本发明涉及通过含糖流体的发酵生产醇的方法。
背景技术：
：：1、为了应对能源转型挑战，正在进行大量的研究以开发“绿色”方法，以替代石油精炼和/或石油化学的方式提供获得化学中间体的途径。2、衍生自发酵过程的醇(例如异丙醇和正丁醇)是石油化学衍生物的最有前景的替代品之一。由属于梭菌(clostridium)属的微生物进行的abe(丙酮-丁醇-乙醇)发酵是最古老的工业化发酵之一，自那时以来得到了广泛研究。最近，产生异丙醇、丁醇和乙醇的混合物并且也由属于梭菌属的微生物进行的ibe(异丙醇-丁醇-乙醇)发酵已经成为许多研究的主题。3、关于这类过程中采用的发酵方法，间歇生产仍然是abe和ibe发酵的常规方法，但是这类过程表现出在0.1-0.7g/l.h范围内的低生产率(参见，例如，jones d.t.，woodsd.r.，1986，acetone-butanol fermentation revisited.microbio1.rew.，50(4)，484-524或table 16.6lopez-contreras a.et a1.chapter book 16，bioalcohol production：biochemical conversion of lignocellulosic biomass，2010)。然而，这些生产率仍然太低，以至于无法设想经济上可行的工业过程。4、还可以设想在均质反应器中用悬浮细胞进行的连续方法。然而，生产率也相对较低，并且不容易获得显著的提高。一个技术问题是发酵培养基中细胞的浓度，这主要由该过程中所用的稀释率控制。该稀释率不能太高，以避免发酵罐中的细胞“洗出”。由于这些原因，近年来对涉及微生物生物质的高保留的方法表现出极大的兴趣。存在两种方法：“细胞固定化”和通过膜过滤器保留的细胞“再循环”。本发明将主要关注细胞固定化技术。5、已知用于连续方法的两种固定化技术：吸附在固体载体上和包埋(entrapment)，这两种技术均已在abe生产的文献中进行了研究。6、在第一种吸附在固体载体上的情况下，微生物物理吸附到固体表面上经由静电力、范德华力或通过细菌细胞膜与载体之间的共价键合而进行。由于微生物生物膜和发酵溶液之间没有物理屏障，因此可以根据固体载体、实施方式和操作条件实现固体载体的吸附程度、细胞脱附程度和再定殖(recolonization)程度之间的各种平衡。应注意的是，固定化细胞通常被微生物分泌的多糖(eps：“胞外聚合物质”)包围，并且具有与细胞处于悬浮时所获得的那些不同的生长和生物活性机制(参见，例如，halan b.，buehler k.，schmid a.，2012，biofilms as living catalysts in continuous chemical syntheses，trends inbiotechn01.，30(9)，453-465)。7、根据abe发酵的文献，已经测试并证明了几种固体载体是有利的，所述固体载体包括木炭(参见，例如，qureshi n.，maddox i.s.，1987，continuous solvent productionfrom whey permeate using cells of clostridium acetobutylicum immobilized byadsorption onto bonechar，enzyme microb.techno1.，(9)，668-371)、砖块(参见，例如，qureshi n.，schripsema j.，lienhardt j.，blaschek h.p.，2000，continuous solventproduction by clostridiumbeijerin ckii ba 101immobilized by adsorption ontobrick，world journal of microbiology&biotechnology，(16)，377-382)、和纸浆(参见，例如，survase s.a.，van heiningen a.，t.，2012，continuous bio-catalytic conversion of sugar mixture to acetone-butanol-ethanol byimmobilized clostridium acetobutylicum dsm 792，appl.microbiol.biotechno1.，(93)，2309-2316)。但是，这样的固体载体不是合成的，并且可能引起发酵过程的重现性的主要问题。8、在第二种包封类型(即通过包埋固定化)的情况下，将微生物引入多孔基质内，以防止它们扩散到外部培养基中，同时允许载体和营养物以及反应产物的传质。使用包封包埋技术的载体的示例包括海藻酸盐珠粒(参见，例如，mollah a.h.，stuckey d.c.，1993，maximizing the production of acetone-butanol in alginate bead fluidized bedreactor using clostridium acetobutylicum，j.chem.tech.tech.biotechnol.，(56)，83-89)，和k-角叉菜胶珠粒(参见，例如，godia f.，howard i.，scott d.，davison b.h.，1990，use of immobilized microbial membrane fragments to remove oxygen andfavor the acetone-butanol fermentation，biotechnol.prog.，1990，210-213)。9、专利fr-3 086 670中还提出了一种方法，其中至少一部分细菌生物质通过以生物膜形式吸附在基于聚氨酯泡沫类型聚合物泡沫的多孔材料上而固定在发酵反应器中。这种材料被证明是特别有效的，允许连续发酵过程，泡沫使得可以以足够显著的方式(即超出导致细胞洗出(wash-out)的稀释率)固定细菌。这种材料开辟了用于生产ibea类型混合物的新途径，同时还提供了通过细菌生物质的固定化以连续模式进行生产的途径。10、此外，专利fr-3086553提出了一种清洁这种聚氨酯泡沫的方法，包括使泡沫与源自发酵醪液(fermentation must)的富含醇和/或丙酮的流体和/或碱性ph下的水溶液接触。因此，一旦聚合物泡沫“耗尽”，特别是被生物质堵塞和/或饱和，就可以通过清洁使其再生，以便将其重新用于发酵反应器中，其性能与新泡沫的性能相同或相似。11、然而，这种在发酵反应器中微生物固定在载体上的类型的连续生产方法仍然易受改进的影响，特别是因为它们需要瞬时阶段、细胞固定在载体上的上升(ramp-up)阶段和载体的周期性替换阶段，长期阶段不利于它们的生产率。12、因此，本发明的目的是改进生产abe或ibe醇的混合物类型的连续发酵方法，特别是为了提高它们的生产率。技术实现思路1、本发明首先涉及一种生产醇的方法，根据该方法，将含糖流体引入到包含微生物固定在其上的载体的反应区段中，以便在所述微生物的作用下通过发酵产生富含醇的醪液，使得该方法连续进行，并且使得用新的和/或再生的载体的部分周期性替换用过的载体的(仅)一部分。2、在本发明的上下文中，“用过的”载体应理解为是指与新的载体相比其性能降低的载体，特别是通过达到给定的堵塞/饱和阈值水平，或通过达到给定的生产寿命。当载体“老龄”时，即当它已经使用了从启动到生产运行的给定时刻的一定时间时，载体通常甚至被消耗得更多。3、在本发明的上下文中，“再生的”载体应理解为是指已经过处理/清洁以便再次实现与“新的”载体相似或相同的性能的用过的载体。4、在本发明的上下文中，“新的”载体应理解为是指之前从未用于生产的载体，因此其还没有被微生物定殖。5、因此，本发明涉及连续发酵方法，其中在发酵反应器中使用固定微生物的载体。如上简述，这些载体，有点类似化学领域中的催化剂，逐渐失活：在开始时，载体被微生物(细菌)定殖，然后载体随着时间的推移而变得负载有细菌。这种积累在一定时间段内是有益的，因为它增加了细菌生物质的浓度，因此增加了发酵反应器的容积生产率。但超出一定时间段后，该载体被细菌完全定殖，出现堵塞现象：当载体材料为块或颗粒形式时，当其材料为多孔材料时在颗粒/块之间和/或在颗粒/块内可能观察到堵塞，这随后导致产量下降。此外，必须考虑生物膜中细胞的死亡率，因此观察到的劣化是随时间推移堵塞现象增加和细菌死亡增加的组合。6、本发明提出的解决方案是使用可以逐渐替换的载体，每次用新的/再生的部分替换载体的一部分。载体由此得以部分地更新：所引入的新的或再生载体的部分逐渐进而被细菌定殖，并且逐渐变得比被移除的用过的部分更有效。利用该体系，载体在整个生产运行过程中保持足够的总体效率，其中载体的部分具有不同的“年龄”。(“年龄”应理解为是指自生产运行开始以来，在时间t，由生产中的载体的一部分消耗的时间)：逐渐替换载体的消耗最多/最老龄的部分，以便用新的/再生的部分替换它们，由此保持平均“年龄”、平均劣化程度，其对于载体通常是不变的。7、根据本发明，有利地，微生物以载体上/中的生物膜或聚集体的形式固定在载体上，所述载体优选选择为多孔的。8、根据本发明，有利地，载体包括在反应区段中(含糖)流体的总体流动方向上连续地布置的多个载体部分，并且所述部分具有从上游到下游(相对于该流动方向)减小的劣化程度。具体而言，相对于含糖流体物流最上游的部分倾向于首先变得负载有细菌，因此其比随后的部分更劣化。因此，根据本发明，利用这个事实来实现载体的受控部分再生(rejuvenation)。9、因此，根据本发明，优选地，用新的或再生的载体部分替换在载体中最上游的用过的载体部分，所述新的或再生的载体部分本身置于载体最下游部分的下游。10、载体优选包括松散多孔材料块，其在生产中的反应区中浸入在浸浴所述反应区段的液体反应培养基中。这些块优选通过机械装置保持在反应区段中，所述机械装置是网状的，例如筛、网或设有孔的板，和/或以导流器(deflector)的形式。11、出于本发明的目的，术语“松散”应理解为是指这些块不是相对于彼此以有序的方式布置的事实。12、载体优选由泡沫类型的材料制成，或者基于聚合物(聚氨酯(pu)泡沫类型的材料)，或者基于陶瓷材料。它们在液体(水性)培养基中的行为将取决于它们的密度；特别地，相应地选择将它们保持在反应区段中的机械装置的类型/构造。13、对于通过网系统保持的聚氨酯泡沫类型的多孔材料的示例，可以参考上述专利fr-3086670。14、根据第一实施方案，反应区段包括反应器，并且载体包括多个层，含糖流体连续地穿过这些层，用过的载体的部分和新的和/或再生的载体的部分各自对应于载体的一层或一组相邻层。15、因此，载体被分成一定数量的部分，这些部分呈层的堆叠的形式，含糖流体将连续地穿过这些层，并且将有可能用相同数量的新的/再生的载体的层周期性替换一个、两个或x个用过的载体的层。16、在本发明的含义内，并且非常特别地当选择松散多孔材料块形式的载体时，术语“层”不应以字面意义理解为相对于彼此完美界定、连续且具有平面界面的层，或者完美堆叠的层：这些材料层可以具有不均匀的非平面界面，即使它们将载体分成具有大致相同高度和/或包含大致相同数量的多孔材料的部分。为了清楚起见，载体以这些“层”的堆叠的形式表示。17、有利地，在该配置中，用过的载体的部分和新的和/或再生的载体的部分各自对应于载体的层，从反应器取出的用过的载体的部分是载体的最上游层，新的或再生的载体的部分在载体的最下游层的下游引入到反应器中。18、在本文通篇，术语“上游”和“下游”应理解为根据反应区段(这里为反应器)中的(含糖)流体通过载体的总体流动方向而定。19、根据一个变型，新的或再生的载体的部分/层以松散材料块的形式，以固体形式，特别是通过气动装置或机械装置如蜗杆引入到反应器中。20、根据另一变型，新的或再生的载体的部分/层以松散材料块的形式，以在液相中，特别是以悬浮在供应反应区段的含糖流体中的形式引入到反应器中。21、根据一个变型，载体的耗损部分/层以在液相中的形式从反应器中取出。它可以特别地以悬浮在离开反应器的发酵醪液的液相中的形式取出。22、因此，可以为反应器装配专门用于替换多孔载体的特定入口和/或特定出口，或者替代地使用用于向反应器中供应含糖流体和从中取出发酵产物的现有入口/出口。应当注意，有利的是为发酵产物(醪液)的出口提供筛型的用于阻挡固体的机械装置，以便不会无意地排出多孔载体块(当存在专用于多孔载体的出口时将总是存在的装置，其将是可移除的，以便能够在替换过程中当要将用过的载体与发酵产物物流一起取出时将其移除/使其失去作用)。23、有利地，对于该第一实施方案，在底物(substrate)的末端之一处取出用过的底物的部分/层，并在其相对的末端处用新的/再生的底物的部分/层替换用过的底物的部分/层，相对于反应区段中(含糖)流体的流动方向逆流进行。在这里使用术语“逆流”，因为通过根据本发明惯例的定义，在反应区段中流体从上游流向下游，而载体在上游取出并在下游加满。这是最明智的操作模式，因为如上所述，通常载体的最上游部分往往最多/最快地负载有细菌。术语“末端”在这里应理解为是指相对于运行中的反应器中流体的总体流动方向，载体的(上游/下游)末端。24、优选地，含糖流体在包括反应器的反应区段中以总体流动方向穿过微生物固定在其上的载体，从反应器中取出用过的载体的部分，并将新的或再生的载体的部分作为替代物引入，在载体的最上游部位从反应器中取出用过的载体的部分，并在载体的最下游部位将新的或再生的载体的部分引入到反应器中。25、优选从反应器中取出的用过的载体部分是载体的最上游部分，通常也是其消耗最多的部分。并且优选在下游加入新的/再生的载体的部分，以从消耗最少的下游部分接替：因此，载体的一部分不在相同位置替换，载体的一部分在其末端之一(上游端)处取出，而另一部分在其另一末端(下游端)处加入：因此，沿含糖流体穿过载体的流动方向产生或至少增强了载体的老化程度的“梯度”，载体的部分/层处于载体的越上游，它们就消耗得越多。采用这种周期性的替换，载体的“平均”老化程度基本上保持恒定，并且可以延长生产运行时间和/或对于等同的时间，使得运行时间更有生产力。26、该第一实施方案可以两种不同的方式实施，其中反应器基本上沿竖直轴取向：27、-或者其中含糖流体在反应器中从顶部流向底部，载体延伸经过反应器的工作容积的高度的至少一部分，用过的载体的部分在载体的最高部位从反应器中取出，新的或再生的载体的部分在载体的最低部位引入到反应器中，28、-或者其中含糖流体在反应器中从底部流向顶部，载体延伸经过反应器的工作容积的高度的至少一部分，用过的载体的部分在载体的最低部位从反应器中取出，新的和/或再生的载体的部分在载体的最高部位引入到反应器中。29、应当注意，如果选择反应器中流体自上而下流动，则载体的材料优选具有低密度(pu泡沫)，如果选择自下而上流动，则载体的材料优选具有较高密度(陶瓷泡沫)。30、当然，可以由此并行操作多个反应器，并且任选地汇集来自每个反应器的发酵醪液的收集和处理。31、根据本发明的第二实施方案，反应区段包括彼此串联流体连接的一系列n个反应器，和至少一个备用反应器。然后将载体以n个载体部分的形式在n个反应器之间分配，用新的或再生的载体的部分周期性替换用过的载体的部分通过以下方式进行：将属于串联的n个反应器的系列并包含用过的载体的部分的反应器断开连接，并将包含新的或再生的载体的部分的备用反应器连接到n-1个反应器的系列。32、因此，在这里包含在一个反应器中的全部载体作为载体的“部分”，然后用另一个反应器替换整个反应器。但是，保留了与第一实施方案相同的原理，其中反应器在生产运行过程中具有从一个反应器到另一个反应器不同的老化程度的载体，最上游的反应器具有“最老龄”的载体。33、优选地，断开连接的反应器是相对于含糖流体通过n个反应器系列的总体流动方向的最上游反应器，而连接的备用反应器置于在相对于所述流动方向的该系列的最下游反应器的下游。34、因此，与第一实施方案的情况一样，这里存在一种载体老化程度的梯度，老化程度在(含糖)流体的流动方向上从上游到下游从一个反应器到下一个反应器减小。35、因此，根据该第二实施方案，存在一系列处于生产模式的反应器，和一系列一个或多个其它反应器，其包括已经断开连接的(一个或多个)反应器，并且将能够被处理变成以等待替换的备用反应器的形式而可再次运行。36、具体而言，一旦包含用过的载体的部分的反应器已经断开连接，就进行各种处理，通常包括排空和至少一个用于用过的载体的处理操作。该处理可包括清洁，以使其再生为目的的清洁类型，例如根据上述专利fr-3086553中描述的程序，或可包括用新的载体替换它。然后，任选地，可以通过灭菌继续处理，以便将其作为备用反应器储存。37、根据一个任选的变型，反应区段包括至少一个反应器，其设有流体再循环回路，并且这与本发明的实施方案(独立的反应器或串联安装的反应器)无关。或者或附加地，反应区段包括至少一个设有机械搅拌装置的反应器。再循环回路和/或机械搅拌确保在装有再循环回路和/或机械搅拌的反应器中的混合，并使内容物均化。38、不管设想的实施方案如何，用过的载体的部分和替换它的新的或再生的载体的部分优选具有相同的尺寸。因此，整个载体保持在恒定的尺寸。应当注意，多孔载体可以具有一定的浮力，特别是当其为聚氨酯型聚合物泡沫的松散块的形式时，这意味着如果采用固定/保持载体的合适方法，在稳定各部分的定位之后，将一部分载体从载体的一端取出，而另一部分在另一端加入(特别是第一实施方案的情况)，载体通常保持在相同的位置，在反应器中的相同“高度”(如果以竖直取向的反应器为例)。39、不管设想的实施方案如何，通过从反应区段中取出用过的载体的部分并将新的和/或再生的载体的部分同时或相继引入到反应区段中，可以进行用新的和/或再生的载体的部分周期性替换用过的载体的部分。40、优选地，在引入到反应区段中之前，将新的和/或再生的载体的部分灭菌。41、不管设想的实施方案如何，用新的或再生的载体的部分周期性替换用过的载体的部分以恒定或增加的时间间隔，或随时间减小的间隔，或根据载体劣化程度的测量或评估控制的时间间隔进行。劣化程度可以作为各种指标的函数来评估：特别是测量或评估生产性能的下降、ph的变化、测量或评估由发酵产物产生的各种产物之间的比率的变化。42、不管设想的实施方案如何，优选地，该方法在用新的或再生的载体的一部分周期性替换用过的载体的一部分过程中继续生产：43、-在第一实施方案中，如果如已经提及的，随着含糖流体的供应引入新的载体并且随着离开反应器的产物物流取出用过的载体，则便于该连续替换，44、-在第二实施方案中，用另一个反应器替换一个反应器可能导致生产的短暂中断，即用于将一个反应器断开连接和用于重新连接另一个反应器的时间。45、在任一实施方案中，载体的这种部分替换导致更好地平稳生产。46、本发明在其优选的应用中，目的在于生产包含异丙醇、丁醇和乙醇的发酵醪液，微生物源自属于梭菌属的菌株。优选地，它们由基于聚合物材料如聚氨酯或基于陶瓷材料的泡沫类型多孔载体负载。47、根据本发明的一个优选实施方案，根据本发明的方法涉及生产abe或ibe或ibea类型的醇的混合物，根据该方法，将含糖流体引入到包括由多孔固体材料制成的载体的反应区段中，梭菌属的微生物固定在所述载体上，所述载体包含多个松散多孔固体材料的部分或层，所述部分或层在所述含糖流体的总体流动方向上连续地布置。该优选实施方案还涉及如此装配有载体的反应区段。48、下面将借助于非限制性实施方式示例更详细地描述本发明。当前第1页12当前第1页12