醇产生方法

文档序号:5020364阅读:741来源:国知局
专利名称:醇产生方法
技术领域
本发明广义上涉及通过对底物进行厌氧微生物发酵来产生产物的方法。具体地,本发明涉及通过使用离开生物反应器的气体流将进入生物反应器的液流除氧来增加发酵效率的方法。
背景技术
乙醇正迅速地成为全球各地的主要富含氢的液体运输燃料。2005年全球范围内的乙醇消耗量估计为122亿加仑。由于欧洲、日本、美国和几个发展中国家对乙醇兴趣增加, 燃料乙醇工业的全球市场也被预测会在未来持续急剧增长。例如,在美国,乙醇用于生产E10,一种乙醇在汽油中的10%的混合物。在ElO掺合物中,乙醇组分作为氧合剂起作用,提供燃烧的效率并且降低空气污染的产生。在巴西,乙醇作为混合在汽油中的氧合剂以及自身即可作为纯燃料满足了约30%的运输燃料需求。同样,在欧洲,关于温室气体(GHG)排放后果的环境问题已经成为欧盟(EU)为成员国设置消费可持续运输燃料(例如生物质衍生的乙醇)的强制目标的动力。燃料乙醇的绝大部分是通过传统的基于酵母的发酵方法生产的,所述方法使用源自作物的碳水化合物(例如从甘蔗提取的蔗糖或从谷类作物提取的淀粉)作为主要的碳源。然而,这些碳水化合物原料的成本受到它们作为人类食物或动物食物的价值的影响,并且栽培用于乙醇生产的淀粉或产蔗糖作物并不是在所有的地理区域中都是经济上可持续的。因此,需要开发将更低成本的和/或更充足的碳源转化为燃料乙醇的技术。CO是有机材料(例如煤或者油和油衍生产品)的不完全燃烧的主要的、无成本的、富含能量的副产物。例如,有报道称澳大利亚的钢铁工业每年产生并向大气中排放超过500,000 吨 CO。可使用催化方法将主要包含CO和/或CO和氢气(H2)的气体转化为多种燃料和化学制品。还可以使用微生物将这些气体转化为燃料和化学制品。这些生物学方法尽管通常比化学反应慢,但是比起催化方法来有一些优势,包括更高的特异性、更高的产率、更低的能量消耗和对中毒的更高抗性。微生物将CO作为唯一碳源而生长的能力于1903年被首次发现。后来确定这是使用自养生长的乙酰辅酶A (乙酰CoA)生物化学途径(也被称作Woods-Ljungdahl途径和一氧化碳脱氢酶/乙酰CoA合酶(C0DH/ACS)途径)的生物的特性。已证明包括一氧化碳营养生物、光合生物、产甲烷生物和产乙酸生物的大量厌氧生物可将CO代谢为多种终产物,SPC02、H2、甲烷、正丁醇、乙酸和乙醇。当使用CO作为唯一碳源时,所有这样的生物均产生至少两种这些终产物。已证明厌氧细菌(例如来自梭菌属(Clostridium)的那些厌氧细菌)可通过乙酰CoA生物化学途径从CO、COjPH2产生乙醇。例如,WO 00/68407、EP 117309、美国专利 5,173,429,5, 593,886 和 6,368,819、WO 98/00558 和 WO 02/08438 中描述了从气体产生乙醇的多个扬氏梭菌(Clostridium ljunedahlii)菌株。还已知自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum sp)这个细菌从气体产生乙醇(Abrini et al·,Archivesof Microbiology 161,pp 345-351 (1994))。但是,由微生物通过气体发酵进行的乙醇产生总是伴随着乙酸盐和/或乙酸的共产生。因为一些可用的碳被转化为乙酸盐/乙酸而不是乙醇,使用这样的发酵方法产生乙醇的效率可能低于所希望的。并且除非所述乙酸盐/乙酸副产品可被用于某些其他目的,否则还将面临废弃物处理的问题。乙酸盐/乙酸可被微生物转化为甲烷,因此可能会增加GHG排放。
已知与微生物利用一氧化碳作为其唯一碳源和能量的能力有关的几种酶的活性需要金属辅因子。其活性需要金属辅因子结合的关键酶的实例包括一氧化碳脱氢酶(CODH)和乙酰-CoA合酶(ACS)。W02007/117157、W02008/11 5080、W02009/022925、W02009/058028、W02009/064200, W02009/064201和W02009/113878-其公开的内容以引用的方式纳入
本文——描述了通过对含一氧化碳气体进行厌氧发酵产生醇尤其是乙醇的方法。作为W02007/117157中所述发酵方法的副产物而产生的乙酸被转化为氢气和二氧化碳气体,它们各自或者两者一起可以用于所述厌氧发酵方法。W02009/022925公开了 pH和ORP在通过发酵将含CO的底物转化为产物(例如酸和醇)的过程中的作用。W02009/058028中描述了使用工业废气通过发酵产生产物例如醇。W02009/064201中公开了 CO的载体以及CO在发酵中的用途。W02009/113878中公开了在含CO的底物的发酵过程中酸转化为醇。含CO的底物的厌氧发酵一般在严格厌氧条件下进行。进入生物反应器的培养基必须在传递到生物反应器之前基本上除氧以基本上去除全部的溶解氧。培养基的脱氧是需要能量和额外资源(例如无氧气流或真空)的常见单元操作。此外,离开所述生物反应器的气流一般携带有从水性发酵液汽提的组分。除非可以从离开所述生物反应器的流中回收挥发性组分例如包括醇的产物,否则它们会在废流中损失。本发明的目标是提供一种至少在某种程度上克服上述缺点的方法,或者至少为公众提供一个可用的选择。

发明内容
根据第一大方面,本发明提供了除氧装置,其包括被配置用于气体/液体接触的容器,所述容器包括(i)被配置用于接收液体的第一入口 ;(ii)被配置用于将所述液体的至少一部分传递到生物反应器的第一出口 ;(iii)被配置用于接收来自生物反应器的气流的第二入口 ;和(iv)被配置用于所述气流的至少一部分离开所述容器的第二出口。在具体实施方案中,所述除氧装置被配置,使得在使用中所述液体和气体逆流地(counter-currently)流过所述容器。在具体实施方案中,所述容器包括被配置以增加气体/液体接触表面积的填充材料。在具体实施方案中,所述容器以不规则填充或规整填充的方式填充。根据本发明的第二大方面,提供了一种在将液体营养培养基传递到生物反应器用于进行厌氧发酵之前对所述液体营养培养基除氧的方法,所述方法包括使所述液体营养培养基与离开所述生物反应器的气流接触。在具体实施方案中,所述液体营养培养基和所述气流在被配置用于有效气体/液体接触的除氧装置中接触。在具体实施方案中,所述方法包括在所述生物反应器中发酵底物以产生一种或多种产物。在具体实施方案中,所述底物为气态的。在具体实施方案中,所述底物包括CO。在具体实施方案中,所述离开生物反应器的气流的一种或多种组分在所述气流与液体营养培养基接触时被捕获到所述液体营养培养基中。在本发明的第三大方面,提供了一种提高厌氧发酵效率的方法,所述方法包括
(i)在生物反应器中发酵一种或多种底物以产生一种或多种产物;(ii)通过将离开所述生物反应器的气流与水性液体接触,捕获所述气流的一种或多种组分;(iii)将所述包括一种或多种组分的水性液体传递到所述生物反应器。在具体实施方案中,所述气流在除氧装置中与水性液体接触。在具体实施方案中,所述水性液体为供给所述生物反应器以维持发酵的液体营养培养基。在具体实施方案中,将所述气流与所述水性液体接触可基本上对所述水性液体除氧。在具体实施方案中,所述一种或多种底物为气态。在具体实施方案中,所述底物包含CO。在所述第二和第三方面的具体实施方案中,所述一种或多种产物包括酸和/或醇。在具体实施方案中,所述酸包括乙酸,所述醇包括乙醇。在所述第二和第三方面的具体实施方案中,所述离开所述生物反应器的气流被直接或间接地传递到所述除氧装置,其中所述流与所述液体营养培养基接触。在具体实施方案中,所述气流被通过管件传递到所述除氧装置。在具体实施方案中,所述气流包括一种或多种组分,所述组分包括但不限于所述发酵中未转化的气态底物;气态或挥发性的发酵产物或副产物;和/或惰性气态化合物。在具体实施方案中,所述气流包括co、co2、h2、h2s、n2、ch4、醇(例如乙醇)和/或酸(例如乙酸)中的一种或多种。在所述第二和第三方面的具体实施方案中,所述除氧装置为所述第一方面的除氧
>J-U ρ α装直。根据第四个方面,提供了一种包括生物反应器和除氧装置的系统,其中所述除氧装置被配置以(i)使从所述生物反应器接收的气流与液体接触;(ii)将所述基本上除氧的液体传递到所述生物反应器。在具体实施方案中,所述除氧装置为所述第一方面的除氧装置。在具体实施方案中,所述系统包括被配置用于将所述气流从所述生物反应器传递到所述除氧装置的管件。在具体实施方案中,所述系统包括被配置用于将液体从所述除氧装置传递到所述生物反应器的管件。本领域技术人员会了解用于转移所述液流进出所述除氧容器和所述生物反应器的装置。然而,例如,可以使用一个或多个泵将液体传递到所述生物反应器。并且/或者,可以使用一个或多个风箱、压缩机、风扇和/或泵将所述气流传递到所述除氧装置。本发明的实施方案找到了在通过发酵包含CO的气态底物产生酸和醇尤其是乙醇中的具体应用。所述底物可以包括作为工业过程的副产物获得的气体。在某些实施方案中,所述工业过程选自铁金属产品制造、非铁产品制造、石油炼制过程、生物质气化、煤的气化、电能生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭制造。在本发明的一个实施方案中,所述气态底物为合成气。在一个实施方案中,所述气态底物包含从钢铁厂获得的气体。在所述第一和第二方面的具体实施方案中,所述含CO的底物一般含有大比例的CO,例如按体积计至少约20%到约100%的CO、按体积计30%到70%的CO、按体积计40%到60%的CO、以及按体积计45%到55%的CO。在具体实施方案中,所述底物包含按体积计约25%、约30%、约35%、约40%、约45%或约50%的CO,或约55%的CO,或约60%的CO。在某些实施方案中,所述底物流包含低浓度的H2,例如,少于5%、少于4%、少于3%、少于2%、少于1%或基本上没有氢气。具有较低浓度例如6%的CO的底物也可以是合适的,尤其是当还存在·H2和CO2时。在多个实施方案中,所述发酵使用一氧化碳营养菌的一个或多个菌株的培养物进行。在多个实施方案中,所述一氧化碳营养菌选自梭菌属(Clostridium)、穆尔氏菌属(Moorella)、产醋杆菌属(Oxobacter)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、真杆菌属(Eubacterium)或丁酸杆菌属(Butyribacterium)。在一个实施方案中,所述一氧化碳营养菌为自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)。本发明还可以单独或综合地包括在本申请说明书中提及或指出的部分、要素或特征,其以两个或多个所述部分、要素或特征的任意或所有组合,并且当本文提及在本发明涉及领域中具有已知等同物的具体整体时,所述已知等同物被认为如同被单独提出一样被纳入本文。
具体实施例方式已经惊奇地认识到,离开被配置用于气态底物厌氧发酵的生物反应器的基本上不含氧气的出口气流,可以用于对供给所述生物反应器的液体营养培养基除氧。这种方法还具有惊奇的优点,所述优点为从所述离开气流中将一种或多种产物和/或其他组分的至少一部分基本上捕获到供给所述生物反应器的液体营养培养基中。所述一种或多种产物和/或其他产物可以包括在气态底物发酵过程中从气态出口流的厌氧发酵液汽提的醇和/或酸。因此,本发明提供了增加由在生物反应器中发酵气态底物产生的一种或多种产物的捕获效率的方法和系统。在具体实施方案中,本发明的方法包括步骤使至少一部分离开生物反应器的出口气体通过培养基除氧装置,使得所述出口气体中一种或多种组分的至少一部分在传递到所述生物反应器之前被捕获到水性培养基中。在具体实施方案中,所述出口气体中的一种或多种组分至少包括乙醇,并且所述乙醇的至少一部分在传递到所述生物反应器之前被捕获到所述水性培养基中。发酵气态底物例如含CO的底物以产生产物是已知的。在这种发酵中,底物流通过一个或多个管件被引入生物反应器中,与发酵液混合。在生物反应器中发酵底物例如含CO的底物的过程中,一种或多种微生物一般悬浮在包含液体营养培养基的发酵液中,所述液体营养培养基含有生长和代谢必需的营养物。这些必需的营养物包括但不限于氮、磷、钾、硫和选择的B族维生素,其一般作为溶解在水性培养基中的盐提供。所述液体营养培养基可以连续地或分批地被提供给含有一种或多种微生物的生物反应器;其中所述微生物培养物将底物例如含CO的底物的至少一部分转化成产物,例如醇。发酵过程,尤其是厌氧发酵过程,一般包括被配置以从供给所述生物反应器的培养基中去除溶解气体例如O2的一个或个单元操作。在气态底物的发酵过程中,所述底物一般以这样的方式被提供,即使得所述底物的至少一部分转移到溶液中 ,在其中所述微生物可以代谢所述底物。例如,气态底物可以以大气压或高于大气压被喷射到发酵液中。根据本发明,所述底物的至少一部分通过发酵转化成一种或多种产物。但是,在具体实施方案中,一部分气态底物在发酵中可以未被消耗而经过,在出口流中离开所述生物反应器。并且/或者,气体发酵的副产物和/或所述底物流的惰性组分也将经过所述生物反应器并在出口流中离开。因此,根据本发明,使底物流与发酵液在生物反应器中接触,并且选自未发酵气态底物、气体发酵的副产物和/或惰性气态底物流组分的一种或多种气态组分从所述发酵液中脱离,通过出口管道离开所述生物反应器。当所述气态组分从所述发酵液中脱离时,它们可以使一种或多种溶解的产物例如醇挥发,并在所述出口流中携带所述产物离开所述生物反应器。根据本发明,所述一种或多种产物的至少一部分可以通过在将培养基传递到所述生物反应器前使气态出口流与所述培养基在除氧装置中接触而从所述出口流中回收。定义除非另外定义,本说明书通篇使用的以下术语定义如下术语“含一氧化碳的底物”和类似术语应被理解为包括,例如,其中的一氧化碳可被一个或多个细菌菌株用于生长和/或发酵的任何底物。“含一氧化碳的气态底物”包括任何含有一氧化碳的气体。所述气态底物一般含有显著大比例的CO,优选按体积计至少约5%到约100%。在有关发酵产物的上下文中,本文使用的术语“酸”包括羧酸及相关的羧酸阴离子,例如存在于本文描述的发酵液中的游离乙酸和乙酸根的混合物。所述发酵液中分子酸与羧酸根的比例依赖于所述系统的pH。术语“乙酸根”包括仅乙酸盐,以及分子乙酸或游离乙酸与乙酸盐的混合物,例如如本文描述的存在于发酵液中的乙酸盐和游离乙酸的混合物。所述发酵液中分子乙酸与乙酸根的比例依赖于所述系统的pH。所述术语“生物反应器”包括由一个或多个容器和/或塔或管道排列组成的发酵装置,其包括连续搅拌釜反应器(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)、鼓泡塔、气升式发酵罐、膜反应器例如中空纤维膜生物反应器(HFMBR)、静态混合器或者适合气体-液体接触的其他容器或其他装置。除非上下文另有说明,本文使用的术语“发酵”、“发酵过程”或“发酵反应”等意欲包括所述过程的生长阶段和产物生物合成阶段。正如本文将进一步描述的,在一些实施方案中,所述生物反应器可包含第一生长反应器和第二发酵反应器。因此,向发酵反应加入金属或组合物应当理解为包括向所述反应器之一或两者的加入。尽管以下说明重点在于本发明的具体实施方案,即使用CO作为主要底物产生乙醇和/或乙酸,然而应理解本发明适用于产生其他醇和/或酸,以及使用本发明所属技术领域普通技术人员知晓的其他底物。例如,可以使用含一氧化碳和氢气的气态底物。此外,本发明适用于发酵产生丁酸、丙酸、己酸、乙醇、丙醇和丁醇。所述方法还可用于产生氢气。举例来说,这些产物可通过使用来自以下属的微生物发酵来产生穆尔氏菌属、梭菌属、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋酸杆菌属、真杆菌属、丁酸杆菌属、产醋杆菌属、甲烧八叠球菌属(Methanosarcina)>甲烧八叠球菌属和脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)。发酵本发明的某些实施方案适合使用由一种或多种工业过程产生的气流。这样的过程包括炼钢过程,尤其是产生具有高CO含量或CO含量超过预定水平(即5%)的气流的过程。根据这样的实施方案,优选在一个或多个生物反应器中,使用产乙酸细菌产生酸和/或醇,尤其是乙醇或丁醇。本领域技术人员会在考虑本公开内容的情况下意识到,本发明可被应用于多种工业或废气流,包括具有内燃机的车辆的废气流。同样,本领域技术人员会在考虑本公开内容的情况下意识到,本发明可被应用于其他发酵反应,包括使用相同或不同微生物的发酵反应。因此,本发明的范围不意欲限于所描述的具体实施方案和/或应用,而应 被理解为更广泛的含义;例如,所述气流的来源是不限制的,只要其中至少一种组分可用于供给发酵反应。本发明尤其适用于提高来自包含CO的气态底物的整体碳捕获和/或乙醇及其他醇的产生。从气态底物产生乙醇及其他醇的方法是已知的。示例性的方法包括例如在 W02007/117157、W02008/115080、W02009/022925、W02009/064200、US 6,340,581、US6,136,577、US 5,593,886、US5,807,722 和 US 5,821, 111 中描述的那些方法,上述文献各自都以引用的方式纳入本文。已知若干一氧化碳营养厌氧细菌能够将CO发酵为醇(包括正丁醇和乙醇)和乙酸,并且适合用于本发明的方法。这些适合用于本发明的细菌的实例包括梭菌属的那些,例如扬氏梭菌菌株(包括在W000/68407、欧洲专利EP 117309、美国专利5,173,429,5, 593,886和 6,368,819,WO 98/00558 和 WO 02/08438 中所描述的菌株)、一氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxydivorans)菌株(Liou et al. , International Journal of Systematic andEvolutionary Microbiology 33:pp2085_2091)、罗格斯戴尔梭状杆菌(Clostridiumragsdalei)菌株(W0/2008/028055)和自产乙醇梭菌菌株(Abrini et al, Archives ofMicrobiology 161:pp 345-351)。其他合适的细菌包括穆尔氏菌属的细菌,包括穆尔氏菌HUC22-1 (Sakai et al, Biotechnology Letters 29:pp 1607-1612),和氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)的细菌(Svetlichny, V. A. , Sokolova, T. G. et al (1991), Systematicand Applied Microbiologyl4:254-260)。其他实例包括热醋穆尔氏菌、热自养穆尔氏菌(Moorella thermoautotrophica)> 瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)、粘液真杆菌(Eubacterium limosum)、甲基营养丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、普氏产醋杆菌(Oxobacter pfennigii)>巴氏甲烧八叠球菌(Methanosarcina barkeri )、乙酸甲烧八叠球菌(Methanosarcinaacetivorans)、库氏脱硫杆菌(Desulfotomaculum kuznetsovii) (Simpa et. al. CriticalReviewsin Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp 41-65)。此外,如同本领域技术人员会理解的,应理解其他产乙酸厌氧细菌也可能被用于本发明。还应理解,本发明可适用于两种或多种细菌的混合培养物。适合用于本发明的一种示例性微生物是自产乙醇梭菌。在一个实施方案中,所述自产乙醇梭菌是具有以标识保藏号19630保藏于德国生物材料资源中心(German ResourceCentre for Biological Material, DSMZ)的菌株的鉴定特征的自产乙醇梭菌。在另一个实施方案中,所述自产乙醇梭菌是具有DSMZ保藏号DSMZ 23693的鉴定特征的自产乙醇梭菌。本发明的方法中使用的细菌的培养可使用本领域知晓的任意数量的方法进行,所述方法使用厌氧细菌来培养和发酵底物。示例性技术在下文“实施例”部分提供。举例来说,可使用在以下使用气态底物进行发酵的文章中综述的那些方法(i)K. T. Klasson, etal. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservationand Recycling, 5;145-165; (ii)K. T. Klasson,et al. (1991). Bioreactor design forsynthesis gas fermentations.Fuel.70.605-614; (iii)K. T.Klasson,et al. (1992).Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14;602-608; (iv)J. L. Vega, et al. (1989). Study of GaseousSubstrate Fermentation:Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. ContinuousCulture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (v) J. L. Vega, et al. (1989). Study of gaseoussubstrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. I. Batch culture.Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784;(vi)J. L. Vega, et al. (1990). Designof Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation andRecycling. 3. 149-160 ;所有这些文章均以引用的方式纳入本文。所述发酵可以在任何合适的生物反应器中进行,例如一种或多种连续搅拌釜反应器(CSTR)、固定化细胞反应器、气升反应器、鼓泡塔反应器(BCR)、膜反应器例如中空纤维膜生物反应器(HFMBR)或滴流床反应器(TBR)。同时,在本发明的一些实施方案中,所述生物反应器可包括第一生长反应器,在其中培养所述微生物,和第二发酵反应器,向其中供给来自所述生长反应器的发酵液并且在其中产生大部分发酵产物(例如,乙醇和乙酸)。在具体实施方案中,所述第二生物反应器不同于所述第一生物反应器。根据本发明多个实施方案,所述用于发酵反应的碳源为含CO的气态底物。所述底物可以是作为工业过程副产物获得的含CO废气,或来自另一种来源例如来自汽车尾气的含CO废气。在某些实施方案中,所述工业过程选自例如钢铁厂的铁金属产品制造、非铁产品制造、石油炼制过程、煤的气化、电能生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭制造。在这些实施方案中,可使用任意合适的方法,在所述含CO底物被释放到大气中之前将其从所述工业工程中捕获。根据所述含CO底物的组成,还可能需要在将其引入所述发酵之前对其进行处理以除去任何不需要的杂质,例如尘粒。例如,可使用已知方法过滤或洗涤所述气态底物。或者,所述含CO底物可来自生物质的气化。所述气化过程涉及生物质在空气或氧气的限制供应下的部分燃烧。所得到的气体一般主要包含CO和H2,还有少量体积的C02、甲烷、乙烯和乙烷。例如,可将在食品的提取和加工过程(例如,从甘蔗中得到糖,或从玉米或谷物中得到淀粉)中得到的生物质副产物或者由林业工业产生的非食物生物质废物气化,以产生适合用于本发明的含CO气体。所述含CO底物一般会含有大比例的CO,例如按体积计至少约20%到约100%的CO、按体积计40%到95%的CO、按体积计60%到90%的CO和按体积计70%到90%的CO。在具体实施方案中,所述底物包括按体积计25%、30%、35%、40%、45%或50%的CO。具有低浓度例如6%的CO的底物也可以是合适的,尤其是当还存在H2和CO2时。虽然所述底物不必需含有任何氢气,H2的存在对根据本发明方法的产物形成应该不是有害的。在具体实施方案中,氢气的存在使得醇产生的整体效率提高。例如,在具体实施方案中,所述底物包含的H2: CO比可为约2:1,或I: I,或1:2。在其他实施方案中,所述底物流包括低浓度的H2,例如,少于5%、少于4%、少于3%、少于2%、少于1%或基本上没有氢气。例如,所述底物还可以含有一些CO2,例如按体积计约1%到约80%的CO2,或按体积计约1%到约30%的C02。在具体实施方案中,所述底物流包括CO2且没有或含有极少的CO。一般而言,一氧化碳会以气态加至所述发酵反应中。但是,本发明的方法不限于以该状态加入所述底物。例如,一氧化碳可以以液体形式提供。例如,可用含一氧化碳的气体来饱和液体,并将所述液体加入至所述生物反应器中。这可以使用常规方法实现。举例来说,微泡分散发生器(microbubble dispersion generator) (Hensirisak et. al.Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation;AppliedBiochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3/0ctober, 2002)可用于此目的。应理解,为了发生所述细菌的生长和CO转化为醇的发酵,除了所述含CO底物气体夕卜,还需要向所述生物反应器加入合适的液体营养培养基。营养培养基包含足以使所用微生物生长的维生素和矿物质。适合用于使用CO作为唯一碳源发酵乙醇的厌氧培养基是本领域中已知的。例如,合适的培养基描述于以上提到的美国专利5,173,429和5,593,886以及 WO 02/08438、W02007/117157、W02008/115080、W02009/022925、W02009/058028、W02009/064200, W02009/064201和W02009/113878中。本发明提供一种新的培养基,其对于在发酵过程中支持所述微生物生长和/或醇产生方面具有增加的效率。这种培养基将在下文中更详细地描述。所述发酵应该理想地在发生需要的发酵(例如微生物生长和/或乙醇产生)的合适条件下进行。应该考虑的反应条件包括压力、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(如果使用连续搅拌釜反应器)、接种物水平、确保所述液相中的CO不成为限制的最大气体底物浓度以及避免产物抑制的最大产物浓度。合适的条件描述于WO 02/08438、WO 07/117157、WO 08/115080 和 W02009/022925。所述最佳反应条件部分取决于使用的具体微生物。但是,通常,所述发酵优选在高于环境压力的压力下进行。在提高的压力下操作可使CO从气相向液相的传递速率显著提高,在所述液相中CO可被微生物摄取作为产生乙醇的碳源。这进而意味着,当生物反应器保持在提高的压力而非大气压力下时,保留时间(定义为所述生物反应器中的液体体积除以输入气体流速)可减少。同时,因为给定的CO到乙醇的转化率部分地是所述底物保留时间的函数,并且实现需要的保留时间进而规定了生物反应器需要的体积,因此使用增压系统可以大大减少所需要生物反应器的体积,从而减少所述发酵设备的资金成本。根据美国专利5,593,886给出的实例,反应器体积可相对于反应器内操作压力的增加以线性比例减少,即以10个大气压操作的生物反应器仅需具有以I个大气压操作的生物反应器的十分之一体积。在他处也已经描述了在提高的压力下进行气体向乙醇发酵的益处。例如,WO02/08438描述了在30psig和75psig的压力下进行气体向乙醇发酵,分别得到150g/l/天和369g/l/天的乙醇产率。但是,在大气压下使用相似的培养基和输入气体组成进行的示例性发酵被发现每天每升仅产生1/20到1/10的乙醇。还需要的是,所述含CO气态底物的引入速率能够确保液相中CO的浓度不会成为限制。这是因为CO限制的条件可能导致所述培养物消耗乙醇产物。产物回收可使用已知方法回收所述发酵反应的产物。示例性方法包括在W007/117157、W008/115080、US 6, 340, 58UUS 6, 136, 577,US5, 593, 886,US 5,807,722 和 US 5, 821, 111中描述的那些。但是,简要地且举例来说,仅乙醇可通过例如分级分馏或蒸发的方法以及萃取发酵而从所述发酵液中回收。从发酵液蒸馏乙醇会产生乙醇和水的共沸点混合物(B卩,95%乙醇和5%水)。随后还可通过使用本领域中熟知的分子筛乙醇脱水技术得到无水乙醇。·
萃取发酵方法涉及使用对发酵生物体存在低毒性风险的水混溶性溶剂,以从稀发酵液中回收乙醇。例如,油醇是可用于此类型萃取方法的溶剂。将油醇持续引入到发酵罐中,于是该溶剂上升并在所述发酵罐的顶部形成一层溶剂,通过离心机将该溶剂层连续萃取并进料。因此,水和细胞很容易从所述油醇中分离出来并返回到所述发酵罐中,而溶有乙醇的溶剂被进料至闪蒸部件中。大部分乙醇被蒸发并凝结,而油醇不易挥发,并被回收以在所述发酵中再利用。乙酸根,所述发酵反应中产生的副产物,也可使用本领域中已知的方法从所述发酵液中回收。例如,可使用包含活性炭过滤器的吸附系统。在这种情况下,优选首先使用合适的分离部件将微生物细胞从所述发酵液中除去。本领域中已知可产生用于进行产物回收的无细胞发酵液的多种基于过滤的方法。然后,使含乙醇和含乙酸根的无细胞过滤液通过含有活性炭的柱子以吸附所述乙酸。酸形式的乙酸根(乙酸)比盐形式的乙酸根(乙酸盐)更容易被活性炭吸附。因此,优选在所述发酵液通过所述活性炭柱之前将其PH降低至小于约3,以使大部分乙酸根转变为乙酸形式。可使用本领域中已知方法通过洗脱来回收吸附至所述活性炭的乙酸。例如,可使用乙醇洗脱结合的乙酸根。在一些实施方案中,所述发酵过程本身产生的乙醇可被用于洗脱所述乙酸根。因为乙醇的沸点是78. 8°C,而乙酸的沸点是107°C,使用基于挥发性的方法(例如蒸馏)可容易地将乙醇和乙酸根相互分离。用于从发酵液中回收乙酸根的其他方法是本领域已知的,并且可用于本发明的方法中。例如,美国专利6,368,819和6,753,170中描述了可用于从发酵液中提取乙酸的溶剂和共溶剂系统。如同针对对乙醇进行萃取发酵所描述的基于油醇的系统的实例一样,美国专利6,368,819和6,753,170中描述的系统描述了可在存在或不存在所述发酵微生物的情况下与所述发酵液相混合以提取乙酸产物的水不混溶的溶剂/共溶剂。然后,通过蒸馏将所述含有乙酸产物的溶剂/共溶剂从所述发酵液中分离出来。然后,可使用第二蒸馏步骤以从所述溶剂/共溶剂系统中纯化所述乙酸。可通过以下方式从所述发酵液中回收所述发酵反应的产物(例如乙醇和乙酸根)将一部分所述发酵液从所述发酵生物反应器中连续移出,(通过过滤方便地)将微生物细胞从所述发酵液分离,并同时或顺序地从所述发酵液中回收一种或多种产物。乙醇可通过蒸馏方便地回收,而乙酸根可使用上文描述的方法通过吸附在活性炭上来回收。所述分离的微生物细胞优选被返回到所述发酵生物反应器中。除去乙醇和乙酸根后余下的无细胞过滤液也被返回到发酵生物反应器中。可将另外的营养物(例如B族维生素)加入到所述无细胞过滤液中以补充所述营养培养基,之后将其返回到所述生物反应器中。同样,如果如上文所述的对所述发酵液的PH进行调节以增加乙酸对活性炭的吸附,那么应将所述pH重新调节至与所述发酵生物反应器中发酵液的pH相近的pH,之后再将其返回所述生物反应器中。除氧过程根据本发明,提供了一种在气态底物发酵过程中,捕获从气态出口流中的厌氧发酵液汽提的一种或多种组分的方法。在具体实施方案中,所述方法包括使所述气态出口流通过除氧装置,其中所述气态出口流中的一种或多种组分被转移到液体培养基中。在具体 实施方案中,将所述液体培养基被所述气态出口流除氧,然后将所述液体培养基传递到所述生物反应器。在考虑本公开的情况下,本领域技术人员会了解将气态底物流引入发酵液中以使所述底物流的至少一部分可以转化为产物的已知方法。例如,气态底物可以被以大气压或高于大气压喷射到生物反应器的发酵液中。由于大多数气态底物例如含CO的底物的低溶解度,一部分所述底物可以经过所述生物反应器而不被所述微生物代谢。所述未反应的底物一般在出口流中离开所述生物反应器。在具体实施方案中,未发酵的底物可以任选地经循环回路返回所述生物反应器。但是,应认识到,即使在包括底物循环组件的实施方案中,至少一部分所述底物也会在出口流中离开所述生物反应器。此外,某些发酵反应产生作为废料副产物的气态产物,其可以在所述出口流中离开所述生物反应器。此外,底物流中的惰性组分,例如不被发酵为产物的组分,一般在所述出口流中通过并离开所述生物反应器。例如,在发酵含CO的底物以产生产物例如醇的过程中,至少一部分所述CO可以通过所述生物反应器而不被发酵为产物。这些未转化的底物经出口离开所述生物反应器,一般被排放掉。底物流的其他惰性气态组分可以包括但不限于N2、CH4, He、Ar、C02。此外,发酵含CO的底物一般产生CO2作为发酵的副产物。除了所述气态底物之外,还可将其他气态组分提供给所述发酵液作为所述底物流的一部分或除所述底物流之外的部分。例如,H2可以用作发酵例如发酵含CO的底物中的共底物(co-substrate)。并且/或者,微生物生长和/或代谢需要的一种或多种必需营养物可以以气态形式提供,例如H2S。在气态底物的发酵中,底物流与发酵液在生物反应器中接触,选自未发酵气态底物、气体发酵副产物和/或惰性气态底物流组分的一种或多种气态组分从所述发酵液中脱离并经出口管道离开所述生物反应器。当所述气态组分从所述发酵液中脱离时,它们可以使一种或多种溶解的产物例如醇挥发,并在所述出口流中携带所述产物离开所述生物反应器。根据本发明,所述气态出口流中夹带的一种或多种产物的至少一部分,可以通过使所述气态出口流与培养基在一个或多个除氧装置中接触而回收。在已知的厌氧发酵中,除氧装置被用于,在将培养基传递到生物反应器以进行发酵之前,从所述培养基中除去溶解的气态组分,尤其是O2。所述培养基一般是水性的,可以含有发酵需要的一种或多种营养物。或者,可在除氧后将一种或多种营养物添加到所述培养基中。在本发明的具体实施方案中,所述发酵以连续或半连续模式操作,其中除氧的培养基被基本上连续地提供给所述生物反应器。一般,会从所述生物反应器中除去基本相等体积的发酵液,以使所述生物反应器中发酵液的体积保持基本恒定。离开所述生物反应器的所述发酵液一般会含有一种或多种微生物,其在分离步骤后可以任选地返回所述生物反应器;并且含有可以在一个或多个产物回收步骤中分离的一种或多种产物。除氧一般通过真空汽提、膜汽提、蒸汽汽提或通过使用化学氧气清除剂实现。并且/或者,除氧可以通过使无氧气体例如N2与所述培养基在除氧容器中接触来实现。但是,根据本发明,离开所述生物反应器的所述基本上没有O2的气态出口流在所述除氧装置中与所述培养基接触。在具体实施方案中,使所述气态出口流与所述培养基在所述除氧装置中接触会导致(a)从所述培养基中有效除去溶解气体例如O2 ;(b)从所述出口流中将所述产物例如醇的至少一部分捕获到所述培养基中。·还应该认识到,根据本发明的具体实施方案,所述出口流的至少一部分其他组分,例如H2S,也可以被捕获到所述培养基中,从而有利地提供具有所述组分的发酵液,所述组分为微生物生长和/或代谢需要。在考虑本公开的情况下,本领域技术人员会知道适合用于本发明的除氧装置。但是,作为非限制性实例,在具体实施方案中,除氧装置包括被配置用于气体/液体接触的容器。在使用中,液体例如水性培养基经过所述容器,一般包含无O2气体的除氧流例如N2也经过所述容器。所述液体和除氧流可以以相同方向经过所述容器;但是,所述容器一般被配置使得所述液体和除氧流逆流流动。所述容器一般被填充以增加所述气体/液体接触表面积。所述容器中的填充是本领域技术人员公知的。但是,作为非限制性实例,所述填充材料可以是无规的或结构的,并且可以包括一个或多个堆积式板或托盘、筛板、填充圈或类似物或它们的结合。所述填充的性质和密度可以根据所述容器的大小选择以使经过所述容器的压降最小并且实现需要的除氧水平。因此,根据本发明,所述除氧流包括来自所述生物反应器的所述出口流;其中当所述出口流与所述培养基在所述除氧装置中接触时,所述出口流夹带的一种或多种产物例如醇的至少一部分被捕获到所述培养基中。然后,所述除氧的、含有至少一部分所述产物的培养基可以被传递到所述生物反应器用于发酵。还惊奇地认识到,使用所述出口流作为除氧流会导致有利的热传递。例如,进入所述除氧装置的培养基一般在环境温度下,而所述气态出口流会处于或接近最佳发酵温度。根据本发明,使所述气态出口流与所述培养基接触会导致热传递,使得所述培养基的温度向最佳发酵温度升高或降低。在具体实施方案中,所述最佳发酵温度为37°C,而所述培养基的温度会低得多(低于25°C)。因此,根据具体的实施方案,所述气态出口流热能的至少一部分会被用于向37°C将所述培养基加热。另外,将产物例如醇捕获到所述水性培养基中(冷凝)也会有热效应。根据具体方面,提供了一种包括生物反应器和除氧装置的系统,其中所述除氧装置被配置以从所述生物反应器接收至少一部分出口流,并且使所述出口流与培养基接触,使得在使用中(a)所述培养基被基本上除氧;(b)所述出口流中一种或多种产物的至少一部分被捕获到所述培养基中。图I是根据本发明的一个实施方案的系统101的示意图。包括一种或多种气态组分例如CO的底物流1,经入口管道3被传递到生物反应器2。在与其中的发酵液接触后,含有至少一部分所述发酵产物4的发酵液经出口 5离开生物反应器2,其中所述发酵液可以被传递到产物回收装置(未示出)。另外,包括一种或多种未反应的底物组分、气态副产物组分和/或惰性气态组分的脱离气态出口流6,经出口管道7离开生物反应器2。阀门8被配置用于将至少一部分出口流6经管道10导向至除氧装置9。本领域技术人员应该了解,依赖于流6与除氧装置9的相对大小,任何比例(从小比例到基本上全部)的出口流6可以被导向至除氧装置9。 培养基11被导向至除氧装置9,在其中培养基11被除氧,并且从出口流6中将一种或多种产物的至少一部分捕获到培养基11。除氧的培养基12在传递到生物反应器2之前可以经过可选的预处理13。预处理13可以被用于控制所述培养基的多种方面,例如温度、营养物浓度等。类似地,所述预处理可以位于所述系统的其他位置,并且按照需要控制其他方面。在具体实施方案中,被传递到除氧装置9的培养基11可以是回收的发酵液4,其中将一种或多种产物回收并任选将微生物除去,然后将培养基11的至少一部分传递到除氧装置9。在除氧装置9之前或之后,可以将另外的营养物添加到所述回收的培养基。图2为包括封闭容器14的除氧装置9的示意图,其中培养基经第一入口传递到除氧装置11,气态出口流6经第二入口传递到除氧装置11。所述容器含有填充材料15,被配置用于促进有效的气体/液体接触和除氧。含有从出口气体6捕获的一种或多种产物的至少一部分的除氧培养基12,经第一出口离开除氧装置9,废气16经第二出口离开除氧装置9,在该出口处它可以被排放掉。本文已参照一些优选实施方案描述了本发明,以使得读者无需过多实验即可实施本发明。本领域技术人员会理解,本发明易于进行未具体说明的改变和修改。应理解,本发明包括这样的改变和修改。此外,提供题目、标题等是为了增强读者对该文件的理解,而不应当被理解为限制本发明的范围。如果有的话,上文和下文引用的所有申请、专利和出版物的全部公开内容均以引用的方式纳入本文。该申请中对任何现有技术的引用不是,也不应被理解为,承认或以任何形式暗示所述现有技术在世界上任何国家形成所属领域中公知常识的一部分。在整个该说明书以及以下的任何权利要求中,除非上下文另有说明,词语“包含(comprise)”、“包括(comprising)”等应以与排除意义相反的包括意义来解释,也就是说,“包括但不限于”的意思。
权利要求
1.一种将气流的一种或多种组分捕获到液体营养培养基中的方法。
2.根据权利要求I所述的方法,其中离开生物反应器的气流与液体营养培养基接触,并且其中所述气流与所述液体营养培养基之间的接触基本上将所述液体营养培养基除氧。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述基本上除氧的液体营养培养基被传递到所述生物反应器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法,其中所述液体营养培养基和所述气流被提供到被配置用于最佳气体/液体接触的除氧装置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法,其中所述方法还包括步骤在含有一种或多种微生物的生物反应器中发酵气态底物以产生一种或多种产物。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述底物包含CO。
7.根据权利要求1-7任一项所述的方法,其中所述气流组分之一为乙醇,其中所述气流中的乙醇的至少一部分被捕获到所述液体营养培养基。
8.一种提高厌氧发酵效率的方法,所述方法包括 a.在含有一种或多种微生物的生物反应器中发酵一种或多种底物以产生一种或多种产物; b.通过使离开所述生物反应器的气流与液体培养基接触,捕获所述气流中的一种或多种组分; c.将包含一种或多种捕获组分的所述液体培养基传递到所述生物反应器。
9.根据权利要求8所述的方法,其中使所述气流与所述液体培养基接触可基本上将所述液体培养基除氧。
10.根据权利要求9或10所述的方法,其中所述液体营养培养基和所述气流在被配置能够使气体/液体最佳接触的除氧装置中接触。
11.根据权利要求9-11任一项所述的方法,其中所述一种或多种底物为气态底物。
12.根据权利要求12所述的方法,其中所述气态底物包含CO。
13.根据权利要求9-14任一项所述的方法,其中所述气流的一种组分是乙醇,其中所述气流中的乙醇组分的至少一部分被捕获到所述液体培养基中,然后所述液体培养基被传递到所述生物反应器。
14.根据权利要求5-15任一项所述的方法,其中所述一种或多种产物包括酸和/或醇。
15.根据权利要求16所述的方法,其中所述酸包括乙酸,所述醇包括乙醇。
16.根据权利要求5-15任一项所述的方法,其中所述微生物选自梭菌属(Clostridium)、穆尔氏菌属(Moorella)、化胺球菌属(Pyococcus)、真杆菌属(Eubacterium)、脱硫杆菌属(Desulfobacterium)、氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)> 产醋菌属(Acetogenium)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、厌氧醋菌属(Acetoanaerobium)、丁酸杆菌属(Butyribacterium)和消化链球菌属(Peptostreptococcus) ο
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述微生物为自产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)、一氧化碳梭菌、罗格斯戴尔梭状杆菌(Clostridium ragsdalei)或扬氏梭菌(Clostridium Ijungdahlii)。
18.一种用于将液体除氧的装置,所述除氧装置包括;a.被配置用于气体/液体接触的容器; b.被配置用于接收液体的第一入口; c.被配置用于将至少一部分所述液体传递到生物反应器的第一出口; d.被配置用于接收气流的第二入口; e.被配置用于使至少一部分所述气流离开所述容器的第二出口。
19.根据权利要求18所述的用于将液体除氧的装置,其中所述气流为生物反应器中发酵反应的产物。
20.根据权利要求18或19所述的装置,其中用于将液体除氧的所述装置被配置,使得所述液体和所述气体基本上逆流地流过所述容器。
21.根据权利要求18-20任一项所述的装置,其中所述容器包括气体/液体接触最佳化组件,所述气体/液体接触最佳化组件被配置以增加所述气体/液体接触表面积。
22.根据权利要求21所述的装置,其中所述气体/液体接触最佳化组件为填充材料。
23.一种用于将液体除氧的系统,所述系统包括生物反应器和除氧装置,其中所述除氧装置被配置以; a.使从所述生物反应器接收的气流与液体接触,其中所述液体和所述气流之间的接触提供基本上除氧的液体; b.将所述基本上除氧的液体传递到所述生物反应器。
24.根据权利要求23所述的系统,其中所述除氧装置包括 a.被配置用于气体/液体接触的容器; b.被配置用于接收液体的第一入口; c.被配置用于将至少一部分所述液体传递到生物反应器的第一出口; d.被配置用于接收气流的第二入口; e.被配置用于使至少一部分所述气流离开所述容器的第二出口。
25.根据权利要求23或24所述的系统,其中所述系统包括 a.被配置用于从所述生物反应器将所述气流传递到所述除氧装置的第一管道; b.被配置用于将所述基本上除氧的液体从所述除氧装置传递到所述生物反应器的第二管道。
26.一种提高发酵效率的方法,所述方法包括; a.在包括一种或多种微生物的生物反应器中,发酵气态底物以产生一种或多种液体产物和至少包括乙醇的气流; b.使所述气流与液体营养培养基接触以将所述液体营养培养基除氧; c.将所述气流中的乙醇组分的至少一部分捕获到所述液体营养培养基; d.将所述液体营养培养基传递到所述生物反应器用于发酵。
27.根据权利要求26所述的方法,其中所述气态底物来自废气。
全文摘要
本发明广义上涉及提高对气态底物进行微生物发酵以产生一种或多种产物的方法。本发明涉及将气流的一种或多种组分捕获到液体中。本发明涉及通过使液体与气流接触将所述液体除氧。本发明涉及通过使用离开生物反应器的气流将进入生物反应器的液流除氧来增加发酵效率的方法。
文档编号B01D53/96GK102939143SQ201180029478
公开日2013年2月20日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月21日
发明者J·A·库姆斯 申请人:新西兰郎泽科技公司
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