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KR20220123292A - 통합 가스화 및 가스 발효 시스템에서 발효 테일 가스의 사용 - Google Patents

통합 가스화 및 가스 발효 시스템에서 발효 테일 가스의 사용 Download PDF

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KR20220123292A
KR20220123292A KR1020227026886A KR20227026886A KR20220123292A KR 20220123292 A KR20220123292 A KR 20220123292A KR 1020227026886 A KR1020227026886 A KR 1020227026886A KR 20227026886 A KR20227026886 A KR 20227026886A KR 20220123292 A KR20220123292 A KR 20220123292A
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KR
South Korea
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gasification
fermentation
gas
syngas
tail gas
Prior art date
Application number
KR1020227026886A
Other languages
English (en)
Inventor
알란 하이밍 가오
로버트 존 콘라도
리차드 로신
그레고리 모린
프랑즈-마커스 노와크
Original Assignee
란자테크, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 란자테크, 인크. filed Critical 란자테크, 인크.
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Abstract

본 개시내용은 산업용 가스 또는 가스화 유래 합성가스로부터 적어도 하나의 탄화수소, 옥시게네이트(oxygenate), 황 화합물, 및/또는 질소 화합물을 분리 및 연소시켜 증기를 생성하는 방법을 제공한다. 가스화 공정 및 가스 발효 공정은 발효 공정으로부터 생성된 테일 가스를 사용하여 가스화 공정에 의해 생성된 합성가스로부터 타르 및 기타 화합물을 불꽃 연소시켜 통합할 수 있다. 통합은 흡착제를 사용하여 산업용 가스 또는 가스화 유래 합성가스에서 타르 및 기타 화합물을 제거하고 가스 발효 공정으로부터 생성된 테일 가스를 사용하여 흡착제를 재생시킴으로써 달성할 수 있다. 탈착된 타르 및 기타 화합물이 풍부한 테일 가스는 증기 보일러에서 증기를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 증기는, 예를 들어, 가스 발효 공정의 압축기에 전력을 공급하기 위한 발전을 포함한 다양한 목적으로 사용될 수 있다.

Description

통합 가스화 및 가스 발효 시스템에서 발효 테일 가스의 사용
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2020년 3월 16일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/990,216호 및 2021년 2월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제17/180,583호의 이익을 주장한다. 이들 두 출원의 내용은 그 전체가 참고로 본원에서 명시적으로 포함된다.
기술분야
본 발명은 가스화 공정 및 가스 발효 공정의 통합을 개선하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가스 발효 공정의 테일 가스의 적어도 일부를 사용하여 합성가스가 가스 발효 공정에 대한 공급물로서 사용되기 전에 가스화 공정에 의해 생성된 합성가스로부터 타르를 분리하기 위해 사용되는 흡착제로부터 적어도 하나의 타르를 탈착시키는 것에 관한 것이다. 다른 실시형태에서, 테일 가스는 산업용 가스가 가스 발효 공정에 도입되기 전에 산업용 가스로부터 타르를 분리하는 데 사용되는 흡착제를 재생하는 데 사용된다.
세계 인구가 증가함에 따라, 이러한 인구에 의해 생성되는 폐기물은 점점 더 많은 관심사가 되고 있다. 폐기물 처리를 위한 한 가지 해결책은 가스화이다. 가스화는 유기 또는 화석 연료 기반 탄소 물질을 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스로 전환하는 공정이다. 가스화는 유리하게는 매립지로 가는 폐기물의 양을 줄이고 하나 이상의 후속 공정에 의해 유용한 생성물로 전환될 수 있는 생성물인 합성가스를 생성한다.
가스화에 의해 생성된 합성가스는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)를 포함한 여러 공정에서 활용될 수 있다. 피셔-트롭쉬 공정은 일산화탄소의 촉매 수소화를 제공하여 탄화수소, 알코올 또는 기타 산소화 탄화수소를 포함한 다양한 생성물을 생산한다. 그러나, 피셔-트롭쉬 공정 내의 촉매층은 가스화 공급 원료에 따라 합성가스 스트림 중에 존재할 수 있는 다양한 성분에 특히 민감하다. 이러한 성분 중 하나는 황이다. 피셔-트롭쉬 공정으로 보내기 전에 합성가스 스트림에서 황이 제거되지 않으면 황은 피셔-트롭쉬 반응에 필요한 촉매를 탈활성화시킬 수 있다. 따라서, 피셔-트롭쉬 공정에 적합한 가스를 얻기 위해서는 광범위한 가스 정화 기술이 종종 필요하다.
피셔-트롭쉬 공정의 대안 중 하나는 가스 발효이다. 가스 발효는 합성가스를 포함한 가스를 하나 이상의 생성물에 생물학적으로 고정시킨다. 가스 발효는 피셔-트롭쉬 공정에 비해 다양한 장점이 있다. 첫째, 피셔-트롭쉬 공정은 고온(150-350℃), 승압(30 bar), 및 코발트, 루테늄 및 철과 같은 불균일 촉매를 사용한다. 이에 반해, 가스 발효는 약 37℃에서 일어나며 종종 대기압에서 수행되기 때문에 피셔-트롭쉬 공정에 비해 상당한 에너지 및 비용 절감 효과가 있다. 또한, 피셔-트롭쉬 공정은 합성가스에서 약 2:1의 상대적으로 고정된 H2:CO 비를 필요로 하는 반면, 가스 발효는 다양한 H2:CO 비를 갖는 다양한 범위의 기질을 수용하고 활용할 수 있다.
가스화는 바이오매스 또는 도시 폐기물을 부분적인 산화를 통해 일산화탄소, 수소, 메탄, 질소, 수증기, 이산화탄소, 및 타르를 포함하는 합성가스의 가스상 혼합물로 전환시킨다. 바이오매스 유래 합성가스는 특히 고농도의 타르 화합물을 함유하고 있으며 합성가스로부터 제거되어야만 하는 입자가 활용된다. 타르는 보통 다양한 탄화수소와 산화 화합물을 포함한다. 예로는 산, 알데히드, 케톤, 및 알코올과 같은 지방족 및 산화된 작용기가 골격에 부착된 방향족, 폴리방향족, 퓨라닉 골격 구조를 포함한다. 산업용 가스는 또한 산업용 가스의 공급원에 따라 타르를 함유할 수도 있는 것으로 생각된다.
산업용 가스 또는 합성가스가 다운스트림 공정에서 이용되기 전에 산업용 가스 또는 가스화 유래 합성가스로부터 타르를 효율적으로 제거할 필요성이 남아 있다. 또한, 하나의 작업의 폐기물 스트림이 전체 시스템에 가장 유익한 방식으로 사용되도록 가스화 작업과 가스 발효 작업 사이에 더 높은 수준의 통합이 필요하다. 가스 발효 작업으로부터 유래하는 테일 가스의 예상치 못한 유익한 사용은 합성가스가 가스 발효 작업의 공급물로서 사용되기 전에 합성가스로부터 적어도 하나의 타르를 분리하는 데 사용되는 흡착제를 재생하기 위해 테일 가스의 적어도 일부를 사용하는 것이다. 통합의 정도는 타르를 탈착한 후 테일 가스를 연소시켜 증기를 생성하기 위해 증기 보일러에서 타르가 풍부해지고 발열량이 더 높아짐으로써 더 증가될 수 있다. 타르가 풍부한 테일 가스에는 놀랄 만한 양의 잔류 에너지가 존재하므로 놀랄 만한 양의 증기가 생성된다. 통합은 가스 발효 작업에서 사용되는 압축기에 대한 동력을 생성하기 위해 증기를 활용함으로써 추가로 통합될 수 있다. 다른 옵션으로는 예를 들어 가스 엔진 또는 가스 터빈에서의 발전을 포함한다.
본 개시내용은 적어도 하나의 탄화수소 및/또는 옥시게네이트(oxygenate)를 흡착제 상에서 흡착하고 처리된 스트림을 생성함으로써 가스화 공정 또는 산업용 가스로부터 합성가스 스트림을 처리하는 단계; 미생물을 사용하여 생물반응기에서 처리된 스트림의 적어도 일부를 발효시켜 적어도 하나의 생성물을 포함하는 유출물 및 테일 가스 스트림을 생성하는 단계; 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 사용하여 적어도 하나의 탄화수소 또는 옥시게네이트를 탈착함으로써 흡착제를 재생하여 탈착된 적어도 하나의 탄화수소 또는 옥시게네이트를 추가로 포함하는 농축된 테일 가스 스트림을 제공하는 단계; 및 농축된 테일 가스의 적어도 일부를, 하기 단계: 증기 보일러에서 연소시켜 증기를 생성하는 단계; 전력을 생성하는 단계; 또는 가스화 공정으로 재순환하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서 활용하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.
본 개시내용은: 흡착제를 수용하는 흡착 유닛; 흡착 유닛과 유체 연통하는 가스화기; 흡착 유닛과 유체 연통하는 생물반응기; 생물반응기 및 흡착 유닛과 유체 연통하는 테일 가스 도관; 증기 발생 유닛; 및 흡착 유닛 및 증기 발생 유닛과 유체 연통하는 농축된 테일 가스 도관을 포함하는 장치를 추가로 포함한다. 장치는 발전 시스템과 유체 연통하는 증기 도관을 추가로 포함할 수 있다. 장치는 발전 시스템과 전기적으로 연통하고 생물반응기와 유체 연통하는 압축기를 추가로 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 발효 공정은 가스화를 통해 생성된 합성가스와 같은 C1-함유 가스 기질을 발효시키는 데 적합한 하나 이상의 C1-고정 미생물을 사용한다. 다양한 실시형태에서, C1-고정 미생물은 무렐라(Moorella), 클로스트리듐(Clostridium), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 부티리박테리움(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina), 및 데설포토마컬럼(Desulfotomaculum)으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 미생물은 클로스트리듐 속의 구성원일 수 있다. 특정 경우에, 상기 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)이다.
다양한 실시형태에서, 가스화 공급원료는 도시 고형 폐기물, 농업 폐기물, 미생물 바이오매스, 또는 이들의 임의의 조합이다. 가스화 공급원료는 건조기에서 건조된 다음 가스화되어 합성가스 스트림을 생성한다. 합성가스 스트림의 적어도 일부는 발효 공정으로 전달되어 하나 이상의 생성물 및 가능하게는 적어도 하나의 부산물을 생성한다. 일부 실시형태에서, 발효 공정으로부터 생성된 미생물 바이오매스는 가스화에 대한 공급원료로서 가스화 작업으로 전달된다.
일부 실시형태에서, 발효 공정에 의해 생성된 실질적으로 모든 미생물 바이오매스는 생성물 회수 후 발효 공정으로 재순환되거나, 폐수 처리 공정에 의해 처리되고/되거나 합성가스를 생산하기 위해 가스화 공정으로 보내진다. 특정 경우에, 가스화 공정은 발효 공정에서 발생하는 미생물 바이오매스의 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 실질적으로 전부를 수용한다.
일부 실시형태에서, 폐수 처리 공정으로부터 생성된 미생물 바이오매스는 가스화 공정으로 보내진다. 폐수 처리 공정으로부터 생성된 미생물 바이오매스는 폐수 처리 공정 내 혐기성 소화조 공정으로부터 적어도 부분적으로 회수될 수 있다. 다양한 경우에, 폐수 처리 공정으로부터 생성되는 미생물 바이오매스의 적어도 일부는 가스화 공정으로 전달되기 전에 건조된다. 특정 경우에, 실질적으로 전부의 폐수 처리 공정으로부터의 미생물 바이오매스는 가스화 공정으로 전달되기 전에 건조된다.
특정 실시형태에서, 발효 공정으로부터의 미생물 바이오매스 고갈수(depleted water)의 적어도 일부는 가스화 공정으로 보내진다. 다양한 경우에, 미생물 바이오매스 고갈수는 합성가스 스트림 중 H2:CO 비를 증가시키기 위해 가스화 공정으로 보내진다. 바람직하게는, 미생물 바이오매스 고갈수의 적어도 일부는 합성가스 스트림 중 H2:CO 비를 적어도 2:1, 적어도 3:1 또는 적어도 4:1로 증가시키기 위해 가스화 공정으로 보내진다. 미생물 바이오매스 고갈수를 합성가스 스트림 중 H2:CO 비가 증가하는 가스화 공정으로 보내는 것은, 가스 발효 공정에 의해 생성된 에탄올에 대한 선택성을 증가시키고, 미생물 바이오매스 생산에 대한 선택성을 감소시키고, 발효 반응에 의한 물 소비를 감소시키고/거나, 폐수 처리 공정으로의 유출 흐름을 감소시킬 수 있다.
특정 실시형태에서, 발효 공정으로부터 생성된 폐수의 적어도 일부는 가스화 공정으로 보내진다. 이러한 폐수는 미생물 바이오매스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 생성물 및/또는 부산물을 함유할 수 있다. 다양한 경우에, 발효 공정으로부터 생성된 폐수는 합성가스 스트림 중 H2:CO 비를 증가시키기 위해 가스화 공정으로 보내진다. 바람직하게는, 발효 공정으로부터 생성된 폐수의 적어도 일부는 합성가스 스트림 중 H2:CO 비를 적어도 2:1, 적어도 3:1, 또는 적어도 4:1로 증가시키기 위해 가스화 공정으로 보내진다. 발효 공정으로부터 생성된 폐수를 합성가스 스트림 중 H2:CO 비가 증가하는 가스화 공정으로 보내는 것은, 가스 발효 공정에 의해 생성된 에탄올에 대한 선택성을 증가시키고, 미생물 바이오매스 생산에 대한 선택성을 감소시키고, 발효 반응에 의한 물 소비를 감소시키고/거나 폐수 처리 공정으로의 유출 흐름을 감소시킬 수 있다.
특정 실시형태에서, 폐수 처리 공정으로부터의 정화수의 적어도 일부는 가스화 공정으로 보내진다. 다양한 경우에, 폐수 처리 공정으로부터의 정화수는 합성가스 스트림 중 H2:CO 비를 증가시키기 위해 가스화 공정으로 보내진다. 바람직하게는, 폐수 처리 공정으로부터의 정화수의 적어도 일부는 합성가스 스트림 중 H2:CO 비를 적어도 2:1, 적어도 3:1, 또는 적어도 4:1로 증가시키기 위해 가스화 공정으로 보내진다. 폐수 처리 공정으로부터의 정화수를 합성가스 스트림 중 H2:CO 비가 증가하는 가스화 공정으로 보내는 것은, 가스 발효 공정에 의해 생성된 에탄올에 대한 선택성을 증가시키고, 미생물 바이오매스 생산에 대한 선택성을 감소시키고, 발효 반응에 의한 물 소비를 감소시키고/거나 폐수 처리 공정으로의 유출 흐름을 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 발효 공정 및/또는 폐수 처리 공정으로부터의 적어도 하나의 폐수의 적어도 일부는 가스화 공정에 필요한 공정수의 적어도 일부를 대체한다. 특정 경우에, 가스화 공정에 필요한 공정수는 45% 이상 감소된다. 적어도 하나의 실시형태에서, 가스화 공정에 필요한 공정수는 45 내지 100% 감소된다. 특정 실시형태에서, 가스화 공정에 필요한 공정수는 45 내지 75%, 55 내지 75%, 65 내지 75%, 55 내지 100%, 65 내지 100%, 또는 75 내지 100% 감소된다.
특정 경우에, 적어도 하나의 폐수의 적어도 일부는 합성가스 스트림의 온도를 감소시키기 위해 가스화 공정에 의해 생성된 합성가스 스트림에 주입된다. 바람직하게는, 가스화 공정에 의해 생성된 합성가스 스트림에 주입된 폐수는 미생물 바이오매스 고갈수, 발효 공정으로부터 생성된 폐수, 및 폐수 처리장으로부터의 정화수로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는 합성가스 스트림의 온도는 적어도 섭씨 100도까지 감소된다. 적어도 하나의 실시형태에서, 가스화 공정을 빠져나가는 합성가스 스트림은 800℃ 내지 1200℃ 이다. 바람직하게는, 합성가스 스트림의 온도는 추가 가스 처리 및/또는 발효에 적합한 온도 범위 내로 감소된다. 다양한 경우에, 합성가스 스트림으로의 적어도 하나의 유출물의 주입이 완료되어 합성가스 스트림으로부터 적어도 하나의 미립자가 제거된다.
특정 경우에, 합성가스 스트림은 부분적으로 급냉된다. 바람직하게는, 합성가스 스트림은 미생물 바이오매스 고갈수, 발효 공정으로부터 생성된 폐수, 및 폐수 처리장으로부터의 정화수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유출물을 합성가스 스트림에 주입함으로써 부분적으로 급냉된다. 다양한 실시형태에서, 합성가스 스트림의 부분 급냉은 합성가스 스트림의 온도를 700-800℃로 감소시킨다. 다양한 실시형태에서, 이러한 온도 감소는 1000℃에서 시작하여 10,000 Nm3의 급냉된 합성가스당 약 1.2톤의 공정수를 필요로 한다. 바람직하게는, 이러한 공정수의 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 실질적으로 전부는 합성가스 스트림에 하나 이상의 유출물의 주입을 통해 대체된다.
특정 경우에, 합성가스 스트림은 완전히 급냉된다. 바람직하게는, 합성가스 스트림은 미생물 바이오매스 고갈수, 발효 공정으로부터 생성된 폐수, 및 폐수 처리장으로부터의 정화수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유출물을 합성가스 스트림에 주입함으로써 완전히 급냉된다. 다양한 실시형태에서, 합성가스 스트림의 완전한 급냉은 합성가스 스트림의 온도를 300℃ 미만으로 감소시킨다. 다양한 실시형태에서, 이러한 온도 감소는 1000℃에서 시작하여 10,000 Nm3의 급냉된 합성가스당 약 4톤의 공정수를 필요로 한다. 바람직하게는, 이러한 공정수의 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 실질적으로 전부는 합성가스 스트림에 하나 이상의 유출물의 주입을 통해 대체된다.
특정 실시형태에서, 폐수 처리 공정으로부터 생성된 바이오가스의 적어도 일부는 가스화 공정으로 보내진다. 이러한 바이오가스는 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아 및 황 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함한다. 다양한 경우에, 이러한 황 화합물은 황화수소이다. 적어도 하나의 실시형태에서, 바이오가스는 약 60 퍼센트의 메탄과 약 40 퍼센트의 이산화탄소를 포함한다. 적어도 하나의 실시형태에서, 바이오가스는 약 65 퍼센트의 메탄과 약 35 퍼센트의 이산화탄소를 포함한다.
특정 실시형태에서, 폐수 처리 공정으로부터 생성된 바이오가스의 적어도 일부는 가열원으로 사용된다. 바람직하게는, 폐수 처리 공정으로부터 생성된 바이오가스의 적어도 일부는 가스화 공정에 의해 가열원으로 사용된다. 다양한 경우에, 가스화 공정으로 보내진 바이오가스의 적어도 일부는 가스화 공정에 의해 생성된 슬래그의 적어도 일부를 용융시키기 위한 가열원으로 사용된다. 하나 이상의 실시형태에서, 폐수 처리 공정으로부터의 바이오가스는 가스화 공정으로 보내지기 전에 제거 공정으로 보내진다. 여러 경우에, 제거 공정은 바이오가스 스트림에서 소정의 적어도 하나의 성분을 제거, 전환 및/또는 감소시킬 수 있는 하나 이상의 제거 유닛을 포함한다. 바람직하게는, 제거 공정은 바이오가스 스트림이 가스화 공정으로 보내지기 전에 바이오가스 스트림으로부터 적어도 하나의 황 화합물의 적어도 일부를 제거한다.
특정 실시형태에서, 바이오가스 내의 메탄의 적어도 일부는 가스화 공정에 의해 가스화될 때 CO 및 H2로 개질된다. 다양한 경우에, 메탄은 합성가스에 포함된 수분과 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성한다.
일 실시형태에서, 발효 공정으로부터 생성된 테일 가스의 적어도 일부, 가스화 공정에 의해 생성된 미사용 합성가스, 생성물 회수 공정으로부터의 미정제 에탄올 및/또는 생성물 회수 공정으로부터의 퓨젤 오일은 가열원으로 사용된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 이러한 유출물 중 적어도 일부는 가스화 공정에 의해 가열원으로 사용된다. 다양한 경우에, 적어도 하나의 이러한 유출물 중 적어도 일부는 가스화 공정으로 보내져 가스화 공정에 의해 생성된 슬래그의 적어도 일부를 용융시키기 위한 가열원으로 사용된다. 하나 이상의 실시형태에서, 이러한 유출물은 가스화 공정으로 보내지기 전에 제거 공정에 의해 처리된다. 다양한 경우에, 제거 공정은 유출물에서 소정의 적어도 하나의 성분을 제거, 전환 및/또는 감소시킬 수 있는 하나 이상의 제거 모듈을 포함한다.
폐수 처리 공정으로부터의 정화수의 적어도 일부를 가스화 공정으로 전달하는 것 외에도, 폐수 처리 공정으로부터의 정화수의 적어도 일부는 발효 공정으로 전달될 수 있다. 특정 경우에, 실질적으로 전부의 폐수 처리 공정으로부터의 정화수는 가스화 공정 및/또는 발효 공정으로 재순환된다. 특정 경우에, 가스화 공정은 폐수 처리 공정으로부터의 정화수의 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 실질적으로 전부를 수용한다. 특정 경우에, 발효 공정은 폐수 처리 공정으로부터의 정화수의 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 실질적으로 전부를 수용한다.
바람직하게는, 발효 공정은 하나 이상의 연료 또는 화학 물질을 생성하기 위해 가스화 공정으로부터의 합성가스의 적어도 일부를 활용한다. 발효 공정에 의해 생성된 생성물 중 적어도 하나는 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 1,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-하이드록시프로피오네이트, 테르펜(이소프렌을 포함하지만 이에 제한되지 않음), 지방산, 2-부탄올, 이소부틸렌, 이소부탄올, 1,2-프로판디올, 1-프로판올 및 C6-C12 알콜로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
하나 이상의 실시형태에서, 발효 공정에 의해 생성된 미생물 바이오매스의 적어도 일부는 단세포 단백질(SCP: single cell protein)로 전환될 수 있다.
다양한 경우에, 하나 이상의 연료 또는 화학 물질의 적어도 일부는 2차 전환 공정으로 보내진다. 바람직하게는, 2차 전환 공정은 하나 이상의 연료 또는 화학 물질의 적어도 일부를 디젤 연료, 제트 연료, 가솔린, 프로필렌, 나일론 6-6, 고무 및/또는 수지 중 하나 이상의 성분으로 추가로 전환시킨다.
하나 이상의 실시형태에서, 가스화 공정으로부터의 합성가스는 발효 공정으로 보내지기 전에 제거 공정으로 보내진다. 다양한 경우에, 제거 공정은 합성가스 스트림 중에 함유된 소정량의 미생물 억제제 및/또는 촉매 억제제를 제거, 전환 및/또는 감소시킬 수 있는 하나 이상의 제거 모듈을 포함한다.
바람직하게는, 제거 공정에 의해 합성가스 스트림에서 제거, 전환 및 감소되는 적어도 하나의 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직하게는 제거 공정은: 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 클로라이드 제거 모듈, 타르 제거 모듈, 및 시안화수소 폴리싱 모듈을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 제거 모듈을 포함한다. 다양한 경우에, 제거 공정은 적어도 2개의 제거 모듈을 포함한다.
본 발명은 공정의 하나 이상의 지점에서 합성가스 스트림의 압력의 증가 및/또는 감소를 추가로 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 가스화 공정, 가스 발효 공정, 생성물 회수 공정, 및 폐수 처리 공정의 통합을 나타내는 공정 통합 도식을 도시하는 것으로, 여기서 가스 발효 공정의 테일 가스는 합성가스 스트림에 대한 흡착 장치를 위한 퍼지 가스로서 사용되며 농축된 테일 가스는 증기 보일러로 안내되어 고압 증기를 생성한 다음 가스 발효 작업을 위한 압축기에 동력을 공급하는 데 사용된다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 가스화 공정과 가스 발효 공정 사이에 제거 공정을 추가로 포함하는 도 1의 공정 통합 도식을 도시한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 폐수 처리 공정 후에 제거 공정을 추가로 포함하는 도 2의 공정 통합 도식을 도시한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 가스 발효 공정, 생성물 회수 공정, 및 폐수 처리 공정의 통합을 나타내는 공정 통합 도식을 도시하는 것으로, 여기서 가스 발효 공정의 테일 가스는 공급물 스트림에 대한 흡착 장치를 위한 퍼지 가스로서 사용되며 농축된 테일 가스는 증기 보일러로 안내되어 고압 증기를 생성한 다음 가스 발효 작업에 대한 공급물을 위한 압축기에 동력을 공급하는 데 사용된다.
도 5는 물질의 가스화에 의해 합성가스를 생성하지 않고 기질 또는 C1-탄소 공급원으로서 산업 폐가스를 사용하는 실시형태를 도시하는 것으로, 여기서 라인 내의 농축된 테일 가스는 발전 유닛으로 전달된다. 도 5는 또한 농축된 테일 가스가, 예를 들어, 생성물을 건조하기 위한 공정 회수 공정 및 유닛으로 전달되는 대안적인 실시형태를 도시한다.
도 6은 기질 또는 C1-탄소 공급원으로서 합성가스를 생성하기 위해 가스화기를 사용하는 실시형태를 도시하는 것으로, 여기서 농축된 테일 가스는 발전 유닛으로 전달된다. 도 6은 또한 농축된 테일 가스가, 예를 들어, 생성물을 건조하기 위한 생성물 회수 공정 및 유닛으로 전달되는 대안적인 실시형태를 도시한다.
본 개시내용은 가스화 공정 및 발효 공정 및 선택적으로는 폐수 처리 공정의 통합을 기술한다. 가스화 공정의 합성가스는 흡착 유닛에 통과시켜 탄화수소 또는 옥시게네이트와 같은 하나 이상의 타르를 제거한다. 설명의 편의를 위해, 본원에서 사용되는 타르는 황 화합물 및 질소 화합물뿐만 아니라 탄화수소 및 옥시게네이트를 포함하는 것을 의미한다. 발효 공정에서 나오는 테일 가스는 흡착 유닛으로 재순환되어 흡착제를 재생한다. 탈착된 타르 중에 농축된 테일 가스는 증기 발생 유닛으로 전달되어 증기를 생성한다. 증기는 가스 발효 공정의 하나 이상의 압축기에 대해 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 통합 가스화 및 가스 발효 공정의 효율성과 시너지 효과에 대한 예상치 못한 상당한 이점이 달성된다. 전형적으로, 흡착제로부터의 타르 및 기타 불순물은 질소를 사용하여 탈착시킨다. 이러한 기술은 비용을 들여 질소를 생산하고 저장해야 할 필요가 있으며, 그 이후에는 낮은 에너지 가치를 갖는 묽은 테일 가스 스트림과 함께 처리해야만 하는 많은 양의 오염된 질소가 뒤따른다. 대안은 처리된 합성가스를 사용하여 흡착제를 재생하는 것이며, 수율 손실이 상당할 수 있다. 흡착 유닛에 대한 퍼지로서 테일 가스를 사용함으로써 이러한 비용과 문제를 피할 수 있다.
용어 "효율의 증가", "증가된 효율" 등은, 발효 공정과 관련하여 사용되는 경우, 발효를 촉매하는 미생물 성장 속도, 높아진 생성물 농도에서의 성장 및/또는 생성물 생성 속도 중 하나의 증가, 소모된 기질 부피당 생성된 원하는 생성물의 부피 증가, 원하는 생성물의 생성 속도 또는 생성 수준 증가, 다른 발효 부산물과 비교하여 생성된 원하는 생성물의 상대적 비율의 증가, 공정에서 소비되는 물의 양의 감소, 공정에서 사용되는 에너지의 양의 감소를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
"용어 효율의 증가", "증가된 효율" 등은, 가스화 공정과 관련하여 사용되는 경우, 공정에 의해 생성된 합성가스의 양의 증가, 공정에서 사용되는 물의 공급량의 감소, 가스 발효를 위한 합성가스 스트림의 최적화, 온실 가스 배출 감소, 및 공정에서 사용되는 외부 연료를 포함하지만 이에 제한되지 않는 에너지의 양의 감소를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
용어 "효율의 증가", "증가된 효율" 등은, 폐수 처리 공정과 관련하여 사용되는 경우, 공정 내에서의 물의 유지 시간 감소, 공정에 의해 생성된 바이오가스의 활용의 증가, 폐수 처리 공정으로 보내지는 유출물의 양의 감소, 공정의 부피 요구량 감소, 공정에 의한 암모니아 분리에 대한 필요성 감소, 및 공정에서 사용되는 에너지의 양의 감소를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 산업 공정의 부산물로서 또는 일부 다른 공급원, 예를 들어 자동차 배기 매연 또는 바이오매스 가스화로부터 수득되는 폐가스일 수 있다. 특정 실시형태에서, 산업 공정은 제강 제조 등의 철금속 제품 제조, 비철금속 제품 제조, 석유 정제, 석탄 가스화, 전력 생산, 카본블랙 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 코크스 제조로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이들 실시형태에서, 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 대기 중으로 배출되기 전에 임의의 편리한 방법을 사용하여 산업 공정으로부터 포집할 수 있다. 용어 산업용 가스는 산업 공정에서 나오는 기질을 포함하는 것을 의미한다.
용어 "발효", "가스 발효" 등은 가스화에 의해 생성되는 합성가스와 같은 하나 이상의 기질을 수용하고 하나 이상의 C1-고정 미생물의 이용을 통해 하나 이상의 생성물을 생성하는 공정으로 해석되어야 한다. 바람직하게는, 발효 공정은 하나 이상의 생물반응기의 사용을 포함한다. 발효 공정은 "배치" 또는 "연속"으로 기술될 수 있다. "배치 발효"는 생물반응기가 미생물과 함께 원료, 예를 들어 탄소 공급원으로 충진되며, 발효가 완결될 때까지 생성물이 생물반응기에 남아 있는 발효 공정을 기술하기 위해 사용된다. "배치" 공정에서는, 발효가 완결된 후 생성물을 추출하고, 다음 "배치"가 시작되기 전에 생물반응기를 세척한다. "연속 발효"는 발효 공정이 더 오랜 시간 동안 연장되고 발효 도중 생성물 및/또는 대사 산물을 추출하는 발효 공정을 기술하기 위해 사용된다. 바람직하게는 발효 공정은 연속식이다.
용어 "폐수 처리"등은 정화수를 생산하기 위해 발효 공정으로부터의 유출물로부터 성분을 분리하는 공정으로 해석되어야 한다. 폐수 처리 공정은 다양한 체류 시간으로 하나 이상의 혐기성 소화조 및 하나 이상의 암모니아 스트리핑 공정을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
용어 "가스화" 등은 유기 또는 화석 연료 기반 탄소 물질을 일산화탄소(CO), 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2)로 전환시키는 공정으로 해석되어야 한다. 가스화 공정은 역류 고정층 가스화기, 병류 고정층 가스화기, 유동층 반응기, 비말동반 유동 가스화기, 및 플라즈마 가스화기를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 기술을 포함할 수 있다. 가스화 공정은 합성가스 스트림을 생성할 수 있는 임의의 공급물을 사용할 수 있다. 용어 "가스화 공정"은 가스화기 및 합성가스 급냉 공정을 위한 가열원을 포함하여 가스화와 관련된 유닛 작동과 함께 가스화기 자체를 포함한다.
"합성가스 스트림", "합성 스트림" 등은 가스화 공정을 빠져나가는 가스 기질을 지칭한다. 합성가스 스트림은 주로 일산화탄소(CO), 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2)로 구성되어야 한다. 합성가스 스트림의 조성은 관련된 가스화 공정 및 공급 원료에 따라 크게 달라질 수 있지만, 합성가스의 전형적인 조성은 30 내지 60 퍼센트(30-60%)의 일산화탄소(CO), 25 내지 30 퍼센트(25-30%)의 수소(H2), 0 내지 5 퍼센트(0-5%)의 메탄(CH4), 5 내지 15 퍼센트(5-15%)의 이산화탄소(CO2), 더 적거나 더 많은 양의 수증기, 더 적은 양의 황 화합물, 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS), 암모니아(NH3), 및 기타 미량의 오염 물질을 포함한다.
특정 실시형태에서, 수소의 존재는 발효 공정에 의한 알콜 생산의 전반적인 효율을 개선한다.
합성가스 조성은 목적하는 또는 최적의 H2:CO:CO2 비를 제공하도록 개선될 수 있다. 합성가스 조성은 가스화 공정에 공급되는 공급 원료를 조정함으로써 개선될 수 있다. 목적하는 H2:CO:CO2 비는 발효 공정의 목적하는 발효 생성물에 의존한다.
수소의 존재 하에 발효 공정을 작동시키는 것은 발효 공정에 의해 생산되는 CO2의 양을 감소시키는 추가적인 이점을 갖는다. 예를 들어, 최소한의 H2를 포함하는 가스상 기질은 전형적으로는 화학량론적 반응식[6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2]에 의해 에탄올 및 CO2를 생성할 것이다. C1-고정 박테리아에 의해 사용되는 수소의 양이 증가함에 따라, 생성되는 CO2의 양은 감소한다[예를 들어, 2 CO + 4 H2 → C2H5OH + H2O].
CO가 에탄올 생산을 위한 단독의 탄소 및 에너지 공급원인 경우, 탄소의 일부는 다음과 같이 CO2로 손실된다:
6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2 (ΔGº = -224.90 kJ/mol 에탄올)
기질에서 이용 가능한 H2의 양이 증가함에 따라, 생성되는 CO2의 양은 감소한다. 2:1(H2:CO)의 화학량론적 비에서, CO2 생성이 완전히 회피된다.
5 CO + 1 H2 + 2 H2O → 1 C2H5OH + 3 CO2 (ΔGº = -204.80 kJ/mol 에탄올)
4 CO + 2 H2 + 1 H2O → 1 C2H5OH + 2 CO2 (ΔGº = -184.70 kJ/mol 에탄올)
3 CO + 3 H2 → 1 C2H5OH + 1 CO2 (ΔGº = -164.60 kJ/mol 에탄올)
"스트림"은, 예를 들어, 하나의 공정에서 다른 공정으로, 하나의 모듈에서 다른 모듈로, 및/또는 하나의 공정에서 탄소 포집 수단으로 전달될 수 있는 임의의 기질을 지칭한다.
본원에서 사용되는 "반응물"은 화학 반응 동안 참여하고 변화하는 물질을 지칭한다. 특정 실시형태에서, 반응물은 CO 및/또는 H2를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
본원에서 사용되는 "미생물 억제제"는 미생물을 포함하여, 특정 화학 반응 또는 다른 공정을 늦추거나 방지하는 하나 이상의 성분을 지칭한다. 특정 실시형태에서, 미생물 억제제는 산소(O2), 시안화수소(HCN), 아세틸렌(C2H2) 및 BTEX(벤젠( b enzene), 톨루엔( t oluene), 에틸벤젠( e thylbenzene), 자일렌( x ylene))를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
본원에서 사용되는 "촉매 억제제", "흡착제 억제제" 등은 화학 반응의 속도를 감소시키거나 이를 방지하는 하나 이상의 물질을 지칭한다. 특정 실시형태에 있어서, 촉매 및/또는 흡착제 억제제는 황화수소(H2S)와 카보닐 황화물(COS)이 포함될 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.
"제거 공정", "제거 모듈", "클린-업 모듈" 등은 가스 스트림으로부터 미생물 억제제 및/또는 촉매 억제제를 전환 및/또는 제거할 수 있는 기술을 포함한다. 특정 실시형태에서, 촉매 억제제는 하류 제거 모듈에서 하나 이상의 촉매의 억제를 방지하기 위해 상류 제거 모듈에 의해 제거되어야 한다.
본원에서 사용되는 용어 "성분", "오염물" 등은 가스 스트림에서 발견될 수 있는 미생물 억제제 및/또는 촉매 억제제를 지칭한다. 특정 실시형태에서, 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
용어 "처리된 가스", "처리된 스트림" 등은 적어도 하나의 제거 모듈을 관통하고, 하나 이상의 성분이 제거 및/또는 전환된 가스 스트림을 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "탄소 포집"은 CO2 및/또는 CO를 포함하는 스트림으로부터 CO2 및/또는 CO를 포함하는 탄소 화합물을 봉쇄하는 것 및 하기 중 어느 하나를 지칭한다:
CO2 및/또는 CO를 생성물로 전환하거나; 또는
CO2 및/또는 CO를 장기 저장에 적합한 물질로 전환하거나; 또는
CO2 및/또는 CO를 장기 저장에 적합한 물질 중에 트랩핑하거나; 또는
이러한 공정의 조합.
용어 "생물반응기", "반응기" 등은, 연속 교반 탱크 반응기(CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor), 고정 세포 반응기(ICR: Immobilized Cell Reactor), 살수층 반응기(TBR: Trickle Bed Reactor), 버블 컬럼(Bubble Column), 가스 리프트 발효조(Gas Lift Fermenter), 정적 혼합기(Static Mixer), 순환 루프 반응기, 막 반응기, 예를 들어, 중공 섬유 막 생물 반응기(HFM BR: Hollow Fibre Membrane Bioreactor), 버블 반응기, 미세 버블 반응기, 마이크로 버블 반응기, 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함하는, 하나 이상의 용기 및/또는 탑 또는 배관 장치로 구성된 발효 장치를 포함한다. 반응기는 바람직하게는 CO 또는 CO2 또는 H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스상 기질을 수용하도록 구성된다. 반응기는 병렬 또는 직렬의 다수의 반응기(단차)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응기는 박테리아가 배양되는 제1 성장 반응기 및 성장 반응기로부터의 발효 브로스가 공급될 수 있고 대부분의 발효 생성물이 생성될 수 있는 제2 발효 반응기를 포함할 수 있다.
"영양 배지들" 또는 "영양 배지"는 박테리아 성장 배지를 기술하는 데 사용된다. 바람직하게는 발효 공정은 생물 반응기 내의 영양 배지를 이용한다. 일반적으로, 이러한 용어는 영양소 및 미생물 배양의 성장에 적절한 다른 성분들을 함유하는 배지를 지칭한다. 용어 "영양소"는 미생물의 대사 경로에서 이용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예시적인 영양소는 칼륨, 비타민 B, 미량 금속 및 아미노산을 포함한다.
용어 "발효 브로스" 또는 "브로스"는 영양 배지를 포함하는 성분 및 배양물 또는 하나 이상의 미생물의 혼합물을 포함하도록 의도된다. 바람직하게는, 발효 공정은 발효 브로스를 사용하여 합성가스 스트림을 하나 이상의 생성물로 발효시킨다.
본원에서 사용되는 용어 "산"은 본원에서 기술되는 바와 같은 발효 브로스 중에 존재하는 유리 아세트산 및 아세테이트의 혼합물과 같은 카복실산 및 연관된 카복실레이트 음이온 둘 모두를 포함한다. 발효 브로스에서의 분자 산 대 카복실레이트의 비는 시스템의 pH에 따라 다르다. 또한, 용어 "아세테이트"는 아세테이트 염 단독 및 분자 또는 유리 아세트산 및 아세테이트 염의 혼합물, 예를 들어 본원에서 기술되는 바와 같은 발효 브로스 중에 존재하는 아세테이트 염 및 유리 아세트산의 혼합물 둘 모두를 포함한다.
용어 "원하는 조성"은, 예를 들어, 합성가스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 가스 스트림의 물질 중에서의 원하는 수준 및 유형의 성분을 지칭하는 데 사용된다. 보다 구체적으로, 가스는 특정 성분(즉, CO, H2, 및/또는 CO2)을 함유하고/하거나 특정 비율로 특정 성분을 함유하고/하거나 특정 성분(예를 들어, 미생물에 해로운 오염물)을 함유하지 않고/않거나 특정 비율로 특정 성분을 함유하지 않는 경우 "원하는 조성"을 갖는 것으로 간주된다. 하나 초과의 성분이 가스 스트림이 원하는 조성을 갖는지를 결정할 때 고려될 수 있다.
문맥상 달리 요구하지 않는 한, 본원에 사용되는 바와 같은 문구 "발효하는", "발효 공정" 또는 "발효 반응" 등은 가스상 기질의 성장 단계 및 생성물 생합성 단계 둘 모두를 포함하도록 의도된다.
"미생물"은 미시적 유기체, 특히 박테리아, 고세균, 바이러스, 또는 진균이다. 본 발명의 미생물은 전형적으로는 박테리아이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "미생물"에 대한 언급은 "박테리아"를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 용어 미생물 및 용어 박테리아는 본 문서 전반에 걸쳐 상호 교환적으로 사용된다는 점에 유의해야 한다.
"모 미생물(parental microorganism)"은 본 발명의 미생물을 생성하는데 사용되는 미생물이다. 모 미생물은 자연 발생 미생물(예를 들어, 야생형 미생물) 또는 이전에 변형된 미생물(예를 들어, 돌연변이 또는 재조합 미생물)일 수 있다. 본 발명의 미생물은 모 미생물에서 발현되지 않거나 과발현되지 않은 하나 이상의 효소를 발현하거나 과발현하도록 변형될 수 있다. 이와 유사하게, 본 발명의 미생물은 모 미생물이 함유하지 않은 하나 이상의 유전자를 함유하도록 변형될 수 있다. 본 발명의 미생물은 또한 모 미생물에서 발현된 하나 이상의 효소를 발현하지 않거나 더 적은 양으로 발현하도록 변형될 수 있다. 일 실시형태에서, 모 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리듐 융달리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리듐 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)이다. 바람직한 실시형태에서, 미생물은 클로스트리듐 아우토에타노게눔 LZ1561이고, 이것은 부다페스트 조약의 조건에 따라 2010년 6월 7일에 독일 브라운슈바이크 D-38124 인호펜슈트라쎄 7B에 소재하는 독일생물자원센터(DSMZ: Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)에 2010년 6월 7일에 기탁되고 수탁 번호 DSM23693가 부여되었다. 이 균주는 국제공개 WO 2012/015317호로 공개된 국제 특허 출원 PCT/NZ2011/000144호에 기술되어 있다.
용어 "~로부터 유래된"은 핵산, 단백질, 또는 미생물이 상이한(예를 들어, 부모 또는 야생형) 핵산, 단백질 또는 미생물로부터 변형되거나 또는 적응되어 새로운 핵산, 단백질, 또는 미생물을 생성하는 것을 나타낸다. 이러한 변형 또는 적응은 전형적으로는 핵산 또는 유전자의 삽입, 결실, 돌연변이 또는 치환을 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 모 미생물로부터 유래된다. 일 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이로부터 유래된다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 DSMZ 하에 수탁 번호 DSM23693으로 기탁된 클로스트리듐 오토에타노게눔 LZ1561으로부터 유래된다.
"Wood-Ljungdahl"은 예를 들어, 문헌[Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008]에 기술된 바와 같은 탄소 고정의 Wood-Ljungdahl 경로를 지칭한다. "Wood-Ljungdahl 미생물"은 예상대로 Wood-Ljungdahl 경로를 함유하는 미생물을 지칭한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 천연 Wood-Ljungdahl 경로를 함유한다. 본원에서, Wood-Ljungdahl 경로는 본연의, 비변형된 Wood-Ljungdahl 경로일 수 있거나, Wood-Ljungdahl 경로는 이 경로가 CO, CO2, 및/또는 H2를 아세틸-CoA로 전환하는 작용을 여전히 하는 한, 어느 정도의 유전적 변형(예를 들어, 과발현, 이종성 발현, 녹아웃 등)을 갖는 Wood-Ljungdahl 경로일 수 있다.
"C1"은 1-탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2, CH4 또는 CH3OH를 지칭한다. "C1-옥시게네이트"는 적어도 하나의 산소 원자를 또한 포함하는 1-탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2 또는 CH3OH를 지칭한다. "C1-탄소 공급원"은 본 발명의 미생물에 대한 부분 또는 단독 탄소 공급원으로서 작용하는 1 탄소-분자를 지칭한다. 예를 들어, C1-탄소 공급원은 CO, CO2, CH4, CH3OH, 또는 CH2O2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, C1-탄소 공급원은 CO 및 CO2 중 하나 또는 둘 다를 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1-탄소 공급원으로부터 하나 이상의 생성물을 생성하는 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1-고정 박테리아이다.
"혐기성 생물"은 성장을 위해 산소를 필요로 하지 않는 미생물이다. 혐기성 생물은 산소가 특정 임계치를 초과하여 존재하는 경우 부정적으로 반응하거나 심지어 사멸할 수도 있다. 그러나, 일부 혐기성 생물은 낮은 수준(예를 들어, 0.000001% 내지 5% 산소)의 산소를 견딜 수 있다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 혐기성 생물이다.
"아세토겐"은 에너지 보존 및 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA-유래 생성물, 예를 들어 아세테이트의 합성을 위해 Wood-Ljungdahl 경로를 이들의 주요 기전으로서 사용하는 절대적(obligately) 혐기성 박테리아이다(문헌[Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008]). 특히, 아세토겐은 (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원적 합성을 위한 기전, (2) 말단 전자-수용, 에너지 보존 과정, (3) 세포 탄소의 합성에서 CO2의 고정(동화)을 위한 기전으로서 Wood-Ljungdahl 경로를 사용한다(문헌[Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006]). 모든 자연 발생성 아세토겐들은 C1-고정, 혐기성, 독립 영양 생물, 및 비-메탄 영양 생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 아세토겐이다.
"에탄올로겐"은 에탄올을 생성하거나 생성할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 에탄올로겐이다.
"독립 영양 생물"은 유기 탄소의 부재 하에 성장할 수 있는 미생물이다. 대신에, 독립 영양 생물은 무기 탄소 공급원, 예를 들어 CO 및/또는 CO2를 사용한다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 독립 영양 생물이다.
"일산화탄소 영양 생물"은 탄소 및 에너지의 단독 공급원으로서 CO를 이용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 일산화탄소 영양 생물이다.
"메탄 영양 생물"은 탄소 및 에너지의 유일한 공급원으로서 메탄을 이용할 수 있는 미생물이다. 특정 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 메탄 영양 생물이거나 메탄 영양 생물로부터 유래된다. 다른 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 메탄 영양 생물이 아니거나 또는 메탄 영양 생물로부터 유래되지 않는다.
"기질"은 본 발명의 미생물에 대한 탄소 및/또는 에너지 공급원을 지칭한다. 전형적으로, 기질은 가스상이며 C1-탄소 공급원, 예를 들어, CO, CO2, 및/또는 CH4를 포함한다. 바람직하게는, 기질은 CO 또는 CO + CO2의 C1-탄소 공급원을 포함한다. 기질은 다른 비-탄소 성분, 예를 들어 H2, 또는 N2를 추가로 포함할 수 있다.
용어 "공동 기질"은 반드시 생성물 합성을 위한 주요 에너지 및 물질 공급원일 필요는 없지만, 주요 기질과 같은 다른 기질에 첨가되는 경우 생성물 합성에 이용될 수 있는 물질을 지칭한다.
기질의 조성은 반응의 효율 및/또는 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 산소(O2)의 존재는 혐기성 발효 공정의 효율을 감소시킬 수 있다. 기질의 조성에 따라, 임의의 원치 않는 불순물, 예를 들어 독소, 원치 않는 성분, 또는 먼지 입자를 제거하고/하거나 바람직한 성분의 농도를 증가시키기 위해 상기 기질을 처리하거나 스크럽(scrub)하거나 여과하는 것이 바람직할 수 있다.
특정 실시형태에서, 발효는 당, 전분, 리그닌 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스와 같은 탄수화물 기질의 부재 하에 수행된다.
본 발명의 미생물은 상기 가스 스트림으로 배양되어 하나 이상의 생성물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은 에탄올(WO 2007/117157), 아세테이트(WO 2007/117157), 부탄올(WO 2008/115080 및 WO 2012/053905), 부티레이트(WO 2008/115080), 2,3-부탄디올(WO 2009/151342 및 WO 2016/094334), 락테이트(WO 2011/112103), 부텐(WO 2012/024522), 부타디엔(WO 2012/024522), 메틸 에틸 케톤(2-부탄온)(WO 2012/024522 및 WO 2013/185123), 에틸렌(WO 2012/026833), 아세톤(WO 2012/115527), 이소프로판올(WO 2012/115527), 지질(WO 2013/036147), 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP)(WO 2013/180581), 이소프렌을 포함한 테르펜(WO 2013/180584), 지방산(WO 2013/191567), 2-부탄올(WO 2013/185123), 1,2-프로판디올(WO 2014/036152), 1-프로판올(WO 2014/0369152), 코리스메이트-유도된 생성물(WO 2016/191625), 3-하이드록시부티레이트(WO 2017/066498) 및 1,3-부탄디올(WO 2017/0066498)을 생성하거나, 이를 생성하도록 조작될 수 있다. 특정 실시형태에서, 미생물 바이오매스 자체는 생성물로 간주될 수 있다. 이러한 생성물은 디젤, 제트 연료 및/또는 가솔린 중 적어도 하나의 성분을 제조하도록 추가로 전환될 수 있다. 추가로, 미생물 바이오매스는 추가로 처리되어 단세포 단백질(SCP)을 생산할 수 있다.
"단세포 단백질"(SCP)은 단백질이 풍부한 인간 및/또는 동물 사료에 사용될 수 있는 미생물 바이오매스를 지칭하며, 종종 대두박 또는 어분과 같은 통상적인 단백질 보충 공급원을 대체한다. 단세포 단백질 또는 다른 생성물을 생산하기 위해, 공정은 추가의 분리, 가공, 또는 처리 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 미생물 바이오매스를 멸균하는 단계, 미생물 바이오매스를 원심분리하는 단계, 및/또는 미생물 바이오매스를 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 미생물 바이오매스는 분무 건조 또는 패들 건조를 사용하여 건조한다. 방법은 또한 당업계에 공지된 임의의 방법을 사용하여 미생물 바이오매스의 핵산 함량을 감소시키는 단계를 포함할 수 있는데, 이는 핵산 함량이 높은 식이 섭취가 핵산 분해 생성물의 축적 및/또는 위장 장애를 초래할 수 있기 때문이다. 단세포 단백질은 가축 또는 애완동물과 같은 동물에게 먹이기에 적합할 수 있다. 특히, 동물 사료는 하나 이상의 육우, 젖소, 돼지, 양, 염소, 말, 노새, 당나귀, 사슴, 물소/들소, 라마, 알파카, 순록, 낙타, 들소, 가얄, 야크, 닭, 칠면조, 오리, 거위, 메추라기, 뿔닭, 스쿼브/비둘기, 어류, 새우, 갑각류, 고양이, 개 및 설치류에게 먹이기에 적합할 수 있다. 동물 사료의 조성은 다양한 동물의 영양 요건에 맞게 조정될 수 있다. 또한, 공정은 미생물 바이오매스를 하나 이상의 부형제와 블렌딩하거나 또는 조합하는 단계를 포함할 수 있다.
"부형제"는 동물 사료의 형태, 특성 또는 영양 함량을 향상시키거나 변경하도록 미생물 바이오매스에 첨가될 수 있는 임의의 물질을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 부형제는 탄수화물, 섬유, 지방, 단백질, 비타민, 미네랄, 물, 향료, 감미료, 항산화제, 효소, 보존제, 프로바이오틱 또는 항생제 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 부형제는 건초, 짚, 사일리지, 곡물, 오일 또는 지방, 또는 다른 식물성 물질일 수 있다. 부형제는 문헌[Chiba, Section 18: Diet Formulation and Common Feed Ingredients, Animal Nutrition Handbook, 3rd revision, pages 575-633, 2014]에서 확인되는 임의의 공급물 성분일 수 있다.
"천연 생성물(native product)"은 유전적으로 비변형된 미생물에 의해 생성되는 생성물이다. 예를 들어, 에탄올, 아세테이트 및 2,3-부탄디올은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리 및 클로스트리듐 라그스달레이의 천연 생성물이다. "비-천연 생성물"은 유전적으로 변형된 미생물에 의해 생성되지만, 상기 유전적으로 변형된 미생물이 유래되는 유전적으로 변형되지 않은 미생물에 의해서는 생성되지 않는 생성물이다.
"선택성"은 목표 생성물의 생성량 대 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 생성량의 비율을 지칭한다. 본 발명의 미생물은 특정 선택성 또는 최소 선택성으로 생성물을 생성하도록 조작될 수 있다. 일 실시형태에서, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생성된 전체 발효 생성물의 적어도 약 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 50% 또는 75%를 차지한다. 일 실시형태에서, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생성되는 모든 발효 생성물의 적어도 약 10%를 차지하여, 본 발명의 미생물은 적어도 10%의, 표적 생성물에 대한 선택성을 갖는다. 또 다른 실시형태에서, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생성되는 모든 발효 생성물의 적어도 약 30%를 차지하여, 본 발명의 미생물은 표적 생성물에 대한 선택성이 적어도 30%이다.
배양은 일반적으로 미생물의 성장을 허용하기에 충분한 영양소, 비타민 및/또는 미네랄을 함유하는 수성 배양 배지에서 유지된다. 바람직하게는, 수성 배양 배지는 혐기성 미생물 성장 배지, 예를 들어 최소 혐기성 미생물 성장 배지이다.
배양/발효는 바람직하게는 표적 생성물의 제조를 위한 적절한 조건 하에 수행되어야 한다. 통상적으로, 배양/발효는 혐기성 조건 하에 수행된다. 고려해야 할 반응 조건은 압력(또는 분압), 온도, 가스 유량, 액체 유량, 배지 pH, 배지 산화환원 전위, 교반 속도(연속 교반식 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종원 수준, 액상 중의 가스를 제한하지 않는 최대 가스 기질 농도, 및 생성물 억제를 피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다. 특히, 생성물이 가스 제한 조건 하에 배양에 의해 소모될 수 있으므로, 기질의 도입 속도는 액상에서의 가스의 농도가 제한되지 않도록 제어할 수 있다.
상승된 압력에서 생물 반응기를 작동하면 가스 상태에서 액체 상태로의 가스 물질 전달 속도가 증가한다. 따라서, 대기압보다 높은 압력에서 배양/발효를 수행하는 것이 일반적으로 바람직하다. 또한, 주어진 가스 변환 속도가, 부분적으로는, 기질 체류 시간의 함수이며, 체류 시간에 따라 생물반응기의 소요 부피가 달라지므로, 가압 시스템을 이용하면 생물반응기에 필요한 부피를 크게 줄일 수 있고, 결과적으로 배양/발효 장비의 투자비를 줄일 수 있다. 이는, 결과적으로는, 생물반응기의 액체 부피를 유입 가스 유량으로 나눈 값으로 정의되는 체류 시간이 생물반응기가 대기압보다 높은 압력에서 유지될 때 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 최적 반응 조건은 부분적으로는 사용되는 특정 미생물에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로는, 대기압보다 높은 압력에서 발효를 진행하는 것이 바람직하다. 또한, 주어진 가스 전환 속도는 부분적으로는 기질 체류 시간의 함수이고 원하는 체류 시간의 달성이 결국 생물반응기의 필요한 부피를 지시하기 때문에, 가압 시스템을 사용하면 생물반응기의 필요한 부피 및 결국에는 발효 장비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
표적 생성물은 예를 들어, 분별 증류, 감압 증류, 증발, 투석증발, 가스 스트리핑, 상 분리, 및 예를 들어, 액체-액체 추출을 포함한 추출 발효를 포함하여 당업계에 알려진 방법 또는 방법들의 조합을 사용할 수 있는 임의의 적합한 제거 방법을 사용하여 발효 브로스로부터 분리되거나 정제될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 표적 생성물은 발효 브로스의 일부를 생물반응기로부터 연속적으로 제거하여 미생물 세포를 상기 브로스로부터 (편리하게는 여과에 의해) 분리하고 1종 이상의 표적 생성물을 상기 브로스로부터 회수함으로써 발효 브로스로부터 회수된다. 알코올 및/또는 아세톤은, 예를 들어, 증류에 의해 회수될 수 있다. 산은, 예를 들어, 활성탄 상에 흡착시킴으로써 회수될 수 있다. 분리된 미생물 세포는 생물반응기로 되돌아갈 수 있다. 표적 생성물이 제거된 후 남은 무세포 투과액은 또한 생물반응기로 되돌려질 수 있다. 생물반응기로 되돌려지기 전에, 추가 영양소(예를 들어, 비타민 B)가 배지를 보충하기 위해 무세포 투과액에 첨가될 수 있다.
"농축된"은 농축 단계 이전의 스트림과 비교하여 증가된 양의 성분을 갖는 스트림을 지칭한다.
설명
본 개시내용은 가스화 작업과 발효 작업을 통합 시스템으로 통합함으로써 예상치 못한 시너지 효과가 통합 시스템의 전반적인 효율성을 개선한다는 것을 보여준다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은, 가스화 공정의 합성가스는 탄화수소 또는 옥시게네이트와 같은 하나 이상의 타르를 제거하기 위해 흡착제를 사용하여 처리하고, 발효 작업의 테일 가스는 흡착제를 재생하는 데 사용되어 타르가 농축되고 열량이 증가되는 통합을 확인한다. 농축된 테일 가스는 증기 발생 유닛에서 연소되어 많은 다양한 목적에 사용될 수 있는 증기를 생성할 수 있다. 추가 통합을 제공하는 이러한 사용은 증기를 사용하여 전력을 생성하고, 이어서 가스 발효 공정의 압축기에 전력을 공급하는 것이다.
바이오매스 또는 폐기물 공급원료의 가스화에 의해 생성된 합성가스는 일반적으로 타르로 알려진 탄화수소 및 옥시게네이트를 함유하며, 그의 생성 및 농도는 가스화 공정의 공급원료 및 온도와 관련이 있다. 전형적으로, 공기를 산화제로 사용하는 가스화기에서, 농축된 공기 또는 정제된 산소를 산화제로 사용하는 공정에 비해 온도가 더 낮다. 저온 가스화기는 1000 내지 10,000 ppmv와 같은 상당한 농도의 타르, 및 또한 1 내지 5 부피%의 메탄을 생성하는 합성가스를 생성한다. 타르와 메탄은 가스 발효에 바람직하지 않은 생성물이다. 둘 모두 발효되지 않으며, 특히 타르는 가스 발효 공정의 작동을 위해 제거되어야 한다.
더 중질의 높은 비점을 갖는 타르의 제거는 합성가스 중에 존재하는 물과 함께 이러한 타르를 응축하는 합성가스를 냉각함으로써 수행할 수 있다. 탄화수소, 옥시게네이트 및/또는 물 중 하나 이상을 포함하는 이러한 액체 생성물인 응축물은 종종 폐기가 필요한 폐기물이다. 다량의 응축물이 생성되고 응축물의 단일 성분이 상당한 농도를 갖는 일부 실시형태에서, 판매를 위해 해당 성분을 정제하는 것이 바람직하고 경제적일 수 있다. 다른 실시형태에서, 응축물에 대한 폐기 기술은 연소이다. 응축물은 연료 가스, 천연 가스, 합성가스의 연소에 의해 생성된 화염, 또는 가스 발효 공정으로부터 얻은 발효 테일 가스를 사용함으로써 연소될 수 있다. 대안적으로, 응축물은 폐기를 위해 폐수 처리 공정으로 보내질 수 있으며, 이는 응축물을 연소시키는 것과 비교하여 수율을 증가시킨다. 메탄과 잔류 CO 및 H2를 포함할 수 있는 발효 테일 가스의 사용은 테일 가스가 저렴하고 종종 폐기가 필요할 수 있는 폐기물 스트림이라는 점에서 이상적이다. 발효 테일 가스의 사용은 테일 가스를 관통하고 테일 가스의 열량 값을 증가시킴으로써 연소 가능한 스트림으로서 테일의 값을 증가시키도록 작동할 수 있는 합성가스의 임의의 메탄 함량으로 인해 이러한 통합에 더 독특하게 적합하다.
다른 실시형태에서, 예를 들어 저온 가스화 실시형태에서, 합성가스에 상당한 양의 응축물과 메탄이 모두 존재하고, 따라서 생성되는 테일 가스는 연소에 상당한 가치가 있다. 그러나, 고온 가스화 공정과 같은 일부 가스화 공정은 매우 적은 양의 타르 또는 메탄을 함유하는 합성가스를 생성할 수 있으며, 예를 들어 일 실시형태에서는 <0.5%, 다른 실시형태에서는 0.1 몰% 미만의 연소하기에는 너무 묽을 수 있는 발효 테일 가스를 생성할 수 있다. 이러한 실시형태에서는 폐기를 필요로 하는 응축물이 매우 적거나 전혀 없다. 발효 테일 가스 스트림을 사용하여 타르와 옥시게네이트를 탈착하여 발효 테일 가스 에너지 밀도를 풍부하게 함으로써 더 높은 가치의 생성 환경에서 낮은 가치의 테일 가스를 사용할 수 있는 기회를 제공한다. 예를 들어, 테일 가스를 연소시키기 위해 메탄을 첨가하는 대신에, 타르와 옥시게네이트를 탈착한 후의 농축된 테일 가스를 증기 보일러 또는 심지어 열병합 발전 유닛 또는 직접 발전 유닛과 같은 발전 유닛에서 사용할 수 있다. 농축 발효 테일 가스에는 증기 보일러 또는 발전 유닛 등에 사용될 때 연소 효율을 개선하는 에너지 가치가 추가되었다. 흡착제로부터 탄화수소와 옥시게네이트를 탈착하기 위해 테일 가스를 사용하지 않는 경우에는 질소를 입수하여 흡착제를 탈착하고 재생하는 데 사용해야 할 수 있기 때문에 추가의 효율성이 달성된다. 내부 공정 스트림을 사용하면 비용을 절감할 수 있다.
벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 및 크실렌(BTEX)과 같은 더 낮은 비점을 갖는 경질 타르도 또한 가스화 공정으로부터의 합성가스 또는 산업용 가스 중에 존재할 수 있으며, 가스 발효 전에 제거되어야만 한다. BTEX는 온도 변동식 흡착(TSA: temperature swing adsorption) 유닛 또는 압력 변동식 흡착(PSA: pressure swing adsorption) 유닛과 같은 흡착 유닛에 의해 제거될 수 있다. 발효 테일 가스의 두 번째 용도는 흡착층으로부터 BTEX를 탈착하기 위한 퍼지 가스이다. 퍼지 가스로서 사용된 후, 테일 가스는 잔류 합성가스 성분(CH4, CO, H2)을 포함하고 탈착된 BTEX가 풍부하여 상당한 회수 가능한 에너지를 포함하는 농축 테일 가스를 형성한다. 농축된 테일 가스 스트림은 잔류하는 발효 테일 가스에 추가하여 증기 보일러에서 연소되어 다양한 공정 유닛, 예를 들어 가스화 및 가스 발효 시스템에 사용되는 공정 유닛에 적합한 증기, 예를 들어 고압 스트림을 생성할 수 있다.
농축된 테일 가스에는 놀라울 정도로 많은 양의 잔류 에너지가 존재하므로 농축된 테일 가스에서 놀랄 만한 양의 증기가 생성된다. 일 실시형태에서, 공급원료 중에 함유된 화학 에너지의 75%가 합성가스로서 회수될 수 있는 공기 분사식 가스화 시스템에서, 합성가스 중 20%(공급원료의 15%, 75%의 20%)는 BTEX, 메탄, 및 기타 경질 탄화수소로 존재할 수 있으며 80%는 CO 및 H2로 존재할 수 있다. 18 GJ/톤의 낮은 발열량을 갖는 1 건조톤(dry tonne)의 공급물의 경우, 이는 3 GJ가 비발효성 종으로 존재할 것이며, 이는 대략 1.2톤의 증기 생산에 해당한다는 것을 의미한다. 가스화 공정 또는 산업 폐가스로부터 생성되는 합성가스 스트림과 비교하였을 때, 농축된 테일 가스는 N2가 풍부하거나; CO2가 풍부하거나; 불순물이 고갈되거나; 또는 이들의 임의의 조합으로 인해 농축된 테일 가스는 흡착된 성분의 탈착 시에 예상치 못한 개선을 제공한다. 생성된 증기는: 발효 생성물의 증류, 흡착 냉각기의 작동, 증기 구동식 압축, 폐수의 증발, 바이오 촉매의 건조, 제자리 증기화(SIP: steam in Place), 제자리 세정(CIP: Clean in Place), 공급원료의 건조, 증기 구동식 공급원료 컨베이어, 건물의 난방, 및 발전용으로 사용될 수 있다. 생성된 증기가 발전에 사용되고 발생된 전력이 가스 발효 공정의 압축기에 전력을 공급하는 데 사용되는 경우에 추가적인 통합 수준이 달성될 수 있다.
다른 실시형태는, 합성가스 스트림을 생성하기 위해 가스화 공정으로 보내질 수 있고, 가스화 공정에서 가열원으로 사용될 수 있고, 및/또는 합성가스 스트림을 급냉하기 위해 가스화 공정에서 사용될 수 있는, 폐수 처리 공정으로부터 생성된 바이오가스, 발효 공정으로부터 생성된 테일 가스, 가스화 공정에 의해 생성된 미사용 합성가스, 발효 공정으로부터 생성된 미생물 바이오매스, 폐수 처리 공정으로부터 생성된 미생물 바이오매스, 생성물 회수 공정으로부터의 미정제 에탄올, 생성물 회수 공정으로부터의 퓨젤 오일, 미생물 바이오매스 고갈수, 발효 공정으로부터 생성된 폐수, 및 폐수 처리 공정으로부터의 정화수로부터 선택되는 하나 이상의 유출물을 포함한다. 합성가스 스트림은 바람직하게는 가스 발효에 적합하다.
이러한 다양한 유출물은 발효 공정에서 또는 발효 공정의 하류에서 생성된다. 발효 공정은 미생물 바이오매스, 에탄올, 아세테이트, 2-3 부탄디올과 같은 유기 대사 산물, 및 염 및 미량 금속과 같은 다양한 무기 화합물을 함유하는 폐수 스트림을 생성한다. 이러한 폐수 스트림은 종종 폐수 처리 공정으로 보내진다. 전형적인 폐수 처리 공정은 하기 단계를 포함한다: (i) 현탁된 고체인 미생물 바이오매스를 분리하는 단계; (ii) 별도의 긴 체류 시간, 즉 대략 30일 동안 혐기성 소화조에서 미생물 바이오매스 고형분을 농축하는 단계; (iii) 짧은 체류 시간, 즉 약 2 내지 3일 동안 혐기성 소화조에서 가용성 유기물을 함유하는 감소된 양의 미생물 바이오매스로 정화된 유출물을 농축하는 단계. 전형적으로, 이러한 혐기성 소화조는 대부분의, 바람직하게는 80 퍼센트(80%) 초과의 유기물을 공급물 내에서 소비하고 바이오가스 생성물을 생산한다. 바이오가스 생성물은 주로 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)로 구성된다.
이러한 바이오가스 생성물은 발전에 유용할 수 있다. 그러나, 바이오가스를 발전에 사용하기 위해서는 일반적으로 바이오가스를 하나 이상의 제거 모듈로 처리해야 한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 바이오가스를 생산하기 위해 미생물 바이오매스를 사용하는 것은 미생물 바이오매스를 가스화하거나 또는 건조하는 경우와 비교하였을 때 미생물 바이오매스를 상대적으로 낮은 가치로 사용하는 것으로 밝혀졌다.
전술한 단계 이외에도, 폐수 처리 공정은 또한 혐기성 소화조 이후에 추가의 처리 단계를 포함할 수 있다. 전형적으로, 혐기성 소화조에서 처리된 유출물은 호기성 처리, 스트루바이트 회수, 질소 회수, 및 일부 경우에는 역삼투를 포함한 추가의 처리 단계로 처리된다. 폐수 처리 공정에 의해 생성된 정화수는 재사용 및/또는 배출에 적합하다. 이러한 정화수를 사용하는 한 가지 적절한 방법은 정화수를 발효 공정 및/또는 가스화 공정으로 재순환시키는 것이다.
폐수 처리 공정이 발효 공정에서 발생하는 폐수를 성공적으로 처리하여 정화수를 생성할 수 있지만, 폐수 스트림 중의 유기 대사 산물은 종종 몇 가지 문제를 제기한다. 구체적으로, 폐수 처리 공정에 의한 폐수 스트림 중의 미생물 바이오매스 처리는 (i) 혐기성 소화 동안 높은 단백질 함량으로 인한 높은 암모니아 생성 및 (ii) 폐수 처리 공정을 수용하는 데 필요한 큰 부지 공간으로 인해 설계 문제가 제기될 수 있다.
암모니아는 고농도일 경우 혐기성 소화 공정 동안 메탄 생성을 억제하는 것과 관련이 있기 때문에 혐기성 소화에 문제를 일으킨다. 암모니아의 억제 농도는 2 내지 3 g/L의 범위인 것으로 밝혀졌다. 분리된 미생물 바이오매스의 소화로 인해 20 g/L 초과의 암모니아 농도가 초래될 수 있기 때문에, 이러한 임계값을 크게 초과할 수 있다. 따라서, 폐수 처리 공정에 의해 미생물 바이오매스를 처리하기 위해서는, 암모니아 농도를 억제 수준 아래로 낮추기 위해 암모니아 제거 공정이 종종 필요하다.
넓은 부지 요구 사항은 토지를 구하기 어려운 지역에서 중요한 문제를 유발한다. 폐수 처리 공정의 각각의 성분은 처리되는 상당한 부피로 인해 상당한 공간을 필요로 한다. 예를 들어, 긴 체류시간을 갖는 혐기성 소화조는 경우에 따라 7,000 m3를 초과할 수 있다.
본 발명자들은 미생물 바이오매스의 적어도 일부를 가스화 공정으로 재순환시킴으로써 이러한 문제들을 극복할 수 있음을 발견하였다. 혐기성 소화에 보내지는 미생물 바이오매스의 양이 줄어들면, 암모니아가 더 적게 생성되고, 따라서 암모니아 제거 공정의 필요성이 감소 및/또는 제거된다. 또한, 발효 공정으로부터의 보다 큰 부피의 유출물이 가스화 공정으로 보내질수록 보다 적은 부피의 유출물이 폐수 처리 공정으로 보내진다. 폐수 처리 공정에 의해 처리되는 유출물의 부피가 적으면, 필요한 부피와 해당하는 부지 요구 사항이 줄어들어 토지를 구하기 어려운 지역에 유리하게 설계된다.
전술한 문제점들을 극복하는 것 이외에도, 미생물 바이오매스를 가스화 공정으로 재순환시키는 것은 다음과 같은 유리한 결과를 제공한다: (i) 바이오매스에 포함된 에너지의 더 많은 부분이 회수된다; (ii) 생성된 합성가스 스트림 내 H2:CO 비가 증가한다; (iii) 일반적으로 폐수 처리 공정에서 추가 처리 단계를 필요로 하는 미생물 바이오매스의 무기물 함량, 금속 화합물 및 알칼리 원소는 이미 폐기가 필요한 회분 분획의 일부로서 가스화 공정에서 편리하게 수집되며, 따라서 전반적인 폐기물 처리가 감소한다; 및 (iv) 바이오매스 내에 함유된 질소는 가스화기에서 반응하여 N2, NH3 및 미량의 HCN이 되며, 이는 기존의 제거 공정과 잘 통합된다.
본 발명자들은 또한 놀랍게도 바이오가스 생산시에 바이오매스를 사용하는 것과 비교하였을 때 바이오매스를 가스화로 재순환시키는 경우 수익 증가를 발견하였다. 특히, 본 발명자들은 합성가스에서 바이오매스의 효용과 바이오가스 생산에서 바이오매스의 효용을 비교하였을 때 321%의 수익 증가를 발견하였다.
이러한 수익 증가의 백분율은 하기 표에 가장 잘 예시되어 있다. 하기 표는 각각의 경로를 통해 얻은 바이오매스의 20 GJ/hr에서 생성된 값을 보여준다.
Figure pct00001
상기 표에 표시된 계산치는 혐기성 소화를 통한 바이오매스에서 바이오가스로의 전환 값과 가스화를 통한 바이오매스에서 합성가스로의 전환 값을 비교한다. 혐기성 소화를 통해 바이오매스에서 바이오가스를 생성하는 전환 효율은 약 60 퍼센트(60%)이다. 가스화를 통해 바이오매스에서 합성가스를 생성하는 전환 효율은 약 75 퍼센트(75%)이며, 이는 사용되는 가스화 기술에 따라 달라질 수 있다. GJ/hr 생성물 가스는 GJ/hr 바이오매스에 각각의 전환 효율을 곱한 값이다. GJ/hr 에탄올은 GJ/hr 생성물 가스에 가스 발효의 전환 효율을 곱한 값이다. 에탄올 생산을 위한 가스 발효의 전환 효율은 보수적으로 약 55 퍼센트(55%)이다. 이러한 전환 효율로, GJ/hr 에탄올은 8.25인 것으로 밝혀졌다. 재생 가능한 인센티브가 없는 바이오가스의 현재 가격은 2018년 11월 5일 현재 미국의 경우 4 달러($4)에서 유럽 연합의 경우 10 달러($10) 범위이다. 분석을 위해, 기가주울당 8달러 가격의 바이오가스($8/GJ 제품 값)가 사용된다. 저탄소 에탄올 가격은 2018년 11월 5일 현재 기준으로 유럽 연합의 경우 에탄올 1톤당 $850, 중국의 경우 에탄올 1톤당 $1100, 미국의 경우 에탄올 1톤당 $1200이다. 분석을 위해, 1톤당 $1000 가격의 에탄올($37.30/GJ에 해당)이 사용된다. $/hr 수익은 GJ/hr 생성물 가스에 $/GJ 생성물 값을 곱한 값이다. % 수익 증가는 바이오가스로의 혐기성 소화에 대한 $/hr 수익 대 합성가스로의 가스화에 대한 $/hr 수익의 비교 값이다. $GJ 바이오매스 값은 선택된 공정에 따른 바이오매스 값을 나타낸다. 이는 $/hr 수익을 GJ/hr 바이오매스로 나누어 계산된다. 나타낸 바와 같이, 가스화를 통해 합성가스를 생산하기 위해 바이오매스를 이용하면 바이오매스의 수익과 값이 크게 개선된다.
미생물 바이오매스를 가스화 공정에 공급하는 것의 추가적인 이점은 미생물 바이오매스가 발효 공정을 적절하게 공급하기 위해 필요할 수 있는 합성가스의 보충량을 제공하는 데 도움이 될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 현재의 설계 파라미터를 기반으로 100,000톤/년 에탄올 생산 발효 공정에 필요한 합성가스를 공급하려면 시간당 50 건조 톤에 해당하는 하루 약 1,200 건조 톤의 가스화기 공급 속도가 필요하다. 이러한 규모의 발효 공정에 의해 생산되는 바이오매스는 일반적으로 1,000 내지 1,200 kg/hr이다. 이러한 양의 바이오매스는 상당한 양이다. 바이오매스의 가스화에 의해 생성될 수 있는 합성가스의 보충량은 가스화기 공급원료가 제한적이거나 공급원료 가격이 높은 상황에서 특히 유용할 수 있다.
발효 공정에 의해 생산된 바이오매스는 바이오매스 함량의 백분율을 증가시키기 위해 가스화기로 보내지기 전에 추가 건조 단계를 필요로 할 수 있다. 가스화기의 요구 사항에 따라, 바이오매스가 20 중량%를 초과하는 지점까지 바이오매스를 건조해야 할 수도 있다.
그러나, 수분 함량이 증가된 바이오매스의 가스화는 생성된 합성가스에서 H2:CO 비를 증가시키는 추가적인 이점이 있다. 가스화 공급원료의 약 15 중량% 수분에서, 생성된 합성가스 스트림은 1:1의 H2:CO 비를 포함한다. 가스화 공급원료의 수분이 40 중량%로 증가하면, 생성된 합성가스 스트림은 2:1의 H2:CO 비를 포함한다. 전술한 바와 같이, 발효 공정에 공급되는 합성가스 스트림에서 H2:CO 비가 증가하면 발효 공정의 효율성이 증가한다.
기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 산업 공정의 부산물로서 또는 또 다른 공급원, 예를 들어 자동차 배기 매연, 바이오가스 또는 매립지 가스 또는 전기분해로부터 수득되는 폐가스일 수 있다. 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 열분해, 반탄화, 또는 가스화에 의해 생성되는 합성가스일 수 있다. 다시 말해, 폐기물은 열분해, 반탄화, 또는 가스화에 의해 재순환되어 기질 및/또는 C1-탄소 공급원으로서 사용되는 합성가스를 생성할 수 있다. 특정 실시형태에서, 산업 공정은 제강 제조 등의 철금속 제품 제조, 비철금속 제품 제조, 석유 정제, 전력 생산, 카본블랙 생산, 종이 및 펄프 제조, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 코크스 제조, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이들 실시형태에서, 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 대기 중으로 배출되기 전에 임의의 공지된 방법을 사용하여 산업 공정으로부터 포집할 수 있다. 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 합성가스, 예를 들어 석탄의 가스화, 정제 잔사의 가스화, 바이오매스의 가스화, 리그노셀룰로오스 물질의 가스화, 흑액 가스화, 도시 고형 폐기물의 가스화, 산업 고형 폐기물의 가스화, 폐기물, 하수의 가스화, 폐수 처리로 인한 슬러지의 가스화, 천연 가스의 개질, 바이오가스의 개질, 매립지 가스의 개질 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수득되는 합성가스일 수 있다. 도시 고형 폐기물의 예로는 타이어, 플라스틱, 및 숄즈(sholes), 어패럴, 텍스타일 내의 섬유를 포함한다. 도시 고형 폐기물은 분류되거나 분류되지 않을 수 있다. 바이오매스의 예로는 리그노셀룰로오스 물질을 포함할 수 있으며, 미생물 바이오매스를 또한 포함할 수 있다. 리그노셀룰로오스 물질은 농업 폐기물 및 산림 폐기물을 포함할 수 있다.
아래에서 논의되는 도면은 먼저 가스화와 관련된 공정 및 장치를 설명하고, 이어서 합성가스를 생산하기 위한 가스화가 필요하지 않은 공정 및 장치를 설명한다. 모든 경우에, 발효로부터 생성되는 테일 가스는 흡착제로부터 적어도 하나의 성분을 탈착하여 테일 가스를 농축하는 데 사용된다. 농축된 테일 가스는 여러 가지 가능한 용도를 갖는다. 발효로부터 생성되는 테일 가스는 놀랍게도 예를 들어 미처리된 합성가스보다 더 나은 탈착제로서 추가로 작용한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 가스화 공정(300), 가스 발효 공정(100), 생성물 회수 공정(400), 및 폐수 처리 공정(200)의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다. 이러한 공정들은 놀라운 시너지 효과와 이점을 제공하는 방식으로 통합된다. 가스화 공정(300)은 합성가스 스트림(302)을 생성하기 위해 가스화될 수 있는 임의의 적합한 물질일 수 있는 가스화 공급물(301)을 수용한다. 다양한 경우에, 가스화 공급물(301)은 적어도 부분적으로 분류되고/되거나 분류되지 않은 도시 고형 폐기물로 구성된다. 다른 경우에, 가스화 공급물(301)은 적어도 부분적으로 산림업 및/또는 농업 폐기물로 구성된다. 특정 실시형태에서, 가스화 공급물(301)은 다음 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성된다: 분류된 도시 고형 폐기물, 분류되지 않은 도시 고형 폐기물, 산림업 폐기물, 농업 폐기물, 발효 공정(100)으로부터의 적어도 하나의 유출물, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 적어도 하나의 유출물, 및 폐수 처리 공정(200)으로부터의 적어도 하나의 유출물.
가스화 공정(300)은 가스화 공급물(301)을 수용하고 가스 발효 공정(100)에 의한 발효에 적합한 합성가스 스트림(302)을 생성한다. 발효 공정(100)은 이러한 스트림을 하나 이상의 유출물 스트림(102, 104)에 적어도 부분적으로 함유될 수 있는 하나 이상의 생성물을 생성하기 위한 탄소 공급원으로 사용한다. 다양한 경우에, 발효 공정(100)으로부터의 유출물은 발효 브로스이다. 그러나, 합성가스의 특정 성분은 합성가스가 발효 공정(300)에서 발효되기 전에 흡착 유닛(10)에서 제거되어야 한다. 제거된 성분은 탄화수소, 옥시게네이트, 황 화합물, 및/또는 질소 화합물 중 적어도 하나를 포함한다. 성분은 흡착 유닛의 흡착제 상에 흡착된다. 흡착 유닛은 온도 변동식 흡착 시스템, 압력 변동식 흡착 시스템, 변동층 시스템, 이동층 시스템, 또는 고정층 시스템일 수 있다. 시간이 지남에 따라, 흡착제는 용량에 도달하며 재생이 필요할 수 있다. 탈착제 및/또는 퍼지 가스는 흡착제를 재생하는 데 도움이 된다. 전술한 바와 같이, 가스화 공정과 가스 발효 공정의 추가의 통합은 발효 공정(100)의 테일 가스(104)의 적어도 일부를 탈착제로서 사용하거나 흡착 유닛(10)을 위한 퍼지(12)로서 사용하는 것이다. 흡착 유닛(10)을 위한 탈착제 또는 퍼지(12)로서 사용된 테일 가스는 흡착제로부터 탈착된 성분, 예를 들어 적어도 하나의 탄화수소, 옥시게네이트, 황 화합물 및/또는 질소 화합물이 풍부하여 스트림(12)보다 더 높은 열량을 갖는 농축된 테일 가스(18)를 형성한다. 이러한 실시형태에서, 농축된 테일 가스(18)는 증기 보일러(14)로 안내되어 고압 증기(20)를 생성한다. 고압 증기(20)는 시스템(16)에 제공되어 고압 증기로부터 전력을 생성하고, 이는 압축기에 전력을 공급하여 합성가스를 압축한 다음, 합성가스는 가스 발효 공정(100)으로 도입된다.
발효 공정(100)에 의해 생성된 하나 이상의 생성물은 생성물 회수 공정(400)에 의해 발효 브로스로부터 제거 및/또는 분리된다. 바람직하게는, 생성물 회수 공정(400)은 하나 이상의 생성물(406)을 제거하고 감소된 양의 적어도 하나의 생성물을 포함하는 적어도 하나의 유출물(402, 404, 408)을 생성한다. 이러한 유출물은 도관(402)을 통해 폐수 처리 공정(200)으로 보내져 가스화 공정(300) 및/또는 발효 공정(100)으로 재순환될 수 있는 적어도 하나의 유출물(202)을 생성할 수 있다.
발효 공정(100)으로부터의 유출물은 발효 공정(100)에 의해 생성된 테일 가스이다. 이러한 테일 가스의 적어도 일부는 도관(104, 124, 및 125)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 테일 가스의 일부는 흡착 유닛(10)을 위한 탈착제 및/또는 퍼지 가스로 사용하기 위해 라인(12)으로 전달된다. 선택적 실시형태에서, 테일 가스의 적어도 일부는 가스화 공급물(301)의 일부로서 사용되도록 도관(124)에 의해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 또 다른 선택적 실시형태에서, 테일 가스의 적어도 일부는 합성가스 스트림(302)을 급냉시키기 위해 도관(114)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다.
적어도 하나의 실시형태에서, 발효 공정(100)으로부터의 유출물은 발효 브로스이다. 발효 브로스의 적어도 일부는 도관(102)을 통해 생성물 회수 공정(400)으로 보내진다. 적어도 하나의 실시형태에서, 생성물 회수 공정(400)은 발효 공정(100)으로부터 미생물 바이오매스의 적어도 일부를 분리한다. 다양한 실시형태에서, 발효 브로스로부터 분리된 미생물 바이오매스의 적어도 일부는 도관(404)을 통해 발효 공정(100)으로 재순환된다. 다양한 실시형태에서, 발효 브로스로부터 분리된 미생물 바이오매스의 적어도 일부는 도관(428)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내진다. 미생물 바이오매스의 적어도 일부는 가스화 공급물(301)의 일부로서 사용될 수 있다.
다양한 선택적 실시형태에서, 발효 공정(100)으로부터 미생물 바이오매스를 함유할 수 있는 발효 브로스를 포함하는 폐수 스트림의 적어도 일부는 생성물 회수 공정(400)으로 보내지지 않고 도관(104)을 통해 가스화 공정(300)으로 바로 보내질 수 있다. 폐수의 적어도 일부는 가스화 공급물(301)의 일부로서 사용되도록 도관(124)에 의해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 발효 브로스의 적어도 일부는 합성가스 스트림(302)을 급냉시키기 위해 도관(114)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다.
발효 브로스가 생성물 회수 공정(400)에 의해 처리되는 경우, 발효 브로스로부터 미생물 바이오매스의 제거를 통해 생성된 미생물 바이오매스 고갈수의 적어도 일부는 도관(404)을 통해 발효 공정(100)으로 되돌아갈 수 있고/있거나 도관(408)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 미생물 바이오매스 고갈수의 적어도 일부는 가스화 공급물(301)의 일부로서 사용되도록 도관(428)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 미생물 바이오매스 고갈수의 적어도 일부는 합성가스 스트림(302)을 급냉시키기 위해 도관(418)을 통해 보내질 수 있다. 추가적으로, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 유출물의 적어도 일부는 도관(402)을 통해 폐수 처리 공정(200)으로 보내질 수 있다. 바람직하게는, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 유출물은 감소된 양의 생성물 및/또는 미생물 바이오매스를 포함한다.
바람직하게는, 폐수 처리 공정(200)은 정화수를 생성하기 위해 하나 이상의 공정으로부터 유출물을 수용하고 처리한다. 이러한 정화수는 도관(202)을 통해 하나 이상의 공정으로 보내질 수 있다. 특정 경우에, 정화수의 적어도 일부는 도관(212)을 통해 발효 공정으로 보내진다. 정화수의 적어도 일부는 가스화 공급물(301)의 일부로서 사용되도록 도관(232)에 의해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 정화수의 적어도 일부는 합성가스 스트림(302)을 급냉시키기 위해 도관(222)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다.
특정 경우에, 폐수 처리 공정(200)은 처리 공정의 일부로서 미생물 바이오매스를 생성한다. 이러한 미생물 바이오매스의 적어도 일부는 도관(232)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 바람직하게는, 가스화 공정(300)은 가스화 공급물(301)의 일부로서 폐수 처리 공정(200)에 의해 생성된 미생물 바이오매스의 적어도 일부를 이용한다.
폐수 처리 공정(200)은 미생물 바이오매스 처리의 부산물로서 바이오가스를 생성한다. 이러한 바이오가스의 적어도 일부는 도관(202)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다. 특정 경우에, 바이오가스의 적어도 일부는 가스화 공급물(301)의 일부로 사용되도록 도관(232)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내진다. 바이오가스의 적어도 일부는 합성가스 스트림(302)을 급냉시키기 위해 도관(222)을 통해 가스화 공정(300)으로 보내질 수 있다.
바람직하게는, 가스화 공정(300)은 발효 공정(100), 생성물 회수 공정(400) 및/또는 폐수 처리 공정(200)으로부터 하나 이상의 유출물을 수용하고 합성가스 스트림(302)을 생성한다. 이러한 합성가스 스트림(302)은 바람직하게는 가스 발효 공정(100)을 위한 공급 원료로 사용하기에 적합하다.
가스 발효 공정(100)을 위한 공급 원료로서 사용하기에 적합하도록, 합성가스 스트림(302)은 바람직하게는 원하는 조성을 가져야 한다. 특정 경우에, 가스화 공정(300)에 의해 생성된 합성가스(302)는 제거 및/또는 전환될 필요가 있는 하나 이상의 성분을 포함한다.
제거 및/또는 전환될 필요가 있을 수 있는 합성가스 스트림(302)에서 발견되는 전형적인 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 이들 성분은 하나 이상의 제거 공정에 의해 제거될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 양태에 따른, 그리고 흡착 유닛(10)에 더하여, 가스화 공정(300)과 가스 발효 공정(100) 사이에 제거 공정(500)을 추가로 포함하는 도 1의 공정 통합 도식을 도시한다.
바람직하게는 제거 공정(500)은 하나 이상의 하기 모듈을 포함한다: 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 클로라이드 제거 모듈, 및 시안화수소 폴리싱 모듈.
제거 공정(500)을 통합하는 경우, 가스화 공정(300)으로부터의 합성가스(302)의 적어도 일부는 제거 공정(500)으로 보내져 합성가스 스트림(302)에서 발견되는 적어도 하나의 성분의 적어도 일부를 제거 및/또는 전환한다. 바람직하게는, 제거 공정(500)은 발효 공정(100)에 의한 발효에 적합한 처리된 스트림(502)을 생성하기 위해 성분을 허용 가능한 수준으로 가져 간다.
다양한 경우에, 제거 공정(500)은: 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 클로라이드 제거 모듈, 및 시안화수소 폴리싱 모듈을 포함하는 군으로부터 선택되는 2개 이상의 제거 모듈을 포함한다. 특정 경우에, 이러한 제거 모듈 중 하나 이상을 사용하여 하류 공정, 예를 들어 하류 발효 공정(100) 및/또는 제거 공정(500) 내의 하류 제거 모듈에 악영향을 미칠 수 있는 하나 이상의 성분을 가스 스트림에서 제거한다.
제거 공정(500)에 의해 제거 및/또는 전환된 하나 이상의 성분은 미생물 바이오매스의 가스화를 통해 도입 및/또는 농축될 수 있다. 특정 경우에, 제거 공정(500)은 암모니아(NH3) 및/또는 시안화수소(HCN)를 제거한다. 이러한 암모니아 및/또는 시안화수소는 가스화 공정(300)에 의해 미생물 바이오매스가 가스화될 때 도입 및/또는 농축될 수 있다. 암모니아 및 시안화수소는 미생물 바이오매스 내에 포함된 질소로부터 생성될 수 있으며, 이는 가스화 공정(300)에서 반응을 거쳐 N2, NH3 및 미량 HCN이 될 것이다.
전형적으로, 발효 공정(100)에 공급되는 합성가스 스트림은 가스이다. 그러나, 합성가스 스트림은 또한 대안적인 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 합성가스 스트림은 합성가스로 포화된 액체에 용해되어 발효 공정(100)에 공급될 수 있다. 추가의 예로서, 합성가스는 고체 지지체 상에 흡착될 수 있다.
바람직하게는, 발효 공정(100)은 합성가스 스트림(302)을 발효시키고 하나 이상의 생성물을 생성하기 위해 C1 고정 미생물을 이용한다. 발효 공정(100)에서 C1 고정 미생물은 전형적으로는 일산화탄소영양 박테리아이다. 특정 실시형태에서, 일산화탄소영양 박테리아는 무렐라(Moorella), 클로스트리듐(Clostridium), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 부티리박테리움(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina), 및 데설포토마컬럼(Desulfotomaculum)을 포함하는 군으로부터 선택된다. 다양한 실시형태에서, 일산화탄소영양 박테리아는 클로스트리듐 오토에타노게눔이다.
특정 경우에, 하나 이상의 공정은 적어도 하나의 다른 공정에 대한 가열원으로서 하나의 공정으로부터의 적어도 하나의 유출물의 적어도 일부를 이용함으로써 통합된다.
도 3은, 본 발명의 일 양태에 따른, 가스화 공정(300), 가스 발효 공정(100), 생성물 회수 공정(400), 및 폐수 처리 공정(200)의 통합을 도시하는 공정 통합 도식을 도시한다. 다양한 경우에, 이들 공정은 하나 이상의 다른 공정에 대한 가열원으로서 적어도 하나의 공정으로부터의 적어도 하나의 유출물을 이용함으로써 통합된다. 특정 실시형태에서, 폐수 처리 공정(200)에 의해 생성된 바이오가스는 하나 이상의 공정을 위한 가열원으로 이용된다. 바람직하게는, 폐수 처리 공정(200)에 의해 생성된 바이오가스의 적어도 일부는 가스화 공정(300)을 위한 가열원으로 이용된다. 특정 경우에, 가스화 공정(300)은 폐수 처리 공정(200)에 의해 생성된 바이오가스의 적어도 일부를 이용하여 가스화 공정(300)에 의해 생성된 슬래그의 적어도 일부를 용융시킨다. 하나 이상의 실시형태에서, 폐수 처리 공정(200)에 의해 생성된 바이오가스의 적어도 일부는 가스 발효 공정(100)을 위한 가열원으로 이용된다. 하나 이상의 실시형태에서, 폐수 처리 공정(200)에 의해 생성된 바이오가스의 적어도 일부는 생성물 회수 공정(400)을 위한 가열원으로 이용된다. 하나 이상의 실시형태에서, 폐수 처리 공정(200)에 의해 생성된 바이오가스의 적어도 일부는 제거 공정(500)을 위한 가열원으로 이용된다.
다양한 경우에, 폐수 처리 공정(200)으로부터의 바이오가스 스트림은 하나 이상의 공정으로 보내지기 전에 도관(202)을 통해 적어도 하나의 제거 공정(600)으로 보내진다. 바람직하게는, 제거 공정(600)은 바이오가스 스트림에서 적어도 하나의 황 화합물의 양을 감소시킨다.
폐수 처리 공정(200) 이후에 제거 공정(600)을 통합하는 경우, 폐수 처리 공정(200)으로부터의 바이오가스의 적어도 일부는 제거 공정(600)으로 보내져 바이오가스 스트림에서 발견되는 적어도 하나의 성분의 적어도 일부를 제거 및/또는 전환한다. 바람직하게는, 제거 공정(600)은 각각 후속하는 하나 이상의 공정(400, 100, 500 및/또는 300)에서 사용하기에 적합한 처리된 스트림(642, 612, 622 및/또는 632)을 생성하기 위해 성분을 허용 가능한 수준 이내로 가져 간다.
특정 실시형태에서, 발효 공정(100)에 의해 생성된 테일 가스는 또한 하나 이상의 공정을 위한 가열원으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 발효 공정(100)에 의해 생성된 테일 가스의 적어도 일부는 가스화 공정(300)을 위한 가열원으로 이용될 수 있다. 특정 경우에, 가스화 공정(300)은 발효 공정(100)에 의해 생성된 테일 가스의 적어도 일부를 이용하여 가스화 공정(300)에 의해 생성된 슬래그의 적어도 일부를 용융시킨다. 하나 이상의 실시형태에서, 발효 공정(100)에 의해 생성된 테일 가스의 적어도 일부는 생성물 회수 공정(400)을 위한 가열원으로 이용된다. 여러 경우에, 발효 공정(100)으로부터의 테일 가스는 하나 이상의 공정으로 보내지기 전에 적어도 하나의 제거 공정으로 보내진다.
특정 실시형태에서, 가스화 공정(300)에 의해 생성된 미사용 합성가스는 하나 이상의 공정을 위한 가열원으로 이용된다. 바람직하게는, 가스화 공정(300)에 의해 생성된 미사용 합성가스의 적어도 일부는 가스화 공정(300)을 위한 가열원으로 이용된다. 특정 경우에, 가스화 공정(300)은 가스화 공정(300)에 의해 생성된 미사용 합성가스의 적어도 일부를 이용하여 가스화 공정(300)에 의해 생성된 슬래그의 적어도 일부를 용융시킨다. 하나 이상의 실시형태에서, 가스화 공정(300)에 의해 생성된 미사용 합성가스의 적어도 일부는 생성물 회수 공정(400)을 위한 가열원으로 이용된다. 다양한 경우에, 가스화 공정(300)으로부터의 미사용 합성가스는 하나 이상의 공정으로 보내지기 전에 적어도 하나의 제거 공정으로 보내진다.
발효 공정(100)은 바람직하게는 다양한 생성물을 생성할 수 있다. 이들 생성물은 바람직하게는 생성물 회수 공정(400)의 사용을 통해 분리될 수 있다. 다양한 경우에, 발효 공정(100)에 의해 생산된 적어도 하나의 생성물 중 적어도 일부는 하나 이상의 공정에 대한 공급원으로 사용될 수 있다. 특정 경우에, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 에탄올의 적어도 일부는 가스화 공정(300)에 대한 가열원으로 사용된다. 바람직하게는, 하나 이상의 공정에 대한 가열원으로 사용되는 에탄올은 연료 등급 에탄올의 사양 요건을 충족하지 않는 미정제 에탄올이다. 특정 경우에, 가스화 공정(300)은 생성물 회수 공정(400)으로부터의 미정제 에탄올의 적어도 일부를 이용하여 가스화 공정(300)에 의해 생성된 슬래그의 적어도 일부를 용융시킨다.
특정 경우에, 발효 공정(100)은 퓨젤 오일을 생산한다. 이러한 퓨젤 오일은 임의의 적절한 수단을 통해 생성물 회수 공정(400)에 의해 회수될 수 있다. 예를 들어, 증류 설정의 정류 컬럼 내에서. 적어도 하나의 실시형태에서, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 퓨젤 오일의 적어도 일부는 하나 이상의 공정을 위한 가열원으로 사용된다. 특정 경우에, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 퓨젤 오일의 적어도 일부는 가스화 공정(300)에 대한 가열원으로 사용된다. 바람직하게는, 가스화 공정(300)은 생성물 회수 공정(400)으로부터의 퓨젤 오일의 적어도 일부를 이용하여 가스화 공정(300)에 의해 생성된 슬래그의 적어도 일부를 용융시킨다.
도 4는 물질의 가스화에 의해 합성가스를 생성하지 않고 기질 또는 C1-탄소 공급원으로서 산업 폐가스를 사용하는 실시형태를 도시한다. 다양한 경우에, 공급물(401)은 산업 공정의 부산물로서 또는 또 다른 공급원, 예를 들어 자동차 배기 매연, 바이오가스 또는 매립지 가스 또는 전기분해로부터 수득되는 폐가스로 구성된다. 산업 공정은 제강 제조 등의 철금속 제품 제조, 비철금속 제품 제조, 석유 정제, 전력 생산, 카본블랙 생산, 종이 및 펄프 제조, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 코크스 제조, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 선택적으로, 공급물(401)은 또한 발효 공정(100)으로부터의 적어도 하나의 유출물, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 적어도 하나의 유출물, 및 폐수 처리 공정(200)으로부터의 적어도 하나의 유출물을 포함할 수 있다.
발효 공정(100)은 공급물 스트림을 하나 이상의 유출물 스트림(102, 104)에 적어도 부분적으로 함유될 수 있는 하나 이상의 생성물을 생성하기 위한 탄소 공급원으로서 사용한다. 다양한 경우에, 발효 공정(100)으로부터의 유출물은 발효 브로스이다. 그러나, 공급물의 특정 성분은 처리된 공급물이 라인(22)을 통해 통과하고 발효 공정(100)에서 발효되기 전에 흡착 유닛(10)에서 제거되어야 한다. 제거된 성분은 탄화수소, 옥시게네이트, 황 화합물, 및/또는 질소 화합물 중 적어도 하나를 포함한다. 흡착 유닛에 의해 제거하는 것이 필요할 수 있는 공급물(401)에서 발견될 수 있는 전형적인 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
성분(들)은 흡착 유닛(10)의 흡착제 상에 흡착된다. 흡착 유닛은 온도 변동식 흡착 시스템, 압력 변동식 흡착 시스템, 변동층 시스템, 이동층 시스템, 또는 고정층 시스템일 수 있다. 시간이 지남에 따라, 흡착제는 용량에 도달하며 재생이 필요할 수 있다. 탈착제 및/또는 퍼지 가스는 흡착제를 재생하는 데 도움이 된다. 발효 공정(100)의 테일 가스(104)의 적어도 일부는 흡착 유닛(10)을 위한 탈착제 또는 퍼지(12)로서 사용될 수 있다. 흡착 유닛(10)을 위한 탈착제 또는 퍼지(12)로서 사용된 테일 가스는 흡착제로부터 탈착된 성분, 예를 들어 적어도 하나의 탄화수소, 옥시게네이트, 황 화합물 및/또는 질소 화합물이 풍부하여 테일 가스 탈착제(12)보다 더 높은 열량을 갖는 농축된 테일 가스(18)를 형성한다. 이러한 실시형태에서, 농축된 테일 가스(18)는 증기 보일러(14)로 안내되어 고압 증기(20)를 생성한다. 고압 증기(20)는 시스템(16)에 제공되어 고압 증기로부터 전력을 생성하고, 이는 압축기에 전력을 공급하여 공급물을 압축한 다음, 이는 라인(22)을 통해 가스 발효 공정(100)으로 도입된다.
발효 공정(100)으로부터의 유출물은 발효 공정(100)에 의해 생성된 테일 가스이다. 테일 가스의 일부는 흡착 유닛(10)을 위한 탈착제 및/또는 퍼지 가스로 사용하기 위해 라인(104 및 12)으로 전달된다. 선택적 실시형태에서, 테일 가스의 적어도 일부는 도관(124)으로 보내져 공급물(401)과 조합될 수 있다.
발효 공정(100)에 의해 생성된 하나 이상의 생성물은 전술된 바와 같이 생성물 회수 공정(400)에 의해 발효 브로스로부터 제거 및/또는 분리된다. 유사하게, 적어도 하나의 실시형태에서, 발효 공정(100)으로부터의 유출물은 발효 브로스이며, 이러한 발효 브로스의 적어도 일부는 전술된 바와 같이 도관(102)을 통해 생성물 회수 공정(400)으로 보내진다.
도 5는 물질의 가스화에 의해 합성가스를 생성하지 않고 기질 또는 C1-탄소 공급원으로서 산업 폐가스를 사용하는 실시형태를 도시하는 것으로, 여기서 라인(18) 내의 농축된 테일 가스는 발전 유닛(48)으로 전달된다. 도 5는 또한 라인(18) 내의 농축된 테일 가스가, 예를 들어, 생성물을 건조하기 위해 라인(50)을 통해 공정 회수 공정 및 유닛(400)으로 전달되는 대안적인 실시형태를 도시한다.
도 6은 기질 또는 C1-탄소 공급원으로서 합성가스를 생성하기 위해 가스화기(300)를 사용하는 실시형태를 도시하는 것으로, 여기서 라인(18) 내의 농축된 테일 가스는 발전 유닛으로 전달된다. 도 6은 또한 농축된 테일 가스가, 예를 들어, 생성물을 건조하기 위한 생성물 회수 공정 및 유닛(400)으로 전달되는 대안적인 실시형태를 도시한다.
발효 브로스가 생성물 회수 공정(400)에 의해 처리되는 경우, 발효 브로스로부터 미생물 바이오매스의 제거를 통해 생성된 미생물 바이오매스 고갈수의 적어도 일부는 도관(404)을 통해 발효 공정(100)으로 되돌아갈 수 있고/있거나 도관(408)을 통해 공급물(401)의 일부로서 사용되도록 보내질 수 있다. 추가적으로, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 유출물의 적어도 일부는 도관(402)을 통해 폐수 처리 공정(200)으로 보내질 수 있다. 바람직하게는, 생성물 회수 공정(400)으로부터의 유출물은 감소된 양의 생성물 및/또는 미생물 바이오매스를 포함한다.
본원에서 인용되는 공보, 특허 출원 및 특허를 포함하는 모든 참고문헌은, 각각의 참고문헌이 개별적으로 및 구체적으로 참고로 포함되는 것으로 표시되고 본원에서 전문이 기재된 것과 동일한 정도로 본원에서 참고로 포함된다. 본원에서 인용되는 종래 기술은 그러한 종래 기술이 어떠한 국가에서도 해당 분야의 일반적이고도 공통적인 지식의 일부를 형성하는 것임을 인정하는 것이 아니며, 그렇게 간주해서도 안 된다.
발명을 설명하는 맥락에서(특히 하기 청구범위의 맥락에서) 용어 "a" 및 "an" 및 "the" 및 유사한 지시어는 본원에서 달리 지시되거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한은 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하는", "갖는", "포함하는", 및 "함유하는"은 달리 언급되지 않는 한 개방형 용어(예를 들어, "포함하지만, 그로 국한되지 않음"을 의미함)로 해석되어야 한다. 용어 "본질적으로 이루어진"은 조성, 공정, 또는 방법의 범위를 명시된 물질 또는 단계로 제한하거나, 또는 조성, 공정, 또는 방법의 기본적이고 새로운 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것으로 제한한다. 대안(예를 들어, "또는")의 사용은 대안 중 어느 하나, 둘 모두, 또는 이들의 임의의 조합을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본원에서 사용되는 용어 "약"은, 달리 명시되지 않는 한, 표시된 범위, 값 또는 구조의 ±20%를 의미한다.
본원에서 언급되는 값의 범위는, 본원에서 달리 명시되지 않는 한, 단지 그 범위에 포함되는 각각의 개별 값을 개별적으로 나타내는 약식 방법의 역할을 하는 것으로 의도되고, 각각의 개별 값은 본원에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다. 예를 들어, 임의의 농도 범위, 백분율 범위, 비율 범위, 정수 범위, 크기 범위, 또는 두께 범위는, 달리 지시되지 않는 한, 인용된 범위 내의 임의의 정수의 값 및 적절한 경우 이의 분수(예를 들어, 정수의 1/10 및 정수의 1/100)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에서 기술되는 모든 방법은, 본원에서 달리 명시되거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에서 제공되는 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~ 와 같은")의 사용은 본 발명을 보다 잘 예시하기 위한 것일 뿐이며, 달리 청구되지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 어떤 언어도 본 발명의 실행에 필수적인 것으로 청구되지 않은 임의의 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 본원에서 기술된다. 이러한 바람직한 실시형태의 변형은 전술한 설명을 읽었을 때 당업자에게 자명해질 수 있다. 본 발명자들은 당업자들이 이러한 변형을 적합하게 사용할 것으로 예상하며, 본 발명자들은 본 발명이 본원에 구체적으로 기술된 것과는 다르게 실시되기를 의도한다. 따라서, 본 발명은 준거법에 의해 허용되는 본원에 첨부된 청구범위에 언급된 기술 요지의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 또한, 본 발명의 모든 가능한 변형에서의 전술된 요소들의 임의의 조합은, 본원에서 달리 명시되거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한, 본 발명에 포함된다.

Claims (22)

  1. 방법으로서:
    a. 탄화수소, 옥시게네이트(oxygenate), 황 화합물, 질소 화합물, 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 성분을 흡착제 상에서 흡착하고 처리된 스트림을 생성함으로써 가스화 공정 또는 산업용 폐가스로부터 합성가스 스트림을 처리하는 단계;
    b. 상기 처리된 스트림의 적어도 일부를 생물반응기에서 미생물을 사용하여 발효시켜 적어도 하나의 생성물을 포함하는 유출물 및 적어도 이산화탄소를 포함하는 테일 가스 스트림을 생성하는 단계;
    c. 상기 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 사용하여 상기 성분을 적어도 부분적으로 탈착함으로써 상기 흡착제를 재생하여 이산화탄소 및 상기 탈착된 성분을 포함하는 농축된 테일 가스 스트림을 제공하는 단계; 및
    d. 상기 농축된 테일 가스 스트림을:
    i. 증기 보일러에서 연소시켜 증기를 생성하는 단계;
    ii. 전력을 생성하는 단계;
    iii. 가스화 공정으로 재순환하는 단계; 또는
    iv. 생성물 회수 구역으로 전달하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서 활용하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테일 가스는 메탄, 일산화탄소, 및 수소를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미생물은 하나 이상의 C1-고정 미생물인, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 C1-고정 미생물은 무렐라(Moorella), 클로스트리듐(Clostridium), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 부티리박테리움(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina), 및 데설포토마컬럼(Desulfotomaculum)으로부터 선택되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 증기는 고압 증기인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 발효 생성물의 증류, 흡착 냉각기의 작동, 증기 구동식 압축, 폐수의 증발, 바이오매스의 건조, 현장 증기 작업, 현장 세정 작업, 공급원료의 건조, 증기 구동식 공급원료 컨베이어, 건물의 난방, 전력의 생성, 및 발효 공정의 압축기에 전력을 공급하기 위한 전력 생성을 위해 상기 증기를 사용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산업 폐가스는 철 금속 제품 제조, 비철 제품 제조, 석유 정제, 전력 생산, 카본 블랙 생산, 종이 및 펄프 제조, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 코크스 제조, 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 공정으로부터 생성되고, 및/또는 상기 합성가스 스트림은 석탄의 가스화, 정제 잔사의 가스화, 바이오매스의 가스화, 리그노셀룰로오스 물질의 가스화, 흑액 가스화, 도시 고형 폐기물의 가스화, 산업 고형 폐기물의 가스화, 하수의 가스화, 폐수 처리로 인한 슬러지의 가스화, 천연 가스의 개질, 바이오가스의 개질, 매립지 가스의 개질 또는 이들의 임의의 조합으로부터 생성되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 발전은 열병합 발전 또는 직접 발전인, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 테일 가스 스트림은, 가스화 공정 또는 산업 폐가스로부터 생성되는 합성가스 스트림과 비교하였을 때,
    a. N2가 풍부하거나;
    b. CO2가 풍부하거나;
    c. 불순물이 고갈되었거나; 또는
    d. (a) (b) 또는 (c)의 임의의 조합인, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 사용하여 상기 성분을 탈착하는 것은 합성가스 스트림을 사용하여 성분을 탈착하는 것과 비교하여 개선된 것인, 방법.
  11. 방법으로서:
    a. 가스화 공급원료를 가스화하여 적어도 일산화탄소, 수소, 물, 및 타르를 포함하는 합성가스를 생성하는 단계;
    b. 상기 합성가스를 냉각하여 응축에 의해 물과 적어도 하나의 타르를 분리하고 물이 고갈된 합성가스의 나머지 부분과 적어도 하나의 타르를 제공하는 단계;
    c. 적어도 하나의 타르를 처리하는 단계로서:
    i. 상기 적어도 하나의 타르를 연료 가스, 천연 가스, 합성가스, 가스 발효 공정으로부터의 테일 가스, 또는 이들의 임의의 조합을 연소시킴으로써 생성되는 불꽃을 사용하여 연소시키거나; 또는
    ii. 상기 적어도 하나의 타르를 폐수 처리 공정으로 전달하는, 단계; 및
    d. 상기 합성가스의 나머지 부분의 적어도 일부를 생물반응기에서 미생물을 사용하여 발효시켜 적어도 하나의 생성물을 포함하는 유출물을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 흡착제를 사용하여 흡착시킴으로써 상기 합성가스로부터 생성되는 적어도 제2 타르를 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 발효 단계는 테일 가스를 추가로 생성하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 테일 가스를 사용하여 상기 흡착제를 재생하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 흡착제를 재생한 후 상기 테일 가스를 사용하여 증기를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 증기를 사용하여 전기를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전기를 사용하여 상기 발효 단계의 압축기에 전력을 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 장치로서:
    a. 흡착제를 수용하는 흡착 유닛;
    b. 상기 흡착 유닛과 유체 연통하는 생물반응기;
    c. 상기 생물반응기 및 상기 흡착 유닛과 유체 연통하는 테일 가스 도관;
    d. 하기 중 적어도 하나를 포함하는 농축된 테일 가스 활용 유닛:
    i. 상기 흡착 유닛과 유체 연통하는 가스화기;
    ii. 증기 발생 유닛;
    iii. 전력 생산 유닛; 또는
    iv. 상기 생물반응기와 유체 연통하는 생성물 회수 유닛; 및
    e. 상기 흡착 유닛 및 상기 농축된 테일 가스 활용 유닛과 유체 연통하는 농축된 테일 가스 도관을 포함하는, 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 증기 발생 유닛 및 발전 시스템과 유체 연통하는 증기 도관을 추가로 포함하는, 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 발전 시스템과 전기적으로 연통하고 상기 생물반응기와 유체 연통하는 압축기를 추가로 포함하는, 장치.
  21. 제18항에 있어서, 상기 전력 생산 유닛은 열병합 전력 생산 유닛 또는 직접 전력 생산 유닛인, 장치.
  22. 제18항에 있어서, 상기 흡착 유닛과 유체 연통하는 공급원료 도관을 추가로 포함하는, 장치.
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