CN110312558B - 用于产物回收和细胞再循环的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从发酵液回收至少一种产物的装置和相关方法。本发明涉及使用真空蒸馏容器从发酵液回收产物(如乙醇)，其中所述发酵液包含活微生物生物质，并且其中所述产物的所述回收以其中确保所述微生物生物质的存活率的方式完成。本发明提供以有效速率进行的产物回收，以便防止产物在所述发酵液中的积累。为了确保所述微生物生物质的存活率，本发明被设计成减小对所述微生物生物质的应力量。通过确保所述微生物生物质的存活率，所述微生物生物质可在所述发酵方法中再循环并且再使用，这可引起所述发酵方法的效率提高。

Description

用于产物回收和细胞再循环的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月20日提交的美国临时申请第62/473,850号的益处，其内容由此以引用的方式并入。
技术领域
本发明涉及用于从发酵液回收至少一种产物的装置和相关方法。具体来说，本发明涉及使用真空蒸馏容器从发酵液回收产物，其中发酵液含有活微生物生物质，并且其中产物的回收以其中确保微生物生物质的存活率的方式完成。
背景技术
二氧化碳(CO2)占由人类活动引起的全球温室气体排放量的约76％，其中剩下的是甲烷(16％)、一氧化二氮(6％)和氟化气体(2％)(美国环境保护局)。尽管工业和林业实践也向大气排放CO2，但大部分CO2来自产生能量的化石燃料燃烧。减少温室气体排放，特别是CO2排放，对于制止全球变暖的演变以及随之而来的气候和天气变化至关重要。
早已认识到，催化方法(如费托法)可用于将含有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)的气体，如工业废气或合成气转化成各种燃料和化学品。然而，最近，气体发酵已成为用于对这类气体进行生物固定的替代平台。具体来说，已证明C1-固定性微生物将含有CO2、CO和/或H2的气体转化成如乙醇和2,3-丁二醇的产物。这类产物的生产可受例如缓慢的微生物生长、有限的气体消耗、对毒素的敏感性，或碳底物转移成不希望的副产物限制。
产物的积累可导致气体发酵方法的生产效率降低。为了防止积累，这些产物必须以有效速率移出。如果不以有效的速率移出，那么这些产物可对C1-固定性微生物具有抑制和/或毒性影响。如果产物积累到C1-固定性微生物无法存活的点，那么可能需要停止和重启发酵方法。在重启之前，发酵罐通常需要清洁。这可为耗时的方法。
通常与产物的回收相关联的另一个缺陷为通过传统的回收方法损失C1-固定性微生物。为了克服活C1-固定性微生物的损失，已经采用过滤方法。然而，随时间推移，用传统的过滤方法，颗粒物质可在过滤介质中积聚，这可导致滤液通量减少，最终需要清洁和/或更换过滤介质。
因此，仍然需要一种具有降低的维护要求的系统，其能够以有效的速率回收产物，同时确保C1-固定性微生物的存活率。
发明内容
本发明提供用于从发酵液回收至少一种产物的利用真空蒸馏容器的装置(即真空蒸馏容器)和相关方法。真空蒸馏容器被设计成用于从发酵液回收至少一种产物，所述发酵液从生物反应器递送，所述真空蒸馏容器包含：(a)外部壳体，其限定用于接收发酵液的入口、用于转移富含产物的物流的出口和用于转移贫含产物的物流的出口，发酵液包含活微生物生物质和至少一种产物，贫含产物的物流包含活的微生物生物质，贫含产物的物流被转移到生物反应器；和(b)定位在壳体内的分离区段，分离区段由上塔板界定上方并且由下塔板界定下方，分离区段限定用于提供多个理论蒸馏级的分离介质；其中用于转移富含产物的物流的出口相对于用于接收发酵液的入口较高，用于接收发酵液的入口相对于上塔板较高，并且用于转移贫含产物的物流的出口相对于下塔板较高。
优选地，真空蒸馏容器能够以给定进料速率处理发酵液。进料速率被定义为每小时发酵液的体积。发酵液的体积为在生物反应器中含有的发酵液的体积。在至少一个实施例中，真空蒸馏容器能够以在每小时0.05和0.5生物反应器体积之间的进料速率处理发酵液。在某些实施例中，进料速率在每小时0.05到0.1、0.05到0.2、0.05到0.3、0.05到0.4、0.1到0.3、0.1到0.1到0.5，或0.3到0.5反应器体积之间。
在某些情况下，发酵液在真空蒸馏容器中具有给定停留时间。发酵液在真空蒸馏容器内的时间量为在发酵液通过用于接收发酵液的入口进入的时刻和当发酵液通过用于转移贫含产物的物流的出口离开时之间的时间量。优选地，停留时间在0.5和15分钟之间。在各种实施例中，停留时间在0.5和12分钟、0.5和9分钟、0.5和6分钟、0.5和3分钟、2和15分钟、2和12分钟、2和9分钟，或2和6分钟之间。在至少一个实施例中，停留时间小于15分钟、小于12分钟、小于9分钟、小于6分钟、小于3分钟、小于2分钟，或小于1分钟，以确保微生物的存活率。
本发明提供通过在壳体中的出口将贫含产物的物流转移到生物反应器。在至少一个实施例中，真空蒸馏容器的壳体通过管道装置连接到生物反应器。贫含产物的物流可通过管道装置从真空蒸馏容器传递到生物反应器。优选地，生物反应器在用于对来自工业过程的含有C1的气体进行发酵的条件下操作。
设计真空蒸馏容器以便从发酵液有效地移出产物。真空蒸馏容器利用分离介质作为移出方法的一部分。分离介质可为任何提供足够气-液接触的合适的材料。
在某些情况下，提供分离介质使得在真空蒸馏容器的高度上的压降小于32毫巴。在某些情况下，在真空蒸馏容器的高度上的压降小于30毫巴、小于28毫巴、小于26毫巴、小于24毫巴、小于22毫巴、小于20毫巴，或小于18毫巴。
在某些情况下，分离介质由一系列蒸馏塔板限定。蒸馏塔板可为提供足够气-液接触的任何合适的一系列蒸馏塔板。
真空蒸馏容器的分离区段被设计成提供多个理论蒸馏级，由此在发酵液传送通过蒸馏阶段时从发酵液蒸发增加量的产物。优选地，分离介质提供多个理论蒸馏级。在某些实施例中，分离介质提供至少3个理论蒸馏级，或至少5个理论阶段，或至少6个理论阶段。
设计真空蒸馏容器以便确保微生物生物质的存活率。通过确保微生物生物质的存活率，被传递到生物反应器的贫含产物的物流可用于气体发酵方法。优选地，微生物生物质存活率维持在充分高的百分比下。在某些情况下，微生物生物质的存活率大于80％，或大于85％，或大于90％，或大于95％。
可使得当传递通过真空蒸馏容器时微生物生物质的存活率基本上不降低的方式设计真空蒸馏容器。在某些情况下，在贫含产物的物流中的活微生物生物质基本上等于在发酵液中的活微生物生物质。优选地，在贫含产物的物流中的微生物生物质的存活率和在发酵液中的微生物生物质的存活率之间的差小于10％。在某些情况下，差在5％和10％之间。在某些情况下，差小于5％。
可使用任何合适的手段测量微生物生物质的存活率。优选地，使用流式细胞术和活/死测定测量存活率。在某些情况下，由进入真空蒸馏容器之前的发酵液进行在发酵液中的微生物生物质的存活率的测量。在某些情况下，由在贫含产物的物流被传递到生物反应器之前离开真空蒸馏容器的贫含产物的物流进行在贫含产物的物流中的微生物生物质的存活率的测量。
在某些情况下，由于存活率测量，可改变一个或多个变量。优选地，由于存活率测量改变的一个或多个变量选自包含以下的组：压力、温度、停留时间、在发酵液中的产品浓度、蒸汽进料速率和分离介质。
优选地，贫含产物的物流相对于发酵液具有减小比例的产物，以便防止或至少减少产物在发酵液中积累。通过防止或至少减少产物在发酵液中的积累，可连续发酵方法。优选地，从连续发酵方法回收产物。在某些情况下，贫含产物的物流包含少于1wt％的产物，或少于0.8wt％的产物，或少于0.6wt％的产物，或少于0.4wt％的产物，或少于0.2wt％的产物，或少于0.1wt％的产物。
在生物反应器中的微生物可能够生产各种不同产物。优选地，从连续发酵方法回收的一种或多种产物为低沸点发酵产物。在某些情况下，产物选自由以下组成的组：乙醇、丙酮、异丙醇、丁醇、酮、甲基乙基酮、丙酮、2-丁醇、1-丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酮、1,3-丁二烯、异戊二烯和异丁烯。在某些情况下，在基于生产的产物的特异性限制下设计真空蒸馏容器。在某些情况下，在生物反应器中产生的产物为乙醇、丙酮、异丙醇或其混合物。在各种情况下，相对于发酵液，富含产物的物流包含增加比例的乙醇、丙酮、异丙醇或其混合物。优选地，设计真空蒸馏容器使得乙醇可有效地从发酵液移出。在其中通过微生物产生乙醇的某些情况下，相对于发酵液，富含产物的物流包含增加比例的乙醇。在某些实施例中，设计真空蒸馏容器使得丙酮可有效地从发酵液移出。在其中通过微生物产生丙酮的某些情况下，相对于发酵液，富含产物的物流包含增加比例的丙酮。在其它实施例中，设计真空蒸馏容器使得异丙醇可有效地从发酵液移出。在其中通过微生物产生异丙醇的某些情况下，相对于发酵液，富含产物的物流包含增加比例的异丙醇。
可进一步转化这些产物以生产一种或多种产物。在至少一个实施例中，可进一步转化至少一种或多种产物以生产柴油、喷气燃料和/或汽油的至少一种组分。在某些情况下，进一步转化丙酮以生产甲基丙烯酸甲酯。在某些情况下，进一步转化异丙醇以生产丙烯。
为了有效地从发酵液移出产物，同时维持微生物存活率，真空蒸馏容器在低于大气压的压力下操作。优选地，真空蒸馏容器在40毫巴(绝压)和100毫巴(绝压)之间，或在40毫巴(绝压)和80毫巴(绝压)之间，或在40毫巴(绝压)和60毫巴(绝压)之间，或在50毫巴(绝压)和100毫巴(绝压)之间，或在50毫巴(绝压)和80毫巴(绝压)之间，或在50毫巴(绝压)和70毫巴(绝压)之间，或在60毫巴(绝压)和100毫巴(绝压)之间，或在60毫巴(绝压)和100毫巴(绝压)之间，或在80毫巴(绝压)和100毫巴(绝压)之间的压力下操作。
为了有效地从发酵液移出产物，真空蒸馏在能够移出产物同时确保微生物的存活率的温度范围下操作。在某些情况下，产物选自由以下组成的组：乙醇、丙酮和异丙醇。优选地，真空蒸馏容器在35℃和50℃之间的温度下操作。在一个实施例中，温度在40℃和45℃之间，或在37℃和45℃之间，或在45℃和50℃之间。在各种情况下，温度低于37℃。在被设计用于丙酮回收的实施例中，真空蒸馏容器优选地在35℃和50℃之间的温度下。在某些实施例中，用于丙酮回收，温度在35℃和45℃之间，或在40℃和45℃之间，或在45℃和50℃之间。
在某些情况下，通过发酵生产一种或多种副产物。在某些情况下，一种或多种副产物选自羧酸(即，乙酸和乳酸)和2,3-丁二醇组成的组。在某些情况下，一种或多种副产物不与发酵液分离，并且在贫含产物的物流中返回到生物反应器。由于副产物连续返回到生物反应器，在发酵中的副产物的量可积累。在某些情况下，期望维持在发酵液中副产物的浓度低于预定水平。副产物的可接受的浓度可基于微生物对副产物的耐受性确定。在某些情况下，可能需要将贫含产物的物流提供到第二分离装置以从贫含产物的物流移出一种或多种副产物。在某些实施例中，副产物为2,3-丁二醇，并且维持在发酵液中2,3-丁二醇的浓度低于10g/L。在某些情况下，副产物为乙酸，并且维持在发酵液中乙酸的浓度低于10g/L
在某些情况下，贫含产物的物流的温度较高，使得贫含产物的物流需要在被传递到生物反应器之前冷却。物流的温度可直接影响微生物的存活率。举例来说，较高的温度可引起微生物存活率降低。为了避免高温的负面影响，贫含产物的物流可在被传送到生物反应器之前通过任何合适的冷却装置冷却。优选地，在返回到生物反应器之前，贫含产物的物流的温度冷却到35℃和40℃之间。优选地，发酵液和贫含产物的物流保持低于45℃以避免对存活率的不利影响。在一个实施例中，温度在37℃和45℃之间以避免不利影响。在某些情况下，温度取决于所使用的微生物。在较高的停留时间下，温度对微生物存活率的影响可提高。举例来说，在较高停留时间下，当温度高于最佳时，微生物的存活率可降低。
在某些情况下，发酵液可含有一定比例的气体。在发酵液中的气体已示出负面地影响真空蒸馏容器的性能。这种性能下降可至少部分由于在发酵液中的气体和在真空蒸馏容器中的泡沫产生之间的相关性。为了减小在发酵液中气体的比例，可利用脱气容器。当利用脱气容器时，用于接收发酵液的入口可通过管道装置连接到脱气容器。脱气容器在一定条件下操作以在发酵液被递送到真空蒸馏容器之前从发酵液移出气体的至少一部分。
在某些情况下，脱气容器在压力下操作。在某些情况下，脱气容器在小于生物反应器的操作压力的任何压力下操作。优选地，脱气容器在0.0巴(表压)和1.0巴(表压)之间的压力下操作。在一个实施例中，脱气容器在0.0巴(表压)和0.5巴(表压)之间的压力下操作。优选地，脱气容器从发酵液移出基本上所有气体。在特定实施例中，脱气容器移出在0和100％之间的在发酵液中的气体。在某些情况下，脱气容器移出大于20％、大于40％、大于60％，或大于80％的来自发酵液的气体。在某些情况下，脱气容器从发酵液移出二氧化碳的至少一部分。在某些情况下，脱气容器移出至少20％，或至少40％，或至少60％，或至少80％的来自发酵液的二氧化碳。
真空蒸馏容器可从再沸器接收蒸气物流。如果被设计成从再沸器接收蒸气物流，那么真空蒸馏容器的外部壳体可进一步限定用于接收蒸气物流的入口。此蒸气物流可由来自真空蒸馏容器的液体产生。当利用来自真空蒸馏容器的液体时，液体可经由在真空蒸馏容器的壳体中的出口转移。为了有效地将蒸气物流转移到真空蒸馏容器，用于接收蒸气物流的入口可相对于下塔板底下定位，并且用于转移液体物流的出口可相对于用于接收蒸气物流的入口较低定位。
优选地，液体物流基本上包含水和最小量的微生物生物质。真空蒸馏容器被设计成将活微生物生物质转移回到生物反应器。在贫含产物的物流中含有活微生物生物质。真空蒸馏容器通过用于转移贫含产物的物流的出口将贫含产物转移到生物反应器。用于转移贫含产物的物流的出口放置在下塔板上方。含有微生物生物质的发酵液可传递通过此下塔板。传递通过的此发酵液然后可与在真空蒸馏容器底部中的液体混合。优选地，仅最小量的微生物生物质最终出现在真空蒸馏容器底部中的液体中。优选地，每小时小于0.042反应器体积的含有微生物生物质的发酵液传递通过下塔板。在某些情况下，每小时在0.002和0.042反应器体积之间的含有微生物生物质的发酵液传递通过下塔板。在各种实施例中，每小时小于0.042、小于0.037、小于0.032、小于0.027、小于0.022、小于0.017、小于0.012、小于0.007反应器体积的含有微生物生物质的发酵液传递通过下塔板。包括含有微生物生物质的发酵液的组分的此液体然后被传递到再沸器以产生蒸气物流。
真空蒸馏容器可在下塔板下方并入一个或多个额外塔板。一个或多个额外的塔板可提供额外的产物移出。当包括一个或多个额外塔板时，传送通过下塔板的发酵液被传递到其中可回收额外量的产物的一个或多个额外塔板。在传递通过一个或多个额外塔板之后，发酵液与在真空蒸馏容器底部中的液体混合。包括含有微生物生物质的发酵液的组分的此液体然后被传递到再沸器以产生蒸气物流。
真空蒸馏容器可被分隔成多个室。优选地，当真空蒸馏容器被分隔成多个室时，在每个室内含有发酵液，使得来自一个室的发酵液不与来自另一个室的发酵液混合。此分离可通过任何合适的装置实现。在某些情况下，发酵液可来源于多个生物反应器。来自发酵液的贫含产物的物流可被传送回到衍生发酵液的生物反应器。通过防止在多个室之间混合，一个真空蒸馏容器可用于有效地从多个生物反应器回收产物。
优选地，生物反应器提供用于对含有C1的底物进行发酵的发酵液。用于发酵方法的此含有C1的底物可来源于一种或多种工业过程。优选地，工业过程选自包含以下的组：碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、纸浆和纸张制造、炼钢，炼油和相关过程、石化生产、焦炭生产，厌氧或好氧消化、合成气体(衍生自包括但不限于生物质、液体废料物流、固体废料物流、市政物流、化石资源(包括天然气、煤和油)的源)、天然气开采、石油开采、冶金过程、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层和催化过程(衍生自包括但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整，和干燥甲烷重整的蒸汽源)。
本发明提供用于通过利用真空蒸馏容器从发酵液移出至少一种产物的方法，所述方法包含：(a)将来自生物反应器的包含活微生物生物质和至少一种产物的发酵液传递到真空蒸馏容器；(b)部分蒸发发酵液以生产富含产物的物流和贫含产物的物流，贫含产物的物流包含活微生物生物质；和(c)将贫含产物的物流传递回到生物反应器。可以使得确保在发酵液中微生物生物质的存活率的方式设计本发明，使得当被传递到生物反应器时，微生物生物质将用于对含有C1的底物进行发酵。
优选地，监测和控制在发酵液中的气体。在发酵液中的气体可导致真空蒸馏容器的性能降低。为了控制在发酵液中的气体，脱气步骤可为必需的。如果发酵液含有高于可接受比例的气体，那么发酵液被传递到脱气装置然后将脱气的发酵液传递到真空蒸馏容器。
可完成脱气步骤使得逸出的气体物流与发酵液分离，产生脱气的发酵液。然后脱气的发酵液能够通过真空蒸馏容器部分蒸发，产生富含产物的物流和贫含产物的物流。
形成逸出的气体物流的气体部分可含有一定比例的产物。为了防止产物通过气体的移出而损失，逸出的气体物流可被传送到随后的处理。在某些情况下，逸出的气体物流被传递到水洗涤器以回收至少一种产物。在某些情况下，逸出的气体物流可被传送到生物反应器。
方法可利用包含定位在壳体内的分离区段的真空蒸馏容器。优选地，定位在壳体内的分离区段由上塔板界定上方并且由下塔板界定下方。分离区段可提供多个理论蒸馏级。
被处理的发酵液可含有任何合适的微生物。举例来说，微生物可选自包含以下的组：大肠杆菌(Escherichia coli)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)、糖丁酸梭菌(Clostridium saccharbutyricum)、糖产丁醇丙酮梭菌(Clostridiumsaccharoperbutylacetonicum)、丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、二醇梭菌(Clostridium diolis)、克氏梭菌(Clostridium kluyveri)、巴斯德梭菌(Clostridiumpasterianium)、诺维氏梭菌(Clostridium novyi)、艰难梭菌(Clostridium difficile)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)、解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)、噬纤维梭菌(Clostridium cellulovorans)、植酵梭菌(Clostridium phytofermentans)、乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumonia)、谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)、里氏木霉(Trichoderma reesei)、杀虫贪铜菌(Cupriavidus necator)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)和扭脱甲基杆菌(Methylobacterium extorquens)。在某些情况下，微生物可为选自包含以下的组的C1-固定性细菌：伍氏醋酸杆菌(Acetobacteriumwoodii)、巴氏嗜碱菌(Alkalibaculum bacchii)、长型布劳特氏菌(Blautia producta)、甲基营养丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、醋酸梭菌(Clostridiumaceticum)、自产醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、嗜一氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)、科斯卡塔梭菌(Clostridium coskatii)、德氏梭菌(Clostridiumdrakei)、甲酸乙酸梭菌(Clostridium formicoaceticum)、扬氏梭菌(Clostridiumljungdahlii)、大梭菌(Clostridium magnum)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)、粪味梭菌(Clostridium scatologenes)、粘液真杆菌(Eubacterium limosum)、热自养穆尔氏菌(Moorella thermautotrophica)、热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)、普氏产醋杆菌(Oxobacter pfennigii)、卵形鼠孢菌(Sporomusa ovata)、森林土壤醋酸鼠孢菌(Sporomusa silvacetica)、类球鼠孢菌(Sporomusa sphaeroides)和凯伍热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter kiuvi)。优选地，微生物为梭菌(Clostridium)属的成员。在某些情况下，微生物为自产醇梭菌。
微生物可能够生产各种不同的产物。优选地，通过微生物生产的一种或多种产物为低沸点发酵产物。在某些情况下，产物选自由以下组成的组：乙醇、丙酮、异丙醇、丁醇、酮、甲基乙基酮、丙酮、2-丁醇、1-丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酮、1,3-丁二烯、异戊二烯和异丁烯。在某些情况下，基于生产的产物来对方法进行优化。在某些情况下，在生物反应器中生产的产物为乙醇。优选地，对方法进行优化使得可有效地从发酵液移出乙醇。在某些情况下，微生物生产至少一种副产物。在一个实施例中，至少一种副产物选自由以下组成的组：乙酸、乳酸和2,3-丁二醇。
附图说明
图1为示出根据本发明的一个方面的真空蒸馏容器、脱气容器和再沸器的示意流程图。
图2为示出根据本发明的一个方面的真空蒸馏容器、脱气容器和再沸器的示意流程图，其中真空蒸馏容器包括在下塔板下方的一个或多个额外塔板。
图3为示出根据本发明的一个方面的分批发酵运行代谢物谱的图。
图4为示出根据本发明的一个方面与图3所示的代谢物谱对应的分批发酵运行的气体吸收的图。
图5为示出根据本发明的一个方面从具有某一配置的生物反应器传递通过真空蒸馏容器的微生物的存活率的图。
图6为示出根据本发明的一个方面从具有与图5所示不同的配置的生物反应器传递通过真空蒸馏容器的微生物的存活率的图。
具体实施方式
本发明人已认识到，通过使用特别设计的真空蒸馏容器，可有效地从含有活微生物生物质的发酵液回收至少一种产物(如乙醇)，同时确保微生物生物质的存活率。
定义
术语“真空蒸馏容器”旨在涵盖用于在真空下进行蒸馏的装置，其中被蒸馏的液体在低压下封闭以降低其沸点。优选地，真空蒸馏容器包括用于包封分离介质的壳体。优选地，被蒸馏的液体为包含活微生物生物质和至少一种产物的发酵液。这类发酵液可来源于生物反应器。生物反应器可用于对含有C1的底物进行发酵。
“壳体”是指保护或封闭分离介质的盖或壳。优选地，壳体包括用于转移液体和/或气体的数个入口和出口。壳体应包括至少一个用于接收发酵液的入口、至少一个用于转移富含产物的物流的出口，和至少一个用于转移贫含产物的物流的出口。
“分离介质”用于描述能够提供用于汽-液接触的大表面积的任何合适的介质，其提高真空蒸馏塔的效力。这类分离介质被设计成提供多个理论蒸馏级。在至少一个实施例中分离介质为一系列蒸馏塔板。
“蒸馏塔板”或“蒸馏板”等旨在涵盖用于促进汽-液接触的板和/或塔板。塔板类型包括筛、阀和泡罩。含有用于蒸气流动通过的孔的筛塔板用于以低成本提供高效率的高容量情况。尽管较便宜，但是含有具有打开和关闭阀的孔的阀塔板由于材料的积累具有体验积垢的倾向。泡罩塔板含有罩并且为三种塔板中最高先进和昂贵的，并且在一些液体流动速率情况下为高效的。
优选地，“上塔板”是发酵液可用以向下分配到分离介质的任何合适的边界。
优选地，“下塔板”是用以实行将贫含产物的物流转移通过壳体中出口的任何合适的边界。
“理论蒸馏级”为其中两个相(如物质的液相和蒸气相)彼此建立平衡的假设区域。许多分离方法的性能取决于具有一系列理论蒸馏级。分离装置(如真空蒸馏容器”)的性能可通过提供增加阶段的数量增强。优选地，分离介质包括足够数量的理论蒸馏级以有效地从发酵液移出至少一种产物。优选地，分离介质包括多个理论蒸馏级。
术语“发酵液”或“培养液”旨在涵盖包括营养培养基、一种或多种微生物的培养物，和一种或多种产物的组分的混合物。应注意术语微生物和术语细菌在整个文件中可互换使用。
“营养培养基(Nutrient media或nutrient medium)”用于描述细菌生长培养基。一般来说，此术语是指含有营养物和适合于微生物培养物生长的其它组分的培养基。术语“营养物”包括可在微生物的代谢途径中利用的任何物质。示例性的营养物包括钾、B维生素、痕量金属和氨基酸。
优选地，将发酵液从“生物反应器”传送到真空蒸馏容器。术语“生物反应器”包括由一个或多个容器和/或塔或管道布置组成的发酵装置，其包括连续搅拌槽反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、鼓泡塔、气升式发酵罐、静态混合器、循环环管反应器、膜反应器，如中空纤维膜生物反应器(HFM BR)或适合于气体-液体接触的其它容器或其它装置。反应器优选地适于接收包含CO或CO2或H2或其混合物的气态底物。反应器可包含并联或串联的多个反应器(阶段)。举例来说，反应器可包含其中培养细菌的第一生长反应器和第二发酵反应器，来自生长反应器的发酵液可进料到所述第二发酵反应器并且在第二发酵反应器中可生产大部分发酵产物。
“包含一氧化碳的气态底物”包括含有一氧化碳的任何气体。气态底物通常将含有大比例的CO，优选地至少约5体积％到约100体积％CO。
虽然底物未必含有任何氢气，但是H2的存在不应对根据本发明的方法的产物形成不利。在特定实施例中，氢气的存在引起醇生产的总效率改进。举例来说，在特定实施例中，底物可包含大致2:1，或1:1，或1:2比率的H2:CO。在一个实施例中，底物包含约30体积％或更少H2、20体积％或更少H2、约15体积％或更少H2或约10体积％或更少H2。在其它实施例中，底物物流包含低浓度的H2，例如少于5％，或少于4％，或少于3％，或少于2％，或少于1％或基本上无氢气。底物还可含有一些CO2，如约1体积％到约80体积％CO2，或1体积％到约30体积％CO2。在一个实施例中，底物包含少于或等于约20体积％的CO2。在特定实施例中，底物包含少于或等于约15体积％的CO2、少于或等于约10体积％的CO2、少于或等于约5体积％的CO2或基本上无CO2。
使用具有生物反应器的真空蒸馏容器可提高发酵方法的效率。术语“提高效率(increasing the efficiency/increased efficiency)”等当相对于发酵方法使用时包括但不限于提高以下中的一个或多个：催化发酵的微生物的生长速率、在较高丁二醇浓度下的生长和/或产物生产速率、每消耗的底物体积所产生的所期望产物的体积、产生所期望产物的生产速率或含量，和与发酵的其它副产物相比产生的期望产物的相对比例。
除非上下文另有要求，否则如本文中所用的短语“发酵”、“发酵方法”或“发酵反应”等旨在涵盖微生物的生长期和产物生物合成期两者。
发酵方法可被描述为“分批”或“连续”。“分批发酵”用于描述其中生物反应器填充有原料(即碳源)连同微生物，其中产物保持在生物反应器中直到完成发酵的发酵方法。在“分批”方法中，在完成发酵之后，提取产物并且在启动下一个“分批”之前清洁生物反应器。“连续发酵”用于描述其中发酵方法延长较长时间周期并且在发酵期间提取产物和/或代谢物的发酵方法。优选地，真空蒸馏容器从“连续发酵”方法移出产物。
“微生物”为微观生物，尤其为细菌、古细菌、病毒或真菌。本发明微生物通常为细菌。如本文所用，“微生物”的叙述应理解为涵盖“细菌”。
“存活率”或“微生物生物质的存活率”等是指活着的、能够生存、发育或繁殖的微生物与不能生存、发育或繁殖的微生物的比率。举例来说，在真空蒸馏容器中的活微生物生物质可以指在真空蒸馏容器内活/死微生物的比率。可设计本发明使得微生物生物质的存活率维持在最低存活率限度。在至少一个实施例中，微生物生物质的存活率为至少约85％。在至少一个实施例中，活微生物生物质从真空蒸馏容器返回到生物反应器。
“产物回收的有效速率”等是指可从发酵液回收产物的速率，从而防止或至少减小与产物积累相关联的毒性和/或抑制性作用。可设计本发明使得产物回收的有效速率为使得维持微生物生物质的存活率高于期望阈值。可设计本发明使得在培养液中产物浓度保持低于期望阈值。举例来说，可设计本发明使得在发酵液中乙醇浓度保持低于40g/L。在某些情况下，在发酵液中乙醇浓度保持在25到35g/L之间。在特定情况下，在发酵液中乙醇浓度小于30g/L、小于35g/L，或小于38g/L。优选地，在发酵液中乙醇浓度小于可导致抑制微生物的浓度。在特定情况下，抑制可取决于所使用的微生物和所生产的产物。
真空蒸馏容器可在将贫含产物的物流传递到生物反应器之前将贫含产物物流传递到“冷却装置”。术语“冷却装置”可描述能够降低贫含产物的物流的温度的任何合适的装置或方法。
在生物反应器中的微生物可根据天然存在的微生物修饰。“亲本微生物”为用于产生本发明微生物的微生物。亲本微生物可为天然存在的微生物(即，野生型微生物)或先前已经被修饰的微生物(即，突变或重组微生物)。本发明微生物可经修饰以表达或过度表达在亲本微生物中不表达或过度表达的一种或多种酶。类似地，本发明微生物可经修饰以含有亲本微生物所没有的一种或多种基因。本发明微生物还可被修饰成不表达或表达较低量的在亲本微生物中表达的一种或多种酶。在一个实施例中，亲本微生物为自产醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌。在优选的实施例中，亲本微生物为自产醇梭菌LZ1561，其其以布达佩斯条约(Budapest Treaty)项目在2010年6月7日保藏于在2010年6月7日位于德国D-38124Braunschwieg的Inhoffenstraβ 7B处的莱布尼兹研究所公司(Deutsche Sammlung vonMikroorganismen und Zellkulturen GmbH)(DSMZ)并且赋予登录号DSM23693此菌株描述于国际专利申请第PCT/NZ2011/000144号，其公布为WO 2012/015317。
“Wood-Ljungdahl”是指如(即，由Ragsdale,《生物化学与生物物理学报(BiochimBiophys Acta)》,1784:1873-1898,2008)所描述的碳固定Wood-Ljungdahl途径。“Wood-Ljungdahl微生物”可预测地是指含有Wood-Ljungdahl途径的微生物。一般来说，本发明的微生物含有天然Wood-Ljungdahl途径。本文，Wood-Ljungdahl途径可为天然未修饰的Wood-Ljungdahl途径，或可为具有一些程度的基因修饰(即，过表达、异源表达、敲除等)只要其仍然用以将CO、CO2和/或H2转化程乙酰-CoA的Wood-Ljungdahl途径。
“C1”是指一个碳的分子，例如CO、CO2、CH4或CH3OH。“C1-含氧物”是指还包含至少一个氧原子的一个碳的分子，例如CO、CO2或CH3OH。“C1-碳源”是指充当本发明微生物的部分或唯一碳源的一个碳的分子。举例来说，C1-碳源可包含CO、CO2、CH4、CH3OH或CH2O2中的一种或多种。优选地，C1-碳源包含CO和CO2中的一种或两种。“C1-固定性微生物”是具有能够从C1-碳源产生一种或多种产物的能力的微生物。通常，本发明微生物为C1-固定细菌。
“厌氧生物”是生长不需要氧的微生物。如果存在的氧高于某一阈值，那么厌氧生物可负面地反应或甚至死亡。然而，一些厌氧生物能够耐受低水平的氧(即，0.000001％-5％氧)。通常，本发明微生物为厌氧生物。
通常，“产乙酸菌”为使用Wood-Ljungdahl途径作为其能量守恒和合成乙酰-CoA与乙酰-CoA衍生产物(如乙酸盐)的主要机制的绝对厌氧细菌(Ragsdale,《生物化学与生物物理学学报》,1784:1873-1898,2008)。具体来说，产乙酸菌使用Wood-Ljungdahl途径途径作为(1)从CO2还原合成乙酰-CoA的机制，(2)最终电子接收、能量保存过程，(3)在细胞碳的合成中固定(同化)CO2的机制(Drake,产乙酸原核生物(Acetogenic Prokaryotes),《原核生物(The Prokaryotes)》第3版第354页,纽约州纽约,2006)。所有天然存在的产乙酸菌为C1-固定、厌氧性、自养性和非甲烷氧化性的。通常，本发明微生物为产乙酸菌。
“产乙醇菌”为产生或能够产生乙醇的微生物。通常，本发明微生物为产乙醇菌。
“自养菌”为能够在不存在有机碳的情况下生长的微生物。相反，自养菌使用无机碳源，例如CO和/或CO2。通常，本发明微生物为自养菌。
“一氧化碳营养菌”是能够利用CO作为唯一碳和能量来源的微生物。通常，本发明微生物为一氧化碳营养菌。
“产甲烷菌”为能够利用甲烷作为碳和能量的唯一来源的微生物。在某些实施例中，本发明的微生物为产甲烷菌或衍生自产甲烷菌。在其它实施例中，本发明的微生物不是产甲烷菌或不衍生自产甲烷菌。
“底物”是指本发明微生物的碳和/或能量来源。通常，底物为气态的并且包含C1-碳源，例如CO、CO2和/或CH4。优选地，底物包含CO或CO+CO2的C1-碳源。底物可进一步包括其它无碳组分，如，H2、N2或电子。
术语“共底物”是指虽然不必为产物合成的主要能量和材料来源，但是当添加到另一种底物(如主要底物)时可用于产物合成的底物。
尽管底物通常为气态的，但是底物也可以替代形式提供。举例来说，可使用微泡分散发生器将底物溶解在用含CO气体饱和的液体中。借助于另一实例，底物可吸附到固体载体上。
底物和/或C1-碳源可为作为工业过程的副产物或从一些其它来源获得的废气，如来自汽车废气或生物质气化。在某些实施例中，工业过程选自由以下组成的组：碳水化合物发酵的气体排放、气体发酵、水泥制造的气体排放、纸浆和纸张制造、炼钢，炼油和相关过程、石化生产、焦炭生产，厌氧或好氧消化、合成气体(衍生自包括但不限于生物质、液体废料物流、固体废料物流、市政物流、化石资源(包括天然气、煤和油)的源)、天然气开采、石油开采、冶金过程、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层和催化过程(衍生自包括但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整，和干燥甲烷重整的蒸汽源)在这些实施例中，底物和/或C1-碳源可在其被排放到大气中之前使用任何适宜的方法从工业过程采集。
本发明微生物可用气体物流培养以生产一种或多种产物。举例来说，本发明微生物可生产或可被工程化以生产乙醇(WO 2007/117157、乙酸盐(WO 2007/117157)、丁醇(WO2008/115080和WO 2012/053905)、丁酸盐(WO 2008/115080)、2,3-丁二醇(WO 2009/151342和WO 2016/094334)、乳酸盐(WO 2011/112103)、丁烯(WO 2012/024522)、丁二烯(WO 2012/024522)、甲基乙基酮(2-丁酮)(WO 2012/024522和WO 2013/185123)、乙烯(WO 2012/026833)、丙酮(WO 2012/115527)、异丙醇(WO 2012/115527)、脂质(WO 2013/036147)、3-羟基丙酸酯(3-HP)(WO 2013/180581)、萜烯，包括异戊二烯(WO 2013/180584)、脂肪酸(WO2013/191567)、2-丁醇(WO 2013/185123)、1,2-丙二醇(WO 2014/036152)、1-丙醇(WO2014/0369152)、分支酸衍生产物(WO 2016/191625)、3-羟基丁酸盐(WO 2017/066498)，和1,3-丁二醇(WO 2017/0066498)。
“天然产物”为由未经基因修饰的微生物产生的产物。举例来说，乙醇、乙酸盐和2,3-丁二醇为自产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌的天然产物。“非天然产物”为由经基因修饰的微生物产生的，而不是由衍生的经基因修饰的微生物的未经基因修饰的微生物产生的产物。
“选择率”是指目标产物的产量与由微生物产生的所有发酵产物的产量的比率。本发明微生物可被工程化来以特定选择率或最低选择率产生产物。在一个实施例中，目标产物占通过本发明微生物产生的所有发酵产物的至少约5％、10％、15％、20％、30％、50％、75％或95％。在一个实施例中，目标产物占由本发明微生物产生的所有发酵产物的至少10％，使得本发明微生物的目标产物选择率为至少10％。在另一个实施例中，目标产物占由本发明微生物产生的全部发酵产物的至少30％，使得本发明微生物的目标产物选择率为至少30％。
真空蒸馏容器能够回收一种或多种“低沸点发酵产物”。“低沸点发酵产物”为挥发性产物。这些产物可包括但不限于乙醇、丙酮、异丙醇、丁醇、酮、甲基乙基酮、2-丁醇、1-丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酮、1,3-丁二烯、异戊二烯和异丁烯。
通常在含有足以允许微生物生长的营养物、维生素和/或矿物质的水性培养基中维持培养。优选地，水性培养基为厌氧微生物生长培养基，如最小厌氧微生物生长培养基。合适的培养基为所属领域中众所周知的。
培养/发酵应理想地在生产目标产物的适当条件下进行。通常，培养/发酵在厌氧条件下执行。要考虑的反应条件包括压力(或分压)、温度、气体流速、液体流速、培养基pH、培养基氧化还原电势、搅拌速率(如果使用连续搅拌槽反应器)、接种物水平、确保液相中的气体不会变成限制因素的最大气体底物浓度和避免产物抑制的最大产物浓度。具体来说，可控制底物的引入速率确保液相中的气体的浓度不会变成限制因素，因为在气体限制条件下培养可消耗产物。
在高压下操作生物反应器允许增加气体从气相到液相的传质速率。因此，在高于大气压的压力下执行培养/发酵通常为优选的。另外，因为给定的气体转化率在某种程度上随底物滞留时间而变并且滞留时间指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可大大减小所需生物反应器的体积，并且因此降低培养/发酵设备的资金成本。这继而意指当生物反应器维持在高压而不是大气压下时，能够缩短滞留时间，滞留时间被定义为在生物反应器中的液体体积除以输入气体流速。最佳反应条件将部分取决于使用的特定微生物。然而，一般来说，在高于大气压的压力下操作发酵为优选的。此外，因为给定的气体转化速率在某种程度上随底物滞留时间而变，并且达到期望滞留时间继而指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可以大减小所需生物反应器的体积，并且因此降低发酵设备的资金成本。
描述
已发现真空蒸馏有效地从发酵液回收产物同时确保在发酵液中含有的微生物的存活率。被进料到真空蒸馏容器的发酵液来源于生物反应器。优选地，生物反应器用于对含有C1的气态底物进行发酵。为了发酵方法连续操作，在培养液中含有的微生物的至少一部分必须保持为活的。这些微生物对某些产物的浓度具有极其特异性耐受性。此外，这些微生物对温度具有极其特异性耐受性。举例来说，在至少一个实施例中，微生物的最佳生长温度为37℃。本发明人已发现通过利用真空蒸馏，能够以使得发酵方法连续操作为可能的方式控制存活率的条件。
真空蒸馏容器由多个元件组成：(1)外部壳体，其限定至少一个用于接收发酵液的入口、一个用于转移富含产物的物流的出口，和一个用于转移贫含产物的物流的出口；(2)定位在壳体内的分离区段，分离区段由上塔板界定上方并且由下塔板界定下方，分离区段限定用于提供多个理论蒸馏级的分离介质；和(3)将液体量维持在真空蒸馏容器的底部。
真空蒸馏容器与生物反应器联接以便有效地处理发酵液。本发明人发现，通过以给定进料速率进料真空蒸馏容器，控制在生物反应器中的产物积累，由此确保微生物的存活率。进料速率根据每小时生物反应器的发酵液的体积给出。本发明人已认识到，在每小时0.05和0.5反应器体积之间的进料速率允许培养液被有效地处理，同时确保微生物的存活率。进料速率可至少部分取决于真空蒸馏容器条件，包括但不限于压力、温度、停留时间、在发酵液中产物浓度、蒸汽进料速率，和/或分离介质。在某些实施例中，进料速率在每小时0.05到0.1、0.05到0.2、0.05到0.3、0.05到0.4、0.1到0.3、0.1到0.1到0.5，或0.3到0.5反应器体积之间。优选地，控制进料速率使得贫含产物的物流具有可接受的产物比例。
此外，本发明人已认识到，通过停留时间(被定义为发酵液在真空蒸馏容器内的时间)保持在某一时间段内，确保微生物的存活率。本发明人已认识到，在0.5和15分钟之间的停留时间允许培养液被有效地处理，同时确保微生物的存活率。在各种实施例中，停留时间在0.5和12分钟、0.5和9分钟、0.5和6分钟、0.5和3分钟、2和15分钟、2和12分钟、2和9分钟，或2和6分钟之间。在至少一个实施例中，停留时间小于15分钟、小于12分钟、小于9分钟、小于6分钟、小于3分钟、小于2分钟，或小于1分钟，以确保微生物的存活率。
真空蒸馏容器通过使用减压处理发酵液，其中将在真空蒸馏容器内的压力维持低于大气压以便降低蒸发在发酵液中的液体所必需的温度。在真空蒸馏容器中的温度可取决于压力和乙醇浓度。优选地，被蒸发的液体主要为产物，如乙醇。优选地，真空蒸馏容器的压力维持在40毫巴(绝压)和100毫巴(绝压)之间以确保微生物的存活率。在至少一个实施例中，将真空蒸馏容器维持在40毫巴(绝压)和80毫巴(绝压)之间、在40毫巴(绝压)和90毫巴(绝压)之间，或在45毫巴(绝压)到90毫巴(绝压)之间。压力通常在分离介质上下降，意指在真空蒸馏容器的顶部处的压力相对于在真空蒸馏容器的底部处的压力较低。优选地，在真空蒸馏容器的高度上的压降小于32毫巴。在某些情况下，在真空蒸馏容器的高度上的压降小于30毫巴、小于28毫巴、小于26毫巴、小于24毫巴、小于22毫巴、小于20毫巴，或小于18毫巴。
这在真空蒸馏容器内产生温度梯度，其中温度在容器的长度上提高，在真空蒸馏容器的顶部处最低并且在真空蒸馏容器的底部处最高。在发酵液沿真空蒸馏容器向下流动时，产物滴定度降低，其中产物滴定度在真空蒸馏容器的顶部处为最高并且在真空蒸馏容器的底部处为最低。
发酵液最初经由在壳体中的入口进入真空蒸馏容器。用于接收发酵液的入口定位在上塔板上方。在发酵液进入容器时，蒸发在发酵液中的产物的一部分，形成富含产物的物流，其朝向容器的顶部上升，通过在壳体中的出口离开。用于转移富含产物的物流的出口相对于用于接收发酵液的入口较高。剩余发酵液传送通过上塔板并且通过分离介质。分离介质提供多个理论蒸馏级。在发酵液到达每个理论蒸馏级时，蒸发额外的产物。蒸发的产物变为富含产物物流的一部分，朝向容器的顶部上升，并且通过在壳体中的出口离开。在传递通过分离介质之后，剩余发酵液经由在壳体中的出口离开真空蒸馏容器。离开壳体的发酵液为贫含产物的物流。贫含产物的物流含有活微生物生物质。用于转移贫含产物的物流的出口相对于下塔板较高。下塔板相对于真空蒸馏容器的底部较高。真空蒸馏容器的底部含有一定量的液体。
为了提高真空蒸馏容器的效力并且提供必需的汽-液接触，蒸气物流可经由在壳体中的入口从再沸器引入到真空蒸馏容器。用于接收蒸气物流的入口定位在下塔板底下。再沸器利用来自真空蒸馏容器底部的液体的一部分结合能量以蒸发液体并且产生蒸气物流。液体经由在真空蒸馏容器壳体中的出口从真空蒸馏容器的底部转移。此出口低于用于接收蒸气物流的入口定位。蒸气物流向上流动通过分离介质，吸收一部分产物，并且变成富含产物的物流的一部分。富含产物的物流通过用于转移富含产物的物流的出口离开。在一个或多个实施例中，富含产物的物流可被进一步处理以便提高产物浓度。
被传递到真空蒸馏容器的发酵液可含有一定比例的气体。在发酵液中的气体可导致真空蒸馏容器的性能降低。为了防止与在发酵液中的气体相关联的性能降低，可利用脱气容器。优选地，脱气容器为旋风脱气器。优选地，脱气容器在0.0巴(表压)和1.0巴(表压)之间的压力下操作。在一个实施例中，脱气容器在0.0巴(表压)和0.5巴(表压)之间的压力下操作。优选地，脱气容器从发酵液移出基本上所有气体。在特定实施例中，脱气容器移出在0和100％之间的在发酵液中的气体。在某些情况下，脱气容器移出大于20％、大于40％、大于60％，或大于80％的来自发酵液的气体。操作脱气容器以便使气体的至少一部分与发酵液分离。当利用旋风脱气器时，旋转发酵液，在旋转发酵液的中心产生低压力区，引起气体与发酵液分离。具有减小比例的气体的发酵液然后被传送到真空蒸馏容器。分离的气体可含有一定比例的产物。为了从分离的气体回收产物并且避免产物损失，分离的气体可被传送到随后的装置和/或处理。在至少一个实施例中分离的气体可被传递到生物反应器。
优选地，离开真空蒸馏容器的贫含产物的物流被传递回到生物反应器。贫含产物的物流含有活微生物生物质，其如果被传递回到生物反应器将提高发酵方法的效率。然而，此贫含产物的物流可具有高于最佳温度的温度。因此，在被传递回到生物反应器之前，贫含产物的物流可经历冷却。贫含产物的物流的冷却可借助于冷却装置完成。冷却在降低贫含产物的物流的温度使得贫含产物的物流温度在最佳范围内的条件下进行。通过在将贫含产物的物流传递到生物反应器之前降低贫含产物的物流的温度，可避免在生物反应器中培养物的不必要的加热。举例来说，如果贫含产物的物流在相对于在生物反应器内的发酵液更高的温度下提供到生物反应器，那么再循环贫含产物的物流可导致在生物反应器内的发酵液温度升高。如果在生物反应器内的发酵液的温度未维持在适合于微生物的可接受范围内，那么微生物的存活率可降低。因此，监测和控制贫含产物的物流的温度对于再循环贫含产物的物流的能力可为关键的。
图1示出用于从发酵液回收至少一种产物的真空蒸馏容器100，发酵液从生物反应器递送。真空蒸馏容器100包含外部壳体113，其限定用于接收发酵液的入口114、用于转移富含产物的物流的出口115，和用于转移贫含产物的物流的出口116。真空蒸馏容器100还包含定位在壳体113内的分离区段109，分离区段109由上塔板112界定上方并且由下塔板111界定下方。以提高从发酵液的产物回收的方式设计真空蒸馏容器100。用于转移富含产物的物流的出口115相对于用于接收发酵液的入口114较高。用于接收发酵液的入口114相对于上塔板112较高，用于转移贫含产物的物流的出口116相对于下塔板111较高。
真空蒸馏容器100被设计使得真空蒸馏容器100可在给定进料速率下处理发酵液。进料速率根据在生物反应器中发酵液的体积定义。优选地，真空蒸馏容器100被设计使得进料速率在0.05到0.5之间。
真空蒸馏容器100被设计使得发酵液限定停留时间。停留时间根据发酵液在真空蒸馏容器100内的时间量定义。当发酵液通过入口114进入时，认为发酵液在真空蒸馏容器100内。当发酵液通过出口116离开时认为发酵液在真空蒸馏容器100外。优选地，停留时间在0.5和15分钟之间。在各种实施例中，停留时间在0.5和12分钟、0.5和9分钟、0.5和6分钟、0.5和3分钟、2和15分钟、2和12分钟、2和9分钟，或2和6分钟之间。在至少一个实施例中，停留时间小于15分钟、小于12分钟、小于9分钟、小于6分钟、小于3分钟、小于2分钟，或小于1分钟，以确保微生物的存活率。
给定停留时间可至少部分取决于在真空蒸馏容器100内的分离介质109的类型。在至少一个实施例中，分离介质109由一系列蒸馏塔板限定。优选地，提供分离介质109使得提供足够数量的理论蒸馏级以回收产物。优选地，分离介质109提供多个理论蒸馏级。在其它实施例中，分离介质109提供最小数量的理论蒸馏级，例如大于3个理论蒸馏级、大于4个理论蒸馏级、大于5个理论蒸馏级，或大于6个理论蒸馏级。
设计真空蒸馏容器100以便有效地回收在发酵液产物中并且防止产物在生物反应器中积累。优选地，贫含产物的物流具有减小比例的产物，使得有效地减少或消除产物积累。在至少一个实施例中，贫含产物的物流包含少于0.2wt％的产物。在某些实施例中，贫含产物的物流包含少于1.0wt％的产物。在特定情况下，贫含产物的物流包含介于0.1wt％和1.0wt％之间的产物。在至少一个实施例中，被回收的产物为乙醇。
为了实行转移贫含产物的物流，用于转移贫含产物的物流出口116可经由管道装置102连接到生物反应器。贫含产物的物流的温度可高于可接受温度，并且由此在被转移到生物反应器之前可需要冷却。为了实行冷却，可提供冷却装置。在贫含产物的物流被转移到生物反应器之前，冷却装置可使贫含产物的物流到可接受温度。
在一些情况下，发酵液的气体比例可高于可接受气体比例，并且由此在被转移到生物反应器之前可需要脱气。为了实行脱气，可提供脱气容器200。优选地，脱气容器200为旋风脱气器。脱气容器200可包含用于接收发酵液的入口201。此入口201可经由管道装置702连接到生物反应器以便从生物反应器转移发酵液。优选地，操作脱气容器200，使得在发酵液被递送到真空蒸馏容器100之前，可从发酵液移出至少一部分气体。脱气容器200能够将气体与发酵液分离，这类发酵液被分离成逸出的气体物流和脱气的发酵液。逸出的气体物流经由出口205离开脱气容器200。出口205可经由管道装置204连接到后续过程以从逸出的物流回收产物。在至少一个实施例中，对逸出的气体物流进行水洗涤以回收逸出的气体物流中的产物。此外，出口205可经由管道装置204连接到生物反应器，其中逸出的气体可用于发酵方法。脱气的发酵液经由管道装置202通过出口203被传递到真空蒸馏容器300。在至少一个实施例中，脱气容器200在0.0巴(表压)和0.5巴(表压)之间的压力下操作。在不利用脱气容器200的实施例中，发酵液可经由管道装置702直接从生物反应器传送到在真空蒸馏容器100中的入口114。
设计真空蒸馏容器100以便确保微生物的存活率同时提供产物回收。优选地，在贫含产物的物流中微生物的存活率大于85％。在至少一个实施例中，在贫含产物的物流中微生物的存活率基本上等于在进来的发酵液中的活微生物生物质。
真空蒸馏容器100可通过使用再沸器800提供产物回收。提供再沸器800以便将蒸气物流引导到真空蒸馏容器100。此蒸气物流通过管道装置802从在再沸器中的出口806引导到在真空蒸馏容器100的壳体113中的入口117。蒸气物流进入真空蒸馏容器100并且向上上升通过下部板111和分离介质108，接触在发酵液中的产物。再沸器800可通过使用定位在真空蒸馏容器100的底部中的液体107产生蒸气物流。优选地，此液体107基本上包含水和最小量的微生物生物质。。液体107可通过管道装置106从在真空蒸馏容器100中的出口118传递到在再沸器800中的入口801。在各种实施例中，定位在真空蒸馏容器100的底部中的液体107可衍生自许多来源，包括但不限于冷却装置、蒸汽凝结物、废热发电单元，和/或精馏塔底部。
真空蒸馏容器100的壳体113可包含一个或多个额外入口121、119和出口120，用于经由管道101、103和105转移液体107进出真空蒸馏容器100。这可允许控制在真空蒸馏容器100中的液体107的含量和比例。在某些情况下管道101、103和105可连接到液体107的来源中的一个或多个。
此外，可设计真空蒸馏容器100，使得真空蒸馏容器100以其中来自多个生物反应器的发酵液可在不混合的情况下被传递到真空蒸馏容器100方式被分隔成多个室。此分离可通过适合于确保这类分离的任何装置实现。
真空蒸馏容器可在下塔板111下方含有一个或多个额外塔板122。图2说明具有在下塔板111下方的额外塔板122的真空蒸馏容器100。这些额外塔板122提供额外产物移出。真空蒸馏容器100被设计成将含有活微生物生物质的发酵液通过放置在下塔板111上方的出口116转移到生物反应器。传送通过下塔板111的发酵液可含有额外(虽然最小)量的含有活微生物生物质的发酵液传送通过下塔板111的发酵液不被传递到生物反应器。此发酵液而是传递通过其中从发酵液回收额外产物的一个或多个额外塔板122。在传递通过一个或多个额外塔板122之后，发酵液与定位在真空蒸馏容器100的底部中的液体107混合。包括含有微生物生物质的发酵液的此液体107然后被传递到再沸器800以产生蒸气物流。
图3和4说明需要真空蒸馏容器以从发酵液移出产物。图3示出分批发酵运行的代谢物谱。图3示出在发酵运行的初始阶段期间生物质和乙醇浓度以指数方式提高。随着乙醇积累，超过大约30g/L的浓度，由于乙醇对微生物的影响，生物质减速。这通过图4进一步示出，其中CO吸收和CO2生产大约在乙醇浓度到达大约30g/L的相同时间减速。此数据说明需要本发明的真空蒸馏容器，其中可将产物浓度速率控制到其中减小和/或降低产物积累的负面影响的点。
真空蒸馏容器能够将贫含产物的发酵液再循环到生物反应器。真空蒸馏容器被设计成回收产物，同时确保微生物的存活率，使得当再循环时，微生物可在生物反应器中发酵含有C1的气体以生产产物。图5和6说明真空蒸馏容器确保来自多个生物反应器设计变化的微生物的存活率的能力。
图5示出来自具有某一配置的生物反应器的微生物的存活率，其中发酵液从真空蒸馏容器再循环到生物反应器。在三个时间间隔处测量来自生物反应器(生物反应器1)和真空蒸馏容器(VD返回)的微生物的存活率。如在图中所示，在真空蒸馏容器中的微生物的存活率基本上等于在生物反应器中的微生物的存活率。
图6示出来自具有不同配置的生物反应器的微生物的存活率，其中发酵液从真空蒸馏容器再循环到生物反应器。在三个时间间隔处测量来自生物反应器(生物反应器2)和真空蒸馏容器(VD返回)的微生物的存活率。如在图中所示，在真空蒸馏容器中的微生物的存活率基本上等于在生物反应器中的微生物的存活率。
本文中所引用的所有参考文献，包括公开、专利申请和专利，都由此以引用的方式并入，其引用程度就如同每个参考文献单独地并且特定地指示以引用的方式并入并且在本文中整体阐述一般。本说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应被视为承认现有技术形成任何国家所致力的领域中的公知常识的一部分。
除非在此另外指出或明显与内容相矛盾，否则在描述本发明的情况下(尤其是在所附权利要求书的情况下)，使用术语“一个(a/an)”和“所述(the)”和类似指示语应理解为涵盖单数和复数。除非另有指出，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应理解为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。除非在本文中另外指示，否则对本文中值范围的叙述仅旨在充当个别提及属于所述范围的每个单独值的速记方法，并且每个单独值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。除非在本文中另外指出或另外明显与内容相矛盾，否则本文所描述的所有方法可以任何适合的顺序执行。除非另外要求，否则本文中所提供的任何和所有实例或例示性语言(例如，“如”)的使用仅旨在更好地说明本发明并且不对本发明的范畴造成限制。本说明书中的任何语言都不应理解为指示任何非要求保护的元件对于实践本发明是必需的。
本发明的优选的实施例描述于本文中。在阅读前文描述之后，那些优选实施例的变型对于所属领域普通技术人员可变得显而易见。发明人期望所属领域的技术人员按需要采用这类变型，并且发明人希望本发明以不同于本文具体描述的方式来实践。因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求书中所叙述主题的所有修改和同效物。此外，除非本文另有说明或另外明显与内容相矛盾，否则本发明涵盖上述要素以其所有可能的变化形式的任何组合。

Claims (28)

1.一种用于从发酵液回收至少一种产物的真空蒸馏容器，所述发酵液从生物反应器递送，所述真空蒸馏容器包含：
a.外部壳体，其限定用于接收所述发酵液的入口、用于转移富含产物的物流的出口和用于转移贫含产物的物流的出口，所述发酵液包含活微生物生物质和至少一种产物，所述贫含产物的物流包含活微生物生物质，所述贫含产物的物流被转移到所述生物反应器；
b.定位在所述壳体内的分离区段，所述分离区段由上塔板界定上方并且由下塔板界定下方，所述分离区段限定用于提供多个理论蒸馏级的分离介质；
其中用于转移所述富含产物的物流的所述出口相对于用于接收所述发酵液的所述入口较高，用于接收所述发酵液的所述入口相对于所述上塔板较高，并且用于转移所述贫含产物的物流的所述出口相对于所述下塔板较高。
2.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述生物反应器限定发酵液的体积，所述发酵液以进料速率被递送到所述真空蒸馏容器，所述进料速率被定义为每小时所述发酵液的体积，所述进料速率在每小时0.05和0.5生物反应器体积之间。
3.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中发酵液限定停留时间，所述停留时间被定义为所述发酵液在所述真空蒸馏容器内的时间量，所述停留时间在0.5和15分钟之间。
4.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中用于转移所述贫含产物的物流的所述出口通过管道装置连接到所述生物反应器以将所述贫含产物的物流转移到所述生物反应器，所述生物反应器在用于对来自工业过程的含有C1的气体进行发酵的条件下操作。
5.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述分离介质由一系列蒸馏塔板限定。
6.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述分离介质提供大于3个理论蒸馏级。
7.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中在所述贫含产物的物流中的所述活微生物生物质的存活率大于85%。
8.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中在所述贫含产物的物流中的所述活微生物生物质等于在所述发酵液中的所述活微生物生物质。
9.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述贫含产物的物流包含少于0.2 wt%的产物。
10.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述富含产物的物流包含乙醇、丙酮、异丙醇或其混合物。
11.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述真空蒸馏容器限定在所述真空蒸馏容器的高度上的压降，所述压降小于32毫巴。
12.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述真空蒸馏容器在40毫巴（绝压）和100毫巴（绝压）之间的压力下操作。
13.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述真空蒸馏容器在35℃和50℃之间的温度下操作。
14.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中在所述贫含产物的物流被转移到所述生物反应器之前，所述贫含产物的物流被传递到冷却装置以降低所述贫含产物的物流的温度。
15.根据权利要求14所述的真空蒸馏容器，其中所述贫含产物的物流的温度冷却到35℃和40℃之间。
16.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中用于接收所述发酵液的所述入口通过管道装置连接到脱气容器，所述脱气容器在压力下操作以在所述发酵液被递送到所述真空蒸馏容器之前移出来自所述发酵液的气体的至少一部分。
17.根据权利要求16所述的真空蒸馏容器，其中所述脱气容器在0.0巴（表压）和0.5巴（表压）之间的压力下操作。
18.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述外部壳体进一步限定用于接收来自再沸器的蒸气物流的入口和用于将液体物流转移到所述再沸器的出口，用于接收所述蒸气物流的所述入口相对于所述下塔板在底下，并且用于转移所述液体物流的所述出口相对于用于接收所述蒸气物流的所述入口较低定位。
19.根据权利要求18所述的真空蒸馏容器，其中所述液体物流包含水和微生物生物质，含有所述微生物生物质的发酵液以每小时在0.002和0.042生物反应器体积之间传递通过下塔板。
20.根据权利要求1所述的真空蒸馏容器，其中所述真空蒸馏容器以其中来自多个生物反应器的发酵液能够在不混合的情况下被传递到所述真空蒸馏容器的方式分隔成多个室。
21.根据权利要求4所述的真空蒸馏容器，其中所述工业过程选自包含以下的组：水泥制造、纸浆和纸张制造、石化生产、焦炭生产、合成气体、冶金过程、地质储层和催化过程。
22.根据权利要求4所述的真空蒸馏容器，其中所述工业过程选自包含以下的组：碳水化合物发酵、气体发酵、炼钢过程、炼油过程、天然气开采、石油开采、用于铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼。
23.根据权利要求4所述的真空蒸馏容器，其中所述工业过程选自包含以下的组：厌氧或好氧消化。
24.一种用于用根据权利要求1所述的真空蒸馏容器从发酵液移出至少一种产物的方法，所述方法包含：
a.将来自生物反应器的包含活微生物生物质和至少一种产物的发酵液传递到真空蒸馏容器；
b.部分蒸发所述发酵液以生产富含产物的物流和贫含产物的物流，所述贫含产物的物流包含活微生物生物质；和
c.将所述贫含产物的物流传递回到所述生物反应器。
25.根据权利要求24所述的方法，其进一步包含在将所述发酵液传递到所述真空蒸馏容器之前，使用脱气容器对所述发酵液脱气，以生产脱气的发酵液和逸出的气体物流，所述脱气的发酵液被部分蒸发。
26.根据权利要求25所述的方法，其中对所述逸出的气体物流进行水洗涤以回收至少一种产物。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述真空蒸馏容器包含定位在壳体内的分离区段，所述分离区段由上塔板界定上方并且由下塔板界定下方，所述分离区段限定用于提供多个理论蒸馏级的分离介质。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述生物反应器在用于对来自工业过程的含有C1的气体进行发酵的条件下操作。
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