CN105296543B - 用于合成气发酵的生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种生物反应器，其包括主反应器，所述主反应器具有选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造。所述生物反应器还包括生长反应器，其与所述主反应器连续并具有选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造。还提供了一种方法，在所述方法中将产乙酸细菌与合成气在与反应器容器的主发酵罐部分相连续的反应器容器的生长发酵罐部分中相接触。

Description

用于合成气发酵的生物反应器
本申请是申请日为2012年5月31日、中国国家申请号为201280032603.9、发明名称为“用于合成气发酵的生物反应器”的申请的分案申请。
本申请要求2011年6月30日提交的美国临时申请号61/571,564和61/571,565以及2011年9月13日提交的61/573,845的优先权，所述临时申请以其全部内容通过参考并入本文。
技术领域
本申请提供了用于合成气发酵的方法和生物反应器。更具体来说，所述生物反应器包括与主反应器部分相连续的生长反应器部分。
背景技术
厌氧微生物可以通过气态底物的发酵从一氧化碳(CO)生产乙醇。使用来自于梭状芽胞杆菌属(Clostridium)的厌氧微生物发酵，产生乙醇和其他有用产品。例如，美国专利号5,173,429描述了李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)ATCC No.49587，一种从合成气体生产乙醇和乙酸盐的厌氧微生物。美国专利号5,807,722描述了使用李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)ATCC No.55380将废气转变成有机酸和醇类的方法和装置。美国专利号6,136,577描述了使用李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)ATCC No.55988和55989将废气转变成乙醇的方法和装置。
CO通常作为采取合成气形式的气态底物的一部分提供给发酵。将含碳材料气化以产生包括一氧化碳和氢的发生气或合成气体或合成气，在本领域中是公知的。这样的气化过程通常包括含碳材料的部分氧化或贫空气氧化，其中向气化过程供应低于化学计算量的氧以促进一氧化碳的生产，如WO 2009/154788中所述。
气态底物的发酵可能是挑战性的，这是因为至少一部分气态底物必须溶解在水性发酵液中，然后底物才能被微生物培养物代谢。由于在代谢能够发生之前需要将大量底物溶解在发酵液中，因此利用气态底物为发酵提供碳源和能源的发酵尤其具有挑战性。由于CO为厌氧发酵提供碳源，因此诸如CO这样在水性发酵液中具有低溶解性的底物，需要高度有效地传质到水性发酵液中。提高CO传质的尝试描述在美国专利号5,972,661和7,201,884以及WO 2011/028137中。
使用产乙酸细菌的发酵过程通常包括一个或多个种子反应器、一个或多个生长反应器和至少一个主反应器。通常将产乙酸细菌在种子反应器中生长至一定细胞密度。然后使用种子反应器接种生长发酵罐。生长发酵罐通常具有比种子反应器更大的尺寸。然后将生长反应器中的产乙酸细菌生长至所需细胞密度。然后可以使用生长反应器接种另一个更大的生长反应器，或者可用其接种主反应器。主反应器具有比生长反应器更大的尺寸。多个反应器的使用增加了启动时间并增加成本。
发明概述
本申请提供了有效用于合成气发酵的方法和装置。所述生物反应器可以包括生长发酵罐部分和主发酵罐部分。包含生长发酵罐作为主反应器的连续部分允许减少分开的生长发酵罐的数量，这可以减少启动时间并降低设备数目和成本。
提供了一种生物反应器，其包括具有选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造的主反应器。所述生物反应器还包括与所述主反应器连续，并具有选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造的生长反应器。在这种情况下，所述主反应器体积与生长反应器体积之比为约10:1至约100:1。
在另一种情况下，提供了一种启动方法，所述方法包括将产乙酸细菌与合成气在反应器容器的生长发酵罐部分中接触有效地提供至少约3克/升的细胞密度的时间。在达到至少约3克/升的细胞密度后，向所述反应器容器添加培养基，以在所述反应器容器中达到液体水平面。在培养基添加期间，培养基以有效地维持至少约3克/升的细胞密度的速率添加。在这种情况下，将所述产乙酸细菌与所述合成气在与所述反应器容器的所述主反应器部分相连续的所述反应器容器的生长反应器部分中相接触。所述生长反应器部分包括选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造。所述主反应器部分包括选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造。
在另一种情况下，提供了一种启动方法，所述方法包括将产乙酸细菌与合成气在反应器容器中接触有效地提供至少约5克/升的细胞密度的时间。在达到约5克/升的细胞密度后，加入培养基以达到所述反应器容器中的液体水平面。在这种情况下，将所述产乙酸细菌与所述合成气在与所述反应器容器的主反应器部分相连续的所述反应器容器的生长反应器部分中相接触。所述生长反应器部分包括选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造。所述主反应器部分包括选自搅拌和非搅拌釜反应器、滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、移动床生物反应器(MBBR)和泡罩塔反应器的构造。
在另一种情况下，提供了一种用于合成气发酵的方法。所述方法包括将产乙酸细菌与合成气在反应器容器的生长部分中接触有效地提供至少约3克/升的细胞密度的时间。向所述反应器容器加入培养基，并在同时维持至少约3克/升的细胞密度，直至在所述反应器容器的主要部分中达到液体水平面。在这种情况下，所述反应器容器的所述生长部分和主要部分是连续的。通过气体喷布器，将合成气以有效地将所述反应器容器内部的压力维持到至少约1psig的流速导入到所述反应器容器的所述主要部分中。所述合成气具有至少约0.75的CO/CO2摩尔比。向所述反应器容器的主要部分提供约0.01至约12千瓦/m3培养基的搅拌能量输入。所述方法有效地提供约100至约1500/小时的体积CO传质系数和至少10g乙醇/(L·日)的STY。
附图简述
从下面的图中，所述方法的几种情况的上述和其他方面、特点和优点将更加明显。
图1是生物反应器的透视图。
图2示出了生物反应器的可选替构造。
图3A和3B示出了气体入口/喷布器的底视图。
图4是气体喷布器的横截面视图。
图5A和5B是反应器容器的顶部横截面视图，其示出了不同的叶轮组件。
图6生物反应器的生长发酵罐部分的可选替构造。
在整个附图的几张视图中，相应的参考符号指示相应的组件。本领域技术人员将会认识到，图中的元件被简单明了地图示，并且不一定是按比例绘制的。例如，图中某些元件的尺寸相对于其他元件可能被放大，以帮助增强对本发明方法和装置的各种不同方面的理解。此外，在商业上可行的情况下有用或必需的共同但公知的元件没有被示出，以便于更少阻碍地示出这些各种不同方面。
详细描述
下面的描述不应以限制的意义看待，而仅仅是出于描述示例性实施方式的一般性原理的目的做出。本发明的范围应该参考权利要求书来确定。
通过改进条件以提高体积CO传质系数，来改善合成气发酵效率。所提供的方法和装置能够有效地提供约100至约1500/小时，在另一种情况下约200至约1100/小时，在另一种情况下约200至约900/小时，在另一种情况下约300至约800/小时，在另一种情况下约400至约700/小时，并且在另一种情况下约500至约600/小时的体积CO传质系数。影响CO传质系数的变量包括合成气喷射、反应器容器压力、合成气质量以及气体分散和混合。
本文提供的方法有效地提供高水平的生产率。就此而言，所述方法有效地提供至少约10g乙醇/(L·日)的STY(空时收率)。可能的STY值包括约10g乙醇/(L·日)至约200g乙醇/(L·日)，在另一种情况下约10g乙醇/(L·日)至约160g乙醇/(L·日)，在另一种情况下约10g乙醇/(L·日)至约120g乙醇/(L·日)，在另一种情况下约10g乙醇/(L·日)至约80g乙醇/(L·日)，在另一种情况下约20g乙醇/(L·日)至约140g乙醇/(L·日)，在另一种情况下约20g乙醇/(L·日)至约100g乙醇/(L·日)，在另一种情况下约40g乙醇/(L·日)至约140g乙醇/(L·日)，并且在另一种情况下约40g乙醇/(L·日)至约100g乙醇/(L·日)。
定义
除非另有定义，否则在整个本公开的说明书中使用的下列术语如下所定义，并且可以包括下面所确定的定义的单数或复数形式：
修饰任何量的术语“约”是指在真实世界条件中，例如在实验室、中试厂或生产厂中所遇到的量的变差。例如，在混合物或数量中使用的成分或测量值的量，当用“约”修饰时，包括在生产厂或实验室中的实验条件下，在测量中通常使用的变差和照管程度。例如，产物组分的量当用“约”修饰时，包括在工厂或实验室的多批实验中不同批次之间的变差，以及分析方法所固有的变差。不论是否用“约”修饰，量包括所述量的等同物。本文中陈述并用“约”修饰的任何数量，也可以作为没有用“约”修饰的量使用在本公开中。
当在本文中使用时，“含碳材料”是指富含碳的材料例如煤和石化产品。然而，在本说明书中，含碳材料包括无论采取固态、液态、气态还是等离子态的任何碳材料。在可以被当作含碳材料的大量物品中，本公开设想了：含碳材料，含碳液体产物，含碳工业液体回收利用物，含碳市政固体废物(MSW或msw)，含碳城市废物，含碳农业材料，含碳林业材料，含碳木材废物，含碳建筑材料，含碳植物材料，含碳工业废物，含碳发酵废物，含碳石化联产物，含碳醇类生产联产物，半无烟煤，轮胎，塑料，废塑料，焦炉焦油，软纤维(fibersoft)，木质素，黑液，聚合物，废聚合物，聚对苯二甲酸乙二酯(PETA)，聚苯乙烯(PS)，污水污泥，动物废物，作物残留物，能源作物，林业加工残留物，木材加工残留物，家畜粪便，家禽粪便，食品加工残留物，发酵过程废物，乙醇联产物，酒糟，废微生物或其组合。
术语“软纤维”(fibersoft或Fibersoft或fibrosoft或fibrousoft)是指作为各种物质的软化和浓缩的结果而产生的一种类型的含碳材料；在一个实例中，含碳材料通过各种物质的蒸气压热处理来生产。在另一个实例中，软纤维可以包括市政、工业、商业和医疗废物的蒸气压热处理产生的纤维状糊状材料。
术语“市政固体废物”或“MSW”或“msw”是指可以包括家庭、商业、工业和/或残余废物的废物。
术语“合成气”或“合成气体”是指用于称呼含有不同量一氧化碳和氢的气体混合物的合成气体。生产方法的实例包括天然气或烃类的水蒸气重整以产生氢，煤的气化以及在某些类型的废物产能气化设施中。该名称来自于它们在产生合成天然气(SNG)中作为中间体和用于生产氨或甲醇。合成气的用途包括在通过Fischer-Tropsch合成生产用作燃料或润滑剂的合成石油以及以前的Mobil甲醇制汽油过程中作为中间体。合成气主要由氢、一氧化碳和一些二氧化碳构成，并具有不到一半的天然气的能量密度(即BTU含量)。合成气是可燃烧的，并且通常被用作燃料源或作为中间体用于其他化学品的生产。
术语“发酵”、“发酵过程”或“发酵反应”等打算涵盖所述过程的生长阶段和产物生物合成阶段两者。在一种情况下，发酵是指将CO转变成醇类。
当在本文中使用时，“传质”是指原子或分子、尤其是底物原子或分子从气相向水性溶液中的转移。传质系数可以按照Younesi等(Iranian Journal of Biotechnology,Vol.4,No.1,January 2006)中描述的方程来计算，所述文献通过参考并入本文。下面的方程表示CO生物转化(XCO)和体积传质系数：
Figure BDA0000813834450000071
kLa：体积传质系数
XCO：CO生物转化的％％
R：常数
T：温度
VL：液体体积
H：Henry常数(CO＝1.226升·atm·mmol-1)
vg：气体体积
术语“提高效率”、“高效率”等当与发酵过程关联使用时，包括提高下列参数中的一种或多种：发酵中微生物的生长速率，消耗每单位体积或质量的底物(例如一氧化碳)所产生的所需产物(例如醇类)的体积或质量，所需产物的生产速率或生产水平，以及产生的所需产物与发酵的其他副产物的相对比例。
生物反应器设计
图1是生物反应器装置的透视图。生物反应器装置包括限定了主反应器容器100的外壳105。主反应器容器100可以是基本上圆柱形的，并且反应器容器的横截面可以造型成圆形、基本上圆形的形式或有效地提高混合和传质的其他形状。外壳105可以由已知抵抗至少约1psig并高达至少约250psig的操作压力并且与培养基相容的任何材料形成。在各种不同情况下，可以使用下列压力：约5至约200psig，约5至约100psig，约5至约50psig，约5至约25psig，约10至约200psig，约10至约100psig，约10至约50psig，约10至约25psig，约15至约200psig，约15至约100psig，约15至约50psig，约15至约25psig，约20至约200psig，约20至约100psig，约20至约50psig和约20至约25psig。适合的材料的一些实例包括不锈钢、具有适当内衬的钢和玻璃。
正如在图1中进一步示出的，合成气通过气体入口/分配器/喷布器120进入主反应器容器100。合成气的分散和进一步混合使用偶联到传动轴200的至少一个气体分散叶轮225和至少一个混合叶轮220来实现。传动轴200由搅拌机支撑板210支撑。气体通过排气阀170从主反应器容器100排出。主反应器容器100还可以包含挡板300以进一步增强混合。在这种情况下，挡板300可以延伸到未通气的液体水平面115上方约25％，以允许在发现系统具有低泡时使用更高的操作液位。
在另一种情况下，主反应器容器100可以包括添加端口230。添加端口230可以包括例如一个或多个酸添加端口、一个或多个碱添加端口以及一个或多个营养物添加端口。在这种情况下，添加端口可以围绕反应容器的周边等间距隔开。端口可以在相同或不同的水平面上。在一种情况下，主反应器容器100包括与混合叶轮220相邻的至少4个等间距的培养基添加端口。端口可以围绕主反应器容器100的周边以45°角隔开。
在主反应器容器100中维持通气的液体水平面110和未通气的液体水平面115。在主反应器容器100中维持未通气的液体水平面115允许更有效的传质，并有助于维持发泡的控制。在这种情况下，在主反应器容器100中维持未通气的液体水平面115，其有效地提供主反应器容器100的总体积的至少约1％的顶部空间。在另一种情况下，未通气的液体水平面115提供主反应器容器100的总体积的约1至约75％的顶部空间。在各种不同情况下，顶部空间可以包括反应器的总体积的下列百分率：约5至约50％，约10至约50％，约15至约50％，约20至约50％，约25至约50％，约30至约50％，约30至约40％和约30至约35％。主反应器容器100也可以包括至少一个液体入口130，其协助控制发泡并允许调整反应器液体体积。液体入口130可以采取喷嘴的形式。主反应器容器100还可以包括其他端口190。
正如在图1中进一步示出的，主反应器容器100还可以与生长反应器部分400连续。可以将涡流消除器410配置在生长反应器部分内并在培养基出口420上方。生长反应器部分400和涡流消除器410有效地防止气体通过培养基出口420被抽出。通过培养基出口420抽出的培养基可以被送往培养基再循环回路450或培养基过滤回路460。来自于培养基再循环回路450的培养基可以被送往冷却器/热交换器500，并且可以将冷却的培养基510循环回到反应器容器100。在这种情况下，主反应器体积与生长反应器体积之比为约10:1至约100:1，在另一种情况下约10:1至约75:1，在另一种情况下约10:1至约50:1，在另一种情况下约10:1至约40:1，在另一种情况下约10:1至约30:1，在另一种情况下约15:1至约50:1，在另一种情况下约15:1至约40:1，在另一种情况下约15:1至约30:1，在另一种情况下约16:至约25:1。
在主反应器运行期间，可以将生长反应器400用作气体/液体脱离接触区，其有效地允许气泡从生长反应器400上升回到主反应器容器100中。在这种情况下，在主反应器100运行期间生长反应器400中的液体应该尽可能不被扰乱。气泡必须比液体被向下抽取更快的速度上升离开生长反应器部分400。在这种情况下，少于约2％的气体通过培养基出口420被抽取到泵。主反应器体积与生长反应器体积之比为约10:1至约100:1。
来自于培养基过滤回路460的培养基可以被送往再循环过滤器600。浓缩的细胞610被送回到主反应器容器100，并将透过液620送去进行进一步处理。进一步处理可以包括所需产物例如乙醇、乙酸和丁醇的分离。
在另一种情况下，生物反应器可以被构造成不含叶轮。例如，生物反应器可以被构造成滴流床反应器(TBR)、并流接触器(CCC)、泡罩塔反应器或移动床生物反应器(MBBR)。在这些反应器构造中，提供约0.01至约12千瓦/m3培养基的搅拌能量。并流接触器(CCC)的一些实例包括在美国专利号4,834,343和5,286,466中进一步说明的并流下行接触器(CDC)，所述专利通过参考并入本文。移动床生物反应器(MBBR)的实例提供在美国公布号2009/0035848中，其通过参考并入本文。
图2示出了可以选的反应器构造，其中主反应器是泡罩塔反应器800。泡罩塔反应器可以是浆液泡罩塔、填充泡罩塔或盘式泡罩塔。如图2中所示，泡罩塔反应器800是多级泡罩塔，并且可以包括本领域中已知的任何类型的内部塔排列方式700。泡罩塔还可以包括环流反应器，其可以包括气升环流反应器、螺旋桨环流反应器和喷气环流反应器。泡罩塔反应器的一些实例提供在美国专利号7,309,599、6,440,712和5,242,643中，以及在Shah等，AIChE Journal,Vol.28,Issue 3第353-379页(1982)和Chang等Process Biochemistry,Vol.37,Issue 4,第411-421页(2001)中，所有上述文献通过参考并入本文。
合成气和合成气喷射
将合成气通过气体入口/喷布器120导入到生物反应器100中。合成气可以从任何已知来源提供。在一种情况下，合成气可以源自于含碳物质的气化。气化包括生物质在受限的氧供应中的部分燃烧。得到的气体主要包括CO和H2。在这种情况下，合成气含有至少约20摩尔％CO，在一种情况下约20至约100摩尔％CO，在另一种情况下约30至约90摩尔％CO，在另一种情况下约40至约80摩尔％CO，并且在另一种情况下约50至约70摩尔％CO。合成气具有至少约0.75的CO/CO2摩尔比。适合的气化方法和装置的一些实例提供在美国系列号61/516,667、61/516,704和61/516,646中，所有这些申请都在2011年4月6日提交，并且全都通过参考并入本文。
生物反应器可以包括CO浓度梯度，其中靠近喷布器的CO浓度高于生物反应器较高平面处的CO浓度。在这种情况下，生物反应器包括约100:1至约10:1的生物反应器底部水平面(喷布器水平面)CO浓度与生物反应器顶部水平面CO浓度的比例。
可能影响CO在水性培养基中的传质速率的一种因素，是包含CO的气态底物的分压。在这种情况下，可以通过富集或移除不想要的组分以提高CO在气态料流中的比例，来提高传质速率。在这种情况下，气态料流具有低于约10ppm的氧合或非氧合芳香族化合物。
图3A和3B示出了气体入口/喷布器120的底视图。在这种情况下，气体入口/喷布器120可以包括与喷布器组件540连通的入口导管530。喷布器组件540可以如所示是基本上环形或圆形的，或者可以是任何其他形状，例如直线、矩形或自由形式。在喷布器组件540为环形形状的情况下，喷布器组件540的直径为气体分散叶轮225形成的直径的约30至约100％，在各种不同情况下约40至约90％、约40至约80％和约50至约70％。
气体喷布器组件540的底部部分可以包括大量孔550。孔550的直径能够有效地提供在孔的出口处约25m/sec或更大的气体速度，在另一种情况下，在孔的出口处约25m/sec至约75m/sec的气体速度。在各种不同情况下，所述气体速度可以包括下列范围：约25至约75m/sec，约25至约50m/sec，约25至约40m/sec，约25至约30m/sec，约30至约75m/sec，约30至约50m/sec，约30至约40m/sec，约35至约75m/sec，约35至约50m/sec，约35至约40m/sec，约40至约75m/sec，约40至约50m/sec和约50至约75m/sec。在这种情况下，孔具有约10mm或更小的直径，并且在另一种情况下约2.5mm至约1.0mm的直径。
图4示出了喷布器组件540的横截面视图。在这种情况下，虚线箭头线示出了通过孔550的气体流动。使用通往喷布器组件的中点画出的线示出了120°的角度(示出为α)。孔可以位于沿着喷布器组件的任何角度处。在一种情况下，喷布器组件540包括约1至约5行平行的孔550。孔550隔开并指向向下方向。如图4中所示，喷布器组件540包括相隔30°的5行平行的孔550，孔的总数为790个。孔的向下指向的方向有效地防止孔的结垢或堵塞，并帮助最小化回流到喷布器组件540中。
气体分散和混合
再次参考图1，反应器容器100还包括混合组件，其包括传动轴200、至少一个混合叶轮220和至少一个气体分散叶轮225。混合叶轮220一般位于液体水平面110下方。在一种情况下，反应器容器100包括两个或更多混合叶轮220。气体分散叶轮225位于混合叶轮220下方。反应器容器100可以包括一个或两个或更多气体分散叶轮225。
现在参考图5A，每个混合和气体分散叶轮组件包括轮毂500和围绕传动轴200排列的一组叶轮。每个叶轮包括附连于轮毂500并带有一个或多个叶片520的臂510。叶片可以是混合叶轮或气体分散叶轮。混合叶轮组件包括至少2个叶片，并且可以包括多达6个叶片。混合叶轮的实例包括低能叶轮例如船用叶轮或船用推进器。在另一种情况下，气体分散叶轮组件包括至少2个叶片，并且可以包括多达6个叶片。气体分散叶轮的实例包括高能叶轮例如拉什顿(Rushton)叶轮或凹面叶轮。图5A与图5B类似，区别在于叶片520直接附连于轮毂500。
在传动轴200旋转后，通过气体入口/喷布器导入的合成气被夹带在培养基中的小气泡中，并围绕反应器容器100的一般为圆形的横截面运动。传动轴可操作连接到任何适合的搅拌机并且可以使用其转动，所述搅拌机例如电动机、发动机和齿轮箱、或液压发动机。在这种情况下，搅拌机提供约0.3至约12千瓦/m3、在另一种情况下约0.7千瓦/m3至约12千瓦/m3、并且在重要情况下0.9千瓦/m3至约12千瓦/m3培养基的能量输入。
生物反应器运行
根据一种情况，通过向反应器容器添加适合的培养基来开始发酵过程。反应器容器中包含的液体可以包括任何类型的适合的营养培养基或发酵液。营养培养基包含有效地允许所使用的微生物生长的维生素和矿物质。适合使用CO作为碳源进行乙醇发酵的厌氧培养基是已知的。适合的发酵培养基的实例描述在美国专利号7,285,402中，其通过参考并入本文。
将培养基灭菌以除去不想要的微生物，并将反应器用所需微生物接种。在一种情况下，所利用的微生物包括产乙酸细菌。有用的产乙酸细菌的实例包括梭状芽胞杆菌属(Clostridium)的细菌，例如李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)菌株，包括在WO 2000/68407、EP 117309、美国专利号5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO 1998/00558和WO2002/08438中所描述的，Clostridium autoethanogenum菌株(德国DSMZ保藏号DSM 10061和DSM 19630)，包括在WO 2007/117157和WO 2009/151342中所描述的，以及Clostridiumragsdalei(P11，ATCC BAA-622)和Alkalibaculum bacchi(CP11，ATCC BAA-1772)，包括分别在美国专利号7,704,723和“来自于生物质产生的合成气体的生物燃料和生物产品”(Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas，Hasan Atiyeh,presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference,April 29,2010)中所描述的，以及在美国专利申请号2007/0276447中所描述的食氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)(ATCC PTA-7827)。其他适合的微生物包括穆尔氏菌属(Moorella)的微生物包括Moorella sp.HUC22-1，以及Carboxydothermus属的微生物。这些参考文献每个通过参考并入本文。可以使用两种或更多种微生物的混合培养物。
有用的细菌的一些实例包括凯伍产乙酸菌(Acetogenium kivui)、潮湿厌氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)、Alkalibaculumbacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Blautia producta、甲基营养丁酸杆菌(Butyribacteriummethylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobactersubterraneous pacificus、Carboxydothermus hydrogenoformans、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)P262(德国DSMZ保藏号DSM 19630)、Clostridiumautoethanogenum(德国DSMZ保藏号DSM19630)、Clostridium autoethanogenum(德国DSMZ保藏号DSM 10061)、Clostridium autoethanogenum(德国DSMZ保藏号DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(德国DSMZ保藏号DSM 24138)、食氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)P7(ATCC PTA-7827)、Clostridium coskatii(ATCC PTA-10522)、Clostridium drakei、李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)PETC(ATCC 49587)、李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)ERI2(ATCC 55380)、李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)C-01(ATCC 55988)、李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)O-52(ATCC55889)、Clostridiummagnum、巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德国DSMZ保藏号DSM 525)、Clostridiumragsdali P11(ATCC BAA-622)、Clostridium scatologenes、嗜热乙酸梭菌(Clostridiumthermoaceticum)、Clostridium ultunense、库氏脱硫肠状菌(Desulfotomaculumkuznetsovii)、粘液真杆菌(Eubacterium limosum)、Geobacter sulfurreducens、Methanosarcina acetivorans、巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)、热醋穆尔氏菌(Morrella thermoacetica)、Morrella thermoautotrophica、Oxobacter pfennigii、产生消化链球菌(Peptostreptococcus productus)、产生瘤胃球菌(Ruminococcusproductus)、Thermoanaerobacter kivui及其混合物。
在接种后，建立初始进料气体供应速率以有效地供应初始微生物群体。分析流出气体以确定流出气体的内含物。使用气体分析的结果来控制进料气体速率。在达到所需液位后，从反应器抽出液体相和细胞材料，并用培养基补充。在这种情况下，运行生物反应器以维持至少约2克/升，并且在另一种情况下约2至约50克/升，在各种其他情况下约5至约40克/升、约5至约30克/升、约5至约20克/升、约5至约15克/升、约10至约40克/升、约10至约30克/升、约10至约20克/升、和约10至约15克/升的细胞密度。可以通过再循环过滤器600来控制细胞密度。在相关情况下，运行生物反应器以提供约10至约400小时，并且在各种情况下约10至约300小时、约10至约200小时、约10至约100小时、约10至约75小时、约10至约60小时、约10至约50小时、约10至约40小时、约10至约30小时和约10至约20小时的液体停留时间。在这种情况下，液体停留时间(LRT)可以如下计算：
Figure BDA0000813834450000151
将合成气以一定速率导入到生物反应器中，所述流速有效地将生物反应器中的压力维持在至少约1psig，并且在另一种情况下约10至约250psig的压力。在各种其他情况下，所述压力可以为约10至约200psig、约10至约100psig、约10至约75psig、约10至约50psig、约10至约25psig、约20至约250psig、约20至约200psig、约20至约100psig、约20至约75psig、约20至约50psig、约20至约25psig、约30至约250psig、约30至约200psig、约30至约100psig、约30至约75psig、约30至约50psig、约40至约250psig、约40至约200psig、约40至约100psig、约40至约75psig、约40至约50psig、约50至约250psig、约50至约200psig、约50至约100psig和约50至约75psig。
在一种情况下，在某些尺寸的发酵罐中，将合成气以约10至约50ft3/sec的速率并且在另一种情况下约25至约35ft3/sec的速率导入到气体入口/喷布器120中。通过控制合成气导入的速率并结合控制气体从反应容器排出的速率，来控制压力。压力可以在反应器顶部空间中或反应器容器底部处测量。
在一种情况下，喷布器孔550和跨所述孔的压力降对于提高CO的体积传质速率来说是重要的。跨喷布器孔550的压力降需要足够高，以确保气泡在喷布器组件540周围的分布。在这种情况下，喷射有效地提供约0.5psi至约2.5psi并且在另一种情况下约1psi至约2psi的跨喷布器孔550的压力降。喷布器孔550与其他喷射形式相比提供优势。例如，喷布器孔550有效地避免结垢，正如在使用烧结金属喷布器时可能出现的。此外，喷布器孔550有效地提供有助于提高传质的一致的气泡尺寸。
可能影响传质速率的另一个因素是气体停留时间。在这种情况下，生物反应器有效地提供至少约2分钟的气体停留时间，在另一种情况下约2分钟至约15分钟并且在另一种情况下约5至约10分钟的气体停留时间。气体停留时间(GRT)可以按照下列公式确定：
Figure BDA0000813834450000161
温度和离子强度也可能对传质速率具有影响。在这种情况下，生物反应器的温度为约30至约50℃。
生长反应器400的可替选构造示出在图6中。在这种情况下，生长反应器400在启动期间被用作生长反应器。生长反应器400被构造成包括生长反应器喷布器600。生长反应器400可以被构造成具有任何已知混合装置。例如，可以使用例如伴随着搅拌釜反应器的叶轮(未示出)或使用装备有导流管620的气升式发酵罐来进行气体混合。正如在图6中示出的，气升式发酵罐有效地使气泡610和细胞围绕生长发酵罐400流通。在这种情况下，在导流管620中上升的气泡610引起混合。气体的运动携带流体和细胞在导流管620中上升。在顶部处，气体离开液体，并且脱气的液体(其比充气液体更重)在导流管外的环中下降。在反应器的底部处，下降的流体遇到气体料流并被带回到导流管620中上升。其他反应器设计可以包括泡罩塔反应器、滴流床反应器(TBR)和并流反应器(CCC)。反应器可以包括外部气体回路，或者可以利用喷气式反应器。
通过将产乙酸细菌接种到包含在反应器容器的生长反应器部分400中的培养基中，来利用生长反应器。生长反应器400中的培养基填充生长反应器总体积的至少约75％，在另一种情况下至少约80％，在另一种情况下至少约85％，在另一种情况下至少约90％，并且在另一种情况下至少约95％。将生长反应器用合成气喷射并混合有效地提供目标细胞密度的时间。在一种情况下，目标细胞密度为约5至约40克/升，并且在各种其他情况下约5至约30克/升、约5至约20克/升、约5至约15克/升、约10至约40克/升、约10至约30克/升、约10至约20克/升和约10至约15克/升。在达到目标细胞密度后，允许培养基液位上升到生长反应器外并进入主反应器容器中直至以前标出的液位。停止生长反应器中的喷射和混合，并如前所述进行发酵。
在另一种情况下，使生长反应器中的细胞密度达到至少约3克/升的水平或本文中描述的任何细胞密度。在达到至少约3克/升的细胞密度后，以有效地允许细胞密度水平维持在至少约3克/升的水平的速率添加培养基。在达到所需培养基液位后，停止生长反应器中的喷射和混合，并如前所述进行发酵。
尽管已利用具体实施方式、实例及其应用对本文公开的发明进行了描述，但本领域技术人员可以对其做出大量修改和改变而不背离权利要求书中提出的本发明的范围。

Claims (3)

1.一种用于合成气发酵的方法，所述方法包括：
用培养基填充反应器容器的生长反应器部分的总体积的至少75％，其中主反应器体积与生长反应器体积之比为10:1至100:1，其中在主反应器运行期间，生长反应器被用作气体/液体脱离接触区，其允许气泡从生长反应器上升回到主反应器容器中，并且少于2％的气体通过培养基出口被抽取到泵；
将产乙酸细菌与合成气在反应器容器的生长部分中接触有效地提供至少3克/升的细胞密度的时间，其中所述反应器容器的生长部分被构造成非搅拌釜反应器；
向所述反应器容器添加培养基，并维持至少3克/升的细胞密度直至达到所述反应器容器的主要部分中的液体水平面，其中所述反应器容器的所述生长部分和主要部分是连续的；
将合成气通过气体喷布器导入到所述反应器容器的所述主要部分中，所述气体喷布器具有直径为10mm或更小的孔，所述合成气以有效地将所述反应器容器内部的压力维持到至少1psig的流速导入，其中所述合成气具有至少0.75的CO/CO2摩尔比，并且所述反应器包括100:1至10:1的反应器底部水平面CO浓度与反应器顶部水平面CO浓度的比例；以及
向所述反应器容器的所述主要部分提供0.01至12千瓦/m3培养基的搅拌能量输入，其中所述反应器容器的所述主要部分被构造成搅拌釜反应器，
其中所述方法提供10至400小时的液体停留时间，
其中所述方法提供2分钟至15分钟的气体停留时间，
其中所述方法有效地提供100至1500/小时的体积CO传质系数以及至少10g乙醇/(L·日)的空时收率。
2.权利要求1的方法，其中所述合成气跨所述喷布器的压力降为0.5至2.5psi。
3.权利要求1的方法，其中所述产乙酸细菌选自凯伍产乙酸菌(Acetogenium kivui)、潮湿厌氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)、Alkalibaculum bacchi CP11 ATCC BAA-1772、Blautia producta、甲基营养丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、Carboxydothermus hydrogenoformans、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)P262、Clostridium autoethanogenum德国DSMZ保藏号DSM 19630、Clostridium autoethanogenum德国DSMZ保藏号DSM 10061、Clostridiumautoethanogenum德国DSMZ保藏号DSM 23693、Clostridium autoethanogenum德国DSMZ保藏号DSM 24138、食氧化碳梭菌(Clostridium carboxidivorans)P7 ATCC PTA-7827、Clostridium coskatii ATCC PTA-10522、Clostridium drakei、李氏梭菌(Clostridiumljungdahlii)PETC ATCC 49587、李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)ERI2ATCC 55380、李氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)C-01ATCC 55988、李氏梭菌(Clostridiumljungdahlii)O-52ATCC 55889、Clostridium magnum、巴氏梭菌(Clostridiumpasteurianum)德国DSMZ保藏号DSM 525、Clostridium ragsdali P11 ATCC BAA-622、Clostridium scatologenes、嗜热乙酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、Clostridiumultunense、库氏脱硫肠状菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)、粘液真杆菌(Eubacteriumlimosum)、Geobacter sulfurreducens、Methanosarcina acetivorans、巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)、热醋穆尔氏菌(Morrella thermoacetica)、Morrellathermoautotrophica、Oxobacter pfennigii、产生消化链球菌(Peptostreptococcusproductus)、产生瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、Thermoanaerobacter kivui及其混合物。
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