改进的气态底物发酵制造技术

本发明专利技术涉及气态底物的微生物发酵，具体涉及为提高发酵特别是包含CO的底物的微生物发酵的效率而构造的气/液接触模块和生物反应器。在一个具体的实施方案中，构造具有多个通道的气/液接触模块以在液体发酵液中产生产物。在另外的实施方案中，提供了一种发酵液态底物以在液体发酵液中产生产物的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及气态底物的微生物发酵。具体地，本专利技术涉及被构造为可提高发酵特别是包含CO的底物的微生物发酵的效率的气/液接触模块和生物反应器。
技术介绍
乙醇正在迅速成为全世界主要的富含氢的液体运输燃料。2005年全世界乙醇消费量估计为122亿加仑。由于欧洲、日本、美国和若干发展中国家对乙醇的兴趣增加，预计燃料乙醇工业的全球市场在将来会急剧增长。例如，在美国，乙醇用于生产ElO——一种乙醇在汽油中的10%混合物。在ElO掺合物中，所述乙醇组分用作氧合剂，提高燃烧效率并减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇满足约30%的运输染料需求，其既作为混在汽油中的氧合剂，自身又作为纯染料。同样，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放后果的环境问题已经成为刺激欧盟(EU)对成员国设置消耗可持续运输燃料(例如从生物质得到的乙醇)的强制目标的动力。绝大部分燃料乙醇是通过传统的基于酵母的发酵方法生产的，所述方法采用从作物得到的碳水化合物(例如从甘蔗提取的蔗糖或从谷类作物提取的淀粉)作为主要碳源。 然而，这些碳水化合物原料的成本受其作为人类食物或动物饲料的价值的影响，同时用于乙醇生产的产淀粉或蔗糖作物的栽培并非在所有地理条件下都是经济上可持续的。因此， 需要开发将更低成本的和/或更丰富的碳源转化成燃料乙醇的技术。CO是有机材料(例如煤或油和油衍生产品)不完全燃烧的主要的、低成本的、富含能量的副产物。例如，据报道澳大利亚的钢铁工业每年产生并释放到大气中超过500，000 吨的CO。额外地或可选地，富含CO的气流(合成气)可通过含碳物质(例如煤、石油和生物质)的气化产生。含碳物质可通过使用多种方法(包括热解、焦油裂解和煤焦气化)气化而被转化为包括C0、C02』2和少量CH4的气体产物。合成气还可以以蒸汽重整方法生产， 例如甲烷或天然气的蒸汽重整。可使用催化方法以将主要由CO和/或主要由CO和氢气(H2)组成的气体转化成多种燃料和化学制品。也可使用微生物将这些气体转化成燃料和化学制品。尽管这些生物方法通常比化学反应慢，然而它们相对于催化方法存在若干优点，包括更高的特异性、更高的收率、更低的能量消耗以及对中毒的更高抗性。微生物以CO作为唯一碳源而生长的能力首次发现于1903年。后来确定这是使用乙酰辅酶A (乙酰CoA)自养生化途径(也称为Woods-Ljimgdahl途径和一氧化碳脱氢酶/ 乙酰CoA合酶(C0DH/ACQ途径)的生物体的特性。已证明大量厌氧生物(包括一氧化碳营养生物、光合生物、产甲烷生物和产乙酸生物)将CO代谢为多种终产物，即C02、H2、甲烷、 正丁醇、乙酸和乙醇。尽管使用CO作为唯一碳源，然而所有这些生物均产生至少两种这些终产物。已证明厌氧细菌(例如梭菌属(Clostridium)的那些厌氧细菌)可通过CoA生化途径从CO、CO2和H2产生乙醇。例如，WO 00/68407，EP 117309，美国专利5，173，429、5，593，886和6，368，819, WO 98/00558以及WO 02/08438记载了从气体产生乙醇的扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的多个菌株。还已知细菌 Clostridium autoethanogenum sp从气体产生乙醇(Abrini et al. ,Archives of Microbiology 161，pp;345-351 (1994))。然而，由微生物通过气体发酵进行的乙醇生产通常伴随乙酸盐和/或乙酸的共产生。由于某些可利用的碳通常被转化成乙酸盐/乙酸而不是乙醇，因此使用这些发酵方法生产乙醇的效率可能低于所希望的。而且，除非所述乙酸盐/乙酸副产物可用于某些其他目的，否则其可能造成废物处理问题。乙酸盐/乙酸由微生物转化为甲烷并因此可能造成 GHG排放。W02007/117157、W02008/115080 和 W02009/022925-其公开内容以引用的方式纳入本文——记载了通过对含有一氧化碳的气体的厌氧发酵生产醇类特别是乙醇的方法。 W02007/117157记载了一种通过对含有一氧化碳的气体的厌氧发酵生产醇类特别是乙醇的方法。作为所述发酵方法的副产物产生的乙酸盐被转化为氢气和二氧化碳气体，其中一种或两种可用于所述厌氧发酵方法。W02008/115080描述了一种用于在多个发酵阶段中生产醇的方法。在第一生物反应器中因气体的厌氧发酵产生的副产物可用于在第二生物反应器中产生产物。此外，所述第二发酵阶段的副产物可回收至所述第一生物反应器以产生产物。 W02009/022925公开了 pH和ORP在包含CO的底物通过发酵转化为产物(例如酸和醇)的过程中的作用。气态底物的发酵可由于以下需求而具有挑战性至少一部分气态底物溶于通常为水性的发酵液中，然后所述底物才可由微生物培养物代谢。包含气态底物一其中一种或多种气体组分是微生物的碳源并任选地为能源一的发酵特别具有挑战性，因为在进行任何代谢之前需要将大量底物溶解于发酵液中。用作发酵中的碳源和/或能源的气态底物的实例包括C0、C02、CH4』2和&S。具体地，少量可溶性底物(例如CO和/或H2)要求向水性发酵液中的高效质量传递，因为CO对于厌氧发酵既是碳源又是能源。例如，⑶和H2转化为乙醇的理论等式为6C0+12H2 — 3C2H50H+3H20因此，6个气体分子(C0和/或H2)必须溶解于发酵液中以产生一个乙醇分子。气体向液体中的质量传递是三个主要变量的函数1.浓度驱动力(Concentration Driving Force)具体气态组分的分压与该组分被驱动到溶液中的速率基本上成比例。2.界面表面积气相与液相之间的界面表面积越大，质量传递的可能性越高。具体地，界面表面积通常是气体滞留量和气泡大小的函数。3.传递系数系统的传递系数受多种因素的影响。然而，从实践的角度来看，最大的影响因素通常是气相与液相之间的相对速度。相对速度(并因此质量传递)通常通过搅拌或其他混合增加湍流而增加。用于促进在气态底物发酵中向微生物的质量传递的许多装置和设备是已知的。然而，它们通常需要大量能量以获得必需的质量传递速率。例如，为实现CO和任选的压向产物(例如酸和醇)的有效发酵，必须使所述底物可被所述微生物以有效方式利用。这通常通过以下方式实现通过机械手段(如剧烈搅拌)增加CO分子和任选的吐分子向溶液中的质量传递速率。这些增加质量传递的方法需要大量能量输入，这会随着规模的增加会变得低效和/或不经济。本专利技术的目的是提供克服本领域中已知的缺点的系统和/或方法，并向公众提供用于多种有用产品的最佳生产的新方法。
技术实现思路
本专利技术的第一方面提供了一种用于将包含CO以及任选的H2或者(X)2和吐的气态底物发酵为一种或多种产物的生物反应器系统，所述系统包括(a)至少一个发酵容器，其被构造为使得在使用时液体发酵液可在环路中循环；(b)至少一个泵送装置，其被构造为在使用时使得发酵液以及任选的所述气态底物气体沿所述环路循环；(c)至少一个气体进口，其被构造为在使用时引导气态底物进入所述容器；以及(d)至少一个气体出口，其被构造为在使用时允许气体排出所述容器。本专利技术的第二方面提供了一种气/液接触模块，其被构造用于气态底物的发酵， 其中所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·R·特里维西克，J·C·布罗姆雷，S·D·辛普森，V·科斯拉，
申请(专利权)人：新西兰郎泽科技公司，
类型：发明
国别省市：