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(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】2024-04-02
(54)【発明の名称】炭素変換率を改善するための方法
(51)【国際特許分類】
C12P 1/04 20060101AFI20240326BHJP
C12N 1/20 20060101ALI20240326BHJP
A23K 10/16 20160101ALI20240326BHJP
【ＦＩ】
C12P1/04 Z
C12N1/20 A
A23K10/16
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023560267
(86)(22)【出願日】2022-04-08
(85)【翻訳文提出日】2023-10-03
(86)【国際出願番号】 US2022071637
(87)【国際公開番号】W WO2022217280
(87)【国際公開日】2022-10-13
(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
(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】コンラッド，ロバート ジョン
(72)【発明者】
【氏名】シンプソン，シーン デニス
(72)【発明者】
【氏名】マーティン，マイケル エマーソン
(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】ロジン，リチャード ラッセル
【テーマコード（参考）】
2B150
4B064
4B065
【Ｆターム（参考）】
2B150AC01
2B150AC15
4B064AC01
4B064AC03
4B064AC04
4B064AC05
4B064AC31
4B064AD05
4B064AD06
4B064AD33
4B064AD85
4B064CA02
4B064CA31
4B064DA16
4B065AA23X
4B065AC14
4B065BC50
4B065CA54
(57)【要約】
本開示は、ＣＯ消費プロセス、例えばガス発酵プロセスとＣＯ２からＣＯへの変換システムとの統合を提供する。本開示は、産業プロセスによって生成されるＣＯ２含有ガス状基質を利用することができ、かつガス状基質をＣＯ２からＣＯへの変換システムに送る前にＣＯ２含有ガス状基質から少なくとも一つの構成要素を除去するために一つまたは複数の除去モジュールが設けられる。本開示は、一つまたは複数の圧力モジュール、一つまたは複数のＣＯ２濃縮モジュール、一つまたは複数のＯ２分離モジュール、および／または水電解モジュールをさらに備えることができる。ＣＯ消費プロセスで生成したＣＯ２をＣＯ２からＣＯへの変換プロセスに再循環させることで、炭素変換効率が向上する。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素変換効率を改善するための方法であって、ａ．産業プロセス、合成ガスプロセス、またはそれらの組み合わせからのＣＯ２含有ガス状基質を、ＣＯ２含有ガス状基質から少なくとも一つの構成要素を除去するための少なくとも一つの除去モジュールに、ＣＯ２の少なくとも一部を含む処理済みガス流を生成するために送ることと、
ｂ．第一のＣＯ富化流を生成するために、前記処理済みガス流を、ＣＯ２の少なくとも一部を変換するためのＣＯ２からＣＯへの変換システムに送ることであって、前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムが、逆水性ガスシフト反応システム、熱触媒変換システム、電極触媒変換システム、部分燃焼システム、またはプラズマ変換システムから選択される、送ることと、
ｃ．前記第一のＣＯ富化流の少なくとも一部を、少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養物を含むバイオリアクターに送ることと、
ｄ．一つまたは複数の発酵生成物、ならびにＣＯ２およびＨ２を含む発酵後のガス状基質を生成するために、前記培養物を発酵させることと、
ｅ．処理済みガス流を生成するために、ＣＯ２およびＨ２を含む前記発酵後のガス状基質の少なくとも一部を、前記発酵後のガス状基質から少なくとも一つの構成要素を除去するための少なくとも一つの除去モジュールに送ることと、
ｆ．前記処理された流れの少なくとも一部を前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムに再循環させることと、を含む、方法。
【請求項2】
前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムが、逆水性ガスシフト反応システムであり、前記方法が、水電解装置を使用してＨ２リッチ流を生成し、かつ前記Ｈ２リッチ流の少なくとも一部を前記逆水性ガスシフト反応システム、または前記逆水性ガスシフト反応システムの上流の位置へ送ることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
処理済みガス流を生成するために、ＣＯ２およびＨ２を含む前記発酵後のガス状基質の少なくとも一部を、前記発酵後のガス状基質から少なくとも一つの構成要素を除去するための少なくとも一つの除去モジュールに送ることと、前記処理された流れの少なくとも一部を前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムへ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4】
前記産業プロセスが、発酵、炭水化物発酵、糖発酵、セルロース発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプ・製紙製造、鋼材製造、石油精製、石油化学生成、コークス生産、嫌気性消化、好気性消化、天然ガス抽出、オイル抽出、地質学的貯蔵層、冶金プロセス、アルミニウム、銅およびもしくは鉄合金の生産のためのアルミニウム、銅およびもしくは鉄合金の精製、直接空気捕捉、もしくはそれらの任意の組み合わせから選択される、または、前記合成ガスプロセスが、石炭のガス化、精製残渣のガス化、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、都市固形廃棄物のガス化、都市液体廃棄物のガス化、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、バイオガスのガス化、埋立地ガスの改質、バイオガスの改質、メタンの改質、ナフサの改質、部分酸化、もしくはそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
水電解装置を使用してＨ２リッチ流を生成すること、ならびにａ．前記バイオリアクターに送られる前に、Ｈ２リッチ流の少なくとも一部をＣＯ富化流と混合すること、
ｂ．Ｈ２リッチ流の少なくとも一部を前記バイオリアクターに送ること、または
ｃ．ａ）およびｂ）の両方、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムからの前記ＣＯ富化流が、前記バイオリアクターに送られる前に除去モジュールに送られる、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
ａ．前記ＣＯ富化流と、ｂ．前記ＣＯ２含有ガス基質と、および／または
ｃ．前記発酵後のガス状基質と、から除去される前記少なくとも一つの構成要素が、
硫黄含有化合物、芳香族化合物、アルキン、アルケン、アルカン、オレフィン、窒素含有化合物、酸素、リン含有化合物、粒子状物質、固体、酸素、ハロゲン化化合物、シリコン含有化合物、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、およびナフタレンから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記除去モジュールによって前記ＣＯ富化流から除去される少なくとも一つの構成要素が、酸素を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
除去および／または変換される少なくとも一つの構成要素が、微生物阻害剤および／または触媒阻害剤である、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記除去される少なくとも一つの構成要素が、発酵工程によって生成、導入、および／または濃縮される、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
除去される少なくとも一つの構成要素が、前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムによって生成、導入、および／または濃縮される、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記Ｃ１固定微生物が、カルボキシド栄養性細菌である、請求項１記載の方法。
【請求項13】
前記カルボキシド栄養性細菌は、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍを含む群から選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記カルボキシド栄養性細菌が、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍである、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
（ｉ）前記ＣＯ２含有ガス状基質が前記一つもしくは複数の除去モジュールに送られる前の前記ＣＯ２含有ガス状基質、（ｉｉ）前記処理済みガス流が前記水電解装置に送られる前の二酸化炭素の少なくとも一部を含む前記処理済みガス流、および／または（ｉｉｉ）前記発酵後のガス状基質が前記一つもしくは複数の除去モジュールもしくは前記バイオリアクターに送られる前の前記発酵後のガス状基質、に含有される二酸化炭素のレベルを高めるために、前記ＣＯ２含有ガス状基質が二酸化炭素濃縮モジュールに送られる、請求項１に記載の方法。
【請求項16】
前記産業プロセス、前記合成ガスプロセス、またはそれらの組み合わせからの前記ＣＯ２含有ガス状基質を圧力モジュールに送って加圧ＣＯ２含有ガス流を生成し、その後、前記加圧ＣＯ２含有ガス流を前記第一の除去モジュールに送ることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項17】
前記ＣＯ富化流を圧力モジュールに送って、加圧ＣＯ流を生成すること、および前記加圧ＣＯ流を前記バイオリアクターに送ることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項18】
少なくとも一つの除去モジュールは、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、またはシアン化水素研磨モジュールから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項19】
少なくとも一つの発酵生成物は、エタノール、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ネート、テルペン、脂肪酸、２－ブタノール、１，２－プロパンジオール、または１－プロパノールから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項20】
前記発酵生成物のうちの少なくとも一つが、ディーゼル、ジェット燃料、および／またはガソリンのうちの少なくとも一つの構成要素にさらに変換される、請求項１に記載の方法。
【請求項21】
前記発酵生成物のうちの少なくとも一つが、微生物バイオマスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項22】
前記微生物バイオマスの少なくとも一部が処理されて、動物用飼料の少なくとも一部が生成される、請求項２０に記載の方法。
【請求項23】
前記ＣＯ富化流が、酸素の少なくとも一部を含み、前記ＣＯ富化流の少なくとも一部が、酸素分離モジュールに送られて、前記一酸化炭素富化流から酸素の少なくとも一部を分離する、請求項１に記載の方法。
【請求項24】
統合産業用発酵システムのプロセス経済性を改善するための方法であって、前記方法は、ａ．水を含む供給原料を水電解装置に送ることであって、前記水の少なくとも一部がＨ２およびＯ２に変換される、送ることと、
ｂ．ＣＯ富化流を生成するために、ＣＯ２含有ガス状基質を逆水性ガスシフトプロセスに送ることと、
ｃ．前記ＣＯ富化流の少なくとも一部を、前記逆水性ガスシフトプロセスから少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養物を含むバイオリアクターに送ることと、
ｄ．前記Ｈ２の少なくとも一部を、前記逆水性ガスシフトプロセス、前記バイオリアクター、または前記逆水性ガスシフトプロセスおよび前記バイオリアクターの両方へ送ることと、
ｅ．一つまたは複数の発酵生成物、ならびにＣＯ２およびＨ２を含む発酵後のガス状基質を生成するために、前記培養物を発酵させることと、
ｆ．前記発酵後のガス状基質の少なくとも一部を前記逆水性ガスシフトプロセスに戻すことと、を含む、方法。
【請求項25】
前記バイオリアクターから出る発酵後のガス状基質中のＣＯ２の量は、前記バイオリアクターに導入される未変換のＣＯ２の量よりも多い、請求項２４に記載の方法。
【請求項26】
前記発酵プロセスが、ＣＯ２濃縮モジュールの機能を実行する、請求項２４に記載の方法。
【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６３／１７３，２４７号の利益を主張し、この全体は、参照によって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６３／１７３，２４７号の利益を主張し、この全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【0002】
本開示は、炭素変換効率を改善するためのプロセスおよび方法に関する。特に、本開示は、一酸化炭素消費プロセスと、産業プロセスまたは合成ガスとの組み合わせに関し、ここで、産業プロセスまたは合成ガスからのガスは処理および変換を受け、一酸化炭素消費プロセスによって生成された二酸化炭素は、再循環されて生成物の収率を向上させる。
【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（Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ）。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－トロプシュ法などの触媒プロセスを使用して、ＣＯ２、一酸化炭素（ＣＯ）、および／または水素（Ｈ２）を含有するガスを、様々な燃料およ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。特に、Ｃ１固定微生物は、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、および／またはＨ２を含有するガスを、エタノールおよび２，３－ブタンジオールなどの生成物に変換することが示されている。
【0005】
そのようなガスは、例えば、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙製造、鋼材製造、石油精製および関連付けられたプロセス、石油化学生成、コークス生産、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、オイル抽出、冶金プロセス、アルミニウム、銅および／または鉄合金の生産および／または精製、地質学的貯蔵層、フィッシャートロプシュ法、メタノール生産、熱分解、水蒸気メタン改質、乾燥メタン改質、バイオガスまたは天然ガスの部分酸化、ならびにバイオガスまたは天然ガスの自己熱改質からのガス放出を含む、産業プロセスから得られる場合がある。
【0006】
Ｃ１固定発酵プロセスなどのＣＯ消費プロセスでこれらのガスの使用を最適化するために、産業用ガスでは、処理と変換の組み合わせが必要になる場合がある。したがって、産業用ガスの処理および変換のためのプロセスを含むＣＯ消費プロセスと産業プロセスの改善された統合の必要性が残っており、それによって炭素変換効率が最適化される。
【発明の概要】
【0007】
炭素変換効率を改善するためのプロセスが開示される。方法は、ａ）産業プロセス、合成ガスプロセス、またはそれらの組み合わせからのＣＯ２含有ガス状基質を、ＣＯ２含有ガス状基質から少なくとも一つの構成要素を除去するための少なくとも一つの除去モジュールに、ＣＯ２の少なくとも一部を含む処理済みガス流を生成するために送ることと、ｂ）第一のＣＯ富化流を生成するために、処理済みガス流を、ＣＯ２の少なくとも一部を変換するためのＣＯ２からＣＯへの変換システムに送ることであって、ＣＯ２からＣＯへの変換システムが、逆水性ガス反応システム、熱触媒変換システム、電極触媒変換システム、部分燃焼システム、またはプラズマ変換システムから選択される、送ることと、ｃ）第一のＣＯ富化流の少なくとも一部を、少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養物を含むバイオリアクターに送ることと、ｄ）一つまたは複数の発酵生成物、ならびにＣＯ２およびＨ２を含む発酵後のガス状基質を生成するために培養物を発酵させることと、ｅ）処理済みガス流を生成するために、ＣＯ２およびＨ２を含む発酵後のガス状基質の少なくとも一部を、発酵後のガス状基質から少なくとも一つの構成要素を除去するための少なくとも一つの除去モジュールに送ることと、ｆ）処理された流れの少なくとも一部を前記ＣＯ２からＣＯへの変換システムに再循環させることと、を含む。
【0008】
産業プロセスは、発酵、炭水化物発酵、糖発酵、セルロース発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプ・製紙製造、鋼材製造、石油精製、石油化学生成、コークス生産、嫌気性消化、好気性消化、天然ガス抽出、オイル抽出、地質学的貯蔵層、冶金プロセス、アルミニウム、銅およびもしくは鉄合金の生産のためのアルミニウム、銅およびもしくは鉄合金の精製、直接空気捕捉、もしくはそれらの任意の組み合わせから選択され、または、合成ガスプロセスは、石炭のガス化、精製残渣のガス化、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、都市固形廃棄物のガス化、都市液体廃棄物のガス化、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、バイオガスのガス化、埋立地ガスの改質、バイオガスの改質、メタンの改質、ナフサの改質、部分酸化、もしくはそれらの任意の組み合わせから選択される。
【0009】
Ｈ２リッチ流は、水電解装置を使用して生成されてもよく、Ｈ２リッチ流の少なくとも一部はバイオリアクター送られる前にＣＯ富化流と混合されてもよく、もしくはＨ２リッチ流の少なくとも一部がバイオリアクターに送られてもよく、またはＨ２リッチ流の少なくとも一部はバイオリアクター送られる前にＣＯ富化流と混合されてもよく、かつＨ２リッチ流の少なくとも一部がバイオリアクター送られてもよい。
【0010】
ＣＯ２からＣＯへの変換システムからのＣＯ富化流のプロセスは、バイオリアクターに送られる前に除去モジュールに送られてもよい。少なくとも一つの構成要素は、ａ）ＣＯ富化流 ｂ）ＣＯ２含有ガス基質、およびまたはｃ）発酵後のガス状基質から除去されることができ、ならびに、硫黄含有化合物、芳香族化合物、アルキン、アルケン、アルカン、オレフィン、窒素含有化合物、酸素、リン含有化合物、粒子状物質、固体、酸素、ハロゲン化化合物、シリコン含有化合物、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、およびナフタレンから選択されることができる。除去モジュールによってＣＯ富化流から除去される少なくとも一つの構成要素は、酸素を含んでもよい。除去および／または変換される少なくとも一つの構成要素は、微生物阻害剤および／または触媒阻害剤であってもよい。除去される少なくとも一つの構成要素は、発酵工程によって生成、導入、および／または濃縮されてもよい。除去される少なくとも一つの構成要素は、ＣＯ２からＣＯへの変換システムによって生成、導入、および／または濃縮されてもよい。
【0011】
Ｃ１固定微生物は、カルボキシド栄養性細菌であってもよい。カルボキシド栄養性細菌は、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍを含む群から選択されることができる。カルボキシド栄養性細菌は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍであってもよい。
【0012】
ＣＯ２含有ガス状基質は、（ｉ）ＣＯ２含有ガス状基質が一つもしくは複数の除去モジュールに送られる前のＣＯ２含有ガス状基質、（ｉｉ）処理済みガス流が水電解装置に送られる前の二酸化炭素の少なくとも一部を含む処理済みガス流、および／または（ｉｉｉ）発酵後のガス状基質が一つもしくは複数の除去モジュールもしくはバイオリアクターに送られる前の発酵後のガス状基質、に含有される二酸化炭素のレベルを高めるために、二酸化炭素濃縮モジュールに送られてもよい。産業プロセス、合成ガスプロセス、またはそれらの組み合わせからのＣＯ２含有ガス状基質を圧力モジュールに送って加圧ＣＯ２含有ガス流を生成し、その後、加圧ＣＯ２含有ガス流を第一の除去モジュールに送ってもよい。ＣＯ富化流は、圧力モジュールに送られて加圧ＣＯ流を生成してもよく、加圧ＣＯ流はバイオリアクターに送られてもよい。
【0013】
少なくとも一つの除去モジュールは、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、またはシアン化水素研磨モジュールから選択されることができる。
【0014】
少なくとも一つの発酵生成物は、エタノール、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ネート、テルペン、脂肪酸、２－ブタノール、１，２－プロパンジオール、または１－プロパノールから選択されることができる。発酵生成物のうちの少なくとも一つは、ディーゼル、ジェット燃料、および／またはガソリンのうちの少なくとも一つの成分にさらに変換されることができる。少なくとも一つの発酵生成物は、微生物バイオマスを含んでもよい。微生物バイオマスの少なくとも一部が処理されて、動物用飼料の少なくとも一部を生成してもよい。
【0015】
ＣＯ富化流が、酸素の少なくとも一部を含み、ＣＯ富化流の少なくとも一部が酸素分離モジュールに送られて、一酸化炭素富化流から酸素の少なくとも一部を分離してもよい。
【0016】
統合産業用発酵システムのプロセス経済性を改善するための方法も開示されている。プロセスは、ａ）水を含む供給原料を水電解装置に送ることであって、水の少なくとも一部がＨ２およびＯ２に変換される、送ることと、ｂ）ＣＯ２含有ガス状基質を逆水性ガスシフトプロセスに送り、ＣＯ富化流を生成することと、ｃ）逆水性ガスシフトプロセスからのＨ２の少なくとも一部およびＣＯ富化流の少なくとも一部を、少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養物を含有するバイオリアクターに送ることと、ｄ）培養物を発酵させて、一つまたは複数の発酵生成物ならびにＣＯ２およびＨ２を含む発酵後のガス状基質を生成することと、ｅ）発酵後のガス状基質の少なくとも一部を逆水性ガスシフトプロセスに戻すことと、を含む。バイオリアクターから出る発酵後のガス状基質中のＣＯ２の量は、バイオリアクターに導入される未変換のＣＯ２の量よりも多くてもよい。発酵プロセスは、ＣＯ２濃縮モジュールの機能を実行する。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明者らは、ＣＯ２生成産業プロセスとＣＯ消費プロセスとの統合、ならびにＣＯ２からＣＯへの変換プロセス前の除去プロセスが、ＣＯ２生成産業プロセス、およびＣ１固定発酵プロセスであることができるＣＯ消費プロセスに実質的な利益を提供することができることを特定した。
【0024】
「産業プロセス」という用語は、化学的、物理的、電気的、及び／又は機械的ステップを含む物質を生成、変換、精製、改質、抽出、又は酸化するプロセスを指す。例示的な産業プロセスには、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプ及び製紙製造、鋼材製造、石油精製及び関連付けられたプロセス、石油化学生成、コークス生産、嫌気性または好気性消化、ガス化（例えば、バイオマス、液体廃棄物の流れ、液体廃棄物の流れ、固体廃棄物の流れ、都市の流れ、天然ガス、石炭および石油を含む化石資源）、天然ガス抽出、オイル抽出、冶金プロセス、アルミニウム、銅および／または鉄合金の生成および／または精製、地質学的貯蔵層、フィッシャー・トロプシュプロセス、メタノール生成、熱分解、水蒸気メタン改質、乾燥メタン改質、バイオガスまたは天然ガスの部分酸化、直接空気捕捉、並びにバイオガスまたは天然ガスの自己熱改質が含まれるが、これらに限定されない。これらの実施形態では、基質及び／又はＣ１炭素源は、任意の簡便な方法を使用して、それが大気中に放出される前に産業プロセスから捕捉されてもよい。
【0025】
「産業プロセスからのガス」、「産業プロセスからのガス源」、及び「産業プロセスからのガス状基質」という用語は、産業プロセスからのオフガス、産業プロセスの副生成物、産業プロセスの共生成物、産業プロセス内でリサイクルされるガス、及び／又はエネルギー回収のために産業施設内で使用されるガスを指すために互換的に使用され得る。いくつかの実施形態では、産業プロセスからのガスは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）テールガスである。いくつかの実施形態では、産業プロセスからのガスは、アミンスクラビング又は炭酸脱水酵素溶液の使用を伴う可能性がある、ＣＯ２抽出プロセスを通して得られるガスである。
【0026】
「Ｃ１」は、１炭素分子、例えば、ＣＯ、ＣＯ２、メタン（ＣＨ４）、又はメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を指す。「Ｃ１酸素化物」は、少なくとも一つの酸素原子も含む１炭素分子、例えば、ＣＯ、ＣＯ２、又はＣＨ３ＯＨを指す。「Ｃ１炭素源」とは、本開示の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つの炭素分子を指す。例えば、Ｃ１炭素源は、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ、又はギ酸（ＣＨ２Ｏ２）のうちの一つ以上を含み得る。好ましくは、Ｃ１炭素源は、ＣＯ及びＣＯ２のうちの一つ又は両方を含む。「Ｃ１固定微生物」は、Ｃ１炭素源から一つ以上の生成物を生成する能力を有する微生物である。典型的には、本開示の微生物は、Ｃ１固定細菌である。
【0027】
「基質」は、炭素及び／又はエネルギー源を指す。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。好ましくは、基質は、ＣＯ又はＣＯ及びＣＯ２のＣ１炭素源を含む。基質は、Ｈ２、Ｎ２、又は電子などの他の非炭素成分をさらに含み得る。本明細書で使用される場合、「基質」は、本開示の微生物の炭素及び／又はエネルギー源を指し得る。
【0028】
「共基質」という用語は、必ずしも生成物合成のための一次エネルギー及び材料源ではないが、主要な基質などの別の基質と組み合わされた場合に生成物合成に利用することができる物質を指す。
【0029】
「ＣＯ２含有ガス状基質」、「ＣＯ２含有ガス」、又は「ＣＯ２含有ガス源」は、ＣＯ２を含む任意のガスを含み得る。ガス状基質は、典型的には、かなりの割合のＣＯ２、好ましくは少なくとも約５体積％～約１００体積％のＣＯ２を含有する。加えて、ガス状基質は、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、及び／又はＣＨ４のうちの一つ以上を含んでもよい。本明細書で使用される場合、ＣＯ、Ｈ２、及びＣＨ４は、「エネルギーリッチガス」と称され得る。
【0030】
本明細書で使用される場合、「炭素捕獲」という用語は、ＣＯ２及び／又はＣＯを含む流れからのＣＯ２及び／又はＣＯを含む炭素化合物の隔離、並びにａ）ＣＯ２及び／若しくはＣＯを生成物に変換すること、ｂ）ＣＯ２及び／若しくはＣＯを長期貯蔵に適した基質に変換すること、ｃ）ＣＯ２及び／若しくはＣＯを長期貯蔵に適した基質にトラップすること、又はｄ）これらのプロセスの組み合わせのいずれかを指す。
【0031】
用語「効率を高める」、「高められた効率」などは、ＣＯ２および／またはＣＯを、生成物および／または生成物濃度の増加に変換する速度の増加などの、反応の速度および／または出力の増加を指す。「効率を高める」という用語は、発酵プロセスに関して使用される場合、発酵を触媒する微生物の増殖速度、高生成物濃縮における増殖および／または生成物生成速度、消費される基質の１体積当たりに生成される所望の生成物の体積、所望の生成物の生成速度又は生成レベル、ならびに発酵の他の副生成物と比較して生成される所望の生成物の相対的割合のうちの一つまたは複数を増加させることを含むが、これらに限定されない。
【0032】
本明細書で使用される場合、「反応物」は、化学反応に存在し、反応中に消費されて生成物を生成する物質を指す。反応物は、化学反応中に変化する出発材料である。特定の実施形態では、反応物には、ＣＯ及び／又はＨ２が含まれるが、これらに限定されない。特定の実施形態では、反応物は、ＣＯ２である。
【0033】
「ＣＯ消費プロセス」とは、ＣＯが反応物であるプロセスを指し、ここでＣＯは生成物を生成するために消費される。ＣＯ消費プロセスの非限定的な実施例は、Ｃ１固定ガス発酵プロセスである。ＣＯ消費プロセスには、ＣＯ２生成反応が含まれる場合がある。例えば、ＣＯ消費プロセスでは、発酵生成物などの少なくとも一つの生成物並びにＣＯ２の生成がもたらされ得る。別の実施例では、酢酸の生成は、ＣＯ消費プロセスであり、ＣＯは、加圧下でメタノールと反応する。
【0034】
「ガス流」は、例えば、あるモジュールから別のモジュールに、あるモジュールからＣＯ消費プロセスに、及び／又はあるモジュールから炭素捕捉手段に渡されることが可能である基質の任意の流れを指す。
【0035】
ガス流は通常、純粋なＣＯ２流ではなく、少なくとも一つの他の成分の割合を含む。例えば、各供給源は、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２、及び様々な構成物の比率が異なる場合がある。割合が異なるため、ＣＯ消費プロセスに導入する前に、ガス流を処理する必要がある。ガス流の処理には、微生物阻害剤及び／又は触媒阻害剤であり得る様々な構成物の除去及び／又は変換が含まれる。好ましくは、触媒阻害剤は、ＣＯ２からＣＯへの変換プロセスに送られる前に除去および／または変換され、微生物阻害剤は、ＣＯ消費プロセスに送られる前に除去および／または変換される。加えて、ガス流は、ＣＯ及び／又はＣＯ２の濃度が増加する一つ以上の濃縮ステップを受ける必要がある場合がある。好ましくは、ガス流は、ＣＯ２からＣＯへの変換プロセスに送られる前に、ＣＯ２の濃度を増加させる濃縮ステップを受ける。ＣＯ２からＣＯへの変換プロセスに送り込まれるＣＯ２の濃度が高くなると、ＣＯ２からＣＯへの変換プロセスから出てくるＣＯの濃度が高くなることが分かった。
【0036】
「除去モジュール」、「汚染物質除去モジュール」、「クリーンアップモジュール」、「処理モジュール」などには、ガス流から少なくとも一つの構成要素を変換すること、および／または除去することのいずれかを行うことができる技術が含まれる。除去モジュールの非限定的な実施例には、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、およびシアン化水素研磨モジュールが含まれる。
【0037】
本明細書で使用される場合、用語「構成要素」、「汚染物質」等は、ガス流に存在する場合がある微生物阻害剤および／または触媒阻害剤を指す。特定の実施形態では、構成要素は、硫黄含有化合物、芳香族化合物、アルキン、アルケン、アルカン、オレフィン、窒素含有化合物、リン含有化合物、粒子状物質、固体、酸素、ハロゲン化化合物、シリコン含有化合物、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、およびナフタレンを含むが、これらに限定されない。好ましくは、除去モジュールによって除去された構成要素は、ＣＯ２を含まない。
【0038】
本明細書で使用される「微生物阻害剤」は、微生物を含む特定の化学反応または他のプロセスを減速または防止する一つまたは複数の構成要素を指す。特定の実施形態では、微生物阻害剤には、酸素（Ｏ２）、シアン化水素（ＨＣＮ）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、およびＢＴＥＸ（ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン）が含まれるが、これらに限定されない。
【0039】
本明細書で使用される場合、「触媒阻害剤」、「吸着性阻害剤」などは、化学反応の速度を低下させるか、または化学反応を防止する一つまたは複数の物質を指す。特定の実施形態では、触媒阻害剤には、硫化水素（Ｈ２Ｓ）および硫化カルボニル（ＣＯＳ）が含まれ得るが、これらに限定されない。
【0040】
場合によっては、除去された少なくとも一つの構成要素は、発酵ステップによって生成、導入、および／または濃縮される。これらの構成要素のうちの一つまたは複数は、発酵後のガス状基質に存在してもよい。例えば、Ｈ２Ｓの形態の硫黄は、発酵ステップにより生成、導入、および／または濃縮されることができる。特定の実施形態では、硫化水素が、発酵ステップで導入される。様々な実施形態では、発酵後のガス状基質は、硫化水素の少なくとも一部分を含む。硫化水素は、触媒阻害剤であり得る。硫化水素は、用いられる場合、特にＣＯ２からＣＯへの変換プロセスを阻害する場合がある。非阻害性の発酵後のガス状基質をＣＯ２からＣＯへの変換プロセスに送るために、硫化水素の少なくとも一部、または発酵後のガス状基質に存在する他の構成要素を、一つまたは複数の除去モジュールによって除去する必要がある場合がある。別の実施形態では、アセトンは、発酵ステップによって生成されてもよく、木炭は、除去モジュールとして使用されてもよい。
【0041】
用語「処理済みガス」および「処理済みガス流」は、少なくとも一つの除去モジュールを通過し、かつ一つまたは複数の構成要素が除去および／または変換されたガス流を指す。例えば、「ＣＯ２処理済みガス流」とは、一つまたは複数の除去モジュールを通過したＣＯ２含有ガスを指す。
【0042】
「濃縮モジュール」などは、ガス流の特定の成分のレベルを上げることができる技術を指す。特定の実施形態では、濃縮モジュールは、ＣＯ２濃縮モジュールであり、ＣＯ２濃縮モジュールを出るガス流中のＣＯ２の割合は、ＣＯ２濃縮モジュールに渡される前のガス流中のＣＯ２の割合と比較して高い。いくつかの実施形態では、ＣＯ２濃縮モジュールは、脱酸素化技術を使用して、ガス流からＯ２を除去し、したがってガス流中のＣＯ２の割合を増加させる。いくつかの実施形態では、ＣＯ２濃縮モジュールは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）技術を使用して、ガス流からＨ２を除去し、したがってガス流中のＣＯ２の割合を増加させる。特定の実例では、発酵プロセスは、ＣＯ２濃縮モジュールの機能を実行する。いくつかの実施形態では、濃縮モジュールからのガス流は、炭素捕捉及び隔離（ＣＣＳ）ユニット又は強化油回収（ＥＯＲ）ユニットに渡される。
【0043】
本明細書で使用する用語「ＣＯ２からＣＯへの変換システム」は、逆水性ガス反応システム、熱触媒変換システム、電極触媒変換システム、部分燃焼システムおよびプラズマ変換システムから選択される少なくとも一つのユニットを指す。以前は、収集されたＣＯ２の少なくとも一部をＣＯに変換するプロセスとしてＣＯ２電気分解モジュールが採用されていた。しかし、一部の用途では、電気のコストが法外に高かったり、持続可能でなかったり、信頼性がなかったり、簡単に入手できなかったりする場合がある。したがって、利用可能なＣＯ２廃ガスを利用する別の解決策が必要である。ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、このような解決策を提供する。特定の実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、逆水性ガス反応ユニットまたはシステムである。
【0044】
本明細書で使用される用語「逆水性ガス反応ユニット」／「ｒＷＧＲユニット」は、二酸化炭素と水素から、副生成物として一酸化炭素と共に水を生成するために使用されるユニットまたはシステムを指す。用語「水性ガス」は、主に一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）を主成分とする燃料ガスとして定義される。水性ガスシフトにおける用語「シフト」は、水性ガス組成（ＣＯ：Ｈ２）比を変更することを意味する。この比率は、反応器にＣＯ２を追加することによって増加させるか、蒸気を追加することによって減少させることができる。逆水性ガス反応ユニットは、単一の段階又は複数の段階を含み得る。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。
【0045】
もう一つの好適なＣＯ２からＣＯへの変換システムである用語「熱触媒変換」は、熱エネルギーを反応の駆動力として使用して触媒上でＣＯ２と他の反応物質の安定した原子および分子結合を破壊し、ＣＯを生成するプロセスを指す。ＣＯ２分子は熱力学的にも化学的にも安定しているため、ＣＯ２を単一の反応物質として使用すると大量のエネルギーが必要になる。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対して、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。
【0046】
本明細書で使用される用語「部分燃焼システム」は、酸素が部分酸化に必要な酸化剤の少なくとも一部を供給し、その中に存在する反応物質である二酸化炭素および水が実質的に一酸化炭素および水素に変換されるシステムを指す。
【0047】
用語「プラズマ変換」は、プラズマ触媒と呼ばれるプラズマと触媒の組み合わせに焦点を当てた、ＣＯ２変換プロセスを指す。「プラズマ」は「物質の第４の状態」とも呼ばれ、中性の基底状態の分子のほかに、電子、各種イオン、ラジカル、励起原子、分子から成るイオン化したガスである。ＣＯ２の変換において最も一般的な三つのプラズマの種類は、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）、マイクロ波（ＭＷ）プラズマ、およびグライディングアーク（ＧＡ）プラズマである。
【0048】
ＣＯ２変換のための「プラズマ変換システム」は、（ｉ）高いプロセス汎用性で、さまざまな種類の反応（例えば、純粋なＣＯ２分解、およびＨ源、例えばＣＨ４、Ｈ２またはＨ２Ｏの存在下でのＣＯ２の変換）の実行を可能にすること、（ｉｉ）投資コストおよび運用コストが低いこと、（ｉｉｉ）希土類金属の使用を必要としないこと、（ｉｖ）プラズマ反応器がプラントの出力と共にスケールアップするため、非常にモジュール化された設定で、オンデマンド生産が可能であること、および（ｖ）（さまざまな種類の）再生可能電力と非常に簡単に組み合わせることができること、を含む。
【0049】
「電解モジュール」及び「電解槽」という用語は、非自発的反応を駆動するために電気を使用するユニットを指すために互換的に使用され得る。電解技術は、当該技術分野で知られている。例示的なプロセスには、アルカリ水電解、プロトン又は陰イオン交換膜（ＰＥＭ、ＡＥＭ）電解、及び固体酸化物電解（ＳＯＥ）（Ｕｒｓｕａ 他、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ １００（２）：４１０－４２６，２０１２、Ｊｈｏｎｇ 他、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｐｉｎｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２：１９１－１９９，２０１３）が含まれる。「ファラデー効率」という用語は、電解槽を流れ、無関係のプロセスではなく削減された生成物に移動する電子の数を指す値である。ＳＯＥモジュールは、高温で動作する。電解モジュールの熱中性電圧未満では、電解反応は吸熱性である。電解モジュールの熱中性電圧超では、電解反応は発熱性である。いくつかの実施形態では、電解モジュールは、圧力を加えることなく動作する。いくつかの実施形態では、電解モジュールは、５～１０バールの圧力で動作する。
【0050】
「ＣＯ２電解モジュール」は、ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分割することができるユニットを意味し、以下の化学量論的反応：２ＣＯ２＋電気→２ＣＯ＋Ｏ２によって定義される。ＣＯ２削減に様々な触媒を使用すると、最終生成物に影響を与える。Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、およびＧａ触媒を含むがこれらに限定されない触媒は、ＣＯ２からＣＯを生成するのに効果的であることが示されている。いくつかの実施形態では、ＣＯ２電解モジュールを出るガス流の圧力は、約５～７バールである。
【0051】
「水電解モジュール」、および「Ｈ２Ｏ電解モジュール」は、Ｈ２Ｏを、蒸気の形態でＨ２とＯ２に分割することができるユニットを指し、以下の化学量論的反応：２Ｈ２Ｏ＋電気→２Ｈ２＋Ｏ２によって定義される。水電解モジュールは、プロトンをＨ２に還元し、Ｏ２－をＯ２に酸化する。追加の供給原料を供給し、基質組成物を改善するための手段として、電解によって生成されたＨ２を、Ｃ１含有ガス状基質とブレンドすることができる。
【0052】
Ｈ２及びＣＯ２電解モジュールには、２つのガス出口がある。電解モジュールの一方の側であるアノードは、Ｈ２又はＣＯ（及び未反応の水蒸気又は未反応のＣＯ２などの他のガス）を含む。もう一方の側であるカソードは、Ｏ２（及び潜在的に他のガス）を含む。電解プロセスに渡される供給原料の組成物は、ＣＯ流内の様々な成分の存在を決定し得る。例えば、供給原料中のＣＨ４及び／又はＮ２などの不活性成分の存在は、ＣＯ富化流中にそれらの成分の一つ以上が存在することになる可能性がある。加えて、一部の電解槽では、カソードで生成されたＯ２がアノード側にクロスオーバーし、ここで、ＣＯが生成され、かつ／又はＣＯがアノード側にクロスオーバーし、所望のガス生成物のクロスコンタミネーションにつながる。
【0053】
「分離モジュール」という用語は、物質を二つ以上の成分に分割することができる技術を指すために使用される。例えば、「Ｏ２分離モジュール」を使用して、Ｏ２含有ガス状基質を、主にＯ２を含む流れ（「Ｏ２富化流」又は「Ｏ２リッチガス」とも称される）、及び主にＯ２を含まないか、Ｏ２を含まないか、又は微量のＯ２のみを含む流れ（「Ｏ２リーン流」又は「Ｏ２枯渇流」とも称される）に分離することができる。
【0054】
用語「富化流」、「リッチガス」、「高純度ガス」等は、モジュール、例えばｒＷＧＳユニットを通過した後の特定の成分の割合が、モジュールへの投入流における成分の割合と比較して大きいガス流を指す。例えば、「ＣＯ富化流」は、ＣＯ２含有ガス状基質がＣＯ２からＣＯへの変換システム、例えばｒＷＧＳユニットを通過する際に生成されることができる。「Ｈ２富化流」は、水電解モジュールを水性ガス状基質が通過する際に生成されることができる。「Ｏ２富化流」は、ＣＯ２または水電解モジュールのアノードから自動的に出現し、「Ｏ２富化流」はまた、Ｏ２含有ガス状基質がＯ２分離モジュールを通過する際に生成されてもよい。「ＣＯ２富化流」は、ＣＯ２含有ガス状基質がＣＯ２濃縮モジュールを通過する際に生成され得る。
【0055】
本明細書で使用される場合、「リーン流」、「枯渇ガス」などの用語は、濃縮モジュール又は分離モジュールなどのモジュールを通過した後の特定の成分の割合が、モジュールへの投入流における成分の割合と比較して少ないガス流を指す。例えば、Ｏ２含有ガス状基質がＯ２分離モジュールを通過する際に、Ｏ２リーン流が生成され得る。Ｏ２リーン流は、ＣＯ２からＣＯへの変換システムからの未反応ＣＯ２を含んでもよい。Ｏ２リーン流は、微量のＯ２を含み得るか、又はＯ２を含まなくてもよい。「ＣＯ２リーン流」は、ＣＯ２含有ガス状基質がＣＯ２濃縮モジュールを通過する際に生成され得る。ＣＯ２リーン流は、ＣＯ、Ｈ２、及び／又は微生物阻害剤若しくは触媒阻害剤などの構成物を含んでもよい。ＣＯ２リーン流は、微量のＣＯ２を含み得るか、又はＣＯ２を含まなくてもよい。
【0056】
特定の実施形態では、本開示は、ガス流の圧力を増加および／または減少させることができる統合プロセスを提供する。「圧力モジュール」という用語は、ガス流の圧力を生成（すなわち、増加）又は減少し得る技術を指す。ガスの圧力は、任意の適切な手段、例えば一つ以上のコンプレッサー及び／又はバルブを介して増加及び／又は減少され得る。特定の実例では、ガス流の圧力が最適値よりも低い場合や、又はガス流の圧力が最適値よりも高い場合があるため、圧力を下げるためにバルブを含むことができる。圧力モジュールは、本明細書に記載されているいくつかのモジュールの前又は後に配置され得る。例えば、圧力モジュールは、除去モジュールの前、濃縮モジュールの前、水電解モジュールの前、および／またはＣＯ消費プロセスの前に利用されてもよい。
【0057】
「加圧ガス流」とは、圧力モジュールを通過したガス状基質を指す。「加圧ガス流」は、特定のモジュールの動作圧力要件を満たすガス流を指すためにも使用され得る。
【0058】
「ＣＯ消費プロセス後のガス状基質」、「ＣＯ消費プロセス後のテールガス」、「テールガス」などの用語は、ＣＯ消費プロセスを通過したガスを指すために互換的に使用され得る。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質は、ＣＯ消費プロセスによって生成された（又は並行して取り込まれなかった）未反応ＣＯ、未反応Ｈ２、及び／又はＣＯ２を含んでもよい。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質はさらに、一つまたは複数の圧力モジュール、除去モジュール、ＣＯ２濃縮モジュール、および／または水電解モジュールに送られてもよい。いくつかの実施形態では、「ＣＯ消費プロセス後のガス状基質」は、発酵後のガス状基質である。
【0059】
「所望の組成」という用語は、例えばガス流などの物質中の成分の望ましい濃度及び種類を指すために使用される。より具体的には、特定の成分（すなわち、ＣＯ、Ｈ２、及び／若しくはＣＯ２）を含有する、並びに／又は特定の割合で特定の成分を含有する、並びに／又は特定の成分（すなわち、微生物に有害な汚染物質）を含まない、並びに／又は特定の割合で特定の成分を含まない場合、ガスは、「望ましい組成物」を有するものとみなされる。ガス流が望ましい組成物を有しているかどうかを決定する際に、複数の成分が考慮され得る。
【0060】
基質が任意のＨ２を含むことは必要ではないが、Ｈ２の存在は、本開示の方法による生成物形成に有害であるべきではない。特定の実施形態では、Ｈ２の存在は、アルコール製造の全体的効率の改善をもたらす。一実施形態では、基質は、約３０体積％以下のＨ２、２０体積％以下のＨ２、約１５体積％以下のＨ２、又は約１０体積％以下のＨ２を含む。別の実施形態では、基質流は、低濃度のＨ２を、例えば、５％未満、もしくは４％未満、もしくは３％未満、もしくは２％未満、もしくは１％未満を含むか、または実質的にＨ２を含まない。
【0061】
基質はまた、ある程度のＣＯ、例えば、約１体積％～約８０体積％のＣＯ、または１体積％～約３０体積％のＣＯを含むことができる。一実施形態では、基質は、約２０体積％以下のＣＯを含む。別の実施形態では、基質は、約１５体積％以下のＣＯ、約１０体積％以下のＣＯ、約５体積％以下のＣＯを含むか、または実質的にＣＯを含まない。
【0062】
基質組成を改善して、望ましいまたは最適なＨ２：ＣＯ：ＣＯ２比を提供することができる。所望のＨ２：ＣＯ：ＣＯ２比は、発酵プロセスの所望の発酵生成物に依存する。エタノールの場合、最適なＨ２：ＣＯ：ＣＯ２比は、
になり、式中、ｘ＞２ｙであり、エタノール生産の化学量論を満たすために、以下のようになる。
【数1】
【数2】
【0063】
Ｈ２の存在下で発酵プロセスを動作すると、発酵プロセスによって生成されるＣＯ２の量を減らすという追加の利点がある。例えば、最小限のＨ２を含むガス状基質は、典型的には、次の化学量論：６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋４ＣＯ２により、エタノールおよびＣＯ２を生成する。Ｃ１固定細菌よって利用されるＨ２の量が増加すると、ＣＯ２生成量が減少し、すなわち、２ＣＯ＋４Ｈ２→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋Ｈ２Ｏである。
【0064】
ＣＯがエタノール生成の唯一の炭素及びエネルギー源である場合、次のように炭素の一部分がＣＯ２に失われる。
６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋４ＣＯ２（ΔＧｏ＝－２２４．９０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋４ＣＯ２（ΔＧｏ＝－２２４．９０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
【0065】
基質で利用可能なＨ２の量が増加すると、生成されるＣＯ２の量は減少する。化学量論比が１：２（ＣＯ／Ｈ２）の場合、ＣＯ２の生成は、完全に回避される。
５ＣＯ＋１Ｈ２＋２Ｈ２Ｏ→１Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３ＣＯ２（ΔＧｏ＝－２０４．８０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
４ＣＯ＋２Ｈ２＋１Ｈ２Ｏ→１Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋２ＣＯ２（ΔＧｏ＝－１８４．７０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
３ＣＯ＋３Ｈ２→１Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋１ＣＯ２（ΔＧｏ＝－１６４．６０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
５ＣＯ＋１Ｈ２＋２Ｈ２Ｏ→１Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３ＣＯ２（ΔＧｏ＝－２０４．８０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
４ＣＯ＋２Ｈ２＋１Ｈ２Ｏ→１Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋２ＣＯ２（ΔＧｏ＝－１８４．７０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
３ＣＯ＋３Ｈ２→１Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋１ＣＯ２（ΔＧｏ＝－１６４．６０ｋＪ／ｍｏｌエタノール）
【0066】
基質の組成は、反応の効率及び／又は費用に著しい影響を及ぼし得る。例えば、Ｏ２の存在は、嫌気性発酵プロセスの効率を低下させる場合がある。基質の組成に応じて、基質を処理、スクラブ、又は濾過して、毒素、望ましくない成分、又はちり粒子などのいかなる望ましくない不純物も除去すること、及び／又は所望の成分の濃度を増加させることが望ましくあり得る。また、ＣＯ消費プロセスによって生成されたＣＯ２をＣＯ２からＣＯへの変換システムに戻して再循環させることにより、炭素捕獲を増加させることができ、それによってＣＯ消費プロセスの歩留まりを改善することができる。ＣＯ消費プロセスにより生成されたＣＯ２は、ＣＯ２からＣＯへの変換システムを通過する前に処理されることができる。一実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システムは、単一段階または二つ以上の段階であることができるｒＷＧＳユニットである。
【0067】
いくつかの実施形態では、ＣＯ消費プロセスは、バイオリアクターで実施される。「バイオリアクター」という用語は、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、静的ミキサー、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、または気液接触に適した他の容器もしくは他のデバイスを含む、一つもしくは複数の容器および／もしくは塔、または配管配置からなる発酵デバイスを含む。反応器は、好ましくは、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２またはそれらの混合物を含むガス状基質を受容するように適合されている。反応器は、並列又は直列のいずれかで、複数の反応器（段）を備えることができる。例えば、反応器は、細菌が培養される第一の増殖反応器と、増殖反応器からの発酵ブロスが供給され、発酵生成物の大部分が生成され得る第二の発酵反応器とを備えることができる。
【0068】
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する。したがって、概して、大気圧よりも高い圧力で培養／発酵を実施することが好ましい。また、所与のガス変換速度が部分的に基質保持時間の関数であり、かつ保持時間がバイオリアクターの必要な容積を示すため、加圧システムの使用は、必要なバイオリアクターの容積、及びその結果として培養／発酵装置の資本コストを大幅に削減することができる。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。しかしながら、一般的には、大気圧より高い圧力で発酵を行うことが好ましい。また、所与のガス変換速度が部分的に基質保持時間の関数であり、かつ所望の保持時間を達成することがバイオリアクターの必要な体積をさらに示すため、加圧システムの使用は、必要なバイオリアクターの体積、及びその結果として発酵装置の資本コストを大幅に低減することができる。
【0069】
文脈上別段の要求がない限り、本明細書で使用される「発酵」、「発酵プロセス」、または「発酵反応」などの句は、ガス状基質の成長段階および生成物生合成段階の両方を包含することを意図している。特定の実施形態では、発酵は、糖、デンプン、リグニン、セルロース、又はヘミセルロースなどの炭水化物基質の不在下で実施される。
【0070】
培養物は通常、微生物の増殖を可能にするのに十分な栄養素、ビタミン、および／または無機物を含有する、水性培養培地で維持される。「栄養培地」、「複数の栄養培地」、および「培養培地」は、細菌増殖培地を説明するために使用される。好ましくは、水性培養培地は、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る。好適な培地は、当該技術分野において既知である。「栄養素」という用語は、微生物の代謝経路において利用され得る任意の物質を含む。例示的な栄養素には、カリウム、ビタミンＢ、微量金属、およびアミノ酸が含まれる。
【0071】
用語「発酵ブロス」および「ブロス」は、栄養培地および培養物または一つもしくは複数の微生物を含む成分の混合物を包含することを意図している。微生物という用語と細菌という用語は、本明細書を通して互換的に使用されることに留意されたい。
【0072】
本開示の微生物は、一つまたは複数の生産物を生産するようにガス流とともに培養されることができる。例えば、本開示の微生物は、エタノール（国際公開第２００７／１１７１５７号）、アセテート（国際公開第２００７／１１７１５７号）、ブタノール（国際公開第２００８／１１５０８０および同２０１２／０５３９０５号）、ブチレート（国際公開第２００８／１１５０８０号）、２，３－ブタンジオール（国際公開第２００９／１５１３４２および同２０１６／０９４３３４号）、ラクテート（国際公開第２０１１／１１２１０３号）、ブテン（国際公開第２０１２／０２４５２２号）、ブタジエン（国際公開第２０１２／０２４５２２号）、メチルエチルケトン（２－ブタノン）（国際公開第２０１２／０２４５２２および同２０１３／１８５１２３号）、エチレン（国際公開第２０１２／０２６８３３号）、アセトン（国際公開第２０１２／１１５５２７号）、イソプロパノール（国際公開第２０１２／１１５５２７号）、脂質（国際公開第２０１３／０３６１４７号）、３－ヒドロキシプロピオネート（３－ＨＰ）（国際公開第２０１３／１８０５８１号）、イソプレンを含むテルペン（国際公開第２０１３／１８０５８４号）、脂肪酸（国際公開第２０１３／１９１５６７号）、２－ブタノール（国際公開第２０１３／１８５１２３号）、１，２－プロパンジオール（国際公開第２０１４／０３６１５２号）、１－プロパノール（国際公開第２０１４／０３６９１５２号）、コリスメート由来生成物（国際公開第２０１６／１９１６２５号）、３－ヒドロキシブチレート（国際公開第２０１７／０６６４９８号）、１，３－ブタンジオール（国際公開第２０１７／００６６４９８号）、および２，３－ブタンジオール（国際公開第２０１６／０９４３３４号）を生成することができるか、またはそれらを生成するように操作されることができる。一つまたは複数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、アセテート、および／または２，３－ブタンジオールを生成することができる。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。これらの生成物は、さらに変換されて、ディーゼル、ジェット燃料、および／またはガソリンのうちの少なくとも一つの成分を生成することができる。加えて、微生物バイオマスはさらに処理されて、単細胞タンパク質（ＳＣＰ）を生成し得る。
【0073】
「微生物」は、微細な生物、特に細菌、古細菌、ウイルス、または真菌である。本開示の微生物は、典型的には細菌である。本明細書で使用される場合、「微生物」の引用は、「細菌」を網羅するものと解釈されるべきである。
【0074】
「親微生物」は、本開示の微生物を生成するために使用される微生物である。親微生物は、野生型微生物として知られる、天然に存在する微生物、または変異体もしくは組換え微生物として知られる、予め改質された微生物であってもよい。本開示の微生物は、親微生物において発現も過剰発現もされなかった一つもしくは複数の酵素を、発現または過剰発現するように改質されることができる。同様に、本開示の微生物は、親微生物に含まれていない一つまたは複数の遺伝子を含むように改質されることができる。本開示の微生物はまた、親微生物において発現された一つまたは複数の酵素を、発現しないように、またはより低量で発現するように改質されることができる。一実施形態では、親微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、またはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉである。一実施形態では、親微生物は、ブダペスト条約の条項下で、２０１０年６月７日に、Ｉｎｈｏｆｆｅｎｓｔｒａβｅ ７Ｂ，Ｄ－３８１２４ Ｂｒａｕｎｓｃｈｗｅｉｇ，Ｇｅｒｍａｎｙに所在するＤｅｕｔｓｃｈｅ Ｓａｍｍｌｕｎｇ ｖｏｎ Ｍｉｋｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｅｎ ｕｎｄ Ｚｅｌｌｋｕｌｔｕｒｅｎ ＧｍｂＨ（ＤＳＭＺ）に２０１０年６月７日に寄託され、受託番号ＤＳＭ２３６９３を付与された、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ ＬＺ１５６１である。この株は、ＷＯ２０１２／０１５３１７として公開されている国際特許出願第ＰＣＴ／ＮＺ２０１１／０００１４４号に記載されている。
【0075】
用語「～に由来する」は、新しい核酸、タンパク質、または微生物を生成するように、核酸、タンパク質、または微生物が、異なる、例えば親または野生型の、核酸、タンパク質、または微生物から修飾または適合されることを示す。そのような修飾又は適合は、典型的には、核酸又は遺伝子の挿入、欠失、変異、又は置換を含む。概ね、本開示の微生物は、親微生物に由来する。一実施形態では、本開示の微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、またはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉに由来する。一実施形態では、本開示の微生物は、ＤＳＭＺ受託番号ＤＳＭ２３６９３の下で寄託される、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ ＬＺ１５６１に由来する。
【0076】
本開示の微生物は、官能的特性に基づいてさらに分類され得る。例えば、本開示の微生物は、Ｃ１固定微生物、嫌気性生物、アセトゲン、エタノロゲン、カルボキシド栄養生物（ｃａｒｂｏｘｙｄｏｔｒｏｐｈ）、及び／又はメタン資化性菌（ｍｅｔｈａｎｏｔｒｏｐｈ）であり得るか、又はそれらに由来し得る。
【0077】
「Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ」は、すなわち、Ｒａｇｓｄａｌｅ，Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ，１７８４：１８７３－１８９８，２００８に記載されているような炭素固定のＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を指す。Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ微生物」は、予想通り、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を含む微生物を指す。一般的に、本開示の微生物は、天然のＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を含む。本明細書では、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路は天然の未修飾のＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路であり得るか、又はＣＯ、ＣＯ２、及び／又はＨ２をアセチル－ＣｏＡに変換するように依然として機能する限り、ある程度の遺伝的修飾（すなわち、過剰発現、異種発現、ノックアウトなど）を有するＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路であり得る。
【0078】
「嫌気性細菌」は、増殖のためにＯ２を必要としない微生物である。嫌気性細菌は、Ｏ２が特定の閾値を超えて存在する場合、負の反応を起こし得るか、もしくは死滅し得る。しかしながら、いくつかの嫌気性細菌は、低レベルのＯ２（すなわち、０．０００００１～５％のＯ２）を許容することができる。典型的には、本開示の微生物は、嫌気性生物である。
【0079】
「アセトゲン」は、エネルギー節約のため、並びにアセテートなどのアセチル－ＣｏＡ及びアセチル－ＣｏＡ由来の生成物の合成のためのその主要機構としてウッド・リュングダール（Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ）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）。具体的には、アセトゲンは、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ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，ＮＹ，２００６）。全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。典型的には、本開示の微生物は、アセトゲンである。
【0080】
「エタノロゲン」は、エタノールを生成する、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、本開示の微生物は、エタノロゲンである。
【0081】
「独立栄養生物」は、有機炭素の不在下でも増殖することが可能な微生物である。代わりに、独立栄養生物は、ＣＯ及び／又はＣＯ２などの無機炭素源を使用する。典型的には、本開示の微生物は、独立栄養生物である。
【0082】
「カルボキシド栄養生物」は、炭素及びエネルギーの唯一の供給源としてＣＯを利用することが可能な微生物である。典型的には、本開示の微生物は、カルボキシド栄養生物である。
【0083】
「メタン資化性菌」は、炭素とエネルギーの唯一の供給源としてメタンを利用することが可能な微生物である。いくつかの実施形態では、本開示の微生物は、メタン資化性菌であるか、またはメタン資化性菌に由来する。他の実施形態では、本開示の微生物は、メタン資化性菌ではないか、又はメタン資化性菌に由来しない。
【0084】
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。
【表1-1】
【表1-2】
【0085】
「天然生成物」は、遺伝子修飾されていない微生物によって生成される生成物である。例えば、エタノール、アセテート、及び２，３－ブタンジオールは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、およびＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉの天然生成物である。「非天然生成物」は、遺伝子組換えされた微生物によって生成されるが、遺伝子組換えされた微生物が由来する遺伝子組換えされていない微生物によって生成されない生成物である。
【0086】
「選択性」は、微生物によって生成される全発酵生成物の生成に対する標的生成物の生成の比率を指す。本開示の微生物を、ある特定の選択性で、または最小の選択性で生成物を生成するように操作することができる。一実施形態では、標的生成物は、本開示の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも約５％、１０％、１５％、２０％、３０％、５０％、または７５％を占める。一実施形態では、標的生成物は、本開示の微生物が少なくとも１０％の標的生成物に対して選択性を有するように、本開示の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも１０％を占める。別の実施形態では、標的生成物は、本開示の微生物が少なくとも３０％の標的生成物に対して選択性を有するように、本開示の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも３０％を占める。
【0087】
培養／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るべきである。典型的には、培養／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。
【0088】
標的生成物は、例えば、分留蒸留、蒸発、浸透蒸発、ガスストリッピング、相分離、及び例えば、液－液抽出を含む抽出発酵を含む、任意の方法又は当該技術分野において既知の方法の組み合わせを使用して、発酵ブロスから分離又は精製することができる。ある特定の実施形態では、標的生成物は、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し、微生物細胞をブロスから（濾過により簡便に）分離し、一つ以上の標的生成物をブロスから回収することによって、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。分離された微生物細胞は、好ましくは、バイオリアクターに戻される。標的生成物が取り出された後に残存している無細胞透過液も、好ましくは、バイオリアクターに戻される。追加の栄養素（ビタミンＢなど）が、無細胞透過液に添加されて、培地を補充した後に、バイオリアクターに戻され得る。
【0089】
図１Ａは、産業プロセス１１０、一つまたは複数の除去モジュール１２０、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０、任意の水電解プロセス１６０、およびＣＯ消費プロセス１４０を統合するためのプロセスを示す。産業プロセス１１０からのＣＯ２含有ガスは、導管１１２を通って一つまたは複数の除去モジュール１２０に供給されて、一つまたは複数の構成要素１２８を除去および／または変換する。一実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０は、ｒＷＧＳユニットである。一実施形態では、ｒＷＧＳユニットは単一の段階を有する。一実施形態では、ｒＷＧＳユニットは、少なくとも二つの段階を有する。そして、一つまたは複数の除去モジュール１２０からの処理済みガスは、ガス流の少なくとも一部を変換するために、導管１２２を通ってＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０へ供給される。いくつかの実施形態では、産業プロセス１１０からのＣＯ２含有ガスは、ガス流の少なくとも一部を変換するために、導管１１４を通ってＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０に直接的に供給され、この実施形態では、構成要素、例えば硫黄含有化合物は、産業プロセスを通過する前に除去されてもよい。必要に応じて、逆水性ガスシフト反応の生成物として生成されるおそらく蒸気または蒸気の形態のＨ２Ｏの少なくとも一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０から導管１３６を通って産業プロセス１１０に再循環されてもよい。変換されたガス流の少なくとも一部は、導管１３２を通って、この例ではｒＷＧＳユニットであるＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０から、ＣＯ消費プロセス１４０に送られる。いくつかの実施形態では、水基質は、水基質の少なくとも一部を変換するために、導管１６２を通って水電解モジュール１６０に供給され、Ｈ２富化流は、導管１６４を通ってＣＯ消費プロセス１４０に送られる。選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０に応じて、水電解モジュール１６０からの第二のＨ２富化流１６３は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０に送られてもよい。例えば、ＣＯ２からＣＯへの変換システムがｒＷＧＳユニットの場合、水電解モジュール１６０からの第二のＨ２富化流１６３は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０に送られてもよい。図１Ａは、第二のＨ２富化流１６３をＨ２富化流１６４から分岐するものとして示すが、別の実施形態では、第二のＨ２富化流１６３はＨ２富化流１６４から独立していてもよい。必要に応じて、水電解モジュール１６０によって生成されるＯ２の少なくとも一部は、導管１６６を通って産業プロセス１１０に送られてもよい。ＣＯ消費プロセス１４０は、少なくとも一つの生成物１４６およびＣＯ消費プロセス後のガス状基質１４２を生成する。
【0090】
図１ＡのＣＯ消費プロセス１４０は、ガス発酵プロセスであってもよく、接種装置および／または一つもしくは複数のバイオリアクターで生じてもよい。例えば、ＣＯ消費プロセス１４０は、少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養を含むバイオリアクターにおけるガス発酵プロセスであってもよい。ＣＯ消費プロセス１４０がガス発酵プロセスである実施形態では、培養物を発酵させて、一つまたは複数の発酵生成物１４６および発酵後のガス状基質、例えばＣＯ消費プロセスガス状基質１４２を生成することができる。
【0091】
いくつかの実施形態では、図１ＡのＣＯ消費プロセス１４０は、ＣＯ２生成反応工程を含む。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質１４２がＣＯ２を含む実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質１４２の少なくとも一部は、一つもしくは複数の除去モジュール１５０に送られ、一つもしくは複数の構成要素１５８を除去および／または変換する。そして、ＣＯ２を含む処理済みガス流１５２は、ＣＯ２を含む処理済みガス流１５２の少なくとも一部を変換するためにＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０に送られるか、またはＣＯ２を含む処理済みガス流１５２は、ＣＯ２含有ガス１１２を産業プロセス１１０から受け取る一つまたは複数の除去モジュール１２０に送られてもよい。いくつかの実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質１４２は、産業プロセス１１０からＣＯ２含有ガス１１２を受け取る同じ一つまたは複数の除去モジュール１２０に送られる。様々な実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質１４２は、産業プロセス１１０からＣＯ２含有ガス１１２を受け取る一つまたは複数の除去モジュール１２０に送られてもよい。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質のＣＯ２を処理してＣＯに変換するこのプロセスは、炭素回収効率を高めることが判明した。
【0092】
特定の実施形態では、図１Ａの除去モジュール１５０によって除去される少なくとも一つの構成要素は、ＣＯ消費プロセス１４０、例えばガス発酵プロセスによって生成、導入、および／または濃縮される。様々な実施形態では、発酵工程により生成、導入、および／または濃縮される一つまたは複数の構成要素は、硫黄含有化合物を含む。場合によっては、硫黄含有化合物、例えば硫化水素が、ＣＯ消費プロセス１４０に導入される。この硫黄（硫黄含有化合物として存在）は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０の効率を低下させることが判明した。例えば、硫黄含有化合物は、特定の実施形態においてＣＯ２からＣＯへの変換システムとして使用される、様々なｒＷＧＳプロセスで使用される一つまたは複数の触媒を損傷する可能性がある。一つまたは複数の除去モジュール１５０は、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質がＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０に送られる前に、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質中の硫黄含有化合物の量を低減させることに成功することが判明した。ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０の前に除去モジュール１５０を使用すると、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０の効率が向上することが判明した。
【0093】
例えば、ＣＯ２からＣＯへの変換プロセスがｒＷＧＳユニットである場合に使用される水電解プロセスのＯ２副生成物は、上記のＣ１生成産業プロセスにさらなる利点をもたらすことができる。本開示の発酵プロセスの具体的な実施形態は、嫌気性プロセスであり、ＣＯ２からＣＯへの変換システムに選択された技術に応じて、Ｏ２は副生成物として生成される可能性があり、分離され、図１Ａの任意の導管１３６を通過して、産業プロセス１１０で使用されることができる。ＣＯ２からＣＯへの変換プロセス１３０の任意のＯ２副生成物１３６は、産業プロセス１１０と統合されることができ、コストを有利に埋め合わせ、場合によっては、それは、産業プロセス１１０およびその後のガス発酵の両方のコストをさらに削減する相乗効果がある。いくつかの実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システムは副生成物としてＯ２を生成しない。
【0094】
通常、本明細書で説明する産業プロセスにより、空気分離によって必要なＯ２が得られる。空気分離によるＯ２の生成は、エネルギー集約的なプロセスであり、Ｎ２からＯ２を極低温で分離して、最高の純度を達成することを伴う。選択したＣＯ２からＣＯへの変換システムに応じて、ライン１３６でのＣＯ２からＣＯへの変換によるＯ２の生成、ならびに／またはライン１６６での水電解、および空気分離によって生成されるＯ２を置き換えることで、産業プロセスにおける電気コストの最大５％を埋め合わせできる可能性がある。
【0095】
部分酸化反応を伴ういくつかのＣ１生成産業プロセスでは、Ｏ２の投入が必要である。例示的な産業プロセスとしては、塩基性酸素炉（ＢＯＦ）反応、ＣＯＲＥＸまたはＦＩＮＥＸ鋼材製造プロセス、高炉（ＢＦ）プロセス、鉄合金製造プロセス、非鉄製品製造、石油精製、石油化学生成、炭水化物発酵、セメント製造、二酸化チタン製造プロセス、ガス化プロセス、およびそれらの任意の組み合わせが挙げられる。ガス化プロセスには、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、石油コークスのガス化、天然ガスの改質、バイオガスの改質、埋立地ガスの改質、またはそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。これらの産業プロセスのうちの一つまたは複数では、ＣＯ２からＣＯへの変換システムからのＯ２および／または水電解からのＯ２を使用して、通常は空気分離によって供給されるＯ２を相殺または完全に置き換えることができる。
【0096】
図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、産業プロセス、一つまたは複数の除去モジュール、ＣＯ２からＣＯへの変換システム、任意の水電解プロセス、およびＣＯ消費プロセスを統合するためのプロセスは、一つまたは複数の圧力モジュール１７０の統合をさらに含むことができる。例えば、図１Ｂに示されるように、産業プロセス１１０からのＣＯ２含有ガス１１２の少なくとも一部は、圧力モジュール１７０に送られて、加圧されたＣＯ２含有ガス流１７２を生成する。次に、加圧されたＣＯ２含有ガス流１７２の少なくとも一部は、除去モジュール１２０に送られる。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質１４２の少なくとも一部はまた、圧力モジュール１７０に送られ、加圧ＣＯ２含有ガス流１７２の一部である加圧排ガスを生成することができる。図１Ｃに示すように、変換されたガス流１３２の少なくとも一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム１３０から圧力モジュール１７０に送られて、加圧されたＣＯ含有ガス流１７２が生成され、これがＣＯ消費プロセス１４０に送られる。
【0097】
図２は、産業プロセス２１０、除去モジュール２２０、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０、任意の水電解プロセス２７０、ＣＯ消費プロセス２４０、および任意のＯ２分離モジュール２６０を統合するためのプロセスを示す。図２では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０が、ｒＷＧＳユニットであるように選択される。産業プロセス２１０からのＣＯ２含有ガス２１２は、一つまたは複数の除去モジュール２２０に送られて、一つまたは複数の構成要素２２８が除去および／または変換される。そして、一つまたは複数の除去モジュール２２０からの処理済みガス２２２は、処理済みガス流２２２中のＣＯ２の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０を通過する。選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システムがＯ２を生成する場合、必要に応じて、Ｏ２の少なくとも一部がＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０から導管２３６を通って産業プロセス２１０に供給されてもよい。変換されたガス流２３２の少なくとも一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０からＣＯ消費プロセス２４０に送られて、生成物２４６およびＣＯ消費プロセス後のガス状基質２４２を生成する。いくつかの実施形態では、水基質２７２は、水基質の少なくとも一部を変換するために水電解モジュール２７０に導入されて、ＣＯ消費プロセス２４０に送られるＨ２富化流２７４を生成する。必要に応じて、Ｈ２富化流２７４の一部は、流れ２７３でＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０に送られてもよい。必要に応じて、水電解モジュール２７０によって生成されるＯ２の少なくとも一部は、Ｏ２流２７６で産業プロセス２１０に送られてもよい。
【0098】
ＣＯ２からＣＯへの変換システムがＯ２副生成物を生成する特定の実施形態では、プロセスは、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０で生成されるガスからＯ２の少なくとも一部を分離するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０の後にＯ２分離モジュール２６０を備える。ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０の下流でＯ２分離モジュール２６０を利用する実施形態では、ガス流２３４の少なくとも一部が、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０からＯ２分離モジュール２６０に供給される。Ｏ２分離モジュール２６０を組み込んだ実施形態では、Ｏ２富化流２６４を産業プロセス２１０に送ることができ、それによって産業プロセス２１０における他のＯ２源の必要性がなくなる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０の下流でＯ２分離モジュール２６０を利用する実施形態では、Ｏ２リーン流２６２の少なくとも一部は、Ｏ２分離モジュール２６０からＣＯ消費プロセス２４０に送られる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０の下流でＯ２分離モジュール２６０を利用するいくつかの実施形態では、Ｏ２リーン流２６２の少なくとも一部は、ライン２６６でＯ２分離モジュール２６０からＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０に戻される。Ｏ２分離モジュール２６０を利用しない実施形態では、ガス流２３６の一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０から産業プロセス２１０に送られてもよい。
【0099】
いくつかの実施形態では、図２のＣＯ消費プロセス２４０は、ＣＯ２生成反応工程を含む。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質がＣＯ２を含む実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質の少なくとも一部は、導管２４２を通って一つまたは複数の除去モジュール２５０に送られ、一つまたは複数の構成要素２５８を除去および／または変換する。次に、処理済みガス流２５２は、処理済みガス流２５２の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム２３０を通過する。特定の実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質２４２は、産業プロセス２１０からＣＯ２含有ガス２１２を受け取る同じ一つまたは複数の除去モジュール２ ２２０に送られる。様々な実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質２４２および２５２は、産業プロセス２１０からＣＯ２含有ガス２１２を受け取る一つまたは複数の除去モジュール２２０、および一つまたは複数の除去モジュール２５０に送られてもよい。
【0100】
図２のＣＯ消費プロセス２４０は、ガス発酵プロセスであってもよく、接種装置および／または一つもしくは複数のバイオリアクターで生じてもよい。例えば、ＣＯ消費プロセス２４０は、少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養物を含むバイオリアクターにおけるガス発酵プロセスであってもよい。ＣＯ消費プロセス２４０がガス発酵プロセスである実施形態では、培養物を発酵させて、一つまたは複数の発酵生成物、例えばＣＯ消費プロセス後の生成物２４６、および発酵後のガス状基質、例えばＣＯ消費プロセス後のガス状基質２４２を生成することができる。
【0101】
高純度のＣＯ２流、つまりＣＯ２リッチ流をＣＯ２からＣＯへの変換システム、例えばｒＷＧＳユニットに供給すると、ＣＯ消費プロセスの炭素回収効率が向上する。流れ中のＣＯ２濃度を高めるために、一つまたは複数のＣＯ２濃縮モジュールをプロセスに組み込むことができる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム、例えばｒＷＧＳユニットによって生成されるＣＯ富化流は、２０～９０％のＣＯ濃度を有することができる。
【0102】
図３は、本開示の一態様によれば、産業プロセス３１０と、任意のＣＯ２濃縮モジュール３７０、除去モジュール３２０、ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０、任意の水電解モジュール３８０、ＣＯ消費プロセス３４０、および任意のＯ２分離モジュール３６０とを統合するためのプロセスを示す。ＣＯ２濃縮モジュール３７０を備えていない実施形態では、産業プロセス３１０からのＣＯ２含有ガス３１２は、除去モジュール３２０に送られる。ＣＯ２濃縮モジュール３７０を備える実施形態では、産業プロセス３１０からのＣＯ２含有ガス３１４は、ガス流中のＣＯ２の濃度を増加させ、かつ一つまたは複数の構成要素３７４を除去するために、ＣＯ２濃縮モジュール３７０に送られる。ＣＯ２濃縮ガス流３７２は、一つまたは複数の除去モジュール３２０に送られて、一つまたは複数の構成要素３２８を除去および／または変換する。そして、一つまたは複数の除去モジュール３２０からの処理済みガス３２２は、処理済みガス流３２２の少なくとも一部を変換するためにＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０に送られる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０は、ｒＷＧＳユニットであってもよい。変換されたガス流３３２の少なくとも一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０からＣＯ消費プロセス３４０に送られる。いくつかの実施形態では、構成要素３７４は、ＣＯおよび／またはＨ２であり、それは導管３７６を通ってＣＯ消費プロセス３４０に送られる。いくつかの実施形態では、水基質３８２は、水基質３８２の少なくとも一部を変換するために水電解モジュール３８０に供給されて、ＣＯ消費プロセス３４０に送られるＨ２富化流３８４を生成する。選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システム、例えば反応物質としてＨ２を使用するｒＷＧＳユニットに応じて、Ｈ２富化流３８４の一部は、流れ３８３でＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０に送られてもよい。もちろん、独立したＨ２富化流を、流れ３８３（図示せず）の代わりに、またはそれに加えて、水電解モジュール３８０からＣＯ２からＣＯへの変換システムに送ってもよい。必要に応じて、水電解モジュール３８０によって生成されるＯ２富化流３８６の少なくとも一部は、産業プロセス３１０に送られてもよい。
【0103】
ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０からのガス流３３６の少なくとも一部は、産業プロセス３１０に送られてもよい。特定の実施形態では、プロセスは、ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０に続くＯ２分離モジュール３６０を備え、ガス流３３４がＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０からＯ２分離モジュール３６０に送られて、ガス流３３４からＯ２の少なくとも一部を分離する。ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０の後にＯ２分離モジュール３６０を利用する実施形態では、Ｏ２富化流３６４の少なくとも一部は、Ｏ２分離モジュール３６０から産業プロセス３１０に送られる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０の後にＯ２分離モジュール３６０を利用する実施形態では、Ｏ２リーン流３６２の少なくとも一部は、Ｏ２分離モジュール３６０からＣＯ消費プロセス３４０に送られる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０の後にＯ２分離モジュール３６０を利用するいくつかの実施形態では、Ｏ２リーン流３６６の少なくとも一部は、Ｏ２分離モジュール２６０からＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０に戻される。Ｏ２分離モジュール３６０を利用しない実施形態では、ガス流３３６の一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０から産業プロセス３１０に送られてもよい。
【0104】
一つまたは複数の除去モジュール３２０の前にガス流３１４中のＣＯ２を濃縮すると、望ましくないガスが減少し、それによってガス発酵プロセスであってもよいＣＯ消費プロセス３４０の効率が高まる。
【0105】
いくつかの実施形態では、図３のＣＯ消費プロセス３４０は、ＣＯ２生成反応工程を含む。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質がＣＯ２を含む実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質３４２は、一つまたは複数の除去モジュール３５０に送られ、一つまたは複数の構成要素３５８を除去および／または変換する。次に、処理済みガス流３５２は、処理済みガス流３５２の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム３３０に送られる。特定の実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質３４２は、産業プロセス３１０からＣＯ２含有ガス３１２および／または３７２を受け取る一つまたは複数の除去モジュール３２０に送られる。様々な実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質３４２および３５２は、産業プロセス３１０からＣＯ２含有ガス３１２およびまたは３７２を受け取る一つまたは複数の除去モジュール３２０、ならびに一つまたは複数の除去モジュール３５０に送られてもよい。
【0106】
図３のＣＯ消費プロセス３４０は、ガス発酵プロセスであってもよく、接種装置および／または一つもしくは複数のバイオリアクターで生じてもよい。例えば、ＣＯ消費プロセスは、少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養物を含むバイオリアクターにおけるガス発酵プロセスであってもよい。ＣＯ消費プロセス３４０がガス発酵プロセスである実施形態では、培養物を発酵させて、一つまたは複数の発酵生成物、例えばＣＯ消費プロセス後の生成物３４６および発酵後のガス状基質、例えばＣＯ消費プロセス後のガス状基質３４２を生成することができる。
【0107】
特定の実施形態では、除去モジュールの後に、ＣＯ２濃縮モジュールを配置してもよい。図４は、本開示の一態様によれば、産業プロセス４１０と、除去モジュール４２０、任意のＣＯ２濃縮モジュール４７０、ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０、任意の水電解モジュール４８０、ＣＯ消費プロセス４４０、および任意のＯ２分離モジュール４６０とを統合するためのプロセスを示す。任意のＣＯ２濃縮モジュール４７０を備えていない実施形態では、産業プロセス４１０からのＣＯ２含有ガス４２２は、除去モジュール４２０からＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０に送られる。任意のＣＯ２濃縮モジュール４７０を備える実施形態では、産業プロセス４１０からのＣＯ２含有ガス４１２は、一つまたは複数の除去モジュール４２０に送られて、一つまたは複数の構成要素４２８を除去および／または変換する。そして、結果として生じる処理された流れ４２４は、ＣＯ２濃縮ガス流４７２中のＣＯ２の濃度を増加させ、かつ一つまたは複数の構成要素４７４を除去するために、任意のＣＯ２濃縮モジュール４７０に送られる。次に、ＣＯ２濃縮ガス流４７２は、ガス流の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０に送られる。変換されたガス流４３２の少なくとも一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０からＣＯ消費プロセス４４０に送られる。いくつかの実施形態では、構成要素４７４は、ＣＯおよび／またはＨ２であり、それは導管４７６を通ってＣＯ消費プロセス４４０に送られる。いくつかの実施形態では、水基質４８２は、水基質４８２の少なくとも一部を変換するために水電解モジュール４８０に供給されて、ＣＯ消費プロセス４４０に送られるＨ２富化流４８４を生成する。選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システム、例えば反応物質としてＨ２を使用するｒＷＧＳユニットに応じて、Ｈ２富化流４８４の一部は、流れ４８３でＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０に送られてもよい。もちろん、独立したＨ２富化流を、流れ４８３（図示せず）の代わりに、またはそれに加えて、水電解モジュール４８０からＣＯ２からＣＯへの変換システムに送ってもよい。必要に応じて、水電解モジュール４８０によって生成されるＯ２富化流４８６の少なくとも一部は、産業プロセス４１０に送られてもよい。
【0108】
ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０からのガス流４３６の少なくとも一部は、産業プロセス４１０に送られてもよい。特定の実施形態では、プロセスは、ガス流４３４からＯ２の少なくとも一部を分離するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０の後にＯ２分離モジュール４６０を備える。ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０の後にＯ２分離モジュール４６０を利用する実施形態では、ガス流４６４の少なくとも一部は、Ｏ２分離モジュール４６０から産業プロセス４１０に送られる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０の後にＯ２分離モジュール４６０を利用する実施形態では、Ｏ２リーン流４６２の少なくとも一部は、Ｏ２分離モジュール４６０からＣＯ消費プロセス４４０に送られる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０の後にＯ２分離モジュール４６０を利用するいくつかの実施形態では、Ｏ２リーン流４６６の少なくとも一部は、Ｏ２分離モジュール４６０からＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０に戻される。Ｏ２分離モジュール４６０を利用しない実施形態では、特に選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０がＯ２を生成する場合、ガス流４３６の一部がＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０から産業プロセス４１０に送られてもよい。
【0109】
いくつかの実施形態では、図４のＣＯ消費プロセス４４０は、ＣＯ２生成反応工程を含む。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質がＣＯ２を含む実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質４４２の少なくとも一部は、一つもしくは複数の除去モジュール４５０に送られ、一つもしくは複数の構成要素４５８を除去および／または変換する。次に、処理済みガス流４５２は、処理済みガス流４５２の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム４３０に送られる。特定の実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質４４２は、産業プロセス４１０からＣＯ２含有ガス４１２を受け取る同じ一つまたは複数の除去モジュール４２０に送られる。様々な実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質４４２および４５２は、産業プロセス４１０からＣＯ２含有ガスを受け取る一つまたは複数の除去モジュール４２０、および一つまたは複数の除去モジュール４５０に送られてもよい。
【0110】
図４のＣＯ消費プロセス４４０は、ガス発酵プロセスであってもよく、接種装置および／または一つもしくは複数のバイオリアクターで生じてもよい。例えば、ＣＯ消費プロセス４４０は、少なくとも一つのＣ１固定微生物の培養物を含むバイオリアクターにおけるガス発酵プロセスであってもよい。ＣＯ消費プロセス４４０がガス発酵プロセスである実施形態では、培養物を発酵させて、一つまたは複数の発酵生成物、例えばＣＯ消費プロセス後の生成物４４６および発酵後のガス状基質、例えばＣＯ消費プロセス後のガス状基質４４２を生成することができる。
【0111】
図５は、本開示の一態様によれば、産業プロセス５１０と、除去モジュール５２０、任意のＣＯ２濃縮モジュール５７０、ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０、ＣＯ消費プロセス５４０、任意のＯ２分離モジュール５６０、任意の圧力モジュール５８０、および任意の水電解モジュール１５００とを統合するためのプロセスを示す。産業プロセス５１０からのＣＯ２含有ガス５１２は、一つまたは複数の除去モジュール５２０に送られて、一つまたは複数の構成要素５２８が除去および／または変換される。そして、一つまたは複数の除去モジュール５２０からの処理済みガス５２２は、ガス流５２２の少なくとも一部を変換するためにＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０に送られる。Ｈ２を混合する実施形態では、水電解モジュール１５００は、ＣＯ消費プロセス５４０に導入される前に、必要に応じて加圧された変換されたガス流５８２と混合されるＨ２リッチガス流１５０２を生成し、送ってもよい。
【0112】
特定の実施形態では、本開示は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０からの変換されたガス５３２の圧力を増加させるための一つまたは複数の圧力モジュール５８０が設けられる。ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０の後に圧力モジュール５８０を利用する実施形態では、ガス流５３２の少なくとも一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０から、ガス流５３２の圧力を増加させ、ＣＯ消費プロセス５４０に送られる増加した圧力流５８２を生成する圧力モジュール５８０に送られる。
【0113】
様々な実施形態では、水電解モジュール１５００は、Ｏ２分離モジュール５６０および／または圧力モジュール５８０と共に組み込まれる。様々な実施形態では、水基質１５０６が水電解モジュール１５００に導入され、変換されたガス流５８２がＣＯ消費プロセス５４０に導入される前に、Ｈ２リッチガス流１５０２が変換されたガス流５８２と混合される。様々な実施形態では、Ｈ２リッチガス流１５０４は、水電解モジュール１５００からＣＯ消費プロセス５４０に直接送られる。選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システム、例えば反応物質としてＨ２を使用するｒＷＧＳユニットに応じて、Ｈ２富化流１５１０は、水電解モジュール１５００からＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０に送られてもよい。必要に応じて、水電解モジュール１５００によって生成されるＯ２富化流１５０８の少なくとも一部は、産業プロセス５１０に送られてもよい。
【0114】
いくつかの実施形態では、本開示は、本開示の一態様によれば、産業プロセス５１０、任意のＣＯ２濃縮モジュール５７０、除去モジュール５２０、ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０、任意のＯ２分離モジュール５６０、任意の圧力モジュール５８０、水電解モジュール１５００、およびＣＯ消費プロセス５４０を統合する。産業プロセス５１０からのＣＯ２含有ガス５１４は、任意のＣＯ２濃縮モジュール５７０に送られて、ガス流５１４中のＣＯ２の濃度を増加させ、かつ一つまたは複数の構成要素５７４を除去する。第一のＣＯ２濃縮モジュール５７０からの第一のＣＯ２濃縮流５７２は、除去モジュール５２０に送られて、一つまたは複数の構成要素５２８を除去および／または変換する。次に、処理された流れ５２４は、第二の任意のＣＯ２濃縮モジュール５７０に送られて、ガス流５２４中のＣＯ２の濃度を増加させ、かつ一つまたは複数の構成要素５７４を除去する。第二のＣＯ２濃縮流５７２は、第二のＣＯ２濃縮流５７２の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０に送られる。変換されたガス流５３４の少なくとも一部は、任意のＯ２分離モジュール５６０に送られて、変換されたガス流５３４からＯ２の少なくとも一部を分離することができる。Ｏ２リッチガス流５６４の少なくとも一部は、任意のＯ２分離モジュール５６０から産業プロセス５１０に送られてもよい。選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０がＯ２を生成する場合、Ｏ２リッチガス流の少なくとも一部は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０から導管５３６を通って産業プロセス５１０に供給されることができる。Ｏ２欠乏ガス流５６２の少なくとも一部は、任意のＯ２分離モジュール５６０から任意の圧力モジュール５８０に送られてもよい。任意の圧力モジュール５８０からの加圧ガス流５８２は、ＣＯ消費プロセス５４０に送られる。加圧ガス流５８２は、ＣＯ消費プロセス５４０に導入される前に、Ｈ２リッチガス流１５０２と混合されてもよい。
【0115】
図５のＣＯ消費プロセス５４０は、生成物５４６およびＣＯ消費プロセス後のガス状基質５４２を生成する。ＣＯ消費プロセスは、ガス発酵プロセスであってもよく、接種装置および／または一つもしくは複数のバイオリアクターで生じてもよい。ＣＯ消費プロセス５４０がガス発酵プロセスである実施形態では、培養物を発酵させて、一つまたは複数の発酵生成物、例えばＣＯ消費プロセス後の生成物５４６および発酵後のガス状基質、例えばＣＯ消費プロセス後のガス状基質５４２および／または５４４を生成することができる。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質５４２は、除去モジュール５５０に送られ、一つまたは複数の構成要素５５８を除去および／または変換することができる。ＣＯ消費プロセスの後にＣＯ２濃縮モジュール５７０を備える実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質５４４は任意のＣＯ２濃縮モジュール５７０に送られ、流れ５４４中のＣＯ２の濃度を高め、一つまたは複数の構成要素５７４を除去することができる。結果として生じるＣＯ２富化流５７２は除去モジュール５５０に送られ、一つまたは複数の構成要素５５８を除去および／または変換する。次に、処理済みガス流５５２は、ガス流５５２の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム５３０に送られる。特定の実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質５４２は、産業プロセス５１０からＣＯ２含有ガス５１２を受け取る同じ一つまたは複数の除去モジュール５２０に送られる。様々な実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質５４２は、産業プロセス５１０からＣＯ２含有ガス５１２または５７２を受け取る一つまたは複数の除去モジュール５２０と、一つまたは複数の除去モジュール５５０との両方に送られてもよい。
【0116】
本発明は、一般に、下流のプロセス、例えば、下流の発酵プロセスおよび／または下流のモジュールに悪影響を及ぼす可能性のある、ガス流からの構成要素の除去を提供する。特定の実施形態では、本開示は、このような悪影響の発生を防止するために、様々なモジュールの間に一つまたは複数の別の除去モジュールを設ける。
【0117】
様々な例では、ＣＯ２からＣＯへの変換システムによるＣＯ２含有ガス状基質の変換により、一つまたは複数の構成要素がＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０を通って送られることになる。様々な実施形態では、これにより、ＣＯ富化流に一つまたは複数の構成要素が生じる。場合によっては、構成要素には、変換されたＯ２の一部が含まれる。様々な実施形態では、別の除去モジュールは、ＣＯ富化流からＯ２を除去するための脱酸素化モジュールである。
【0118】
図６は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０、任意のＯ２分離モジュール６６０、任意の圧力モジュール６８０と、別の除去モジュール６９０との統合を示す。場合によっては、別の除去モジュール６９０は、ＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０の下流にある。別の除去モジュール６９０がＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０の下流にある実施形態では、ＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０からのガス流６３２の少なくとも一部が別の除去モジュール６９０に送られる。別の除去モジュール６９０は、ガス流６３２中の一つまたは複数の構成要素６９８を除去および／または変換する。さらに、いくつかの実施形態では、任意のＯ２分離モジュール６６０を利用する場合、任意のＯ２分離モジュール６６０からの流れ６６２は、別の除去モジュール６９０に送られて、一つまたは複数の構成要素６９８を除去および／または変換する。次に、処理された流れ６９２は、任意の圧力モジュール６８０に送られる。
【0119】
いくつかの実施形態では、本開示は、本開示の一態様によれば、産業プロセス６１０、任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０、除去モジュール６２０、ＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０、別の除去モジュール６９０、任意のＯ２分離モジュール６６０、任意の圧力モジュール６８０、任意の水電解モジュール１６００、およびＣＯ消費プロセス６４０を統合する。産業プロセス６１０と除去モジュール６２０との間に任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０を備えていない実施形態では、産業プロセス６１０からのＣＯ２含有ガス６１２は、除去モジュール６２０に送られる。産業プロセス６１０と除去モジュール６２０との間に任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０を備える実施形態では、産業プロセス６１０からのＣＯ２含有ガス６１４は、任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０に送られ、ガス流６１４中のＣＯ２の濃度を増加させ、かつ一つまたは複数の構成要素６７４を除去する。任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０からの増加したＣＯ２濃度を有するガス流６７２は、除去モジュール６２０に送られ、一つまたは複数の構成要素６２８を除去および／または変換する。除去モジュール６２０とＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０との間にＣＯ２濃縮モジュール６７０を備えていない実施形態では、処理された流れ６２２は、除去モジュール６２０からＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０に送られる。除去モジュール６２０とＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０との間にＣＯ２濃縮モジュール６７０を備える実施形態では、処理された流れ６２４は、次に、任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０に送られて、処理された流れ６２４中のＣＯ２の濃度を増加させ、かつ一つまたは複数の構成要素６７４を除去する。得られたＣＯ２富化流６７２は、ＣＯ２富化流６７２の少なくとも一部を変換するために、任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０からＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０に送られる。
【0120】
選択されたＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０に応じて、Ｏ２が生成される可能性があり、その場合、Ｏ２リッチガス流６３６の少なくとも一部が、ＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０から産業プロセス６１０に送られてもよい。ＣＯリッチガス流６３２の少なくとも一部は、別の除去モジュール６９０に送られて、一つまたは複数の構成要素６９８を除去および／または変換することができる。処理済みガス流６３４の少なくとも一部は、任意のＯ２分離モジュール６６０に送られて、処理済みガス流６３４からＯ２の少なくとも一部を分離することができる。Ｏ２富化ガス流６６４の少なくとも一部は、任意のＯ２分離モジュール６６０から産業プロセス６１０に送られてもよい。Ｏ２欠乏ガス流６６２の少なくとも一部は、任意のＯ２分離モジュール６６０から別の除去モジュール６９０に送られて、一つまたは複数の構成要素６９８を除去および／または変換することができる。
【0121】
ガス流６９２の少なくとも一部は、別の除去モジュール６９０から任意の圧力モジュール６８０に送られてもよい。任意の圧力モジュール６８０からの加圧ガス流６８２は、ＣＯ消費プロセス６４０に送られる。ガス流６９２は、ＣＯ消費プロセス６４０に導入される前に、Ｈ２リッチガス流１６０２と混合されてもよい。水基質１６０６は、水電解モジュール１６００に送られ、上記のＨ２リッチガス流１６０２、および／または水電解モジュール１６００から導管１６０４を通ってＣＯ消費プロセス６４０に直接送られるＨ２リッチガス流１６０４を生成することができる。いくつかの実施形態では、水電解モジュール１６００によって生成されたＯ２は、Ｏ２流１６０８で産業プロセス６１０に送られてもよい。
【0122】
図６のＣＯ消費プロセス６４０は、生成物６４６と、ＣＯ生成プロセス後のガス状基質６４２および６４４を生成することができる。ＣＯ消費プロセスは、ガス発酵プロセスであってもよく、接種装置および／または一つもしくは複数のバイオリアクターで生じてもよい。ＣＯ消費プロセス６４０がガス発酵プロセスである実施形態では、培養物を発酵させて、一つまたは複数の発酵生成物、例えばＣＯ消費プロセス後の生成物６４６および発酵後のガス状基質、例えばＣＯ消費プロセス後のガス状基質６４２または６４４を生成することができる。ＣＯ消費プロセス後のガス状基質６４４は、任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０に送られて、ガス流６４４中のＣＯ２の濃度を増加させ、一つまたは複数の構成要素６７４を除去する。結果として得られる流れ６７２は、任意のＣＯ２濃縮モジュール６７０から除去モジュール６５０に送られ、一つまたは複数の構成要素６５８を除去および／または変換する。次に、処理済みガス流６５２は、ガス流の少なくとも一部を変換するために、ＣＯ２からＣＯへの変換システム６３０に送られる。特定の実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質６４２または６４２／６７２は、産業プロセス６１０からＣＯ２含有ガス６１２または６７２を受け取る同じ一つまたは複数の除去モジュール６２０に送られる。様々な実施形態では、ＣＯ消費プロセス後のガス状基質６４２または６４２／６７２は、産業プロセス６１０からＣＯ２含有ガス６１２または６７２、および一つまたは複数の除去モジュール６５０からの処理済みガス流６５２を受け取る一つまたは複数の除去モジュール６２０に送られてもよい。
【0123】
様々な実施形態では、本開示は、水を電気分解して少なくとも水素と必要に応じて酸素を得ることを含む統合プロセスを提供し、水の電気分解プロセスに供給される電力は、少なくとも部分的に再生可能エネルギー源から得られる。
【0124】
基質は典型的にはガス状であるが、基質はまた、代替的な形態で提供されてもよい。例えば、基質は、マイクロバブル分散発生器を使用して、ＣＯ含有ガスで飽和した液体中に溶解されることができる。更なる例として、基質は、固体支持体上に吸着されてもよい。
【0125】
バイオリアクター内のＣ１固定微生物は通常、カルボキシド栄養性細菌である。特定の実施形態では、カルボキシド栄養性細菌は、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍを含む群から選択される。様々な実施形態では、カルボキシド栄養性細菌は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍである。
【0126】
本明細書に列挙される公表文献、特許出願、及び特許を含む全ての参考文献は、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、その全体が本明細書中に記載された場合と同じ程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書における任意の先行技術への言及は、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く、そのように解釈されるべきではない。
【0127】
本開示を説明する文脈において（特に、以下の特許請求の範囲の文脈において）、「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」という用語並びに同様の指示語の使用は、本明細書に別段の指示がない限り、又は文脈と明らかに相反することがない限り、単数及び複数の両方を包含すると解釈されるものとする。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」という用語は、別段の断りのない限り、非限定的な用語（すなわち、「含むがこれらに限定されない」ことを意味する）と解釈されるものとする。代替の使用（すなわち、「又は」）は、代替の一方、両方、又はそれらの任意の組み合わせを意味すると理解されるべきである。本明細書で使用される場合、「約」という用語は、別段の指示がない限り、示される範囲、値、又は構造の±２０％を意味する。
【0128】
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。
【0129】
本明細書に記載される全ての方法は、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例示的な言葉（すなわち、「など」）の使用は、本発明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、本発明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。
【0130】
本開示の好ましい実施形態が本明細書に記載される。それらの実施形態の変化形は、上記の説明を読むことによって当業者に明らかとなり得る。本発明者らは、当業者が必要に応じてそのような変化形を採用することを予想し、本発明者らは、本開示が本明細書に具体的に記載されるものとは別の方法で実践されることを意図する。したがって、本開示は、適用法によって許可されたとおり、本明細書に添付される特許請求の範囲に記載される主題の全ての修正物及び同等物を含む。さらに、その全ての考えられる変化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1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】