用于气体发酵产品的方法和生物反应器技术

本发明专利技术涉及生产气体发酵产物的生物反应器和方法，其特别适用于使用含CO

Methods and bioreactors for gas fermentation products

The invention relates to a bioreactor and a method for producing gas fermentation products, in particular to the use of CO

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于气体发酵产品的方法和生物反应器关于联邦政府资助研发的声明本专利技术是在美国海军研究办公室资助的N00014-10-1-0310，N00014-11-1-0391，N00014-12-1-0496，N00014-13-1-0463，N00014-14-1-0054，N00014-15-1-0028和N00014-16-1-2116的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
本专利技术涉及生产气体发酵产物的方法和涉及可用于实施该方法的生物反应器。本专利技术的方法和生物反应器特别适用于使用含CO2的气态原料生产微生物聚羟基烷酸酯(PHA)。
技术介绍
化石燃料燃烧释放的CO2是主要的温室气体。典型的烟道气含有(％vol)：CO2(6-12)，O2(6-14)，N2(66-76)，H2O(6-18)和其他微量污染物。随着对气候变化的日益关注，通过碳捕获和封存而减少二氧化碳排放成为对诸如发电厂，水泥厂和城市固体废物焚烧炉等大型点源的严峻挑战。将二氧化碳转化为有价值的产品是对存储有吸引力的替代方式。氢-氧化性细菌如钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)可以通过在岩石自养条件下使用H2和O2来固定CO2。由于H2和O2可以方便地用可再生能源(例如太阳能和风能)从水电解获得，因此通过气体发酵从CO2生产生物质是可持续的过程。重要的是，在受控条件下显著量(40-80wt％)的钩虫贪铜菌细胞质是聚羟基烷酸酯(PHA)，特别是聚羟基丁酸酯(PHB)。这种生物聚酯，其作为能量和碳储存材料积聚在微生物细胞中，可以加工以获得各种有价值的产品，包括热塑性塑料，高级燃料，烯烃和芳烃。几乎都用CO2，H2和O2的混合物研究氢-氧化性细菌的气体发酵。据申请人所知，没有研究使用烟气，这是因为大量的N2稀释了气体底物的浓度并使生物反应器操作变得困难。微生物CO2固定受到气态底物向悬浮在矿物质水溶液中的微生物细胞(即发酵液)的传质的限制。气体(特别是H2和O2)在发酵液中的溶解性差，对于高CO2固定率，高细胞密度和高PHB生产率的气体发酵提出了巨大的技术挑战。在传统的曝气生物反应器中，气体在底部引入和气泡在水溶液中快速上升。尽管可以通过机械搅拌加强气泡周围的传质，但是需要高的供气速率以在液相中产生高的气体滞留或界面区域。因此大部分气体被排出并浪费掉。该问题可以通过在封闭的生物反应器系统中再循环气体来解决。然而，这种解决方案不适用于烟道气。用于气体发酵的理想生物反应器即使在非常低的供气速率下也应具有高的气体传质系数(kLa)。然而，在传统的搅拌生物反应器中，kLa值随着供气速率的降低而下降，这意味着液相中的高能量耗散不能在低供气速率下确保较高的kLa。喷雾塔已经在工业中用于气体吸收，但主要用于液体溶液中的快速反应，例如在NaOH溶液中的SO2吸收和在胺溶液中的CO2吸收，其中传质阻力主要位于气体侧。相反，在微生物发酵中CO2，H2和O2的传质阻力主要位于液体侧，并且远高于气体侧传质阻力。然而，据申请人所知，喷嘴喷雾尚未用于微生物发酵。
技术实现思路
鉴于现有技术的缺点，申请人面临的问题是提供一种生产诸如聚羟基烷酸酯(PHA)之类气体发酵产物的方法和气体发酵生物反应器，其即使在非常低的气体流量(Us)，即供气速率下可以保持高气体传质速率。因此可以控制生物反应器中气体分子的保留时间以提供高效率的利用。申请人发现，通过将喷雾液滴形式的发酵液(培养基溶液)与生物反应器的发酵容器中气体存在的顶部气相中的气体底物接触，可以实现上述优点以及从以下描述中显而易见的其它优点。可以通过多种方式实现该接触。在第一个优选的实施方案中，将发酵液从容器中取出，通过外部回路循环，然后通过将其喷雾到存在于其中的顶部气相中再次引入生物反应器中，在那里它与气态底物接触，该气态底物分别供入生物反应器的气相中。发酵液可以在外部回路中驱动，例如通过容积泵驱动。在第二个优选的实施方案中，将气态底物进料到外部回路，从而获得气液混合物，随后将其喷雾到生物反应器的气相中。有利地，在该第二实施方案中，外部回路还可包括一个或多个静态混合器，以在升高的压力下增强气液混合和接触。在物理吸收和微生物发酵条件下测量用本专利技术的生物反应器可获得的气体传质系数(kLa)，以证明增强的气体传质速率。由于生物强化使传质速率增加了89％。与传统的搅拌生物反应器相比，本专利技术的生物反应器表现出高kLa与低能量消耗。通过生物反应器中的高频率的液体-气体接触和小喷雾羽流也增强了气体传质。在非常低供气速率下的能量消耗低于常规搅拌生物反应器的能量消耗。已经观察到，有利地高液体循环速率可以在经过喷嘴的低压降下操作以保持液体对气相的高频率曝露。这也节省了能量，因为经过喷嘴的低压降显著降低了能量耗散率。有利地，在本专利技术的喷雾式生物反应器中优选避免高能量耗散率，因为它不能确保高传质速率却浪费能量。此外，可以避免大的喷雾羽流，因为气体传质主要发生在喷嘴尖端下方的短距离内。小喷雾羽流可以节省上部大喷雾的成本。另外，由悬浮在发酵液中的微生物细胞带来的生物气体消耗可以在很大程度上加强气体传质。最后，本专利技术的喷雾式生物反应器可以在非常低的供气速率下操作，以由CO2，H2和O2生产PHA，即使在稀释氮气存在下以及没有气体循环。在下文中，参考在H2和O2存在下的微生物CO2固定，以产生聚羟基烷酸酯的方法描述本专利技术。具体地，已经观察到聚羟基丁酸酯(PHB)可以在存在或不存在大量氮气的情况下由氢气，二氧化碳和氧气的气体混合物制备。然而，本专利技术的方法和用于实施所述方法的相关装置也可有利地用于其它类型的微生物气体发酵中，其中使用微溶的气态底物。根据第一方面，本专利技术涉及通过气体发酵生产至少一种聚羟基烷酸酯的方法，该方法包括如下步骤：a)提供至少一个气体发酵容器(2)，其具有部分填充有液体发酵液(11)的内部容积，液体发酵液(11)包括：-水，-能够产生至少一种聚羟基烷酸酯的悬浮的气体发酵微生物，-气体发酵微生物的营养物；气体发酵容器(2)的剩余部分容积填充有气相(15)；b)从气体发酵容器(2)中连续取出液体发酵液(11)的等分试样；c)供应包含CO2，H2和O2的气态底物(14)；d)通过使液体发酵液(11)以喷雾液滴的形式与气态底物(14)在气相(15)中接触，将气态底物(14)与从气体发酵容器(2)中取出的液体发酵液(11)混合；e)用步骤d中得到的气液混合物培养气体发酵微生物，形成含有至少一种聚羟基烷酸酯的细胞质(cellmass)；f)从细胞质中回收至少一种聚羟基烷酸酯。在优选的实施方案中，通过气体发酵生产至少一种聚羟基烷酸酯的方法包括：a)提供至少一个气体发酵容器(2)，气体发酵容器(2)的内部容积部分填充有液体发酵液(11)，液体发酵液(11)包括：-水，-能够产生至少一种聚羟基烷酸酯的悬浮的气体发酵微生物，-气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.通过气体发酵生产至少一种聚羟基烷酸酯的方法，该方法包括如下步骤：/na)提供至少一个气体发酵容器(2)，其具有部分填充有液体发酵液(11)的内部容积，液体发酵液(11)包括：/n-水，/n-悬浮的能够产生至少一种聚羟基烷酸酯的气体发酵微生物，/n-用于气体发酵微生物的营养物；/n气体发酵容器(2)的剩余部分容积填充有气相(15)；/nb)从气体发酵容器(2)中连续取出液体发酵液(11)的等分试样；/nc)供应包含CO

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20161213 US 62/433,7481.通过气体发酵生产至少一种聚羟基烷酸酯的方法，该方法包括如下步骤：
a)提供至少一个气体发酵容器(2)，其具有部分填充有液体发酵液(11)的内部容积，液体发酵液(11)包括：
-水，
-悬浮的能够产生至少一种聚羟基烷酸酯的气体发酵微生物，
-用于气体发酵微生物的营养物；
气体发酵容器(2)的剩余部分容积填充有气相(15)；
b)从气体发酵容器(2)中连续取出液体发酵液(11)的等分试样；
c)供应包含CO2、H2和O2的气态底物(14)；
d)通过使液体发酵液(11)以喷雾液滴的形式与气态底物(14)在气相(15)中接触，而将气态底物(14)与从气体发酵容器(2)中取出的液体发酵液(11)混合；
e)采用步骤d中得到的气液混合物培养该气体发酵微生物以形成含有至少一种聚羟基烷酸酯的细胞质；
f)从细胞质中回收至少一种聚羟基烷酸酯。


2.根据权利要求1的通过气体发酵生产至少一种聚羟基烷酸酯的方法，包括如下步骤：
a)提供至少一个气体发酵容器(2)，其具有部分填充有液体发酵液(11)的内部容积，液体发酵液(11)包括：
-水，
-悬浮的能够产生至少一种聚羟基烷酸酯的气体发酵微生物，
-用于气体发酵微生物的营养物；
气体发酵容器(2)的剩余部分容积填充有气相(15)；
b)从气体发酵容器中连续取出液体发酵液(11)的等分试样；
c)供应包含CO2、H2和O2的气态底物(14)，并将气态底物(14)与从气体发酵容器(2)中取出的液体发酵液(11)混合；
d)将如此获得的气液混合物喷入气体发酵容器(2)中并培养该气体发酵微生物以形成含有至少一种聚羟基烷酸酯的细胞质；
e)从细胞质中回收至少一种聚羟基烷酸酯。


3.根据权利要求1的通过气体发酵生产至少一种聚羟基烷酸酯的方法，包括如下步骤：
a)提供至少一个气体发酵容器(2)，其具有部分填充有液体发酵液(11)的内部容积，液体发酵液(11)包括：
-水，
-悬浮的能够产生至少一种聚羟基烷酸酯的气体发酵微生物，
-用于气体发酵微生物的营养物；
气体发酵容器(2)的剩余部分容积填充有气相(15)；
b)从气体发酵容器(2)中连续取出液体发酵液(11)的等分试样；
c)将包含CO2、H2和O2的气态底物(14)供入气相(15)；
d)将从气体发酵容器(2)中取出的液体发酵液(11)喷雾到气相(15)中；
e)用步骤d中得到的气液混合物培养气体发酵微生物以形成含有至少一种聚羟基烷酸酯的细胞质；
f)从细胞质中回收至少一种聚羟基烷酸酯。


4.根据权利要求1的方法，其中将液体发酵液(11)取出并以等于或高于2l/min、优选等于或高于3l/min的循环速率再引入气体发酵容器(2)中。


5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞坚，P·穆纳辛格，
申请(专利权)人：夏威夷大学，
类型：发明
国别省市：美国;US