CN104379755A - 合成气发酵期间乙醇浓度的控制 - Google Patents

合成气发酵期间乙醇浓度的控制 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在合成气发酵期间对乙醇浓度进行控制的方法。用于合成气发酵的方法包括对介质进行接种以提供接种的介质。将接种的介质与合成气接触，将细胞和介质移出并分离以提供浓缩的细胞和渗透物。将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流。将所述乙醇减少的水物流返回所述发酵。

Description

合成气发酵期间乙醇浓度的控制
本发明主张2011年12月12日提交的美国临时申请61/569,355号的权益，通过参考以其完整的形式将其并入。
本发明提供一种在合成气发酵期间控制乙醇浓度的方法。更具体地，将细胞和介质从发酵罐移出并在有效用于保持期望的乙醇浓度的速率下将乙醇减少的水物流返回发酵罐。
发明背景
厌氧微生物通过气态底物的发酵能够由一氧化碳(CO)制造乙醇。使用厌氧微生物由梭菌属发酵可以制造乙醇和其他有用的产物。例如，美国专利5,173,429号描述了Clostridium ljungdahlii ATCC No.49587，一种从合成气体制造乙醇和醋酸酯的厌氧微生物。美国专利5,807,722号描述了使用Clostridium ljungdahlii ATCC No.55380将废气转化成有机酸和醇的方法和设备。美国专利6,136,577号描述了使用Clostridiumljungdahlii ATCC No.55988和55989将废气转化成乙醇的方法和设备。
通常将CO以作为合成气形式的气态底物的一部分供应至发酵。用于制造包含一氧化碳和氢气的发生炉煤气或合成气体或合成气的碳质材料的气化在本领域内是熟知的。典型地，这种气化方法涉及碳质材料的部分氧化或缺乏空气的氧化，其中将亚化学计量的量的氧气供应至气化工艺以促进一氧化碳的产生，如WO2009/154788中所述。
在发酵期间乙醇的浓度提高。一定水平的乙醇变为抑制性并导致反应器失效或产率下降。需要方法以有效地在乙醇的去除与保持期望的细胞密度水平和乙醇产率之间实现平衡。
发明概述
合成气发酵的方法包括对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质。将细胞和介质移出并分离以提供浓缩的细胞和渗透物。将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流。将乙醇减少的水物流返回发酵。在重要的方面中，乙醇减少的水物流向发酵供应的速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25。
在另一个方面中，合成气发酵的方法包括对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质。将接种的介质与合成气接触并在发酵中乙醇浓度达到超过约10g/L时，将细胞和介质移出并分离以提供浓缩的细胞和渗透物。渗透物保持罐接收渗透物。蒸馏塔从渗透物保持罐接收渗透物。蒸馏塔有效用于将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流。将乙醇减少的水物流返回发酵。在重要的方面中，乙醇减少的水物流向发酵供应的速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25。
在另一个方面中，合成气发酵的方法包括对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质。将细胞和介质移出并分离以提供浓缩的细胞和渗透物。将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流。将乙醇减少的水物流返回发酵。在重要的方面中，乙醇减少的水物流的供应速率与细胞和介质的移出速率有效用于提供0.01克/克/小时(细胞干重克数/母体细胞干重克数/小时的量的增大)的生长因数是有效的。
在另一个方面中，合成气发酵的方法包括对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质。将接种的介质与合成气接触。测量生长因数并在生长因数小于临界生长因数时将水物流返回发酵。
在另一个方面中，合成气高产率发酵的方法包括对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质。将细胞和介质移出并分离以提供浓缩的细胞和渗透物。将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流。将乙醇减少的水物流返回发酵。在重要的方面中，乙醇减少的水物流向发酵供应的速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25。所述方法有效用于保持至少约60克/(升·天)的STY。
附图说明
根据下图将使得所述方法几个方面的上述和其他方面、特征和优势变得更明显。
图1显示了用于合成气发酵的方法和系统。
图2显示了包括渗透物保持罐的用于合成气发酵的方法和系统。
图3显示了包括热交换器的用于合成气发酵的方法和系统。
图4显示了包括热交换器和CO2汽提器的用于合成气发酵的方法和系统。
图5显示了包括排出气体洗涤塔的用于合成气发酵的方法和系统。
图6显示了关于培养产乙酸菌的生长因数对乙醇浓度之间关系的图。
图7显示了关于培养产乙酸菌的生长因数对乙醇浓度之间关系的图。
图8显示了水循环对乙醇的浓度和CO和H2的总摄取的影响。
在附图的所有几个视图中相应的参考符号表示相应的组件。熟练的技术人员应理解，附图中的元件是为了简单和清晰而显示的且不必是按比例绘制的。例如，可以将图中的一些元件的尺寸相对于其他元件而夸大以有助于进一步理解本方法和系统的各个方面。此外，通常不描绘在商业上可行的方面中有用或必需的普通但熟知的元件，从而有助于这些各个方面的较少遮挡的视图。
发明详述
如下说明不应理解为限制的意思，而仅用于描述示例性实施方案的一般原理。本发明的范围应参考权利要求书来确定。
在开始和随后的发酵时，需要对细胞和介质从发酵罐的除去与将细胞从渗透物除去、将乙醇从渗透物除去所需要的时间、以及将减少的乙醇渗透物返回到发酵罐所需要的时间进行平衡。本方法对这些工艺进行平衡以提供稳定的开始和随后的发酵。
如本文中所述的利用介质和产乙酸菌在生物反应器中进行的合成气发酵对于将合成气中的CO转化成醇和其他产物是有效的。在该方面中，产率可以表达为STY(表达为g乙醇/(L·天)的空时收率)。在该方面中，所述方法对于提供至少约10克/(升·天)的STY(空时收率)是有效的，在另一个方面中，至少约30克/(升·天)，在另一个方面中，至少约60克/(升·天)，且在另一个方面中，至少约90克/(升·天)。可能的STY值包括约10克/(升·天)～约200克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约160克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约120克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约80克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约140克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约100克/(升·天)，在另一个方面中，约40克/(升·天)～约140克/(升·天)，且在另一个方面中，约40克/(升·天)～约100克/(升·天)。
定义
除非有其他定义，否则在本发明的整个该说明书中使用的如下术语按如下定义并能够包括下面定义的定义的单数或复数形式：
修饰任意量的术语“约”是指在真实世界条件中如在实验室、试验工场或生产设施中遇到的所述量的变化。例如，用于混合物中的成分或测量的量或数量，当用“约”修饰时，包括在生产工厂或实验室中典型用于实验条件测量的变化和关心程度。例如，产物的组分的量，当用“约”修饰时，包括在工厂或实验室中多次实验中批次之间的变化和在分析方法方面固有的变化。无论是否用“约”修饰，所述量包括那些量的等价物。本文中所述的并用“约”修饰的任意数量在本发明中还能够用作未用“约”修饰的量。
术语“合成气”或“合成气体”是指作为被给予至气体混合物的名称的合成气体，所述气体混合物包含不同量的一氧化碳和氢气。生产方法的实例包括天然气或烃的蒸汽重整以生产氢气、煤和在某些类型的废物到能量的气化设施中的气化。所述名称源自其作为在产生合成天然气(SNG)中和用于生产氨或甲醇的中间体的用途。合成气易燃且通常用作燃料源或用作生产其他化学品的中间体。
术语“发酵罐”包括由一个或多个容器和/或塔或管道排列构成的发酵装置，其包括连续搅动的罐式反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、三角床反应器(TBR)、移动床生物膜反应器(MBBR)、鼓泡塔、气提发酵罐、膜反应器如中空纤维膜生物反应器(HFMBR)、静态混合器、或适用于气-液接触的其他容器或其他装置。
术语“发酵”、“发酵方法”或“发酵反应”等倾向于包含所述方法的生长阶段和产物生物合成阶段两者。在一个方面中，发酵是指CO向醇的转化。
术语“细胞密度”是指每单位体积发酵液的微生物细胞的质量如克/升。
术语“细胞循环”是指将微生物细胞从发酵液分离并将这些分离的微生物细胞的全部或部分返回至发酵罐。通常，使用过滤装置来完成分离。
术语“提高效率”、“提高的效率”等，当涉及发酵工艺使用时，包括提高如下中的一种或多种：在发酵中微生物的生长速率、所产生的期望产物(例如醇)的体积或质量/消耗的底物(例如一氧化碳)的体积或质量、期望产物的生产速率或生产水平、以及产生的期望产物对发酵的其他副产物的相对比例。
合成气发酵系统
图1显示了用于合成气发酵的方法和系统。合成气通过合成气入口110进入反应容器100。通过介质出口120抽取介质和细胞并使用介质循环泵150通过过滤器供应160供应至细胞分离过滤器200。细胞分离过滤器200提供浓缩的细胞和渗透物。反应容器100通过细胞循环管线210接收浓缩的细胞且蒸馏塔400通过渗透物供应250接收渗透物。蒸馏塔400提供乙醇/水的共沸物440和乙醇减少的水物流410。分子筛/干燥器700可以接收乙醇/水的共沸物440并提供乙醇产物720。再沸器500通过再沸器供应管线430接收一部分乙醇减少的水物流410。再沸器500提供预热的乙醇减少的水物流510。水物流循环泵550通过水供应管线420接收乙醇减少的水物流。水物流循环泵550通过乙醇减少的水物流供应管线560提供返回至反应容器100的乙醇减少的水物流。
在另一个方面中，可以在侧抽取口450处将杂醇油从蒸馏塔400移出。如本文中所使用的，“杂醇油”可以包括戊醇、丙醇、丁醇、脂肪酸、酯、及其混合物。
图2显示了用于合成气发酵的方法和系统的另一个方面。图2中所述的方法和系统与图1的类似且图2中的系统和方法包括渗透物保持罐300。在该方面中，渗透物保持罐300通过渗透物供应管线220从过滤器200接收渗透物。蒸馏塔400通过渗透物供应管线250接收渗透物。本文中所述的任一方面可以包括渗透物保持罐。
图3显示了用于合成气发酵的方法和系统的另一个方面。图3中所述的方法和系统与图1的类似且图3中的系统和方法包括热交换器555。在该方面中，热交换器通过供应管线230从过滤器200接收乙醇减少的水物流和渗透物。热交换器555有效用于提供预热的渗透物。蒸馏塔400通过预热的渗透物供应管线252接收预热的渗透物。在该方面中，可以利用保留在乙醇减少的水物流中的热在蒸馏之前对渗透物进行预热。本文中所述的任一方面可以包括热交换器。
图4显示了用于合成气发酵的方法和系统的另一个方面。图4中所述的方法和系统与图1的类似且图4中的系统和方法包括CO2汽提器600。在该方面中，CO2汽提器600接收渗透物有效用于提供CO2降低的渗透物。CO2降低的渗透物将比汽提之前具有更低水平的CO2。与除去CO2之前的渗透物相比，在该方面中，CO2降低的渗透物将减少CO2约10％或更大，在另一个方面中，约25％或更大，在另一个方面中，约50％或更大，在另一个方面中，约75％或更大，且在另一个方面中，约90％或更大。蒸馏塔400通过CO2渗透物供应管线254接收CO2降低的渗透物。该方面可以包括所示的热交换器555且可还包括渗透物保持罐。
图5显示了用于合成气发酵的方法和系统的另一个方面。图5中所述的方法和系统与图1的类似且图5中的系统和方法包括排出气体洗涤塔620。在该方面中，排出气体洗涤塔620通过乙醇减少的供应管线560接收乙醇减少的水物流、通过排出气体供应管线640接收排出气体、并接收蒸馏塔废气750。排出气体洗涤塔620通过水供应管线563提供返回反应容器100的乙醇减少的水物流并使得排出气体通过排出气体出口650排出。排出气体洗涤塔可以包括在本文中所述的任一方面中。在一个方面中，排出气体洗涤塔有效用于从发酵罐废气中除去乙醇。
合成气发酵工艺
介质：根据一个方面，通过向反应容器添加合适的介质来启动发酵工艺。包含在反应容器中的液体可以包括任意类型的合适的营养介质或发酵液。营养介质将包含对使得正被使用的微生物生长有效的维生素和矿物质。在2012年5月22日提交的美国序列61/650,098和61/650,093号中以及在2001年7月23日提交的美国专利7,285,402号中对介质组合物的某些实例进行了描述，通过参考将其全部内容并入本文中。可以对介质进行灭菌以除去不期望的微生物并利用期望的微生物对反应器进行接种。并不总是需要灭菌。
接种物：根据所述方法，将产乙酸菌的培养物接种入反应器中以提供具有最小细胞密度的接种的介质。如本文中所使用的，“最小细胞密度”是指至少约0.1克/升的活的细胞密度，在另一个方面中，至少约0.2克/升，在另一个方面中，至少约0.3克/升，在另一个方面中，至少约0.4克/升，且在另一个方面中，至少约0.5克/升。最小细胞密度将不超过约1.2克/升。在另一个方面中，用于接种预反应器或种子反应器的第一培养物具有6.5或更低的pH，在另一个方面中为4.5或更低，且在另一个方面中为约4.0～约4.5。用于接种反应器的第一培养物具有约10克/升或更低的乙酸浓度，在另一个方面中，约1～约10克/升，在另一个方面中，约1～约5克/升，在另一个方面中，约1～约3克/升，且在另一个方面中，约2克/升。
在一个方面中，利用的微生物包括产乙酸菌。可用的产乙酸菌的实例包括梭菌属的产乙酸菌，例如：Clostridium ljungdahlii的菌株，包括在WO2000/68407、EP117309、美国专利5,173,429、5,593,886和6,368,819号、WO1998/00558和WO2002/08438中所述的菌株；Clostridium autoethanogenum的菌株(DSMZ,Germany的DSM10061和DSM19630)，包括在WO2007/117157和WO2009/151342中所述的菌株；以及Clostridium ragsdalei(P11,ATCC BAA-622)和Alkalibaculumbacchi(CP11,ATCC BAA-1772)，包括分别在美国专利7,704,723号和“Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas”,Hasan Atiyeh,presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference,April29,2010中所述的菌株以及在美国专利申请2007/0276447号中所述的Clostridium carboxidivorans(ATCC PTA-7827)。其他合适微生物包括：Moorella属的微生物，包括Moorella sp.HUC22-1；以及Carboxydothermus属的微生物。通过参考将这些参考中的各个参考并入本文中。可以使用两种或更大微生物的混合培养物。
可使用的细菌的某些实例包括Acetogenium kivui、Acetoanaerobiumnoterae、Acetobacterium woodii、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCCBAA-1772)、Blautia producta、Butyribacterium methylotrophicum、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneouspacificus、Carboxydothermus hydrogenoformans、Clostridium aceticum、Clostridium acetobutylicum、Clostridium acetobutylicum P262(DSMZGermany的DSM19630)、Clostridium autoethanogenum(DSMZ Germany的DSM19630)、Clostridium autoethanogenum(DSMZ Germany的DSM10061)、Clostridium autoethanogenum(DSMZ Germany的DSM23693)、Clostridium autoethanogenum(DSMZ Germany的DSM24138)、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、Clostridium coskatii(ATCC PTA-10522)、Clostridium drakei、Clostridium ljungdahlii PETC(ATCC49587)、Clostridium ljungdahlii ERI2(ATCC55380)、Clostridiumljungdahlii C-01(ATCC55988)、Clostridium ljungdahlii O-52(ATCC55889)、Clostridium magnum、Clostridium pasteurianum(DSMZ Germany的DSM525)、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Clostridiumscatologenes、Clostridium thermoaceticum、Clostridium ultunense、Desulfotomaculum kuznetsovii、Eubacterium limosum、Geobactersulfurreducens、Methanosarcina acetivorans、Methanosarcina barkeri、Morrella thermoacetica、Morrella thermoautotrophica、Oxobacterpfennigii、Peptostreptococcus productus、Ruminococcus productus、Thermoanaerobacter kivui及其混合物。
气体：气化涉及生物质在限制供应氧气条件下的部分燃烧。制得的气体主要包含CO和H2。在该方面中，合成气将包含至少约20mol％的CO，在一个方面中，约20～约100mol％的CO，在另一个方面中，约30～约90mol％的CO，在另一个方面中，约40～约80mol％的CO，且在另一个方面中，约50～约70mol％的CO。合成气将具有至少约0.75的CO/CO2之比。在均为于2011年4月6日提交的美国序列61/516,667、61/516,704和61/516,646号中、以及在均为于2012年5月22日提交的美国序列13/427,144、13/427,193和13/427,247号中提供了合适的气化方法和设备的某些实例，通过参考将其全部内容并入本文中。
在有效将生物反应器内的压力保持为至少约0psig的速率下将合成气引入生物反应器内，在另一个方面中，约0.25psig，在另一个方面中，约0.5psig，在另一个方面中约1psig，且在另一个方面中，约10～约250psig的压力。在各种其他方面中，压力可以为约10～约200psig，约10～约100psig，约10～约75psig，约10～约50psig，约10～约25psig，约20～约250psig，约20～约200psig，约20～约100psig，约20～约75psig，约20～约50psig，约20～约25psig，约30～约250psig，约30～约200psig，约30～约100psig，约30～约75psig，约30～约50psig，约40～约250psig，约40～约200psig，约40～约100psig，约40～约75psig，约40～约50psig，约50～约250psig，约50～约200psig，约50～约100psig和约50～约75psig。
在一个方面中，在特定尺寸的发酵罐中，在约10～约50立方英尺/秒的速率下将合成气引入气体入口/喷头110，且在另一个方面中，速率为约25～约35立方英尺/秒。通过控制引入合成气的速率并控制气体排出反应容器的速率来控制压力。可以在反应器的顶部空间中或在反应容器的底部测量压力。
搅动：在接种期间，将启动搅动设定为约10～约30Hz，在另一个方面中约25Hz。搅动加速至约35～约50Hz，在另一个方面中，在每10分钟约2～约10Hz的加速速率下加速至约45Hz，且在另一个方面中，每10分钟约5Hz。
细胞循环：在发酵中乙醇浓度达到超过约10g/L时，所述方法包括将细胞和介质从发酵罐100移出。在另一个方面中，所述方法包括当发酵达到超过约20g/L的乙醇浓度且在另一个方面中超过约30g/L时将细胞和介质移出。通过将细胞与介质分离，提供浓缩的细胞和介质。使用已知的方法如例如细胞分离器200将细胞与介质分离。如本文中所使用的，“浓缩的细胞”是指细胞密度高于介质与细胞分离之前的细胞物流。“渗透物”是指在分离细胞之后的介质。在该方面中，渗透物可以包含乙醇。将浓缩的细胞的全部或部分返回至发酵罐100。在一个方面中，在接种之前或接种后立刻，可以开始细胞循环。
在另一个方面中，在细胞密度达到约0.5克/升或更大时，可以除去细胞和介质，在另一个方面中，约0.6克/升或更大，在另一个方面中，约0.7克/升或更大，在另一个方面中，约0.8克/升或更大，在另一个方面中约0.9克/升或更大，在另一个方面中约1.0克/升或更大，在另一个方面中约1.5克/升或更大，在另一个方面中约2.0克/升或更大，在另一个方面中约2.5克/升或更大，在另一个方面中约0.5～约5.0克/升或更大，在另一个方面中约1.0～约4.0克/升或更大，且在另一个方面中约2.0～约3.0克/升或更大。
所述方法用于将乙醇与渗透物分离以供应乙醇和乙醇减少的水物流。在一个方面中，可以将渗透物转移至渗透物保持罐300并随后转移到蒸馏塔400。在一个方面中，当体积达到渗透物保持罐总体积的至少约1％～约100％的体积时，将源自保持罐的渗透物连续转移到蒸馏塔400。在另一个方面中，一旦渗透物保持罐300达到其总体积的约10％的体积，会立即发生渗透物向蒸馏塔的转移，在另一个方面中，其体积的至少约25％，在另一个方面中，其体积的至少约50％，在另一个方面中，其体积的至少约75％，且在另一个方面中，其体积的至少约90％。蒸馏塔400提供乙醇450和乙醇减少的水物流410。蒸馏塔能够为本领域内已知的任意蒸馏塔如板式塔、填料塔。蒸馏塔通常产生乙醇-水的共沸物，使用例如分子筛对所述乙醇-水的共沸物进一步进行加工以生产无水乙醇。
如本文中所使用的，“乙醇减少的水物流”是指在除去至少一部分乙醇之后的水物流。乙醇减少的水物流可以仅包含源自蒸馏塔的乙醇减少的水物流或除了其他添加的介质和/或水之外还包含源自蒸馏塔的乙醇减少的水物流。将乙醇减少的水物流连续返回到反应容器100。在该方面中，乙醇减少的水物流的供应速率对细胞和介质的除去速率之比为约0.5～约25，在另一个方面中，约0.5～约10，在另一个方面中，约0.5～约5，在另一个方面中，约0.5～约1，在另一个方面中，约1～约20，在另一个方面中，约5～约15，在另一个方面中，约5～约10，在另一个方面中，约4～约8，在另一个方面中，约5～约7，在另一个方面中，约5，在另一个方面中，约6，且在另一个方面中，约7。在该方面中，乙醇减少的水物流将包含小于约10重量％的醇，在另一个方面中，小于约5重量％的醇，在另一个方面中，小于约2.5重量％的醇，在另一个方面中，小于约1.0重量％的醇，在另一个方面中，小于约0.5重量％的醇，在另一个方面中，小于约0.1重量％的醇，且在另一个方面中，小于约0.01重量％的醇。
乙醇减少的水物流可以包含乙酸。在该方面中，乙醇减少的水物流可以具有约5.0克/升或更低的乙酸，在另一个方面中，约2.5克/升或更低的乙酸，在另一个方面中，约1.0克/升或更低的乙酸，在另一个方面中，约0.01～约5.0克/升的乙酸，且在另一个方面中，约0.01～约0.02克/升的乙酸。将含乙酸的乙醇减少的水物流传送回反应器，使得不再产生净乙酸。在反应器中在乙醇与水之间建立平衡。结果，除了用于培养物维持之外，供应至反应器的所有CO、CO2和H2可以转化为乙醇。
在另一个方面中，通过利用生长因数量度，可以控制乙醇减少的水物流的供应速率和细胞和介质的除去速率。如本文中所使用的，“生长因数”是细胞(单位为克，干重)/(母体)细胞(干重)的克数/小时的量的增加。在该方面中，乙醇减少的水物流的供应速率和细胞和介质的除去速率有效地提供至少约0.01克/克/小时的生长因数，在另一个方面中，约0.01～约1的生长因数，在另一个方面中，约0.01～约0.5的生长因数，在另一个方面中，约0.01～约0.25的生长因数，且在另一个方面中，约0.01～约0.1的生长因数。如本文中所使用的“临界生长因数”是指最小期望生长因数。在一个方面中，最小期望生长因数为约0.01，在另一个方面中，约0.02，且在另一个方面中，约0.03。生长因数可以按如下确定：
其中T2是在T1之后60分钟处测量的细胞干重，单位为克
其中T1是在所选择的起始时间处的细胞干重，单位为克。
在该方面中，当生长因数达到或变为低于临界生长因数时，将水物流供应至发酵罐。将关于Clostridium ljungdahlii的生长因数对乙醇浓度的关系的图示于图6和7中。在该方面中，更低的乙醇浓度对于其他细菌菌株有害或具有抑制性。
在一个方面中，在发酵中乙醇浓度达到约10g/L或更大、在另一个方面中达到约20g/L或更大且在另一个方面中达到约30g/L或更大时，将细胞和介质从发酵移出。将细胞和介质分离为乙醇和乙醇减少的水物流并将乙醇减少的水物流返回至发酵。作为进一步所描述的，可以将任一所述的乙醇浓度水平与任一所述的循环比、细胞密度、生长因数和STY值结合使用。
在另一个方面中，在乙醇浓度达到约10g/L或更大时，乙醇减少的物流向发酵的供应速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25，在另一个方面中，约0.5～约10，在另一个方面中，约0.5～约5，在另一个方面中，约0.5～约1，在另一个方面中，约1～约20，在另一个方面中，约5～约15，在另一个方面中，约5～约10，在另一个方面中，约4～约8，且在另一个方面中，约5～约7，在另一个方面中，约5，在另一个方面中，约6，且在另一个方面中，约7。在类似方面中，在乙醇浓度达到约10g/L或更大且细胞密度达到约0.5g/L或更大时，在另一个方面中，约0.6g/L或更大，在另一个方面中，约0.7g/L或更大，在另一个方面中，约0.8g/L或更大，在另一个方面中，约0.9g/L或更大，在另一个方面中，约1.0g/L或更大，在另一个方面中约1.5g/L或更大，在另一个方面中约2.0g/L或更大，在另一个方面中约2.5g/L或更大，在另一个方面中约0.5～约5.0g/L，在另一个方面中约1.0～约4.0g/L，且在另一个方面中约2.0～约3.0g/L时，乙醇减少的物流向发酵的供应速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25，在另一个方面中，约0.5～约10，在另一个方面中，约0.5～约5，在另一个方面中，约0.5～约1，在另一个方面中，约1～约20，在另一个方面中，约5～约15，在另一个方面中，约5～约10，在另一个方面中，约4～约8，在另一个方面中，约5～约7，在另一个方面中，约5，在另一个方面中，约6，且在另一个方面中，约7。所述方法有效用于提供约0.01～约1的生长因数，在另一个方面中，约0.01～约0.5，在另一个方面中，约0.01～约0.25，且在另一个方面中约0.01～约0.1。所述方法进一步有效用于提供约10克/(升·天)～约200克/(升·天)的STY，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约160克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约120克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约80克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约140克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约100克/(升·天)，在另一个方面中，约40克/(升·天)～约140克/(升·天)，且在另一个方面中，约40克/(升·天)～约100克/(升·天)。
在另一个方面中，在乙醇浓度达到约20g/L或更大时，乙醇减少的物流向发酵的供应速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25，在另一个方面中，约0.5～约10，在另一个方面中，约0.5～约5，在另一个方面中，约0.5～约1，在另一个方面中，约1～约20，在另一个方面中，约5～约15，在另一个方面中，约5～约10，在另一个方面中，约4～约8，且在另一个方面中，约5～约7，在另一个方面中，约5，在另一个方面中，约6，且在另一个方面中，约7。在类似方面中，在乙醇浓度达到约10g/L或更大且细胞密度达到约0.5g/L或更大时，在另一个方面中，约0.6g/L或更大，在另一个方面中，约0.7g/L或更大，在另一个方面中，约0.8g/L或更大，在另一个方面中，约0.9g/L或更大，在另一个方面中，约1.0g/L或更大，在另一个方面中约1.5g/L或更大，在另一个方面中约2.0g/L或更大，在另一个方面中约2.5g/L或更大，在另一个方面中约0.5～约5.0g/L，在另一个方面中约1.0～约4.0g/L，且在另一个方面中约2.0～约3.0g/L时，乙醇减少的物流向发酵的供应速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25，在另一个方面中，约0.5～约10，在另一个方面中，约0.5～约5，在另一个方面中，约0.5～约1，在另一个方面中，约1～约20，在另一个方面中，约5～约15，在另一个方面中，约5～约10，在另一个方面中，约4～约8，在另一个方面中，约5～约7，在另一个方面中，约5，在另一个方面中，约6，且在另一个方面中，约7。所述方法有效用于提供约0.01～约1的生长因数，在另一个方面中，约0.01～约0.5，在另一个方面中，约0.01～约0.25，且在另一个方面中约0.01～约0.1。所述方法进一步有效用于提供约10克/(升·天)～约200克/(升·天)的STY，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约160克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约120克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约80克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约140克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约100克/(升·天)，在另一个方面中，约40克/(升·天)～约140克/(升·天)，且在另一个方面中，约40克/(升·天)～约100克/(升·天)。
在另一个方面中，在乙醇浓度达到约30g/L或更大时，乙醇减少的物流向发酵的供应速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25，在另一个方面中，约0.5～约10，在另一个方面中，约0.5～约5，在另一个方面中，约0.5～约1，在另一个方面中，约1～约20，在另一个方面中，约5～约15，在另一个方面中，约5～约10，在另一个方面中，约4～约8，且在另一个方面中，约5～约7，在另一个方面中，约5，在另一个方面中，约6，且在另一个方面中，约7。在类似方面中，在乙醇浓度达到约10g/L或更大且细胞密度达到约0.5g/L或更大时，在另一个方面中，约0.6g/L或更大，在另一个方面中，约0.7g/L或更大，在另一个方面中，约0.8g/L或更大，在另一个方面中，约0.9g/L或更大，在另一个方面中，约1.0g/L或更大，在另一个方面中约1.5g/L或更大，在另一个方面中约2.0g/L或更大，在另一个方面中约2.5g/L或更大，在另一个方面中约0.5～约5.0g/L，在另一个方面中约1.0～约4.0g/L，且在另一个方面中约2.0～约3.0g/L时，乙醇减少的物流向发酵的供应速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25，在另一个方面中，约0.5～约10，在另一个方面中，约0.5～约5，在另一个方面中，约0.5～约1，在另一个方面中，约1～约20，在另一个方面中，约5～约15，在另一个方面中，约5～约10，在另一个方面中，约4～约8，在另一个方面中，约5～约7，在另一个方面中，约5，在另一个方面中，约6，且在另一个方面中，约7。所述方法有效用于提供约0.01～约1的生长因数，在另一个方面中，约0.01～约0.5，在另一个方面中，约0.01～约0.25，且在另一个方面中约0.01～约0.1。所述方法进一步有效用于提供约10克/(升·天)～约200克/(升·天)的STY，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约160克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约120克/(升·天)，在另一个方面中，约10克/(升·天)～约80克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约140克/(升·天)，在另一个方面中，约20克/(升·天)～约100克/(升·天)，在另一个方面中，约40克/(升·天)～约140克/(升·天)，且在另一个方面中，约40克/(升·天)～约100克/(升·天)。
实施例
实施例1：水循环对H2和CO的摄取的影响
在60g/L的STY水平下利用Clostridium ljungdahlii进行发酵。将乙醇浓度与总的H2和CO摄取的图示于图8中。在这种发酵中，一旦乙醇浓度超过36.8g/L，立即开始水循环。在开始水循环之后，乙醇浓度下降至约28g/L。H2和CO的总摄取在乙醇浓度为约33.7g/L处达到最大，然后当乙醇浓度超过36g/L时从约2.02mol/分钟下降至约1.85mol/分钟。一旦开始水循环(约第537小时)，乙醇浓度下降且总的H2和CO的摄取增大。连续进行发酵而不进行水循环导致总的H2和CO的总摄取下降且培养物失效。
尽管利用本文中公开的发明的具体实施方案、实施例和应用对本文中公开的发明进行了描述，但是在不背离权利要求书所提出的本发明的范围的条件下本领域技术人员可对其完成大量变体和变化。

Claims (33)

1.一种用于合成气发酵的方法，包括：
将合成气与接种的介质接触，所述接种的介质具有至少约0.1克/升的细胞密度；
将细胞和介质从发酵移出并对移出的细胞和介质进行分离以提供浓缩的细胞和渗透物；
将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流；以及
将乙醇减少的水物流供应至发酵；
其中乙醇减少的水物流向发酵供应的速率对所述细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25。
2.权利要求1的方法，其中在发酵中达到超过约10g/L的乙醇浓度时，将细胞和介质移出。
3.权利要求1的方法，其中在达到约0.5g/L或更大的细胞密度时，将细胞和介质移出。
4.权利要求1的方法，其中在发酵中保持乙醇浓度超过约10g/L。
5.权利要求1的方法，其中将渗透物转移到渗透物保持罐。
6.权利要求5的方法，其中将渗透物转移到蒸馏塔。
7.权利要求6的方法，其中在蒸馏之前，通过与乙醇减少的水物流的热交换对渗透物进行预热。
8.权利要求6的方法，其中在将乙醇减少的水物流供应至发酵之前，使用乙醇减少的水物流对发酵罐的废气进行洗涤。
9.权利要求1的方法，其中乙醇减少的水物流包含乙酸。
10.权利要求6的方法，其中在蒸馏之前将CO2从渗透物移出。
11.权利要求1的方法，其中在测抽取口处将杂醇油从蒸馏塔移出。
12.一种用于合成气发酵的方法，包括：
将合成气与接种的介质接触，所述接种的介质具有至少约0.1克/升的细胞密度；
在发酵中达到超过约10g/L的乙醇浓度时，将细胞和介质移出并分离细胞和介质以提供浓缩的细胞和渗透物；
将渗透物转移到渗透物保持罐；
将渗透物从渗透物保持罐转移到蒸馏塔，所述蒸馏塔有效用于将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流；
将乙醇减少的水物流供应至发酵；
其中乙醇减少的水物流向发酵供应的速率对细胞和介质从发酵移出的速率之比为约0.5～约25。
13.权利要求12的方法，其中在达到约0.5g/L或更大的细胞密度时，将细胞和介质移出。
14.权利要求12的方法，其中在蒸馏之前，通过与乙醇减少的水物流的热交换对渗透物进行预热。
15.权利要求12的方法，其中在将乙醇减少的水物流供应至发酵之前，使用乙醇减少的水物流对发酵罐的废气进行洗涤。
16.权利要求12的方法，其中乙醇减少的水物流包含乙酸。
17.权利要求12的方法，其中在蒸馏之前将CO2从渗透物移出。
18.权利要求12的方法，其中在测抽取口处将杂醇油从蒸馏塔移出。
19.一种用于合成气发酵的方法，包括：
对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质；
将合成气与接种的介质接触；
将细胞和介质从发酵移出并分离细胞和介质以提供浓缩的细胞和渗透物；
将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流；以及
将乙醇减少的水物流供应至发酵；
其中乙醇减少的水物流向发酵供应的速率与细胞和介质从发酵移出的速率有效用于提供至少约0.01克/克/小时的生长因数。
20.权利要求19的方法，其中在发酵中达到超过约10g/L的乙醇浓度时，将细胞和介质移出。
21.权利要求19的方法，其中在达到约0.5g/L或更大的细胞密度时，将细胞和介质移出。
22.权利要求19的方法，其中将渗透物转移到渗透物保持罐。
23.权利要求22的方法，其中将渗透物转移到蒸馏塔。
24.权利要求23的方法，其中在蒸馏之前，通过与乙醇减少的水物流的热交换对渗透物进行预热。
25.权利要求19的方法，其中在将乙醇减少的水物流供应至发酵之前，使用乙醇减少的水物流对发酵罐的废气进行洗涤。
26.权利要求19的方法，其中乙醇减少的水物流包含乙酸。
27.权利要求19的方法，其中在蒸馏之前将CO2从渗透物移出。
28.权利要求19的方法，其中在测抽取口处将杂醇油从蒸馏塔移出。
29.一种用于合成气发酵的方法，包括：
对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质；
将合成气与接种的介质接触；
测量生长因数并在生长因数小于临界生长因数时将水物流供应至发酵。
30.权利要求29的方法，其中水物流包含乙醇减少的水物流，其中
所述乙醇减少的水物流通过如下操作得到：
将细胞和介质从发酵移出并分离细胞和介质以提供浓缩的细胞和渗透物；
将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流。
31.一种用于合成气发酵的方法，包括：
对介质进行接种以提供具有至少约0.1克/升细胞密度的接种的介质；
将合成气与接种的介质接触；
测量生长因数并以有效用于保持生长因数在临界生长因数之上的量将水物流供应至发酵。
32.权利要求31的方法，其中水物流包含乙醇减少的水物流，其中
所述乙醇减少的水物流通过如下操作得到：
将细胞和介质从发酵移出并分离细胞和介质以提供浓缩的细胞和渗透物；
将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流。
33.一种用于合成气发酵的高产率方法，包括：
将合成气与接种的介质接触，所述接种的介质具有至少约0.1g/L的细胞密度；
将细胞和介质从发酵移出并对移出的细胞和介质进行分离以提供浓缩的细胞和渗透物；
将乙醇从渗透物分离以提供乙醇和乙醇减少的水物流；以及
将乙醇减少的水物流供应至发酵；
其中乙醇减少的水物流的供应速率对细胞和介质的移出速率之比为约0.5～约25；
其中所述方法有效用于保持至少约60克/(升·天)的STY。
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