[发明专利]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

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年9月12日提交并且名称为“Methods and Microbes for Industrial Greenhouse Gas Capture and Production of Chemicals and Biomass by Chemoautotrophic 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 Carotenoid Synthesis”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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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→CaO+CO₂.

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SO_x和NO_x)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。