Способ и система для получения продуктов, включающих спирты и/или кислоты, при микробиологической ферментации

Способ и система для получения продуктов, включающих спирты и/или кислоты, при микробиологической ферментации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Уровень техники

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.

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.

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.

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.

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 большую избирательность, более высокий выход, меньшее энергопотребление и большую устойчивость к отравлению.

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.

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)).

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.

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:

6СО+3Н₂О→С₂Н₅ОН+4СО₂

12Н₂+4СО₂→2С₂Н₅ОН+6Н₂О

Образование СО₂ делает улавливание углерода в целом неэффективным и, в случае сброса в атмосферу, вносит вклад в количество выбрасываемых парниковых газов.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Сущность изобретения

В первом аспекте обеспечивается способ улавливания углерода при помощи микробиологической ферментации, каковой способ включает:

i. прием из производственного процесса потока(потоков) дымового или отходящего газа, содержащего СО;

ii. направление этого потока(потоков) в биореактор, в котором имеется культура одного или более типа микроорганизмов;

iii. ферментативная активность этой культуры в биореакторе с получением одного или более продукта.

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:

i. потока перед его вхождением в биореактор;

ii. потока после его выхода из биореактора.

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.

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.

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.

В определенных вариантах осуществления изобретения данный способ включает смешивание одного или более потока газа, по меньшей мере, с одним другим потоком.

В определенных вариантах осуществления изобретения данный способ включает добавление орошающей воды из производственного процесса в биореактор.

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.

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:

i. потоке перед его вхождением в биореактор;

ii. потоке после его выхода из биореактора.

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.

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.

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:

i. приема прерывистого или непостоянного потока газа/субстрата;

ii. направления, по существу, непрерывного потока газа/субстрата в биореактор.

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.

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:

i. биореактор;

ii. устройство для удаления СО₂;

iii. первый газоотделитель;

iv. второй газоотделитель;

v. накопительное устройство;

vi. смеситель;

vii. выпускное устройство,

при этом определенное целевое устройство из (i)-(vii) выбирается, по меньшей мере частично, на основании данных, полученных измерительным устройством.

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:

i. потоке перед его вхождением в биореактор;

ii. потоке после его выхода из биореактора.

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.

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.

В шестом аспекте обеспечивается сталелитейный завод, на котором предусматривается производство спиртов путем микробиологической ферментации отходящего газа(газов).

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.

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.

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.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения реакцию ферментации осуществляют при помощи одного или более штамма карбоксидотрофных бактерий.

Карбоксидотрофные бактерии, предпочтительно, подбирают из Clostridium, Moorella и Carboxydothermus. Наиболее предпочтительно, карбоксидотрофные бактерии представляют собой Clostridium autoethanogenum.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение описано подробно со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых представлено:

Фиг. 1: схема системы, включающей устройство для удаления СО₂ после биореактора по ходу технологического потока в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2: схема системы, включающей устройство для удаления СО₂ до биореактора по ходу технологического потока в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 3: схема системы, включающей устройство для удаления СО₂ после биореактора по ходу технологического потока и устройство для возврата потока субстрата в биореактор;

Фиг. 4: схема системы, включающей газоотделитель, расположенный до биореактора по ходу технологического потока, в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5: схема системы, включающей газоотделитель, расположенный после биореактора по ходу технологического потока, в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

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;

Фиг. 7: схема системы, включающей накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 8: схема системы, включающей необязательный накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 9: схема системы, включающей компрессор в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 10а: схема системы, включающей множество источников потока субстрата и накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 10b: схема системы, включающей множество источников потока субстрата и накопительный резервуар-хранилище в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 11: схема системы, включающей накопительный резервуар-хранилище и устройство для удаления СО₂ в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 12: схема системы, предназначенной для улавливания углерода из потока отходящего газа в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 13: схема системы, включающей смеситель в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 14: иллюстрация роста микроорганизмов с течением времени в случае, когда газы поступают со сталелитейного завода;

Фиг. 15: иллюстрация синтеза продукта, а именно производства ацетата, с течением времени в случае, когда газы поступают со сталелитейного завода;

Фиг. 16: иллюстрация роста микроорганизмов и синтеза продукта с течением времени в лабораторных средах;

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.

Подробное описание изобретения

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.

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.

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.

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.

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.

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 WO 2006/108532 и включаются в настоящий документ путем ссылки.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 ми