使用不对称薄膜和厌氧微生物的合成气转化系统的制作方法

专利名称：使用不对称薄膜和厌氧微生物的合成气转化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及CO以及C02与H2的混合物向液体产物的生物转化。详述背景用作液体发动机燃料或用于与传统汽油或柴油发动机燃料配混的生物燃料生产 正在世界范围内增加。这种生物燃料例如包括乙醇和正丁醇。生物燃料的一种主要驱动是 它们通过发酵和生物加工技术衍生自可再生资源。通常，生物燃料由可易于发酵的碳水化 合物如糖和淀粉制得。例如用于常规生物乙醇生产的两种主要农作物为甘蔗(巴西和其他 热带国家)和玉米或玉蜀黍(美国和其他温带国家)。由于与食品和饲料生产的竞争、耕地 使用、水可用性和其他因素，提供可易发酵碳水化合物的农业原料的可得性受限。因此，木 素纤维原料如林业残留物、种植园树木、稻草、禾草和其他农业残留物可变为生物燃料生产 的可行性原料。然而，能使木素纤维材料提供植物和树木的机械支撑结构的木素纤维材料 的非常不均勻性质使得它们本性上反抗生物转化。这些材料还主要含三种独立类别的组分 作为结构单元纤维素(c6糖聚合物)、半纤维素(各种c5和c6糖聚合物)和木素(芳族和 醚连接的杂聚合物)。例如破坏这些反抗结构以提供用于生物转化成乙醇的可发酵糖通常需要与化学/ 酶水解一起的预处理步骤。此外，常规酵母不能将c5糖发酵成乙醇，木素组分完全不可通过 这种有机体发酵。通常木素占物料含量的25-30 %，以及木素纤维生物物料的化学能含量的 35-45%。由于所有这些原因，用于将木素纤维生物物料转化成乙醇的基于预处理/水解/ 发酵路线的方法例如本质上困难且通常为不经济的多步骤和多转化方法。可选择的技术路线为将木素纤维生物物料转化成合成气(也称作合成气体，主要 为co、h2和co2与其他组分如ch4、n2、nh3、h2s和其他痕量气体的混合物)，然后用厌氧微生 物发酵此气体以生产生物燃料如乙醇、正丁醇或化学品如乙酸、丁酸等。此路线可本质上比 预处理/水解/发酵路线更有效，这是由于气化步骤可以以良好效率(例如大于75%)将所 有组分转化成合成气，且厌氧微生物的一些品系可以以高效率(例如大于理论值的90% ) 将合成气转化成乙醇、正丁醇或其他化学品。此外，合成气可由许多其他含碳原料如天然 气、重整气、泥煤、石油焦、煤、固体废物和填埋气体制得，使得这为更通用的技术路线。然而，此技术路线要求合成气组分CO和H2有效且经济地溶于含水介质中并传递 至将它们转化成所需产物的厌氧微生物。并需要非常大量的这些气体。例如，co或氏生成 乙醇的理论方程式为6c0+3h20 — c2h50h+4c02
6h2+2c02 — c2h50h+3h20
因此，对于每摩尔乙醇，6摩尔相对不可溶的气体如CO或H2必须转移至含水介质。 其他产物如乙酸和正丁醇具有类似的对于气体的大化学计量需要。此外，产生这些生物转化的厌氧微生物从这些生物转化中产生非常小的代谢能。 因此，它们生长非常缓慢且通常在它们生活周期的非生长阶段期间继续转化以得到它们维 持下去的代谢能。为得到高收率和生产速率，需要生物反应器中的细胞浓度高，这需要一些 形式的细胞再循环或保留。通过形成生物膜的细胞保留非常好且通常为提高生物反应器中微生物密度的便 宜途径。这要求具有大表面积的固体基质以使微生物集群并形成生物膜，所述生物膜包含 在产生微生物的生物聚合物基质中的代谢微生物。喷淋床和一些流化床生物反应器使用生 物膜以将微生物保留在固体表面上，同时通过流过固体基质提供液体中溶解的气体。它们 经受非常大或不能提供足够的气体溶解速率。已发现特定形式的薄膜用于支持具体类型微生物中进行废水处理方法。 US-A-4, 181，604公开了中空纤维薄膜用于废物处理，其中纤维的外表面支撑需氧消化淤泥 的微生物层。2007 年 7 月 23 日提交的 USSN 11/781，717,2007 年8 月 3 日提交的 USSN 11/833,864和2008年1月10日提交的USSN 11/972，454公开了薄膜基生物反应器，其中 能将合成气转化成乙醇或其他液体的厌氧菌已在疏水性薄膜外表面上形成生物膜，其中合 成气通过薄膜的内表面供至细菌生物膜。这种生物反应器系统能直接将合成气体的主要组 分，CO和氏/0)2转化成乙醇和其他液体产物如正丁醇、乙酸和丁酸。在这些系统中，气体流 过疏水性薄膜的多孔区，然后到达亲水性的生物膜。此设置的一个缺点是如果水到达并沉 积/冷凝在疏水性多孔区上，则它将严重降低气体传送速率。由于生物膜在薄膜外部生长， 这种薄膜系统还缺乏促进具有足够厚度的生物膜形成并控制其性能的直接方法。已知不对称薄膜用于多种薄膜分离方法中如超滤和纳滤。不对称薄膜通常为亲 水性的且在多孔“海绵”聚合物层上支撑的一侧上具有相对紧密的半渗透性“皮肤”层。 US-A-4, 442，206和4，440，851显示对于使用可溶性碳源的某些生物方法，在不对称薄膜中 使用“海绵”聚合物层以固定微生物。然而过去未显示采用这种薄膜将合成气厌氧性生物 转化为液体。发明综述已发现不对称薄膜在用于含转化合成气(本发明限定为包括含CO和/或CO2与 H2的混合物作为其主要组分的任何气体)的厌氧微生物时，将提供稳定的系统以增强从合 成气料流制备液体产物如乙醇、丁醇、己醇和其他化学品。不对称薄膜的多孔侧，本发明中 称作生物层，提供促进和控制其中群集的微生物的生长，同时还暴露直接用合成气喂养微 生物的表面。同时，具有比生物层更小渗透性的不对称薄膜的另一层，本发明称作水化层， 由不对称薄膜的相反侧渗透液体。本发明因此使用不对称薄膜以提供多层薄膜结构，所述多层薄膜结构具有高度多 孔生物层以将微生物保持在其孔中和一个或多个水化层用于控制水供至生物层和从生物 层提供。在其运行中，合成气通过生物层接触不对称薄膜的一侧，而含养分和产物的液体通 过水化层接触另一侧。生物层或水化层可包含多个层。生物层、水化层和/或另外层也可 用于闭塞孔开口，提取产物并在生物反应器系统中提供水分和养分。结果是以基本100%利
6用高度有效且经济地转移合成气，克服了其他发酵方法和发酵配置的限制。
在用本发明生物反应器系统的合成气发酵中，来自合成气的一氧化碳或氢气/ 二 氧化碳扩散在多孔薄膜壁中的生物层内并通过被固定的微生物转化成乙醇或其他水溶性 产物，其然后扩散在流过水化层的含水料流中并运出生物反应器。被固定的微生物通过与 通过水化层的含水料流接触而保持被水化。因此，位于气体接触侧相反侧的不对称薄膜的一个或多个较少孔的水化层确立提 供从液体移向所含微生物的水分和痕量营养的界面，同时从微生物中提取液体产物。提取 的液体流过水化层并流入液体介质中。因此，所需产物和产生它们的合成气以相同方向流 过薄膜的层，从高度多孔的生物层流向较少孔的水化层。接触较少孔层的液体在薄膜的接 触液体表面上循环，并流出生物反应器至取出所需产物的设备。生物层的生物孔保持微生物以由合成气生产产物。生物层将浓缩的微生物保留在 生物孔中，同时与通过生物层的接触气体侧的合成气直接接触，由此使合成气组分保持易 于可得以增强通过保留的微生物生产乙醇和其它可溶性产物。微生物可以分离或作为生物 膜位于生物层中。在生物孔外侧并通过气体接触表面的微生物的一些突出将不停止生物反 应器系统的运行。微生物的轻微长出不堵塞气流通道。然而，理想的是生物层的厚度将规 定任何生物膜的厚度或微生物的群落，使得微生物将生物孔填充到生物层的气体接触侧的 表面水平。这允许微生物预运行至厚度与生物层壁厚度相匹配的层中。还提供保持微生物 良好限制并防止它们灾害性损失的附加优点。限制用用于合成气组分的这种厌氧生物转化的微生物良好地进行。这些微生物生 长缓慢，以固定相产生产物且不产生过量气体。由于它们将不破坏薄膜，因此它们特别适用 于生物孔中。生物层提供在合成气利用方面的显著优点。将微生物保留在生物孔中提供与合成 气直接接触和气体传送。这消除通过非孔薄膜层或由薄膜孔润湿的任何气体传送抗性。在微生物与液体之间放置水化层简化了下游分离设备的运行。水化层在微生物 与含产物液体之间提供基本阻隔，这保持液体流至不含微生物和其他生物污染物的分离设 备。从液体流出物中消除生物污染物排除了对过滤和/或再循环这种材料的需要。不对称薄膜可由提供具有所述功能的生物层和水化层的任何材料或材料集合形 成。在一种形式中，生物层包含亲水性材料，所述亲水性材料易于提供湿气遍及生物孔且达 到生物层的气体接触侧表面上。亲水性材料在较少孔的水化层中的使用将通过允许水容易 通过薄膜移动而增强薄膜的性能。在许多情况下，生物层和水化层将包含相同材料，其中水 化层在不对称薄膜一侧上采取皮肤的形式。包含皮肤层的水化层通常还将闭塞生物孔以防 止微生物迁移至液体介质。不对称薄膜以此方式利用允许生物反应器系统采取多种构型。例如，无论以平的 或螺旋缠绕的构型，不对称薄膜可包含中空纤维或平板。合适的中空纤维薄膜可将生物层 或水化层放在腔侧上。合适的外壳可保持薄膜用于使得薄膜一侧上的液体循环和相反侧的 本体气体流动进行并流、逆流或错流。在中空纤维的情况下，合成气在纤维外侧上的循环 促进纤维的水平取向使得无论在主要为水平或垂直方向上延伸，生物反应器均可良好地工 作。本发明还通过提供良好限定的液体流动路径并提供薄膜外侧上用于气体流动的相邻空间而改善液体在中空薄膜腔侧上的循环运行。这允许不对称薄膜元件的非常高密度 填充而不担心破坏液体流动模式和产生循环液体的停滞区。因此，生物反应器系统需要比 通过发酵转化合成气的其他所建议系统整体更小的工作体积。因此，以宽泛形式，本发明为用于在厌氧条件下将含至少一种CO或CO2与H2的混 合物的原料气转化成液体产物并将液体产物传送至含产物液体的生物反应器系统。该系统 使用不对称亲水性薄膜，所述薄膜具有与原料气接触的气体接触侧和与含产物液体接触的 液体接触侧。薄膜具有生物层和生物层上的多孔表面，所述生物层限定多个生物孔，所述生 物孔在至少一部分孔长度上的有效直径为至少1 μ m，用于将微生物保留其中。生物层的多 孔表面限定气体接触侧且提供生物孔通向原料气的开口。薄膜还具有水化层，所述水化层 控制含产物液体从生物层的流动且限定薄膜的液体接触侧。因此，不对称薄膜的设置为以 平行流将原料气和液体产物从气体接触侧输送至液体接触侧。在系统中，原料气供应导管 提供原料气且原料气室与气体供应导管和薄膜的气体接触侧相通以将原料气供至保留在 生物孔中的微生物。液体循环室使流体与薄膜的液体接触侧相通以将水和养分供至微生 物。液体回收导管传送来自生物反应器系统的液体产物。在另一形式中，本发明包括从合成气中优先除去生物转化过程中形成的二氧化碳 (CO2)。这种设置可使用选择性渗透CO2，然后使富含CO和H2的合成气返回生物反应器的富
集薄膜。在本发明的又一种形式中，合成气可以以平行或连续流通过多排不对称薄膜。本 发明的一个特别有用的形式包括当合成气连续通过多排不对称薄膜时，从合成气中优先除 去生物转化过程中形成的二氧化碳(CO2)气体。本发明一个更具体的形式为用于将合成气体转化成液体产物的生物反应器系统， 其包括用于运输合成气体的气体供应导管，与气体供应导管流体相通的气体分布室和用于 提供氧化还原电势小于_200mV的发酵液的液体供应导管。多个中空纤维薄膜设置在气体 分布室中，具有与液体供应导管流体相通的腔入口端和与气体分布室流体相通的外表面。 中空纤维包含不对称薄膜，所述不对称薄膜具有限定有效直径为1-100 μ m的生物孔的聚 合物外层用于将微生物保留在其中。微生物由合成气体生产液体产物且具有用于将发酵液 渗入聚合物层中并将液体产物由聚合物层渗入发酵液中的内部皮肤。与中空纤维腔的出口 端流体相通的液体回收导管回收含液体产物的发酵液。本发明的又一个更具体形式包含用于将合成气体转化成液体产物的生物反应器 系统。该系统包括用于输送氧气浓度小于IOOppm的合成气体的气体供应导管，与气体供应 导管流体相通的气体分布室，和用于供应氧化还原电势小于_200mV的发酵液的液体供应 导管。设置在气体分布室中的多个中空纤维薄膜具有与液体供应导管流体相通的第一腔端 和用于从腔中排放液体的第二腔端。中空纤维的外表面与气体分布室流体相通。中空纤 维包含不对称薄膜，所述不对称薄膜具有由半渗透性皮肤形成的内部皮肤，所述半渗透性 皮肤的厚度小于10 μ m且分子量分割(molecular weight cutoff, MWC0)为10-300千道 尔顿(kDa)标称MWC0。皮肤浇铸在厚度为50-500 μ m的多孔聚合物内侧上和有效直径为 1-100 μ m的生物孔上用于将从合成气体产生乙醇的微生物保留在其中；液体回收导管与 中空纤维薄膜的第二腔端流体相通以回收含液体产物的发酵液。附图简述


图1为显示不对称薄膜截面的示意图，其中气体料流与将微生物保留在其中的生 物层和与液体接触的皮肤形式的水化层接触。图2a为显示由图1所示类型的两种薄膜形成的中心通道的示意图，其中气体料流 接触外壁，液体接触内壁。图2b为显示图1不对称薄膜的横向截面的示意图，所示不对称薄膜制成外侧上具 有生物层，内侧上具有水化层的中空纤维。图2c显示修改为外侧上具有水化层，内侧上具有生物层中空纤维薄膜。图3为显示气体和液体循环的生物反应器系统的示意图。图4为显示生物反应器系统的示意图，所示系统具有串联排列的具有中间二氧化 碳除去的多个生物反应器。发明详述CO和吐/0)2向乙酸、乙醇和其它产物的生物转化为熟知的。例如在近来的书中， Das, A.禾口 L. G. Ljungdahl, Electron Transport System in Acetogens 禾口 Drake, H. L.禾口 K. Kusel,Diverse Physiologic Potential of Acetogens,分别显不为 Biochemistry and Physiology of Anaerobic Bacteria(厌氧细菌的生物化学和生理学)第14和13章， L. G. Ljungdahl编辑，Springer (2003)，已概述了生物化学路线和这种生物转化的能力学的 简述。可使用能单独或相互组合或与通常存在于合成气中的其他组分组合转化合成气组 分C0、H2、CO2的任何合适微生物。合适的微生物和/或生长条件可包括以下文献所公开 的那些2006 年 5 月 25 日提交,标题为 “Indirect Or Direct Fermentation of Biomass to Fuel Alcohol” 的美国专利申请系列 No. 11/441，392，其公开了具有 ATCC No. BAA-624 的所有识别特征的纯生物培养的微生物Clostridium carboxidivorans ；和2006年8月 31 日提交的标题为"Isolation and Characterization of Novel Clostridial Species，， 的美国专利申请系列No. 11/514，385，其公开了具有ATCC No. BAA-622的所有识别特征 的纯生物培养的微生物Clostridium ragsdalei ；在此将其二者的全部内容引入作为 参考。Clostridium carboxidivorans可例如用于将合成气发酵成乙醇和/或正丁醇。 Clostridium ragsdalei可例如用于将合成气发酵成乙醇。适合的微生物和生长条件包括具有ATCC 33266识别特征的厌氧菌 Butyribacterium methylotrophicum，其可适应CO并使用且这能生产正丁醇以及丁酸， 如以下参考文献所教导的,Evidence for Production of η-Butanol from Carbon Monoxide by Butyribacteriummethylotrophicum", Journal of Fermentation and Bioengineering，第72卷，1991，第58—60页；"Production of butanol and ethanol from synthesis gas via fermentation”，FUEL，第 70 卷，1991 年 5 月，第 615-619 页。其他适 合的微生物包括 Clostridium Ljungdahli，其中品系具有 ATCC49587 (US_A_5, 173,429)和 ATCC 55988和55989 (US-A-6，136,577)的识别特征，这将能生产乙醇以及乙酸。在此引入 所有这些参考文献的全部内容。因此发现很适于本发明的微生物要求厌氧性生长条件。因此，系统将使用合适的 控制和密封方法以限制氧气引入系统中。由于微生物接触通过生物反应器系统循环的液 体，将保持并监控合适的氧化还原电势以确保厌氧条件。液体体积中的厌氧条件通常限定 为氧化还原电势小于_200mV，优选氧化还原电势为-300至_500mV。为使微生物的氧气曝
9露进一步最小化，原料气的氧气浓度将优选小于lOOOppm，更优选小于lOOppm，甚至更优选 小于lOppm。本发明使用具有多孔层和较低渗透性层的不对称薄膜。多孔层，称作生物层，可包 含适于形成生物孔并将液体送至和送离生物孔中的微生物的任何材料。较少孔的层，称作 水化层，将控制发酵液送至和送离生物层用于滋养微生物并保持流出产物所需的浓度。生 物层和水化层描述为单一层，但可包含几个层。不对称薄膜还要求会对薄膜结构提供支撑且会闭塞生物孔内端以防止微生物和 其他生物材料通过发酵液的材料。不对称薄膜可含用于内部支撑和形成生物孔的另外层或 生物层和/或水化层也可提供这些功能。任何另外层必须允许合成气与生物孔中的微生物 直接接触以及液体渗入生物层中。生物层必须限定生物孔以保持微生物与合成气直接接触。生物孔要求在至少其长 度的一部分上有效直径为至少1 μ m。术语有效直径指将提供相同横截面积的规则型孔的 开口横截面积。孔不需要具有均勻的横截面且在至少其三分之一长度上有效直径为Iym 的生物孔将良好地起作用。薄膜生物层中的生物孔的大小将通常具有基本大于1 μ m，优选 2-100 μ m,最优选5-50 μ m的有效直径。生物孔的通常深度为50-500 μ m,这通常对应于生 物层的厚度。相对于生物层，水化层至少必须具有有限的液体渗透性。有限的渗透性防止过量 发酵液在系统正常运行期间迁移至生物层中并干扰气体与微生物之间的接触。在大多情况 下，水化层将包含比生物层更高密度的材料，其限制液体流动，同时还闭塞生物孔的内端以 阻断微生物迁移至发酵液中。特别合适的不对称薄膜的形式为在薄膜一个表面上具有提供水化层的紧密(即 具有小孔)的薄“皮肤”，和在皮肤下的提供生物层并限定生物孔的相对开口的支撑结构 的多孔薄膜。所述皮肤将通常包含厚度为0.5-10 μ m的半渗透性层。有皮肤的不对称薄 膜可包括通过使用一种聚合物相转换而制备的“有完整皮肤的”薄膜，或复合膜，其中在相 同或不同材料的多孔下层顶上形成某一材料的薄层。不对称薄膜和它们的制备方法的一 般描述可在文献(例如 Cheryn， Μ. ， Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomics Publishing Company, Lancaster, PA,1998 ；禾口 Mulder，M.，Basic Principles of Membrane Technology,第 2 版，Kluwer Academic Publishers,Norwell,MA, 1996)中找 到。合适的皮肤层具有比微生物细胞大小更小的孔径以防止细胞通过薄膜皮肤，但薄 膜的相反表面具有允许细胞进入和离开薄膜壁的生物孔的大开口。通常，皮肤层的孔径小 于0. 5 μ m，优选小于0. 25 μ m,最优选在标称MWCO为10_300kDa，更优选IO-IOOkDa的超滤 范围内。几种不对称超滤膜可由Millipore Corporation (Bedford, ΜΑ)获得，包括，但不限 于 Amicon Membranes 禾口 Ultracel PLC Membranes。Amicon Membranes 由聚醚砜制得且对 于Amicon PM30，标称MWCO为30kDa。Ultracel PLC Membranes，其为由将再生的纤维素膜 浇铸在微孔聚乙烯基材上而制得的复合膜，可得的孔径为5kDa (PLCCC)-IOOOkDa (PLCXK)。 不对称薄膜的其他实例为 MMM-Asymmetric Super-Micron Membranes 禾口 BTS Highly Asymmetric Membranes,其二者均可由 PallCorporation(East Hills, New York)得至丨J0可以0. 1-20. Oym的孔径得到的MMM-不对称薄膜由聚砜和聚乙烯吡咯烷酮制得。可以 0. 05-0. 80 μ m的孔径得到的BTS高度不对称薄膜为具有约10 μ m的“切断(cut off)，，层 且总厚度为约120 μ m的聚砜铸造物(cast)。含不对称超滤膜的中空纤维薄膜模件可由大量薄膜生产商购买。例如来 自 Spectrum Laboratories (Rancho Dominguez, CA)的 KrOsFlo MaxModule Model KM5S-800-01N具有22. Om2的不对称聚砜中空纤维薄膜的薄膜表面积，腔侧上的紧密皮 肤和50kDa的孔等级，其中所述中空纤维薄膜的纤维内径为0. 5mm。可由Koch Membrane Systems (Wilmington,ΜΑ)得到的ROMICON 聚砜中空纤维薄膜也是不对称的，在腔侧 具有紧密皮肤。R0MIC0N cartridge Model HF-97-43-PM50为6英寸模件，其在9. Om2总薄 膜表面积上含内径为1. Imm且标称MWC为50kDa的纤维。具有各种几何形状和上述组成的薄膜可用于本发明系统中各种组成的单式阵列 或组合件的布置中。任何合适的浇铸技术可用于收集和提供各个薄膜组件的所需组合件。 在这种薄膜中，可使气体和液体在生物层的气体接触表面上直接且亲密地接触。液体借助 泵送、搅拌或类似方式通入薄膜的液体侧以除去形成的乙醇和气体可溶性产物；产物借助 多种适合的方法回收。合成气连续或间断地流过生物反应器系统的气体室或通道。原料气压力为 Ι-lOOOpsig,优选5-400psig，最优选10-200psig。在较高气体压力下运行的优点是提高气 体在液体中的溶解度并潜在地提高气体输送和生物转化的速率。以不影响薄膜完整性的方 式操纵液相与气相之间的不同压力(例如不超过薄膜的爆裂强度)并保持所需的气-液界 面相。气体侧压力通常稍微高于液体压力以防止对流液体由水化层(液体)侧流至气体 接触侧的开放表面(气体)。较高的压力还避免液体层在细胞/气体界面上形成，这将阻止 气体输送至细胞。当进料合成气含水分时，由于合成气的消耗产生水的过饱和，水的冷凝可在微生 物/气体界面上进行。此冷凝水通过由于重力滴到生物反应器底部以及通过由于气体的稍 微较高压力产生的对流流过薄膜而离开细胞/气体界面。在本发明中，适于渗透发酵液的不对称薄膜提供液相与原料气之间的分离，所述 原料气包含CO或H2与CO2的混合物中至少一种和液相。图1显示代表性生物反应器系统运 行中的薄膜构型和界面的更详细情况。图1描述了单一薄膜元件的横截面，其中合成气料 流A流至不对称薄膜12的气体接触侧10。合成气组分直接接触含在生物孔16中的微生物 14。将具有ATCC No. BAA-622的所有识别特征的厌氧性产乙酸菌，Clostridiumragsdaeli， 保留在生物孔中并通过渗过生物层18而提供发酵液。发酵液在合成气A的相反侧循环并 渗过在生物层18内表面上作为皮肤20形成的水化层。皮肤20与生物层18直接接触将发 酵液输送至生物孔16。微生物与气体料流接触的生物层18的表面提供跨过不对称薄膜的 平衡分隔以保持液相与气相相互分离。皮肤20中的孔比保留在生物孔16中的微生物的宽 度小得多使得皮肤20闭塞生物孔16的内端并防止微生物通过皮肤20并达到液体接触表 面22。因此，微生物14优先停留在生物孔16中以通过转化CO和H2/C02得到代谢能，由此 生长并将它们自己维持在生物孔16中。取出一部分液体B并分离以从发酵液中回收所需 产物。
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为使不对称薄膜负载微生物，首先将生物层用微生物接种，其后进一步细胞生长 以达到所需的细胞负载密度。为接种生物层，将含微生物的水溶液引到不对称薄膜的气体 接触侧，然后通过施加轻微跨薄膜压力将溶液缓慢滤过生物层和水化层，产生通过水化层 的无微生物滤液并使细胞落入生物层的生物孔中。通过使薄膜与含适于微生物生长的养分 和碳源的液体溶液接触将含微生物的薄膜接种用于进一步微生物生长。作为选择，可使用 合成气和含养分的液体溶液将薄膜接种。图2a_c显示不对称薄膜的各种构型，其中微生物存在于生物层的生物孔中。在图 2a中，两个不对称薄膜部分12与中心液体通道24相接，发酵液在料流C的方向上通过中心 液体通道24循环。液体通道24每侧上的不对称薄膜以类似于关于图1单一膜元件所述的 方式使用。合成气以箭头26的方向流过气体接触侧10与微生物14和流出皮肤20的发酵 产物接触。图2a的布置可使用平板构型或管式构型且对良好流动控制和在液体侧上分布 特别有用。图2b显示图2a的特殊情况，其中不对称薄膜12’以连续形式环绕以提供具有中 心液体通道24’的管式薄膜。在这种情况下，合成气料流A径向向内流入与含在环形生物 层18’内的微生物14接触。皮肤20’覆盖生物层18’的内表面并控制液体在生物层18’ 上的渗透。图2c同样显示不对称薄膜的管式构型，但这次具有与图2b相反的皮肤和生物层 位置。在图2c的情况下，液体接触不对称薄膜12”的外表面且液体渗至位于薄膜12”内的 生物层。中心通道24”现在用于将合成气提供至薄膜的内表面。在大多数操作中，薄膜设置将得益于生物孔和气体接触表面的不时清洗或冲洗。 为此，周期性地在合成气发酵期间可将液体压力短时间提高以变得比气体压力稍微较高以 产生通过薄膜的水流以清洗出来自生物孔和来自气体接触表面的一些聚集的死亡微生物 或生物聚合物。该水从生物反应器的气体料流侧收集。可任选将此水料流处理以除去悬浮 的固体并再循环至生物反应器系统。通常还需要清洗生物孔和生物层。该过程首先是基本除去固定的细胞并清洗薄 膜。为此，停止气体供应，并以类似于微滤膜和超滤膜的通常清洗的方式将薄膜用清洗溶液 洗涤。例如，首先将不对称薄膜浸入来自两侧，例如生物层和水化层的清洗溶液中。清洗溶 液配制或选择成促进微生物和生物聚合物的溶解。这种溶液之一为含2% NaCl和0. 4% NaOH的水溶液，但许多其他配制剂已用于薄膜清洗，包括含表面活性剂和水解酶的那些。在 浸泡以后，清洗溶液被循环并从水化层侧施加正的跨薄膜压力，以产生对流流过薄膜并通 过生物层的气体接触表面冲洗出的微生物和生物聚合物。可根据需要重复浸泡_过滤程 序，并可使用不同的清洗溶液。在薄膜清洗以后，薄膜可再次用于负载和生长用于合成气发 酵的新细胞。图3阐明使用含微生物薄膜的生物反应器系统的特殊构型。气体供应导管以流量 计31记录的速率将含合成气的原料气料流30输送至生物反应器33。生物反应器33包括 围绕在管式膜元件32外部的容器35。膜元件32含生物孔以促进膜元件生物层内微生物的 生长和保持。原料气分布室35接收原料气流并将其分布为直接与膜元件32的外表面接触。原 料气经由管34离开容器35使得在膜元件32外表面周围确立连续加入原料气。原料气管的相对位置使得生物反应器33中本体气体向下方向流动。容器35还含管29以排出液体。由于前述各种原因，例如从气体中的水分冷凝、膜 元件的冲洗或清洗或周期性清洗操作，液体可聚集在容器35的底部。作为选择，管29可提 供液体排放的出口。来自冷凝或冲洗的液体可由每个位置取出并处理以再循环至发酵液。发酵液在由泵39提供的压力下并以流量计28记录的速率经由导管38进入生物 反应器33中。室37通过腔的底端将发酵液分布至管式膜32。在生物反应器33的顶端，室 43收集来自腔顶部的发酵液以经由导管44取出液体。室37和43的相对位置使通过生物 反应器33的液体向上流动使得存在关于本体气体流动和液体流动的逆流。管40取出来自管44的液体的净部分，而液体的其余部分经由再循环管36和混合 室48、管41和管38返回生物反应器33。管40将液体运送至回收液体产物的产物回收设 备。取决于所需产物的性质，存在大量可用于产物回收的技术。例如蒸馏、分凝作用、全蒸 发和液液萃取可用于回收乙醇和正丁醇，而电渗析和离子交换可用于回收乙酸酯、丁酸酯 和其他离子产物。在所有情况下，产物回收步骤从料流40中取出所需产物，而将基本量的 水和残余养分留在经处理的料流中，其中一部分经由管42和混合室48返回生物反应器系 统。用于温度和液体pH控制的措施可加在再循环液体回路中的任何地方，所述再循 环液体回路由管38、44、36和41以及室37、43和48组成。管45向再循环液体回路室48 提供所需养分以维持微生物的活性。室48提供养分与其他料流的混合。通过薄膜装置再循环的料流38和44的流量的选择使得在薄膜的面对液体侧附近 不存在阻止质量传递的显著液体边界层。与薄膜相切的液体的表观线速度应为0.01-20cm/ s，优选 0. 05-5cm/s，最优选 0. 2-1. Ocm/s。在所有所述设置中，使用来自合成气的CO和H2/C02且由于薄膜液体界面上的生物 化学反应，产生它们从气体进料侧的输送梯度。该反应产生液体燃料或化学品如扩散在液 体中的乙醇和乙酸，并借助液体循环用不对称薄膜的水化层取出。因此，非常大表面积的薄 膜孔可用于将气体输送至微生物且产物由液体侧回收。此外，由于微生物将仅将它们自己 保持到其中气体可由代谢合成气组分的微生物固有的缓慢生长特征导致的层上，微生物的 反应速率、气体浓度梯度和微生物的厚度可保持平衡。薄膜可构置成如图3中作为中空纤维实例所示的典型模件。气体在束捆且灌装在 圆柱形壳或容器内的细纤维中流动，液体通过该圆柱形壳或容器分布并循环。在这种模件 中可实现1000-5000m2/m3的非常高的表面积。在生物转化期间，产生过量CO2,且该气体可扩散回并稀释原料气中⑶和吐的浓 度并因此降低它们的质量传递速率。与CO和H2相比，优先渗透CO2的其他类型的薄膜可用 于如图4中作为实例所示的多段构型，其中可实现使用选择性渗透CO2的薄膜，且然后使富 含CO和H2的合成气返回生物反应器。图4描述其中进入的原料气经由管46流入生物反应器47并经由管52、53和54 连续流过生物反应器49的系统。同时，接触微生物的液体经由管58进入系统中并经由管 55和56相对于气体流动，逆流流过生物反应器47、49和51。将液体产物从管60流出的液 体中回收，并经由管62将气流从系统中取出。分离装置64提供管56的料流，其中借助任 何合适装置或方法如薄膜或萃取步骤从系统中中间取出C02。相互连接的管55和56还提供确立通过不同反应器的所有腔的连续相通使得任何组合的收集和分布室提供连续的流 动路径。实施例1来自 Koch Membrane Systems (Wilmington，ΜΑ)的Romicon 薄膜柱Model CTG, 1”HF 1.0-43-PM-10用作用于将一氧化碳和氢气转化成乙醇的薄膜生物反应器。该薄膜柱 含内径为1. Imm且额定为IOkDa标称MWCO的不对称聚砜中空纤维。模件的活性薄膜表面 积为0.093m2。生物孔层的厚度为约400 μ m，有效生物孔直径为10-100 μ m。用连接在柱周 围并用温控器调节的柔性加热器将薄膜柱的温度保持在37°C。薄膜柱的纤维滞留体积(包 括腔的纤维总体积)为90cm3。纤维占据总体积为180cm3的柱中的室。薄膜模件连接在来自 New Brunswick Scientif ic (Edison, New Jersey)的 7. 5 升 Bioflo 310发酵罐上。发酵罐含3升发酵介质，将其以IOrpm搅拌并用IN NaOH和IN HCl 保持在37°C和pH5.9下。发酵介质具有表1&2所示的组成。除非另有说明，将介质由发酵 罐中泵出，流过薄膜模件的腔侧，并以500ml/min的再循环流量返回发酵罐。将发酵罐最初 用N2以lOOstdml/min喷射以保持厌氧条件并转换至如下所述合成气覆盖。最初，通过将接种物注入壳空间而将薄膜柱用150ml Clostridiumragsdalei ATCC No.BAA-622的活性培养物接种。将接种物轻微加压以使过量液体体积通过薄膜进入 腔并使微生物细胞进入薄膜壁的空隙空间。随后，将含40% C0,30% H2和30% CO2的气体 在约5psig供至薄膜柱的壳侧以替换其余接种物液体。在发酵程的其余部分期间以300std ml/min继续供入气体并将来自模件的残余气体引至发酵罐顶部空间并通过冷凝器和排气 过滤器排出发酵罐。通过调整薄膜柱气体出口下游的止回阀将薄膜柱壳侧中的气体压力保 持为比腔中的液体压力高约5psi。系统首先以分批模式运行5天以使微生物细胞聚集在多孔薄膜壁内。然后将系统 转换为连续运行，其中连续取出发酵液进行产物回收并以25ml/hr补充新鲜介质。在连续 运行期间，“维护周期”每1-3天进行30分钟。在“维护周期”内，停止气体进料并将液体循 环速率提高至2000ml/min，产生比壳侧压力大l_2psi的腔液体压力并减缓液体渗入壳空 间并从柱中排出。在周期结束时，将液体循环速率降回500ml/min，并恢复气体进料。用此 “维护周期”将可由死亡细胞和其它生物材料组成的过量生物质清除出薄膜柱。在连续运行 20天以后，乙醇浓度提高至15g/L。表1.发酵介质组成
权利要求
一种用于在厌氧条件下将含CO或CO2与H2的混合物中的至少一种的原料气转化成液体产物并将液体产物传送至含产物液体的生物反应器系统，所述系统包括a)不对称亲水性薄膜，其具有与原料气接触的气体接触侧，与含产物液体接触的液体接触侧，限定在至少一部分孔长度上有效直径为至少1μm的多个生物孔以将微生物保持在其中的生物层，生物层上限定气体接触侧且向原料气提供生物孔的开口端的多孔表面，和控制来自生物层的含产物液体流动且限定薄膜的液体接触侧的水化层，其中所述不对称薄膜设置成将原料气和液体产物同向从气体接触侧传送至液体接触侧；b)用于供应原料气的原料气供应导管；c)与气体供应导管和薄膜的气体接触侧流体相通以将原料气供至保留在所述生物孔中的微生物的原料气室；d)与薄膜的液体接触侧流体相通以将水和养分供至微生物的液体循环室；和e)用于从生物反应器系统传送液体产物的液体回收导管。
2.权利要求1的系统，其中所述不对称薄膜包含在提供生物层的多孔聚合物上的半渗 透性皮肤形式的水化层，其中所述半渗透性皮肤的厚度小于10 μ m,多孔聚合物限定薄膜的 气体接触侧且多孔聚合物层的厚度为至少50 μ m并限定薄膜的气体接触侧。
3.权利要求2的系统，其中所述半渗透性皮肤额定为小于300kDa的标称MWCO且多孔 聚合物限定有效直径不超过100 μ m的生物孔。
4.权利要求1的系统，其中所述微生物产生包含乙醇、正丁醇、己醇、乙酸和丁酸中至 少一种的液体产物。
5.权利要求1的系统，其中所述原料气为氧气浓度小于IOOOppm的合成气体，液体保留 室保留氧化还原电势小于_200mV的液体，薄膜的生物孔保留产生乙醇的微生物且液体回 收导管回收来自液体室的含乙醇液体。
6.权利要求1的系统，其中所述不对称薄膜包含多个中空纤维薄膜。
7.权利要求6的系统，其中液体室包括纤维的集合腔体积。
8.权利要求7的系统，其中原料气连续地通过多个不对称薄膜，对于每个不对称薄膜， 所述系统包括至少一个原料气室，且当通过系统时，CO2从原料气中除去。
9.权利要求7的系统，其中液体产物通过不对称薄膜的腔且原料气相对于轴向通过腔 的流动液体以逆流流过不对称薄膜。
10.权利要求1的系统，其中生物孔中的微生物包含Clostridiumragsdalei、 Butyribacterium methylotrophicum> Clostridium Ljungdahlii 禾口 Clostridium carboxidivorans中至少一种的单一培养物或共培养物。
11.权利要求1的系统，其中氧气浓度小于IOOppm的原料气的连续流通过不对称薄膜 的气体接触侧。
12.权利要求2的系统，其中所述不对称薄膜基本由半渗透性皮肤组成，其中所述半渗 透性皮肤包含浇铸在包含微孔聚乙烯基材的多孔聚合物上的再生纤维，或基本由半渗透性 皮肤和包含聚砜或聚醚砜两者的多孔聚合物组成。
13.权利要求1的系统，其中所述生物层和水化层包含相同材料。
14.权利要求1的系统，其中所述不对称薄膜包含具有两种不同材料的生物层和水化 层的复合材料。
15.权利要求1的系统，其中所述水化层包含阻塞与生物孔开口端相反的孔的孔端且 提供水分和养分的皮肤。
16.权利要求1的系统，其中薄膜液体接触侧上的液体压力相对于薄膜气体接触侧上 的压力临时提高的量足以使液体水渗入生物孔中并在气体接触侧上以冲洗来自生物孔的 微生物和/或生物材料。
17.一种用于将合成气体转化成液体产物的生物反应器系统，其包含a)用于传送合成气体的气体供应导管；b)与气体供应导管流体相通的气体分布室；c)提供氧化还原电势小于_200mV的发酵液的液体供应导管；d)多个中空纤维薄膜，其布置在气体分布室中且具有与液体供应导管流体相通的第一 腔端和与气体分布室流体相通的外表面，所述中空纤维包含不对称薄膜，所述不对称薄膜 具有限定有效直径为1-100 ym的孔的聚合物外层以将从合成气体生产液体产物的微生物 保留在其中且具有用于将发酵液渗至聚合物层并将液体产物从聚合物层渗至发酵液的内 部皮肤；e)与中空纤维薄膜的第二腔端流体相通的液体回收导管以回收含液体产物的发酵液。
18.权利要求17的系统，其中所述不对称薄膜包含由浇铸在聚合物外层内侧上的半渗 透性皮肤形成的内部皮肤，所述半渗透性皮肤的厚度小于10 u m,且标称MWC0小于300kDa， 且聚合物层包含厚度为50-500 u m的多孔聚合物。
19.权利要求17的系统，其中所述微生物产生包含乙醇、正丁醇、己醇、乙酸和丁酸中 至少一种的液体产物。
20.权利要求17的系统，其中所述合成气体的氧气浓度小于lOOOppm，聚合物外层的生 物孔保留产生乙醇的微生物且液体回收导管回收来自液体室的含乙醇发酵液。
21.权利要求17的系统，其中合成气体连续地通过多个各自含多个中空纤维薄膜的气 体分布室，且当在室之间通过时，C02从合成气体中除去。
22.权利要求17的系统，其中所述生物孔中的微生物包含Clostridiumragsdalei、 Butyribacterium methylotrophicum、Clostridium Ljungdahlii 禾口 Clostridium carboxidivorans中至少一种的单一培养物或共同培养物。
23.权利要求18的系统，其中所述不对称薄膜基本由半渗透性皮肤组成，其中所述半 渗透性皮肤包含浇铸在包含微孔聚乙烯基材的多孔聚合物上的再生纤维，或基本由半渗透 性皮肤和包含聚砜或聚醚砜两者的多孔聚合物组成。
24.
25. 一种用于将合成气体转化成液体产物的生物反应器系统，其包括a)用于传送氧气浓度小于lOOpprn的合成气体的气体供应导管；b)与气体供应导管流体相通的气体分布室；c)用于提供氧化还原电势小于_200mV的发酵液的液体供应导管；d)多个中空纤维薄膜，其布置在气体分布室中且具有与液体供应导管流体相通的第一 腔端和用于从腔中排放液体的第二腔端，与气体分布室流体相通的外表面，所述中空纤维 包含不对称薄膜，所述不对称薄膜包含由半渗透性皮肤形成的内部皮肤，所述半渗透性皮 肤的厚度小于10 ii m且标称MWC0小于300kDa，浇铸在厚度为50-500 u m的多孔聚合物内侧 上和有效直径为1-100 ym的生物孔上以将从合成气体生产乙醇的微生物保留在其中；e)与中空纤维薄膜的第二腔端流体相通的液体回收导管以回收含液体产物的发酵液。
全文摘要
本发明提供一种稳定系统用于从合成气组分生产液体产品如乙醇、丁醇和其他化学品，其通过将CO或CO2和H2的混合物在厌氧条件下与不对称薄膜的高度多孔侧接触，并将这些组分传送到与包含在该薄膜的生物孔内的微生物接触。薄膜的薄膜侧使用致密层以控制生物孔用液体相水化。气体进料直接接触生物孔内的微生物并最大化它们对合成气的利用。微生物生产的代谢产品通过与进入的合成气相反那侧离开薄膜。该系统和方法建立单一方向跨过薄膜用于向微生物提供主要进料源，并取出代谢生成的产物。进料和产物流改进微生物和薄膜的生产率和性能。
文档编号C12P7/04GK101952393SQ200980106175
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月11日 优先权日2008年2月22日
发明者R·巴苏, R·达塔, S-H·允, S-P·蔡 申请人:科斯卡塔公司