發明領域
本發明涉及將氫氣和碳氧化物厭氧生物轉化為氧合有機化合物的方法，其中使用控制發酵溶媒ph的堿性水溶液從生物轉化的廢氣中回收和再循環硫化氫。
背景
氫氣和一氧化碳的厭氧發酵涉及含氣態底物的進料與含有能夠產生氧合有機化合物如乙醇、乙酸、丙醇和正丁醇的微生物的含水發酵溶媒的接觸。一氧化碳的生物轉化導致產生氧合有機化合物和二氧化碳。氫氣的轉化涉及氫氣和二氧化碳的消耗，并且該轉化有時被稱為h2/co2轉化，或者如本文所用氫氣轉化。
硫是在這些發酵中用于產生氧合有機化合物的厭氧微生物的關鍵營養需要。有機硫源，如半胱氨酸，已被用于提供營養硫。這些有機硫源是昂貴的，并且已經尋求了滿足這種營養需要的替代硫源。較便宜的硫源包括但不限于硫化氫和亞硫酸鹽，亞硫酸氫鹽，硫代硫酸鹽和偏亞硫酸氫鹽陰離子。然而，用于一氧化碳和氫氣和二氧化碳的生物轉化的典型含水溶媒是酸性的。因此，提供據信由微生物使用的巰基陰離子的硫化氫的平衡強烈地有利于與巰基陰離子相反的氣態硫化氫，并且氣態硫化氫迅速離開含水溶媒。
考慮到含水溶媒中硫化氫的釋放，為了維持可用的硫營養物，硫營養物通常以比代謝需要量高得多的量加入。由于需要供應的硫營養物的量，這種過量增加運營成本。此外，廢氣含有有問題濃度的硫化氫。因此，可能需要調節以去除或減少廢氣中的硫化氫濃度，以能夠使用或處理廢氣和減少廢氣的腐蝕性能。
因此，尋求將一氧化碳和氫氣和二氧化碳厭氧轉化為氧合有機化合物的方法，其可以減少需要供應到含水溶媒中的硫營養物的量，并降低硫化氫在廢氣中的濃度。
概述
通過本發明，提供了合成氣生物轉化為氧合有機化合物的方法，其有效使用硫營養物。根據本發明的方法，使用為了保持用于生物轉化的發酵溶媒的ph值所需的堿性含水料流，從生物轉化的廢氣中回收硫化氫。因此，該方法對于總體生產成本重要的商業規模的單元特別有利。通過從廢氣中回收硫化氫以再循環到發酵溶媒中，可以減少需要供應的新鮮的硫營養物的量。此外，如果需要，廢氣的硫化氫濃度可以降低到廢氣可燃燒的水平，而不需要進一步除去硫以滿足環境規定。
由于硫化氫被回收和再循環，所以存在額外的優點。例如，可以經濟地維持較高的硫化氫分壓，從而增加發酵溶媒中巰基陰離子的濃度。較低ph的發酵溶媒，其可能更有利于生物轉化但降低溶媒中巰基陰離子濃度，可更具經濟吸引力。此外，雖然可以使用任何合適的新鮮的硫營養物，但回收和再循環硫化氫的能力使得能夠使用硫化氫或當引入發酵溶媒中時容易產生硫化氫的化合物，而不是更昂貴的硫營養物，例如半胱氨酸。
在廣泛的方面，本發明涉及包含一氧化碳，氫氣和二氧化碳的氣體底物在含水溶媒中厭氧生物轉化的連續方法，所述含水溶媒含有適于將所述底物轉化為氧合有機化合物的微生物，所述方法包括：
a.在酸性厭氧發酵條件下將所述氣體底物與所述含水溶媒連續接觸，以將氣體底物生物轉化為氧合有機化合物，并提供含有氧合有機化合物的溶媒和含有硫化氫的貧化氣相，所述酸性厭氧發酵條件包括硫營養物的存在；
b.連續或間歇地向所述含水溶媒中引入足以將含水溶媒保持在對微生物過度不利影響的ph以上的量的堿性水溶液，優選在約4的ph以上，即，在約4.5的ph以上；
c.連續地或間歇地取出所述溶媒的一部分以回收所述氧合有機化合物，所述取出足以將所述溶媒中的氧合有機化合物保持在對微生物過度不利影響的濃度以下；
d.從所述含水溶媒中不斷地取出貧化氣相；和
e.在步驟(b)中將至少一部分堿性水溶液引入所述含水溶媒中之前，將從所述含水溶媒中取出的貧化氣相的至少一部分、優選基本上全部連續地與所述至少一部分堿性水溶液接觸，以減少貧化氣相中硫化氫的濃度，由此堿性水溶液含有巰基陰離子。
從經濟學的觀點來看，盡管可以使用任何有機或無機堿，堿性水溶液包含苛性堿溶液，即含有氫氧化鈉，氫氧化鉀和氧化鈣中的一種或多種。通常，與貧化氣相接觸的堿性水溶液的ph值在7.5至約14，優選約8.0至9的范圍內。堿性水溶液可以從任何合適的來源獲得。通常，堿性水溶液作為水溶液獲得，或者由采購的固體或濃縮的水性堿在現場配制。堿性水溶液可以用一種或多種用于發酵的補充水或者可以從方法獲得的水制備或稀釋，例如通過蒸餾回收氧合有機化合物時取出的含水發酵溶媒或釜腳。
堿性水溶液也可以從貧化氣相中除去其它酸性氣體，例如二氧化碳。在某些情況下，例如，底物富氫的那些，回收的二氧化碳可用于將氫氣/二氧化碳轉化成氧合有機化合物。當底物貧氫時，回收的二氧化碳幾乎沒有什么益處。在這些情況下，可能需要使用載有碳酸根和碳酸氫根陰離子的堿性水溶液，使得二氧化碳的吸著減弱。
在一些優選的方法中，步驟(e)之后的貧化氣體中的硫化氫濃度(本文中稱為經處理的底物貧化氣體)小于約150，例如小于100，并且經常在約1至100ppm(體積)之間。
附圖說明
圖1是可用于實施本發明方法的裝置的示意圖。
詳細討論
本文引用的所有專利，公開的專利申請，未公開的專利申請和文章通過全文引用并入本文。
定義
如本文所用，除非另有說明或從其使用的上下文中可以清楚地看出，否則以下術語具有以下所述的含義。
術語“a”和“an”的使用旨在包括所述元素中的一個(種)或多個(種)。
氧合有機化合物是指一種或多種含有2-6個碳原子的有機化合物，其選自由脂族羧酸和鹽、鏈烷醇和醇鹽和醛組成的組。通常，氧合有機化合物是由含水溶媒中含有的微生物產生的有機化合物的混合物。
生物反應器組件是一種或多種容器的組件，其適于含有用于生物轉化的含水溶媒和微生物，并且可以含有相關設備，例如注射器，循環回路，攪拌器等。
生物質是指生物材料生活或最近生活的植物和動物，并且至少含有氫、氧和碳。生物質通常還含有氮、磷、硫、鈉和鉀。生物質的化學組成可以因來源不同而不同，甚至在一個來源內不同。生物質來源包括但不限于收獲的植物如木材、草屑和庭院廢棄物、柳枝稷、玉米(包括玉米秸稈)、大麻、高粱、甘蔗(包括甘蔗渣)等；廢物例如垃圾和城市垃圾。生物質不包括化石燃料如煤、天然氣和石油。
電子/碳比作為一氧化碳和氫氣的摩爾濃度總和的二倍的量除以一氧化碳和二氧化碳的摩爾濃度總和的量的商計算：
e-/c＝2([co]+[h2])/([co]+[co2])。
縮寫ppm表示份每百萬份。除了另有說明或從上下文清楚外，ppm在液體介質中對于固體基于質量(ppm(質量))和在基于氣體的溫度和壓力的氣體中基于體積(ppmv)。
化石含碳材料或化石燃料包括但不限于天然氣；石油，包括來自石油的精煉或其他加工的碳質物流，包括但不限于石油焦炭；及褐煤和煤。
含水溶媒或含水發酵溶媒是指可以含有溶解的化合物的液態水相，所述溶解的化合物包括但不限于氫氣、一氧化碳和二氧化碳。
間歇性意味著不時地并且可以是規則的或不規則的時間間隔。
在過度不利影響微生物培養物生長速率的濃度以下的氧合有機化合物濃度取決于微生物和氧合有機化合物的類型。對生長速率的過度不利影響意味著與在其中具有約1.0克/升氧合有機化合物的含水溶媒中觀察到的生長速率相比，觀察到微生物生長速率顯著的，通常至少20％的降低，所有其他參數基本相同。
深槽生物反應器是具有至少約10米深度的生物反應器，并且可以操作以在包含在生物反應器中的含水溶媒的深度上提供基本上不均勻的底物組合物。本文所用的術語泡罩塔生物反應器是指深槽泡罩塔生物反應器，除非另有明確說明，并且包括深槽反應器，其中氣體以小氣泡引入以促進混合。商業規模的生物反應器具有至少100萬升含水溶媒的容量，更優選至少約5，例如約5至25百萬升。
底物是(i)一氧化碳和(ii)二氧化碳和氫氣中的一種或多種。進料氣體含有底物，并且可以包含其它組分，包括但不限于再循環的廢氣或其一部分和其它添加劑，惰性氣體例如甲烷和氮氣，以及可以包含在合成氣中的其它組分。
合成氣是指含有氫氣和一氧化碳中的至少一種的氣體，不論其來源如何，并且通常可以包含二氧化碳。
互養共棲是指能夠形成緊密相關的代謝關系的兩種或更多種不同類型(例如有機體、種群、菌株、物種、屬、科等)厭氧微生物的的結合。
微生物的共培養是指互養共棲微生物的聯合培養或一起培養。在本發明的上下文中，共培養不要求在互養共棲微生物的聯合培養期間細胞種群生長。
產生c3的互養共棲微生物是能夠在作為其主要碳源的乙醇和/或乙酸酯上生長以產生具有三個碳原子的氧合有機化合物的微生物。
產生c4的互養共棲微生物是能夠在作為其主要碳源的產乙酸氧合有機化合物上生長的產丁酸菌。產丁酸菌是能夠將合成氣中間體如乙醇和乙酸酯和一些氫氣主要轉化為正丁酸酯的任何微生物。產丁酸菌使用生產丁酸酯的兩種不同途徑中的至少一種-丁酰輔酶a乙酰轉移酶途徑(bucoaat)和丁酰激酶(buk)途徑。bucoaat途徑通過bucoaat酶將丁酰輔酶a轉化為丁酸酯，而buk途徑通過buk酶轉化丁酰輔酶a。
底物和原料氣
產生氧合有機化合物的厭氧發酵使用包含(i)一氧化碳和(ii)二氧化碳和氫氣中的至少一種的底物，后者用于氫氣轉化途徑。除一氧化碳和氫氣之外，原料氣通常還含有氮氣和甲烷。合成氣可以由許多含碳原料制成。這些包括碳氫化合物的來源，如天然氣，生物氣，生物質，特別是木質生物質，重整含烴材料產生的氣體，泥炭，石油焦炭，煤炭，廢料如建筑和拆除碎屑，城市固體廢物和填埋場。
合成氣通常由氣化器、重整器(蒸汽、自熱或部分氧化)產生。任何上述生物質源都適用于生產合成氣。由此產生的合成氣通常含有10至60摩爾％的co，10至25摩爾％的co2和10至75摩爾％，通常至少約30摩爾％，優選約35至65摩爾％的h2。合成氣還可含有n2和ch4以及痕量組分如h2s和cos、nh3和hcn。氣體底物的其他來源包括石油和石化加工過程和工業過程中產生的氣體。這些氣體可以具有與典型合成氣基本上不同的組成，并且可以基本上是純氫氣或基本上純的一氧化碳。氣體底物可以直接由氣化或石油和石化加工或工業過程獲得，或者可以通過混合兩種或更多種料流來獲得。此外，可以處理氣體底物以除去或改變組合物，包括但不限于通過化學或物理吸著、膜分離和選擇性反應除去組分。
氧合化合物和微生物
通過本發明方法生產的氧合有機化合物取決于用于發酵的微生物或微生物的組合以及發酵條件。co和h2/co2生物轉化成乙酸、正丁醇、丁酸、乙醇和其他產物是眾所周知的。例如，das,a.和l.g.ljungdahl在electrontransportsysteminacetogens中和drake,h.l.和k.kusel在diversephysiologicpotentialofacetogens中總結了這種生物轉化的生化途徑和能量學的簡明描述，分別出現在biochemistryandphysiologyofanaerobicbacteria,l.g.ljungdahleds,.springer(2003)的第14和13章。。可以使用具有將合成氣組分：co、h2，co2單獨或彼此組合或與通常存在于合成氣中的其它組分組合轉化的能力的任何合適的微生物。合適的微生物和/或生長條件可以包括在以下專利中公開的那些：美國公開專利申請20070275447，題目為“indirectordirectfermentationofbiomasstofuelalcohol”，其公開了微生物clostridiumcarboxidivorans(羧甲基梭菌)的生物學純培養物，其具有atcc號baa-624的所有鑒定特征；題為“isolationandcharacterizationofnovelclostridialspecies”的美國專利7,704,723，其公開了具有atcc號baa-622的所有鑒定特征的微生物clostridiumragsdalei的生物學純培養物；兩者都通過全文引用并入本文。可以使用clostridiumcarboxidivorans，例如將合成氣發酵成乙醇和/或正丁醇。例如，可以使用clostridiumragsdalei將合成氣發酵成乙醇。
合適的微生物和生長條件包括具有atcc33266的鑒定特征的厭氧細菌butyribacteriummethylotrophicum，其適用于co并使用，并且這將使得能夠生產正丁醇以及丁酸，如以下參考文獻所教導：“evidenceforproductionofn-butanolfromcarbonmonoxidebybutyribacteriummethylotrophicum,”journaloffermentationandbioengineering,第72卷，1991年,第58-60頁；“productionofbutanolandethanolfromsynthesisgasviafermentation,”fuel，第70卷，1991年5月，第615-619頁。其他合適的微生物包括：clostridiumljungdahlii，具有具有能夠生產乙醇以及乙酸的atcc49587(us-a-5,173,429)和atcc55988和55989(us-a-6,136,577)的鑒定特征的菌株；clostridiumautoethanogemum新種，一種由一氧化碳產生乙醇的厭氧細菌。jamalabrini，henrynaveau，edomond-jacquesnyns，archmicrobiol.，1994，345-351；archivesofmicrobiology1994，161：345-351；和具有us-a-8,143,037中描述的atccno.pta-10522的鑒定特征的coskatiiclostridium。
如上所述，厭氧微生物的混合培養物可用于合成氣生物轉化為氧合有機化合物。混合培養物可以是互養共棲的，并涉及c1固定微生物和將產物生物轉化為c1固定微生物并進一步轉化為更高氧合有機化合物的微生物。c1-固定微生物包括但不限于同型產乙酸菌clostridiumljungdahlii，clostridiumautoethanogenum，clostridiumragsdalei和clostridiumcoskatii。其它的c1固定微生物包括alkalibaculumbacchi，clostridiumthermoaceticum和clostridiumaceticum。
例如，enzien等人在美國公開專利申請20140206052a1中公開了使用c1-固定同型產乙酸微生物和產生c4的產丁酸菌(butyrogens)來生產丁醇的方法。另見datta等人的美國公開專利申請20140206066a1。合適的產丁酸菌包括含有bucoaat途徑和buk途徑中的任一種或兩者的任何微生物，并且可以在乙酸酯和乙醇上生長，或者在通常在合成氣中找到的乙酸酯和氫氣上生長。已知僅在乙醇、乙酸酯或合成氣上生長的產丁酸菌包括clostridiumkluyveri(克氏梭菌)，clostridiumcarboxidivorans(羧甲基梭菌)和butyribacteriummethylotrophicum(甲基梭菌)。
能夠在作為它們的主要碳源的乙醇和/或乙酸酯上生長的產生c3的互養共棲微生物包括但不限于pelobacterpropionicus、clostridiumneopropionicum、clostridiumpropionicum、desulfobulbuspropionicus、syntrophobacterwolinii、syntrophobacterpfennigii、syntrophobacterfumaroxidans、syntrophobactersulfatireducens、smithellapropionica、desulfotomaculumthermobenzoicumsubspeciesthermosymbioticum、pelotomaculumthermopropionicum和pelotomaculumschinkii。
發酵液和發酵條件
含水發酵液包含微生物和各種培養基補充物的含水懸浮液。合適的微生物通常在厭氧條件下生活和生長，這意味著發酵液中基本上不存在溶解的氧。含水發酵液的各種佐劑可以包含緩沖劑、痕量金屬、維生素、鹽等。發酵液中的調節可以在不同時間誘導不同的條件，例如影響微生物生產率的生長和非生長條件。us-a-7,704,723公開了使用厭氧微生物的生物轉化co和h2/co2的合適的含水發酵液的條件和含量。
含水溶媒維持在厭氧發酵條件下，包括合適的溫度，例如在25℃至60℃之間，通常在約30℃至40℃的范圍內。發酵條件，包括微生物的密度和含水發酵溶媒的組成，優選足以達到所尋找的氫氣和一氧化碳的轉化效率。含水溶媒的ph是酸性的，通常小于約6.5，例如約4或4.5至6.0，最常見的是約4.5至5.5。
特別是在所尋找的氧合有機化合物產物是一種或多種醇的情況下，氣體底物的電子與碳的比例優選為約5.5:1至6.5:1，例如約5.7:1至6.2:1。一氧化碳與氫氣的摩爾比通常低于約1.1:1，例如約0:1至1:1。進料氣體在穩定狀態條件下對發酵生物反應器的供給速率優選使得一氧化碳和氫氣向液相的轉移速率與一氧化碳和氫氣生物轉化的速率相匹配。可以消耗一氧化碳和氫氣的速率將受微生物的性質、含水發酵液中微生物的濃度和發酵條件的影響。由于將一氧化碳和氫氣轉移到含水發酵液中的速率是操作參數，因此影響轉移速率的條件例如氣體和液相之間的界面表面積和驅動力是重要的。優選將進料氣體以微泡的形式引入生物反應器。通常，微泡的直徑范圍為0.01至0.5，優選為0.02至0.3毫米。
發酵條件優選足以使供入生物反應器組件的底物氣體中的總氫氣和一氧化碳的至少約85％，優選至少約90摩爾％生成氧合有機化合物。如上所述，為了實現這些高轉化率，氣泡大小和與發酵液的接觸持續時間的組合是必要的。然而，實現這些高轉化率的容易性和能力也取決于具有規定的電子與碳的比。對于商業操作，發酵操作優選提供在至少約93，優選至少約97摩爾％的范圍內的底物氣體進料中的氫氣和一氧化碳的總摩爾轉化率。如果需要提供氣泡和含水發酵液之間足夠的接觸時間，則可以在生物反應器組件中的氣流系列中使用多于一個生物反應器。在美國公開專利申請20130078688中公開了使用順序的深槽泡罩塔生物反應器。
生物反應器和組件
生物反應器組件可以包括一個或多個生物反應器，其可以相對于氣流平行或串聯流動。每個生物反應器可以是任何合適的設計；然而，優選地，設計和操作提供將一氧化碳和氫氣轉化為氧合有機化合物的高轉化率。發酵反應器包括但不限于泡罩塔反應器；噴氣回路反應器；攪拌釜反應器；滴流床反應器；生物膜反應器包括但不限于膜生物反應器；和靜態混合器反應器，包括但不限于管式反應器。由于資本成本和經營經濟性，深槽生物反應器是優選的。不管深槽生物反應器的類型如何，特別是在使用促進含水液中氣泡穩定分散的微泡的情況下，存在混合流，這不僅確保了相對均勻的水相組成，還增加了氣泡與含水液之間的接觸時間。
廢氣(底物貧化氣)相
從含水發酵液中排出的底物貧化氣相將含有一部分作為進料氣體引入生物反應器組件中的氫氣和碳氧化物。惰性氣體例如氮氣和主要甲烷將包括一部分貧化氣相，其中使用來自蒸汽重整或氧氣供給、自熱重整、特別是含甲烷氣體的蒸汽或自熱重整的合成氣。貧化氣相也可以含有從含水發酵液中揮發的含硫化合物和醇等。
產物回收
生物反應器可以不時地或連續地添加水、營養物或佐劑以及微生物中的一種或多種。一部分含水發酵液從生物反應器不時或連續地取出，用于產物回收。產物回收可以由已知的用于去除殘余細胞材料的設備配置、從發酵液中分離和回收液體產物、回收的發酵液體回收以及清除廢物流和材料組成。合適的設備配置可包括過濾器、離心機、旋風分離器、蒸餾塔、膜系統和其它分離設備。us-a-8,211,679示出了從生物反應器回收乙醇產物的產物回收生物反應器的配置。
硫營養物和回收
微生物需要硫營養物進行生物轉化。本發明方法可以使用任何合適的硫營養物作為新鮮進料。硫營養物包括但不限于能夠被代謝產生微生物所需的硫結構部分的有機化合物如半胱氨酸，和無機來源如硫化氫和亞硫酸鹽，亞硫酸氫鹽，硫代硫酸鹽和偏亞硫酸氫鹽陰離子。據信巰基陰離子是可被微生物代謝的物質。用于生物轉化的酸性ph條件提供了有利于硫化氫的平衡，硫化氫作為廢氣的組分通過發酵溶媒，而不是巰基陰離子。
來自發酵的廢氣含有硫化氫以及其它組分，例如未反應的氫氣、一氧化碳和二氧化碳，和通常惰性氣體如氮氣和甲烷。廢氣中硫化氫的濃度對本發明的廣泛方面來說并不重要。其濃度將尤其取決于未反應底物的體積和硫營養物和硫化氫通過含水發酵溶媒的的總速率。通常，硫化氫的濃度在約100至10,000體積ppm的范圍內，例如，200至5000體積ppm。
在足以降低硫化氫濃度的條件下，廢氣與堿性水溶液接觸。硫化氫濃度通常降低至少約50％，有時至少約75％。經處理的廢氣優選具有小于約150體積ppm，更優選小于約50體積ppm的硫化氫濃度，堿性水溶液的ph是確定硫化氫與溶解的巰基陰離子之間的平衡的重要因素。通常接觸溫度在約10℃至50℃之間。一般來說，較低的溫度是優選的，這是因為硫化氫的溶解度增加。在與堿性水溶液接觸之前，廢氣的壓力也可以變化很大。通常，壓力是在工藝設計下可獲得的，因此通常在約100至1000kpa絕對的范圍內。廢氣和堿性水溶液的相對流速也可以變化很大。由于廢氣中硫化氫濃度低，根據接觸效率和堿性水溶液的ph，將需要相對較少的堿性水溶液。在需要從廢氣中除去二氧化碳的情況下，較高相對體積的堿性水溶液可能是有益的。有時，堿性水溶液對廢氣的流速為約0.1至100升/每標準立方米廢氣，例如1至50升/每標準立方米廢氣。接觸的持續時間將取決于接觸的其他條件，用于接觸的設備的類型以及尋求的硫化氫去除率，并且在需要時，二氧化碳。通常，接觸持續時間為至少約0.1分鐘，例如約0.1至60分鐘。
任何合適的單元操作可以用于廢氣和堿性水溶液之間的接觸。液相可以是連續相，但通常廢氣是連續相以減少壓降。單元操作的實例包括但不限于泡罩塔洗滌器，文丘里洗滌器，噴射文丘里洗滌器，渦流洗滌器，噴霧塔洗滌器和包含一個或多個塔盤和規整填料的填料塔洗滌器。可以使用一個或多個接觸單元操作，并且可以使用一個或多個階段。廢氣和堿性水溶液之間的接觸可以是并流、逆流或錯流。
如果需要，一部分堿性水溶液可以再循環，以提高洗滌效率并調節供應以與廢氣接觸的堿性水溶液中的碳酸根和碳酸氫根陰離子的濃度。堿性水溶液與廢氣的相對體積以及碳酸根和碳酸氫根陰離子的濃度都會影響二氧化碳從廢氣到洗滌溶液的傳質速率。因此，通過改變這些參數中的一個或兩個，可以調節去除并再循環到生物反應器中的二氧化碳部分。
附圖
可以通過參考圖1來促進對本發明的一般理解及其應用。圖1是適用于實施根據本發明方法(通常指示為100)的裝置的示意圖。本發明可以以連續或間歇模式操作。兩者都在下面描述。圖1省略了次要設備例如泵、壓縮機、閥、儀表、交換器和其他設備，其設置和操作對于化學工程中實踐的人員是熟知的。圖1也省略了輔助單元操作。將在回收和生產乙醇的上下文中描述圖1的方法和操作。該方法容易適用于制備其它氧合有機化合物如乙酸、丙醇和丁醇的方法。盡管顯示與圖1中的深槽發酵罐結合使用，本發明可以與其它生物反應器設計一起使用。
如圖所示，裝置100包括含有含水發酵溶媒104的生物反應器102。生物反應器102顯示為具有頂部空間106的深槽泡罩塔生物反應器，經由管線108給生物反應器102下部提供合成氣。底物貧化氣(廢氣)經由管線110從頂部空間106排出并被引導至洗滌器112。洗滌器112可以是任何合適的設計。如圖所示，洗滌器112是逆流填料塔洗滌器，其中廢氣在下部引入，并且經洗滌的氣體經由管線114從頂部排出。洗滌器112也可以是多級洗滌器。每個階段可以是并流至逆流。在一些情況下，廢氣和用于吸附巰基陰離子的苛性堿溶液中的一種或多種的冷卻可有益于提高巰基陰離子在苛性堿溶液中的溶解度。
經由管線116從生物反應器102連續取出含水發酵溶媒。管線116將含水發酵溶媒引導至集管118。取出的溶媒的一部分通過集管118送至熱交換器124。由于合成氣的發酵是放熱的，熱交換器124用于從該部分取出的溶媒除去熱量，然后通過管線126再循環到生物反應器102中。該再循環的流速足以維持生物反應器102中所需的溫度。
返回到集管118，取出的溶媒的另一部分經由管線128送至蒸餾組件130。蒸餾組件130適于從取出的溶媒中回收乙醇。產物乙醇通過管線132離開蒸餾組件130，并且不可冷凝物通過管線134排出。塔底餾分經由管線136從蒸餾組件130中排出，并且送至固體分離器138。固體分離器138可以是任何合適的單元操作。為了討論的目的，固體分離器138是離心機，并且通過管線142排出貧固體餾分，通過管線140排出富固體餾分。富固體餾分可以以任何合適的方式處理而處置，例如進行厭氧消化。由于蒸餾組件130中使用的溫度，固體變性。管線142將貧固體餾分引導至集管144。集管144中的至少一部分貧固體餾分通過管線146送至生物反應器102，以便在該過程中節約水分。
現在聚焦在洗滌器112上，苛性堿水溶液通過管線148提供到上部，在那里噴灑在填料上以與向上流動的廢氣接觸。水溶液可以衍生自任何合適的來源。如圖1所示，可以使用三種潛在的水源用于水溶液。首先，通過管線150的外部供應苛性堿水溶液可用作洗滌溶液。在一些情況下，可能需要提供更高的水溶液流速或降低水溶液的ph。然而，水溶液應該足夠具有堿性，以實現廢氣中硫化氫濃度的所需降低。
用于洗滌的一種水源是集管144中的貧固體餾分。貧固體餾分通常是酸性的，因此將影響苛性堿水溶液的ph。苛性堿水溶液的第三水源是通過管線156供應的補充水。可以使用補充水的全部或一部分，或不使用補充水。補余水的剩余部分直接或間接地從管線158送至生物反應器102。
來自洗滌的含有巰基陰離子的廢苛性堿水溶液經由管線160從洗滌器112中排出。廢苛性堿溶液的一部分可以經由管線162再循環到洗滌器112中。循環增強了巰基陰離子的去除，并且是確定苛性堿溶液中碳酸根和碳酸氫根陰離子的濃度的因素，因此確定從廢氣中除去二氧化碳的程度。廢苛性堿水溶液的剩余部分可以經由管線166直接返回到生物反應器102。優選地，將廢苛性堿水溶液引入生物反應器的較低部分，以使巰基陰離子向用于微生物代謝的發酵溶媒的傳質最大化。廢苛性堿水溶液也可以與通過管線164返回到生物反應器102的取出的發酵溶媒的一部分組合。盡管組合料流的ph將高于含水發酵溶媒的ph，但可以調整相對流動以確保微生物不會受到過度不利影響。這種組合的優點包括巰基陰離子的較高的溶解度，這是因為較高的ph值以及組合料流中的微生物在引入較低ph含水發酵溶媒之前吸收硫營養物的能力。