CN110452934A - 发酵和模拟移动床过程 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于从发酵液中产生、分离和回收一种或多种发酵产物的改良方法。此外，本发明提供了用于增加发酵反应效率的方法。具体地，本发明涉及整合有用于从发酵液中分离发酵产物的模拟移动床的发酵系统和相应方法。

Description

发酵和模拟移动床过程
本申请是申请日为2013年5月23日、申请号为“201380037817.X”、发明名称为“发酵和模拟移动床过程”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及通过微生物发酵用于生产产物特别是醇类的系统和方法。具体地，本发明涉及整合有用于从发酵液中分离发酵产物的模拟移动床的发酵系统和相应方法。
背景技术
运输用生物燃料是具有吸引力的汽油替代物，并且作为低浓度掺和物快速渗入燃料市场。来源于天然来源的生物燃料比来源于化石资源的燃料(例如汽油)更具环境可持续性，对生物燃料的使用能够降低由于燃料燃烧而释放到大气中的所谓的化石二氧化碳(CO2)气体的水平。此外，生物燃料可在许多地理区域的当地产生，并且可用于减少对进口化石能源的依赖。
乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液体运输燃料。乙醇的全球消耗预期到2012年达到272亿加仑，并且燃料乙醇工业的全球市场也已预测在未来急剧增长。该增长主要是由于欧洲、日本、美国和几个发展中国家对乙醇的兴趣增加。
例如，在美国，乙醇用于产生E10，汽油中10％乙醇的混合物。在E10掺和物中，乙醇组分充当补氧剂(oxygenating agent)，改善燃烧效率并减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇作为掺合在汽油中的补氧剂以及自身作为纯燃料，满足了约30％的运输燃料需求。此外，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放后果的环境问题已成为欧盟(EU)为成员国设置消费可持续运输燃料(例如生物质衍生的乙醇)的强制目标的动力。
丁二醇包括1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇和2，3-丁二醇可用作汽车燃料添加剂。它们还可相对容易地转化成许多其他具有潜在更高价值和/或更高能量的产物。例如，2，3-丁二醇可在两步过程中容易地转变成可用作航空燃料的八碳二聚体。
2，3-丁二醇由其双官能主链获得其多变性，即2个羟基位于邻位C原子处，允许该分子非常容易地转化成诸如丁二烯、丁二酮、乙偶姻、甲基乙基酮等物质。这些化学化合物用作制造广泛范围的工业生产的化学品的基础分子。
此外，2，3-丁二醇可用作内燃机中的燃料。它在几个方面更类似于汽油而不是乙醇。随着对环境可持续性燃料的生产和应用的兴趣加强，对产生2，3-丁二醇(通常被称为生物丁醇)的生物方法的关注有所增加。
绝大多数燃料乙醇经由常规基于酵母的发酵方法产生，所述发酵方法使用源自作物的碳水化合物(例如从甘蔗中提取的蔗糖或从谷类作物中提取的淀粉)作为主要碳源。2，3-丁二醇还可通过含碳水化合物的原料的微生物发酵而产生(Syu MJ，Appl MicrobiolBiotechnol 55：10-18(2001)，Qin等人，Chinese J Chem Eng 14(1)：132-136(2006))。然而，这些碳水化合物原料的成本受其作为人类食物或动物饲料的价值的影响，同时用于乙醇生产的产淀粉或蔗糖作物的栽培并非在所有地理环境中都是经济可持续的。因此，需要开发将更低成本的和/或更丰富的碳源转化为生物燃料产品的技术。
一氧化碳(CO)是有机材料例如煤或油和油衍生产品不完全燃烧的主要的游离的富含能量的副产物。例如，据报道澳大利亚的钢铁工业每年产生超过500,000吨CO并将其释放到大气中。
长久以来已认识到催化方法可用于将主要由CO和/或CO和氢气(H2)组成的气体转化为多种燃料和化学品。然而，微生物也可用于将这些气体转化成燃料和化学品。这些生物学方法尽管通常比化学反应慢，但具有相对于催化方法的多种优势，包括更高的特异性、更高的产率、更低的能量消耗和更强的抗中毒性。
微生物依靠CO作为其唯一碳源生长的能力在1903年首次发现。这以后被确定为使用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生物化学途径(也称为Woods-Ljungdahl途径)的生物的特性。已经发现，大量厌氧生物包括一氧化碳营养生物、光合生物、产甲烷生物和产乙酸生物能将CO代谢为多种终产物，例如CO2、H2、甲烷、正丁醇、乙酸和乙醇。
厌氧菌(例如来自梭菌属(Clostridium)的那些厌氧菌)已证实经由乙酰CoA生物化学途径从CO、CO2和H2产生乙醇。例如，WO 00/68407，EP 117309，美国专利号5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO 98/00558和WO 02/08438中记载了从气体产生乙醇的多个杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)菌株。还已知细菌自产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum sp)从气体产生乙醇(Abrini等人，Archives of Microbiology 161，第345-351页(1994))。
然而，由微生物通过发酵气体生成生物燃料始终伴随着同时产生作为副产物的乙酸盐和/或乙酸。该乙酸盐/乙酸具有抑制反应的可能性，并且通常需要从发酵液中去除。此外，除非乙酸盐/乙酸副产物可用于一些其他目的，否则它可能造成废物处理的问题。乙酸盐/乙酸被微生物转化为甲烷，因此可能增加温室气体(GHG)的排放。
产生诸如乙醇和2，3-丁二醇的产物的气态底物的发酵通常在含有液体发酵液的生物反应器中进行。该发酵液含有微生物和用于其生长的营养素。营养素(包括气态底物本身)随时间转化为所需产物，但也产生可能对微生物具有毒性的不需要的副产物和细胞碎片。所需产物和不需要的产物都可抑制发酵效率，特别是以高浓度存在时。
为了回收所需产物并减少由发酵反应的抑制造成的反应的低效率，在连续或分批过程中将发酵液从生物反应器中取出并用新鲜的营养培养基替换。所需产物通常通过标准提取法从发酵液中提取，例如分馏和提取发酵。然而，这些已知的用于从发酵溶液中提取有机代谢产物的方法具有许多问题。
当用于弱有机发酵液时，溶剂提取系统通常显示出弱分配率，因此使得分离困难。盐饱和可提高分配率，但由于需要将盐从废弃水溶液中去除而使提取过程复杂化，并且如果盐不能回收重新利用就会显著增加消费成本。液压膜(例如反渗透和纳滤膜)对于短链醇、二醇和有机酸未显示足够高的排斥。疏水膜和亲水膜均不能制造成具有足以明确分离的紧密分子量截留值，并且两种膜类型均显示出在发酵液中形成严重微粒结垢，从而需要严格的预过滤。
蒸馏是目前用于连续、高纯度有机回收的主要方法。然而，蒸馏局限于与具有比水更低的沸点并且没有不利的共沸混合物的有机产品一起使用。由于2，3-丁二醇的高沸点(180-184℃)和水的高亲和力，通过蒸馏从水性溶液中分离2，3-丁二醇是昂贵和困难的。从发酵液中蒸馏乙醇获得乙醇和水的共沸混合物(即95％乙醇和5％水)，所述共沸混合物不能通过蒸馏分开并且需要进一步的步骤和技术来有效分离。
乙酸通常通过以下方法去除：过滤发酵液以去除悬浮有机物质，随后使发酵液通过活性炭柱以吸附乙酸盐。该过程需要在发酵液通过活性炭柱之前将发酵液的pH降低至小于约3，以将大多数乙酸盐转换为乙酸形式。该去除方法是不受欢迎的，因为它需要进一步的步骤和将改变pH的化学品加入发酵液中。
已知的产物回收方法通常不适合于(或在成本和/或能量消耗和/或回收产物的比例(proprotion)方面低效)回收可通过发酵系统制造的主要种类的有机产物，包括2，3-丁二醇和乙酸。因此回收是使用微生物发酵的商业上可行的生物燃料生产的瓶颈，并且需要以更有效和有成本效益的方式改善回收的新型技术。
本发明的目的是提供克服或改善现有技术的至少一种缺点的过程和发酵系统，或至少提供给公众一种有用的选择。
发明内容
本发明涉及用于从发酵液中分离一种或多种发酵产物的效率的改善的方法。本发明提供了用于从发酵液中分离一种或多种发酵产物的方法，其中用于分离的能量需求与已知方法相比基本上有所降低。
本发明还提供了通过提供用于从包含一种或多种发酵产物的发酵流中去除水的改良系统，而从发酵液中分离一种或多种发酵产物的改良方法。
在第一个方面，本发明提供了从发酵液中分离一种或多种发酵产物的方法，所述方法包括：
a)在含有一种或多种微生物培养物的生物反应器中发酵气态底物，以产生包含所述一种或多种发酵产物的发酵液；
b)使所述发酵液经过处理区，所述处理区在产生经处理的发酵液流的条件下操作，所述经处理的发酵液流基本上不含生物质；
c)将所述经处理的发酵液流的至少一部分提供给包含吸附剂的模拟移动床(SMB)模块；
d)使所述一种或多种发酵产物吸附到所述吸附剂上，并获得含有发酵液的未吸附组分的萃余液；和
e)使所述一种或多种产物从吸附剂上脱附，以获得产物流。
在第一个方面的一个实施方案中，所述处理区至少包含热处理区。在第一个方面的一个实施方案中，所述处理区包含热处理区和过滤区。在一个实施方案中，所述处理区从所述发酵液中去除悬浮的和/或可溶的生物质的至少一部分。在一个实施方案中，所述处理区从所述发酵液中去除基本上所有的所述悬浮的和/或可溶的生物质。在本发明的某些方面，所述经处理的发酵液流基本上不含生物质。在某些实施方案中，所述经处理的发酵液流可含有痕量的生物质。
在第一个方面的一个实施方案中，所述方法包括将所述萃余液再循环至生物反应器的步骤。
在第一个方面的另一实施方案中，在步骤(e)中通过用溶剂冲洗所述吸附剂以获得产物-溶剂溶液而使产物脱附。优选地，所述产物-溶剂溶液基本上不含有从所述发酵液中带出的盐。优选地，所述产物-溶剂溶液中水的浓度小于5％/体积，或小于3％/体积，或小于1％/体积。在一个实施方案中，在所述产物-溶剂溶液中基本上不存在水。
优选地，所述产物包括酸和/或醇。在某些实施方案中，所述溶剂是醇。根据一个实施方案，所述产物选自乙醇、乙酸、2，3-丁二醇、丁醇、异丙醇和丙酮。在一个实施方案中，所述溶剂选自乙醇、甲醇、丙醇和甲基叔丁基醚。在优选实施方案中，所述一种或多种产物选自乙醇、2，3-丁二醇和乙酸，并且所述溶剂是乙醇。
在一个实施方案中，在脱附步骤中使用的溶剂是先前已提取的发酵过程的产物。应当理解用发酵过程的产物进行脱附意指无需增加进一步的分离阶段以获得所述产物，尽管当产生多于一种产物时，可能需要进一步分离以使不同发酵产物彼此分离。
在一个具体实施方案中，在步骤(a)中在所述生物反应器中发酵所述气态底物以产生包含乙醇和2，3-丁二醇的发酵液。将所述发酵液传递至处理区，其中从所述发酵液中去除生物质和/或可溶蛋白质的至少一部分，以提供经处理的流。在一个具体实施方案中，使所述经处理的流流至SMB，其中乙醇和2，3-丁二醇的至少一部分从经处理的流中吸附，以获得萃余液流。使溶剂经过吸附器，以使所述乙醇和2，3-丁二醇脱附，并且提供提取物流。在另一实施方案中，将提取物流传递至回收区，该步骤在能够提供乙醇流和2，3-丁二醇流的条件下操作。在一个具体实施方案中，将萃余液流的至少一部分传递回生物反应器。
在第二个方面，本发明提供了用于从发酵液中产生和回收一种或多种发酵产物的方法，所述方法包括：
a)在含有一种或多种微生物培养物的生物反应器中发酵气态底物，以产生包含所述一种或多种发酵产物的发酵液；
b)使所述发酵液经过在产生经处理的发酵液流的条件下操作的处理区，所述经处理的发酵液流基本上不含生物质；
c)将经处理的发酵液流的至少一部分提供给包含吸附剂的模拟移动床(SMB)模块；
d)使所述一种或多种发酵产物吸附到所述吸附剂上，并获得含有未吸附的发酵液组分的萃余液；
e)使所述一种或多种产物从所述吸附剂脱附，以获得产物流；和
f)将所述萃余液的至少一部分再循环至生物反应器。
在本发明的一个实施方案中，步骤(b)的处理区从所述发酵液中去除所述生物质和/或可溶蛋白质的至少一部分，以提供基本上不含生物质的经处理的发酵液流。在一个实施方案中，将所述生物质和/或可溶蛋白质的至少一部分返回到所述生物反应器。
在本发明的一个实施方案中，当所述发酵液的至少一部分离开生物反应器时，使它经过过滤步骤，从而产生渗透物流。在某些实施方案中，在将所述渗透物流和经处理的发酵液流传递至所述SMB模块之前将其合并。
在一个实施方案中，将所述萃余液返回至所述生物反应器，以构成液体营养培养基的一部分。在某些实施方案中，在将所述萃余液返回到所述生物反应器之前，将其经过培养基制备步骤。在某些实施方案中，所述培养基制备步骤包括将一种或多种营养素加入至所述萃余液流。
在某些实施方案中，所述萃余液基本上不含产物。在优选实施方案中，所述萃余液包含至少80％的H2O，或至少85％的H2O，或至少90％的H2O，或至少95％H2O。在某些实施方案中，所述萃余液包含痕量的用于使所述一种或多种产物从所述吸附器脱附的溶剂。
在第三个方面，本发明提供了用于生产和回收一种或多种酸的方法，所述方法包括：
a)使气态底物流动至在液体营养发酵液中含有一种或多种微生物的培养物的生物反应器；
b)发酵该气态底物以产生包含一种或多种酸的发酵液；
c)将所述发酵液传递至处理区，其中从发酵液中去除生物质和/或可溶蛋白质的至少一部分，以提供经处理的发酵液流；
d)使所述经处理的发酵液流流动至包含吸附剂的模拟移动床模块；
e)使所述一种或多种酸的至少一部分从经处理的发酵液流吸附至所述吸附剂，以获得萃余液流；
f)使溶剂经过所述吸附器，以使所述一种或多种酸脱附；和
g)将所述萃余液流的至少一部分传递回生物反应器。
在第三个方面的一个实施方案中，所述吸附的酸是乳酸和/或乙酸，并且酸的去除防止肉汤培养物的抑制和/或损毁(collapse)。在具体的实施方案中，吸附的乳酸和/或乙酸从吸附剂脱附并通过提取物流离开SMB。因此，发酵液的pH通过经由提取物流去除乳酸和/或乙酸而控制。在一个实施方案中，从生物反应器中去除酸防止一种或多种微生物的培养物的抑制。
在一个实施方案中，在步骤(f)中所述一种或多种酸通过溶剂脱附。根据一个实施方案，所述用于脱附的溶剂是乙醇、甲醇、丙醇和甲基叔丁基醚。在另一实施方案中，所述用于脱附的溶剂是之前提取的通过发酵过程产生的溶剂。
在第三个方面的另一实施方案中，在提供给SMB模块之前，经处理的发酵液流中的酸的至少一部分转化为其相应的盐。在一个实施方案中，所述经处理的发酵液流的酸是乙酸，所述乙酸使用氢氧化钠转化为乙酸钠。将所述经转化的乙酸钠与经处理的发酵液流一起提供给SMB模块，其中所述乙酸钠与萃余液一起离开SMB模块，并且再循环回生物反应器。
在一个实施方案中，将在步骤(c)时从发酵液中去除的生物质和/或可溶蛋白质再循环至生物反应器。
在第三个方面的一个实施方案中，一种或多种酸通过所述方法去除，使得生物反应器的pH维持在所需范围内。已认识到微生物生长和代谢产物的产生可通过使生物反应器中的pH维持在所需范围内而得到优化。在具体的实施方案中，所需范围为最适操作pH的±0.5单位。通常，在乙酸发酵中，pH维持在6-8之间、或在6.5-7.5之间、或在6.7-7.4之间、或在6.8-7.3之间、或在6.9-7.1之间、或基本上为7.0。在本发明的方面1和2的发酵中，pH维持在4.5-6之间；或在4.61-5.9之间；或在4.7-5.8内；或在4.8-5.5之间。在一个实施方案中，pH维持在基本上pH4.8、或pH 5.0或pH5.5。
在第三个方面的某些实施方案中，主要发酵产物为乙酸。在某些实施方案中，提供给反应器的气态底物选自CO、CO和H2、CO2和H2、CO2、CO和H2或其混合物。在第三个方面的一个实施方案中，所述一种或多种微生物选自伍氏乙酸杆菌(Acetobacterium woodii)、自产乙醇梭菌、杨氏梭菌、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)、Clostridium coskatii或其混合物。
第三个方面的步骤(a)还可产生其他产物例如醇类。在具体的实施方案中，一种或多种另外的发酵产物在步骤(e)中吸附。根据一个实施方案，所述另外的产物选自乙醇、2，3-丁二醇、丁醇和异丙醇。
在上述任一方面的具体实施方案中，处理阶段至少包括过滤步骤，其中在将发酵液传递至SMB模块之前从发酵液中去除悬浮的和/或可溶的生物质的至少一部分。过滤导致从发酵液中去除悬浮的和/或可溶的生物质。在某些实施方案中，过滤产生基本上不含生物质的经处理的发酵液流。过滤可以通过使发酵液穿过膜的方式进行。在一个实施方案中，可在过滤之前通过添加絮凝剂诱导絮凝。
在某些实施方案中，处理阶段还至少包括热处理阶段。本领域技术人员应当理解用于从发酵液流中去除生物质的其他方法也可用于处理阶段。
应当理解第一个方面的方法的实施可导致第二个方面的方法的实施，反之亦然。
在另一方面，本发明提供了发酵系统，所述发酵系统至少包括：
a)含有发酵液的生物反应器，所述发酵液含有能够由气态底物产生一种或多种发酵产物的一种或多种微生物的培养物；
b)模拟移动床(SMB)模块，适于向其中提供所述发酵液的一部分；
c)SMB模块中的吸附剂，其适于吸附来自所述发酵液的一部分的一种或多种发酵产物。
在一个实施方案中，该系统还包括处理模块，所述处理模块适于在发酵液由SMB模块接纳前，从一部分发酵液中去除悬浮的和/或可溶的生物质。所述处理模块至少包括过滤模块。在某些实施方案中，所述处理模块包括热处理模块和过滤模块。如前所述，所述SMB模块可在生物反应器中或作为生物反应器的一部分提供，或与生物反应器分离但与生物反应器的流体连通，以便接纳一部分发酵液。
在一个实施方案中，所述系统还包括用于将去除的生物质/可溶蛋白质传递回生物反应器的装置。在一个实施方案中，所述系统包括用于将离开SMB模块的萃余液流传递回生物反应器的装置。
在第三个方面的具体实施方案中，生物反应器的构造用于发酵气态底物以产生包括酸和/或醇的产物。在具体的实施方案中，气态底物包含CO和任选的H2。在另一实施方案中，气态底物包含CO2和H2。
在第三个方面的具体实施方案中，所述系统包括控制装置和处理装置，使得参数(包括培养基供应速率、液体保留时间和底物供应速率)可依照本公开内容和本领域已知的方法得到控制，例如WO2010/093262中记载的方法，所述方法以引用的方式全文纳入本文。
在上述任一方面的具体实施方案中，该方法还包括分别在SMB模块中去除产物之前或之后，处理从生物反应器中除去的发酵液或萃余液。在具体实施方案中，处理可由将另外组分或营养素(例如B族维生素)加入萃余液中的步骤组成，以在将营养培养基返回生物反应器之前补充营养培养基。并且，可在将萃余液返回生物反应器之前调整萃余液的pH，以控制生物反应器中发酵液的pH。
在上述任一方面的具体实施方案中，吸附剂是氟化碳吸附剂。在其他实施方案中，吸附剂是活性炭吸附剂。在其他实施方案中，吸附剂是C18表面改性硅胶。
上文提及的吸附剂是合适的吸附剂的实例，而不意欲作为详尽列表。技术人员应当理解可使用对于本文限定的SMB过程具有合适选择性和疏水性的任何吸附剂材料。
虽然优选SMB与生物反应器分离但与之流体连通，但SMB也可在生物反应器内。当SMB包括在生物反应器内时，优选地，SMB与发酵液中的悬浮的和/或可溶的生物质保持分离。例如，可通过膜将一部分发酵液与其余部分分离，使得SMB与发酵产物连通，但不与可影响SMB性能的悬浮的或可溶的生物质连通。另外或可替代地，SMB的进料可与在同一端部上的过滤器一起提供。这适用于本发明的所有方面。
惊奇地发现SMB过程有利于使所需产物与包含稀释浓度的有机产物的发酵液和/或经处理的发酵液流分离。在本发明的一个实施方案中，在发酵液和经处理的发酵液流中的乙醇和/或2，3-丁二醇的浓度为在水中小于或等于30重量％，或在水中小于15重量％。在一个实施方案中，发酵液或经处理的流含有2-10重量％的在水中的乙醇/2，3-丁二醇，其中乙醇与2，3-丁二醇以5∶1至1∶1的比率存在。在优选实施方案中，发酵液或经处理的流含有6重量％的在水中的乙醇/2，3-丁二醇，其中乙醇与2，3-丁二醇以1∶1的比率存在。此外，惊奇地发现小于2重量％的2，3-丁二醇浓度可使用SMB过程进行分离。在具体的实施方案中，吸附剂从发酵液中吸附至少约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约95％、约99％或基本上100％的发酵产物。在一个实施方案中，吸附剂从发酵液中吸附50-100％、或60-95％、或70-90％、或70-100％的发酵产物。
在本发明的具体实施方案中，吸附剂优选具有至少6.0重量/重量、或至少7.0重量/重量、或至少8.0重量/重量、或至少9.0重量/重量或至少10.0重量/重量的乙醇吸附比率。在某些实施方案中，吸附剂具有6.0-10.0重量/重量、或7.0-10.0重量/重量、或6.0-9.0重量/重量或7.0-9.0重量/重量的乙醇吸附比率。
根据本发明，吸附剂优选具有至少9.0重量/重量、或至少10.0重量/重量、或至少12.0重量/重量、或至少16.0重量/重量、或至少18.0重量/重量或至少20.0重量/重量的2，3-丁二醇吸附比率。在某些实施方案中，吸附剂具有9.0-20.0重量/重量、或12.0-20.0重量/重量、或10.0-18.0重量/重量、或12.0-18.0重量/重量或16.0-20.0重量/重量的2，3-丁二醇吸附比率。
在本发明的具体实施方案中，有机产物吸附至吸附剂的温度为20℃至75℃、或25℃至40℃或25℃至35℃。在优选实施方案中，有机产物吸附至吸附剂的温度为约25℃。应理解，这显著低于通过蒸馏分离产物所需的温度。
在本发明的某些实施方案中，产物从吸附剂脱附的温度为20℃至120℃、或20℃至110℃、或25℃至100℃、或40℃至100℃或40℃至90℃。在某些实施方案中，产物从吸附剂脱附的温度为约90℃。
在本发明的具体实施方案中，产物吸附至吸附剂的压力小于200psig(1,379kPag)、或小于150psig(1,034kPag)或约100psig(689kPag)、或小于约50psig(345kPag)。在某些实施方案中，产物吸附至吸附剂的压力为14.7至200psig(101至1,379kPag)。本发明的实施方案在将气体发酵的有机产物例如酸、醇和二醇与一般的水性发酵液分离方面获得特定的应用。特别地，乙酸、乙醇和2，3-丁二醇通过发酵包含CO的气态底物产生，并且可使用本发明与水性有机流分离。
在上述方面的其他实施方案中，在将发酵液传递至SMB模块和任选的过滤模块之前，从由生物反应器中取出的一部分发酵液(或另一部分发酵液)中提取醇产物例如乙醇。优选地，通过蒸馏从发酵液中提取乙醇。在具体实施方案中，提取的乙醇用作SMB模块中的脱附剂。
在上述方面的其他实施方案中，在产物和/或酸的吸附后对SMB模块进行再生。在具体实施方案中，将吸附剂脱离基本上所有的脱附剂。在具体实施方案中，吸附剂通过汽提法脱离脱附剂。可在吸附前进行汽提以产生凝结的汽提溶液，并将所述凝结的汽提溶液从系统中除去，或将汽提与吸附步骤同时进行，其中凝结的汽提溶液与萃余液一起离开系统。对凝结的汽提溶液或含脱附剂的萃余液进行蒸馏以回收提取的脱附剂，并将其返回至过程中。
气态底物可包含作为工业过程的副产物获得的气体。在某些实施方案中，所述工业过程选自铁金属产品制造、非铁产品制造、石油精炼过程、生物质气化、煤炭气化、电力生产、碳黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭制造。在本发明的一个实施方案中，气态底物是合成气。在一个实施方案中，气态底物包含从钢铁厂获得的气体。
在具体实施方案中，气态底物是含CO的气态底物。在其他实施方案中，底物含有至少约15体积％的CO至100体积％的CO，例如20体积％的CO至100体积％的CO，例如43体积％的CO至95体积％的CO，例如75体积％的CO至95体积％的CO，或例如80体积％至90体积％的CO。在一个具体实施方案中，气态底物包含大约95％的CO。可设想更低的CO水平例如6％，其中该底物还含有CO2和H2。在其他实施方案中，底物流包含2％至13％的H2浓度。
在多个实施方案中，使用包含一种或多种一氧化碳营养菌菌株的微生物培养物进行发酵。在多个实施方案中，所述一氧化碳营养菌选自梭菌属、穆尔氏菌属(Moorella)、产醋杆菌属(Oxobacter)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)、乙酸杆菌属(Acetobacterium)、真细菌属(Eubacterium)或丁酸杆菌属(Butyribacterium)。在一个实施方案中，所述一氧化碳营养菌是自产乙醇梭菌。在具体实施方案中，该细菌具有登录号DSMZ10061或DSMZ23693的鉴定特征。
本发明还包括在本专利申请的说明书中单独或共同提及或指出的部分、元件和特征，所述部分、元件或特征的两个或更多个的组合的任一个或全部，并且当在本文中提及在本发明涉及的领域中具有已知等价物的特定整数时，此类已知等价物视为纳入本文，如同其单独阐述一样。
附图说明
应在其所有新方面加以考虑的本发明的上述及其他方面由于以下描述而变得清楚，以下描述仅参照附图以实例的方式给出，在所述附图中：
图1是本发明的实施方案的发酵系统的示意图；
图2是本发明的实施方案的发酵系统的示意图，由此SMB模块连接至气体发酵，以提取发酵产物例如乙醇和2，3-丁二醇。
具体实施方式
定义
除非另有说明，否则如本说明书自始至终使用的下述术语定义如下：
萃余液-在发酵产物吸附至吸附剂后发酵液剩余的物质。
发酵液-在生物反应器中的组分的混合物(包括肉汤培养物和营养培养基)。
营养培养基-加入发酵液中的含有适于微生物培养物生长的营养素和其他组分的溶液。
肉汤培养物-发酵液中存在的微生物培养物。
肉汤培养物密度-发酵液中微生物细胞的密度。
包含一氧化碳的气态底物-和相似术语包括含有一氧化碳的任何气体。气态底物通常含有显著比例的CO，优选至少约5体积％至约100体积％的CO。
酸-用于本文时，该术语包括羧酸形式。以其乙酸盐形式的乙酸不适合于与本发明的吸附剂过程一起使用。可通过pH调整将发酵液中存在的乙酸盐转化为酸形式。发酵液中的分子乙酸与乙酸盐的比率取决于该系统的pH。
生物反应器或发酵罐-包括由一个或多个容器和/或塔或管路布置组成的发酵装置，所述发酵装置包括连续搅拌釜式反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、移动床生物膜反应器(MBBR)、鼓泡塔、气升式发酵罐、膜反应器例如中空纤维膜生物反应器(HFMBR)、静态混合器或者适合于气体-液体接触的其他容器或其他装置。
第二或次级生物反应器-用于本文时，这些术语意欲涵盖可与第一和/或第二生物反应器串联或并联连接的任何数目的其他生物反应器。
发酵、发酵过程或发酵反应-和相似术语用于本文时，意欲涵盖该过程的生长阶段和产物生物合成阶段两者。在一些实施方案中，生物反应器可包含第一生长反应器和第二发酵反应器。因此，处理发酵反应或将组分添加到发酵反应中应理解为涉及这些反应器中的任一或两者。
分配率-用于本文时，意欲限定在提取物中单一确定形式的物质浓度A与其在另一相中平衡时相同形式的浓度的比率，如下方程式中所示：
1.
(IUPAC.Compendium of Chemical Terminology，第二版(“Gold Book”)。由A.D.McNaught和A，Wilkinson编译，Blackwell Scientific Publications，Oxford(1997)。XML在线校正版本：hip：//goldbook.iupac.org(2006)，由M.Nic，J.Jirat，B.Kosta创建；更新由A.Jenkins编译。ISBN0-9678550-9-8)
营养培养基的组分-用于本文时，意欲限定在液体营养培养基中提供的支持微生物生长的任何物质，包括但不限于维生素、微量金属和矿物质。水性有机流-用于本文时，意欲限定包含发酵过程的一种或多种有机产物的水性流。有机产物的实例包括但不限于乙醇；2，3-丁二醇；乙酸；丙醇；丁醇；异丙醇和丙酮，对水具有高亲和力即在水中高度可溶的化合物。
除非上下文另有说明，本说明书和以下任何权利要求的全部内容中，词语“包含”、“含有”等等应理解为以与排除含义相反的包括在内的含义，即“包括但不限于”的含义。
本发明人已鉴定SMB可具有从一般的水性溶液中提取对水具有高度亲和力的有机化合物例如醇类、二醇类和有机酸类的有益应用，并具有用于该应用的成熟方法。迄今为止，仅已将SMB用于使有机化合物与有机溶剂分离，或从水性溶液中提取有机化合物，其中所述有机组分对水具有低亲和力。醇类、二醇类和有机酸类具有低碳链长度和高极性；因此，此类化学品倾向于对于水具有高亲和力，即在水中基本上完全可溶。此外，这些化合物通常在含有杂质的低浓度溶液(即10％重量/重量以下)中产生。发酵溶液通常含有通过物理阻断或竞争吸附剂表面而限制吸附的多种无机化合物以及悬浮的和可溶的生物质污染物。本发明的至少一些优选实施方案旨在通过提供具有优化的吸附剂选择性、容量、质量转移速率和长期稳定性中的至少一种的过程和系统，来克服这些局限性中的至少一种。本发明还优选提供了对于连续操作最佳化的SMB模块，以减少SMB资本支出和操作成本。
这种将气体发酵与SMB技术结合以提取发酵产物的方法提供了相对于已知分离方法的一些优势。
再生、连续吸附减少了吸附剂和溶剂/脱附剂的数量和能量消耗。操作成本显著低于常规的单元操作，例如蒸馏、溶剂提取和结晶。
相对于固定床，SMB具有有效体积大的多的功能吸附剂。在分批(固定床)过程中，在给定床水平下的液体组合物随着时间循环改变，并且大比例的床在给定时间下是没有活性的。在使用SMB提取的连续操作期间，给定水平的组合物是固定的，并且整个床都执行有用功能。
可通过使脱附剂/溶剂经过吸附剂而将发酵产物从吸附剂脱附，以获得产物-溶剂溶液。本发明超过常规分离技术的另一优点在于：它以高产率和纯度分离有机产物，尽量不含有溶剂(例如来自发酵液的水)残留物和/或来自发酵液的不需要的溶质。
SMB的另一优点是其从溶液中同时提取超过一种产物的能力。吸附剂床的最佳化允许SMB在相同操作条件下干净地提取多种有机产物，而这无法使用常规提取方法完成。
广义上讲，本发明提供了使用包含吸附剂的模拟移动床(SMB)模块，将一种或多种发酵产物与发酵液分离的方法。
本发明的实施方案在将气体发酵的水性有机产物例如酸类、醇类和二醇类与发酵液分离的方面特别有用。特别地，乙酸、乙醇和2，3-丁二醇通过发酵包含CO的气态底物而产生，并且可使用本发明与水性有机流分离。
当与具有低有机产物浓度的发酵液一起使用时，已知的溶剂提取系统显示出弱分配系数。虽然盐饱和可改善分配系数，但这增加从水性废物中去除盐的成本，并且如果盐不能回收再利用，则急剧增加消耗品成本。由于发酵产物的选择性吸附/脱附，SMB需要最低限度的化学品消耗和发酵液处理，从而简化提取过程。在本发明的具体实施方案中，当使用的脱附剂化学品是来自发酵的有机产物时，SMB过程基本上不需要化学品消耗。
在本发明的具体实施方案中，该方法包括在将发酵液传递至SMB模块之前，对发酵液进行过滤的步骤。过滤导致从发酵液中去除悬浮的和/或可溶的生物质。过滤可以通过使发酵液经过膜(包括但不限于纳滤膜和超滤膜)，通过发酵液的变性或通过本领域已知的其他过滤方法进行。可通过在过滤前添加絮凝剂诱导絮凝。过滤可在不连续模块中进行或可并入作为SMB模块的一部分。
合适的吸附剂的实例是氟化碳吸附剂。在某些实施方案中，吸附剂是活性炭吸附剂或氟化碳吸附剂。在其他实施方案中，吸附剂是C18表面改性硅胶。
优选地，吸附剂可以是能够使水与变性发酵液分离的任何吸附剂材料。合适的吸附剂包括氟化碳吸附剂。合适的氟化碳吸附剂的实例包括表面氟化碳吸附剂例如ORSCNCB4FL5GR和ORSNCB4FLGR(可得自Orochem Technologies，Inc.)，并且在下文中分别被称为FC-5和FC-1。其他合适的吸附剂包括活性炭吸附剂。活性炭吸附剂的实例是ORSNCB4GR(可得自Orochem Technologies，Inc，Lombard，I1)，并且在下文中被称为E-325。C18表面改性硅胶也具有用于本文描述的SMB过程的合适特性。示例性C18表面改性硅胶是RELIASIL 5微米C18(可得自Infochroma，Zug，瑞士)。
通过使用最佳化的吸附剂和条件，本发明人已表明，与常规提取技术相比可以有效的方式、高产率地从发酵液中提取发酵产物。本发明人已表明，最佳化的疏水吸附剂对于有机化合物例如乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、2，3-丁二醇和丙酮显示出高容量和选择性。该方法还导致基本完全排斥溶液中存在的水和无机盐。
在具体实施方案中，吸附剂从发酵液中吸附至少约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约95％、约99％或基本上100％的发酵产物。
可通过本领域技术人员已知的标准方法例如蒸馏将产物从脱附的产物混合物中分离。例如，乙醇的沸点为78.8℃，而乙酸的沸点为107℃。因此，可使用基于挥发性的方法例如蒸馏容易地将乙醇和乙酸彼此分离。乙酸盐可通过在活性炭上吸附而回收。分离的另一个实例是有机溶剂纳滤膜。其使得通过压力过滤实现两(2)种溶剂组分彼此的尺寸分离。
SMB需要溶剂脱附剂以从吸附剂中去除有机产物。适当的脱附剂确保能够与吸附剂明确分离，并随后伴随对过程条件的仅较小的改变而与脱附产物明确分离，从而能够进行几乎完全的脱附剂再生。优选地，脱附剂选自甲醇、乙醇、丙醇和甲基叔丁基醚。在优选实施方案中，脱附剂是甲醇或乙醇。
在具体实施方案中，用于脱附的溶剂是通过发酵过程产生并且先前已提取的溶剂。这减少了消耗成本和可能的废物处理需求。使用提取的产物作为溶剂减少了不需要的溶剂/脱附剂或溶剂/脱附剂污染物再循环至发酵液(这可抑制发酵效率)的机会。在具体实施方案中，溶剂是已通过发酵或相关的发酵过程产生的乙醇。此类溶剂可在发酵液传递至SMB模块之前从取出的一部分发酵液中提取，或可从另一部分发酵液中获得。
因为SMB依赖靶产物和吸附剂表面之间的分子相互作用，所以与蒸馏不同，其分离性能不需要高温。SMB使得能够从烃和水性溶液中连续回收有机化合物，而无显著的热或压力需求。这可减少能量消耗并且还会使得温室气体排放降低。更低的温度和压力需求还可避免发酵液营养素的降解，从而使得能够使用最少的处理而使萃余液再循环。
在本发明的具体实施方案中，产物吸附至吸附剂的温度为25℃至75℃。在优选实施方案中，有机产物吸附至吸附剂的温度为约25℃。在本发明的另一具体实施方案中，产物与吸附剂脱附的温度为25℃至120℃。在某些实施方案中，产物与吸附剂脱附的温度为约90℃。在本发明的具体实施方案中，产物吸附至吸附剂的压力为小于200psig(1,379kPag)或小于150psig(1,034kPag)或约100psig(689kPag)。
在本发明的一个实施方案中，将萃余液再循环至生物反应器。在再循环前，可对萃余液进行处理，处理可由以下步骤组成：将另外组分或营养素(例如B族维生素)加入萃余液中以补充营养培养基。可在将萃余液返回生物反应器之前调整萃余液的pH，以控制生物反应器中发酵液的pH。
发酵反应中的pH的控制是可影响许多变量例如反应速率和形成的产物的关键因素。尽管参与发酵的微生物通常在一个pH范围内产生产物，但维持特定反应条件的最适pH可使生长和/或生产效率达到最大。酸例如乙酸和乳酸的积累可抑制发酵，并且如果未经检查，则可导致微生物培养物的损毁。
在广义上，本发明还提供了使用模拟移动床(SMB)模块控制生物反应器中的发酵液的pH的方法，所述SMB模块包含吸附剂以去除一部分发酵液，优选地所述部分包含酸。
该方法使得能够连续控制发酵液的pH，而无需添加酸化剂或碱化剂，或至少减少对酸化剂或碱化剂的需要。其减少了消耗成本并且减少了可能是去除试剂所需的废物处理过程。
在另一实施方案中，本发明提供了控制pH的方法，其中发酵液的pH的调整程度由从发酵液的取出部分提取的一种或多种酸的量来确定。
在酸产生发酵中，生物反应器内酸的累积可导致微生物培养物的抑制或损毁。根据本发明的一个方面，SMB模块可用作延伸的细胞再循环系统，从而使得能够返回必需生物质和可溶蛋白质，同时从培养物中去除过量酸。在某些实施方案中，基本上所有在发酵液中产生的乙酸均通过该过程去除。在某些实施方案中，当生物反应器中的pH升高超过所需范围时，乙酸可以乙酸盐的形式返回反应器。在某些实施方案中，当发酵液流经过SMB模块时能够通过调整从发酵液流中去除的酸的量，来控制生物反应器中的pH。当反应器中的pH下降到所需水平以下时，更多的酸从发酵液中去除，以使pH返回所需范围。生物反应器的pH取决于发酵类型。在乙酸发酵中，当乙酸是主要发酵产物时，pH范围应维持在约pH6至约pH7.5之间。在醇发酵中，当一种或多种醇是主要发酵产物(本发明的方面1和2)时，pH维持在约pH4.5至约pH5.5之间。在某些实施方案中，该过程是连续过程。
本发明还提供了发酵系统，所述发酵系统的示例性实施方案示意性地示于图1中。该系统包括生物反应器1，其含有发酵液2，所述发酵液2含有能够从气态底物3产生一种或多种发酵产物的微生物，所述气态底物3可经由适当入口进料给生物反应器1。
一部分发酵液2经由过滤模块4从生物反应器1进料到发酵液2，所述过滤模块4适于从发酵液中去除悬浮的和/或可溶的生物质。去除的浓缩生物质可再循环5至生物反应器。将生物质耗尽的发酵液传递至包含吸附剂的模拟移动床模块6，所述吸附剂适于从生物质耗尽发酵液中吸附一种或多种发酵产物，产生萃余液流(不吸附至吸附剂的经过滤的生物质耗尽的发酵液)。萃余液再循环7至生物反应器1。脱附剂8经过吸附剂以使发酵产物脱附，在浓缩的代谢产物流9中取出发酵产物，可对所述浓缩的代谢产物流9实施进一步的分离步骤。通过在后续吸附前的汽提10或将汽提10与吸附步骤同时进行，使吸附剂6脱离所有剩余脱附剂(或“再生”)，在所述吸附步骤中所述吸附剂6与萃余液一起离开系统。在一个实施方案中，上文描述和图1中所示的系统可用于通过从发酵液中去除发酵产物(例如酸)来控制pH。
本发明的另一个实施方案示意性地示于图2中。为了便于参考，已将相似的参考数字用于相似特征。该系统包括生物反应器1，其含有发酵液2，所述发酵液2含有能够从气态底物3产生一种或多种发酵产物的微生物。一部分发酵液可直接传递至a)过滤模块4，所述过滤模块4适于从发酵液中去除悬浮的和/或可溶的生物质的至少一部分。任选地，对挥发性产物例如乙醇在传递至过滤模块4之前进行蒸馏15。将固体生物质从过滤模块4中除去15，并且所述固体生物质可经处理或再循环至发酵液。经蒸馏的产物可传递17至SMB模块6，以用作脱附剂。
使生物质耗尽的发酵液传递至包含吸附剂的SMB模块6，所述吸附剂适于吸附发酵液的一种或多种发酵产物。经由培养基制备模块20将萃余液再循环7至生物反应器，在所述培养基制备模块20中可发生最佳化培养基进料的处理。应当理解该模块20可加入图1实施方案中。
将脱附剂8引入SMB模块6并经过吸附剂以使发酵产物脱附。脱附剂可以是发酵产物17或22例如乙醇，或者消耗品23例如甲醇或水。在脱附后，在浓缩的代谢产物流9中将发酵产物取出，用于在分离模块25中进行进一步分离，以获得仅以实例的方式提供的纯化的产物26和27，例如分别为乙醇和2，3-丁二醇。将脱附剂连同废弃的排出气体29一起除去28，并且对脱附剂进行收集30并且可再循环。
流10和加热的排出气体32用于再生吸附剂。通过使来自生物反应器的排出气体33传递经过热交换器34而获得加热的排出气体。可将凝结的流和脱附剂传递35至去除了生物质的发酵液中进行进一步加工。
在具体实施方案中，气态底物含有至少约15体积％的CO至100体积％的CO，例如20体积％的CO至100％CO，例如43体积％的CO至95体积％的CO，例如75体积％的CO至95体积％的CO，或例如80体积％至90体积％的CO。在一个具体实施方案中，气态底物包含约95％的CO。可设想更低的CO水平例如6％，其中该底物还含有CO2和H2。在其他实施方案中，底物流包含2％至13％的H2浓度。
虽然本文说明书集中于本发明的具体实施方案，即，使用CO作为主要底物生产乙醇、2，3-丁二醇和/或乙酸，但应当理解本发明可用于生产其他醇或酸或者其他化合物。另外，设想使用其他底物，包括本发明相关领域普通技术人员知晓的这类底物。例如，可使用含有二氧化碳和氢气的气态底物。此外，本发明可应用于发酵以产生丁酸盐、丙酸盐、己酸盐、乙醇、丙醇和丁醇。该方法还可用于生产氢气。例如，这些产物可通过使用微生物发酵来制备，所述微生物选自穆尔氏菌属、梭菌属、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、乙酸杆菌属、真细菌属、丁酸杆菌属、产醋杆菌属、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷八叠球菌属和脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)。
模拟移动床分离
模拟移动床(SMB)是基于目标有机溶质从溶液中吸附和脱附的分离技术。该技术在二十世纪五十年代开发用于纯化工业化学品。由于相对于固定床吸附，使用SMB可使产物产量增加五倍，而能量需求减少10倍。UOP加速了SMB的发展，用于分离具有相似沸点和/或共沸特性的有机组分(例如SorbexTM和MXTM法)。已发现吸附剂特性的最佳化使得SMB能够用于从水性发酵液溶液中提取有机发酵产物，其中有机组分对于水具有高亲和力。
SMB的连续操作通过固定两个或更多个含有吸附床的柱，同时通过使用多端口阀或转阀流体控制而使连续发酵液流循环并再循环通过床而实现。如果跨越所有串联柱的洗脱不足以提取所需纯度的所需产物，则可再次将流引导穿过柱直至实现充分的提取。因此，对阀进行仔细定时的转换以再引导发酵液流而模拟吸附床的移动。剩余部分的发酵液(主要包含水和盐)被称为萃余液，并且可取出用于处理或再循环。
当化合物之间的亲和力很高时例如在手性药剂的分离中，多次经过SMB的方法具有实用性。
SMB过程由三个主要阶段组成：
吸附阶段-使溶液进料经过吸附剂并且使有机产物吸附到表面上。将所得的萃余液从系统中取出。
脱附阶段-使脱附剂溶剂经过吸附剂，从表面提取有机产物，并且将所得的溶液取出用于分离，通常通过蒸馏的方式。
再生阶段-通过在吸附前进行汽提或与将汽提与吸附步骤同时进行而使吸附剂脱离所有剩余脱附剂，在所述吸附步骤中所述吸附剂与萃余液一起离开系统)。对凝结的汽提溶液或含有脱附剂的萃余液进行蒸馏，以回收提取的脱附剂，并将所述回收的脱附剂返回到过程中。
可在吸附阶段和脱附阶段之间提供精馏阶段。在精馏阶段期间，在吸附剂上的至少一部分产物将沿吸附柱表面向下移动，并且在柱底部处收集。这使得能够在脱附阶段中使用更少的脱附剂。
本领域技术人员应理解，本文提及的模拟移动床模块可包括许多不同的SMB设计。适合于整合到本发明的方法和系统内的示例性SMB模块设计在例如US 3268605、US3706812、US5705061和US6004518中描述，所述专利以引用的方式全文纳入本文。本领域技术人员知晓的其他仪器也可整合到SMB模块内以帮助流动分布(例如US6979402中记载的仪器)，或提供其他益处。
在本文中提及模拟移动床系统时，本发明还意欲涵盖使用发酵与实际移动床系统例如US6979402 B1中所述的移动床系统的结合，所述实际移动床系统依赖相同移动床概念。
发酵
本发明的某些实施方案适于使用由一种或多种工业过程产生的气流。此类过程包括炼钢过程，特别是产生具有高CO含量或超过预定水平(例如5％)的CO含量的气流的过程。根据此类实施方案，优选使用产乙酸菌在一个或多个生物反应器内产生酸和/或醇，特别是乙醇或丁醇。本领域技术人员在考虑本公开内容后应当理解，本发明可应用于多种工业气流或废气流，包括具有内燃机的交通工具的气流。此外，本领域技术人员在考虑本公开内容后应当理解，本发明可应用于其他发酵反应，包括使用相同或不同微生物的发酵反应。因此，本发明的范围不限于记载的具体实施方案和/或应用，而应以更广泛的含义理解；例如，气流的来源不受限制，只要其至少一种组分可用于进料发酵反应。本发明在改善从包含CO的气态底物的总体碳捕获和/或乙醇及其他醇的产生方面具有特别的应用。用于从气态底物生产乙醇及其他醇类的过程是已知的。示例性过程包括例如WO2007/117157、WO2008/115080、WO2009/022925、WO2009/064200、US 6,340,581、US 6,136,577、US 5,593,886、US5,807,722和US 5,821,111中所述的过程，所述专利各自以引用的方式纳入本文。
已知许多厌氧菌能够进行CO至醇、二醇和酸的发酵，并且适用于本发明。适用于本发明的此类细菌的实例包括梭菌属的细菌，例如杨氏梭菌菌株，包括WO 00/68407，EP117309，美国专利号5,173,429、5,593,886和6,368,819，WO 98/00558和WO 02/08438中所述的菌株，食一氧化碳梭菌菌株(Clostridium carboxydivorans)(Liou等人，International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33：第2085-2091页)，拉氏梭菌菌株(W0/2008/028055)和自产乙醇梭菌菌株(Abrini等人，Archives ofMicrobiology 161：第345-351页)。其他合适的细菌包括穆尔氏菌属的那些细菌，包括穆尔氏菌HUC22-1(Sakai等人，Biotechnology Letters 29：第1607-1612页)以及一氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)的那些细菌(Svetlichny，V.A.，Sokolova，T.G.等人(1991)，Systematic and Applied Microbiology 14∶254-260)。其他实例包括热乙酸穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)、热自养穆尔氏菌(Moorella thermoautotrophica)、产生瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、伍氏乙酸杆菌、粘液真杆菌(Eubacterium limosum)、食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、普氏产醋杆菌(Oxobacterpfennigii)、巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)、乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)、库氏脱硫肠状菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)(Simpa等人Critical Reviews in Biotechnology，2006第26卷.第41-65页)。此外，应当理解，其他产乙酸厌氧菌可适用于本发明，如本领域的技术人员应当理解的。还应理解本发明可应用于两种或更多种细菌的混合培养。
适用于本发明的一种示例性微生物是自产乙醇梭菌。在一个实施方案中，自产乙醇梭菌是具有在德国生物材料资源中心(German Resource Centre for BiologicalMaterial)(DSMZ)在鉴定保藏号19630下保藏的菌株的鉴定特征的自产乙醇梭菌。在另一个实施方案中，自产乙醇梭菌具有DSMZ保藏号DSMZ 10061或DSMZ23693的鉴定特征。该细菌的实验室菌株被称为LZ1561。
在一个实施方案中，微生物选自一氧化碳营养产乙酸菌。在某些实施方案中，微生物选自自产乙醇梭菌、杨氏梭菌、拉氏梭菌、食羰基化物梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)、Clostridium drakei、粪味梭菌(Clostridium scatologenes)、Clostridium coskatii、粘液丁酸杆菌(Butyribacterium limosum)、食甲基丁酸杆菌、伍氏乙酸杆菌、巴氏嗜碱菌(Alkalibaculum bacchii)、Blautia producta、粘液真杆菌、热乙酸穆尔氏菌、热自养穆尔氏菌、普氏产醋杆菌和凯伍热厌氧菌(Thermoanaerobacterkiuvi)。
在一个具体实施方案中，微生物选自产乙醇梭菌、产乙酸梭菌，包括以下种：自产乙醇梭菌、杨氏梭菌和拉氏梭菌以及相关分离株。其包括但不限于下述菌株：
自产乙醇梭菌JAI-1T(DSM10061)[Abrini J，Naveau H，Nyns E-J：Clostridiumautoethanogenum，sp.nov.，an anaerobic bacterium that produces ethanol fromcarbon monoxide.Arch Microbiol 1994，4：345-351]，自产乙醇梭菌LBS1560(DSM19630)[Simpson SD，Forster RL，Tran PT，Rowe MJ，Warner IL：Novel bacteria and methodsthereof.国际专利2009，WO/2009/064200]，自产乙醇梭菌LBS1561(DSM23693)，杨氏梭菌PETCT(DSM13528＝ATCC55383)[Tanner RS，Miller LM，Yang D：Clostridium.ljungdahliisp.nov.，an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I.Int J SystBacteriol 1993，43：232-236]，杨氏梭菌ERI-2(ATCC 55380)[Gaddy JL：Clostridiumstain which produces acetic acid from waste gases.美国专利1997，5,593,886]，杨氏梭菌C-01(ATCC 55988)[Gaddy JL，Clausen EC，Ko C-W：Microbialprocessf or thepreparation of acetic acid as well as solvent for its extractionfrom thefermentation broth.美国专利，2002，6,368,819]，杨氏梭菌O-52(ATCC55989)[GaddyJL，Clausen EC，Ko C-W：Microbial process for the preparation of acetic acid aswell as solventfor its extractionfrom thefermentation broth.美国专利，2002，6，368，819]，拉氏梭菌P11T(ATCC BAA-622)[Huhnke RL，Lewis RS，Tanner RS：Isolationand Characterization of hovel Clostridial Species.国际专利2008，WO 2008/028055]，相关分离株例如“C.coskatii”[Zahn等人-Novel ethanologenic speciesClostridium coskatii(美国专利申请号US20110229947)]，或突变株例如拉氏梭菌OTA-1(Tirado-Acevedo O.Production of Bioethanol from Synthesis Gas UsingClostridium ljungdahlii.PhD thesis，North Carolina State University，2010)。这些菌株在梭菌rRNA簇I内形成亚簇，并且其16S rRNA基因具有超过99％的一致性，具有约30％的相似的低GC含量。然而，DNA-DNA再结合和DNA指纹图谱实验显示这些菌株属于不同的种[Huhnke RL，Lewis RS，Tanner RS：Isolation and Characterization of hovelClostridial Species.国际专利2008，WO 2008/028055]。
该簇的所有种均具有相似的形态和大小(对数生长的细胞为0.5-0.7x 3-5ìm)，是嗜温的(最适生长温度为30-37℃)并且是严格厌氧菌[Tanner RS，Miller LM，Yang D：Clostridium ljungdahlii sp.nov.，an Acetogenic Species in Clostridial rRNAHomology Group I.Int J Syst Bacteriol 1993，43：232-236；Abrini J，Naveau H，NynsE-J：Clostridium autoethanogenum，sp.nov.，an anaerobic bacterium that producesethanol from carbon monoxide.Arch Microbiol 1994，4：345-351；Huhnke RL，LewisRS，Tanner RS：Isolation and Characterization of hovel Clostridial Species.国际专利2008，WO 2008/028055]。此外，它们均共享相同主要系统发育性状，例如相同pH范围(pH 4-7.5，最适起始pH为5.5-6)，基于含CO气体的强自养生长，伴随相似的生长速率和相似的代谢谱——乙醇和乙酸作为主要发酵终产物，以及在特定条件下形成少量的2，3-丁二醇和乳酸。[Tanner RS，Miller LM，Yang D：Clostridiumljungdahlii sp.nov.，anAcetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I.Int J Syst Bacteriol1993，43∶232-236；Abrini J，Naveau H，Nyns E-J：Clostridium autoethanogenum，sp.nov.，an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbonmonoxide.Arch Microbiol 1994，4：345-351；Huhnke RL，Lewis RS，Tanner RS：Isolationand Characterization of novel Clostridial Species.国际专利2008，WO 2008/028055]。对于所有三个种还观察到吲哚产生。然而，所述种的区别在于对多种糖(例如鼠李糖、阿拉伯糖)、酸(例如葡糖酸、柠檬酸)、氨基酸(例如精氨酸、组氨酸)或其他底物(例如甜菜碱、丁醇)的底物利用。此外，发现一些种对于某些维生素(例如硫胺素、生物素)是营养缺陷型的，而其他种则不是。
在本发明的方法中使用的细菌的培养可使用许多本领域已知的用于使用厌氧菌进行培养和发酵底物的方法来进行。例如，可利用一般在以下论文中记载的使用气态底物用于发酵的那些方法：(i)K.T.Klasson，等人(1991).Bioreactors for synthesis gasfermentations resources.Conservation and Recycling，5；145-165；(ii)K.T.Klasson，等人(1991).Bioreactor design for synthesis gas fermentations.Fuel.70.605-614；(iii)K.T.Klasson，等人(1992).Bioconversion of synthesis gas into liquid orgaseous fuels.Enzyme and Microbial Technology.14；602-608；(iv)J.L.Vega，等人(1989).Study of Gaseous Substrate Fermentation：Carbon Monoxide Conversion toAcetate.2.Continuous Culture.Biotech.Bioeng.34.6.785-793；(v)J.L.Vega，等人(1989).Study of gaseous substrate fermentations：Carbon monoxide conversion toacetate.1.Batch culture.Biotechnology and Bioengineering.34.6.774-784；(vi)J.L.Vega，等人(1990).Design of Bioreactors for Coal Synthesis GasFermentations.Resources，Conservation and Recycling.3.149-160；所有这些参考文献均以引用的方式纳入本文。
发酵可在任何合适的生物反应器中进行，例如一个或多个连续搅拌釜式反应器(CSTR)、固定化细胞反应器、气升式反应器、鼓泡塔反应器(BCR)、膜反应器例如中空纤维膜生物反应器(HFMBR)或滴流床反应器(TBR)。此外，在本发明的一些实施方案中，生物反应器可包括第一生长反应器和第二发酵反应器，微生物在第一生长反应器中进行培养，来自生长反应器的发酵液进料给所述第二发酵反应器并在其中产生大部分发酵产物。在特定实施方案中，第二生物反应器不同于第一生物反应器。
根据本发明的多个实施方案，用于发酵反应的碳源是含有CO的气态底物。底物可以是作为工业过程的副产物获得的含CO的废气，或来自另一来源例如来自汽车尾气。在某些实施方案中，工业过程选自铁金属产品制造例如钢铁厂、非铁产品制造、石油精炼过程、煤炭气化、电力生产、碳黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭制造。在这些实施方案中，含CO的底物可在它被排放到大气内之前，使用任何方便的方法从工业过程中捕获。取决于含CO的底物的组成，还可能需要在将其引入发酵之前对其进行处理，以去除任何不需要的杂质例如尘粒。例如，可使用已知方法对气态底物进行过滤或净化。
或者，含CO的底物可来源于生物质的气化。气化过程涉及在空气或氧气的受限供应中生物质的部分燃烧。所得的气体通常主要包含CO和H2，以及小体积的CO2、甲烷、乙烯和乙烷。例如，在食品提取和加工期间获得的生物质副产物(例如来自甘蔗的糖，或者来自玉米或谷物的淀粉)或通过林业产业生成的非食物生物质废物可被气化，以产生适用于本发明的含CO的气体。
含CO的底物通常含有主要比例的CO，例如至少约15体积％的CO至100体积％的CO，例如20体积％的CO至100体积％的CO，例如43体积％的CO至95体积％的CO，例如75体积％的CO至95体积％的CO，或例如80体积％至90体积％的CO。在一个具体实施方案中，气态底物包含约95％的CO。可设想更低的CO水平例如6％，其中该底物还含有CO2和H2。在其他实施方案中，底物流包含2％至13％的H2浓度。
虽然底物并不必要包含任何氢气，但H2的存在不应不利于依照本发明方法的产物形成。在具体实施方案中，氢气的存在导致醇生产的总体效率提高。例如，在具体实施方案中，底物可包含约2∶1、或1∶1或1∶2的H2∶CO比率。在其他实施方案中，底物流包含2％至13％的H2浓度。在其他实施方案中，底物流包含低浓度的H2，例如小于5％、或小于4％、或小于3％、或小于2％、或小于1％或基本上不含氢气。底物还可含有例如一些CO2，如约1体积％至约80体积％的CO2，或1体积％至约30体积％的CO2。在具体实施方案中，底物流包含CO2并且不含CO或包含最低限度的CO。
通常，一氧化碳以气态的形式添加到发酵反应中。然而，本发明的方法不限于这种状态的底物的添加。例如，一氧化碳可以液体形式提供。例如，可用含一氧化碳的气体饱和液体，并将该液体添加到生物反应器中。这可使用标准方法来实现。例如，微泡分布发生器(Hensirisak等人Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobicfermentation；Applied Biochemistryand Biotechnology第101卷，Number 3/October， 2002)可用于此目的。
应当理解，为了使细菌生长和CO至产物的发酵发生，除含CO的底物气体之外，还需要将合适的液体营养培养基进料到生物反应器。营养培养基含有足以使所用的微生物生长的维生素和矿物质。适合于使用CO作为唯一碳源的乙醇发酵的厌氧培养基是本领域已知的。例如，上文提及的美国专利号5,173,429和5,593,886以及WO 02/08438、WO2007/117157、WO2008/115080、WO2009/022925、WO2009/058028、WO2009/064200、WO2009/064201和WO2009/113878中描述了合适的培养基。
发酵应期望地在对于所需发酵发生(例如微生物生长和/或乙醇产生)适当的条件下进行。应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、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)、接种物水平、确保液相中的CO不会成为限制因素的最大气体底物浓度以及避免产物抑制的最大产物浓度。适当的条件在WO02/08438、WO07/117157、WO08/115080和WO2009/022925中描述。
设想本发明可包含具有另外的控制装置和加工装置的系统或方法，使得可依照本公开内容和本领域已知的方法而控制参数(包括培养基供应速度、液体保留时间和底物供应速度)，例如WO2010/093262中记载的方法，所述方法以引用的方式全文纳入本文。
最佳反应条件将部分取决于所用的特定微生物。然而，一般而言，优选在高于环境压力的压力下进行发酵。在增加的压力下的操作允许CO从气相到液相的转移速率得到显著提高，在液相中CO可被微生物作为碳源吸收用于乙醇生产。这还意味着当生物反应器保持在高压而不是大气压力下时，可减少保留时间(定义为生物反应器中的液体体积除以输入气体流速)。
此外，因为给定的CO至乙醇的转化率部分是底物保留时间的函数，而且实现所需的保留时间又反过来指示所需的生物反应器体积，所以加压系统的使用可极大减少所需生物反应器的体积，从而减少发酵设备的资金成本。根据美国专利号5,593,886中给出的例子，反应器体积的减小可与反应器操作压力的增加成线性比例，即，在10个大气压下操作的生物反应器只需在1个大气压下操作的生物反应器体积的十分之一。
在高压下进行气体至乙醇发酵的益处也已在其他地方得到描述。例如，WO 02/08438描述了在30psig和75psig的压力下进行的气体至乙醇的发酵，分别给出了150g/l/天和369g/l/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合物进行的示例发酵每天每升产生的乙醇减少10至20倍。
还期望含CO的气态底物的引入速度是这样的，其使得液相中的CO浓度不会成为限制因素。这是因为CO限制性情况的后果可能是乙酸生产增加并且乙醇生产降低。
实施例
表1：培养基组成
表2：痕量金属溶液
表3：维生素溶液
实施例1-用于回收发酵产物的发酵
根据表1-3中所述的组成制备培养基至体积为1.5L，加入1.5ml的刃天青。将溶液加热并搅拌，同时用N2除气。以0.1ml/小时的速率开始滴注Na2S，将生物反应器的温度设为37℃。用NH4OH将pH调至5.0，并且加入铬以将ORP调整至-200mV。随后以50ml/分钟的流速向生物反应器中供应RMG(43％CO、20％CO2、2.5％H2和33％N2)。向溶液中接种150ml的生长活跃的自产乙醇梭菌培养物。一旦反应器变得连续，则启动细胞再循环，以获得每天1.38倍的细菌稀释率和每天2.3倍的培养基流速。在操作期间，增加搅拌(rpm)和气体流动(ml/分钟)以使产物浓度达到最大。发酵操作持续8天的时间。表4显示在生物反应器的液体流出物中的代谢产物浓度。
表4：流出物中的代谢产物浓度
实例2-从发酵液中回收发酵产物。
发酵液流的预处理
使用0.1μm陶瓷膜错流过滤器(GE Healthcare Life Sciences Xampler微量过滤系统筒式)从溶液中去除固体生物质/细菌。在过滤后，可溶生物质保留在溶液中，并且必须降到最低，以使SMB正确发挥作用。
在SMB装置中进行测试之前，对含活性炭的19ml保护柱从进料中去除剩余生物质和可溶蛋白质的能力进行测试。使用BCA分析在过柱之前和过柱之后测量溶液的蛋白质浓度，并且使用SDS-PAGE分析评价在过保护柱之前和之后蛋白质的尺寸分布。在经过保护柱之前，蛋白质浓度约为1000μg/ml，并且发现蛋白质尺寸为200kDa、70kDa、40kDa、30kDa和小于2kDa。观察到保护柱从溶液中去除80％的可溶蛋白质，并且发现剩余蛋白质尺寸小于2kDa。
估计保护床已吸附4g的蛋白质和其他可溶生物质，例如DNA和酶。使用五倍柱体积的甲醇使蛋白质与吸附床脱附，并且从床去除约3.7g的蛋白质。用水回洗使DNA与床脱附，直至在洗脱液中不再观察到DNA。
产物回收
含有氟化活性炭固相的8柱SMB装置与作为溶剂的甲醇结合进行测试，以便从如先前所述处理的发酵产物中分离乙醇、2，3-丁二醇和乙酸。进料含有5％的乙醇、1％的2，3-丁二醇、0.8％的乙酸/乙酸盐，剩余部分为在发酵过程中使用的水、培养基盐和金属。HPLC技术用于测量离开SMB装置的每个流的组成。
进料溶液的流速为11ml/分钟，脱附剂的流速为11ml/分钟。步骤时间为12分钟，并且系统在75℃的温度下进行操作。使提取物流的流速最佳化，以获得最佳质量的提取物，即最小含水量。来自进料的95.7％的乙醇和94.7％的2，3-丁二醇通过提取物流离开SMB。41.7％的乙酸/乙酸盐作为乙酸通过提取物离开，并且来自进料的0.3％的水为提取物的一部分。产生三个萃余液流(初级萃余液、次级萃余液I和次级萃余液II)，以便得到适于用最低限度处理再循环的流。优化这些萃余液流的流速，以产生含有最低限度代谢产物的流；初级萃余液、次级萃余液I和次级萃余液II流的最佳化流速分别为5.8ml/分钟、7.5ml/分钟和3.3ml/分钟。初级萃余液流含有4.3％的进料乙醇、5.3％的进料2，3-丁二醇和57.9％的进料水。33.3％的进料乙酸/乙酸盐以乙酸盐形式存在于初级萃余液流中。次级萃余液I含有40.7％的进料水，以及来自进料的剩余的25％的乙酸盐形式的乙酸/乙酸盐。次级萃余液II含有0.1％的进料水。41.7％的脱附剂甲醇存在于提取物流中，30.7％在次级萃余液I中，且28.5％在次级萃余液II中。
pH控制
因为乙酸/乙酸盐可取决于其形式而通过提取物流或萃余液流离开SMB，所以可以在将溶液进料到SMB内之前通过调整溶液的pH而影响其方向。在pH约为5时，存在比乙酸略微更多的乙酸盐(乙酸的pKa为4.74)。为了确保乙酸以其乙酸盐形式离开SMB，需要对溶液进行中和；溶液的pH增加至pH7或pH8将显著减少溶液中乙酸的量。中和通过添加氢氧化钠以产生乙酸钠来实现。为了使乙酸以其酸形式离开，需要进行酸化至pH接近于pH2，并且可通过添加酸来实现。
为了使读者能够无需过度实验而实践本发明，本文已经参照某些优选实施方案对本发明进行了描述。本领域技术人员应理解本发明容易接受除具体描述的那些以外的变化和修饰。应当理解本发明包括所有此类变化和修饰。此外，提供了题目、标题等等以增强读者对本文的理解，而不应被理解为对本发明范围的限制。如果存在的话，上文和下文引用的所有申请、专利和出版物的全部公开内容均以引用的方式纳入本文。
更具体地，如本领域技术人员应当理解的，本发明的实施方案的实现可包括一种或多种另外元件。仅在其多个方面理解本发明所需的那些元件可能已在具体实例或说明书中显示。然而，本发明的范围并不限于所述实施方案，并且包括包含一个或多个另外步骤和/或一个或多个替代步骤的系统和/或方法，和/或省略一个或多个步骤的系统和/或方法。
本说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应被视为承认或任何形式的暗示现有技术在全世界任何国家构成研究领域中的公知常识的一部分。
在本说明书和随后的任何权利要求中，除非上下文另有说明，词语“包含”、“含有”等等应以与排除含义相反的包括在内的含义加以解释，即，在“包括但不限于”的含义内。

Claims (10)

1.一种用于从发酵液中产生和回收乙醇和2，3-丁二醇的方法，所述方法包括：
a)在含有一种或多种微生物的培养物的生物反应器中发酵气态底物，以产生包含乙醇和2，3-丁二醇的发酵液；
b)将所述发酵液传递至处理区，其中从所述发酵液中去除生物质和可溶蛋白质的至少一部分，以提供经处理的流；
c)将所述经处理的发酵液流的至少一部分传递至包含至少一种吸附剂的模拟移动床(SMB)模块；
d)将所述乙醇和2，3-丁二醇的至少一部分吸附到所述吸附剂上，并获得包含所述经处理的发酵液流的未吸附组分的萃余液；和
e)使用脱附剂使所述乙醇和2，3-丁二醇从所述吸附剂脱附，以获得产物流；
其中所述吸附剂选自氟化碳、活性炭和改性C18硅胶，且其中所述脱附剂的至少一部分来源于所述产物流。
2.权利要求1的方法，其中所述处理区包括热处理区。
3.权利要求2的方法，其中所述处理区还包括过滤区。
4.权利要求1的方法，其中
i.使溶剂经过所述吸附器，以使所述乙醇和2，3-丁二醇脱附并提供提取物流；
ii.使所述提取物流传递至回收区以提供乙醇流和2，3-丁二醇流。
5.权利要求1的方法，其中所述脱附剂选自乙醇、甲醇、丙醇和甲基叔丁基醚。
6.权利要求1的方法，其中所述产物流含有浓度为小于5体积％的水。
7.权利要求1的方法，其中所述萃余液含有浓度小于5体积％的乙醇。
8.权利要求1的方法，其中步骤(d)的所述萃余液的至少一部分再循环至步骤(a)的生物反应器。
9.权利要求8的方法，其中在所述萃余液再循环至所述生物反应器之前将一种或多种营养素和/或微量元素加入至所述萃余液中。
10.权利要求1的方法，其中所述微生物选自穆尔氏菌属、梭菌属、瘤胃球菌属、乙酸杆菌属、真细菌属、丁酸杆菌属、产醋杆菌属、甲烷八叠球菌属、脱硫肠状菌属及其混合物。
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