EA029944B1 - Ферментация и способ с псевдодвижущимся слоем - Google Patents

Abstract

В изобретении предложен способ получения и выделения этанола и 2,3-бутандиола из смеси продуктов ферментации в ферментационном бульоне, а также способ получения и выделения по меньшей мере одного продукта ферментации из ферментационного бульона, где оба способа включают ферментацию газового субстрата в биореакторе, содержащем культуру по меньшей мере одного микроорганизма, с получением ферментационного бульона, содержащего смесь продуктов ферментации, подачу ферментационного бульона в модуль обработки, подачу части потока обработанного бульона в модуль с псевдодвижущимся слоем, содержащий по меньшей мере один адсорбент, адсорбцию продукта ферментации и получение потока рафината, содержащего неадсорбированные компоненты потока обработанного бульона, десорбцию продукта из адсорбента для получения потока продукта и подачу части потока рафината обратно в биореактор.

Description

изобретение относится в целом к способам получения продуктов, в частности спиртов, путем микробиологической ферментации, в частности к способам получения и выделения продуктов ферментации из ферментационного бульона с помощью псевдодвижущегося слоя.

Уровень техники

Биотопливо для транспортных средств является привлекательной заменой бензину и быстро захватывает топливные рынки, где реализуется в виде низкоконцентрированных смесей. Биотоплива, получаемые из природных источников, являются более экологически устойчивыми по сравнению с топливом, полученным из ископаемых источников (таким как бензин), и их использование позволяет уменьшать уровень так называемого ископаемого газообразного диоксида углерода (СО₂) - газа, который высвобождается в атмосферу в результате сгорания топлива. Кроме того, биотопливо можно получать на месте во многих географических регионах, и его использование может снижать зависимость от импорта ископаемых источников энергии.

Этанол быстро становится основным жидким обогащенным водородом транспортным топливом по всему миру. Ожидалось, что мировое потребление этанола достигнет 27,2 млрд галлонов к 2012 году, а также предсказан интенсивный рост мирового рынка топливного этанола в будущем. Этот рост, главным образом, обусловлен повышенным интересом к этанолу в Европе, Японии, США и некоторых развивающихся странах.

Например, в США этанол используют для получения Е10, 10% смеси этанола в бензине. В смесях Е10 этанольный компонент выступает в качестве агента-окислителя, улучшая эффективность сгорания и снижая выработку веществ, загрязняющих атмосферу. В Бразилии этанол удовлетворяет примерно 30% от потребности в транспортном топливе, и его используют в качестве агента-окислителя в смеси с бензином, а также отдельно в качестве чистого топлива. Кроме того, в Европе экологические проблемы, связанные с последствиями выбросов парниковых газов (англ. Отееи Бойке дак, ОНО), побудили Европейский Союз (ЕС) законодательно установить для стран-членов планку потребления экологически сбалансированных транспортных видов топлива, таких как этанол, полученный из биомассы.

В качестве добавки для автомобильного топлива можно использовать бутандиолы, включая 1,2бутандиол, 1,3-бутандиол, 1,4-бутандиол и 2,3-бутандиол. Их также можно относительно легко превращать в различные другие потенциально более ценные и/или высокоэнергетичные продукты. Например, 2,3-бутандиол можно легко превращать при помощи двухстадийного процесса в димер, содержащий восемь атомов углерода, который можно использовать в качестве авиационного топлива.

Универсальность 2,3-бутандиола определяется наличием бифункциональной основной цепи, т.е. при вицинальных атомах С расположены 2 гидроксильные группы, что позволяет достаточно легко превращать молекулу в такие вещества, как бутадиен, бутадион, ацетоин, метилэтилкетон и т.д. Указанные химические соединения используют в качестве базовых молекул для широкого диапазона химических веществ, получаемых в промышленности.

Кроме того, 2,3-бутандиол можно использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. По более чем одному из своих свойств он больше похож на бензин, чем на этанол. Благодаря увеличению интереса к получению и применению экологически сбалансированного топлива также повысилось внимание к биологическим способам получения 2,3-бутандиола (часто называемого биобутанол).

Подавляющее большинство топливного этанола получают при помощи традиционных способов дрожжевой ферментации, в которых в качестве основного источника углерода используют углеводы, полученные из сельскохозяйственных культур, такие как сахароза, экстрагируемая из сахарного тростника, или крахмал, экстрагируемый из зерновых культур. 2,3-Бутандиол также можно получать путем микробной ферментации сырья, содержащего углеводы (Буи ΜΙ. Αρρΐ ΜίοτοϋίοΙ Вю1есБпо1 55:10-18 (2001), Цш е! а1., СЫпеке 1. СБет Епд 14(1):132-136 (2006)). Тем не менее, на стоимость указанного сырья углеводов влияет их ценность в качестве продуктов питания человека или корма для животных, и в то же время выращивание сельскохозяйственных культур для выработки крахмала или сахарозы для получения этанола является экономически нецелесообразным во всех регионах по всему миру. Таким образом, существует интерес к разработке технологий превращения более дешевых и/или более распространенных источников углерода в биотопливо.

Монооксид углерода (СО) является основным богатым свободной энергией побочным продуктом неполного сгорания органических материалов, таких как уголь или нефть и нефтепродукты. Например, сообщается, что металлургическая промышленность в Австралии вырабатывает и высвобождает в атмосферу более 500000 тонн СО ежегодно.

Уже давно известно, что для превращения газов, состоящих главным образом из СО и/или СО и водорода (Н2), в различные виды топлива и химических веществ можно использовать каталитические процессы. Тем не менее, для превращения указанных газов в топливо и химические вещества также можно использовать микроорганизмы. Указанные биологические процессы, хотя обычно и протекают медленнее химических реакций, имеют несколько преимуществ по сравнению с каталитическими процессами, включая более высокую специфичность, увеличенный выход, снижение энергозатрат и повышенную устойчивость к загрязнению.

- 1 029944

Способность роста микроорганизмов с использованием СО в качестве единственного источника углерода была открыта в 1903 году. Как позже было определено, эта способность является свойством организмов, автотрофный рост которых проходит по биохимическому пути ацетил-кофермента А (ацетилКоА) (также известному как путь Вуда-Льюнгдаля, ХУооб-ЦипдбаЫ). Было показано, что во множестве анаэробных организмов, включая карбоксидотрофные, фотосинтезирующие, метаногенные и ацетогенные организмы, происходит метаболизм СО с получением различных конечных продуктов, таких как СО₂, Н₂, метан, н-бутанол, уксусная кислота и этанол.

Продемонстрировали, что анаэробные бактерии, такие как бактерии рода С1о8йтбшт, вырабатывают этанол из СО, СО₂ и Н₂ по биохимическому пути ацетил-КоА. Например, различные штаммы С1о51гЛ1ит ЦиидбаЫй, вырабатывающие этанол из газов, описаны в \7О 00/68407, ЕР 117309, патентах США № 5173429, 5593886 и 6368819, в \7О 98/00558 и \7О 02/08438. Известно, что бактерии С1о8йтбшт аиФеШаиодеиит φ также вырабатывают этанол из газов (АЪпш с1 а1., АтсЫуек оГ МютоЪю1о§у 161, р. 345351 (1994)).

Тем не менее, получение биотоплива с использованием микроорганизмов путем ферментации газов всегда связано с сопутствующим получением ацетата и/или уксусной кислоты в качестве побочного продукта. Указанный ацетат/уксусная кислота может ингибировать реакцию, и, как правило, требуется его удаление из ферментационного бульона. Также, если побочный ацетат/уксусную кислоту нельзя использовать для некоторых других целей, может возникать проблема утилизации отходов. Ацетат/уксусная кислота превращается в метан под действием микроорганизмов, и, таким образом, может вносить вклад в выбросы парниковых газов (ОНО).

Ферментацию газовых субстратов с получением продуктов, таких как этанол и 2,3-бутандиол, как правило, проводят в биореакторе, содержащем жидкий ферментационный бульон. Бульон содержит микроорганизмы и питательные вещества для их роста. Спустя некоторое время питательные вещества (включая непосредственно газовый субстрат) превращаются в целевые продукты, но также образуются нежелательные побочные продукты и клеточный дебрис, которые могут быть токсичными для микроорганизмов. Целевые и нежелательные продукты могут уменьшать эффективность ферментации, в частности, если они присутствуют в высокой концентрации.

Для выделения целевых продуктов и предотвращения уменьшения эффективности взаимодействия, вызванного ингибированием реакции ферментации, бульон удаляют из биореактора при помощи непрерывного или периодического процесса и заменяют на свежую питательную среду. Целевые продукты, как правило, экстрагируют из бульона при помощи традиционных способов экстракции, таких как фракционная перегонка и экстрактивная ферментация. Тем не менее, указанные известные способы экстракции органических метаболитов из ферментационных растворов имеют ряд проблем.

Системы экстракции растворителем часто имеют низкие значения коэффициента разделения при использовании с низкоконцентрированными органическими бульонами, что, таким образом, делает разделение трудоемким. Насыщение солями может увеличивать коэффициент разделения, но затрудняет процесс экстракции из-за необходимости удаления солей из водных отходов, что существенно увеличивает затраты, если соли нельзя выделять для повторного использования. Мембраны, действие которых основано на разнице давлений жидкостей (такие как мембраны для обратного осмоса и мембраны для нанофильтрации), не обеспечивают достаточное отделение короткоцепочечных спиртов, диолов и органических кислот. Отсутствует возможность получения гидрофобных или гидрофильных мембран, пропускающих частицы с достаточно узким диапазоном молекулярных масс, которые могли бы обеспечивать четкое разделение, и мембраны обоих типов быстро засоряются частицами, присутствующими в ферментационном бульоне, что требует проведения тщательного предварительного фильтрования.

В настоящее время перегонка является основным способом для непрерывного выделения высокочистых органических веществ. Тем не менее, использование перегонки ограничено органическими продуктами с более низкими температурами кипения по сравнению с водой, которые не образуют различные нежелательные азеотропы. Выделение 2,3-бутандиола из водного раствора путем перегонки является дорогостоящим и трудноосуществимым из-за высокой температуры кипения 2,3-бутандиола (180-184°С) и высокой аффинности к воде. Перегонка этанола из ферментационного бульона приводит к получению азеотропной смеси этанола и воды (т.е. 95% этанола и 5% воды), которую невозможно разделить путем перегонки, и для эффективного разделения которой требуется использование дополнительных стадий и технологий.

Уксусную кислоту, как правило, удаляют путем фильтрования бульона с удалением суспендированных органических веществ и последующего пропускания бульона через колонку с активированным углем для адсорбции ацетата. Этот процесс требует уменьшения рН ферментационного бульона менее чем примерно до 3 перед пропусканием бульона через колонку с активированным углем для того, чтобы основная часть ацетата переходила в форму уксусной кислоты. Этот способ удаления является нежелательным, так как требует проведения дополнительных стадий и добавления химических веществ, модифицирующих рН, в бульон.

Известные способы выделения продуктов часто не подходят (или являются неэффективными с точки зрения затрат и/или потребления энергии и/или количества выделяемого продукта) для выделения

- 2 029944

основных классов органических продуктов, которые можно получать с использованием систем ферментации, включая 2,3-бутандиол и уксусную кислоту. Выделение, таким образом, является основным ограничивающим фактором для коммерчески целесообразного получения биотоплива с использованием микробной ферментации, таким образом, существует необходимость в новых технологиях для увеличения общей и экономической эффективности выделения.

Задачей настоящего изобретения являлось предложение способа и системы ферментации, в которых устранен или снижен по меньшей мере один из недостатков, присущих уровню техники, или, по меньшей мере, предложение эффективного варианта для рассмотрения.

Краткое описание изобретения

Изобретение относится к способам получения и выделения одного или более продуктов ферментации из ферментационного бульона. В изобретении предложены способы выделения одного или более продуктов ферментации из ферментационного бульона, где энергозатраты на разделение существенно снижены по сравнению с известными способами.

Согласно первому аспекту в изобретении предложен способ получения и выделения этанола и 2,3бутандиола из смеси продуктов ферментации в ферментационном бульоне, включающий:

a) ферментацию газового субстрата в биореакторе, содержащем культуру по меньшей мере одного микроорганизма, с получением ферментационного бульона, содержащего смесь продуктов ферментации, где указанная смесь содержит этанол и 2,3-бутандиол;

b) подачу ферментационного бульона в модуль обработки, где часть биомассы и растворимых белков удаляют с обеспечением потока обработанного бульона;

c) подачу части потока обработанного бульона в модуль с псевдодвижущимся слоем (ПДС), содержащий по меньшей мере один адсорбент;

б) адсорбцию части этанола и 2,3-бутандиола указанным адсорбентом и получение потока рафината, содержащего неадсорбированные компоненты потока обработанного бульона;

е) десорбцию этанола и 2,3-бутандиола из адсорбента для получения потока продукта;

ί) подачу потока продукта для выделения потока с получением потока этанола и потока 2,3бутандиола; и

д) подачу части потока рафината обратно в реактор.

В одном из вариантов реализации первого аспекта модуль обработки содержит модуль тепловой обработки и/или модуль фильтрования. В одном из вариантов реализации в модуле обработки происходит удаление части суспендированной и/или растворимой биомассы из ферментационного бульона. В одном из вариантов реализации в зоне обработки происходит удаление по существу всей суспендированной и/или растворимой биомассы из ферментационного бульона. Согласно отдельным аспектам изобретения поток обработанного бульона по существу не содержит биомассу. В отдельных вариантах реализации поток обработанного бульона может содержать следовые количества биомассы.

В дополнительном варианте реализации первого аспекта десорбцию продуктов на стадии (е) проводят путем промывания адсорбента растворителем для получения раствора продукта в растворителе. Предпочтительно раствор продукта в растворителе по существу не содержит соли, выделяемые из ферментационного бульона. Предпочтительно концентрация воды в растворе продукта в растворителе составляет менее 5, или менее 3, или менее 1 об.%. В одном из вариантов реализации вода по существу отсутствует в растворе продукта в растворителе.

В отдельных вариантах реализации растворитель представляет собой спирт. В одном из вариантов реализации растворитель выбран из группы, включающей этанол, метанол, пропанол и метил-третбутиловый эфир.

В одном из вариантов реализации растворитель, используемый на стадии десорбции, представляет собой продукт процесса ферментации, экстрагированный ранее. Следует понимать, что проведение десорбции с использованием продукта процесса ферментации означает, что добавление дополнительной стадии разделения для получения продуктов не требуется, хотя для разделения различных продуктов ферментации друг от друга, когда в ходе ферментации получают более одного продукта, может требоваться дополнительное разделение.

Согласно второму аспекту в изобретении предложен способ получения и выделения по меньшей мере одного продукта ферментации из ферментационного бульона, включающий:

a) ферментацию газового субстрата в биореакторе, содержащем культуру по меньшей мере одного микроорганизма, с получением ферментационного бульона, содержащего один или более продукт ферментации, выбранный из группы, состоящей из этанола, уксусной кислоты, 2,3-бутандиола, бутанола, изопропанола и ацетона;

b) подачу ферментационного бульона в модуль обработки, где часть биомассы и растворимых белков удаляют с обеспечением потока обработанного бульона;

c) подачу части потока обработанного бульона в модуль с псевдодвижущимся слоем (ПДС), содержащий по меньшей мере один адсорбент;

б) адсорбцию по меньшей мере одного продукта ферментации указанным адсорбентом и получение потока рафината, содержащего неадсорбированные компоненты потока обработанного бульона;

- 3 029944

е) десорбцию по меньшей мере одного продукта из адсорбента с получением потока продукта; и ί) подачу части потока рафината обратно в биореактор.

В одном из вариантов реализации изобретения в модуле обработки на стадии (Ь) происходит удаление части биомассы и/или растворимых белков из ферментационного бульона для обеспечения потока обработанного бульона, по существу не содержащего биомассу. В одном из вариантов реализации часть биомассы и/или растворимых белков возвращают в биореактор.

В одном из вариантов реализации изобретения по меньшей мере часть ферментационного бульона пропускают через блок фильтрования сразу после выхода из биореактора, что приводит к получению фильтрованного потока. В отдельных вариантах реализации фильтрованный поток и потоки обработанного бульона объединяют перед подачей в модуль ПДС.

В отдельных вариантах реализации рафинат пропускают через блок получения среды перед возвращением в биореактор. В отдельных вариантах реализации стадия получения среды включает добавление одного или более питательных веществ в поток рафината.

В отдельных вариантах реализации рафинат по существу не содержит продукты. В предпочтительных вариантах реализации рафинат содержит по меньшей мере 80% Н₂О или по меньшей мере 85% Н₂О или по меньшей мере 90% Н₂О или по меньшей мере 95% Н₂О. В отдельных вариантах реализации рафинат содержит следовые количества растворителя, используемого для десорбции одного или более продуктов из адсорбента.

В отдельном варианте реализации любого из приведенных выше аспектов стадия обработки включает, по меньшей мере, стадию фильтрования, где по меньшей мере часть суспендированной и/или растворимой биомассы удаляют из ферментационного бульона перед его подачей в модуль ПДС. Фильтрование приводит к удалению суспендированной и/или растворимой биомассы из ферментационного бульона. В отдельных вариантах реализации фильтрование приводит к получению потока обработанного бульона, по существу не содержащего биомассу. Фильтрование можно проводить путем пропускания бульона через мембрану. В одном из вариантов реализации перед фильтрованием можно вызывать флокуляцию путем добавления флокулянта.

В отдельных вариантах реализации стадия обработки дополнительно включает, по меньшей мере, стадию тепловой обработки. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что для удаления биомассы из потока бульона на стадии обработки также можно использовать и другие способы.

Следует понимать, что реализация способа согласно первому аспекту может приводить к реализации способа согласно второму аспекту и наоборот.

В отдельном варианте реализации любого из приведенных выше аспектов способ дополнительно включает обработку ферментационного бульона, удаляемого из биореактора, или рафината, соответственно, до или после удаления продукта в модуле ПДС. В отдельных вариантах реализации обработка может включать добавление дополнительных компонентов или питательных веществ (таких как витамины В) в рафинат для восстановления питательной среды перед ее возвращением в биореактор. Также, для контролирования рН бульона в биореакторе можно регулировать рН рафината перед его возвращением в биореактор.

В отдельном варианте реализации любого из приведенных выше аспектов адсорбент представляет собой фторуглеродный адсорбент. В альтернативных вариантах реализации адсорбент представляет собой адсорбент на основе активированного угля. В других вариантах реализации адсорбент представляет собой силикагель, поверхностно модифицированный С18-группами.

Указанные выше адсорбенты являются примерами подходящих адсорбентов, а не их исчерпывающим перечнем. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что можно использовать любой адсорбирующий материал, имеющий подходящую селективность и гидрофобность для применения в процессе ПДС, определенном в настоящем описании.

Поскольку предпочтительным вариантом является расположение ПДС отдельно от биореактора, но с наличием при этом связи с биореактором с возможностью переноса текучих сред, ПДС может быть обеспечен внутри биореактора. Если ПДС содержится внутри биореактора, то предпочтительно ПДС находится отдельно от суспендированной и/или растворимой биомассы в бульоне. Например, часть бульона можно отделять от остального бульона мембраной, чтобы таким образом ПДС находился в контакте с продуктами ферментации, но не с суспендированной или растворимой биомассой, которая может влиять на рабочие характеристики ПДС. В дополнение или в качестве альтернативы для достижения тех же целей вход в блок ПДС может быть снабжен фильтром. Это относится ко всем аспектам изобретения.

Неожиданно обнаружили, что способ с использованием ПДС является эффективным для выделения целевых продуктов из ферментационного бульона и/или потока обработанного бульона, содержащего органические продукты в низкой концентрации. В одном из вариантов реализации изобретения концентрация этанола и/или 2,3-бутандиола в ферментационном бульоне и потоке обработанного бульона составляет 30 мас.% в воде или менее или менее 15 мас.% в воде. В одном из вариантов реализации ферментационный бульон или обработанный поток содержит 2-10 мас.% этанола/2,3-бутандиола в воде, где отношение этанола к 2,3-бутандиолу составляет от 5:1 до 1:1. В предпочтительном варианте реализации ферментационный бульон или обработанный поток содержит 6 мас.% этанола/2,3-бутандиола в воде, где

- 4 029944

отношение этанола к 2,3-бутандиолу составляет 1:1. Кроме того, неожиданно обнаружили, что при помощи способа с использованием ПДС можно выделять 2,3-бутандиол в концентрации менее 2 мас.%. В отдельном варианте реализации адсорбент адсорбирует по меньшей мере примерно 50%, примерно 60%, примерно 70%, примерно 80%, примерно 90%, примерно 95%, примерно 99% или примерно 100% продуктов ферментации из бульона. В одном из вариантов реализации адсорбент адсорбирует 50-100% или 60-95% или 70-90% или 70-100% продуктов ферментации из бульона.

В отдельных вариантах реализации изобретения адсорбент предпочтительно имеет коэффициент адсорбции этанола по меньшей мере 6,0 мас.%, или по меньшей мере 7,0 мас.%, или по меньшей мере 8,0 мас, или по меньшей мере 9,0 мас.%, или по меньшей мере 10,0 мас.% В отдельных вариантах реализации адсорбент имеет коэффициент адсорбции этанола 6,0-10,0 мас.%, или 7,0 10,0 мас.%, или 6,0-9,0 мас.%, или 7,0-9,0 мас.%.

Согласно настоящему изобретению адсорбент предпочтительно имеет коэффициент адсорбции 2,3бутандиола по меньшей мере 9,0 мас.%, или по меньшей мере 10,0 мас.%, или по меньшей мере 12,0 мас.%, или по меньшей мере 16,0 мас.%, или по меньшей мере 18,0 мас.%, или по меньшей мере 20,0 мас.% В отдельных вариантах реализации адсорбент имеет коэффициент адсорбции 2,3-бутандиола 9,020,0 мас.%, или 12,0-20,0 мас.%, или 10,0-18,0 мас.%, или 12,0-18,0 мас.%, или 16,0-20,0 мас.%.

В отдельном варианте реализации изобретения температура, при которой проводят адсорбцию органических продуктов адсорбентом, составляет от 20 до 75°С, или от 25 до 40°С, или от 25 до 35°С. В предпочтительном варианте реализации температура, при которой проводят адсорбцию органических продуктов адсорбентом, составляет примерно 25°С. Должно быть очевидным, что эта температура существенно ниже той, что требуется для разделения продуктов при перегонке.

В отдельных вариантах реализации температура, при которой проводят десорбцию продуктов из адсорбента, составляет от 20 до 120°С или менее, или от 20 до 110°С, или от 25 до 100°С, или от 40 до 100°С, или от 40 до 90°С. В отдельных вариантах реализации температура, при которой проводят десорбцию продуктов из адсорбента, составляет примерно 90°С.

В отдельном варианте реализации изобретения давление, при котором проводят адсорбцию продуктов адсорбентом, составляет менее 200 ρδί§ (1379 кПа изб.) или менее 150 ρδί§ (1034 кПа изб.) или примерно 100 ρδί§ (689 кПа изб.) или менее чем примерно 50 ρδί§ (345 кПа изб.). В отдельных вариантах реализации давление, при котором проводят адсорбцию продуктов адсорбентом, составляет от 14,7 до 200 ρδί§ (от 101 до 1379 кПа изб.). Варианты реализации настоящего изобретения в частности можно применять для выделения органических продуктов ферментации газов, таких как кислоты, спирты и диолы, из традиционного водного ферментационного бульона. В частности, уксусную кислоту, этанол и 2,3-бутандиол получают путем ферментации газового субстрата, содержащего СО, и их можно выделять из водного органического потока согласно настоящему изобретению.

В дополнительных вариантах реализации приведенных выше аспектов спиртовой продукт, такой как этанол, экстрагируют из части бульона, удаленной из биореактора (или другой части бульона), перед подачей бульона в модуль ПДС и необязательно в модуль фильтрования. Предпочтительно этанол экстрагируют из бульона путем перегонки. В отдельном варианте реализации экстрагированный этанол используют в качестве десорбента в модуле ПДС.

В дополнительных вариантах реализации приведенных выше аспектов модуль ПДС регенерируют после абсорбции продуктов и/или кислот. В отдельном варианте реализации адсорбент очищают по существу полностью от десорбента. В отдельных вариантах реализации адсорбент очищают от десорбента путем отгонки паром. Отгонку паром можно проводить перед адсорбцией для получения конденсированного удаляющего раствора, который удаляют из системы, или совместно с проведением стадии адсорбции, где конденсированный удаляющий раствор выводят из системы с рафинатом. Конденсированный удаляющий раствор или рафинат, содержащий десорбент, перегоняют для выделения экстрагированного десорбента, который возвращают в процесс.

Газовый субстрат может содержать газ, полученный в качестве побочного продукта промышленного процесса. В отдельных вариантах реализации промышленный процесс выбран из группы, состоящей из производства продуктов из металлического железа, производства продуктов из цветных металлов, процессов очистки нефти, газификации биомассы, газификации угля, получения электроэнергии, получения сажи, получения аммиака, получения метанола и производства кокса. В одном из вариантов реализации газовый субстрат представляет собой синтез-газ. В одном из вариантов реализации газовый субстрат содержит газ, полученный на сталелитейном заводе.

В отдельном варианте реализации газовый субстрат представляет собой СО-содержащий газовый субстрат. В дополнительных вариантах реализации субстрат содержит по меньшей мере примерно от 15 до 100% СО по объему, например от 20 до 100% СО по объему, от 43 до 95% СО по объему, от 75 до 95% СО по объему или от 80 до 90% СО по объему. В одном отдельном варианте реализации газовый субстрат содержит примерно 95% СО. Предполагается использование и более низкого уровня СО, такого как 6%, если субстрат также содержит СО₂ и Н₂. В других вариантах реализации поток субстрата содержит Н₂ в концентрации от 2 до 13%.

- 5 029944

В различных вариантах реализации ферментацию проводят с использованием культуры микроорганизма, содержащей один или более штаммов карбоксидотрофных бактерий. В различных вариантах реализации карбоксидотрофная бактерия выбрана из С1о8йтбшт, Мооге11а, ОхоЬасЮг. РсрЮЧгсрЮсоссиь АссЮЬасЮпит. ЕиЬас1епит или ВШупЬасЮгшт. В одном из вариантов реализации карбоксидотрофная бактерия представляет собой ОоЧпбшт аШосбишодспит. В отдельном варианте реализации бактерия имеет идентификационные характеристики учетных номеров ΌδΜΖ10061 или Ό8ΜΖ23693.

Изобретение также включает части, элементы и отличительные признаки, относящиеся к описанию заявки или указанные в нем, по отдельности или в целом, любые или все комбинации двух или более указанных частей, элементов или отличительных признаков, где если в настоящем описании указаны конкретные числовые значения, которые имеют известные эквиваленты в области техники, к которой относится настоящее изобретение, то предполагается, что указанные эквиваленты включены в настоящее описание, как в случае, если бы они были отдельно приведены в описании.

Краткое описание фигур

Указанные и другие аспекты настоящего изобретения, которые в целом следует рассматривать как новые аспекты, будут более понятными после изучения последующего описания, которое приведено только в качестве примера, и прилагаемых фигур, где:

На фиг. 1 приведено схематическое изображение системы ферментации согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения;

На фиг. 2 приведено схематическое изображение системы ферментации согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения, где модуль ПДС присоединен к системе ферментации газов для экстракции продуктов ферментации, таких как этанол и 2,3-бутандиол.

Подробное описание изобретения

Определения.

Если конкретно не указано иное, то следующие термины, используемые в настоящем описании, имеют приведенные ниже определения:

Рафинат - вещество, остающееся в ферментационном бульоне после адсорбции продуктов ферментации адсорбентом.

Ферментационный бульон или бульон - смесь компонентов (включая бульонную культуру и питательную среду), содержащаяся в биореакторе.

Питательная среда - раствор, добавляемый в ферментационный бульон, содержащий питательные вещества и другие компоненты, подходящий для роста культуры микроорганизмов.

Бульонная культура - культура микроорганизмов, содержащаяся в ферментационном бульоне.

Плотность бульонной культуры - плотность клеток микроорганизмов в ферментационном бульоне.

Газовый субстрат, содержащий монооксид углерода, и схожие термины включают любой газ, содержащий монооксид углерода. Газовый субстрат, как правило, содержит значительное количество СО, предпочтительно по меньшей мере от примерно 5% до примерно 100% СО по объему.

Кислота - при использовании в настоящем описании этот термин включает форму карбоновой кислоты. Уксусная кислота в виде ацетата не подходит для использования в процессе адсорбции согласно настоящему изобретению. Ацетат, содержащийся в ферментационном бульоне, можно превращать в форму кислоты путем регулировки рН. Отношение молекулярной уксусной кислоты к ацетату в ферментационном бульоне зависит от рН системы.

Биореактор или ферментер включают устройство ферментации, состоящее из одного или более сосудов и/или колонн или трубопроводов, включая реактор с непрерывным перемешиванием среды (С8ТК), реактор с иммобилизованными клетками (1СК), реактор с орошаемым слоем (ТВК), реактор с биопленочным подвижным слоем (МВВК), барботажную колонну, газлифтный ферментер, мембранный реактор, такой как мембранный биореактор с системой полых волокон (ИРМВК), статический смеситель, или другой сосуд или другое устройство, подходящее для приведения в контакт газа и жидкости.

Второй или вторичный биореактор - при использовании в настоящем описании эти термины охватывают разнообразные другие биореакторы, которые можно последовательно или параллельно соединять с первым и/или вторым биореакторами.

Ферментация, процесс ферментации или реакция ферментации - и схожие термины, используемые в настоящем описании, охватывают фазу роста и фазу биосинте за продуктов процесса. В некоторых вариантах реализации биореактор может содержать первый реактор для роста и второй реактор для ферментации. Таким образом, следует понимать, что обработка или добавление компонентов реакции ферментации относится к каждому или к обоим указанным реакторам.

Коэффициент разделения - используемый в настоящем описании определяет отношение концентрации вещества в единственной определенной форме А в экстракте к его концентрации в той же форме в другой фазе в равновесном состоянии, показанное в следующем уравнении:

1.

(ГОРАС. Сотрспбнпп о£ СНсписа! Тсттшо1о§у, 2^пб сб. (1Нс "Оо1б Воок"). Сотрбсб Бу А.И. МсИаидЫ

- 6 029944

апб А, ^ίΙΚίηδοη. В1аск\ус11 δοίοηΙίΓίο РиЬЛсабопк, ОхГогб (1997).Исправленная онлайн-версия ХМЬ: Ыр://до1бЬооклирас.огд(2006) сгсаЮй Ьу М.№с, 1. Лга!, В.Койа; ирйа1с5 сошрПсй Ьу АЗспкиъ. Ι8ΒΝ 09678550-9-8).

Компонент питательной среды - при использовании в настоящем описании определяет любое вещество, обеспеченное в жидкой питательной среде, поддерживающее рост микроорганизма, включая, но не ограничиваясь ими, витамины, следовые количества металлов и минералов.

Водный органический поток - при использовании в настоящем описании определяет водный поток, содержащий один или более органических продуктов процесса ферментации. Примеры органических продуктов включают, но не ограничиваются ими, этанол; 2,3-бутандиол; уксусную кислоту; пропанол; бутанол; изопропанол и ацетон, соединение с большой аффинностью к воде, т.е. хорошо растворимое в воде.

В настоящем описании и последующей формуле изобретения, если в контексте явно не требуется иное, слова "содержит", "содержащий" и т.д. следует рассматривать как открытые термины, но не как исключающие термины, т.е. в смысле "включая, но не ограничиваясь ими".

Авторы настоящего изобретения определили, что ПДС можно эффективно применять для экстракции органических соединений, таких как спирты, диолы и органические кислоты, с большой аффинностью к воде, как правило, из водного раствора и разработали способы экстракции. До настоящего времени ПДС использовали только для выделения органических соединений из органических растворителей или для экстракции органических соединений из водных растворов, где органический компонент имеет низкую аффинность к воде. Спирты, диолы и органические кислоты имеют низкое количество атомов углерода в цепи и высокую полярность; таким образом, указанные химические вещества имеют высокую аффинность к воде, т.е. по существу полностью растворяются в воде. Кроме того, указанные соединения, как правило, получают в виде низкоконцентрированных растворов (т.е. с концентрацией ниже 10% (мас.%)), содержащих примеси.

Ферментационные растворы часто содержат большое число неорганических соединений, а также суспендированные и растворимые примеси биомассы, которые ограничивают адсорбцию за счет физической блокировки или конкурентного присоединения к поверхности адсорбента. По меньшей мере, несколько предпочтительных вариантов реализации изобретения направлены на преодоление по меньшей мере одного из указанных ограничений за счет обеспечения способа и системы, имеющих по меньшей мере один оптимизированный параметр, выбранный из селективности, емкости, скорости переноса массы и долгосрочной стабильности адсорбента. В изобретении также предпочтительно предложен модуль ПДС, оптимизированный для непрерывной эксплуатации с точки зрения капитальных вложений и затрат на эксплуатацию ПДС.

Указанные способ объединения технологий ферментации газа и ПДС для экстракции продуктов ферментации обеспечивает некоторые преимущества по сравнению с известными способами выделения.

Проведение регенерируемой непрерывной адсорбции снижает количества адсорбента и растворителя/десорбента, а также потребление энергии. Затраты на эксплуатацию значительно снижены по сравнению с традиционными стандартными операциями, такими как перегонка, экстракция растворителем и кристаллизация.

По сравнению с неподвижным слоем ПДС имеет значительно более высокий эффективный рабочий объем адсорбента. В периодическом процессе (с неподвижным слоем) состав жидкости при определенном уровне слоя изменяется циклически со временем, и в определенный момент времени большие фрагменты слоя являются неактивными. При непрерывной эксплуатации с использованием экстракции в ПДС состав при определенном уровне является постоянным, и слой в целом эффективно функционирует.

Продукты ферментации можно десорбировать из адсорбента путем пропускания десорбента/растворителя через адсорбент для получения раствора продукта в растворителе. Изобретение обеспечивает дополнительное преимущество по сравнению с традиционными техниками разделения, заключающееся в том, что оно обеспечивает выделение органических продуктов с высоким выходом и чистотой, содержащих минимальное количество растворителя (например, воды из бульона) и/или нежелательных веществ, растворенных в ферментационном бульоне, или не содержащих их вообще.

Дополнительным преимуществом ПДС является возможность одновременной экстракции более чем одного продукта из раствора. Оптимизация слоя адсорбента позволяет проводить полную экстракцию нескольких органических продуктов с использованием ПДС при одних условиях эксплуатации, что невозможно проводить с использованием традиционных способов экстракции.

В целом, в изобретении предложен способ выделения одного или более продуктов ферментации из ферментационного бульона с использованием модуля с псевдодвижущимся слоем (ПДС), содержащего адсорбент.

Варианты реализации особенно подходят для применения для выделения водных органических продуктов ферментации газов, таких как кислоты, спирты и диолы, из ферментационного бульона. В частности уксусную кислоту, этанол и 2,3-бутандиол получают путем ферментации газового субстрата, содержащего СО, и их можно выделять из водного органического потока с применением способа согласно настоящему изобретению.

- 7 029944

Известные системы экстракции растворителем имеют низкие коэффициенты разделения при использовании для обработки бульонов с низкими концентрациями органических продуктов. Несмотря на то что насыщение солями может увеличивать коэффициент разделения, это увеличивает затраты на удаление солей из водных отходов и значительно увеличивает затраты, если соли нельзя выделять для повторного использования. ПДС требует минимального расхода химических веществ и обработки бульона за счет селективной адсорбции/десорбции продуктов ферментации, что тем самым упрощает процесс экстракции. В отдельных вариантах реализации изобретения, если используемое десорбирующее химическое вещество представляет собой органический продукт ферментации, то процесс ПДС по существу не потребляет химических веществ извне.

В отдельных вариантах реализации изобретения способы включают стадию фильтрования ферментационного бульона перед подачей его в модуль ПДС. Фильтрование приводит к удалению суспендированной и/или растворимой биомассы из ферментационного бульона. Фильтрование можно проводить путем пропускания бульона через мембрану, включая, но не ограничиваясь ими, мембраны для нанофильтрации или ультрафильтрации, путем денатурации ферментационного бульона или при помощи других способов фильтрования, известных в данной области техники. Флокуляцию можно инициировать путем добавления флокулянта перед фильтрованием. Фильтрование можно проводить в отдельном модуле, или модуль фильтрования может быть встроен как часть модуля ПДС.

Примером подходящего адсорбента является фторуглеродный адсорбент. В отдельных вариантах реализации адсорбент представляет собой адсорбент на основе активированного угля или фторуглеродный адсорбент. В других вариантах реализации адсорбент представляет собой силикагель, поверхностно модифицированный С18-группами.

Предпочтительно адсорбент может представлять собой любой адсорбирующий материал, способный выделять воду из денатурированного ферментационного бульона. Подходящие адсорбенты включают фторуглеродные адсорбенты. Примеры подходящих фторуглеродных адсорбентов включают адсорбенты с поверхностным слоем фторуглерода, такие как ОК§СЫСВ4РЬ5СК и ОК8ИСВ4РЕСК (доступные в Отоейет ТесЬпо1од1е8, 1пс.,), далее называемые РС-5 и РС-1, соответственно. Другие подходящие адсорбенты включают адсорбенты на основе активированного угля. Примером адсорбента на основе активированного угля является ОК8ИСВ4СК (доступный в Огосйет Тесйпо1од1е8, 1пс, ЬотЪатф II), далее называемый Е-325. Силикагели, поверхностно модифицированные С18-группами, также обладают свойствами, подходящими для использования в способе с использованием ПДС, описанном в настоящей заявке. Типовым силикагелем, поверхностно модифицированным С18-группами, является КЕЕ1А§1Ь С18 5 микрон (доступный в 1п&сЬтота, Ζιΐβ. 5\\'П/ег1апб).

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что при использовании оптимизированного адсорбента и условий продукты ферментации можно эффективно экстрагировать из бульона с более высоким выходом по сравнению с традиционными техниками экстракции. Авторы настоящего изобретения продемонстрировали, что оптимизированный гидрофобный адсорбент обладает высокой емкостью и селективностью к органическим соединениям, таким как этанол, пропанол, бутанол, уксусная кислота, 2,3бутандиол и ацетон. Способ также обеспечивает по существу полное отделение воды и неорганических солей, содержащихся в растворе.

В отдельном варианте реализации адсорбент адсорбирует по меньшей мере примерно 50%, примерно 60%, примерно 70%, примерно 80%, примерно 90%, примерно 95%, примерно 99% или по существу 100% продуктов ферментации из бульона.

Продукты можно выделять из смеси десорбированных продуктов при помощи стандартных способов, известных специалистам в данной области техники, таких как перегонка. Например, температура кипения этанола составляет 78,8°С, а уксусная кислота имеет температуру кипения 107°С. Таким образом, этанол и уксусную кислоту можно легко разделять друг от друга с использованием способа, основанного на различной летучести, такого как перегонка. Ацетат можно выделять путем адсорбции на активированном угле. Другим примером разделения является использование мембран для нанофильтрации органических растворителей. Это позволяет разделять два (2) компонента растворителя друг от друга путем фильтрования под давлением.

При использовании ПДС требованием к растворителю-десорбенту является удаление органического продукта из адсорбента. Подходящий адсорбент обеспечивает полное выделение из адсорбента и последующее удаление из десорбированного продукта при незначительном изменении условий процесса, что позволяет проводить практически полную регенерацию десорбента. Предпочтительно десорбент выбран из группы, включающей метанол, этанол, пропанол и метил-трет-бутиловый эфир. В предпочтительных вариантах реализации десорбент представляет собой метанол или этанол.

В отдельном варианте реализации растворитель, используемый для десорбции, представляет собой растворитель, получаемый в процессе ферментации, экстрагированный ранее. Это снижает затраты на расходные материалы и требования к переработке возможных отходов. Использование экстрагированного продукта в качестве растворителя уменьшает возможность нежелательного возвращения растворителя/десорбента или примесей в растворителе/десорбенте в бульон, что может уменьшать эффективность ферментации. В отдельном варианте реализации растворитель представляет собой этанол, полученный в

- 8 029944

результате ферментации или в параллельном способе ферментации. Указанный растворитель можно экстрагировать из удаляемой части бульона перед подачей бульона в модуль ПДС или получать из другой части бульона.

Так как принцип действия ПДС основан на молекулярных взаимодействиях между целевым продуктом и поверхностью адсорбента, для выделения продукта не требуется использование высоких температур в отличие от перегонки. ПДС обеспечивает непрерывное выделение органических соединений из углеводородных и водных растворов и не предъявляет значительных требований к используемой температуре и давлению. Это может снижать энергозатраты, а также уменьшать выбросы парниковых газов. Пониженные требования к температуре и давлению также предотвращают разложение питательных веществ бульона, что позволяет повторно использовать рафинат при его минимальной обработке.

В отдельном варианте реализации изобретения температура, при которой проводят адсорбцию продуктов адсорбентом, составляет от 25 до 75°С. В предпочтительном варианте реализации температура, при которой проводят адсорбцию органических продуктов адсорбентом, составляет примерно 25°С. В дополнительном отдельном варианте реализации изобретения температура, при которой проводят десорбцию продуктов из адсорбента, составляет от 25 до 120°С. В отдельных вариантах реализации температура, при которой проводят десорбцию продуктов из адсорбента, составляет примерно 90°С. В отдельном варианте реализации изобретения давление, при котором проводят адсорбцию продуктов адсорбентом, составляет менее 200 ρδί§ (1379 кПа изб.), или менее 150 ρδί§ (1034 кПа изб.), или примерно 100 ρδί§ (689 кПа изб.).

В одном из вариантов реализации изобретения рафинат повторно используют в биореакторе. Перед повторным использованием рафинат можно обрабатывать, а обработка может включать добавление дополнительных компонентов или питательных веществ (таких как витамины В) в рафинат для восстановления питательной среды. Для контролирования рН бульона в биореакторе рН рафината можно регулировать перед возвращением в биореактор.

Контролирование рН ферментационного бульона является важным фактором, который может влиять на различные переменные, такие как скорость реакции и образующийся продукт. Несмотря на то что микроорганизмы, участвующие в ферментации, часто вырабатывают продукты в некотором диапазоне рН, поддержание оптимального рН при определенных условиях реакции может максимизировать рост и/или эффективность выработки. Накопление кислот, таких как уксусная кислота и молочная кислота, может ингибировать ферментацию, и если его не контролировать, может приводить к гибели культуры микроорганизмов.

В целом, в изобретении также предложено контролирование рН ферментационного бульона в биореакторе, содержащем модуль с псевдодвижущимся слоем (ПДС), содержащий адсорбент для удаления части бульона, где предпочтительно указанная часть содержит кислоту.

Способ обеспечивает непрерывное контролирование рН ферментационного бульона и не требует добавления подкисляющих или подщелачивающих агентов или, по меньшей мере, снижает потребность в их использовании. Это снижает затраты на расходные материалы, а также уменьшает затраты на обработку отходов, которая может требоваться для удаления агентов.

В дополнительном варианте реализации в изобретении предложено контролирование рН, где степень регулирования рН определяется количеством одной или более кислот, экстрагируемых из удаляемой части бульона.

При ферментации с получением кислот накопление кислоты в биореакторе может приводить к ингибированию или гибели культуры микроорганизмов. Согласно одному из аспектов изобретения модуль ПДС можно использовать в качестве системы с продленным сроком жизни клеток, что позволяет повторно использовать необходимую биомассу и растворимые белки, но при этом удалять избыток кислот из культуры. В отдельных вариантах реализации по существу всю уксусную кислоту, получаемую в ферментационном бульоне, удаляют при помощи указанного способа. В отдельных вариантах реализации, если рН в биореакторе увеличивается выше желаемого диапазона, уксусную кислоту можно возвращать в биореактор в виде ацетата. В отдельных вариантах реализации можно контролировать рН в биореакторе путем регулирования количества кислоты, удаляемой из потока бульона при пропускании через модуль ПДС. Если рН в реакторе падает ниже желаемого уровня, то из ферментационного бульона удаляют дополнительное количество кислоты для возвращения рН в границы желаемого диапазона. рН в биореакторе зависит от типа ферментации. При ферментации с получением уксусной кислоты, где основным продуктом ферментации является уксусная кислота, рН необходимо поддерживать в диапазоне от примерно 6 до примерно 7,5. При спиртовом ферментации, где основным продуктом ферментации являются один или более спиртов (аспекты 1 и 2 согласно настоящему изобретению), рН поддерживают в диапазоне от примерно 4,5 до примерно 5,5. В отдельных вариантах реализации способ представляет собой непрерывный способ.

Также описана система ферментации, типовой вариант реализации которой схематически изображен на фиг. 1. Система содержит биореактор 1, содержащий ферментационный бульон 2, содержащий микроорганизмы, способные вырабатывать один или более продуктов ферментации из газового субстра- 9 029944

та 3, который можно подавать с биореактор 1 через соответствующее входное отверстие.

Часть бульона 2 подают из биореактора 1 в бульон 2 через модуль фильтрования 4, предназначенный для удаления суспендированной и/или растворимой биомассы из ферментационного бульона. Удаленную концентрированную биомассу можно повторно использовать 5 в биореакторе. Бульон с низким содержанием биомассы подают в модуль с псевдодвижущимся слоем 6, содержащий адсорбент, предназначенный для адсорбции одного или более продуктов ферментации из бульона с низким содержанием биомассы, что приводит к получению потока рафината (отфильтрованного бульона с низким содержанием биомассы, который не адсорбировался адсорбентом). Рафинат повторно используют 7 в биореакторе 1. Десорбент 8 пропускают через адсорбент для десорбции продуктов ферментации, которые удаляют с потоком концентрированных метаболитов 9, который можно обрабатывать на дополнительных стадиях разделения. Адсорбент 6 полностью очищают от оставшегося десорбента (или "регенерируют") путем отгонки паром 10 перед последующим проведением адсорбции или одновременно с проведением стадии адсорбции, где десорбент удаляют из системы совместно с рафинатом. В одном из вариантов реализации систему, описанную выше и показанную на фигуре 1, можно использовать для контролирования рН путем удаления продукта ферментации (например, кислот) из бульона.

Другой вариант реализации изобретения схематически изображен на фиг. 2. Для удобства схожие условные числовые обозначения используют для обозначения схожих элементов. Система содержит биореактор 1, содержащий ферментационный бульон 2, содержащий микроорганизмы, способные вырабатывать один или более продуктов ферментации из газового субстрата 3. Часть бульона можно подавать а) непосредственно в модуль фильтрования 4, предназначенный для удаления по меньшей мере части суспендированной и/или растворимой биомассы из ферментационного бульона. Летучие продукты, такие как этанол, необязательно отгоняют 15 перед подачей в модуль фильтрования 4. Твердую биомассу удаляют 15 из модуля фильтрования 4, ее можно отбрасывать или повторно использовать в ферментационном бульоне. Отогнанный продукт можно подавать 17 в модуль ПДС 6 для использования в качестве десорбента.

Бульон с низким содержанием биомассы подают в модуль ПДС 6, содержащий адсорбент, предназначенный для адсорбции одного или более продуктов ферментации из бульона. Рафинат повторно подают 7 в биореактор через модуль получения среды 20, где можно проводить обработку для оптимизации подаваемой среды. Следует понимать, что указанный модуль 20 можно добавлять и в варианте реализации, изображенном на фиг. 1.

Десорбент 8 вводят в модуль 6 и пропускают через адсорбент для десорбции продуктов ферментации. Десорбент может представлять собой продукт ферментации 17 или 22, такой как этанол, или расходный материал 23, такой как метанол или вода. После десорбции продукты ферментации удаляют с потоком концентрированных метаболитов 9 для дополнительного разделения в модуле разделения 25 для получения очищенных продуктов 26 и 27, таких как этанол и 2,3-бутандиол, соответственно, приведенных исключительно в качестве примера. Десорбент удаляют 28 совместно с отходящими газами 29, десорбент собирают 30, его можно использовать повторно.

Пар 10 и нагретые отходящие газы 32 используют для регенерации адсорбента. Нагретые отходящие газы получают путем пропускания отходящих газов 33 из реактора через теплообменник 34. Конденсированный пар и десорбент можно подавать 35 в бульон с пониженным содержанием биомассы для дополнительной обработки.

В отдельном варианте реализации газовый субстрат содержит по меньшей мере от примерно 15 до 100% СО по объему, например от 20 до 100% СО по объему, от 43 до 95% СО по объему, от 75 до 95% СО по объему или от 80% до 90% СО по объему. В одном отдельном варианте реализации газовый субстрат содержит примерно 95% СО. Предполагается использование и более низкого уровня СО, такого как 6%, если субстрат также содержит СО₂ и Н₂. В других вариантах реализации поток субстрата содержит Н₂ в концентрации от 2 до 13%.

Несмотря на то что описание направлено на отдельные варианты реализации изобретения, а именно на получение этанола, 2,3-бутандиола и/или уксусной кислоты с использованием СО в качестве основного субстрата, следует понимать, что изобретение также можно применять для получения альтернативных спиртов или кислот или альтернативных соединений. Кроме того, предполагается использование альтернативных субстратов, включая субстраты, известные специалистам в области техники, к которой относится изобретение. Например, можно применять газовые субстраты, содержащие диоксид углерода и водород. Кроме того, изобретение можно применять для ферментации с получением бутирата, пропионата, капроата, этанола, пропанола и бутанола. Способы также можно применять для получения водорода. Например, указанные продукты можно получать путем ферментации с использованием микроорганизмов рода Мооге11а, С1о51пб1а. Киттососсик, АсеЮЬасЮгшт. ЕиЬасЮгшт. Ви1упЬас1епит. ОхоЬасЮг. Ме1Наиокагста, МеГЬаиокатсша и Пе8и1Ео1отаси1ит.

Разделение с использованием псевдодвижущегося слоя.

Использование псевдодвижущегося слоя (ПДС) представляет собой технологию разделения, основанную на адсорбции и десорбции целевых органических растворенных веществ из раствора. Технология была разработана в 1950-х годах для очистки химических веществ в промышленности. Технология ПДС

- 10 029944

была выбрана благодаря пятикратному увеличению производительности продукта, 10-кратному уменьшению энергозатрат по сравнению с технологией адсорбции с неподвижным слоем. В компании ИОР проводили активную разработку технологии ПДС для разделения органических компонентов со схожей температурой кипения и/или азеотропными свойствами (способы §огЬех™ и МХ™, например). Было обнаружено, что оптимизация свойств адсорбента позволяет использовать ПДС для экстракции органических продуктов ферментации из ферментационных бульонов, представляющих собой водные растворы, где органический компонент обладает высокой аффинностью к воде.

Можно использовать ПДС в непрерывном режиме путем закрепления двух или более колонн, содержащих слои адсорбента, и циклического или повторного пропускания непрерывного потока бульона через слои с использованием системы управления потоками текучих сред, использующей многоходовые клапаны или вращающиеся клапаны. Если элюирование, обеспечиваемое всей совокупностью расположенных последовательно колонок, является недостаточным для экстракции целевого(ых) продукта(ов) с желаемой чистотой, то поток можно дополнительно направлять и пропускать через колонки до достижения достаточной экстракции. Таким образом, тщательно настроенное во времени переключение клапанов для перенаправления потока бульона имитирует передвижение слоев адсорбента. Оставшуюся часть бульона (содержащую, главным образом, воду и соли) называют рафинатом, ее можно удалять в качестве отходов или для повторного использования.

Методику ПДС с несколькими пропусканиями потока можно применять, если аффинность между соединениями является высокой, как в случае разделения хиральных фармацевтических средств.

Способ с применением ПДС состоит из трех основных стадий:

Стадия адсорбции: подаваемый раствор пропускают через адсорбент, и происходит адсорбция органического продукта на его поверхности. Полученный рафинат удаляют из системы.

Стадия десорбции: десорбирующий растворитель пропускают через адсорбент для экстракции органического продукта с поверхности, полученный раствор удаляют для разделения, как правило, путем перегонки.

Стадия регенерации: адсорбент полностью очищают от остатков десорбента путем отгонки паром перед проведением адсорбции или одновременно с проведением стадии адсорбции, где десорбент удаляют из системы с рафинатом. Конденсированный удаляющий раствор или рафинат, содержащий десорбент, перегоняют для выделения экстрагированного десорбента, который повторно используют в способе.

Между стадией адсорбции и стадией десорбции можно обеспечивать стадию ректификации. На стадии ректификации по меньшей мере часть продуктов, содержащихся на поверхности адсорбента, спускается по поверхности адсорбента в колонне, после чего их собирают у основания колонны. Это позволяет использовать меньше десорбента на стадии десорбции.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что модуль с псевдодвижущимся слоем, описанный в настоящей заявке, может содержать ряд различных типов ПДС. Типовые варианты модулей ПДС, которые могут подходить для использования в способах и системах согласно настоящему изобретению, описаны, например, в и§3268605, И83706812, И857050б1 и И8б004518, содержание которых включено в настоящую заявку во всей полноте посредством ссылок. Для упрощения распределения потоков или обеспечения других преимуществ в модуль ПДС можно включать дополнительное устройство, известное специалистам в данной области техники (например, устройство, описанное в И86979402).

Несмотря на то что в настоящем патенте описаны системы с псевдодвижущимся слоем, предполагается, что изобретение также охватывает применение систем ферментации с фактически подвижным слоем, таких как описано в И8 6979402 В1, которые основаны на той же концепции подвижных слоев.

Ферментация.

Отдельные варианты реализации изобретения предназначены для использования газовых потоков, получаемых в одном или более промышленных процессах. Указанные процессы включают процессы изготовления стали, в частности процессы, при которых образуется газовый поток с высоким содержанием СО или содержанием СО выше предварительно определенного уровня (например, 5%). Согласно указанным вариантам реализации для получения кислот и/или спиртов, в частности этанола или бутанола в одном или более биореакторов предпочтительно используют ацетогенные бактерии. Специалистам в данной области техники после рассмотрения настоящего описания будет понятно, что изобретение можно применять для различных потоков промышленных или отходящих газов, включая газы, выбрасываемые двигателями внутреннего сгорания транспортных средств. Кроме того, специалистам в данной области техники после рассмотрения настоящего описания будет понятно, что в изобретении можно применять другие реакции ферментации, включая те, в которых задействованы такие же или отличающиеся микроорганизмы. Таким образом, предполагается, что объем изобретения не ограничен отдельными описанными вариантами реализации и/или способами применения, но, напротив, его следует понимать в более широком смысле; например, источник газового потока является неограничивающим, в остальных случаях, по меньшей мере, его компонент можно применять для подачи в реакцию ферментации. Изобретение в частности можно применять для увеличения общей эффективности улавливания углерода

- 11 029944

и/или получения этанола и других спиртов из газовых субстратов, содержащих СО. Известны способы получения этанола и других спиртов из газовых субстратов. Типовые способы включают те, что описаны, например, в АО 2007/117157, АО 2008/115080, АО 2009/022925, АО 2009/064200, И8 6340581, И8 6136577, И8 5593886, И8 5807722 и И8 5821111, содержание каждого из которых включено в настоящую заявку посредством ссылок.

Как известно, ряд анаэробных бактерий могут осуществлять ферментацию СО с получением спиртов, диолов и кислот, и они подходят для применения согласно настоящему изобретению. Примеры указанные бактерий, которые подходят для применения согласно настоящему изобретению, включают бактерии рода С1окбтбшт, такие как штаммы С1окбтбшт 1)ипдбаб1и, включая те, что описаны в АО 00/68407, ЕР 117309, патентах США № 5173429, 5593886 и 6368819, в АО 98/00558 и АО 02/08438, С1окбтбшт сагЬохуб1уогапк (Пои е1 а1., 1п!егпабоиа1 1оигпа1 οί 8ук!етабс апб Еуо1ибопагу М1сгоЬю1оду 33: р. 2085-2091), С1окбтбшт гадкбаШ (АО/2008/028055) и С1окбтбшт аиЮебитодепит (ЛЬгии е1 а1., АгсЫуек о£ М1сгоЬю1оду 161: р. 345-351). Другие подходящие бактерии включают бактерии рода Мооге11а, включая Мооге11а кр НИС22-1, (8ака1 е1 а1., ВюЮсбпоЮду Ьебегк 29: р. 1607-1612), и бактерии рода СагЬохубо!бегтик (8уеШсбпу, У.А., 8око1оуа, Т.О. е1 а1. (1991), 8ук!етабс апб Аррбеб МюгоЬю1оду 14: 254260). Дополнительные примеры включают Мооге11а бюгтоасебса, Мооге11а 1бегтоаиЮборбюа, Риттососсик ргобис1ик, АсеЮЬасЮбит \уообб, ЕиЬасЮпит бтокит, Ви1упЬас1епит те1бу1о1горб1сит, ОхоЬас1ег рГептди, Ме!бапокагапа Ьагкеп, Мебитокагсиш асебуогапк, Пеки1£о1отаси1ит кихпе1коун (81тра е1 а1. Спбса1 Ке\ае\\ъ ш ВюЮсбпоЮду, 2006. Уо1. 26. Р. 41-65). Кроме того, следует понимать, что в настоящем изобретении можно применять другие ацетогенные анаэробные бактерии, известные специалистам в данной области техники. Также следует понимать, что в изобретении можно применять смешанные культуры двух или более бактерий.

Одним из типовых микроорганизмов, подходящих для применения согласно настоящему изобретению, является СЮкбтбшт аиЮе1баподепит. В одном из вариантов реализации СЮкбтбшт аиЮебитодепит представляет собой СЮкбтбшт аШоебитодепит, имеющий отличительные характеристики штамма, указанного в немецкой коллекции биологического материала (Э8М2) под идентификационным номером 19630. В другом варианте реализации СЮкбтбшт ан1ое1баподепнт имеет отличительные характеристики, соответствующие идентификационному номеру Э8М2 10061 или О8М2 23693. Лабораторный штамм указанных бактерий известен как ΤΖ1561.

В одном из вариантов реализации микроорганизм выбран из группы карбоксидотрофных ацетогенных бактерий. В отдельных вариантах реализации микроорганизм выбран из группы, включающей С1окбтбшт аиЮе1баподепит, СЮкбтбшт ЦипдбаЫи, СЮкбтбшт гадкбаЮг СЮкбтбшт сагЬох1бкогапк, С1ок1пбшт бгакек СЮкбтбшт ксаЮЮдепек, СЮкбтбшт соккабк ВШупЬасЮпит бтокит, ВЮубЬасЮбит те!буЮборбюит, АсеЮЬасЮбит уообб, А1кабЬаси1ит Ьассбл, В1аиба ргобисЮ, ЕиЬасЮбит бтокит, Мооге11а !бегтоасебса, Мооге11а 1бегтаиЮборбюа, ОхоЬасЮг рГептдл и ТбегтоапаегоЬасЮг кшук

В одном отдельном варианте реализации микроорганизм выбран из кластера этанологенных ацетогенных С1ок1пб1а, включая виды С. аиЮе!баподепит, С. ЦипдбаЫи и С. гадкбаЮц а также родственные изоляты. Они включают, но не ограничиваются ими, штаммы:

С. анЮе1баподепнт 6А1-1^Т (08М10061) [АЬбт 1, Ыауеаи Н, Ыупк Е-Т СЮкбтбшт аШоебитодепит, кр. поу., ап апаегоЫс ЬасЮбит 1ба1 ргобисек е1бапо1 £гот сагЬоп топох1бе. Агсб МЮгоЬЮ1 1994, 4: 345351], С аШоебитодепит ЬВ81560 Щ8М19630) [81тркоп 8Ό, Рогк!ег РЬ, Тгап РТ, Роуе Мб, Аагпег Ш №уе1 ЬасЮба апб тебюбк бюгеоб международная заявка на патент 2009, АО/2009/064200], С. анЮе1баподепит ЬВ81561 (О8М23693), С. ЦипдбаЫи РЕТС^Т (О8М13528 = АТСС 55383) [Таппег Р8, Мб1ег ЬМ, Уапд Ό: СЮкбтбшт уипдбаЫп кр. поу., ап АсеЮдешс 8рес1ек ш С1ок1пб1а1 гРЫА Ното1оду Огоир I. 1п1 б. 8ук1 ВасЮбо1 1993, 43: 232-236], С 1_)ипдбаб1б ЕР1-2 (АТСС 55380) [Оаббу ДЬ: СЮкбтбшт к1а1п уЫсб ргобисек асебс ааб £гот уак1е дакек. Патент США 1997, № 5593886], С. ЦипдбаЫп С-01 (АТСС 55988) [Оаббу Ш, С1аикеп ЕС, Ко С-А: МЮгоЫа1 ргосекк £ог 1бе ргерагабоп о£ асебс ааб ак уе11 ак кокет £ог бк ехбасбоп £гот 1бе Гегтейабоп Ьгоби Патент США, 2002, № 6368819], С. ЦипдбаЫи 0-52 (АТСС 55989) [Оаббу Ш, С1аикеп ЕС, Ко С-А: МюгоЫа1 ргосекк £ог 1бе ргерагабоп о£ асебс ааб ак уе11 ак кокет £ог бк ехбасбоп £гот 1бе £егтеп!абоп Ьгобк Патент США, 2002, № 6368819], С. гадкбаШ Р11^Т (АТСС ВАА-622) [Нибпке РЬ, Ьеу1к Р8, Таппег Р8: 1ко1абоп апб СбагасЮп/абоп о£ поуе1 С1ок1пб1а1 8реаек. Международная заявка на патент, 2008, АО 2008/028055], родственные изоляты, такие как "С. соккабР' Цабп е1 а1. - №уе1 е1бапоЮдетс креаек СЮкбтбшт сокка1н (заявка на патент США № 20110229947)], или мутировавшие штаммы, такие как С. ЦипдбаЫб ОТА-1 (Тбабо-Асеуебо О. Ргобисбоп о£ Вюе1бапо1 Лот 8уп1бек1к Оак Икшд СЮкбтбшт уипдбаЫб. РбО 1бек1к, Ыобб Сагобпа 81а1е Итуегкбу, 2010). Указанные штаммы образуют подкластер в рамках кластера I рРНК клостридий, и их ген 168 рРНК более чем на 99% идентичен со схожим геном с низким ГЦ-составом примерно 30%. Тем не менее, эксперименты с использованием реассоциации ДНК-ДНК и методики фингерпринтинга ДНК показали, что указанные штаммы принадлежат к разным видам [Нибпке РЬ, ЬеуБ Р8, Таппег Р8: 1ко1абоп апб СбагасЮп/абоп о£ поуе1 С1ок1пб1а1 8реаек. Международная заявка на патент 2008, АО 2008/028055].

Все виды этого кластера имеют схожую морфологию и размер (клетки в логарифмической фазе роста составляют 0,5-0,7х3-5 дюйма (1,3-1,8x7,6-12,7 см)), являются мезофильными (оптимальная темпера- 12 029944

тура роста 30-37°С) и строго анаэробными [Таппег КБ, МШег БМ, Уапд Ό: С1ок!пбшт 1щпдбаБ1и кр. ηον., ап АсеЮдешс Бреаек ш С1ок1пб1а1 γΚΝΑ Ното1оду Огоир I. 1п! 1. Бук! Вас!епо1 1993, 43: 232-236; АЪпш 1, Nаνеаи Н, Ыупк Е-Б С1ок!пбшт аи!ое!Баподепит, кр. по\'., ап апаегоЫс Ьааепит Ыа1 ргобисек е!Бапо1 Ггот сагЪоп топох1бе. АгсБ М1сгоЫо1 1994, 4: 345-351; НиБпке КБ, Бе\\ак КБ, Таппег КБ: 1ко1аБоп апб СБагас1еп/а1юп оГ ηονе1 С1ок1пб1а1 Бреаек. Международная заявка на патент, 2008, АО 2008/028055]. Кроме того, все они имеют одинаковые основные филогенетические признаки, такие как одинаковый диапазон рН (рН 4-7,5, оптимальное начальное значение рН 5,5-6), сильный автотрофный рост в среде газов, содержащих СО, со схожими скоростями роста и схожий профиль метаболизма, где этанол и уксусная кислота являются основными конечными продуктами ферментации, а в определенных условиях образуются небольшие количества 2,3-бутандиола и молочной кислоты. [Таппег КБ, МШег ЬМ, Уапд Ό: С1ок1пбшт ЦипдйаБШ кр. по\'., ап АсеЮдешс Бреаек ш С1ок1пб1а1 γΕΝΑ Ното1оду Огоир I. 1п! 1. Бук! Вас!епо1 1993, 43: 232-236; АЪпт Б Nаνеаи Н, Жпк Е-Б С1ок!пбшт аи!ое!Баподепит, кр. по\'., ап апаегоЫс Ъас!епит !Ба! ргобисек е!Бапо1 Ггот сагЪоп топохЫе. АгсБ М1сгоЫо1 1994, 4: 345-351; НиБпке КБ, Бе\\ак КБ, Таппег КБ: 1ко1аБоп апб СБагааеп/аБоп оГ ηονе1 С1ок!пб1а1 Бреаек. Международная заявка на патент 2008, АО 2008/028055]. Также для всех трех видов наблюдали выработку индола. Тем не менее, различия видов заключаются в использовании в качестве субстратов различных Сахаров (например, рамнозы, арабинозы), кислот (например, глюконата, цитрата), аминокислот (например, аргинина, гистидина) или других субстратов (например, бетаина, бутанола). Кроме того, было обнаружено, что некоторые виды являются ауксотрофными по отношению к определенным витаминам (например, к тиамину, биотину), тогда как другие не являются.

Бактерии, используемые в способах согласно настоящему изобретению, можно выращивать при помощи разнообразных способов, известных в области культивирования и ферментации субстратов с использованием анаэробных бактерий. Например, можно использовать способы, в которых для ферментации применяют газовые субстраты, в целом описанные в следующих статьях: (ί) К. Т. К1аккоп, е! а1. (1991). Вюгеас!огк Гог куп!Беык дак ГегтеШаБопк гекоигсек. Сопкег\'аБоп апб КесусБпд, 5; 145-165; (ίί) К. Т. К1аккоп, е! а1. (1991). Вюгеас!ог беыдп Гог куШБеык дак ГегтеШаБопк. Рие1. 70. 605-614; (ίίί) К. Т. К1аккоп, е! а1. (1992). Вюсогкегкюп оГ куп!Беык дак ш!о Бсцаб ог дакеоик Гие1к. Еп/уте апб М1сгоЫа1 ТесБпо1оду. 14; 602-608; (ίν) ί. Б. Уеда, е! а1. (1989). Б!ибу оГ Оакеоик БиЪк!га!е Регтеп!а!юп: СагЪоп Мопох1бе Сот'егкюп !о Асе!а!е. 2. СопБпиоик СиРиге. Вю!есБ. Вюепд. 34. 6. 785-793; (ν) ί. Б. Уеда, е! а1. (1989). Б!ибу оГ дакеоик киЪк!га!е Гегтеп!аБопк: СагЪоп топох1бе сот'егкюп !о асе!а!е. 1. Ва!сБ сиБиге. Вю!есБпо1оду апб Вюепдшеегшд. 34. 6. 774-784; (νί) ί. Б. Уеда, е! а1. (1990). Эемдп оГ Вюгеас!огк Гог Соа1 Буп!Беык Оак Регтеп(аБопк. Кекоигсек, СопкегуаБоп апб КесусБпд. 3. 149-160; содержание всех из которых включено в настоящую заявку посредством ссылок.

Ферментацию можно проводить в любых подходящих биореакторах, таких как один или более реактор с непрерывным перемешиванием среды (СБТК), реактор(ы) с иммобилизованными клетками, газлифтный(е) реактор(ы), барботажный(е) колоночный(е) реактор(ы) (ВСК), мембранный(е) реактор(ы), такой(ие) как мембранный биореактор с системой полых волокон (НРМВК), или реактор(ы) с орошаемым слоем. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения биореактор(ы) может(могут) содержать первый реактор для роста, в котором проводят культивирование микроорганизмов, и второй реактор ферментации, в который подают ферментационный бульон из реактора для роста, и в котором получают большую часть продуктов ферментации. В отдельных вариантах реализации второй биореактор отличается от первого биореактора.

Согласно различным вариантам реализации изобретения источник углерода для реакции ферментации представляет собой газовый субстрат, содержащий СО. Субстрат может представлять собой отходящий газ, содержащий СО, полученный в качестве побочного продукта промышленного процесса или из другого источника, такого как автомобильные выхлопные газы. В отдельных вариантах реализации промышленный процесс выбран из группы, состоящей из производства продуктов из металлического железа, например, на сталелитейных заводах, производства продуктов из цветных металлов, процессов очистки нефти, газификации угля, получения электроэнергии, получения сажи, получения аммиака, получения метанола и производства кокса. В указанных вариантах реализации субстрат, содержащий СО, можно улавливать в промышленном процессе перед его выбросом в атмосферу при помощи любого традиционного способа. В зависимости от состава субстрата, содержащего СО, также может быть желательным проведение обработки для удаления любых нежелательных примесей, таких как частицы пыли, перед введением для ферментации. Например, газовый субстрат можно фильтровать или промывать при помощи известных способов.

В качестве альтернативы субстрат, содержащий СО, можно получать в результате газификации биомассы. Способ газификации включает неполное сгорание биомассы при ограниченном доступе воздуха или кислорода. Полученный газ, как правило, содержит, главным образом, СО и Н2 и минимальные объемные количества СО₂, метана, этилена и этана. Например, для получения газа, содержащего СО, подходящего для применения согласно настоящему изобретению, можно проводить газификацию побочных продуктов биомассы, полученных в результате экстракции и переработки продуктов питания, таких как сахар из сахарного тростника или крахмал из маиса или зерновых культур, или непищевых

- 13 029944

отходов биомассы, получаемых в лесной промышленности.

Субстрат, содержащий СО, как правило, имеет высокое содержание СО, такое как по меньшей мере от примерно 15 до 100% СО по объему, например от 20 до 100% СО по объему, от 43 до 95% СО по объему, от 75 до 95% СО по объему или от 80% до 90% СО по объему. В одном отдельном варианте реализации газовый субстрат содержит примерно 95% СО. Предполагается использование и более низкого уровня СО, такого как 6%, если субстрат также содержит СО₂ и Н₂. В других вариантах реализации поток субстрата содержит Н₂ в концентрации от 2% до 13%.

Несмотря на то что субстрат необязательно должен содержать водород, наличие Н₂ не влияет отрицательным образом на образование продукта согласно способам согласно настоящему изобретению. В отдельных вариантах реализации наличие водорода приводит к увеличению общей эффективности получения спирта. Например, в отдельных вариантах реализации субстрат может иметь отношение Н2:СО, составляющее примерно 2:1 или 1:1 или 1:2. В других вариантах реализации поток субстрата содержит Н₂ в концентрации от 2% до 13%. В других вариантах реализации поток субстрата имеет более низкую концентрацию Н₂, 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, такое как от примерно 1% до примерно 80% СО₂ по объему или от 1% до примерно 30% СО₂ по объему. В отдельных вариантах реализации поток субстрата содержит СО₂ и не содержит или содержит минимальное количество СО.

Как правило, монооксид углерода добавляют в реакцию ферментации в газообразном состоянии. Тем не менее, способы согласно настоящему изобретению не ограничены добавлением субстрата в указанном состоянии. Например, монооксид углерода может быть обеспечен в виде жидкости. Например, жидкость можно насыщать газом, содержащим монооксид углерода, и указанную жидкость добавляют в биореактор. Это можно осуществлять при помощи стандартных методик. Например, для этого можно использовать генератор микропузырьковых дисперсий (Неикткак с1 а1. 5>са1с-1ф о£ ткгоЪиЪЫе άίδρβΓδίοη деиегаФг £ог аегоЫс ГегтеШабоп; Аццбеб ВюсНеттгу апб В1о1есНпо1оду Уо1ите 101, ЫитЪег 3 / Ос1оЪег. 2002).

Следует понимать, что для роста бактерий и прохождения ферментации СО в продукт, помимо газового субстрата, содержащего СО, в биореактор необходимо подавать подходящую жидкую питательную среду. Питательная среда содержит витамины и минералы, достаточные для обеспечения роста используемого микроорганизма. Анаэробные среды, подходящие для ферментации этанола с использованием СО в качестве единственного источника углерода, известны в уровне техники. Например, подходящие среды описаны в патентах США № 5173429 и 5593886, а также 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, ссылки на которые приведены выше.

Ферментацию желательно проводить в условиях, подходящих для прохождения желаемой ферментации (например, для роста микроорганизмов и/или получения этанола). Реакционные условия, которые следует принимать во внимание, включают давление, температуру, расход газа, расход жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (если используют реактор с непрерывным перемешиванием среды), уровень инокулята, максимальную концентрацию газового субстрата для обеспечения того, чтобы содержание СО в жидкой фазе не становилось предельным, и максимальные концентрации продукта для предотвращения ингибирования получения продукта. Подходящие условия описаны в АО 02/08438, АО 07/117157, АО 08/115080 и АО 2009/022925.

Подразумевается, что изобретение может включать систему или способ с использованием контролирующих средств и технологических средств, при помощи которых можно контролировать параметры, включая скорость подачи сред, время удерживания жидкости и скорость подачи субстрата, согласно настоящему изобретению и способам, известным в данной области техники, таким как способы, описанные в АО 2010/093262, содержание которой включено в настоящую заявку во всей полноте посредством ссылки.

Оптимальные реакционные условия отчасти зависят от конкретного используемого микроорганизма. Тем не менее в целом предпочтительно проводить ферментацию под более высоким давлением по сравнению с давлением окружающей среды.

Эксплуатация при повышенном давлении позволяет значительно увеличивать скорость переноса СО из газовой фазы в жидкую фазу, где его могут поглощать микроорганизмы в качестве единственного источника углерода для выработки этанола. В свою очередь это означает, что при поддержании биореакторов при повышенном, а не атмосферном, давлении можно уменьшать время удерживания (определенное как объем жидкости в биореакторе, отнесенный к скорости подаваемого газового потока).

Кроме того, так как данная скорость конверсии СО в этанол отчасти зависит от времени удерживания субстрата, а достижение желаемого времени удерживания в свою очередь определяет требуемый объем биореактора, то использование систем под давлением может значительно уменьшать требуемый объем биореактора, а следовательно капитальные затраты на оборудование для ферментации. Согласно примерам, приведенным в патенте США № 5593886, объем реактора можно уменьшать пропорционально увеличению рабочего давления в реакторе, т.е. требуемый объем реакторов, эксплуатируемых под

- 14 029944

давлением 10 атм, составляет одну десятую от объема реакторов, эксплуатируемых под давлением в 1 атм.

Преимущества проведения ферментации газа в этанол при повышенном давлении были описаны и в других работах. Например, в \УО 02/08438 описаны способы ферментации газа в этанол, проводимые под давлением примерно 207 кПа изб. (30 ρδί§) и примерно 517 кПа изб. (75 ρδί§), с производительностью этанола 150 г/л/день и 369 г/л/день, соответственно. Тем не менее, было обнаружено, что при помощи предложенных способов ферментации, которые проводили с использованием схожей среды и состава подаваемого газа при атмосферном давлении, получали от 10 до 20 раз меньше этанола на литр в день.

Также желательно, чтобы скорость введения газового субстрата, содержащего СО, была такой, чтобы концентрация СО в жидкой фазе не становилась предельной. Это объясняется тем, что условия с предельным содержанием СО могут приводить к увеличению получения уксусной кислоты и снижению получения этанола.

Примеры

Таблица 1

Состав среды

Компонент	Конечная концентрация мМ/л
КС1	25
СаС122Н2О	2
МдС126Н2О	2
1ЧаС1	2
Н3РО4	5
Раствор металлов [Таблица 2]	20 мл
Раствор витаминов |Таблица 3]	20 мл

Таблица 2

Раствор следовых металлов Металл Концентрация в

маточном растворе, мМ/л

РеС12-4Н2О	20
МпС12 4Н2О	0,4
СоС12 -6Н2О	1,0
ΖηΟΙ2	1.0
Н3ВО3	1,0
Νθ,ΜοΟ» -2Н2О	0,4
ΝίΟΙ2,6Н2О	0,4
ЧагЗеОз	0,4
Νθ2ννθ4 ·2Η2Ο	0,4

- 15 029944

Таблица 3

Раствор витаминов

Витамин Концентрация в

маточном растворе (ЮОх), мг/л

Гидрохлорид тиамина 50 (витамин В1)

Рибоавин (витамин В2) 50

Никотиновая кислота 50 (ниацин или витамин ВЗ)

Пантотеновая кислота 50 (витамин В5)

Гидрохлорид пиридоксина 10 (витамин В6)

Биотин (витамин В7) 20

Фолиевая кислота 20

(витамин В9)

4-аминобензойная кислота 50 (РАВА или витамин В10)

Цианокобаламин (витамин 50 В12)

Липоевая кислота 50

(тиоктовая кислота)

Пример 1. Ферментация для выделения продуктов ферментации.

Готовили среды, имевшие состав, описанный в табл. 1-3, объемом 1,5 л и добавляли 1,5 мл резазурина. Раствор нагревали и перемешивали, дегазируя Ν₂. Начинали по каплям со скоростью 0,1 мл/ч вводить АЫа₂8, температуру биореактора устанавливали на 37°С. рН доводили до 5,0 с использованием ΝΗ^Η, хром добавляли для изменения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) до -200 мВ. Затем в биореактор вводили КМС (43% СО, 20% СО₂, 2,5% Н₂ и 33% Ν₂) с расходом 50 мл/мин. Раствор инокулировали 150 мл культуры ОоЛпШит аФоеШаподепит в фазе активного роста. После перевода реактора в непрерывный режим также запускали процесс обновления клеток со скоростью разбавления бактерий 1,38 день^-1 и расходом среды 2,3 день^-1. Для максимизации концентрации продуктов увеличивали эксплуатационные значения скорости перемешивания (об/мин) и расхода газа (мл/мин). Ферментацию проводили в течение 8 дней. В табл. 4 показаны концентрации метаболитов в потоке жидкости, выходящем из биореактора.

Таблица 4

Концентрации метаболитов в выходящем потоке

Время (дни)	Ацетат, г/л	Этанол, г/л	2,3бутандиол (2,3-ΒϋΟ), г/л	Лактат, г/л	Биомасса, г/л
0,98	5,60	4,82	0,25	0,0	2,3
3,0	7,68	16,49	2,69	0,0	5,95
6,0	4,53	20,82	11,39	0,0	6,02

Пример 2. Выделение продуктов ферментации из ферментационного бульона Предварительная обработка потока бульона.

Для удаления твердой биомассы/бактерий из раствора использовали 0,1 мкм керамический мембранный фильтр с перекрестным током (картриджного типа для микрофильтрации СЕ НеаКйсате Ы£е 8с1епсе8 Хатр1ег). После фильтрования растворимая биомасса оставалась в растворе, и ее количество необходимо было минимизировать для надлежащей эксплуатации модуля ПДС.

Проводили исследование 19 мл предколонки, содержащей активированный уголь, для определения емкости удаления оставшейся биомассы и растворимых белков из потока перед ее исследованием в блоке ПДС. Измеряли концентрацию белков в растворе до ввода в колонку и после выхода из колонки с использованием анализа ВСА, распределение белков по размерам до ввода и после выхода из предколонки оценивали при помощи электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН-ПААГ). Перед пропусканием через предколонку концентрация белков составляла примерно 1000 мкг/мл, а измеренный размер белков составлял 200, 70, 40, 30 и менее 2 кДа. Обнаружили, что в предколонке происходило удаление 80% растворимых белков из раствора, а размер оставшихся белков

- 16 029944

составлял менее 2 кДа.

По оценкам, подложка предколонки адсорбировала 4 г белков и другой растворимой биомассы, такой как ДНК и ферменты. Для десорбции белков из слоя адсорбента использовали пять колоночных объемов метанола, из слоя адсорбента удаляли примерно 3,7 г белков. Для десорбции ДНК из слоя адсорбента до достижения полного отсутствия ДНК в элюате использовали промывку водой.

Выделение продукта.

Исследовали 8-колоночный модуль ПДС, содержащий твердую фазу фторированного активированного угля, с использованием метанола в качестве растворителя для выделения этанола, 2,3-бутандиола и уксусной кислоты из продукта ферментации, обработанного так, как описано выше. Поток содержал 5% этанола, 1% 2,3-бутандиола, 0,8% уксусной кислоты/ацетата, а остаток составляли вода, соли и металлы, содержащиеся в среде в процессе ферментации. Для определения состава каждого потока на выходе из модуля ПДС использовали способы ВЭЖХ.

Расход подаваемого раствора составлял 11 мл/мин, и расход десорбента составлял 11 мл/мин. Время проведения стадии составляло 12 минут, систему эксплуатировали при температуре 75°С. Скорость потока экстракта оптимизировали для обеспечения максимального качества экстракции, т.е. для достижения минимального содержания воды. 95,7% этанола и 94,7% 2,3-бутандиола из входящего потока удаляли из модуля ПДС с потоком экстракта. 41,7% уксусной кислоты/ацетата выходили с экстрактом в виде уксусной кислоты, в состав экстракта входило 0,3% воды из входящего потока. Для получения потоков, подходящих для повторного использования, требующих минимальной обработки, получали три потока рафината (первичный рафинат, вторичный рафинат Ι и вторичный рафинат ΙΙ). Скорости указанных потоков рафинатов оптимизировали для получения потоков, содержащих минимальные количества метаболитов; оптимизированные скорости потоков первичного рафината, вторичного рафината Ι и вторичного рафината II составляли 5,8 мл/мин, 7,5 мл/мин и 3,3 мл/мин, соответственно. Первичный поток рафината содержал 4,3% от поступающего этанола, 5,3% от поступающего 2,3-бутандиола и 57,9% от поступающей воды. Первичный поток рафината содержал 33,3% от поступающей уксусной кислоты/ацетата в форме ацетата. Вторичный рафинат I содержал 40,7% от поступающей воды и оставшиеся 25% от уксусной кислоты/ацетата, входящих в состав поступающего потока, в форме ацетата. Вторичный рафинат II содержал 0,1% от поступающей воды. 41,7% метанола, используемого в качестве десорбента, содержалось в потоке экстракта, 30,7% - во вторичном рафинате I и 28,5% во вторичном рафинате

II.

Контролирование рН.

С учетом того, что уксусная кислота/ацетат могут выходить из модуля ПДС с потоками экстракта или рафината в зависимости от формы, путем регулировки рН раствора перед подачей раствора в модуль ПДС можно влиять на ее направление. При рН примерно 5 содержание ацетата будет несколько выше содержания уксусной кислоты (рКа уксусной кислоты составляет 4,74). Для обеспечения выхода уксусной кислоты из модуля ПДС в виде ацетата требуется нейтрализация раствора; увеличение рН раствора до 7 или 8 значительно снижает количество уксусной кислоты в растворе. Нейтрализацию проводили путем добавления гидроксида натрия для получения ацетата натрия. Для вывода уксусной кислоты в форме кислоты требуется подкисление до рН примерно 2, которое можно проводить путем добавления кислоты.

Изобретение описано в настоящем патенте со ссылками на отдельные предпочтительные варианты реализации для того, чтобы позволить читателю осуществить настоящее изобретение, не проводя лишние экспериментальные исследования. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что можно легко проводить изменения и модификации, отличающиеся от тех, что описаны отдельно. Следует понимать, что изобретение включает все указанные изменения и модификации. Кроме того, для упрощения понимания настоящего документа читателем приведены заголовки, заглавия и т.д., которые не следует рассматривать как ограничивающие объем настоящего изобретения. Описание всех заявок на патент, патентов и публикаций, приведенных выше и далее, включено в настоящую заявку во всей полноте посредством ссылок.

Более конкретно, как будет понятно специалистам в данной области техники, применение вариантов реализации изобретения может включать один или более дополнительных элементов. В конкретном примере или в описании могут быть показаны только те элементы, которые являются необходимыми для понимания различных аспектов изобретения. Тем не менее, объем изобретения не ограничен описанными вариантами реализации и включает системы и/или способы, включающие одну или более дополнительных стадий и/или одну или более замещающих стадий, и/или системы и/или способы, в которых отсутствуют одна или более стадий.

Ссылки на уровень техники, приведенные в настоящем описании, не рассматривают, и не следует рассматривать, как подтверждение или то или иное предположение о том, что уровень техники входит в систему общих знаний в данной области техники, известный специалистам в какой-либо стране.

В настоящем описании и последующей формуле изобретения, если контекст явным образом не требует иного, слова "содержит", "содержащий" и т.д. следует рассматривать как открытые термины, но не исключающие термины, т.е. в смысле "включая, но не ограничиваясь ими".

- 17 029944

Claims (16)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ получения и выделения этанола и 2,3-бутандиола из смеси продуктов ферментации в ферментационном бульоне, включающий:

   a) ферментацию газового субстрата в биореакторе, содержащем культуру по меньшей мере одного микроорганизма, с получением ферментационного бульона, содержащего смесь продуктов ферментации, где указанная смесь содержит этанол и 2,3-бутандиол;

   b) подачу ферментационного бульона в модуль обработки, где часть биомассы и растворимых белков удаляют с обеспечением потока обработанного бульона;

   c) подачу части потока обработанного бульона в модуль с псевдодвижущимся слоем (ПДС), содержащий по меньшей мере один адсорбент;

   б) адсорбцию части этанола и 2,3-бутандиола указанным адсорбентом и получение потока рафината, содержащего неадсорбированные компоненты потока обработанного бульона;

   е) десорбцию этанола и 2,3-бутандиола из адсорбента для получения потока продукта;

   ί) подачу потока продукта для выделения потока с получением потока этанола и потока 2,3бутандиола и

   д) подачу части потока рафината обратно в реактор.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуль обработки содержит модуль тепловой обработки и/или модуль фильтрования.
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть биомассы и/или растворимых белков, удаленных из ферментационного бульона в модуле обработки, возвращают в биореактор.
4. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь продуктов ферментации дополнительно содержит уксусную кислоту.
5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что адсорбент выбран из группы, состоящей из фторированного углерода, активированного угля и силикагеля, модифицированного С18-группами.
6. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что десорбент выбран из группы, состоящей из этанола, метанола, пропанола и метил-трет-бутилового эфира.
7. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток продукта содержит воду в концентрации менее 5% по объему.
8. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что рафинат содержит этанол в концентрации менее 5% по объему.
9. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что микроорганизм выбран из рода, состоящего из Мооге11а, С1о51г1б1а. Китшососсик, АсеЮЬасЮгшт. ЕиЪайегшт, Ви1упЬас1епит. О\оЬас1ег. МеШапокагапа, ЭекиЕ £о1отаси1ит и их смесей.
10. 10. Способ получения и выделения по меньшей мере одного продукта ферментации из ферментационного бульона, включающий:

    a) ферментацию газового субстрата в биореакторе, содержащем культуру по меньшей мере одного микроорганизма, с получением ферментационного бульона, содержащего один или более продукт ферментации, выбранный из группы, состоящей из этанола, уксусной кислоты, 2,3-бутандиола, бутанола, изопропанола и ацетона;

    b) подачу ферментационного бульона в модуль обработки, где часть биомассы и растворимых белков удаляют с обеспечением потока обработанного бульона;

    c) подачу части потока обработанного бульона в модуль с псевдодвижущимся слоем (ПДС), содержащий по меньшей мере один адсорбент;

    б) адсорбцию по меньшей мере одного продукта ферментации указанным адсорбентом и получение потока рафината, содержащего неадсорбированные компоненты потока обработанного бульона;

    е) десорбцию по меньшей мере одного продукта из адсорбента с получением потока продукта и ί) подачу части потока рафината обратно в биореактор.
11. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что модуль обработки содержит модуль тепловой обработки и/или модуль фильтрования.
12. 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что часть биомассы и/или растворимых белков, удаленных из ферментационного бульона в модуле обработки, возвращают в биореактор.
13. 13. Способ по п.10, отличающийся тем, что адсорбент выбран из группы, состоящей из фторированного углерода, активированного угля и силикагеля, модифицированного С18-группами.
14. 14. Способ по п.10, отличающийся тем, что десорбент выбран из группы, состоящей из этанола, метанола, пропанола и метил-трет-бутилового эфира.
15. 15. Способ по п.10, отличающийся тем, что поток продукта содержит воду в концентрации менее 5% по объему.
16. 16. Способ по п.10, отличающийся тем, что микроорганизм выбран из рода, состоящего из Мооге11а, С1о51г1б1а. Китшососсик, АсеЮЬасЮгшт. ЕиЪайегшт, Ви1упЬас1епит. О\оЬас1ег. Мебитокагста. ЭекиЕ £о!отаси1ит и их смесей.

    - 18 029944