改進的發酵中碳捕捉的制作方法
【專利說明】改進的發醒中碳捕捉
[000。 本申請是申請日為2008年10月23日、申請號為200880119494.8、名稱為"改進 的發酵中碳捕捉"的發明申請的分案。
技術領域
[0002] 本發明設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，本發明設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，所述物質包含源于工業來源的C0。
【背景技術】
[0003] 乙醇正迅速成為全球主要的富氨液體運輸燃料。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。
[0004] 例如，在美國，乙醇被用于生產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（oxygenatingagent),W提高燃燒效率并降低空氣污染物的產 生。在己西，乙醇作為汽油中混合的補氧劑W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)排放后果的環境方面的關注已促使歐盟巧U)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。
[0005] 絕大多數燃料乙醇通過傳統的基于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（例如甘薦中提取的薦糖或谷物中提取的淀粉）作為主要碳源。然而，運些 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，并且種植產淀粉或產薦 糖作物用于生產乙醇并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。
[0006] 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，據報道澳大利亞鋼鐵工業每年產生并向空氣中釋放超過 500, 000 噸C0。
[0007] 催化工藝可用于將主要由CO和/或CO和氨氣化2)組成的氣體轉化為多種燃料 和化學品。也可W用微生物將運些氣體轉化為燃料和化學品。運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。
[0008] 微生物WCO作為唯一碳源生長的能力于1903年首次發現。運后來被確定為采用 自養生長的乙酷輔酶A(乙酷CoA)生化路徑（也稱為Woods-Ljungd址1路徑和一氧化碳脫 氨酶/乙酷輔酶A合成酶（C0DH/AC巧路徑）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、產甲燒生物和產乙酸生物，均將CO代謝成多種 最終產物，即c〇2、H2、甲燒、正下醇、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。
[0009] 已證實厭氧細菌（例如梭菌屬的細菌）通過乙酷CoA生化路徑從CO、C〇2、和&生 成乙醇。例如，從氣體生成乙醇的ClostridiumIjungd址Iii的多個菌株在WO00/68407、EP117309、美國專利 5, 173, 429、5, 593,886和6, 368, 819、WO98/00558 和WO02/08438 中有描述。也已知細菌菌種Clostridiumautoethanogenum從氣體生成乙醇（Abrini 等，ArchivesofMicrobiology161,第:345-351 頁（1994))。
[0010] 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 于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 能低于期望值。并且，除非乙酸鹽/乙酸副產品能用于一些其它目的，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燒并因此可能增加Gffii排放。
[0011] 在&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Hz 時，部分CO被轉化為醇，但很大一部分被轉化為0)2,如下述方程式中所示：
[0012] 6C0+3H20一C2H5OH+4CO2
[001引 12H2+4C02一 2C2H5OH+6H2O
[0014] c〇2的產生表示總碳捕捉低效，如果排放，同樣可能增加溫室氣體排放。
[0015] W02007/117157(其公開內容作為參考并入本文）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 鹽被轉化為氨氣和二氧化碳氣體，兩者都可用于厭氧發酵工藝。W02008/115080(其公開內 容作為參考并入本文）描述了經多級發酵階段制備醇類的工藝。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于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。
[0016] US7, 078, 201和WO02/08438還描述了通過改變用于發酵的液體培養基的條件 (例如抑和氧化還原電位）來改進生產乙醇的發酵工藝。如在運些出版物中公開的，類似 的工藝也可用于生產其它醇類，如下醇。
[0017] 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。
[0018] 例如，無論用于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，上述中斷可能不利于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氣體被用于發酵反應生產酸/醇類時，可能有時沒有氣流 被生產出來。在運些時候，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W完全生產能力進行所需反應之前存在滯后期。因 此，如果有一種減少或消除該滯后時間的方法，將會有顯著的益處。
[0019] 作為另一個例子，在許多工業生產工藝中，使用洗涂系統或設備減少污染廢氣的 顆粒（如灰塵）W及其它成分的濃度。干法或濕法洗涂系統是公知的。在濕法洗涂系統中， 水或者其它液體被用于從氣流中"清洗"掉污染物。典型的濕法洗涂系統見于鋼廠，在那里 使用水來清潔在鋼鐵制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。盡管洗涂具有減少廢氣中污染物水平的益處，但卻不能徹底除去 污染物。不需要的物質僅僅被從氣體中除去形成固體或粉末形式，或者進入洗涂水或液體。 洗涂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。
[0020] 盡管傳統工業洗涂器（如在鋼廠）從工業廢氣流中除去了部分污染物，由于 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涂和/或處理步驟。例如參見化tar等， Fermentationofbiomass-generatedproducergastoethanol，2004，Biotechnology andBioengineering,第86卷，第587-594頁。進行額外的洗涂和/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，運一要求可能尤其麻煩。因此，需要改 進的工藝，其中不需要上述洗涂或其它處理步驟，或者至少上述洗涂或其它處理步驟被保 持在最低限度。
[0021] 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，并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】
[0022] 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：
[0023] I.接收工業工藝中含有CO的尾氣或廢氣流；
[0024] II.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 [00巧]III.在該生物反應器中發酵該培養物W生成一種或多種產品。
[0026] 在一些實施方案中，該方法包括使用C〇2去除設備從下述一種或兩種流體中捕捉 至少一部分C〇2內容物：
[0027] I.進入該生物反應器之前的流體；和
[0028] II.已經離開該生物反應器的流體。
[0029] 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C0。
[0030] 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C〇2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C〇2并將分離出的CO2送入CO2去除設備。
[0031] 在具體實施方案中，所述方法包括緩沖氣流并將至少部分氣流W基本連續的方式 送入生物反應器。在一個實施方案中，所述緩沖步驟包括：（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。
[0032] 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。
[0033] 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涂水。
[0034] 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W通過微生物發酵生成產品。
[0035] 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C〇2內容物的CO2去除設備：
[0036] I.進入該生物反應器之前的流體；和
[0037] II.已經離開該生物反應器的流體。
[0038] 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 一氣體分離器適于在使用中從氣體流中基本分離CO并將分離的CO送入生物反應器。
[0039] 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C〇2去除設備。在一個實施方案中，所述 第二氣體分離器適于從氣體流中分離C〇2并將分離的CO2送入CO2去除設備。
[0040] 在一些實施方案中，所述系統包括緩沖裝置，其適于在使用中W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，所述緩沖裝置包括緩沖儲罐，其適于在使用 中：
[0041] i.接收間斷的或非連續的氣體流/底物流；和
[0042] ii.將基本連續的氣體流/底物流送入生物反應器。
[0043] 在某些實施方案中，所述系統包括混合裝置，其適于在使用中將氣體流與至少一 種其它流體混合之后將該混合流體送入生物反應器。
[0044] 在具體實施方案中，所述系統包括一個確定性裝置W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， 該裝置用于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：
[004引 i.生物反應器；
[004引 ii.C02去除設備；
[0047] iii.第一氣體分離器；
[0048] iv.第二氣體分離器；
[004引 V.緩沖裝置；
[0050] Vi.混合裝置訊
[0051] Vii.排氣裝置，
[0052] 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。
[0053] 第=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C〇2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C〇2內容物：
[0054] I.進入該生物反應器之前的流體訊 [00巧]II.已經離開該生物反應器的流體。
[0056] 第四方面，本發明提供了提高W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，該系統包括適于接收和儲存至少一部分氣體的緩沖裝 置，和適于從該緩沖裝置接收至少一部分氣體的生物反應器。
[0057] 第五方面，本發明提供了提高W氣體微生物發酵來生產產品的工藝之效率的系 統，該系統包括適于接收氣體流并將至少一部分該流體送入生物反應器的氣體分離器。
[0058] 第六方面，本發明提供了適于通過微生物發酵廢氣來生產醇類的鋼廠。
[0059] 根據具體的方面，本發明的系統和方法適合用于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/或下醇）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，本發明并不限于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&)的發酵反應、W及不包括含碳氣體發酵的發酵反應。
[0060]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，盡管本發明的具體方面并不限于包含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：黑色金屬產品制造、有色產 品制造、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。
[0061] 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C0。具有較低CO濃度（如6% )的氣態 底物也是合適的，尤其當&和CO2也同時存在時。
[0062] 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。
[0063]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（Carbo巧dothermus)。最優選地，該一氧化碳營養菌為Clostridium 曰Utoeth曰nogenum〇
[0064] 附圖簡要描述
[0065] 參照附圖對本發明進行詳細描述：
[0066] 圖1是根據本發明的某些實施方案在生物反應器下游包括C〇2去除設備的系統的 示意圖。
[0067] 圖2是根據本發明的某些實施方案在生物反應器上游包括C〇2去除設備的系統示 意圖。
[0068] 圖3是在生物反應器下游包括C〇2去除設備W及將底物流返送至生物反應器的設 備的系統示意圖。
[0069] 圖4是根據本發明的某些實施方案在生物反應器的上游包括氣體分離器的系統 示意圖。
[0070] 圖5是根據本發明的某些實施方案在生物反應器的下游包括氣體分離器的系統 示意圖。
[0071] 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 分離器位于生物反應器的上游，而一個氣體分離器位于生物反應器的下游。
[0072] 圖7是根據本發明的某些實施方案包括緩沖儲罐的系統示意圖。
[0073]圖8是根據本發明的某些實施方案包括可選的緩沖儲罐的系統示意圖。
[0074] 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。
[0075]圖IOa是根據本發明的某些實施方案包括多個底物流源W及緩沖儲罐的系統示 意圖。
[0076]圖1化是根據本發明的某些實施方案包括多個底物流源W及緩沖儲罐的系統示 意圖。
[0077]圖11是根據本發明的某些實施方案包括緩沖儲罐、氣體分離器和C〇2去除設備的 系統的示意圖。
[0078]圖12是根據本發明的某些實施方案適于從廢氣流中捕捉碳的系統示意圖。
[0079] 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。
[0080] 圖14顯示當鋼廠氣作為氣源時微生物隨時間的生長；和
[0081] 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。
[0082] 圖16顯示在實驗室基質中細菌生長和產品合成隨時間的變化訊
[0083] 圖17顯示采用比例為1 :1的實驗室基質和鋼廠洗涂水時細菌生長和產品合成隨 時間的變化。
[0084] 本發明詳細描述
[0085] 根據本發明的某些方法，工業工藝中的廢氣或尾氣可用于補充和/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。運是特別令人驚訝的，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/或生存的污染物。本發明對鋼鐵制造工藝中產生的廢氣或尾氣尤其適用，尤 其那些用于生產醇類（例如乙醇、下醇、異丙醇）和/或酸類（例如下酸、乙酸和/或乙酸 鹽）和/或氨的含有CO的氣體。盡管有能夠進行所述工藝的多種不同的微生物，本發明對 設及使用Clostridiumautoethanogenum的發酵工藝尤其適用。
[0086] 本發明的運一方面具有重要價值，因為其減少了在將廢氣用于發酵反應之前對廢 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、預定量空間可用于增加設備進行發 酵的已建成的工廠里。同樣，由于對廢氣不進行或者進行有限的洗涂和/或預處理工藝，由 于不需要處理由洗涂和/或預處理工藝產生的廢物或污染物，本發明的實施方案也能改善 或減少工業工藝中的廢物。
[0087] 除了鋼鐵制造業之外的其它工業工藝中產生的廢氣也可WW類似的方法被用于 本發明的方法。本發明可W容易地適用于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、生產氨、