特表2024-509639二酸化炭素を生成物に変換することの改善のためにガス発酵プラットフォームを制御する方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-04
(54)【発明の名称】二酸化炭素を生成物に変換することの改善のためにガス発酵プラットフォームを制御する方法
(51)【国際特許分類】
C12N 1/20 20060101AFI20240226BHJP
C12P 7/00 20060101ALI20240226BHJP
C12P 7/06 20060101ALI20240226BHJP
C12P 7/16 20060101ALI20240226BHJP
C12P 7/54 20060101ALI20240226BHJP
C12P 7/52 20060101ALI20240226BHJP
C12P 5/02 20060101ALI20240226BHJP
C12P 7/18 20060101ALI20240226BHJP
C12P 7/28 20060101ALI20240226BHJP
C12P 7/6409 20220101ALI20240226BHJP
C12P 7/56 20060101ALI20240226BHJP
C12M 1/00 20060101ALI20240226BHJP
【ＦＩ】
C12N1/20 D
C12P7/00
C12P7/06
C12P7/16
C12P7/54
C12P7/52
C12P5/02
C12P7/18
C12P7/28
C12P7/6409
C12P7/56
C12M1/00 D
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023560609
(86)(22)【出願日】2022-04-08
(85)【翻訳文提出日】2023-09-29
(86)【国際出願番号】 US2022071643
(87)【国際公開番号】W WO2022217286
(87)【国際公開日】2022-10-13
(31)【優先権主張番号】63/173,243
(32)【優先日】2021-04-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/173,247
(32)【優先日】2021-04-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/173,262
(32)【優先日】2021-04-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/173,338
(32)【優先日】2021-04-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/282,546
(32)【優先日】2021-11-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518403425
【氏名又は名称】ランザテク，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100092783
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120134
【弁理士】
【氏名又は名称】大森 規雄
(72)【発明者】
【氏名】コンラド，ロバート ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ブロムリー，ジェイソン カール
(72)【発明者】
【氏名】シンプソン，ショーン，デニス
(72)【発明者】
【氏名】マーティン，マイケル エマーソン
【テーマコード（参考）】
4B029
4B064
4B065
【Ｆターム（参考）】
4B029AA01
4B029AA09
4B029BB02
4B029CC01
4B029DB11
4B064AB04
4B064AC02
4B064AC03
4B064AC04
4B064AC05
4B064AC33
4B064AD04
4B064AD06
4B064AD33
4B064AD85
4B064CA02
4B064CA50
4B064CC12
4B064DA16
4B065AA23X
4B065AA99X
4B065AC14
4B065BC06
4B065BC07
4B065BC50
4B065CA54
4B065CA55
4B065CA60
(57)【要約】
生成物へのＣＯ２の変換を改善するための柔軟なガス発酵プラットフォームを制御するための方法及びシステムが開発され、特に、供給原料ガスの比率を制御し、バイオリアクターテールガス流及び／又はバイオリアクターヘッドスペース中の不活性成分の濃度を最大化するための制御プロセス及びシステムに関する。改善された炭素利用は、発酵プロセスのバイオリアクターに対する基質の最も有益な比率を提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
連続ガス発酵プロセスのバイオリアクターに提供される入力ガスの比率を連続的に制御するための方法であって、ａ． ガス発酵プロセスを提供することであって、
ｉ． Ｈ２源からのＨ２を含む第一のガス流と、
ｉｉ． 工業プロセス又は合成ガスプロセスからのＣＯ２を含む第二のガス流と、
ｉｉｉ． 前記第二のガス流及び任意選択的に前記第一のガス流と流体連通し、ＣＯ及びＣＯ２を含む、ＣＯ濃縮溶出物を有する、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンと、
ｉｖ． 栄養溶液中のガス発酵のための少なくとも１つのＣ－１固定細菌を有する少なくとも１つのバイオリアクターであって、前記バイオリアクターが、少なくとも１つの生成物を含む生成物流、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含む出口ガス流、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むヘッドスペース、又は両方を有し、前記バイオリアクターが、前記ＣＯ濃縮溶出物、任意選択で第一のガス流、任意選択で第二のガス流、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通する、バイオリアクターと、
ｂ． 前記バイオリアクター出口ガス流又は前記バイオリアクターヘッドスペースのＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を測定して、測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供することと、
ｃ． 前記測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比をコントローラに入力し、前記測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較することと、
ｄ． 前記第一のガス流の前記流量、前記第二のガス流の前記流量、又は両方を、前記測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と前記所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の間の差に応答して調節して、前記バイオリアクター出口ガス流中の不活性成分の濃度を最大化することと、を含む、方法。
【請求項2】
請求項１に記載の方法であって、ｅ） 第一の圧縮機内において、前記第一のガス流の少なくとも一部分、前記第二のガス流の少なくとも一部分、又はそれらの任意の組み合わせを圧縮して、圧縮された第一のガス流、圧縮された第二のガス流、及び／又は圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせを生成することと、
ｆ）
ｉ． 前記第一のガス流もしくは前記圧縮された第一のガス流の少なくとも一部分、又は両方、ならびに前記第二のガス流もしくは前記圧縮された第二のガス流の少なくとも一部分、又は両方を、又は
ｉｉ． 前記圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせを、
ガス成分除去ユニット、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット、又はその両方を備えるガス処理ゾーン内で処理してから、前記第二のガス流及び任意選択的に前記第一のガス流を前記ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンに通すことと、
ｇ）前記出口ガス流を、前記第一の圧縮機、前記ガス処理ゾーン、前記ＣＯ２からＣＯへの変換システム、前記第一のガス流、前記第二のガス流、又は前記第一のガス流と前記第二のガス流の前記組み合わせに再循環させることと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ＣＯ濃縮溶出物の流れと組み合わせて、ｉ． 前記処理済み流れ、又は
ｉｉ． 前記第一のガス流、又は
ｉｉｉ． 前記第二のガス流、又は
ｉｖ． 前記第一のガス流と前記第二のガス流との前記組み合わせ、又は
ｖ． 前記圧縮された第一のガス流、又は
ｖｉ． 前記圧縮された第二のガス流、又は
ｖｉｉ． 前記圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせ、又は
ｖｉｉｉ． それらの任意の組み合わせのうち少なくとも一部分を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記Ｈ２を含む第一のガス流が、前記ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンを通過することなく、前記バイオリアクターに渡され、前記方法が、ｅ） 前記バイオリアクター出口ガス流を圧縮して、圧縮バイオリアクター出口ガス流を生成することと、
ｆ） 前記圧縮バイオリアクター出口ガス流の少なくとも第一の部分を、任意の順序で、
ｉ．ガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニット、又は
ｉｉ．ガス成分除去ユニット、又は
ｉｉｉ．前記ガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニット及び前記ガス成分除去ユニットの両方に通して、
圧縮された処理済みバイオリアクター出口ガス流を生成することと、
ｇ） 前記圧縮された処理済みバイオリアクター出口ガス流を再循環させて、
ｉ．前記第一のガス流、前記第二のガス流、又はそれらの組み合わせと組み合わせる、又は
ｉｉ．ＣＯ２からＣＯへの変換システムに渡す、又は
ｉｉｉ．前記ＣＯ濃縮溶出物の流れと組み合わせる、又は
ｉｖ．その任意の組み合わせ、及び
ｈ） 任意選択で、前記圧縮バイオリアクター出口ガス流の第二の部分を再循環させて、前記ＣＯ濃縮溶出物の流れ又は前記バイオリアクターと組み合わせることと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記第一のガス流の少なくとも第二の部分、前記第二のガス流の少なくとも第二の部分、又はそれらの組み合わせを、前記ＣＯ濃縮溶出物の流れと組み合わせることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記第一のガス流の少なくとも第二の部分、前記第二のガス流の少なくとも第二の部分、又はそれらの組み合わせを、前記バイオリアクターに通すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記第一のガス流、前記第二のガス流、又はそれらの組み合わせの任意の部分を圧縮することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
制御弁を使用して、前記圧縮出口ガス流の前記第一の部分と、前記圧縮出口ガス流の前記第二の部分との相対量を制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記出口ガス流の少なくとも一部分を、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、プラズマ変換ユニット、ガス化ユニット、又は改質ユニットから選択される出口ガスのＣＯ２からＣＯへの変換システムに通して、ＣＯ濃縮溶出物の流れを生成し、前記第二のＣＯ濃縮溶出物の流れを前記バイオリアクターに再循環させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記ＣＯ濃縮溶出物の流れが、約５：１：１、約４．５：１：１、約４．３３：１：１、又は約３：１：１、約２：１：１、約１：１：１、又は約１：３：１のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムが、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、改質ユニット、又はプラズマ変換ユニットのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記生成物流が、エタノール、酢酸塩、ブタノール、酪酸塩、２，３－ブタンジオール、乳酸塩、ブテン、ブタジエン、メチルエチルケトン、エチレン、アセトン、イソプロパノール、脂質、３－ヒドロキシプロピオナート、イソプレン、脂肪酸、２－ブタノール、１，２－プロパンジオール、ヘキサノール、オクタノール、又は１－プロパノールから選択される、少なくとも１つの発酵生成物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項13】
前記水素源が、水電解槽、炭化水素改質源、水素精製源、固体バイオマスガス化源、固体廃棄物ガス化源、石炭ガス化源、炭化水素ガス化源、メタン熱分解源、精製所テールガス生産源、プラズマ改質反応器、部分酸化反応器、又はそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
前記工業プロセス又は合成ガスプロセスが、糖系のエタノール生産源、第一世代のトウモロコシエタノール生産源、第二世代のトウモロコシエタノール生産源、サトウキビエタノール生産源、蔗糖エタノール生産源、サトウダイコンエタノール生産源、モラセスエタノール生産源、小麦エタノール生産源、穀物系エタノール生産源、デンプン系エタノール生産源、セルロース系エタノール生産源と、セメント生産源、メタノール合成源、オレフィン生産源、鋼生産源、合金鉄生産源、精製所テールガス生産源、二次燃焼ガス生産源、バイオガス生産源、埋め立て生産源、酸化エチレン生産源、メタノール生産源、アンモニア生産源、採掘されたＣＯ２生産源、天然ガス処理生産源、ガス化源、有機廃棄物ガス化源、直接空気回収、又はそれらの任意の組み合わせ、のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項15】
少なくとも１つのＣ１固定細菌が、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、又はＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項16】
連続ガス発酵プロセスのバイオリアクターに提供される基質ガスの比率を制御するためのシステムであって、ａ． Ｈ２源からの基質Ｈ２を含む第一のガス流と、
ｂ． 工業プロセス又は合成ガスプロセスからの基質ＣＯ２を含む第二のガス流と、
ｃ． 前記第二のガス流、及び任意選択的に前記第一のガス流と流体連通し、ＣＯ及びＣＯ２を含む溶出物を有する、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンと、
ｄ． 栄養溶液中のガス発酵のための少なくとも１つのＣ－１固定細菌を有する少なくとも１つのバイオリアクターであって、前記バイオリアクターが、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むテールガス流、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むヘッドスペース、又は両方を有し、前記バイオリアクターが、ＣＯ及びＣＯ２を含む前記溶出物、任意選択で前記第一のガス流、任意選択で前記第二のガス流、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通する、バイオリアクターと、
ｅ． 前記バイオリアクターテールガス流内又は前記バイオリアクターヘッドスペース内、又は両方内のセンサであって、前記バイオリアクターテールガス流、又は前記バイオリアクターヘッドスペースの前記Ｈ２：ＣＯ２モル比又は前記Ｈ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を測定して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供する能力のある、センサと、
ｆ． コントローラであって、前記測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又は前記測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の入力を受信して、前記測定されたＨ２：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ２モル比と比較するか、又は前記測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較して、出力を提供して、前記第一のガス流の前記流量、前記第二のガス流の前記流量、又は両方を、前記測定されたＨ２：ＣＯ２モル比と前記所定のＨ２：ＣＯ２モル比の間の差に応答して、又は前記測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と前記所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の差に応答して、調節し、前記テールガス流中の不活性成分の前記濃度を最大化するように構成された、コントローラと、を備える、システム。
【請求項17】
ＣＯ及びＣＯ２を含む前記溶出物中のＣＯの相対量を増加又は減少させるために、前記ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンの動作パラメータへの出力をさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムが、逆水性ガスシフトプロセス、ＣＯ２電解槽、熱触媒変換プロセス、部分燃焼プロセス、又はプラズマ変換プロセスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項19】
前記ガス発酵プロセスが、前記第一のガス流、前記第二のガス流、前記溶出物、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通するガス処理ゾーンをさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項20】
前記ガス発酵プロセスが、前記第一のガス流、前記第二のガス流、前記溶出物、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通する少なくとも１つの圧縮機をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項21】
前記ガス発酵プロセスが、前記バイオリアクターテールガス流と流体連通するメタン変換ゾーンをさらに備え、前記メタン改質ゾーンが、前記ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンと流体連通する溶出物導管を備える、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年４月９日に出願された米国仮特許出願第６３／１７３，２４３号、２０２１年４月９日に出願された第６３／１７３，２４７号、２０２１年４月９日に出願された第６３／１７３，２６２号、２０２１年４月９日に出願された第６３／１７３，３３８号、及び２０２１年１１月２３日に出願された第６３／２８２，５４６号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２１年４月９日に出願された米国仮特許出願第６３／１７３，２４３号、２０２１年４月９日に出願された第６３／１７３，２４７号、２０２１年４月９日に出願された第６３／１７３，２６２号、２０２１年４月９日に出願された第６３／１７３，３３８号、及び２０２１年１１月２３日に出願された第６３／２８２，５４６号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本開示は、生成物へのＣＯ２の変換を改善するための柔軟な発酵プラットフォームを制御する方法及びシステムに関する。特に、本開示は、供給原料基質ガスの比率を制御し、出口ガス流中の不活性成分の濃度を最大化するための連続的な制御プロセス及びシステムに関する。
【背景技術】
【0003】
二酸化炭素（ＣＯ２）は人間の活動による世界の温室効果ガス排出の約７６％を占め、メタン（１６％）、亜酸化窒素（６％）、及びフッ素化ガス（２％）が残りを占めている（米国環境保護庁（Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ））。工業及び林業の施業も大気中にＣＯ２を放出するが、ＣＯ２の大部分は化石燃料を燃焼させてエネルギーを生成することに由来する。温室効果ガス排出、特にＣＯ２の削減は、地球温暖化の進行並びにそれに伴う気候及び天候の変化を止めるのに重要である。
【0004】
フィッシャー・トロプシュプロセスなどの触媒プロセスを使用して、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び／又は水素（Ｈ２）を含有するガスを様々な燃料及び化学物質に変換することができることが長い間認識されている。しかしながら、最近、ガス発酵がそのようなガスの生物学的固定のための代替プラットフォームとして浮上している。具体的には、Ｃ１固定微生物は、産業廃棄物ガス又は合成ガス若しくはその混合物などのＣＯ２、ＣＯ、及び／又はＨ２を含有するガスをエタノール及び２，３－ブタンジオールなどの生成物に変換することが実証されてきた。そのような生成物の効率的な生成は、例えば、緩徐な微生物増殖、制限されたガス吸収、毒素に対する感受性、又は炭素基質の望ましくない副生成物への転用によって制限され得る。
【0005】
Ｃ１炭素源は、燃焼機関の排気ガス、工業プロセス（セメント生産）からのＣＯ２副生成物ガス、アンモニア生産、合成ガス清浄化からの副生成物ガス、エチレン生産、酸化エチレン生産、メタノール合成）、発酵プロセスからのオフガス（例えば、糖からエタノールへの変換）、バイオガス、埋立地ガス、直接空気回収、採掘されたＣＯ２（化石ＣＯ２）、又は電気分解など、工業プロセスの副生成物として、又は別の源から取得された廃ガスから誘導され得る。Ｃ１炭素源は、熱分解、焙焼、又はガス化によって生成される合成ガスであってもよい。言い換えれば、廃棄物は、熱分解、改質、焙焼、又はガス化によって再循環されて、基質及び／又はＣ１炭素源として使用される合成ガスを生成されてもよい。
【0006】
ある特定の実施形態では、工業プロセスは、製鋼所製造などの鉄金属生成物製造、非鉄金属生成物製造、石油精製、電力生成、カーボンブラック生成、アンモニア生成、メタノール生成、コークス製造、又はそれらの任意の組み合わせから選択される。これらの実施形態では、基質及び／又はＣ１炭素源は、任意の公知の方法を使用して、それが大気中に放出される前に工業プロセスから捕捉されてもよい。
【0007】
Ｃ１炭素源は、石炭のガス化、精製残渣のガス化、バイオマスのガス化、リグノセルロース物質のガス化、黒液のガス化、都市固形廃棄物のガス化、産業固形廃棄物のガス化、下水のガス化、廃水処理からの汚泥のガス化、天然ガスの改質、バイオガスの改質、埋立地ガスの改質、又はそれらの任意の組み合わせによって得られる合成ガスなどの、合成ガスが含まれ得る。
【0008】
公共固形廃棄物の例としては、タイヤ、プラスチックのほか、靴、アパレル、布地に含まれる繊維などがある。公共固形廃棄物は、選別されてもよく、又は選別されなくてもよい。バイオマスの例としては、リグノセルロース物質が挙げられてもよく、また微生物バイオマスが挙げられてもよい。リグノセルロース物質は、農業廃棄物及び森林廃棄物を含み得る。
【0009】
工業用ガス又は合成ガスは、ガス発酵システムでの使用に適した処理又は分解を必要とする場合がある。工業用ガス及び／又は合成ガス中の高いＣＯ２含有量は、発酵のエタノール選択性の利益に悪影響を及ぼし、結果的に酢酸塩及び２，３－ブタンジオールなどの望ましくない共生成物のより高い生産をもたらすことが示されている。
【0010】
したがって、発酵プラットフォームのバイオリアクターに提供される基質ガスの比率を連続的に制御して、バイオリアクターのガス出口流中の不活性成分の濃度を最大化することができる、柔軟な発酵プラットフォームのための制御プロセス及びシステムに対するニーズが依然として存在する。初期出発材料がＣＯ２である状況では、特に有利である。さらに、一部の実施形態では、改善されたＣＯ含有量及び改善されたＨ２：ＣＯ比は、微生物の成長及び安定性を改善することが示されているため、バイオリアクターに導入する前に、合成ガス又は工業用ガスに存在する一部のＣＯ２をＣＯに変換する必要性が存在する。
【発明の概要】
【0011】
本開示は、連続ガス発酵プロセスのバイオリアクターに提供される入力ガスの比率を連続的に制御するための方法に関与し、方法は、ａ）ガス発酵プロセスを提供することであって、Ｈ２源からのＨ２を含む第一のガス流と、工業プロセス又は合成ガスプロセスからのＣＯ２を含む第二のガス流と、第二のガス流及び任意選択に第一のガス流と流体連通し、ＣＯ及びＣＯ２を含むＣＯ濃縮溶出物を有する、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンと、少なくとも１つのバイオリアクターが、栄養溶液中のガス発酵のために少なくとも１つのＣ－１固定細菌を有し、バイオリアクターが、少なくとも１つの生成物、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含む出口ガス流、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むヘッドスペース、又は両方を含む、生成物流を有し、バイオリアクターが、ＣＯ濃縮溶出物、任意選択で第一のガス流、任意選択で第二のガス流、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通する、ガス発酵プロセスを提供することと、ｂ）バイオリアクター出口ガス流又はバイオリアクターヘッドスペースのＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を測定して、測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供することと、ｃ）測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比をコントローラに入力して、測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較することと、ｄ）第一のガス流の流量、第二のガス流の流量、又は両方を、測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の間の差に応答して調節して、バイオリアクター出口ガス流中の不活性成分の濃度を最大化することと、を含む。方法は、第一の圧縮機内において、第一のガス流の少なくとも一部分、第二のガス流の少なくとも一部分、又はそれらの任意の組み合わせを圧縮して、圧縮された第一のガス流、圧縮された第二のガス流、及び／又は圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせを生成することと、第一のガス流又は圧縮された第一のガス流又は両方の少なくとも一部分、及び第二のガス流又は圧縮された第二のガス流又は両方の少なくとも一部分、又は圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせを、ガス成分除去ユニット、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット又は両方を備えるガス処理ゾーン内で、第二のガス流及び任意選択で第一のガス流をＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンに通過させる前に、処理することと、出口ガス流を、第一の圧縮機、ガス処理ゾーン、ＣＯ２からＣＯへの変換システム、第一のガス流、第二のガス流、又は第一のガス流と第二のガス流の組み合わせに再循環させることと、をさらに含み得る。本方法は、ＣＯ濃縮溶出物の流れを、処理済み流れ、もしくは第一のガス流、もしくは第二のガス流、もしくは第一のガス流と第二のガス流の組み合わせ、もしくは圧縮された第一のガス流、もしくは圧縮された第二のガス流、もしくは圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせの少なくとも一部分、又はそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも一部分と組み合わせることをさらに含み得る。Ｈ２を含む第一のガス流は、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンを通過することなく、バイオリアクターに通過させてもよく、方法は、バイオリアクター出口ガス流を圧縮して、圧縮バイオリアクター出口ガス流を生成することと、圧縮バイオリアクター出口ガス流の少なくとも第一の部分を、任意の順序で、ガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニットに、又はガス成分除去ユニットに、又はガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニットとガス成分除去ユニットの両方に通し、圧縮された処理済みバイオリアクター出口ガス流を生成することと、圧縮された処理済みバイオリアクター出口ガス流を再循環して、第一のガス流、第二のガス流、又はその組み合わせと組み合わせる、又はＣＯ２からＣＯへの変換システムに送る、又はＣＯ濃縮溶出物の流れと組み合わせる、又はそれらの任意の組み合わせをすることと、任意選択で、圧縮バイオリアクター出口ガス流の第二の部分を再循環させて、ＣＯ濃縮溶出物の流れ又はバイオリアクターと組み合わせることと、をさらに含む。本方法は、第一のガス流の少なくとも第二の部分、第二のガス流の少なくとも第二の部分、又はそれらの組み合わせを、ＣＯ濃縮溶出物の流れと組み合わせることをさらに含み得る。本方法は、第一のガス流の少なくとも第二の部分、第二のガス流の少なくとも第二の部分、又はそれらの組み合わせを、バイオリアクターに通すことをさらに含み得る。本方法は、第一のガス流、第二のガス流、又はそれらの組み合わせの任意の部分を圧縮することをさらに含み得る。本方法は、制御弁を使用して、圧縮出口ガス流の第一の部分と、圧縮出口ガス流の第二の部分との相対量を制御することをさらに含んでもよい。本方法は、出口ガス流の少なくとも一部分を、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、プラズマ変換ユニット、ガス化ユニット、又は改質ユニットから選択される出口ガスのＣＯ２からＣＯへの変換システムに通して、ＣＯ濃縮溶出物の流れを生成し、第二のＣＯ濃縮溶出物の流れをバイオリアクターに再循環させることをさらに含みうる。ＣＯ濃縮溶出物の流れは、約５：１：１、約４．５：１：１、約４．３３：１：１、約３：１：１、約２：１：１、約１：１：１又は約１：３：１のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を含んでもよい。ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、改質ユニット、又はプラズマ変換ユニットのうちの少なくとも１つを含み得る。生成物流は、エタノール、酢酸塩、ブタノール、酪酸塩、２，３－ブタンジオール、乳酸塩、ブテン、ブタジエン、メチルエチルケトン、エチレン、アセトン、イソプロパノール、脂質、３－ヒドロキシプロピオナート、イソプレン、脂肪酸、２－ブタノール、１，２－プロパンジオール、ヘキサノール、オクタノール、又は１－プロパノールから選択される少なくとも１つの発酵生成物を含み得る。水素源は、水電解槽、炭化水素改質源、水素精製源、固体バイオマスガス化源、固体廃棄物ガス化源、石炭ガス化源、炭化水素ガス化源、メタン熱分解源、精製所テールガス生産源、プラズマ改質反応器、部分酸化反応器、又はそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。工業プロセス又は合成ガスプロセスは、糖系のエタノール生産源、第一世代のトウモロコシエタノール生産源、第二世代のトウモロコシエタノール生産源、サトウキビエタノール生産源、蔗糖エタノール生産源、サトウダイコンエタノール生産源、モラセスエタノール生産源、小麦エタノール生産源、穀物系エタノール生産源、デンプン系エタノール生産源、セルロース系エタノール生産源と、セメント生産源、メタノール合成源、オレフィン生産源、鋼生産源、合金鉄生産源、精製所テールガス生産源、二次燃焼ガス生産源、バイオガス生産源、埋め立て生産源、酸化エチレン生産源、メタノール生産源、アンモニア生産源、採掘されたＣＯ２生産源、天然ガス処理生産源、ガス化源、有機廃棄物ガス化源、直接空気回収、又はそれらの任意の組み合わせ、のうちの少なくとも１つから選択されてもよい。Ｃ１固定細菌のうちの少なくとも１つは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、又はＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉから選択され得る。
【0012】
本開示は、連続ガス発酵プロセスのバイオリアクターに提供される基質ガスの比率を制御するためのシステムに関与し、システムは、ａ）Ｈ２源からの基質Ｈ２を含む第一のガス流と、ｂ）工業プロセス又は合成ガスプロセスからの基質ＣＯ２を含む第二のガス流と、ｃ）第二のガス流及び任意選択的に第一のガス流と流体連通し、ＣＯ及びＣＯ２を含む溶出物を有する、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンと、ｄ）栄養溶液中のガス発酵のための少なくとも１つのＣ－１固定細菌を有する少なくとも１つのバイオリアクターであって、バイオリアクターが、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むテールガス流、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むヘッドスペース、又は両方を有し、バイオリアクターが、ＣＯ及びＣＯ２を含む溶出物、任意選択で第一のガス流、任意選択で第二のガス流、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通する、バイオリアクターと、ｅ）バイオリアクターテールガス流内又はバイオリアクターヘッドスペース内、又は両方内のセンサであって、バイオリアクターテールガス流、又はバイオリアクターヘッドスペースのＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を測定して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供する能力のある、センサと、ｆ）コントローラであって、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を受信して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ２モル比と比較するか、又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較して、出力を提供して、第一のガス流の流量、第二のガス流の流量、又は両方を、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ２モル比の間の差に応答して、又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の差に応答して、調節し、テールガス流中の不活性成分の濃度を最大化する、コントローラと、を含む。システムは、ＣＯ及びＣＯ２を含む溶出物中のＣＯの相対量を増加又は減少させるために、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンの動作パラメータへの出力をさらに含み得る。ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、逆水性ガスシフトプロセス、ＣＯ２電解槽、熱触媒変換プロセス、部分燃焼プロセス、又はプラズマ変換プロセスのうちの少なくとも１つを含み得る。ガス発酵プロセスは、第一のガス流、第二のガス流、溶出物、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通するガス処理ゾーンをさらに備えてもよい。ガス発酵プロセスは、第一のガス流、第二のガス流、溶出物、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通する少なくとも１つの圧縮機をさらに備えてもよい。ガス発酵プロセスは、バイオリアクターテールガス流と流体連通するメタン変換ゾーンをさらに備えてもよく、メタン改質ゾーンは、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンと流体連通する溶出物導管を備える。
【0013】
本開示は、ガス流からの少なくとも１つの発酵生成物の生産のための統合プロセスのための制御プロセスが関与し、制御プロセスはまず、ガス発酵プロセスを提供することを含み、ガス発酵プロセスは、水素を含む第一のガス流と、ＣＯ２を含む第二のガス流と、を得ることと、第一のガス流の少なくとも一部分及び第二のガス流の少なくとも一部分を、ＣＯ濃縮出口流を生成する条件下で動作する、ＣＯ２からＣＯへの変換システムに通すことと、ＣＯ濃縮出口流を、１つ以上のＣ１固定細菌の培養物を有するバイオリアクター内で発酵させて、少なくとも１つの発酵生成物流及びバイオリアクターテールガス流を生成することと、バイオリアクターテールガス流を圧縮して、圧縮バイオリアクターテールガス流を生成することと、圧縮バイオリアクターテールガス流の少なくとも第一の部分を、任意の順序で、ｉ）ガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニットに、又はｉｉ）ガス成分除去ユニットに、又はｉｉｉ）ガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニットとガス成分除去ユニットの両方に通し、圧縮された処理済みバイオリアクターテールガス流を生成することと、圧縮された処理済みバイオリアクターテールガス流を再循環して、ａ）第一のガス流、第二のガス流、又はそれらの組み合わせと組み合わせる、又はｂ）ＣＯ２からＣＯへの変換システムに送る、又はｃ）ＣＯ濃縮出口流と組み合わせる、又はｄ）それらの任意の組み合わせ、をすることと、任意選択で、圧縮バイオリアクターテールガス流の第二の部分を再循環させて、ＣＯ濃縮出口流又はバイオリアクターと組み合わせることと、任意選択で、圧縮バイオリアクターテールガス流の第二の部分を再循環させて、ＣＯ濃縮出口流又はバイオリアクターと組み合わせることと、を含む。制御プロセスは、バイオリアクターテールガス流、バイオリアクターヘッドスペース、又は両方のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供するデータを測定して、少なくとも１つの測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供することと、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比をコントローラに入力して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較することと、第一のガス流の流量、第二のガス流の流量、又は両方を、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の間の差に応答して調節して、バイオリアクターテールガス流、バイオリアクターヘッドスペース、又は両方中の不活性成分の濃度を最大化することと、を含む。不活性成分は、窒素もしくはメタン、又はその両方を含んでもよい。バイオリアクターテールガス流又はバイオリアクターヘッドスペース中の不活性成分の濃度の目標最大値は、約７０体積％～約８０体積％である。
【0014】
ガス発酵プロセスでは、第一のガス流の少なくとも第二の部分、第二のガス流の少なくとも第二の部分、又はそれらの組み合わせは、ＣＯ濃縮出口流と組み合わされてもよい。第一のガス流、第二のガス流、又はそれらの組み合わせのうちの任意の部分は、圧縮されてもよい。圧縮テールガス流の第一の部分と、圧縮テールガス流の第二の部分との相対量は、制御弁を使用して制御されてもよい。テールガス流の少なくとも一部分は、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、プラズマ変換ユニット、ガス化ユニット、又は改質ユニットから選択されるテールガスのＣＯ２からＣＯへの変換システムに渡されて、ＣＯ濃縮溶出物の流れを生成してもよく、第二のＣＯ濃縮溶出物の流れはバイオリアクターに再循環されてもよい。ＣＯ濃縮出口流は、約５：１：１、約４．５：１：１、約４．３３：１：１、約３：１：１、約２：１：１、約１：１：１又は約１：３：１のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を含んでもよい。ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、改質ユニット、又はプラズマ変換ユニットのうちの少なくとも１つを含み得る。少なくとも１つの発酵生成物は、エタノール、酢酸塩、ブタノール、酪酸塩、２，３－ブタンジオール、乳酸塩、ブテン、ブタジエン、メチルエチルケトン、エチレン、アセトン、イソプロパノール、脂質、３－ヒドロキシプロピオナート、イソプレン、脂肪酸、２－ブタノール、１，２－プロパンジオール、ヘキサノール、オクタノール、又は１－プロパノールから選択され得る。水素を含む第一のガス流は、水電解槽、炭化水素改質源、水素精製源、固体バイオマスガス化源、固体廃棄物ガス化源、石炭ガス化源、炭化水素ガス化源、メタン熱分解源、精製所テールガス生産源、プラズマ改質反応器、部分酸化反応器、又はそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを含む水素生産源によって生産され得る。ＣＯ２を含む第二のガス流は、糖系のエタノール生産源、第一世代のトウモロコシエタノール生産源、第二世代のトウモロコシエタノール生産源、サトウキビエタノール生産源、蔗糖エタノール生産源、サトウダイコンエタノール生産源、モラセスエタノール生産源、小麦エタノール生産源、穀物系エタノール生産源、デンプン系エタノール生産源、セルロース系エタノール生産源と、セメント生産源、メタノール合成源、オレフィン生産源、鋼生産源、合金鉄生産源、精製所テールガス生産源、二次燃焼ガス生産源、バイオガス生産源、埋め立て生産源、酸化エチレン生産源、メタノール生産源、アンモニア生産源、採掘されたＣＯ２生産源、天然ガス処理生産源、ガス化源、有機廃棄物ガス化源、直接空気回収、又はそれらの任意の組み合わせ、のうちの少なくとも１つを含むガス生産源によって生産されてもよい。Ｃ１固定細菌のうちの少なくとも１つは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、又はＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉから選択されうる。
【0015】
本開示は、ガス流からの少なくとも１つの発酵生成物の生産のための統合プロセスのための制御プロセスが関与し、制御プロセスはまず、ガス発酵プロセスを提供することを含み、ガス発酵プロセスは、水素を含む第一のガス流と、ＣＯ２を含む第二のガス流とを得ることと、任意選択で、第一の圧縮機内において、第一のガス流の少なくとも一部分、第二のガス流の少なくとも一部分、又はそれらの任意の組み合わせを圧縮して、圧縮された第一のガス流、圧縮された第二のガス流、及び／又は圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせ、を生成することと、ｉ）第一のガス流の少なくとも一部分、又は圧縮された第一のガス流、又は両方を、第二のガス流の少なくとも一部分、又は圧縮された第二のガス流、又は両方を、又はｉｉ）圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせを、ガス成分除去ユニット、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット、又は両方を含むガス処理ゾーン内で処理して、処理済み流れを生成することと、処理済み流れの少なくとも第一の部分内でＣＯ２を変換して、ＣＯ濃縮出口流を生成する条件下で動作するＣＯ２からＣＯへの変換システム内でＣＯを形成することと、ＣＯ濃縮出口流を、１つ以上のＣ１固定細菌の培養物を有するバイオリアクター内で発酵させて、少なくとも１つの発酵生成物の流れ及びバイオリアクターテールガス流を生成することと、テールガス流を、第一の圧縮機、第一のガス流、第二のガス流、又は第一のガス流と第二のガス流の組み合わせ、に再循環することと、を含む。制御プロセスは、バイオリアクターテールガス流、バイオリアクターヘッドスペース、又は両方のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供するデータを測定して、少なくとも１つの測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供することと、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比をコントローラに入力して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較することと、第一のガス流の流量、第二のガス流の流量、又は両方を、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の間の差に応答して調節して、バイオリアクターテールガス流、バイオリアクターヘッドスペース、又は両方中の不活性成分の濃度を最大化することと、を含む。不活性成分は、窒素もしくはメタン、又はその両方を含んでもよい。バイオリアクターテールガス流又はバイオリアクターヘッドスペース中の不活性成分の濃度の目標最大値は、約７０体積％～約８０体積％である。
【0016】
ガス発酵プロセスでは、ＣＯ濃縮出口流は、処理済み流れ、もしくは第一のガス流、もしくは第二のガス流、もしくは第一のガス流と第二のガス流の組み合わせ、もしくは圧縮された第一のガス流、もしくは圧縮された第二のガス流、もしくは圧縮された第一のガス流と第二のガス流の組み合わせの少なくとも一部分、又はそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも一部分と組み合わせうる。テールガス流の少なくとも一部分は、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、プラズマ変換ユニット、ガス化ユニット、又は改質ユニットから選択されるテールガスのＣＯ２からＣＯへの変換システムに渡されて、ＣＯ濃縮溶出物の流れを生成してもよく、第二のＣＯ濃縮溶出物の流れはバイオリアクターに再循環されてもよい。ＣＯ濃縮出口流は、水素及びＣＯ２をさらに含んでもよく、約５：１：１、約４．５：１：１、約４．３３：１：１、又は約３：１：１、約２：１：１、約１：１：１、又は約１：３：１のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を含んでもよい。ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、改質ユニット、又はプラズマ変換ユニットのうちの少なくとも１つを含み得る。ガス処理ゾーンは、脱酸素化ユニット、触媒水素化ユニット、吸着ユニット、熱酸化装置、又はそれらの任意の組み合わせをさらに含みうる。少なくとも１つの発酵生成物は、エタノール、酢酸塩、ブタノール、酪酸塩、２，３－ブタンジオール、乳酸塩、ブテン、ブタジエン、メチルエチルケトン、エチレン、アセトン、イソプロパノール、脂質、３－ヒドロキシプロピオナート、イソプレン、脂肪酸、２－ブタノール、１，２－プロパンジオール、ヘキサノール、オクタノール、又は１－プロパノールから選択されうる。水素を含む第一のガス流は、上述の水素生産源によって生成されてもよく、ＣＯ２を含む第二のガス流は、上述のガス生産源によって生成されてもよい。Ｃ１固定細菌のうちの少なくとも１つは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、又はＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉから選択されうる。ＣＯ濃縮出口流は、水素を含んでもよく、プロセスはさらに、水素をＣＯ濃縮出口流から分離し、分離された水素を再循環させてテールガス流又は圧縮機と組み合わせることをさらに含んでもよい。ＣＯ濃縮出口流の残りの部分は、水素の分離後に圧縮されてもよい。テールガス流は、メタンを含んでもよく、このプロセスは、テールガス流の一部分をメタン変換ユニットに通し、メタン変換ユニット溶出物を生成し、メタン変換ユニット溶出物をテールガス流と組み合わせることをさらに含む。酸素を含む流れは、酸素源から生成され、メタン変換ユニットに渡されてもよい。水素を含む第二のガス流は、水素源からバイオリアクターに通されてもよく、ＣＯ２源からのＣＯ２を含む第二のガス流は、バイオリアクターに通されてもよく、又はその両方であってもよい。水素源からの水素を含む第二のガス流は、バイオリアクターに渡されるか、又はＣＯ濃縮出口流と組み合わされてもよく、ＣＯ２源からのＣＯ２を含む第二のガス流は、バイオリアクターに渡されるか、又はＣＯ濃縮出口流と組み合わされてもよく、又はそれらの任意の組み合わせが行われてもよい。水素源からの水素を含む第二のガス流をＣＯ濃縮出口流と組み合わせること、又はＣＯ２源からのＣＯ２を含む第二のガス流をＣＯ濃縮出口流と組み合わせること、又は両方は、混合器内での混合によって達成されてもよい。バイオリアクターに入るＣＯ濃縮出口流に対する水素源からの水素を含む第二のガス流の比率は、約０：１～約４：１であってもよい。ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、バーナーを有する燃焼ヒーターを備えてもよく、テールガス流の少なくとも一部分は少なくとも燃焼ヒーターのバーナーに再循環される。ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、蒸気を生成する蒸気発生器、又は水流を生成するウォーターノックアウトユニット、又はその両方を含んでもよい。ＣＯ濃縮出口流の一部分は、接種器反応器、バッファタンク、又はその両方に通してもよく、通すことは、介在するユニットなく、接種器反応器、バッファタンク、又はその両方に、直接通してもよい。
【0017】
本開示は、ガス流から少なくとも１つの発酵生成物を生産するための統合プロセスのための方法が関与し、制御プロセスはまず、ガス発酵プロセスを提供することを含み、ガス発酵プロセスは、水素を含む第一のガス流と、ＣＯ２を含む第二のガス流とを得ることと、第二のガス流の少なくとも一部分及び任意選択で第一のガス流の少なくとも一部分を、ＣＯ濃縮出口流を生成する条件下で動作する、ＣＯ２からＣＯへの変換システムに通すことと、水素及びＣＯ濃縮出口流を含む第一のガス流の少なくとも一部分を、１つ以上のＣ１固定細菌の培養物を有し、発酵させて少なくとも１つの発酵生成物の流れ及びバイオリアクターテールガス流を生成する、バイオリアクターに通すことと（バイオリアクターは任意選択でヘッドスペースを有する）、バイオリアクターテールガス流を圧縮して、圧縮バイオリアクターテールガス流を生成することと、圧縮バイオリアクターテールガス流の少なくとも第一の部分を、任意の順序で、ガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニットに、又はガス成分除去ユニットに、又はガス脱硫及び／又は酸性ガス除去ユニットとガス成分除去ユニットの両方に通して、圧縮された処理済みバイオリアクターテールガス流を生成することと、圧縮された処理済みバイオリアクターテールガス流を再循環させて、第一のガス流、第二のガス流、又はその組み合わせと組み合わせる、又はＣＯ２からＣＯへの変換システムに通す、又はＣＯ濃縮出口流と組み合わせる、又はそれら任意の組み合わせ、をすることと、任意選択で、圧縮バイオリアクターテールガス流の第二の部分を再循環させて、ＣＯ濃縮出口流と組み合わせるか、又はバイオリアクターに通すことと、を含む。制御プロセスは、バイオリアクターテールガス流、バイオリアクターヘッドスペース、又は両方のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供するデータを測定して、少なくとも１つの測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供することと、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比をコントローラに入力して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較することと、第一のガス流の流量、第二のガス流の流量、又は両方を、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の間の差に応答して調節して、バイオリアクターテールガス流、バイオリアクターヘッドスペース、又は両方中の不活性成分の濃度を最大化することと、を含む。不活性成分は、窒素もしくはメタン、又はその両方を含んでもよい。バイオリアクターテールガス流又はバイオリアクターヘッドスペース中の不活性成分の濃度の目標最大値は、約７０体積％～約８０体積％である。
【0018】
本開示はまた、連続ガス発酵プロセスのバイオリアクターに提供される基質ガスの比率を制御するためのシステムに関与し、システムは、Ｈ２源からの基質Ｈ２を含む第一のガス流と、工業プロセス又は合成ガスプロセスからの基質ＣＯ２を含む第二のガス流と、第二のガス流及び任意選択的に第一のガス流と流体連通し、ＣＯ及びＣＯ２を含む溶出物を有する、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンと、栄養溶液中のガス発酵のための少なくとも１つのＣ－１固定細菌を有する少なくとも１つのバイオリアクターであって、バイオリアクターが、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むテールガス流、Ｈ２、ＣＯ２、及び不活性成分を含むヘッドスペース、又は両方を有し、バイオリアクターが、ＣＯ及びＣＯ２を含む溶出物、任意選択で第一のガス流、任意選択で第二のガス流、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通する、バイオリアクターと、バイオリアクターテールガス流内又はバイオリアクターヘッドスペース内、又は両方内のセンサであって、バイオリアクターテールガス流、又はバイオリアクターヘッドスペースのＨ２：ＣＯ２モル比又はＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を測定して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供する能力のある、センサと、コントローラであって、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の入力を受信して、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ２モル比と比較するか、又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と比較して、出力を提供して、第一のガス流の流量、第二のガス流の流量、又は両方を、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ２モル比の間の差に応答して、又は測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比の差に応答して調節し、テールガス流中の不活性成分の濃度を最大化するように構成された、コントローラと、を含む。システムは、ＣＯ及びＣＯ２を含む溶出物中のＣＯの相対量を増加又は減少させるために、ＣＯ２からＣＯへの変換ゾーンの動作パラメータへの出力をさらに含み得る。 システム全体のうちＣＯ２からＣＯへの変換システムは、逆水性ガスシフトプロセス、ＣＯ２電解槽、熱触媒変換プロセス、部分燃焼プロセス、又はプラズマ変換プロセスのうちの少なくとも１つを含み得る。システムのガス発酵プロセスは、第一のガス流、第二のガス流、溶出物、又はそれらの任意の組み合わせと流体連通するガス処理ゾーンをさらに備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】図１は、バイオリアクター、圧縮機、ガス処理ゾーン、ＣＯ２からＣＯへの変換システムを有するフロースキームを示し、バイオリアクターからのバイオリアクターテールガスの少なくとも一部分は、ガス成分除去ユニットを通過し、圧縮され、その後、バイオリアクター、ＣＯ２からＣＯへの変換システム、又はその両方に再循環され、フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図3】図３は、バイオリアクターからのテールガスの少なくとも一部分が圧縮され、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニットを通過し、その後ＣＯ２からＣＯへの変換システムに再循環される、実施形態のフロースキームを示し、フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図4】図４は、バイオリアクターからのテールガスの少なくとも一部分が圧縮され、任意選択のコントローラに渡されてテールガス流を分割し、任意選択で一部分をバイオリアクターに再循環させ、その間、テールガスの残りの部分をガス処理ゾーンに通過させる、実施形態のフロースキームを示す。ガス処理ゾーンの溶出物は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム、又はＣＯ２からＣＯへの変換システムの上流に再循環される。フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図6】図６は、テールガス流の少なくとも一部分が、ガス処理ゾーン及びＣＯ２からＣＯへの変換システムの上流にある圧縮機に再循環される、実施形態のフロースキームを示す。圧縮機は、水素を含む第一のガス流と、ＣＯ２を含む第二のガス流との組み合わせで作動する。フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図7】図７は、圧縮機が、ＣＯ２を含む第二のガス流に対してのみ動作し、水素を含む第一のガス流に対しては動作しないことを除いて、図６のものと類似した実施形態のフロースキームを示す。水素を含む第一のガス流は、ガス処理ゾーンの入力流れ、溶出物、又は両方に加えられる。フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図8】図８は、圧縮機が、ＣＯ２を含む第二のガス流の一部分のみで動作し、水素を含む第一のガス流では動作しないフロースキームを示す。ＣＯ２を含む第二のガス流の残りの部分は圧縮されず、水素を含む第一のガス流と組み合わされてもよい。フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図9】図９は、ＣＯ２からＣＯへの変換システムのＣＯ濃縮出口流からの水素を含む流れを分離することを加えた、図７に示すものと類似した実施形態のフロースキームを示す。水素を含む分離された流れは、テールガス再循環と組み合わされてもよい。フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図10】図１０は、水素を含む流れがＣＯ濃縮出口流から分離された後、ＣＯ濃縮出口流の残りの部分に対して動作する第二の圧縮機を加えた、図９のものと類似した実施形態のフロースキームを示す。フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【図11】図１１は、バイオリアクターテールガスの少なくとも一部分をメタン変換ユニットに通し、メタン変換ユニットの溶出物を通して、バイオリアクターテールガスと組み合わせて戻すことを加えた、図６のものと類似した実施形態のフロースキームを示す。酸素源は、酸素を含む流れをメタン変換ユニットに随意に提供してもよい。水素源からの水素を含む第二の流れは、任意選択的に、バイオリアクターに直接渡されてもよい。ＣＯ２源からのＣＯ２を含む第二の流れは、任意選択的に、バイオリアクターに直接渡されてもよい。フロースキームは、本開示の一実施形態によって制御される。
【発明を実施するための形態】
【0020】
図１～１３はさらに、ＣＯ２からＣＯへの変換システムへの入力流れの少なくとも一部分が、ＣＯ２からＣＯへの変換システムを通過する代わりに、ＣＯ２からＣＯへの変換システムの周りをバイパスされる、任意選択の実施形態を描写する。図はさらに、テールガス流の少なくとも一部分が、第二のＣＯ２からＣＯへの変換システムを通され、結果として生じる溶出物がバイオリアクターに渡される、任意選択の実施形態を示す。図はさらに、Ｈ２を含む第一のガス流の少なくとも一部分が、ＣＯ２からＣＯへの変換システムを通過する代わりに、ＣＯ２からＣＯへの変換システムの周りをバイパスされる、任意選択の実施形態を示す。任意の実施形態を含むフロースキームは、本開示の実施形態によって制御される。
【0021】
ガス発酵プロセスでは、工業プロセス又は合成ガスプロセスなどのＣＯ２を生成するガス生産プロセスとＣＯ２からＣＯへの変換プロセス、特に逆水性ガスシフトプロセスの統合は、実質的な利益をもたらす。この統合により、発酵プロセスに一定量のＣＯが必要な場合でも、供給原料としてＣＯ２を使用することができる。ＣＯ２からＣＯへの変換を統合することで、供給原料のＣＯ２を発酵に適した量でＣＯに変換したり、再循環させたりできるようになる。
【0022】
特定の実施形態において、工業プロセスは、鋼材製造などの鉄金属製品製造、非鉄製品製造、石油精製、電力生産、カーボンブラック生産、紙・パルプ製造、アンモニア生産、メタノール生産、コークス製造、石油化学生産、炭水化物発酵、セメント製造、好気性消化、嫌気性消化、触媒プロセス、天然ガスの抽出、セルロース発酵、オイル抽出、地質学的貯留層の工業加工、天然ガス、石炭及び石油などの化石資源の処理、埋め立て事業、又はそれらの任意の組み合わせから選択される。工業プロセス内の特定の処理工程の例としては、触媒再生、流動接触分解、及び触媒再生が挙げられる。空気分離及び直接空気回収は、他の適切な工業プロセスである。鋼材及び合金鉄製造における例には、高炉ガス、塩基性酸素転炉ガス、コークス炉ガス、鉄炉トップガスの直接還元、及び精錬鉄からの残留ガスが含まれる。他の一般的な例には、天然ガス、石油、又は石炭の燃焼ボイラー又はヒーターなどの、燃焼ボイラー及び燃焼ヒーターからの燃焼排ガス、及びガスタービンの排気が含まれる。これらの実施形態では、基質及び／又はＣ１炭素源は、任意の公知の方法を使用して、それが大気中に放出される前に工業プロセスから捕捉されてもよい。
【0023】
基質及び／又はＣ１炭素源は、シンガスとして知られる合成ガスであってもよく、これは、改質、部分酸化、プラズマ、又はガス化プロセスから取得されてもよい。ガス化プロセスの例としては、石炭のガス化、精製所残基のガス化、石油コークスのガス化、バイオマスのガス化、リグノセルロース物質のガス化、廃木材のガス化、黒液のガス化、公共固形廃棄物のガス化、公共液状廃棄物のガス化、産業固形廃棄物のガス化、産業液体廃棄物のガス化、廃棄物燃料のガス化、下水のガス化、下水汚泥のガス化、廃水処理からの汚泥のガス化、埋立地ガスのガス化、バイオガスのガス化、例えば、バイオガスが添加されて別の材料のガス化を増強する場合など、を含む。改質プロセスの例としては、蒸気メタン改質、蒸気ナフサ改質、天然ガスの改質、バイオガスの改質、埋立地ガスの改質、コークス炉ガスの改質、熱分解オフガスの改質、エチレン生産オフガス改質、ナフサ改質、及び乾式メタン改質が挙げられる。部分酸化プロセスの例としては、熱及び触媒部分酸化プロセス、天然ガスの触媒部分酸化、炭化水素の部分酸化、バイオガスの部分酸化、埋立地ガスの部分酸化、又は熱分解オフガスの部分酸化が挙げられる。公共固形廃棄物の例としては、タイヤ、プラスチック、廃棄物燃料のほか、靴、アパレル、布地などに含まれる繊維などがある。公共固形廃棄物は、単に埋立地タイプの廃棄物である場合もあり、分類されてもよく、又は分類されていなくてもよい。バイオマスの例としては、リグノセルロース物質及び微生物バイオマスが挙げられうる。リグノセルロース物質は、農業廃棄物及び森林廃棄物を含み得る。
【0024】
Ｃ１は、一炭素分子、例えば、ＣＯ、ＣＯ２、メタン（ＣＨ４）、又はメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を指し、Ｃ１炭素源は、本開示の微生物の部分的又は唯一の炭素源として機能する一炭素分子を指す。例えば、Ｃ１炭素源は、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ、又はギ酸（ＣＨ２Ｏ２）のうちの１つ以上を含み得る。Ｃ１炭素源は、ＣＯ及びＣＯ２のうちの１つ又は両方を含む。基質は炭素及び／又はエネルギー源である。一般に、基質は、ガス状であり、Ｃ１炭素源、例えば、ＣＯ、ＣＯ２、及び／又はＣＨ４を含む。基質は、Ｈ２、Ｎ２、又は電子などの他の非炭素成分を更に含み得る。
【0025】
本明細書で再循環について論じるとき、ユニットに流れを再循環させる又は通すという記載は、ユニットへの流れの直接的な独立した導入、又はユニット別の入力と流れの組み合わせを含むことを意味する。
【0026】
ＣＯ２を生成するガス生産プロセスは、工業プロセス又は合成ガスプロセスであり、典型的に、体積によるＣＯ２の有効な比を有する工業用ガス又は合成ガスを発生する。さらに、工業用ガス又は合成ガスは、いくらかの量のＣＯ及び／又はＣＨ４を含んでもよい。ＣＯ２を生成するガス生産プロセスは、所望の最終生成物として、又は１つ以上の所望の最終生成物の製造における副生成物として、ガスを含有するＣＯ２を生成する任意の工業プロセス又は合成ガスプロセスを含むことが意図される。例示的なＣＯ２を生成するガス生産プロセスは、糖系のエタノール生産源、第一世代のトウモロコシエタノール生産源、第二世代のトウモロコシエタノール生産源、サトウキビエタノール生産源、蔗糖エタノール生産源、サトウダイコンエタノール生産源、モラセスエタノール生産源、小麦エタノール生産源、穀物系エタノール生産源、デンプン系エタノール生産源、セルロース系エタノール生産源と、セメント生産源、メタノール合成源、オレフィン生産源、鋼生産源、合金鉄生産源、精製所テールガス生産源、二次燃焼ガス生産源、バイオガス生産源、埋め立て生産源、酸化エチレン生産源、メタノール生産源、アンモニア生産源、採掘されたＣＯ２生産源、天然ガス処理生産源、ガス化源、有機廃棄物ガス化源、直接空気回収、又はそれらの任意の組み合わせからのエタノール生産を含む供給源を有する。鋼及び合金鉄の生産源におけるいくつかの例には、高炉ガス、塩基性酸素転炉ガス、コークス炉ガス、鉄炉トップガスの直接還元、電気アーク炉オフガス、及び精錬鉄からの残留ガスが含まれる。他の一般的な例には、天然ガス、石油、又は石炭の燃焼ボイラー又はヒーターなどの、燃焼ボイラー及び燃焼ヒーターからの燃焼排ガス、及びガスタービンの排気が含まれる。
【0027】
図１は、本開示の一実施形態による、ガス流からの少なくとも１つの発酵生成物の生産のための柔軟な生産プラットフォーム及びプロセスを有する統合システムを描写する。本プロセスは、水素を含む第一のガス流と、ＣＯ２を含む第二のガス流とを受けることと、流れをＣＯ２からＣＯへの変換システムに通すことと、を含む。図１では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、逆水性ガスシフトユニットとして示されている。水素生産源１１０は、水素を含む第一のガス流１２０を生成する。一実施形態では、水素生産源１１０は、水電解槽である。水流５００は、水素生産源１１０に導入され、例えば、４．７８ｋｗｈ／Ｎｍ３の電源（図示せず）から電力を受け、次の化学量論的反応に従って水を水素及び酸素に変換してもよい。
【0028】
【数1】
【0029】
水電解技術は公知であり、例示的なプロセスには、アルカリ水電解、プロトン交換膜（ＰＥＭ）電気分解、及び固体酸化物電気分解が含まれる。好適な電解槽には、アルカリ性電解槽、ＰＥＭ電解槽、及び固体酸化物電解槽が含まれる。水電解の副生成物として生成される酸素を含む酸素濃縮流１１５は、様々な目的のために用いられてもよい。例えば、特に、ガス生産源２２０が、酸素吹き付けガス化器を含む合成ガス生産プロセスであるように選択される場合、酸素濃縮流１１５の少なくとも一部分が、ガス生産源２２０に導入されてもよい。酸素濃縮流１１５のこうした使用は、外部供給源から酸素を得る必要性及び関連費用を低減する。本明細書で使用される場合、濃縮という用語は、プロセスステップの前と比較して、プロセスステップ後に、より高い濃度を有することを記述することを意味する。
【0030】
特定の実施形態では、水素生産源１１０は、炭化水素改質、水素精製、固体バイオマスガス化、固形廃棄物ガス化、石炭ガス化、炭化水素ガス化、メタン熱分解、精製所テールガス生産プロセス、プラズマ改質反応器、部分酸化反応器、又はそれらの任意の組み合わせから選択され得る。
【0031】
ガス生産源２２０は、直接空気回収、ＣＯ２生成工業プロセス、合成ガスプロセス、又はそれらの任意の組み合わせから、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０を生成する。水素を含む第一のガス流１２０とＣＯ２を含む第二のガス流１４０は、個別に又は組み合わせて、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に渡されて、ＣＯ濃縮出口流１３０を生成する。水素を含む第一のガス流１２０とＣＯ２を含む第二のガス流１４０との組み合わせのガス組成は、一実施形態では約３：１、別の実施形態では約２．５：１、さらに別の実施形態では約３．５：１のＨ２：ＣＯ２モル比を含み、Ｈ２：ＣＯモル比は、約５：１より大きくてもよい。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、改質ユニット、又はプラズマ変換ユニットから選択される、少なくとも１つのユニットであってもよい。
【0032】
特定の実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、逆水性ガスシフトユニットである。逆水性ガスシフト（ｒＷＧＳ）技術は知られており、二酸化炭素及び水素から一酸化炭素を生産するために使用され、水が副生成物である。ｒＷＧＳプロセスの温度は、シフトが起こる主な要因である。逆水性ガスシフトユニットは、単一段階の反応システム又は２つ以上の反応段階を含み得る。異なる段階は、異なる温度で行われてもよく、異なる触媒を使用してもよい。
【0033】
別の実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、熱触媒変換を伴い、これは、ＣＯを生成するために反応の駆動力として熱エネルギーを使用することによって、触媒上のＣＯ２及び他の反応物の安定的な原子結合及び分子結合を破壊することを伴う。ＣＯ２分子は熱力学的及び化学的に安定しているため、ＣＯ２が単一の反応物として使用される場合、大量のエネルギーが必要となる。したがって、熱力学的プロセスを容易にするために、水素などの他の物質が共反応物として使用されることが多い。金属及び金属酸化物、ならびにナノサイズの触媒金属－有機フレームワークなどのプロセスについては、多くの触媒が知られている。様々な炭素材料が、触媒の担体として用いられてきた。
【0034】
別の実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、部分燃焼を伴い、酸素は、部分酸化のための酸化剤要件の少なくとも一部分を供給し、反応物である二酸化炭素と水は、実質的に一酸化炭素と水素に変換される。
【0035】
さらに別の実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、プラズマと触媒との組み合わせであるプラズマ変換を伴い、これはプラズマ触媒とも呼ばれる。プラズマは、電子、様々なタイプのイオン、ラジカル、励起原子、及び分子、ならびに中性の基底状態の分子からなるイオン化ガスである。ＣＯ２からＣＯへの変換において最も一般的な３つのプラズマタイプには、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）、マイクロ波（ＭＷ）プラズマ、及びグライディングアーク（ＧＡ）プラズマが含まれる。ＣＯ２からＣＯへの変換のためにプラズマ変換を選択する利点には、（ｉ）プロセス多用途性が高く、純粋なＣＯ２の分割や、水素源（ＣＨ４、Ｈ２又はＨ２Ｏなど）の存在下でのＣＯ２変換など異なる種類の反応を実行可能にすること、（ｉｉ）投資コスト及び運用コストが低いこと、（ｉｉｉ）希土類金属が必要ないこと、（ｉｖ）プラズマ反応器がプラントの出力と直線的にスケールアップされる、便利なモジュール式設定であること、（ｖ）さまざまな種類の再生可能エネルギーと容易に組み合わせることができること、が挙げられる。
【0036】
図は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５が、少なくとも１つのｒＷＧＳユニットを含むように選択される場合に記載される。ｒＷＧＳ反応は、ＣＯ２の可逆的水素化でＣＯ及びＨ２Ｏを生成する。その化学的安定性のために、ＣＯ２は比較的非反応性の分子であり、したがって、より反応性のＣＯに変換する反応は、エネルギー集約的である。
【0037】
【数2】
【0038】
ｒＷＧＳ反応は吸熱性であるため、高めの温度によって熱力学的に好ましい。典型的には、約５００℃の温度は、かなりの量のＣＯを生成することが望ましい。より高い温度を用いる実施形態では、鉄系触媒は、その熱安定性及び高い酸素移動性のために、より高い温度に対して最も功を奏する活性金属の１つとしてしばしばみなされる。より低い温度を用いる実施形態では、銅は、反応中間体のその強化された吸着によって、功を奏するとしばしばみなされる。一部の他の実施形態では、ｒＷＧＳ触媒選択は、Ｆｅ／Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ－Ｃｕ／Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ－Ｃｓ／Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ－Ｃｕ－Ｃｓ／Ａｌ２Ｏ３、又はそれらの組み合わせを含む。
【0039】
ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、例えば、ｒＷＧＳ技術を利用して、ＣＯ濃縮出口流１３０を生成する。一部の実施形態では、ＣＯ濃縮出口流１３０のＨ２：ＣＯモル比は、約３：１より大きくてもよい。生成物としてのエタノールの化学量論及びＣＯ２：ＣＯのモル比が１：１であることに基づくと、ＣＯ濃縮出口流１３０のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比は約５：１：１でありうる。
【0040】
一部の実例では、ｒＷＧＳ反応は、ＣＯ濃縮出口流１３０中のＨ２：ＣＯモル比が、所定の比、例えば約３：１以下となるようなレベルで動作する。このようなＣＯレベルは、ガス発酵に必要なＣＯレベルを超えてもよい。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５よりも高いＣＯ変換は、最適とはいえない性能をもたらし得る。したがって、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５のサイズは、必要以上に大きく設計される。このような大きなシステムは高価である。したがって、こうした大きなシステムを避けるために、水素を含む第一のガス流の少なくとも一部分は、バイパス５２０に向けられ、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５には渡されない。バイパス流５２０は、ＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わされる。したがって、発酵のために送達されるライン１３０のＨ２：ＣＯ比は、最適サイズのＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５で所定の比よりも大きくなるように調節されてもよい。同様に、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０の一部分は、第二のバイパス流５２５を使用して、バイパスＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５へ迂回させてもよい。このようにして、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５の能力を過剰設計することなく、ＣＯの量を制御することができる。
【0041】
エタノールが意図される発酵生成物ではない場合、上述した化学量論は異なるものになるであろう。例えば、２，３－ブタンジオール（２，３－ＢＤＯ）が意図される発酵生成物である場合、ＣＯ濃縮出口流１３０のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比は、２，３－ＢＤＯの化学量論に基づいて約４．５：１：１であり、ＣＯ２：ＣＯモル比は１：１である。
【0042】
【数3】
【0043】
アセトンが意図される発酵生成物である場合、ＣＯ濃縮出口流１３０のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比は、アセトンの化学量論に基づき、ＣＯ２：ＣＯモル比１：１で約４．３３：１：１でありうる。
【0044】
【数4】
【0045】
酢酸塩が意図される発酵生成物である場合、ＣＯ濃縮出口流１３０のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比は、酢酸塩の化学量論に基づき、ＣＯ２：ＣＯモル比１：１で約３：１：１でありうる。
【0046】
【数5】
【0047】
ソプロピルアルコールが意図される発酵生成物である場合、ＣＯ濃縮出口流１３０のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比は、ソプロピルアルコールの化学量論に基づき、ＣＯ２：ＣＯモル比１：１で約５：１：１でありうる。
【0048】
【数6】
【0049】
ＣＯ濃縮出口流１３０は、１つ以上のＣ１固定細菌の培養物を含有するバイオリアクター１４２に渡される。バイオリアクター１４２は、１つ以上の容器及び／又は塔もしくは配管配置からなる発酵システムであってもよい。バイオリアクターの例は、連続撹拌槽反応器（ＣＳＴＲ）、固定化細胞反応器（ＩＣＲ）、トリクルベッド反応器（ＴＢＲ）、気泡塔、ガスリフト発酵槽、静的ミキサ、循環ループ反応器、中空糸膜バイオリアクター（ＨＦＭ ＢＲ）などの膜反応器、又は気液接触に適した他のデバイスを含む。バイオリアクター１４２は、並列又は直列のいずれかで、複数のリアクター又は段階を含み得る。バイオリアクター１４２は、発酵生成物の大部分が生産される生産反応器であってもよい。
【0050】
バイオリアクター１４２は、Ｃ１炭素源から１つ以上の生成物を生産する能力を有する１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含む。「Ｃ１」は、一炭素分子、例えばＣＯ又はＣＯ２を指す。「Ｃ１炭素源」とは、微生物のための部分的又は唯一の炭素源として機能する一炭素分子を指す。例えば、Ｃ１炭素源は、ＣＯ、ＣＯ２、又はＣＨ２Ｏ２のうちの１つ以上を含みうる。一部の実施形態では、Ｃ１炭素源は、ＣＯ及びＣＯ２の一方又は両方を含みうる。典型的に、Ｃ１固定微生物はＣ１固定細菌である。一実施形態では、微生物は、表１で特定されるＣ１固定微生物に由来する。微生物は、機能的特性に基づいて分類されてもよい。例えば、微生物は、Ｃ１固定微生物、嫌気性生物、アセトゲン、エタノロゲン、及び／又はカルボキシド栄養生物に由来しうる。表１は、微生物の代表的なリストを提供し、微生物の機能特性を特定する。
【0051】
【表1】
【0052】
「嫌気性生物」は、増殖のために酸素を必要としない微生物である。嫌気性生物は、酸素が特定の閾値を超えて存在する場合、負の反応を示し得るか、又は死滅し得る。典型的には、微生物は、嫌気性生物（すなわち、嫌気性）である。一実施形態では、微生物は、表１で特定される嫌気性生物であるか、又はそれに由来する。
【0053】
「アセトゲン」は、嫌気呼吸の生成物として酢酸塩（もしくは酢酸）を生成する、又は生成することが可能である微生物である。典型的には、アセトゲンは、エネルギー節約のため、ならびにアセチル－ＣｏＡ及びアセテートなどのアセチル－ＣｏＡ誘導生成物の合成のためのそれらの主要機構として、ウッド・ユングダール経路を使用する、偏性嫌気性細菌である（Ｒａｇｓｄａｌｅ，Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ，１７８４： １８７３－１８９８， ２００８）。アセトゲンは、アセチル－ＣｏＡ経路を、（１）ＣＯ２からのアセチル－ＣｏＡの還元合成のための機構、（２）末端電子受容、エネルギー節約プロセス、（３）細胞炭素の合成におけるＣＯ２の固定（同化）のための機構として使用する（Ｄｒａｋｅ， Ａｃｅｔｏｇｅｎｉｃ Ｐｒｏｋａｒｙｏｔｅｓ， Ｉｎ： Ｔｈｅ Ｐｒｏｋａｒｙｏｔｅｓ， ３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ， ｐ． ３５４， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， Ｎ．Ｙ．， ２００６）。すべての自然発生アセトゲンは、Ｃ１固定、嫌気性、独立栄養性、及び非メタン資化性である。一実施形態では、微生物は、アセトゲンである。一実施形態では、微生物は、表１で特定されるアセトゲンであるか、又はそれに由来する。
【0054】
より広くは、微生物は、表１で特定される任意の属又は種に由来し得る。例えば、微生物はＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属の一員であってもよい。一実施形態では、本開示の微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ種、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ種、及びＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉ種を含むＣｌｏｓｔｒｉｄｉａのクラスターに由来する。これらの種を最初に報告し、Ａｂｒｉｎｉ， Ａｒｃｈ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ， １６１： ３４５－３５１， １９９４ （Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）， Ｔａｎｎｅｒ，Ｉｎｔ Ｊ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ，４３： ２３２－２３６， １９９３（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）、及びＨｕｈｎｋｅ，ＷＯ２００８／０２８０５５（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉ）によって特徴付けた。本開示の微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、又はＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉの分離株又は変異体にも由来し得る。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍの分離株及び変異体としては、ＪＡ１－１（ＤＳＭ１００６１）（Ａｂｒｉｎｉ， Ａｒｃｈ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１６１： ３４５－３５１， １９９４）、ＬＢＳ１５６０（ＤＳＭ１９６３０）（ＷＯ ２００９／０６４２００）、及びＬＺ１５６１（ＤＳＭ２３６９３）が挙げられる。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉの分離株及び変異体としては、ＡＴＣＣ ４９５８７（Ｔａｎｎｅｒ， Ｉｎｔ Ｊ Ｓｙｓｔ Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ， ４３： ２３２－２３６， １９９３）、ＰＥＴＣＴ（ＤＳＭ１３５２８、ＡＴＣＣ ５５３８３）、ＥＲＩ－２（ＡＴＣＣ ５５３８０）（米国特許第５，５９３，８８６号）、Ｃ－０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）（米国特許第６，３６８，８１９号）、０－５２（ＡＴＣＣ ５５９８９）（米国特許第６，３６８，８１９号）、及びＯＴＡ－１ （Ｔｉｒａｄｏ－Ａｃｅｖｅｄｏ， Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ ｆｒｏｍ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｕｓｉｎｇ Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ， ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ， Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２０１０）が挙げられる。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉの分離株及び変異体としては、ＰＩ １（ＡＴＣＣ ＢＡＡ－６２２， ＡＴＣＣ ＰＴＡ－７８２６）（ＷＯ ２００８／０２８０５５）が挙げられる。
【0055】
本開示の微生物は、１つ以上の生成物を生成するように培養され得る。例えば、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍは、エタノール（ＷＯ ２００７／１１７１５７）、酢酸塩（ＷＯ ２００７／１１７１５７）、ブタノール（ＷＯ ２００８／１１５０８０及びＷＯ ２０１２／０５３９０５）、酪酸塩（ＷＯ ２００８／１１５０８０）、２，３－ブタンジオール（ＷＯ ２００９／１５１３４２）、乳酸塩（ＷＯ ２０１１／１１２１０３）、ブテン（ＷＯ ２０１２／０２４５２２）、ブタジエン（ＷＯ ２０１２／０２４５２２）、メチルエチルケトン（２－ブタノン）（ＷＯ ２０１２／０２４５２２及びＷＯ ２０１３／１８５１２３）、エチレン（ＷＯ ２０１２／０２６８３３）、アセトン（ＷＯ ２０１２／１１５５２７）、イソプロパノール（ＷＯ ２０１２／１１５５２７）、脂質（ＷＯ ２０１３／０３６１４７）、３－ヒドロキシプロピオナート（３－ＨＰ）（ＷＯ ２０１３／１８０５８１）、イソプレン（ＷＯ ２０１３／１８０５８４）、脂肪酸（ＷＯ ２０１３／１９１５６７）、２－ブタノール（ＷＯ ２０１３／１８５１２３）、１，２－プロパンジオール（ＷＯ ２０１４／０３６９１５２）、及び１－プロパノール（ＷＯ ２０１４／０３６９１５２）を生成しうるか、又は生成するように操作されうる。１つ以上の標的生成物に加えて、本開示の微生物はまた、エタノール、酢酸塩、及び／又は２，３－ブタンジオールも生成し得る。ある特定の実施形態では、微生物バイオマス自体が生成物とみなされ得る。
【0056】
培養物は概して、微生物の増殖を可能にするのに十分な栄養素、ビタミン、及び／又は無機物を含む水性培地中で維持される。水性培地は、最小嫌気性微生物増殖培地などの嫌気性微生物培地であってもよい。好適な培地は、当該技術分野において既知である。
【0057】
培養物及び／又は発酵は、望ましくは、標的生成物の生成に適切な条件下で実施されてもよい。典型的には、培養物／発酵は、嫌気性条件下で実施される。考慮すべき反応条件は、圧力（又は分圧）、温度、ガス流速、液体流速、培地ｐＨ、培地酸化還元電位、撹拌速度（連続撹拌槽反応器を使用する場合）、接種レベル、液相中のガスが制限的にならないことを確実にするための最大ガス基質濃度、及び生成物阻害を回避するための最大生成物濃度を含む。具体的には、基質の導入速度は、生成物がガス制限条件下での培養によって消費され得るため、液相中のガスの濃度が制限的にならないことを確実にするように制御されてもよい。
【0058】
上昇した圧力でバイオリアクターを操作することは、気相から液相へのガス物質移動の増加した速度を可能にし、よって利益を提供する。また、所与のガス変換速度は、部分的に基質保持時間の関数であるため、変換速度は、必要とするバイオリアクターの体積を規定する。加圧システムの使用は、必要とするバイオリアクターの体積、及び結果として、培養物／発酵設備の資本コストを大幅に減少させることができる。これは、バイオリアクター中の液体体積を投入ガス流量で除算したものとして定義される保持時間が、バイオリアクターが大気圧よりも上昇した圧力に維持されるときに低減され得ることを意味する。最適反応条件は、使用される特定の微生物に部分的に依存する。特定の実施形態では、発酵は、大気圧よりも高い圧力で動作する。
【0059】
標的生成物は、例えば、分別蒸留、蒸発、浸透蒸発、ガスストリッピング、相分離、例えば、液－液抽出を含む抽出分離を含む、当該技術分野で既知の任意の方法又は方法の組み合わせを使用して、発酵ブロスを分離してもよい。ある特定の実施形態では、標的生成物は、まず微生物細胞をブロスから分離してから、標的生成物を水性残余物から分離して、ブロスの一部分をバイオリアクターから連続的に取り出すことによって、発酵ブロスから回収される。アルコール及び／又はアセトンは、例えば、蒸留によって回収され得る。酸は、例えば、活性炭上での吸着によって回収され得る。分離された微生物バイオマスは、バイオリアクターに再循環されてもよい。標的生成物が除去された後に残された溶液も、バイオリアクターに再循環されてもよい。追加の栄養素を、再循環された溶液に添加して、培地がバイオリアクターに戻される前に、培地が補充されてもよい。
【0060】
ＣＯ濃縮出口流１３０は、バイオリアクター１４２に導入され、発酵されて、上述の生成物のいずれかを含みうるテールガス流１６０及び発酵生成物の流れ１５０を生成する。テールガスという用語は、すべての反応器及び処理が行われた後に、通常、工業プロセスから大気中に放出されるガス及び蒸気を指す。テールガス流１６０は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５への導入のために、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０と最終的に再循環されて組み合わせられる。テールガス流１６０は、発酵中に、例えば、反応によって生成されるいくらかのＣＯ２を含んでもよい。
【0061】
【数7】
【0062】
バイオリアクター１４２からＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５のテールガス流１６０内に存在するＣＯ２を再循環すると、プロセス全体の二酸化炭素の回収効率が上がる。ＣＯが枯渇したテールガス流１６０は、約５ｍｏｌ％未満のＣＯを含んでもよい。一部の実施形態では、テールガス流１６０のＨ２：ＣＯ２モル比は、約３：１以下である。
【0063】
テールガス流１６０は、さらなる処理の前に最も良く除去される様々な成分を含み得る。これらの例では、テールガス流１６０は、１つ以上の成分を除去し、脱硫された、及び／又は酸性ガス処理済みテールガス流３４０を生成し、これがＣＯ２を含む第二のガス流１４０と組み合わせられてもよい。テールガス流１６０から除去され得る１つ以上の成分は、硫黄含有化合物（硫化水素（Ｈ２Ｓ）、二硫化炭素、及び又は二酸化硫黄を含むが限定されない）、芳香族化合物、アルキン、アルケン、アルカン、オレフィン、窒素化合物、リン含有化合物、粒子状物質、固体、酸素、酸素化物、ハロゲン化化合物、ケイ素含有化合物、カルボニル、金属、アルコール、エステル、ケトン、過酸化物、アルデヒド、エーテル、タール、メタンチオール、アンモニア、ジエチルアミン、トリエチルアミン、酢酸、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール及び高級アルコール、ナフタレン、又はそれらの組み合わせを含みうる。これらの構成要素は、加水分解モジュール、酸性ガス除去モジュール、脱酸素化モジュール、触媒水素化モジュール、微粒子除去モジュール、塩化物除去モジュール、タール除去モジュール、及び／又はシアン化水素除去モジュール、及びそれらの組み合わせなど、当技術分野で周知の従来型の除去モジュールによって除去されうる。特定の例では、テールガス流から除去される少なくとも１つの成分は、発酵プロセスによって生成、導入、及び又は濃縮され得る硫化水素などの硫黄含有化合物を含む。硫化水素は、ｒＷＧＳ技術及び触媒を使用したＣＯ２からＣＯへのシステム１２５における触媒阻害剤であってもよい。
【0064】
テールガス流１６０は、ガス成分除去ユニット１７０を通される。ガス成分除去ユニット１７０は、硫黄含有化合物又は酸性ガス成分以外の成分を除去する。一部の実施形態では、除去される成分は水である。水性ガスシフト反応は水を生成するため、水性ガスシフト反応器に供給される水の量を制限することが有利である。水を除去すると、プロセス全体での水バランスが改善される。一部の実施形態では、除去される成分は炭化水素である。ガス成分除去ユニット１７０は、硫黄含有化合物以外の複数の成分を除去するために、複数のサブモジュールを含んでもよい。一部の実施形態では、液体スクラバーは、他の可溶性成分及び高級アルコールを含むエタノールを除去するために使用される。これらの実施形態では、ガス成分除去ユニット１７０は、テールガス流１６０に含まれる発酵生成物を捕捉及び回収するために動作してもよい。揮発性有機化合物はまた、ガス成分除去ユニット１７０内で除去されてもよい。ガス成分除去ユニット１７０で除去されうる他の成分としては、例えば、一窒素種、例えば、シアン化水素（ＨＣＮ）、アンモニア（ＮＨ３）、窒素酸化物（ＮＯｘ）のほか、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、ＢＴＥＸ（ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、（ＢＴＥＸ）、及び／又は酸素（Ｏ２）などの他の既知の酵素阻害ガスが挙げられる。
【0065】
結果として生じる処理済みテールガス流１８５は、第一の圧縮機１９０に渡され、圧縮された処理されたガス流２００が生成され、これがガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０に渡される。一部の実施形態では、圧縮機１９０は、バイオリアクター１４２とガス成分除去ユニット１７０との間のガス成分除去ユニット１７０の上流に位置付けられて、ガス成分除去ユニット１７０に通過する前にテールガス流１６０を圧縮してもよい。概して、圧縮機１９０は、約３Ｂａｒｇ～約１０Ｂａｒｇの圧力で動作する。圧縮された処理済みテールガス流２００は、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０に通過されて、脱硫及び又は酸性ガス処理済みテールガス流３４０を生成する。ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０。硫黄含有化合物及び／又は酸性ガスは、ｒＷＧＳ触媒の活性を抑制することによって、ｒＷＧＳ技術を使用して、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５内で阻害剤として作用するため、除去される。多くの商業用脱硫技術は、ＣＯＳの形態の硫黄を効率的に除去することはできないが、硫化水素の形態の硫黄をよりうまく処理することができる。一実施形態では、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０は、次の反応に従って加水分解することによって、硫化カルボニルＣＯＳなどの化合物を硫化水素Ｈ２Ｓに変換するように動作する。
【0066】
【数8】
【0067】
加水分解は、金属酸化物触媒又はアルミナ触媒によって達成されて、ＣＯＳをＨ２Ｓに変換することができる。一部の実施形態では、２つ以上の脱硫操作、例えば、鉄スポンジに続いて金属酸化物触媒が用いられてもよい。特定の他の実施形態では、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）触媒を用いて硫化水素を除去してもよい。他の実施形態では、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）を利用して、高圧下で容器内に含有される固定床の適切な吸着剤を通して吸着によって酸性ガスを除去する。さらに他の実施形態では、苛性洗浄は、ガス脱硫に使用される。苛性洗浄は、圧縮された処理済みテールガス流２００を、ＮａＯＨなどの苛性溶液に通して、硫黄含有化合物を除去することを含みうる。苛性洗浄による硫化水素の除去は、以下のように表されうる。
【0068】
【数9】
【0069】
ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０から出る、脱硫及び／又は酸性ガス処理済みテールガス流３４０は、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０と組み合わされて、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に再循環されてもよい。あるいは、脱硫及び／又は酸性ガス処理済みテールガス流３４０が、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０と組み合わされるように通過される代わりに、代替的な脱硫及び／又は酸性ガス処理済みテールガス流３４５が、水素を含む第一のガス流１２０と組み合わされる。
【0070】
圧縮された処理済みテールガス流２００の一部分は、ＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わされて、ガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０に渡される代わりに、バイオリアクター１４２に渡されうる。そのような再循環は、微生物が硫黄を消費してアミノ酸、例えばメチオニン及びシステインを産生するため、微生物の成長に利益をもたらす。結果として、バイオリアクター１４２への硫黄投与要件は、圧縮された処理済みテールガス流２００の一部分として硫黄の再循環によって低減される。
【0071】
ガス生産源２２０がバイオガスの生産を含む任意選択の実施形態では、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０の一部分は、任意選択のバイオガス改質装置２３０に渡される。バイオガスとは、肥料、下水汚泥、公共固形廃棄物、生分解性廃棄物、又はその他の任意の生分解性原料などの有機物の嫌気性消化によって生成されるガスを意味する。バイオガスは、主にメタン及び二酸化炭素からなる。一般的に、バイオガス改質装置では、ＣＯ２とメタンの蒸気改質を組み合わせて、合成ガス流を生成する。
【0072】
【数10】
【0073】
図１に関して、バイオガス改質装置２３０で生産されたＣＯ及びＨ２を含むバイオガス改質装置溶出物の流れ２４０は、ＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わされ、多くの発酵プロセスについてＨ２：ＣＯ比を改善するために動作してもよい。
【0074】
一実施形態では、少なくとも一部分のテールガス流１６０は、逆水性ガスシフトユニット、熱触媒変換ユニット、部分燃焼ユニット、プラズマ変換ユニット、ガス化ユニット、又は改質ユニットであってもよい、任意選択の第二のＣＯ２からＣＯへの変換システム５１０を通過する。テールガス流１６０は、ＣＯが少ないが、残留Ｈ２及びＣＯ２を有し得る。テールガス流１６０の少なくとも一部分を、任意選択の第二のＣＯ２からＣＯへの変換システム５１０に通過させ、第二のＣＯ２からＣＯへの変換システム溶出物５１２をバイオリアクター１４２に再循環させることによって、バイオリアクター１４２内のＨ２：ＣＯ比を低下させうる。バイオリアクター１４２におけるＨ２：ＣＯ比のこうした低下は、生成物の選択性に利益をもたらし、微生物成長の増加又は迅速化をもたらしうる。第二のＣＯ２からＣＯへの変換システム溶出物５１２は、独立してバイオリアクター１４２（図示せず）に渡される代わりに、流れ１３０と組み合わされるために再循環されてもよいことが注目される。
【0075】
一実施形態では、水素生産源１１０から生成される水素４３０を含む任意選択の追加的な流れは、バイオリアクター１４２又はＣＯ濃縮出口流１３０に渡され、したがってＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５をバイパスする。水素４３０を含む追加的な流れは、介在する処理ユニットなしで通過されてもよい。Ｈ２の存在下でのＣＯの微生物発酵は、アルコールなどの生成物への実質的に完全な炭素移動をもたらす可能性があるが、十分なＨ２が存在しない場合、利用可能なＣＯの一部分のみが生成物に変換され、一方で別の部分は、次の式でＣＯ２に変換される。６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋４ＣＯ２。したがって、十分な水素をバイオリアクター１４２に提供することは、一部の実施形態では有益であり得る。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に通過させることなく、バイオリアクター１４２又はＣＯ濃縮出口流１３０に通過される水素４３０を含む追加的な流れのバイパスを採用することにより、全体的なプロセス実行の異なる時点で、ユニットに向けられる水素の量の制御が可能となる。例えば、起動中、任意の接種器を含むバイオリアクターで必要とされる水素が少ない可能性があり、それによって、立ち上げ時にＣＯを豊富に含む供給から利益が得られる。しかしながら、実施の終わりに向かって、バイオリアクターではより少ないＣＯが必要とされる場合があり、より大きな相対量のＨ２が用いられてもよい。これは、ターンダウン、又は接種段階で（主要バイオリアクターは接種バイオリアクターよりも受けるＣＯが少ない）、又はバッファタンクを用いるときに、特に有益であり得る。バイパスにより、制御は、供給物のＨ２：ＣＯ比をＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５へ、バイオリアクター１４２へ、又はその両方へ変化させることができる。バイパスにより、Ｈ２：Ｃ（水素：炭素）を、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５、バイオリアクター１４２、又はその両方に対して変化させるように制御することもできる。
【0076】
ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５の使用及びバイオリアクター１４２からＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５からのＣＯ２の再循環を通して、バイオリアクター１４２にＣＯを豊富に含む環境を提供することは、ＣＯの比率が高いガス環境で改善された生成物に対する生成物の選択性に有益であり得る。そのような一例は、エタノールの生産である。もう１つの利点は、Ｗｏｏｄ-Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を有する特定の微生物の微生物増殖が増加する場合があることである。なぜなら、これらの微生物がより高い濃度のＣＯを消費する場合、Ｗｏｏｄ-Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路の生物学的水性ガスシフトが改善されるからである。
【0077】
図２は、本開示の別の実施形態による、ガス流からの少なくとも１つの発酵生成物の生産のための統合システムを示す。水素生産源１１０は、水素を含む第一のガス流１２０を生成する。直接空気回収又はＣＯ２を生成する工業プロセスでありうる、ガス生産源２２０は、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０を生成する。水素を含む第一のガス流１２０とＣＯ２を含む第二のガス流１４０とが組み合わされて、複合供給流れ２５０が形成され、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に渡される。複合供給流れ２５０内のガス組成は、一実施形態では約３：１、別の実施形態では約２．５：１、さらに別の実施形態では約３．５：１、及びさらになお別の実施形態では約５：１よりも多いＨ２：ＣＯ２モル比を含む。
【0078】
一実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５は、ｒＷＧＳ技術を採用する。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５では、ＣＯ２を反応させてＣＯ濃縮出口流１３０を生成する。流れ中の成分のモル比は、図１で論じるとおりである。図２に示すように、一実施形態では、供給流れ２５０の少なくとも一部分は、バイパス流５２０でＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５の周りに任意選択的に迂回される。バイパス流５２０は、ＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わされる。バイパス流５２０の利点は、図１に記載される通りである。ＣＯ濃縮出口流１３０は、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を有するバイオリアクター１４２に渡される。培養物は、発酵されて、１つ以上の発酵生成物１５０及びテールガス流１６０を生成する。ＣＯが枯渇したテールガス流１６０は、約５ｍｏｌ％未満のＣＯを含んでもよい。一部の実施形態では、テールガス流１６０のＨ２：ＣＯ２モル比は、約３：１以下である。
【0079】
テールガス流１６０は、圧縮テールガス流２０２を生成するために第一の圧縮機１９０に渡される。圧縮テールガス流２０２は、ＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わせるために再循環される。任意選択で、テールガス流１６０の小さな第一のパージ流２０４又は圧縮テールガス流２０２の小さな第二のパージ流２０６を除去して、窒素、メタン、アルゴン、ヘリウム、又は他の不活性成分の蓄積を制御してもよい。
【0080】
図１でのように、一実施形態では、少なくとも一部分のテールガス流１６０は、任意選択の第二のＣＯ２からＣＯへの変換システム５１０を通過し、第二のＣＯ２からＣＯへの変換システム溶出物５１２は、バイオリアクター１４２又はＣＯ濃縮出口流に再循環される。また図１でのように、第二のＣＯ２からＣＯへの変換システム溶出物５１２は、独立してバイオリアクター１４２（図示せず）に渡される代わりに、流れ１３０と組み合わされるために再循環されてもよい。
【0081】
図３は、圧縮テールガス流２０２がガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０に渡され、結果として生じる脱硫及び又は酸性ガス処理済みテールガス流３４０がＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に渡されることを除いて、図２に類似した別の実施形態を示す。ＣＯ濃縮出口流１３０内及びテールガス流１６０内の複合供給流れ２５０中のガス組成は、図１及び２に記載されるとおりである。任意選択のバイパス関連の実施形態は、図２に記載されるとおりである。
【0082】
図４は、図２及び３と類似した別の実施形態を示す。テールガス流１６０は、第一の圧縮機１９０に渡され、結果として生じる圧縮テールガス流２０２は、任意選択の制御弁５５０に渡される。任意選択の制御弁５５０は、ガス処理ゾーン１８２に向けられる、又はＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わせられる、圧縮テールガス流２０２の相対的部分を制御するために使用される。ガス処理ゾーン１８２は、ガス成分除去ユニット１７０及びガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０を含むものとして示されている。しかしながら、両方のユニットがすべての実施形態で必要とされるとは限らず、ガス処理ゾーン１８２は、ガス成分除去ユニット１７０又はガス脱硫／酸性ガス除去ユニット１８０のうちの１つのみを含んでもよい。さらに、ガス処理ゾーン１８２のユニットは、任意の順序であってもよい。ガス処理ゾーン１８２から生成された処理済みテールガス流１８５は、複合供給流れ２５０に追加され、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５へ渡される。任意選択の制御弁５５０は、その時点での発酵の相に基づいて異なる割合で圧縮テールガス流２０２を分割するように調整されてもよい。例えば、スタートアップ発酵段階中、バイオリアクター１４２内でのＣＯ需要の増加は、制御弁５５０を調整して、より多くの圧縮テールガス流２０２を流し、ガス処理ゾーン１８２よりも、ＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わせることによって達成されてもよい。一方で、バイオリアクター１４２での発酵が安定相に移行すると、バイオリアクター１４２のＣＯ需要の減少が、制御弁５５０を調整して、圧縮テールガス流２０２の流量を減らし、ガス処理ゾーン１８２よりも、ＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わせることによって達成されうる。他の例では、発酵中のＨ２利用が低い場合、例えば、７０％未満など、制御弁５５０は、より多くの圧縮テールガス流２０２を流して、ガス処理ゾーン１８２よりもＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わせるように調整されてもよい。図示するように、制御弁５５０は、発酵中のＣＯ及び／又はＨ２要件に基づいて、バイオリアクター１４２に提供されるＨ２：ＣＯ比の動的制御を達成するために使用される。ガス組成は、図２及び図３に関連して説明され、任意選択のバイパス実施形態は、図２に記載されるとおりである。
【0083】
図５は、第二の圧縮機１９２の追加を伴う図４と類似している。複合供給流れ２５０は、第二の圧縮機１９２に渡されて、圧縮された複合供給流れ２６０を生成する。複合供給流れ２６０のガス組成は、上述のとおりである。圧縮された複合供給流れ２６０は、処理済みテールガス流１８５と組み合わされ、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に渡されて、ＣＯ濃縮出口流１３０を生成する。ＣＯ濃縮出口流１２０及びテールガス流１６０のガス組成は、上記に記載のとおりである。任意選択の制御弁５５０及びバイパスの実施形態は、上述のとおりである。
【0084】
図６は、複合供給流れ２５０及びテールガス流１６０の両方が第一の圧縮機１９０に渡される実施形態を示す。第一の圧縮機１９２は、ガス処理ゾーン１８２に渡される圧縮された流れ２７０を提供する。ガス処理ゾーンは、上述のとおりである。当然のことながら、一部のガス処理モジュールは、実際のガス組成に基づいて、ガス処理ゾーン１８２に追加又は削除されてもよい。例えば、一部の実施形態では、圧縮された流れ２７０は、発酵において微生物阻害剤として作用し得るアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を含んでもよい。アセチレンを除去するために、触媒水素化モジュールをガス処理ゾーン１８２に含めることができる。触媒的水素化は、ニッケル、パラジウム、プラチナを含むものなど、水素化触媒の存在下で水素を添加することを含む。水素化触媒の選択は、システムの特定のガス組成及び動作条件に依存する。特定の実施形態では、アルミナ担持パラジウム（Ｐｄ／Ａｌ２Ｏ３）が触媒として使用される。こうした触媒の例は、ＢＡＳＦ（商標）Ｒ０～２０／４７である。他の実施形態では、圧縮された流れ２７０のガス組成は、発酵を阻害しうるベンゼン、エチルベンゼン、トルエン、及びキシレン（ＢＥＴＸ）を含み得る。したがって、ＢＥＴＸ除去モジュールはガス処理ゾーン１８２に追加されてもよい。例示的なＢＥＴＸ除去モジュールは、１つ以上の活性炭床を使用して、ＢＥＴＸ成分の吸着を伴いうる。別の例示的なＢＴＥＸ除去モジュールは、ベントガス焼却を含み、これは、熱酸化プロセスであり、ここで、ＢＴＥＸ成分は、約６５０℃を超える温度で燃焼される。処理済み流れ２９０は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に渡される。様々な流れのガス組成が上に示されている。バイパスの実施形態は、上述のとおりである。
【0085】
図７は図６と類似しているが、水素を含む第一のガス流１２０は、水素源１１０によってすでに加圧されていてもよく、そのため第一の圧縮機１９０に渡される必要はない。水素を含む第一のガス流１２０は、第一の圧縮機１９０を通されることなく、ガス処理ゾーン１８２の前、後、又は前と後の両方で、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０と組み合わされてもよい。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に導入する前のガス流２９０内のガス組成は、一実施形態では約３：１、別の実施形態では約２．５：１、さらに別の実施形態では約３．５：１、さらに別の実施形態では約５：１超のＨ２：ＣＯ２モル比を含む。ＣＯ濃縮出口流１３０及びテールガス流１６０のガス組成は、上述のとおりである。
【0086】
図７はまた、水素源１１０によって提供される圧力にかかわらず、水素を含む第一のガス流１２０は任意選択的であり、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５を通過しない水素生産源１１０から生成される水素４３０を含む流れを採用する代わりには、採用することができない実施形態を示す。水素４３０を含む追加の流れは、バイオリアクター１４２に渡されてもよく、又はＣＯ濃縮出口流１３０と組み合わされてもよい。必要に応じて、水素生産源１１０から生成される水素４３０を含む流れは、目標圧力に圧縮されうる。ＣＯ２の供給をＨ２の供給から分離させることにより、プロセス実施全体の異なる時点で、バイオリアクター１４２に向けられる水素の量の制御を増加させることができる。例えば、起動中、任意の接種器を含むバイオリアクターで必要とされる水素が少ない可能性があり、それによって、立ち上げ時にＣＯを豊富に含む供給から利益が得られる。しかしながら、実施の終わりに向かって、バイオリアクターではより少ないＣＯが必要とされる場合があり、より大きな相対量のＨ２が用いられてもよい。これは、ターンダウン、又は接種段階で（主要バイオリアクターは接種バイオリアクターよりも受けるＣＯが少ない）、又はバッファタンクを用いるときに、特に有益であり得る。バイパスにより、制御は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５へ、バイオリアクター１４２へ、又はその両方への供給のＨ２：ＣＯ比を変化させることができる。バイオリアクターの１つの標的Ｈ２：ＣＯ：ＣＯ２比は、１：３：１でありうる。
【0087】
図８では、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０の一部が、第一の圧縮機１９０に渡され、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０の別の部分が、水素を含む第一のガス流１２０と組み合わされ、ガス処理ゾーン１８２に渡され、それによって第一の圧縮機１９０をバイパスする。一部のガス生産源２２０は、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０の成分として酸素を提供しうる。しかしながら、一部の微生物については、酸素は微生物阻害剤であってもよく、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０中の酸素含有量は、許容可能なレベルに低減される必要がある場合がある。これらの状況では、ガス処理ゾーン１８２は、脱酸素化モジュールをさらに含みうる。脱酸素化モジュールは、酸素がＣＯ２又は水のいずれかに還元される触媒プロセスを採用してもよい。特定の実施形態では、脱酸素化モジュールで使用される触媒は、銅を含む。こうした触媒の例は、ＢＡＳＦ ＰＵＲＩＳＴＡＲ（商標）Ｒ ３．１５又はＢＡＳＦ ＣＵ ０２２６Ｓである。脱酸素化プロセスは発熱性であり、生成された熱は、ｒＷＧＳ技術を含むＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５における吸熱反応の前にガスを予熱するなど、全体的なプロセス内で使用されうる。様々な流れのガス組成は、上述のとおりである。バイパス実施形態は、上記のとおりである。
【0088】
図９は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５へのＣＯ濃縮出口流１３０が、バイオリアクター１４２に渡される前に水素分離ユニット３３０が通される実施形態を示す。水素分離ユニット３３０は、膜分離技術又は圧力スイング吸着技術を伴いうる。ＣＯ濃縮出口流１３０から水素を分離すると、水素分離ユニット溶出物３５０のＨ２：ＣＯ比のＣＯの量が増大し、これがバイオリアクター１４２に渡される。水素分離ユニット３３０で生成された分離済み水素流３４４は、第一の圧縮機１９０に別個に再循環されるか（図示せず）、又はテールガス流１６０と組み合わされて、第一の圧縮機１９０にも再循環される。図９は、水素を含む第一のガス流１２０がすでに十分な圧力にあり、それゆえ、第一の圧縮機１９０をバイパスして、ガス処理ゾーン１８２の前に圧縮された流れ２７０と結合する実施形態を示す。水素を含む第一のガス流１２０がまだ加圧されていない場合、水素を含む第一のガス流１２０の少なくとも一部分が第一の圧縮機１９０を通過しうる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に導入する前の処理済み流れ２９０のガス組成は、一実施形態では約３：１、別の実施形態では約２．５：１、さらに別の実施形態では約３．５：１、さらに別の実施形態では約５：１超のＨ２：ＣＯ２モル比を含む。ＣＯ濃縮出口流１３０中のＨ２：ＣＯガス組成は、上述のとおりである。一実施形態では、水素分離ゾーン溶出物３５０中のガス組成は、約１：１超であるが約５：１を超えないＨ２：ＣＯモル比、及び約５：１：１のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を含み、ここでエタノールは上述の生成物であり、さらには他の生成物について上述したとおりである。テールガス流１６０のガス組成は、上述のとおりである。バイパス実施形態は、概して上述のとおりである。
【0089】
図１０は、水素分離ユニット溶出物圧縮機３７０を追加した図９と類似している。水素分離ユニット３３０が圧力スイング吸着を用いた場合、水素分離ユニット溶出物３５０は、バイオリアクター１４２に必要な圧力を下回ることが多い。水素分離ユニット溶出物圧縮機３７０は、バイオリアクター１４２への導入に必要な圧力を達成するために、水素分離ユニット溶出物のさらなる圧縮をもたらした。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５に導入する前の、及びＣＯ濃縮出口流１３０における処理済み流れ２９０内のガス組成は、上述のとおりである。水素溶出物ゾーンの溶出物圧縮機３７０に導入する前の水素分離ユニット溶出物のガス組成は、約１：１超であるが約５：１を超えないＨ２：ＣＯモル比を含み、ガス流３６５のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比は、上述のように生成物としてのエタノールについては約５：１：１であってもよく、さらにはその他の生成物について上述したとおりである。テールガス流１６０内のガス組成は、上述のとおりである。バイパス実施形態は、上述のとおりである。
【0090】
図１１は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５からのＣＯ濃縮出口流１３０が、水素源１１０からの、又はｒＷＧＳ技術を含むＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５の副生成物としての、メタンをさらに含むことを除いて、図６に類似している。時間経過に伴い、これらの源のいずれか又は両方からのメタンは、バイオリアクターテールガス流１６０に蓄積しうる。バイオリアクターテールガス流１６０のメタン濃度が、例えば、１０ｍｏｌ％超、及びおそらく５０ｍｏｌ％超の閾値限界まで増加すると、テールガス流１６０の少なくとも一部分が、テールガスパージ３９０としてメタン変換ユニット４００へと渡される。任意選択の酸素源４１０は、任意選択の酸素を含む流れ４２０をメタン変換ユニット４００に提供しうる。一部の実施形態では、メタン変換ユニット４００の酸素源４１０は、水電解槽であってもよく、それによって酸素は副生成物である。メタン変換ユニット４００は、反応ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏによるメタンの酸化によって少なくともＣＯ２を生成し、少なくともＣＯ２を含み、ＣＯ及びＨ２をさらに備えるメタン変換溶出物の流れ４２１を生成し、これはテールガス流１６０と組み合わせられ、第一の圧縮機１９０に渡されてもよい。メタン変換ユニット４００は、メタン改質ユニット、メタン蒸気改質ユニット、部分酸化ユニット、オートサーマル改質ユニット、酸化ユニット、燃焼ユニット、バイオガス改質ユニット、又はガス化ユニットであってもよい。メタン変換ユニット４００が関与する場合、以下の式で表されるメタンの蒸気改質を伴う：
【0091】
【数11】
【0092】
酸素を含む流れ４２０はまた、ヒーターのバーナーで燃焼されて蒸気を生成するか、又はメタン変換ユニットを加熱してもよい。メタン変換ユニットは、酸素又は二酸化炭素をメタンとの反応物として使用して合成ガスを形成する、オートサーマル改質（ＡＴＲ）を伴いうる。反応は、メタンが部分酸化される単一の反応器で発生してもよい。反応は、以下の式で記述することができる。
【0093】
【数12】
【0094】
処理済み流れ２９０及びＣＯ濃縮出口流１３０のガス組成は、上述のとおりである。テールガス流１６０又はテールガスパージ３９０のガス組成は、典型的には、約５ｍｏｌ％未満のＣＯを含む。一部の実施形態では、テールガス流１６０又はテールガスパージ３９０のＨ２：ＣＯ２モル比は、約３：１以下であり、蓄積されたメタンは、約５ｍｏｌ％よりも大きい。バイパス実施形態は、前述のとおりである。
【0095】
１つの実施形態では、上述のように、水素生産源１１０から生成される水素４３０を含む任意選択の追加的な流れは、バイオリアクター１４２に直接渡される。Ｈ２の存在下でのＣＯの微生物発酵は、アルコールなどの生成物への実質的に完全な炭素移動をもたらす可能性があるが、十分なＨ２が存在しない場合、利用可能なＣＯの一部分のみが生成物に変換され、一方で別の部分は、次の式でＣＯ２に変換される：６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋４ＣＯ２。したがって、十分な水素をバイオリアクター１４２に提供することは、一部の実施形態では有益でありうる。別の実施形態では、ガス生産源２２０から生成されるＣＯ２ ４４０を含む任意選択の追加的な流れは、バイオリアクター１４２に直接渡される。こうした配置は、バイオリアクター１４２のＣＯ２枯渇ゾーンでのＣＯ２分圧の維持にとって有益でありうる。
【0096】
図１２は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１２５がｒＷＧＳシステムであるように選択され、ｒＷＧＳシステムの追加の装置が特に図示される実施形態を対象とする。水素生産源１１０及び第一のガス流１２０、ならびにガス生産源２２０及びＣＯ２を含む第二のガス流、ならびに複合供給流れ２５０については、すべて上述のとおりである。ガス処理ゾーン１８２及び処理済み流れ２９０に加えて、バイオリアクター１４２、発酵生成物の流れ１５０及びテールガス流１６０については、上述のとおりである。
【0097】
処理済み流れ２９０は、予熱器５６０に導入され、そこで、ｒＷＧＳ反応器溶出物５８８との間接的熱交換を介して加熱され、予熱済み流れ５６２を提供する。予熱済み流れ５６２は、さらに加熱して電気的に加熱された流れ５６６を生成するために電気ヒーター５６４に渡され、その後、さらに加熱された燃焼ヒーター５６８内で加熱されて完全に加熱された流れ５７０を生成する。利用可能なエネルギーを最大限に活用して、ｒＷＧＳ反応器の目標温度に到達するために、異なる加熱モードが採用される。冷却する必要のある流れの熱は、加熱する必要のある流れに移され、廃棄物の可燃性成分はバーナーで燃焼され、高温を必要とする熱流れを生成する。
【0098】
完全に加熱された流れ５７０は、単一段階又は多段階反応器システムでありうるｒＷＧＳ反応器５７１に導入される。ｒＷＧＳ反応器５７１では、完全に加熱された流れ５７０中に存在するＣＯ２の少なくとも一部分がＣＯに変換される。したがって、ｒＷＧＳ反応器の溶出物５８８は、完全に加熱された流れ５７０と比較して、ＣＯが濃縮される。ｒＷＧＳ反応器溶出物は、ｒＷＧＳ反応器５７１の温度であるため、別の流れを加熱するために使用されうる利用可能な熱を含み、したがって、処理済み流れ２９０と間接的に熱交換するために予熱器５６０に渡される。次いで、熱交換されたｒＷＧＳ反応器溶出物５６３は、予熱器５６０から熱回収／蒸気発生器５７２に渡され、利用可能な熱をさらに回収する。冷却水流５７４は、熱回収／蒸気発生器５７２に渡され、熱交換されたｒＷＧＳ反応器溶出物５６３から利用可能な熱の交換を受け取り、蒸気流れ５７６を生成する。これは、プロセス全体又は別のプロセスにおいて他の場所で使用されうる。結果として生じる熱が枯渇した流れ５７８は、水ノックアウトユニット５８０に渡されて、水５８４及び水が枯渇した流れ５８２を含む流れを生成する。水５８４を含む蒸気は、プロセス又は水を必要とする別のプロセスの任意の部分に向けられてもよい。水が枯渇した流れ５８２は、空気冷却器５８６に渡されて、ＣＯ濃縮出口流１３０を提供する。
【0099】
ＣＯ濃縮出口流１３０は、部分に分割されてもよく、第一の部分は任意選択の混合器５９０に渡されてもよく、又は任意選択の混合器５９０が存在しない場合、第一の部分はバイオリアクター１４２に渡されてもよい。ＣＯ濃縮出口流１３０の任意選択の第二の部分は、バッファタンク（図示せず）などの別のユニット、又はバイオリアクター１４２の一部であっても一部でなくてもよい接種器反応器に渡されてもよい。ＣＯ濃縮出口流１３０の貯蔵量を有することは、ＣＯ２を含むガス流の供給が低下する期間について有利である。バイオリアクターと比較して、接種器反応器の水素要件が低い場合、ＣＯ濃縮出口流１３０に何らかの追加の水素を添加する前に、ＣＯ濃縮出口流１３０の第二の部分を接種器に渡すことが有利であり得る。ＣＯ濃縮出口流１３０の任意選択の第三の部分は、燃焼ヒーター５６８に再循環されて、燃焼ヒーター５６８のバーナー内で燃焼され、熱を提供することができる。この実施形態は、バイオリアクター１４２がＣＯ濃縮出口流１３０内でのＣＯの消費のためにまだ流れの上にない起動時に特に有利である。
【0100】
一部の実施形態では、混合器５９０に渡される水素生産源１１０からの水素４３０を含む追加の流れを提供することによって、バイオリアクター１４２に提供される水素の量を調整し、制御することが有利である。混合器５９０では、ＣＯ濃縮出口流１３０は、水素を含む追加の流れ４３０と混合されて、バイオリアクター供給流れ５９２を生成する。水素源からＣＯ濃縮出口流１３０に対する、水素を含む追加の流れ４３０の比率は、約０：１～約４：１である。バイオリアクター供給流れが、バイオリアクター１４２に提供され、発酵生成物の流れ１５０が、バイオリアクターテールガス流１６０と同様に生成される。バイオリアクターテールガス流１６０は、部分に分割され、プロセス内の異なる場所に再循環されてもよい。バイオリアクターのテールガスをどこに配線するかは、多くの場合、プロセスの現在の動作状態に依存する。例えば、バイオリアクター１４２が、実質的なＣＯ２を生成するモードで操作される場合、バイオリアクターテールガス１６０は、ＣＯ２からＣＯへの変換のために、少なくとも一部分が、ガス処理ゾーン１８２又はＣＯからＣＯ２への変換システム１２５に再循環されてもよい。任意の時点で、バイオリアクターテールガス１６０の一部分は、燃焼及び熱の発生のために、燃焼ヒーター５６８のバーナーに供給されてもよい。燃焼のためにバイオリアクターテールガス１６０の少なくとも一部分をこのように使用することは、バイオリアクターテールガス１６０がメタンを含有する実施形態で特に有利である。廃水処理システムからのバイオガスは、バイオリアクターテールガス１６０と組み合わされて、燃焼ヒーター５６８の燃焼及び熱に使用されうることが想定される。さらに、廃水処理システムからのバイオガスは、再循環されるか、又はバイオリアクターに直接再循環され得ることが想定される。
【0101】
図１３は、別個の水素流がＣＯからＣＯ２への変換システムを通過しないが、ＣＯからＣＯ２への変換システムの下流で混合されて、バイオリアクターへの供給流れを形成する実施形態を対象とする。別個の水素流６０２は、別個の第二の水素源６００（図示）から取得されてもよく、又は水素源１１０から取得されてもよい。水素を含む別個の水素流６０２は、任意選択の水素流ガス処理ゾーン６０３に渡されて、水素を含む処理済み水素流６０４を生成してもよい。水素流ガス処理ゾーン６０３は、ガス成分除去ユニット及び又はガス脱硫／酸性ガス除去ユニットを含み得る。両方のユニットがすべての実施形態で必要とされるとは限らず、水素ガス処理ゾーン６０３は、ガス成分除去ユニット又はガス脱硫／酸性ガス除去ユニットのうちの１つのみを含んでもよい。さらに、水素流ガス処理ゾーン６０３内のユニットは、任意の順序であってもよい。水素流ガス処理ゾーン６０３から生成される処理済み水素ガス流６０４は、混合器５９０を通過し、処理済みＣＯ濃縮出口流１８６と混合されて、バイオリアクター供給流れ５９２を生成する。
【0102】
水素生産源１１０、水素を含む第一のガス流１２０、ガス生産源２２０、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０、及び複合供給流れ２５０はすべて上述のとおりである。ガス処理ゾーン１８２及び処理済み流れ２９０、ならびにＣＯからＣＯ２への変換システム１２５、ＣＯ濃縮出口流１３０、混合器５９０、混合流れ５９２、バイオリアクター１４２、発酵生成物の流れ１５０及びテールガス流１６０は、上記に記載されているが、異なる比率のＨ２及びＣＯ２を有する可能性がある。第二のガス処理ゾーン１８３及び第三のガス処理ゾーン１８７は、ガス処理ゾーン１８２について記載するとおりである。
【0103】
水素生産源１１０からの水素を含む第一のガス流１２０、及びガス生産源２２０からのＣＯ２を含む第二のガス流１４０を参照すると、流れ中の水素とＣＯ２の異なる比は、プロセス全体の動作の異なる点で有用である。例えば、水素を含む第一のガス流１２０中のＨ２の、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０中のＣＯ２に対するモル比（Ｈ２：ＣＯ２）は、一実施形態では約１：１、別の実施形態では約２：１、さらに別の実施形態では約３：１としうる。Ｈ２：ＣＯ２モル比が１：１の実施形態では、水素を含む第一のガス流１２０は、別個の第二の水素源６００から得られた別個の水素流６０２の２倍の体積を有してもよい。Ｈ２：ＣＯ２モル比が２：１の実施形態では、水素を含む第一のガス流１２０は、別個の第二の水素源６００から得られた別個の水素流６０２の半分の体積を有してもよい。Ｈ２：ＣＯ２モル比が３：１の実施形態では、水素を含む第一のガス流１２０は、必要なすべての水素を提供し、別個の第二の水素源６００から得られた別個の水素流６０２は、使用されない。効果的には、異なる量の水素が、水素流６０２／処理済み水素ガス流６０４の使用を通して、ＣＯからＣＯ２への変換システム１２５をバイパスしてもよい。一実施形態では、水素を含む第一のガス流１２０中の水素に加えて、別個の水素流６０２における水素の総和は、Ｈ２：ＣＯ２のモル比３：１をもたらすのに十分な水素を提供し、ＣＯ２は、ＣＯ２を含む第二のガス流１４０内で測定される。
【0104】
テールガス流１６０は、バイオリアクター１４２に再循環されてもよく、又はＣＯからＣＯ２への変換システム１２５に再循環されてもよい。任意選択で、テールガス流１６０は、第三のガス処理ゾーン１８７を通過して、処理済みテールガス流１８５を生成し、これがその後、ＣＯからＣＯ２への変換システム１２５に通過してもよい。第二のガス処理ゾーン１８３は、ＣＯ濃縮出口流１３０の一部分を任意選択に分離してもよく、これは流れ１８１としてＣＯからＣＯ２への変換システム１２５に再循環することができる。
【0105】
図１～１３は、本開示の制御システムの要素をさらに図示する。１つ以上のセンサ１１７を使用して、バイオリアクター１４２のテールガス１６０のＨ２：ＣＯ２モル比を測定する。別の方法として、又は追加的に、１つ以上のセンサ１１７を使用して、バイオリアクター１４２のヘッドスペースのＨ２：ＣＯ２モル比を測定する。センサ１１７は、ガスクロマトグラフ、プローブ、インジケータ、又は他のこうした測定装置などの分析機器であってもよい。センサ１１７からのＨ２：ＣＯ２モル比を提供する測定値は、無線接続１１８又は有線接続（図示せず）を使用してコントローラ１１５に入力される。コントローラは、フィードバックループコントローラであってもよい。コントローラ１１５は、分散制御システム（ＤＣＳ）タイプのコントローラであってもよい。コントローラ１１５内で、センサ１１７からのＨ２：ＣＯ２モル比を提供する測定されたデータは、所定のＨ２：ＣＯ２モル比と比較される。所定のＨ２：ＣＯ２モル比は、オペレーターによって選択され、多数の変数に基づく。所定のＨ２：ＣＯ２モル比は、異なる操作では異なることが予想される。次いで、コントローラ１１５は、第一のガス流１４０、第二のガス流１２０、水素４３０を含む追加の流れ、又はＣＯ２ ４４０を含む任意の追加の流れ（図１１に示すように）、又はそれらの任意の組み合わせの流量を、測定されたＨ２：ＣＯ２モル比と所定のＨ２：ＣＯ２モル比との間の差に応答して、テールガス流中の不活性成分の濃度を最大化するように、動作して調節する。流量の調整は、コントローラ１１５からの無線信号１１８又は有線（図示せず）信号を受信する流量コントローラ１１６を使用して達成され得る。不活性成分は、発酵に関与しないか、又は無視できる量でしか関与しない成分であってもよい。このようにして、ガス発酵プロセスのバイオリアクターに提供されるガス基質の比が制御される。別の実施形態では、センサ１１７は、テールガス１６０及び／又はバイオリアクターヘッドスペースのＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を提供するためにデータを測定してもよく、制御プロセスは、測定されたＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比及び所定のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２モル比を使用して、上述のように進行してもよい。制御の目的は、テールガス流及び／若しくはバイオリアクターヘッドスペース中の窒素、又は微生物によってはメタンなどの不活性成分の濃度を最大化することである。例えば、一実施形態では、バイオリアクターテールガス流又はバイオリアクターヘッドスペース中の不活性成分の濃度の目標最大値は、約７０体積％～約８０体積％である。
【0106】
センサ１１７は、連続的又は定期的にデータを取得してもよく、周波数は、バイオリアクターの性能、バイオリアクターの動作段階、水素源又はＣ１源が関与する状況、動作条件、環境条件、及びその他などの異なる状況に応じて変化し得る。同様に、所定のモル比も経時的に変化し得る。所定の又は目標モル比は、バイオリアクターの性能、バイオリアクターの動作段階、水素源又はＣ１源が関与する状況、動作条件、環境条件、及びこれに類するものなどの状況に応じて調整され得る。
【0107】
同様に、テールガス流中の不活性成分の濃度を最大化するために、測定されたモル比と所定の又は目標モル比との間の差に応答して、１つ以上の流れの流量を調整するように動作するコントローラの周波数も変化し得る。動作が急速に変動している状況では、調節は頻繁に行う必要があり、定常状態の動作では、調節はあまり頻繁に行われない場合がある。
【0108】
可能性のある分析機器の例としては、様々な検出モードを有するガスクロマトグラフ、ならびに非分散赤外（ＮＤＩＲ）、電気化学、露点、及び熱伝導率などのガス分析器が挙げられる。
【0109】
本明細書に列挙される公表文献、特許出願、及び特許を含むすべての参考文献は、各参考文献が、あたかも参照により組み込まれることが個々にかつ具体的に示されるかのように、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書で引用した参考文献は、その先行技術が任意の国の努力傾注分野において共通の一般知識の一部をなすという認識ではない。
【0110】
本明細書の値の範囲の記述は、本明細書に別段の指示がない限り、範囲内に入る各個々の値を個々に言及する省略法としての役割を果たすことを単に意図し、各個々の値は、あたかも本明細書に個々に列挙されたかのように、本明細書中に組み込まれる。例えば、別段の指示がない限り、任意の濃度範囲、パーセント範囲、比率範囲、整数範囲、サイズ範囲、又は厚さ範囲は、列挙された範囲内の任意の整数の値、及び適切な場合、その分数（整数の１０分の１、及び１００分の１など）を含むと理解されるべきである。別段の指示がない限り、比はモル比であり、パーセンテージは重量ベースである。
【0111】
本明細書に記載されるすべての方法は、本明細書に別段の指示がない限り、又は文脈と別段明らかに相反することがない限り、任意の好適な順序で実施され得る。本明細書に提供されるありとあらゆる例、又は「など」のような例示的な言葉の使用は、本開示をより良く解明することを単に意図し、別段の主張がない限り、本開示の範囲を制限しない。本明細書におけるいかなる言葉も、本開示の実践に不可欠な任意の請求されていない要素を示すものと解釈されるべきではない。
【0112】
本開示の好ましい実施形態が本明細書に記載される。これらの実施形態の変形は、当業者にとって前述の説明を読めば明らかとなりうるものであり、そのような変形の採用は、本開示は本明細書に具体的に記述されるもの以外の方法で実施されうるため、範囲内であることが意図される。したがって、本開示は、適用法によって許可されたとおり、特許請求の範囲に記載される主題のすべての修正物及び同等物を含む。更に、そのすべての考えられる変形における上記の要素の任意の組み合わせは、本明細書に別段の指示がない限り、又は文脈と別段明らかに相反することがない限り、本開示によって包含される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】