EA026402B1

EA026402B1 - Способ производства спирта

Info

Publication number: EA026402B1
Application number: EA201291308A
Authority: EA
Inventors: Джосс Антон Кумбз
Original assignee: Ланзатек Нью Зиленд Лимитед
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2017-04-28
Also published as: ES2610189T3; WO2011145956A1; EP2571600A1; AU2011255662B2; PL2571600T3; CA2781876A1; EP2571600B1; CN102939143B; US20130059352A1; CA2781876C; CN102939143A; AU2011255662A1; EA201291308A1; EP2571600A4

Abstract

Настоящее изобретение относится, в целом, к способам усовершенствования микробной ферментации газообразных субстратов с целью производства одного или нескольких продуктов. Изобретение относится к способам улавливания одного или нескольких компонентов газообразного потока жидкостью. Изобретение относится к обескислороживанию жидкости путем приведения этой жидкости в контакт с газообразным потоком. Изобретение относится к способам повышения эффективности ферментации путем использования газовых потоков, выходящих из биореактора, для удаления кислорода из потоков жидкостей, поступающих в биореактор.

Description

Настоящее изобретение относится, в целом, к способам производства продуктов посредством анаэробной микробной ферментации субстратов. В частности, изобретение относится к способам повышения эффективности ферментации путем использования газовых потоков, выходящих из биореактора, для удаления кислорода из потоков жидкостей, поступающих в биореактор.

Уровень техники

Этанол по всему миру быстро превращается в основное обогащенное водородом жидкое топливо для транспортных средств. В 2005 г. мировое потребление этанола оценивалось в 12,2 млрд галлонов (46,19 млн м³). Кроме того, на будущее предсказывается резкий рост объема мирового рынка топливного этанола за счет повышения заинтересованности в этаноле в Европе, Японии, США и некоторых развивающихся странах.

Например, в США этанол используют для производства Е10, 10%-ной смеси этанола с бензином. В смесях Е10 этанол выступает в роли обогащающего кислородом компонента, повышая полноту сгорания и снижая образование загрязняющих атмосферу веществ. В Бразилии этанол удовлетворяет приблизительно 30% потребности в топливе для транспортных средств, как в виде обогащающего кислородом компонента, смешанного с бензином, так и в чистом виде как самостоятельное топливо. Кроме того, в Европе соображения охраны окружающей среды, связанные с последствиями выброса парниковых газов, стали стимулом для установления для стран-членов Евросоюза нормы обязательного использования экологичного топлива, такого как этанол, полученный из биомассы.

Подавляющее большинство топливного этанола производится способами традиционной ферментации на основе дрожжевого брожения с использованием углеводов сельскохозяйственных культур, например, сахарозы, экстрагированной из сахарного тростника, или крахмала, экстрагированного из зерновых культур, выступающих в роли основного источника углерода. Однако на стоимость этого углеводного сырья влияет его ценность как пищи для человека или животных, и выращивание сельскохозяйственных культур, являющихся источником крахмала или сахарозы, для производства этанола не во всех географических зонах является экономически целесообразным. Следовательно, представляет интерес разработка технологий преобразования в топливный этанол более дешевых и/или более обильных источников углерода.

СО представляет собой основной, несвязанный, энергоемкий побочный продукт неполного сгорания органических материалов, таких как уголь или нефть и нефтепродукты. Например, сообщается, что сталелитейная промышленность Австралии генерирует и выбрасывает в атмосферу более 500000 тонн СО ежегодно.

Для преобразования газов, состоящих, главным образом, из СО и/или СО и водорода (Н₂), в разнообразные топлива и химикаты можно использовать каталитические процессы. Для преобразования этих газов в топлива и химикаты также могут быть использованы микроорганизмы. Такие биологические процессы, хотя, в целом, более медленные, чем химические реакции, имеют определенные преимущества над каталитическими процессами, включая более высокую избирательность, более высокий выход, меньший расход энергии и более высокую устойчивость к отравлению.

Впервые способность микроорганизмов развиваться, потребляя СО в качестве единственного источника углерода, обнаружили в 1903 г. Позднее определили, что это свойство автотрофных организмов, в метаболическом пути которых задействован ацетилкоэнзим А (ацетил-СоА) (также известном как метаболический путь Вудса-Юнгдаля и метаболический путь дегидрогеназа монооксида углерода/ацетилСоА-синтаза (СОЭН/ЛС8). Было показано, что большое число анаэробных микроорганизмов, включая карбоксидотрофные, фотосинтетические, метаногенные и ацетогенные организмы, в процессе обмена веществ превращают СО в различные конечные продукты, а именно, СО2, Н2, метан, н-бутанол, ацетат и этанол. При использовании СО в качестве единственного источника углерода все подобные организмы генерируют по меньшей мере два из этих конечных продуктов.

Показано, что анаэробные бактерии, такие как бактерии рода ОоЧпйшт. образуют этанол из СО, СО₂ и Н₂ по ацетил-СоА метаболическому пути. Например, различные штаммы С1о8йтйшт ЦипдйаЫн, производящие этанол из газов, описаны в \УО 00/68407, ЕР 117309, патентах США № 5173429, 5593886 и 6368819, \УО 98/00558 и \УО 02/08438. Также известно, что бактерии С1о8йтйшт аШоеШаподепит вр производят этанол из газов (ЛЪпш и др., ЛгсЫуек о£ МюгоЪю1оду 161, рр 345-351 (1994)).

Однако, производство этанола микроорганизмами посредством ферментации газов всегда связано с одновременным образованием ацетата и/или уксусной кислоты. Поскольку некоторое количество доступного углерода преобразуется в ацетат/уксусную кислоту, а не в этанол, эффективность производства этанола с использованием этих процессов ферментации может быть меньше, чем хотелось бы. Кроме того, за исключением случаев, когда побочно образующиеся ацетат/уксусную кислоту можно использовать для некоторых других целей, они могут создавать проблемы, связанные с утилизацией. Микроорганизмы преобразуют ацетат/уксусную кислоту в метан, следовательно, это потенциальный вклад в выбросы парниковых газов.

Известно несколько энзимов, связанных со способностью микроорганизмов использовать монооксид углерода в качестве единственного источника углерода и энергии; для их активности необходимы

- 1 026402 металлические кофакторы. К примерам ключевых энзимов, активность которых связана с наличием металлического кофактора, относятся дегидрогеназа монооксида углерода (СООН) и ацетил-СоА-синтаза (ЛС8).

В УО 2007/117157, УО 2008/115080, УО 2009/022925, УО 2009/058028, УО 2009/064200, УО 2009/064201 и УО 2009/113878, описание которых включаются в настоящий документ путем ссылки, описаны процессы, в ходе которых образуются спирты, в частности этанол, включающие анаэробную ферментацию газов, содержащих монооксид углерода. Ацетаты, образующиеся в качестве побочного продукта процесса ферментации, описанного в УО 2007/117157, преобразуют в газообразные водород и диоксид углерода, любой из которых или оба газа могут быть использованы в процессе анаэробной ферментации. В УО 2009/022925 описано влияние рН и окислительно-восстановительного потенциала на превращение субстратов, содержащих СО, в продукты, такие как кислоты и спирты, в ходе ферментации. В УО 2009/058028 описано использование промышленных газообразных отходов для производства таких продуктов, как спирт, путем ферментации. В УО 2009/064201 описаны носители для СО и использование СО в ходе ферментации. В УО 2009/113878 описано преобразование кислоты(кислот) в спирт(спирты) в ходе ферментации субстрата, содержащего СО.

Анаэробную ферментацию субстратов, содержащих СО, обычно проводят в жестких анаэробных условиях. Среды, поступающие в биореактор, до подачи в биореактор должны быть в значительной степени обескислорожены с целью удаления, по существу, всего растворенного кислорода. Обескислороживание этих сред представляет собой обычный типовой процесс, для осуществления которого нужно затратить энергию и дополнительные ресурсы, такие как поток бескислородного газа или вакуумирование.

Кроме того, газообразные потоки, поступающие в биореактор, обычно несут с собой компоненты, захваченные из водного ферментационного бульона. Если испаренные компоненты, такие как продукты, содержащие спирты, нельзя выделить из потока, выходящего из биореактора, они теряются с потоком отходов.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа, направленного, по меньшей мере, некоторым образом, на преодоление указанных выше недостатков или, по меньшей мере, на предоставление общественности пригодной альтернативы.

Сущность изобретения

В соответствии с первым общим аспектом настоящим изобретением обеспечивается устройство обескислороживания, включающее резервуар, предназначенный для осуществления газожидкостного контакта, в котором имеется:

(ί) первое входное отверстие, предназначенное для приема жидкости;

(ίί) первое выходное отверстие, предназначенное для пропускания по меньшей мере части жидкости в биореактор;

(ίίί) второе входное отверстие, предназначенное для приема газообразного потока из биореактора; и (ίν) второе выходное отверстие, предназначенное для выпускания по меньшей мере части газообразного потока из резервуара.

В конкретных вариантах своего осуществления устройство обескислороживания сконструировано так, что при его использовании потоки жидкости и газа проходят сквозь резервуар противоточно.

В конкретных вариантах осуществления в резервуаре имеется насадочный материал, предназначенный для увеличения площади поверхности газожидкостного контакта. В конкретных вариантах осуществления изобретения резервуар заполнен неупорядоченной насадкой или структурированной насадкой.

В соответствии со вторым общим аспектом настоящего изобретения им обеспечивается способ обескислороживания жидких питательных сред перед подачей этих жидких питательных сред в биореактор для анаэробной ферментации, при этом данный способ включает осуществления контакта жидких питательных сред с газообразным потоком, выходящим из биореактора.

В конкретных вариантах осуществления изобретения жидкие питательные среды и газообразный поток приводят в соприкосновение в устройстве обескислороживания, предназначенном для осуществления эффективного газожидкостного контакта.

В конкретных вариантах осуществления изобретения данный способ включает ферментацию субстрата в биореакторе с образованием одного или нескольких продуктов. В определенных вариантах осуществления изобретения субстрат является газообразным. В определенных вариантах осуществления изобретения субстрат содержит СО.

В определенных вариантах осуществления изобретения один или несколько компонентов газообразного потока, выходящего из биореактора, улавливают жидкими питательными средами, когда газообразный поток вступает в контакт с этими жидкими питательными средами.

В соответствии с третьим общим аспектом настоящего изобретения им обеспечивается способ повышения эффективности анаэробной ферментации, при этом данный способ включает:

(т) проведение в биореакторе ферментации одного или нескольких субстратов с образованием одного или нескольких продуктов;

(тт) улавливание одного или нескольких компонентов газообразного потока, выходящего из биореактора, путем приведения указанного потока в контакт с водной жидкостью;

- 2 026402 (ίίί) подачу указанной водной жидкости, содержащей один или несколько компонентов, в биореактор.

В определенных вариантах осуществления изобретения газообразный поток приводят в контакт с водной жидкостью в устройстве обескислороживания. В определенных вариантах осуществления изобретения водная жидкость представляет собой жидкие питательные среды, подаваемые в биореактор для поддержания ферментации. В определенных вариантах осуществления изобретения в результате контакта газообразного потока с водной жидкостью происходит, по существу, обескислороживание водной жидкости.

В определенных вариантах осуществления изобретения один или несколько субстратов являются газообразными. В определенных вариантах осуществления изобретения субстрат(ы) содержит СО.

В определенных вариантах осуществления второго и третьего аспектов изобретения один или несколько продуктов содержат кислоту(ы) и/или спирт(ы). В определенных вариантах осуществления изобретения кислота(кислоты) включает ацетат, спирт(ы) включает этанол.

В определенных вариантах осуществления второго и третьего аспектов изобретения газообразный поток, выходящий из биореактора, направляют непосредственно или опосредованно в устройство обескислороживания, в котором этот поток вступает в контакт с жидкими питательными средами. В определенных вариантах осуществления изобретения этот газообразный поток направляют в устройство обескислороживания по трубопроводу.

В определенных вариантах осуществления изобретения этот газообразный поток содержит один или несколько компонентов, включая, помимо прочего, газообразный субстрат(ы), не использованный в ходе ферментации; газообразный или испаренный продукт(ы) или побочный продукт(ы) ферментации и/или инертные газообразные соединения. В определенных вариантах осуществления изобретения этот газообразный поток содержит одно или несколько из следующих соединений: СО, СО₂, Н₂, Η₂δ, Ν₂, СН₄, спирты, такие как этанол, и/или кислоты, такие как ацетат.

В определенных вариантах осуществления второго и третьего аспектов изобретения устройство обескислороживания представляет собой устройство обескислороживания первого аспекта настоящего изобретения.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения им обеспечивается система, включающая биореактор и устройство обескислороживания, при этом устройство обескислороживания предназначено для:

(ί) осуществления контакта между газообразным потоком, поступающим из биореактора, и жидкостью; и (ίί) пропуска, по существу, обескислороженной жидкости в биореактор.

В определенных вариантах осуществления изобретения устройство обескислороживания представляет собой устройство обескислороживания первого аспекта настоящего изобретения.

В определенных вариантах осуществления изобретения система включает трубопровод, предназначенный для подачи газообразного потока из биореактора в устройство обескислороживания. В определенных вариантах осуществления изобретения система включает трубопровод, предназначенный для подачи жидкости из устройства обескислороживания в биореактор.

Специалистам в данной области понятны способы передачи жидких потоков в устройство обескислороживания и биореактор и выведения из них. Однако, например, жидкость может быть направлена в биореактор при помощи одного или нескольких насосов. Дополнительно или в качестве альтернативы, газообразный поток может быть направлен в устройство обескислороживания при помощи одного или нескольких вентиляторов, компрессоров, крыльчаток и/или насосов.

Варианты осуществления настоящего изобретения, в частности, могут быть применены для производства кислот и спиртов, в том числе этанола, путем ферментации газообразного субстрата, содержащего СО. Субстрат может содержать газ, получаемый в качестве побочного продукта какого-либо промышленного процесса. В определенных вариантах осуществления изобретения этот промышленный процесс подобран из группы, состоящей из производства изделий из черных металлов, производства изделий из цветных металлов, процессов нефтепереработки, газификации биомассы, газификации угля, выработки электроэнергии, производства технического углерода, аммиака, метанола и кокса. В одном из вариантов осуществления изобретения газообразный субстрат представляет собой синтез-газ. В одном из вариантов осуществления изобретения газообразный субстрат содержит газ, полученный со сталеплавильного завода.

В определенных вариантах осуществления первого и второго аспектов изобретения содержащий СО субстрат обычно содержит, по большей части, СО, например, по меньшей мере от примерно 20% до примерно 100 об.%СО, от 30 до 70 об.% СО, от 40 до 60 об.% СО и от 45 до 55 об.% СО. В конкретных вариантах осуществления изобретения субстрат содержит примерно 25%, или примерно 30%, или примерно 35%, или примерно 40%, или примерно 45%, или примерно 50% СО, или примерно 55% СО, или примерно 60 об.% СО. В некоторых вариантах осуществления изобретения поток субстрата содержит Н₂в малой концентрации, например, менее 5%, или менее 4%, или менее 3%, или менее 2%, или менее 1% или, по существу, не содержит водород. Также могут быть использованы субстраты с более низкой кон- 3 026402 центрацией СО, например, 6%, особенно, если также присутствуют Н₂ и СО₂.

В различных вариантах осуществления изобретения ферментацию осуществляют с использованием культуры одного или нескольких штаммов карбоксидотрофных бактерий. В различных вариантах осуществления изобретения карбоксидотрофные бактерии подбирают из следующих: ОоЧпйшт. Мооге11а, ОхоЬасЮг. Рер1о81тер1ососси8, АсеЮЬасЮпит, ЕиЬасЮпит или ВШупЬасЮпит. В одном из вариантов осуществления изобретения карбоксидотрофные бактерии это ОоЧпйшш аиФеШаподеиит.

Изобретение также может включать части, элементы и отличительные особенности, упоминаемые или указанные в описании настоящей заявки, по отдельности или в совокупности, в любом или во всех сочетаниях из двух или более указанных частей, элементов или отличительных особенностей, и если в данном документе указаны конкретные целые числа, имеющие известные эквиваленты в данной области, к которым относится изобретение, подразумевается, что такие известные эквиваленты включаются в настоящий документ так, как если бы они были отдельно указаны.

Подробное описание изобретения

Неожиданно было обнаружено, что поток, по существу, не содержащего кислорода газа, выходящего из биореактора, предназначенного для анаэробной ферментации газообразных субстратов, может быть использован для обескислороживания жидких питательных сред, подаваемых в биореактор. Этот процесс также обладает неожиданным преимуществом, заключающимся в том, что происходит, по существу, улавливание по меньшей мере части одного или нескольких продуктов и/или других компонентов из выходящего потока газа жидкими питательными средами, подаваемыми в реактор. Эти один или несколько продуктов и/или других компонентов могут включать спирты и/или кислоты, захватываемые из бульона анаэробной ферментации выходящим газообразным потоком в ходе ферментации газообразного субстрата. Таким образом, настоящим изобретением обеспечиваются способы и системы повышения эффективности улавливания одного или нескольких продуктов, образующихся в ходе ферментации газообразного субстрата в биореакторе.

В определенных вариантах осуществления изобретения способ настоящего изобретения включает стадию пропускания по меньшей мере части газа, выходящего из биореактора, через устройство обескислороживания сред так, чтобы по меньшей мере часть одного или нескольких компонентов выходящего газа улавливалась водными средами до их направления в биореактор. В определенных вариантах осуществления изобретения один или несколько компонентов выходящего газа включают, по меньшей мере, этанол и по меньшей мере часть этанола улавливается водными средами до их направления в биореактор.

Известны процессы ферментации газообразных субстратов, таких как субстраты, содержащие СО, с целью получения продуктов. В таких процессах ферментации поток субстрата подают в биореактор по одному или нескольким трубопроводам и смешивают с ферментационным бульоном. В ходе ферментации субстратов, таких как субстраты, содержащие СО, в биореакторе один или несколько типов микроорганизмов, обычно, суспендированы в ферментационном бульоне, содержащем жидкие питательные среды, включающие питательные элементы, необходимые для роста и метаболизма. К таким необходимым питательным элементам относятся, помимо прочего, азот, фосфор, калий, сера и определенные витамины группы В, которые, обычно вводят в виде солей, растворенных в водных средах. Жидкие питательные среды могут быть поданы в биореактор, в котором имеется один или несколько типов микроорганизмов, непрерывно или порциями; в биореакторе микробная культура преобразует по меньшей мере часть субстрата, такого как субстрат, содержащий СО, в продукты, такие как спирт. Процессы ферментации, в частности, процессы анаэробной ферментации, обычно включают один или несколько типовых процессов, направленных на удаление растворенных газов, таких как О2, из сред, подаваемых в биореактор.

В ходе ферментации газообразных субстратов субстрат, обычно, подают так, чтобы по меньшей мере часть субстрата переходила в раствор, где он доступен для метаболического превращения микроорганизмами. Например, газообразный субстрат может быть барботирован в ферментационном бульоне при атмосферном или повышенном давлении. В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере часть субстрата преобразуется в один или несколько продуктов вследствие ферментации. Однако в отдельных вариантах осуществления изобретения часть газообразного субстрата может не израсходоваться в ходе ферментации и проходить сквозь биореактор, выходя из него с выходящим потоком. Дополнительно или в качестве альтернативы, газообразные побочные продукты ферментации и/или инертные компоненты потока субстрата также проходят сквозь биореактор и выходят в составе выходящего потока.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением поток субстрата в реакторе вступает в контакт с ферментационным бульоном, один или несколько газообразных компонентов, подбираемых из неферментированного газообразного субстрата, газообразных побочных продуктов ферментации и/или инертных газообразных компонентов потока субстрата, высвобождаются из ферментационного бульона и выходят из биореактора по выпускному трубопроводу. Когда газообразные компоненты высвобождаются из ферментационного бульона, они могут испарять один или несколько растворенных продуктов, таких как спирты, и выносить их из биореактора в выходящем потоке. В соответствии с настоящим изо- 4 026402 бретением по меньшей мере часть одного или нескольких таких продуктов может быть извлечена из газообразного выходящего потока путем приведения этого выходящего потока в контакт со средами в устройстве обескислороживания до подачи сред в биореактор.

Определения

Если не определено иное, следующие термины в контексте настоящего описания имеют следующие значения.

Термин субстрат, содержащий монооксид углерода и аналогичные термины следует понимать как включающие любой субстрат, в котором монооксид углерода доступен для одного или нескольких штаммов бактерий, использующих его, например, для роста и/или ферментации.

Газообразный субстрат, содержащий монооксид углерода включает любой газ, который содержит монооксид углерода. Этот газообразный субстрат, обычно, содержит значительную долю СО, предпочтительно по меньшей мере от примерно 5% до примерно 100 об.% СО.

В связи с продуктами ферментации термин кислота, используемый в настоящем документе, охватывает и карбоновые кислоты, и соответствующий карбоксилат-анион, например, смесь свободной уксусной кислоты и ацетатов, присутствующую в ферментационном бульоне, как описано в настоящем документе. Соотношение молекулярной кислоты и карбоксилата в ферментационном бульоне зависит от рН данной системы. Термин ацетат охватывает и собственно ацетат как соль, и смесь молекулярной или свободной уксусной кислоты и ацетата в виде соли, например, смесь ацетата и свободной уксусной кислоты, присутствующую в ферментационном бульоне, как может быть указано в настоящем документе. Соотношение молекулярной уксусной кислоты и ацетата в ферментационном бульоне зависит от рН данной системы.

Термин биореактор означает устройство ферментации, состоящее из одного или нескольких резервуаров и/или башен или трубопроводной разводки, в том числе, реактор с непрерывным перемешиванием, биореактор с иммобилизованными клетками, реактор с орошаемым слоем, биопленочный реактор с подвижным слоем, барботажную реакторную колонну, газлифтный ферментер, мембранный реактор, такой как половолоконный мембранный реактор, статический смеситель или другой резервуар или другое устройство, пригодное для осуществления газожидкостного контакта.

Если из контекста не явствует иное, выражения ферментирование, процесс ферментации или реакция ферментации и т.п. в настоящем документе охватывают и фазу роста, и фазу биосинтеза продуктов данного процесса. Как будет описано дополнительно далее, в некоторых вариантах осуществления изобретения биореактор может включать первый реактор роста и второй реактор ферментации. По существу, введение металлов или композиций в реакцию ферментации следует понимать как охватывающее добавление в любой из этих реакторов или в оба реактора.

Хотя в нижеследующем описании внимание сосредоточено на конкретных вариантах осуществления изобретения, а именно, производстве этанола и/или ацетата с использованием СО в качестве основного субстрата, следует понимать, что данное изобретение может быть применено к производству альтернативных спиртов и/или кислот и использованию альтернативных субстратов, как известно специалистам в той области, к которой относится настоящее изобретение. Например, могут быть использованы газообразные субстраты, содержащие диоксид углерода и водород. Кроме того, изобретение может быть применено к производству бутирата, пропионата, капроата, этанола, пропанола и бутанола. Эти способы также могут оказаться полезными для производства водорода. Например, данные продукты могут быть получены путем ферментации с использованием микробов рода Мооге11а, С1о51гШа, Ютшососсик, Асе1оЪас1етшт, ЕиЪайетшт, Ви1упЬас1епит. ОхоЪайег, МеШаиокатсша и ЭекиПоЮтасЫит.

Ферментация

Определенные варианты осуществления изобретения пригодны для использования газообразных потоков, образующихся в одном или нескольких промышленных процессах. К таким процессам относится производство стали, особенно процессы, в которых образуется газообразный поток с высоким содержанием СО или содержанием СО, превышающим заданный уровень (то есть 5%). В соответствии с такими вариантами осуществления изобретения для производства кислот и/или спиртов, в частности, этанола или бутанола, используют ацетогенные бактерии и один или несколько биореакторов. Специалистам в данной области по рассмотрении настоящего описания станет ясно, что изобретение может быть применено в различных отраслях промышленности или к разным потокам газообразных отходов, в том числе, к газообразным отходам автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Кроме того, специалистам в данной области по рассмотрении настоящего описания станет ясно, что изобретение может быть применено к другим реакциям ферментации, включая реакции с использованием тех же или других микроорганизмов. Следовательно, подразумевается, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными вариантами его осуществления и/или описанными вариантами применения, напротив, его следует понимать в более широком смысле; например, источник газообразного потока не имеет ограничений помимо того, что по меньшей мере один его компонент является пригодным для использования в реакции ферментации. Заслуживает особого внимания применимость настоящего изобретения для повышения общего улавливания углерода и/или производства этанола и других спиртов из газообразных субстратов, содержащих СО. Способы производства этанола и других спиртов из газообразных субстра- 5 026402 тов известны. К примерам таких способов относятся способы, описанные, например, в АО 2007/117157, АО 2008/115080, АО 2009/022925, АО 2009/064200, патентах США № 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111, каждый из которых включается в настоящий документ путем ссылки.

Известно довольно много анаэробных бактерий, способных осуществлять ферментацию СО до спиртов, в том числе, н-бутанола и этанола, и уксусной кислоты и пригодных для использования в способе настоящего изобретения. К примерам таких бактерий, пригодных для использования в способе настоящего изобретения, относятся бактерии рода ОоЧпйшт. такие как штаммы С1о5йлйшт ЦипдйаЫп, в том числе, описанные в АО 00/68407, ЕР 117309, патентах США № 5173429, 5593886 и 6368819, АО 98/00558 и АО 02/08438, ОоЧпйшт сатЬохуЙ1УОтап8 (Пои и др., 1п1сгпаИопа1 1оитпа1 о£ 8у51етайс апй Еуо1ийопату МютоЬю1оду 33: рр 2085-2091), С1о5йлйшт гад5йа1е1 (АО 2008/028055) и С1о5йлйшт аиЮеШаподепит (АЬпт и др., АгсЫуе5 о£ МютоЬю1оду 161: рр 345-351). Другими пригодными бактериями являются бактерии рода Мооге11а, в том числе, Мооге11а 5р ИИС22-1 (8ака1 и др., Вю1ес1то1оду Ьейет5 29: рр 1607-1612), и бактерии рода СагЬохуйо1йегти5 (8уеШсйпу, У.А., 8око1оуа, Т.С. и др., (1991), §у51етаОс апй АррПей МютоЬю1оду 14: 254-260). Дополнительными примерами являются Мооге11а Шеттоасейса, Мооге11а 1Ьеттоаи1о1торЫса, Киттососсш ртойис1и5, Асе1оЬас1етшт хуоойн, ЕиЬайетшт Нто5ит, ВйупЬайегшт те1йу1о1горйсит, ОхоЬас1ег р£еии1д11, Ме1йапо5атста Ьак1егк Ме1йапо5атс1па асейуотап5, Ие5и1£о1отаси1ит ки/пейоун (§1тра и др., Спйса1 Ре\ае\У5 ш Вю1есйпо1оду, 2006. Уо1. 26, рр 41-65). Кроме того, следует понимать, что в контексте настоящего изобретения могут быть применимы другие ацетогенные анаэробные бактерии, что понятно специалистам в данной области. Также следует понимать, что изобретение может быть применимо для смешанной культуры из двух или более типов бактерий.

Одним из примерных микроорганизмов, пригодных для использования в контексте настоящего изобретения, является С1о5йлйшт аи1ое1Ьаподепит. В одном из вариантов осуществления изобретения С1о5йлйшт айоеШаподепит представляет собой С1о5йлйшт айоеНаподепит с отличительными характеристиками штамма, внесенного в Сегтап Ке5оитсе Сейте Ют Вю1одюа1 Ма1епа1 (И8М2) под идентификационным номером вложения 19630. В другом варианте осуществления изобретения С1о5йлйшт аиЮеШаподепит представляет собой С1о5йлйшт айоеНаподепит с отличительными характеристиками вложения И8М2 с идентификационным номером 23693.

Выращивание бактерий, используемых в контексте способов настоящего изобретения, может быть осуществлено с использованием любого числа процессов, известных в области выращивания бактерий и ферментирования субстратов с использованием анаэробных бактерий. Примеры методик приведены в разделе Примеры далее. В качестве дополнительных примеров могут быть использованы процессы использования газообразных субстратов для ферментации, описанные, в целом, в следующих статьях:

(I) К. т.

(Оаззоп, е1 э1. (1991). ВюгеасГогз Гог зупгЬезк в^аз 1егглегйэ11оп5 гезоигсез.

Сопзеп/эйоп апй ВесусПпв, 5; 145-165; (н) К, Т. К1аззоп, е1 эк (1991), ВкэгеасГог йез!еп Гог δγηΐΚβίΐί ваз Гегтепгайопз, Риек 70. 605-614; (Ш) К. Т. Юаззол, еГ ак (1992). ΒίοεοηνβΓϊίοη οί зупГбезЬ ваз ίηΐο ΙίςυΙύ ог дэзеоиз Гие1з. Епгуте апй М1сгоЫа1 ТесКпо1о£у. 14; 602-608; (ΐν) 1. Е 7е§э, еГ а1. (1989). 51ийу οί базеоиз 5иЬз1га1е РегтеШаЙол: СагЬоп МопохЙе СопуегзФп Ю АсеГаГе. 2. Сопйпиоиз СиЙиге. 01о1есЬ. Βίοβηβ. 34. 6. 785-793; (ν) 1. Е Уе^а, е1 ак (1989). 5Гийу οί вазеоиз зиЬзйаГе ГегтепГаЙопз: СагЬоп топох|йе сопуегз)оп Го асеГаГе. 1. ВагсЬ сиКиге.

ВюгесНпо1о£у апй Βίοβηβίηββπηβ, 34. 6. 774-784; (νί) ). ί. Уева, ег ак (1990). Оез1£п οί В1огеасюгз Гог Соа1 5упГЬе5(з баз РегтепГэйопз. Кезоигсез, Сопзеп/айоп апй ВесусПпв. 3.149-160;

Все эти статьи включаются в настоящий документ путем ссылки.

Ферментация может быть осуществлена в любом из пригодных для этого биореакторов, таких как один или несколько реакторов с непрерывным перемешиванием, биореакторов с иммобилизованными клетками, газлифтных ферментеров, барботажных реакторных колонн, мембранных реакторов, таких как половолоконный мембранный реактор, или реакторов с орошаемым слоем. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения биореакторы могут включать первый реактор роста, в котором выращивают микроорганизмы, и второй реактор ферментации, в который подают ферментационный бульон из реактора роста и в котором образуется большая часть продукта ферментации (например, этанола и ацетата). В конкретных вариантах осуществления изобретения второй биореактор отличен от первого биореактора.

В соответствии с различными вариантами осуществления изобретения источник углерода для реак- 6 026402 ции ферментации представляет собой газообразный субстрат, содержащий СО. Субстратом могут являться содержащие СО газообразные отходы, образующиеся в качестве побочного продукта промышленных процессов или поступающие из другого источника, такого как выхлопные газы автомобилей. В определенных вариантах осуществления изобретения промышленный процесс подобран из группы, состоящей из производства изделий из черных металлов, такого как сталелитейный завод, производства изделий из цветных металлов, процессов нефтепереработки, газификации угля, выработки электроэнергии, производства технического углерода, аммиака, метанола и кокса. В этих вариантах осуществления изобретения содержащий СО субстрат может улавливаться в ходе процесса до сброса в атмосферу с использованием любого традиционного способа. В зависимости от состава содержащего СО субстрата, также может оказаться желательной его обработка с целью удаления каких-либо нежелательных примесей, таких как частицы пыли, до подачи на ферментацию. Например, газообразный субстрат может быть подвергнут фильтрации или мокрой очистке с использованием известных способов.

В качестве альтернативы, источником содержащего СО субстрата может мыть процесс газификации биомассы. Такой процесс газификации включает частичное сжигание биомассы при ограниченной подаче воздуха или кислорода. Получаемый газ, как правило, содержит, главным образом, СО и Н₂ при минимальной концентрации СО₂, метана, этилена и этана. Например, образующие биомассу побочные продукты, получаемые в ходе экстракции и обработки продуктов питания, таких как сахар из сахарного тростника или крахмал из маиса или зерновых культур, или отходы непищевой биомассы, получаемые в лесной промышленности, могут быть подвергнуты газификации с получением содержащего СО газа, пригодного для использования в контексте настоящего изобретения.

Содержащий СО субстрат обычно содержит значительную долю СО, например, по меньшей мере от примерно 20% до примерно 100 об.% СО, от 40 до 95 об.% СО, от 60 до 90 об.% СО, от 70 до 90 об.% СО. В конкретных вариантах осуществления изобретения субстрат содержит 25%, или 30%, или 35%, или 40%, или 45%, или 50 об.% СО. Могут быть использованы и субстраты с более низкой концентрацией СО, например, 6%, особенно, если в них также присутствуют Н2 и СО2.

Хотя нет необходимости в том, чтобы субстрат содержал какое-либо количество водорода, присутствие Н₂, вероятно, не вредит образованию продукта в соответствии со способами настоящего изобретения. В определенных вариантах осуществления изобретения присутствие водорода приводит к повышению общей эффективности производства спирта. Например, в конкретных вариантах осуществления изобретения субстрат может содержать Н₂ в соотношении Н₂:СО, приблизительно 2:1, или 1:1, или 1:2. В других вариантах осуществления изобретения субстрат содержит Н₂ в малой концентрации, например, менее 5%, или менее 4%, или менее 3%, или менее 2%, или менее 1%, или, по существу, не содержит водород. Субстрат также может содержать некоторое количество СО2, например, от примерно 1% до примерно 80 об.% СО₂ или от 1% до примерно 30 об.% СО₂. В конкретных вариантах осуществления изобретения поток субстрата содержит СО2 и не содержит СО или содержание СО минимально.

Обычно, монооксид углерода вводят в реакцию ферментации в газообразном состоянии. Однако способы настоящего изобретения не ограничиваются добавлением субстрата в этом состоянии. Например, монооксид углерода может быть подан в жидкости. Например, жидкость может быть насыщена газом, содержащим монооксид углерода, и эта жидкость введена в биореактор. Этого можно достичь, используя стандартную методику. Например, для этой цели может быть использован генератор микропузырьковой дисперсии (Неикшкак и др., §са1е-ир о£ тютоЪиЪЫе άίδρβτδίοη дспсгаЮг ίοτ аетоЫс ГеттеиГайои (Укрупнение генератора микропузырьковой дисперсии для аэробной ферментации); ЛррПей ВюсНетМгу апй Вю1есЬпо1оду, Уо1ите 101, ХитЪег 3/Ос1оЪег. 2002).

Следует понимать, что для роста бактерий и ферментации СО в спирт, помимо введения содержащего СО газообразного субстрата, в биореактор необходимо подавать надлежащую жидкую питательную среду. Питательная среда должна содержать витамины и минералы, достаточные для обеспечения роста используемых микроорганизмов. Анаэробные среды, пригодные для ферментационного получения этанола с использованием СО в качестве единственного источника углерода, известны в данной области. Например, пригодные среды описаны в патентах США № 5173429 и 5593886 и в АО 02/08438, АО 2007/117157, АО 2008/115080, АО 2009/022925, АО 2009/058028, АО 2009/064200, АО 2009/064201 и АО 2009/113878, указанных выше. Настоящим изобретением обеспечиваются новые среды, обладающие повышенной эффективностью в отношении поддержания роста микроорганизмов и/или производства спирта в процессе ферментации. Эти среды описаны более подробно далее.

Желательно проводить ферментацию в надлежащих условиях, так, чтобы протекал требуемый процесс ферментации (например, рост микроорганизмов и/или производство этанола). К требующим рассмотрения условиям реакции относится давление, температура, расход газа, расход жидкости, рН сред, окислительно-восстановительный потенциал сред, скорость перемешивания (если используется реактор с непрерывным перемешиванием), уровень посева, максимальная концентрация газообразного субстрата, гарантирующая, что количество СО в жидкой фазе не будет ограниченным, и максимальная концентрация продукта, исключающая ингибирование образования продукта. Пригодные условия описаны в АО 02/08438, АО 07/117157, АО 08/115080 и АО 2009/022925.

Оптимальные условия реакции отчасти зависят от того, какие конкретно микроорганизмы исполь- 7 026402 зуются, однако, в целом, является предпочтительным осуществление ферментации под давлением выше атмосферного. Работа при повышенном давлении обеспечивает значительное увеличение скорости переноса СО из газовой фазы в жидкую фазу, где он может быть потреблен микроорганизмами в качестве источника углерода для производства этанола. Это, в свою очередь, означает, что время удерживания (определяемое как объем жидкости в биореакторе, деленный на расход подаваемого газа) может быть снижено, когда в биореакторах создано повышенное, а не атмосферное давление.

Кроме того, поскольку данная степень конверсии является, отчасти, функцией времени удерживания субстрата, а достижение требуемого времени удерживания, в свою очередь, определяет необходимый объем биореактора, использование систем с повышенным давлением может позволить значительно уменьшить необходимый объем биореактора и, следовательно, капитальные затраты на оборудование для ферментации. В соответствии с примерами, приведенными в патенте США № 5593886, объем реактора может быть уменьшен линейно в зависимости от увеличения рабочего давления в реакторе, то есть, объем биореакторов, функционирующих под давлением 10 атмосфер, может составлять только одну десятую объема реакторов, функционирующих под давлением 1 атмосфера.

Преимущества проведения ферментации газа в этанол при повышенном давлении также описаны в других источниках. Например, в \УО 02/08438 описана ферментация газа в этанол, осуществляемая под давлением 30 и 75 ρδί§ (206,8 и 517,1 кПа) с выходом этанола 150 и 369 г/л/день соответственно. Однако обнаружено, что при проведении ферментации с использованием аналогичных сред и состава подаваемого газа при атмосферном давлении, образуется в 10-20 раз меньше этанола на литр в день.

Также желательно, чтобы скорость подачи содержащего СО газообразного субстрата была такой, что концентрация СО в жидкой фазе не становилась бы ограничивающей. Причина в том, что следствием ограничения количества СО может стать потребление культурой этанола, являющегося продуктом.

Извлечение продукта

Продукты реакции ферментации могут быть извлечены с использованием известных способов. К примерам способов относятся описанные в \УО 07/117157, \УО 08/115080, патентах США № 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111. Однако в нескольких словах и только для примера этанол может быть извлечен из ферментационного бульона такими способами, как фракционная перегонка или выпаривание и экстрактивная ферментация.

При перегонке ферментационного бульона образуется азеотропная смесь этанола с водой (то есть 95% этанола и 5% воды). После этого безводный этанол может быть получен путем использования технологии обезвоживания этанола на молекулярных ситах, которая хорошо известна в данной области.

Способы экстрактивной ферментации включают использование для извлечения этанола из разбавленного ферментационного бульона смешивающегося с водой растворителя, который мало токсичен для ферментационных организмов. Например, растворителем, который может быть использован в процессе экстракции подобного типа, является олеиловый спирт. Олеиловый спирт непрерывно подают в ферментер, в котором растворитель поднимается, образуя слой в верхней части ферментера, этот слой непрерывно отводят и пропускают через центрифугу. Воду и клетки затем без труда отделяют от олеилового спирта и возвращают в ферментер, а насыщенный этанолом растворитель подают в устройство мгновенного испарения. Большую часть этанола испаряют и конденсируют, тогда как олеиловый спирт является нелетучим, и его возвращают на повторное использование в процессе ферментации.

Ацетат, который образуется в ходе реакции ферментации в качестве побочного продукта, также может быть извлечен из ферментационного бульона с использованием известных в данной области способов.

Например, может быть использовано адсорбционное устройство, в котором имеется фильтр с активированным углем. В этом случае является предпочтительным сначала удалять из ферментационного бульона микробные клетки при помощи надлежащего разделительного устройства. В данной области известно множество основанных на фильтрации способов получения не содержащего клеток ферментационного бульона для извлечения из него продукта. Фильтрат, содержащий этанол - и ацетат - и не содержащий клеток, затем пропускают через колонну с активированным углем с целью поглощения ацетата. Ацетат в форме кислоты (уксусная кислота), а не в форме соли (собственно ацетат) легче адсорбируется активированным углем.

Следовательно, является предпочтительным, чтобы перед пропусканием ферментационного бульона через колонну с активированным углем его рН был понижен до менее, примерно, 3 с целью переведения большей части ацетата в форму уксусной кислоты.

Адсорбированная на активированном угле уксусная кислота может быть извлечена путем элюирования с использованием известных в данной области способов. Например, для элюирования связанного ацетата может быть использован этанол. В определенных вариантах осуществления изобретения для элюирования ацетата может быть использован этанол, полученный в процессе ферментации. Поскольку температура кипения этанола составляет 78,8°С, а уксусной кислоты - 107°С, этанол и уксусная кислота без труда могут быть отделены друг от друга способом, основанным на различии летучести, таком как перегонка.

Другие способы извлечения ацетата из ферментационного бульона также известны в данной облас- 8 026402 ти и могут быть использованы в способах настоящего изобретения. Например, в патентах США № 6368819 и 6753170 описаны системы растворителя и сорастворителя, которые могут быть использованы для извлечения уксусной кислоты из ферментационного бульона. Как и в примере системы на основе олеилового спирта, описанной в отношении экстрактивной ферментации этанола, системы, описанные в патентах США № 6368819 и 6753170, представляют собой смешивающиеся с водой растворитель/сорастворитель, которые могут быть смешаны с ферментационным бульоном как в присутствии, так и в отсутствие ферментационных микроорганизмов, с целью экстрагирования продукта - уксусной кислоты. Растворитель/сорастворитель, содержащие продукт уксусную кислоту, затем отделяют от бульона путем перегонки. После этого может быть проведена вторая стадия перегонки для очистки уксусной кислоты от системы растворитель/сорастворитель.

Продукты реакции ферментации (например, этанол и ацетат) могут быть извлечены из ферментационного бульона путем непрерывного отведения части бульона из ферментационного биореактора, отделения от этого бульона микробных клеток (удобно путем фильтрации) и одновременного или последовательного извлечения из него одного или нескольких продуктов. В случае этанола может оказаться удобным его извлечение путем перегонки, ацетат может быть извлечен путем поглощения активированным углем с использованием способов, описанных выше. Отделенные микробные клетки, предпочтительно, возвращают в ферментационный биореактор. Не содержащий клеток фильтрат, оставшийся после извлечения этанола и ацетата, также может быть возвращен в ферментационный биореактор. В не содержащий клеток фильтрат могут быть введены дополнительные питательные вещества (такие как витамины В), чтобы восполнить питательную среду перед ее возвращением в биореактор. Кроме того, если рН бульона регулировали, как описано выше, с целью повышения адсорбции уксусной кислоты на активированном угле, рН необходимо снова изменить до рН бульона в ферментационном биореакторе до подачи фильтрата в биореактор.

Способ обескислороживания

В соответствии с настоящим изобретением, им обеспечивается способ улавливания одного или нескольких компонентов, захватываемых из бульона анаэробной ферментации газообразным выходящим потоком в ходе ферментации газообразного субстрата. В конкретных вариантах осуществления изобретения этот способ включает пропускание газообразного выходящего потока через устройство обескислороживания, в котором один или несколько компонентов газообразного выходящего потока переходят в жидкие среды. В определенных вариантах осуществления изобретения жидкие среды обескислороживаются этим газообразным выходящим потоком перед подачей этих жидких сред в биореактор.

По рассмотрении настоящего описания, специалистам в данной области станут очевидны способы подачи потока газообразного субстрата в ферментационный бульон так, чтобы по меньшей мере часть потока субстрата могла быть преобразована в продукты. Например, газообразный субстрат может быть барботирован в ферментационном бульоне, находящемся в биореакторе, при атмосферном или повышенном давлении. Из-за низкой растворимости большинства газообразных субстратов, таких как субстраты, содержащие СО, часть субстрата может проходить сквозь биореактор, не подвергаясь метаболизму микроорганизмами. Непрореагировавший субстрат, обычно, выходит из биореактора в составе выходящего потока. В конкретных вариантах осуществления изобретения не подвергшийся ферментации субстрат, необязательно, может быть возвращен в биореактор посредством петли рециркуляции. Однако признано, что даже в вариантах осуществления, включающих средство рециркуляции субстрата, по меньшей мере часть субстрата выходит из биореактора в составе выходящего потока.

Кроме того, в некоторых реакциях ферментации образуются газообразные продукты, являющиеся бросовыми побочными продуктами, которые могут выходить из биореактора в составе выходящего потока. Кроме того, инертные компоненты потока субстрата, такие как компоненты, которые не подвергаются ферментации в продукты, обычно, проходят насквозь и выходят из биореактора в составе выходящего потока.

Например, в ходе ферментации субстрата, содержащего СО, с целью получения таких продуктов, как спирты, по меньшей мере часть СО может проходить сквозь биореактор без ферментативного превращения в продукты. Такой не преобразованный субстрат выходит из биореактора через выходное отверстие, обычно, его выбрасывают в атмосферу. Другие инертные газообразные компоненты потока субстрата могут включать, помимо прочего, Ν₂, СН₄, Не, Аг, СО₂. Кроме того, в ходе ферментации субстратов, содержащих СО, в качестве побочного продукта ферментации, обычно, образуется СО₂.

Помимо газообразного субстрата, другие газообразные компоненты могут быть введены в ферментационный бульон как часть потока субстрата или дополнительно к потоку субстрата. Например, Н2 может быть использован в качестве дополнительного субстрата для ферментации, такой как ферментация субстрата, содержащего СО. Дополнительно или в качестве альтернативы, одно или несколько необходимых питательных веществ, требующихся для роста и/или метаболизма микробов, может быть подано в газообразной форме, например, Н₂§.

В ходе ферментации газообразных субстратов, поток субстрата в биореакторе приводят в контакт с ферментационным бульоном, и один или несколько газообразных компонентов, подбираемых из группы, в которую входят не подвергшийся ферментации газообразный субстрат, газообразные побочные про- 9 026402 дукты ферментации и/или инертные газообразные компоненты потока субстрата, высвобождаются из ферментационного бульона и выходят из биореактора по выпускному трубопроводу. Когда газообразные компоненты высвобождаются из ферментационного бульона, они могут испарять один или несколько растворенных продуктов, таких как спирты, и выносить их из биореактора в выходящем потоке.

В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере часть одного или нескольких продуктов, захваченных газообразным выходящим потоком, может быть извлечена путем приведения газообразного выходящего потока в контакт со средами в одном или нескольких устройствах обескислороживания. В известных процессах анаэробной ферментации устройство обескислороживания используют для удаления растворенных газообразных компонентов, в частности О₂, из сред перед подачей этих сред в биореактор на ферментацию. Среды, обычно, являются водными и могут содержать одно или несколько питательных веществ, необходимых для ферментации. В качестве альтернативы, один или несколько питательных веществ могут быть добавлены в среды после обескислороживания.

В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения ферментацию проводят в непрерывном или полунепрерывном режиме, при этом обескислороженные среды подают в биореактор, по существу, непрерывно. Обычно, по существу, такой же объем ферментационного бульона отводят из биореактора, так что объем ферментационного бульона в биореакторе остается, по существу, постоянным. Ферментационный бульон, отводимый из биореактора, обычно, содержит один или несколько типов микроорганизмов, которые, необязательно, могут быть возвращены в биореактор после стадии разделения; и один или несколько продуктов, которые могут быть отделены за одну или несколько стадий извлечения продуктов.

Обескислороживания, обычно, достигают путем вакуумной очистки, мембранной очистки, отпарки или использования химических поглотителей кислорода. Дополнительно или в качестве альтернативы, обескислороживание может быть проведено путем приведения не содержащего кислород газа, такого как Ν₂, в контакт со средами в резервуаре обескислороживания. Однако в соответствии с настоящим изобретением в контакт со средами в устройстве обескислороживания может быть приведен, по существу, не содержащий О₂ газообразный поток, выходящий из биореактора. В конкретных вариантах осуществления изобретения контакт газообразного выходящего потока со средами в устройстве обескислороживания приводит к:

(a) эффективному удалению растворенных газов, таких как О₂ из сред; и (b) улавливанию средами по меньшей мере части продукта, такого как спирт, из выходящего потока.

Также признано, что в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения по меньшей мере часть дополнительных компонентов выходящего потока, таких как Н₂§, также может быть уловлена средами, соответственно выгодным образом обеспечивая ферментационный бульон указанным компонентом, который может быть нужен для роста и/или метаболизма микробов.

Специалистам в данной области по рассмотрении данного описания станут очевидны устройства обескислороживания, пригодные для использования в контексте настоящего изобретения. Однако, как не имеющий ограничительного характера пример, в определенных вариантах осуществления изобретения устройство обескислороживания включает резервуар, предназначенный для осуществления газожидкостного контакта. В ходе работы жидкость, такую как водные среды, пропускают через этот резервуар, через который также пропускают обескислороживающий поток, обычно, содержащий бескислородный газ, такой как Ν₂. Жидкость и обескислороживающий поток могут быть пропущены через резервуар в одном и том же направлении; однако, резервуар, обычно, сконструирован так, что жидкость и обескислороживающий поток проходят через него противоточно.

Такие резервуары, обычно, снабжены насадкой, чтобы увеличить площадь поверхности газожидкостного контакта. Насадка для таких резервуаров хорошо известна специалистам в данной области. Однако как не имеющий ограничительного характера пример можно указать неупорядоченную насадку или структурированную насадку, которая может включать одну или несколько расположенных друг над другом тарелок, ситчатых тарелок, колец Рашига и т.п. или их сочетание. Природа и плотность насадки может быть подобрана в зависимости от размера резервуара так, чтобы свести к минимуму перепад давления в резервуаре и достичь заданной степени обескислороживания.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением обескислороживающий поток включает поток, выходящий из биореактора; в ходе контакта выходящего потока со средами в устройстве обескислороживания по меньшей мере часть одного или нескольких продуктов, таких как спирт, захваченных выходящим потоком, улавливается средами. Обескислороженные среды, содержащие по меньшей мере часть продукта(ов), затем могут быть направлены в биореактор на ферментацию.

Кроме того, неожиданно было обнаружено, что использование выходящего потока в качестве обескислороживающего потока приводит к выгодной передаче тепла. Например, среды, поступающие в устройство обескислороживания, обычно, имеют температуру окружающей среды, тогда как выходящий газообразный поток имеет температуру, близкую к оптимальной температуре ферментации. В соответствии с настоящим изобретением в результате контакта выходящего газообразного потока со средами происходит теплопередача, благодаря которой среды нагреваются или охлаждаются до оптимальной темпе- 10 026402 ратуры ферментации.

В конкретных вариантах осуществления изобретения оптимальная температура ферментации равна 37°С, тогда как температура сред может быть намного ниже (менее 25°С). Таким образом, в соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения по меньшей мере часть тепловой энергии газообразного выходящего потока используется для нагревания сред до 37°С. Кроме того, улавливание продуктов, таких как спирты, водными средами (конденсация) также имеет тепловой эффект.

В соответствии с определенными аспектами изобретения обеспечивается система, включающая биореактор и устройство обескислороживания, в которой устройство обескислороживания предназначено для приема по меньшей мере части потока, выходящего из биореактора, и осуществления контакта этого выходящего потока со средами так, что при ее использовании:

(a) происходит, по существу, обескислороживание сред; и (b) по меньшей мере часть одного или нескольких продуктов из выходящего потока улавливается средами.

На фиг. 1 схематически показана система 101, соответствующая одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Поток субстрата 1, содержащий один или несколько газообразных компонентов, таких как СО, подают в биореактор 2 по впускному трубопроводу 3. После его вступления в контакт с ферментационным бульоном в биореакторе, ферментационный бульон, содержащий по меньшей мере часть продуктов ферментации 4, отводят из биореактора 2 через выходное отверстие 5, при этом ферментационный бульон может быть направлен в устройство извлечения продукта (не показано). Кроме того, высвобожденный газообразный выходящий поток 6, содержащий один или несколько следующих компонентов: непрореагировавший субстрат, газообразный побочный продукт и/или инертные газообразные компоненты, выводят из биореактора 2 по выпускному трубопроводу 7. Клапан 8 предназначен для направления по меньшей мере части выходящего потока 6 в устройство обескислороживания 9 по трубопроводу 10. Специалистам в данной области понятно, что любая часть (от небольшой доли до, по существу, всего потока) выходящего потока 6 может быть направлена в устройство обескислороживания 9, в зависимости от соотношения размеров потока 6 и устройства обескислороживания 9.

Среды 11 направляют в устройство обескислороживания 9, в котором происходит обескислороживание сред 11 и улавливание по меньшей мере части одного или нескольких продуктов из выходящего потока 6 средами 11. Обескислороженные среды 12 перед подачей в биореактор 2 могут быть пропущены через необязательную стадию предварительной обработки 13.

Предварительная обработка 13 может быть использована для регулирования различных параметров сред, таких как температура, концентрация питательных веществ и т.п. Аналогично, стадия предварительной обработки может быть размещена в любой другой точке данной системы для регулирования, если нужно, других параметров.

В конкретных вариантах осуществления изобретения среды 11, направляемые в устройство обескислороживания 9, могут представлять собой регенерированный ферментационный бульон 4, из которого, перед подачей в устройство обескислороживания 9 извлечены один или несколько продуктов и, необязательно, удалены микроорганизмы. До или после подачи в устройство обескислороживания 9 в регенерированные среды могут быть введены дополнительные питательные вещества.

На фиг. 2 схематически показано устройство обескислороживания 9, включающее закрытый резервуар 14, при этом среды 11 подают в устройство обескислороживания 9 через первое входное отверстие, а газообразный выходящий поток 6 подают в устройство обескислороживания 9 через второе входное отверстие. В резервуаре имеется насадочный материал 15, предназначенный для интенсификации газожидкостного контакта и обескислороживания. Обескислороженные среды 12, содержащие по меньшей мере часть одного или нескольких продуктов, уловленных из выходящего из биореактора газа 6, отводят из устройства обескислороживания 9 через первое выходное отверстие, сбросный газ 16 выводят из устройства обескислороживания 9 через второе выходное отверстие, после чего он может быть выпущен в атмосферу.

Изобретение описано в настоящем документе со ссылкой на определенные предпочтительные варианты его осуществления, чтобы дать возможность читателю воплотить изобретение на практике без излишнего экспериментирования. Специалистам в данной области понятно, что в изобретение могут быть внесены изменения и модификации помимо конкретно описанных. Следует понимать, что изобретение включает все подобные изменения и модификации. Кроме того, заголовок, названия разделов и т.п. предназначены для облегчения понимания читателем данного документа и не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Описания всех заявок, патентов и публикаций, цитируемых выше и ниже, если таковые имеются, в полном объеме включаются в настоящий документ путем ссылки.

Какая-либо ссылка на известный уровень техники в настоящем описании не является и не должна быть истолкована как признание или любая форма указания на то, что этот известный уровень техники составляет часть общедоступных сведений в данной области деятельности в любой стране мира.

Во всем настоящем описании или любом пункте формулы изобретения, следующей далее, если контекст не подразумевает иное, слова содержит, содержащий и т.п. следует рассматривать как

- 11 026402 включающие, в противоположность исключающему смыслу, то есть в смысле включающий, но этим не ограничивающийся.

Claims

1. Способ производства продуктов посредством анаэробной ферментации, при этом данный способ включает:

a) подачу газообразного субстрата, содержащего СО, в биореактор с одним или несколькими типами микроорганизмов и ферментацию указанного субстрата с образованием одного или нескольких продуктов, выбранных из группы, состоящей из спиртов и кислот, и газообразного выходящего потока;

b) подачу жидких питательных сред в устройство обескислороживания;

c) подачу газообразного потока, выходящего из биореактора, в устройство обескислороживания; осуществление контакта жидких питательных сред с выходящим из биореактора газообразным потоком, так что один или несколько компонентов газообразного выходящего потока улавливаются жидкими питательными средами, где растворенный в жидких питательных средах кислород удаляется газообразным потоком, выходящим из биореактора, в результате чего получают, по существу, обескислороженные жидкие питательные среды; и

Д) подачу, по существу, обескислороженных жидких питательных сред в биореактор.

2. Способ по п.1, в котором одним из компонентов газообразного выходящего потока является этанол и в котором по меньшей мере часть этанола из газообразного выходящего потока улавливают обескислороженными жидкими средами.

3. Способ по п.1, в котором одним из компонентов газообразного выходящего потока является Н₂§ и в котором по меньшей мере часть Н₂§ улавливают обескислороженными жидкими средами.

4. Способ по п.1, в котором указанные продукты включают ацетат и этанол.

5. Система для осуществления анаэробной ферментации по любому из пп.1-4, включающая биореактор и устройство обескислороживания, предназначенное для осуществления контакта между газообразным потоком, поступающим из биореактора, и жидкими питательными средами, при этом устройство обескислороживания содержит:

a) резервуар, предназначенный для осуществления газожидкостного контакта;

b) первое входное отверстие, предназначенное для приема жидких питательных сред;

c) первое выходное отверстие, предназначенное для выпуска по меньшей мере части, по существу, обескислороженной жидкой питательной среды в биореактор;

Д) второе входное отверстие, предназначенное для приема газообразного потока из биореактора; и е) второе выходное отверстие, предназначенное для выпускания по меньшей мере части обогащенного кислородом газообразного потока из резервуара.

6. Система по п.5, включающая:

a) первый трубопровод, предназначенный для подачи газообразного потока из биореактора в устройство обескислороживания; и

b) второй трубопровод, предназначенный для подачи, по существу, обескислороженной жидкой питательной среды из устройства обескислороживания в биореактор.