用于连续气体发酵的多反应器系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于使气体基质连续发酵的生物反应器系统，所述系统包括由中央排出管线连接的两个或更多个一级生物反应器和一个或多个二级生物反应器。还提供了一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方法，所述方法包括经由中央排出管线将发酵液从第一一级生物反应器通到其它一级生物反应器和/或二级生物反应器中。还提供了一种用于跨越多个生物反应器维持气体基质的稳定发酵的方法，所述方法包括经由中央排出管线将发酵液从一个或多个可操作的一级生物反应器提供到一个或多个二级生物反应器中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请依据美国法典第35篇第111条(a)款是非临时申请并且依据美国法典第35篇第119条(e)款要求2013年7月4日提交的美国临时61/843,046的优先权益，该美国临时61/843,046在此以引用的方式整体并入本文。
本专利技术涉及利用多生物反应器系统使气体基质进行连续发酵的系统和方法。本专利技术提供了一种系统，其中多个生物反应器由中央排出管线连接，所述中央排出管线允许所连接的生物反应器之间处于流体连通。还提供了一种用于缩短多个生物反应器的启动时间的方法。还提供了一种使用多个生物反应器进行灵活的连续气体发酵的方法。
技术介绍
乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液体运输燃料。在2005年，在世界范围内，乙醇的消耗量估计有122亿加仑。由于欧洲、日本、美国以及一些发展中国家对乙醇的关注增加，因此燃料乙醇工业的全球市场也已经被预测在未来会急剧增长。举例来说，在美国，使用乙醇生产E10，即10％乙醇在汽油中的混合物。在E10共混物中，乙醇组分充当补氧剂，从而提高燃烧效率并且减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇作为在汽油中共混的补氧剂以及其本身作为纯燃料这两者满足了约30％的运输燃料需求。此外，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放的后果的环境问题已经促使欧盟(EuropeanUnion，EU)为成员国设立有关诸如生物质衍生的乙醇之类的可持续运输燃料的消耗的强制目标。绝大多数的燃料乙醇是经由传统的基于酵母的发酵工艺生产的，这些发酵工艺使用作物衍生的碳水化合物，如从甘蔗提取的蔗糖或从粮食作物提取的淀粉，作为主要的碳源。然而，这些碳水化合物原料的成本会受到它们作为人类食物或动物饲料的价值所影响，而用于生产乙醇的产生淀粉或蔗糖的作物的种植并非在所有地区均是经济上可持续的。因此，所关注的是，研发使更低的成本和/或更丰富的碳资源转换成燃料乙醇的技术。CO是诸如煤或石油和石油衍生产品之类的有机材料不完全燃烧的主要游离富含能量的副产物。举例来说，据报道，澳大利亚的钢铁工业每年产生并且向大气中释放超过500,000吨的CO。可以使用催化工艺来使主要由CO和/或CO和氢气(H2)组成的气体转化成多种燃料和化学品。还可以使用微生物来使这些气体转化成燃料和化学品。这些生物过程尽管一般比化学反应要慢，但是与催化工艺相比具有若干优势，包括更高的特异性、更高的收率、更低的能量成本以及更大的抗中毒性。微生物依靠CO作为唯一的碳源生长的能力最初是在1903年被发现的。这随后被确定为利用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生化途径(也被称为伍兹-扬达尔途径(Woods-Ljungdahlpathway)和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶(CODH/ACS)途径)的生物体的特性。包括一氧化碳营养型生物体、光合生物体、产甲烷型生物体以及产乙酸型生物体在内的很多厌氧生物体已经被证实将CO代谢成各种最终产物，即CO2、H2、甲烷、正丁醇、乙酸盐以及乙醇。虽然使用CO作为唯一的碳源，但是所有这些生物体均产生这些最终产物中的至少两种。厌氧细菌，如来自梭菌属(Clostridium)的那些厌氧细菌已经被证实经由乙酰辅酶A生化途径由CO、CO2以及H2产生乙醇。举例来说，由气体产生乙醇的杨氏梭菌(Clostridiumljungdahlii)的各种菌株描述于WO00/68407、EP117309、美国专利号5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO98/00558以及WO02/08438中。细菌自产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)菌种也已知会由气体产生乙醇(Abrini等，ArchivesofMicrobiology161，第345-351页(1994))。然而，微生物通过气体发酵的乙醇产生始终与乙酸盐和/或乙酸的共同产生相关。由于一些可利用碳被转化成乙酸盐/乙酸而非乙醇，因此使用这样的发酵工艺的乙醇生产效率可能小于理想的生产效率。此外，除非乙酸盐/乙酸副产物可以被用于某其它目的，否则它可能会引起废物处理问题。乙酸盐/乙酸由微生物转化成甲烷并且因此有可能导致GHG排放。在H2存在下使CO进行微生物发酵可以使得基本上全部的碳转移到醇中。然而，在不存在足够H2的情况下，一些CO被转化成醇，而很大一部分被转化成CO2，如以下化学方程式中所示：6CO+3H2O→C2H5OH+4CO212H2+4CO2→2C2H5OH+6H2OCO2的产生表示总碳捕获的效率低并且如果被释放，也有可能导致温室气体排放。WO2007/117157描述了一种通过使含有一氧化碳的气体进行厌氧发酵来产生醇，特别是乙醇的方法，该WO2007/117157的公开内容以引用的方式并入本文。作为发酵工艺的副产物而产生的乙酸盐被转化成氢气和二氧化碳气体，它们中的任一者或这两者可以被用于厌氧发酵工艺中。WO2008/115080描述了一种用于在多个发酵阶段中产生一种或多种醇的方法，该WO2008/115080的公开内容以引用的方式并入本文。在第一生物反应器中由于一种或多种气体的厌氧发酵而产生的副产物可以被用于在第二生物反应器中产生产物。此外，第二发酵阶段的副产物可以被再循环到第一生物反应器中以产生产物。US7,078,201和WO02/08438也描述了通过改变当中进行发酵的液体营养培养基的条件(例如pH值和氧化还原电位)来改进用于产生乙醇的发酵工艺。如那些公开中所公开的那样，可以使用类似的工艺来产生其它醇，如丁醇。即使是对用于产生一种或多种酸和/或一种或多种醇的发酵工艺的小的改进也可能对这种工艺的效率，并且更特别是商业可行性有显著的影响。本专利技术的目的在于提供克服了本领域已知的缺点并且为公众提供了用于最优地产生多种有用产物的新方法的一种或多种系统和/或一种或多种方法。
技术实现思路
在第一个方面，提供了一种用于连续发酵的生物反应器系统，所述生物反应器系统包括：a.两个或更多个一级生物反应器，所述一级生物反应器被适配用于通过一种或多种微生物使气体基质发酵以产生发酵液；b.一个或多个二级生物反应器，所述二级生物反应器被适配用于通过一种或多种微生物使气体基质发酵以产生一种或多种产物；以及c.中央排出管线，其中所述系统的一级生物反应器中的至少两个能够经由所述中央排出管线彼此处于流体连通并且与至少一个二级生物反应器处于流体连通。在一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方法，所述方法包括：a.将气体基质供应到包含液体营养培养基的第一一级生物反应器中；b.用一种或多种微生物对所述第一一级生物反应器进行接种；c.使所述气体基质发酵以产生包含一种或多种微生物和一种或多种产物的发酵液；d.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从所述第一一级生物反应器中通出以对至少一个其它一级生物反应器进行接种；e.在主要促进微生物生长的条件下操作所述至少一个其它一级生物反应器；以及f.经由所述中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从至少一个一级生物反应器中通出以对至少一个二级生物反应器进行接种，在主要产生产物的条件下操作所述二级生物反应器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.04 US 61/843,0461.一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方法，所述方
法包括：
a.将气体基质供应到包含液体营养培养基的第一一级生物反应器中；
b.用一种或多种微生物对所述第一一级生物反应器进行接种；
c.使所述气体基质发酵以产生包含一种或多种微生物和一种或多种产
物的发酵液；
d.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从所述第一一级生物
反应器中通出以对至少一个其它一级生物反应器进行接种；
e.在主要促进微生物生长的条件下操作所述至少一个其它一级生物反
应器；以及
f.经由所述中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从至少一个一级
生物反应器中通出以对至少一个二级生物反应器进行接种，在主要产生产
物的条件下操作所述二级生物反应器。
2.一种用于跨越多个生物反应器维持气体基质的稳定发酵的方法，所
述方法包括：
a.将气体基质供应到包含含有一种或多种微生物的液体营养培养基的
两个或更多个一级生物反应器中；
b.在所述两个或更多个一级生物反应器中使所述气体基质发酵以产生
包含一种或多种微生物和一种或多种产物的发酵液；
c.经由中央排出管线将所述发酵液的至少一部分从一个一级生物反应
器通到一个或多个二级生物反应器中；以及
d.确定(c)的所述一级生物反应器中的一个或多个是否是可操作的，
其中如果所述一级生物反应器中的一个或多个是不可操作的，那么经由所
述中央排出管线将来自一个或多个可操作的一级生物反应器的发酵液的至
少一部分提供到(c)的所述一个或多个二级生物反应器中。
3.如权利要求2所述的方法，其中在主要促进微生物生长的条件下操

\t作所述一级生物反应器，并且在主要产生一种或多种产物的条件下操作所
述二级生物反应器。
4.如权利要求1所述的方法，其中利用(a)的所述一级生物反应器基
本上同时对多于一个其它一级生物反应器或二级生物反应器进行接种。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将发酵液的至少一部分
从多于一个一级生物反应器中同时通出以对一个或多个二级生物反应器进
行接种。
6.如权利要求1所述的方法，其中在将发酵液的至少一部分通出以对
一个或多个一级生物反应器或一个或多个二级生物反应器进行接种之前，
使一个或多个一级生物反应器中所述发酵液的体积显著增加。
7.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括确定向所述一级生物反
应器或所述二级生物反应器中的所述气体基质的供应是否是有限的，其中
如果所述气体基质的供应是有限的，那么暂时关闭至少一个一级生物反应
器或二级生物反应器直到恢复所述气体基质的...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·科利特，J·吴，D·阿斯顿，
申请(专利权)人：朗泽科技新西兰有限公司，
类型：发明
国别省市：新西兰;NZ