用于合成氣發(fā)酵的生物反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本申請?zhí)峁┝艘环N生物反應(yīng)器，其包括主反應(yīng)器，所述主反應(yīng)器具有選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器（TBR）、并流接觸器（CCC）、移動床生物反應(yīng)器（MBBR）和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。所述生物反應(yīng)器還包括生長反應(yīng)器，其與所述主反應(yīng)器連續(xù)并具有選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器（TBR）、并流接觸器（CCC）、移動床生物反應(yīng)器（MBBR）和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。還提供了一種方法，在所述方法中將產(chǎn)乙酸細菌與合成氣在與反應(yīng)器容器的主發(fā)酵罐部分相連續(xù)的反應(yīng)器容器的生長發(fā)酵罐部分中相接觸。
【專利說明】用于合成氣發(fā)酵的生物反應(yīng)器
[0001]本申請要求2011年6月30日提交的美國臨時申請?zhí)?1/571，564和61/571，565以及2011年9月13日提交的61/573，845的優(yōu)先權(quán)，所述臨時申請以其全部內(nèi)容通過參考并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本申請?zhí)峁┝擞糜诤铣蓺獍l(fā)酵的方法和生物反應(yīng)器。更具體來說，所述生物反應(yīng)器包括與主反應(yīng)器部分相連續(xù)的生長反應(yīng)器部分。
【背景技術(shù)】
[0003]厭氧微生物可以通過氣態(tài)底物的發(fā)酵從一氧化碳(CO)生產(chǎn)乙醇。使用來自于梭狀芽胞桿菌屬(Clostridium)的厭氧微生物發(fā)酵，產(chǎn)生乙醇和其他有用產(chǎn)品。例如，美國專利號 5，173，429 描述了李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii) ATCC N0.49587，一種從合成氣體生產(chǎn)乙醇和乙酸鹽的厭氧微生物。美國專利號5，807，722描述了使用李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii )ATCC N0.55380將廢氣轉(zhuǎn)變成有機酸和醇類的方法和裝置。美國專利號 6，136，577 描述了使用李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii ) ATCC N0.55988 和55989將廢氣轉(zhuǎn)變成乙醇的方法和裝置。
[0004]CO通常作為采取合成氣形式的氣態(tài)底物的一部分提供給發(fā)酵。將含碳材料氣化以產(chǎn)生包括一氧化碳和氫的發(fā)生氣或合成氣體或合成氣，在本領(lǐng)域中是公知的。這樣的氣化過程通常包括含碳材料的部分氧化或貧空氣氧化，其中向氣化過程供應(yīng)低于化學(xué)計算量的氧以促進一氧化碳的生產(chǎn)，如W02009/154788中所述。
[0005]氣態(tài)底物的發(fā)酵可能是挑戰(zhàn)性的，這是因為至少一部分氣態(tài)底物必須溶解在水性發(fā)酵液中，然后底物才能被微生物培養(yǎng)物代謝。由于在代謝能夠發(fā)生之前需要將大量底物溶解在發(fā)酵液中，因此利用氣態(tài)底物為發(fā)酵提供碳源和能源的發(fā)酵尤其具有挑戰(zhàn)性。由于CO為厭氧發(fā)酵提供碳源，因此諸如CO這樣在水性發(fā)酵液中具有低溶解性的底物，需要高度有效地傳質(zhì)到水性發(fā)酵液中。提高CO傳質(zhì)的嘗試描述在美國專利號5，972，661和7，201，884 以及 W02011/028137 中。
[0006]使用產(chǎn)乙酸細菌的發(fā)酵過程通常包括一個或多個種子反應(yīng)器、一個或多個生長反應(yīng)器和至少一個主反應(yīng)器。通常將產(chǎn)乙酸細菌在種子反應(yīng)器中生長至一定細胞密度。然后使用種子反應(yīng)器接種生長發(fā)酵罐。生長發(fā)酵罐通常具有比種子反應(yīng)器更大的尺寸。然后將生長反應(yīng)器中的產(chǎn)乙酸細菌生長至所需細胞密度。然后可以使用生長反應(yīng)器接種另一個更大的生長反應(yīng)器，或者可用其接種主反應(yīng)器。主反應(yīng)器具有比生長反應(yīng)器更大的尺寸。多個反應(yīng)器的使用增加了啟動時間并增加成本。
[0007]發(fā)明概述
[0008] 本申請?zhí)峁┝擞行в糜诤铣蓺獍l(fā)酵的方法和裝置。所述生物反應(yīng)器可以包括生長發(fā)酵罐部分和主發(fā)酵罐部分。包含生長發(fā)酵罐作為主反應(yīng)器的連續(xù)部分允許減少分開的生長發(fā)酵罐的數(shù)量，這可以減少啟動時間并降低設(shè)備數(shù)目和成本。[0009]提供了一種生物反應(yīng)器，其包括具有選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造的主反應(yīng)器。所述生物反應(yīng)器還包括與所述主反應(yīng)器連續(xù)，并具有選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造的生長反應(yīng)器。在這種情況下，所述主反應(yīng)器體積與生長反應(yīng)器體積之比為約10:1至約100:1。
[0010]在另一種情況下，提供了一種啟動方法，所述方法包括將產(chǎn)乙酸細菌與合成氣在反應(yīng)器容器的生長發(fā)酵罐部分中接觸有效地提供至少約3克/升的細胞密度的時間。在達到至少約3克/升的細胞密度后，向所述反應(yīng)器容器添加培養(yǎng)基，以在所述反應(yīng)器容器中達到液體水平面。在培養(yǎng)基添加期間，培養(yǎng)基以有效地維持至少約3克/升的細胞密度的速率添加。在這種情況下，將所述產(chǎn)乙酸細菌與所述合成氣在與所述反應(yīng)器容器的所述主反應(yīng)器部分相連續(xù)的所述反應(yīng)器容器的生長反應(yīng)器部分中相接觸。所述生長反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。所述主反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
[0011]在另一種情況下，提供了一種啟動方法，所述方法包括將產(chǎn)乙酸細菌與合成氣在反應(yīng)器容器中接觸有效地提供至少約5克/升的細胞密度的時間。在達到約5克/升的細胞密度后，加入培養(yǎng)基以達到所述反應(yīng)器容器中的液體水平面。在這種情況下，將所述產(chǎn)乙酸細菌與所述合成氣在與所述反應(yīng)器容器的主反應(yīng)器部分相連續(xù)的所述反應(yīng)器容器的生長反應(yīng)器部分中相接觸。所述生長反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。所述主反應(yīng)器部分包括選自攪 拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
[0012]在另一種情況下，提供了一種用于合成氣發(fā)酵的方法。所述方法包括將產(chǎn)乙酸細菌與合成氣在反應(yīng)器容器的生長部分中接觸有效地提供至少約3克/升的細胞密度的時間。向所述反應(yīng)器容器加入培養(yǎng)基，并在同時維持至少約3克/升的細胞密度，直至在所述反應(yīng)器容器的主要部分中達到液體水平面。在這種情況下，所述反應(yīng)器容器的所述生長部分和主要部分是連續(xù)的。通過氣體噴布器，將合成氣以有效地將所述反應(yīng)器容器內(nèi)部的壓力維持到至少約Ipsig的流速導(dǎo)入到所述反應(yīng)器容器的所述主要部分中。所述合成氣具有至少約0.75的C0/C02摩爾比。向所述反應(yīng)器容器的主要部分提供約0.01至約12千瓦/m3培養(yǎng)基的攪拌能量輸入。所述方法有效地提供約100至約1500/小時的體積CO傳質(zhì)系數(shù)和至少IOg乙醇/ (L.日)的STY。
[0013]附圖簡述
[0014]從下面的圖中，所述方法的幾種情況的上述和其他方面、特點和優(yōu)點將更加明顯。
[0015]圖1是生物反應(yīng)器的透視圖。
[0016]圖2示出了生物反應(yīng)器的可選替構(gòu)造。
[0017]圖3A和3B示出了氣體入口 /噴布器的底視圖。
[0018]圖4是氣體噴布器的橫截面視圖。
[0019]圖5A和5B是反應(yīng)器容器的頂部橫截面視圖，其示出了不同的葉輪組件。
[0020]圖6生物反應(yīng)器的生長發(fā)酵罐部分的可選替構(gòu)造。[0021]在整個附圖的幾張視圖中，相應(yīng)的參考符號指示相應(yīng)的組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，圖中的元件被簡單明了地圖示，并且不一定是按比例繪制的。例如，圖中某些元件的尺寸相對于其他元件可能被放大，以幫助增強對本發(fā)明方法和裝置的各種不同方面的理解。此外，在商業(yè)上可行的情況下有用或必需的共同但公知的元件沒有被示出，以便于更少阻礙地示出這些各種不同方面。
[0022]詳細描述
[0023]下面的描述不應(yīng)以限制的意義看待，而僅僅是出于描述示例性實施方式的一般性原理的目的做出。本發(fā)明的范圍應(yīng)該參考權(quán)利要求書來確定。
[0024]通過改進條件以提高體積CO傳質(zhì)系數(shù)，來改善合成氣發(fā)酵效率。所提供的方法和裝置能夠有效地提供約100至約1500/小時，在另一種情況下約200至約1100/小時，在另一種情況下約200至約900/小時，在另一種情況下約300至約800/小時，在另一種情況下約400至約700/小時，并且在另一種情況下約500至約600/小時的體積CO傳質(zhì)系數(shù)。影響CO傳質(zhì)系數(shù)的變量包括合成氣噴射、反應(yīng)器容器壓力、合成氣質(zhì)量以及氣體分散和混合。
[0025]本文提供的方法有效地提供高水平的生產(chǎn)率。就此而言，所述方法有效地提供至少約IOg乙醇/ (L.日)的STY (空時收率)?？赡艿腟TY值包括約IOg乙醇/ (L.日)至約200g乙醇/ (L.日)，在另一種情況下約IOg乙醇/ (L.日)至約160g乙醇/ (L.日)，在另一種情況下約IOg乙醇/ (L.日)至約120g乙醇/ (L.日),在另一種情況下約IOg乙醇/ (L.日)至約80g乙醇/ (L.日)，在另一種情況下約20g乙醇/ (L.日)至約140g乙醇/ (L.日)，在另一種情況下約20g乙醇/ (L.日)至約100g乙醇/ (L.日)，在另一種情況下約40g乙醇/ (L.日)至約140g乙醇/ (L.日)，并且在另一種情況下約40g乙醇/ (L.日)至約100g乙醇/ (L.日)。
[0026]定義
[0027]除非另有定義，否則在整個本公開的說明書中使用的下列術(shù)語如下所定義，并且可以包括下面所確定的定義的單數(shù)或復(fù)數(shù)形式:
[0028]修飾任何量的術(shù)語“約”是指在真實世界條件中，例如在實驗室、中試廠或生產(chǎn)廠中所遇到的量的變差。例如，在混合物或數(shù)量中使用的成分或測量值的量，當(dāng)用“約”修飾時，包括在生產(chǎn)廠或?qū)嶒炇抑械膶嶒灄l件下，在測量中通常使用的變差和照管程度。例如，產(chǎn)物組分的量當(dāng)用“約”修飾時，包括在工廠或?qū)嶒炇业亩嗯鷮嶒炛胁煌沃g的變差，以及分析方法所固有的變差。不論是否用“約”修飾，量包括所述量的等同物。本文中陳述并用“約”修飾的任何數(shù)量，也可以作為沒有用“約”修飾的量使用在本公開中。
[0029]當(dāng)在本文中使用時，“含碳材料”是指富含碳的材料例如煤和石化產(chǎn)品。然而，在本說明書中，含碳材料包括無論采取固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)還是等離子態(tài)的任何碳材料。在可以被當(dāng)作含碳材料的大量物品中，本公開設(shè)想了:含碳材料，含碳液體產(chǎn)物，含碳工業(yè)液體回收利用物，含碳市政固體廢物(MSW或msw)，含碳城市廢物，含碳農(nóng)業(yè)材料，含碳林業(yè)材料，含碳木材廢物，含碳建筑材料，含碳植物材料，含碳工業(yè)廢物，含碳發(fā)酵廢物，含碳石化聯(lián)產(chǎn)物，含碳醇類生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)物，半無煙煤，輪胎，塑料，廢塑料，焦?fàn)t焦油，軟纖維(fibersoft)，木質(zhì)素，黑液，聚合物，廢聚合物，聚對苯二甲酸乙二酯(PETA)，聚苯乙烯(PS)，污水污泥，動物廢物，作物殘留物，能源作物，林業(yè)加工殘留物，木材加工殘留物，家畜糞便，家禽糞便，食品加工殘留物，發(fā)酵過程廢物，乙醇聯(lián)產(chǎn)物，酒糟，廢微生物或其組合。
[0030]術(shù)語“軟纖維”(fibersoft或 Fibersoft 或 fibrosoft 或 fibrousoft)是指作為各種物質(zhì)的軟化和濃縮的結(jié)果而產(chǎn)生的一種類型的含碳材料；在一個實例中，含碳材料通過各種物質(zhì)的蒸氣壓熱處理來生產(chǎn)。在另一個實例中，軟纖維可以包括市政、工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)療廢物的蒸氣壓熱處理產(chǎn)生的纖維狀糊狀材料。
[0031]術(shù)語“市政固體廢物”或“MSW”或“msw”是指可以包括家庭、商業(yè)、工業(yè)和/或殘余廢物的廢物。
[0032]術(shù)語“合成氣”或“合成氣體”是指用于稱呼含有不同量一氧化碳和氫的氣體混合物的合成氣體。生產(chǎn)方法的實例包括天然氣或烴類的水蒸氣重整以產(chǎn)生氫，煤的氣化以及在某些類型的廢物產(chǎn)能氣化設(shè)施中。該名稱來自于它們在產(chǎn)生合成天然氣(SNG)中作為中間體和用于生產(chǎn)氨或甲醇。合成氣的用途包括在通過Fischer-Tropsch合成生產(chǎn)用作燃料或潤滑劑的合成石油以及以前的Mobil甲醇制汽油過程中作為中間體。合成氣主要由氫、一氧化碳和一些二氧化碳構(gòu)成，并具有不到一半的天然氣的能量密度(即BTU含量)。合成氣是可燃燒的，并且通常被用作燃料源或作為中間體用于其他化學(xué)品的生產(chǎn)。
[0033]術(shù)語“發(fā)酵”、“發(fā)酵過程”或“發(fā)酵反應(yīng)”等打算涵蓋所述過程的生長階段和產(chǎn)物生物合成階段兩者。在一種情況下，發(fā)酵是指將CO轉(zhuǎn)變成醇類。
[0034]當(dāng)在本文中使用時，“傳質(zhì)”是指原子或分子、尤其是底物原子或分子從氣相向水性溶液中的轉(zhuǎn)移。傳質(zhì)系數(shù)可以按照Younesi等(Iranian Journal of Biotechnology, V
ol.4，N0.1, January2006)中描述的方程來計算，所述文獻通過參考并入本文。下面的方程表示CO生物轉(zhuǎn)化(Xaj)和體積傳質(zhì)系數(shù):
[0035]
Xc0.~ RTViZtoA)
1- Xco TiHvg
kLa；體積傳質(zhì)系數(shù)
Xco: CO生物轉(zhuǎn)化的％%
R:常數(shù)
T:溫度
VL:液體體積
H: Henry 常數(shù)(CO = 1.226.1l.atm.mmor1)
V 氣體體積
[0036]術(shù)語“提高效率”、“高效率守d與發(fā)酵過程關(guān)聯(lián)使用時，包括提高下列參數(shù)中的一種或多種:發(fā)酵中微生物的生長速率，消耗每單位體積或質(zhì)量的底物(例如一氧化碳)所產(chǎn)生的所需產(chǎn)物(例如醇類)的體積或質(zhì)量，所需產(chǎn)物的生產(chǎn)速率或生產(chǎn)水平，以及產(chǎn)生的所需產(chǎn)物與發(fā)酵的其他副產(chǎn)物的相對比例。
[0037]生物反應(yīng)器設(shè)計
[0038]圖1是生物反應(yīng)器裝置的透視圖。生物反應(yīng)器裝置包括限定了主反應(yīng)器容器100的外殼105。主反應(yīng)器容器100可以是基本上圓柱形的，并且反應(yīng)器容器的橫截面可以造型成圓形、基本上圓形的形式或有效地提高混合和傳質(zhì)的其他形狀。外殼105可以由已知抵抗至少約Ipsig并高達至少約250psig的操作壓力并且與培養(yǎng)基相容的任何材料形成。在各種不同情況下，可以使用下列壓力:約5至約200psig,約5至約IOOpsig,約5至約50psig,約 5 至約 25psig,約 10 至約 200psig,約 10 至約 IOOpsig,約 10 至約 50psig,約 10至約 25psig,約 15 至約 200psig,約 15 至約 IOOpsig,約 15 至約 50psig,約 15 至約 25psig,約20至約200psig,約20至約IOOpsig,約20至約50psig和約20至約25psig。適合的材料的一些實例包括不銹鋼、具有適當(dāng)內(nèi)襯的鋼和玻璃。
[0039] 正如在圖1中進一步示出的，合成氣通過氣體入口 /分配器/噴布器120進入主反應(yīng)器容器100。合成氣的分散和進一步混合使用偶聯(lián)到傳動軸200的至少一個氣體分散葉輪225和至少一個混合葉輪220來實現(xiàn)。傳動軸200由攪拌機支撐板210支撐。氣體通過排氣閥170從主反應(yīng)器容器100排出。主反應(yīng)器容器100還可以包含擋板300以進一步增強混合。在這種情況下，擋板300可以延伸到未通氣的液體水平面115上方約25%，以允許在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有低泡時使用更高的操作液位。
[0040]在另一種情況下，主反應(yīng)器容器100可以包括添加端口 230。添加端口 230可以包括例如一個或多個酸添加端口、一個或多個堿添加端口以及一個或多個營養(yǎng)物添加端口。在這種情況下，添加端口可以圍繞反應(yīng)容器的周邊等間距隔開。端口可以在相同或不同的水平面上。在一種情況下，主反應(yīng)器容器100包括與混合葉輪220相鄰的至少4個等間距的培養(yǎng)基添加端口。端口可以圍繞主反應(yīng)器容器100的周邊以45°角隔開。
[0041]在主反應(yīng)器容器100中維持通氣的液體水平面110和未通氣的液體水平面115。在主反應(yīng)器容器100中維持未通氣的液體水平面115允許更有效的傳質(zhì)，并有助于維持發(fā)泡的控制。在這種情況下，在主反應(yīng)器容器100中維持未通氣的液體水平面115，其有效地提供主反應(yīng)器容器100的總體積的至少約1%的頂部空間。在另一種情況下，未通氣的液體水平面115提供主反應(yīng)器容器100的總體積的約I至約75%的頂部空間。在各種不同情況下，頂部空間可以包括反應(yīng)器的總體積的下列百分率:約5至約50%，約10至約50%，約15至約50%，約20至約50%，約25至約50%，約30至約50%，約30至約40%和約30至約35%。主反應(yīng)器容器100也可以包括至少一個液體入口 130，其協(xié)助控制發(fā)泡并允許調(diào)整反應(yīng)器液體體積。液體入口 130可以采取噴嘴的形式。主反應(yīng)器容器100還可以包括其他端口190。
[0042]正如在圖1中進一步示出的，主反應(yīng)器容器100還可以與生長反應(yīng)器部分400連續(xù)?？梢詫u流消除器410配置在生長反應(yīng)器部分內(nèi)并在培養(yǎng)基出口 420上方。生長反應(yīng)器部分400和渦流消除器410有效地防止氣體通過培養(yǎng)基出口 420被抽出。通過培養(yǎng)基出口 420抽出的培養(yǎng)基可以被送往培養(yǎng)基再循環(huán)回路450或培養(yǎng)基過濾回路460。來自于培養(yǎng)基再循環(huán)回路450的培養(yǎng)基可以被送往冷卻器/熱交換器500,并且可以將冷卻的培養(yǎng)基510循環(huán)回到反應(yīng)器容器100。在這種情況下，主反應(yīng)器體積與生長反應(yīng)器體積之比為約10:1至約100:1,在另一種情況下約10:1至約75:1,在另一種情況下約10:1至約50:1,在另一種情況下約10:1至約40:1，在另一種情況下約10:1至約30:1，在另一種情況下約15:1至約50:1,在另一種情況下約15:1至約40:1,在另一種情況下約15:1至約30:1,在另一種情況下約16:至約25:1。
[0043]在主反應(yīng)器運行期間，可以將生長反應(yīng)器400用作氣體/液體脫離接觸區(qū)，其有效地允許氣泡從生長反應(yīng)器400上升回到主反應(yīng)器容器100中。在這種情況下，在主反應(yīng)器100運行期間生長反應(yīng)器400中的液體應(yīng)該盡可能不被擾亂。氣泡必須比液體被向下抽取更快的速度上升離開生長反應(yīng)器部分400。在這種情況下，少于約2%的氣體通過培養(yǎng)基出口 420被抽取到泵。主反應(yīng)器體積與生長反應(yīng)器體積之比為約10:1至約100:1。
[0044]來自于培養(yǎng)基過濾回路460的培養(yǎng)基可以被送往再循環(huán)過濾器600。濃縮的細胞610被送回到主反應(yīng)器容器100，并將透過液620送去進行進一步處理。進一步處理可以包括所需產(chǎn)物例如乙醇、乙酸和丁醇的分離。
[0045]在另一種情況下，生物反應(yīng)器可以被構(gòu)造成不含葉輪。例如，生物反應(yīng)器可以被構(gòu)造成滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、泡罩塔反應(yīng)器或移動床生物反應(yīng)器(MBBR)。在這些反應(yīng)器構(gòu)造中，提供約0.01至約12千瓦/m3培養(yǎng)基的攪拌能量。并流接觸器(CCC)的一些實例包括在美國專利號4，834，343和5，286，466中進一步說明的并流下行接觸器(CDC)，所述專利通過參考并入本文。移動床生物反應(yīng)器(MBBR)的實例提供在美國公布號2009/0035848中，其通過參考并入本文。
[0046]圖2示出了可以選的反應(yīng)器構(gòu)造，其中主反應(yīng)器是泡罩塔反應(yīng)器800。泡罩塔反應(yīng)器可以是漿液泡罩塔、填充泡罩塔或盤式泡罩塔。如圖2中所示，泡罩塔反應(yīng)器800是多級泡罩塔，并且可以包括本領(lǐng)域中已知的任何類型的內(nèi)部塔排列方式700。泡罩塔還可以包括環(huán)流反應(yīng)器，其可以包括氣升環(huán)流反應(yīng)器、螺旋槳環(huán)流反應(yīng)器和噴氣環(huán)流反應(yīng)器。泡罩塔反應(yīng)器的一些實例提供在美國專利號7, 309，599、6，440，712和5，242, 643中，以及在 Shah 等，AIChE Journal, Vol.28, Issue3 第 353-379 頁(1982)和 Chang 等 ProcessBiochemistry, Vol.37，Issue4,第411-421頁(2001)中，所有上述文獻通過參考并入本文。[0047]合成氣和合成氣噴射
[0048]將合成氣通過氣體入口 /噴布器120導(dǎo)入到生物反應(yīng)器100中。合成氣可以從任何已知來源提供。在一種情況下，合成氣可以源自于含碳物質(zhì)的氣化。氣化包括生物質(zhì)在受限的氧供應(yīng)中的部分燃燒。得到的氣體主要包括CO和h2。在這種情況下，合成氣含有至少約20摩爾％C0，在一種情況下約20至約100摩爾％C0，在另一種情況下約30至約90摩爾％C0，在另一種情況下約40至約80摩爾％C0，并且在另一種情況下約50至約70摩爾％C0。合成氣具有至少約0.75的C0/C02摩爾比。適合的氣化方法和裝置的一些實例提供在美國系列號61/516，667、61/516，704和61/516，646中，所有這些申請都在2011年4月6日提交，并且全都通過參考并入本文。
[0049]生物反應(yīng)器可以包括CO濃度梯度，其中靠近噴布器的CO濃度高于生物反應(yīng)器較高平面處的CO濃度。在這種情況下，生物反應(yīng)器包括約100:1至約10:1的生物反應(yīng)器底部水平面(噴布器水平面)CO濃度與生物反應(yīng)器頂部水平面CO濃度的比例。
[0050]可能影響CO在水性培養(yǎng)基中的傳質(zhì)速率的一種因素，是包含CO的氣態(tài)底物的分壓。在這種情況下，可以通過富集或移除不想要的組分以提高CO在氣態(tài)料流中的比例，來提高傳質(zhì)速率。在這種情況下，氣態(tài)料流具有低于約IOppm的氧合或非氧合芳香族化合物。
[0051]圖3A和3B示出了氣體入口 /噴布器120的底視圖。在這種情況下，氣體入口 /噴布器120可以包括與噴布器組件540連通的入口導(dǎo)管530。噴布器組件540可以如所示是基本上環(huán)形或圓形的，或者可以是任何其他形狀，例如直線、矩形或自由形式。在噴布器組件540為環(huán)形形狀的情況下，噴布器組件540的直徑為氣體分散葉輪225形成的直徑的約30至約100%，在各種不同情況下約40至約90%、約40至約80%和約50至約70%。
[0052]氣體噴布器組件540的底部部分可以包括大量孔550?？?50的直徑能夠有效地提供在孔的出口處約25m/sec或更大的氣體速度，在另一種情況下，在孔的出口處約25m/sec至約75m/sec的氣體速度。在各種不同情況下，所述氣體速度可以包括下列范圍:約25至約 75m/sec,約 25 至約 50m/sec,約 25 至約 40m/sec,約 25 至約 30m/sec,約 30 至約 75m/sec,約 30 至約 50m/sec,約 30 至約 40m/sec,約 35 至約 75m/sec,約 35 至約 50m/sec,約 35至約40m/sec,約40至約75m/sec,約40至約50m/sec和約50至約75m/sec。在這種情況下，孔具有約IOmm或更小的直徑,并且在另一種情況下約2.5mm至約1.0mm的直徑。
[0053]圖4示出了噴布器組件540的橫截面視圖。在這種情況下，虛線箭頭線示出了通過孔550的氣體流動。使用通往噴布器組件的中點畫出的線示出了 120°的角度(示出為α )0孔可以位于沿著噴布器組件的任何角度處。在一種情況下，噴布器組件540包括約I至約5行平行的孔550?？?50隔開并指向向下方向。如圖4中所示，噴布器組件540包括相隔30°的5行平行的孔550，孔的總數(shù)為790個。孔的向下指向的方向有效地防止孔的結(jié)垢或堵塞，并幫助最小化回流到噴布器組件540中。
[0054]氣體分散和混合
[0055]再次參考圖1，反應(yīng)器容器100還包括混合組件，其包括傳動軸200、至少一個混合葉輪220和至少一個氣體分散葉輪225。混合葉輪220 —般位于液體水平面110下方。在一種情況下，反應(yīng)器容器100包括兩個或更多混合葉輪220。氣體分散葉輪225位于混合葉輪220下方。反應(yīng)器容器100可以包括一個或兩個或更多氣體分散葉輪225。
[0056]現(xiàn)在參考圖5Α，每個混合和氣體分散葉輪組件包括輪轂500和圍繞傳動軸200排列的一組葉輪。每個葉輪包括附連于輪轂500并帶有一個或多個葉片520的臂510。葉片可以是混合葉輪或氣體分散葉輪?；旌先~輪組件包括至少2個葉片，并且可以包括多達6個葉片?；旌先~輪的實例包括低能葉輪例如船用葉輪或船用推進器。在另一種情況下，氣體分散葉輪組件包括至少2個葉片，并且可以包括多達6個葉片。氣體分散葉輪的實例包括高能葉輪例如拉什頓(Rushton)葉輪或凹面葉輪。圖5Α與圖5Β類似，區(qū)別在于葉片520直接附連于輪轂500。
[0057]在傳動軸200旋轉(zhuǎn)后,通過氣體入口 /噴布器導(dǎo)入的合成氣被夾帶在培養(yǎng)基中的小氣泡中，并圍繞反應(yīng)器容器100的一般為圓形的橫截面運動。傳動軸可操作連接到任何適合的攪拌機并且可以使用其轉(zhuǎn)動，所述攪拌機例如電動機、發(fā)動機和齒輪箱、或液壓發(fā)動機。在這種情況下，攪拌機提供約0.3至約12千瓦/m3、在另一種情況下約0.7千瓦/m3至約12千瓦/m3、并且在重要情況下0.9千瓦/m3至約12千瓦/m3培養(yǎng)基的能量輸入。
[0058]生物反應(yīng)器運行
[0059]根據(jù)一種情況，通過向反應(yīng)器容器添加適合的培養(yǎng)基來開始發(fā)酵過程。反應(yīng)器容器中包含的液體可以包括任何類型的適合的營養(yǎng)培養(yǎng)基或發(fā)酵液。營養(yǎng)培養(yǎng)基包含有效地允許所使用的微生物生長的維生素和礦物質(zhì)。適合使用CO作為碳源進行乙醇發(fā)酵的厭氧培養(yǎng)基是已知的。適合的發(fā)酵培養(yǎng)基的實例描述在美國專利號7，285，402中，其通過參考并入本文。
[0060]將培養(yǎng)基滅菌以除去不想要的微生物，并將反應(yīng)器用所需微生物接種。在一種情況下，所利用的微生物包括產(chǎn)乙酸細菌。有用的產(chǎn)乙酸細菌的實例包括梭狀芽胞桿菌屬(Clostridium)的細菌，例如李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii)菌株，包括在W02000/68407、EP117309、美國專利號 5，173，429、5，593，886 和 6，368，819、W01998/00558和 W02002/08438 中所描述的，Clostridium autoethanogenum 菌株(德國 DSMZ 保藏號 DSM10061 和 DSM19630)，包括在 W02007/117157 和 W02009/151342 中所描述的，以及 Clostridium ragsdalei (Pll, ATCC BAA-622)和 Alkalibaculum bacchi (CP11,ATCC BAA-1772)，包括分別在美國專利號7，704，723和“來自于生物質(zhì)產(chǎn)生的合成氣體的生物燃料和生物產(chǎn)品 ”(Biofuels and Bioproducts from Biomass-GeneratedSynthesis Gas，Hasan Atiyehj presented in Oklahoma EPSCoR Annual StateConference，April29，2010)中所描述的，以及在美國專利申請?zhí)?007/0276447中所描述的食氧化碳梭菌(Clostridium carboxidivorans) (ATCC PTA-7827)。其他適合的微生物包括穆爾氏菌屬(Moorella)的微生物包括Moorella sp.HUC22-1，以及Carboxydothermus屬的微生物。這些參考文獻每個通過參考并入本文?？梢允褂脙煞N或更多種微生物的混合培養(yǎng)物。
[0061]有用的細菌的一些實例包括凱伍產(chǎn)乙酸菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii)、Alkalibaculum bacchi CPll (ATCC BAA-1772)、Blautia producta、甲基營養(yǎng)丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)Λ Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subt erraneous pacificus、 Carboxydothermus hydrogenoformans、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) P262 (德國 DSMZ 保藏號 DSM19630)、Clostridiumautoethanogenum (德國 DSMZ 保藏號 DSM19630)、Clostridium autoethanogenum (德國DSMZ 保藏號 DSM10061)、Clostridium autoethanogenum (德國 DSMZ 保藏號 DSM23693)、Clostridium autoethanogenum(德國 DSMZ 保藏號 DSM24138)、食氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827)^ Clostridium coskatii (ATCC PTA-10522)、Clostridium drake1、李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii )PETC (ATCC49587)、李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii) ERI2 (ATCC55380)、李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii)C-Ol (ATCC55988)、李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii )0-52 (ATCC55889)、Clostridiummagnum、巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國 DSMZ 保藏號 DSM525)、Clostridiumragsdali Pll (ATCC BAA-622)、Clostridium scatologenes、嗜熱乙酸梭菌(Clostridiumthermoaceticum)、Clostridium ultunense、庫氏脫硫腸狀菌(Desulfotomaculumkuznetsovii)、粘液真桿菌(Eubacterium Iimosum)、Geobacter sulfurreducens、Methanosarcina acetivorans、巴氏甲焼八疊球菌(Methanosarcina barkeri )、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermoacetica)、Morrella thermoautotrophica、Oxobacter pfennigi1、產(chǎn)生消化鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產(chǎn)生瘤胃球菌(Ruminococcusproductus)、Thermoanaerobacter kivui 及其混合物。
[0062]在接種后，建立初始進料氣體供應(yīng)速率以有效地供應(yīng)初始微生物群體。分析流出氣體以確定流出氣體的內(nèi)含物。使用氣體分析的結(jié)果來控制進料氣體速率。在達到所需液位后，從反應(yīng)器抽出液體相和細胞材料，并用培養(yǎng)基補充。在這種情況下，運行生物反應(yīng)器以維持至少約2克/升，并且在另一種情況下約2至約50克/升，在各種其他情況下約5至約40克/升、約5至約30克/升、約5至約20克/升、約5至約15克/升、約10至約40克/升、約10至約30克/升、約10至約20克/升、和約10至約15克/升的細胞密度?？梢酝ㄟ^再循環(huán)過濾器600來控制細胞密度。在相關(guān)情況下，運行生物反應(yīng)器以提供約10至約400小時，并且在各種情況下約10至約300小時、約10至約200小時、約10至約100小時、約10至約75小時、約10至約60小時、約10至約50小時、約10至約40小時、約10至約30小時和約10至約20小時的液體停留時間。在這種情況下，液體停留時間(LRT)可
以如下計算:
[0063]
【權(quán)利要求】
1.一種生物反應(yīng)器，其包含: 主反應(yīng)器，其具有選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造，其中所述主反應(yīng)器的一部分被用作生長反應(yīng)器。
2.—種生物反應(yīng)器,其包含: 主反應(yīng)器，其具有選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)的構(gòu)造；以及 生長反應(yīng)器，其與所述主反應(yīng)器連續(xù)，并具有選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
3.權(quán)利要求1或2的生物反應(yīng)器，其中所述主反應(yīng)器被構(gòu)造成攪拌釜反應(yīng)器。
4.權(quán)利要求3的生物反應(yīng)器，其中所述主反應(yīng)器中的攪拌由機械攪拌器、氣體注入、液體注入和液體再循環(huán)(泵循環(huán))中的一種或多種來提供。
5.權(quán)利要求3的生物反應(yīng)器，其中所述主反應(yīng)器包括與傳動軸可操作連接的機械攪拌機。
6.權(quán)利要求5的生物反應(yīng)器，其中至少一個混合葉輪可操作連接到所述傳動軸，并且至少一個氣體分散葉輪可操作連接到所述傳動軸并配置在所述氣體分散葉輪下方。
7.權(quán)利要求6的生物反應(yīng)器，其還包含配置在所述氣體分散葉輪下方的氣體噴布器。
8.權(quán)利要求7的生物反應(yīng)器，其中所述氣體噴布器包括直徑為IOmm或更小的孔。
9.權(quán)利要求2的生物反應(yīng)器，其中所述主反應(yīng)器包括導(dǎo)流管。
10.權(quán)利要求2的生物反應(yīng)器，其中所述生長反應(yīng)器是非攪拌的。
11.權(quán)利要求2的生物反應(yīng)器，其中所述生長反應(yīng)器是攪拌釜反應(yīng)器。
12.權(quán)利要求2的生物反應(yīng)器，其中所述生長反應(yīng)器通過液體再循環(huán)(泵循環(huán))進行攪拌。
13.權(quán)利要求2的生物反應(yīng)器，其中所述生長反應(yīng)器通過氣體上升來攪拌。
14.權(quán)利要求2的生物反應(yīng)器，其中所述生長反應(yīng)器包括導(dǎo)流管。
15.權(quán)利要求2的生物反應(yīng)器，其中所述主反應(yīng)器體積與生長反應(yīng)器體積之比為約10:1 至約 100:1。
16.—種方法,所述方法包括: 將產(chǎn)乙酸細菌與合成氣在反應(yīng)器容器中接觸有效地提供至少約3克/升的細胞密度的時間；以及 向所述反應(yīng)器容器添加培養(yǎng)基以達到所述反應(yīng)器容器中的液體水平面，其中在添加培養(yǎng)基的同時維持所述至少約3克/升的細胞密度。
17.權(quán)利要求16的方法，其中將所述產(chǎn)乙酸細菌與所述合成氣在所述反應(yīng)器容器的生長反應(yīng)器部分中接觸，所述反應(yīng)器容器的生長反應(yīng)器與所述反應(yīng)器容器的主反應(yīng)器部分相連續(xù)。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述生長反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
19.權(quán)利要求17的方法，其中所述主反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
20.權(quán)利要求17的方法，其中所述方法有效地在所述主反應(yīng)器部分中提供基本上均勻的CO濃度。
21.權(quán)利要求17的方法，其中所述方法有效地在所述主反應(yīng)器部分的底部處提供與所述主反應(yīng)器部分的上部相比明顯更高的CO濃度。
22.—種方法，所述方法包括: 將產(chǎn)乙酸細菌與合成氣在反應(yīng)器容器中接觸有效地提供至少約5克/升的細胞密度的時間；以及 向所述反應(yīng)器容器添加培養(yǎng)基，以達到所述反應(yīng)器容器中的液體水平面。
23.權(quán)利要求22的方法，其中將所述產(chǎn)乙酸細菌與所述合成氣在所述反應(yīng)器容器的生長反應(yīng)器部分中相接觸，所述反應(yīng)器容器的生長反應(yīng)器部分與所述反應(yīng)器容器的主反應(yīng)器部分相連續(xù)。
24.權(quán)利要求23的方法，其中所述生長反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
25.權(quán)利要求23的方法，其中所述主反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
26.權(quán)利要求22或23的方法，其中所述方法有效地在所述主反應(yīng)器部分中提供基本上均勻的CO濃度。
27.權(quán)利要求22或23的方法，其中所述方法有效地在所述主反應(yīng)器部分的底部處提供與所述主反應(yīng)器部分的上部相比明顯更高的CO濃度。
28.權(quán)利要求22或23的方法，其中所述反應(yīng)器底部處的CO濃度與所述反應(yīng)器上部處的濃度之比為約100:1至約10:1。
29.一種用于合成氣發(fā)酵的方法，所述方法包括: 將產(chǎn)乙酸細菌與合成氣在反應(yīng)器容器的生長部分中接觸有效地提供至少約3克/升的細胞密度的時間； 向所述反應(yīng)器容器添加培養(yǎng)基，并維持至少約3克/升的細胞密度直至達到所述反應(yīng)器容器的主要部分中的液體水平面，其中所述反應(yīng)器容器的所述生長部分和主要部分是連續(xù)的； 將合成氣通過氣體噴布器導(dǎo)入到所述反應(yīng)器容器的所述主要部分中，所述合成氣以有效地將所述反應(yīng)器容器內(nèi)部的壓力維持到至少約Ipsig的流速導(dǎo)入，其中所述合成氣具有至少約0.75的C0/C02摩爾比；以及 向所述反應(yīng)器容器的所述主要部分提供約0.01至約12千瓦/m3培養(yǎng)基的攪拌能量輸入， 其中所述方法有效地提供約100至約1500/小時的體積CO傳質(zhì)系數(shù)。
30.權(quán)利要求29的方法，其中所述生長反應(yīng)器部分包括選自攪拌和非攪拌釜反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器(TBR)、并流接觸器(CCC)、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
31.權(quán)利要求29的方法，其中所述氣體噴布器包括直徑為IOmm或更小的孔。
32.權(quán)利要求29的方法，其中所述合成氣跨所述噴布器的壓力降為0.5至約2.5psi。
33.權(quán)利要求29的方法，其中所述方法有效地提供至少約IOg乙醇/(L.日)的STY。
34.權(quán)利要求29的方法，其中所述產(chǎn)乙酸細菌選自凱伍產(chǎn)乙酸菌(Acetogeniumkivui )、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacteriumwoodii)、Alkalibaculum bacchi CPll (ATCC BAA-1772)、Blautia producta、甲基營養(yǎng)丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、 Carboxydothermus hydrogenoformans、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum) P262 (德國 DSMZ 保藏號 DSM19630)、Clostridiumautoethanogenum (德國 DSMZ 保藏號 DSM19630)、Clostridium autoethanogenum (德國DSMZ 保藏號 DSM10061)、Clostridium autoethanogenum (德國 DSMZ 保藏號 DSM23693)、Clostridium autoethanogenum(德國 DSMZ 保藏號 DSM24138)、食氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)P7 (ATCC PTA-7827)、 Clostridium coskatii (ATCC PTA-10522)、Clostridium drake1、李氏梭菌(Clostridium Ijungdahlii)PETC (ATCC49587)、李氏梭菌(Clostridium Ijungdahlii) ERI2 (ATCC55380)、李氏梭菌(Clostridium Ijungdahlii)C-Ol (ATCC55988)、李氏梭菌(Clostridium I jungdahlii )0-52 (ATCC55889)、Clostridiummagnum、巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國 DSMZ 保藏號 DSM525)、Clostridiumragsdali Pll (ATCCBAA-622)、Clostridium scatologenes、嗜熱乙酸梭菌(Clostridiumthermoaceticum)、Clostridium ultunense、庫氏脫硫腸狀菌(Desulfotomaculumkuznetsovii)、粘液真桿菌(Eubacterium limosum)、Geobacter sulfurreducens、Methanosarcina acetivorans、巴氏甲焼八疊球菌(Methanosarcina barkeri )、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermoacetica)、Morrella thermoautotrophica、Oxobacter pfennigi1、產(chǎn)生消化鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產(chǎn)生瘤胃球菌(Ruminococcusproductus)、Thermoana erobacter kivui 及其混合物。
【文檔編號】C12M1/06GK103958659SQ201280032603
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】彼得·辛普森·貝爾, 青-煥·辜 申請人:伊內(nèi)奧斯生物股份公司