用于连续气体发酵的多反应器系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请依据美国法典第35篇第111条(a)款是非临时申请并且依据美国法典第35 篇第119条（e)款要求2013年7月4日提交的美国临时61 /843，046的优先权益，该美国临时 61/843,046在此以引用的方式整体并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及利用多生物反应器系统使气体基质进行连续发酵的系统和方法。本发 明提供了一种系统，其中多个生物反应器由中央排出管线连接，所述中央排出管线允许所 连接的生物反应器之间处于流体连通。还提供了一种用于缩短多个生物反应器的启动时间 的方法。还提供了一种使用多个生物反应器进行灵活的连续气体发酵的方法。
【背景技术】
[0004] 乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液体运输燃料。在2005年，在世界范围内，乙醇 的消耗量估计有122亿加仑。由于欧洲、日本、美国以及一些发展中国家对乙醇的关注增加， 因此燃料乙醇工业的全球市场也已经被预测在未来会急剧增长。
[0005] 举例来说，在美国，使用乙醇生产E10，即10 %乙醇在汽油中的混合物。在E10共混 物中，乙醇组分充当补氧剂，从而提高燃烧效率并且减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇 作为在汽油中共混的补氧剂以及其本身作为纯燃料这两者满足了约30%的运输燃料需求。 此外，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放的后果的环境问题已经促使欧盟(European Union， EU)为成员国设立有关诸如生物质衍生的乙醇之类的可持续运输燃料的消耗的强制目标。
[0006] 绝大多数的燃料乙醇是经由传统的基于酵母的发酵工艺生产的，这些发酵工艺使 用作物衍生的碳水化合物，如从甘蔗提取的蔗糖或从粮食作物提取的淀粉，作为主要的碳 源。然而，这些碳水化合物原料的成本会受到它们作为人类食物或动物饲料的价值所影响， 而用于生产乙醇的产生淀粉或蔗糖的作物的种植并非在所有地区均是经济上可持续的。因 此，所关注的是，研发使更低的成本和/或更丰富的碳资源转换成燃料乙醇的技术。
[0007] C0是诸如煤或石油和石油衍生产品之类的有机材料不完全燃烧的主要游离富含 能量的副产物。举例来说，据报道，澳大利亚的钢铁工业每年产生并且向大气中释放超过 500,000 吨的 C0。
[0008] 可以使用催化工艺来使主要由C0和/或C0和氢气(H2)组成的气体转化成多种燃料 和化学品。还可以使用微生物来使这些气体转化成燃料和化学品。这些生物过程尽管一般 比化学反应要慢，但是与催化工艺相比具有若干优势，包括更高的特异性、更高的收率、更 低的能量成本以及更大的抗中毒性。
[0009] 微生物依靠 C0作为唯一的碳源生长的能力最初是在1903年被发现的。这随后被确 定为利用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生化途径（也被称为伍兹-扬达尔途径(1 〇〇扣-Ljungdahl pathway)和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶(C0DH/ACS)途径）的生物体的特 性。包括一氧化碳营养型生物体、光合生物体、产甲烷型生物体以及产乙酸型生物体在内的 很多厌氧生物体已经被证实将CO代谢成各种最终产物，即c〇2、H2、甲烷、正丁醇、乙酸盐以及 乙醇。虽然使用⑶作为唯一的碳源，但是所有这些生物体均产生这些最终产物中的至少两 种。
[0010] 厌氧细菌，如来自梭菌属(Clostridium)的那些厌氧细菌已经被证实经由乙酰辅 酶A生化途径由CO、C〇2以及H2产生乙醇。举例来说，由气体产生乙醇的杨氏梭菌 (Clostridium ljungdahlii)的各种菌株描述于WO 00/68407、EP 117309、美国专利号5， 173，429、5,593,886和6,368,819、W0 98/00558以及W0 02/08438中。细菌自产乙醇梭菌 (Clostridium autoethanogenum)菌种也已知会由气体产生乙醇（Abrini等，Archives of Microbiology 161，第345-351页（1994))〇
[0011] 然而，微生物通过气体发酵的乙醇产生始终与乙酸盐和/或乙酸的共同产生相关。 由于一些可利用碳被转化成乙酸盐/乙酸而非乙醇，因此使用这样的发酵工艺的乙醇生产 效率可能小于理想的生产效率。此外，除非乙酸盐/乙酸副产物可以被用于某其它目的，否 则它可能会引起废物处理问题。乙酸盐/乙酸由微生物转化成甲烷并且因此有可能导致GHG 排放。
[0012] 在出存在下使C0进行微生物发酵可以使得基本上全部的碳转移到醇中。然而，在 不存在足够出的情况下，一些C0被转化成醇，而很大一部分被转化成C0 2，如以下化学方程式 中所示：
[0013] 6CO+3H2〇^C2H5〇H+4C〇2
[0014] 12H2+4C〇2^2C2H5〇H+6H2〇
[0015] C02的产生表示总碳捕获的效率低并且如果被释放，也有可能导致温室气体排放。
[0016] W02007/117157描述了一种通过使含有一氧化碳的气体进行厌氧发酵来产生醇， 特别是乙醇的方法，该W02007/117157的公开内容以引用的方式并入本文。作为发酵工艺的 副产物而产生的乙酸盐被转化成氢气和二氧化碳气体，它们中的任一者或这两者可以被用 于厌氧发酵工艺中。W02008/115080描述了一种用于在多个发酵阶段中产生一种或多种醇 的方法，该W02008/115080的公开内容以引用的方式并入本文。在第一生物反应器中由于一 种或多种气体的厌氧发酵而产生的副产物可以被用于在第二生物反应器中产生产物。此 外，第二发酵阶段的副产物可以被再循环到第一生物反应器中以产生产物。
[0017] US 7,078,201和W0 02/08438也描述了通过改变当中进行发酵的液体营养培养基 的条件(例如pH值和氧化还原电位)来改进用于产生乙醇的发酵工艺。如那些公开中所公开 的那样，可以使用类似的工艺来产生其它醇，如丁醇。
[0018] 即使是对用于产生一种或多种酸和/或一种或多种醇的发酵工艺的小的改进也可 能对这种工艺的效率，并且更特别是商业可行性有显著的影响。本发明的目的在于提供克 服了本领域已知的缺点并且为公众提供了用于最优地产生多种有用产物的新方法的一种 或多种系统和/或一种或多种方法。
【发明内容】
[0019] 在第一个方面，提供了一种用于连续发酵的生物反应器系统，所述生物反应器系 统包括：
[0020] a.两个或更多个一级生物反应器，所述一级生物反应器被适配用于通过一种或多 种微生物使气体基质发酵以产生发酵液；
[0021] b.-个或多个二级生物反应器，所述二级生物反应器被适配用于通过一种或多种 微生物使气体基质发酵以产生一种或多种产物；以及 [0022] c.中央排出管线，
[0023] 其中所述系统的一级生物反应器中的至少两个能够经由所述中央排出管线彼此 处于流体连通并且与至少一个二级生物反应器处于流体连通。
[0024] 在一个实施方案中，在所述一个或多个二级生物反应器中将在所述一级生物反应 器的发酵液中产生的一种或多种酸的至少一部分转化成它相应的醇。
[0025] 在第一个方面的一个实施方案中，所有生物反应器被配置用于使气体基质发酵以 产生包括一种或多种酸和/或一种或多种醇的产物。在一个具体的实施方案中，所述气体基 质选自由C0、H 2、C02以及其混合物组成的组。在一个具体的实施方案中，所述气体基质包含 C0和任选的出。在一个替代性实施方案中，所述气体基质包含0)2和出。
[0026] 在本发明的一个实施方案中，所述一级生物反应器包括用于将发酵液通到所述中 央排出管线中的出口管道。在某些方面，所述一级生物反应器和二级生物反应器包括用于 从所述中央排出管线接收发酵液的入口管道。在具体实施方案中，通过与所述入口管道集 成的阀门（也被称为接种阀门）控制与所述中央排出管线连接的生物反应器之间的流体连 通。这些阀门控制发酵液从一级生物反应器向其它一级生物反应器和/或二级生物反应器 的通行，这取决于它们由操作人员打开还是关闭。
[0027] 在一个具体的实施方案中，在主要促进一种或多种微生物生长以及产生一种或多 种产物的条件下操作所述一级生物反应器。在一个具体的实施方案中，主要在由气体基质 产生一种或多种产物的条件下操作所述二级生物反应器。在一个实施方案中，经由中央排 出管线将在所述一级反应器中产生的发酵液通到二级生物反应器中，并且将从所述一级生 物反应器通到二级生物反应器中的所述发酵液中一种或多种酸的至少一部分在所述二级 生物反应器中转化成它相应的醇。
[0028] 在第一个方面的一个实施方案中，所述生物反应器系统包括至少两个一级生物反 应器和至少一个二级生物反应器，其中所有生物反应器均是经由所述中央排出管线连接 的。在一个具体的实施方案中，所述系统包括2-16个一级生物反应器和1-16个二级生物反 应器。在另一个实施方案中，所述系统包括2-8个一级生物反应器和1-8个二级生物反应器。 在一个优选的实施方案中，所述系统包括4个一级生物反应器和4个二级生物反应器。
[0029] 在第一个方面的一个实施方案中，中央排出管线与所述系统的所有生物反应器连 接并且允许所有的一级生物反应器和/或所有的二级生物反应器之间处于流体连通。在一 个实施方案中，中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器中的至少一个提供到所述二 级生物反应器中的至少一个中。在一个具体的实施方案中，每一个一级生物反应器经由所 述中央排出管线向一个相应的二级生物反应器进料。在操作中，经由所述中央排出管线使 所述生物反应器按一级生物反应器和相应二级生物反应器的单独序列运行，其中经由所述 中央排出管线将来自任何给定的一级生物反应器的发酵液的至少一部分提供到二级生物 反应器中。在一个替代性实施方案中，所有的一级生物反应器均经由所述中央排出管线以 分时配置向所有的二级生物反应器供给发酵液，其中通过与所述二级生物反应器的入口管 道集成的阀门控制发酵液向任何给定的二级生物反应器中的通入。
[0030] 在具体实施方案中，在稳态发酵期间，将经由所述中央排出管线将发酵液从所述 一级生物反应器连续地提供到所述二级生物反应器中。将连续地从所述一级生物反应器和 所述二级生物反应器这两者中取出包含至少一种发酵产物的发酵液。在一个具体的实施方 案中，将额外的培养基供给到所述一级生物反应器和二级生物反应器中以使得在所述系统 的所有生物反应器中维持基本上恒定的发酵液体积。在一个具体的实施方案中，在所述一 级生物反应器和所述二级生物反应器这两者中产物产生的速率是基本上相同的。然而，在 优选的实施方案中，在所述二级生物反应器中产物产生的速率显著大于在所述一级生物反 应器中的速率。
[0031] 在一个实施方案中，所述中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器中的至少 一个提供到至少一个其它一级生物反应器中。在这种配置中，使用来自一个一级生物反应 器的发酵液对至少一个其它一级生物反应器进行接种。在一个具体的实施方案中，通过接 种器对第一一级生物反应器进行接种，在可操作后，所述第一一级生物反应器经由所述中 央排出管线将发酵液的至少一部分通到至少一个其它一级生物反应器中。利用所述中央排 出管线将发酵液的至少一部分从一个可操作的一级生物反应器同时通到多个不可操作的 一级生物反应器中和/或通到单个不可操作的一级生物反应器中以使得依次建立每一个生 物反应器。在一个优选的实施方案中，利用所述中央排出管线以将发酵液的一部分从可操 作的一级生物反应器同时通到多个不可操作的一级生物反应器中以缩短所述系统的总启 动时间。
[0032] 在另一个实施方案中，至少一个可操作的一级生物反应器经由所述中央排出管线 将发酵液通到至少一个不可操作的二级生物反应器中。在这种配置中，使用来自所述一个 或多个可操作的一级生物反应器的发酵液对所述系统中的一个或基本上所有的二级生物 反应器进行接种。在一个具体的实施方案中，在所述系统中基本上所有的一级生物反应器 的接种完成之前，单独地经由所述中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器通到所述 二级生物反应器中。在一个替代性实施方案中，在所述系统中所有的一级生物反应器已经 被接种后，经由所述中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器同时通到所有的二级生 物反应器中。
[0033] 在一个具体的实施方案中，所述一级生物反应器和/或二级生物反应器用于使选 自由C0、C02、H2以及其混合物组成的组的气体基质发酵以产生包括以下各项的产物：乙醇、 乙酸、2,3_ 丁二醇、丁醇、异丙醇、乳酸盐、丁二酸盐、甲基乙基酮(MEK)、丙二醇、2-丙醇、乙 偶姻、异丁醇、柠檬酸苹果酸盐、丁二烯、聚乳酸、异丁烯、3-羟基丙酸盐(3HP)、丙酮以及脂 肪酸。通常，在液体营养培养基中通过一氧化碳营养型细菌使这些基质进行微生物发酵。在 某些实施方案中，所述一氧化碳营养型细菌选自梭菌属。在另外的实施方案中，所述一氧化 碳营养型细菌选自由以下各项组成的组：自产乙醇梭菌、杨氏梭菌、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)以及食一氧化碳梭菌(Clostridium carboxydivorans)。在具体实施方案中，通 过悬浮在液体营养培养基中的微生物进行发酵。
[0034] 在一个实施方案中，在二级生物反应器中将在一级生物反应器中产生的一种或多 种酸产物的至少一部分转化成它相应的醇。在一个具体的实施方案中，在所述一个或多个 二级生物反应器中将在至少一个一级反应器中产生的乙酸的至少一部分转化成乙醇。
[0035] 在第二个方面，提供了一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方 法，所述方法包括：
[0036] a.将气体基质供应到包含液体营养培养基的第一一级生物反应器中；
[0037] b.用一种或多种微生物对所述第一一级生物反应器进行接种；
[0038] c.使所述气体基质发酵以产生包含一种或多种微生物和一种或多种产物的发酵 液；
[0039] d.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从所述第一一级生物反应器中 通出以对一个或多个其它一级生物反应器进行接种；
[0040] e.在主要促进微生物生长的条件下操作所述至少一个其它一级生物反应器；以及
[0041] f.经由所述中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从一个或多个一级生物反 应器中通出以对一个或多个二级生物反应器进行接种。
[0042]在第三个方面，提供了一种用于跨越多个生物反应器维持气体基质的稳态发酵的 方法，所述方法包括：
[0043] a.将气体基质供应到包含含有一种或多种微生物的液体营养培养基的两个或更 多个一级生物反应器中；
[0044] b.在所述两个或更多个一级生物反应器中使所述气体基质发酵以产生包含一种 或多种微生物和一种或多种产物的发酵液；
[0045] c.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从一个一级生物反应器通到一 个或多个二级生物反应器中；以及
[0046] d.确定(c)的所述一级生物反应器中的一个或多个是否是可操作的，其中如果所 述一级生物反应器中的一个或多个是不可操作的，那么经由所述中央排出管线将来自一个 或多个可操作的一级生物反应器的发酵液的至少一部分提供到(c)的所述一个或多个二级 生物反应器中。
[0047] 在第二个方面和第三个方面的具体实施方案中，在如第一个方面中所述的系统中 使用所述方法。在具体实施方案中，在多生物反应器系统中使用所述方法，所述系统被配置 用于连续的气体发酵，所述系统包括经由中央排出管线而处于流体连通的两个或更多个生 物反应器。在一个优选的实施方案中，所述系统包括4个一级生物反应器和4个二级生物反 应器，所有生物反应器均经由中央排出管线而处于流体连接。
[0048] 在一个实施方案中，使用经由中央排出管线从一个或多个可操作的一级生物反应 器提供的发酵液对一个或多个一级生物反应器和/或二级生物反应器进行接种。在一个具 体的实施方案中，依次由可操作的一级生物反应器对每一个不可操作的一级生物反应器进 行接种，其中经由中央排出管线将来自可操作的一级生物反应器的发酵液提供到随后的不 可操作的一级生物反应器中。在一个优选的实施方案中，使用一个或多个可操作的一级生 物反应器同时对多个不可操作的一级生物反应器进行