[发明专利]改进的发酵中碳捕捉

说明书

技术领域

本发明涉及在包括微生物发酵的工艺中提高总碳捕捉和/或提高总效率的系统和方法。特别地，本发明涉及在包括物质微生物发酵的工艺中提高碳捕捉和/或提高效率的方法，所述物质包含源于工业来源的CO。

背景技术

乙醇正迅速成为全球主要的富氢液体运输燃料。2005年，全球乙醇消费量约为122亿加仑。因为欧洲、日本、美国和多个发展中国家对乙醇的需求增长，预计乙醇燃料工业的全球市场在未来会继续急剧增长。

例如，在美国，乙醇被用于生产E10(含有10%乙醇的汽油混合物)。在E10混合物中，乙醇成分作为补氧剂(oxygenating agent)，以提高燃烧效率并降低空气污染物的产生。在巴西，乙醇作为汽油中混合的补氧剂以及单独作为纯燃料满足了约30%的运输燃料需求。此外，在欧洲，对温室气体(GHG)排放后果的环境方面的关注已促使欧盟(EU)对其成员国制订了消费可持续运输燃料例如生物乙醇的强制性目标。

绝大多数燃料乙醇通过传统的基于酵母的发酵工艺生产，所述工艺使用作物来源的碳水化合物(例如甘蔗中提取的蔗糖或谷物中提取的淀粉)作为主要碳源。然而，这些碳水化合物原料的成本受其作为人类粮食或动物饲料的价格影响，并且种植产淀粉或产蔗糖作物用于生产乙醇并非在所有地域都是经济上可持续的。因此，需要开发将低成本和/或更充足碳源转化成燃料乙醇的技术。

CO是有机材料(例如煤炭或石油和石油衍生产品)不完全燃烧时产生的主要的、免费的、富含能量的副产品。例如，据报道澳大利亚钢铁工业每年产生并向空气中释放超过500,000吨CO。

催化工艺可用于将主要由CO和/或CO和氢气(H₂)组成的气体转化为多种燃料和化学品。也可以用微生物将这些气体转化为燃料和化学品。这些生物工艺虽然通常比化学反应慢，但与催化工艺相比具有多种优势，包括更高的特异性、更高的产量、更低的能量消耗和更大的耐毒性。

微生物以CO作为唯一碳源生长的能力于1903年首次发现。这后来被确定为采用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生化路径(也称为Woods-Ljungdahl路径和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶(CODH/ACS)路径)的生物的一种特性。已经表明，很多厌氧生物，包括一氧化碳营养生物、光合作用生物、产甲烷生物和产乙酸生物，均将CO代谢成多种最终产物，即CO₂、H₂、甲烷、正丁醇、乙酸盐和乙醇。当使用CO作为唯一碳源时，所有此类生物产生至少两种此类最终产物。

已证实厌氧细菌(例如梭菌属的细菌)通过乙酰CoA生化路径从CO、CO₂、和H₂生成乙醇。例如，从气体生成乙醇的Clostridium ljungdahlii的多个菌株在WO00/68407、EP117309、美国专利5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO98/00558和WO02/08438中有描述。也已知细菌菌种Clostridium autoethanogenum从气体生成乙醇(Abrini等,Archives of Microbiology161,第345-351页(1994))。

然而，微生物通过气体发酵生成乙醇通常伴随生成乙酸盐和/或乙酸副产品。由于部分可用的碳被转化为乙酸盐/乙酸而不是乙醇，使用此类发酵工艺生产乙醇的效率可能低于期望值。并且，除非乙酸盐/乙酸副产品能用于一些其它目的，其可能形成废物处理问题。乙酸盐/乙酸通过微生物转化为甲烷并因此可能增加GHG排放。

在H₂存在下CO的微生物发酵能使碳基本完全转化为醇。然而，当缺乏足够的H₂时，部分CO被转化为醇，但很大一部分被转化为CO₂，如下述方程式中所示：

6CO+3H₂O→C₂H₅OH+4CO₂

12H₂+4CO₂→2C₂H₅OH+6H₂O

CO₂的产生表示总碳捕捉低效，如果排放，同样可能增加温室气体排放。