CN105492614B - 用于连续气体发酵的多反应器系统和方法 - Google Patents

用于连续气体发酵的多反应器系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于使气体基质连续发酵的生物反应器系统，所述系统包括由中央排出管线连接的两个或更多个一级生物反应器和一个或多个二级生物反应器。还提供了一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方法，所述方法包括经由中央排出管线将发酵液从第一一级生物反应器通到其它一级生物反应器和/或二级生物反应器中。还提供了一种用于跨越多个生物反应器维持气体基质的稳定发酵的方法，所述方法包括经由中央排出管线将发酵液从一个或多个可操作的一级生物反应器提供到一个或多个二级生物反应器中。

Description

用于连续气体发酵的多反应器系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请依据美国法典第35篇第111条(a)款是非临时申请并且依据美国法典第35篇第119条(e)款要求2013年7月4日提交的美国临时61/843,046的优先权益，该美国临时61/843,046在此以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本发明涉及利用多生物反应器系统使气体基质进行连续发酵的系统和方法。本发明提供了一种系统，其中多个生物反应器由中央排出管线连接，所述中央排出管线允许所连接的生物反应器之间处于流体连通。还提供了一种用于缩短多个生物反应器的启动时间的方法。还提供了一种使用多个生物反应器进行灵活的连续气体发酵的方法。
背景技术
乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液体运输燃料。在2005年，在世界范围内，乙醇的消耗量估计有122亿加仑。由于欧洲、日本、美国以及一些发展中国家对乙醇的关注增加，因此燃料乙醇工业的全球市场也已经被预测在未来会急剧增长。
举例来说，在美国，使用乙醇生产E10，即10％乙醇在汽油中的混合物。在E10共混物中，乙醇组分充当补氧剂，从而提高燃烧效率并且减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇作为在汽油中共混的补氧剂以及其本身作为纯燃料这两者满足了约30％的运输燃料需求。此外，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放的后果的环境问题已经促使欧盟(European Union，EU)为成员国设立有关诸如生物质衍生的乙醇之类的可持续运输燃料的消耗的强制目标。
绝大多数的燃料乙醇是经由传统的基于酵母的发酵工艺生产的，这些发酵工艺使用作物衍生的碳水化合物，如从甘蔗提取的蔗糖或从粮食作物提取的淀粉，作为主要的碳源。然而，这些碳水化合物原料的成本会受到它们作为人类食物或动物饲料的价值所影响，而用于生产乙醇的产生淀粉或蔗糖的作物的种植并非在所有地区均是经济上可持续的。因此，所关注的是，研发使更低的成本和/或更丰富的碳资源转换成燃料乙醇的技术。
CO是诸如煤或石油和石油衍生产品之类的有机材料不完全燃烧的主要游离富含能量的副产物。举例来说，据报道，澳大利亚的钢铁工业每年产生并且向大气中释放超过500,000吨的CO。
可以使用催化工艺来使主要由CO和/或CO和氢气(H2)组成的气体转化成多种燃料和化学品。还可以使用微生物来使这些气体转化成燃料和化学品。这些生物过程尽管一般比化学反应要慢，但是与催化工艺相比具有若干优势，包括更高的特异性、更高的收率、更低的能量成本以及更大的抗中毒性。
微生物依靠CO作为唯一的碳源生长的能力最初是在1903年被发现的。这随后被确定为利用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生化途径(也被称为伍兹-扬达尔途径(Woods-Ljungdahl pathway)和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶(CODH/ACS)途径)的生物体的特性。包括一氧化碳营养型生物体、光合生物体、产甲烷型生物体以及产乙酸型生物体在内的很多厌氧生物体已经被证实将CO代谢成各种最终产物，即CO2、H2、甲烷、正丁醇、乙酸盐以及乙醇。虽然使用CO作为唯一的碳源，但是所有这些生物体均产生这些最终产物中的至少两种。
厌氧细菌，如来自梭菌属(Clostridium)的那些厌氧细菌已经被证实经由乙酰辅酶A生化途径由CO、CO2以及H2产生乙醇。举例来说，由气体产生乙醇的杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的各种菌株描述于WO 00/68407、EP 117309、美国专利号5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO 98/00558以及WO 02/08438中。细菌自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)菌种也已知会由气体产生乙醇(Abrini等，Archives ofMicrobiology 161，第345-351页(1994))。
然而，微生物通过气体发酵的乙醇产生始终与乙酸盐和/或乙酸的共同产生相关。由于一些可利用碳被转化成乙酸盐/乙酸而非乙醇，因此使用这样的发酵工艺的乙醇生产效率可能小于理想的生产效率。此外，除非乙酸盐/乙酸副产物可以被用于某其它目的，否则它可能会引起废物处理问题。乙酸盐/乙酸由微生物转化成甲烷并且因此有可能导致GHG排放。
在H2存在下使CO进行微生物发酵可以使得基本上全部的碳转移到醇中。然而，在不存在足够H2的情况下，一些CO被转化成醇，而很大一部分被转化成CO2，如以下化学方程式中所示：
6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2
12H2+4CO2→2C2H5OH+6H2O
CO2的产生表示总碳捕获的效率低并且如果被释放，也有可能导致温室气体排放。
WO2007/117157描述了一种通过使含有一氧化碳的气体进行厌氧发酵来产生醇，特别是乙醇的方法，该WO2007/117157的公开内容以引用的方式并入本文。作为发酵工艺的副产物而产生的乙酸盐被转化成氢气和二氧化碳气体，它们中的任一者或这两者可以被用于厌氧发酵工艺中。WO2008/115080描述了一种用于在多个发酵阶段中产生一种或多种醇的方法，该WO2008/115080的公开内容以引用的方式并入本文。在第一生物反应器中由于一种或多种气体的厌氧发酵而产生的副产物可以被用于在第二生物反应器中产生产物。此外，第二发酵阶段的副产物可以被再循环到第一生物反应器中以产生产物。
US 7,078,201和WO 02/08438也描述了通过改变当中进行发酵的液体营养培养基的条件(例如pH值和氧化还原电位)来改进用于产生乙醇的发酵工艺。如那些公开中所公开的那样，可以使用类似的工艺来产生其它醇，如丁醇。
即使是对用于产生一种或多种酸和/或一种或多种醇的发酵工艺的小的改进也可能对这种工艺的效率，并且更特别是商业可行性有显著的影响。本发明的目的在于提供克服了本领域已知的缺点并且为公众提供了用于最优地产生多种有用产物的新方法的一种或多种系统和/或一种或多种方法。
发明内容
在第一个方面，提供了一种用于连续发酵的生物反应器系统，所述生物反应器系统包括：
a.两个或更多个一级生物反应器，所述一级生物反应器被适配用于通过一种或多种微生物使气体基质发酵以产生发酵液；
b.一个或多个二级生物反应器，所述二级生物反应器被适配用于通过一种或多种微生物使气体基质发酵以产生一种或多种产物；以及
c.中央排出管线，
其中所述系统的一级生物反应器中的至少两个能够经由所述中央排出管线彼此处于流体连通并且与至少一个二级生物反应器处于流体连通。
在一个实施方案中，在所述一个或多个二级生物反应器中将在所述一级生物反应器的发酵液中产生的一种或多种酸的至少一部分转化成它相应的醇。
在第一个方面的一个实施方案中，所有生物反应器被配置用于使气体基质发酵以产生包括一种或多种酸和/或一种或多种醇的产物。在一个具体的实施方案中，所述气体基质选自由CO、H2、CO2以及其混合物组成的组。在一个具体的实施方案中，所述气体基质包含CO和任选的H2。在一个替代性实施方案中，所述气体基质包含CO2和H2。
在本发明的一个实施方案中，所述一级生物反应器包括用于将发酵液通到所述中央排出管线中的出口管道。在某些方面，所述一级生物反应器和二级生物反应器包括用于从所述中央排出管线接收发酵液的入口管道。在具体实施方案中，通过与所述入口管道集成的阀门(也被称为接种阀门)控制与所述中央排出管线连接的生物反应器之间的流体连通。这些阀门控制发酵液从一级生物反应器向其它一级生物反应器和/或二级生物反应器的通行，这取决于它们由操作人员打开还是关闭。
在一个具体的实施方案中，在主要促进一种或多种微生物生长以及产生一种或多种产物的条件下操作所述一级生物反应器。在一个具体的实施方案中，主要在由气体基质产生一种或多种产物的条件下操作所述二级生物反应器。在一个实施方案中，经由中央排出管线将在所述一级反应器中产生的发酵液通到二级生物反应器中，并且将从所述一级生物反应器通到二级生物反应器中的所述发酵液中一种或多种酸的至少一部分在所述二级生物反应器中转化成它相应的醇。
在第一个方面的一个实施方案中，所述生物反应器系统包括至少两个一级生物反应器和至少一个二级生物反应器，其中所有生物反应器均是经由所述中央排出管线连接的。在一个具体的实施方案中，所述系统包括2-16个一级生物反应器和1-16个二级生物反应器。在另一个实施方案中，所述系统包括2-8个一级生物反应器和1-8个二级生物反应器。在一个优选的实施方案中，所述系统包括4个一级生物反应器和4个二级生物反应器。
在第一个方面的一个实施方案中，中央排出管线与所述系统的所有生物反应器连接并且允许所有的一级生物反应器和/或所有的二级生物反应器之间处于流体连通。在一个实施方案中，中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器中的至少一个提供到所述二级生物反应器中的至少一个中。在一个具体的实施方案中，每一个一级生物反应器经由所述中央排出管线向一个相应的二级生物反应器进料。在操作中，经由所述中央排出管线使所述生物反应器按一级生物反应器和相应二级生物反应器的单独序列运行，其中经由所述中央排出管线将来自任何给定的一级生物反应器的发酵液的至少一部分提供到二级生物反应器中。在一个替代性实施方案中，所有的一级生物反应器均经由所述中央排出管线以分时配置向所有的二级生物反应器供给发酵液，其中通过与所述二级生物反应器的入口管道集成的阀门控制发酵液向任何给定的二级生物反应器中的通入。
在具体实施方案中，在稳态发酵期间，将经由所述中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器连续地提供到所述二级生物反应器中。将连续地从所述一级生物反应器和所述二级生物反应器这两者中取出包含至少一种发酵产物的发酵液。在一个具体的实施方案中，将额外的培养基供给到所述一级生物反应器和二级生物反应器中以使得在所述系统的所有生物反应器中维持基本上恒定的发酵液体积。在一个具体的实施方案中，在所述一级生物反应器和所述二级生物反应器这两者中产物产生的速率是基本上相同的。然而，在优选的实施方案中，在所述二级生物反应器中产物产生的速率显著大于在所述一级生物反应器中的速率。
在一个实施方案中，所述中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器中的至少一个提供到至少一个其它一级生物反应器中。在这种配置中，使用来自一个一级生物反应器的发酵液对至少一个其它一级生物反应器进行接种。在一个具体的实施方案中，通过接种器对第一一级生物反应器进行接种，在可操作后，所述第一一级生物反应器经由所述中央排出管线将发酵液的至少一部分通到至少一个其它一级生物反应器中。利用所述中央排出管线将发酵液的至少一部分从一个可操作的一级生物反应器同时通到多个不可操作的一级生物反应器中和/或通到单个不可操作的一级生物反应器中以使得依次建立每一个生物反应器。在一个优选的实施方案中，利用所述中央排出管线以将发酵液的一部分从可操作的一级生物反应器同时通到多个不可操作的一级生物反应器中以缩短所述系统的总启动时间。
在另一个实施方案中，至少一个可操作的一级生物反应器经由所述中央排出管线将发酵液通到至少一个不可操作的二级生物反应器中。在这种配置中，使用来自所述一个或多个可操作的一级生物反应器的发酵液对所述系统中的一个或基本上所有的二级生物反应器进行接种。在一个具体的实施方案中，在所述系统中基本上所有的一级生物反应器的接种完成之前，单独地经由所述中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器通到所述二级生物反应器中。在一个替代性实施方案中，在所述系统中所有的一级生物反应器已经被接种后，经由所述中央排出管线将发酵液从所述一级生物反应器同时通到所有的二级生物反应器中。
在一个具体的实施方案中，所述一级生物反应器和/或二级生物反应器用于使选自由CO、CO2、H2以及其混合物组成的组的气体基质发酵以产生包括以下各项的产物：乙醇、乙酸、2，3-丁二醇、丁醇、异丙醇、乳酸盐、丁二酸盐、甲基乙基酮(MEK)、丙二醇、2-丙醇、乙偶姻、异丁醇、柠檬酸苹果酸盐、丁二烯、聚乳酸、异丁烯、3-羟基丙酸盐(3HP)、丙酮以及脂肪酸。通常，在液体营养培养基中通过一氧化碳营养型细菌使这些基质进行微生物发酵。在某些实施方案中，所述一氧化碳营养型细菌选自梭菌属。在另外的实施方案中，所述一氧化碳营养型细菌选自由以下各项组成的组：自产乙醇梭菌、杨氏梭菌、拉氏梭菌(Clostridiumragsdalei)以及食一氧化碳梭菌(Clostridium carboxydivorans)。在具体实施方案中，通过悬浮在液体营养培养基中的微生物进行发酵。
在一个实施方案中，在二级生物反应器中将在一级生物反应器中产生的一种或多种酸产物的至少一部分转化成它相应的醇。在一个具体的实施方案中，在所述一个或多个二级生物反应器中将在至少一个一级反应器中产生的乙酸的至少一部分转化成乙醇。
在第二个方面，提供了一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方法，所述方法包括：
a.将气体基质供应到包含液体营养培养基的第一一级生物反应器中；
b.用一种或多种微生物对所述第一一级生物反应器进行接种；
c.使所述气体基质发酵以产生包含一种或多种微生物和一种或多种产物的发酵液；
d.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从所述第一一级生物反应器中通出以对一个或多个其它一级生物反应器进行接种；
e.在主要促进微生物生长的条件下操作所述至少一个其它一级生物反应器；以及
f.经由所述中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从一个或多个一级生物反应器中通出以对一个或多个二级生物反应器进行接种。
在第三个方面，提供了一种用于跨越多个生物反应器维持气体基质的稳态发酵的方法，所述方法包括：
a.将气体基质供应到包含含有一种或多种微生物的液体营养培养基的两个或更多个一级生物反应器中；
b.在所述两个或更多个一级生物反应器中使所述气体基质发酵以产生包含一种或多种微生物和一种或多种产物的发酵液；
c.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从一个一级生物反应器通到一个或多个二级生物反应器中；以及
d.确定(c)的所述一级生物反应器中的一个或多个是否是可操作的，其中如果所述一级生物反应器中的一个或多个是不可操作的，那么经由所述中央排出管线将来自一个或多个可操作的一级生物反应器的发酵液的至少一部分提供到(c)的所述一个或多个二级生物反应器中。
在第二个方面和第三个方面的具体实施方案中，在如第一个方面中所述的系统中使用所述方法。在具体实施方案中，在多生物反应器系统中使用所述方法，所述系统被配置用于连续的气体发酵，所述系统包括经由中央排出管线而处于流体连通的两个或更多个生物反应器。在一个优选的实施方案中，所述系统包括4个一级生物反应器和4个二级生物反应器，所有生物反应器均经由中央排出管线而处于流体连接。
在一个实施方案中，使用经由中央排出管线从一个或多个可操作的一级生物反应器提供的发酵液对一个或多个一级生物反应器和/或二级生物反应器进行接种。在一个具体的实施方案中，依次由可操作的一级生物反应器对每一个不可操作的一级生物反应器进行接种，其中经由中央排出管线将来自可操作的一级生物反应器的发酵液提供到随后的不可操作的一级生物反应器中。在一个优选的实施方案中，使用一个或多个可操作的一级生物反应器同时对多个不可操作的一级生物反应器进行接种，其中经由中央排出管线将来自所述一个或多个一级生物反应器的发酵液基本上同时通到多个不可操作的一级生物反应器中。
在一个具体的实施方案中，由经由中央排出管线从至少一个可操作的一级生物反应器提供的发酵液对一个或多个二级生物反应器进行接种。在一个具体的实施方案中，由经由中央排出管线提供的发酵液对一个或多个二级生物反应器进行接种，其中所述发酵液是从多个一级生物反应器合并的。
在一个实施方案中，经由中央排出管线使所述生物反应器按一级生物反应器和相应的二级生物反应器的单独序列运行，其中经由中央排出管线将来自任何给定的一级生物反应器的发酵液的至少一部分提供到二级生物反应器中。如果所述一级生物反应器中的一个的发酵液崩溃(collapse)(即一级反应器变得不可操作)并且所述一级生物反应器不再能够将足量的发酵液供应到它相应的二级生物反应器中，那么经由中央排出管线将足量的发酵液从其余的一级生物反应器中的至少一个提供到所述二级生物反应器中。在一个具体的实施方案中，从所有其余的一级生物反应器向所述相应的二级生物反应器提供足量的发酵液。在一个具体的实施方案中，使一个或多个其余的一级生物反应器和/或二级生物反应器中的液体营养培养基水平显著增加以使得与在所述一级生物反应器中的一个变得不可操作之前基本上相同量的气体被利用。
然后由所述一个或多个其余一级生物反应器中可供使用的额外发酵液的至少一部分使不可操作的一级生物反应器重新启动，经由中央排出管线将所述额外发酵液的至少一部分提供到所述不可操作的一级生物反应器中。
如果二级生物反应器变得不可操作，那么经由中央排出管线从可操作的一级生物反应器中的一个或多个向所述系统中的一个或多个可操作的二级生物反应器提供发酵液。在一个具体的实施方案中，使可操作的一级生物反应器和可操作的二级生物反应器这两者中的一个或多个中液体营养培养基的水平显著增加以使得与在二级生物反应器中的一个变得不可操作之前基本上相同量的气体被利用。然后由所述一个或多个可操作的一级生物反应器和/或可操作的二级生物反应器中可供使用的多余发酵液的至少一部分对所述不可操作的二级生物反应器进行重新接种，经由中央排出管线将所述多余发酵液的至少一部分提供到所述不可操作的二级生物反应器中。
如果向所述一级生物反应器和/或二级生物反应器中的气体供应变得有限，那么可以暂时关闭所述一级生物反应器和/或所述二级生物反应器中的至少一个。在一个具体的实施方案中，比二级生物反应器多的一级生物反应器保持可操作的。在一个具体的实施方案中，使所述可操作的一级生物反应器和/或可操作的二级生物反应器中的一个或多个中液体营养培养基的水平增加。在气体供应已经回到基本上正常水平后，经由中央排出管线，由所述一个或多个可操作的一级生物反应器和/或可操作的二级生物反应器中可供使用的多余发酵液的至少一部分对已经被关闭(不可操作)的生物反应器进行重新接种。
在各种实施方案中，使用包含一氧化碳营养型细菌的一种或多种菌株的微生物培养物进行发酵。在各种实施方案中，所述一氧化碳营养型细菌选自梭菌属、穆尔氏菌属(Moorella)、醋菌属(Oxobacter)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、真杆菌属(Eubacterium)或丁酸杆菌属(Butyribacterium)。在一个实施方案中，所述一氧化碳营养型细菌是自产乙醇梭菌。在一个具体的实施方案中，所述细菌具有在德国布伦瑞克英豪丰大街7B(邮编：38124)(Inhoffenstraβe 7B，38124Braunschweig，Germany)的德国生物材料资源中心(German Resource Centre forBiological Material，DSMZ)以保藏号DSMZ10061或DSMZ23693保藏的细菌的识别特征。
所述气体基质可以包含作为工业过程的副产物而获得的气体。在某些实施方案中，所述工业过程选自由以下各项组成的组：铁金属产品制造、非铁产品制造、石油炼制过程、生物质的气化、煤的气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产以及焦炭制造。或者，所述气体基质是来自包括天然气、页岩气、相关的石油气以及生物气体在内的来源的重整气。在本发明的一个实施方案中，所述气体基质是合成气。在一个实施方案中，所述气体基质包含从钢厂获得的气体。
本发明还包括在本申请的说明书中单独或共同提及或指示的部分、元件以及特征、所述部分、元件或特征中两种或更多种的任何或所有组合，并且在本文提到具体的整体方案并且所述整体方案在与本发明相关的领域中具有已知的等同方案的情况下，这些已知的等同方案被认为并入到本文中，如同被单独地阐述一般。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明，其中：
图1示出了多生物反应器系统的一个实施方案，其中在正常操作期间，每一个一级生物反应器经由中央排出管线将发酵液提供到一个相应的二级生物反应器中。
图2示出了多生物反应器系统的一个替代性实施方案，其中在正常操作期间，所有的一级生物反应器经由中央排出管线将发酵液提供到所有的二级生物反应器中。
具体实施方式
定义
除非另外定义，否则如整个本说明书中所用的以下术语定义如下：
术语“生物反应器”和/或“反应器”包括由一个或多个容器和/或塔或管道布置组成的任何发酵设备，如固定化细胞反应器、气升式反应器、鼓泡塔反应器(BCR)、循环环管反应器、膜反应器(如中空纤维膜生物反应器(HFM BR))或滴流床反应器(TBR)。
术语“中央排出管线”包括与多生物反应器系统中所有的生物反应器连接并且允许一部分发酵液从所述系统中的至少一个生物反应器通到所述系统中的至少一个其它生物反应器中的管线、管、通道或管道。优选地，从生物反应器中取出的发酵液在被提供到中央排出管线中之前没有被通到分离机中。
术语“序列”、“反应器序列”等意图涵盖其中一级生物反应器与至少一个二级生物反应器连接的系统。在具体实施方案中，所述反应器序列包括与所述序列连接的第三生物反应器或第四生物反应器。所述术语包括其中多个一级反应器与多个二级反应器或三级反应器连接的系统。
术语“气体基质”包括含有在发酵中由微生物用作碳源以及任选的能量来源的化合物或元素的任何气体。所述气体基质通常将含有很大比例的CO，优选地至少5体积％至100体积％的CO。
虽然所述基质未必含有任何氢气，但H2的存在不应当会对根据本发明的方法的产物形成有害。在具体实施方案中，氢气的存在使得产生醇的总效率提高。举例来说，在具体实施方案中，所述基质可以包含约2∶1、或1∶1、或1∶2比率的H2∶CO。在一个实施方案中，所述基质包含30体积％或更少的H2、20体积％或更少的H2、15体积％或更少的H2、或10体积％或更少的H2。在其它实施方案中，所述基质流包含低浓度的H2，例如少于5％、或少于4％、或少于3％、或少于2％、或少于1％，或基本上不含氢气。所述基质还可以含有一定的CO2，例如像1体积％至80体积％的CO2、或1体积％至30体积％的CO2。在一个实施方案中，所述基质包含少于或等于20体积％的CO2。在具体实施方案中，所述基质包含少于或等于15体积％的CO2、少于或等于10体积％的CO2、少于或等于5体积％的CO2或基本上不含CO2。
术语“液体营养培养基”包括包含适用于使用一种或多种微生物进行的发酵的营养素的液体培养基。液体营养培养基将含有足以容许所使用的一种或多种微生物生长的维生素和/或矿物质。适用于使用CO的发酵的厌氧培养基是本领域已知的。举例来说，合适的培养基描述于Beibel(2001)中。
如本文所用的术语“产物”意图涵盖由微生物发酵产生的物质。产物可以包括醇、酸或其它化学物质。产物还可以包括由微生物发酵过程产生的气体。
除非上下文另有要求，否则如本文所用的短语“发酵”、“发酵过程”或“发酵反应”等意图涵盖所述过程的生长阶段和产物生物合成阶段这两者。
术语“可操作的”、“正常操作”、“稳定的发酵”等指的是如下的情形，其中生物反应器内或两个或更多个反应器的序列内一种或多种微生物的培养物处在发酵过程的生长阶段和/或产物生物合成阶段中。相反，术语“不可操作的”指的是其中反应器内或两个或更多个生物反应器的序列内一种或多种微生物的培养物已经死亡的情形、或其中在反应器内发酵过程不再进行到可以回收产物的点的情形。
术语“气体有限的”或“有限的”在关于气体基质使用时意图涵盖如下的情形，其中以低于微生物可以吸收的基质的最佳(或最大)量的量向一个或多个生物反应器供应气体基质。
术语“流体连通”意图涵盖其中液体经由排出管线在两个或更多个生物反应器之间通过的情形。在具体实施方案中，在两个或更多个生物反应器之间通过的液体是发酵液。在某些实施方案中，所述液体是渗透物流或细胞耗竭的物流。在某些实施方案中，液流在进入中央排出管线中之前通过处理区。本领域技术人员将了解的是，处理区可以包括许多处理阶段，包括但不限于去除生物质、去除蛋白质、分离和去除产物流的至少一部分、添加另外的营养素或水。
虽然以下说明集中在本发明的具体实施方案，即使用CO作为主要基质产生乙醇和/或乙酸盐，但是应当了解的是，本发明可以适用于产生替代性醇和/或酸以及使用替代性基质，如将由本发明相关领域的普通技术人员所知的那样。举例来说，可以使用含有二氧化碳和氢气的气体基质。此外，本发明可以适用于发酵以产生乙醇、乙酸、2，3-丁二醇、丁醇、异丙醇、乳酸盐、丁二酸盐、甲基乙基酮(MEK)、丙二醇、2-丙醇、乙偶姻、异丁醇、柠檬酸苹果酸盐、丁二烯、聚乳酸、异丁烯、3-羟基丙酸盐(3HP)、丙酮以及脂肪酸。所述方法还可以用于产生氢气。举例来说，这些产物可以通过使用来自穆尔氏菌属、梭菌属、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋酸杆菌属、真杆菌属、丁酸杆菌属、醋菌属、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)以及脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)的微生物进行发酵而产生。
本申请的发明人已经设计出一种允许气体基质进行连续发酵的多生物反应器系统。所述系统包括由中央排出管线连接的多个生物反应器，其中所述排出管线允许所述系统的多个生物反应器之间发酵液的流体连通。气体发酵系统是本领域已知的，但是这些系统通常涉及分批工艺。连续气体发酵系统也是已知的，但是这些系统包括单个生物反应器或最多两个连接的生物反应器的独立序列。已知这些工艺会耗费大量的时间来初始启动并且在两个生物反应器中的一个变得不可操作(即培养物崩溃)的情况下是不灵活的。如果在一个生物反应器中出现这样的崩溃，那么必须重新启动整个过程，从而导致很长的停工时间。使多个生物反应器与中央排出管线连接的惊人优势在于它允许多个生物反应器的显著更快的启动/接种以及在操作期间更大的灵活性。所述中央排出管线允许单个生物反应器对多个其它所连接的生物反应器进行接种，而不是单独地由接种器对系统中的每一个生物反应器进行接种。所述中央排出管线还允许多个生物反应器通过经由中央排出管线将发酵液提供到所连接的生物反应器中来补偿系统中任何给定的生物反应器的损失，如果在独立序列配置中的话，所述所连接的生物反应器原本也将变得不可操作。所述系统的运行时间因此通过由中央排出管线提供的灵活性而达到最大限度。
本发明的系统包括多个一级生物反应器和二级生物反应器，其中所有生物反应器经由中央排出管线而处于流体连通。在具体实施方案中，将气体基质提供到所述系统的一级生物反应器和二级生物反应器这两者中。在具体实施方案中，在主要利用气体基质促进一种或多种微生物生长以及产生一种或多种产物的条件下操作所述一级生物反应器。在一个具体的实施方案中，在由所述一级生物反应器的气体基质产生一种或多种产物的条件下操作所述二级生物反应器。在某些实施方案中，将发酵液的至少一部分从一级生物反应器通到至少一个二级生物反应器中，并且在二级生物反应器中将所述发酵液中一种或多种酸的至少一部分转化成它相应的醇。在这种配置中，所述一级生物反应器将包含一种或多种微生物和/或一种或多种产物的发酵液的一部分提供到所述中央排出管线中。然后经由所述中央排出管线将这一发酵液通到一个或多个二级生物反应器中。通过与生物反应器的入口管道集成的阀门/接种阀门来控制与所述中央排出管线连接的生物反应器之间的流体连通。这些阀门控制发酵液从一级生物反应器向其它一级生物反应器和/或二级生物反应器的通行，这取决于它们由操作人员打开还是关闭。
在正常操作期间，使所述生物反应器按经由所述中央排出管线而处于流体连通的一级生物反应器和相应二级生物反应器的单独序列运行。这种序列配置允许连续发酵，并且在具体实施方案中，允许更高的产物滴度，这是因为由所述一级生物反应器提供的发酵液含有一种或多种酸。
在某些实施方案中，通过排出泵将发酵液从所述一级生物反应器中取出。通过排出泵向中央排出管线连续取出发酵液并且持续供应额外的液体营养培养基来将一级生物反应器中发酵液的水平保持恒定。还可以将额外的液体营养培养基引入到二级生物反应器中并且将发酵液作为渗透物流或单独的排出流取出以保持发酵液的水平恒定。
在具体实施方案中，经由中央排出管线将来自一级生物反应器的发酵液的一部分直接通到二级生物反应器中。然而，在某些实施方案中，在将发酵液通到中央排出管线中之前或将发酵液提供到二级生物反应器中之前对所述发酵液进行处理。处理可以包括将营养素、金属以及B族维生素添加到发酵液中和/或去除生物质、产物、酸、有机分子和/或无机分子。
在本发明的实施方案中，所述系统适用于使气体基质发酵成一种或多种产物，所述产物包括酸、醇以及二醇。具体来说，通过使包含CO的气体基质发酵而产生乙醇、乙酸以及2，3-丁二醇。
所述系统可以包括任何数目的一级生物反应器和二级生物反应器。在具体实施方案中，所述多生物反应器系统包括至少两个一级生物反应器和至少一个二级生物反应器，其中所有的生物反应器是经由中央排出管线连接的。在具体实施方案中，所述系统包括2-16个一级生物反应器和1-16个二级生物反应器。在另外的实施方案中，所述系统包括2-8个一级生物反应器和1-8个二级生物反应器。然而，在优选的实施方案中，所述系统包括4个一级生物反应器和4个二级生物反应器。
所述系统的生物反应器可以是适用于发酵的任何生物反应器，如固定化细胞反应器、气升式反应器、鼓泡塔反应器(BCR)、膜反应器(如中空纤维膜生物反应器(HFM BR))或滴流床反应器(TBR)。所述生物反应器可以具有适用于所需的生产量的任何尺寸。在具体实施方案中，二级生物反应器显著大于一级反应器。或者，所有生物反应器可以是基本上相同的尺寸。通常，经由进气口将气体基质引入到生物反应器中。可以通过任何已知的喷射装置将气体基质喷射到生物反应器中。然而，在具体实施方案中，经由一个或多个小气泡喷射器或扩散器引入气体。没有由反应器内所容纳的微生物利用的气体或在发酵反应期间由微生物作为副产物产生的气体经由出气口离开反应器。
在具体实施方案中，所述系统的生物反应器包括用于将发酵液通到中央排出管线中的出口管道和用于从中央排出管线接收发酵液的入口管道。经由渗透物流管道取出生物反应器内产生的产物，所述渗透物流管道将含有产物的发酵液作为渗透物流通到回收区中。在具体实施方案中，所述渗透物流是与细胞再循环系统集成的。所述细胞再循环系统提供了将微生物从渗透物中分离以使微生物回到反应器中以进行进一步发酵的装置。细胞再循环模块连续抽出发酵液渗透物，而保留细胞。本领域技术人员将了解的是，细胞再循环构件可以包括但不限于细胞再循环膜或圆盘堆叠离心分离机。
本发明的惊人优势在于所述中央排出管线允许在操作期间一级生物反应器与二级生物反应器之间的稀释率不同。这还允许改变所述系统中一级生物反应器和二级生物反应器的数目。在其中存在相同数目的一级生物反应器和二级生物反应器的实施方案中，稀释率是基本上相同的。在其中存在的二级生物反应器多于存在的一级生物反应器的实施方案中，在二级生物反应器中稀释率是显著更低的，以延长微生物在二级生物反应器中的停留时间。
虽然优选的是，本文所述的多生物反应器系统和方法应用于气体发酵，但是将了解的是，所述系统和/或方法可以用于利用多个反应器的替代性发酵工艺。
本发明的系统和方法的各种实施方案描述于附图中。虽然以下实施方案涉及具有4个一级生物反应器和4个二级生物反应器的发酵系统，但是可以在所述系统中利用任何数目的一级生物反应器和二级生物反应器。
在以下对图1和图2这两者的说明中，所述系统的所有排出泵均被称为105并且所述系统的所有接种阀门均被称为106。类似地，所述系统的所有二级生物反应器均被称为109。
图1是由中央排出管线107连接的多生物反应器系统的示意图。在启动时，由接种器对一级生物反应器101进行接种，同时供给气体基质和液体营养培养基。在一级生物反应器101成为可操作的之后，排出泵105将发酵液从一级生物反应器101通到中央排出管线107中。然后打开一级生物反应器102的接种阀门106，从而提供用于接种的发酵液。使用相同的方法在一级生物反应器101成为可操作的之后由它对一级生物反应器103进行接种，并且以类似方式，由一级生物反应器102对一级生物反应器104进行接种。在一个替代性实施方案中，在一级生物反应器101成为可操作的之后，它连续地向中央排出管线107排出发酵液，所述发酵液被同时提供到所有的一级生物反应器102-104中。
在所有的一级生物反应器101-104成为可操作的之后，打开排出阀108并且将来自一级生物反应器101-104的发酵液的一部分经由中央排出管线107通到二级生物反应器109中以进行接种。在某些实施方案中，经由中央排出管线107将发酵液的一部分从已建立的一级生物反应器101-104通到单个二级生物反应器109中以进行接种。在替代性实施方案中，经由中央排出管线107将来自一级生物反应器101-104的发酵液同时连续地排出到所有的二级生物反应器中以进行接种。
在操作中，一级生物反应器101-104使气体基质发酵以产生如本文所述的一种或多种产物。在具体实施方案中，一级生物反应器101-104被配置成显著促进一种或多种微生物生长以及产生一种或多种产物。通过排出泵105将包含一种或多种微生物和/或一种或多种产物的发酵液从一级生物反应器101-104中的一个或多个中取出并且经由中央排出管线107通到二级生物反应器109中的至少一个中。在具体实施方案中，在正常操作中，一个一级生物反应器，例如一级生物反应器101经由中央排出管线107将发酵液提供到一个相应的二级生物反应器109中。在具体实施方案中，在由气体基质产生一种或多种产物的条件下操作二级生物反应器109。在具体实施方案中，将从一级生物反应器接收的发酵液中一种或多种酸产物的至少一部分转化成它相应的酸。
如果一级生物反应器中的一个变得不可操作，例如一级生物反应器101的发酵液崩溃并且一级生物反应器101不再能够供应足量的发酵液以允许相应的二级生物反应器109保持可操作，那么经由中央排出管线107，从其余的一级生物反应器，例如一级生物反应器102-104中的至少一个向二级生物反应器109提供足量的发酵液以进行操作。在具体实施方案中，从所有其余的一级生物反应器102-104向相应的二级生物反应器109提供足量的发酵液。使其余的一级生物反应器102-104和二级生物反应器109中发酵液的水平显著增加以使得与在一级反应器101变得不可操作之前基本上相同量的气体被利用。然后由一级生物反应器102-104中可供使用的额外发酵液的至少一部分对一级生物反应器101进行重新接种，经由中央排出管线将所述额外发酵液的至少一部分提供到一级生物反应器101中。
如果二级生物反应器109中的一个变得不可操作，那么经由中央排出管线107，从一级生物反应器101-104中的一个或多个向所述系统中的一个或多个其余的二级生物反应器109提供发酵液。在一个具体的实施方案中，使一级生物反应器101-104以及其余的二级生物反应器109中的一个或多个中发酵液的水平显著增加以使得与在二级生物反应器109中的一个变得不可操作之前基本上相同量的气体被利用。然后由一个或多个一级生物反应器101-104和/或其余的二级生物反应器109中可供使用的额外发酵液的至少一部分重新启动已经停机的二级生物反应器109，经由中央排出管线107将所述额外发酵液的至少一部分提供到停机的二级生物反应器109中。
如果向一级生物反应器101-104中的气体供应变得有限，那么可以暂时关闭一级生物反应器101-104和/或二级生物反应器109中的至少一个。在具体实施方案中，比二级生物反应器109显著更多的一级生物反应器101-104保持操作状态。在具体实施方案中，使其余的一级生物反应器101-104和/或其余的二级生物反应器109中的一个或多个中发酵液的水平增加。在气体供应已经回到正常水平之后，由一个或多个其余的一级生物反应器101-104和/或其余的二级生物反应器109中可供使用的额外发酵液的至少一部分对已经被关闭的任何生物反应器进行重新接种，其中经由中央排出管线107将所述额外的发酵液提供到不可操作的生物反应器中。
图2是由中央排出管线107连接的替代性多生物反应器系统的示意图。针对接种、操作、一级生物反应器/二级生物反应器崩溃、以及有限的气体供应的处理与上文对于图1所述的那些基本上相同。然而，图2中的中央排出管线107的设计允许将来自所有的一级生物反应器101-104的发酵液合并，并且经由中央排出管线107通到二级生物反应器109中。通过中央排出管线107的发酵液可以被均匀分配到所有的二级生物反应器109中，或以分时配置一次性提供到一个二级生物反应器109中。在分时配置中，每一个二级生物反应器109可以分批法使所接收的发酵液发酵。
发酵
用于由气体基质产生乙醇和其它醇的方法(如上述背景技术部分中所述的那些)是已知的。示例性方法包括例如WO 2007/117157和WO 2008/115080以及美国专利号6,340,581、6,136,577、5,593,886、5,807,722和5,821,111中所述的那些方法，这些文献中的每一篇以引用的方式并入本文。
许多厌氧细菌已知能够进行CO向包括正丁醇和乙醇在内的醇和乙酸的发酵，并且适用于本发明的方法中。适用于本发明中的这些细菌的实例包括梭菌属的那些细菌，如杨氏梭菌的菌株，包括WO 00/68407、EP 117309、美国专利号5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO 98/00558以及WO 02/08438中所述的那些；食一氧化碳梭菌的菌株(Liou等，International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33：第2085-2091页)、以及自产乙醇梭菌的菌株(Abrini等，Archives of Microbiology 161：第345-351页)。其它合适的细菌包括穆尔氏菌属的那些细菌，包括穆尔氏菌属菌种HUC22-1(Sakai等，Biotechnology Letters 29：第1607-1612页)，以及氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)的那些细菌(Svetlichny，V.A.等，(1991)，Systematic and AppliedMicrobiology 14：254-260)。这些出版物中的每一篇的公开内容以引用的方式并入本文。此外，在本发明的方法中本领域技术人员可以使用其它一氧化碳营养型厌氧细菌。在考虑本公开时，还将了解的是，在本发明的方法中可以使用两种或更多种细菌的混合培养物。
可以使用本领域已知用于使用厌氧细菌进行培养和使基质发酵的多种方法对用于本发明的方法中的细菌进行培养。示例性技术提供于以下“实施例”部分中。进一步举例来说，可以利用在以下文章中大体上描述的使用气体基质进行发酵的那些方法：(i)K.T.Klasson等，(1991).用于合成气发酵资源的生物反应器(Bioreactors for synthesisgas fermentations resources).Conservation and Recycling，5；145-165；(ii)K.T.Klasson等，(1991).用于合成气发酵的生物反应器设计(Bioreactor design forsynthesis gas fermentations).Fuel.70.605-614；(iii)K.T.Klasson等，(1992).合成气向液体燃料或气体燃料的生物转化(Bioconversion of synthesis gas into liquid orgaseous fuels).Enzyme and Microbial Technology.14；602-608；(iv)J.L.Vega等，(1989).气体基质发酵的研究：一氧化碳向乙酸盐的转化(Study of Gaseous SubstrateFermentation：Carbon Monoxide Conversion to Acetate)，2.连续培养(ContinuousCulture).Biotech.Bioeng.34.6.785-793；(vi)J.L.Vega等，(1989).气体基质发酵的研究：一氧化碳向乙酸盐的转化(Study of gaseous substrate fermentations：Carbonmonoxide conversion to acetate)，1.分批培养(Batch culture).Biotechnology andBioengineering.34.6.774-784；(vii)J.L.Vega等，(1990).用于煤合成气发酵的生物反应器设计(Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations).Resources，Conservation and Recycling.3.149-160；所有这些文献均以引用的方式并入本文。
在一个实施方案中，所述微生物选自一氧化碳营养型梭菌的组，该组包括自产乙醇梭菌、杨氏梭菌、拉氏梭菌、食一氧化碳梭菌、德氏梭菌(Clostridium drakei)、粪味梭菌(Clostridium scatologenes)、乙酸梭菌(Clostridium aceticum)、甲酸乙酸梭菌(Clostridium formicoaceticum)、马氏梭菌(Clostridium magnum)。在另一个实施方案中，所述微生物来自于一群一氧化碳营养型梭菌，包括菌种自产乙醇梭菌、杨氏梭菌和拉氏梭菌以及相关的分离株。这些包括但不限于菌株自产乙醇梭菌JAI-1(DSM10061)(Abrini，Naveau以及Nyns，1994)、自产乙醇梭菌LBS1560(DSM19630)(WO/2009/064200)、自产乙醇梭菌LBS156(DSM23693)、杨氏梭菌PETCT(DSM13528＝ATCC 55383)(Tanner，Miller以及Yang，1993)、杨氏梭菌ERI-2(ATCC 55380)(美国专利5,593,886)、杨氏梭菌C-01(ATCC 55988)(美国专利6,368,819)、杨氏梭菌O-5(ATCC 55989)(美国专利6,368,819)、拉氏梭菌(ATCC BAA-622)(WO 2008/028055)、相关的分离株，如“科斯卡塔梭菌(C.coskatii)”(US20110229947)和“梭菌属菌种”(Tyurin和Kiriukhin，2012)、或突变株，如杨氏梭菌OTA-1(Tirado-Acevedo O.使用杨氏梭菌由合成气生产生物乙醇(Production of Bioethanolfrom Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii)，博士论文，北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)，2010)。这些菌株形成了梭菌rRNA集群I内的一个子集群，并且它们的16S rRNA基因具有大于99％的同一性，具有约30％的类似的低GC含量。然而，DNA-DNA复性和DNA指纹图谱实验证实这些菌株属于不同的菌种(WO 2008/028055)。
上文所提到的集群的所有菌种具有相似的形态和尺寸(呈对数生长的细胞是0.5-0.7×3-5μm)，是嗜温的(最佳生长温度是30℃-37℃)和严格厌氧菌(Abrini等，1994；Tanner等，1993)(WO 2008/028055)。此外，它们均共有相同的主要系统发育性状，如相同的pH值范围(pH 4-7.5，最佳的初始pH值是5.5-6)、以相似的生长速率依靠含CO的气体进行强自养生长、以及相似的代谢谱，其中乙醇和乙酸是主要的发酵最终产物，并且在一定条件下形成少量的2，3-丁二醇和乳酸(Abrini等，1994；等，2011；Tanner等，1993)(WO2008/028055)。在所有这三种菌种的情况下还观测到吲哚的产生。然而，这些菌种在对各种糖(例如鼠李糖、阿拉伯糖)、酸(例如葡萄糖酸盐、柠檬酸盐)、氨基酸(例如精氨酸、组氨酸)、或其它基质(例如甜菜碱、丁醇)的基质利用率方面有所不同。此外，发现这些菌种中的一些是某些维生素(例如硫胺素、生物素)的营养缺陷型菌种，而其它则不是。已经发现在所有菌种中负责气体吸收的伍德-扬达尔途径基因的组织和数量是相同的，尽管在核酸序列和氨基酸序列方面存在差异(等，2011)。此外，已经证实在这些生物体中的多种生物体中将羧酸还原成它们相应的醇(Perez，Richter，Loftus以及Angenent，2012)。这些性状因此不是一种生物体如自产乙醇梭菌或杨氏梭菌所特有的，而是一氧化碳营养型合成乙醇的梭菌的一般性状，并且可以预期的是，机制在这些菌株间起类似作用，尽管在性能上可能存在差异(Perez等，2012)。
适用于本发明中的一种示例性微生物是自产乙醇梭菌。在一个实施方案中，所述自产乙醇梭菌是具有在德国生物材料资源中心(DSMZ)以识别保藏号19630保藏的菌株的识别特征的自产乙醇梭菌。在另一个实施方案中，所述自产乙醇梭菌是具有DSMZ保藏号DSMZ10061的识别特征的自产乙醇梭菌。在另一个实施方案中，所述自产乙醇梭菌是具有DSMZ保藏号DSMZ 23693的识别特征的自产乙醇梭菌。
可以在任何合适的生物反应器中进行发酵。在本发明的一些实施方案中，生物反应器可以包括其中培养微生物的第一生长反应器，以及第二发酵反应器，可以向所述第二发酵反应器中供给来自生长反应器的发酵液并且其中可以产生大部分的发酵产物(例如乙醇和乙酸盐)。
根据本发明的各种实施方案，用于发酵反应的碳源是含有CO的气体基质。所述气体基质可以是作为工业过程的副产物或从某种其它来源，如从汽车尾气获得的含CO的废气。在某些实施方案中，所述工业过程选自由以下各项组成的组：铁金属产品制造(如在钢厂中进行的铁金属产品制造)、非铁产品制造、石油炼制过程、煤的气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产以及焦炭制造。在这些实施方案中，可以在将含CO的气体排放到大气中之前，使用任何简便的方法从工业过程对它进行捕集。在替代性实施方案中，含CO的气体是来自包括天然气、页岩气、相关的石油气以及生物气体在内的来源的用途重整气。根据含CO的气体基质的组成，还可能期望在将它引入到发酵中之前对它进行处理以去除任何不希望有的杂质，如尘粒。举例来说，可以使用已知的方法对气体基质进行过滤或洗涤。
含CO的气体基质理想地将含有显著比例的CO，如至少5体积％至100体积％的CO、或20体积％至95体积％的CO、或40体积％至95体积％的CO、或60体积％至90体积％的CO、或70体积％至90体积％的CO。具有更低浓度的CC(如6％)的气体基质也可以是适当的，特别是在还存在H2和CO2时。
虽然所述气体基质未必含有任何氢气，但氢气的存在一般将不会对根据本发明的方法的产物形成有害。然而，在本发明的某些实施方案中，所述气体基质基本上不含氢气(少于1％)。所述气体基质还可以含有一定的CO2，如1体积％至30体积％、或如5％至10％的CO2。
如先前所指出，基质流中氢气的存在可以使得总碳捕获和/或乙醇产生的效率提高。举例来说，WO0208438描述了使用具有各种组成的气流产生乙醇。在一个优选的实施方案中，向生物反应器中的杨氏梭菌培养物提供包含63％H2、32％CO以及5％CH4的基质流以促进微生物生长以及乙醇的产生。在培养物达到稳态并且微生物生长不再是主要目标时，将基质流转变成15.8％H2、36.5％CO、38.4％N2以及9.3％CO2以提供略微过量的CO并且促进乙醇产生。这一文献还描述了具有更高的和更低的CO和H2浓度的气流。
因此，可能需要改变基质流的组成以提高醇的产生和/或总碳捕获。除此之外或作为另外一种选择，可以改变组成(即调整CO、CO2和/或H2的水平)以优化发酵反应的效率并且最终提高醇的产生和/或总碳捕获。
在一些实施方案中，含CO的气体基质可以源自于有机物质的气化，如甲烷、乙烷、丙烷、煤、天然气、原油、来自炼油厂的低价值残余物(包括石油焦或石油焦炭)、固体城市废物或生物质。生物质包括在食品，如来自甘蔗的糖、或来自玉米或谷物的淀粉的提取和加工期间获得的副产物或由林业产业产生的非食物生物质废物。可以使这些含碳材料中的任一种气化，即与氧气部分燃烧，以产生合成气(包含显著量的H2和CO的合成气)。气化过程通常产生具有0.4∶1至1.2∶1的H2与CO的摩尔比以及较少量的CO2、H2S、甲烷以及其它惰性物质的合成气。所产生的气体的比率可以通过本领域已知的手段来改变并且详细描述于WO200701616中。然而，举例来说，可以改变以下气化器条件以调整CO∶H2产物比率：原料组成(特别是C∶H比率)、操作压力、温度分布(影响产物混合物的骤冷)以及所使用的氧化剂(空气、富氧空气、纯O2或蒸汽；其中蒸汽倾向于产生更高的CO∶H2比率)。因此，可以调整气化器的操作条件以提供具有理想组成的基质流以进行发酵或与一个或多个其它物流共混以提供优化的或理想的组成以使得发酵过程中的醇生产率和/或总碳捕获提高。
在其它实施方案中，包含CO的基质可以由烃的蒸汽重整而产生。可以根据以下在高温下使烃，如天然气烃重整以产生CO和H2：
CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2
举例来说，蒸汽甲烷重整包括在高温(700℃-1100℃)下在镍催化剂存在下使蒸汽与甲烷反应以产生CO和H2。可以将所得的物流(每转化1摩尔的CH4包含1mol CO和3mol H2)直接通到发酵罐中或与来自另一来源的基质流共混以使发酵过程中的乙醇生产率和/或总碳捕获提高。还可以使诸如甲醇之类的醇重整以产生可以通过类似方式加以使用的CO2和H2。
在另一个实施方案中，包含CO的基质由钢制造过程产生。在钢制造过程中，将铁矿挤压并且粉碎，经受诸如烧结或粒化之类的预处理，然后通到高炉(BF)中，在所述高炉中将它熔炼。在熔炼过程中，焦炭用作碳的来源，它用作还原剂以使铁矿还原。焦炭充当热源以将材料加热和熔融。在碱性氧气转炉(BOF)中通过对热金属表面注入纯氧的高速射流将热金属脱碳。氧气直接与热金属中的碳反应以产生一氧化碳(CO)。因此，从BOF排出具有高CO含量的气流。根据本发明的某些实施方案，使用这一物流来对一种或多种发酵反应进行进料。然而，如将对本领域技术人员来说显而易见的是，CO可以在钢制造过程内的别处产生，并且根据本发明的各种实施方案，可以使用这些替代来源代替来自BOF的排出气体或与来自BOF的排出气体组合。根据来源(即钢制造过程内的具体阶段)，由此排出的气体的CO含量可能不同。此外，可能存在这些物流中的一个或多个中断的时间段，特别是在分批加工工厂中。
通常，由钢厂脱碳过程排出的物流包含高浓度的CO和低浓度的H2。虽然这些物流可以被直接通到生物反应器中而很少或没有经过进一步处理，但是可能期望对基质流的组成进行优化以实现更高的醇产生效率和/或总碳捕获效率。举例来说，可以在将基质流通到生物反应器中之前将所述物流中H2的浓度提高。
根据本发明的具体实施方案，可以将来自两种或更多种来源的物流组合和/或共混以产生理想的和/或优化的基质流。举例来说，可以将包含高浓度的CO的物流，如来自钢厂转炉的排出物与包含高浓度的H2的物流，如来自钢厂焦炉的尾气组合。
钢制造过程的早期阶段通常包括使用焦炭还原铁矿。焦炭是用于将铁矿熔融和还原的固体碳燃料来源并且通常在钢厂现场产生。在焦炭制造过程中，将烟煤供给到一系列烘炉中，将所述烘炉密封并且在高温下在不存在氧气的情况下，通常在持续14小时至36小时的循环中加热。残留在烘炉中的固体碳是焦炭。将它送入骤冷塔中，其中将它用水喷雾或通过使惰性气体(氮气)循环而冷却，然后筛选并且送到高炉中。
一般将在这一过程期间产生的挥发性化合物在将气体用作燃料来加热烘炉之前处理以去除焦油、氨、萘、酚、轻油以及硫。由于焦炭生产而产生的气体通常具有高H2含量(典型组成：55％H2、25％CH4、6％CO、3％N2、2％其它烃)。因而，可以将焦炉气的至少一部分转向到发酵过程中以与包含CO的物流共混以提高醇生产率和/或总碳捕获。在将焦炉气通到发酵罐中之前可能需要对它进行处理以去除可能对培养物有毒的副产物。
作为另外一种选择或除此之外，可以将包含CO的间歇性物流，如来自转炉的排出流与包含CO和任选的H2的基本上连续的物流，诸如如先前所述的气化过程中产生的合成气组合和/或共混。在某些实施方案中，这将维持向生物反应器中提供基本上连续的基质流。在一个具体的实施方案中，可以根据来自工业来源的CO的间歇产生来增加和/或减少由气化器产生的物流以维持具有理想的或优化的组成的基本上连续的基质流。在另一个实施方案中，可以根据来自工业来源的CO的间歇产生，如先前所述改变气化器条件以增加或减小CO∶H2的比率，从而维持具有理想的或优化的CO和H2组成的基本上连续的基质流。
通常，本发明中所使用的基质流将是气态的；然而，本发明不限于此。举例来说，可以将一氧化碳在液体中提供到生物反应器中。举例来说，可以使用含有一氧化碳的气体使液体饱和，然后将该液体添加到生物反应器中。这可以使用标准方法来实现。举例来说，可以使用微泡分散发生器(Hensirisak等，用于需氧发酵的微泡分散发生器的按比例增大(Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation)；Applied Biochemistry and Biotechnology，第101卷，第3期，2002年10月)来实现这一目的。
将了解的是，为了使细菌生长以及CO向乙醇的发酵进行，除了含CO的基质气体之外，还将需要向生物反应器中供给合适的液体营养培养基。营养培养基将含有足以允许所使用的微生物生长的维生素和矿物质。适用于使用CO作为唯一碳源进行的乙醇发酵的厌氧培养基是本领域已知的。举例来说，合适的培养基描述于上文所提到的美国专利号5,173,429和5,593,886以及WO 02/08438、WO2007/115157和WO2008/115080中。本文的“实施例”提供了其它示例性培养基。
所述发酵应当理想地在用于所要进行的所需发酵(例如CO向醇的发酵)的适当的条件下进行。应当被考虑的反应条件包括压力、温度、气体流速、液体流速、培养基pH值、培养基氧化还原电位、搅拌速率(如果使用连续搅拌釜式反应器的话)、接种物水平、确保液相中的CO不会变成具有限制性的最高气体基质浓度、以及避免产物抑制的最高产物浓度。
最佳的反应条件将部分地取决于所使用的具体微生物。然而，一般来说，可能优选的是，在高于环境压力的压力下进行发酵。在升高的压力下进行操作允许CO从气相向液相的转移速率显著增加，在所述液相中CO可以由微生物吸收作为用于产生乙醇的碳源。这进而意味着在将生物反应器维持在高压而非大气压时可以缩短保留时间(被定义为生物反应器中的液体体积除以输入气体流速)。
此外，由于给定的CO向乙醇的转化率部分地随基质保留时间而变化，并且实现所需的保留时间进而要求生物反应器具有所需的体积，因此使用加压系统可以极大地减小所需的生物反应器的体积，并且因此减少发酵设备的资金成本。根据美国专利号5,593,886中所给出的实施例，可以按线性比例减小反应器的体积以提高反应器的操作压力，即在10个大气压的压力下操作的生物反应器仅需要是在1个大气压的压力下操作的那些生物反应器的体积的十分之一。
在高压下进行气体向乙醇发酵的益处也已在别处有所描述。举例来说，WO 02/08438描述了在30psig和75psig的压力下进行气体向乙醇的发酵，分别得到150克/升/天和369克/升/天的乙醇生产率。然而，发现在大气压下使用类似的培养基和输入气体组成进行的示例性发酵每天每升产生1/20至1/10的乙醇。
还期望引入含CO的气体基质的速率确保液相中CO的浓度不会变得具有限制性。这是因为CO有限的条件的后果可能是乙醇产物被培养物消耗。
在具体实施方案中，微生物培养物包含产乙酸型细菌，如自产乙醇梭菌，所述细菌通常利用包含CO的基质产生包括乙酸盐和/或乙醇的产物。在这些实施方案中，可以在发酵液中在理想的条件下培养微生物培养物以促进生长和乙酸盐的产生。产乙酸型细菌的生长(或产生)阶段通常与细胞物质的增加(生物质积聚)和乙酸盐的产生相关，而有很少或没有伴随的醇产生。在本发明的具体实施方案中，对微生物培养物进行干扰以使得发酵液中存在的酸被转化成相应的醇(例如乙酸盐转化成乙醇和/或丁酸盐转化成丁醇)。酸向醇的转化可以被称为转化阶段。
在本发明的具体实施方案中，可以对微生物培养物进行干扰以使得在产生阶段期间由培养物产生的酸被转化成醇。在本发明的一个实施方案中，所述方法是分批补料方法或连续方法，所述方法关系到根据本文之前所述的方法通过微生物发酵产生所需的酸，继而使用该酸产生它相应的醇。在这个实施方案中，所述方法至少包括以下步骤：a)在一级生物反应器中，使基质(优选地，包含一氧化碳的基质，更优选地，包含一氧化碳的气体基质)发酵以产生一种或多种酸；b)在二级生物反应器中，在包含一氧化碳的基质存在下培养细菌的一种或多种菌株；以及c)在细菌的一种或多种菌株处于转化阶段时，将来自(a)的一种或多种酸一次性引入到二级生物反应器中以产生对应于所述一种或多种酸的醇。在一个相关实施方案中，另外的生长反应器可以将细菌供给到一级生物反应器和/或二级生物反应器中。
虽然不希望受任何具体理论所束缚，认为根据本发明的产乙酸型细菌，如自产乙醇梭菌将酸向醇进行的转化是经由涉及酶醛氧化还原酶(AOR)的生化途径而发生的。AOR是能够将未活化的羧酸还原成醛的独特的含有钨的酶。所述醛可以由醛脱氢酶进一步还原成醇。AOR代表了溶剂生成(solventogenesis)途径的一个重要的分支。钨辅因子已经被证实对于酶活性是关键性的。可以在发酵性微生物，如梭菌、脱亚硫酸菌(Desulfitobacterium)以及热球菌(Pyrococcus)中发现这些酶。被最充分表征的AOR属于激烈热球菌(Pyrococcusfuriosus)，所述激烈热球菌的基因组含有五种，其中四种已经被表征。激烈热球菌的第一种AOR具有广泛的底物范围，但是偏好衍生自氨基酸的醛。它的晶体结构揭示了基于亚钼蝶呤的钨结合位点的存在。第二种AOR，即甘油醛-3-磷酸铁氧还蛋白氧化还原酶(GFOR)仅利用甘油醛-3-磷酸盐并且第三种AOR，即甲醛铁氧还蛋白氧化还原酶(FOR)偏好一碳至三碳醛。第四种AOR，即WOR5具有广泛的底物范围。AOR还已经从甲酸乙酸梭菌和热乙酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)中被纯化。产物回收。
可以使用已知的方法来回收发酵反应的产物。示例性方法包括WO2007/117157、WO2008/115080以及美国专利号6,340,581、6,136,577、5,593,886、5,807,722和5,821,111中所述的那些。然而，简单地说并且仅举例来说，可以通过诸如分馏或蒸发和萃取发酵等方法从发酵液中回收乙醇。
将乙醇从发酵液中蒸馏产生了乙醇和水的共沸混合物(即95％的乙醇和5％的水)。随后可以经由使用分子筛乙醇脱水技术获得无水乙醇，该技术也是本领域公知的。
萃取发酵程序涉及使用对发酵生物体存在低毒性风险的水混溶性溶剂来从稀发酵液中回收乙醇。举例来说，油醇是可以用于这种类型的萃取工艺中的溶剂。在这种工艺中，将油醇连续地引入到发酵罐中，此后，这种溶剂上升，从而在发酵罐的顶部形成层，经由离心机使所述发酵罐进行连续萃取和进料。然后容易地将水和细胞与油醇分离并且回到发酵罐中，而将负载乙醇的溶剂供给到闪蒸单元中。大部分的乙醇被气化和冷凝，而非挥发性油醇被回收以重新用于发酵中。
还可以使用本领域已知的方法从发酵液中回收乙酸盐。举例来说，可以使用包括活性炭过滤器的吸附系统。在这种情况下，通常首先使用合适的分离方法从发酵液中去除微生物细胞。产生无细胞发酵液以进行产物回收的多种基于过滤的方法是本领域已知的。然后使无细胞的含有乙醇和乙酸盐的渗透物通过容纳活性炭的柱以吸附乙酸盐。呈酸(乙酸)形式，而不是呈盐(乙酸盐)形式的乙酸盐更容易由活性炭吸附。因此优选的是，在使发酵液通过活性炭柱之前，将发酵液的pH值降低到小于3以使大部分的乙酸盐转化成乙酸形式。
可以通过使用本领域已知的方法进行洗脱来回收被吸附到活性炭上的乙酸。举例来说，可以使用乙醇来洗脱结合的乙酸盐。在某些实施方案中，可以使用由发酵过程本身所产生的乙醇来洗脱乙酸盐。由于乙醇的沸点是78.8℃并且乙酸的沸点是107℃，因此可以容易地使用基于挥发性的方法，如蒸馏将乙醇和乙酸盐彼此分离。
用于从发酵液中回收乙酸盐的其它方法是本领域已知的并且可以被用于本发明的方法中。举例来说，美国专利号6,368,819和6,753,170描述了可以用于从发酵液中萃取乙酸的溶剂和共溶剂系统。如同上文对于乙醇的萃取发酵所述的基于油醇的系统一样，美国专利号6,368,819和6,753,170中所述的系统描述了可以在存在或不存在发酵的微生物的情况下与发酵液混合以萃取乙酸的水不混溶溶剂/共溶剂。然后通过蒸馏将含有乙酸的溶剂/共溶剂与发酵液分离。然后可以使用第二蒸馏步骤从溶剂/共溶剂系统中纯化乙酸。
可以通过连续地将发酵液的一部分从发酵生物反应器中取出，将微生物细胞从发酵液中分离(方便地通过过滤)，并且同时或依次从发酵液中回收一种或多种产物来从发酵液中回收发酵反应的产物(例如乙醇和乙酸盐)。使用上文所述的方法，可以方便地通过蒸馏来回收乙醇，并且可以通过吸附在活性炭上来回收乙酸盐。可以使分离的微生物细胞回到发酵生物反应器中。还可以使在已经去除了乙醇和乙酸盐之后剩余的无细胞渗透物回到发酵生物反应器中。在使无细胞渗透物回到生物反应器中之前，可以将另外的营养素(如B族维生素)添加到所述无细胞渗透物中以补充营养培养基。此外，如果如上文所述对发酵液的pH值进行调节以增强乙酸对活性炭的吸附，那么应当在回到生物反应器中之前，将pH值重新调节到与发酵生物反应器中的发酵液的pH值类似的pH值。
CO2的去除
根据本发明的某些实施方案，用于去除CO2的系统包括用于选择性地从混合流中分离CO2的装置以及用于将CO2转化成产物和/或将CO2制备用于封存或进一步使用的装置。或者，所述工艺包括用于将物流中的CO2直接转化成产物和/或适用于封存或进一步使用的物质的装置。
在一个实施方案中，使用本领域已知的任何分离手段(如下文所提供的示例性方法)从混合气流中选择性地分离CO2。可以用于本发明的实施方案中的其它CO2分离方法包括使用诸如CaO之类的金属氧化物提取以及使用多孔碳或选择性溶剂提取，如胺提取。
诸如水性单乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)、二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)以及甲基二乙醇胺(MDEA)之类的胺在工业上被广泛用于从天然气流和炼油工艺流中去除CO2和硫化氢。
在这些过程中分离的CO2可以被永久封存。永久的CO2封存的许多实例是本领域已知的，如地质封存(地质隔离)、海洋封存以及矿物封存(例如转化成金属碳酸盐)。
地质封存包括将二氧化碳，一般是呈超临界形式的二氧化碳直接注入到地下地质层中。油田、气田、含盐层、不可开采的煤层、以及盐水充注的玄武岩层已经被建议作为封存地点。可以使用各种物理机制(例如高度不可渗透的盖层)和地球化学封阻机制来防止CO2逸出到地面上。对于精心选择、设计和管理的地质封存地点，政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)估计CO2可以被封阻数百万年，并且这些地点有可能在1,000年内保留超过99％的所注入的CO2。
已经提出了用于海洋封存的多种选择方案：(i)通过船舶或管线将CO2‘溶解法’注入到1000m或更深的深度的水中，并且CO2随后溶解；(ii)将CO2以‘湖(lake)’的形式直接沉积到大于3000m深度的海底上，其中CO2的密度大于水并且预期形成将延迟CO2溶解到环境中的‘湖’；(iii)将CO2转化成碳酸氢盐(使用石灰石)；以及(iv)将CO2封存在已经存在于海底上的固体笼形水合物中，或用于使更坚实的笼形物生长。
在矿物封存中，使CO2与大量可用的金属氧化物发生放热反应以产生稳定的碳酸盐。这一过程经过许多年自然发生并且产生大部分的地表石灰石。可以使反应速率更快，例如通过在更高的温度和/或压力下反应、或通过将矿物预处理，尽管这种方法可能需要额外的能量。
或者，可以使用所分离的CO2来制造产品，如直接或间接转化成烃。一种产生烃的公知的方法是用于由CO2和H2制备甲醇的方法。本领域还已知的是，使水催化或电化学解离以产生氧离子和氢离子，其中可以使用所述氢离子使CO2转化成烃。如果将CO2加热到2400℃，那么它将分解成一氧化碳和氧气。然后可以使用费-托法(Fischer-Tropsch process)将CO转化成烃。在这些过程中，可以使CO回到发酵过程中。举例来说，可以通过使用容纳镜面以使阳光聚焦到气体上的腔室来达到所需的温度。
或者，可以将所分离的CO2用于另外的一种或多种发酵中以生产产品。本领域技术人员将了解的是，存在使CO2转化成产品的微生物发酵反应的许多实例。举例来说，可以通过使用产甲烷型微生物进行厌氧发酵将CO2转化成甲烷。这种和其它相关发酵工艺的实例公开在上述的WO2006/108532中。使用CO2生产产品的发酵反应的另外的实例提供于上述的WO2007/117157和WO2008/115080中。
CO2还是合成气生产中理想的原料。可以将CO2供应到重整器(气化器)中以减少甲烷消耗并且提高/增加H2∶CO比率。因此，在一个实施方案中，可以将所分离的CO2的至少一部分供应到被集成到发酵工艺中的气化器中。
在本发明的另一个实施方案中，可以将所分离的CO2转化成诸如混凝土粘固剂之类的产品。在模拟了珊瑚在形成它们的贝壳和礁时产生海洋粘固剂的工艺中，可以将镁和/或钙与CO2化合以产生碳酸盐。
CO2在光合过程中还容易由藻类吸收，这可以用于从废物流中捕获碳。藻类在CO2和阳光存在下快速生长并且可以被收获和转化成诸如生物柴油和/或醇之类的产品。
或者，可以将CO2从物流中直接捕获而不需要另外的分离步骤。举例来说，在一个具体的实施方案中，可以使包含CO2的物流，优选地气流通过第二发酵过程以使CO2转化成产品。
气体分离
根据本发明的某些实施方案，用于气体分离的工艺包括低温分级分离、分子筛分、吸附、变压吸附或吸收的一个或多个步骤。无论使用哪种工艺，可以进行气体分离以从气流中分离以下组分中的一种或多种的至少一部分：H2、O2、CO2以及CO。除此之外或作为另外一种选择，根据本发明的实施方案的气体分离可以用于从气流中去除一个或多个部分(例如N2、O2)，以使其余部分可以诸如在生物反应器中被更高效地使用。
吸附是气体、液体或溶质聚集在固体或液体的表面上。吸收是一种物质(如固体或液体)经由它的分子之间的微小孔隙或空间吸收另一种物质(如液体或气体)的过程。
变压吸附(PSA)是一个绝热过程，它可以用于通过在高压下经由压力容器中所容纳的固定床中合适的吸附剂进行吸附来进行气体纯化以去除伴随的杂质。通过逆流减压以及通过在低压下使用先前回收的接近产品质量的气体吹扫来实现吸附剂的再生。为了获得产品的连续流，优选地提供至少两个吸附器，以使得至少一个吸附器接收气流(如废气流/排出气流/生物气体气流)并且实际上产生具有所需纯度的产品。同时，通过其它一个或多个吸附器执行减压、吹扫以及重新加压回到吸附压力的后续步骤。常用的吸附剂可以容易由本领域技术人员来选择，这取决于所欲吸附和去除的杂质类型。合适的吸附剂包括沸石分子筛、活性炭、硅胶或活性氧化铝。可以在彼此的顶部上使用吸附剂床的组合，从而将吸附器内容物分成许多不同的区域。变压吸附涉及诸如气相和吸附相的压力、温度、流量以及组成之类的参数的摆振式变动。
使用PSA进行的气体纯化或分离通常在接近环境的原料气温度下进行，借此所欲去除的组分被选择性地吸附。吸附理想地应当具有足够的可逆性以使得吸附剂能够在类似的环境温度下再生。PSA可以用于处理和/或纯化包括CO、CO2以及H2在内的最常见的气体。变压吸附技术的实例详细描述于Ruthven，Douglas M.等，1993，《变压吸附》(Pressure SwingAdsorption)，John Wiley and Sons中。
分子筛是含有具有精确的和均一的尺寸的微小孔隙的材料，所述材料用作气体和液体的吸附剂。小到足以通过孔隙的分子被吸附，而更大的分子则没有。分子筛类似于常见的过滤器，但是在分子水平上起作用。分子筛常常由铝硅酸盐矿物、粘土、多孔玻璃、微孔木炭、沸石、活性炭、或具有诸如氮气和水等小分子可以扩散穿过其中的开放式结构的合成化合物组成。用于使分子筛再生的方法包括改变压力(例如在氧浓缩器中)以及加热和用载气吹扫。
可以使用膜例如以将氢气与如氮气和甲烷的气体分离、以回收氢气、以将甲烷从生物气体中分离、或以去除水蒸气、CO2、H2S或挥发性有机液体。可以选择包括多孔膜和无孔膜在内的不同的膜来服务于所期望的目的，如对于本领域技术人员来说在考虑本公开后将显而易见的那样。举例来说，钯膜仅容许传送H2。在一个具体的实施方案中，可以使用CO2渗透膜从物流中分离CO2。可以将从物流中分离的CO2通到诸如先前所论述的气化器的CO2去除器中。
低温分级分离包括将气流压缩并且将它冷却到低到足以允许通过蒸馏进行分离的温度。它可以用于例如去除CO2。通常在进行低温分级分离之前从物流中去除某些组分(例如水)。
还可以使用相同的技术以从气流中去除氧气以产生富含CO和/或CO2的无氧物流。此外，可以生物学方式，通过例如将燃烧排出气体通到容纳兼性好氧微生物、减少的碳基质、以及对于所述微生物来说必需的营养素的密封的发酵罐中来去除氧气。兼性好氧微生物可以消耗氧气以产生富含CO和/或CO2的无氧物流。
用于从气流中分离或去除O2的替代方法也是本领域公知的。然而，举例来说，可以简单地使用热铜或催化转化器将氧气还原和/或去除。
针对特定的气体来源调适气体分离工艺可以使得原本在商业上不可行的生物转化工艺变成在商业上可行的。举例来说，在从汽车排出流中适当分离CO的情况下，可以从所述物流中获得有用的能量来源并且可以减少有害气体的排放。根据本发明的一个实施方案，气体基质包含含有CO和H2的合成气，并且进行气体分离以从所述物流中取出氢气，以使得它可以被分离并且用作发酵过程外部的燃料。CO可以用于对发酵反应进行进料。
间歇性气流
根据本发明的各个方面，发酵基质源自于工业来源。通常，源自于工业来源的基质是气体，并且这些气体在组成和/或压力方面可能不同并且在一些情况下，在性质上可能是间歇性的。在某些实施方案中，本发明提供了提高或“平稳”向用于发酵以产生产物的生物反应器中的气体基质供应的手段，特别是在其中基质供应在性质上是间歇性的或不连续的情况下。可以使用用于提高气体基质流的连续性或使气体基质流“平稳”的任何已知的手段；然而，本发明的具体实施方案包括如下的工艺或系统，所述工艺或系统包括至少一种缓冲装置，所述装置被适配成接收间歇性基质流，并且向生物反应器输送基本上连续的基质流。
在具体实施方案中，所述缓冲装置包括被适配成接收间歇性气流的储罐。所述间歇性物流在进入储罐之前可以被压缩；或者，所述储罐可以被配置成随着它接收基质流而扩大。举例来说，缓冲储罐可以包括被适配成上升和下降以适应气体基质的‘浮顶’。浮顶型储罐是本领域已知的，如用于适应气体供应中的供应和需求波动的那些。储罐可以被适配成向发酵生物反应器供应基本上连续的基质流，并且因而可以包括用于控制离开储罐的物流的流速的装置。
在这些实施方案中，储罐用作基质贮存器。然而，根据一个替代性实施方案，缓冲储罐可以由发挥相同功能的替代性储存形式所代替。举例来说，替代性形式可以包括吸收、吸附、以及变压和/或变温中的一种或多种。除此之外或作为另外一种选择，可以将基质溶解于贮存器中的液体中或保持在基体(如多孔固体材料)中直到需要它为止。在本发明的具体实施方案中，可以将基质溶解于储罐中的液体中并且在需要时直接以溶液形式输送到生物反应器中。
或者，生物反应器本身可以经过配置以使得发酵液体营养培养基上方的顶空充当间歇性物流的缓冲器。举例来说，所述系统可以包括将气体基质流(在可获得时)压缩并且将它通到生物反应器中的装置。在提供额外的基质时，生物反应器中的顶空中的压力将升高。因此可连续获得基质以通过微生物发酵转化成产物。
在另一个实施方案中，所述系统可以被适配成从多个间歇性来源接收气体基质流。这样的系统可以包括在物流之间组合和/或转换以向生物反应器提供基本上连续的基质流的装置。
用于发酵反应中的微生物通常具有容许的温度范围，在高于或低于所述范围的情况下，反应速率显著减慢。因而，所述系统可以包括冷却装置，其中在基质流的可用量有限时，可以将生物反应器中的培养基冷却以使发酵反应减慢并且减少对基质的需求。反之，在基质流的可用量增加时，可以使生物反应器内部的温度朝向所述温度范围的上限升高以提高反应速率。
作为另外一种选择或除此之外，冷却装置可以被配置成使冷却负荷均衡以降低发酵系统上的峰值冷却负荷。举例来说，假定在预定时间段内(在正处理气体时)应对气体进料流内的热和/或发酵放热所需的冷却负荷是2MW。为了在这个时间段期间将发酵罐的内容物维持在恒温，必须以这样的速率除热以在发酵罐内维持恒温。反之，在没有气体被处理并且放热基本上停止的时间段期间，冷却负荷将是零。因此，特别是对于大规模的工业应用来说，将存在冷却负荷非常高的时间段，这会对系统施加显著的限制。通过使冷却负荷均衡，降低了最大所需冷却速率。因此，尽管在连续(或更连续)的基础上，但是仍有可能用更小规模的冷却系统进行操作。
使用先前实例的参数，但是假定处理气体的时间段和没有处理气体的时间段具有相等的持续时间，则可以1MW连续地从发酵罐中除热。在这些条件下，在正处理气体时的除热速率将跟不上热输入/产生，并且发酵罐内的温度将升高。当气体停止，但是冷却继续时，发酵罐内的温度将下降。以这种方式，需要针对1MW连续负荷设定尺寸的冷却系统，而不是针对2MW负荷设定尺寸的仅在一半时间运行的系统。然而，温度升高和后续的下降必须限于将发酵罐内部的温度维持在微生物容许的范围内。因此，根据具体的实施方案，虽然不是恒定的，但是冷却负荷可以是“平稳的”，以使得其中的变化可以是更渐进的和/或更有限的，这是因为最大冷却负荷和最小冷却负荷之间的差异更小。
作为用于发酵的资源的工业尾气
根据本发明的其它方面，在发酵反应中使用工业废气而没有进行或仅进行最少的用于使得气体适用于所述发酵反应的另外的洗涤或预处理步骤。
所述废气可以由许多工业过程产生。本发明特别适用于支持由诸如含有高体积的CO的工业烟道气的气体基质产生乙醇。实例包括在铁金属产品制造、非铁产品制造、石油炼制过程、煤的气化、生物质的气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产以及焦炭制造期间产生的气体。在本发明的一个具体的实施方案中，所述废气是在制造钢的过程期间产生的。举例来说，本领域技术人员将了解的是，在钢制造过程的各个阶段期间产生的废气具有高CO和/或CO2浓度。具体来说，在各种制造钢的方法中，诸如在氧气转炉(例如BOF或KOBM)中使钢脱碳期间产生的废气具有高CO含量和低O2含量，从而使得它成为用于厌氧一氧化碳营养型发酵的合适的基质。
任选地将在对钢进行渗碳期间所产生的废气在通到废气烟囱或烟道中而将废气引导到大气中之前通过水以去除颗粒物质。通常，使用一个或多个风扇驱使所述气体进入废气烟囱中。
在本发明的具体实施方案中，通过合适的管道装置将在钢脱碳期间产生的废气的至少一部分转向到发酵系统中。举例来说，可以使管道或其它转送装置与来自钢厂的废气烟囱连接以将废气的至少一部分转向到发酵系统中。同样，可以使用一个或多个风扇使废气的至少一部分转向到发酵系统中。在本发明的具体实施方案中，所述管道装置被适配成将在钢脱碳期间产生的废气的至少一部分提供到发酵系统中。将气体供给到生物反应器中的控制和装置对于本发明相关领域的普通技术人员来说将是显而易见的。
虽然钢厂可以被适配成基本上连续地生产钢并且随后产生废气，但是所述过程的具体方面可以是间歇性的。通常，钢的脱碳是持续数分钟至数小时的一种分批工艺。因而，所述管道装置可以被适配成在确定废气，如在钢脱碳期间所产生的气体具有理想的组成的情况下，将所述废气的至少一部分转向到发酵系统中。
可以根据需要对用于发酵工艺中的生物反应器的内容物的pH值进行调节。适当的pH值将取决于考虑到所使用的营养培养基和微生物的具体发酵反应所需的条件，如将由本发明相关领域的普通技术人员所了解的那样。在一个优选的实施方案中，在利用自产乙醇梭菌使含有CO的气体基质发酵中，可以将pH值调节到约5.5至6.5，最优选地调节到约5.5。另外的实例包括在使用热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)产生乙酸的情况下的pH5.5至6.5；在使用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)产生丁醇的情况下的pH4.5至6.5；以及在使用生氢氧化碳嗜热菌(Carboxydothermus hygrogenaformans)产生氢气的情况下的pH 7。本领域技术人员将知晓用于将生物反应器维持在所需的pH值的合适的手段。然而，举例来说，可以使用碱水溶液(如NaOH)和酸水溶液(如H2SO4)来升高和降低发酵培养基的pH值并且维持所期望的pH值。
本发明的另外的益处在于由于在将废气用于发酵反应中之前不对它们进行或仅对它们进行最少的洗涤和/或其它处理过程，因此所述气体将含有由工业过程产生的另外的材料，所述另外的材料可以至少部分地用作发酵反应的原料。
物流的共混
如先前所指出，可能期望将工业废物流与一个或多个另外的物流共混以提高发酵反应的效率、醇的产生和/或总碳捕获。不希望受理论所束缚，在本发明的一些实施方案中，一氧化碳营养型细菌根据以下使CO转化成乙醇：
6CO+12H2+3H2O→C2H5OH+4CO2
然而，在H2存在下，总体转化如下：
6CO+12H2+3H2O→3C2H5OH
因此，在工业物流具有高CO含量，但是包括很少的H2或不包括H2的情况下，可能期望将包含H2的一个或多个物流与包含CO的废物流共混，之后将共混的基质流提供到发酵罐中。发酵的总效率、醇生产率和/或总碳捕获将取决于共混的物流中CO和H2的化学计量。然而，在具体实施方案中，共混的物流可以基本上以如下摩尔比包含CO和H2：20∶1、10∶1、5∶1、3∶1、2∶1、1∶1或1∶2。
此外，可能期望在发酵的不同阶段以特定的比率提供CO和H2。举例来说，可以在启动和/或快速微生物生长阶段期间向发酵阶段提供具有相对高的H2含量(如1∶2的CO∶H2)的基质流。然而，当生长阶段减慢以使得培养物维持在基本上稳定的微生物密度时，可以提高CO的含量(如至少1∶1或2∶1或更高，其中H2浓度可以大于或等于零)。
物流的共混还可以具有另外的优势，特别是在其中包含CO的废物流在性质上是间歇性的情况下。举例来说，可以将间歇性的包含CO的废物流与包含CO和任选的H2的基本上连续的物流共混并且向发酵罐提供。在本发明的具体实施方案中，基本上连续的物流的组成和流速可以根据间歇性物流而变化以维持向发酵罐提供具有基本上连续的组成和流速的基质流。
将两个或更多个物流共混以实现理想的组成可以包括改变所有物流的流速，或可以将所述物流中的一个或多个维持恒定，而使其它一个或多个物流改变以将基质流‘调整’或优化成所期望的组成。对于被连续处理的物流，可能需要很少的或不需要另外的处理(如缓冲)并且可以将所述物流直接提供到发酵罐中。然而，在一个或多个物流是可间歇地获得的和/或物流是可连续获得的，但是以可变的速率被使用和/或产生的情况下，可能需要为所述物流提供缓冲储存器。
本领域技术人员将了解的是，将需要在共混之前监测物流的组成和流速。可以通过改变组成物流的比例以实现目标或理想的组成来实现对共混物流的组成的控制。举例来说，基载气流可以主要是CO，并且可以将包含高浓度H2的第二气流共混以实现指定的H2∶CO比率。可以通过本领域已知的任何手段来监测共混物流的组成和流速。可以独立于共混操作对共混物流的流速进行控制；然而，单个组成物流可以被抽出的速率必须被控制在限度以内。举例来说，从缓冲储存器连续地被抽出的间歇地产生的物流必须以一定的速率被抽出以使得缓冲储存器容量既没有被耗尽也没有被填充到最大限度。
在即将共混时，单个组成气体将进入混合室中，所述混合室通常将是小容器或管道的区段。在这些情况下，所述容器或管道可以设置有静态混合设备，如导流板，所述静态混合设备被布置成促进单个组分的湍流和快速均质化。
如果需要的话，还可以提供共混物流的缓冲储存器，以维持向生物反应器提供基本上连续的基质流。
可以任选地将被适配成监测组成物流的组成和流速并且以适当的比例控制物流的共混以实现所需的或理想的共混物的处理器并入到系统中。举例来说，可以按需方式或按现有(as available)方式提供特定的组分以优化醇产生和/或总碳捕获的效率。
始终以特定的比率提供CO和H2可能是不可能的或可能没有成本效益。因而，被适配成如上文所述将两个或更多个物流共混的系统可以被适配成使用可用资源优化所述比率。举例来说，在其中可获得不足的H2供应的情况下，所述系统可以包括使过量的CO转向离开所述系统以提供优化的物流并且实现醇产生和/或总碳捕获的效率提高的装置。在本发明的某些实施方案中，所述系统被适配成连续地监测至少两个物流的流速和组成并且将它们组合以产生具有最优组成的单个共混基质流，以及用于将优化的基质流通到发酵罐中的装置。在使用一氧化碳营养型微生物产生醇的具体实施方案中，基质流的最佳组成包含至少0％的H2和最多约1∶2的CO∶H2。
通过非限制性实例的方式，本发明的具体实施方案涉及利用来自钢脱碳的转炉气作为CO的来源。通常，这些物流含有很少的H2或不含H2，因此可能期望将所述包含CO的物流与包含H2的物流组合以实现更理想的CO∶H2比率。在钢厂的焦炉中常常大量产生H2。因此，可以将包含H2的来自焦炉的废物流与包含CO的转炉废物流共混以实现理想的组成。
除此之外或作为另外一种选择，可以提供气化器以由多种来源产生CO和H2。可以将由气化器产生的物流与包含CO的物流共混以实现理想的组成。本领域技术人员将了解的是，可以控制气化器条件以实现特定的CO∶H2比率。此外，可以使气化器向上和向下升降温以提高和降低由气化器产生的包含CO和H2的物流的流速。因此，可以将来自气化器的物流与包含CO的基质流共混以优化CO∶H2的比率而提高醇生产率和/或总碳捕获。此外，可以使气化器向上和向下升降温以提供具有不同流量和/或组成的物流，所述物流可以与包含CO的间歇性物流共混以实现具有理想组成的基本上连续的物流。
可以与包含CO的基质流共混的CO和/或H2的其它来源包括诸如天然气和/或甲烷的烃的重整以及甲醇的重整。
上文描述了本发明的实施方案。然而，应当了解的是，在一个实施方案中所需的特定的步骤或阶段在另一个实施方案中可能不是必需的。反之，在对一个具体的实施方案的说明中所包括的步骤或阶段可以任选地被有利地用于其中没有具体提到它们的实施方案中。
虽然参考可以通过任何已知的转送装置移动穿过或围绕一个或多个系统的任何类型的物流宽泛地描述了本发明，但是在某些实施方案中，所述基质和/或排出流是气体。本领域技术人员将了解的是，具体的阶段可以通过合适的管道装置等联接，所述管道装置等可配置成在整个系统中接收物流或使物流通过。可以提供泵或压缩机以有助于向特定的阶段输送物流。此外，可以使用压缩机来提高向一个或多个阶段，例如生物反应器中提供的气体的压力。如上文所论述，生物反应器内气体的压力可以影响在其中进行的发酵反应的效率。因此，可以调节压力以提高发酵的效率。用于常见反应的合适的压力是本领域已知的。
此外，本发明的系统或方法可以任选地包括用于调节和/或控制其它参数以提高所述工艺的总效率的装置。可以将一个或多个处理器并入到系统中以调节和/或控制所述工艺的具体参数。举例来说，具体的实施方案可以包括监测一个或多个基质流和/或排出流的组成的测定装置。此外，具体的实施方案可以包括用于控制在测定装置确定一个或多个基质流具有适用于特定阶段的组成的情况下向特定的系统内特定的阶段或元件中所述物流的输送的装置。举例来说，在其中气体基质流含有可能不利于发酵反应的低水平的CO或高水平的O2的情况下，可以使所述基质流转向离开生物反应器。在本发明的具体实施方案中，所述系统包括用于监测和控制基质流的目的地和/或流速，以使得具有所期望的或合适的组成的物流可以被输送到特定阶段的装置。
此外，可能需要在所述工艺中的一个或多个阶段之前或期间加热或冷却特定的系统部件或一个或多个基质流。在这些情况下，可以使用已知的加热装置或冷却装置。举例来说，可以使用热交换器来加热或冷却基质流。
此外，所述系统可以包括一个或多个预处理/后处理步骤以改进特定阶段的操作或效率。举例来说，预处理步骤可以包括用于从气体基质流中去除颗粒物质和/或长链烃或焦油的装置。可以进行的其它预操作或后操作包括从特定阶段，例如像生物反应器产生阶段分离一种或多种所期望的产物(例如通过蒸馏取出乙醇)。
已经在本文中参考某些优选的实施方案对本发明进行描述以使得读者能够实施本发明而无需过多的实验。本领域技术人员将了解的是，可以除具体描述的那些以外的很多的变化方案和改动方案来实施本发明。应当了解的是，本发明包括所有这些变化方案和改动方案。此外，提供题目、标题等以有助于读者对这份文件的理解，并且不应当被视作限制本发明的范围。在本文所引用的所有申请、专利以及出版物的全部公开内容以引用方式并入本文。
更具体地说，如将由本领域技术人员所了解，本发明的实施方案的实施方式可以包括一种或多种另外的要素。只有那些为在本发明的各个方面中了解本发明所必需的要素可能已经示于具体的实施例或说明中。然而，本发明的范围不限于所述的实施方案并且包括了包括一个或多个另外的步骤和/或一个或多个代替的步骤的系统和/或方法和/或省去了一个或多个步骤的系统和/或方法。
在本说明书中对任何现有技术的提及不是并且不应当被视作承认或以任何形式表明该现有技术构成了任何国家在此项研究的领域中的公知常识的一部分。
在整个本说明书以及所附的任一项权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包含(comprise)”、“包含(comprising)”等将被解释成具有包括性的含义而不是排他性的含义，也就是说具有“包括但不限于”的含义。

Claims (13)

1.一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方法，所述方法包括：
a.将气体基质供应到包含液体营养培养基的第一一级生物反应器中；
b.用一种或多种微生物对所述第一一级生物反应器进行接种；
c.使所述气体基质发酵以产生包含一种或多种微生物和一种或多种产物的发酵液；
d.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从所述第一一级生物反应器中通出以对至少一个其它一级生物反应器进行接种；
e.在主要促进微生物生长的条件下操作所述至少一个其它一级生物反应器；以及
f.经由所述中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从至少一个一级生物反应器中通出以对至少一个二级生物反应器进行接种，在主要产生产物的条件下操作所述二级生物反应器。
2.一种用于跨越多个生物反应器维持气体基质的稳定发酵的方法，所述方法包括：
a.将气体基质供应到包含含有一种或多种微生物的液体营养培养基的两个或更多个一级生物反应器中；
b.在所述两个或更多个一级生物反应器中使所述气体基质发酵以产生包含一种或多种微生物和一种或多种产物的发酵液；
c.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从一个一级生物反应器通到一个或多个二级生物反应器中；以及
d.确定(c)的所述一级生物反应器中的一个或多个是否是可操作的，其中如果所述一级生物反应器中的一个或多个是不可操作的，那么经由所述中央排出管线将来自一个或多个可操作的一级生物反应器的发酵液的至少一部分提供到(c)的所述一个或多个二级生物反应器中；
其中，所述“可操作的”指的是如下的情形，其中生物反应器内或两个或更多个反应器的序列内一种或多种微生物的培养物处在发酵过程的生长阶段和/或产物生物合成阶段中；所述“不可操作的”指的是其中反应器内或两个或更多个生物反应器的序列内一种或多种微生物的培养物已经死亡的情形、或其中在反应器内发酵过程不再进行到可以回收产物的点的情形。
3.如权利要求2所述的方法，其中在主要促进微生物生长的条件下操作所述一级生物反应器，并且在主要产生一种或多种产物的条件下操作所述二级生物反应器。
4.如权利要求1所述的方法，其中利用(a)的所述一级生物反应器基本上同时对多于一个其它一级生物反应器或二级生物反应器进行接种。
5.如权利要求1所述的方法，其中将发酵液的至少一部分从多于一个一级生物反应器中同时通出以对一个或多个二级生物反应器进行接种。
6.如权利要求1所述的方法，其中在将发酵液的至少一部分通出以对一个或多个一级生物反应器或一个或多个二级生物反应器进行接种之前，使一个或多个一级生物反应器中所述发酵液的体积显著增加。
7.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括确定向所述一级生物反应器或所述二级生物反应器中的所述气体基质的供应是否是有限的，其中如果所述气体基质的供应是有限的，那么暂时关闭至少一个一级生物反应器或二级生物反应器直到恢复所述气体基质的充足供应为止。
8.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括当至少一个一级生物反应器或至少一个二级生物反应器变得不可操作时，使一个或多个可操作的一级生物反应器或一个或多个可操作的二级生物反应器中所述发酵液的体积显著增加，并且使所述气体基质从所述不可操作的生物反应器中转向到所述可操作的生物反应器中，从而维持稳定的产物形成。
9.如权利要求2所述的方法，其中经由所述中央排出管线，通过一个或多个可操作的一级生物反应器对(d)的所述不可操作的一级生物反应器进行重新接种。
10.如权利要求1所述的方法，其中经由所述中央排出管线使所有的生物反应器按包括一级生物反应器和二级生物反应器的单独序列运行。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中所述产物选自由乙醇、2,3-丁二醇以及乙酸盐组成的组。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中所述微生物是选自由以下各项组成的组的一氧化碳营养型细菌：梭菌属(Clostridium)、穆尔氏菌属(Moorella)、醋菌属(Oxobacter)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、真杆菌属(Eubacterium)以及丁酸杆菌属(Butyribacterium)。
13.如权利要求1或2所述的方法，其中所述气体基质选自由CO、CO2、H2或其混合物组成的组。
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