CN106459824B - 用于回收脂质或碳氢化合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从发酵混合物回收脂质或碳氢化合物的方法，包括以下步骤：‑提供发酵混合物，其中，所述脂质或碳氢化合物是通过在发酵容器中进行微生物发酵产生的，所述混合物包含水相和液体产物相，其中所述液体产物相包含所述脂质或碳氢化合物；以及‑将至少部分所述水相的和部分所述液体产物相进料至第二容器，从而形成第二混合物；以及‑通过向所述第二混合物中注入气体来促进水相和产物相的相分离，从而将所述产物相从所述水相分离；以及‑收集包含所述脂质或碳氢化合物的产物相。

Description

用于回收脂质或碳氢化合物的方法
技术领域
本发明涉及用于从发酵混合物回收液体脂质或碳氢化合物的方法。
背景技术
通过发酵来生产液体碳氢化合物或脂质是本领域公知的。在这样的发酵方法中，使用微生物将适合的底物转化为碳氢化合物、脂质或其混合物。碳氢化合物或脂质的这种微生物生产例如可用于生产生物燃料。此外，也可以用这种方式来生产化学品中间体和风味物或香料化合物。
通过发酵方法获得的发酵混合物是包含微生物、底物、营养物质、液体发酵产物(例如，碳氢化合物或脂质)和气态发酵产物(即，发酵气体)的复杂混合物。该混合物是四相(S-G-L-L)混合物：微生物细胞(固体)、发酵气体和/或其他气体(气体)、水介质(液体)和碳氢化合物或脂质(液体)。
在通过发酵微生物生产碳氢化合物或脂质中遇到的问题是，难以将所生产的碳氢化合物和脂质从复杂发酵混合物分离。
如在以下现有技术中所描述的，碳氢化合物和脂质的分离通常依赖于脂质或碳氢化合物与水介质的低的水混溶性。
EP 2 196 539描述了使用不同的固-液-液分离技术将脂质和碳氢化合物生物燃料(BHC)从发酵混合物分离。该技术的优选步骤包括利用溶解的二氧化碳和发酵气体中的其他组分与文丘里型装置(或其他减压装置)组合来使用BHC的浮选或者使用水力旋流器。不主动注入气体到反应器中。
WO 2007/139924涉及用于在两相系统中生产和分离生物有机化合物的方法，该系统包含具有宿主细胞作为第一层的水介质以及包含由宿主细胞产生的生物有机化合物的液体有机第二相。其中提到了在发酵过程中或发酵过程之后产生气体，例如二氧化碳，其可以利用气体出口被排出。描述了该生产方法的许多可能的变体，包括分批、连续、分批补料或半连续发酵方法以及好氧或厌氧宿主细胞。
WO 2012/024186涉及更具体的纯化方法，其中将包含表面活性剂、宿主细胞和生物有机化合物的组合物从低于该组合物的相转变温度加热至高于该温度，从而破坏乳液的稳定。
WO 2010/123903、US 2009/029445和US 2012/129244描述了从包含微生物尤其是藻类的水溶液收获细胞内组分的方法。这些方法包括使微生物的细胞壁破裂，以将细胞内组分释放到水溶液中。该细胞内组分能够通过以下方式从溶液分离：施加微气泡并形成泡沫层，以使得该细胞内组分附着于微气泡并朝水溶液的表面向上浮。通过将泡沫与水溶液分离来回收该细胞内组分。
US 7,960,57481描述了从含油种子分离油的方法，包括向含油种子的胚芽的水分散液通气。该通气导致附着油的气泡，并且该气泡在分散液的上表面处形成泡沫。通过从该分散液分离泡沫来回收油。
WO 2010/123903、US 2009/029445、US 2012/129244和US 7,960,57481的缺点在于，产品作为泡沫的一部分获得，以使得仍然需要进一步的相分离(例如，滗析，离心)以分离该产物。
发明内容
本发明的一个目的是通过增强发酵混合物的液体产物和水介质的分离以更有效的方式从发酵混合物回收液体发酵产物。
该目的通过以下实现：提供一种用于从发酵混合物回收脂质或碳氢化合物的方法，该方法包括以下步骤：
-提供发酵混合物，其中，所述脂质或碳氢化合物是通过在发酵容器(例如，发酵反应器的第一容器或第一室)中进行微生物发酵产生的，所述混合物包含水相和液体产物相，其中液体产物相包含所述脂质或碳氢化合物；以及
将至少部分所述水相的和部分所述液体产物相进料至第二容器(例如，发酵反应器的单独的第二容器或第二室)，从而形成第二混合物；以及
-通过向所述第二混合物中注入气体来促进所述水相和产物相的相分离，从而将所述产物相从所述水相分离；以及
-收集包含所述脂质或碳氢化合物的所述产物相。
优选地，在发酵反应器(优选为气升式反应器)中发酵容器和第二容器是分开的室。在这种情况下，发酵容器被称作第一室而第二容器被称作第二室。可替代地，发酵容器和第二容器可以是单独的反应器。发酵容器中的条件适合于发酵。第二容器中的条件适合用于相分离(并且通常不同于发酵条件)。
发明人发现，通过向第二混合物中注入气体，增强了水介质和液体产物相的相分离。通过主动注入气体，能够以更加受控的方式分离相。这使得例如通过避免或减少在发酵容器中形成霜(cream)和/或如果形成乳液则破坏其稳定性，来更有效地进行相分离。尤其是，通过控制注入气体的气体流速和/或气泡的尺寸，能够更有效地从发酵混合物分离和回收液体产物相。
不希望受到任何理论的束缚，发明人预期在发酵过程中由微生物产生的某些化合物起到表面活性剂的作用。这些表面活性剂可能通过以下方式除去：向液体混合物中(即，向水相和液体产物相的混合物中)注入气体，从而导致产物相和水相的分离。实现本发明的可替代机制为，液体产物的液滴以产物相的聚结(coalescence)被增强的方式附着于注入的气泡。
如上文中所述，本发明的进一步优点在于，可以减少或甚至防止在第二容器中形成霜层。
当在柱式容器或反应器中进行发酵时，通常将会产生不同的层。由于在发酵容器中通常会进行剧烈混合，因此这样的层通常将仅在第二容器中形成。因此，如下文所述，第二混合物可包含一个或多个层。首先，在柱的顶部可形成泡沫层，其是由于发酵混合物的一次或多次剧烈混合、含氧气体的注入(在好氧发酵情况下)以及发酵气体的产生造成的。这样的泡沫层包含大量的气泡，以使得密度通常低于500kg/m3。此外，可形成霜层。该霜层是液体发酵产物(脂质或碳氢化合物)和水的乳液。该层将具有高于泡沫层的密度，通常为约600kg/m3至980kg/m3。该泡沫层和霜层通常将在被视为下层的水相的顶部上形成。水层的密度通常为约1000kg/m3，例如，大于990kg/m3)。
例如，在重力沉降或离心之后，例如当(部分)发酵混合物沉降时可形成霜层。有时也在发酵条件下自发形成。霜层通常在水层(下层-水相)和油层(上层-产物相)之间形成。当形成霜层时，相比于其余发酵混合物的含量，其通常将具有相对较高量的液体产物。然而，霜包含不能进一步聚结的液体产物的大液滴。为了从霜层获得产物，需要“破坏”该霜以使得能够发生进一步聚结。发明人发现，这能够通过根据本发明的方法注入气体来实现。因此，将形成第四层：产物层。该产物层的组成通常对应于发酵混合物中产物相的组成。该层可以包含至少90wt.％、更优选至少95wt.％的液体产物(碳氢化合物或脂质)。在产物相中存在用于提取液体发酵产物的有机溶剂的情况下，至少90wt.％、优选至少95wt.％的产物层将由包含液体发酵产物和不产生于发酵中的可能的碳氢化合物的有机溶液构成。由于液体产物的量大，该层的密度将低于霜层(如果形成的话)的密度，但仍高于泡沫层的密度。
此外，不同的层可通过它们的油体积分数来区分。油的体积分数在产物相中最高。产物层具有的油的体积分数可以在0.9和1.0之间。霜层具有的油的体积分数可以在0.5和0.9之间。泡沫层具有的油的体积分数可以在0.01和0.4之间。术语“油体积分数”是指层中存在的液体发酵产物的总量(尤其是，层中存在的微生物产生的脂质和碳氢化合物的总量)，除以该层的总体积。
根据本发明的相分离可通过诱导气浮(IGF)而得到促进。利用该技术，将气泡主动注入到液体中。
尤其是，相分离可通过控制表观气速而得到促进。
表观气速被定义为在特定量的时间(例如，每秒)内通过容器的横截面积(例如，以cm2计)的气体的总体积(例如，以cm3计)。优选地，注入气体以获得第二容器中的表观气速范围为0.01cm/s-2.0cm/s，更优选为0.05cm/s-1.5cm/s，进一步优选为0.1cm/s-1.0cm/s。这样的表观气速值明显低于在好氧发酵中通常使用的值。在好氧发酵的情况下，以较高的气速进料氧化气体从而适当地提供微生物以足够的氧。
在气体注入点处测量表观气速。这意味着确定在气体注入的容器的高度处的容器的横截面积。在多个注入点的情况下，该多个注入点中的至少一个的表观气速应在上述指定范围内。通常垂直于气流方向来测量横截面积。在容器为柱或柱式容器的情况下，通常测量垂直于柱长的横截面积。在容器的横截面积接近一致的情况下(例如在柱式容器中)，贯穿整个容器的表观气速可以接近相同。可以通过调节气体的流速以适应容器的几何形状来达到特定的表观气速。例如，可以首先确定所使用的容器的横截面积，然后调节气体流速(即，每单位时间注入的气体的体积)以达到所需的表观气速。
本发明中所使用的气体通常以气泡的形式注入。发明人预期气泡的尺寸可以进一步增加相分离的效率和/或速率。例如，通过利用较大的气泡尺寸在特定条件下可实现更强的相分离。
可通过本领域中已知的任何适合方式将气体注入到第二混合物中。通常，将气泡注入到液体混合物中。有利地，可通过鼓泡器(sparger)和/或烧结板分配该气体，以获得所需的气泡尺寸和/或流速。为了有效地将气体注入到液体混合物中，通常将气体进料到反应容器中，或者在使用第二容器的情况下，进料到第二容器中。
根据本发明，将气体注入到液体混合物中，即，注入到水相和液体产物相的混合物中。该液体混合物对应于第二混合物。该液体混合物可以是乳液，其中液体产物相分散于水相中。该液体混合物也可以包括包含液体产物的霜。
该气体可以是非氧化气体，例如惰性气体或发酵气体。惰性气体可以是例如稀有气体(noble gas)、氮气或CO2。该气体也可以是发酵气体。例如，可以收集由发酵形成的发酵气体并将其注入到第二混合物中。在这种情况下，通常首先将该发酵气体从发酵混合物分离并随后通过将其进料到第二容器进行再循环。
可替代地，该气体可以是氧化气体，例如空气。例如，可以使用富含氧的空气。在好氧发酵中也可以使用这样的富集空气来为微生物提供氧气。
根据本发明的方法，将气体注入到第二混合物中。然而，也可以将气体引入到发酵混合物中。例如，该发酵混合物可通过静态混合器来混合。此外，在好氧发酵的情况下，可将含氧气体(例如空气)引入到发酵混合物中来为微生物供氧。此外，在发酵混合物中微生物可产生气体作为发酵产物(例如，发酵气体)。尽管在发酵混合物中引入了这样的气体，但这通常并不会导致产物相的相分离，更不用说增强发酵混合物中的脂质和碳氢化合物液滴的聚结了。发酵容器中的条件不仅仅适合于这样的相分离。而是，该条件适合于发酵或者对于发酵是最优的。例如，注入到第一容器中或在第一容器中产生的气体的表观气速将通常在发酵容器中要比第二容器中更高(通常为1.5cm/s以上或甚至2.0cm/s以上)。鉴于发酵容器中的条件，至少部分水相和部分液体产物相被转移到第二容器中，其中可以选择该条件以适合于相分离。
因此，将至少部分水相和部分液体产物相进料至第二容器，从而形成第二混合物。这可以仅仅通过将至少部分发酵混合物进料至第二容器来完成。可将在第二容器中最终获得的任何固体物质再循环至发酵容器。例如，可将第二容器中的微生物再循环至发酵容器。尤其是，可将至少部分液体混合物(如上文所定义的)进料至第二容器并形成第二混合物。因此该第二混合物包含水相和液体产物相的混合物(例如，以乳液形式)。该第二混合物可进一步包含霜(其可以，例如，在发酵容器或在第二容器中形成)。当如上文所述使用进料步骤时，代替向发酵混合物中注入气体或除了向发酵混合物中注入气体之外，气体将会被注入到第二混合物中。
第二容器中的条件应该适合于促进相分离。在第二容器中通常将不会发生发酵。因此，第二容器中的条件可以不同于发酵容器中的条件，首先，在第二容器中可以选择不同的表观气速。而且，在第二容器中可以使用不同的温度和/或压力。此外，在第二容器中不进行混合是合乎需要的，因为这会对聚结和相分离造成负面影响。
尽管第二容器中的条件对于发酵而言不是最优的，但仍然不希望微生物在这个阶段被破坏。如实施例5中所示出的，发现在第二混合物中存在微生物的细胞内产物(尤其是细胞碎片)会妨碍相分离和产物层的形成。因此，在第二混合物中存在这样的细胞内产物是不合乎需要的。本文中使用的细胞内产物可以是指通过破坏微生物，尤其是通过破坏产生发酵产物的微生物而获得的材料。破坏可以是指通过细胞裂解或者物理、化学和/或酶促破坏进行的破坏。细胞内产物包括细胞碎片，其包括固体细胞内产物，例如细胞壁碎片。因此，第二混合物优选包含少于5wt.％的细胞内产物，更优选包含少于1wt.％，进一步优选包含少于0.1wt.％的细胞内产物，进一步优选完全不含细胞内产物。尤其是，第二混合物包含低于这些值的量的细胞碎片。
优选地，第二容器中的微生物通过将其进料回到发酵容器中来进行再循环。因此，在第二容器中存在的优选为至少50wt.％、更优选至少75wt％、进一步优选至少90wt.％、进一步优选至少95wt.％的生物质对应于完整(intact)微生物的质量。本文中使用的生物质是指除了由微生物产生的脂质或碳氢化合物以外，来源于发酵混合物中的微生物的生物质，其以干重表示。将完整微生物进料回到发酵容器可通过以下实现：配置发酵容器和第二容器以使微生物能够快速被进料回到发酵容器并且仅在第二容器中停留较短时间。这可通过整合发酵容器和第二容器来实现。这样的整合系统的实例为具有两个室的发酵反应器，其中发酵在第一室中进行，而相分离在第二室中进行。
在发酵后(但在注入气体之前)，可使至少部分发酵混合物经历沉降步骤，例如，重力沉降或离心步骤。这样的步骤可用来增加发酵混合物中液体产物的含量。由于液体产物和水之间的密度不同，因此人们能够分离开具有较高含量的液体产物的部分发酵混合物。因此，获得了富集的(enriched)液体混合物，即，富含液体产物的液体混合物。例如，该富集的发酵混合物可被用作第二混合物并进料至其中将发生气体注入的第二容器。在仅对一部分发酵混合物(例如，第二混合物)进行沉降步骤的情况下，沉降步骤通常在除发酵容器之外的容器中(即，在沉降器中)完成。例如，第二混合物可在将其进料至第二容器之前或之后经历沉降。由于使用如上文所述的气体注入可以容易地处理可能出现的任何霜形成，因此沉降步骤可以适合用作从发酵混合物获得液体产物的处理步骤。
可将固体物质(例如微生物)从发酵容器(例如，发酵反应器的第一室)转移到第二容器(例如，发酵反应器的第二室)。在连续过程的情况下，通常将固体物质进料回到发酵容器。此外，在第二容器中，可通过使部分液体产物相和部分水相发生沉降来形成第二混合物。这会导致形成霜或乳液。由于发酵混合物通常需要被混合(例如，通过搅拌或通过加入气体)，因此这样的形成并不总是发生在发酵混合物中。
第二容器和发酵容器可以任选地被连接，以使得发酵混合物和第二混合物彼此直接接触。因此，部分液体混合物可被连续进料至第二容器。
发酵容器和第二容器可以是发酵反应器中的分开的室。可替代地，发酵容器和第二容器是单独的反应器。
下文描述了发酵容器的通用配置和方法进行的条件的更具体细节。
发酵容器包含出口，至少部分水相和部分液体产物相可通过该出口被转移至第二容器。优选地，在该至少部分水相和部分液体产物中不存在气泡。
发酵容器可以进一步包含气体出口，其使气泡能够离开发酵容器。这样的气体出口可确保引入发酵混合物中的气泡(例如，注入发酵混合物中的气泡或在发酵混合物中形成的气泡(例如，发酵气体))不会直接进入第二容器。这是不合乎需要的，因为其会对聚结和相分离产生负面影响。
第二容器可进一步包含出口，微生物能够通过该出口被再循环至发酵容器。
在发酵容器和第二容器为发酵反应器中的分开的室的情况下，发酵反应器中的第一室为在其中进行发酵的室。该第一室包含大部分的微生物(超过50wt.％，通常超过80wt.％)。第二室为发酵反应器中促进相分离的室。发酵反应器可以是具有两个室的气升式反应器或鼓泡反应器。优选地，发酵反应器为气升式反应器。气升式反应器可以具有内部再循环(例如利用引流管)或外部再循环。
在存在两个单独的反应器的情况下，发酵容器可以例如是发酵反应器(例如，鼓泡反应器或气升式反应器)，而第二容器为单独的反应器，例如气-液反应器(例如，鼓泡反应器)或诱导气浮反应器(例如，诱导气浮分离器)。
优选地，发酵容器和/或第二容器为柱式容器或反应器，例如柱式发酵反应器。该方法通常以升流(up-flow)方式进行，其意味着发酵混合物的至少部分水相在发酵容器中在向上的方向上运动。在发酵容器和第二容器为发酵反应器中的分开的室的情况下，该发酵反应器将被配置为使得水相和产物相将从第一室(发酵容器)流到第二室(第二容器)中。此外，在发酵容器上方可以存在再循环。这可以是内部再循环(例如利用引流管)或外部再循环。
本发明的方法可以以分批方式、分批补料方式(fed-batch-wise)或连续方式进行。
发酵容器和第二容器可以在1.0巴-1.2巴之间的压力，优选在环境压力(约1.0巴)下操作。可以使用5℃和60℃之间，通常为20℃和40℃之间的温度。可以使用低温，只要水和液体产物不发生凝固即可。如上文所述，发酵容器和第二容器中的温度和压力可以是不同的，但其通常在上述范围内(彼此独立地)选择。
如上文所述，发酵混合物通常包含微生物、底物和发酵产物(碳氢化合物和/或脂质、发酵气体)。
发酵容器中的微生物是能够通过发酵产生碳氢化合物或脂质的微生物。因此，发酵混合物被保持在适合于微生物产生脂质或碳氢化合物的条件下。发酵容器中的该条件可进一步适合用于发酵混合物中的微生物生长和/或繁殖。因此，选择这样的条件是明显的，该条件使得在发酵容器中没有大量微生物以任何其他方式被破坏、损坏或失活以使得其不再能够发酵。优选地，发酵混合物被混合。混合可以例如通过混合器和/或通过加入气体来进行。混合气体可以通过以相对高的表观气速注入气体来实现。为了产生非均相(heterogeneous)混合，优选以高于1.5cm/s或甚至高于2.0cm/s的表观气速加入气体。
液体产物(脂质或碳氢化合物)被活的微生物分泌到发酵混合物中。不必收获该微生物来获得脂质和碳氢化合物。
适合用于发酵的微生物是本领域中公知的。厌氧和好氧微生物均可以使用。该微生物可选地是被负载的。目前，许多可能的碳氢化合物和脂质能够通过已针对生物燃料的生产而专门开发的微生物来产生。所使用的最常见的微生物组为酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)和大肠杆菌(E.coli)。适合的微生物的其他实例可由以下文献获知：WO 2008/113041(LS9)、WO 2012/024186、WO 2007/139924、US7659097B2以及Kalscheuer R,
Figure BDA0001142270520000081
T和Steinbüchel A.2006.Microdiesel:Escherichia coli engineered for fuelproduction.Microbiology 152:2529-2536或Li Q,Du W和Liu D.2008.Perspectives ofmicrobial oils for biodiesel production.Applied Microbiology andBiotechnology 80:749-756或Schirmer等人.2010.Micorbial biosynthesis ofalkanes.Science 329:559-562或Ladygina等人.2006.Process Biochemistry 41:1001-1014。这些文献中提到的用于产生液体有机产物(例如，碳氢化合物或生物燃料)的具体的好氧和厌氧细菌通过引用并入本文。
微生物可自由悬浮、被固定、形成颗粒、形成絮状物等等。以这种方式，反应器中的细胞浓度可以被优化并且产生较少的过剩细胞团。另外，细胞团的分离也会得到增强。
微生物发酵在好氧或厌氧条件下进行。
发酵混合物中存在的底物通常是生物基原料，例如碳水化合物(例如，糖)、淀粉和纤维素(或其水解物)。其他适合的原料可来源于甘油、低成本生物燃料(甲醇、乙醇等)、农/林业残余物、农/林业残余物的水解物及其气化形式(例如合成气)。
这些底物通常作为水溶液被引入到发酵容器中，直接引入到容器中或引入到回流中(如果存在的话)。
发酵混合物也可以含有仅次于液体发酵产物的其他(例如，氧化的)产物，例如有机酸及其聚合物(例如聚链烷酸酯类(polyalkanoates))。
在本发明的方法中回收的脂质或碳氢化合物可以是能够利用微生物通过好氧或厌氧发酵产生的任何脂质或碳氢化合物。例如，脂质或碳氢化合物可以是具有例如至少8个碳原子的长链脂质或脂肪酸。特别地，脂质或碳氢化合物在其产生的发酵条件下为液体(例如油)。本文中的脂质或碳氢化合物也称为液体发酵产物或简称为液体产物。所形成的这种产物也可以是一种或多种脂质和/或一种或多种碳氢化合物的混合物。当产生液体发酵产物时，其将在发酵混合物中形成液体产物相。该液体产物相可以主要由液体发酵产物组成(例如，由至少75wt.％、优选为至少90wt.％或甚至至少95wt.％的产物组成)。然而，如针对以下产物提取实施方式所说明的，该液体产物相也可以包含有机溶剂或溶液(例如，多于50wt.％)。
发酵混合物的产物相可以进一步包含一种或多种有机溶剂，例如烷烃或烯烃，优选为具有10至20个碳原子的烷烃或烯烃，例如十二烷、十六烷或法呢烯。产物相也可以包含多种有机溶剂的混合物，例如燃料(例如柴油或煤油)。发酵混合物的产物相也可以包含在发酵中不产生的一种或多种碳氢化合物，其可溶解于有机溶剂中。在发酵期间可使用有机溶剂用于产物提取。在这样的实施方式中，将液体发酵产物提取到有机溶剂中，从而形成提取物(通常为液滴形式)，其为包含液体发酵产物和有机溶剂的有机溶液。这样的产物提取是本领域中公知的，并且可以例如用于防止产物抑制或使有机溶剂富集液体发酵产物。本领域技术人员将知晓如何进行该提取技术。可以这样的方式提取的液体发酵产物的实例为单萜类和倍半萜类。
在本发明的方法中产生的液体发酵产物的液滴可以具有不同的尺寸，其范围为小(<10μm)、中(10μm-100μm)或大(>100μm)。在产物提取的情况下，这些液滴尺寸对应于提取物(即，包含液体发酵产物和有机溶剂的有机溶液)的液滴尺寸。
脂质或碳氢化合物通常以乳化的形式存在，其可通过微生物和其他生物颗粒和分子的存在被稳定化。因此，发酵可以包含碳氢化合物和/或脂质在水中的乳液。
发酵容器中的发酵混合物通常例如通过搅拌和/或通过气体鼓泡来混合。在发酵混合物于发酵容器中沉降的情况下，当然将不再进行这样的混合。
在本发明的方法中，可产生大量的发酵气体。该发酵气体在发酵容器中通常产生紊流混合和弥散(dispersion)，并且在该容器中提供有用的气升功能。发酵气体通常主要由二氧化碳(作为主要气体组分，例如，至少50vol％)构成。通常，发酵气体进一步包含水蒸汽。其也可以进一步包含大量的甲烷。
在某些条件下，发酵气体在将液体发酵产物从发酵混合物分离方面也可以具有有用的功能。然而，利用发酵气体来增强水相和液体产物相的分离的缺点在于，不能对其进行精确控制。尤其是，不能控制发酵的气泡尺寸和流速。通常，发酵气体溶解于发酵混合物并且所具有的气泡尺寸太小以至于不能有效分离发酵混合物中的两个液相。相对而言，本发明提供了通过首先收集气体然后在适当的条件和速率下将其注入，来非直接地利用发酵气体。
可通过本领域公知的技术(例如通过倾析)来从第二容器收集液体发酵产物。产物层能够容易地从第二容器流出(tapped off)或泵出。在将产物提取到发酵混合物中的有机溶剂中的情况下，该液体发酵产物将作为有机溶液被收集。
具体实施方式
在以下实施例中进一步举例说明本发明。
实施例1：分批式油回收
首先，制备发酵混合物。制备每批次1.6升的10％v/v十六烷水分散液。在加入前将所有组分称重，并将其加入到含有四叶Rushton涡轮和两个挡板的2L容器中。以如下次序加入所述组分：
1.Milli-Q水 1402.67g
2.湿的面包酵母 53.33g
3.十六烷 123.68g
将搅拌器速度设定为N＝900RPM，持续t＝180分钟以混合生物质并将油层分解为小的油滴。连接低温恒温器以使温度在T＝23°保持恒定。使用温度计来测量温度，因而将其放置于发酵罐盖子的指定端口中。
在t＝180分钟时，停止搅拌器，之后立即除去盖子并将分散液倒入玻璃柱中。
在制备分散液之后，通过漏斗将每个柱填充300ml的分散液。玻璃柱在底部具有烧结板(估计气泡直径＝2mm-3mm)，内径＝37mm且高(烧结板上方)＝645mm。一个柱被用于重力沉降实验(柱I-沉降器)而一个柱用于通过气相增强的油分离(柱II-第二容器)。
将柱II连接至0-10升空气/min质量流量控制器。在柱填充有300ml分散液之后，打开空气供应。柱中的表观气速范围为0.01cm/s-2cm/s。
在不切断空气供应的情况下，实时测量霜层和清澈油层的体积。在具有或不具有空气供应的情况下，在每次实验结束时通过测量霜层和油层的体积差来测量柱中的气含率。针对该气含率校正实时测量的体积。
图1和图2示出了在两个柱(左：柱I，通过重力沉降分离；右：柱II，通过气相增强的分离)中霜和油的实时进展情况。显然，气相使得能够将大部分油作为单独的油层直接回收(图中的蓝色线)，相对而言重力分离在霜层中产生稳定化的油滴(图中的红色线)。明显地，在柱II中没有形成霜。
实施例2：连续式油回收
连续配置由以下组成：直径为10cm的8L鼓泡塔(用于发酵混合物制备)、作为沉降器的0.5L锥形漏斗(用于获得具有浓缩油部分(霜)的混合物)、用于油分离的0.5L鼓泡塔(例如之前的实施例中的柱II-第二容器)以及用于油回收的容器。除了从8L鼓泡塔到锥形漏斗的溢流(overflow)之外，利用Masterflex泵来控制容器之间的所有流。图3中示出了该配置的图示表征。
起始阶段包括用700mL十六烷在8L鼓泡塔(发酵容器)中通过以3cm/s的表观气速鼓泡压缩空气6小时来制备具有如上类似组成的发酵混合物。随后，填充锥形漏斗(沉降器)，并在沉降5分钟后，在1小时内填充0.5L鼓泡塔(第二容器)，并且启动回流。以0.01cm/s-2cm/s范围的表观气速将空气注入0.5L鼓泡塔中。在大约2小时之后，在用于油回收的容器中已回收了一些澄清的油并且通过启动新鲜油流入来起始连续操作模式。
在大约6小时内将300mL的新鲜油进料至系统，同时在用于油回收的容器中回收285mL的清澈油，在连续操作下得到95％的油回收率(基于体积)。
实施例3：表观气速对分批式油回收的影响
首先，根据实施例1制备发酵混合物。在制备分散液之后，将五个与实施例1中具有相同直径的玻璃柱分别填充以300mL的分散液。用不同的表观气速(0cm/s、0.1cm/s、0.2cm/s、0.5cm/s、1.0cm/s)操作五个柱2小时。图4示出了对于四个不同的柱在连续油层中随时间的油回收。如图5中所示，在2小时分离之后，确定柱中不同相上方的油的分布。这显示出表观气速增加导致了霜(其是最初存在于分散液中的油滴)的量减少。连续油层仅在表观气速为0.1cm/s和0.2cm/s的柱中形成。在0.5cm/s和1.0cm/s下，油被回收为粗霜层，其是不形成连续油层的具有毫米级尺寸的油滴的层。
实施例4：细胞破碎对分批式油回收的影响
根据实施例1的程序制备两种分散液，其差异在于在一种分散液中用高压细胞破碎装置(恒定细胞破碎系统(Constant Cell Disruption Systems),Low March,Daventry,Northants)来处理水性细胞悬液，之后再制备该分散液(在2.7kbar下通过一次)。图6示出了处理之前的酵母细胞，如其在制备标准分散液中所使用的。图7示出了通过处理形成的细胞碎片悬液。利用该细胞碎片接着进行相同的分散液制备。将所制得的分散液转移至如实施例1中的类似玻璃柱，并以0.1cm/s的表观气速进行2小时分离程序。在这些条件下，如图8中所示，没有连续的油能够被回收。可以得出结论，细胞碎片的存在对将产物相与水相分离且尤其是产物层的形成具有负面影响。

Claims (26)

1.一种用于从发酵混合物回收液体脂质或碳氢化合物的方法，包括以下步骤：
-通过在发酵容器中或在发酵反应器的第一室中进行微生物发酵来在发酵混合物中产生脂质或碳氢化合物，其中，所述脂质或碳氢化合物被活的微生物分泌到所述发酵混合物中，所述发酵混合物包含水相和液体产物相，其中所述液体产物相包含所述脂质或碳氢化合物；以及
-将至少部分所述发酵混合物进料至第二容器或所述发酵反应器的第二室，从而形成第二混合物，所述部分包含至少部分所述水相和部分所述液体产物相；以及
-通过向所述第二混合物中以气泡的形式注入气体来促进所述水相和液体产物相的相分离，凭借液体产物的液滴附着于所注入的气泡并且所述液体产物相的聚结被增强，从而将所述液体产物相从所述水相分离并且在所述第二容器或所述第二室中形成液体产物层；以及
-收集包含所述脂质或碳氢化合物的所述液体产物层；以及通过将存在于所述第二容器或所述第二室中的完整微生物进料回到所述发酵容器或所述第一室来进行再循环所述完整微生物，其中，基于所述第二混合物的总重量，所述第二混合物包含小于1wt.％的细胞碎片，并且其中所述液体产物层包括至少95wt.％的碳氢化合物或脂质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过控制所述气体的表观气速来促进所述相分离。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述容器中，所述气体的表观气速的范围为0.01cm/s-2cm/s。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的方法，其中，至少部分所述发酵混合物或第二混合物在注入所述气体之前经历沉降步骤。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述气体被主动进料至所述第二容器或所述发酵反应器的第二室中。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述气体为非氧化气体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述非氧化气体选自由CO2、惰性气体和发酵气体组成的组。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述气体为空气。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，除了所述脂质或碳氢化合物之外，发酵气体还通过微生物发酵产生，所述发酵气体从所述发酵混合物分离并且随后在促进相分离的步骤中被注入到所述第二混合物中。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过鼓泡器和/或烧结板分配所述气体以获得所需气泡尺寸和/或流速。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发酵容器和第二容器是发酵反应器中的分开的室。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述发酵反应器为气升式反应器，所述反应器具有内部再循环或外部再循环。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述微生物发酵是在好氧或厌氧条件下进行的。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述脂质或碳氢化合物以分批的方式、分批补料的方式或连续的方式产生和分离。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其中，脂质和碳氢化合物的混合物在所述微生物发酵中产生。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述发酵容器中引入气体，其中所述气体具有的表观气速高于1.5cm/s。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述气体具有的表观气速高于2cm/s。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中，相分离的促进导致液体产物层具有的脂质或碳氢化合物的体积分数在0.9和1.0之间。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发酵容器包含用于气泡离开所述发酵容器的气体出口，以使得在发酵混合物中引入或形成的气泡不直接进入所述第二容器。
20.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述液体产物相进一步包含有机溶剂，液体发酵产物在由所述微生物产生之后被提取到所述有机溶剂中。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述液体产物相包含在所述微生物发酵中不产生的一种或多种碳氢化合物。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第二混合物包括水层、霜层和泡沫层，其中所述霜层是所述脂质或碳氢化合物在水中的乳液；并且其中所述液体产物层在所述霜层和所述泡沫层之间形成。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述水层为下层，所述泡沫层和所述霜层在所述水层的顶部上形成，且所述泡沫层具有的密度低于500kg/m3。
24.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发酵反应器为气升式反应器，所述反应器具有内部再循环或外部再循环，其中在所述发酵反应器的所述第二室或所述第二容器中最终得到的包括活的微生物的固体物质分别被再循环至所述发酵反应器的所述第一室或所述发酵容器。
25.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一室和所述第二室形成同一发酵反应器的一部分。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述发酵和所述相分离发生在所述同一发酵反应器中，以便在所述发酵反应器的所述第一室中产生所述脂质或碳氢化合物，并且将至少部分的所述发酵混合物进料至所述发酵反应器的所述第二室，其中通过将存在于所述第二室中的完整微生物进料回到所述第一室来进行再循环所述完整微生物。
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