TWI623619B - 用於發酵含ｃｏ之氣態基質的方法 - Google Patents

用於發酵含ｃｏ之氣態基質的方法 Download PDF

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Abstract

一種方法於一含CO之基質發酵期間提供高乙醇生產力水準。此方法控制CO基質進料速率及細胞密度以避免培養物失穩及CO抑制。此方法包含發酵一含CO之氣態基質獲得一目標細胞密度及一目標CO進料速率，然後，周期性地降低及增加CO進料速率。

Description

用於發酵含CO之氣態基質的方法 發明領域
提供一種用於發酵含CO之氣態基質的方法。更特別地，此方法包含發酵含CO之氣態基質以獲得一目標細胞密度及一目標CO進料速率，然後，週期性地降低及增加CO進料速率。此方法有效維持於發酵中約0.25mM或更少之溶解CO濃度。
背景
產乙酸微生物會經由氣態基質發酵從一氧化碳(CO)產生乙醇。使用梭菌(Clostridium)屬之厭氧微生物發酵產生乙醇及其它有用產物。例如，美國專利第5,173,429號案描述將達梭菌(Clostridium ljungdahlii)ATCC編號49587，一種自合成氣體產生乙醇及乙酸酯之厭氧微生物。美國專利第5,807,722號案描述一種用於使用將達梭菌ATCC編號55380將廢氣轉化成有機酸類及醇類之方法及裝置。美國專利第6,136,577號案描述一種使用將達梭菌ATCC編號55988及55989將廢氣轉化成乙醇之方法及裝置。
用於自一氧化碳製造乙醇之方法涉及於隨著時 間增加量之CO培養產乙酸細菌。發酵中高含量或低含量之CO會造成較低生產力。當至發酵槽之CO進料速率增加，發酵介質中之溶解CO濃度會增加。發酵介質中溶解CO濃度增加會造成CO抑制及減少之生產力水準。
概要
一種方法於一含CO之基質發酵期間提供高乙醇生產力水準。此方法控制CO-基質進料速率及細胞密度，以避免培養失穩及CO抑制。
一種用於發酵一含CO之基質的方法包含將此含CO之基質提供至一發酵槽獲得一目標CO進料速率，及使一CO進料速率維持於此目標CO進料速率之約7個標準偏差內。此CO進料速率有效維持發酵中約0.25mM或更少之溶解CO濃度及10克總醇/(升．天)或更多之STY。於一方面，此方法包含使CO進料速率於一目標CO進料速率與距目標CO進料速率約7個標準偏差內之間循環。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係維持於目標CO進料速率之約4至約7個標準偏差內持續總發酵時間之至少約1%至約20%。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係維持於目標CO進料速率之約3至約5個標準偏差內持續總發酵時間之至少約1%至約10%。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係維持於目標CO進料速率之約1至約3個標準偏差內持續總發酵時間之至少約1%至約10%。
一種用於發酵一含CO之基質的方法包含將此含CO之基質提供至一發酵槽，及發酵此含CO之基質獲得一目標細胞密度及一目標CO進料速率。此方法進一步包含將此目標CO進料速率降低約35%或更少以提供一降低之CO進料速率，將降低之CO進料速率維持約20分鐘或更少，及使降低之CO進料速率回到目標CO進料速率。此方法有效提供10克總醇/(升．天)或更多之STY。
一種用於發酵一含CO之基質的方法包含將此含CO之基質提供至一發酵槽，發酵此含CO之基質獲得一目標細胞密度及一目標CO進料速率；及使發酵中之溶解CO濃度維持約0.25mM或更少。於此方面，此方法有效提供10克乙醇/(升．天)之STY。於另一方面，溶解CO濃度係藉由以下維持：a)使至發酵之目標CO進料速率降低目標CO進料速率之約25%至約35%以提供一第一降低CO進料速率，及使第一降低CO進料速率維持約1至約10分鐘；b)增加至發酵之第一降低CO進料速率，以提供一第二降低CO進料速率，其係降低目標CO進料速率之約15至約25%，及使第二降低進料速率維持約1至約5分鐘；c)增加至發酵之第二降低CO進料速率，以提供一第三降低CO進料速率，其係降低目標CO進料速率之約5%至約15%，及使第三降低進料速率維持約1至約5分鐘；及d)使第三降低CO進料速率增至目標進料速率或更多。於一方面，步驟a)至d)可重複每小時至少約1次。
於另一方面，一種於一含CO之基質發酵期間避免CO抑制之方法包含將此含CO之基質提供至一發酵槽，及 使此含CO之基質與一發酵介質接觸及發酵此含CO之基質。此方法包含判定發酵介質中之溶解CO濃度，及使發酵中之溶解CO濃度維持約0.25mM或更少。此方法有效提供10克乙醇/(升．天)或更多之STY。
於另一方面，一種用於發酵一含CO之基質的方法包含將此含CO之基質提供至一發酵槽，及發酵此含CO之基質獲得一目標細胞密度及一目標CO進料速率。此方法包含維持至少約25%或更多之H2轉化。此方法有效提供10克乙醇/(升．天)或更多之STY。
於另一方面，一種用於發酵一含CO之基質的方法包含將此含CO之基質提供至一發酵槽，及發酵此含CO之基質獲得一目標H2轉化及目標CO攝取。此方法包含監測H2轉化及CO攝取，及維持約25%至約95%之H2轉化及約0.001至約10毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞CO攝取。
圖式簡要說明
本發明之數個方面的如上及其它方面、特徵及優點由下列圖式會更有顯。
圖1A及1B顯示CO至一發酵之CO的循環之個別圖案。
圖2例示具有不同氣體流速之發酵的結果。
圖3顯示氣體循環對H2轉化之作用。
圖4例示恢復氣流循環後之H2轉化的恢復。
圖5顯示於一先導工廠發酵槽中之氣體滯留時間 及流動速率。
圖6顯示於一先導工廠發酵槽中10%及20%之氣體流動速率變化之氣體轉化。
圖7例示於一先導工廠發酵槽中之基質攝取。
圖8例示於一先導工廠發酵槽中之產物濃度。
圖9例示於一先導工廠發酵槽中氣體循環速率對理論乙醇生產力之作用。
圖10顯示於先導工廠發酵槽中之乙醇生產力。
詳細說明
下列說明並不是被作為限制含意，而係僅用於說明例示實施例之一般原理之目的。本發明之範圍需參考申請專利範圍作決定。
於具有此處所述之介質及產乙酸細菌的生物反應器中進行之合成氣體發酵係有效用於提供合成氣體中之CO轉化成醇類及其它產物。經由控制發酵介質中之CO進料速率及細胞密度而控制發酵中之CO濃度係有效提供高生產力水準。於此方面，生產力可以STY(空間時間產率，其係以克總醇/(升．天))表示。於此方面，此方法有效提供至少約10克總醇/(升．天)之STY(空間時間產率)。可能之STY值包含約10克總醇/(升．天)至約200克總醇/(升．天)，於另一方面，約10克總醇/(升．天)至約160克總醇/(升．天)，於另一方面，約10克總醇/(升．天)至約120克總醇/(升．天)，於另一方面，約10克總醇/(升．天)至約80克總醇/(升．天)，於另一方面，約 20克總醇/(升．天)至約140克總醇/(升．天)，於另一方面，約20克總醇/(升．天)至約100克總醇/(升．天)，於另一方面，約40克總醇/(升．天)至約140克總醇/(升．天)，及於另一方面，約40克總醇/(升．天)至約100克總醇/(升．天)。
定義
除非其它定義，下列術語於本揭露內容之說明書各處使用時係如下般定義，且可包含單數或複數型式之如下定義之定義。
修飾任何量之術語“約”係指此含量於真實世界條件(例如，實驗室、先導工廠，或生產設備)遭遇到之變化。例如，用於一混合物或一數量之一成份或測量的量以“約”修飾時係包含典型上用於生產工廠或實驗室之實驗條件測量之變化及注意程度。例如，一產物之一組份的量當以“約”修飾時係包含於工廠或實驗室之複數次實驗之批次物間的變化及分析方法固有的變化。無論是否以“約”修飾，此等量包含此等量之等化物。此處表示及以“約”修飾之任何量亦可如同未以“約”修飾之量般用於本揭露內容。
術語"氣態基質"係以非限制性含意用以包含含有一或多種氣體或自此衍生之基質。
術語“合成氣體”或“合成氣”意指給予一含有不同量之一氧化碳及氫的氣體混合物之名稱的合成氣體。製造方法之例子包含天然氣體或烴之蒸氣重組製造氫，煤之氣化，及某些型式之廢棄物化為能源(waste-to-energy)氣化設備。此名稱來自於其等作為用於產生合成天然氣體(SNG) 及用於製造氨或甲醇之中間物。合成氣體係可燃性且通常作為一能源或作為用於製造其它化學品之中間物。
術語"發酵槽"包含一由一或多個容器及/或塔或管路配置所組成之發酵裝置，其包含連續攪拌槽反應器(CSTR)、固定化細胞反應器(ICR)、滴流床反應器(TBR)、移動床生物膜反應器(MBBR)、氣泡塔、氣升發酵槽、諸如中空纖維膜生物反應器(HFMBR)之膜反應器、靜式混合器，或適於氣液接觸之其它容器或其它裝置。
術語“發酵”、發酵方法”，或“發酵反應”等係意指包含此方法之生長相及產物生物合成相。於一方面，發酵係指CO轉化成醇。
術語“細胞密度”意指每單位體積之發酵液的微生物細胞之質量，例如，克/升。
術語“增加效率”、“經增加之效率”等當與一發酵方法相關而使用時係包含此發酵之微生物生長速率、每一體積或質量之消耗基質(諸如，一氧化碳)製造之所欲產物(諸如，醇類)的體積或質量、所欲產物之製造速率或製造水準，及製造之所欲產物與其它發酵副產物相比之相對比例之一或多者。
於此處使用時，“總醇”包含乙醇、丁醇、丙醇，及甲醇。於一方面，總醇可包含至少約75重量%或更多之乙醇，於另一方面，約80重量%或更多之乙醇，於另一方面，約85重量%或更多之乙醇，於另一方面，約90重量%或更多之乙醇，及於另一方面，約95重量%或更多之乙醇。 於另一方面，總醇可包含約25重量%或更少之丁醇。
術語“比CO攝取”意指單位質量之微生物細胞(克)每單位時間(分鐘)消耗掉之CO量(毫莫耳)，即，毫莫耳/克/分鐘。
含CO之基質
一含CO之基質可包含任何含有CO之氣體。於此方面，一含CO之氣體可包含合成氣體、工業氣體，及此等之混合物。
合成氣體可自任何已知來源提供。於一方面，合成氣體可源自於含碳材料之氣化。氣化渉及於一受限之氧供應使生物質部份燃料。形成氣體主要包含CO及H2。於此方面，合成氣體會含有至少約10莫耳%之CO，於一方面，係至少約20莫耳%，於一方面，係約10至約100莫耳%，於另一方面，係約20至約100莫耳%之CO，於另一方面，係約30至約90莫耳%之CO，於另一方面，係約40至約80莫耳%之CO，且於另一方面，係約50至約70莫耳%之CO。適合之氣化方法及裝置的一些例子係於皆在2011年4月6日申請之美國序號第61/516,667,61/516,704及61/516,646號案，及皆在2012年3月22日申請之美國序號第13/427,144、13/427,193及13/427,247號案提供，此等案在此皆被併入以供參考之用。
於另一方面，此方法具有支持從諸如高體積之含CO的工業燃料氣體之氣態基質製造醇之應用性。於某些方面，含有CO之氣體係衍生自含碳之廢料，例如，工業廢氣， 或其它廢料之氣化。因此，此等方法表示用於補獲否則會耗盡於環境中之碳的有效方法。工業燃料氣體的例子包含於鐵金屬產品製造、非鐵產品製造、石油精製方法、煤氣化、生物質氣化、電力生產、碳黑生產、氨生產、甲醇生產，及焦炭製造期間產生之氣體。
依含CO之基質的組成而定，含CO之基質可直接提供至一發酵方法，或可進一步改質而包含一適當之H2對CO的莫耳比率。於一方面，提供至發酵槽的含CO之基質具有約0.2或更多之H2對CO的莫耳比率，於另一方面，係約0.25或更多，且於另一方面，係約0.5或更多。於另一方面，提供至發酵槽的含CO之基質可包含約40莫耳%或更多之CO加上H2及約30莫耳%或更少之CO，於另一方面，係約50莫耳%或更多之CO加上H2及約35莫耳%或更少之CO，且於另一方面，係約80莫耳%或更多之CO加上H2及約20莫耳%或更少之CO。
於一方面，含CO之基質主要含有CO及H2。於此方面，含CO之基質會含有至少約10莫耳%之CO，於一方面，係至少約20莫耳%，於一方面，係約10至約100莫耳%，於另一方面，係約20至約100莫耳%之CO，於另一方面，係約30至約90莫耳%之CO，於另一方面，係約40至約80莫耳%之CO，且於另一方面，係約50至約70莫耳%之CO。含CO之基質會具有至少約0.75之CO/CO2比率，於另一方面，係至少約1.0，且於另一方面，係至少約1.5。
於一方面，一氣體分離器係組配成實質上分離至 少一部份之氣流，其中，此部份含有一或多種組份。例如，此氣體分離器可使CO2與一含有下列組份之氣流分離：CO、CO2、H2，其中，CO2可送至一CO2移除器，且剩餘之氣流(包含CO及H2)可送至一生物反應器。此項技藝已知之任何氣體分離器可被使用。於此方面，送至發酵槽之合成氣體會具有約10莫耳%或更少之CO2，於另一方面，係約1莫耳%或更少之CO2，且於另一方面，係約0.1莫耳%或更少之CO2。
某些氣流可含有高濃度之CO及低濃度之H2。於一方面，所欲地係使基質流之組成達最佳化，以便達成較高效率之醇製造及/或整體碳補獲。例如，基質流中之H2濃度可於此流被送至生物反應器之前增加。
依據本發明之特別方面，來自二或更多來源之流體可被組合及/或摻合產生一所欲及/或最佳化之基質流。例如，一包含高濃度CO之流體(諸如，來自一煉鋼廠轉爐之排氣)可與一包含高濃度H2之流體(諸如，來自一煉鋼廠煉焦爐之廢氣)組合。
依氣態之含CO的基質之組成而定，亦所欲地係於將其引至發酵前將其處理以移除任何非所欲之雜質，諸如，粉塵顆粒。例如，氣態基質可使用已知方法過濾或洗滌。
生物反應器之設計及操作
發酵槽設計之說明係描述於在2012年5月15日申請之美國序號第13/471,827及13/471,858號案，及在2012年5月16日申請之美國序號第13/473,167號案，此等案在此皆被 併入以供參考之用。
依據一方面，發酵方法係藉由將介質添加至反應器容器而開始。介質組成物之一些例子係描述於在2012年5月22日申請之美國序號第61/650,098及61/650,093號案，及在2001年7月23日申請之美國專利第7,285,402號案，此等案在此皆被併入以供參考之用。介質可被消毒以移除非所欲之微生物，且反應器係以所欲微生物接種。消毒並非皆需要。
於一方面，使用之微生物包含產乙酸細菌。有用之產乙酸細菌的例子包含梭菌屬，諸如，包含於WO 2000/68407、EP 117309、美國專利第5,173,429、5,593,886及6,368,819號案、WO 1998/00558及WO 2002/08438中所述者之將達梭菌株，包含於WO 2007/117157及WO 2009/151342中所述者之自產醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)株(德國DSMZ之DSM 10061及DSM 19630)，及包含個別於美國專利第7,704,723號案及於2010年4月29日於Oklahoma EPSCoR Annual State Conference提出之“Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas”,Hasan Atiyeh中所述者之拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)(P11,ATCC BAA-622)及嗜鹼菌(Alkalibaculum bacchi)(CP11,ATCC BAA-1772)，及於美國專利第2007/0276447號案中所述之梭狀芽孢桿菌(Clostridium carboxidivorans)(ATCC PTA-7827)。其它適合 微生物包含莫爾氏菌屬(genus Moorella)者，包含莫爾氏sp.HUC22-1，及氧化碳嗜熱菌屬(genus Carboxydothermus)者。此等參考文獻之每一者在此被併入以供參考之用。二或更多種微生物之混合培養物可被使用。
有用細菌之一些例子包含凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii)、嗜鹼菌(Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、產生性布洛堤菌(Blautia producta)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、地下嗜熱厭氧菌(Caldanaerobacter subterraneous)、太平洋地下嗜熱厭氧菌(Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、自產乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國DSMZ之DSM 19630)、自產乙醇梭菌(德國DSMZ之DSM 10061)、自產乙醇梭菌(德國DSMZ之DSM 23693)、自產乙醇梭菌(德國DSMZ之DSM 24138)、梭狀芽孢桿菌P7(ATCC PTA-7827)、克氏梭菌(Clostridium coskatii)(ATCC PTA-10522)、德可氏梭菌(Clostridium drakei)、將達梭菌PETC(ATCC 49587)、將達梭菌ERI2(ATCC 55380)、將達梭菌C-01(ATCC 55988)、將達梭菌O-52(ATCC 55889)、大梭菌(Clostridium magnum)、巴斯德梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國DSMZ之DSM 525)、 拉氏梭菌(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、糞味梭菌(Clostridium scatologenes)、熱乙酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、雅爾氏梭菌(Clostridium ultunense)、庫氏脫硫腸狀菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、嗜乙酸甲烷八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、熱醋莫爾氏菌(Morrella thermoacetica)、熱自養莫爾氏菌(Morrella thermoautotrophica)、普氏產醋桿菌(Oxobacter pfennigii)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產生瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、凱伍熱厭氧菌(Thermoanaerobacter kivui)，及此等之混合物。
發酵所欲地應於對於發生所欲發酵(例如，CO變成乙醇)之適當條件下進行。應被考量之反應條件包含壓力、溫度、氣體流動速率、液體流動速率、介質之pH、介質之氧化還原電位、攪拌速率(若使用一連續攪拌槽反應器)、接種水平、確保於液相中之CO不會受限之最大氣體基質濃度，及避免產物抑制之最大產物濃度。
本發明之方法可用於維持一其中微生物培養物係受限於CO之微生物培養物的存活性，使得CO轉移至溶液內之速率係少於培養物之攝取速率。此等情況會於一含有CO之基質不被連續提供至微生物培養物；質量轉移速率低；或一基質流中具有不足以在最佳溫度維持培養物生存力之 CO時發生。於此等實施例，微生物培養物會快速耗盡溶於液體養分介質中之CO且使基質受限制，因為不能快速提供另外基質。
啟動：接種時，建立有效供應起始微生物族群之起始進料氣體供應速率。分析流出氣體以判定流出氣體之內容物。氣體分析結果被用以控制進料氣體速率。於此方面，此方法提供一種經計算之CO濃度至約0.5至約0.9，於另一方面，係約0.6至約0.8，於另一方面，係約0.5至約0.7，且於另一方面，係約0.5至約0.6，之起始細胞密度比率。
於另一方面，一發酵方法包含以於發酵介質中有效提供約0.15Mm至約0.70mM，於另一方面，係約0.15mM至約0.50mM，於另一方面，係約0.15mM至約0.35mM，於另一方面，係約0.20mM至約0.30mM，且於另一方面，係約0.23mM至約0.27mM之一起始經記算的CO濃度之量提供合成氣體至一發酵介質。與一起始細胞密度相比較，此方法有效增加細胞密度。
啟動後：於達到所欲水準時，液體相及細胞材料自反應器收回，且以介質再填滿。此方法有效使細胞密度增至約2.0克/升或更多，於另一方面，係約2至約30克/升，於另一方面，係約2至約25克/升，於另一方面，係約2至約20克/升，於另一方面，係約2至約10克/升，於另一方面，係約2至約8克/升，於另一方面，係約3至約30克/升，於另一方面，係約3至約6克/升，且於另一方面，係約4至約5克/升。
於一方面，用於發酵含CO之基質的方法包含將含CO之基質提供至一發酵槽以獲得一目標CO進料速率，及將一CO進料速率維持於目標CO進料速率之約7個標準偏差內。於另一方面，此方法包含將CO進料速率維持於目標CO進料速率之約6個標準偏差內，於一方面，係約目標CO進料速率之約5個標準偏差內，於一方面，係約目標CO進料速率之約4個標準偏差內，於一方面，係約目標CO進料速率之約3個標準偏差內，於一方面，係約目標CO進料速率之約2個標準偏差內，且於一方面，係約目標CO進料速率之約1個標準偏差內。
於一方面，此方法包含將CO進料速率於一目標CO進料速率與距目標CO進料速率約7個標準偏差之間循環。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係於目標CO進料速率之約4個至約7個標準偏差內持續總發酵時間之至少約1%至約20%。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係於目標CO進料速率之約4.5個至約6.5個標準偏差內持續總發酵時間之至少約3%至約15%。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係於目標CO進料速率之約6個至約6.5個標準偏差內持續總發酵之至少約5%至約12%，且於另一方面，於達成目標CO進料速率後係總發酵時間之約6%至約12%。
於另一方面，此方法包含將CO進料速率於一目標CO進料速率與目標CO進料速率之約3個至約5個標準偏差內之間循環，於達成目標CO進料速率後持續總發酵時間 之至少約1%至約10%。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係於目標CO進料速率之約3個至約4個標準偏差內持續總發酵時間之至少約1%至約10%，於另一方面，係於達成目標CO進料速率後，持續總發酵時間之約1%至約7%，且於另一方面，係於達成目標CO進料速率後持續總發酵時間之約1%至約5%。
於另一方面，此方法包含將CO進料速率於一目標CO進料速率與目標CO進料速率之約1個至約3個標準偏差內循環，其係於達成目標CO進料速率後持續總發酵時間之至少約1%至約10%。於另一方面，於達成目標CO進料速率後，CO進料速率係於目標CO進料速率之約2個至約3個標準偏差內持續總發酵時間之至少約1%至約10%，於另一方面，於達成目標CO進料速率後，持續總發酵時間之約1%至約6%，且於另一方面，於達成目標CO進料速率後，持續總發酵時間之約1%至約5%。
於一相關方面，一旦目標進料速率被達成，實際CO進料速率被監測。平均CO進料速率係藉由當CO進料速率係於一目標CO進料速率範圍內時測量CO進料速率至少3次而判定。CO進料速率之測量可進行3次或更多次，於另一方面，係任何次數，諸如，從約4次至約50次之任何測量次數。然後，標準偏差可以平均CO進料速率為基準計算。
於一方面，此方法包含以有效提供所欲之CO濃度、H2轉化，或CO攝取之任何方式循環CO進料速率之減少及增加。於一方面，此方法包含使目標CO進料速率減少約 35%或更少，持續約20分鐘或更少。於另一方面，此方法包含使至發酵之目標CO進料速率減少約25%至約35%，於另一方面，係約26%至約34%，且於另一方面，係約28%至約32%，以提供一第一降低CO進料速率。第一降低CO進料速率被維持約1至約10分鐘，於另一方面，係約2至約8分鐘，於另一方面，係約3至約7分鐘，且於另一方面，係約4至約6分鐘。
依據此方法之另一方面，此方面包含增加第一降低CO進料速率以提供一第二降低CO進料速率，其係降低目標CO進料速率之約15%至約25%，於另一方面，係約17%至約23%且於另一方面，係約18%至約22%。此方法進一步包含將第二降低CO進料速率維持約1至約5分鐘，於另一方面，係約1至約4分鐘，且於另一方面，係約1至約3分鐘。
依據此方法之另一方面，此方法包含增加第二降低CO進料速率以提供一第三降低CO進料速率，其係降低目標CO進料速率之約5%至約15%，於另一方面，係約7%至約13%，且於另一方面，係約8%至約12%。此方法進一步包含使第三降低CO進料速率維持約1至約5分鐘，於另一方面，係約1至約4分鐘，且於另一方面，係約1至約3分鐘。此方法可進一步將第三降低CO進料速率增加至目標進料速率或多於目標進料速率。增加及減少CO進料速率之循環可重複每小時至少約1次，且於另一方面，係每小時範圍從1至20個循環之任何次數。增加及減少CO進料速率之循環可持續至發酵結束為止。
圖1(a)及1(b)顯示使CO循環至一發酵之個別圖案的變化之二範例。於圖1(a)及1(b)所示之此二圖中，x軸係時間，且y軸係目標CO進料速率之降低%。圖1(a)例示一直步式(straight step)圖案，其中，流動速率係快速調整。圖1(b)顯示一逐步式(gradual step)圖案，其中，流動速率係較逐漸地調整。個別圖案不限於圖1(a)及1(b)所示者，而可包含能使CO流動速率循環之任何型式的圖案。
CO進料速率可以標準立方英呎/分鐘(SCFM)或以標準立方英呎/小時/升表示。於此方面，標準立方英呎/小時/升可為約0.9至約2.0之範圍，且於另一面，係約1.25至約1.75SCFM。於另一方面，平均CO進料速率係有效使至發酵槽之CO進料速率對發酵槽體積之比率維持於約0.016：1至約0.04：1，於另一方面，係約0.02：1至約0.04：1，於另一方面，係約0.02：1至約0.035：1，於另一方面，係約0.025：1至約0.035：1，且於另一方面，係約0.025：1至約0.03：1的一CO進料速率。
於另一方面，此方法包含監測H2轉化及使H2轉化維持於約25%或更多，於另一方面，係約25%至約95%，於另一方面，係約30%至約90%，於另一方面，係約35%至約85%，於另一方面，係約40%至約80%，於另一方面，係約40%至約70%，於另一方面，係約40%至約60%，且於另一方面，係約40%至約50%。此方法可進一步包含監測CO攝取，且使CO攝取維持於約0.001至約10毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.001至約5毫莫耳/分鐘/克乾燥細 胞，於另一方面，係約0.001至約4毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.001至約3毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.001至約2毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.001至約1毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.05至約9毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.05至約5毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.05至約4毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.05至約3毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.05至約2毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約0.05至約1毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約1至約8毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約1至約5毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約1至約4毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，於另一方面，係約1至約3毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞，且於另一方面，係約1至約2毫莫耳/分鐘/克乾燥細胞。
於另一方面，此方法係有效使經計算之CO濃度(mM)對細胞密度(克/升)之比率維持於約0.001至約1.0，於另一方面，約0.01至約0.9之經計算之CO濃度對細胞密度之比率，於另一方面，係約0.01至約0.8，於另一方面，係約0.02至約0.8，於另一方面，係約0.02至約0.75，於另一方面，係約0.03至約0.75，且於另一方面，係約0.03至約0.5。
CO濃度之判定-計算值
溶解之CO濃度係經由下列方程式計算：
於氣體降低時，由於廢氣中降低之CO分壓及降低之KLa(質量轉移係數)，溶解之CO亦會降低。當無氣體循環時，溶解之CO保持相對穩定。
此方法有效使溶解之CO濃度維持於約0.25Mm或更少，於另一方面，係約0.20mM或更少，於另一方面，係約0.15mM或更少，於另一方面，係約0.10mM或更少，於另一方面，係約0.08mM或更少，且於另一方面，係約0.06mM或更少。於另一方面，溶解之CO濃度可低達CO檢測極限，且可基本上為0。
範例 範例1：氣體循環
發酵係以將達梭菌進行。於起始啟動後，發酵經歷藉由下降之H2轉化指示之性能失穩。氣體循環係於H2轉化係23.5%時之第126小時實施。
氣體循環係如下進行：降低氣體流動速率30%持續5分鐘→從-30%升回-20%持續另外之2分鐘→從-20%升回-10%持續另外之2分鐘→升回原始流動速率；每1小時重複此程序。
發酵結果係例示於圖2。H2攝取於氣體循環處理期間持續下降，且H2轉化於第160小時達到底部15.6%。H2轉化反轉趨勢及增加，且於第237小時達峰值，且持續下30個小時。氣體循環於第270小時故意停止：a)以可能降低高 酸性之危險性；及b)確認H2轉化會下降，且使氣體循環再測試成為可能。乙醇及酸於1天後(於第296小時)開始下降，且氫轉化趨向下降。H2轉化下降於308至316期間加速。氣體循環於H2轉化於第319小時達24%時恢復。於氣體循環期間之溶解CO係於3.1至3.8psia之範圍。
改良之氫轉化於氣體循環恢復後6小時見到，且氫轉化於20小時改良式32%。氣體循環於剩餘之發酵被保持。
範例2：使用氣體循環回復H2轉化
一發酵係以將達梭菌進行。如圖3所例示，發酵於整個操作具有低氫轉化。氣體循環於氫轉化降低趨勢期間實施，且能恢復轉化。當氣體循環自此程序移除時，氫轉化下降。於氣體循環期間之溶解CO係於3.1至4.1psia之範圍。
範例3：使用氣體循環恢復H2轉化
一發酵係以將達梭菌進行。如圖4所示，於480小時之前，氣體循環係如所述般實施，然後，當發酵槽以低細胞密度進行時，於480-600小時時關掉。於624小時，發酵槽再次上升，但是，氣體循環處於關閉至722小時處理時間為止。氫轉化於固定氣體流動速率下從50%(及更高)下降至40%。於氣體循環恢復後，H2轉化恢復到46至49之間(upper 40s)。氣體循環期間之溶解CO係於2.2-3.2psia之範圍。
範例4：以先導工廠發酵槽之氣體循環
一先導工廠主要發酵槽於開始任何氣體循環前係依據下列條件操作。
反應器體積：245升
氣體進料速率：6SCFM
氣體組成：15% H2，10% CO2，30% CO，及45% N2
攪拌維持於38Hz或355rpm。
發酵槽操作壓力係45psig，具有50%滿之液體，及控溫套。
理論乙醇生產力(假設所有經轉化的氣體係用於製造乙醇)係約125克/升．天，且水再循環系統打開。
CO及H2之轉化係約77%及42%。
乙醇及乙醯基濃度係23及2.3克/升。
細胞滯留時間係19小時，且液體滯留時間係4.4小時。
氣體循環如下：氣體流動速率係於每小時之前10分鐘增加10%，然後，回到起始氣體進料速率持續50分鐘。於下一小時，氣體流動速率降低10%持續10分鐘，然後，再次回到起始氣體進料速率持續50分鐘。
發酵槽係於6SCFM之起始氣體進料速率操作約1天。藉由使氣體進料速率每2小時降低0.1SCFM使氣體速率降至5.4SCFM。然後，氣體進料速率於5.4SCFM維持另外54小時。氣體循環變成20%之增加及減少，持續15分鐘時間。發酵槽無任何固難於20%循環下操作另外76小時。然後，循環量增至50%，且時間延至4小時且循環間至8小 時。
10%及20%量之循環的性能係於圖5至10中顯示。圖5顯示於此操作中之氣體進料速率及氣體滯留時間。氣體進料速率係以基本氣體進料速率為基準，且氣體滯留時間係以每小時取樣期間記錄之氣體進料速率為基準。測量之數據係每小時一次。如圖5所示，於循環期之期間測量時，循環後之氣體滯留時間係於一平線中穩定，具有些微具固定量及頻率之振盪。於循環期間測量時，與10%氣體循環相比，振盪量於20%氣體循環期間更高。
圖6顯示H2及CO轉化。此圖包含循環前之5天取樣。與循環後相比，CO轉化於循環前係較不規則。循環前之H2轉化係明顯較不穩定，且曲折量係更寬，且頻率係不規則。氣體循環後，H2轉化於約44%呈穩定，且具有規則振盪。
圖7係相似於圖5所示之轉化，除預其亦包含氣體進料速率之功效外。由於較高氣體進料速率，循環前之CO攝取係高於循環後。H2攝取於循環後係較高。
圖8顯示於循環前後之產物濃度。一般，循環後，乙醇濃度增加且乙酸濃度減少。
圖9顯示氣體循環前後之理論生產力。理論生產力係假設消耗掉之所有合成氣體係至乙醇製造。
圖10係顯示實際生產力，其係以測量之液體產物濃度及液體流動速率為基準，而非來自氣體攝取計算。
實現氣體循環優點之另一方法係相同操作區之 平均為基準。表1列示對於氣體循環相對於無氣體循環之平均CO及H2之轉化及攝取，與理論生產力。表2列示相同時期期間之平均產物濃度及細胞濃度。約6 SCFM之合成氣體進料速率之10%循環使H2轉化從39-42%之範圍增至44.5%，但僅些微影響CO轉化。此會些微增強理論生產力。具有於失穩後增加H2轉化及降低CO轉化之趨勢。若僅計算氣體循環前最後數小時，H2轉化係約42.8%，仍低於循環後之平均44.5%。CO轉化係極接近，76.45%對76.33%。若以二個13小時無循環為主，6 SCFM之操作，平均H2轉化係38.92%，且CO轉化係77.98%。10%循環減少1.65% CO轉化，但增加約5.56% H2轉化。理論生產力從128.06些微增至133.12克/升．天。無循環之平均乙醇及乙酸濃度係23.65及2.23克/升。循環使乙醇濃度增至24.31克/升，及使乙酸濃度增至2.83克/升。
優點於約5.4 SCFM之循環係更明顯。不僅平均H2轉化更高，44-45%對33-42%，而且理論生產力亦更高，124-125克/升．天對112.5-114克/升．天。
從10至20%之循環量變化僅些微影響平均轉化及生產力。CO轉化增加約0.85%，且H2轉化減少約0.75%。平均乙醇濃度從24.72些微增至25.92克/升，乙酸濃度從2.73減少至2.23克/升。
*轉化氣體中失穩。氣體進料速率於1小時內降至3.5SCFM，然後，增加回到5.0SCFM。氣體流動速率於下2小時內緩慢增至6.0SCFM。#僅使用氣體循環前最後數小時之數據。
*轉化氣體中失穩。氣體進料速率於1小時內降至3.5SCFM，然後，增加回到5.0SCFM。氣體流動速率於下2小時內緩慢增至6.0SCFM。#僅使用氣體循環前最後數小時之數據。
雖然此處揭露之本發明已藉由其特別實施例、範例及應用作說明，但眾多的修改及變化可由熟習此項技藝者於未偏離於申請專利範圍中所示之本發明範圍下進行。

Claims (8)

  1. 一種用於發酵一含CO基質的方法，該方法包含：將該含CO基質提供至一發酵槽；發酵該含CO基質以獲得一目標細胞密度及一目標CO進料速率；以及將該發酵中的溶解CO濃度維持在約0.25mM或更少；其中該溶解CO濃度係藉由下列來維持：a)將用以發酵的該目標CO進料速率降低至該目標CO進料速率之約25%至約35%，以提供一第一降低CO進料速率，且維持該第一降低CO進料速率歷時約1至約10分鐘；b)增加用以發酵的該第一降低CO進料速率，以提供一第二降低CO進料速率，其係降低該目標CO進料速率之約15至約25%，且維持該第二降低CO進料速率歷時約1至約5分鐘；c)增加用以發酵之該第二降低CO進料速率，以提供一第三降低CO進料速率，其係降低該目標CO進料速率之約5%至約15%，且維持該第三降低CO進料速率歷時約1至約5分鐘；及d)將該第三降低CO進料速率增加至該目標CO進料速率或更多；其中該方法係有效於提供10克乙醇/(升．天)或更多之一STY。
  2. 如請求項1之方法，其中從步驟a)至d)係每小時重複至少約1次。
  3. 如請求項1之方法，其中該目標細胞密度係約3克/升至約30克/升。
  4. 如請求項1之方法，其中該目標CO進料速率係一有效提供一目標細胞密度的CO進料速率。
  5. 如請求項4之方法，其中該目標CO進料速率係約0.90至約2.0標準立方英呎/小時/升。
  6. 如請求項1之方法，其中，所提供至該發酵槽之該含CO之基質具有約0.75或更多之CO/CO2莫耳比率。
  7. 如請求項1之方法，其中該發酵包含產乙酸細菌。
  8. 如請求項7之方法，其中該產乙酸細菌係選自於由下列所構成之群組：凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii)、嗜鹼菌(Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、產生性布洛堤菌(Blautia producta)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、地下嗜熱厭氧菌(Caldanaerobacter subterraneous)、太平洋地下嗜熱厭氧菌(Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、自產乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國DSMZ之DSM 19630)、自產乙醇梭菌(德國DSMZ之DSM 10061)、自產乙醇梭菌(德國DSMZ之DSM 23693)、自產乙醇梭菌(德國DSMZ之DSM 24138)、梭狀芽孢桿菌(Clostridium carboxidivorans)P7(ATCC PTA-7827)、克氏梭菌(Clostridium coskatii)(ATCC PTA-10522)、德可氏梭菌(Clostridium drakei)、將達梭菌(Clostridium ljungdahlii)PETC(ATCC 49587)、將達梭菌ERI2(ATCC 55380)、將達梭菌C-01(ATCC 55988)、將達梭菌O-52(ATCC 55889)、大梭菌(Clostridium magnum)、巴斯德梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國DSMZ之DSM 525)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、糞味梭菌(Clostridium scatologenes)、熱乙酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、雅爾氏梭菌(Clostridium ultunense)、庫氏脫硫腸狀菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、嗜乙酸甲烷八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、熱醋莫爾氏菌(Morrella thermoacetica)、熱自養莫爾氏菌(Morrella thermoautotrophica)、普氏產醋桿菌(Oxobacter pfennigii)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產生瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、凱伍熱厭氧菌(Thermoanaerobacter kivui)，及其等之混合物。
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