EA030488B1 - Улучшенная ферментация газообразных субстратов - Google Patents

Улучшенная ферментация газообразных субстратов Download PDF

Info

Publication number
EA030488B1
EA030488B1 EA201690272A EA201690272A EA030488B1 EA 030488 B1 EA030488 B1 EA 030488B1 EA 201690272 A EA201690272 A EA 201690272A EA 201690272 A EA201690272 A EA 201690272A EA 030488 B1 EA030488 B1 EA 030488B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
fermentation
gas
section
fermentation broth
reactor
Prior art date
Application number
EA201690272A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201690272A1 (ru
Inventor
Сюелян Ли
Саймон Треветик
Бенджамин Джеймс Косси
Original Assignee
Ланцатек Нью Зилэнд Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ланцатек Нью Зилэнд Лимитед filed Critical Ланцатек Нью Зилэнд Лимитед
Publication of EA201690272A1 publication Critical patent/EA201690272A1/ru
Publication of EA030488B1 publication Critical patent/EA030488B1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/40—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/02—Percolation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/04—Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • C12M29/08—Air lift
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/02—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of foam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/065—Ethanol, i.e. non-beverage with microorganisms other than yeasts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/18—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic polyhydric
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/54—Acetic acid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

В изобретении представлена реакторная система для улучшения ферментации газообразного субстрата посредством введения вторичного контура в петлевой реактор с принудительной циркуляцией. Реактор содержит первичный контур, через который ферментативный бульон, содержащий газообразный субстрат, циркулирует через сектор восходящей трубы и секцию нисходящей трубы с помощью контурного насоса. После контурного насоса часть ферментативного бульона удаляют из секции нисходящей трубы и направляют в верхнюю часть реактора через вторичный контур. Кроме того, предложен способ улучшения массопереноса газообразного субстрата в ферментативный бульон в ферментационном сосуде, содержащем вторичный контур. Также описан способ уменьшения количества пены в свободном пространстве ферментационного сосуда, содержащего вторичный контур.

Description

изобретение относится к системам и способам улучшения реактора с внешним контуром и принудительной циркуляцией. В частности, в настоящем изобретении в реактор с внешним контуром и принудительной циркуляцией вводят вторичный контур, который регулирует объем задержки газа в реакторе и позволяет улучшить контроль пенообразования.
Уровень техники
Топлива и химические вещества, полученные из синтетического газа (синтез-газа) или COсодержащего промышленного отходящего газа, являются важнейшей альтернативой ископаемому топливу и полученным из него химическим веществам. Химическое каталитическое превращение указанных газов в топлива или химические вещества является дорогостоящим или коммерчески непривлекательным процессом. Напротив, биологическое превращение указанных газов в топлива и химические вещества (известное как ферментация газов) имеет несколько преимуществ по сравнению с каталитическими способами, включая более высокую специфичность, более высокие выходы, более низкие энергетические затраты и большую устойчивость к отравлению. Как известно, эффективность ферментации газов ограничена главным образом низкой скоростью массопереноса газ-жидкость вследствие плохой растворимости газообразных субстратов (например, СО и Н2) в жидкостях. Эффективность массопереноса, или объемную скорость массопереноса, выражают следующим образом:
dN , х
--Τ’ = - CA
Va dt L 4
βίΛί
где представляет собой скорость, с которой газообразный субстрат переходит в жидкую фазу; kLa представляет собой объемный коэффициент массопереноса, который включает коэффициент массопереноса из жидкой фазы kL и удельную площадь поверхности массопереноса, а С* представляет собой концентрацию насыщения газа в жидкости (т.е. растворимость), которая пропорциональна парциальному давлению газообразного субстрата, и CL представляет собой фактическую концентрацию газа в жидкости, разница между этими двумя параметрами, т.е. (C*-CL) представляет собой движущую силу массопереноса. В условиях ограничения переноса массы нетто, CL~0. VR представляет собой смачиваемый объем реактора и равен сумме объема газа и объем жидкости.
Таким образом, для улучшения эффективности массопереноса необходимо увеличить либо kL а, либо движущую силу. Движущую силу можно увеличить путем применения более высокого давления; однако такие способы являются высокозатратными, так как требуется сжатие газа. Как правило, более предпочтительно повышение kL и/или а. Тогда как kL представляет собой внутреннее свойство жидкости и газа, что означает, что этот параметр с трудом поддается изменению, а имеет простую связь с объемом задержки газа, εο, и средним радиусом пузырьков, гь, причем обоими этими параметрами можно легко манипулировать. Указанную связь можно отобразить следующим образом:
Згс
CL· = Приведенное выше уравнение указывает, что удельную площадь массопереноса можно увеличить за счет повышения объема задержки газа εο или уменьшения размера пузырьков гь или путем комбинации и того, и другого. К сожалению, большинство указанных способов обычно приводит к образованию большого количества пены, которая может засорять трубопроводы, проходящие после биореактора. Таким образом, при применении мер для повышения площади поверхности массопереноса особое внимание следует уделять контролю пенообразования.
Как правило, для ферментации газов требуется высокая скорость массопереноса. Однако такой процесс может страдать от субстратного ингибирования, если скорость массопереноса выше максимальной скорости реакции, которую могут обеспечить микробы. Например, высокая концентрация растворенного CO приводит к медленному росту микробов и медленному поглощению Н2, и при сохранении таких условий в течение длительного периода времени культура может медленно погибать (Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations, J.L. Vega, E.C. Clausen and J.L. Gaddy, 1990, Resources, Conservation and Recycling, vol. 3, pages 149-160; Effect of CO partial pressure on cell-recycled continuous CO fermentation by Eubacterium limosum KIST612, I.S. Chang, B.H. Kim, R.W. Lovitt, J.S. Bang, 2001, Process Biochemistry, vol 37, page 411-421). Такие условия "переизбытка" могут иметь место, в целом, в небольшом реакторе с хорошим перемешиванием, но также могут встречаться в определенном месте в большом реакторе, в котором имеется высокая локальная концентрация растворенного CO, как правило, в нижней части, куда вводят газ и где парциальное давление CO является высоким. Таким образом, промышленный реактор для ферментации газов нуждается в обеспечении высокой скорости массопереноса газа в жидкость и также должен обладать гибкостью для возможности регулирования скорости массопереноса при необходимости. Кроме того, требуется эффективный контроль пенообразования.
При стендовых испытаниях ферментацию газов обычно проводят в реакторах с постоянным перемешиванием (CSTR). Однако указанные реакторы не подходят для промышленного применения вследст- 1 030488
вие высокого потребления энергии и других проблем. Вместо этого для промышленной ферментации газов можно использовать барботажные колонны с внутренним или внешним контуром или без применения указанных контуров. Реакторы с внешним контуром и принудительной циркуляцией относятся к типу барботажного колоночного реактора, в котором жидкость вынуждают циркулировать между основной колонной (восходящей трубой) и внешним контуром (нисходящей трубой) под действием насоса, называемого в настоящем документе контурным насосом.
В известных конфигурациях петлевого реактора с принудительной циркуляцией скорость контурного насоса оказывает два основных воздействия на гидродинамику и массоперенос системы: (а) увеличение скорости контурного насоса усиливает унос газа из восходящей трубы в нисходящую трубу, что обычно приводит к увеличению объема задержки газа в восходящей трубе и нисходящей трубе, и, таким образом, улучшает массоперенос; (Ь) увеличение скорости контурного насоса повышает скорость жидкости в восходящей трубе, что обычно приводит к быстрому вымыванию пузырьков газа в восходящей трубе и уменьшает объем задержки и время пребывания газа. Наоборот, при уменьшении скорости контурного насоса пузырьки газа в восходящей трубе могут оставаться в течение более длительного периода времени, но унос газа в нисходящую трубу будет, по существу, меньше, что может привести к снижению скорости реакции в нисходящей трубе и уменьшению общей производительности реактора. Кроме того, так как газ, введенный в нижнюю часть восходящей трубы, имеет высокое содержание СО, низкая скорость контурного насоса в глубоком реакторе усиливает субстратное ингибирование.
Таким образом, контурный насос является неэффективным с точки зрения регулирования массопереноса вследствие его конкурирующих воздействий на унос газа и скорость жидкости в восходящей трубе. Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении средства устранения взаимосвязи двух конкурирующих эффектов контурного насоса и обеспечении более эффективного регулирования массопереноса в указанном реакторе, а также в усилении контроля пенообразования и обеспечении более низкого суммарного потребления энергии. Кроме того, настоящее изобретение позволяет преодолеть недостатки, известные в данной области техники, и предоставляет общественности новые оптимальные способы получения различных полезных продуктов. Даже незначительные улучшения процесса ферментации газа или системы для получения одного или более продуктов могут оказать значительное влияние на эффективность и, более конкретно, коммерческую жизнеспособность, такого процесса или системы.
Краткое описание изобретения
Согласно первому аспекту предложена реакторная система для ферментации газообразного субстрата, содержащая:
(a) ферментационный сосуд, содержащий секцию восходящей трубы, в которой жидкий ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в восходящем направлении, и секцию нисходящей трубы, в которой жидкий ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в нисходящем направлении, при этом указанные секции восходящей трубы и нисходящей трубы соединены с помощью, по существу, горизонтальных секций и выполнены с возможностью циркулирования в первичном контуре жидкого ферментативного бульона и газообразного субстрата с помощью насосной установки из места вблизи нижней части секции нисходящей трубы через восходящую трубу к месту входа в верхнюю часть секции нисходящей трубы;
(b) вторичный контур, содержащий выпускное отверстие, расположенное в месте вблизи нижней части секции восходящей трубы, систему труб, связывающую выпускное отверстие из нижней части восходящей трубы с впускным отверстием в верхней части восходящей трубы, и насосную установку, расположенную между указанными местом выхода и местом входа, так что ферментативный бульон и газообразный субстрат циркулируют из нижней части нисходящей трубы в верхнюю часть секции восходящей трубы
(c) по меньшей мере одно газовпускное отверстие, выполненное с возможностью направления газообразного субстрата в секцию восходящей трубы; и
(d) по меньшей мере одно газовыпускное отверстие, выполненное с возможностью выхода газа из секции восходящей трубы.
Согласно конкретным вариантам реализации первого аспекта биореактор выполнен с возможностью ферментации газообразного субстрата с получением продуктов, содержащих по меньшей мере одну кислоту, или спирт, или их смесь. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения газообразный субстрат содержит СО и необязательно Н2. Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения газообразный субстрат содержит СО2 и Н2.
Согласно конкретным вариантам реализации первого аспекта реактор содержит первичный контур, который сам состоит из секции восходящей трубы и секции нисходящей трубы, и вторичный контур. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения вторичный контур удаляет ферментативный бульон из секции нисходящей трубы ферментационного сосуда. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения вторичный контур удаляет ферментативный бульон на участке, расположенном после первичного контурного насоса. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения ферментативный бульон удаляют на участке, расположенном после первичного контурного насоса, с помощью вторичного насоса.
- 2 030488
Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения секция нисходящей трубы ферментационного сосуда содержит запорный клапан, расположенный перед выпускным отверстием вторичного контура. Согласно такому варианту реализации изобретения ферментативный бульон можно отвести из нисходящей трубы во вторичный контур путем ограничения потока из первичного контура с помощью запорного клапана. Для обеспечения требуемой скорости потока во вторичном контуре можно регулировать давление на участке после контурного насоса, но перед запорным клапаном путем регулирования открывания запорного клапана. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения давление в нисходящей трубе контролируют с помощью манометра. Такая конфигурация устраняет необходимость применения вторичного контурного насоса.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения ферментативный бульон, удаленный из секции нисходящей трубы, циркулирует через вторичный контур в верхнюю часть ферментационного сосуда. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения ферментативный бульон и газообразный субстрат циркулируют через вторичный контур из нижней части секции нисходящей трубы в верхнюю часть секции восходящей трубы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения ферментативный бульон выходит из вторичного контура по меньшей мере из одной насадки в верхней части ферментационного сосуда. При применении по меньшей мере одна насадка распыляет циркулирующий ферментативный бульон в свободное пространство ферментационного сосуда. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения циркулирующий ферментативный бульон распыляют в свободное пространство с помощью нескольких насадок. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения по меньшей мере одна насадка представляет собой разбрызгивающую головку. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения скорость струи жидкости или струй, выходящих из насадки или насадок, может меняться от примерно 0,5 м/с или до примерно 5 м/с. При применении струя или струи жидкости покрывают по меньшей мере часть площади поперечного сечения свободного пространства. При типичных условиях ферментации в свободном пространстве ферментационного сосуда имеется слой пены. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения циркулирующий ферментативный бульон распыляют в свободное пространство для разрушения более крупных пузырьков и образования пены. Такой процесс приводит к образованию более мелких пузырьков, которые более эффективно увлекаются в секцию нисходящей трубы, что приводит к повышению объема задержки газа в секции нисходящей трубы.
Согласно конкретному варианту реализации изобретения вторичный контур интегрирован с системой рециркуляции клеток. Согласно такому варианту реализации изобретения движущая сила для вторичного контура возникает в результате работы насоса для рециркуляции клеток. Согласно конкретному варианту реализации изобретения ферментативный бульон отводят во вторичный контур, расположенный после модуля рециркуляции клеток. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения скорость потока во вторичном контуре и давление системы рециркуляции клеток регулируют с применением по меньшей мере одного регулирующего клапана, расположенного перед модулем рециркуляции клеток.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ улучшения массопереноса газообразного субстрата в ферментативный бульон в ферментационном сосуде, содержащем секцию восходящей трубы, в которой жидкий ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в восходящем направлении, и секцию нисходящей трубы, в которой жидкий ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в нисходящем направлении, включающий:
(a) подачу газообразного субстрата в ферментационный сосуд, содержащий жидкую питательную среду и один или более микроорганизмов;
(b) ферментирование газообразного субстрата с получением ферментативного бульона;
(c) циркулирование ферментативного бульона и газообразного субстрата одновременно в восходящем направлении через секцию восходящей трубы и одновременно в нисходящем направлении через секцию нисходящей трубы ферментационного сосуда; и
(d) удаление по меньшей мере части ферментативного бульона из нижней части секции нисходящей трубы и циркулирование в верхнюю часть секции восходящей трубы через вторичный контур, при этом ферментативный бульон поступает в верхнюю часть секции восходящей трубы через по меньшей мере одну насадку.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ уменьшения количества пены в свободном пространстве ферментационного сосуда, содержащего секцию восходящей трубы, в которой жидкий ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в восходящем направлении, и секцию нисходящей трубы, в которой жидкий ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в нисходящем направлении, включающий:
(a) подачу газообразного субстрата в ферментационный сосуд, содержащий жидкую питательную среду и один или более микроорганизмов;
(b) ферментирование газообразного субстрата с получением ферментативного бульона и пены, присутствующей в свободном пространстве ферментационного сосуда;
- 3 030488
(c) удаление ферментативного бульона из секции нисходящей трубы ферментационного сосуда; и
(d) циркулирование ферментативного бульона в верхнюю часть секции восходящей трубы через вторичный контур, при этом ферментативный бульон поступает в свободное пространство через по меньшей мере одну насадку;
при этом ферментативный бульон, поступающий в свободное пространство, уменьшает количество пены, присутствующее внутри ферментационного сосуда.
Согласно четвертому аспекту предложен способ получения продуктов посредством ферментации газообразного субстрата, включающий:
(a) подачу газообразного субстрата в реактор, содержащий по меньшей мере секцию восходящей трубы и секцию нисходящей трубы, при этом указанный реактор содержит жидкую питательную среду и культуру одного или более микроорганизмов для получения ферментативного бульона;
(b) одновременное циркулирование ферментативного бульона и газообразного субстрата в восходящем направлении через секцию восходящей трубы и затем в нисходящем направлении через секцию нисходящей трубы;
(c) удаление по меньшей мере части ферментативного бульона из секции нисходящей трубы и прохождение его в верхнюю часть секции восходящей трубы; и
(d) анаэробное ферментирование культуры в реакторе с получением одного или более продуктов из указанного субстрата.
Согласно конкретным вариантам реализации второго, третьего и четвертого аспектов реактор скомпонован, как описано в первом аспекте. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения указанный предложенный способ позволяет увеличить массоперенос газа в жидкую фазу в процессе ферментации газов. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения введение вторичного контура в циркуляционный петлевой реактор, по существу, увеличивает массоперенос.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения ферментативный бульон и газообразный субстрат циркулируют через секцию восходящей трубы и секцию нисходящей трубы циркуляционного петлевого реактора. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения газовый поток вводят в нижнюю часть секции восходящей трубы реактора. Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения газ вводят в несколько мест по всей секции восходящей трубы реактора. Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения газ вводят в несколько мест по всей секции нисходящей трубы реактора.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения часть ферментативного бульона удаляют из места вблизи нижней части секции нисходящей трубы реактора и циркулируют в свободное пространство секции восходящей трубы реактора. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения часть ферментативного бульона, удаленного из нисходящей трубы, распыляют в свободное пространство восходящей трубы через разбрызгивающую головку или перфорированную насадку. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения жидкость, распыляемая в свободном пространстве, уменьшает слой пены, расположенный поверх жидкости, содержащейся в восходящей трубе. Согласно дополнительным вариантам реализации изобретения жидкость, распыляемая в свободном пространстве, разбивает пузырьки пены и увлекает газ в ферментативный бульон, находящийся в первичном контуре реактора. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения один или более микроорганизмов ферментируют углеродсодержащий субстрат с получением продуктов, включающих кислоту(ы) и спирт(ы). Согласно конкретным вариантам реализации изобретения один или более микроорганизмов продуцируют один или более продуктов посредством ферментации газообразного субстрата, содержащего СО. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения ферментация представляет собой анаэробную ферментацию. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения одна или более культур микроорганизмов превращают СО и необязательно Н2 в продукты, в том числе кислоту(ы) и/или спирт(ы). Согласно конкретным вариантам реализации изобретения продукты выбраны из группы, состоящей из этанола, уксусной кислоты, 2,3-бутандиола, бутанола, лактата, сукцината, метилэтилкетона (МЕК), пропандиола, 2пропанола, изопропанола, ацетоина, изобутанола, цитрамалата, бутадиена, полимолочной кислоты, изобутилена, 3-гидроксипропионата (ЗНР), ацетона, жирных кислот и их смесей. Согласно различным вариантам реализации изобретения ферментацию осуществляют с применением культуры микроорганизмов, содержащей один или более штаммов карбоксидотрофных бактерий. Согласно различным вариантам реализации изобретения карбоксидотрофную бактерию выбирают из Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium или Butryribacterium. Согласно одному из вариантов реализации изобретения карбоксидотрофная бактерия представляет собой Clostridium autoethanogenum. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения указанная бактерия имеет отличительные характеристики бактерии под учетном номером DSMZ10061 или DSMZ23693.
Г азообразный субстрат может содержать газ, полученный в промышленном процессе в виде побочного продукта. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения промышленный процесс выбирают из группы, состоящей из производства продуктов черной металлургии, производства продуктов цветной металлургии, процессов очистки, процессов нефтепереработки, газификации биомассы, газификации угля, производства электроэнергии, производства черного углерода, производства аммиака, произ- 4 030488
водства метанола и производства кокса. Альтернативно, газообразный субстрат представляет собой источник реформированного газа, включающий природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ и биогаз. Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения газ получают путем газификации биомассы или твердых бытовых отходов. Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения газообразный субстрат представляет собой синтез-газ. Согласно одному из вариантов реализации изобретения газообразный субстрат содержит газ, полученный из сталелитейного завода.
Настоящее изобретение также включает части, элементы и признаки, упоминаемые или указанные при описании настоящей заявки, по отдельности или все вместе, в любой или во всех комбинациях двух или более из указанных частей, элементов или признаков, и при упоминании в настоящем документе конкретных целых чисел, которые имеют известные эквиваленты в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение, подразумевают, что такие известные эквиваленты включены в настоящий документ, как если бы были описаны по отдельности.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет теперь описано подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
на фиг. 1 показана блок-схема одного из вариантов реализации циркуляционного петлевого реактора, содержащего вторичный контур,
на фиг. 2 показана блок-схема альтернативного варианта реализации циркуляционного петлевого реактора, содержащего запорный клапан, устраняющий необходимость применения вторичного насоса,
на фиг. 3 показана блок-схема альтернативного варианта реализации циркуляционного петлевого реактора, содержащего встроенную систему рециркуляции клеток, устраняющую необходимость применения вторичного насоса,
фиг. 5 представляет собой график, отображающий влияние скорости потока во вторичном контуре на объем задержки газа в восходящей трубе на основе экспериментальных результатов, полученных в реакторе высотой 6 м,
фиг. 6 представляет собой график, отображающий влияние вторичного контура на превращение СО на основе экспериментальных результатов, полученных в реакторе высотой 6 м,
фиг. 7 представляет собой график, отображающий влияние вторичного контура на объем задержки газа в восходящей трубе на основе экспериментальных результатов, полученных в реакторе высотой 3 м,
фиг. 8 представляет собой график, отображающий влияние скорости вторичного контурного насоса на объем задержки газа в восходящей трубе и нисходящей трубе на основе экспериментальных результатов, полученных в реакторе высотой 10 м,
фиг. 9 представляет собой график, отображающий влияние скорости вторичного контурного насоса на превращение СО на основе экспериментальных результатов, полученных в реакторе высотой 10 м.
Подробное описание изобретения
Определения.
Если не определено иначе, приведенные ниже термины, применяемые в описании настоящего изобретения, определены следующим образом.
Термин "газообразный субстрат" включает любой газ, который содержит соединение или элемент, используемый при ферментации микроорганизмом в качестве источника углерода и необязательно источника энергии. Как правило, газообразный субстрат будет содержать значительную долю СО, предпочтительно по меньшей мере от примерно 5 об.% до примерно 100 об.% СО.
Хотя нет необходимости в том, чтобы субстрат содержал какое-либо количество водорода, присутствие Н2 не должно оказывать вредное воздействие на образование продукта согласно способам, предложенным в настоящем изобретении. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения присутствие водорода приводит к улучшению общей эффективности продуцирования спирта. Например, согласно конкретным вариантам реализации изобретения соотношение Н2:СО в субстрате может составлять примерно 2:1, или 1:1, или 1:2. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения соотношение Н2:СО в субстрате может составлять от 2:1 до 1:2. Согласно одному из вариантов реализации изобретения субстрат содержит примерно 30 об.% или менее Н2, 20 об.% или менее Н2, примерно 15 об.% или менее Н2 или примерно 10 об.% или менее Н2. Согласно другим вариантам реализации изобретения поток субстрата содержит низкие концентрации Н2, например меньше 5%, или меньше 4%, или меньше 3%, или меньше 2%, или меньше 1%, или, по существу, не содержит водорода. Субстрат также может содержать некоторое количество СО2, например, такое как от примерно 1 об.% до примерно 80 об.% СО2 или от 1 об.% до примерно 30 об.% СО2. Согласно одному из вариантов реализации изобретения субстрат содержит меньше или примерно 20 об.% СО2. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения субстрат содержит меньше или примерно 15 об.% СО2, меньше или примерно 10 об.% СО2, меньше или примерно 5 об.% СО2 или, по существу, не содержит СО2.
Термин "жидкая питательная среда" включает жидкую среду, содержащую питательные вещества, подходящие для ферментации одного или более микроорганизмов. Жидкая питательная среда будет содержать витамины и/или минеральные вещества в количестве, достаточном для обеспечения роста применяемого микроорганизма(ов). В данной области техники известны анаэробные среды, подходящие для
- 5 030488
ферментации с применением СО. Например, подходящие среды описаны в Beibel (Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2001) 27, 18-2626).
Применяемый в настоящем документе термин "кислота" включает как карбоновые кислоты, так и связанный карбоксилатный анион, например смесь свободной уксусной кислоты и ацетата, присутствующая в ферментативном бульоне, как описано в настоящем документе. Соотношение молекулярной кислоты и карбоксилата в ферментативном бульоне зависит от pH системы. Кроме того, термин "ацетат" включает как ацетатную соль саму по себе, так и смесь молекулярной или свободной уксусной кислоты и ацетатной соли, например смесь ацетатной соли и свободной уксусной кислоты, присутствующей в ферментативном бульоне, как описано в настоящем документе.
Термины "ферментационный сосуд", "реактор" и/или "биореактор" включают устройства и сосуды для приведения газа/жидкости в контакт, подходящий для осуществления требуемой ферментации.
"Реактор с внешним контуром и принудительной циркуляцией" и/или "циркуляционный петлевой реактор" содержит сосуд, обычно содержащий два вертикальных цилиндра с горизонтальными соединениями между ними. Содержимое, которое обычно представляет собой жидкость плюс газовый субстрат, под действием крыльчатки или насоса подходящего типа вынуждают циркулировать в восходящем направлении из одного вертикального цилиндра (восходящей трубы) через горизонтальное соединение и далее в нисходящем направлении через другой вертикальный цилиндр (нисходящую трубу) и затем через нижнее горизонтальное соединение реактора для завершения контура.
Термин "восходящая труба" включает секцию реактора, в которой жидкое/газообразное содержание одновременно перемещается в восходящем направлении.
Термин "нисходящая труба" включает секцию реактора, в которой жидкое/газообразное содержание одновременно перемещается в нисходящем направлении.
Термин "сепаратор" включает часть реактора, в которой по меньшей мере часть газа отделяется от двухфазной смеси газ-жидкость за счет пузырьков, поднимающихся к поверхности жидкости.
"Свободное пространство" включает часть реактора, расположенную выше сепаратора, определенного ранее.
Термин "контурный насос" включает насос, который применяют для того, чтобы заставить жидкую среду проходить в реактор. Жидкая среда может содержать некоторую часть пузырьков газа или растворенный газ. Согласно конкретному варианту реализации изобретения контурный насос может включать аксиальный насос, установленный в нижней части нисходящей трубы.
Термин "барботер" и/или "газораспределитель" включает устройство для введения газа в жидкость для ее перемешивания или растворения газа в жидкости. Согласно конкретному варианту реализации изобретения барботер может представлять собой перфорированную пластину, спеченное стекло, спеченную сталь, трубку из пористой резины, трубку из пористого металла, пористую керамику или нержавеющую сталь.
Барботер может быть различных марок (т.е. иметь различные значения пористости) для обеспечения "пузырька" определенного размера.
Термин "насадка" и/или "разбрызгивающая головка" включает устройство, которое разделяет поток жидкости на несколько струй жидкости. Согласно конкретному варианту реализации изобретения такая насадка представляет собой перфорированную трубу с обращенными вниз порами.
В настоящем документе "пена" представляет собой массу пузырьков газа в матрице жидких пленок. Объемная доля газа в пене предпочтительно составляет более 70%.
"Превращение" субстрата представляет собой отношение субстрата, взаимодействующего в ходе реакции, к общему количеству субстрата, подаваемого в реактор.
Термин "объем задержки газа" включает объемную долю газа в двухфазной смеси газ-жидкость.
Термин "массоперенос", применяемый в настоящем документе, означает преимущественно перенос газообразных субстратов в жидкую среду, в которой находятся микроорганизмы.
Термин "эффективность массопереноса", "объемная эффективность массопереноса" и т.п. относится к скорости растворения газообразного субстрата в жидкой среде на единицу времени на единицу объема реактора.
Термины "увеличение эффективности", "повышенная эффективность" и т.п., применяемые в отношении процесса массопереноса, относятся к более высокой скорости растворения газообразного субстрата в жидкой среде.
Если контекст не требует иного, подразумевают, что применяемые в настоящем документе выражения "ферментирование", "процесс ферментации" или "реакция ферментации" и т.п. включают как фазу роста, так и фазу биосинтеза продукта указанного процесса.
Эффективная ферментация газообразных субстратов с получением продуктов требует регулирования количества субстрата, переносимого в ферментативный бульон для обеспечения высоких скоростей получения требуемых продуктов и предотвращения ингибирования. Кроме того, для максимизирования улавливания углерода количество субстрата, перенесенного в ферментативный бульон, вследствие чего его можно превратить в продукты с помощью одного или более микроорганизмов, следует поддерживать на высоком уровне. Кроме того, для поддержания общей эффективности субстрат следует переносить в
- 6 030488
раствор таким образом, чтобы подводимая мощность во всей системе была сведена к минимуму.
Согласно настоящему изобретению предложена система для улучшения ферментации газообразного субстрата путем введения вторичного контура в общепринятый реактор с внешним контуром и принудительной циркуляцией. Указанный реактор содержит первичный контур, через который ферментативный бульон, содержащий газообразный субстрат, циркулирует через сектор восходящей трубы и секцию нисходящей трубы под действием контурного насоса. После контурного насоса часть ферментативного бульона отводят из секции нисходящей трубы и направляют в верхнюю часть реактора через вторичный контур. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения часть ферментативного бульона, удаленную из первичного контура, распыляют из вторичного контура через насадку.
Основной ограничивающей скорость стадией при ферментации газов является массоперенос газа в жидкость. Известные средства увеличения массопереноса включают перемешивание смеси газа и жидкости, например механическое перемешивание бульона. Однако указанные известные способы увеличения массопереноса требуют большую подводимую мощность, что становится неэффективным и/или нерентабельным при увеличении масштаба.
Реактор согласно настоящему изобретению выполнен с возможностью значительного улучшения массопереноса газовой фазы в жидкую фазу. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения часть потока жидкости отводят из выходящего потока контурного насоса в секцию нисходящей трубы и, следовательно, объемная скорость потока жидкости в секции восходящей трубы меньше, чем скорость в секции нисходящей трубы. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения удаление части ферментативного бульона из секции нисходящей трубы приводит к увеличению объема задержки газа и массопереносу в секции восходящей трубы реактора.
Согласно конкретному варианту реализации устройства, предложенного в настоящем изобретении, реактор состоит из секции восходящей трубы и секции нисходящей трубы. Восходящая труба и нисходящая труба соединены на каждом конце с помощью двух горизонтальных секций с образованием первичного контура, и поток жидкости/газа вынуждают проходить через первичный контур, по меньшей мере, частично под действием насоса в нижней части нисходящей трубы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения газ вводят в систему через барботер подходящего типа. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения линия вторичного контура соединяет нижнюю часть нисходящей трубы и верхнюю часть реактора с образованием вторичного контура. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения линия вторичного контура соединена с нисходящей трубой на участке, расположенном после первичного контурного насоса, но до восходящей трубы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения линия вторичного контура позволяет удалить поток жидкости из выходящего потока контурного насоса с помощью вторичного насоса. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения жидкий поток проходит в верхнюю часть реактора через линию вторичного контура, где жидкость распыляют в свободное пространство реактора через по меньшей мере одну насадку. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения по меньшей мере одна насадка представляет собой разбрызгивающую головку.
Согласно вариантам реализации настоящего изобретения предложенная система находит применение при ферментации газообразных субстратов с получением одного или более продуктов, при этом указанные продукты включают кислоты, спирты и диолы. В частности, этанол, уксусную кислоту и 2,3бутандиол получают посредством ферментации газообразного субстрата, содержащего СО. Альтернативные продукты включают бутанол, лактат, сукцинат, метилэтилкетон (МЕК), пропандиол, 2-пропанол, изопропанол, ацетоин, изобутанол, цитрамалат, бутадиен, полимолочную кислоту, изобутилен, 3гидроксипропионат (ЗНР), ацетон, жирные кислоты и их смеси.
Как правило, свободное пространство секции восходящей трубы реактора содержит слой пены, образующийся в результате подъема газа и перемешивания бульона. Настоящее изобретение позволяет распылять ферментативный бульон, применяемый в процессе ферментации в реакторе, на слой пены, при этом указанное распыление оказывает влияния на разбивание крупных пузырьков газа с образованием пены. Более крупные пузырьки газа поднимаются через жидкость с более высокой скоростью и, следовательно, имеют более короткое время пребывания в восходящей трубе при более низком массопереносе содержащегося газа. За счет разрушения более крупных пузырьков газа более мелкие пузырьки уносятся обратно в секцию нисходящей трубы реактора, что обеспечивает дополнительную возможность массопереноса.
Согласно дополнительному варианту реализации изобретения ливневый дождь распыляют на слой пены в свободном пространстве для эффективного разрушения пены, чтобы указанная пена не накапливалась и не засоряла трубопроводы, проходящие после реактора. Согласно дополнительному варианту реализации изобретения ливневый дождь превращает слой пены в противоточный контактный фильтр газ-жидкость, в котором жидкость проходит в нисходящем направлении, а газ проходит в восходящем направлении. Эффективность массопереноса в таком противотоке сама по себе является высокой вследствие противоточного действия и высокого содержания газа. Хотя концентрация газообразного субстрата в газовой фазе может быть скудной, эта часть реактора будет способствовать поглощению значительного количества субстрата. При наличие флуктуации в подаче газа высоту пены в дальнейшем можно регули- 7 030488
ровать соответствующим образом для поддержания стабильной производительности.
Ферментацию можно осуществить в любом подходящем биореакторе, таком как реактор с иммобилизованными клетками, газлифтный реактор, барботажный колоночный реактор (BCR), мембранный реактор, такой как мембранный реактор с системой полых волокон (HFM BR), или реактор с орошаемым слоем (TBR). Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения биореактор может содержать первый реактор для культивирования, в котором культивируют микроорганизмы, и один или более промышленных ферментационных реакторов, расположенных последовательно или параллельно, в которые можно загрузить ферментативный бульон из реактора для культивирования и в которых можно получить большую часть продукта ферментации (например, этанол и ацетат). Биореактор согласно настоящему изобретению выполнен с возможностью приема субстрата, содержащего СО и/или Н2 или СО2 и/или Н2.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения газовпускное отверстие расположено в нижней части секции восходящей трубы реактора. Авторы изобретения установили, что избыточное количество СО на участке вблизи газовпускного отверстия (т.е. в нижней части восходящей трубы) приводит к ингибированию микроорганизма. Однако эту проблему неожиданно можно решить с помощью настоящего изобретения. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения газ, увлекаемый в свободное пространство секции восходящей трубы реактора, имеет более низкое содержание СО, чем свежий входящий газ в нижней части восходящей трубы. Когда увлеченный газ рано или поздно рециркулирует через нисходящую трубу и возвращается в нижнюю часть восходящей трубы, увлеченный газ смешивается со свежим входящим газом и уменьшает концентрацию растворенного СО в нижней части восходящей трубы, что фактически приводит к снижению возможности субстратного ингибирования и улучшению общего превращения СО. Эту же проблему также можно разрешить путем разделения подаваемого газа на более чем один потоки и введения их в несколько мест восходящей трубы и нисходящей трубы реактора. Однако последний способ не приводит к значительному улучшению превращения СО.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения скорость массопереноса газообразного субстрата в микробную культуру можно контролировать таким образом, чтобы микробную культуру подавали вместе с субстратом при оптимальной скорости подачи или при скорости, близкой к оптимальной. В указанных реакторах скорость массопереноса можно контролировать путем регулирования парциального давления газообразного субстрата и/или путем регулирования скорости потока жидкости или объема задержки газа. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения массоперенос контролируют путем регулирования скорости, с которой ферментативный бульон прокачивают через как первичный, так и вторичный контур реактора.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения свежий газ вводят в сосуд через одно или более газовпускных отверстий. Как правило, высокий массоперенос можно обеспечить путем введения газообразного субстрата в виде мелких пузырьков. Специалисты в данной области техники знают средства введения газообразного субстрата, такие как барботеры. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения газ вводят в сосуд с применением мелкопузырьковых диффузоров или другого типа мелкопузырьковых генераторов.
После рассмотрения настоящего описания специалисты в данной области техники поймут, какие размер и тип насосов необходимы для циркулирования ферментативного бульона, содержащего один или более микроорганизмов, как по первичному, так и вторичному контуру. Следует отметить, что чем более высокий объем задержки газа в жидкости, тем меньше плотность жидкости, поэтому насос должен быть выполнен с возможностью циркулирования жидкостей различных плотностей, так как состав суспензии газа/жидкости изменяется. В качестве неограничивающего примера можно использовать один или более мультифазных насосов, выполненных с возможностью закачивания суспензии ферментативного бульона/газа, для циркулирования однофазных жидкостей и увеличения выходного давления текучей среды. При применении вращающейся крыльчатки жидкость поступает в насос вдоль вращающегося вала двигателя, при этом происходит ускорение жидкости в радиальном направлении в сторону через камеру диффузора. Центробежные насосы также могут работать при более низких объемах задержки газа в двухфазном потоке без кавитации (известное слабое место центробежных насосов) за счет поддержания давления на входе насоса, достаточного для всасывания. Специалисты в данной области техники поймут, что имеются решения на основе мультифазных систем насосов, доступных для промышленных применений.
Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения секция нисходящей трубы ферментационного сосуда содержит запорный клапан, расположенный перед выпускным отверстием вторичного контура. Согласно такому варианту реализации изобретения ферментативный бульон можно отвести из нисходящей трубы во вторичный контур путем ограничения потока из первичного контура с помощью запорного клапана. Для обеспечения требуемой скорости потока во вторичном контуре давление на участке после контурного насоса, но перед запорным клапаном, можно регулировать путем регулирования открывания запорного клапана. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения давление в нисходящей трубе контролируют с помощью манометра. Такая конфигурация устраняет необходимость применения вторичного контурного насоса.
- 8 030488
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения вторичный контур интегрирован с системой рециркуляции клеток. Указанная система рециркуляции клеток обеспечивает средство для отделения микроорганизмов от пермеата с целью их возврата в реактор для дальнейшей ферментации. Модуль рециркуляции клеток непрерывно вытягивает пермеат из бульона, удерживая клетки. Специалисты в данной области техники поймут, что устройства для рециркуляции клеток могут включать, но не ограничиваются ими, мембраны для рециркуляции клеток или тарельчатые центробежные сепараторы. Согласно предпочтительным вариантам реализации изобретения клетки удерживают в ферментативном бульоне с помощью ультрафильтрации. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения движущая сила для вторичного контура возникает в результате работы насоса для рециркуляции клеток. Согласно предпочтительным вариантам реализации изобретения насос для рециркуляции клеток гораздо больше, чем вторичные контурные насосы, описанные выше. Согласно конкретному варианту реализации изобретения ферментативный бульон отводят во вторичный контур, расположенный после модуля рециркуляции клеток. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения скорость потока во вторичном контуре и давление системы рециркуляции клеток регулируют с применением по меньшей мере одного регулирующего клапана, расположенного перед модулем рециркуляции клеток. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения скорость потока во вторичном контуре регулируют с помощью двух регулирующих клапанов, расположенных перед модулем рециркуляции клеток. Первый регулирующий клапан регулирует поток в верхнюю часть реактора через линию вторичного контура. Второй регулирующий клапан регулирует поток в отдельную линию, через которую ферментативный бульон возвращают в нисходящую трубу. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения для повышения скорости потока во вторичном контуре поток через первый регулирующий клапан увеличивают, а поток через второй регулирующий клапан ограничивают. Для уменьшения скорости потока во вторичном контуре поток через первый регулирующий клапан ограничивают и поток через второй регулирующий клапан увеличивают. Чтобы соответствовать требованиям к потоку при рециркуляции клеток два регулирующий клапана выполнены с возможностью поддержания постоянной скорости потока через модуль рециркуляции клеток.
Реактор согласно настоящему изобретению может дополнительно включать широкий ряд подходящих модулей для приведения в контакт газа/жидкости, которые могут обеспечить эффективный массоперенос газообразного субстрата, необходимый для повышения эффективности процессов микробной ферментации. Контактный модуль обеспечивает уникальное геометрическое окружение, которое позволяет полностью перемешивать газ и жидкость вдоль заданного направления пути потоков, что приводит к более равномерному растворению увлеченного газа в жидкости. К примеру, указанные контактные модули включают, но не ограничиваются ими, матрицу структурированной гофрированной металлической прокладки, неупорядоченную прокладку, ситчатые пластины и статические смесители, которые все включают диапазон хорошо известных типов и плотностей и широко доступны на рынке.
Различные варианты реализации систем согласно настоящему изобретению описаны на прилагаемых чертежах.
Фиг. 1 представляет собой блок-схему одного из вариантов реализации циркуляционного петлевого реактора, содержащего вторичный контур. Реактор состоит из восходящей трубы (2), в которой смесь (3) жидкости и газа одновременно перемещаются в восходящем направлении, и нисходящей трубы (8), в которой жидкость и газ перемещаются одновременно в нисходящем направлении. Восходящая труба (2) и нисходящая труба (8) соединены на каждом конце посредством двух горизонтальных секций, и двухфазный поток направляют, по меньшей мере, частично с помощью насоса (9) в нижнюю часть нисходящей трубы (8). Газ вводят в систему через один или более барботеров (1) подходящего типа. Часть газа переносится в нисходящую трубу (8) жидким потоком в сепараторе (4) газ-жидкость, и в настоящем документе эту часть газа называют "увлеченным газом" или "рециркулируемым газом". Не увлеченный газ покидает систему через регулирующий клапан (7) после прохождения свободного пространства (6). Как правило, имеется слой пены (5) определенной высоты, расположенный выше уровня жидкости в свободном пространстве (6). Из приведенной схемы можно видеть, что смесь жидкости и газа проходит из восходящей трубы (2) в нисходящую трубу (8) и возвращается обратно, образуя контур (т.е. первичный контур).
Ферментативный бульон (3) циркулирует во вторичном контуре из нижней части нисходящей трубы (8) в верхнюю часть реактора. На участке, расположенном после первичного контурного насоса (9), но перед восходящей трубой (2), поток жидкости удаляют из выходящего потока контурного насоса (9) с помощью вторичного контурного насоса (11). Указанный поток проходит в верхнюю часть реактора через линию вторичного контура (12), в которой жидкость распыляют в свободное пространство (6) через подходящую распылительную насадку или разбрызгивающую головку (10). Жидкость распыляют на поверхность слоя пены (5) со скоростью от примерно 0,5 м/с до примерно 5 м/с для разрушения пены. Скорость потока жидкости во вторичном контуре измеряют и контролируют с помощью расходомера (13).
На фиг. 2 показана блок-схема альтернативного варианта реализации циркуляционного петлевого реактора, содержащего запорный клапан (14). Ради простоты на чертеже не приведены другие компоненты реактора. Путем регулирования открывания запорного клапана давление на участке после контурного
- 9 030488
насоса, но перед запорным клапаном, можно регулировать для обеспечения требуемой скорости потока во вторичном контуре. Давление контролируют с помощью манометра (15). Такая конфигурация устраняет необходимость применения вторичного контурного насоса.
На фиг. 3 показана блок-схема альтернативного варианта реализации циркуляционного петлевого реактора, содержащего встроенную систему рециркуляции клеток. Ради простоты на чертеже не приведены другие компоненты реактора. Согласно такому варианту реализации изобретения вторичный контур удаляют на участке, расположенном после модуля (19) рециркуляции клеток, при этом движущую силу для вторичного контура обеспечивает насос (16) для рециркуляции клеток. Согласно предпочтительным вариантам реализации изобретения насос для рециркуляции клеток гораздо больше, чем вторичные контурные насосы, описанные выше. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения модуль рециркуляции клеток отделяет клетки от пермеата посредством ультрафильтрации или других средств разделения, таких как мембраны. Только часть ферментативного бульона, направленная в модуль рециркуляции клеток, проходит в верхнюю часть реактора, и поэтому скорость потока во вторичном контуре и давление системы рециркуляции клеток регулируют с помощью двух регулирующих клапанов (17, 18), установленных после модуля (19) рециркуляции клеток. Первый регулирующий клапан (17) регулирует поток в верхнюю часть реактора через линию вторичного контура. Второй регулирующий клапан (18) регулирует поток в отдельную линию, через которую ферментативный бульон возвращают в нисходящую трубу. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения для повышения скорости потока во вторичном контуре поток через первый регулирующий клапан (17) увеличивают, а поток через второй регулирующий клапан (18) ограничивают. Для уменьшения скорости потока во вторичном контуре поток через первый регулирующий клапан (17) ограничивают, а поток через второй регулирующий клапан (18) увеличивают.
Чтобы соответствовать требованиям к потоку при рециркуляции клеток, два регулирующих клапана (17, 18) выполнены с возможностью поддержания постоянной скорости потока через модуль (19) рециркуляции клеток.
Следует отметить, что специалистам в данной области техники будут очевидны различные изменения и модификации предпочтительных в настоящее время вариантов реализации изобретения, описанных в настоящем документе. Такие изменения и модификации можно сделать без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения и без уменьшения сопутствующих преимуществ. Соответственно подразумевают, что такие изменения и модификации включены в рамки объема настоящего изобретения.
Ферментация.
Известны способы получения этанола и других спиртов из газообразных субстратов (таких как субстраты, перечисленные выше в разделе, описывающем уровень техники). Типичные способы включают способы, описанные, например, в WO 2007/117157 и WO 2008/115080, а также в патентах США №№ 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111, каждый из которых включен в настоящий документ посредством ссылки.
Известны многие анаэробные бактерии, способные осуществлять ферментацию СО с образованием спиртов, в том числе н.-бутанола и этанола, и уксусной кислоты, которые подходят для применения в способе согласно настоящему изобретению. Примеры таких бактерий, подходящих для применения в настоящем изобретении, включают бактерии из рода Clostridium, такие как штаммы Clostridium ljungdahlii, в том числе штаммы, описанные в WO 00/68407, ЕР 117309, патентах США №№ 5173429, 5593886 и 6368819, WO 98/00558 и WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic и Evolutionary Microbiology 33:pp 2085-2091) и Clostridium autoethanogenum (Abrini et al., Archives of Microbiology 161:pp 345-351). Другие подходящие бактерии включают бактерии из рода Moorel1а, в том числе Moorella sp HUC22-1 (Sakai et al., Biotechnology Letters 29:pp 1607-1612), и бактерии из рода Carboxydothermus (Svetlichny V.A., et al. (1991), Systematic и Applied Microbiology 14:254-260). Описания каждой из указанных публикаций включены в настоящий документ посредством ссылки. Кроме того, в способах согласно настоящему изобретению специалист в данной области техники может использовать и другие карбоксидотрофные анаэробные бактерии. Кроме того, при рассмотрении настоящего описания следует понимать, что в способах согласно настоящему изобретению можно использовать смешанную культуру из двух или более бактерий.
Культивирование бактерий, применяемых в способе согласно настоящему изобретению, можно осуществить с применением любого количества способов, известных в данной области техники для культивирования и ферментирования субстратов с помощью анаэробных бактерий. Типичные методы приведены ниже в разделе "Примеры". В качестве дополнительного примера можно использовать те способы, в целом описанные в следующих статьях, в которых для ферментации применяли газообразные субстраты: (i) К.Т. Klasson, et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5, 145-165; (ii) K.T. Klasson, et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614; (iii) K.T. Klasson, et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J.L. Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6, 785-793; (vi) J.L. Vega, et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate.
- 10 030488
1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6, 774-784; (vii) J.L. Vega, et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3, 149-160; все указанные публикации включены в настоящий документ посредством ссылки.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения микроорганизм выбирают из группы карбоксидотрофной клостридии, включающей Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum. Согласно дополнительному варианту реализации изобретения микроорганизм выбирают из кластера карбоксидотрофной клостридии, содержащей виды С. autoethanogenum, С. ljungdahlii и С. ragsdalei и родственные изоляты. Указанные организмы включают, но не ограничиваются ими, штамм С. autoethanogenum JAI-1 (DSM10061) (Abrini, Naveau, & Nyns, 1994), С. autoethanogenum LBS1560 (DSM19630) (WO/2009/064200), С. autoethanogenum LBS1561 (DSM23693), С. ljungdahlii PETCT (DSM13528=ATCC 55383) (Tanner, Miller, & Yang, 1993), С. ljungdahlii ERI-2 (ATCC 55380) (патент США 5593886), С. ljungdahlii C-01 (ATCC 55988) (патент США 6368819), С. ljungdahlii 052 (ATCC 55989) (патент США 6368819), С. ragsdalei P11T (ATCC BAA-622) (WO 2008/028055), родственные изоляты, такие как "С. coskatii" (US20110229947) и "Clostridium sp." (Tyurin & Kiriukhin, 2012) или мутировавшие штаммы, такие как С. ljungdahlii OTA-1 (Tirado-Acevedo О. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Указанные штаммы образуют подкластер внутри кластера I клостридиальной рРНК, и их ген 16S рРНК более чем на 99% идентичен гену с аналогичным низким содержанием гуанина и цитозина (GC), составляющим примерно 30%. Однако эксперименты с реассоциацией ДНК-ДНК и фингерпринтингом ДНК показали, что указанные штаммы принадлежат к различным видам (WO 2008/028055).
Все виды из упомянутого выше кластера имеют одинаковую морфологию и размер (размеры логарифмически растущих клеток составляют 0,5-0,7х3-5 мкм), являются мезофильными (температура оптимального роста от 30 до 37°С) и строго анаэробными (Abrini et al., 1994; Tanner et al., 1993)(WO 2008/028055). Более того, они все имеют одинаковые основные филогенетические признаки, такие как одинаковый диапазон pH (pH 4-7,5, при оптимальном исходном pH 5,5-6), устойчивый автотрофный рост на СО-содержащих газах с похожими скоростями роста и похожий метаболический профиль с этанолом и уксусной кислотой в качестве основного конечного продукта ферментации и небольшими количествами 2,3-бутандиола и молочной кислоты, образующимися при определенных условиях (Abrini et al., 1994; Kopke et al., 2011; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055). Также при применении всех трех видов наблюдалось образование индола. Однако указанные виды отличаются при применении в качестве субстрата различных сахаров (например, рамнозы, арабинозы), кислот (например, глюконата, цитрата), аминокислот (например, аргинина, гистидина) или других субстратов (например, бетаина, бутанола). Более того, было обнаружено, что некоторые из указанных видов представляют собой ауксотроф в отношении некоторых витаминов (например, тиамина, биотина), тогда как другие не являются ауксотрофом. Было обнаружено, что структура и количество генов, использующих метаболический путь Вуда-Льюнгдаля и ответственных за поглощение газа, являются одинаковыми во всех видах, независимо от различий в последовательностях нуклеиновых и аминокислот (Kopke et al., 2011). Также в некоторых из указанных организмов было продемонстрировано восстановление карбоновых кислот в их соответствующие спирты (Perez, Richter, Loftus, & Angenent, 2012). Таким образом, указанные признаки не являются специфическими для одного организма, такого как С. autoethanogenum или С. ljungdahlii, но скорее являются общими признаками карбоксидотрофной, синтезирующей этанол клостридии, и можно предположить, что работа механизма одинакова для всех штаммов, хотя могут иметь место расхождения в исполнении (Perez et al., 2012).
Одним из типичных микроорганизмов, подходящих для применения в настоящем изобретении, является Clostridium autoethanogenum. Согласно одному из вариантов реализации изобретения Clostridium autoethanogenum представляет собой Clostridium autoethanogenum, имеющую идентифицирующие характеристики штамма, хранящегося в Немецком центре коллекции биологических материалов (DSMZ) под идентификационным депозитным номером 19630. Согласно другому варианту реализации изобретения Clostridium autoethanogenum представляет собой Clostridium autoethanogenum, имеющую идентифицирующие характеристики штамма, хранящегося в DSMZ под депозитным номером DSM 10061.
Ферментацию можно осуществить в любом подходящем биореакторе. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения биореактор может содержать первый реактор для культивирования, в котором культивируют микроорганизмы, и один или более последующих промышленных ферментационных реакторов, расположенных параллельно или последовательно, в которые подают ферментативный бульон из реактора для культивирования и в которых получают большую часть продукта ферментации (например, этанол и ацетат).
Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения источник углерода для реакции ферментации представляет собой газообразный субстрат, содержащий СО. Газообразный субстрат может представлять собой СО-содержащий отработавший газ, полученный в качестве побочного продукта промышленного процесса или из какого-то другого источника, например из автомобильных выхлопных газов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения промышленный процесс выби- 11 030488
рают из группы, состоящей из производства продуктов черной металлургии, такого как осуществляют на сталелитейном заводе, производства продуктов цветной металлургии, процессов в нефтепереработке, газификации угля, производства электроэнергии, производства черного углерода, производства аммиака, производства метанола и производства кокса. Согласно указанным вариантам реализации изобретения СО-содержащий газ можно улавливать из промышленного процесса перед тем, как его выбросят в атмосферу, применяя любой общепринятый способ. Альтернативно, газообразный субстрат представляет собой источник реформированного газа, в том числе природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ и биогаз. Кроме того, в зависимости от состава газообразного СО-содержащего субстрата может быть необходимо провести обработку указанного субстрата для удаление каких-либо нежелательных примесей, таких как частицы пыли, перед введением его в процесс ферментации. Например, газообразный субстрат можно отфильтровать или подвергнуть мокрой очистке, применяя известные способы.
В идеале СО-содержащий газообразный субстрат будет содержать значительную долю СО, например по меньшей мере от 5 до примерно 100 об.%, или от 20 до 95 об.% СО, или от 40 до 95 об.%, или от 60 до 90 об.%, или от 70 до 90 об.%. Газообразные субстраты, имеющие более низкие концентрации СО, например 6%, также могут подойти, в частности, если присутствуют также Н2 и СО2. Хотя нет необходимости, чтобы газообразный субстрат содержал сколько-нибудь водорода, присутствие водорода не будет в целом оказывать отрицательное влияние на образование продукта согласно способам, предложенным в настоящем изобретении. Однако согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения газообразный субстрат, по существу, не содержит водорода (меньше 1%). Газообразный субстрат также может содержать некоторое количество СО2, например, от примерно 1 до примерно 30 об.% или, например, от примерно 5 до 10 об.% примерно СО2.
Как отмечалось ранее, присутствие водорода в потоке субстрата может привести к улучшению эффективности суммарного улавливания углерода и/или повышению выхода этанола. Например, в WO 0208438 описано получение этанола с применением газовых потоков с различными составами.
Соответственно может потребоваться изменение состава потока субстрата для улучшения продуцирования спирта и/или суммарного улавливания углерода. Дополнительно или альтернативно состав можно изменять (т.е. регулировать уровни СО, СО2 и/или Н2) для оптимизации эффективности реакции ферментации и в конечном счете улучшения продуцирования спирта и/или суммарного улавливания углерода. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения источником СО-содержащего газообразного субстрата может быть газификация органического вещества, такого как метан, этан, пропан, уголь, природный газ, сырая нефть, малоценные остатки из нефтеперегонного завода (в том числе нефтяной кокс или нефтекокс), твердые бытовые отходы или биомасса. Биомасса включает побочные продукты, полученные при добывании и переработке продуктов питания, таких как сахар из сахарного тростника или крахмал из кукурузы или зерна, или непищевые отходы биомассы, образующиеся в лесной промышленности. Любые из указанных углеродистых материалов можно газифицировать, т.е. частично сжечь в присутствии кислорода, с получением синтетического газа (синтезгаза, содержащего значительные количества Н2 и СО). Как правило, в процессах газификации получают синтетический газ с молярным соотношением Н2 к СО, составляющим от примерно 0,4:1 до 1,2:1, вместе с меньшими количествами СО2, H2S, метана и других инертных веществ. Указанное соотношение полученного газа можно изменять способами, известными в данной области техники, как подробно описано в WO 200701616. Однако к примеру, для регулирования соотношения продуктов СО:Н2 можно изменять следующие условия в газификаторе: состав сырья (в частности, соотношение С:Н), рабочее давление, температурный профиль (влияющий на гашение ассортимента продукции) и применяемый оксидант (воздух, воздух, обогащенный кислородом, чистый О2 или пар; при этом применение пара обычно приводит к более высоким соотношениям СО:Н2). Соответственно для получения потока субстрата с требуемым составом для ферментации или смешивания с одним или более другими потоками можно регулировать рабочие условия в газификаторе, что позволяет обеспечить оптимизированный или требуемый состав для повышения выхода спирта и/или суммарного улавливания углерода в процессе ферментации.
Согласно другим вариантам реализации изобретения субстрат, содержащий СО, можно получить при паровом риформинге углеводородов. Углеводороды, такие как углеводороды природного газа, можно подвергнуть риформингу при высокой температуре с получением СО и Н2 согласно следующему уравнению:
CnHm + nH2O пСО + (т/2 + п)Н2
К примеру, паровой риформинг метана включает взаимодействие пара с метаном с получением СО и Н2 при повышенной температуре (700-1100°С) в присутствии никелевого катализатора. Для повышения выхода этанола и/или суммарного улавливания углерода в процессе ферментации образовавшийся поток (содержащий 1 моль СО и 3 моля Н2 на каждый моль превращенного СН4) можно направить непосредственно в ферментер или смешать с потоком субстрата из другого источника. Спирты, такие как метанол, также можно подвергнуть риформингу с получением СО2 и Н2, которые можно использовать аналогичным способом.
Согласно другому варианту реализации изобретения субстрат, содержащий СО, получают из про- 12 030488
цесса производства стали. В процессе изготовления стали железную руду раздробляют и измельчают, подвергают предварительной обработке, такой как спекание или окомкование, и затем подают в доменную печь (BF), где она выплавляется. В процессе выплавки кокс служит в качестве источника углерода, который работает как восстановитель для восстановления железной руды. Кокс действует как источник тепла для нагревания и плавления материалов. Горячий металл подвергают обезуглероживанию в кислородном конвертере (BOF) путем инжектирования на поверхность горячего металла высокоскоростной струи чистого кислорода. Кислород взаимодействует непосредственно с углеродом в горячем металле с образованием монооксида углерода (СО). Соответственно из BOF выделяется газовый поток с высоким содержанием СО. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения указанный поток применяют для подачи в одну или более реакций ферментации. Однако, как очевидно специалисту в данной области техники, СО можно получить и в другом месте в процессе изготовления стали, и согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения такие альтернативные источники можно использовать вместо выхлопных газов из BOF или в комбинации с ними. Таким образом, в зависимости от источника (т.е. конкретной стадии в процессе изготовления стали) содержание СО в выхлопных газах может изменяться. Кроме того, могут существовать периоды, когда происходит прерывание одного или более таких потоков, в частности, на перерабатывающих предприятиях с периодическим режимом работы.
Как правило, потоки, выделяющиеся в процессе обезуглероживания на сталелитейных заводах, содержат высокую концентрацию СО и низкие концентрации Н2. Хотя такие потоки можно направлять непосредственно в биореактор при небольшой дополнительной обработке или без обработки, указанная дополнительная обработка может потребоваться для оптимизации состава потока субстрата для достижения более высокой эффективности продуцирования спирта и/или суммарного улавливания углерода. Например, концентрацию Н2 в потоке субстрата можно увеличить перед подачей указанного потока в биореактор.
Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения потоки из двух или более источников можно объединить и/или смешать с получением требуемого и/или оптимизированного потока субстрата. Например, поток, содержащий высокую концентрацию СО, такой как выхлоп из конвертера сталелитейного завода, можно объединить с потоком, содержащим высокие концентрации Н2, таким как отходящий газ из коксовой печи сталелитейного завода.
Альтернативно или дополнительно непостоянный поток, содержащий СО, такой как поток выхлопных газов из конвертера, можно объединить и/или смешать, по существу, с непрерывным потоком, содержащим СО и необязательно Н2, таким как синтезгаз, полученный в процессе газификации, как описано выше. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения это позволит поддержать снабжение биореактора, по существу, непрерывным потоком субстрата. Согласно конкретному варианту реализации изобретения для поддержания, по существу, непрерывного потока субстрата с требуемым или оптимизированным составом поток, полученный в газификаторе, можно увеличить и/или уменьшить в зависимости от периодического получения СО из промышленного источника. Согласно другому варианту реализации изобретения для поддержания, по существу, непрерывного потока субстрата с требуемым или оптимизированным составом СО и Н2 условия в газификаторе можно изменять, как описано выше, для повышения или уменьшения соотношения СО:Н2 в зависимости от периодического получения СО из промышленного источника.
Как правило, потоки субстрата, применяемые в настоящем изобретении, будут газообразными; однако настоящее изобретение не ограничено ими. Например, монооксид углерода можно подавать в биореактор в жидкости. Например, жидкость можно насыщать газом, содержащим монооксид углерода, и затем такую жидкость можно ввести в биореактор. Указанную процедуру можно осуществить с применением стандартной методологии. К примеру, для этой цели можно использовать генератор для диспергирования микропузырьков (Hensirisak et al., Scale-up of Microbubble dispersion generator for aerobic ferMentation; Applied Biocheraistry and Biotechnology, voluMe 101, NuMber 3, ОсЮЬег. 2002).
Следует понимать, что для роста бактерий и протекания ферментации с образованием этанола из СО наряду с СО-содержащим газом-субстратом в биореактор будет необходимо загрузить подходящую жидкую питательную среду. Питательная среда будет содержать витамины и минеральные вещества в количестве, достаточном для обеспечения роста применяемого микроорганизма. Анаэробные среды, подходящие для ферментации этанола с применением СО в качестве единственного источника углерода, известны в данной области техники. Например, подходящие среды описаны в патентах США №№ 5173429 и 5593886 и WO 02/08438, ’W 2007/115157 и WO 2008/115080, упомянутых выше. В разделе "Примеры" в настоящем документе приведены и другие типичные среды.
Ферментацию следует предпочтительно осуществлять в условиях, подходящих для протекания требуемой ферментации (например, для превращения СО в спирт). Условия реакции, которые следует принимать во внимание, включают давление, температуру, расход газа, расход жидкости, pH среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (при применении реактора с постоянным перемешиванием), уровень инокулята, максимальные концентрации газового субстрата, которые гарантируют, что СО в жидкой фазе не станет ограничивающим фактором, и максимальные концен- 13 030488
трации продуктов для избежания ингибирования продуктом. Оптимальные условия реакции будут частично зависеть от конкретного применяемого микроорганизма. Однако в целом может быть предпочтительно осуществлять ферментацию при давлении более высоком, чем давление окружающей среды. Работа при повышенных давлениях позволяет значительно увеличить скорость перехода СО из газовой фазы в жидкую фазу, где он может быть поглощен микроорганизмом в качестве источника углерода для получения этанола. Это, в свою очередь, означает что время удерживания (определяемое как объем жидкости в биореакторе, поделенный на скорость входящего потока газа) можно уменьшить скорее при поддержании биореакторов при повышенном давлении, а не при атмосферном давлении.
Кроме того, поскольку данная скорость превращения СО в этанол является в некоторой степени функцией времени удерживания субстрата, и обеспечение требуемого времени удерживания, в свою очередь, обуславливает объем биореактора, применение систем с повышенным давлением может значительно уменьшить объем требуемого биореактора и, следовательно, капитальные затраты на ферментационное оборудование. Согласно примерам, приведенным в патенте США № 5593886, объем реактора можно уменьшить в линейной пропорции относительно величин повышения рабочего давления реактора, т.е. объем биореакторов, работающих при давлении в 10 атмосфер, может составлять только одну десятую объема реакторов, работающих при давлении в 1 атмосферу.
Преимущества проведения ферментации газа в этанол при повышенных давлениях были также описаны в других документах. Например, в WO 02/08438 описаны процессы ферментации газа с получением этанола, выполняемые под изб. давлениями 30 psig (примерно 206 кПа) и 75 psig (примерно 517 кПа), что обеспечивает выходы этанола 150 и 369 г/л/сутки соответственно. Однако было обнаружено, что приведенные в качестве примера процессы ферментации, выполняемые с применением аналогичных сред и составов нагнетаемого газа при атмосферном давлении, привели к получению в от 10 до 20 раз меньше этанола на литр в сутки.
Кроме того, желательно, чтобы скорость введения СО-содержащего газообразного субстрата имела значение, гарантирующее, что концентрация СО в жидкой фазе не станет ограничивающим фактором. Это связано с тем, что последствием условий ограниченного содержания СО может быть потребление культурой полученного в качестве продукта этанола.
Извлечение продукта.
Продукты реакции ферментации можно извлечь с применением известных способов. Типичные способы включают способы, описанные в WO 2007/117157, WO 2008/115080 и патентах США №№ 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111. В то же время коротко и только в качестве примера этанол можно извлечь из ферментативного бульона с помощью таких способов, как фракционная перегонка или испарение и экстрактивная ферментация.
Перегонка этанола из ферментативного бульона позволяет получить азеотропную смесь этанола и воды (т.е. 95% этанола и 5% воды). Далее безводный этанол можно получить путем применения технологии дегидратации этанола на основе молекулярных сит, которая также хорошо известна в данной области техники.
Методы экстрактивной ферментации включают применение смешивающегося с водой растворителя, представляющего низкую токсикологическую опасность для ферментирующего организма, для извлечения этанола из разбавленного ферментативного бульона. Например, олеиловый спирт представляет собой растворитель, который можно использовать в процессе экстракции такого типа. В этом процессе олеиловый спирт непрерывно вводят в ферментер, после чего указанный растворитель поднимается, образуя слой в верхней части ферментера, который непрерывно экстрагируют и пропускают через центрифугу. Затем воду и клетки легко отделяют от олеилового спирта и возвращают в ферментер, тогда как содержащий большое количество этанола растворитель загружают в установку мгновенного испарения. Большая часть этанола испаряется и конденсируется, тогда как нелетучий олеиловый спирт извлекают для повторного применения в процессе ферментации.
Ацетат также можно извлечь из ферментативного бульона с применением способов, известных в данной области техники. Например, можно использовать адсорбционную систему, включающую фильтр с активированным древесным углем. В этом случае микробные клетки обычно первыми удаляют из ферментативного бульона с применением подходящего способа отделения. В данной области техники известны многочисленные основанные на фильтрации способы получения бесклеточного ферментативного бульона для извлечения продукта. Затем бесклеточный содержащий этанол и ацетат пермеат пропускают через колонку, содержащую активированный древесный уголь, для адсорбирования ацетата. Ацетат в кислотной форме (уксусная кислота), а не в солевой форме (ацетат), более легко абсорбируется активированным древесным углем. Поэтому для превращения большей части ацетата в форму уксусной кислоты предпочтительно уменьшить pH ферментативного бульона до менее примерно 3 перед его прохождением через колонку с активированным древесным углем. Продукты реакции ферментации (например этанол и ацетат) можно извлечь из ферментативного бульона путем непрерывного удаления части бульона из ферментационного биореактора, отделяя микробные клетки от бульона (просто посредством фильтрации) и одновременно или последовательно извлекая один или более продуктов из бульона. Этанол можно легко выделить путем перегонки, а ацетат можно извлечь путем адсорбции на активированный
- 14 030488
древесный угль, используя способы, описанные выше. Отделенные микробные клетки можно возвратить в ферментационный биореактор. Бесклеточный пермеат, оставшийся после удаления этанола и ацетата, также можно возвратить в ферментационный биореактор. К бесклеточному пермеату можно добавить дополнительные питательные вещества (такие как витамины В) для пополнения питательной среды перед возвращением ее в биореактор. Кроме того, если pH бульона был отрегулирован, как описано выше, для усиления адсорбции уксусной кислоты в активированный древесный уголь pH следует заново довести до значения, аналогичного значению pH бульона в ферментационном биореакторе перед возвратом в биореактор.
Промышленный отходящий газ как ресурс для ферментации.
Согласно другим аспектам настоящего изобретения промышленные отработавшие газы применяют в реакции ферментации без дополнительных стадий мокрой очистки, или предварительной обработки, или только при минимальном добавлении таких стадий, используемых для того, чтобы сделать указанные газы подходящими для ферментации. Отработавшие газы можно получить из любого ряда промышленных процессов. Настоящее изобретение имеет конкретную область применения, относящуюся к поддержанию получения этанола из газообразных субстратов, таких как высокообъемные промышленные дымовые газы, содержащие СО. Примеры включают газы, полученные при производстве продуктов черной металлургии, производстве продуктов цветной металлургии, в процессах очистки, процессах нефтепереработки, при газификации угля, газификации биомассы, производстве электроэнергии, производстве черного углерода, производстве аммиака, производстве метанола и производстве кокса. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения СО-содержащий субстрат получают в результате газификации биомассы или твердых бытовых отходов. Согласно конкретному варианту реализации настоящего изобретения отработавшие газы получают в процессе изготовления стали. Например, специалисты в данной области техники поймут, что отработавшие газы, полученные при проведении различных стадий процесса изготовления стали, содержат высокие концентрации СО и/или СО2. В частности, отработавший газ, полученный при обезуглероживании стали различными способами, применяемыми в стальном производстве, например в кислородном конвертере (например, BOF или КОВМ (кислородно-конвертерный процесс Klockner Oxygen Blown Maxhutte)), имеет высокое содержание СО и низкое содержание О2, что делает его подходящим субстратом для анаэробной карбоксидотрофной ферментации.
Необязательно отработавшие газы, полученные при науглероживании стали, пропускают через воду для удаления твердых частиц перед прохождением в отводную трубу или дымоход для направления отработавшего газа в атмосферу. Как правило, такие газы направляют в отводную трубу с помощью одного или более вентиляторов. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения по меньшей мере часть отработавшего газа, полученного при обезуглероживании стали, отводят в ферментационную систему с помощью подходящего трубопровода. К примеру, систему труб или другое средство переноса можно соединить с вытяжной трубой для отработавшего газа из сталелитейного завода для отведения по меньшей мере части отработавшего газа в ферментационную систему. Кроме того, один или более вентиляторов можно использовать для отведения по меньшей мере части отработавшего газа в ферментационную систему. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения трубопровод выполнен с возможностью направления по меньшей мере части отработавшего газа, полученного при обезуглероживании стали, в ферментационную систему. Регулирование подачи газов в биореактор и средство подачи газов в биореактор будут очевидны специалистам в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение.
Хотя сталелитейные заводы можно приспособить, по существу, для непрерывного получения стали и соответственно отработавших газов, конкретные аспекты указанного процесса могут быть непостоянными. Как правило, обезуглероживание стали представляет собой периодический процесс, продолжающийся от нескольких минут до нескольких часов. По существу, трубопровод можно выполнить с возможностью отведения по меньшей мере части отработавшего газа, например газа, полученного при обезуглероживании стали, в ферментационную систему, если определено, что отработавший газ имеет требуемый состав.
pH содержимого биореактора, применяемого в процессе ферментации, можно регулировать при необходимости. Как будет понятно специалистам в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение, подходящее значение pH будет зависеть от условий, необходимых для конкретной реакции ферментации с учетом питательной среды и применяемых микроорганизмов. Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации изобретения при ферментации газообразного субстрата, содержащего СО, с применением Clostridium autoethanogenum, значение pH можно довести до приблизительно от 5,5 до 6,5, наиболее предпочтительно до приблизительно 5,5. Дополнительные примеры включают pH от 5,5 до 6,5 при применении Moorella thermoacetica для продуцирования уксусной кислоты, pH от 4,5 до 6,5 при применении Clostridium acetobutylicum для получения бутанола и pH 7 при применении Carboxydothermus hygrogenaformans для получения водорода. Специалисты в данной области техники будут осведомлены о подходящих средствах для поддержания в биореакторе требуемого значения pH. В то же время, к примеру, для повышения и понижения величины pH ферментационной среды и поддержания требуемого значения pH можно использовать водные основания, такие как NaOH, и водные кислоты,
- 15 030488
такие как H2SO4.
Дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что, поскольку отсутствуют или используются только в минимальной степени мокрая газоочистка и/или другие способы обработки, выполняемые с отработавшими газами перед их применением в реакции ферментации, указанные газы будут содержать дополнительный материал, образующийся в результате промышленного процесса, при этом указанный дополнительный материал можно использовать, по меньшей мере, в некоторой степени в качестве сырья для реакции ферментации.
Примеры
Материалы и способы.
Таблица 1
Состав среды
Компонент Конечная концентрация мМ/л
КС1 25
СаС12.2Н2О 2
MgCl2.6H2O 2
NaCl 2
Н3РО4 5
Раствор металла [таблица 2] 20 мл
Раствор витамина [таблица 3] 20 мл
Таблица 2
Раствор металлов в следовых количествах
Металл Концентрация исходного раствора, мМУл
FeCl2.4H2O 20
МпС12.4Н2О 0,4
СоС12.6Н2О 1,0
ZnCl2 1,0
Н3ВО3 1,0
Na2MoO4.2H2O 0,4
NiCl2.6H2O 0,4
Na2SeO3 0,4
Na2WO4.2H2O 0,4
Таблица 3
Раствор витаминов
Витамин Концентрация исходного раствора, (100 х) мг/л
Тиамина гидрохлорид (витамин В1) 50
Рибофлавин (витамин В2) 50
Никотиновая кислота (ниацин или 50
витамин ВЗ)
Пантотеновая кислот (витамин В5) 50
Пиридоксин гидрохлорид (витамин 10
В6)
Биотин (витамин В7) 20
Фолиевая кислота (витамин В9) 20
4-Аминобензойная кислота (пара- 50
аминобензойная кислота, РАВА, или
витамин В10)
Цианокобаламин (витамин В12) 50
Липоевая кислот (тиоктовая кислота) 50
Бактерии.
Применяемая Clostridium autoethanogenum представляет собой бактерию, хранящуюся в Немецком центре коллекции биологических материалов (DSMZ) под учетным номером DSMZ 19630.
Ферментация.
Среду приготавливали в соответствии с составом, приведенным в табл. 1-3, в объеме 1,5 л и добавляли 1,5 мл резазурина. Полученный раствор нагревали и перемешивали при одновременном дегазировании с помощью N2. Начинали капать ANa2S со скоростью 0,1 мл/ч и устанавливали температуру биореактора 37°С. С помощью NH4OH устанавливали pH 5,0 и добавляли хром для доведения окислительновосстановительного потенциала до -200 мВ. Затем в биореактор подавали RMG (43% СО, 20% СО2, 2,5% Н2 и 33% N2).
Эксперимент 1. Влияние вторичного контура на скорость потока жидкости, объем задержки газа и превращение СО.
Реактор содержал восходящую трубу с диаметром 0,254 м и нисходящую трубу с диаметром 0,138 м. Реактор содержал вторичный контур диаметром 0,043 м для удаления бульона из нижней части нисходящей трубы и циркулирования бульона с помощью механического насоса в верхнюю часть восходящей трубы, где указанный бульон поступал в свободное пространство реактора через разбрызгивающую
- 16 030488
головку. Высота реактора составляла 6 м. Реактор подвергали испытанию в процессе непрерывной ферментации Clostridium autoethanogenum.
Во время испытания скорость потока жидкости в нисходящей трубе, QL,0 составляла 30 м3/ч и скорость потока жидкости во втором контуре QL,2 составляла 5,5 м3/ч. На примерно 20,02 день вторичный контур отключали и наблюдали немедленное уменьшение объема задержки газа в восходящей трубе на от 11 до 5%, как показано на фиг. 4. Во время этого периода скорость контурного насоса увеличивали на от 30 до 50%, но как можно видеть, что это не привело к эффективному улучшению объема задержки газа в восходящей трубе вследствие двух конкурирующих воздействий скорости контурного насоса на объем задержки газа в восходящей трубе. На 20,8 день вторичный контур реактивировали и это привело к немедленному улучшению объема задержки газа в восходящей трубе даже при пониженной скорости контурного насоса. Влияние второго контура на превращение СО во время этого же периода испытания показано на фиг. 5. Наблюдали мгновенное падение превращения СО после деактивирования вторичного контура вследствие уменьшения объема задержки газа в восходящей трубе и, таким образом, уменьшения площади массопереноса. Такая ситуация медленно улучшалась за счет непрерывного повышения скорости контурного насоса, что увеличивало объем задержки в нисходящей трубе. Однако указанный подход был гораздо менее эффективен, чем реактивация вторичного контура на 20,8 день. Кроме того, влияние вторичного контура на объем задержки газа в восходящей трубе при различных скоростях потока входящего газа исследовали в меньшем реакторе с восходящей трубой диаметром 3 дюйма (7,62 см) и высотой 1,1 м. Сепаратор такого маленького реактора имел диаметр 6 дюймов (15,24 см) и эффективную высоту 270 мм. Диаметр нисходящей трубы составлял 1,5 дюйма (3,81 см) и диаметр вторичного контура составлял 0,5 дюйма (1,27 см). Результаты, приведенные на фиг. 6, показывают, что при применении вторичного контура объем задержки газа в восходящей трубе значительно возрастал, особенно при более низких поверхностных скоростях потока газа. По-видимому, имеется верхний предел объема задержки газа в восходящей трубе, составляющий примерно 15%, что связано с изменениями режима потока в таком маленьком реакторе. Однако положительные эффекты вторичного контура на объем задержки газа сохраняются.
Эксперимент 2. Влияние вторичного контура на объем задержки газа и превращение СО при более крупном масштабе.
Аналогичные гидродинамические эксперименты по исследованию влияния вторичного контура были проведены в более крупных реакторах высотой 10 м с диаметром восходящей трубы 1 м и диаметром нисходящей трубы 0,5 м. Диаметр вторичного контура составлял 2 дюйма (5,08 см). Как показано на фиг. 7 и 8, полученные результаты были похожими. На фиг. 7 можно видеть, что объемы задержки газа как в восходящей трубе, так и нисходящей трубе линейно возрастали с увеличением скорости вторичного контурного насоса, при этом массоперенос должен соответственно улучшаться. На фиг. 8 показано влияние вторичного контура на превращение СО, наблюдаемое в другом испытании в реакторе похожего размера.
Общие сведения.
Варианты реализации настоящего изобретения описаны в качестве примера. Однако следует понимать, что конкретные этапы или стадии, необходимые в одном варианте реализации изобретения, могут не быть необходимыми в другом. Наоборот, этапы или стадии, включенные в описание конкретного варианта реализации изобретения, необязательно могут преимущественно использоваться в вариантах реализации, в которых они специально не упоминались.
Хотя настоящее изобретение в общем описано со ссылкой на любой тип потока, который может перемещаться через систему(ы) или около нее(их) с помощью любого известного средства переноса, согласно некоторым вариантам реализации изобретения потоки субстрата и/или потоки выхлопных газов являются газообразными. Специалисты в данной области техники поймут, что конкретные стадии могут быть связаны с помощью подходящего трубопровода или т.п., выполненного с возможностью приема или прохождения потоков по всей системе. Для облегчения доставки потоков на конкретные стадии можно использовать насос или компрессор. Кроме того, компрессор можно использовать для повышения давления газа, поступающего на одну или более стадий, например в биореактор. Как описано в настоящем документе выше, давление газов внутри биореактора может влиять на эффективность реакции ферментации, выполняемой внутри указанного биореактора. Таким образом, для улучшения эффективности ферментации давление можно регулировать. В данной области техники известны подходящие значения давления для проведения обычных реакций.
Кроме того, необязательно для улучшения общей эффективности процесса системы или способы согласно настоящему изобретению могут содержать средства для регулирования и/или контролирования других параметров. В систему можно встроить одно или более обрабатывающих устройств для регулирования и/или контролирования определенных параметров процесса. Например, конкретные варианты реализации изобретения могут включать средство определения для контролирования состава субстрата и/или потока(ов) выхлопных газов. Кроме того, конкретные варианты реализации изобретения могут включать средство для регулирования доставки потока(ов) субстрата на конкретные стадии или элементы внутри конкретной системы, если средство определения установило, что поток имеет состав, подхо- 17 030488
дящий для конкретной стадии. Например, в случаях, когда газообразный поток субстрата содержит низкие уровни СО или высокие уровни О2, которые могут быть вредными для реакции ферментации, поток субстрата можно отвести от биореактора. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения система включает средство для мониторинга и регулирования маршрута потока субстрата и/или скорости потока, так что поток с требуемым или подходящим составом можно отвести на конкретную стадию.
Кроме того, может потребоваться нагревание или охлаждение конкретных компонентов системы или потока(ов) субстрата до проведения одной или более стадий в процессе или во время их проведения. В таких случаях можно использовать известные средства нагревания или охлаждения. Например, для нагревания или охлаждения потоков субстрата можно использовать теплообменники.
Кроме того, для улучшения работы или эффективности конкретной стадии система может включать одну или более стадий предварительной обработки/последующей обработки. Например, стадия предварительной обработки может включать средство для удаления из потока газообразного субстрата твердых частиц и/или длинноцепочечных углеводородов или смол. Другие предварительные или последующие операции, которые можно осуществить, включают отделение требуемого продукта(ов) из конкретных стадий, таких как, например, стадия производства в биореакторе (например, удаление этанола путем перегонки).
Настоящее изобретение было описано здесь со ссылкой на некоторые предпочтительные варианты реализации изобретения для того, чтобы дать возможность читателю использовать изобретение на практике без излишнего экспериментирования. Специалисты в данной области техники поймут, что настоящее изобретение можно практически реализовать в виде большого количества вариантов и модификаций, отличающихся от вариантов и модификаций, описанных специально. Следует понимать, что настоящее изобретение включает все такие варианты и модификации. Кроме того, названия, заголовки или т.п. приведены для облегчения читателю понимания настоящего документа и не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Полное описание всех заявок, патентов и публикаций, цитируемых в настоящем документе, включены в него посредством ссылки.
Более конкретно, как будет понятно специалисту в данной области техники, воплощение вариантов реализации настоящего изобретения может включать один или более дополнительных элементов. В конкретном примере или описании могли быть показаны только те элементы, которые необходимы для понимания настоящего изобретения в различных его аспектах. Однако объем настоящего изобретения не ограничен описанными вариантами реализации и включает системы и/или способы, содержащие одну или более дополнительных стадий и/или одну или более замененных стадий, и/или систем, и/или способов с исключением одной или более стадий. В настоящем описании отсутствует ссылка на какой-либо уровень техники, и это не должно считаться признанием или любой формой предположения, что такой уровень техники образует часть общего известного знания в данной области деятельности в любой стране.
В настоящем описании и в формуле изобретения, приведенной ниже, если контекст не требует иного, слова "содержит", "содержащий" и т.п. следует понимать во включающем смысле в противоположность исключающему смыслу, то есть в смысле "в том числе, но не ограничиваясь этим".

Claims (15)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Способ получения продуктов посредством ферментации газообразного субстрата, содержащего одно или более из СО, СО2 и Н2, включающий:
    (a) подачу газообразного субстрата в ферментационный сосуд, содержащий ферментативный бульон, содержащий жидкую питательную среду и культуру одного или более микроорганизмов, где ферментационный сосуд содержит первичный контур и вторичный контур, где первичный контур содержит по меньшей мере (i) секцию восходящей трубы, в которой ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в восходящем направлении, и (ii) секцию нисходящей трубы, в которой ферментативный бульон и газообразный субстрат одновременно перемещаются в нисходящем направлении, а вторичный контур содержит место входа, расположенное в нижней части секции нисходящей трубы, и место выхода, расположенное в свободном пространстве верхней части секции восходящей трубы;
    (b) ферментирование газообразного субстрата с получением по меньшей мере одного продукта;
    (c) циркулирование ферментативного бульона через секцию восходящей трубы и секцию нисходящей трубы первичного контура; и
    (d) удаление по меньшей мере части ферментативного бульона из нижней части секции нисходящей трубы и циркулирование ферментативного бульона в свободное пространство в верхней части секции восходящей трубы через вторичный контур.
  2. 2. Способ по п.1, где ферментационный бульон распыляют в свободное пространство секции восходящей трубы с помощью по меньшей мере одной насадки.
  3. 3. Способ по п.2, где по меньшей мере одна насадка представляет собой разбрызгивающую головку.
  4. 4. Способ по п.З, где ферментационный бульон выходит по меньшей мере из одной насадки со ско- 18 030488
    ростью струи от 0,5 до 5 м/с.
  5. 5. Способ по п.2, где ферментационный бульон, распыленный в свободное пространство секции восходящей трубы, уменьшает слой пены, содержащийся в секции восходящей трубы.
  6. 6. Способ по п.2, где ферментационный бульон, распыленный в свободное пространство секции восходящей трубы, разрушает пузырьки газа в слое пены, который содержится в секции восходящей трубы.
  7. 7. Способ по п.2, где ферментационный бульон, распыленный в свободное пространство секции восходящей трубы, увлекает газообразный субстрат в ферментационный бульон, содержащийся в первичном контуре.
  8. 8. Способ по п.1, где циркулирование ферментативного бульона через вторичный контур повышает скорость массопереноса ферментации.
  9. 9. Способ по п.1, где газообразный субстрат подают в нижнюю часть секции восходящей трубы ферментационного сосуда.
  10. 10. Способ по п.1, где ферментационный сосуд содержит по меньшей мере одну насосную установку для циркулирования ферментативного бульона через секцию восходящей трубы и секцию нисходящей трубы ферментационного сосуда.
  11. 11. Способ по п.1, где вторичный контур содержит по меньшей мере одну вторичную насосную установку для циркулирования ферментативного бульона через вторичный контур.
  12. 12. Способ по п.1, где вторичный контур дополнительно содержит модуль рециркуляции клеток, где модуль рециркуляции клеток содержит мембрану для рециркуляции клеток, выбранную из группы, состоящей из мембран, ультрафильтрации и тарельчатых центробежных сепараторов.
  13. 13. Способ по п.1, где микроорганизм выбирают из группы, состоящей из Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium и Butyribacterium.
  14. 14. Способ по п.1, где микроорганизм выбирают из группы, включающей Clostridium autoethanogenum и Clostridium ljungdahlii.
  15. 15. Способ по п.1, где по меньшей мере один продукт выбран из группы, состоящей из этанола, уксусной кислоты, 2,3-бутандиола, бутанола, лактата, сукцината, метилэтилкетона, пропандиола, 2пропанола, изопропанола, ацетоина, изобутанола, цитрамалата, бутадиена, полимолочной кислоты, изобутилена, 3-гидроксипропионата, ацетона, жирных кислот и их смесей.
    - 19 030488
EA201690272A 2013-07-29 2014-07-28 Улучшенная ферментация газообразных субстратов EA030488B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361859768P 2013-07-29 2013-07-29
PCT/NZ2014/000154 WO2015016722A1 (en) 2013-07-29 2014-07-28 Improved fermentation of gaseous substrates

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201690272A1 EA201690272A1 (ru) 2016-06-30
EA030488B1 true EA030488B1 (ru) 2018-08-31

Family

ID=52390818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201690272A EA030488B1 (ru) 2013-07-29 2014-07-28 Улучшенная ферментация газообразных субстратов

Country Status (14)

Country Link
US (1) US9617509B2 (ru)
EP (1) EP3027726B1 (ru)
JP (1) JP6434976B2 (ru)
KR (1) KR102278910B1 (ru)
CN (1) CN105431519B (ru)
BR (1) BR112016001777B1 (ru)
CA (1) CA2917862C (ru)
EA (1) EA030488B1 (ru)
ES (1) ES2759927T3 (ru)
HU (1) HUE047267T2 (ru)
PL (1) PL3027726T3 (ru)
PT (1) PT3027726T (ru)
WO (1) WO2015016722A1 (ru)
ZA (1) ZA201600796B (ru)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015017857A1 (en) 2013-08-02 2015-02-05 The Board Of Regents For Oklahoma State University Method improving producer gas fermentation
EP3149148B1 (de) 2014-05-26 2018-08-01 MWK Bionik GmbH Produktionsverfahren und vorrichtung zur mikrobiologischen umsetzung von gasen
US11268063B2 (en) * 2015-08-28 2022-03-08 Energy Tech Innovations, LLC Method and apparatus for treating biogas
US10300439B2 (en) 2015-09-28 2019-05-28 Hamilton Sundstrand Corporation Systems and methods for gas disposal
US10589237B2 (en) * 2015-09-28 2020-03-17 Hamilton Sundstrand Corporation Systems and methods for gas disposal
JP7025338B2 (ja) * 2015-11-09 2022-02-24 ユニビオ アー／エス 微生物の改善された発酵プロセス
WO2018052295A1 (en) * 2016-09-15 2018-03-22 Kwr Water B.V. Bioreactor for aerobic hydrogenotrophic fermentation
EP3555300A1 (en) * 2016-12-13 2019-10-23 University of Hawaii A process and bioreactor for gas fermentation products
CN106582460B (zh) * 2017-01-20 2023-01-03 南京工业大学 一种气升式外循环反应器装置及工艺
RU2771462C2 (ru) * 2017-03-01 2022-05-04 Унибио А/С Реактор для ферментации и процесс ферментации
NL2020407B1 (en) * 2018-02-09 2019-08-19 Yong Shin Hyun Bioreactor for converting gaseous co2
CA3123724A1 (en) * 2019-01-25 2020-07-30 Unibio A/S Improved loop-fermenter
JP2021006616A (ja) * 2019-03-18 2021-01-21 積水化学工業株式会社 共役ジエン系重合体の製造方法
CN110241023B (zh) * 2019-06-20 2020-09-04 江南大学 一种用于高密度大规模动物细胞培养的生物反应器及应用
WO2021011484A1 (en) * 2019-07-12 2021-01-21 Buckman Laboratories International, Inc. System and method for optimization of the fermentation process
CN113058403B (zh) * 2021-04-02 2023-03-14 河北首朗新能源科技有限公司 一种工业尾气连续发酵装置
CN113583822A (zh) * 2021-07-14 2021-11-02 南京延长反应技术研究院有限公司 一种常压气源微界面强化生物发酵的装置及方法
CN113684115A (zh) * 2021-08-31 2021-11-23 南京延长反应技术研究院有限公司 一种微界面传质强化发酵系统及方法
US11884909B2 (en) * 2022-04-25 2024-01-30 Ark Biotech Inc. Cluster airlift bioreactor
US20230407345A1 (en) * 2022-06-16 2023-12-21 Lanzatech, Inc. Liquid distributor system and process of liquid distribution

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6492135B1 (en) * 1999-05-18 2002-12-10 Ebbe Busch Larsen U-shape and/or nozzle u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process
US20110244538A1 (en) * 2009-09-06 2011-10-06 Simon Richard Trevethick Fermentation of gaseous substrates
EP2573053A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-27 Air Products And Chemicals, Inc. Gas dispersion apparatus for improved gas-liquid mass transfer

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4533211A (en) 1983-01-31 1985-08-06 International Business Machines Corporation Frequency multiplexed optical spatial filter based upon photochemical hole burning
US4952509A (en) * 1988-04-14 1990-08-28 Phillips Petroleum Company Fermentation broth degassification
US5173429A (en) 1990-11-09 1992-12-22 The Board Of Trustees Of The University Of Arkansas Clostridiumm ljungdahlii, an anaerobic ethanol and acetate producing microorganism
US5821111A (en) 1994-03-31 1998-10-13 Bioengineering Resources, Inc. Bioconversion of waste biomass to useful products
US5593886A (en) 1992-10-30 1997-01-14 Gaddy; James L. Clostridium stain which produces acetic acid from waste gases
US5807722A (en) 1992-10-30 1998-09-15 Bioengineering Resources, Inc. Biological production of acetic acid from waste gases with Clostridium ljungdahlii
US6136577A (en) 1992-10-30 2000-10-24 Bioengineering Resources, Inc. Biological production of ethanol from waste gases with Clostridium ljungdahlii
DE69638265D1 (de) 1996-07-01 2010-11-11 Emmaus Foundation Inc BIOLOGISCHE HESTELLUNG VON ESSIGSäURE AUS ABGASEN
UA72220C2 (ru) 1998-09-08 2005-02-15 Байоенджініерінг Рісорсиз, Інк. Translated By PlajНЕСМЕШИВАЕМАЯ С ВОДОЙ СМЕСЬ РАСТВОРИТЕЛЬ/СОРАСТВОРИТЕЛЬ ДЛЯ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ АНАЭРОБНОГО МИКРОБНОГО БРОЖЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ (ВАРИАНТЫ), МОДИФИЦИРОВАННЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
WO2000068407A1 (en) 1999-05-07 2000-11-16 Bioengineering Resources, Inc. Clostridium strains which produce ethanol from substrate-containing gases
UA76117C2 (en) 2000-07-25 2006-07-17 Emmaus Foundation Inc A process for a stable producing ethanol
CN2820862Y (zh) * 2005-05-27 2006-09-27 魏晓路 反馈型有机废弃物生物发酵装置
NZ546496A (en) 2006-04-07 2008-09-26 Lanzatech New Zealand Ltd Gas treatment process
US7704723B2 (en) 2006-08-31 2010-04-27 The Board Of Regents For Oklahoma State University Isolation and characterization of novel clostridial species
NZ553984A (en) 2007-03-19 2009-07-31 Lanzatech New Zealand Ltd Alcohol production process
US8222013B2 (en) 2007-11-13 2012-07-17 Lanzatech New Zealand Limited Bacteria and methods of use thereof
US8143037B2 (en) 2010-03-19 2012-03-27 Coskata, Inc. Ethanologenic Clostridium species, Clostridium coskatii
US20130005010A1 (en) * 2011-06-30 2013-01-03 Peter Simpson Bell Bioreactor for syngas fermentation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6492135B1 (en) * 1999-05-18 2002-12-10 Ebbe Busch Larsen U-shape and/or nozzle u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process
US20110244538A1 (en) * 2009-09-06 2011-10-06 Simon Richard Trevethick Fermentation of gaseous substrates
EP2573053A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-27 Air Products And Chemicals, Inc. Gas dispersion apparatus for improved gas-liquid mass transfer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KILONZO PETER M. et al. "Effects of geometrical design on hydrodynamic and mass transfer characteristics of a rectangular-column airlift bioreactor", Biochemical Engineering Journal, 2007, vol. 34, No. 3, pp. 279-288 See abstract; pages 279-281 and figure 1. *
ZHANG KAI et al. "Gas holdup and bubble dynamics in a three-phase internal loop reactor with external slurry circulation, Fuel, 2010, vol. 89, No. 7, pp. 1361-1369 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP6434976B2 (ja) 2018-12-05
BR112016001777B1 (pt) 2021-06-01
JP2016524927A (ja) 2016-08-22
US20150031099A1 (en) 2015-01-29
WO2015016722A1 (en) 2015-02-05
CA2917862C (en) 2016-11-08
PL3027726T3 (pl) 2020-05-18
BR112016001777A2 (pt) 2017-08-01
CN105431519A (zh) 2016-03-23
KR20160037892A (ko) 2016-04-06
ZA201600796B (en) 2018-07-25
US9617509B2 (en) 2017-04-11
CN105431519B (zh) 2018-09-14
EP3027726A1 (en) 2016-06-08
EP3027726B1 (en) 2019-10-16
KR102278910B1 (ko) 2021-07-20
EA201690272A1 (ru) 2016-06-30
HUE047267T2 (hu) 2020-04-28
EP3027726A4 (en) 2017-04-05
CA2917862A1 (en) 2015-02-05
PT3027726T (pt) 2020-01-15
ES2759927T3 (es) 2020-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2917862C (en) A reactor system for the fermentation of gaseous substrates and related methods
CN107075531B (zh) 改进的发酵中碳捕捉
TWI490328B (zh) 氣態基質之改良發酵
JP7110283B2 (ja) 微生物発酵における代謝産物生成を制御するためのシステム及び方法
US9340802B2 (en) Fermentation of gaseous substrates
JP6662868B2 (ja) 複数ステージバイオリアクタープロセス
US9771603B2 (en) Fermentation process
US20130078688A1 (en) Low energy, high substrate efficiency, anaerobic, deep, bubble column fermentation processes
US8563299B2 (en) Moving bed biofilm reactor (MBBR) process for conversion of syngas components to liquid products

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KG TJ TM