用于使用富氢气的含有C1的底物生产代谢物的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年9月8日提交的美国临时申请第62/556,099号的益处，所述申请的内容由此以引用的方式并入。

本发明涉及用于通过包括接种反应器和至少一个生物反应器的多级气体发酵过程产生一种或多种发酵产物的方法。具体来说，本发明涉及将其中富co的含有c1的气态底物进料到接种反应器中以生产接种物的方法。

背景技术：

二氧化碳(co2)占由人类活动引起的全球温室气体排放量的约76％，其中剩下的是甲烷(16％)、一氧化二氮(6％)和氟化气体(2％)(美国环境保护局)。减少温室气体排放，特别是co2排放，对于制止全球变暖的进程以及随之而来的气候和天气变化至关重要。

早已认识到，催化方法(如费托法)可用于将含有二氧化碳(co2)、一氧化碳(co)和/或氢气(h2)的气体，如工业废气或合成气转化成各种燃料和化学品。然而，最近，气体发酵已成为用于对这种气体进行生物固定的替代平台。具体来说，已证明c1固定性微生物将含有co2、co和/或h2的气体转化成如乙醇和2，3-丁二醇的产物。

这类气体可例如来源于包括以下的工业过程：碳水化合物发酵的气体、水泥制造的气体、纸浆和纸张制造、炼钢，炼油和相关过程、石化生产、焦炭生产，厌氧或好氧消化、合成气体(来源于包括但不限于生物质、液体废料物流、固体废料物流、市政物流、化石资源(包括天然气、煤和油)的源)、天然气开采、石油开采、冶金过程、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层和催化过程(来源于包括但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整，和干燥甲烷重整的蒸汽源)。

特定的工业过程的情况下，气体的组成对于发酵可能不是理想的。当气体的组成不理想时，细胞生长、产物选择性和稳定性可能并非最佳。

因此，仍然需要一种发明，其优化来自工业过程的气体的组成以在下游发酵过程中促进细胞生长、产物选择性和稳定性。

技术实现要素：

本发明提供一种用于生产一种或多种发酵产物的方法，其中将富co的含有c1的气态底物传递到包含含有一种或多种c1固定性微生物的培养物的液体营养物培养基的接种反应器包括，其中含有富co的c1的气态底物发酵以产生接种物，将至少一部分接种物传递到生物反应器系统，所述生物反应器系统限定至少一个含有处于液体营养物培养基中的一种或多种c1固定性微生物的培养物的生物反应器，将富h2的含有c1的气态底物传递到生物反应器系统，其中富h2的含有c1的气态底物发酵以产生至少一种发酵产物。

在特定实施例中，被传递到接种反应器的富co的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于1∶1的h2。

在某些情况下，被传递到接种反应器的富co的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于0.5∶1的h2。

优选地，被传递到接种反应器的富co的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比在0.02∶1到1∶1之间的h2。在某些实施例中，h2∶co摩尔比在0.05∶1到1∶1，或0.15∶1到1∶1，或0.25∶1到1∶1，或0.35∶1到1∶1，或0.45∶1到1∶1，或0.55∶1到1∶1，或0.65∶1到1∶1，或0.75∶1到1∶1，或0.85∶1到1∶1，或0.95∶1到1∶1之间。

在特定实施例中，被传递到生物反应器系统的富h2的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比为至少1.1∶1的h2。

优选地，被传递到生物反应器系统的富h2的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比在1.1∶1到6∶1之间的h2。在某些实施例中，h2∶co摩尔比在1.5∶1到6∶1，或2∶1到6∶1，或2.5∶1到6∶1，或3∶1到6∶1，或3.5∶1到6∶1，或4∶1到6∶1，或4.5∶1到6∶1，或5∶1到6∶1之间。

在至少一个实施例中，在接种反应器或生物反应器系统中的一个或两个中的c1固定性微生物为一氧化碳营养型细菌。

在其中c1固定性微生物为一氧化碳营养型的实施例中，一氧化碳营养型细菌可选自由以下组成的组；穆尔氏菌属(moorella)、梭菌属(clostridium)、瘤胃球菌属(ruminococcus)、醋杆菌属(acetobacterium)、真杆菌属(eubacterium)、丁酸杆菌属(butyribacterium)、产醋杆菌属(oxobacter)、甲烷八叠球菌属(methanosarcina)和脱硫肠状菌属(desulfotomaculum)。

优选地，一氧化碳营养型细菌为自产乙醇梭菌(clostridiumautoethanogenum)。

在至少一个实施例中，生物反应器系统包含一个或多个连接到一个或多个二级生物反应器的初级生物反应器。

优选地，方法提供将含有c1的气态底物的至少一部分传递到接种反应器，并且将含有c1的气态底物的至少一部分传递到生物反应器，其中在接种反应器中的含有c1的气态底物发酵以产生接种物，其中将接种物的至少一部分传递到至少一个生物反应器，其中在生物反应器中含有c1的气态底物发酵以产生至少一种发酵产物，并且其中被传递到接种反应器的含有c1的气态底物进行至少一个h2去除过程，然后被传递到接种反应器。

在特定实施例中，被传递到接种反应器的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于1∶1的h2。

在某些情况下，被传递到接种反应器的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于0.8∶1的h2。

在某些情况下，被传递到接种反应器的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于0.5∶1的h2。

优选地，被传递到接种反应器的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比在0.02∶1到1∶1之间的h2。在某些实施例中，h2∶co摩尔比在0.05∶1到1∶1，或0.15∶1到1∶1，或0.25∶1到1∶1，或0.35∶1到1∶1，或0.45∶1到1∶1，或0.55∶1到1∶1，或0.65∶1到1∶1，或0.75∶1到1∶1，或0.85∶1到1∶1，或0.95∶1到1∶1之间。

在某些实施例中，h2去除过程包含至少一个变压吸附过程。

在某些实施例中，h2去除过程包含至少一个膜分离模块。

优选地，含有c1的气态底物的至少一部分来源于工业源。

在某些情况下，含有c1的气态底物的至少一部分可来源于选自由以下组成的组的至少一个工业源：碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、纸浆和纸张制造、炼钢，炼油和相关过程、石化生产、焦炭生产，厌氧或好氧消化、合成气体、天然气开采、石油开采、冶金过程、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层和催化过程。

优选地，方法产生选自由以下组成的组的至少一种发酵产物：乙醇、乙酸酯、丁醇、丁酸酯、2，3-丁二醇、1，3-丁二醇、乳酸酯、丁烯、丁二烯、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1，2-丙二醇、1-丙醇、单乙二醇、异丁烯和c6-c14醇。

在至少一个实施例中，一种或多种发酵产物另外转化成柴油燃料、喷气燃料、汽油、丙烯、尼龙6-6、橡胶和/或树脂的至少一种组分。

在特定实施例中，至少一种发酵产物为微生物生物质。在某些情况下，可另外加工此微生物生物质以产生动物饲料的至少一种组分。

附图说明

图1为描述氢气去除过程、接种反应器和生物反应器系统的集成的示意流程图。

图2为描绘根据本发明的一个方面的氢气去除过程、接种反应器和生物反应器系统的集成的示意流程图，其中氢气去除过程在接种反应器和生物反应器系统两者的上游。

图3为另外描绘根据本发明的一个方面的生物反应器系统上游的两个水煤气变换过程和变压吸附过程的示意流程图，其中水煤气变换过程被旁路。

图4为另外描绘根据本发明的一个方面的生物反应器系统上游的两个水煤气变换过程和变压吸附过程的示意流程图。

图5为另外描绘根据本发明的一个方面的接种反应器上游的附加氢气去除过程的示意流程图。

图6a和6b为示出根据实例1在第一生物反应器中代谢物产生和气体吸收的图。

图7a和7b为示出根据实例1在第二生物反应器中代谢物产生和气体吸收的图。

图8a和8b为示出根据实例2在第一生物反应器中代谢物产生和气体吸收的图。

图9a和9b为示出根据实例2在第二生物反应器中代谢物产生和气体吸收的图。

具体实施方式

发明人已确认，通过优化进料到接种反应器的气体物流的组成，优化在接种反应器和随后的生物反应器系统中细胞生长、产物选择性和稳定性。具体来说，发明人已经发现当进料到接种反应器的气体物流包含减少量的氢气时，最佳的细胞生长、产物选择性和稳定性。

定义

除非另外定义，否则如在整个本说明书中所使用的以下术语定义如下：

“c1”是指一个碳的分子，例如co、co2、ch4或ch3oh。“c1含氧物”是指还包含至少一个氧原子的单碳分子，例如co、co2或ch3oh。“c1碳源”是指充当本发明微生物的部分或唯一碳源的单碳分子。举例来说，c1碳源可包含co、co2、ch4、ch3oh或ch2o2中的一种或多种。优选地，c1碳源包含co和co2中的一种或两种。“c1固定性微生物”是具有从c1碳源产生一种或多种产物的能力的微生物。通常，本发明微生物为c1固定性微生物。

“含有c1的气态底物”包括包含c1的离开工业过程的任何气体。在各种情况下含有c1的气态底物包含co、h2、co2或其组合。气态底物通常将含有大比例的co，优选地至少约5体积％到约100体积％co。气态底物可含有大比例的氢气。举例来说，在特定实施例中，底物可包含比率为大约2∶1，或1∶1，或1∶2的h2∶co。在一个实施例中，底物包含约30体积％或更少h2、20体积％或更少h2、约15体积％或更少h2或约10体积％或更少h2。底物还可含有一些co2，如约1体积％到约80体积％co2，或1体积％到约30体积％co2。在一个实施例中，底物包含少于或等于约20体积％co2。在特定实施例中，底物包含少于或等于约15体积％的co2、少于或等于约10体积％的co2、少于或等于约5体积％的co2或基本上无co2。此外，含有c1的气态底物可含有氧气(o2)、氮气(n2)和/或甲烷(ch4)中的一种或多种。

尽管底物通常为气态的，但是底物也可以替代形式提供。举例来说，可使用微泡分散发生器将底物溶解在用含co气体饱和的液体中。借助于另一实例，底物可吸附到固体载体上。

术语“共底物”是指虽然不必为产物合成的主要能量和材料来源，但是当添加到另一种底物(如主要底物)时可用于产物合成的底物。

底物和/或c1-碳源可为作为工业过程的副产物或从一些其它来源获得的废气，如来自汽车废气或生物质气化。在某些实施例中，工业过程选自由以下组成的组：碳水化合物发酵的气体排放、气体发酵、水泥制造的气体排放、纸浆和纸张制造、炼钢，炼油和相关过程、石化生产、焦炭生产，厌氧或好氧消化、合成气体(来源于包括但不限于生物质、液体废料物流、固体废料物流、市政物流、化石资源(包括天然气、煤和油)的源)、天然气开采、石油开采、冶金过程、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层和催化过程(来源于包括但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整，和干燥甲烷重整的蒸汽源)。在这些实施例中，底物和/或c1-碳源可在其被排放到大气中之前使用任何适宜的方法从工业过程捕获。

“气体物流”是指能够例如从一个模块传递到另一个，从一个模块传递到生物反应器，从一个模块传递到接种反应器，从一个过程传递到另一个过程，和/或从一个模块传递到碳捕获装置的底物的任何物流。

如本文所用，术语“碳捕获”是指包括来自包含co2和/或co的物流的co2和/或co的碳化合物的多价螯合和以下中的任一种：

将co2和/或co转化成产物；或

将co2和/或co转化成适合于长期储存的物质；或

将co2和/或co捕集在适合于长期储存的物质中；

或这些过程的组合。

如本文所用，“反应物”是指在化学反应期间参与并经历改变的物质。在特定实施例中，反应物包括但不限于co和/或h2。

“氢气去除过程”等包括能够从含有c1的气态底物去除和/或分离氢气的技术。在特定实施例中，变压吸附过程和/或膜分离过程用作氢气去除过程。

术语“生物反应器”、“生物反应器系统”等包括由一个或多个容器和/或塔或管道布置组成的发酵装置，其包括连续搅拌槽反应器(cstr)、固定化细胞反应器(icr)、滴流床反应器(tbr)、气泡塔、气升式发酵罐、静态混合器、循环环流反应器、膜反应器，如中空纤维膜生物反应器(hfmbr)或适合于气体-液体接触的其它容器或其它装置。生物反应器优选地适于接收包含co或co2或h2或其混合物的气态底物。生物反应器可包含多个并联或串联的反应器(级)。优选地，生物反应器被配置成从调用反应器接收接种物。优选地，生物反应器被配置为生产反应器，其中产生大部分发酵产物。

术语“接种反应器”、“接种器”、“种子反应器”等包括用于建立和促进细胞生长的发酵装置。接种反应器优选地适于接收包含co或co2或h2或其混合物的气态底物。优选地，接种反应器为其中首先引发细胞生长的反应器。在各种实施例中，接种反应器为接收先前生长的细胞的地方。在各种实施例中，接种器引发一种或多种微生物的细胞生长以产生接种物，其可然后转移到生物反应器系统，其中每个生物反应器被配置成促进一种或多种发酵产物的产生。在某些情况下，当与随后一个或多个生物反应器相比较时，接种器已减小体积。

“营养物培养基(nutrientmedia或nutrientmedium)”用于描述细菌生长培养基。一般来说，此术语是指含有营养物和适合于微生物培养物生长的其它组分的培养基。术语“营养物”包括可在微生物的代谢路径中利用的任何物质。示例性营养物包括钾、b维生素、痕量金属和氨基酸。

术语“发酵培养液”或“培养液”旨在涵盖包括营养培养基、培养物或一种或多种微生物的组分的混合物。应注意术语微生物和术语细菌在整个文件中可互换使用。

术语“接种物”旨在涵盖在接种反应器中首先生长的发酵培养液，其然后传递到一个或多个随后的生物反应器以播种一个或多个随后的生物反应器。优选地，一个或多个生物反应器利用接种物产生一种或多种发酵产物。

术语“期望组成”用于指在例如气体物流的物质中的组分的期望水平和类型。更具体地，如果气体含有特定组分(例如co、h2和/或co2)和/或含有特定比例的特定组分和/或不含特定组分(例如对微生物有害的成分)和/或不含特定比例的特定组分，那么认为气体具有“期望组成”。当确定气体物流是否具有期望组成时，可考虑多于一种组分。在一个或多个实施例中，含有c1的气态底物的“期望组成”按照h2∶co摩尔比定义。在各种实施例中，被传递到接种反应器的含有c1的气态底物的期望组成与被传递到生物反应器系统的含有c1的气态底物的期望组成不同。

术语“提高效率(increasingtheefficiency/increasedefficiency)”等当相对于发酵过程使用时包括但不限于提高以下中的一个或多个：催化发酵的微生物的生长速率、在较高产物浓度下的生长和/或产物生产速率、每消耗的底物体积所产生的所期望产物的体积、产生所期望产物的生产速率或含量，和与发酵的其它副产物相比产生的期望产物的相对比例。

除非上下文另有要求，否则如本文中所用的短语“发酵”、“发酵过程”或“发酵反应”等旨在涵盖气态底物的生长期和产物生物合成期两者。

“微生物”为微观生物，尤其为细菌、古细菌、病毒或真菌。本发明微生物通常为细菌。如本文所用，“微生物”的叙述应理解为涵盖“细菌”。

“亲本微生物”为用于产生本发明微生物的微生物。亲本微生物可为天然存在的微生物(例如野生型微生物)或先前已经被修饰的微生物((例如，突变或重组微生物)。本发明微生物可经修饰以表达或过度表达在亲本微生物中不表达或过度表达的一种或多种酶。类似地，本发明微生物可经修饰以含有亲本微生物所没有的一种或多种基因。本发明微生物还可被修饰成不表达或表达较低量的在亲本微生物中表达的一种或多种酶。在一个实施例中，亲本微生物为自产乙醇梭菌(clostridiumautoethanogenum)、扬氏梭菌(clostridiumljungdahlii)或拉氏梭菌(clostridiumragsdalei)。在优选的实施例中，亲本微生物为自产乙醇梭菌lz1561，其以布达佩斯条约(budapesttreaty)项目在2010年6月7日保藏于在2010年6月7日位于德国d-38124braunschwieg的inhoffenstraβ7b处的莱布尼兹研究所公司(deutschesammlungvonmikroorganismenundzellkulturengmbh)(dsmz)并且赋予登录号dsm23693。此菌株描述于国际专利申请第pct/nz2011/000144号，其公布为wo2012/015317。

术语“衍生自”指示核酸、蛋白质或微生物从不同的(例如，亲本或野生型)核酸、蛋白质或微生物经过修饰或适应，从而产生新的核酸、蛋白质或微生物。这类修饰或适应通常包括核酸或基因的插入、缺失、突变或取代。一般来说，本发明的微生物衍生自亲本微生物。在一个实施例中，本发明微生物衍生自自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌。在一个优选实施例中，本发明微生物衍生自以dsmz登录号dsm23693保藏的自产乙醇梭菌(clostridiumautoethanogenum)lz1561。

“wood-ljungdahl”是指如(即，由ragsdale，《生物化学与生物物理学报(biochimbiophysacta)》，1784：1873-1898，2008)所描述的碳固定wood-ljungdahl途径。“wood-ljungdah1微生物”可预测地是指含有wood-ljungdahl途径的微生物。一般来说，本发明的微生物含有天然wood-ljungdahl途径。本文，wood-ljungdahl途径可为天然未修饰的wood-ljungdahl途径，或可为具有一些程度的基因修饰(例如过度表达、异源表达、敲除等)只要其仍然用以将co、co2和/或h2转化成乙酰基-coa的wood-ljungdahl途径。

“厌氧菌”是生长不需要氧的微生物。如果存在的氧高于某一阈值，那么厌氧生物可负面地反应或甚至死亡。然而，一些厌氧生物能够耐受低水平的氧(例如，0.000001vol％-5vol％氧)。通常，本发明微生物为厌氧生物。

“产乙酸菌(acetogens)”为使用wood-ljungdahl途径作为其能量守恒和合成乙酰基-coa与乙酰基-coa衍生产物(如乙酸酯)的主要机制的绝对厌氧细菌(ragsdale，《生物化学与生物物理学学报(biochimbiophysacta)》，1784：1873-1898，2008)。具体来说，产乙酸菌使用wood-ljungdahl途径途径作为(1)从co2还原合成乙酰基-coa的机制，(2)最终电子接受、能量保存过程，(3)在细胞碳的合成中固定(同化)co2的机制(drake，产乙酸原核生物(acetogenicprokaryotes)，《原核生物(theprokaryotes)》第3版，第354页，纽约州纽约，2006)。所有天然存在的产乙酸菌为c1固定性、厌氧性、自养性和非甲烷氧化性的。通常，本发明的微生物是产乙酸菌。

“产乙醇菌(ethanologen)”为产生或能够产生乙醇的微生物。通常，本发明的微生物为产乙醇菌。

“自养菌”为能够在不存在有机碳的情况下生长的微生物。实际上，自养生物使用无机碳源，如co和/或co2。通常，本发明的微生物为自养菌。

“一氧化碳营养菌”为能够利用co作为唯一碳和能量来源的微生物。通常，本发明微生物为一氧化碳营养菌。

本发明微生物可用气体物流培养以产生一种或多种产物。举例来说，本发明微生物可产生或可被工程化以产生乙醇(wo2007/117157、乙酸酯(wo2007/117157)、丁醇(wo2008/115080和wo2012/053905)、丁酸酯(wo2008/115080)、2，3-丁二醇(wo2009/151342和wo2016/094334)、乳酸酯(wo2011/112103)、丁烯(wo2012/024522)、丁二烯(wo2012/024522)、甲基乙基酮(2-丁酮)(wo2012/024522和wo2013/185123)、乙烯(wo2012/026833)、丙酮(wo2012/115527)、异丙醇(wo2012/115527)、脂质(wo2013/036147)、3-羟基丙酸酯(3-hp)(wo2013/180581)、萜烯，包括异戊二烯(wo2013/180584)、脂肪酸(wo2013/191567)、2-丁醇(wo2013/185123)、1，2-丙二醇(wo2014/036152)、1-丙醇(wo2014/0369152)、分支酸衍生产物(wo2016/191625)、3-羟基丁酸酯(wo2017/066498)，和1，3-丁二醇(wo2017/0066498)。除了一种或多种目标产物以外，本发明微生物还可产生乙醇、乙酸酯和/或2，3-丁二醇。在某些实施例中，微生物生物质本身就可认为是一种产物。这些产物可进一步转化以产生柴油、喷气燃料和/或汽油的至少一种组分。此外，微生物生物质可进一步加工以产生单细胞蛋白(scp)。

“单细胞蛋白(scp)”是指可用于富蛋白质的人类和动物饲料的微生物生物质，通常替换常规蛋白质补充源，例如豆粕或鱼粉。为了产生单细胞蛋白或其它产物，方法可包括附加分离、加工或处理步骤。举例来说，方法可包含将微生物生物质除菌、将微生物生物质离心，和/或将微生物生物质干燥。在某些实施例中，使用喷雾干燥或桨叶干燥使微生物生物质干燥。方法还可包括使用此项技术中已知的任何方法减小微生物生物质的核酸含量，因为高核酸含量饮食的摄入可导致核酸降解产物的积聚和/或肠胃不适。单细胞蛋白质可适用于喂养动物，如家畜或宠物。具体地说，动物饲料可适用于喂养以下中的一种或多种：肉牛、奶牛、猪、绵羊、山羊、马、骡、驴、鹿、水牛/野牛、驼、羊驼、驯鹿、骆驼、爪哇野牛、大额牛、牦牛、鸡、火鸡、鸭、鹅、鹌鹑、珍珠鸡、乳鸽/鸽子、鱼、虾、甲壳动物、猫、狗和啮齿动物。动物饲料的组成可经修改以满足不同动物的营养需求。此外，方法可包含将微生物生物质与一种或多种赋形剂共混或组合。

“赋形剂”可指可添加到微生物生物质以增强或更改动物饲料的形式、特性或营养含量的任何物质。举例来说，赋形剂可包含以下中的一种或多种：碳水化合物、纤维、脂肪、蛋白质、维生素、矿物质、水、香料、甜味剂、抗氧化剂、酶、防腐剂、益生菌或抗生素。在一些实施例中，赋形剂可为干草、稻草、青贮饲料、谷物、油或脂肪，或其它植物材料。赋形剂可以是在千叶，第18节确定任何饲料成分：膳食配制物和常见的饲料成分(dietformulationandcommonfeedingredients)，《动物营养手册(animalnutritionhandbook)》，第3次修订，第575-633页，2014。

“天然产物”为由未经基因修饰的微生物产生的产物。举例来说，乙醇、乙酸酯和2，3-丁二醇为自产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌的天然产物。“非天然产物”为由经基因修饰的微生物产生的，而不是由衍生的经基因修饰的微生物的未经基因修饰的微生物产生的产物。

“选择率”是指目标产物的产量与由微生物产生的所有发酵产物的产量的比率。本发明微生物可被工程化来以特定选择率或最低选择率产生产物。在一个实施例中，目标产物占通过本发明微生物产生的所有发酵产物的至少约5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、30wt％、50wt％、75wt％，或90wt％。在一个实施例中，目标产物占由本发明微生物产生的所有发酵产物的至少10wt％，使得本发明微生物的目标产物选择率为至少10wt％。在另一个实施例中，目标产物占由本发明微生物产生的全部发酵产物的至少30wt％，使得本发明微生物的目标产物选择率为至少30wt％。在另一个实施例中，目标产物占由微生物产生的全部发酵产物的至少90wt％，使得本发明微生物的目标产物选择率为至少90wt％。

可使用所属领域中已知的任何方法或方法组合从发酵培养液分离或纯化目标产物，所述方法包括例如分馏、蒸发、渗透蒸发、气提、相分离和萃取发酵(包括例如液-液萃取)。在某些实施例中，通过从生物反应器连续去除一部分发酵培养液，将微生物细胞与培养液分离(宜通过过滤)并且从培养液回收一种或多种目标产物来从培养液回收目标产物。可例如通过蒸馏回收醇和/或丙酮。可例如通过吸附在活性炭上来回收酸。优选地使分离的微生物细胞返回到生物反应器中。去除目标产物之后剩余的无细胞渗透物同样优选地返回到生物反应器。附加营养物(例如维生素b)可添加到无细胞渗透物中以补给培养基，然后使其返回到生物反应器中。

培养/发酵应理想地在产生目标产物的适当条件下进行。通常，培养/发酵在厌氧条件下执行。考虑的反应条件包括压力(或分压)、温度、气体流速、液体流速、培养基ph、培养基氧化还原电势、搅拌速率(如果使用连续搅拌槽反应器)、接种物水平、确保液相中的气体不会变成限制因素的最大气体底物浓度和避免产物抑制的最大产物浓度。具体来说，可控制底物的引入速率确保液相中的气体的浓度不会变成限制因素，因为在气体限制条件下培养可消耗产物。

在高压下操作生物反应器允许增加气体从气相到液相的传质速率。因此，在高于大气压的压力下执行培养/发酵大体上为优选的。另外，因为给定的气体转化率在某种程度上随底物滞留时间而变并且滞留时间指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可大大减小所需生物反应器的体积，并且因此降低培养/发酵设备的资金成本。这继而意指当生物反应器维持在高压而不是大气压下时，能够缩短滞留时间，滞留时间被定义为在生物反应器中的液体体积除以输入气体流速。最佳反应条件将部分取决于使用的特定微生物。然而，一般来说，在高于大气压的压力下操作发酵为优选的。此外，由于给定的气体转化速率在某种程度上是底物滞留时间的函数，并且获得所需滞留时间继而指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可以大大减小所需生物反应器的体积，并且因此减少发酵设备的资金成本。

描述

已发现控制进料到接种反应器和/或生物反应器的含有c1的气态底物的组成，对在接种反应器和随后的生物反应器系统两者中的细胞生长、产物选择性和稳定性特别有用。优选地，含有c1的底物为组成控制的，然后进料到接种反应器，以产生用于进料一个或多个下游反应器的接种物。优选地，接种反应器包含处于液体营养物培养基中的一种或多种c1固定性微生物的培养物，并且能够接收组成控制的含有c1的气态底物，以通过发酵产生接种物。

本发明人已发现当富氢气的含有c1的气态底物用于发酵时，发酵过程通常缺乏长期的产物选择性和稳定性。出人意料地，本发明人已发现当在富氢气条件下操作发酵过程时，向接种反应器提供替代的富一氧化碳(co)的含有c1的物流，不仅导致生物质生长和生物质生长率增大，并且还导致对乙醇的选择性提高并且改进在下游生物反应器中的稳定性。

本发明特别适用于利用包含h2∶co摩尔比为至少3∶1的h2的工业气流的发酵过程，然而认为本发明还有益于包含较低h2组成的工业物流，如h2∶co摩尔比为2∶1或1.5∶1或1.1∶1的气体物流。在一个实施例中，本发明提供用于产生一种或多种发酵产物的方法，所述方法包含：(a)将含有c1的气态底物的至少一部分传递到接种反应器，并且将含有c1的气态底物的至少一部分传递到生物反应器；(b)在接种反应器中使含有c1的气态底物发酵以产生接种物；(c)将接种物的至少一部分传递到至少一个生物反应器；和(d)在生物反应器中使含有c1的气态底物发酵以产生至少一种发酵产物；其中被传递到接种反应器的含有c1的气态底物进行至少一个h2去除过程，然后被传递到接种反应器。

在特定实施例中，生物反应器系统包含一个或多个连接到一个或多个二级生物反应器的初级生物反应器。在某些实施例中，(一个或多个)初级反应器在促进生物质产生的条件下操作，并且(一个或多个)二级反应器在促进代谢物产生的条件下操作。在各种实施例中，提供到初级和二级反应器的富h2的含有c1的气态底来自相同的工业源并且具有基本上相同的组成。

在一个实施例中，富co的含有c1的气态底物和富h2的含有c1的气态底物来源于相同的工业源。在各种实施例中，富h2的含有c1的气态底物的至少一部分传递到氢气去除过程，然后提供到接种反应器，氢气去除过程被配置成从富h2的含有c1的气态底物分离氢气的至少一部分以产生富co的含有c1的气态底物。在特定实施例中，处理区包含h2膜分离模块和/或变压吸附(psa)过程。优选地，氢气去除过程包含膜分离模块。

在一个或多个实施例中，富h2的含有c1的气态底物来源于工业过程。

在替代的实施例中，富co的含有c1的气态底物包含瓶装co气体物流。在一个实施例中，瓶装co气体与一种或多种气态组分(如氮气和/或二氧化碳)共混。在另外的实施例中，富co的含有c1的气态底物为与富h2的含有c1的气态底物来源于不同的源的富co的气态物流。在一个实施例中，富co的含有c1的气态底物来源于co2电解过程。

氢气分离

在一些情况下，由于成本原因，气体体积需要可能禁止使用瓶装气体。因此，优选地，处理富h2的含有c1的气态底物以从底物去除氢气的至少一部分并且产生富co的含有c1的气态底物。用于处理富h2的含有c1的气态底物的合适的方法可包括但不限于膜分离技术和变压吸附技术。

膜分离模块提供从气态底物去除氢气的至少一部分的低成本相对简单的方式。举例来说，在25巴压力下组成为72vol％h2、14vol％co、7vol％co2和7vol％ch4的重整合成气传递通过说明性膜分离模块产生高压富co物流和低压富h2物流。高压富co物流仍在25巴下并且含有50vol％co、16vol％h2、25vol％ch4和9vol％co2。低压富h2物流降低到1巴，并且含有92vol％h2、6vol％co2和1vol％co和ch4中的每一种。可将高压富co物流提供到接种器作为富co的含有c1的气态底物。高压富co物流提供不需要进一步压缩的额外益处，从而避免与添加接种反应器的压缩机单元相关联的资金成本。

变压吸附过程技术是从气态底物去除氢气的至少一部分的更复杂但有效的方法。当利用变压吸附过程时，所得富co物流为低压。尽管使用变压吸附过程为可实行的，但是富co的含有c1的气态底物可需要在提供到接种反应器或任何生物反应器之前压缩，从而增加与接种反应器相关联的资金成本。然而，当考虑通过变压吸附过程产生的氢气物流在高压下产生并且可以产品出售时，这可以至少部分抵消。

co2电解

用于提供富co的含有c1的气态底物的替代方法为通过使用co2电解。co2电解过程将co2原料转变成co和o2。使用co2电解过程为接种器提供富co物流可受到包含除了富o2物流之外的富co2物流的工业场所的关注。此外，还考虑到来自接种反应器和/或生物反应器系统的富co2的尾气可用作co2电解单元的原料。

图1示出本发明的一个实施例的示意流程图。含有c1的气态底物的一部分经由管道装置110传递到接种反应器130，其中发酵含有c1的底物以产生接种物。接种物的至少一部分经由管道装置131传递到生物反应器系统140、150，其中含有c1的气态底物的一部分也经由管道装置110传递以发酵产生至少一种产物141、151。被传递到接种反应器130的含有c1的气态底物进行至少一个氢气去除过程120，然后发送到接种反应器130。氢气去除过程120经由管道装置110接收含有c1的气态底物，并且从含有c1的气态底物去除氢气121的至少一部分，以产生富co的含有c1的气态底物，其将经由管道装置122进料到接种反应器130。

优选地，被传递到接种反应器130的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于1∶1的h2。在某些实施例中，被传递到接种反应器130的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于0.8∶1的h2。优选地，被传递到接种反应器130的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比在0.02∶1到1∶1之间的h2。在各种情况下，氢气去除过程120通过使用至少一个膜分离模块去除氢气的至少一部分。在各种情况下，氢气去除过程120通过使用至少一个变压吸附过程去除氢气的至少一部分。在各种实施例中，氢气去除过程120通过使用膜分离模块和变压吸附过程两者去除氢气的至少一部分。

在某些情况下，进料到接种反应器130和生物反应器系统140、150的含有c1的气态底物至少部分来源于工业源。优选地，工业源选自由以下组成的组：碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、纸浆和纸张制造、炼钢，炼油和相关过程、石化生产、焦炭生产，厌氧或好氧消化、合成气体、天然气开采、石油开采、冶金过程、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层和催化过程。

优选地，通过生物反应器系统140、150产生的发酵产物141、151选自由以下组成的组：乙醇、乙酸酯、丁醇、丁酸酯、2，3-丁二醇、1，3-丁二醇、乳酸酯、丁烯、丁二烯、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1，2-丙二醇、1-丙醇、单乙二醇、异丁烯和c6-c14醇。在各种情况下，产物141、151的至少一部分进一步转化成柴油燃料、喷气燃料、汽油、丙烯、尼龙6-6、橡胶和/或树脂至少一种组分。在各种情况下，至少一种发酵产物141、151为微生物生物质。在一些情况下，可将此微生物生物质进一步加工以产生动物饲料的至少一种组分。

在各种实施例中，来自一个生物反应器140的发酵培养液可经由管道装置142传递到在生物反应器系统140、150内的另一个生物反应器150。

图2示出本发明的一个实施例的示意流程图。含有c1的气态底物的一部分经由管道装置210传递到接种反应器230，其中发酵含有c1的底物以产生接种物。接种物的至少一部分经由管道装置231传递到生物反应器系统240、250，其中含有c1的气态底物的一部分也经由管道装置210传递以发酵产生至少一种产物241、251。被传递到接种反应器230和生物反应器系统140、150的含有c1的气态底物进行至少一个氢气去除过程220，然后发送到接种反应器230。氢气去除过程220经由管道装置210接收含有c1的气态底物，并且从含有c1的气态底物去除氢气221的至少一部分，以产生富co的含有c1的气态底物，其将经由管道装置222进料到接种反应器230和经由管道装置223进料到生物反应器系统140、150。

优选地，被传递到接种反应器230和生物反应器系统240、250的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于1∶1的h2。在某些实施例中，被传递到接种反应器230和生物反应器系统240、250的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比小于0.8∶1的h2。优选地，被传递到接种反应器230和生物反应器系统240、250的含有c1的气态底物包含h2∶co摩尔比在0.02∶1到1∶1之间的h2。在各种情况下，氢气去除过程220通过使用至少一个膜分离模块去除氢气的至少一部分。在各种情况下，氢气去除过程220通过使用至少一个变压吸附过程去除氢气的至少一部分。在各种实施例中，氢气去除过程220通过使用膜分离模块和变压吸附过程两者去除氢气的至少一部分。

在某些情况下，进料到接种反应器230和生物反应器系统240、250的含有c1的气态底物至少部分来源于工业源。优选地，工业源选自由以下组成的组：碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、纸浆和纸张制造、炼钢，炼油和相关过程、石化生产、焦炭生产，厌氧或好氧消化、合成气体、天然气开采、石油开采、冶金过程、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层和催化过程。

优选地，通过生物反应器系统240、250产生的发酵产物241、251选自由以下组成的组：乙醇、乙酸酯、丁醇、丁酸酯、2，3-丁二醇、1，3-丁二醇、乳酸酯、丁烯、丁二烯、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1，2-丙二醇、1-丙醇、单乙二醇、异丁烯和c6-c14醇。在各种情况下，产物241、251的至少一部分进一步转化成柴油燃料、喷气燃料、汽油、丙烯、尼龙6-6、橡胶和/或树脂至少一种组分。在各种情况下，至少一种发酵产物241、251为微生物生物质。在一些情况下，可将此微生物生物质进一步加工以产生动物饲料的至少一种组分。

在各种实施例中，来自一个生物反应器240的发酵培养液可经由管道装置242传递到在生物反应器系统240、250内的另一个生物反应器250。

图3、4和5描绘使用精炼操作的氢气产生过程作为富h2的含有c1的气态底物的工业源的本发明的各种实施例。如图3、图4和图5所描绘，典型的氢气产生过程含有以下级：(i)重整过程，其中含有ch4的原料转化成包含co和h2的合成气物流；(ii)至少一个水煤气变换步骤，其中co的一部分与水反应以产生h2和co2；和(iii)适于从气体物流回收氢气的变压吸附(psa)模块。

图3示出利用来自重整过程310的富h2的含有c1的气态底物的本发明的一个实施例。富h2的含有c1的气态底物的至少一部分经由管道装置312流到膜分离模块350。膜分离模块350将含有c1的气态底物分离成高压富co物流和低压富h2物流。低压富co物流的至少一部分经由管道装置352传递到接种反应器370。低压富h2物流的至少一部分经由管道装置351传递到变压吸附过程360。在至少一个实施例中，气态底物传递到压缩机然后被传递到变压吸附过程360。在一个实施例中，富co物流包含至少40％co，或至少50％co，或至少60％co。在一个实施例中，富co的含有c1的物流的压力为至少15巴，或至少20巴，或至少25巴。

在各种实施例中，过程可包括多个水煤气变换过程320、330和/或多个氢气去除过程350、340、360。如图3中所示，含有c1的气态底物可首先经由管道装置311从重整过程310传递到水煤气变换过程320，以将ch4的至少一部分转变成包含co和h2的合成气物流。此气体物流可任选地经由管道装置321旁路一个或多个另外的水煤气变换过程330并且进料到所述一个或多个氢气去除过程340以从气体物流分离氢气341的至少一部分。此物流可然后经由管道装置342传递到一个或多个另外的氢气去除过程360。来自一个或多个另外的氢气去除过程360的物流可经由管道装置361发送到生物反应器380用于发酵。不发送到生物反应器的底物的至少一部分可任选地经由管道装置362发送到重整过程310。在各种情况下，生物反应器380接收气态底物并且产生一种或多种发酵产物381。任选地，来自接种反应器370和生物反应器380两者的尾气可经由分离管道装置372、382和/或共混的物流378传递回到重整过程310。

在各种实施例中，接种反应器370和生物反应器380以逐步的方式配置，由此接种反应器370使富co的含有c1的气态底物发酵以产生接种物，其然后经由管道装置371进料到生物反应器380。通过在生物反应器380中利用此接种物，提高发酵过程的产物选择性和稳定性。

如图4所示，在另一个实施例中，来自重整过程410的富h2的含有c1的物流经由在接种反应器470上游提供的管道装置412流动到变压吸附过程450。变压吸附过程450将含有c1的物流分离成高压富h2物流和低压富co物流。低压富co物流可传递到压缩机，然后经由管道装置452传递到接种反应器470。在一个实施例中，被传递到接种反应器470的富co物流包含至少30％co，或至少40％co，或至少50％co，或至少60％co。分离的氢气可经由管道装置451从变压吸附过程450传递到另一个变压吸附过程460。在各种实施例中，过程可包括多个水煤气变换过程420、430和/或多个氢气去除过程450、440、460。

如图4中所示，含有c1的气态底物可首先经由管道装置411从重整过程410传递到水煤气变换过程420，以将ch4的至少一部分转变成包含co和h2的合成气物流。此气体物流可然后经由管道装置421传递到一个或多个另外的水煤气变换过程430，并且经由管道装置431进料到所述一个或多个氢气去除过程440，以从气体物流分离氢气441的至少一部分。此物流可然后经由管道装置442传递到一个或多个另外的氢气去除过程460。来自一个或多个另外的氢气去除过程460的物流可经由管道装置461发送到生物反应器480用于发酵。不发送到生物反应器的底物的至少一部分可任选地经由管道装置462发送到重整过程410。在各种情况下，生物反应器480接收气态底物并且产生一种或多种发酵产物481。任选地，来自接种反应器470和生物反应器480两者的尾气可经由分离管道装置472、482和/或共混的物流478传递回到重整过程410。

在各种实施例中，接种反应器470和生物反应器480以逐步的方式配置，由此接种反应器470使富co的含有c1的气态底物发酵以产生接种物，其然后经由管道装置471进料到生物反应器480。通过在生物反应器480中利用此接种物，提高发酵过程的产物选择性和稳定性。

在另一个实施例中，如图5所示，来自重整过程510的含有c1的物流可发送到多个氢气去除过程540、550、560、590，然后发送到接种反应器570和/或生物反应器580中任一个。在各种情况下，在氢气去除过程之前和/或之间，含有c1的物流可发送到压缩机。通过将含有c1的物流发送到多个氢气去除过程，可进一步富集含有c1的物流的co组成。

在各种实施例中，过程可包括与多个氢气去除过程540、550、560组合的多个水煤气变换过程520、530。如图5中所示，含有c1的气态底物可首先经由管道装置511从重整过程510传递到水煤气变换过程520，以将ch4的至少一部分转变成包含co和h2的合成气物流。此气体物流可然后经由管道装置521传递到一个或多个另外的水煤气变换过程530，并且经由管道装置531进料到所述一个或多个氢气去除过程540，以从气体物流分离氢气541的至少一部分。此物流可然后经由管道装置542传递到一个或多个另外的氢气去除过程560。来自一个或多个另外的氢气去除过程560的物流可经由管道装置561发送到生物反应器580用于发酵。不发送到生物反应器的底物的至少一部分可任选地经由管道装置562发送到随后的氢气去除过程550，和任选地经由管道装置551发送到另外的氢气去除过程590，其最终可经由管道装置591发送到接种反应器570，以产生接种物。

在各种情况下，生物反应器580接收气态底物并且产生一种或多种发酵产物581。任选地，来自接种反应器570和生物反应器580两者的尾气可经由分离管道装置572、582和/或共混的物流578传递回到重整过程510。

在各种实施例中，接种反应器570和生物反应器580以逐步的方式配置，由此接种反应器570使富co的含有c1的气态底物发酵以产生接种物，其然后经由管道装置571进料到生物反应器580。通过在生物反应器580中利用此接种物，提高发酵过程的产物选择性和稳定性。

应当理解，尽管图3、图4和图5为与氢气产生过程集成的表示，但是本申请不限于与氢气产生过程集成。

实例

以下实例进一步说明本发明，但是当然不应解释为以任何方式限制其范围。

实例1

此实例表明提供有包含68vol％h2、3.8vol％co、26vol％co2和1vol％n2的气态底物的两个反应器的比较性能，h2∶co的摩尔比为18∶1。两个反应器的操作参数的唯一差别为每个反应器的接种物产生的条件。图6a和图6b示出在接收在富co条件下产生的接种物的第一生物反应器中代谢物和气体分布。图7a和图7b示出在接收在富h2条件下产生的接种物的第二生物反应器中的代谢物和气体分布。两个反应器以类似的效率消耗h2、co和co2，但是接收来自富h2接种反应器(图7a)的接种物的反应器具有对乙醇降低的选择性。

实例2

此实例表明提供有来自在不同气体条件下操作的接种反应器的接种物的反应器的比较性能。图8a和图8b示出用从用以下气体组成产生的接种接收的培养物接种的发酵的代谢物和气体分布：48vol％h2、40vol％co、2vol％co2和10vol％n2。图9a和图9b说明用从在富co条件下产生的接种接收的培养物接种的发酵的代谢物和气体分布。通过富co气体接种反应器(图9a)进料的反应器表明的乙醇选择性比从富h2接种反应器(图8a)接收接种物的反应器表明的乙醇选择性高得多。

本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利由此以引用的方式并入，其程度与每篇参考文献被单独并且具体地指明以通过引用并入并且在本文中整体阐述一样。本说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应被视为承认现有技术形成任何国家所致力的领域中的公知常识的一部分。

除非在此另外指出或明显与内容相矛盾，否则在描述本发明的情况下(尤其是在所附权利要求书的情况下)，使用术语“一个(a和an)”以及“所述”和类似指示语应理解为涵盖单数和复数。除非另有指出，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应理解为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。术语“主要由……组成”将组合物、过程或方法的范围限制为指定的材料或步骤，或限制为不实质性影响组合物、过程或方法的基本和新颖特性的那些。替代方案(例如“或”)的使用应理解为意指替代方案中的任一个、两个或其任何组合。除非另外指明，否则如本文所使用的，术语“约”意指所指范围、值或结构的±20％。

除非在本文中另外指明，否则对本文中值范围的叙述仅旨在充当个别提及属于所述范围的每个单独值的速记方法，并且每个单独值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。举例来说，除非另外指明，否则本文所提供的任何浓度范围、百分比范围、比率范围、整数范围、尺寸范围或厚度范围应被理解为包括所列举范围内的任何整数的值并且适当时包括其分数(如整数的十分之一和百分之一)。

除非在本文另外指出或明显与内容相矛盾，否则本文所描述的所有方法可以按任何适合的顺序进行。除非另外要求，否则本文中所提供的任何和所有实施例或例示性语言(例如，“如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明并且不对本发明的范围造成限制。在说明书中的任何语言都不应理解为指示任何非要求保护的要素对于实践本发明是必需的。

本发明的优选实施例描述于本文中。在阅读前文描述之后，那些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员可变得显而易见。本发明人期望熟练的技术人员在适当时采用这些变化，并且本发明人打算以与本文中具体描述不同的方式来实施本发明。因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求书中所叙述主题的所有修改和等效物。此外，除非本文另有说明或另外明显与内容相矛盾，否则本发明涵盖上述要素以其所有可能的变化形式的任何组合。