改進(jìn)的氣體基質(zhì)發(fā)酵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于改進(jìn)強(qiáng)制循環(huán)外部回路反應(yīng)器的系統(tǒng)和方法。具體來說，本發(fā)明 將副回路引入到強(qiáng)制循環(huán)外部回路反應(yīng)器中以調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的氣含率并且使得能夠改進(jìn) 泡沫控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 由合成氣體(合成氣）或含C0的工業(yè)尾氣生產(chǎn)的燃料和化學(xué)品代表了化石燃料以 及由其衍生的化學(xué)品的主要替代物。將這些氣體化學(xué)催化轉(zhuǎn)化成燃料或化學(xué)品是昂貴的或 在商業(yè)上沒有吸引力的。相反，將這些氣體生物轉(zhuǎn)化成燃料和化學(xué)品（也被稱為氣體發(fā)酵） 相對(duì)于催化工藝具有多種優(yōu)勢(shì)，包括更高的特異性、更高的收率、更低的能量成本以及更大 的抗中毒性。
[0003] 已知?dú)怏w發(fā)酵的效率主要受限于由于氣體基質(zhì)（例如C0和H2)在液體中的溶解性 不佳所導(dǎo)致的低氣體-液體質(zhì)量傳遞率。質(zhì)量傳遞效率或體積質(zhì)量傳遞率如下提供：
[0005] 其中
是氣體基質(zhì)被傳遞到液相中的速率;k^a是體積質(zhì)量傳遞系數(shù)，由液體 側(cè)質(zhì)量傳遞系數(shù)h和此質(zhì)量傳遞表面積a組成。C*是氣體在液體中的飽和濃度（即溶解 度），其與氣體基質(zhì)的分壓成此例，并且α是液體中實(shí)際的氣體濃度，這兩者之間的差值，即 (c*-a)是質(zhì)量傳遞驅(qū)動(dòng)力。在純質(zhì)量傳遞有限的條件下，a?(LVR是反應(yīng)器的濕態(tài)體積并 且它是氣體體積和液體體積的總和。
[0006] 因此，為了提高質(zhì)量傳遞效率，需要提高kLa或驅(qū)動(dòng)力。所述驅(qū)動(dòng)力可以通過使用 更高的壓力來提高;然而，這樣的方法是高成本的，這是因?yàn)樾枰獕嚎s氣體。一般更優(yōu)選的 是，提高和/或a。雖然是液體和氣體的固有特性，這意味著它難以改變，但是a與氣含率G 和平均氣泡半徑rb具有簡(jiǎn)單的關(guān)系，這兩者均可以容易地被操控。所述關(guān)系如下：
[0007 ] 級(jí)
[0008] 上述公式?jīng)Q定了此質(zhì)量傳遞面積可以通過氣含率G的增加或氣泡尺寸rb的減小或 這兩者的組合來增加。令人遺憾的是，這些方法中的大多數(shù)傾向于產(chǎn)生大量的泡沫，這可能 會(huì)阻塞生物反應(yīng)器下游的管線。因此，當(dāng)采取措施增加質(zhì)量傳遞表面積時(shí)，必須特別注意對(duì) 泡沫的控制。
[0009] 高質(zhì)量傳遞率對(duì)于氣體發(fā)酵來說一般是理想的。然而，如果質(zhì)量傳遞率高于微生 物可以提供的最大反應(yīng)速率，那么所述過程可能受到基質(zhì)抑制。舉例來說，高的溶解C0濃度 使得微生物緩慢生長(zhǎng)和出的緩慢吸收，并且如果這樣的條件持續(xù)較長(zhǎng)的一段時(shí)間，那么培 養(yǎng)物可能會(huì)慢慢地死去（用于煤合成氣體發(fā)酵的生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)（D e s i g η 〇 f Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations)，J.L.Vega，E.C.，Clausen以及 J.L.Gaddy，1990，Resources，Conservation and Recycling，第3卷，第 149-160頁；CO分壓 對(duì)粘液真桿菌KIST612的細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)CO發(fā)酵的影響(Effect of CO partial pressure on cell-recycled continuous CO fermentation by Eubacterium limosum KIST612)， 1.3.〇1&即，13.!1.1(;[111，1?.￥丄0￥；[1:1:，]\3.13&1^，2001，？1'〇。68 8 13;[0。116111181:^，第37卷，第411- 421頁）。這樣的"過度供應(yīng)"條件在小規(guī)模的充分混合的反應(yīng)器中可以整體存在，但是在大 規(guī)模的反應(yīng)器中也可以局部存在，其中存在高的局部溶解C0濃度，通常在底部存在，在所述 底部，氣體被引入并且C0分壓是高的。
[0010]因此，用于氣體發(fā)酵的商業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器需要提供高的氣體向液體的質(zhì)量傳遞 率，并且還需要是靈活的以使得可以在必要時(shí)對(duì)質(zhì)量傳遞率進(jìn)行調(diào)節(jié)。有效的泡沫控制也 是一項(xiàng)要求。
[0011] 在工作臺(tái)規(guī)模下，通常在連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)中進(jìn)行氣體發(fā)酵。然而，這些 由于高能量消耗和其它問題而對(duì)于商業(yè)規(guī)模應(yīng)用來說是不適當(dāng)?shù)?。取而代之，可以使用?有或沒有內(nèi)部或外部回路的鼓泡塔進(jìn)行大規(guī)模的氣體發(fā)酵。強(qiáng)制循環(huán)外部回路反應(yīng)器是一 種類型的鼓泡塔反應(yīng)器，其中通過在本文被稱為回路栗的栗迫使液體在主塔(上升管)與外 部回路(下降管)之間循環(huán)。
[0012] 在已知的強(qiáng)制循環(huán)回路反應(yīng)器配置中，回路栗的速度對(duì)系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量 傳遞有以下兩個(gè)主要的影響：（a)回路栗速度增加會(huì)提高從上升管到下降管的氣體夾帶，這 傾向于提高上升管和下降管的氣含率，并且因此提高質(zhì)量傳遞；（b)回路栗速度增加會(huì)使上 升管中的液體速度增加，這傾向于快速地洗去上升管中的氣泡并且減小氣含率，并且縮短 氣體停留時(shí)間。反之，如果回路栗速度減小，那么上升管中的氣泡可以停留一段較長(zhǎng)的時(shí) 間，但是進(jìn)入下降管中的氣體夾帶將顯著更少，這可能會(huì)降低下降管中的反應(yīng)速率以及反 應(yīng)器的總體性能。此外，由于在上升管的底部引入的氣體具有高的C0含量，因此深反應(yīng)器中 低的回路栗速度會(huì)加劇基質(zhì)抑制。
[0013] 因此，回路栗由于它對(duì)氣體夾帶和上升管液體速度的相互競(jìng)爭(zhēng)的影響而在調(diào)節(jié)質(zhì) 量傳遞方面是無效的。本發(fā)明的目的在于提供使回路栗的兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的影響失去聯(lián)系的 裝置和在其中提供更有效的質(zhì)量傳遞調(diào)節(jié)，以及提高的泡沫控制和更低的總能量消耗。此 外，本發(fā)明克服了本領(lǐng)域已知的缺點(diǎn)并且為公眾提供了用于多種有用產(chǎn)品的最佳生產(chǎn)的新 方法。即使是對(duì)用于生產(chǎn)一種或多種產(chǎn)品的氣體發(fā)酵工藝或系統(tǒng)的小的改進(jìn)也可能對(duì)這種 工藝或系統(tǒng)的效率，并且更特別是商業(yè)可行性有顯著的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 在第一個(gè)方面，提供了一種用于使氣體基質(zhì)發(fā)酵的反應(yīng)器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0015] (a)發(fā)酵容器，所述發(fā)酵容器包括:上升管區(qū)段，其中使液體發(fā)酵液和氣體基質(zhì)同 時(shí)向上流動(dòng)；以及下降管區(qū)段，其中使所述液體發(fā)酵液和所述氣體基質(zhì)同時(shí)向下流動(dòng)，所述 上升管區(qū)段和所述下降管區(qū)段由基本上水平的區(qū)段連接并且被配置以使得使用栗送裝置 使液體發(fā)酵液和氣體基質(zhì)在主回路中從靠近所述下降管區(qū)段的底部的點(diǎn)，穿過所述上升管 循環(huán)到所述下降管區(qū)段的頂部處的入口點(diǎn)；
[0016] (b)副回路，所述副回路包括位于靠近所述上升管區(qū)段的底部的點(diǎn)處的出口、使來 自所述上升管的底部的所述出口與所述上升管的頂部處的入口連接的管道裝置、以及位于 所述出口點(diǎn)與所述入口點(diǎn)之間的栗送裝置，從而使得發(fā)酵液和氣體基質(zhì)從所述下降管的底 部循環(huán)到所述上升管區(qū)段的頂部；
[0017] (c)至少一個(gè)氣體入口，所述氣體入口被配置成將氣體基質(zhì)引導(dǎo)到所述上升管區(qū) 段中；以及
[0018] (d)至少一個(gè)氣體出口，所述氣體出口被配置成允許氣體離開所述上升管區(qū)段。
[0019] 在第一個(gè)方面的具體實(shí)施方案中，所述生物反應(yīng)器被配置用于使氣體基質(zhì)發(fā)酵以 產(chǎn)生包括至少一種酸或醇或其混合物的產(chǎn)物。在具體實(shí)施方案中，所述氣體基質(zhì)包含C0和 任選的H2。在另外的替代性實(shí)施方案中，所述氣體基質(zhì)包含0)2和出。
[0020] 在第一個(gè)方面的具體實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器包括主回路，所述主回路本身包括 上升管區(qū)段和下降管區(qū)段；以及副回路。在具體實(shí)施方案中，所述副回路將發(fā)酵液從所述發(fā) 酵容器的下降管區(qū)段中取出。在具體實(shí)施方案中，所述副回路在主回路栗下游取出發(fā)酵液。 在具體實(shí)施方案中，在所述主回路栗的下游，借助于副栗抽出所述發(fā)酵液。
[0021] 在替代性實(shí)施方案中，所述發(fā)酵容器的下降管區(qū)段包括位于副回路出口的上游的 閘門閥。在這個(gè)實(shí)施方案中，可以通過使用所述閘門閥限制主回路的流量將發(fā)酵液從下降 管抽出到副回路中。通過調(diào)節(jié)所述閘門閥的開口，可以調(diào)節(jié)在所述回路栗的下游，但是在所 述閘門閥的上游的壓力以提供所希望的副回路流速。在某些實(shí)施方案中，通過壓力表監(jiān)測(cè) 所述下降管中的壓力。這種配置消除了對(duì)副回路栗的需求。
[0022] 在具體實(shí)施方案中，經(jīng)由所述副回路使從所述下降管區(qū)段中所抽出的發(fā)酵液循環(huán) 到所述發(fā)酵容器的頂部。在具體實(shí)施方案中，經(jīng)由所述副回路使發(fā)酵液和氣體基質(zhì)從所述 下降管區(qū)段的下部循環(huán)到所述上升管區(qū)段的頂部。在具體實(shí)施方案中，所述發(fā)酵液從所述 發(fā)酵容器的頂部處的至少一個(gè)噴嘴離開所述副回路。在使用中，所述至少一個(gè)噴嘴將循環(huán) 的發(fā)酵液噴射到所述發(fā)酵容器的頂部空間中。在具體實(shí)施方案中，通過多個(gè)噴嘴將循環(huán)的 發(fā)酵液噴射到所述頂部空間中。在具體實(shí)施方案中，所述至少一個(gè)噴嘴是噴頭。在具體實(shí)施 方案中，離開所述一個(gè)或多個(gè)噴嘴的一個(gè)或多個(gè)液體射流的速度可以從約〇.5m/s或至約 5m/s變動(dòng)。在使用中，所述一個(gè)或多個(gè)液體射流覆蓋了所述頂部空間的橫截面積的至少一 部分。在典型的發(fā)酵條件下，泡沫層存在于所述發(fā)酵容器的頂部空間中。在某些實(shí)施方案 中，將循環(huán)的發(fā)酵液噴射到所述頂部空間中以使泡沫中更大的氣泡破裂。這一過程產(chǎn)生更 小的氣泡，所述更小的氣泡被更有效地夾帶到下降管區(qū)段中，這提高了下降管區(qū)段中的氣 含率。
[0023] 在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述副回路是與細(xì)胞再循環(huán)系統(tǒng)集成的。在這個(gè)實(shí)施 方案中，用于副回路的驅(qū)動(dòng)力源自于細(xì)胞再循環(huán)栗。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，在細(xì)胞再循 環(huán)模塊的下游將發(fā)酵液抽出到副回路中。在具體實(shí)施方案中，通過細(xì)胞再循環(huán)模塊上游的 至少一個(gè)控制閥調(diào)節(jié)副回路的流速和細(xì)胞再循環(huán)系統(tǒng)的壓力。
[0024] 在本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種用于提高發(fā)酵容器中氣體基質(zhì)向發(fā)酵液的質(zhì) 量傳遞的方法，所述發(fā)酵容器包括上升管區(qū)段，其中使液體發(fā)酵液和氣體基質(zhì)同時(shí)向上流 動(dòng)；以及下降管區(qū)段，其中使所述液體發(fā)酵液和所述氣體基質(zhì)同時(shí)向下流動(dòng)，所述方法包 括：
[0025] (a)將氣體基質(zhì)提供到包含液體營養(yǎng)培養(yǎng)基和一種或多種微生物的發(fā)酵容器中；
[0026] (b)使所述氣體基質(zhì)發(fā)酵以產(chǎn)生發(fā)酵液；
[0027] (c)使發(fā)酵液和氣體基質(zhì)同時(shí)向上循環(huán)穿過所述上升管區(qū)段和同時(shí)向下循環(huán)穿過 所述發(fā)酵容器的下降管區(qū)段;以及
[0028] (d)將所述發(fā)酵液的至少一部分從所述下降管區(qū)段的底部取出并且經(jīng)由副回路循 環(huán)到所述上升管區(qū)段的頂部，其中所述發(fā)酵液經(jīng)由至少一個(gè)噴嘴進(jìn)入所述上升管區(qū)段的頂 部。
[0029] 在本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供了一種用于減少發(fā)酵容器的頂部空間中的泡沫的方 法，所述發(fā)酵容器包括上升管區(qū)段，其中使液體發(fā)酵液和氣體基質(zhì)同時(shí)向上流動(dòng)；以及下降 管區(qū)段，其中使所述液體發(fā)酵液和所述氣體基質(zhì)同時(shí)向下流動(dòng)，所述方法包括：
[0030] (a)將氣體基質(zhì)提供到包含液體營養(yǎng)培養(yǎng)基和一種或多種微生物的發(fā)酵容器中； [0031 ] (b)使所述氣體基質(zhì)發(fā)酵以產(chǎn)生發(fā)酵液和存在于所述發(fā)酵容器的頂部空間中的泡 沫；
[0032] (c)將發(fā)酵液從所述發(fā)酵容器的下降管區(qū)段中取出；以及
[0033] (d)經(jīng)由副回路將所述發(fā)酵液循環(huán)到所述上升管區(qū)段的頂部，其中所述發(fā)酵液經(jīng) 由至少一個(gè)噴嘴進(jìn)入所述頂部空間；
[0034]其中進(jìn)入所述頂部空間中的發(fā)酵液減少了所述發(fā)酵容器內(nèi)存在的泡沫。
[0035] 在第四個(gè)方面，提供了一種通過使氣體基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生產(chǎn)物的方法，所述方法包括：
[0036] (a)將氣體基質(zhì)提供到反應(yīng)器中，所述反應(yīng)器至少包括上升管區(qū)段和下降管區(qū)段， 所述反應(yīng)器容納液體營養(yǎng)培養(yǎng)基和一種或多種微生物的培養(yǎng)物，以提供發(fā)酵液；
[0037] (b)使所述發(fā)酵液和氣體基質(zhì)同時(shí)向上循環(huán)穿過所述上升管區(qū)段，然后向下循環(huán) 穿過所述下降管區(qū)段；
[0038] (c)將所述發(fā)酵液的至少一部分從所述下降管區(qū)段中取出并且將它通到所述上升 管區(qū)段的頂部；以及
[0039] (d)在所述反應(yīng)器中使所述培養(yǎng)物進(jìn)行厭氧發(fā)酵以由所述基質(zhì)產(chǎn)生一種或多種產(chǎn) 物。
[0040] 在第二個(gè)方面、第三個(gè)方面以及第四個(gè)方面的具體實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器是如 第一個(gè)方面中所述被配置的。在具體實(shí)施方案中，所述方法允許氣體發(fā)酵過程中氣體向液 相的質(zhì)量傳遞增加。在具體實(shí)施方案中，將副回路添加到循環(huán)回路反應(yīng)器中顯著提