在用于生物转化合成气为氧合有机化合物产物的厌氧发酵液中控制共产生的氧合有机物浓度的方法与流程

本发明涉及控制用于生物转化合成气为氧合有机化合物产物的从厌氧含水发酵液共产生的氧合有机物的浓度的方法。

发明背景

氢和一氧化碳的厌氧发酵涉及使含有气态底物的进料与含水发酵液接触，所述含水发酵液含有能够产生氧合有机化合物如乙醇、乙酸、丙醇和正丁醇的微生物。一氧化碳的生物转化导致产生氧合有机化合物和二氧化碳。氢的转化涉及氢和二氧化碳的消耗，并且这种转化有时称作H₂/CO₂转化，或如本文所用，氢转化。

一般，用于一氧化碳和氢转化的底物气体是合成气体(合成气)或来源自所述合成气体，所述合成气来自碳质材料的气化、来自重整天然气和/或源于厌氧消化的生物气或来自多种工业方法的废气流。气体底物含有一氧化碳、氢和二氧化碳并且通常含有其他组分如水蒸气、氮气、甲烷、氨、硫化氢等。为了方便起见，底物气体在本文中称作“合成气”，即便它可能仅含有一氧化碳和氢之一并且可能未通过气化碳质材料衍生。

这些厌氧发酵过程适于连续方法。将合成气传递入生物反应器的含水发酵液用于生物转化。可以从生物反应器移除尾气，并且含水培养液可以按照足以维持稳态运行的速率从生物反应器抽出以回收氧合的有机化合物。为了使厌氧发酵在商业上可行，要求规模经济。因此，商业规模反应器，即，液体容量为至少1百万升并且更经常地至少约五百万升(如约五百万升至二千五百万升)的那些，将是有利的。

连续合成气发酵过程一般产生除寻求的氧合有机化合物产物之外共产生的氧合有机化合物。共产生的氧合有机化合物可以是共代谢物，所述共代谢物是不需要的或是生物生产所寻求的氧合有机化合物产物中的中间代谢物。另外，共产生的氧合有机化合物可以由含水发酵液中存在的掺杂性或外来微生物产生。在一些情况下，这些共产生的氧合有机化合物可以按这样的速率产生，其中相对于所寻求的氧合有机化合物产物的生产速率，所述速率引起共产生的氧合有机化合物在含水培养液中积累。在共产生的氧合有机化合物达到对用于合成气发酵的微生物抑制或有毒的浓度水平，共产生的氧合有机化合物的这种积累特别不利。在一些其他情况下，处于足够的浓度时，共产生的氧合有机化合物可能不利地影响用于生物转化合成气的某些微生物的代谢途径。例如，在醇是寻求的氧合有机化合物产物的情况下，借助某些微生物，某些浓度的游离羧酸存在可能引起产物分布偏移，其中微生物产生更高百分数的羧酸。指数渐增的酸生产导致发酵液中酸度渐增，造成能够维持细胞膜电位的微生物最终损失和微生物群损失。

虽然发酵液可以在不利有机化合物的浓度变得过高情况下弃去，但是发酵用的水、养分和溶解的底物也将损失。另外，对于商业规模生物反应器，依据废水处理系统的能力处置生物反应器中的大体积含水培养液可能棘手。由于商业规模生物反应器可以含有超过1百万升含水培养液，来自生物反应器的废水或许将不得不缓慢释放至废水处理系统以防止超过能力。因此，受影响的生物反应器的停工期将延长，导致产量进一步损失。丢失的水量也可能是经济损失。

在一些情况下，或许有能力选择性地移除不利的有机化合物，如通过离子交换树脂或膜分离移除。这些方案可能不提供合适的选择性并且是资本密集的，然而可以仅零星或间歇需要。但是当需要时，这些单元操作必须能够在短时间内处理大量发酵液。另外，它们遭遇潜在的结垢问题。

因此，寻求从厌氧发酵液移除至少一种不利有机化合物的方法，所述方法涉及资本支出低。

发明简述

通过本发明，提供了在用于生物转化合成气为氧合有机化合物产物的厌氧含水发酵液中经济和高效控制一种或多种共产生的氧合有机化合物(本文单独和统称为不良组分)的浓度的方法。本发明的方法能避免因不良组分不可接受的浓度发生而抛弃全部体积的含水发酵液。因此，能减少停工期损失和损失的氧合有机化合物产物生产。另外，本发明的方法不需要过度的损失或移除培养液的养分或溶解的底物。

本发明的方法可以在连续或间歇的基础上使用以控制发酵液中的不良组分的浓度。这些方法适于用来生产氧合有机化合物产物的小规模设施以及商业规模设施。本发明涉及的合成气生物转化方法的特征在于其是连续方法，其中发酵液从用于合成气生物转化的生物反应器组合体连续或间歇地取出，用于回收氧合有机化合物产物，并且至少一部分取出的发酵液，在从其回收氧合有机化合物产物之后，返回到生物反应器组合体。根据本发明的方法，在再循环到生物反应器组合体之前，将一部分取出的发酵液进行厌氧有机生物转化，优选高速率厌氧有机生物转化。厌氧有机生物转化降解不良组分并提供具有降低的不良组分浓度的经处理的发酵液。经过厌氧有机生物转化的取出的发酵液的部分足以将不良组分的浓度维持在对微生物群体过度不利的浓度之下，例如将是抑制性的或有毒的，或者将导致增加通过产品分布偏移产生不良组分。有利地，厌氧有机生物转化产生包含甲烷和二氧化碳的生物气。甲烷可以用作能源或者被传递到例如用于转化为合成气的重整装置，因此不良组分被转化为有用的产物。由于所产生的生物气包含二氧化碳和潜在的硫化氢和氨，所以全部或部分的生物气可以被传入用于合成气生物转化的含水发酵液中。所述部分可以是等分部分或者可以具有一种或多种组分的全部或一部分被去除。

所述方法可以在无额外的过度资本支出情况下实施。另外，这些方法实际上不造成与使用膜或离子交换树脂除去不良组分相关的相同类型的结垢问题。因为本发明的方法仅需要在回收氧合有机化合物产物之后将一部分取出的发酵液再循环到生物反应器组合体，养分和溶解的底物被再循环到生物反应器组合体。

在其广义方面，用于在厌氧含水发酵液中控制至少一种共产生的氧合有机化合物的浓度的本发明的方法用于在含有适于将所述底物转化成氧合有机化合物产物的微生物的含水发酵液中生物转化包含一氧化碳、氢和二氧化碳的气体底物，所述方法包括：

a.使所述气体底物与所述含水发酵液在生物反应器组合体中连续接触，所述培养液处于在酸性厌氧发酵条件下，以将气体底物生物转化成氧合有机化合物并提供含有氧合有机化合物产物的培养液和废弃气相，所述厌氧发酵条件还产生共产生的氧合有机化合物；

b.从所述含水培养液连续取出废弃的气相；

c.连续地或间歇地取出一部分所述培养液以回收所述氧合有机化合物产物，所述取出足以维持所述培养液中的氧合有机化合物产物低于过度不利影响微生物的浓度；

d.从所述培养液的取出部分连续分离至少一种氧合有机化合物产物以提供富含所述至少一种氧合有机化合物产物的至少一种级分和含有所述至少一种共产生的氧合有机化合物的废弃的含水级分；

e.将至少一部分废弃的含水级分连续再循环至生物反应器组合体；和

f.在再循环到生物反应器组合体之前，连续地或间歇地使一部分废弃的含水部分经受厌氧有机生物转化，其中经过厌氧有机生物转化的废弃的含水部分的部分足以保持至少一种共产生的氧合有机化合物的浓度低于对微生物过度不利影响的浓度。

合成气发酵领域以产生氧合有机化合物的技术人员将容易理解，将不适当地不利地影响微生物的不良组分的浓度将取决于微生物，氧合有机化合物和发酵条件。过度不利的影响是指微生物受到不良组分浓度的不利影响，这导致每升每克活细胞的一氧化碳或氢气的转化显着降低，例如降低至少15％，所有其他条件保持不变。通常通过评估比活性速率，即每单位时间每活性微生物的质量的质量生物消耗来观察到过度不利影响的发生，其在稳态条件下近似通过反应器组合体中针对含水发酵液体积的总体转化。

优选地，含水发酵液中的不良组分的浓度保持在对微生物有不利影响的浓度的约90％以下。虽然在含水发酵液中可以保持非常低浓度的不良组分，但是在一些优选的运行模式中，在含水发酵液中保持显著浓度的不良组分，例如在约10％和75％之间，有时在约25％和75％的将不利地影响微生物的浓度。在步骤(f)中进行厌氧有机生物转化的废弃的含水级分的部分可以在宽范围内变化，但是足以控制含水发酵液中的不良组分的浓度。通常对小于约50，例如约5至50，并且有时约5至25体积百分比的废弃的含水级分进行厌氧有机生物转化。对厌氧有机生物转化的降低的流速可以减小所需设备的尺寸。进行厌氧有机生物转化的不良组分的生物转化程度也是影响保持在含水发酵液中的不良组分浓度的因素。通常，厌氧有机生物转化降解进行生物转化的废弃的含水级分的部分中包含的不良组分的至少约75质量％，优选基本上全部。

在本发明方法的一种运行模式中，进行厌氧有机生物转化的废弃的含水级分的部分是调节含水发酵液中的不良组分的浓度的主要变量。如果需要，可以通过改变经受厌氧有机生物转化的废弃的含水级分的部分，来适应厌氧有机生物转化的不良组分的转化程度的任何变化。

附图简述

图1是可以在实施本发明方法中使用的装置的示意图。

详细讨论

本文中参考的全部专利、公开的专利申请和文章因而通过引用的方式完整并入。

定义

如本文所用，除非另外声明或从其使用的语境显而易见，以下术语具有下文所述的意思。

使用术语单数形式(“a”和“an”)意在包括一个或多个描述的要素。

氧合有机化合物表示选自脂肪族羧酸和盐、烷醇和醇盐和醛的一种或多种含有2至6个碳原子的有机化合物。经常，氧合有机化合物是由含水培养液中所含微生物产生的有机化合物混合物。来自合成气生物转化的所寻求的氧合有机化合物在本文中称作氧合有机化合物产物或简单地称作氧合有机化合物，除非上下文明确它是指不良组分。

不良组分，即，共产生的氧合有机化合物，是来自生物转化合成气的一种或多种代谢产物，所述代谢产物可以由产生氧合有机化合物产物的微生物或外来微生物产生。不良组分包含一种或多种除氧合有机化合物产物之外的氧合有机化合物。

厌氧有机生物转化是通过在不存在氧的微生物的有机化合物的生物降解。有机生物转化的产物包括甲烷和二氧化碳，以及氨(其中氨基酸存在时，)，以及硫化氢(其中硫化合物存在时)。

高速率厌氧有机生物转化是这样的厌氧有机生物转化，其中基本上消除不良组分的液压驻留时间(hydraulic residence time)是小于约30，优选小于约24小时，并且包括厌氧反应器(如厌氧膜型反应器)，附着的生长型反应器(attached growth-type reactors)(包括厌氧流化床如在膨胀颗粒污泥床中和内部循环生物反应器)，厌氧过滤器和上流式厌氧污泥毯式生物反应器(其中培养液向上通过包含消化微生物的毯子并且颗粒形成，其为致密生物膜)，以及杂合体或其变体。

生物反应器组合体是适合含有含水培养液和微生物用于生物转化的一个或多个容器的组合体并且可以含有相关设备如喷射器、再循环环路、搅拌器等。

生物质意指活着或最近存活的植物和动物的生物材料，且至少包含氢、氧和碳。生物质通常还包含氮、磷、硫、钠和钾。生物质的化学组成可以在来源与来源之间或甚至在来源内不同。生物质的来源包括但不限于收获的植物，如木材、草剪下物(grass clipping)和庭院废物(yard waste)、柳枝稷、玉米(包括玉米秆)、大麻、高梁、甘蔗(包括甘蔗渣)等；及废物，如垃圾和城市废物。生物质不包括矿物燃料，如煤、天然气和石油。

化石碳质材料或化石燃料，包括但不限于天然气；石油，包括来自石油精炼或其他加工的碳质流，包括但不限于石油焦；和褐煤和煤炭。

含水培养液或含水发酵液意指可以含有溶解的化合物的液态水相，所述溶解的化合物包括但不限于氢、一氧化碳和二氧化碳。培养液可以含有微生物，但不要求含有微生物。

间歇地意指不时地并且可以处于规律或不规律的时间间隔。

无论来源是什么，合成气意指含有氢和一氧化碳至少之一的气体并且可以以及通常的确含有二氧化碳。

概观

本发明的方法涉及在用于生物转化合成气为氧合有机化合物产物的含水发酵液中控制不良组分的浓度。

合成气生物转化

厌氧发酵以产生氧合有机化合物产物使用底物(合成气)，其包括以下至少之一：(i)一氧化碳和(ii)二氧化碳和氢，后者用于氢转化途径。合成气可以从许多碳质原料制得。这些碳质原料包括烃源如天然气、生物气、生物质、尤其木质生物质、通过重整含烃材料产生的气体、泥炭、石油焦、煤炭、废弃材料如来自建筑和拆除的残渣、市政固态废物和掩埋气。合成气一般由气体发生器即重整装置(蒸汽、自热或部分氧化)产生。前述任何的生物质源适于产生合成气。因而，产生的合成气一般将含有10至60摩尔％的CO、10至25摩尔％的CO₂和10至75摩尔％、经常至少约30摩尔％以及优选地约35和65摩尔％之间的H₂。合成气还可以含有N₂和CH₄以及痕量组分如H₂S和COS，NH₃和HCN。其他的气体底物源包括在石油及石油化学加工期间生成和来自工业过程的气体。这些气体可以具有比常见合成气明显不同的组成，并且可以是基本上纯的氢或基本上纯的一氧化碳。气体底物可以从气化或从石油和石油化学加工或工业过程直接获得或可以通过掺合两种或更多种流获得。另外，可以处理气体底物以移除或改变组成，包括但不限于，通过化学或物理吸附、膜分离和选择性反应移除组分。

本发明方法中产生的氧合有机化合物产物将取决于用于发酵的微生物或微生物组合和发酵条件。将CO和H₂/CO₂生物转化成乙酸、正丁醇、丁酸、醇和其他产物是熟知的。例如，这类生物转化的生物化学途径和能量学的简要描述已经由Das，A.和L.G.Ljungdahl，Electron Transport System in Acetogens及由Drake，H.L.和K.Kusel，Diverse Physiologic Potential of Acetogens总结，分别出现在Biochemistry and Physiology of Anaerobic Bacteria，L.G.Ljungdahl编著，Springer(2003)的第14章和第13章中。可以利用任何合适的微生物，所述微生物具有单独或彼此组合或与一般在合成气中存在的其他组分组合情况下转化合成气组分：CO、H₂、CO₂的能力。合适的微生物和/或生长条件可以包括以下文献中公开的那些：名为“Indirect Or Direct Fermentation of Biomass to Fuel Alcohol”的美国公开的专利申请20070275447，所述文献公开了具有ATCC编号BAA-624的全部鉴别特征的微生物Clostridium carboxidivorans的生物学纯培养物；名为“Isolation and Characterization of Novel Clostridial Species”的US专利7,704,723，所述文献公开了具有ATCC编号BAA-622的全部鉴别特征的微生物Clostridium ragsdalei的生物学纯培养物；所述两份文献通过引用方式完整并入本文。Clostridium carboxidivorans可以例如用于来将合成气发酵成乙醇和/或正丁醇。Clostridium ragsdalei可以例如用于来将合成气发酵成乙醇。

合适的微生物和生长条件包括可以适应于CO并且被使用的具有ATCC33266的鉴别特征的厌氧细菌食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)，并且这将使生产正丁醇以及丁酸成为可能，如以下参考文献中所教授：“Evidence for Production of n-Butanol from Carbon Monoxide by Butyribacterium methylotrophicum，”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，May 1991，第615-619页。其他合适的微生物包括：扬氏梭菌(Clostridium Ljungdahlii)，菌株具有ATCC49587(US-A-5,173,429)和ATCC55988和55989(US-A-6,136,577)的鉴别特征，所述菌株将会使生产乙醇以及乙酸成为可能；Clostridium autoethanogemum sp.nov.，一种从一氧化碳产生乙醇的厌氧性细菌，Jamal Abrini，Henry Naveau，Edomond-Jacques Nyns，Arch Microbiol.，1994，345-351；Archives of Microbiology 1994，161：345-351；和US-A-8,143,037中描述的具有ATCC编号PTA-10522的鉴别特征的Clostridium Coskatii。

厌氧微生物的混合培养物也可以用于生物转化合成气为氧合有机化合物产物。参见，例如，2013年3月14日提交的名为“Method For Production Of N-Propanol And Other C3-Carbon Containing Products From Syngas By Symbiotic Arrangement Of C 1-Fixing And C3-Producing Anaerobic Microorganism Cultures”的美国专利申请系列号13/802,916(Toby等人)；2013年3月14日提交的名为“Method For Production Of N-Propanol And/Or Ethanol By Fermentation Of Multiple Substrates In A Symbiotic Manner”的美国专利申请系列号13/802,930(Enzein等人)；2013年3月14日提交的名为“Method For Production Of N-Propanol And Other C3-Containing Products From Syngas Using Membrane Supported Bioreactor”的美国专利申请系列号13/802,924(Datta等人)和2013年3月14日提交的名为“Method For Production Of N-Propanol And Other C3-Containing Products From Syngas By Symbiotic Co-Cultures Of Anaerobic Microorganisms”的美国专利申请系列号13/802,905，(Datta等人)。C1-固定微生物包括而不限于，同型产乙酸菌(homoacetogen)如Clostridium ljungdahlii、Clostridium autoethanogenum、Clostridium ragsdalei和Clostridium coskatii.。额外的C1固定微生物包括Alkalibaculum bacchi、热乙酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)和乙酸梭菌(Clostridium aceticum)。能够依赖乙醇和/或乙酸盐作为其主要碳源生长的共生性产C3微生物包括但不限于丙酸暗杆菌(Pelobacter propionicus)、新丙酸梭菌(Clostridium neopropionicum)、丙酸梭菌(Clostridium propionicum)、丙酸脱硫葱球菌(Desulfobulbus propionicus)、沃林氏互营杆菌(Syntrophobacter wolinii)、Syntrophobacter pfennigii、甲酸氧化互营杆菌(Syntrophobacter fumaroxidans)、Syntrophobacter sulfatireducens、Smithella propionica、Desulfotomaculum thermobenzoicum亚种thermosymbioticum、Pelotomaculum thermopropionicum和Pelotomaculum schinkii。用来产生具有三个碳的氧合有机化合物产物的途径包括但不限于丙酸杆菌属(Propionibacterium)物种(产丙酸丙酸杆菌(Propionibacterium acidipropionici)、座疮丙酸杆菌(Propionibacterium acnes)、环己烷丙酸杆菌(Propionibacterium cyclohexanicum)、费氏丙酸杆菌属(Propionibacterium freudenreichii)、费氏丙酸杆菌谢氏亚种(Propionibacterium freudenreichii shermanii)、戊糖丙酸杆菌(Propionibacterium pentosaecum)和几种其他厌氧细菌如丙酸脱硫葱球菌(Desulfobulbus propionicus)、Pectinatus frisingensis、丙酸暗杆菌(Pelobacter propionicus)、韦荣球菌属(VeilloneHa)、月单胞菌属(Selenomonas)、梭杆菌属(Fusobacterium)、脆弱拟杆菌(Bacteroides fragile)、栖瘤胃普雷沃菌(Prevotella ruminicola)、埃氏巨球型菌(Megasphaera elsdenii)、普通拟杆菌(Bacteroides vulgates)和梭菌属(Clostridium)、尤其丙酸梭菌(Clostridium propionicum)。

含水发酵液将包含微生物和多种培养基补充物的含水悬液。合适微生物通常在缺氧条件下生活和生长，这意味发酵液中基本上不存在溶解氧。含水发酵液的多种辅助剂可以包括缓冲剂、痕量金属、维生素、盐等。在发酵液中的调节可以在不同时间引起将会影响微生物生产力的不同条件如生长条件和非生长条件。US-A-7,704,723公开了使用厌氧微生物生物转化CO和H₂/CO₂的合适含水发酵液的条件和含量。

含水培养液在厌氧发酵条件下维持，所述厌氧发酵条件包括合适的温度，即，在25°和60℃之间，往往在约30°至40℃范围内的温度。发酵条件，包括微生物密度和含水发酵液组成，优选地足以实现所寻求的氢和一氧化碳转化效率。含水培养液的pH为酸性，优选地小于约6.5，并且经常在约4和6.5之间。

稳态条件下补给进料气体至发酵生物反应器的速率优选地是这样，从而一氧化碳和氢转移至液相的速率匹配生物转化一氧化碳和氢的速率。可以消耗一氧化碳和氢的速率将受微生物性质、含水发酵液中的微生物浓度和发酵条件影响。由于一氧化碳和氢转移至含水发酵液的速率是运行参数，因此影响转移速率的条件如气相和液相之间界面面积和驱动力是重要的。优选地，进料气以微泡形式引入生物反应器。经常地，微泡具有0.01至0.5、优选地0.02至0.3毫米范围内的直径。

用于合成气生物转化的生物反应器组合体可以包含可以相对于气流为并流或串联流动的一个或多个生物反应器。每个生物反应器可以具有任何合适的设计；然而，优选地，设计和运行引起一氧化碳和氢高度转化成氧合有机化合物。发酵反应器包括但不限于，泡罩塔反应器、喷射环路反应器、搅拌釜反应器、滴流床反应器、生物膜反应器(包括膜生物反应器)和静态混合机反应器(包括但不限于管式反应器)。因为资本成本和运行的经济性，优选深槽式生物反应器。无论深槽式生物反应器的类型是什么，尤其其中使用促进气泡在含水培养液中稳定分散的微泡情况下，存在不仅确保相对均一水相组成，还增加气泡和含水培养液之间接触时间的混合流。

从含水发酵培养液流出的底物废弃的气相将会含有引入生物反应器组合体中作为进料气的少部分氢和碳氧化物。惰性物如氮气及主要是甲烷将会包含一部分废弃的气相，其中使用来自蒸汽重整或送氧自热重整、尤其蒸汽或含甲烷气体自热重整的合成气。废弃的气相还可以含有从含水发酵液挥发出的含硫化合物、醇等。

生物反应器可以不时地或连续地补加一股或多股水、养分或辅助剂和微生物流。不时或连续从生物反应器抽出一部分含水发酵液以回收产物。产物回收可以由用于取出残余细胞材料、从发酵液分离并回收液体产物、返回所回收的发酵液和净化废物流与物料的已知设备布局组成。合适的设备布局可以包括滤器、离心机、旋风分离器、蒸馏柱、膜系统和其他分离设备。US-A-8,211,679显示了从生物反应器回收乙醇产物的产物回收生物反应器的布局。

不良组分

在用于合成气生物转化的含水发酵液中含有的不良组分可以来自任何来源，包括但不限于，进料气中的杂质和在发酵期间为了产生氧合有机化合物产物所提供的微生物所致或在发酵液中所含的外来微生物所致的代谢产物。

不良组分可以处于这样的浓度，从而用于生物转化合成气的微生物群体大幅度被杀死或因抑制和细胞死亡(任一或二者)而实质地遭受不利影响。备选地，即便不良组分并未不利地影响用于生物转化合成气的微生物，其积累仍可能不利地影响运行。例如，这种积累可能影响维持产生氧合有机化合物产物的连续方法稳态运行的能力。

实施本发明方法的时间因此可能根据不良组分的原因和作用变动。因此，这些方法可以连续地、间歇地或零星使用以解决不良组分的积累。这种执行模式可以在这些情况下有益，其中较高浓度的不良组分可能影响用于生物转化合成气的微生物所使用的代谢途径，这导致不良组分加速产生。

本发明的方法涉及在回收氧合有机化合物产物之后再循环至少一部分取出的发酵液。氧合有机化合物产物的回收可以通过如上所述的任何合适的单元操作。优选地，在发酵液再循环之前，基本上除去取出的发酵液中所含的固体。

厌氧有机生物转化

在回收氧合有机化合物产物之后对一部分取出的发酵液进行厌氧有机生物转化以在再循环到生物反应器组合体之前降解至少一部分不良组分。厌氧有机生物转化方法是众所周知的，高速厌氧有机生物转化方法也是。

来自进行厌氧有机生物转化的产物回收的培养液部分足以使生物反应器组合体中的不良组分的浓度保持低于对微生物过度不利影响的浓度。如本文所使用的，术语对照广义地用于意指该不良组分的浓度低于预定水平，并且不必需将该浓度保持在特定范围内。然而，如果需要，本发明的方法可以使不良组分的浓度保持在指定范围内的稳定状态。

在本发明的方法中，进行厌氧有机生物转化的部分基于生物反应器组合体中或在再循环的发酵液中的不良组分的浓度进行调节。如果不良组分的浓度升高(趋势向上)，则分流到厌氧有机生物转化的部分增加到先前流速以上。在一些情况下，经受厌氧有机生物转化的部分响应于不良组分的浓度的下降趋势而减少。因此，可以实现稳态运行。不良组分的目标浓度可以在对微生物过度不利地影响的目标浓度以下广泛变化。通常，给定共产生的氧合有机化合物的目标浓度为对微生物群体产生过度不利影响的浓度的约25至75质量百分比。分流水平可基于许多在线输入手动或自动控制，包括但不限于在不良组分包括有机酸的情况下的腐蚀剂(或其它pH控制化学品)添加速率，在线分析器，或任何数量的不良组分累积速率的其他指标。

厌氧有机生物转化可以在用于生物转化有机化合物的任何合适代谢条件下实施。总体上，这些方法在氧化还原作用条件下实施，从而处理的含水发酵液可以在不需要脱气或调节氧化还原潜力的情况下用于生物转化合成气为氧合有机化合物。许多厌氧有机生物转化微生物是嗜温的并且因此在用于生物转化合成气的温度范围内部可运行。在这些情况下，含水发酵液的温度处于约25℃至约40℃范围内。厌氧有机生物转化期间的机头压力对本发明的广义方面并不至关重要，但是通常处于约50和1000kPa之间的范围内。由于含水发酵液来自生物转化合成气，所以至少一些养分，包括微量营养物，一般将已经含于培养液中。

含水部分在进行厌氧有机生物转化时的pH通常在约6.5至8.5的范围内。在一些情况下，进入厌氧有机生物转化的废弃的含水级分处于较低的pH。然而，生物转化过程本身倾向于增加pH。在许多情况下，生物转化产物(其仅是再循环含水培养液的一部分)的pH值不需要在通过含水发酵液之前进行调节。

厌氧有机生物转化可以按分批、半连续或连续模式实施。对于分批运行，驻留时间应当足以实现所寻求的不利有机化合物减少。对于连续运行，含水发酵液在生物反应器中的停留时间也应当足以实现所寻求的不利有机化合物减少。

任何合适的厌氧生物反应器组合体可以用于本发明的方法中。本发明方法中使用的生物反应器组合体包括但不限于，连续搅拌罐生物反应器和用于如上所述高速厌氧有机生物转化的生物反应器。可以使用一个或多个生物反应器，并且当使用两个或更多个生物反应器时，它们可以平行或依次运行。生物反应器组合体能够，但是并非总是需要，包括热交换器；固形物分离单元操作如离心机，沉降池和滤器；气/液分离单元操作；泵；和可用于监测和控制生物反应器组合体的设备。

当在经受厌氧有机生物转化后的含水发酵液含有微生物时，通常的情况是微生物被除去或变性，使得当开始合成气生物转化时基本上不存在活微生物。如果设施使用离心机或其他单元操作从发酵液分离固形物，例如，分离来自用于合成气生物转化的微生物中的固形物，则可以传递的处理发酵液至离心机或其他单元操作。如果设施在回收氧合有机化合物后使用灭菌单元操作处理正在再循环至生物反应器组合体的发酵液，则也可以指引进行厌氧有机生物转化的发酵液的部分至该灭菌单元操作。

为了在发酵液中维持所寻求的离子平衡，通常需要净化一部分发酵液，并且该净化物(purge)通常来自回收氧合有机化合物产物之后的再循环含水发酵液。在本发明的一个优选实施方案中，净化物来自已经通过厌氧有机生物转化处理的含水培养液，因此净化物将具有低的(如果有的话)有机碳含量。

附图

可以通过参考图1促进对本发明及其应用的总体理解。图1是适于实施本发明方法的总体上命名为100的装置的示意图。图1省略了化学工程技术人员熟知其布置及其运行的微小设备如泵、压缩机、阀门、仪表、交换器和其他装置。图1还省略了辅助设备单元操作。图1的方法和运行将在回收和产生乙醇的背景下描述。该方法轻易地可适应于制造其他氧合有机化合物如乙酸、丙醇和丁醇的方法。

设备含有适应于容纳用于生物转化合成气成乙醇的含水发酵液和微生物的发酵反应器102。发酵反应器102适应在连续的基础上运行。经管路104提供合成气至生物反应器102。尾气经管路106从生物反应器102抽出，所述尾气一般含有氮、甲烷和未反应的氢、二氧化碳和一氧化碳。在发酵反应器102中的一部分含水发酵液经管路108抽出并传递至蒸馏组合体110。蒸馏组合体110从水相分离乙醇并且提供经管路112抽出的富乙醇产物。蒸馏组合体110中的热杀死用于生物转化合成气的微生物。在水相中含有来自微生物的固形物并且从溶液沉淀的蛋白质的塔底物流经管路114传递至固形物分离单元操作116，出于讨论目的，其为离心机。塔底物流还含有较高沸点有机化合物如乙酸盐。固形物丰富流经管路118从离心机116移除，并且可以加工固形物丰富流用于回收废弃物，例如，在厌氧消化器中加工。离心机116还提供经管路120离开并且可以经管路122被再指引至发酵反应器102的含水流。将管路122显示为指引培养液至灭菌单元操作146，出于讨论目的，所述灭菌单元操作是蒸汽加热的罐以充分地增加发酵液的温度以实现灭菌。将灭菌的培养液经管路142返回发酵反应器102。

来自离心机116的管路120能够将含水流引导至管路122以返回到发酵反应器102或引导至管路124以被传递到高速率厌氧生物反应器126。厌氧生物反应器126含有厌氧生物降解乙酸盐和其他存在于含水流中的氧合有机化合物的微生物。由厌氧有机生物转化产生的废气经由管路130离开厌氧消化器126。这些气体包括甲烷和二氧化碳，并且可以用作能量源。含水流在经受厌氧有机生物转化后，通过管路128从厌氧生物反应器126中被取出，并被送入固体分离单元134。如所示，液体净化物通过管路132从管路128中移除。有利地，液体净化物具有显著降低的碳含量。

来自固体分离单元134的含固体的净化物流经由管路138离开并且可以被送至废物处理设施，或者全部或一部分净化物流可以被返回至厌氧生物反应器126，以有助于维持厌氧有机生物转化微生物的所需的群体。

具有减小的固体含量的流通过管路136从固体分离单元操作134中取出，所述管路136可以将基本上不含固体的培养液导向灭菌单元操作140。灭菌单元操作140是任选的。然后将该物流经由管路142返回到发酵罐102。