合成气发酵方法的操作方法
【专利说明】
[0001] 与相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年5月22日提交的美国临时申请号61/650, 098和61/650, 093 两者以及2012年11月14日提交的美国临时申请号61/726, 225的优先权，所有上述临时 申请以其整体通过参考并入本文。
技术领域
[0003] 提供了一种用于合成气发酵的方法，所述方法有效地降低电导率并提供约IOg乙 醇AL ?天）或更高的醇STY。更具体地，所述方法包括向反应器容器提供量为每克产生的 细胞约IOOmg氮或更高的氮的氮进料速率。
[0004] 发明背景
[0005] 厌氧微生物可以通过气态底物的发酵从CO生产乙醇。使用来自于梭状芽胞杆 菌（Clostridium)属的厌氧微生物的发酵产生乙醇和其他有用产物。例如，美国专利号 5, 173, 429 描述了杨氏梭菌（Clostridium ljungdahlii)ATCC 号 49587,该厌氧微生物从 合成气体生产乙醇和乙酸盐。美国专利号5, 807, 722描述了使用杨氏梭菌（Clostridium I jungdahl i i) ATCC号55380将废气转变成有机酸和醇类的方法和装置。美国专利号 6, 136, 577 描述了使用杨氏梭菌（Clostridium ljungdahlii)ATCC 号 55988 和 55989 将废 气转变成乙醇的方法和装置。
[0006] 为了获得稳定的性能和乙醇生产率，产乙酸细菌需要氨形式的恒定的氮进料。最 常见情况下，氨源是提供在低PH培养基料流中的氯化铵。由于成本和可利用性，氢氧化铵 的使用是优选的。然而，由于氢氧化铵是碱，因此它必须作为分开的培养基料流添加。这种 高pH料流的添加有可能引起发酵操作问题。此外，在较高生产率水平O50STY)下，在更浓 的培养基使用期间，发酵液的离子强度增加到对培养物性能造成不利影响的水平。
[0007] 发明概述
[0008] -种用于合成气发酵的方法降低电导率并提高醇的STY。所述方法包括将所述合 成气导入到反应器容器中，并向所述反应器容器提供约IOOmg氮/g产生的细胞或更高的氮 进料速率。合成气的发酵有效地提供了具有约16mS/cm或更低的平均电导率和IOg乙醇/ (L·天）或更高的STY的发酵培养基。就此而言，氮从包括无水氨、氨水、氢氧化铵、乙酸铵、 有机或无机的硝酸盐或酯、腈、胺、亚胺、酰胺、氨基酸、氨基醇及其混合物的来源提供。在一 种情况下，氮由氢氧化铵提供。所述方法包括导入具有约〇. 75或更高的0)/0)2比例的合 成气，并用一种或多种产乙酸细菌发酵合成气。所述发酵方法有效地提供约l.〇g/L或更高 的细胞密度和约5%至约99%的CO转化率。在一种情况下，发酵培养基包含约0. 01g/L或 更少的酵母提取物和约〇. 01 g/L或更少的糖类。
[0009] 在一种情况下，用于降低发酵中的电导率的方法包括将合成气导入到包含发酵培 养基的反应器容器中。所述方法包括以约IOOmg氮/g产生的细胞或更高的速率向反应器 容器提供氮进料，其中在氮进料中用氢氧化铵代替氯化铵。该氮进料有效地提供约16mS/cm 或更低的电导率和约4. 2至约4. 8的pH。
[0010] 在另一种情况下，用于降低发酵培养基中的电导率的方法包括将合成气导入到反 应器容器中，并以约IOOmg氮/g产生的细胞或更高的速率向反应器容器提供氮进料。在这 种情况下，在氮进料中用氢氧化铵代替氯化铵。与氮进料是氯化铵的发酵相比，该方法有效 地提供了至少约20%的电导率的降低。
[0011] 在一种情况下，发酵培养基包含：每克产生的细胞约100至约340mg的氮、每克产 生的细胞约10. 5至约15mg的磷或每克产生的细胞约26至约36mg的钾。在这种情况下， 氮源是氢氧化铵。
[0012] 发明详述
[0013] 下面的描述不应以限制性意义对待，而是仅仅出于描述示例性实施方式的一般性 原理的目的做出。本发明的范围应该参考权利要求书确定。
[0014] 本文所描述的使用培养基和产乙酸细菌在生物反应器中进行的合成气发酵，有效 地提供了合成气中的CO向醇类和其他产物的转化。利用氢氧化铵作为氮源和降低电导率， 有效地提供了高的生产率水平。在这方面，醇生产率可以表示成STY(用g乙醇AL ?天） 表示的空间时间产率）。就此而言，所述方法有效地提供了至少约IOg乙醇AL ?天）的 STY(空间时间产率）。可能的STY值包括约IOg乙醇AL ?天）至约200g乙醇AL ?天）， 在另一种情况下约IOg乙醇/(L ·天）至约160g乙醇/(L ·天），在另一种情况下约IOg乙 醇/ (L ·天）至约120g乙醇/ (L ·天），在另一种情况下约IOg乙醇/ (L ·天）至约80g乙 醇/ (L ·天），在另一种情况下约IOg乙醇/ (L ·天）至约15g乙醇/ (L ·天），在另一种情 况下约15g乙醇AL ?天）至约20g乙醇AL ?天），在另一种情况下约20g乙醇AL ?天） 至约140g乙醇/(L ·天），在另一种情况下约20g乙醇/(L ·天）至约100g乙醇/(L ·天）， 在另一种情况下约40g乙醇AL ?天）至约140g乙醇AL ?天），在另一种情况下约40g乙 醇/ (L ·天）至约100g乙醇/ (L ·天），在另一种情况下约IOg乙醇/ (L ·天），在另一种情 况下约15g乙醇AL ?天），并且在另一种情况下约16g乙醇AL ?天）。
[0015] 定义
[0016] 除非另有定义，否则在整个本公开的本说明书中使用的下列术语被定义如下，并 且可以包括下面规定的定义的单数或复数形式：
[0017] "电导率"和"平均电导率"是指导电能力。水由于含有溶解的带电荷固体而导 电。例如，氯离子、硝酸根和硫酸根带有负电荷，而钠、镁和钙离子带有正电荷。这些溶解 的固体影响水的导电能力。电导率通过在两个电极之间施加电压的探头来测量。使用电 压降来测量水的电阻，然后将其转变成电导率。平均电导率可以通过已知技术和方法来 测量。平均电导率测量的一些实例提供在ASTM D1125，"水的电导率和电阻率的标准试 验方法"（Standard Test Methods for Electrical Conductivity and Resistivity of Water)和在"用于水和废水的检查的标准方法"(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater)，1999，美国公共卫生协会（American Public Health Association),美国水工程协会（American Water Works Association),水环境联合会 (Water Environment Federation)中，两者通过参考并入本文。
[0018] 修饰任何量的术语"约"是指所述量在真实世界条件下，例如在实验室、中试工厂 或生产设施中遇到的变化。例如，在混合物中使用的成分或测量的量或数量，当用"约"修饰 时，包括在生产工厂或实验室中的实验条件下的测量中通常使用的变化性和照管程度。例 如，产物的组分的量，当用"约"修饰时，包括在工厂或实验室中的多次实验中批次之间的变 化，以及分析方法中固有的变化。不论是否用"约"修饰，所述量包括那些量的等同量。本 文中陈述的并且用"约"修饰的任何数量，也可以作为没有被"约"修饰的量用于本公开。
[0019] 术语"合成气"或"合成气体"是指为含有不同量的一氧化碳和氢气的气体混合物 命名的合成气体。生产方法的实例包括天然气或烃类的蒸汽重整以产生氢气，煤的气化，以 及在某些类型的废物变能量的气化设施中。所述名称来自于它们在产生合成天然气（SNG) 和用于生产氨或甲醇中用作中间体。合成气是可燃的，并且通常被用作燃料源或作为生产 其他化学品的中间体。
[0020] 术语"发酵"、"发酵方法"或"发酵反应"等，旨在涵盖所述方法的生长阶段和产物 生物合成阶段两者。在一种情况下，发酵是指CO向醇类的转化。
[0021] 术语"细胞密度"是指每单位体积发酵液的微生物细胞的质量，例如克/升。就此 而言，所述方法和培养基有效地提供至少约I. 〇g/L的细胞密度。细胞密度可以为约1至约 25g/L，在另一种情况下约1至约20g/L，在另一种情况下约1至约10g/L，在另一种情况下 约10至约20g/L，在另一种情况下约12至约18g/L，在另一种情况下约14至约16g/L，在另 一种情况下约2至约8g/L，在另一种情况下约3至约6g/L，并且在另一种情况下约4至约 5g/L〇
[0022] 术语"细胞回收利用"是指从发酵培养液分离微生物细胞，并将全部或一部分分离 到的微生物细胞返回到发酵罐。一般来说，使用过滤装置来实现分离。
[0023] 术语"发酵罐"、"反应器容器"或"生物反应器"包括由一个或多个容器和/或塔或 管路装置构成的发酵装置，其包括连续搅拌釜式反应器（CSTR)、固定化细胞反应器（ICR)、 滴流床反应器（TBR)，移动床生物膜反应器（MBBR)、泡罩塔、气升式发酵罐、膜反应器例如 中空纤维膜生物反应器（HFMBR)、静态混合器或适合于气体-液体接触的其他容器或其他 装置。
[0024] 含CO的气杰底物
[0025] 在一种情况下，所述方法具有支持从气态底物例如含CO的大体积工业烟道气生 产醇类的实用性。在某些情况下，包括CO的气体源自于含碳废物例如工业废气或源自于其 他废物的气化。因此，所述方法代表了用于捕获否则将被排放到环境中的碳的有效方法。工 业烟道气的实例包括在含铁金属产品制造、非含铁产品制造、石油精炼工艺、煤的气化、生 物质的气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭制造期间产生的气体。
[0026] 在另一种情况下，含CO的气态底物可能是合成气。合成气可以从任何已知来源提 供。在一种情况下，合成气可以源自于含碳材料的气化。气化包括生物质在