，反應器容積可隨反應器操作壓力的增加呈線性比例減少，即在10個大氣壓下操作的生物反應器的體積僅為需要在I個大氣壓下操作的反應器體積的十分之一。
[0154]在升高的壓力下進行氣體至醇類發酵的好處也已在其它地方有描述。例如，W002/08438描述了在壓力30psig和75psig下進行的氣體至醇類的發酵，分別獲得150g/I/天和369g/l/天的醇類生產率。然而，發現採用相似的基質和進氣組成在大氣壓下進行的示例發酵每天每升生成的乙醇減少了 10至20倍。[0155]同樣希望含有CO的氣態底物的進入速率能保證液相中的CO濃度不會成為限制性條件。這是因為CO缺乏的後果是醇類產品被培養物消耗。
[0156]產品回收
[0157]可採用已知方法回收發酵反應的產品。典型的方法包括在W02007/117157、W02008/115080、美國專利 6，340，581,6, 136，577,5, 593，886,5, 807，722 和 5，821，111 中描述的方法。然而，簡要地舉例，乙醇可通過諸如分餾或蒸發、以及萃取發酵的方法從發酵液中回收。
[0158]對發酵液中的乙醇進行蒸餾產生乙醇和水(即95%醇和5%水)的共沸混合物。隨後通過分子篩乙醇脫水技術可得到無水乙醇，該技術也為本領域已知。
[0159]萃取發酵步驟包括使用對發酵有機物具有低毒風險的水混溶性溶劑，從稀釋的發酵液中回收乙醇。例如，油醇是可用於這類萃取工藝的溶劑。在這個工藝中，油醇被連續加入發酵罐，隨後該溶劑上升在發酵罐上部形成一個層，該層被連續萃取並被送入離心機。水和細胞可輕易與油醇分離並返回發酵罐，而載有乙醇的溶劑被送入閃蒸單元。大部分乙醇被蒸發並冷凝，而非揮發性的油醇被回收並在發酵中重複使用。
[0160]也可用本領域已知的方法從發酵液中回收乙酸鹽。例如，可用包括活性炭過濾器的吸附系統。在這種情況下，通常採用合適的分離方法首先從發酵液中去除微生物細胞。本領域已知很多用於形成無細胞發酵液以回收產物的基於過濾的方法。然後使上述無細胞的含有乙醇和含有乙酸的滲透液(permeate)通過活性炭柱以吸附乙酸鹽。乙酸鹽在酸形式(乙酸)中比在鹽形式(乙酸鹽)中更易被活性炭吸附。因此最好在發酵液通過活性炭柱前將其PH降低到約小於3，從而將大部分乙酸鹽轉化為酸形式。
[0161]吸附至活性炭的乙酸可採用本領域已知的方法通過洗脫進行回收。例如，可用乙醇洗脫結合的乙酸鹽。在某些實施方案中，發酵工藝中生成的乙醇本身可用於洗脫乙酸鹽。因為乙醇的沸點是78.8°C而乙酸的沸點是107°C，乙醇和乙酸鹽可採用基於揮發性的方法(如蒸餾)被容易地彼此分離。`
[0162]從發酵液中回收乙酸鹽的其它方法也是本領域已知的且可用於本發明的工藝中。例如，美國專利6，368，819和6，753，170描述了可用於從發酵液中提取乙酸的溶劑和助溶劑系統。如同上述進行乙醇萃取發酵的基於油醇的系統，美國專利6，368，819和6，753，170中描述的系統描述了與水不能混溶的溶劑/助溶劑，其能在發酵微生物存在或不存在下與發酵液混合從而萃取乙酸。然後，含有乙酸的溶劑/助溶劑通過蒸餾從發酵液中分離。接著，採用第二蒸餾步驟從該溶劑/助溶劑系統中純化乙酸。
[0163]可通過如下步驟從發酵液中回收發酵反應的產品(例如乙醇和乙酸鹽):連續地從發酵生物反應器中移走部分發酵液，從發酵液中分離微生物細胞(通過過濾方便地分離)，並同時或之後從發酵液中回收一種或多種產品。採用上述方法，可通過蒸餾方便地回收乙醇，並可通過活性炭吸附回收乙酸鹽。分離的微生物細胞可返回發酵生物反應器。除去乙醇和乙酸鹽後留下的無細胞滲透液也可返回發酵生物反應器。在無細胞滲透液返回生物反應器之前，可向其中加入額外的營養物(如維生素B)以補充營養培養基。並且，在返回生物反應器之前，如果已經如上所述調節過該發酵液的pH以提高活性炭對乙酸的吸附，應重新調節PH至與發酵生物反應器中發酵液相似的pH。
[0164]CO2 去除[0165]根據本發明的某些實施方案，用於CO2去除的系統包括從混合流體中選擇性分離CO2的裝置和將CO2轉化為產物和/或將CO2準備用於儲存或進一步使用的設備。可選擇地，該工藝包括將流體中的CO2直接轉化為適於儲存或進一步使用的產物和/或物質。
[0166]在一個實施方案中，採用本領域已知的任意分離方式(如下文提供的典型方法)從混合氣體流中選擇性分離co2。可用於本發明實施方案的其它CO2分離方法包括用金屬氧化物(如CaO)提取，和採用多孔碳或者選擇性溶劑萃取，如胺萃取。
[0167]胺，如一乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)、二乙醇胺(DEA)、二異丙醇胺(DIPA)和甲基二乙醇胺(MDEA)，在工業中被廣泛用於去除天然氣流和精煉工藝的流體中的CO2以及硫化氫。
[0168]從這些工藝中分離的CO2可被永久保存。CO2永久儲存的許多例子是本領域已知的，如地質埋存(地質隔離)、海洋封存和礦物質儲存(例如轉化為金屬碳酸鹽)。
[0169]地質埋存包括將一般為超臨界狀態的二氧化碳直接注入地下地質構造中。建議的儲存地點為油田、天然氣田、含鹽地層、不可採煤層、和充滿鹽的玄武巖地層。可採用許多物理(例如高度不滲透蓋層)和地質化學捕捉機制防止CO2向表面逃逸。對於合理選擇、設計和管理的地質埋存地點，政府間氣候變化問題小組估計可截留CO2長達數百萬年，並且這些地點很可能保留超過99%的注入的CO2超過1000年。
[0170]已經提出了多種海洋封存的方法:(i)用船或管道將CO2 「溶解」注射至水下1000米或更深的深度，CO2隨後溶解；(ii)直接將CO2 「湖」沉積至深度超過3000米的海底，在此處CO2比水密度大因此預期形成一個「湖」，其延遲CO2向周圍環境的溶解；(iii)將0)2轉化為重碳酸鹽(採用石灰石)；和(iv)將CO2存儲於已經存在於海底的固態籠形水合物中，或者用於形成更多固態包合物。
[0171]在礦物質儲存中，CO2與可大量獲得的金屬氧化物進行放熱反應生成穩定的碳酸鹽。該過程經歷多年自然發生並且是大量表面石灰石的形成原因。例如通過在高溫和/或高壓下反應，或者通過對礦物質的預處理可加快反應速率，儘管這個方法可需要額外的能量。
[0172]可選擇地，分離的CO2可用於製備產品，如直接或間接轉化為烴。眾所周知的生產烴的工藝是從CO2和H2製備甲醇的工藝。水催化解離或電化學解離生成氧和氫離子也是本領域已知的，其中氫離子可用於將CO2轉化為烴。如果CO2被加熱到2400°C，其裂解成一氧化碳和氧氣。然後可用費-託法(Fischer-Tropsch process)將CO轉化為烴。在這個工藝中，CO可返回發酵工藝。作為例子，可通過使用包含鏡面的箱室將陽光聚焦到氣體上來達到所需的溫度。可選擇地，分離的CO2可用於進一步發酵以生產產物。本領域技術人員應該知道有很多微生物發酵將CO2轉化為產物的例子。例如，可通過採用產甲烷微生物的厭氧發酵將CO2轉化為甲烷。該發酵工藝或其它相關的發酵工藝的例子在前面提到的W02006/108532中公開。用CO2生產產物的發酵反應更多的例子在前面提到的W02007/117157 和 W02008/115080 中提供。
[0173]CO2也是合成氣生成中的理想原料。可向轉化器(氣化器)中提供CO2以減少甲烷消耗並提高/增加H2:C0比率。相應地，在一個實施方案中，至少一部分分離的CO2被加入整合在發酵工藝的氣化器中。
[0174]在本發明的另一個實施方案中，可將分離的CO2轉化成例如水泥混凝土的產品。在處理珊瑚的外殼和礁體製造模擬海洋的水泥製品的過程中，鎂和/或鈣可與CO2結合生成碳酸鹽。
[0175]在光合作用中，CO2也很容易被藻類吸收，可使用光合作用來捕捉廢流中的碳。在CO2和陽光的存在下，藻類快速生長且可被採收並轉化為產物如生物柴油和/或醇。
[0176]可選擇地，可直接從流體中捕捉CO2而不需要額外的分離步驟。例如，在具體實施方案中，可將含有CO2的流體(優選氣體流)送入第二發酵工藝中以將CO2轉化為產品。
[0177]氣體分離
[0178]根據本發明的某些實施方案，用於氣體分離的工藝包括低溫分餾、分子篩分離、吸附、變壓吸附、或吸附中的一個或多個步驟。無論採用哪種工藝，可以進行氣體分離以從氣體流中分離至少一部分的一種或多種下列組分洱、02、0)2和0)。此外或可選擇地，可使用本發明實施方案中的氣體分離去除氣體流中的一個或多個部分(例如N2、O2)，因此剩餘部分可在例如生物反應器中被更高效地使用。
[0179]吸附是氣體、液體或溶質在固體或液體表面的積累。吸附是一種物質(如固體或液體)通過分子間的微小孔隙或空間接收另一種物質(如液體或氣體)的過程。
[0180]變壓吸附(PSA)是絕熱過程，其可被用於通過壓力容器內的固定床中的合適吸附劑在高壓下吸附來淨化氣體以去除伴隨雜質。通過逆向減壓(countercurrentdepressuriz ation)和在低壓下用先前回收的接近產品質量的氣體清洗來完成吸附劑再生。為了得到連續的產品流，最好提供至少兩套吸附器，這樣至少一個吸附器接收氣體流(如廢氣流/排氣流/生物氣流)並實際上生成期望純度的產品。同時，隨後的減壓、清洗和恢復壓力至吸附壓力的步驟通過另外的吸附器進行。本領域技術人員可根據待被吸附和除去的雜質的類型容易地選擇常用吸附劑。適用的吸附劑包括沸石分子篩、活性炭、矽膠或活性氧化鋁。可依次疊放吸附床進行組合，從而將吸附器中的物質分成多個不同的區。變壓吸附包括參數如壓力、溫度、流速、以及氣相和吸附相組成的擺動變化。
[0181]通常在接近周圍進氣流的溫度下採用PSA對氣體進行淨化或分離，由此待被去除的組分被選擇性吸附。理想地，吸附應是充分可逆的從而可以在相似的周圍溫度下實現吸附劑的再生。PSA可用於處理和/或淨化大多數常見氣體，包括CO、CO2和4。變壓吸附技術的例子在 Ruthven, Douglas Μ.等，1993Pressure Swing Adsorption, John Wiley andSons中進行了詳細描述。
[0182]分子篩是含有具有精確和統一大小的微孔的材料，其被用作氣體和液體的吸附劑。小至足夠通過微孔的分子被吸附而大分子不會被吸附。分子篩與普通過濾器相似，但是在分子水平操作。分子篩常由以下材料組成:鋁矽酸鹽礦物質、粘土、多孔玻璃、微孔炭、沸石、活性炭、或合成化合物，其具有小分子(如氮和水)能夠擴散通過其中的開放結構。
[0183]可以使用膜，例如，從氮氣和甲烷氣體中分離氫氣，回收氫氣，從生物氣中分離甲烷，或去除水蒸氣、co2、h2s或揮發性有機液體。基於本發明的公開內容，對本領域技術人員顯而易見的是，可選擇不同的膜(包括多孔膜和無孔膜)用於實現期望的目的。例如，鈀膜只允許H2通過。在具體實施方案中，可用CO2滲透膜從流體中分離C02。從流體中分離的CO2可被送入CO2去除設備，如先前討論過的氣化器。
[0184]低溫分餾包括壓縮氣流並將其冷卻至足以通過蒸餾實現分離的低溫。例如，其可被用於去除co2。某些組分(例如水)通常在進行低溫分餾之前從流體中除去。[0185]相同的技術也可用於從氣流中去除氧氣生成富含CO和/或CO2的厭氧流。此外，也可生物去除氧氣，例如通過將燃燒廢氣通入含有兼性好氧微生物、減碳底物、和微生物必需的營養物的密封發酵罐。兼性好氧微生物能夠消耗氧氣生成富含CO和/或CO2的厭氧流。
[0186]從氣體流中分離或去除O2的其它方法是本領域已知的。然而，作為舉例，可通過使用熱銅或催化轉化器就可減少和/或去除氧氣。
[0187]針對特定的氣體源設計氣體分離工藝，可使商業上不可行的生物轉化工藝具有商業可行性。例如，通過適當分離汽車尾氣流中的CO，可從該氣流中得到可用能源並減少不希望的氣體排放。根據本發明的一個實施方案，氣態底物包含含有CO和H2的合成氣，進行氣體分離以從該氣流中除去氫氣，這樣該氣流可被分離並可用作發酵工藝之外的燃料。CO可用於給發酵反應供料。
[0188]間斷氣體流
[0189]根據本發明的不同方面，發酵底物源自工業源。一般的，源自工業源的底物為氣態，這些氣體的組成和/或壓力各不相同，在某些情況下這些氣體是間斷性的。在某些實施方案中，本發明提供了改善或「穩定」生物反應器的氣態底物供應以發酵生產產品的裝置，尤其當底物供應是間斷性的或非連續的情況下。可使用任何用於改進氣態底物流的連續性或「穩定」氣態底物流的已知裝置；然而，本發明的具體實施方案包括具有至少一個緩衝裝置的工藝和系統，該緩衝裝置適於接收間斷底物流並將基本連續的底物流送入生物反應器。
[0190]在具體實施方案中，緩衝裝置包括適於接收間斷氣體流的儲罐。間斷流體可在進入儲罐前進行壓縮；或者，該儲罐可被設置成當其接收底物流時發生膨脹。例如，該緩衝儲罐可包括適於上升和下降以接納氣態底物的「浮頂」。浮頂型儲罐為公知技術，如那些適應氣體供應中存在供給需求波動的儲罐。儲罐可適於向發酵反應器提供基本連續的底物流，因此可包括用於控制流體 離開儲罐的流速的裝置。
[0191]在這些實施方案中，儲罐作為底物儲存容器。然而，根據備選的實施方案，緩衝儲罐可被具有相同功能的備選存儲方式替代。例如，備選的方式可包括吸附以及變壓和/或變溫中的一種或多種。此外或可選擇地，該底物可溶解於儲存容器內的液體中或保存於基質(如多孔固體材料)中直到需要使用。在本發明的具體實施方案中，底物可溶解於儲罐內的液體中並在需要時直接將溶液送入生物反應器。
[0192]可選擇地，生物反應器本身也可被設置成使發酵液體營養基質上方的頂部空間作為間斷流體的緩衝器。例如，該系統可包括壓縮氣態底物流(如果可用)並將其送入生物反應器的裝置。當提供額外的底物時，生物反應器頂部空間的壓力將增加。因此，底物可以通過微生物發酵連續轉化為產品。
[0193]在另一實施方案中，該系統適於從多個間斷源接收氣態底物流。這樣的系統可包括在流體間組合和/或切換的裝置，以便向生物反應器提供基本連續的底物流。
[0194]用於發酵反應的微生物一般具有允許的溫度範圍，高於或低於該範圍時，反應速率明顯減慢。因此，所述系統可包括冷卻裝置，其中當獲取底物流受限時，可冷卻生物反應器中的基質以減緩發酵反應並減少對底物的需求。相反地，當可利用的底物流增加時，可增加生物反應器內的溫度到溫度範圍的上限提高反應速率。[0195]此外或可選擇地，冷卻裝置可被設置成能使冷負荷均勻以降低發酵系統的峰值冷負荷。例如，假設在預定期間內(當氣體正被處理時)需要用來處理進氣中的熱量和/或發酵放熱的冷負荷為2MW。為了使發酵罐中的內容物在這個期間保持恆溫，必須以這個速率去除熱量以保持發酵罐內的恆定溫度。相反地，在沒有氣體被處理且放熱基本停止的期間內，冷負荷將是零。因此，尤其對於大規模工業應用，存在冷負荷非常高的階段，其對系統產生重大制約。通過調整冷負荷，降低所需的最大冷卻率。因此，在連續的(或更連續的)基礎上使用更小規模的冷卻系統進行操作是可能的。
[0196]採用前面例子的參數，但假設氣體被處理和氣體不被處理的階段具有相同時間，熱量可以以IMW連續從發酵罐中去除。在這些條件下，當氣體被處理時的熱去除率將不能趕上熱量輸入/熱量產生，發酵罐內的溫度將升高。當氣體處理停止但冷卻繼續進行時，發酵罐內的溫度將下降。以這種方式，需要大小適於IMW連續負荷的冷卻系統，而不是大小適於2MW負荷但僅需要運行一半時間的系統。然而，必須限制溫度的上升和隨後的下降以將發酵罐內的溫度保持在微生物的允許溫度範圍內。因此，根據具體實施方案，儘管不是不變的，冷負荷可被「穩定」，因此其中的變化將更緩和和/或有限，因此在最大和最小冷負荷之間的區別更小。
[0197]工業尾氣作為發酵源
[0198]根據本發明的其它方面，工業廢氣被用於發酵反應，而沒有進行或僅進行極少量的使氣體更適合於發酵反應的額外洗滌或預處理步驟。
[0199]廢氣可來自任意數量的工業工藝。本發明尤其適於支持氣態底物(如含有高容量CO的工業廢氣)生產乙醇。其實例包括在以下工藝中生成的氣體:黑色金屬產品製造、有色產品製造、石油精煉工藝、煤炭氣化、生物質氣化、電力生產、炭黑生產、氨生產、甲醇生產和焦炭生產。在本發明的具體實施方案中，廢氣是在鋼鐵製造工藝中生成的。例如，本領域技術人員將了解，在鋼鐵製造工藝的不同階段生成的廢氣具有高CO和/或CO2濃度。特別地，在鋼鐵製造的不同方法，如氧氣轉爐(例如BOF或Κ0ΒΜ)方法中，鋼鐵脫碳階段產生的廢氣具有高CO含量和低O2含量,使其成為厭氧一氧化碳營養發酵中合適的底物。
[0200]在鋼鐵增碳工藝中生成的廢氣可在進入廢氣煙?或煙道以將廢氣送入大氣前任選地通過水以去除顆粒物質。一般地，使用一個或多個風機將氣體送入廢氣煙囪。
[0201]在本發明的具體實施方案中，鋼鐵脫碳階段中產生的至少部分廢氣通過合適的導管裝置被送入發酵系統。作為例子，可用管道或其它傳遞裝置與鋼廠廢氣煙囪相連，將至少一部分廢氣送入發酵系統。此外，可用一個或多個風機將至少一部分廢氣送入發酵系統。在本發明的具體實施方案中，導管裝置適於提供至少一部分鋼鐵脫碳階段中產生的廢氣至發酵系統。對氣體進入生物反應器的控制和將氣體送入生物反應器的裝置對與本發明相關的【技術領域】的普通技術人員來說是顯而易見的。
[0202]儘管鋼廠能基本上連續生產鋼鐵和其伴隨的廢氣，該工藝的具體方面可以是間斷的。典型的鋼鐵脫碳是持續幾分鐘到幾小時的批處理過程。因此，如果確定廢氣具有期望的組成，導管裝置應可適於將至少一部分廢氣(如鋼鐵脫碳工藝中生成的氣體)送入發酵系統。
[0203]發酵工藝中所用生物反應器中內容物的pH可根據需要調節。除了考慮所用營養基質和微生物，適宜的PH還取決於具體發酵反應所需的條件，並且是本發明相關【技術領域】的普通技術人員能夠理解的。在一個優選的實施方案中，在使用Clostridiumautoethanogenum進行的含有CO的氣態底物的發酵中，可調節pH到約5.5至6.5,最好為約5.5。進一步的例子包括在ρΗ5.5至6.5採用熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica)生產乙酸,在pH4.5至6.5採用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)生產丁醇，和在pH7米用生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hygrogenaformans)生產氫氣。本領域技術人員應知道適於將生物反應器保持在需要的PH的方式。然而，作為例子，鹼的水溶液(如NaOH)以及酸的水溶液(如H2SO4)可被用於提高和降低發酵基質的pH並保持所需的pH。
[0204]本發明其它益處是，由於在將廢氣用於發酵反應之前對該廢氣沒有進行或者僅進行極少的洗滌和/或其它處理，該氣體將含有源自工業工藝的其它材料，該其它材料至少部分地可用作發酵反應的原料。
[0205]流體混合
[0206]如先前所述，為了提高發酵反應的效率、醇生產和/或總碳捕捉，可能需要將工業廢流與一種或多種另外的流體混合。不希望被理論束縛，在本發明的一些實施方案中，一氧化碳營養菌根據下述方程式將CO轉化為乙醇:
[0207]6C0+12H2+3H20 — C2H50H+4C02
[0208]然而，在H2存在下，總轉化如下:
[0209]6C0+12H2+3H20 — 3C2H50H
[0210]因此，當工業流體具有高CO含量，但含有微量或不含H2時，可能需要將一種或多種含有H2的流體與含有CO的廢流在其進入發酵罐之前進行混合。發酵總效率、醇生產率和/或總碳捕捉將取決於混合流體中⑶和仏的化學計量。然而，在具體實施方案中，混合流體可基本上包含具有下列摩爾比的CO和仏:20:1、10:1、5:1、3:1、2:1、1:1或1:2。
[0211]另外，在發酵不同階段可能需要提供特定比例的CO和H2。例如，具有相對高H2含量的底物流(如1:2的C0:H2)可在開始和/或微生物快速生長期提供給發酵階段。然而，當生長期減慢，培養物中的微生物密度保持基本穩定時，可增加CO含量(如至少1:1或2:1或更高，其中H2濃度可大於或等於零)。
[0212]混合流體還可具有進一步的優勢，尤其在含有CO的廢流是間斷性的情況下。例如，可將含有CO的間斷廢流與含有CO和任選地含有H2的基本連續的流體混合併提供給發酵罐。在本發明的具體實施方案中，為了維持向發酵罐提供具有基本連續組成和一定流速的底物流，基本連續流體的組成和流速可根據間斷性的流體而不同。
[0213]為獲得期望的組成可對兩種或多種流體進行混合，該混合可涉及改變所有流體的流速，或者使一種或多種流體保持恆定而改變其它流體以「修剪」或優化底物流至期望的組成。對於被連續加工的流體，僅需要很少或不需要進一步的處理(如緩衝)並且該流體可直接供給發酵罐。然而，當一種或多種流體是間斷的，和/或雖然流體是連續的，但其以不同的速率被使用和/或被製備時，需要為流體提供緩衝儲罐。
[0214]本領域技術人員應該理解，在混合之前監測流體的組成和流速是必要的。可通過改變組成流體的比例以得到目標組成或期望的組成來實現對混合流體組成的控制。例如，基礎加載氣體流主要含有CO，可與含有高H2濃度的第二氣體流混合以獲得特定的H2: CO比。混合流體的組成和流速可通過本領域已知的技術進行監測。混合流體的流速可獨立於混合操作進行控制；然而每個成份流體被提取的速率必須被控制在一定限度內。例如，間斷生成但從緩衝儲罐被連續提取的流體必須以一定的速率提取，使得緩衝儲罐容量既不會耗盡也不會滿載。
[0215]在混合時，單個組成氣體將進入一個混合室，該混合室通常是小容器、或一段管道。在這種情況下，該容器或管道可具有促進各組分湍動以及加速均質的靜態混合設備，如擋板。
[0216]為了保持向生物反應器的基本連續地提供底物流，如果需要，也可提供混合流體的緩衝儲罐。
[0217]所述系統可任選地包括適於監測成份流體的組成和流速以及控制流體以恰當的比例混合從而得到需要或期望的混合物的處理器。例如，可以按照要求提供具體的組分或者提供可以獲得的具體組分，以優化醇生產效率和/或總碳捕捉。 [0218]一直以特定比例提供CC^PH2是不可能的或者不經濟的。因此，如上所述的適於混合兩種或多種流體的系統應能優化可用來源的比例。例如，在H2供給不足時，為了提供優化的流體並提高醇生產和/或總碳捕捉效率，所述系統可包括將過量CO排出該系統的裝置。在本發明的某些實施方案中，所述系統適於連續監測至少兩種流體的流速和組成，並將它們混合生成具有最優組成的單個混合底物流，以及將該優化的底物流送入發酵罐的裝置。在採用一氧化碳營養微生物生產醇的具體實施方案中，底物流的最佳組成包括至少0%H2和至多約1:2的C0:H2。
[0219]作為非限制性例子，本發明的具體實施方案包括利用鋼鐵脫碳中的轉爐氣作為CO源。一般地，這種流體僅含有微量或不含H2，因此為了得到更理想的C0:H2比，需要將含有CO的流體與含有H2的流體混合。H2通常在鋼廠焦爐中大量生成。因此，來自焦爐含4的廢流可與轉爐廢流混合得到期望的混合物。
[0220]此外或可選擇地，可提供氣化器以從各種來源生產CO和H2。通過氣化器生成的流體可與含有CO的流體混合得到期望的組成。本領域技術人員將理解，可控制氣化器的條件得到特定的CO = H2比。此外，可上調和下調氣化器來增加和減少氣化器生成的含有CO和H2流體的流速。因此，來自氣化器的流體可以與包含CO的底物流混合以優化C0:H2比，從而提高乙醇生產率和/或總碳捕捉。此外，可上調和下調氣化器以提供具有變化流量和/或組成的流體，該流體可與包含CO的間斷流體混合以獲得具有期望組成的基本連續的流體。
[0221]可與含有CO底物流混合的其它CO和/或H2源包括烴(如天然氣和/或甲烷)的轉化以及甲醇轉化。
[0222]洗滌水的加入
[0223]根據本發明，洗滌水被用於發酵反應以提高生長和生產產品的效率。
[0224]洗滌水可來自任意適合的工業源，如上文所述。在本發明的具體實施方案中，洗滌水源自對鋼鐵製造中產生的一種或多種廢氣進行清潔的工藝。作為例子，洗滌水源自對來自煉焦爐、鼓風爐、氧氣頂吹轉爐、和/或電弧爐的尾氣進行的清潔。
[0225]在某些實施方案中，洗滌水源自與(氣態)發酵底物相同的工業工藝；例如，洗滌水和底物(含有CO的廢氣)均來自同一鋼廠。
[0226]洗滌水可以以直接來自工業工藝洗滌系統或設備的原始形式使用。然而，可以處理洗滌水以除去或至少減少其中殘留顆粒物的水平。與本發明相關的本領域技術人員應該了解處理洗滌水的方法。然而，作為例子，洗滌水在送入發酵罐之前可被過濾、離心或允許沉澱。
[0227]如前面討論的，在使用之前可調節洗滌水的pH。除了考慮營養基質和微生物，適合的PH還取決於具體發酵反應所需的條件，並且是與本發明相關領域的普通技術人員能夠理解的。在優選實施方案中，在利用Clostridium autoethanogenum對含有CO的氣態底物發酵時，pH可調節至約5.5至6.5，最好為約5.5。進一步的例子包括，在pH5.5至
6.5利用熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica)生產乙酸，在pH4.5至6.5利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)生產丁醇，以及在pH7利用生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hygrogenaformans)生產氧氣。
[0228]可採用任意適當的方式將洗滌水加入發酵反應。作為例子，來自洗滌裝置的洗滌水可被直接加入正在發酵或即將發酵的生物反應器中。可選擇地，可從洗滌裝置收集洗滌水並將其存儲在向反應器供料的合適箱室中，或者可從洗滌裝置中收集、儲存洗滌水然後人工將其加入生物反應器。可以連續向生物反應器中加入洗滌水，或者在發酵反應的某個時間點加入洗滌水，或者根據實際要求按需加入。 [0229]在本發明的一個實施方案中，洗滌水與將在發酵反應中所用的營養基質混合，然後通過前述的任一方式加入生物反應器。因此，本發明還提供了含有合適的營養基質和洗滌水的混合物。與本發明相關的領域的普通技術人員應該知道適用於微生物發酵的營養基質。然而，作為例子，這些基質可含氮源、磷源、鉀源、鈉源、硫源、一系列金屬離子源和B族維生素等。典型的基質在以下「實施例」部分提供。
[0230]洗滌水可以按不超過約1:9營養基質:洗滌水的量被使用。在本發明的一個優選實施方案中，洗滌水的使用比例為約1:1營養基質:洗滌水。
[0231]應該知道，源自特定工藝的洗滌水可能含有對特定微生物有毒或有害的組分。因此，本發明並不排除所有的預處理工藝，而是在可能的情況下避免這些額外的工藝。此外或可選擇地，可控制生物反應器中洗滌水的含量比例，使潛在有毒或有害的組分保持在可接受的濃度以下。
[0232]洗滌水作為主要原料
[0233]在本發明另一個實施方案中，發酵反應僅使用洗滌水作為原料進行。也就是說，洗滌水是發酵反應中的主要碳源。在該實施方案中，發酵反應可基本上根據前文描述進行，但不需要提供或捕捉含有CO的氣體或提供備選碳源。
[0234]可如上所述，將洗滌水送入即將進行發酵反應的生物反應器中。在一個實施方案中，以適當的水平將洗滌水從洗滌系統或裝置直接並且連續地送入生物反應器中以保持發酵反應的最優條件。
[0235]在相關實施方案中，洗滌水被儲存然後在備選原料或底物無法獲得時供給生物反應器。例如，在某些鋼鐵製造工藝中產生的廢氣不是連續的而是間斷的。當無法向發酵反應提供這些氣體時，向生物反應器加入洗滌水以保持醇生產以及提高反應總效率。向洗滌水中補充發酵基質並將其送入生物反應器的此類工藝可採用細胞留滯系統(如錯流膜濾系統、連續離心系統或固定化細胞系統)進行。在這個實施方案中，洗滌水和發酵基質的混合物可流經反應器，向細菌提供營養。該系統的優勢在於該洗滌水含有高水平的溶解態一氧化碳。因為使用氣態底物進行發酵的主要工藝操作費用是購買和運行使CO氣體從氣相到液相發生質量轉移的設備，使用已經含有CO的液態流體將大幅度降低這項成本。
[0236]綜述
[0237]舉例描述本發明的實施方案。然而，應該知道，在一個實施方案中必需的特定步驟或階段在另一實施方案中可能並不需要。相反，在一個特定實施方案中描述的步驟或階段可任選地、有利地用在沒有特別提到該步驟或階段的實施方案中。
[0238]儘管參照能通過任何已知傳遞方式通過系統或在系統周圍移動的任意類型流體已經對本發明進行了廣泛描述，在某些實施方案中，底物和/或廢流是氣態的。本領域技術人員應該知道，特定的階段可需要合適的導管裝置等，該裝置被設置成在整個系統中接收或傳遞流體。可提供泵或壓縮機以促進流體向特定階段的傳遞。
[0239]而且，可使用壓縮機提高向一個或多個階段(例如生物反應器)供給的氣體的壓力。如在上文討論的，生物反應器內的氣體壓力可影響在其中進行的發酵反應效率。因此，可調節壓力提高發酵效率。一般反應合適的壓力是本領域已知的。
[0240]此外，本發明的系統或工藝可任選地包括調節和/或控制其它參數以提高該工藝整體效率的裝置。可在系統中結合一個或多個處理器以調節和/或控制該工藝的特定參數。例如，具體實施方案可包括確定性裝置以監測底物和/或廢氣流的組成。此外，如果該確定性裝置確定流體具有適合特定階段的組成，具體實施方案可包括用於控制底物流向特定系統中的特定階段或單元遞送的裝置。例如，在氣態底物流含有低水平CO或者可能對發酵反應有害的高水平O2情況下，可將底物流排出生物反應器。在本發明的具體實施方案中，所述系統包括監測和控制底物流的目的地和/或流速的裝置，使得具有期望或合適組成的流體能被送至特定的階段。
[0241]此外，可能需要在工藝中一個或多個階段之前或之中加熱或冷卻特定的系統組份或底物流。在這種情況下，可用已知的加熱或冷卻裝置。例如，換熱器可用來加熱或冷卻底物流。
[0242]此外，所述系統可包括一個或多個預處理/後處理步驟以改善特定階段的操作或效率。例如，預處理步驟可包括用於從氣態底物流中去除顆粒物質和/或長鏈烴或焦油的裝置。可進行的其它預操作或後操作包括從特定階段例如生物反應器生產階段分離期望的產品(例如通過蒸餾去除乙醇)。
[0243]本發明系統的不同實施方案用附圖表示。在圖1-13中描述的可選實施方案包含共同特徵，並且在不同附圖中使用相同的參考標號表示相同或相似的特徵。圖2到圖13中僅描述了新特徵(相對於圖1)，因此這些附圖應結合圖1的描述進行理解。
[0244]圖1是根據本發明的一個實施方案的系統101的示意圖。輸入底物流I通過合適導管進入系統101。輸入底物流I包含CO並任選包含CO2，在某些實施方案中，底物流是來自工業工藝的廢氣流，例如在氧氣頂吹轉爐中鋼鐵增碳過程中釋放出的廢氣。氣流I中的組分水平可以波動。如果確定流體I不具備期望的組成，可包括任選的閥門2將流體I移向別處(用流體3表示)。例如，當希望從流體I得到CO時，可設定流體I的最小CO含量，這樣如果沒有達到最小CO含量，該流體被移出系統101而不進行進一步的處理。可設置此類閾值以避免對流體進行不經濟或不可行的處理。可使用任何已知的手段確定氣體是否具有期望的組成。同樣，「期望的組成」不僅指希望包含於流體I中的物質，而且指不希望的組分。例如，如果流體I中存在特定的汙染物，該流體I可被移走。[0245]本領域技術人員應該知道，閥門2可位於系統101中其它地方。例如，其可位於生物反應器5的處理之後。
[0246]如果已經確定流體I具備期望的組成，對其進行任選的預處理4。預處理4可用於控制流體的多個方面，包括溫度和汙染物或不希望的組分或成分的水平。其也可用來將組分加入流體。這還取決於氣流I的具體來源和/或具體的發酵反應和/或為此所選的微生物。
[0247]預處理4可位於系統101內的其它地方或者可省略，或者可在系統101內的不同位點提供多個預處理4。這取決於氣流I的具體來源和/或具體發酵反應和/或為此所選的微生物。例如，可在CO2去除設備8的上遊提供額外的預處理以控制進入CO2去除設備8的流體的各個方面。
[0248]在任選的預處理之後，可通過任何已知的轉移裝置將流體送入生物反應器5。例如，流體可由一個或多個風機和/或泵驅動通過所述系統。生物反應器5被設置成進行期望的發酵反應以生產產品。根據某些實施方案，生物反應器5被設置成處理含有CO的底物以生成一種或多種酸和/或一種或多種醇。在具體實施方案中，生物反應器5被用來生產乙醇和/或丁醇。生物反應器5可包括不止一個罐，每個罐被設置成進行相同反應和/或特定發酵工藝內的不同階段和/或不同反應，包括可包含一個或多個共同階段的不同發酵工藝的不同反應。
[0249]生物反應器5可配備用於控制其中溫度的冷卻設備，所述溫度被控制在對於待進行的特定發酵反應中所用微生物而言可接受的限值內。
[0250]生物反應器5 中生成的產品可通過本領域已知的任何回收工藝回收。然而，在本發明的一些實施方案中，至少一部分產品可在流體7中離開生物反應器5，流體7包含例如CO2和任選的未轉化的CO。任選地，在產品去除設備6中處理該流體以在基本上不包含產品的流體7進入CO2去除設備8之前去除流體中的任何產品。
[0251]CO2去除設備8被設置成接收流體7，其中至少一部分存在於流體7中的CO2被去除，剩下殘留的廢流9。在某些實施方案中，CO2去除設備8被設置成從流體7中分離至少一部分CO2組分，並適於捕捉分離的CO2和/或將其轉化為適合進一步使用或存儲的產品。可選擇地，CO2去除設備8可被設置成從流體7中直接捕捉CO2和/或將其轉化為產品。
[0252]當生物反應器5包含多個階段或多個獨立的罐時，至少一部分階段中的流體可被CO2去除設備8接收。同樣，可提供不止一個下遊CO2去除設備8，由此同樣的流體經歷多個CO2去除步驟，或者可對來自不同發酵階段或發酵罐中的流體進行相同或不同的去處步驟。
[0253]根據圖2所示的備選實施方案，CO2去除設備8位於生物反應器5上遊(請對照圖1中的下遊)。這樣，根據圖2的實施方案，CO2去除設備8可被用於在將底物流送入生物反應器5之前捕捉其中的C02。任選的閥門2可被設置成，如果確定CO2含量太低而不能進行高效和/或有效的C02捕捉，可將該流體直接送入生物反應器5。可選擇地，在流體不適合進行CO2去除或發酵的情況下，可將流體3全部導離該系統。
[0254]根據圖3的實施方案，在生物反應器5的下遊提供了 CO2去除設備8，並且閥門10被設置成，如果確定有足量 的CO保留在流體9中可供進一步發酵成產品，則將流體9導回生物反應器5。然而，如果確定流體中的CO含量低於期望水平，該流體可被導入別處(如流體11表示)。圖3的實施方案還包括圖1的實施方案和圖2的實施方案兩者的伴隨優勢。[0255]圖4是根據本發明的進一步實施方案的系統104的示意圖。輸入氣流I通過合適的導管進入系統104。輸入氣流I可以是來自工業工藝中的廢氣流，如在氧氣頂吹轉爐內鋼鐵增碳工藝中釋放出的廢氣流。輸入氣流I優選地包含至少一種基於碳的氣體。在具體實施方案中，流體I含有CO和/或C02。氣流I中的組分水平可以波動。如果確定流體I不具備期望的組成，可包括任選的閥門2將流體I引開(用流體3表示)。例如，當希望從流體I中得到CO時，可設定流體I的最小CO含量，這樣如果沒有達到該最小CO含量，該流體被移出系統101而不進行進一步的處理。可設置此類閾值以避免對流體進行不經濟或不可行的處理。使用任何已知的方式確定氣體是否具有期望的組成。如上所述，「期望的組成」不僅指希望被包含於流體I中的物質，也指不包含不希望的組分。例如，如果流體I中存在特定的汙染物中，該流體I可被移走。
[0256]基於本發明的公開，本領域技術人員應該知道，閥門2可位於系統104中的其它地方。例如，其可位於系統中氣體分離器13處理之後。
[0257]如果確定流體I具備期望的組成，將該流體送入氣體分離器13。從氣流I中分離出至少第一組分，留下剩餘組分。所述至少第一組分或剩餘組分可作為流體12被移走，而另一組分被送入任選的預處理4和生物反應器5。這樣，當氣流中需要CO以供給生物反應時，CO可從剩餘流體中分離，僅將C0(或富含CO的流體)送入生物反應器5。可選擇地，可以分離流體中的一種或多種組分(例如O2和/或H2)，從而至少部分地去除所述組分，並將剩餘流體送入生物反應器5。
[0258]基於本發明的公開，對本領域技術人員顯而易見的是，氣體分離器13可包括一個或多個階段或獨立單元，在每個階段分離一種或多種氣體。
[0259]下文進一步描述了氣體分離工藝和設置。
[0260]如上所述，預處理4可位於系統104內的其它地方或者可省略，或者可在系統101內的不同位點提供多個預處理`4。預處理4的應用取決於氣流I的具體來源和/或具體的發酵反應和/或為此所選的微生物。
[0261]生物反應器5被設置成進行期望的發酵反應。根據某些實施方案，生物反應器5被設置成處理含有CO的底物以生成一種或多種酸和/或一種或多種醇。在具體實施方案中，生物反應器5被用來生產乙醇和/或丁醇。生物反應器5可包括不止一個罐，每個罐被設置成進行相同的反應和/或特定發酵工藝內的不同階段和/或不同的反應，包括可包含一個或多個共同階段的不同發酵工藝的不同反應。
[0262]生物反應器5可配備有用於控制其內溫度的冷卻設備，所述溫度被控制在對於待進行的特定發酵反應中所用微生物而言可接受的限值內。
[0263]根據圖5的備選實施方案，將氣體分離器13置於生物反應器5下遊(請對照圖4中的上遊)。這樣，根據圖5的實施方案，可使用氣體分離器13來分離生物反應器5中發酵反應生成的氣體的一種或多種組分，和/或分離已經進入生物反應器5但沒有被使用的氣體。當生物反應器5包括多個階段或多個獨立的罐時，至少部分階段中的氣體被氣體分離器13接收。同樣的，可以提供不止一個下遊氣體分離器13，由此同一氣流經歷多次分離，或者可對不同的發酵階段或發酵罐中的流體進行相同或不同的分離。
[0264]根據圖6的實施方案，在生物反應器5的上遊和下遊提供氣體分離器13，具備圖4和圖5實施例兩者的伴隨優點。[0265]可在生物反應器5上遊提供泵或者壓縮機(未顯示)使生物反應器5內的氣體壓力增加。如上文所討論的，生物反應器內的氣體壓力可影響在其中進行的發酵反應效率。因此，可調節壓力以提高發酵效率。常見反應的合適壓力是本領域已知的。
[0266]氣流I可包含多個不同流體。可為不同的流體提供獨立的處理單元，僅有一部分單元是共用的。例如，可用第一氣體分離器接收第一流體，用第二分離器接收第二流體。第一和第二分離器中的輸出可都被送入同一個生物反應器。其它程度的共同性或差異也包括在本發明範圍內。
[0267]圖7是根據本發明的一個實施方案的系統107的示意圖。工業工藝中(例如BOF鋼鐵增碳工藝)的廢氣流14通過合適的導管進入系統107。如虛線所示，流體14是間斷性的。就持續供應而言，流體14可以是持續的流體，但該流體中特定氣體的含量可隨時間變化。例如，流體14中的CO可隨時間在高水平和低水平之間變化。無論流體14是否實際上是持續或間斷生成，在預期的氣體水平太低而無法支持發酵反應(或不希望的氣體(例如O2)水平太高)時，可使用閥門2將流體14導向其它地方，包括進入大氣(用流體3表示)。當流體14含有期望濃度的期望的氣體時，閥門2將產生的流體15送入緩衝儲罐16。由於流體15可能的間斷性，其也用虛線表示。
[0268]緩衝儲罐16作為儲存容器在預處理4對氣體進行預處理之後向生物反應器15提供氣體。根據氣流14的具體來源和/或具體的發酵反應和/或為此所選的微生物，預處理4可位於系統１內的其它地方或甚至省略。
[0269]緩衝儲罐16優選地釋放穩定的氣流17，其經過預處理4後以穩定的流體18進入生物反應器5。以實線顯示流體17和18以體現它們的基本連續性。可在緩衝儲罐16內壓縮氣體以減少所需的空間。可使用閥門(未顯示)或其它裝置設置緩衝儲罐16的氣體的流速。流速優選為恆定的並且選擇使緩衝儲罐16始終有氣體供應並且不會耗盡。根據一個實施方案，控制裝置(未顯示)可根據其中含有的氣體量控制閥門來改變氣體15的流速。更具體的，當緩衝儲罐16中儲存的氣體降至預定水平之下時，可降低緩衝儲罐16的氣體流速，因此，儘管未向生物反應器5提供最優水平的氣體，通過改進生物反應器5內的微生物的條件，提供降低水平的氣體至少可以減輕對生物反應器5生產率的影響。
[0270]因此，由於在儲罐16中對氣體的緩衝，在圖7所示的實施方案中，緩解了流體14的間斷性。
[0271]基於本發明的公開，對本領域技術人員顯而易見的，緩衝儲罐16優選包括除去發酵工藝廢氣的排氣口。生物反應器5還可具有用於將其內溫度控制在微生物可接受限度內的冷卻裝置。
[0272]根據系統107的備選實施方案，用實現相同或相似功能的備選存儲形式代替緩衝儲罐16。這些形式可包括吸附以及變壓和/或變溫中的一種或多種。根據一個實施方案，氣體存儲在溶液中，然後溶液被送入生物反應器5。這樣一種設置可減少生物反應器5內的處理時間，因為所需的氣體在它們進入生物反應器5之前已經溶解。
[0273]在圖8顯示的設置中，緩衝儲罐16是任選的，用虛線表示。在省略緩衝儲罐16的實施方案中，當流體14可以獲得並且具有可接受的組成時被送入生物反應器5，導致流體19和20間斷。正如前面提到的，這對特定的微生物或工藝是不理想的。當包括緩衝儲罐16時，一部分流體15可被送入，因此當可以獲得流體15時，氣體同時進入生物反應器5和緩衝儲罐16。進入緩衝儲罐16的氣體可被儲存直到當流體15不可獲得時。然後至少低水平的氣流可從緩衝儲罐16進入生物反應器5。
[0274]對本領域技術人員顯而易見的是，工業工藝中的廢氣流14可能溫度很高。微生物允許的溫度範圍不同，但對於通常用來製備醇類如乙醇的厭氧細菌而言，大約在30°C到50°C的範圍。氣流14可導致生物反應器5內的溫度上升，並且由於發酵工藝的放熱性而加劇，從而需要在系統中添加降溫措施。根據一個實施方案，當為生物反應器5配置冷卻裝置時，應考慮到流體14的間斷性。更具體地，當流體14不可獲得或者沒有期望的組成時，生物反應器5中的溫度可下降到所用微生物允許溫度範圍的下限(例如到30°C )。然後，當具有期望組成的氣流14可以獲得時，允許生物反應器5內的溫度的上升，從而降低了當氣體進入生物反應器5時對提供冷卻裝置的要求。這樣，對通常用來製備醇類如乙醇的厭氧細菌，允許生物反應器5內的溫度達到50°C。根據一個實施方案，在生物反應器5接近最高允許溫度時，可禁止氣流14進入生物反應器5，即使該氣流具有期望的組成，從而使生物反應器5中的溫度更易控制。在這種情況下，可將氣體儲存以便供以後使用或將氣體移至別處，此時可對氣體進行額外的處理步驟，基於本發明的公開，所述處理步驟對本領域技術人員而言是顯而易見的。本發明的具體實施方案提供了冷負荷的測量。
[0275]圖9是根據本發明的另一實施方案的系統109的示意圖。壓縮機22用來壓縮間斷的流體21，如果可能，將壓縮流體23送入生物反應器5。這樣，根據圖9的實施方案，生物反應器5有效地同時作為發酵罐以及儲罐，當可以獲得流體14並且流體具有期望的組成時，所述生物反應器可將氣體在升高的壓力下保存於其中。在流體14中斷或當流體14不具有期望的組成時，廢氣可從生物反應器5中緩慢排出使得生物反應器內的壓力下降，但這樣能夠連續保持或充分好地保持任意期望的氣體的足量水平，以防止出現微生物失去氣體的過長時間。
[0276]圖1Oa和IOb是根據本發明的另一個實施方案的系統IIOa和IIOb的示意圖，其中使用多組間斷性氣流14a和14b給生物反應器5內的發酵反應供料。這樣，當流體14a不可獲得或不具備期望的組成時，流體14b可作為備選為生物反應器5供料。對本領域技術人員而言顯而易見的是，可以利用兩種以`上的氣流源。同樣，根據每種流體的具體組成，流體處理步驟中共同步驟的數量可以不同。圖1Oa和IOb中所示的設置可以在鋼廠中實施，所述鋼廠在鋼鐵製造工藝不同階段產生不同流體。此外或可選擇地，可使用其它氣源。例如，在利用厭氧細菌發酵製備醇類如乙醇時，可使用傳統來源提供流體(例如生物質)。
[0277]圖11是根據本發明的另一個實施方案的系統111的示意圖，並結合了本文之前描述的若干階段。如之前參照圖7所描述的，將間斷性流體14轉化為基本連續流體17。基本連續的流體17進入氣體分離器13，該分離器適於從底物流的其它組分如CO中分離C02。含有CO2的分離流體12被送入CO2去除設備8，在其中該流體可被轉化為適合進一步使用或儲存的產物。剩餘的含有CO的流體進入任選的預處理4，然後進入生物反應器5。還可提供任選的導管24將生物反應器5中排出的含有CO2的流體送回CO2去除設備8，在其中該流體可被轉化為適合進一步使用或儲存的產物。
[0278]圖12是根據本發明進一步的實施方案的系統112的示意圖。氧氣頂吹轉爐25可以是工業工藝(如鋼鐵脫碳)的一部分，並產生廢流I。在具體實施方案中，廢流I含有CO和/或C02。廢流I通過任選的預處理4a。通常，預處理4a是適合從流體I中去除顆粒物質的洗滌器或水浴設備。當確定流體不具備期望的組成時，閥門2a適於將至少一部分的流體I送入廢氣煙? 26。移走的流體用箭頭3a表示。通常，送入廢氣煙? 26的流體將如箭頭27所示被排出進入大氣。通常，流體是氣態的並且能夠由一個或多個風機和/或泵送入廢氣煙囪和任選地通過系統113。
[0279]如果確定流體I具有期望的組成，其可以作為流體14被送入任選的熱交換器28a。通常，流體14是間斷性的並且可能需要冷卻。熱交換器28a可以是本領域已知的任何熱交換裝置。然而，作為例子，其是殼管式換熱器。如果需要，可以使用任選的預處理4b以從流體中去除殘留的顆粒物質。作為例子，可使用膜濾器從流體中去除顆粒物質。預處理4b還可包括從任選的冷凝流體中去除冷凝水的裝置，如氣液分離罐或者本領域已知的其它合適的水汽收集設備。
[0280]在進入氧氣去除階段29之前，可通過任意合適的裝置對流體加壓，如氣體壓縮機22。可以使用任意適合去除氧氣的方式，作為例子，氧氣去除階段29包括熱銅催化劑或催化轉化器。流體在進入保持管30之前，可用任選的熱交換器28b進行冷卻。保持管30有足夠的長度，從而在流體到達閥門2b之前可通過任意合適的確定方式(未顯示)來確定流體組成。如果確定該流體具有期望的組成，其可通過閥門2b被送入緩衝存儲設備16。如果組成不適合發酵，例如氧氣含量太高，閥門2b可將流體移到廢氣煙? 26 (以箭頭3b表示)。緩衝裝置16將基本連續的底物流17經過任選的預處理4c送入生物反應器5。可使用任選的預處理4c從流體17中去除不希望的汙染物如微生物。作為例子，可使用滅菌過濾器或膜從該流體中去除不希望的細菌。從生物反應器5中排出的廢流3c也可進入廢氣煙囪26。
[0281]確定流體組成的裝置可被任選地包括在系統的任意階段。作為例子，用於確定02、CO和/或C02組成的裝置可包括在閥門2a的上遊、保持管30或閥門2b的上遊和/或生物反應器5的上遊。此外，由於流體的潛在易燃性，安全設備如阻火器也可被包括在系統的任意階段。
[0282]圖13是根據本發明進一步的實施方案的系統113的示意圖。廢流I和流31 (其中之一或兩者可以是間斷的)被導入混合器32。混合器32適於控制至少兩種流體(如流體I和31)的流動並將流體混合得到具有期望組成的流體(流體33)。不希望的流體，如具有不希望組成的流體可如箭頭3所示被導出系統113，而具有期望組成的流體33可被導入任選的緩衝器16、任選的預處理4及隨後的生物反應器5進行產品轉化。可連續監測或者採用本領域中已知的任意方式監測流體1、3、31和33的組成和流速。
[0283]基於它們各自的組成，在進入混合器32之前，流體I和/或31可被另外或可選擇地移走。當只有一種流體具有不希望的組成時，這樣的設置能夠使得流體1、31的其中一種被使用。
[0284]在具體實施方案中，混合器32包括混合室，其通常包括小容器或一段管道。在這種情況下，該容器或管道可具有適於促進各個組分湍動並加速均質的靜態混合設備，如擋板。
[0285]在本發明的某些實施方案中，混合器32包括用於控制兩種或多種流體混合以獲得理想優化的底物流33的裝置。例如，混合器32可包括控制流體I和31各自進入混合器32的流速的裝置，由此獲得具有期望組成的流體33 (例如期望的C0:H2比)。該混合器在混合室下遊還優選地包括監測設備(連續的或其它方式的)。在具體實施方案中，該混合器包括處理器，其適於根據監測裝置的反饋結果控制不同流體的流速和/或組成。
實施例
[0286]參照下述非限制性的實施例，對本發明進行進一步更詳細的描述。
[0287]除非另有說明，在這些實施例描述的發酵中所用的基質和溶液含有下述成份。
[0288]基質:
[0289]表1:基質LM23和LM33的組成
【權利要求】
1.通過微生物發酵生產包括包括醇類和/或酸類的一種或多種產品的方法，該方法包括: i.接收來自工業工藝的含有CO的氣流； ?.將氣流送入含有在液體營養基質中的一種或多種一氧化碳營養菌的培養物的生物反應器中；和 ii1.將所述生物反應器中的所述培養物發酵以生成包括醇類和/或酸類的一種或多種產品， 其中所述含有CO的氣流來源於甲烷或天然氣的氣化或由烴的蒸汽轉化得到。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述含有CO的氣流由甲烷的蒸汽轉化得到。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述含有CO的氣流來源於天然氣的氣化。
4.根據權利要求1所述的方法，該方法還包括使用CO2去除設備，從下述一種或兩種流體中捕捉至少一部分CO2內容物: i.進入所述生物反應器之前的流體；和 ?.已經離開所述生物反應器的流體。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述一氧化碳營養菌選自梭菌屬、穆爾氏菌屬和氧化碳嗜熱菌屬。
6.根據權利要求1或5所述的方法，其中所述一氧化碳營養菌為Clostridiumautoethanogenum、Clostridium Ijungdhalii 或 Clostridium carboxydivorans。
7.根據權利要求1、5或6所述的方法，其中所述一氧化碳營養菌為Clostridiumautoethanogenum。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述Clostridiumautoethanogenum為具有德國生物材料資源中心(DSMZ)保藏號19630菌株的識別特徵的Clostridiumautoethanogenum。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述發酵生產乙醇和/或乙酸鹽。
10.根據權利要求1或3所述的方法，其中所述甲醇或天然氣的氣化包括將該甲醇或天然氣與氧部分燃燒以生成合成氣。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述烴的蒸汽轉化包括將天然氣烴在高溫下轉化生成CO和h2。
【文檔編號】C12P7/54GK103757059SQ201410048962
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2008年10月23日 優先權日:2007年10月28日
【發明者】肖恩·丹尼斯·辛普森, 克裡斯託夫·科利特, 理察·盧埃林·雪莉·福斯特, 麥可·查爾斯·米爾納·科克雷姆, 西蒙·大衛·奧克利 申請人:蘭扎泰克紐西蘭有限公司