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KR102675423B1 - 이산화탄소의 제품 전환 개선을 위한 유연한 발효 플랫폼 - Google Patents

이산화탄소의 제품 전환 개선을 위한 유연한 발효 플랫폼 Download PDF

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KR102675423B1
KR102675423B1 KR1020237033425A KR20237033425A KR102675423B1 KR 102675423 B1 KR102675423 B1 KR 102675423B1 KR 1020237033425 A KR1020237033425 A KR 1020237033425A KR 20237033425 A KR20237033425 A KR 20237033425A KR 102675423 B1 KR102675423 B1 KR 102675423B1
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South Korea
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stream
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gas
production source
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KR20230142655A (ko
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로버트 존 콘라도
션 데니스 심슨
마이클 에머슨 마틴
제이슨 칼 브롬리
대런 얼 영스
리처드 러셀 로진
Original Assignee
란자테크, 인크.
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Publication date
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Abstract

가스 스트림으로부터 적어도 하나의 가스 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법 및 시스템이 개발되었다. 본 개시는, 다양한 상이한 유동 체계를 통한 바이오리액터 테일 가스의 재순환, 및 역방향 물 가스 시프트 장치와 같은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템의 이용 둘 모두를 통해 개선된 탄소 활용을 제공한다. 바이오리액터 테일 가스의 재순환 및 CO2로부터 CO로의 전환 공정의 이용은, 발효 제품의 개선된 생산을 위해, 가스 발효 바이오리액터(들)에 대한 공급의 H2:CO 몰비를 유리하게 제공한다. 바이패스 구현예는 역방향 물 가스 시프트 장치의 최적의 크기를 제공함으로써 비용을 최소화한다.

Description

이산화탄소의 제품 전환 개선을 위한 유연한 발효 플랫폼
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2021년 4월 9일에 출원된 미국 특허 가출원 제63/173,243호, 2021년 4월 9일에 출원된 제63/173,247호, 2021년 4월 9일에 출원된 제63/173,255호, 2021년 4월 9일에 출원된 제63/173,262호, 및 2021년 11월 23일에 출원된 제63/282,546호의 이익을 주장하며, 이들 전체는 참조로서 본원에 통합된다.
기술 분야
본 개시는 CO2의 제품으로의 개선된 전환을 위한 유연한 발효 플랫폼을 제공하는 공정 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 가스 발효 플랫폼에 대한 개선된 제품 선택성 이점이 수득되는 통합 공정 및 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소(CO2)는 인간 활동으로 인한 전세계 온실가스 배출물의 약 76%를 차지하고 있으며, 메탄(16%), 아산화질소(6%) 및 불화 가스(2%)가 그 나머지를 차지한다(미국 환경 보호국(United States Environmental Protection Agency)). 산업 및 임업 작업 또한 대기 중으로 CO2를 방출하기는 하지만, 대부분의 CO2는 에너지를 생산하기 위한 화석 연료의 연소로 인해 발생한다. 온실 가스 배출물, 특히 CO2의 감소는 지구 온난화의 진행 및 그에 따른 기후와 날씨의 변화를 막는 데 중요하다.
피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정과 같은 촉매 공정이 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 및/또는 수소(H2)를 함유하는 가스를 다양한 연료 및 화학물질로 전환시키는 데 사용될 수 있다고 오랫동안 인식되었다. 그러나, 최근에, 가스 발효가 이러한 가스의 생물학적 고정을 위한 대안적인 플랫폼으로서 등장하였다. 특히, C1-고정 미생물은, CO2, CO, 및/또는 H2, 예컨대 산업 폐기물 또는 이의 합성가스 또는 혼합물을 함유하는 가스를 제품, 예컨대 에탄올 및 2,3-부탄디올로 전환시키는 것으로 실증되었다. 이러한 제품의 효율적인 생산은, 예를 들어, 느린 미생물 성장, 제한된 가스 흡수, 독소에의 민감도, 또는 요망되지 않는 제품으로의 탄소 기질의 우회(diversion)에 의해 제한될 수 있다.
대체적으로, 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 산업 공정의 부산물로서 수득된 폐기물 가스로부터 또는 다른 공급원, 예컨대 연소 엔진 배기 가스, 산업 공정(시멘트 생산, 암모니아 생산, 합성가스 정화, 에틸렌 생산, 에틸렌 옥사이드 생산)으로부터의 CO2 부산물 가스, 메탄올 합성으로부터의 부산물 가스, 발효 공정으로부터의 오프 가스(예컨대, 설탕의 에탄올로의 전환), 바이오가스, 매립 가스, 직접 공기 포획, 채굴된 CO2(화석 CO2), 또는 전기분해로부터 유래될 수 있는 탄소의 부분적 또는 단일 공급원으로서 기능한다. 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 열분해, 반탄화, 개질, 또는 가스화에 의해 생성되는 합성가스일 수 있다. 다시 말해, 폐기물 중 탄소는 열분해, 반탄화, 개질, 또는 가스화에 의해 재순환되어 기질 및/또는 C1-탄소 공급원으로서 사용되는 합성가스를 생성할 수 있다. 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 메탄을 포함하는 가스일 수 있으며, 특정 구현예에서 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 비-폐기물 가스일 수 있다.
산업 공정으로부터 얻어진 폐기물 가스, 또는 합성가스 공급원으로부터 발생된 합성가스는 가스 발효 시스템에 사용하기에 적합한 처리 또는 분해를 필요로 할 수 있다. 산업 가스 및/또는 합성가스 내의 높은 CO2 함량은 발효의 에탄올 선택성 혜택에 악영향을 미쳐 아세테이트 및 2,3-부탄디올과 같은 원하지 않는 부산물의 생산을 증가시키는 것으로 나타났다.
따라서, 바이오리액터에 도입하기 전에, 산업 가스, 합성 가스, 또는 이의 혼합물의 CO2 함량을 감소시키는 것을 해결할 수 있는 유연한 발효 플랫폼에 대한 필요성이 남아 있다. 또한, 일부 구현예에서, H2:CO 비율을 변화시키고 제어하기 위해, 바이오리액터에 도입하기 전에 합성가스 또는 산업 가스에 존재하는 일부 CO2를 CO로 전환할 필요가 존재한다. 예를 들어, H2:CO 비율의 감소는 것은 미생물 성장을 개선하고 성장 속도를 증가시킬 수 있으며, 에탄올과 같은 발효 제품에 대해 보다 큰 선택도를 제공할 수 있다.
본 개시는 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법을 포함하며, 방법은: a) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계; b) 제1 가스 스트림의 적어도 일부 및 제2 가스 스트림의 적어도 일부를, CO 농축 배출 스트림을 생산하기 위한 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 통과시키는 단계; c) 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에 CO 농축 배출 스트림을 통과시키고 발효시키는 단계; d) 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 바이오리액터 테일 가스 스트림을 압축하는 단계; e) 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해, 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 적어도 제1 부분을, 가스 탈황/산성 가스 제거 장치; 또는 가스 성분 제거 장치; 또는 가스 탈황/산성 가스 제거 장치와 가스 성분 제거 장치 둘 모두에 임의의 순서로 통과시키는 단계; f) 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 재순환시키는 단계로서, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합을 조합하거나; CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 재순환시키거나; CO 농축 배출 스트림과 조합하거나; 또는 이들을 조합하는, 단계; 및 g) 선택적으로, CO 농축 배출 스트림과 조합하거나 바이오리액터에 조합시키기 위해, 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 제2 부분을 재순환시키는 단계를 포함한다. 방법은, 제1 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 제2 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 또는 이들의 조합을 CO 농축 배출 스트림과 조합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, 제1 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 제2 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 또는 이들의 조합을 적어도 바이오리액터에 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합의 임의의 부분을 압축하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, 제어 밸브를 사용하여, 압축된 테일 가스 스트림의 제1 부분 및 압축된 테일 가스 스트림의 제2 부분의 상대적인 양을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, CO 농축 유출 스트림을 생성하고 제2 CO 농축 유출 스트림을 바이오리액터로 재순환시키기 위해, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. CO 농축 배출 스트림은 약 5:1:1, 약 4.5:1:1, 약 4.33:1:1, 약 3:1:1, 약 2:1:1, 약 1:1:1; 또는 약 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함할 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택될 수 있다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은, 물 전해분해기, 탄화수소 개질 공급원, 수소 정제 공급원, 고체 바이오매스 가스화 공급원, 고체 폐기물 가스화 공급원, 석탄 가스화 공급원, 탄화수소 가스화 공급원, 메탄 열분해 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은, 당류 에탄올 생산 공급원, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 가스 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. 적어도 하나의 C1 고정 박테리아는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택될 수 있다.
본 개시는 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법을 추가로 포함하며, 방법은: a) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계; b) 선택적으로, 제1 압축기에서, 압축된 제1 가스 스트림, 압축된 제2 가스 스트림, 및/또는 압축된 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 조합을 생성하기 위해, 제1 가스 스트림의 적어도 일부, 제2 가스 스트림의 적어도 일부, 또는 이들의 임의의 조합을 압축시키는 단계; c) 처리된 스트림을 생성하기 위해, 가스 성분 제거 장치, 가스 탈황/산성 가스 제거 장치, 또는 둘 모두를 포함하는 가스 처리 구역에서, 제1 가스 스트림 또는 압축된 제1 가스 스트림, 또는 둘 모두의 적어도 일부; 및 제2 가스 스트림 또는 압축된 제2 가스 스트림, 또는 둘 모두의 적어도 일부; 또는 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 압축된 조합을 처리하는 단계; d) CO 농축 배출 스트림을 생산하는 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에서 CO를 형성하기 위해 처리된 스트림의 적어도 제1 부분에서 CO2를 전환하는 단계; e) 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에 CO 농축 배출 스트림을 통과시키고 발효시키는 단계; f) 테일 가스 스트림을, 제1 압축기, 가스 처리 구역, CO2로부터 CO로의 전환 시스템, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 조합으로 재순환시키는 단계를 포함한다. 방법은, CO 농축 배출 스트림을, 처리된 스트림; 또는 제1 가스 스트림; 또는 제2 가스 스트림; 또는 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 조합; 또는 압축된 제1 가스 스트림; 또는 압축된 제2 가스 스트림; 또는 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 압축된 조합; 또는 이들의 임의의 조합의 적어도 일부와 조합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, CO 농축 유출 스트림을 생성하고 제2 CO 농축 유출 스트림을 바이오리액터로 재순환시키기 위해, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. CO 농축 배출 스트림은 수소 및 CO2를 추가로 포함할 수 있으며, 약 5:1:1, 약 4.5:1:1, 약 4.33:1:1, 약 3:1:1, 약 2:1:1, 약 1:1:1; 또는 약 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함한다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 가스 처리 구역은, 탈산소화 장치, 촉매 수소화 장치, 흡착 장치, 열 산화제, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택될 수 있다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은, 물 전해분해기, 탄화수소 개질 공급원, 수소 정제 공급원, 고체 바이오매스 가스화 공급원, 고체 폐기물 가스화 공급원, 석탄 가스화 공급원, 탄화수소 가스화 공급원, 메탄 열분해 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은, 당류 에탄올 생산 공급원, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 가스 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. C1 고정 박테리아 중 적어도 하나는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택될 수 있다. CO 농축 배출 스트림은 수소를 포함할 수 있으며, 여기에서 방법은 CO 농축 배출 스트림으로부터 수소를 분리하는 단계, 및 테일 가스 스트림과 조합하기 위해 재순환시키거나 압축기에 재순환시키는 단계를 추가로 포함한다. 방법은, 수소의 분리 후에 CO 농축 배출 스트림의 나머지를 압축하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 테일 가스 스트림은 메탄을 포함할 수 있으며, 여기에서 방법은 메탄 전환 장치 유출물을 생성하기 위해 테일 가스 스트림의 일부를 메탄 전환 장치에 통과시키고, 메탄 전환 장치 유출물을 테일 가스 스트림과 조합하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은, 산소 공급원으로부터의 산소를 포함하는 스트림을 생성하는 단계, 및 산소를 포함하는 스트림을 메탄 전환 장치로 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, 수소 공급원으로부터의 수소를 포함하는 제2 가스 스트림을 바이오리액터로 통과시키거나 CO 농축 배출 스트림과 조합하는 단계, CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 바이오리액터로 통과시키거나 CO 농축 배출 스트림과 조합하는 단계, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 제2 가스 스트림을 조합하는 단계는, 수소 공급원으로부터의 수소와 CO 농축 배출 스트림의 조합, 또는 CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림과 CO 농축 배출 스트림을 조합하는 단계를 포함할 수 있거나, 여기에서 둘 모두는 혼합기 중에서 혼합하는 단계를 이용할 수 있다. 제2 가스 스트림의 비율은, 약 0:1 초과 내지 약 4:1인, 수소 공급원으로부터의 수소 대 바이오리액터로 진입하는 CO 농축 배출 스트림의 비율을 포함할 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 버너를 갖는 연소 히터를 포함할 수 있으며, 테일 가스 스트림은 적어도 연소 히터의 버너로 재순환된다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은, 증기를 생산하는 증기 발생기, 또는 물 스트림을 생성하는 물 녹아웃 장치, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 방법은, CO 농축 배출 스트림의 일부를 이노큘레이터 리액터, 완충 탱크, 또는 둘 모두로 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 개시는 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법에 관한 것이며, 방법은: a) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계; b) 제2 가스 스트림의 적어도 일부 및 선택적으로 제1 가스 스트림의 일부를, CO 농축 배출 스트림을 생산하기 위한 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 통과시키는 단계; c) 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에 수소를 포함하는 제1 가스 스트림의 적어도 일부 및 CO 농축 배출 스트림을 통과시키고 발효시키는 단계; d) 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 바이오리액터 테일 가스 스트림을 압축하는 단계; e) 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해, 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 적어도 제1 부분을, 가스 탈황/산성 가스 제거 장치; 또는 가스 성분 제거 장치; 또는 가스 탈황/산성 가스 제거 장치와 가스 성분 제거 장치 둘 모두에 임의의 순서로 통과시키는 단계; f) 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 재순환시키는 단계로서, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합을 조합하거나; CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 재순환시키거나; CO 농축 배출 스트림과 조합하거나; 또는 이들을 조합하는, 단계; 및 g) 선택적으로, CO 농축 배출 스트림과 조합하거나 바이오리액터에 조합시키기 위해, 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 제2 부분을 재순환시키는 단계를 포함한다. 방법은, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림의 적어도 다른 부분을 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합의 임의의 부분을 압축하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, 제어 밸브를 사용하여, 압축된 테일 가스 스트림의 제1 부분 및 압축된 테일 가스 스트림의 제2 부분의 상대적인 양을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은, CO 농축 유출 스트림을 생성하고 제2 CO 농축 유출 스트림을 바이오리액터로 재순환시키기 위해, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. CO 농축 배출 스트림은 약 5:1:1, 약 4.5:1:1, 약 4.33:1:1, 약 3:1:1, 약 2:1:1, 약 1:1:1; 또는 약 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함할 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택될 수 있다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은, 물 전해분해기, 탄화수소 개질 공급원, 수소 정제 공급원, 고체 바이오매스 가스화 공급원, 고체 폐기물 가스화 공급원, 석탄 가스화 공급원, 탄화수소 가스화 공급원, 메탄 열분해 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. 제2 가스 스트림은, 당류 에탄올 생산 공급원, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 가스 생산 공급원에 의해 생산된 CO2를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 C1 고정 박테리아는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택될 수 있다.
본 개시는 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품의 생산을 위한 통합 방법에 관한 것이며, 방법은: 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계; 제1 가스 스트림의 적어도 일부 및 제2 가스 스트림의 적어도 일부를, CO 농축 배출 스트림을 생산하기 위한 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 통과시키는 단계; 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에서 CO 농축 배출 스트림을 발효시키는 단계; 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 바이오리액터 테일 가스 스트림을 압축하는 단계; 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해, 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 적어도 제1 부분을, i) 가스 탈황/산성 가스 제거 장치; 또는 ii) 가스 성분 제거 장치; 또는 iii) 가스 탈황/산성 가스 제거 장치와 가스 성분 제거 장치 둘 모두에 임의의 순서로 통과시키는 단계; 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 재순환시키는 단계로서, a) 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합을 조합하거나; b) CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 재순환시키거나; c) CO 농축 배출 스트림과 조합하거나; 또는 d) 이들을 조합하는, 단계; 및 선택적으로, CO 농축 배출 스트림과 조합하거나 바이오리액터에 조합시키기 위해, 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 제2 부분을 재순환시키는 단계를 포함한다. 제1 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 제2 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 또는 이들의 조합은, CO 농축 배출 스트림과 조합될 수 있다. 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합의 임의의 부분은 압축될 수 있다. 압축된 테일 가스 스트림의 제1 부분 및 압축된 테일 가스 스트림의 제2 부분의 상대적인 양은 제어 밸브를 사용하여 제어될 수 있다. CO 농축 유출 스트림을 생성하기 위해, 테일 가스 스트림의 적어도 일부는, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 통과될 수 있으며, 제2 CO 농축 유출 스트림은 바이오리액터로 재순환될 수 있다. CO 농축 배출 스트림은 약 5:1:1, 약 4.5:1:1, 약 4.33:1:1, 약 3:1:1, 약 2:1:1, 약 1:1:1; 또는 약 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함할 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택될 수 있다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은, 물 전해분해기, 탄화수소 개질 공급원, 수소 정제 공급원, 고체 바이오매스 가스화 공급원, 고체 폐기물 가스화 공급원, 석탄 가스화 공급원, 탄화수소 가스화 공급원, 메탄 열분해 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은, 당류 에탄올 생산 공급원, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 가스 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. C1 고정 박테리아 중 적어도 하나는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택될 수 있다.
본 개시는 또한 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법을 포함하며, 방법은: 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계; 선택적으로, 제1 압축기에서, 압축된 제1 가스 스트림, 압축된 제2 가스 스트림, 및/또는 압축된 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 조합을 생성하기 위해, 제1 가스 스트림의 적어도 일부, 제2 가스 스트림의 적어도 일부, 또는 이들의 임의의 조합을 압축시키는 단계; 처리된 스트림을 생성하기 위해, 가스 성분 제거 장치, 가스 탈황/산성 가스 제거 장치, 또는 둘 모두를 포함하는 가스 처리 구역에서, i) 제1 가스 스트림 또는 압축된 제1 가스 스트림, 또는 둘 모두의 적어도 일부; 및 제2 가스 스트림 또는 압축된 제2 가스 스트림, 또는 둘 모두의 적어도 일부; 또는 ii) 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 압축된 조합을 처리하는 단계; CO 농축 배출 스트림을 생산하는 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에서 CO를 형성하기 위해 처리된 스트림의 적어도 제1 부분에서 CO2를 전환하는 단계; 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에서 CO 농축 배출 스트림을 발효시키는 단계; 및 테일 가스 스트림을, 제1 압축기, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 조합으로 재순환시키는 단계를 포함한다. CO 농축 배출 스트림은, 처리된 스트림; 또는 제1 가스 스트림; 또는 제2 가스 스트림; 또는 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 조합; 또는 압축된 제1 가스 스트림; 또는 압축된 제2 가스 스트림; 또는 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 압축된 조합; 또는 이들의 임의의 조합의 적어도 일부와 조합될 수 있다. 테일 가스 스트림의 적어도 일부는, CO 농축 유출 스트림을 생성하고 제2 CO 농축 유출 스트림을 바이오리액터로 재순환시키기 위해, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 통과될 수 있다. CO 농축 배출 스트림은 수소 및 CO2를 추가로 포함할 수 있으며, 약 5:1:1, 약 4.5:1:1, 약 4.33:1:1, 약 3:1:1, 약 2:1:1, 약 1:1:1; 또는 약 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함할 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 가스 처리 구역은, 탈산소화 장치, 촉매 수소화 장치, 흡착 장치, 열 산화제, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택될 수 있다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은 전술한 수소 생산 공급원에 의해 생산될 수 있고, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은 전술한 가스 생산 공급원에 의해 생산될 수 있다. C1 고정 박테리아 중 적어도 하나는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택될 수 있다. CO 농축 배출 스트림은 수소를 포함할 수 있으며, 여기에서 방법은 CO 농축 배출 스트림으로부터 수소를 분리하는 단계, 및 테일 가스 스트림과 조합하기 위해 재순환시키거나 압축기에 재순환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. CO 농축 배출 스트림의 나머지는 수소의 분리 후에 압축될 수 있다. 테일 가스 스트림은 메탄을 포함할 수 있으며, 여기에서 방법은 메탄 전환 장치 유출물을 생성하기 위해 테일 가스 스트림의 일부를 메탄 전환 장치에 통과시키고, 메탄 전환 장치 유출물을 테일 가스 스트림과 조합하는 단계를 추가로 포함한다. 산소를 포함하는 스트림이 산소 공급원으로부터 생성되어 메탄 전환 장치로 전달될 수 있다. 수소를 포함하는 제2 가스 스트림은 수소 공급원으로부터 바이오리액터로 통과될 수 있고, CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은 바이오리액터로 통과될 수 있거나, 둘 모두로 통과될 수 있다. 수소 공급원으로부터의 수소를 포함하는 제2 가스 스트림은 바이오리액터로 통과되거나 CO 농축 배출 스트림과 조합될 수 있고, CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은 바이오리액터로 통과되거나 CO 농축 배출 스트림과 조합될 수 있거나, 이들의 임의의 조합이 수행될 수 있다. 수소 공급원으로부터의 수소와 CO 농축 배출 스트림의 조합, 또는 CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림과 CO 농축 배출 스트림의 조합, 또는 둘 모두를 포함하는 제2 가스 스트림을 조합하는 단계는, 혼합기 중에서 혼합하는 단계에 의해 달성될 수 있다. 수소 공급원으로부터의 수소 대 바이오리액터로 진입하는 CO 농축 배출 스트림의 비율을 포함하는 제2 가스 스트림의 비율은 약 0:1 초과 내지 약 4:1일 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 버너를 갖는 연소 히터를 포함할 수 있으며, 테일 가스 스트림의 적어도 일부는 적어도 연소 히터의 버너로 재순환될 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템은, 증기를 생산하는 증기 발생기, 또는 물 스트림을 생성하는 물 녹아웃 장치, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. CO 농축 배출 스트림의 일부는, 이노큘레이터 리액터, 완충 탱크, 또는 둘 모두로 통과될 수 있으며, 이러한 통과는 중간 장치 없이, 이노큘레이터 리액터, 완충 탱크, 또는 둘 모두로 직접적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 바이오리액터로부터의 테일 가스의 적어도 일부가 가스 성분 제거 장치를 통과하고, 압축된 다음, 바이오리액터, CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로, 또는 둘 모두로 재순환하는 구현예의 흐름도를 도시한다.
도 2는 바이오리액터로부터의 테일 가스의 적어도 일부가 바이오리액터로 재순환되는 흐름도를 도시한다.
도 3은 바이오리액터로부터의 테일 가스의 적어도 일부가 압축되고, 가스 탈황 장치/산성 가스 제거 장치를 통과한 다음, CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 재순환하는 구현예의 흐름도를 도시한다.
도 4는 바이오리액터로부터의 테일 가스의 적어도 일부를 압축시키고 선택적인 컨트롤러로 통과시켜 테일 가스 스트림을 분할하고 선택적으로 바이오리액터로 일부를 재순환시키면서 테일 가스의 나머지를 가스 처리 구역으로 통과시키는 구현예의 흐름도를 도시한다. 가스 처리 구역의 유출물은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템 또는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템의 상류로 재순환된다.
도 5는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템의 상류에 추가 압축기를 갖는, 도 4의 구현예와 유사한 구현예의 흐름도를 도시한다.
도 6은 테일 가스 스트림의 적어도 일부가 가스 처리 구역의 상류의 압축기 및 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 재순환되는 구현예의 흐름도를 도시한다. 압축기는 수소를 포함하는 제1 가스 스트림과 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림의 조합에 대해 작동한다.
도 7은, 압축기가 수소를 포함하는 제1 가스 스트림이 아닌 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림에 대해서만 작동하는 것을 제외하고는, 도 6의 구현예와 유사한 구현예의 흐름도를 도시한다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은 가스 처리 구역의 투입 스트림, 유출물, 또는 둘 모두에 첨가된다.
도 8은 압축기가 수소를 포함하는 제1 가스 스트림이 아닌 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림의 일부에 대해서만 작동하는 흐름도를 도시한다. CO2를 포함하는 제2 가스 스트림의 나머지는 압축되지 않고, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림과 조합될 수 있다.
도 9는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템의 CO-농축 배출 스트림으로부터의 수소를 포함하는 스트림의 분리가 추가된, 도 7에 도시된 구현예와 유사한 구현예의 흐름도를 도시한다. 수소를 포함하는 분리된 스트림은 테일 가스 재순환과 조합될 수 있다.
도 10은, 수소를 포함하는 스트림이 CO-농축 배출 스트림으로부터 분리된 후에 CO-농축 배출 스트림의 나머지에 대해 작동하는 제2 압축기가 추가된, 도 9의 구현예와 유사한 구현예의 흐름도를 도시한다.
도 11은, 메탄 전환 장치로 바이오리액터 테일 가스의 적어도 일부를 통과시키고 메탄 전환 장치의 유출물을 통과시켜 바이오리액터 테일 가스와 다시 조합하는 단계가 추가된, 도 6의 구현예와 유사한 구현예의 흐름도를 도시한다. 산소 공급원은 산소를 포함하는 스트림을 메탄 전환 장치에 선택적으로 제공할 수 있다. 수소 공급원으로부터의 수소를 포함하는 제2 스트림은 선택적으로 바이오리액터로 직접 통과될 수 있다. CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 스트림은 선택적으로 바이오리액터로 직접 통과될 수 있다.
도 1 내지 도 11은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 대한 투입 스트림의 적어도 일부가 CO2로부터 CO로의 전환 시스템을 통과하는 대신, CO2로부터 CO로의 전환 시스템 주위로 바이패스되는 선택적인 구현예를 추가로 도시한다. 도면은 또한, 테일 가스 스트림의 적어도 일부가 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 통과하고 생성된 유출물이 바이오리액터로 통과하는 선택적인 구현예를 도시한다. 도면은 또한, H2를 포함하는 제1 가스 스트림의 적어도 일부가 CO2로부터 CO로의 전환 시스템을 통과하는 대신, CO2로부터 CO로의 전환 시스템 주위로 바이패스되는 선택적인 구현예를 도시한다.
도 12는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템이 rWGS 시스템으로 선택된 경우에 대한 보다 상세한 구현예의 흐름도를 도시한다.
도 13은 선택적으로 수소의 일부가 CO2로부터 CO로의 전환 시스템을 바이패스하고, 선택적으로 수소의 일부가 제2 수소 공급원으로부터 수득되는 구현예의 흐름도를 도시한다.
가스 발효 공정에서, CO2로부터 CO로의 전환 공정, 특히 역방향 물 가스 시프트 공정을 사용하는 산업 공정 또는 합성가스 공정과 같은 CO2 생성 가스 생산 공정의 통합은 상당한 이점을 제공한다. 이러한 통합은, 심지어 발효 공정에 일정량의 CO가 필요한 경우에도, 공급 스톡으로서 CO2를 사용할 수 있게 한다. CO2로부터 CO로의 전환을 통합함으로써, 공급 스톡 중 또는 재순환 중의 CO2가 발효를 위해 적절한 양으로 CO로 전환될 수 있게 한다.
특정 구현예에서, 이러한 산업 공정은 철 금속 제품 제조, 예컨대, 철강 제조, 비철 제품 제조, 석유 정제, 전력 생산, 카본 블랙 생산, 제지 및 펄프 제조, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 코크 제조, 석유화학 생산, 탄수화물 발효, 시멘트 제조, 호기성 소화, 혐기성 소화, 촉매 공정, 천연 가스 추출, 셀룰로오스 발효, 오일 추출, 지질 저류층의 산업적 처리, 천연 가스 석탄 및 석유와 같은 화석 자원 처리, 매립지 운영, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 산업 공정 내의 특정 처리 단계의 예는 촉매 재생, 유체 촉매 크래킹, 및 촉매 재생을 포함한다. 공기 분리 및 직접 공기 포획은 다른 적절한 산업 공정이다. 철강 및 철합금 제조에서의 예는 용광로 가스, 제강 전로 가스, 코크스 오븐 가스, 직접환원로 노상가스, 및 철 제련으로부터의 잔류 가스를 포함한다. 다른 일반적인 예는, 천연 가스, 오일 또는 석탄 연소식 보일러 또는 히터와 같은 연소식 보일러 및 연소식 히터로부터의 연료 가스, 및 가스 터빈 배기가스를 포함한다. 이러한 구현예에서, 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 대기 중으로 배출되기 전에 임의의 공지된 방법을 사용하여 해당 산업 공정으로부터 포집할 수 있다.
기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 합성가스로서 알려진 합성 가스일 수 있으며, 이는 개질, 부분 산화, 플라즈마, 또는 가스화 공정으로부터 수득될 수 있다. 가스화 공정의 예는, 석탄의 가스화, 정제 잔류물의 가스화, 석유 코크의 가스화, 바이오매스의 가스화, 리노셀룰로오스 물질의 가스화, 폐목재의 가스화, 흑액(black liquor)의 가스화, 도시 고형 폐기물의 가스화, 도시 액체 폐기물의 가스화, 산업 고형 폐기물의 가스화, 산업 액체 폐기물의 가스화, 폐기물 유래 연료의 가스화, 하수물의 가스화, 하수 슬러지의 가스화, 폐수 처리로부터의 슬러지의 가스화, 매립 가스의 가스화, 바이오가스가 다른 물질의 가스화를 향상시키기 위해 첨가하는 경우와 같은 바이오가스의 가스화를 포함한다. 개질 공정의 예는, 증기 메탄 개질, 증기 나프타 개질, 천연 가스 개질, 바이오가스 개질, 매립 가스 개질, 코크스 오븐 가스 개질, 열분해 오프-가스 개질, 에틸렌 생산 오프-가스 개질, 나프타 개질, 및 건식 메탄 개질을 포함한다. 부분 산화 공정의 예는, 열 및 촉매 부분 산화 공정, 천연 가스의 촉매 부분 산화, 탄화수소의 부분 산화, 바이오가스의 부분 산화, 매립 가스의 부분 산화, 또는 열분해 오프-가스의 부분 산화를 포함한다. 도시 고형 폐기물의 예는, 타이어, 플라스틱, 폐기물 유래 연료, 및 신발, 의류 및 섬유와 같은 섬유이다. 도시 고형 폐기물은 단순히 매립형 폐기물일 수 있으며 분류되거나 분류되지 않을 수 있다. 바이오매스의 예는 리그노셀룰로오스 물질 및 미생물 바이오매스를 포함할 수 있다. 리그노셀룰로오스 물질은 농업 폐기물 및 산림 폐기물을 포함할 수 있다.
본원에서 재순환을 논의할 때, 스트림을 재순환시킨다는 것 또는 스트림을 장치로 통과시킨다는 것에 대한 설명은, 해당 스트림을 장치로 직접 독립적으로 도입하는 것, 또는 해당 장치에 대한 해당 스트림과 다른 투입물의 조합을 포함하는 것을 의미한다.
CO2 생성 가스 생산 공정은, 일반적으로 부피 기준으로 상당한 비율의 CO2를 갖는 산업 가스 또는 합성가스를 생성하는 산업 공정 또는 합성가스 공정이다. 추가적으로, 산업 가스 또는 합성가스는 일정량의 CO 및/또는 CH4를 포함할 수 있다. CO2 생성 가스 생산 공정은 원하는 최종 제품으로서 또는 하나 이상의 원하는 최종 최품의 생산에서의 부산물로서의 CO2 함유 가스를 생성하는 임의의 산업 공정 또는 합성가스 공정을 포함하는 것으로 의도된다. 예시적인 CO2 생성 가스 생산 방법은, 당류 에탄올 생산 공급원으로부터의 에탄올 생산, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 공급원을 포함한다. 철강 및 철합금 생산 공급원의 일부 예는, 용광로 가스, 제강 전로 가스, 코크스 오븐 가스, 직접환원로 노상가스, 전기로 오프-가스, 및 철 제련으로부터의 잔류 가스를 포함한다. 다른 일반적인 예는, 천연 가스, 오일 또는 석탄 연소식 보일러 또는 히터와 같은 연소식 보일러 및 연소식 히터로부터의 연료 가스, 및 가스 터빈 배기가스를 포함한다.
도 1은 본 개시의 일 구현예에 따른, 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 유연한 생산 플랫폼 및 공정을 갖는 통합 시스템을 도시한다. 방법은 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수용하는 단계, 및 스트림을 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 통과시키는 단계를 포함한다. 도 1에서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은 역방향 물 가스 시프트 장치로서 도시되어 있다. 수소 생산 공급원(110)은 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)을 생성한다. 일 구현예에서, 수소 생산 공급원(110)은 물 전해분해기이다. 물 스트림(500)은, 전력 공급원(미도시)으로부터의 전력, 예를 들어 4.78 kwh/Nm3의 전력을 공급받을 수 있는 수소 생산 공급원(110)에 도입되어, 다음의 화학량론적 반응에 따라 물을 수소 및 산소로 전환시킨다:
H2O + 전기 → 2 H2 + O2 + 열
물 전기분해 기술은 공지되어 있으며, 예시적인 공정은, 알칼리 물 전기분해, 양성자 교환 막(PEM) 전기분해, 및 고체 산화물 전기분해를 포함한다. 적절한 전기분해기는 알칼리 전기분해기, PEM 전기분해기, 및 고체 산화물 전기분해기를 포함한다. 물 전기분해의 부산물로서 생성된 산소를 포함하는 산소 농축 스트림(115)은 다양한 목적에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 특히 가스 생산 공급원(220)이 산소 취입 가스화기를 포함하는 합성가스 생산 공정으로 선택된 경우, 산소 농축 스트림(115)의 적어도 일부가 가스 생산 공급원(220)에 도입될 수 있다. 이러한 산소 농축 스트림(115)의 사용은 외부 공급원으로부터 산소를 수득하는 데 대한 필요성 및 관련 비용을 감소시킨다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 농축이라는 용어는 방법 단계 전과 비교하여 방법 단계 후에 보다 높은 농도를 갖는 것을 설명하는 것을 의미한다.
특정 구현예에서, 수소 생산 공급원(110)은, 탄화수소 개질, 수소 정제, 고형 바이오매스 가스화, 고형 폐기물 가스화, 석탄 가스화, 탄화수소 가스화, 메탄 열분해, 정제 테일 가스 생산 공정, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택될 수 있다.
가스 생산 공급원(220)은 직접 공기 포획, CO2 생성 산업 공정, 합성 가스 공정, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)을 생성한다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120) 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)은 개별적으로 또는 조합되어, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과되어, CO 농축 배출 스트림(130)을 생성한다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120) 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)의 조합의 가스 조성은, 일 구현예에서 약 3:1, 다른 구현예에서 약 2.5:1, 및 또 다른 구현예에서 약 3.5:1의 H2:CO2 몰비를 포함하고, H2:CO 몰비는 약 5:1을 초과할 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치로부터 선택되는 적어도 하나의 장치일 수 있다.
특정 구현예에서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은 역방향 물 가스 시프트 장치이다. 역방향 물 가스 시프트(rWGS) 기술이 공지되어 있으며, 이는 이산화탄소와 수소로부터 일산화탄소, 그리고 부산물로서 물을 생산하는 데 사용된다. rWGS 공정의 온도는 시프트의 주요 동인이다. 역방향 물 가스 시프트 장치는 단일 단계 반응 시스템 또는 2개 이상의 반응 단계를 포함할 수 있다. 상이한 단계는 상이한 온도에서 수행될 수 있고, 상이한 촉매를 사용할 수 있다.
또 다른 구현예에서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은 열-촉매 전환을 포함하며, 이는 CO를 생성하기 위한 반응의 구동력으로서 열 에너지를 사용함으로써 촉매에 대한 CO2 및 다른 반응물의 안정적인 원자 및 분자 결합을 파괴하는 것을 포함한다. CO2 분자는 열역학적 및 화학적으로 안정적이기 때문에, CO2가 단일 반응물로서 사용되는 경우, 많은 양의 에너지가 요구된다. 따라서, 종종 수소와 같은 다른 물질이 열역학적 공정을 보다 용이하게 하기 위한 공동-반응물로서 사용된다. 금속 및 금속 산화물뿐만 아니라 나노 크기의 촉매 금속-유기 프레임워크와 같은 많은 촉매가 해당 공정에 대해 공지되어 있다. 다양한 탄소 물질이 촉매를 위한 담체로서 사용되어 왔다.
다른 구현예에서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은 산소가 부분 산화를 위한 산화제 요건의 적어도 일부를 공급하는 부분 연소를 수반하며, 여기에서 반응물인 이산화탄소 및 물은 실질적으로 일산화탄소 및 수소로 전환된다.
또 다른 구현예에서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은 플라즈마-촉매로도 지칭되는 플라즈마와 촉매와의 조합인 플라즈마 전환을 수반한다. 플라즈마는 중성 그라운드 상태 분자와 함께, 전자, 다양한 유형의 이온, 라디칼, 여기된 원자 및 분자로 이루어진 이온화 가스이다. CO2로부터 CO로의 전환을 위한 가장 통상적인 3가지 플라즈마 유형은, 유전체 배리어 방출(DBD), 마이크로파(MW) 플라즈마, 및 글라이딩 아크(GA) 플라즈마를 포함한다. CO2로부터 CO로의 전환에 대한 플라즈마 전환의 선택하는 장점은 다음과 같다: (i) 높은 프로세스 다양성, 순수 CO2 분할, 및 수소 공급원, 예컨대 CH4, H2 또는 H2O의 존재 시의 CO2 전환과 같은 상이한 종류의 반응을 수행할 수 있음; (ii) 낮은 투자 및 운영 비용 (iii) 희토류 금속 필요성 배제; (iv) 플라즈마 리액터가 플랜트 생산성에 따라 선형적으로 확장되는, 편리한 모듈형 설정; (v) 다양한 종류의 재생 가능 전기와의 매우 용이한 조합.
CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)이 적어도 하나의 rWGS 장치을 포함하는 것으로 선택된 도면이 기술된다. rWGS 반응은 CO 및 H2O를 생산하기 위한 CO2의 가역적 수소화이다. CO2는, 이의 화학적 안정성으로 인해 상대적으로 비반응성 분자이므로, 이를 보다 반응성이 높은 CO로 전환하는 반응은 에너지 집약적이다.
CO2 + H2 ↔ CO + H2O ΔH 298k = + 41 kJ mol-1 (기준 조건 하)
rWGS 반응은 흡열 반응이기 때문에, 보다 높은 온도가 열역학적으로 유리하다. 통상적으로, 대량의 CO를 생성하기 위해서는 약 500℃의 온도가 바람직하다. 보다 높은 온도를 사용하는 구현예에서, 철계 촉매는 종종 열 안정성 및 높은 산소 이동성으로 인해 고온에 대해 가장 성공적인 활성 금속 중 하나로 간주된다. 보다 낮은 온도를 사용하는 구현예에서, 구리는 종종 반응 중간체의 향상된 흡착으로 인해 성공적인 것으로 간주된다. 일부 다른 구현예에서, rWGS 촉매 선택은 Fe/Al2O3, Fe-Cu/Al2O3, Fe-Cs/Al2O3, Fe-Cu-Cs/Al2O3 또는 이들의 조합을 포함한다.
예를 들어, rWGS 기술을 사용하는, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은 CO 농축 배출 스트림(130)을 생산한다. CO 농축 배출 스트림(130)의 H2:CO 몰비는, 일부 구현예에서 약 3:1을 초과할 수 있다. 제품으로서의 에탄올의 화학량론 및 1:1의 몰비의 CO2:CO에 기초하여, CO 농축 배출 스트림(130)의 H2:CO:CO2 몰비는 약 5:1:1일 수 있다.
일부 경우, rWGS 반응은, CO 농축 배구 스트림(130) 중의 H2:CO 몰비가 예를 들어 약 3:1의 사전에 결정된 비율 이하가 되도록 하는 수준으로 작동한다. 이러한 수준의 CO는 가스 발효에 요구되는 CO 수준을 초과할 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로부터 요구되는 것보다 더 높은 CO 전환은 준최적 성능으로 이어질 수 있다. 따라서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)의 크기는 필요한 것보다 더 크게 설계될 것이다. 이러한 대형 시스템은 고가이다. 따라서, 이러한 대형 시스템에 대한 필요성을 회피하기 위해, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림의 적어도 일부는 바이패스(520)로 유도되고 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과되지 않는다. 바이패스 스트림(520)은 CO 농축 배출 스트림(130)과 조합된다. 따라서, 발효를 위해 전달되는 라인(130) 중의 H2:CO 비율은 최적 크기의 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)에 대해 사전에 결정된 비율보다 더 크도록 조정될 수 있다. 유사하게, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)의 일부는, 제2 바이패스 스트림(525)을 사용하여, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)을 바이패스하도록 우회될 수 있다. 이러한 방식으로, 생산된 CO의 양은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125) 용량을 과도하게 설계하지 않고 제어될 수 있다.
에탄올이 의도된 발효 제품이 아닌 경우, 전술한 바와 같은 화학량론은 상이할 것이다. 예를 들어, 2,3-부탄디올(2,3-BDO)이 의도된 발효 제품인 경우, CO 농축 배출 스트림(130)의 H2:CO:CO2 몰비는, 2,3-BDO의 화학량론을 기준으로 약 4.5:1:1일 수 있고, 여기에서 CO2:CO는 1:1의 몰비일 수 있다.
9H2 + 2CO + 2CO2 → C4H10O2 + 4H2O
아세톤이 의도된 발효 제품인 경우, CO 농축 배출 스트림(130)의 H2:CO:CO2 몰비는, 아세톤의 화학량론을 기준으로 약 4.33:1:1일 수 있고, 여기에서 CO2:CO는 1:1의 몰비일 수 있다.
6.5H2 + 1.5CO + 1.5CO2 → C3H6O + 3.5H2O
아세테이트가 의도된 발효 제품인 경우, CO 농축 배출 스트림(130)의 H2:CO:CO2 몰비는, 아세테이트의 화학량론을 기준으로 약 3:1:1일 수 있고, 여기에서 CO2:CO는 1:1의 몰비일 수 있다.
3H2 + 1CO + 1CO2 → C2H4O2 + 1H2O
이소프로필 알코올이 의도된 발효 제품인 경우, CO 농축 배출 스트림(130)의 H2:CO:CO2 몰비는, 이소프로필 알코올의 화학량론을 기준으로 약 5:1:1일 수 있고, 여기에서 CO2:CO는 1:1의 몰비일 수 있다.
H2 + 1.5CO + 1.5CO2 → C3H8O + 3.5H2O
CO 농축 배출 스트림(130)은 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 함유하는 바이오리액터(142)로 통과된다. 바이오리액터(142)는 하나 이상의 용기 및/또는 타워 또는 배관 배열로 이루어진 발효 시스템일 수 있다. 바이오리액터의 예는, 연속 교반 탱크 리액터(CSTR), 고정 셀 리액터(ICR), 살수 층 리액터(TBR), 버블 컬럼, 가스 리프트 발효기, 정체형 혼합기, 순환 루프 리액터, 막 리액터, 예컨대 중공 섬유 막 바이오리액터(HFM BR) 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 장치를 포함한다. 바이오리액터(142)는 복수의 리액터 또는 스테이지를, 병렬 또는 직렬로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 바이오리액터(142)는 대부분의 발효 제품이 생산되는 생산 리액터일 수 있다.
바이오리액터(142)는 C1-탄소 공급원으로부터 하나 이상의 제품을 생산할 수 있는 능력을 갖는 하나 이상의 C1-고정 미생물의 배양물을 포함한다. "C1"은 1-탄소 분자, 예를 들어, CO 또는 CO2를 지칭한다. "C1-탄소 공급원"은 미생물에 대한 부분적 또는 유일한 탄소 공급원으로서 작용하는 1 탄소-분자를 지칭한다. 예를 들어, C1-탄소 공급원은 CO, CO2 또는 CH2O2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, C1-탄소 공급원은 CO 및 CO2 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 일반적으로, C1-고정 미생물은 C1-고정 박테리아이다. 일 구현예에서, 미생물은 표 1에서 식별된 C1-고정 미생물로부터 유래된다. 미생물은 기능적 특성에 기초하여 분류될 수 있다. 예를 들어, 상기 미생물은 C1-고정 미생물, 혐기성 생물, 아세토겐(acetogen), 에탄올로젠(ethanologen), 및/또는 일산화탄소영양체(carboxydotroph)로부터 유래될 수 있다. 표 1은 미생물의 대표적인 목록을 제공하고, 이들의 기능적인 특징을 식별한다.
"혐기성 생물"은 성장을 위해 산소를 필요로 하지 않는 미생물이다. 혐기성 생물은 산소가 특정 임계치를 초과하여 존재하는 경우 부정적으로 반응하거나 심지어 사멸할 수도 있다. 통상적으로, 미생물은 혐기성 생물이다. 바람직한 구현예에서, 미생물은 표 1에서 식별된 혐기성 생물이거나 이로부터 유래된다.
"아세토겐"은 혐기성 호흡의 생성물로서 아세테이트 또는 아세트산을 생산하거나 생산할 수 있는 미생물이다. 일반적으로, 아세토겐은 에너지 보존 및 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA 유래 생성물, 예를 들어 아세테이트의 합성을 위한 주요 기전으로서 우드-륭달(Wood-Ljungdahl) 경로를 사용하는 절대 혐기성(obligately anaerobic) 박테리아이다(문헌[Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008]). 아세토겐은 (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원적 합성을 위한 메커니즘, (2) 말단 전자-수용, 에너지 보존 프로세스, (3) 세포 탄소의 합성에서의 CO2의 고정, 즉, 동화를 위한 메커니즘으로서 아세틸-CoA 경로를 사용한다(문헌[Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006]). 모든 자연 발생 아세토겐은 C1-고정, 혐기성, 독립 영양 생물, 및 비-메탄 영양 생물이다. 일 구현예에서, 바이오리액터(142) 중의 미생물은 아세토겐이다. 다른 구현예에서, 미생물은 표 1에서 식별된 아세토겐으로부터 유래된다.
미생물은 클로스트리디움 속의 구성원일 수 있다. 일 구현예에서, 미생물은, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 및 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei) 종을 포함하는 클로스트리디아(Clostridia)의 클러스터로부터 수득된다. 이들 종은 문헌[Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994](클로스트리디움 오토에타노게눔), 문헌[Tanner, Int J System Bacteriol, 43: 232-236, 1993](클로스트리디움 륭달리) 및 Huhnke의 국제공개 WO 2008/028055호(클로스트리디움 라그스달레이)에 의해 최초로 보고되고 특성화되었다. 미생물은 또한, 클로스트리디움 오토에타노게눔, 클로스트리디움 륭달리 또는 클로스트리디움 라그스달레이의 단리물 또는 돌연변이체로부터 유래될 수 있다. 클로스트리디움 오토에타노게눔의 단리물 및 돌연변이체는 JA1-1(DSM10061)(문헌[Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994]), LBS1560(DSM19630)(WO 2009/064200) 및 LZ1561(DSM23693)을 포함한다. 클로스트리디움 륭달리의 단리물 및 돌연변이체는 ATCC 49587(문헌[Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993]), PETCT(DSM13528, ATCC 55383), ERI-2(ATCC 55380)(미국 특허 US 5,593,886호), C-01(ATCC 55988)(미국 특허 US 6,368,819호), 0-52(ATCC 55989)(미국 특허 US 6,368,819호), 및 OTA-1(문헌[Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010])을 포함한다. 클로스트리디움 라그스달레이의 단리물 및 돌연변이체는 PI 1(ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826)(국제공개 WO 2008/028055)을 포함한다.
본 개시의 미생물은 하나 이상의 제품을 생산하도록 배양될 수 있다. 예를 들어, 클로스트리디움 오토에타노게눔은 에탄올(WO 2007/117157), 아세테이트(WO 2007/117157), 부탄올(WO 2008/115080 및 WO 2012/053905), 부티레이트(WO 2008/115080), 2,3-부탄디올(WO 2009/151342), 락테이트(WO 2011/112103), 부텐(WO 2012/024522), 부타디엔(WO 2012/024522), 메틸 에틸 케톤(2-부탄온)(WO 2012/024522 및 WO 2013/185123), 에틸렌(WO 2012/026833), 아세톤(WO 2012/115527), 이소프로판올(WO 2012/115527), 지질(WO 2013/036147), 3-히드록시프로피오네이트(3-HP)(WO 2013/180581), 이소프렌(WO 2013/180584), 지방산(WO 2013/191567), 2-부탄올(WO 2013/185123), 1,2-프로판디올(WO 2014/0369152) 및 1-프로판올(WO 2014/0369152)을 생산하거나, 또는 이들을 생산하도록 조작될 수 있다. 본 개시의 미생물은 하나 이상의 표적 생성물 이외에 또한 에탄올, 아세테이트 및/또는 2,3-부탄디올을 생성할 수 있다. 특정 구현예에서, 미생물 바이오매스 자체가 제품으로 간주될 수 있다.
배양물은 일반적으로 미생물이 성장하도록 하기에 충분한 영양분, 비타민 및/또는 미네랄을 함유하는 수성 배양 배지에서 유지된다. 수성 배양 배지는 혐기성 미생물 성장 배지, 예를 들어 최소 혐기성 미생물 성장 배지일 수 있다. 적합한 배지는 당업계에 널리 공지되어 있다.
배양/발효는 표적 제품의 생산을 위한 적절한 조건 하에서 수행될 수 있다. 통상적으로, 배양/발효는 혐기성 조건 하에 수행된다. 고려해야 할 반응 조건은 압력(또는 분압), 온도, 가스 유량, 액체 유량, 배지 pH, 배지 산화환원 전위, 교반 속도(연속 교반식 탱크 리액터를 사용하는 경우), 접종원 수준, 액상 중의 가스를 제한하지 않는 최대 가스 기질 농도, 및 제품 억제를 회피하기 위한 최대 제품 농도를 포함한다. 특히, 제품은 기체 제한 조건 하에서 배양물에 의해 소모될 수 있으므로, 기질의 도입 속도는 액상에서의 기체의 농도가 제한되지 않도록 제어될 수 있다.
상승된 압력에서 바이오리액터를 작동하면 가스 상태에서 액체 상태로의 가스 물질 전달 속도가 증가한다. 따라서, 대기압보다 높은 압력에서 배양/발효를 수행하는 것이 일반적으로 바람직하다. 또한, 주어진 가스 전환 속도는 부분적으로 기질 체류 시간의 함수이기 때문에, 전환 속도는 바이오리액터의 필요한 부피를 결정한다. 가압 시스템의 사용은 바이오리액터의 필요한 부피를 크게 감소시킬 수 있으며, 결과적으로 배양/발효 장비의 자본 비용을 감소시킬 수 있다. 따라서, 바이오리액터의 액체 부피를 유입 가스 유량으로 나눈 값으로 정의되는 체류 시간은, 바이오리액터가 대기압보다 높은 압력에서 유지될 때 감소될 수 있다. 최적 반응 조건은 부분적으로는 사용되는 특정 미생물에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로는, 대기압보다 높은 압력에서 발효를 진행하는 것이 바람직하다.
표적 제품은, 예를 들어 분별 증류, 증발, 투과증발, 가스 스트리핑, 상 분리, 및 예를 들어 액상-액상 추출을 포함하는 추출 분리를 포함하는 당업계에 알려진 임의의 방법 또는 방법의 조합을 사용하여 발효 브로스로부터 분리될 수 있다. 특정 구현예에 있어서, 표적 제품은 브로스의 일부를 바이오리액터로부터 연속적으로 제거하여 미생물 세포를 브로스로부터 우선적으로 분리하고, 이에 이어서 표적 제품을 수성 잔여물부터 분리함으로써 발효 브로스로부터 회수된다. 알코올 및/또는 아세톤은, 예를 들어, 증류에 의해 회수될 수 있다. 산은, 예를 들어, 활성탄 상에 흡착시킴으로써 회수될 수 있다. 분리된 미생물 바이오매스는 바이오리액터로 재순환될 수 있다. 또한, 표적 제품이 제거된 후 남은 용액은 바이오리액터로 재순환될 수 있다. 배지가 바이오리액터로 회수되기 전에 배지를 보충하기 위해 재순환 용액에 추가 영양소를 첨가할 수 있다.
CO 농축 배출 스트림(130)은, 바이오리액터(142)에 도입되고 발효됨으로써, 테일 가스 스트림(160) 및 전술한 제품 중 어느 하나를 포함할 수 있는 발효 제품 스트림(150)을 생성한다. 용어, 테일 가스는 모든 리액터 공정 및 처리가 이루어진 후, 산업 공정으로부터 통상적으로 대기로 방출되는 가스 및 증기를 지칭한다. 테일 가스 스트림(160)은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로의 도입을 위해 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)과 조합되어 궁극적으로 재순환된다. 테일 가스 스트림(160)은, 예를 들어 다음의 반응에 의해 발효 중에 생산된 일정량의 CO2를 포함할 수 있다:
6CO + 3H2O → C2H5OH + 4CO2 (ΔG° = 224.90 kJ/mol 에탄올)
바이오리액터(142)로부터의 테일 가스 스트림(160) 중 존재하는 CO2를 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 재순환시키면 전체 공정의 탄소 포획 효율을 증가시킨다. CO가 고갈된 테일 가스 스트림(160)은 약 5 몰% 미만의 CO를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 테일 가스 스트림(160)의 H2:CO2 몰비는 약 3:1 이하이다.
테일 가스 스트림(160)은 추가 처리 전에 가장 잘 제거되는 다양한 성분을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 테일 가스 스트림(160)은, 하나 이상의 성분을 제거하고, 탈황된 및/또는 산성 가스로 처리된 테일 가스 스트림(340)을 생산하도록 처리되며, 이는 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)과 조합될 수 있다. 테일 가스 스트림(160)으로부터 제거될 수 있는 하나 이상의 성분은, 황화수소(H2S), 이황화탄소, 및/또는 이산화황을 포함하나 이에 한정되지 않는 황-함유 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인-함유 화합물, 미립자 물질, 고형분, 산소, 산화제, 할로겐화 화합물, 실리콘-함유 화합물, 카르보닐, 금속, 알코올, 에스테르, 케톤, 과산화물, 알데히드, 에테르, 타르, 메탄티올, 암모니아, 디에틸아민, 트리에틸아민, 아세트산, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 고급 알코올, 나프탈렌, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 성분은, 당업계에 공지된 통상적인 제거 모듈, 예컨대 가수분해 모듈, 산성 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 염소 제거 모듈, 타르 제거 모듈 및/또는 시안화수소 제거 모듈, 및 이들의 조합에 의해 제거될 수 있다. 특정 경우, 테일 가스 스트림으로부터 제거된 적어도 하나의 성분은 황화수소와 같은 황-함유 화합물을 포함하며, 이는 발효 공정에 의해 생산, 도입 및/또는 농축될 수 있다. 황화수소는 rWGS 기술 및 촉매를 사용하는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125) 내의 촉매 억제제일 수 있다.
테일 가스 스트림(160)은 가스 성분 제거 장치(170)를 통과한다. 가스 성분 제거 장치(170)는 황-함유 화합물 또는 산성 가스 성분 이외의 성분을 제거한다. 일부 구현예에서, 제거되는 성분은 물이다. 수성 가스 시프트 반응은 물을 생성하기 때문에, 수성 가스 시프트 리액터에 공급되는 물의 양을 제한하는 것이 유리하다. 물의 제거는 전체 공정에 걸쳐 물의 균형을 보다 양호하게 유지할 수 있게 한다. 일부 구현예에서, 제거되는 성분은 탄화수소이다. 가스 성분 제거 장치(170)는 황-함유 화합물 이외의 다수의 성분을 제거하기 위한 다수의 서브모듈을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 액체 스크러버가 다른 가용성 성분 및 고급 알코올을 포함하는 에탄올을 제거하는 데 사용된다. 이러한 구현예에서, 가스 성분 제거 장치(170)은 테일 가스 스트림(160)에 포함된 발효 제품을 포획하고 회수하기 위해 작동할 수 있다. 휘발성 유기 화합물 또한 가스 성분 제거 장치(170)에서 제거될 수 있다. 가스 성분 제거 장치(170)에서 제거될 수 있는 다른 성분은, 예를 들어, 시안화수소(HCN), 암모니아(NH3), 질소 산화물(NOx)과 같은 단일 질소 종, 및 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸 벤젠, 크실렌)과 같은 다른 공지된 효소 억제 가스, 및/또는 산소(O2)를 포함한다.
생성된 처리된 테일 가스 스트림(185)은 제1 압축기(190)로 통과되어 압축 처리된 가스 스트림(200)을 생성하며, 이는 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)로 통과된다. 일부 구현예에서, 압축기(190)는 가스 성분 제거 장치(170)로 통과되기 전에, 테일 가스 스트림(160)을 압축하기 위해 바이오리액터(142)와 가스 성분 제거 장치(170) 사이의 가스 성분 제거 장치(170)의 상류에 위치될 수 있다. 대체적으로, 압축기(190)는 약 3 Barg 내지 약 10 Barg의 압력에서 작동된다. 압축 처리된 테일 가스 스트림(200)은 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)로 통과되어 탈황 및/또는 산성 가스 처리된 테일 가스 스트림(340)을 생산한다. 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180). 황-함유 화합물 및/또는 산성 가스는 rWGS 촉매를 독성화하는 rWGS 기술을 사용하는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)에서의 억제제로서 작용함에 따라 제거된다. 많은 상업적 탈황 기술은 COS 형태의 황을 효율적으로 제거할 수 없지만, 황화수소 형태의 황을 보다 잘 처리할 수 있다. 일 구현예에서, 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)는 카르보닐 황화물 COS와 같은 화합물을 다음의 반응에 따른 가수분해에 의해 황화수소 H2S로 전환시키도록 작동한다:
COS + H2O ↔ H2S + CO2
가수분해는 COS를 H2S로 전환하도록, 금속 산화물 촉매 또는 알루미나 촉매에 의해 이루어질 수 있다. 일부 구현예에서, 철 스폰지에 이어지는 금속 산화물 촉매와 같은, 둘 이상의 탈황 작동이 사용될 수 있다. 다른 특정 구현예에서, 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)는 황화수소를 제거하기 위해 아연 산화물(ZnO) 촉매를 사용할 수 있다. 다른 구현예에서, 고압 하의 용기에 함유된 고정 층에서의 적절한 흡착제를 통한 흡착에 의해 산성 가스를 제거하기 위해 압력 스윙 흡착(PSA)이 사용된다. 또 다른 구현예에서, 가스 탈황을 위해 가성 스크러빙이 사용된다. 가성 스크러빙은 압축 처리된 테일 가스 스트림(200)을 NaOH와 같은 가성 용액으로 통과시켜 황-함유 화합물을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 가성 스크러빙에 의한 황화수소의 제거는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
H2S(g) + NaOH(수용액) → NaHS(수용액) + H2O
NaHS(수용액) + NaOH(수용액) → Na2S(수용액) + H2O
가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)으로부터 배출되는 탈황 및/또는 산성 가스로 처리된 테일 가스 스트림(340)은 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)과 조합되어 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 재순환될 수 있다. 대안적으로, 탈황 및/또는 산성 가스로 처리된 테일 가스 스트림(340)이 통과되어 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)과 조합되는 대신, 대안적인 탈황 및/또는 산성 가스로 처리된 테일 가스 스트림(345)이 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)과 조합된다.
압축 처리된 테일 가스 스트림(200)의 일부는 CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되어 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)로 통과되는 대신 바이오리액터(142)로 통과될 수 있다. 이러한 재순환은 미생물이 아미노산, 예를 들어, 메티오닌 및 시스테인을 생산하기 위해 황을 소모하기 때문에, 미생물 성장에 유익하다. 결과적으로, 바이오리액터(142)에 대한 황 투여 요건은 압축 처리된 테일 가스 스트림(200)의 일부로서의 황 재순환으로 인해 감소된다.
가스 생산 공급원(220)이 바이오가스의 생산을 수반하는 선택적인 구현예에서, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)의 일부는 선택적인 바이오가스 리포머(230)로 통과된다. 바이오가스는 분뇨, 하수 슬러지, 도시 고형 폐기물, 생분해성 폐기물 또는 다른 생분해성 공급원료와 같은 유기 물질의 혐기성 소화에 의해 생산된 가스를 지칭한다. 바이오가스는 주로 메탄 및 이산화탄소로 구성된다. 대체적으로, 바이오가스 리포머에서, 합성가스 스트림을 생산하기 위해 조합된 CO2 및 메탄의 증기 개질이 수행된다.
CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 ΔH° = 247 kJ/몰
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 ΔH° = 206 kJ/몰
도 1과 관련하여, 바이오가스 리포머(230)에서 생산된 CO 및 H2를 포함하는 바이오가스 리포머 유출 스트림(240)은 CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되고, 다수의 발효 방법에 대한 H2:CO 비율을 개선하기 위해 작동할 수 있다.
일 구현예에서, 적어도 일부 테일 가스 스트림(160)은, 역상 수성 가스 시프트 장치, 열 촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치일 수 있는, 선택적인 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(510)으로 통과된다. 테일 가스 스트림(160)은 CO의 양은 적지만, 잔류 H2 및 CO2를 가질 수 있다. 테일 가스 스트림(160)의 적어도 일부를 선택적인 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(510)으로 통과시키고 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템 유출물(512)을 바이오리액터(142)로 재순환시키는 것은 바이오리액터(142)에서의 H2:CO 비율을 낮출 수 있다. 바이오리액터(142)에서의 H2:CO 비율의 이러한 저하는 제품 선택성 및 증가되거나 보다 빠른 미생물 생장에 도움이 될 수 있다. 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템 유출물(512)은 독립적으로 바이오리액터(142)(미도시)로 통과되는 대신, 스트림(130)과 조합되도록 재순환될 수 있음에 유의한다.
일 구현예에서, 수소 생산 공급원(110)으로부터 생산된 수소를 포함하는 선택적인 추가 스트림(430)은 바이오리액터(142) 또는 CO 농축 배출 스트림(130)으로 통과되고, 이에 따라 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)을 바이패스한다. 수소를 포함하는 추가 스트림(430)은 중간 처리 장치 없이 통과될 수 있다. H2의 존재 하에서의 CO의 미생물 발효는 알코올과 같은 제품으로의 실질적으로 완전한 탄소 전달을 초래할 수 있지만, 충분한 H2가 없는 경우, 이용 가능한 CO의 일부만이 제품으로 전환되고, 다른 부분은 다음 식에서와 같이 CO2로 전환된다: 6CO + 3H2O → C2H5OH + 4CO2. 따라서, 일부 구현예에서, 바이오리액터(142)에 충분한 수소를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 수소를 포함하는 추가 스트림(430)을 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과시키지 않고, 바이오리액터(142) 또는 CO 농축 배출 스트림(130)으로 통과시키는 바이패스의 사용은, 전체 공정 실행의 상이한 시간에서 수소가 장치로 유도되는 양의 제어를 가능하게 한다. 예를 들어, 시작하는 동안, 임의의 이노큘레이터를 포함하는 바이오리액터에서 필요로 하는 수소의 양이 감소될 수 있음으로써, 시작하는 동안 CO-농축 공급원으로부터 이익을 얻을 수 있다. 그러나, 실행이 종료되어 감에 따라, 바이오리액터에는 보다 적은 CO가 요구될 수 있으며, 상대적으로 보다 많은 양의 H2가 사용될 수 있다. 이는 턴다운, 또는 이노큘레이션 단계(주 바이오리액터가 이노큘레이션 바이오리액터보다 CO를 적게 받는 단계), 또는 완충액 탱크를 사용하는 경우 특히 유익할 수 있다. 바이패스는, 컨트롤러가 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125), 바이오리액터(142), 또는 둘 모두에 대한 공급원의 H2:CO 비율을 변경할 수 있게 한다. 바이패스는 또한, 컨트롤러가 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125), 바이오리액터(142), 또는 둘 모두에 대한 H2:C(수소:탄소)를 변경할 수 있게 한다.
CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)의 사용 및 바이오리액터(142)로부터의 CO2의 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로의 재순환을 통해 바이오리액터(142)에 CO-농축 환경을 제공하는 것은, 보다 높은 비율의 CO를 갖는 가스 환경에서 개선된 생산성을 갖는 제품에 대한 제품 선택도에 도움이 될 수 있다. 이러한 일례는 에탄올의 생산이다. 또 다른 이점은, 이러한 미생물이 보다 높은 농도의 CO를 소비할 경우, 우드-륭달 경로에서의 생물학적 수성 가스 시프트가 개선되기 때문에, 우드-륭달 경로를 갖는 특정 미생물의 미생물 성장이 증가할 수 있다는 것이다.
도 2는 본 개시의 또 다른 구현예에 따른, 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합 시스템을 도시한다. 수소 생산 공급원(110)은 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120), 직접 공기 포획 또는 CO2 생성 산업 공정일 수 있는 가스 생산 공급원(220)을 생성하며, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)을 생성한다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120) 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)은 조합된 공급 스트림(250)을 형성하기 위해 조합되고, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과된다. 조합된 공급 스트림(250) 중의 가스 조성은, 일 구현예에서 약 3:1, 다른 구현예에서 약 2.5:1, 또 다른 구현예에서 약 3.5:1, 및 또 다른 구현예에서 약 5:1 초과의 H2:CO2 몰비를 포함한다.
일 구현예에서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)은 rWGS 기술을 사용한다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)에서, CO2는 반응하여 CO 농축 배출 스트림(130)을 생산한다. 스트림 중 성분의 몰비는 도 1에서 논의된 바와 같다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 공급 스트림(250)의 적어도 일부는 바이패스 스트림(520)의 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125) 주위에서 선택적으로 우회된다. 바이패스 스트림(520)은 CO 농축 배출 스트림(130)과 조합된다. 바이패스 스트림(520)의 이점은 도 1에서 기술된 바와 같다. CO 농축 배출 스트림(130)은 하나 이상의 C1 고정 미생물을 갖는 바이오리액터(142)로 통과된다. 배양물은 발효되어 하나 이상의 발효 제품(150) 및 테일 가스 스트림(160)을 생산한다. CO 고갈된 테일 가스 스트림(160)은 약 5 몰% 미만의 CO를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 테일 가스 스트림(160)의 H2:CO2 몰비는 약 3:1 이하이다.
테일 가스 스트림(160)은 제1 압축기(190)로 통과되어 압축된 테일 가스 스트림(202)을 생산한다. 압축된 테일 가스 스트림(202)은 CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되도록 재순환된다. 선택적으로, 테일 가스 스트림(160)의 소량의 제1 퍼지 스트림(204) 또는 압축된 테일 가스 스트림(202)의 소량의 제2 퍼지 스트림(206)은 질소, 메탄, 아르곤, 헬륨, 또는 다른 불활성 성분 축적을 제어하기 위해 제거될 수 있다.
도 1에서와 같이, 일 구현예에서, 적어도 일부 테일 가스 스트림(160)은 선택적인 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(510)으로 통과되고, 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템 유출물(512)은 바이오리액터(142) 또는 CO 농축 배출 스트림으로 재순환된다. 또한, 도 1에서와 같이, 제2 CO2로부터 CO로의 전환 시스템 유출물(512)은 독립적으로 바이오리액터(142)(미도시)로 통과되는 대신, 스트림(130)과 조합되도록 재순환될 수 있음에 유의한다.
도 3은 압축된 테일 가스 스트림(202)이 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)로 통과되고, 결과적으로 탈황되고/되거나 산성 가스로 처리된 테일 가스 스트림(340)이 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과된다는 점을 제외하고는 도 2와 유사한 다른 구현예를 도시한다. 조합된 공급 스트림(250), CO 농축 배출 스트림(130) 및 테일 가스 스트림(160) 중의 가스 조성은 도 1 및 도 2에서 기술된 바와 같다. 선택적인 바이패스 관련 구현예는 도 2에서 기술된 바와 같다.
도 4는 도 2 및 도 3과 유사한 다른 구현예를 도시한다. 테일 가스 스트림(160)은 제1 압축기(190)로 통과되고, 이에 의해 생성된 압축된 테일 가스 스트림(202)은 선택적인 제어 밸브(550)로 통과된다. 선택적인 제어 밸브(550)는 가스 처리 구역(182)으로 유도되거나 CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되도록 유도되는 압축된 테일 가스 스트림(202)의 상대적인 부분을 제어하는 데 사용된다. 가스 처리 구역(182)은 가스 성분 제거 장치(170) 및 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 모든 구현예에서 두 장치 모두가 필요한 것은 아니며, 가스 처리 구역(182)은 가스 성분 제거 장치(170) 또는 가스 탈황/산성 가스 제거 장치(180) 중 하나만을 포함할 수 있다. 또한, 가스 처리 구역(182) 내의 장치는 임의의 순서일 수 있다. 가스 처리 구역(182)으로부터 생성된 처리된 테일 가스 스트림(185)은 조합된 공급 스트림(250)에 첨가되고 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과된다. 선택적인 제어 밸브(550)는 해당 시점에서 발생하는 발효 단계에 기초하여 상이한 비율로 압축된 테일 가스 스트림(202)을 분할하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 발효 시작 단계 동안, 제어 밸브(550)를 조정하여 가스 처리 구역(182)에 비해, CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되는 압축된 테일 가스 스트림(202)의 흐름을 증가시킴으로써, 바이오리액터(142)에서의 증가된 CO 수요를 충족시킬 수 있다. 한편, 바이오리액터(142)에서의 발효가 안정적인 단계로 전환됨에 따라, 제어 밸브(550)를 조정하여 가스 처리 구역(182)에 비해, CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되는 압축된 테일 가스 스트림(202)의 흐름을 감소시킴으로써, 바이오리액터(142)에서의 감소된 CO 수요를 충족시킬 수 있다. 다른 경우, 발효 동안 H2 이용률이 낮은 경우, 예를 들어, 70% 미만인 경우, 제어 밸브(550)를 조정하여 가스 처리 구역(182)에 비해, CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되는 압축된 테일 가스 스트림(202)의 흐름을 증가시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 제어 밸브(550)는 발효 동안의 CO 및/또는 H2 요구에 기초하여 바이오리액터(142)에 제공되는 H2:CO 비율의 동적 제어를 달성하는 데 사용된다.
가스 조성은 도 2 및 도 3과 관련하여 설명되며, 선택적인 바이패스 구현예는 도 2에서 기술된 바와 같다.
도 5는 도 4와 유사하며, 추가의 제2 압축기(192)를 갖는다. 조합된 공급 스트림(250)은 제2 압축기(192)로 통과되어 압축된 조합된 공급 스트림(260)을 생산한다. 조합된 공급 스트림(260)의 가스 조성은 전술한 바와 같다. 압축된 조합된 공급 스트림(260)은 처리된 테일 가스 스트림(185)과 조합되고 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과되어 CO 농축 배출 스트림(130)을 생성한다. CO 농축 배출 스트림(120) 및 테일 가스 스트림(160)의 가스 조성은 전술한 바와 같다. 선택적인 제어 밸브(550), 및 바이패스 구현예는 전술한 바와 같다.
도 6은 조합된 공급 스트림(250) 및 테일 가스 스트림(160) 둘 모두가 제1 압축기(190)로 통과되는 구현예를 도시한다. 제1 압축기(192)는 가스 처리 구역(182)으로 통과되는 압축 스트림(270)을 제공한다. 가스 처리 구역은 전술한 바와 같다. 일부 가스 처리 모듈은 실제 가스 조성에 기초하여 가스 처리 구역(182)에 첨가되거나 제거될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 압축된 스트림(270)은 발효 중 미생물 억제제로서 작용할 수 있는 아세틸렌(C2H2)을 포함할 수 있다. 아세틸렌을 제거하기 위해, 촉매 수소화 모듈이 가스 처리 구역(182)에 포함될 수 있다. 촉매 수소화는 니켈, 팔라듐, 백금을 포함하는 것과 같은 수소화 촉매의 존재 하에 수소를 첨가하는 단계를 포함한다. 수소화 촉매의 선택은 특정 가스 조성 및 시스템의 작동 조건에 따라 달라진다. 특정 구현예에서, 알루미나 상 팔라듐(Pd/Al2O3)이 촉매로서 사용된다. 이러한 촉매의 예는 BASFTM R 0-20/47이다. 다른 구현예에서, 압축된 스트림(270)의 가스 조성은 발효를 억제할 수 있는 벤젠, 에틸 벤젠, 톨루엔, 및 크실렌(BETX)을 포함할 수 있다. 따라서, BETX 제거 모듈이 가스 처리 구역(182)에 추가될 수 있다. 예시적인 BETX 제거 모듈은 하나 이상의 활성탄 층을 사용하는 BETX 성분의 흡착을 포함할 수 있다. 다른 예시적인 BTEX 제거 모듈은 벤트 가스 소각을 포함하며, 이는 BTEX 성분이 약 650℃를 초과하는 온도에서 연소되는 열 산화 공정이다. 처리된 스트림(290)은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과된다. 다양한 스트림의 가스 조성이 위에 제시되어 있다. 바이패스 구현예는 전술한 바와 같다.
도 7은, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)이 수소 공급원(110)에 의해 이미 가압될 수 있고, 따라서 제1 압축기(190)로 통과될 필요가 없다는 점을 제외하고는 도 6과 유사하다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)은, 제1 압축기(190)를 통과하지 않고, 가스 처리 구역(182) 이전, 이후, 또는 이전 및 이후 둘 모두에서 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)과 조합될 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 도입되기 전 가스 스트림(290) 중의 가스 조성은, 일 구현예에서 약 3:1, 다른 구현예에서 약 2.5:1, 또 다른 구현예에서 약 3.5:1, 및 또 다른 구현예에서 약 5:1 초과의 H2:CO2 몰비를 포함한다. CO 농축 배출 스트림(130) 및 테일 가스 스트림(160) 중의 가스 조성은 전술한 바와 같다.
도 7은 또한, 수소 공급원(110)에 의해 제공된 압력에 관계없이, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)이 선택적이며 대신에 사용되지 않을 수 있는, CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과되지 않는 수소 생산 공급원(110)으로부터 생성된 수소를 포함하는 스트림(430)을 사용하는 구현예를 도시한다. 수소를 포함하는 추가 스트림(430)은 바이오리액터(142)로 통과되거나 CO 농축 배출 스트림(130)과 조합되도록 통과될 수 있다. 필요한 경우, 수소 생산 공급원(110)으로부터 생성된 수소를 포함하는 스트림(430)은 표적 압력으로 압축될 수 있다. CO2의 공급을 H2의 공급과 분리하여 유지하면, 전체 공정 실행의 상이한 시점에 바이오리액터(142)로 유도되는 수소의 양을 제어할 수 있게 된다. 예를 들어, 시작하는 동안, 임의의 이노큘레이터를 포함하는 바이오리액터에서 필요로 하는 수소의 양이 감소될 수 있음으로써, 시작하는 동안 CO-농축 공급원으로부터 이익을 얻을 수 있다. 그러나, 실행이 종료되어 감에 따라, 바이오리액터에는 보다 적은 CO가 요구될 수 있으며, 상대적으로 보다 많은 양의 H2가 사용될 수 있다. 이는 턴다운, 또는 이노큘레이션 단계(주 바이오리액터가 이노큘레이션 바이오리액터보다 CO를 적게 받는 단계), 또는 완충액 탱크를 사용하는 경우 특히 유익할 수 있다. 바이패스는, 컨트롤러가 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125), 바이오리액터(142), 또는 둘 모두에 대한 공급원의 H2:CO 비율을 변경할 수 있게 한다. 바이오리액터에 대한 하나의 표적 H2:CO:CO2 비율은 1:3:1일 수 있다.
도 8에서, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)의 일부는 제1 압축기(190)로 전달되는 한편, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)의 다른 부분은 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)과 조합되고 가스 처리 구역(182)으로 통과됨으로써, 제1 압축기(190)를 바이패스한다. 일부 가스 생산 공급원(220)은 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)의 성분으로서 산소를 제공할 수 있다. 그러나, 일부 미생물의 경우, 산소는 미생물 억제제일 수 있고, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140) 중의 산소 함량은 허용 가능한 수준으로 감소될 필요가 있을 수 있다. 이러한 상황에서, 가스 처리 구역(182)은 탈산소화 모듈을 추가로 포함할 수 있다. 탈산소화 모듈은 산소가 CO2 또는 물로 환원되는 촉매 공정을 사용할 수 있다. 특정 구현예에서, 탈산소화 모듈에 사용되는 촉매는 구리를 포함한다. 이러한 촉매의 예는 BASF PURISTARTM R 3.15 또는 BASF CU 0226S이다. 탈산소화 공정은 발열성이며, 생성된 열은, 예컨대, rWGS 기술이 관여되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)에서의 흡열 반응 전에 가스를 예열하기 위해, 전체 공정 내에서 사용될 수 있다. 다양한 스트림의 가스 조성은 전술한 바와 같다. 바이패스 구현예는 전술한 바와 같다.
도 9는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로부터의 CO 농축 배출 스트림(130)이 바이오리액터(142)로 통과되기 전에 수소 분리 장치(330)로 통과되는 구현예를 도시한다. 수소 분리 장치(330)은 막 분리 기술 또는 압력 스윙 흡착 기술을 사용할 수 있다. CO 농축 배출 스트림(130)으로부터의 수소의 분리는, 바이오리액터(142)로 통과되는 수소 분리 장치 유출물(350)의 H2:CO 비율에서의 CO의 양을 증가시킨다. 수소 분리 장치(330)에서 생성된 분리된 수소 스트림(344)은 제1 압축기(190)로 개별적으로 재순환되거나(미도시), 제1 압축기(190)로 재순환되는 테일 가스 스트림(160)과 조합된다. 도 9는 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)이 이미 충분한 압력 하에 있고, 따라서 가스 처리 구역(182) 이전에 압축된 스트림(270)과 조합되도록 제1 압축기(190)를 바이패스하는 구현예를 도시한다. 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)이 아직 압력 하에 있지 않은 경우, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)의 적어도 일부는 제1 압축기(190)로 통과될 수 있다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 도입되기 전 처리된 스트림(290) 중의 가스 조성은, 일 구현예에서 약 3:1, 다른 구현예에서 약 2.5:1, 또 다른 구현예에서 약 3.5:1, 및 또 다른 구현예에서 약 5:1 초과의 H2:CO2 몰비를 포함한다. CO 농축 배출 스트림(130) 중의 H2:CO 가스 조성은 전술한 바와 같다. 일 구현예에서, 수소 분리 구역 유출물(350)에서의 가스 조성은, 약 1:1을 초과하나 약 5:1을 초과하지 않는 H2:CO 몰비, 및 에탄올이 전술한 바와 같은 제품인 경우 약 5:1:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함하며, 다른 제품에 대해서는 전술한 바와 같다. 테일 가스 스트림(160)의 가스 조성은 전술한 바와 같다. 바이패스 구현예는 대체적으로 전술한 바와 같다.
도 10은 도 9와 유사하며, 추가의 수소 분리 장치 유출물 압축기(370)을 갖는다. 수소 분리 장치(330)가 압력 스윙 흡착을 사용하는 경우, 수소 분리 장치 유출물(350)은 종종 바이오리액터(142)에 요구되는 압력 미만이다. 수소 분리 장치 유출물 압축기(370)는 수소 분리 장치 유출물을 추가로 압축하여 바이오리액터(142) 내로 도입하기 위해 필요한 압력을 달성한다. CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)로의 도입 전 및 CO 농축 배출 스트림(130) 중 처리된 스트림(290)의 가스 조성은 전술한 바와 같다. 수소 유출 구역 유출물 압축기(370)로의 도입 전 수소 분리 장치 유출물의 가스 조성은, 약 1:1을 초과하나 약 5:1을 초과하지 않는 H2:CO 몰비를 포함하고, 에탄올이 전술한 바와 같은 제품인 경우, 가스 스트림(365)의 H2:CO:CO2 몰비는 약 5:1:1일 수 있으며, 다른 제품에 대해서는 전술한 바와 같다. 테일 가스 스트림(160) 중의 가스 조성은 전술한 바와 같다. 바이패스 구현예는 전술한 바와 같다.
도 11은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로부터의 CO 농축 배출 스트림(130)이 수소 공급원(110)으로부터의 메탄을 추가로 포함하거나, rWGS 기술이 관여되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)의 부산물로서 메탄을 포함한다는 점을 제외하고는 도 6과 유사하다. 시간 경과에 따라, 이들 공급원 중 하나 또는 둘 모두로부터의 메탄이 바이오리액터 테일 가스 스트림(160)에 축적될 수 있다. 바이오리액터 테일 가스 스트림(160)의 메탄 농도가 예를 들어 10 몰%를 초과하는 임계값 한계, 및 가능하게는 50 몰%를 초과하는 한계까지 증가함에 따라, 테일 가스 스트림(160)의 적어도 일부는 테일 가스 퍼지(390)로서 메탄 전환 장치(400)로 통과된다. 선택적인 산소 공급원(410)은 산소를 포함하는 선택적인 스트림(420)을 메탄 전환 장치(400)에 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 메탄 전환 장치(400)에 대한 산소 공급원(410)은 산소가 부산물인 물 전해조일 수 있다. 메탄 전환 장치(400)는, 반응 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O에 따른 메탄의 산화에 의해 적어도 CO2를 생산하고, 적어도 CO2를 포함하고 CO 및 H2를 추가로 포함할 가능성이 있는 메탄 전환 유출물 스트림(421)을 생성하며, 이는 테일 가스 스트림(160)과 조합되어 제1 압축기(190)로 통과될 수 있다. 메탄 전환 장치(400)는, 메탄 개질 장치, 메탄 증기 개질 장치, 부분 산화 장치, 자동 열 개질 장치, 산화 장치, 연소 장치, 바이오가스 개질 장치, 또는 가스화 장치일 수 있다. 메탄 전환 장치(400)가 메탄의 증기 개질을 수반하는 경우, 이는 다음 식으로 제시된다:
CH4 + H2O(증기) → CO + 3H2 (흡열)
산소를 포함하는 스트림(420)은 히터의 버너에서 연소되어 증기를 생성하거나 메탄 전환 장치을 가열할 수도 있다. 메탄 전환 장치는 산소 또는 이산화탄소를 메탄과의 반응물로서 사용하여 합성가스를 형성하는 자가 열 개질(ATR)을 사용할 수 있다. 반응은 메탄이 부분적으로 산화되는 단일 리액터에서 일어날 수 있다. 반응은 다음의 식으로 나타낼 수 있다:
CH4 + O2 + CO2 → 3H2 + 3CO + H2O (CO2 사용)
CH4 + O2 + 2H2O → 10H2 + 4CO (증기 사용)
처리된 스트림(290) 및 CO 농축 배출 스트림(130)의 가스 조성은 전술한 바와 같다. 테일 가스 스트림(160) 또는 테일 가스 퍼지(390) 중의 가스 조성은 대체적으로 약 5 몰% 미만의 CO를 포함한다. 일부 구현예에서, 테일 가스 스트림(160) 또는 테일 가스 퍼지(390)의 H2:CO2 몰비는 약 3:1 이하이고, 축적된 메탄은 약 5 몰% 초과이다. 바이패스 구현예는 전술한 바와 같다.
일 구현예에서, 전술한 바와 같이, 수소 생산 공급원(110)으로부터 생성된 수소를 포함하는 선택적인 추가 스트림(430)은 바이오리액터(142)로 직접 통과된다. H2의 존재 하에서의 CO의 미생물 발효는 알코올과 같은 제품으로의 실질적으로 완전한 탄소 전달을 초래할 수 있지만, 충분한 H2가 없는 경우, 이용 가능한 CO의 일부만이 제품으로 전환되고, 다른 부분은 다음 식에서와 같이 CO2로 전환된다: 6CO + 3H2O → C2H5OH + 4CO2. 따라서, 일부 구현예에서, 바이오리액터(142)에 충분한 수소를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 다른 구현예에서, 가스 생산 공급원(220)으로부터 생성된 CO2를 포함하는 선택적인 추가 스트림(440)은 바이오리액터(142)로 직접 통과된다. 이러한 순서는 바이오리액터(142)의 CO2 고갈 구역에서 CO2 부분 압력을 유지하는 데 유리할 수 있다.
도 12는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)이 rWGS 시스템으로 선택되는 구현예에 관한 것이며, 여기에서 rWGS 시스템의 추가 장비가 특별히 도시되어 있다. 수소 생산 공급원(110) 및 제1 가스 스트림(120)뿐만 아니라, 가스 생산 공급원(220) 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림, 그리고 조합된 공급 스트림(250)은 모두 위에서 논의되었다. 가스 처리 구역(182) 및 처리된 스트림(290), 이에 더하여 바이오리액터(142), 발효 제품 스트림(150) 및 테일 가스 스트림(160)이 위에서 논의되었다.
처리된 스트림(290)은 예열기(560)로 도입되고, 이는 rWGS 리액터 유출물(588)과의 간접 열 교환을 통해 가열되어 예열된 스트림(562)을 제공한다. 예열된 스트림(562)은 전기적으로 가열된 스트림(566)을 생성하기 위한 추가 가열을 위해 전기 히터(564)로 통과되고, 이는 결과적으로 가열된 히터(568) 내에서 추가로 가열되어 완전히 가열된 스트림(570)을 생성한다. rWGS 리액터에 대한 표적 온도에 도달하기 위해 이용 가능한 에너지를 최대한 활용하기 위해 상이한 가열 모드가 사용된다. 냉각될 필요가 있는 스트림 내의 열은 가열될 필요가 있는 스트림으로 전달되고, 가연성 폐기물 성분은 버너에서 연소되어 상승된 온도를 필요로 하는 열 스트림에 열을 발생시킨다.
완전히 가열된 스트림(570)은 단일 단계 또는 다단계 리액터 시스템일 수 있는 rWGS 리액터(571)로 도입된다. rWGS 리액터(571)에서, 완전히 가열된 스트림(570) 중에 존재하는 CO2의 적어도 일부는 CO로 전환된다. 따라서, rWGS 리액터 유출물(588)은 완전히 가열된 스트림(570)과 비교하여 CO가 풍부하다. rWGS 리액터 유출물은 rWGS 리액터(571)의 온도에 있기 때문에, 이는 또 다른 스트림을 가열하는 데 사용될 수 있는 이용 가능한 열을 함유하며, 따라서 이는 예열기(560)로 전달되어 처리된 스트림(290)과 간접적으로 열 교환된다. 이에 이어서, 열 교환된 rWGS 리액터 유출물(563)은 예열기(560)로부터 열 회수/증기 생성기(572)로 통과되어 이용 가능한 열을 추가로 회수한다. 냉수 스트림(574)은 열 회수/증기 생성기(572)로 통과되어 열 교환된 rWGS 리액터 유출물(563)로부터의 이용 가능한 열의 교환을 받게되고, 전체 공정 또는 다른 공정에서의 다른 곳에서 사용될 수 있는 증기 스트림(576)을 생성한다. 생성된 열 고갈 스트림(578)은 물 녹아웃 장치(580)로 통과되어 물을 포함하는 스트림(584) 및 물 고갈 스트림(582)을 생성한다. 물을 포함하는 증기(584)는 해당 공정 또는 물을 필요로 하는 다른 공정의 임의의 부분으로 유도될 수 있다. 물 고갈 스트림(582)은 공기 냉각기(586)로 통과되어 CO 농축 배출 스트림(130)을 제공한다.
CO 농축 배출 스트림(130)은 부분으로 분할될 수 있고, 여기에서 제1 부분은 선택적인 혼합기(590)로 통과될 수 있거나, 선택적인 혼합기(590)가 존재하지 않을 경우, 제1 부분은 바이오리액터(142)로 통과될 수 있다. CO 농축 배출 스트림(130)의 선택적인 제2 부분은 완충 탱크(미도시)와 같은 다른 장치로 통과되거나, 바이오리액터(142)의 일부이거나 아닐 수 있는 이노큘레이터 리액터로 통과될 수 있다. 저장된 양의 CO 농축 배출 스트림(130)을 보유하는 것은 CO2를 포함하는 가스 스트림의 공급이 감소되는 기간에 도움이 된다. 바이오리액터와 비교하여 이노큘레이터 리액터가 보다 낮은 수소 요건을 갖는 경우, CO 농축 배출 스트림(130)의 제2 부분을, CO 농축 배출 스트림(130)의 임의의 추가 수소의 첨가 전에 이노큘레이터로 통과시키는 것이 유리할 수 있다. CO 농축 배출 스트림(130)의 선택적인 제3 부분은 연소된 히터(568)로 재순환되어 연소된 히터(568)의 버너에서 연소되고 열을 제공할 수 있다. 이러한 구현예는, 바이오리액터(142)가 CO 농축 배출 스트림(130) 중의 CO의 소비를 위해 아직 스트림 상에 있지 않은, 시작 시에 특히 유리하다.
일부 구현예에서, 혼합기(590)로 통과되는 수소 생산 공급원(110)으로부터의 수소를 포함하는 추가 스트림(430)을 제공함으로써, 바이오리액터(142)에 제공된 수소의 양을 조정하고 제어하는 것이 유리하다. 혼합기(590)에서, CO 농축 배출 스트림(130)은 수소를 포함하는 추가 스트림(430)과 혼합되어 바이오리액터 공급 스트림(592)을 생성한다. 수소 공급원으로부터의 수소를 포함하는 추가 스트림(430) 대 CO 농축 배출 스트림(130)의 비율은 약 0:1 초과 내지 약 4:1이다. 바이오리액터 공급 스트림이 바이오리액터(142)에 제공되고, 발효 제품 스트림(150)뿐만 아니라 바이오리액터 테일 가스 스트림(160)이 생산된다. 바이오리액터 테일 가스 스트림(160)은 부분으로 분할되고 공정 내의 상이한 위치로 재순환될 수 있다. 바이오리액터 테일 가스의 경로는 종종 공정의 현재 작동 상태에 따라 달라진다. 예를 들어, 바이오리액터(142)가 실질적인 CO2를 생성하는 모드에서 작동될 경우, 바이오리액터 테일 가스(160)는 CO2로부터 CO로의 전환을 위해 가스 처리 구역(182) 또는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 재순환되는 적어도 일부를 가질 수 있다. 모든 시점에서, 바이오리액터 테일 가스(160)의 일부는 연소 및 열 생성을 위해 연소된 히터(568)의 버너에 공급될 수 있다. 연소를 위한 바이오리액터 테일 가스(160)의 적어도 일부의 이러한 사용은 바이오리액터 테일 가스(160)가 메탄을 함유하는 구현예에서 특히 유리하다. 폐수 처리 시스템으로부터의 바이오가스가 바이오리액터 테일 가스(160)와 조합되어 연소된 히터(568)에서의 연소 및 가열에 사용될 수 있음이 고려된다. 폐수 처리 시스템으로부터의 바이오가스가 재순환되거나, 바이오리액터로 직접 재순환될 수 있음이 또한 고려된다.
도 13은 별도의 수소 스트림이 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 통과되지 않고, CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로의 하류에서 혼합되어 바이오리액터에 공급 스트림을 형성하는 구현예에 관한 것이다. 별도의 수소 스트림(602)은 별도의 제2 수소 공급원(600)으로부터 수득될 수 있거나(도시된 바와 같음), 수소 공급원(110)으로부터 수득될 수 있다. 수소를 포함하는 별도의 수소 스트림(602)은 수소를 포함하는 처리된 수소 스트림(604)을 생성하기 위해 선택적인 수소 스트림 가스 처리 구역(603)으로 통과될 수 있다. 수소 스트림 가스 처리 구역(603)은 가스 성분 제거 장치 및/또는 가스 탈황/산성 가스 제거 장치를 포함할 수 있다. 모든 구현예에서 두 장치 모두가 필요한 것은 아니며, 수소 가스 처리 구역(603)은 가스 성분 제거 장치 또는 가스 탈황/산성 가스 제거 장치 중 하나만을 포함할 수 있다. 또한, 수소 스트림 가스 처리 구역(603) 내의 장치는 임의의 순서일 수 있다. 수소 스트림 가스 처리 구역(603)으로부터 생성된 처리된 수소 가스 스트림(604)은 혼합기(590)로 통과되고, 처리된 CO 농축 배출 스트림(186)과 혼합되어 바이오리액터 공급 스트림(592)을 생성한다.
수소 생산 공급원(110), 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120), 가스 생산 공급원(220), CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140), 및 조합된 공급 스트림(250)은 모두 위에서 논의되었다. 잠재적으로는 H2 및 CO2의 상이한 비율을 갖는, 가스 처리 구역(182) 및 처리된 스트림(290), 이에 더하여 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125), CO 농축 배출 스트림(130), 혼합기(590), 혼합된 스트림(592), 바이오리액터(142), 발효 제품 스트림(150) 및 테일 가스 스트림(160)이 위에서 논의되었다. 제2 가스 처리 구역(183) 및 제3 가스 처리 구역(187)은 가스 처리 구역(182)에 대해 기술된 바와 같다.
수소 생산 공급원(110)으로부터의 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120) 및 가스 생산 공급원(220)으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)으로 돌아가면, 스트림 중의 수소 및 CO2의 상이한 비율은 전체 공정의 작동 중 상이한 지점에서 유용하다. 예를 들어, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120) 중의 H2 대 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140) 중의 CO2의 몰비, H2:CO2는, 일 구현예에서 약 1:1, 다른 구현예에서 약 2:1, 및 또 다른 구현예에서 약 3:1일 수 있다. 1:1 H2:CO2 몰비의 구현예에서, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)은 별도의 제2 수소 공급원(600)으로부터 수득된 별도의 수소 스트림(602)의 부피의 2배를 가질 수 있다. 2:1 H2:CO2 몰비의 구현예에서, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)은 별도의 제2 수소 공급원(600)으로부터 수득된 별도의 수소 스트림(602)의 부피의 절반을 가질 수 있다. 3:1 H2:CO2 몰비의 구현예에서, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120)은, 필요한 모든 수소 및 사용되지 않는 별도의 제2 수소 공급원(600)으로부터 수득된 별도의 수소 스트림(602)을 제공할 수 있다. 효과적으로, 상이한 양의 수소는 수소 스트림(602)/처리된 수소 가스 스트림(604)의 사용을 통해 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)을 바이패스할 수 있다. 일 구현예에서, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림(120) 중의 수소와 별도의 수소 스트림(602) 중의 수소의 합은, H2:CO2의 3:1 몰비를 제공하기에 충분한 수소를 제공한다(여기에서 CO2는 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림(140)에서 측정됨).
테일 가스 스트림(160)은 바이오리액터(142)로 재순환되거나 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 재순환될 수 있다. 선택적으로, 테일 가스 스트림(160)은 제3 가스 처리 구역(187)으로 통과되어 처리된 테일 가스 스트림(185)을 생성할 수 있고, 이어서 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)으로 통과된다. 제2 가스 처리 구역(183)은 CO2로부터 CO로의 전환 시스템(125)로 증기(181)로서 재순환될 수 있는 CO 농축 배출 스트림(130)의 일부를 선택적으로 분리할 수 있다.
본원에서 인용되는 공보, 특허 출원 및 특허를 포함하는 모든 참고문헌은, 각각의 참고문헌이 개별적으로 표시된 것처럼, 전체 내용이 참고문헌으로서 본원에 포함된다. 본 명세서에 인용된 참고문헌은 해당 참고문헌이 임의의 국가의 연구 분야에 대한 일반적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하는 것이 아니다.
본원에서 값의 범위의 언급은 달리 본원에 표시되지 않는 한 범위 내에 해당하는 각각의 별개의 값을 개별적으로 지칭하는 단순한 방법으로 제공하도록 단지 의도되고, 각각의 별개의 값은 본원에 개별적으로 인용된 것처럼 명세서로 인용된다. 예를 들어, 달리 명시되지 않는 한, 임의의 농도 범위, 백분율 범위, 비율 범위, 정수 범위, 크기 범위, 또는 두께 범위는, 인용된 범위 내의 임의의 정수의 값 및 적절한 경우 이의 분수(예를 들어, 정수의 1/10 및 정수의 1/100)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 비율은 몰비이고, 백분율은 중량 기준이다.
본원에서 기술되는 모든 방법은, 본원에서 달리 명시되거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에서 제공되는 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어, 예를 들어, "~ 와 같은"의 사용은 본 발명을 보다 잘 예시하기 위한 것일 뿐이며, 달리 청구되지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 어떤 언어도 본 발명의 실행에 필수적인 것으로 청구되지 않은 임의의 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 개시내용의 구현예가 본원에서 기술된다. 이들 구현예의 변형은 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 명백해질 수 있으며, 본 발명은 본원에서 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수 있기 때문에, 이러한 변형의 적절한 활용은 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 본 개시내용은 준거법에 의해 허용되는 한, 본 청구범위에 언급된 기술 요지의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 또한, 본 발명의 모든 가능한 변형에서의 전술된 요소들의 임의의 조합은, 본원에서 달리 명시되거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한, 본 개시내용에 포함된다.

Claims (36)

  1. 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법으로서, 상기 방법은:
    a) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계;
    b) 상기 제1 가스 스트림의 적어도 일부 및 상기 제2 가스 스트림의 적어도 일부를, CO 농축 배출 스트림을 생산하기 위한 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 통과시키는 단계;
    c) 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에 상기 CO 농축 배출 스트림을 통과시키고 발효시키는 단계;
    d) 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 상기 바이오리액터 테일 가스 스트림을 압축하는 단계;
    e) 상기 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 적어도 제1 부분을,
    i) 가스 탈황/산성 가스 제거 장치; 또는
    ii) 가스 성분 제거 장치; 또는
    iii) 상기 가스 탈황/산성 가스 제거 장치와 상기 가스 성분 제거 장치 둘 모두에 임의의 순서로 통과시켜,
    압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하는, 단계;
    f) 상기 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 재순환시키는 단계로서:
    i) 상기 제1 가스 스트림, 상기 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합을 조합하거나;
    ii) 상기 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 재순환시키거나;
    iii) 상기 CO 농축 배출 스트림과 조합하거나;
    iv) 또는 이들을 조합하는, 단계; 및
    g) 선택적으로, 상기 CO 농축 배출 스트림과 조합하거나 상기 바이오리액터에 조합시키기 위해, 상기 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 제2 부분을 재순환시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 제2 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 또는 이들의 조합을 CO 농축 배출 스트림과 조합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 제2 가스 스트림의 적어도 제2 부분, 또는 이들의 조합을 적어도 바이오리액터에 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합의 임의의 부분을 압축하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제어 밸브를 사용하여, 압축된 테일 가스 스트림의 제1 부분 및 압축된 테일 가스 스트림의 제2 부분의 상대적인 양을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, CO 농축 유출 스트림을 생성하고 제2 CO 농축 유출 스트림을 바이오리액터로 재순환시키기 위해, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, CO 농축 배출 스트림은 5:1:1, 4.5:1:1, 4.33:1:1, 3:1:1, 2:1:1, 1:1:1, 또는 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서:
    a) 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택되거나;
    b) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은, 물 전해분해기, 탄화수소 개질 공급원, 수소 정제 공급원, 고체 바이오매스 가스화 공급원, 고체 폐기물 가스화 공급원, 석탄 가스화 공급원, 탄화수소 가스화 공급원, 메탄 열분해 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생산 공급원에 의해 생산되거나;
    c) 여기에서, CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은, 당류 에탄올 생산 공급원, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 가스 생산 공급원에 의해 생산되거나;
    d) 이들의 임의의 조합인, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 C1 고정 박테리아는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택되는, 방법.
  11. 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법으로서, 상기 방법은:
    a) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계;
    b) 선택적으로, 제1 압축기에서, 압축된 제1 가스 스트림, 압축된 제2 가스 스트림, 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 생성하기 위해, 상기 제1 가스 스트림의 적어도 일부, 상기 제2 가스 스트림의 적어도 일부, 또는 이들의 임의의 조합을 압축시키는 단계;
    c) 처리 단계로서:
    i) 상기 제1 가스 스트림 또는 상기 압축된 제1 가스 스트림, 또는 둘 모두의 적어도 일부; 및 상기 제2 가스 스트림 또는 상기 압축된 제2 가스 스트림, 또는 둘 모두의 적어도 일부;
    ii) 상기 제1 가스 스트림과 상기 제2 가스 스트림의 압축된 조합을;
    처리된 스트림을 생성하기 위해, 가스 성분 제거 장치, 가스 탈황/산성 가스 제거 장치, 또는 둘 모두를 포함하는 가스 처리 구역에서 처리하는 단계;
    d) CO 농축 배출 스트림을 생산하는 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에서 CO를 형성하기 위해 상기 처리된 스트림의 적어도 제1 부분에서 CO2를 전환하는 단계;
    e) 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에 상기 CO 농축 배출 스트림을 통과시키고 발효시키는 단계; 및
    f) 상기 테일 가스 스트림을, 상기 제1 압축기, 상기 가스 처리 구역, 상기 CO2로부터 CO로의 전환 시스템, 상기 제1 가스 스트림, 상기 제2 가스 스트림, 또는 상기 제1 가스 스트림과 상기 제2 가스 스트림의 조합으로 재순환시키는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, CO 농축 배출 스트림을:
    a) 처리된 스트림; 또는
    b) 제1 가스 스트림; 또는
    c) 제2 가스 스트림; 또는
    d) 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 조합; 또는
    e) 압축된 제1 가스 스트림; 또는
    f) 압축된 제2 가스 스트림; 또는
    g) 제1 가스 스트림과 제2 가스 스트림의 압축된 조합; 또는
    h) 이들의 임의의 조합과 조합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, CO 농축 유출 스트림을 생성하고 제2 CO 농축 유출 스트림을 바이오리액터로 재순환시키기 위해, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제11항에 있어서, CO 농축 배출 스트림은 수소 및 CO2를 추가로 포함하며, 5:1:1, 4.5:1:1, 4.33:1:1, 3:1:1, 2:1:1, 1:1:1, 또는 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  16. 제11항에 있어서, 가스 처리 구역은, 탈산소화 장치, 촉매 수소화 장치, 흡착 장치, 열 산화제, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제11항에 있어서, 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택되는, 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    a) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은, 물 전해분해기, 탄화수소 개질 공급원, 수소 정제 공급원, 고체 바이오매스 가스화 공급원, 고체 폐기물 가스화 공급원, 석탄 가스화 공급원, 탄화수소 가스화 공급원, 메탄 열분해 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생산 공급원에 의해 생산되거나;
    b) CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은, 당류 에탄올 생산 공급원, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 가스 생산 공급원에 의해 생산되거나;
    c) 여기에서, 적어도 하나의 C1 고정 박테리아 중 적어도 하나는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택되거나;
    d) 이들의 임의의 조합인, 방법.
  19. 제11항에 있어서, CO 농축 배출 스트림은 수소를 포함하며, 여기에서 방법은 CO 농축 배출 스트림으로부터 수소를 분리하는 단계, 및 테일 가스 스트림과 조합하기 위해 재순환시키거나 압축기에 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 수소의 분리 후에 CO 농축 배출 스트림의 나머지를 압축하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  21. 제11항에 있어서, 테일 가스 스트림은 메탄을 포함하며, 방법은 메탄 전환 장치 유출물을 생성하기 위해 테일 가스 스트림의 일부를 메탄 전환 장치에 통과시키고, 상기 메탄 전환 장치 유출물을 테일 가스 스트림과 조합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 산소 공급원으로부터 산소를 포함하는 스트림을 생성하는 단계, 및 상기 산소를 포함하는 스트림을 메탄 전환 장치로 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제11항에 있어서, 수소 공급원으로부터의 수소를 포함하는 제2 가스 스트림을 바이오리액터로 통과시키거나 CO 농축 배출 스트림과 조합하는 단계, CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 바이오리액터로 통과시키거나 CO 농축 배출 스트림과 조합하는 단계, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 제2 가스 스트림을 조합하는 단계는, 수소 공급원으로부터의 수소와 CO 농축 배출 스트림의 조합, 또는 CO2 공급원으로부터의 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림과 CO 농축 배출 스트림을 조합하는 단계를 포함하고, 여기에서 상기 두 단계 모두는 혼합기 중에서 혼합하는 단계를 이용하는, 방법.
  25. 제23항에 있어서, 수소 공급원으로부터의 수소 대 바이오리액터로 진입하는 CO 농축 배출 스트림의 비율을 포함하는 제2 가스 스트림의 비율은 0:1 초과 내지 4:1인, 방법.
  26. 제11항에 있어서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 버너를 갖는 연소 히터를 포함하며, 테일 가스 스트림은 적어도 상기 연소 히터의 버너로 재순환되는, 방법.
  27. 제11항에 있어서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템은, 증기를 생성하는 증기 발생기, 또는 물 스트림을 생성하는 물 녹아웃 장치, 또는 둘 모두를 포함하는, 방법.
  28. 제11항에 있어서, CO 농축 배출 스트림의 일부를 이노큘레이터 리액터, 완충 탱크, 또는 둘 모두로 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  29. 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 발효 제품을 생산하기 위한 통합된 방법으로서, 상기 방법은:
    a) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 CO2를 포함하는 제2 가스 스트림을 수득하는 단계;
    b) 상기 제2 가스 스트림의 적어도 일부 및 선택적으로 상기 제1 가스 스트림의 일부를, CO 농축 배출 스트림을 생성하기 위한 조건 하에서 작동되는 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 통과시키는 단계;
    c) 적어도 하나의 발효 제품 스트림 및 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생산하기 위해 하나 이상의 C1 고정 박테리아의 배양물을 갖는 바이오리액터에 수소를 포함하는 상기 제1 가스 스트림의 적어도 일부 및 CO 농축 배출 스트림을 통과시키고 발효시키는 단계;
    d) 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 상기 바이오리액터 테일 가스 스트림을 압축하는 단계;
    e) 상기 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 적어도 제1 부분을,
    i) 가스 탈황/산성 가스 제거 장치; 또는
    ii) 가스 성분 제거 장치; 또는
    iii) 상기 가스 탈황/산성 가스 제거 장치와 상기 가스 성분 제거 장치 둘 모두에 임의의 순서로 통과시켜,
    압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 생성하는, 단계;
    f) 상기 압축 처리된 바이오리액터 테일 가스 스트림을 재순환시키는 단계로서:
    i) 상기 제1 가스 스트림, 상기 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합을 조합하거나;
    ii) 상기 CO2로부터 CO로의 전환 시스템에 재순환시키거나;
    iii) 상기 CO 농축 배출 스트림과 조합하거나;
    iv) 또는 이들을 조합하는, 단계; 및
    g) 선택적으로, 상기 CO 농축 배출 스트림과 조합하거나 상기 바이오리액터에 조합시키기 위해, 상기 압축된 바이오리액터 테일 가스 스트림의 제2 부분을 재순환시키는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 수소를 포함하는 제1 가스 스트림의 적어도 다른 부분을 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  31. 제29항에 있어서, 제1 가스 스트림, 제2 가스 스트림, 또는 이들의 조합의 임의의 부분을 압축하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  32. 제29항에 있어서, 제어 밸브를 사용하여, 압축된 테일 가스 스트림의 제1 부분 및 압축된 테일 가스 스트림의 제2 부분의 상대적인 양을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  33. 제29항에 있어서, CO 농축 유출 스트림을 생성하고 제2 CO 농축 유출 스트림을 바이오리액터로 재순환시키기 위해, 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 플라즈마 전환 장치, 가스화 장치, 또는 개질 장치로부터 선택되는 테일 가스 CO2로부터 CO로의 전환 시스템으로 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  34. 제29항에 있어서, CO 농축 배출 스트림은 5:1:1, 4.5:1:1, 4.33:1:1, 3:1:1, 2:1:1, 1:1:1, 또는 1:3:1의 H2:CO:CO2 몰비를 포함하는, 방법.
  35. 제29항에 있어서, CO2로부터 CO로의 전환 시스템은 역방향 물 가스 시프트 장치, 열-촉매 전환 장치, 부분 연소 장치, 개질 장치, 또는 플라즈마 전환 장치 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  36. 제29항에 있어서,
    a) 하나 이상의 발효 제품 중 적어도 하나는, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 헥사놀, 옥타놀, 또는 1-프로판올로부터 선택되거나;
    b) 수소를 포함하는 제1 가스 스트림은, 물 전해분해기, 탄화수소 개질 공급원, 수소 정제 공급원, 고체 바이오매스 가스화 공급원, 고체 폐기물 가스화 공급원, 석탄 가스화 공급원, 탄화수소 가스화 공급원, 메탄 열분해 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 플라즈마 개질 리액터, 부분 산화 리액터, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생산 공급원에 의해 생산되거나;
    c) CO2를 포함하는 제2 가스 스트림은, 당류 에탄올 생산 공급원, 1세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 2세대 옥수수-에탄올 생산 공급원, 사탕수수 에탄올 생산 공급원, 수수 설탕 에탄올 생산 공급원, 사탕무 에탄올 생산 공급원, 당밀 에탄올 생산 공급원, 밀 에탄올 생산 공급원, 곡물 기반 에탄올 생산 공급원, 전분 기반 에탄올 생산 공급원, 셀룰로오스계 에탄올 생산 공급원, 시멘트 생산 공급원, 메탄올 합성 공급원, 올레핀 생산 공급원, 철강 생산 공급원, 철합금 생산 공급원, 정제 테일 가스 생산 공급원, 연소 후 가스 생산 공급원, 바이오가스 생산 공급원, 매립지 생산 공급원, 에틸렌 옥사이드 생산 공급원, 메탄올 생산 공급원, 암모니아 생산 공급원, 채굴된 CO2 생산 공급원, 천연가스 처리 생산 공급원, 가스화 공급원, 유기 폐기물 가스화 공급원, 직접 공기 포획, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 가스 생산 공급원에 의해 생산되거나;
    d) 여기에서, 적어도 하나의 C1 고정 박테리아는, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로부터 선택되거나;
    e) 이들의 임의의 조합인, 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3213232A1 (en) 2021-04-09 2022-10-13 Robert John CONRADO Process and apparatus for providing a feedstock
FR3145561A1 (fr) * 2023-02-02 2024-08-09 Energo Réaction inversée de conversion du gaz à l'eau par plasma catalyse

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITMI20070267A1 (it) * 2007-02-14 2007-05-16 Enrico Petazzoni Conversione in metano di co2 catturata da impianti di combustione o altri processi industriali mediante digestione anaerobica congiunta a biomasse
NZ560757A (en) * 2007-10-28 2010-07-30 Lanzatech New Zealand Ltd Improved carbon capture in microbial fermentation of industrial gases to ethanol
US8759047B2 (en) * 2009-09-16 2014-06-24 Coskata, Inc. Process for fermentation of syngas from indirect gasification
US8597934B2 (en) * 2009-10-30 2013-12-03 Coskata, Inc. Process for controlling sulfur in a fermentation syngas feed stream
WO2012067754A1 (en) * 2010-11-19 2012-05-24 Praxair Technology, Inc. Process for making synthetic natural gas
CN104169427A (zh) * 2012-01-17 2014-11-26 二氧化碳处理公司 用于通过酶增强水合和生物培养物使co2气体生成生物产物的双重生物催化转化的联合方法
EP3411489B1 (en) * 2016-02-01 2023-07-26 LanzaTech NZ, Inc. Integrated fermentation and electrolysis process
CA3090411A1 (en) * 2018-02-12 2019-08-15 Lanzatech, Inc. A process for improving carbon conversion efficiency
AU2019257224B2 (en) * 2018-04-20 2024-12-19 Lanzatech, Inc. Intermittent electrolysis streams
KR102549843B1 (ko) * 2018-11-19 2023-06-29 란자테크, 인크. 발효와 가스화의 통합

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