本发明专利技术提供用于使用化能自养微生物来从工业废物俘获碳的系统和方法。一个示例性的系统包括：工业源，诸如水泥厂；以及包括微生物的生物反应器。生物反应器被供给有来自源的废物流，该废物流向微生物提供碳；并且也被供给有氢原料，微生物从该氢原料获取它们的能量。可以从被供给有机原料的气化器提供附加的或备选的碳。向微生物提供的碳被转换为化学产物，该化学产物可以从生物反应器恢复。可以通过使用由可再生能源产生的电通过电解来产生氢。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】工业废物中的碳氧化物到生物质和化学产物的化能自养转换相关串请的交叉引用本申请要求于2011年9月12日提交并且名称为“Methods and Microbes forIndustrial Greenhouse Gas Capture and Production of Chemicals and Biomass byChemoautotrophic Microbes”的第61/533672号美国临时专利申请以及于2012年4月 30 日提交并且名称为 “Chemoautotrophic Methods and Microbes for CarotenoidSynthesis”的第61/640459号美国临时专利申请的权益,这两个美国临时专利申请通过引用并入本文。
本专利技术总体涉及生物反应器系统，并且更具体地涉及将生物反应器系统用于由从工业废物流俘获的碳化能自养合成化学产物的方法。
技术介绍
对作为用于生产诸如塑料、化妆品、润滑剂、粘合剂、涂料、交通运输燃料以及许多其它的日用品、特制品和精细化学产品之类的产品的主要原料的石油化学产品的依赖日益受到关注，这是由于由此导致的温室气体产生以及石油原料的高且可变的成本两方面的原因。从微生物源获取的可再生化学产品提供了对于从化石资源获取的化学产品的在环境上可持续的替代选择。微生物需要碳源以存活、生长并生产化学产物。许多工业源产生大量的碳，主要是在废气(如，碳氧化物(二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO))中的一种或两种)中。来自工业源的碳氧化物主要是由燃烧化石燃料和/或化学产品产生的，并且由于它们对有害的环境条件有贡献的原因而被归类为温室气体。因此，从工业气体废气(effluent)俘获碳氧化物既是一种用于生物介导的化学生产以获得碳的方法，也是一种减少释放到大气中的碳氧化物的量的方法。水泥制造是大气碳氧化物以及其它温室气体的一个主要来源。在水泥生产中，将矿物原料逐渐加热到越来越高的温度，引起一系列化学反应发生。这些反应中的一个是煅烧，也称作焙烧，其中在原料内的含碳酸盐矿物分解，释放二氧化碳。碳酸钙的分解例如表达如下:CaCO3 — Ca0+C02.在甚至更高的温度下的进一步反应产生“熟料(clinker) ”，该熟料是烧结的物质，其随后被磨碎至用于水泥的适当的细度。除了在上文的煅烧过程中由碳酸盐矿物分解所产生的二氧化碳之外，水泥生产也以其它方式产生二氧化碳。例如，机械加工过程(诸如，压碎和碾碎)以及用于生产最终熟料的高温，所有这些都倾向于通过燃烧化石燃料来实现。因此，水泥制造产生至少两个碳废物流。第一流主要包括碳酸盐分解所得的二氧化碳。在该第一流中水蒸气(蒸汽)是主要杂质，因为在原矿物原料中的水也被驱掉了。其它杂质气体随着在原矿物原料中的具体组分、纯度和污染物而变化。第二碳废物流包括二氧化碳、一氧化碳以及由原料燃料的燃烧而产生的其它气体，该原料燃料的燃烧例如用于加热以及使传送器和研磨器的发动机运行。这些燃料经常是化石燃料，但也可以是由生物质、废物材料或其它燃料源的燃烧或气化而获取的燃料。该气体在第二流中的准确组分取决于在使用的燃料原料的组分。第一和第二气流两者的组分还受空气的使用并且有时受其它气体的使用影响。例如，两种流都倾向于包括来自大气的氮和氧，这是因为焙烧通常在空气中执行并且空气通常为燃烧提供氧。水泥厂烟道气还经常包含硫和氮的氧化物(通常称作SOj^P NOx)以及硫化氢和其它温室气体。可再生化学产品的生产涉及俘获碳氧化物并且将其并入化学产物中。微生物系统提供在环境上可持续的、避免温室气体的、并且能量、水和碳高度有效的、用于俘获碳氧化物的化学制造过程。在多数领域中微生物化学生产可以是本地的，并且可以与释放碳的工业(诸如，水泥制造)位于共同的位置。通过使用从工业废物流(无论是气态、液态或固态的废物)俘获的碳，能够生产真正碳中和的、可再生的石油产物替代品。这还减少对于进口化石能源的依赖。发酵是一个众所周知的过程，其中提供化学化合物(诸如，糖)作为原料。在发酵中，糖被分解以提供商业上有用的但是能量更低的产物(如，酒精)。这类化学原料提供碳源，该碳源对于构建新的化合物以及允许微生物代谢和生长(合成代谢)是必不可少的；并且提供用于在能量上驱动该过程的化学键能。该类代谢被称作是异养的，并且在历史上已经主导不同细菌和真菌的 使用以用于制造对社会有益的化学产品。称为自养的另一类微生物代谢指的是将无机碳源(主要是俘获的二氧化碳)用作主要碳源。这些无机碳源提供了必须的碳源，但是包含的化学能量明显比在异养生长中使用的糖更少。包括绿色植物和水藻的光自养生物使用光能以驱动对二氧化碳的俘获。术语“化能自养”与以下生物体有关，该生物从无机化学源获取它们的能量和它们的碳两者。化能自养代谢描述一种代谢模式，其中生物摄取无机碳作为主要碳源(诸如，通过俘获二氧化碳)，并且从化学源获得能量(诸如，通过将氢氧化)。化能自养代谢主要被发现在数种细菌中，包括但不限于，紫色非硫(PNS)细菌(诸如，荚膜红细菌、类球红细菌、沼泽红假单胞菌)、β -变形菌(诸如，耐金属罗尔斯通氏菌(Ralstonia metalIidurans)(富养罗尔斯通氏菌))、假单胞菌(诸如，假单胞菌carboxydovorans (Pseudomonascarboxydovorans))、产甲烧细菌(诸如，嗜热自养甲烧杆菌、富养罗尔斯通氏菌(Ralstonia eutropha))、β -变形菌(诸如,耐金属罗尔斯通氏菌、富养罗尔斯通氏菌)、产乙酸细菌(acetogenous bacteria)(诸如,伍氏醋酸杆菌)或者表达吸氢酶和二氧化碳固定代谢两者(无论是内源性的还是通过基因操作、突变、选择或定向进化所引入的)的其它微生物，诸如大肠埃希氏菌、项圈藻、枯草芽孢杆菌等。在许多情况下，这些微生物能够异养以及光养代谢，或者使用能源和碳源两者的混合代谢。在一些情况下使用分子氢(H2)作为能源，并且使用碳氧化物作为碳源。一氧化碳也可以充当可能的能源和可能的碳源，但是由于一氧化碳的毒性，一氧化碳通常最好与氢和/或二氧化碳和/或氧混合使用。气化是如下过程，其中生物质、化石燃料或其它含碳材料在称作气化器的受控反应器中经受高温以及受限供应的空气或氧。该过程(当未提供氧时称作热解)产生数种气体，主要包括一氧化碳和氢，但还可能产生二氧化碳、水蒸气、甲烷、乙烯和乙烷中的一种或多种。在更低温度下的热解称作烘焙。通过气化产生的气体流具有大量的一氧化碳，并且可以进一步处理以经由称作重整工艺的数个过程，来将一氧化碳和水转换为二氧化碳和氢。重整技术包括但不限于,蒸汽重整、催化重整和生物介导的重整(诸如，生物催化电解或发酵氢生产)。此外，分子氢和一氧化碳是合成气的主要组分，其中变化的量的一氧化碳和分子氢由含碳燃料的气化产生。例如，合成气可以通过使城市废物、废水固体、废木制品、废木材、废塑料和非生物可降解的含碳材料的有机生物质裂化来生产，以产生用于生产燃料和更复杂的化学产品的前体。
技术实现思路
根据本专利技术，在不包含显著备选能源的生物反应器中的水培养基中的化能自养微生物，从被添加到生物反应器的分子氢和碳氧化物获取它们的主要能源和碳。碳氧化物可以作本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种系统，包括：工业源，产生包括碳氧化物的废物流；生物反应器，包括第一底物，包括所述废物流，第二底物，包括分子氢，以及液体培养基，包括微生物的培养物，所述微生物能够化能自养地俘获在所述第一底物中的至少一些所述碳氧化物。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.12 US 61/533,672;2012.04.30 US 61/640,459;1.一种系统，包括: 工业源，产生包括碳氧化物的废物流； 生物反应器，包括 第一底物，包括所述废物流， 第二底物，包括分子氢，以及 液体培养基，包括微生物的培养物，所述微生物能够化能自养地俘获在所述第一底物中的至少一些所述碳氧化物。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述工业源包括水泥制造设施。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述微生物的所述培养物包括富养罗尔斯通氏国。4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述微生物的所述培养物包括荚膜红细菌。5.根据权利要求1-3或4所述的系统，进一步包括所述第二底物的源。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第二底物的所述源包括电解系统。7.根据权利要求5所述的系统，进一步包括与所述电解系统电连通的可再生电力源。8.根据权利要求1-6或7所述的系统，进一步包括气体混合单元，所述气体混合单元被设置在所述工业源和所述生物反应器之间，并且被配置用于将来自所述工业源的所述废物流与另一气流混合，以产生用于所述生物反应器的所述第一底物。9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括与所述气体混合单元流体连通的存储系统。10.根据权利要求1-8或9所述的系统，进一步包括气化器和重整器，其中所述重整器被配置用于从所述气化器接收气态输出，并且其中所述生物反应器被配置用于接收所述重整器的气态输出。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述重整器进一步被配置用于接收除了来自所述气化器的所述气态输出之外的第二气流。12.根据权利要求1-10或11所述的系统，其中所述重整器包括催化重整器。13.根据权利要求1-10或11所述的系统，其中所述重整器通过生物介导的重整来产生二氧化碳和分子氢的混合物。14.根据权利要求1-12或13所述的系统，进一步包括分离系统，所述分离系统被配置用于从所述生物反应器接收所述液体培养基并且从接收到的所述液体培养基分离生物质或化学产物。15.—种系统,包括: 水泥制造设施，包括水泥窑以及被配置用于俘获来自所述水泥窑的排出气体的排气系统；以及 生物反应器系统，包括生物反应器，所述生物反应器与所述排气系统流体连通并且被配置用于从来自所述排气系统的第一气态流中的碳氧化物来产生化学产物，所述第一气态流包括来自所述水泥窑的所述排出气体。16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括 气化器，被配置用于产生第二气态流，以及 重整器，被配置用于接收所述第二气态流并且产生第三气态流，其中所述生物反应器与所述重整器流体连通以接收所述第三气态流。17.根据权利要求16所述的系统，其中所述重整器进一步被配置用于从所述水泥制造设施接收至少一些所述第一气态流，从而在所述生物反应器和所述排气...
【专利技术属性】
技术研发人员：布赖恩·塞夫顿，
申请(专利权)人：橡树生物公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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