工業廢物中的碳氧化物到生物質和化學產物的化能自養轉換的制作方法

工業廢物中的碳氧化物到生物質和化學產物的化能自養轉換的制作方法
【專利摘要】本發明提供用于使用化能自養微生物來從工業廢物俘獲碳的系統和方法。一個示例性的系統包括：工業源，諸如水泥廠；以及包括微生物的生物反應器。生物反應器被供給有來自源的廢物流，該廢物流向微生物提供碳；并且也被供給有氫原料，微生物從該氫原料獲取它們的能量。可以從被供給有機原料的氣化器提供附加的或備選的碳。向微生物提供的碳被轉換為化學產物，該化學產物可以從生物反應器恢復。可以通過使用由可再生能源產生的電通過電解來產生氫。
【專利說明】工業廢物中的碳氧化物到生物質和化學產物的化能自養轉換
[0001]相關串請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年9月12日提交并且名稱為“Methods and Microbes forIndustrial Greenhouse Gas Capture and Production of Chemicals and Biomass byChemoautotrophic Microbes”的第61/533672號美國臨時專利申請以及于2012年4月 30 日提交并且名稱為 “Chemoautotrophic Methods and Microbes for CarotenoidSynthesis”的第61/640459號美國臨時專利申請的權益,這兩個美國臨時專利申請通過引用并入本文。
【技術領域】 [0003]本發明總體涉及生物反應器系統，并且更具體地涉及將生物反應器系統用于由從工業廢物流俘獲的碳化能自養合成化學產物的方法。
【背景技術】
[0004]對作為用于生產諸如塑料、化妝品、潤滑劑、粘合劑、涂料、交通運輸燃料以及許多其它的日用品、特制品和精細化學產品之類的產品的主要原料的石油化學產品的依賴日益受到關注，這是由于由此導致的溫室氣體產生以及石油原料的高且可變的成本兩方面的原因。從微生物源獲取的可再生化學產品提供了對于從化石資源獲取的化學產品的在環境上可持續的替代選擇。
[0005]微生物需要碳源以存活、生長并生產化學產物。許多工業源產生大量的碳，主要是在廢氣(如，碳氧化物(二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO))中的一種或兩種)中。來自工業源的碳氧化物主要是由燃燒化石燃料和/或化學產品產生的，并且由于它們對有害的環境條件有貢獻的原因而被歸類為溫室氣體。因此，從工業氣體廢氣(effluent)俘獲碳氧化物既是一種用于生物介導的化學生產以獲得碳的方法，也是一種減少釋放到大氣中的碳氧化物的量的方法。
[0006]水泥制造是大氣碳氧化物以及其它溫室氣體的一個主要來源。在水泥生產中，將礦物原料逐漸加熱到越來越高的溫度，引起一系列化學反應發生。這些反應中的一個是煅燒，也稱作焙燒，其中在原料內的含碳酸鹽礦物分解，釋放二氧化碳。碳酸鈣的分解例如表達如下:
[0007]CaCO3 — Ca0+C02.[0008]在甚至更高的溫度下的進一步反應產生“熟料(clinker) ”，該熟料是燒結的物質，其隨后被磨碎至用于水泥的適當的細度。
[0009]除了在上文的煅燒過程中由碳酸鹽礦物分解所產生的二氧化碳之外，水泥生產也以其它方式產生二氧化碳。例如，機械加工過程(諸如，壓碎和碾碎)以及用于生產最終熟料的高溫，所有這些都傾向于通過燃燒化石燃料來實現。
[0010]因此，水泥制造產生至少兩個碳廢物流。第一流主要包括碳酸鹽分解所得的二氧化碳。在該第一流中水蒸氣(蒸汽)是主要雜質，因為在原礦物原料中的水也被驅掉了。其它雜質氣體隨著在原礦物原料中的具體組分、純度和污染物而變化。
[0011]第二碳廢物流包括二氧化碳、一氧化碳以及由原料燃料的燃燒而產生的其它氣體，該原料燃料的燃燒例如用于加熱以及使傳送器和研磨器的發動機運行。這些燃料經常是化石燃料，但也可以是由生物質、廢物材料或其它燃料源的燃燒或氣化而獲取的燃料。該氣體在第二流中的準確組分取決于在使用的燃料原料的組分。
[0012]第一和第二氣流兩者的組分還受空氣的使用并且有時受其它氣體的使用影響。例如，兩種流都傾向于包括來自大氣的氮和氧，這是因為焙燒通常在空氣中執行并且空氣通常為燃燒提供氧。水泥廠煙道氣還經常包含硫和氮的氧化物(通常稱作SOj^P NOx)以及硫化氫和其它溫室氣體。
[0013]可再生化學產品的生產涉及俘獲碳氧化物并且將其并入化學產物中。微生物系統提供在環境上可持續的、避免溫室氣體的、并且能量、水和碳高度有效的、用于俘獲碳氧化物的化學制造過程。在多數領域中微生物化學生產可以是本地的，并且可以與釋放碳的工業(諸如，水泥制造)位于共同的位置。通過使用從工業廢物流(無論是氣態、液態或固態的廢物)俘獲的碳，能夠生產真正碳中和的、可再生的石油產物替代品。這還減少對于進口化石能源的依賴。
[0014]發酵是一個眾所周知的過程，其中提供化學化合物(諸如，糖)作為原料。在發酵中，糖被分解以提供商業上有用的但是能量更低的產物(如，酒精)。這類化學原料提供碳源，該碳源對于構建新的化合物以及允許微生物代謝和生長(合成代謝)是必不可少的；并且提供用于在能量上驅動該過程的化學鍵能。該類代謝被稱作是異養的，并且在歷史上已經主導不同細菌和真菌的 使用以用于制造對社會有益的化學產品。
[0015]稱為自養的另一類微生物代謝指的是將無機碳源(主要是俘獲的二氧化碳)用作主要碳源。這些無機碳源提供了必須的碳源，但是包含的化學能量明顯比在異養生長中使用的糖更少。包括綠色植物和水藻的光自養生物使用光能以驅動對二氧化碳的俘獲。術語“化能自養”與以下生物體有關，該生物從無機化學源獲取它們的能量和它們的碳兩者。
[0016]化能自養代謝描述一種代謝模式，其中生物攝取無機碳作為主要碳源(諸如，通過俘獲二氧化碳)，并且從化學源獲得能量(諸如，通過將氫氧化)。化能自養代謝主要被發現在數種細菌中，包括但不限于，紫色非硫(PNS)細菌(諸如，莢膜紅細菌、類球紅細菌、沼澤紅假單胞菌)、β -變形菌(諸如，耐金屬羅爾斯通氏菌(Ralstonia metalIidurans)(富養羅爾斯通氏菌))、假單胞菌(諸如，假單胞菌carboxydovorans (Pseudomonascarboxydovorans))、產甲燒細菌(諸如，嗜熱自養甲燒桿菌、富養羅爾斯通氏菌(Ralstonia eutropha))、β -變形菌(諸如,耐金屬羅爾斯通氏菌、富養羅爾斯通氏菌)、產乙酸細菌(acetogenous bacteria)(諸如,伍氏醋酸桿菌)或者表達吸氫酶和二氧化碳固定代謝兩者(無論是內源性的還是通過基因操作、突變、選擇或定向進化所引入的)的其它微生物，諸如大腸埃希氏菌、項圈藻、枯草芽孢桿菌等。在許多情況下，這些微生物能夠異養以及光養代謝，或者使用能源和碳源兩者的混合代謝。在一些情況下使用分子氫(H2)作為能源，并且使用碳氧化物作為碳源。一氧化碳也可以充當可能的能源和可能的碳源，但是由于一氧化碳的毒性，一氧化碳通常最好與氫和/或二氧化碳和/或氧混合使用。
[0017]氣化是如下過程，其中生物質、化石燃料或其它含碳材料在稱作氣化器的受控反應器中經受高溫以及受限供應的空氣或氧。該過程(當未提供氧時稱作熱解)產生數種氣體，主要包括一氧化碳和氫，但還可能產生二氧化碳、水蒸氣、甲烷、乙烯和乙烷中的一種或多種。在更低溫度下的熱解稱作烘焙。通過氣化產生的氣體流具有大量的一氧化碳，并且可以進一步處理以經由稱作重整工藝的數個過程，來將一氧化碳和水轉換為二氧化碳和氫。重整技術包括但不限于,蒸汽重整、催化重整和生物介導的重整(諸如，生物催化電解或發酵氫生產)。此外，分子氫和一氧化碳是合成氣的主要組分，其中變化的量的一氧化碳和分子氫由含碳燃料的氣化產生。例如，合成氣可以通過使城市廢物、廢水固體、廢木制品、廢木材、廢塑料和非生物可降解的含碳材料的有機生物質裂化來生產，以產生用于生產燃料和更復雜的化學產品的前體。

【發明內容】
[0018]根據本發明，在不包含顯著備選能源的生物反應器中的水培養基中的化能自養微生物，從被添加到生物反應器的分子氫和碳氧化物獲取它們的主要能源和碳。碳氧化物可以作為工業過程(諸如，水泥制造)的廢產物被產生。附加地或備選地，可以由對有機原料的氣化提供碳氧化物，該碳氧化物可能然后被重整。向微生物提供的碳被微生物轉換為有用的化學產物，該化學產物每單位重量包含更多能量并且比氣態輸入更有價值。本發明的方法還生產“綠色”水泥；該水泥是碳中和的，或者至少是使用在制造期間向大氣中釋放更少的溫室氣體的過程生產的。此外，本發明的方法允許在水泥制造中使用備選的燃料源，并且允許提供對于廢氣的俘獲和利用，而從管理和/或成本角度來看這通常是不實際的。備選能源包括氣化的煤、生物質或廢物材料、和燃料油、以及直接燃燒的許多類型的材料。此外，本發明的方法提供對于用于混合(blending)氣體的方法的過程的改進。用于混合氣體的這些方法在與由水泥制造產生的廢氣一起使用時，特別實用。
[0019]本發明的一個示例性的系統包括生物反應器和工業源，該工業源(諸如，水泥制造、發電等)產生包括碳氧化物的廢物流。生物反應器包括:第一底物，包括廢物流；第二底物，包括分子氫；以及液體培養基，包括微生物的培養物，該微生物的培養物能夠化能自養地俘獲在第一底物中的至少一些碳氧化物(諸如，莢膜紅細菌和/或富養羅爾斯通氏菌)。系統的一些實施例包括第二底物的源(諸如，存儲罐或電解系統)。在一些實例中，電解系統可以被設置在生物反應器內。包括電解系統的一些實施例還包括與電解系統電連通的可再生能源。各個實施例進一步包括分離系統，該分離系統被配置用于從生物反應器接收液體培養基，并且被配置用于從接收到的液體培養基分離生物質和/或化學產物。
[0020]本發明的一些實施例進一步包括氣體混合單元，該氣體混合單元在工業源和生物反應器之間流體連通。在這些實施例中，氣體混合單元被配置用于將來自工業源的廢物流與另一個氣流(諸如，來自氣化器)混合，以產生用于生物反應器的第一底物。包括氣體混合單元的一些實施例還包括與氣體混合單元流體連通的存儲系統。由于在第一底物中的碳是用于微生物培養物的碳源，因此存儲系統可以在其中工業源不生產的實例中提供第一底物。
[0021]各個實施例還包括氣化器以及重整器，其中重整器被配置用于從氣化器接收氣態輸出并且其中生物反應器被配置用于接收重整器的氣態輸出。來自氣化器的熱和/或一些氣態輸出還可以被轉移到其它用途。在這些實施例中的一些中，重整器進一步被配置用于接收除了來自氣化器的氣態輸出之外的第二氣流(例如，來自過程冷卻的流)。在其中重整器接收流的實施例中，重整器可以是蒸汽重整器。在各個實施例中，重整器還可以是催化重整器。
[0022] 本發明的另一個示例性的系統包括水泥制造設施和生物反應器系統。水泥制造設施包括水泥窯以及被配置用于俘獲來自水泥窯的排出氣體的排氣系統；而生物反應器系統包括生物反應器，該生物反應器與排氣系統流體連通并且被配置用于從來自排氣系統的第一氣態流中的碳氧化物來產生化學產物，第一氣態流包括來自水泥窯的排出氣體。生物反應器系統還可以包括分離系統，該分離系統被配置用于從生物反應器接收液體培養基并且從接收到的液體培養基分離化學產物。示例性的系統可選地還包括:氣化器，被配置用于產生第二氣態流；以及重整器，被配置用于接收第二氣態流并且產生第三氣態流，其中生物反應器與重整器流體連通以接收第三氣態流。在這些實施例中的一些中，重整器進一步被配置用于從水泥制造設施接收至少一些第一氣態流，從而在生物反應器和排氣系統之間的流體連通路徑包括重整器。
[0023]在各個實施例中，系統還包括氣體混合單元，該氣體混合單元在生物反應器和排氣系統之間流體連通。這些系統中的一些進一步包括被配置用于產生分子氫流的電解系統，并且其中氣體混合單元被配置用于接收分子氫流。在這些后者實施例中的一些中，電解系統進一步被配置用于產生分子氧流，并且氣體混合單元被配置用于獨立于分子氫流而接收分子氧流。包括氣體混合單元的一些實施例進一步包括控制器，該控制器被配置用于監控生物反應器中的條件(諸如，PH值、溫度、氣體組分等)，并且進一步被配置用于響應于條件而調節進入氣體混合單元的氣體的流量。
[0024]本發明的一個示例性的方法包括:向生物反應器提供碳氧化物；向生物反應器提供分子氫，并且可選地向生物反應器提供分子氧；并且在生物反應器中的生長培養基中維持化能自養微生物的培養物，該微生物能夠化能自養地俘獲至少部分碳氧化物以產生化學產物。在一些實施例中，向生物反應器提供碳氧化物包括:將來自工業過程的廢物流連通到生物反應器。同樣地在一些實施例中，向生物反應器提供碳氧化物包括:使有機原料氣化以產生氣化的輸出，使氣化的輸出經受重整以產生經重整的輸出，并且將經重整的輸出連通到生物反應器。
[0025]在各個實施例中，提供分子氫的步驟包括產生分子氫。在這些實施例中的一些中，產生分子氫包括使用重整(諸如，蒸汽重整或催化重整)。同樣地在一些實施例中，產生分子氫包括使用水的電解。在這些后者實施例中，產生分子氫進一步包括產生用于水的電解的電力；并且在這些實施例中的一些中，在生物反應器內執行電解。
[0026]可選地，示例性的方法還包括:在生物反應器中維持培養物之前，使化能自養微生物培養物生長。示例性的方法還可以包括從生長培養基分離化學產物；并且例如，在這些實施例中的一些中，化學產物包括羥基鏈烷酸酯或聚羥基鏈烷酸酯。在各個實施例中，示例性的方法還包括從生長培養基分離生物質；在這些實施例中，使有機原料氣化包括使生物質氣化。在各個實施例中，按體積在約60%至約80%的范圍內提供分子氫，按體積在約5%至約20%的范圍內提供碳氧化物，并且按體積在最多30%的范圍內提供分子氧。
【專利附圖】

【附圖說明】[0027]圖1是根據本發明的一個示例性的實施例的系統的示意圖。
[0028]圖2是根據本發明的一個示例性的實施例的生物反應器的示意圖。
[0029]圖3是根據本發明的另一個示例性的實施例的系統的示意圖。
[0030]圖4是結合本發明的系統可用的示例性的混合器和存儲系統的示意圖。
[0031]圖5是結合本發明的系統可用的示例性的氣化器和蒸汽重整器的示意圖。
[0032]圖6是根據本發明的另一個示例性實施例的系統的示意圖。
[0033]圖7是根據本發明的另一個示例性 實施例的系統的示意圖。
[0034]圖8是根據本發明的一個示例性實施例的合成方法的流程圖。
[0035]圖9是根據本發明的另一個示例性實施例的系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0036]本發明涉及將廢物碳化能自養轉換為有用產物(諸如，生物質和/或化學產品)，以便提供用于俘獲溫室氣體的經濟上可行、環境上有吸引力并且可持續的過程，并且由其大規模地生產化學產物和/或生物質。更具體地，工業廢物中的一氧化碳和/或二氧化碳可以與分子氫一起供給在生物反應器中的化能微生物；微生物將氫用作它們的能源。微生物使用能量來俘獲碳以及生長、繁殖以及產生副產物(它們自己的廢物流)。生物質和這些副產物(典型地為有機化合物)兩者可以被收集。
[0037]生物材料的保藏
[0038]下列微生物已經由美國模式培養物保藏所(10801UniversityBoulevard, Manassas Va.20110-2209，USA(ATCC))保藏。
[0039]表格I
[0040]微生物名稱 ATCC編號保藏日期
[0041]莢膜紅細菌 PTA-12049 2011年8月25日
[0042]該保藏根據“國際承認用于專利程序的微生物保存布達佩斯條約”及其(布達佩斯條約)細則的條款來進行。這就保證從保藏日期開始保持培養物可行30年。微生物將根據布達佩斯條約的條款而由ATCC提供，并且受到Oakbio公司與ATCC之間協議的約束，這就保證了在相關美國專利發布時或者在向公眾公開任何美國或外國專利申請時(無論哪種情況在先出現)，公眾可永久且不受限制的獲得保藏培養物的子代，而且保證了依據35USC § 122及依照它的管理章程(包括37CFR § 1.12，特別要提及8860G638)由美國專利和商標局長決定的個人將有資格可獲得子代。
[0043]本申請的受讓人已經同意，如果在保管的培養物將在適合的條件下培養時死亡或丟失或被破壞，它們將在通知時被迅速地用相同培養物的可行樣本所替換。所保藏的菌株的可獲得性不應被解釋為對違反任何政府的機構依據其專利法所授予的權利實踐本發明的許可。
[0044]圖1示出了本發明的一個示例性系統100的示意圖。系統100包括生物反應器110，該生物反應器110包括化能自養微生物培養物120。系統100還包括碳源130，諸如產生廢物流140的工業源，該廢物流140包括二氧化碳、一氧化碳和碳氧化物中的一種或多種。碳源130的示例包括水泥制造設施、燃燒化石燃料的發電廠、含鐵金屬產品制造(例如，鑄造和鍛制)、有色金屬產品制造、食品制造、生物質的氣化、煤的氣化、以及化學制造(諸如，石油煉制、炭黑生產、氨生產、甲醇生產和焦炭制造)。廢物流140對被供給到生物反應器110中的第一底物有貢獻。第一底物可以簡單地是廢物流140自身，或者可以包括與其它組分組合(諸如與空氣混合)的廢物流140。
[0045]系統100還包括分子氫源150，諸如氫存儲罐或者電解系統(見圖7)。氫源150產生包括分子氫的氫流160。氫流160向生物反應器110貢獻第二底物。第二底物可以同樣簡單地為氫流160自身，或者可以包括與其它組分組合的氫流160。系統100可以進一步包括對第二底物有貢獻的分子氫的一個或多個附加源150。
[0046]雖然圖1示出兩個底物單獨地被供給到生物反應器110中，但是可以在引入生物反應器110之前組合底物。如本文所使用的，符合在生物化學中通常理解的含義而使用術語“底物”，即“微生物攝取以生長的材料”。在一些實施例中，底物被提供到生物反應器110的速率的比受控，以優化被供給到培養物120的總組分，和/或以獲得期望的總廢氣組分。
[0047]底物可以是氣態、液態或固態的。液態底物可以利用碳氧化物氣體來飽和、或者利用分子氫來飽和、或兩者。可以通過使用標準方法學(諸如例如，微氣泡分散生成器(micro-bubble dispersion generator)(見通過引用并入本文的 Hensirisak 等人的“Scale-up of Microbubble Dispersion Generator for Aerobic Fermentation，，,AppliedBiochemistry and Biotechnology VolumelOl, Number3/0ctober, 2002))來達到這點。
[0048]化能自養微生物培養物120能夠在生物反應器110內的適當條件下俘獲第一底物中的碳氧化物中的至少一些，并且在一些實例中俘獲其中的大部分或所有，以產生生物質170和/或化學產物180。在一些實施例中，這種適當的條件并不需要光，因而在一些實施例中生物反應器110不包括人工光源。自然光照可以用作附加能源，或者被排除。在另外的實施例中，自然或人工光可以選擇性地用于激勵或影響代謝途徑。用于應用該過程的候選微生物的兩個特征是:在 它們的外膜中表達吸氫酶(諸如，鎳鐵(NiFe)，氫化酶，經常寫作‘[NiFe]氫化酶)，并且在它們的外細胞膜中在羧酶體或微區室(microcompartment)中表達碳氧化物俘獲系統(諸如由核酮糖二磷酸羧化酶-加氧酶提供)，該羧酶體或微區室能夠從氫化酶或一氧化碳俘獲接收能量。適用于培養物120的微生物包括細菌，諸如，紫色非硫(PNS)細菌(如，莢膜紅細菌、類球紅細菌、沼澤紅假單胞菌)、β -變形菌(諸如，耐金屬羅爾斯通氏菌(富養羅爾斯通氏菌)、假單胞菌(諸如，假單胞菌carboxydovorans)、產甲烷細菌(諸如，嗜熱自養甲烷桿菌)、β_變形菌(諸如，耐金屬羅爾斯通氏菌和富養羅爾斯通氏菌)、產乙酸細菌(諸如，伍氏醋酸桿菌)以及表達吸氫酶和二氧化碳固定代謝兩者(無論是內源性的還是通過基因操作、突變、選擇或定向進化所引入的)的其它微生物，諸如大腸埃希氏菌、項圈藻、枯草芽孢桿菌等。
[0049]可以通過化能自養轉換而產生的化學產物180的示例包括有機化合物，諸如羥基鏈烷酸酯類和聚羥基鏈烷酸酯類(如，羥基丁酸和聚羥基丁酸)以及雜聚物類，該雜聚物類包含下列各項的各種混合:羥基丁酸酯和羥基戊酸酯、鏈烷酸酯二醇類、丙二醇、正十八烷-1，12-二醇、和類胡蘿卜素類、脂肪酸類、脂肪類、油類、和烷烴類。一些示例性的聚羥基鏈烷酸酯類包括3-羥基丁酸酯單體類或者羥基丁酸酯和羥基戊酸酯單體類。可以通過各種方法，包括解聚，來將聚羥基鏈烷酸酯類轉換為其它物質，諸如單體、脂肪酸甲酯類和其它聚合物類。
[0050]一些化學產物180可以進一步被轉換為其它物質，諸如生物燃料(如，丁醇、甲酮類、甲酯類、燒烴類、生物柴油)、脂肪酸類和聚三亞甲基(polytrimethylene)(如，聚對苯二甲酸丙二醇酯)以及各種生物燃料。在一些實施例中，化學產物180包括聚羥基鏈烷酸酯類、類胡蘿卜素類、脂多糖類、包括一種或多種鏈烷酸酯二醇類以及一種或多種其它醇類的混合醇流、或者各種其它化學產品，并且可以通過本領域已知的方法從化能自養合成培養液(broth)恢復。副產物(諸如，酸類，包括乙酸和丁酸)也可以使用本領域已知的方法從培養物培養液恢復。從生物反應器110收集的生物質170也可以是有用的商品，因為它可以被轉換為生物燃料，用作動物飼料、顏料、用于人和/或動物的用于化妝品或營養目的的產品的添加劑，被轉換為肥料，被氣化等。
[0051]用于化能自養合成的生物反應器110可以包括一個或多個容器和/或塔或管道設備，并且可以包括例如連續攪拌爸式反應器(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)、固定化細胞反應器(Immobilized Cell Reactor, ICR)、滴流床反應器(Trickle BedReactor, TBR)、鼓泡塔(Bubble Column)、氣升式發酵罐(Gas Lift Fermenter)、靜態混合器(Static Mixer)、流化床(Fluidized Bed)、升流(Up-flow)或降流(Down-flow)、連續、分批或循環的反應器、或者適合于維持適合的氣流接觸的任何其它容器。在一些實施例中，生物反應器110可以包括第一生長容器和第二化能自養合成容器；而在其它實施例中，貫穿生長和合成階段兩者使用單個容器。可以連同本發明一起使用的附加的生物反應器設計可以在于 2011 年 8 月 6 日提交的名稱為 “Chemoautotrophic Bioreactor Systems andMethods of Use”的第13/204649號美國專利申請中找到,該專利通過引用并入本文。
[0052]在生長階段，小量的化能自養微生物培養物120生長到適合于隨后合成階段的濃度，其中化能自養微生物培養物120用于產生生物質170和/或一種或多種化學產物180。在這兩個階段中，生物反應器170中的條件通常不同，并且培養物120可以接收不同的底物。在其中生物反應器110包括生長和合成容器的那些實施例中，培養液從生長容器被供給到合成容器中，在該合成容器中產生化能自養合成產物(生物質170和/或化學產物180)。
[0053]圖2示出了生物反應器200的示意圖，其為適合于連續培養物的生物反應器110的一個示例。生物反應器200可以包括用于連同分離的生長容器一起使用的合成容器，或者可以包括適合于生長和合成階段兩者的容器。在圖2中，生物反應器200包括容器205，該容器205在操作過程中保持包含化能自養微生物培養物120的一定量的液態培養基210。生物培養器200還包括:底物端口 215，通過其可以將氣態底物220引入容器205，以便引入到液態培養基210 ;培養基入口 225，通過其可以將新鮮培養基230引入容器205，以便引入到液態培養基210 ;以及培養基出口 235，通過其可以去除培養基210，例如以便收集生物質170和/或化學產物180。生物反應器200可以還包括頂部空間240和用于從頂部空間240排出氣體的氣體釋放閥245。在一些實施例中，培養基出口 235和培養基入口 225經由如下系統連接，該系統收集生物質170和/或化學產物180并且更新培養基210以便再循環(見圖3)。在一些實施例中，氣體釋放閥245附接到如下系統，該系統將氣態底物再循環回底物端口 215，并且可以進行增減以優化氣體組分。
[0054]回到圖1，將理解除了這兩個底物之外，培養物120需要適合的培養基(即，培養基210)。適合的培養基210包含如下組分，諸如維生素、礦物質、和保持培養物120的必需并有效的微量營養素。這些組分中的一些可以被優化，以用于增加產物產量。適合于莢膜紅細菌生長的化能自養培養基為本領域所知，例如由Madigan和Gest在“Growth of thePhotosynthetic Bacteria Rhodopsuedomonas capsulata chemoautotrophically in theDark with H2as the Sole Energy Source”(J.0f Bacteriology, 524-5301979 年 I 月)中所描述的，該文章通過引用并入本文。
[0055]圖3示出另一個示例性系統300的示意圖。系統300包括生物反應器305作為生物反應器110的另一個示例。系統300還包括水泥制造設施310，并且生物反應器305位置接近水泥制造設施310，并且與水泥制造設施310流體連通以便從其處接收廢物碳。水泥制造設施310包括:水泥窯315，在該水泥窯315中礦石原料被逐漸加熱以產生熟料；以及排氣系統320，其被配置用于俘獲水泥窯315的排出氣體。可以例如通過化石燃料(諸如，石油焦炭)的燃燒、氣化或熱解來實現加熱。
[0056]雖然未在圖3中示出，將理解設施310包括其它部件，諸如預熱器、輸送材料并且驅動研磨器的電機驅動設備等。由水泥窯315產生的排出氣體包括:在水泥窯315內由碳酸鹽分解而釋放的二氧化碳、通過加熱驅掉的礦物原料的水蒸氣、以及在水泥窯315內消耗的燃料的燃燒產物。由排氣系統320俘獲的氣體被提供到生物反應器305的入口 325。在一些實例中，來自排氣系統320的氣體與其它氣體混合(見圖4)，或者在進入生物反應器305之前進一步被處理( 見圖5)。
[0057]可選地，來自設施310內的其它源的廢氣也可以由排氣系統俘獲并且與由水泥窯315產生的排出氣體組合，或者如圖3所示單獨地提供到生物反應器305的另一個端口330，或者在單獨的氣體混合單元中(見圖4)與來自排氣系統320的氣流組合、或者在引向生物反應器305之前進一步被處理(見圖5)。這些其它廢氣可以包括來自蒸汽動力設備的蒸汽、來自制冷系統的蒸汽、來自預熱器的排氣、來自化學工藝的排氣、來自發動機的排氣、通過燃燒或加熱過程作為蒸汽被驅掉的濕氣等。
[0058]生物反應器305可選地包括用于引入空氣或其它氣體的入口 335。生物反應器305進一步可選地包括用于從源345 (諸如，源150)引入分子氫的入口 340。生物反應器305還包的氣孔350，用于從生物反應器305的頂部空間355釋放在液態培養基360水平面的上方的氣體。液態培養基360通過另外的入口 365引入，并且從出口 370取出。可以用分離系統375從培養基360分離生物質170和/或化學產物180，該培養基360是從生物反應器305去除的。如圖3所示的液態培養基360的與各個端口的位置有關的水平面并不是有意義的，并且各種底物可以諸如通過噴灑而被引入頂部空間355或者引入液態培養基360。
[0059]在各個實施例中，通過氣孔350排出的氣體中的一些或全部可以通過一個或多個入口再循環，從而通過允許它再一次經過液相來增加它的反應時間或者影響它的反應程度。類似地，經過分離系統375的一些或所有液態培養基360可以通過入口 365再循環回到生物反應器305中。在各個實施例中，生物質170由水泥制造設施310氣化。分離系統375可以使用眾所周知的分離技術，諸如分餾或蒸餾、滲透蒸發、以及萃取發酵。
[0060]圖4示出一個示例性的氣體混合單元400的示意圖，該氣體混合單元400是本發明的系統(諸如，系統100和300)的可選部件。例如，在一些實施例中，可選地在水泥制造設施310和生物反應器305之間使用氣體混合單元400。氣體混合單元400可以接收含碳廢物流，諸如那些來自排氣系統320和在水泥制造設施310中的其它源的含碳廢物流，可選地為空氣或其它氣體，并且可選地為從氣孔350再循環的氣體。氣體混合單元400可以將輸入氣流混合到期望的比例，諸如按體積約60%至約80%的分子氫、按體積約5%至20%的二氧化碳、和按體積約0%至約30%的氧。
[0061]圖4還圖不用于向第一底物提供備用碳供應的存儲系統410。存儲系統410可以存儲含碳氧化物氣體、包括有機或無機碳源的液體、或者包括碳源的固體。在一些實施例中，存儲系統410存儲由排氣系統320提供的氣體。在各個實施例中，存儲系統410可以存儲該氣體作為加壓氣體或者作為液化產物。可以響應于組分的減少、改變、或者來自任何其它源的輸入的終止，而向混合單元400動態地添加來自存儲系統410的碳。例如，來自存儲系統410的備用碳的輸入可以在來自工藝源的碳流量中斷時(諸如，在為了工廠維護或者響應于機械故障而水泥制作過程中斷時)用于補償碳輸入的減少。以這種方式，生物反應器110中的生長和/或合成階段可以繼續不中斷。[0062]圖5示出與流重整單元510組合的一個示例性的氣化器500的示意圖，該氣化器500是本發明的系統(諸如，系統100和300)的另一可選的部件。氣化器500接收有機原料(諸如，生物質)；在一些實施例中，生物質原料包括從生物反應器110收集的生物質170。氣化器500在一些實施例中通過熱解反應將有機原料轉換為氣態廢氣。將來自氣化器500的氣態廢氣與一種或多種可選的其它氣流一起傳輸到蒸汽重整器510。例如，在碳源130包括發電廠的地方，另一個氣流可以是由用于冷卻煙道氣的冷卻水所產生的蒸汽。將來自氣化器500的輸出與任何其它被引入的氣體一起，經由蒸汽重整過程，由蒸汽重整器510從主要由一氧化碳和水組成的混合物轉換為主要包括分子氫和二氧化碳的混合物。來自蒸汽重整器510的產生的氣流是第一和第二底物的混合物，并且被導向生物反應器110。將理解，在一些實施例中可以使用催化重整器來代替蒸汽重整器510。除了流之外或者替代流，催化重整器可以使用液態水來產生二氧化碳和分子氫的混合物。
[0063]除了來自生物反應器110的生物質，用于氣化器500的其它適合的原料包括在提取和處理食品的過程中所獲得的副產物，諸如來自甘蔗的糖、來自玉米或谷物的淀粉、以及由林業產業產生的非食物生物質廢物。也可以使包括塑料廢物、城市廢物、工業廢物和化學廢物的其它廢物產物氣化。由氣化器500產生的氣體可以具有被添加的附加氣體(諸如空氣、氧、二氧化碳和/或氮)，從而影響蒸汽重整器510的效率，并且優化所得的底物混合物以用于微生物的最佳生長，或者使化學產物180的生產最大化。例如，來自氣化器500的熱可以用于使用蒸汽渦輪機生成能量。在各個實施例中，由氣化器500產生的氣體中的一些可以放掉并燃燒，而不是導向蒸汽重整器510。
[0064]圖6示出另一個示例性系統600的示意圖，為清楚起見該示意圖省略了分子氫的產生。系統600包括生物反應器605，作為生物反應器110的另一個示例。系統600還包括將礦物原料處理為水泥的水泥制造設施310。生物反應器沿流體連通路徑與排氣系統流體連通，該流體連通路徑可以是直接的，在該流體連通路徑中排出氣體從排氣系統直接進入生物反應器中；或者該流體連通路徑可以是間接的，在該流體連通路徑中路徑引導經過一個或多個處理階段。系統600還可選地包括氣化器610，該氣化器610被供給有機原料(諸如，生物質170)。由氣化器610產生的熱可以在水泥制造設施310中使用(例如，用于預加熱礦物原料)，或者可以被轉換為蒸汽或電，用于使設備運行。例如，來自氣化器610的氣態輸出中的一些還可以被水泥制造設施310在水泥窯315中用作燃料。
[0065]系統600還可選地包括蒸汽重整器615，該蒸汽重整器615接收一些或所有的來自氣化器610的氣態輸出，典型地為與其它氣體(可能還包括蒸汽)混合的一氧化碳。由水泥制造設施310產生的(諸如，來自過程冷卻水的)蒸汽還可以可選地被供給到蒸汽重整器615中。來自水泥制造設施310的碳氧化物(主要為二氧化碳)可以可選地還被供給到蒸汽重整器615中，直接被供給到生物反應器605中，或者部分地被導向蒸汽重整器615和生物反應器605中的每一個。在包括蒸汽重整器的系統中，以及在蒸汽重整器從水泥制造設施接收至少一些第一氣流的地方，在生物反應器和排氣系統之間的流體連通路徑包括蒸汽重整器，作為另外的處理階段的一個示例。
[0066]蒸汽重整器615的輸出作為第一和第二底物的混合物被提供到生物反應器605。生物反應器605可以包括附加端口用于接收空氣和/或其它輸入氣體，如上文所描述。來自生物反應器605的廢氣可以再循環，如前文所表明。在各個實施例中，可以向最終水泥產品添加化學產物180，以便改變顏色、強度、固化時間、或者水泥的其它特征。
[0067]在具體的實施例中，供應到蒸汽重整器615或者生物反應器605的氣體包含按體積至少約5%至約100%的蒸汽、或者從約40%至約95%的蒸汽、或者從約40%至約60%的蒸汽、或者從約45%至約55%的蒸汽。在具體的實施例中，供應到蒸汽重整器615或者生物反應器605的蒸汽包含按體積約25%、或約30%、或約35%、或約40%、或約45%、或約50%、或約55%、或約60%的蒸汽。
[0068]圖7示出另一個示例性系統700的示意圖。系統700與圖1的系統100相似，除了分子氫的源150已經使用電解系統710代替，以用于通過使水分解來產生分子氫。如關于圖1所表明的，分子氫的源150可以為存儲罐；并且在這些實施例中，可以使用卡車或軌道車(rail car)或者通過管道來將分子氫提供到系統100。遞送的氫可以通過任何數目的眾所周知的化學工藝來間接地產生，該化學工藝包括電解。備選地，可以由電解系統710本地產生去往碳源130的分子氫，該電解系統710使用電力來將水分子離解為分子氫和氧。在各個實施例中，電力來自可再生源，該可再生源可以或也可以不與碳源130放置在一起。在一些實例中可以與碳源130放置在一起的可再生電力源的示例包括陽光720和風130。其它可再生能源包括潮汐發電和地熱發電。在其中不與碳源130放置在一起的這些后者源的那些實施例中，電力源還是可以通過專用輸電線或者通過電力網來與電解系統710電連通。
[0069]圖8圖示本發明的方法800的一個示例性的實施例。方法800可以用于從由工業廢物流或由其它源提供的碳氧化物來合成化學產物。方法800包括生長化能自養微生物培養物的可選步驟810，將化能自養微生物培養物移入生物反應器的可選步驟820，通過向在生物反應器中的培養物提供碳氧化物、分子氫和生長培養基來在生物反應器中維持培養物的步驟830，從生長培養基分離化學產物的步驟840，以及將化學產物或生物質轉移到另一種底物的可選步驟850。
[0070]方法800的步驟810包括使化能自養微生物培養物生長。該初始步驟(在本文中也稱作生長階段)，化能自養微生物培養物生長至用于后續步驟的適合的濃度。步驟810可以包括向化能自養微生物培養物提供固態或液態的底物，該底物包括一種或多種碳水化合物(諸如，果糖)。可選地，在生長容器(專用于使化能自養微生物生長至適合的濃度的生物反應器)中執行步驟810。在備選例中，在在后續步驟830中使用的相同生物反應器中執行步驟810。[0071]步驟820包括將在步驟810中生長的化能自養微生物培養物移入生物反應器。在步驟810和830中使用相同的生物反應器的地方，可以省略該步驟。在步驟810中使用一個生長容器并且在步驟830中使用另一個生物反應器的地方，步驟820可以包括從生長容器收集化能自養微生物培養物中的至少一些并且將培養物轉移到下一個生物反應器。
[0072]步驟830包括:在生物反應器(在本文中也指合成容器)中維持化能自養微生物培養物在適合于微生物化能自養地產生化學產物的條件下。這些條件包括生長培養基、碳源和能源。因此，步驟830包括向在生物反應器中的培養物提供生長培養基、作為碳源的碳氧化物、和作為能源的分子氫。
[0073]適合的生長培養基包括如下組分，諸如維生素、礦物質、和維持化能自養微生物培養物的必需并有效的微量營養素。例如，由Madigan和Gest在“Growth of thePhotosynthetic Bacteria Rhodopsuedomonas capsulata chemoautotrophically in theDark with H2as the Sole Energy Source”(J.0f Bacteriology, 524-5301979 年 I 月)中描述的適合于莢膜紅細菌生長的培養基，該文章通過引用并入本文。步驟830，在一些實施例中，不需要控制生長培養基的PH 值。在一些實施例中，在步驟830中提供生長培養基可以包括:使在步驟840結束時剩余的生長培養基再循環，如下文所論述。使生長培養基再循環可以自身包括通過向其添加組分(微生物、礦物質、微量營養素)來重建生長培養基。可以添加的維生素的一個示例是維生素D。
[0074]在步驟830中向生物反應器提供碳氧化物可以包括將廢物流從工業過程連通到生物反應器。示例性的廢物流包括來自燃燒化石燃料的發電廠的煙道氣以及通過水泥生產所排出的氣體。提供碳氧化物還可以包括使有機原料(諸如，生物質、煤、燃料油)和包括有機物質的各種廢物材料(諸如，城市廢物)氣化。在各個實施例中，使用多個這類源。例如，提供碳氧化物可以包括使有機原料氣化并且將氣化的輸出與來自工業過程的廢物流混合，然后將產生的混合物連通到生物反應器中。可選地，提供碳氧化物還可以包括工業廢物流的蒸汽重整物、氣化過程的氣態輸出、或者兩者的混合物，然后將蒸汽重整的產物引入生物反應器。可選地在各個實施例中提供碳氧化物可以包括:在引入到生物反應器之前，向來自工業過程的任何廢物蒸汽、氣化產物、蒸汽重整產物、或者混合任何這三者的產物添加空氣或氧。在各個實施例中，在步驟830中提供碳氧化物進一步包括對廢氣、氣化產物、蒸汽重整產物、或者任何這些的混合物進行冷卻。在這些實施例中的一些中,用水執行冷卻以產生蒸汽。在這些另外的實施例中的一些中，步驟830包括在蒸汽重整過程中使用蒸汽。
[0075]在一些實施例中提供碳氧化物包括:利用廢物流氣體、或者利用氣化步驟的氣態產物、或者利用蒸汽重整的氣態產物、或者利用它們的混合物來是液態培養基飽和，然后將飽和的液態培養基引入到生物反應器中。在其它實施例中提供碳氧化物包括:將廢物流氣體、或者氣化步驟的氣態產物、或者蒸汽重整的氣態產物、或者它們的混合物，例如作為氣體通過噴灑或者微氣泡分散，來引入到生物反應器。
[0076]在其中在步驟830中將碳氧化物作為氣體引入生物反應器的那些實施例中，含碳氧化物的氣體可以包括按體積濃度在至少約20%至約100%的一氧化碳。在其它實施例中一氧化碳被提供為，按體積濃度在從約40%至約95%的一氧化碳、或者按體積濃度在從約40%至約60%的一氧化碳、或者按體積濃度在從約45%至約55%的一氧化碳。在更多其它實施例中，一氧化碳按體積濃度為約25 %、約30 %、約35 %、約40 %、約45 %、約50 %、約55%、或約60%。在另外的其它實施例中，在步驟830中被提供到生物反應器的含碳氧化物的氣體包括按體積約6%的一氧化碳，并且相同的氣體或者被提供到生物反應器的另一種氣體包括分子氫和/或硫化氫和/或二氧化碳。
[0077] 在其中在步驟830中將碳氧化物作為氣體引入到生物反應器中的那些實施例中，含碳氧化物的氣體可以包括按體積濃度在5%至約100%的二氧化碳。在其它實施例中，二氧化碳被提供為按體積濃度在從約40%至約95%的二氧化碳、或者按體積濃度在從約40%至約60%的二氧化碳、或者按體積濃度在從約45%至約55%的二氧化碳。在更多其它實施例中，二氧化碳按體積濃度為約25 %、或約30 %、或約35 %、或約40 %、或約45 %、或約50%、或約55%、或約60%。在這些實施例中的一些中，二氧化碳濃度部分地或者整體地是從水泥生產獲取的。
[0078]步驟830還包括將分子氫引入生物反應器。在一些實施例中，將分子氫引入生物反應器包括通過卡車或軌道車或管道接收作為壓縮氣體或液體的分子氫，例如，在存儲罐中存儲分子氫并且從存儲罐將分子氫連通到生物反應器。在其它實施例中，將分子氫引入生物反應器包括產生分子氫。各種化學和電化學工藝(包括蒸汽重整和電解水)產生氫。在一些實例中，電解是在設置于生物反應器的外部的電解系統中執行的；而在其它實例中，電解是在生物反應器內執行的，正如例如在第13/204649號美國專利申請中所描述，如前文所表明。在兩種情況中，用于使水分解的電都可以從電力公司獲得或者本地發電或者兩者。在發電與生物反應器放置在一起的地方，產生分子氫包括發電并且使用電來電解水以產生分子氫和分子氧。在各個實施例中，將產生的分子氧的至少一些連通到生物反應器、排出到大氣、用于工業過程(諸如，在水泥窯中燃燒燃料)、壓縮并出售、或者它們的任何組
口 ο
[0079]在其中在步驟830中將分子氫作為氣體引入到生物反應器的那些實施例中，含分子氫的氣體可以包括按體積濃度在至少約20%至約100%的分子氫。在其它實施例中，分子氫被提供為按體積濃度在從至少約5%至約95%的分子氫、或者按體積濃度在從至少約40%至約95%的分子氫、或者按體積濃度在從至少約20%至約80%的分子氫、或者按體積濃度在從至少約40%至約60%的分子氫、或者按體積濃度在從至少約45%至約55%的分子氫。在更多其它實施例中，分子氫按體積濃度為約25 %、或約30 %、或約35 %、或約40 %、或約45 %、或約50 %、或約55 %、或約60 %。在另外的實施例中，分子氫被提供為按體積濃度在約6%，并且也向生物反應器添加一氧化碳和/或硫化氫和/或甲烷。
[0080]除了提供一氧化碳和/或二氧化碳和分子氫之外，在各個實施例中步驟830還包括向生物反應器添加其它氣體，其中其它氣體可以包括空氣、甲烷、硫化氫和分子氧中的所有或任何組合。分子氧的示例性的濃度為按體積約0%至約I %、按體積從約I %至約10%、按體積從約10%至約16%、以及按體積從約16%至約30%。在一些實施例中，分子氧按體積濃度為約0%、或約I %、或約5%、或約8%、或約10%、或約16%。
[0081]步驟810和830兩者之一或者兩者可選地可以包括將培養物暴露在光下。暴露在光下可以幫助微生物合成各種維生素(諸如，維生素D)，這可以促進生長更好。光暴露還可以激勵或影響微生物的代謝途徑，以選擇或者激勵生產特定的化合物或者化合物類型作為化學產物180。
[0082]步驟840包括從生長培養基分離化學產物。在各個實施例中，生物反應器被配置用于執行分離；而在其它實施例中步驟包括從生物反應器取出生長培養基，并且將生長培養基傳送通過分離系統。示例性的分離系統使用眾所周知的技術，諸如分餾或蒸餾、滲透蒸發、以及萃取發酵。在一些實施例中，附加地從步驟840中的生長培養基分離生物質。可以由方法800產生的示例性的化學產物包括羥基鏈烷酸酯類和聚羥基鏈烷酸酯類(諸如，丙二醇、正十八烷-1，12-二醇、類胡蘿卜素類、脂肪酸類、脂肪類、油類、和烷烴類)。在一些實施例中，化學產物180還可以包括類胡蘿卜素類、脂多糖類、包括一種或多種鏈烷酸酯二醇類以及一種或多種其它醇類的混合醇流、或者各種其它化學產品，并且可以通過本領域已知的方法，從化能自養合成培養液恢復。副產物(諸如，酸類，包括乙酸和丁酸)也可以使用本領域已知的方法從培養物培養液恢復。從生物反應器110收集的生物質170也可以是有用的商品，因為它可以被轉換為生物燃料，用作動物飼料、顏料、用于人和/或動物的用于化妝品或營養目的的產品的添加劑，被轉換為肥料，被氣化等。
[0083]如上文所表明的，在一些實施例中，可以使從分離步驟840獲得的生長培養基再循環回到生物反應器中，并且在步驟830中可選地使從步驟840獲得的生物質氣化。在可選步驟850中，在步驟840中獲得的化學產物或生物質可以被轉換為另一種產物。可以在步驟850中合成的產物的示例包括生物燃料和聚對苯二甲酸丙二醇酯。
[0084]圖9示出本發明的另一個示例性系統900的示意圖。系統900包括水泥制造設施910和生物反應器920，兩者都如在本文其它部分所描述。系統900還包括氣體混合單元930，該氣體混合單元930與水泥制造設施910流體連通，以便從水泥窯接收排出氣體，并且可選地從水泥制造設施910接收包括蒸汽的其它氣流，并且從其它源(諸如，預熱器和電機驅動設備)接收排出氣體。還可以在進入氣體混合單元930之前，重整來自水泥制造設施910的氣流。氣體混合單元930也與生物反應器920流體連通，從而來自氣體混合單元930的輸出被引入到生物反應 器920中。
[0085]系統還包括產生分子氫和氧兩者的流的電解系統940 ；電解系統940也與氣體混合單元930流體連通。用于在電解系統940中離解水的電可以由電力公司網或者由專用的可再生能源來供應，如上文所描述。由電解系統940產生的分子氫被引到氣體混合單元930，并且在一些實施例中由電解系統940產生的分子氧也被引到氣體混合單元930。來自水泥制造設施910的各種氣流中的任何氣流都可以在它們被氣體混合單元930收到之前被混合，并且同樣地，來自水泥制造設施910的任何氣流都可以被氣體混合單元930獨立地接收。類似地，來自電解系統940的分子氫和氧可以在氣體混合單元930處被混合或者被獨立地接收。
[0086]系統900還可選地包括控制器950，該控制器950被配置用于通過獨立地控制來自水泥制造設施910和電解系統940的輸入來調節進入氣體混合單元930的氣體流量。氣體混合單元930并不限于從水泥制造設施910和電解系統940接收氣體，并且可以還包括從包括大氣的第三源接收并調節氣體的能力。來自生物反應器920的排出氣體也可以通過附加地回到氣體混合單元930中，再循環回經過生物反應器920。
[0087]在一些實施例中，控制器950通過使用可選地設置在生物反應器920內的(在水培養基中或在頂層空間中或者兩者)一個或多個傳感器960，來監控在生物反應器920內的條件。在一些示例中，在控制器950不正在允許正在被產生的氣流盡可能多地進入氣體混合單元930的地方，來自流的過量氣體可以被排放到大氣，正如如下情況，在該情況中具有來自電解系統940的或者存儲在存儲系統410(圖4)中的過量的分子氧，其中過量氣體包括碳氧化物。傳感器960可以監控并且用于調節進入到氣體混合單元930的氣體的條件包括:溫度，酸度，壓力，以及在頂部空間中、在進入的混合物中、或者溶解在水培養基中的一種或多種氣體的濃度。在一些實施例中，控制器950可選地被配置用于調節電解系統940僅產生與在氣體混合單元930處所需的一樣多的分子氫。在各個實施例中，控制器950被配置用于維持來自氣體混合單元的輸出，該輸出包括按體積約60%至約80%的分子氫、按體積約5%至約20%的二氧化碳、以及按體積約0%至約30%的分子氧。
[0088]控制器950可以包括硬件(諸如，ASIC或FPGA)、固件、和/或被配置用于執行存儲在計算機可讀介質上的軟件的微處理器、或它們的組合。計算機可讀介質可以包括非瞬態存儲器器件。控制器950可以因此包括計算設備，諸如運行控制軟件的PC、平板電腦、或服務器。
[0089]在上述說明書中，參照本發明的特定實施例來描述本發明，但是本領域技術人員將認識到本發明并不限于此。上文描述的發明的各個特征和方面可以單獨地或聯合地使用。此外，在不脫離本說明的更廣泛的精神和范圍的情況下，除了本文所描述的那些環境和應用，本發明還可以用于任何數目的環境和應用。因此說明書和附圖應被視作說明性的而非限制性的。將認識到，本文中使用的術語“包括”和“具有”具體地意在被理解為開放式的技術術語。
【權利要求】
1.一種系統，包括: 工業源，產生包括碳氧化物的廢物流； 生物反應器，包括 第一底物，包括所述廢物流， 第二底物，包括分子氫，以及 液體培養基，包括微生物的培養物，所述微生物能夠化能自養地俘獲在所述第一底物中的至少一些所述碳氧化物。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述工業源包括水泥制造設施。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述微生物的所述培養物包括富養羅爾斯通氏國。
4.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述微生物的所述培養物包括莢膜紅細菌。
5.根據權利要求1-3或4所述的系統，進一步包括所述第二底物的源。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述第二底物的所述源包括電解系統。
7.根據權利要求5所述的系統，進一步包括與所述電解系統電連通的可再生電力源。
8.根據權利要求1-6或7所述的系統，進一步包括氣體混合單元，所述氣體混合單元被設置在所述工業源和所述生物反應器之間，并且被配置用于將來自所述工業源的所述廢物流與另一氣流混合，以產生用于所述生物反應器的所述第一底物。
9.根據權利要求8所述的系統，進一步包括與所述氣體混合單元流體連通的存儲系統。
10.根據權利要求1-8或9所述的系統，進一步包括氣化器和重整器，其中所述重整器被配置用于從所述氣化器接收氣態輸出，并且其中所述生物反應器被配置用于接收所述重整器的氣態輸出。
11.根據權利要求10所述的系統，其中所述重整器進一步被配置用于接收除了來自所述氣化器的所述氣態輸出之外的第二氣流。
12.根據權利要求1-10或11所述的系統，其中所述重整器包括催化重整器。
13.根據權利要求1-10或11所述的系統，其中所述重整器通過生物介導的重整來產生二氧化碳和分子氫的混合物。
14.根據權利要求1-12或13所述的系統，進一步包括分離系統，所述分離系統被配置用于從所述生物反應器接收所述液體培養基并且從接收到的所述液體培養基分離生物質或化學產物。
15.—種系統,包括: 水泥制造設施，包括水泥窯以及被配置用于俘獲來自所述水泥窯的排出氣體的排氣系統；以及 生物反應器系統，包括生物反應器，所述生物反應器與所述排氣系統流體連通并且被配置用于從來自所述排氣系統的第一氣態流中的碳氧化物來產生化學產物，所述第一氣態流包括來自所述水泥窯的所述排出氣體。
16.根據權利要求15所述的系統，進一步包括 氣化器，被配置用于產生第二氣態流，以及 重整器，被配置用于接收所述第二氣態流并且產生第三氣態流，其中所述生物反應器與所述重整器流體連通以接收所述第三氣態流。
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述重整器進一步被配置用于從所述水泥制造設施接收至少一些所述第一氣態流，從而在所述生物反應器和所述排氣系統之間的流體連通路徑包括所述重整器。
18.根據權利要求16或權利要求17所述的系統，其中所述重整器包括蒸汽重整器。
19.根據權利要求15-17或18所述的系統，其中所述生物反應器系統包括分離系統，所述分離系統被配置用于從所述生物反應器接收液體培養基并且從接收到的所述液體培養基分離所述化學產物。
20.根據權利要求15-18或19所述的系統，進一步包括在所述排氣系統和所述生物反應器之間流體連通的氣體混合單元。
21.根據權利要求20所述的系統，進一步包括被配置用于產生分子氫流的電解系統，并且其中所述氣體混合單元被配置用于接收所述分子氫流。
22.根據權利要求21所述的系統，其中所述電解系統被配置用于產生分子氧流，并且其中所述氣體混合單元被配置用于接收獨立于所述分子氫流的所述分子氧流。
23.根據權利要求20、21或22所述的系統，進一步包括控制器，所述控制器被配置用于監控所述生物反應器中的條件，并且進一步被配置用于響應于所述條件而調節進入所述氣體混合單元的氣體的流量。
24.一種方法，包括: 向生物反應器提供碳氧化物； 向所述生物反應器提供分子氫； 向所述生物反應器提供分子氧，并且 在所述生物反應器中的生長培養基中維持化能自養微生物的培養物，所述微生物能夠化能自養地俘獲至少部分所述碳氧化物以產生化學產物。
25.根據權利要求24所述的方法，其中向所述生物反應器提供所述碳氧化物包括:將來自工業過程的廢物流連通到所述生物反應器。
26.根據權利要求24或25所述的方法，其中向所述生物反應器提供所述碳氧化物包括:使有機原料氣化以產生氣化的輸出，使所述氣化的輸出經受重整以產生經重整的輸出，并且將所述經重整的輸出連通到所述生物反應器。
27.根據權利要求26所述的方法，進一步包括從所述生長培養基分離生物質，并且其中使所述有機原料氣化包括使所述生物質氣化。
28.根據權利要求24-26或27所述的方法，其中提供分子氫包括產生所述分子氫。
29.根據權利要求28所述的方法，其中產生所述分子氫包括采用蒸汽重整。
30.根據權利要求28所述的方法，其中產生所述分子氫包括采用水的電解。
31.根據權利要求30所述的方法，其中產生所述分子氫進一步包括產生用于所述水的所述電解的電力。
32.根據權利要求30所述的方法，其中在所述生物反應器內執行所述電解。
33.根據權利要求24-31或32所述的方法，進一步包括在所述生物反應器中維持所述培養物之前，使所述化能自養微生物培養物生長。
34.根據權利要求24-32或33所述的方法，進一步包括從所述生長培養基分離化學產物。
35.根據權利要求24-33或34所述的方法，其中所述化學產物包括羥基鏈烷酸酯或聚羥基鏈燒酸酷。
36.根據權利要求24-34或35所述的方法，其中按體積在約60%至約80%的范圍內提供所述分子氫，按體積在約5%至約20%的范圍內提供所述碳氧化物，并且按體積在最多約30%的范圍內提 供所述分子氧。
【文檔編號】C12P1/04GK103958687SQ201280054776
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年9月12日 優先權日:2011年9月12日
【發明者】布賴恩·塞夫頓 申請人:橡樹生物公司