用于合成氣發(fā)酵的生物反應(yīng)器的制造方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2012年5月31日、中國(guó)國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?01280032603. 9、發(fā)明名 稱為"用于合成氣發(fā)酵的生物反應(yīng)器"的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 本申請(qǐng)要求2011年6月30日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/571，564和61/571，565 W及2011年9月13日提交的61/573, 845的優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)申請(qǐng)W其全部?jī)?nèi)容通過(guò)參考 并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請(qǐng)?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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)反應(yīng)器部分。
【背景技術(shù)】
[0004] 厭氧微生物可W通過(guò)氣態(tài)底物的發(fā)酵從一氧化碳（CO)生產(chǎn)乙醇。使用來(lái)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(guó) 專利號(hào) 5, 173,429 描述了李氏梭菌（ClostridiumIjungd址lii)ATCCNo. 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(guó)專利號(hào)5, 807, 722描述了使用李氏梭菌 (ClostridiumIjungd址IiiMTCCNo. 55380將廢氣轉(zhuǎn)變成有機(jī)酸和醇類的方法和裝置。美 國(guó)專利號(hào) 6, 136, 577 描述了使用李氏梭菌（ClostridiumIjungd址lii)ATCCNo. 55988 和 55989將廢氣轉(zhuǎn)變成乙醇的方法和裝置。
[0005] 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W 產(chǎn)生包括一氧化碳和氨的發(fā)生氣或合成氣體或合成氣，在本領(lǐng)域中是公知的。運(yùn)樣的氣化 過(guò)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(guò)程供應(yīng)低于化學(xué)計(jì)算量的 氧W促進(jìn)一氧化碳的生產(chǎn)，如WO2009/154788中所述。
[0006] 氣態(tài)底物的發(fā)酵可能是挑戰(zhàn)性的，運(yùn)是因?yàn)橹辽僖徊糠謿鈶B(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運(yùn)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(guó)專利號(hào)5, 972, 661和 7, 201，884W及WO2011/028137 中。
[0007] 使用產(chǎn)乙酸細(xì)菌的發(fā)酵過(guò)程通常包括一個(gè)或多個(gè)種子反應(yīng)器、一個(gè)或多個(gè)生長(zhǎng)反 應(yīng)器和至少一個(gè)主反應(yīng)器。通常將產(chǎn)乙酸細(xì)菌在種子反應(yīng)器中生長(zhǎng)至一定細(xì)胞密度。然后 使用種子反應(yīng)器接種生長(zhǎng)發(fā)酵罐。生長(zhǎng)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(zhǎng)反應(yīng)器中的產(chǎn)乙酸細(xì)菌生長(zhǎng)至所需細(xì)胞密度。然后可W使用生長(zhǎng)反應(yīng)器接種另一個(gè)更 大的生長(zhǎng)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(zhǎng)反應(yīng)器更大的尺寸。多 個(gè)反應(yīng)器的使用增加了啟動(dòng)時(shí)間并增加成本。 陽(yáng)00引發(fā)明概述
[0009] 本申請(qǐng)?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W包括生長(zhǎng) 發(fā)酵罐部分和主發(fā)酵罐部分。包含生長(zhǎng)發(fā)酵罐作為主反應(yīng)器的連續(xù)部分允許減少分開(kāi)的生 長(zhǎng)發(fā)酵罐的數(shù)量，運(yùn)可W減少啟動(dòng)時(shí)間并降低設(shè)備數(shù)目和成本。
[0010] 提供了一種生物反應(yīng)器，其包括具有選自攬拌和非攬拌蓋反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器 燈BR)、并流接觸器（CCC)、移動(dòng)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)，并具有選自攬拌和非攬拌蓋反應(yīng)器、滴流床 反應(yīng)器燈BR)、并流接觸器（CCC)、移動(dòng)床生物反應(yīng)器（MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造的生長(zhǎng) 反應(yīng)器。在運(yùn)種情況下，所述主反應(yīng)器體積與生長(zhǎng)反應(yīng)器體積之比為約10:1至約100:1。
[0011] 在另一種情況下，提供了一種啟動(dòng)方法，所述方法包括將產(chǎn)乙酸細(xì)菌與合成氣在 反應(yīng)器容器的生長(zhǎng)發(fā)酵罐部分中接觸有效地提供至少約3克/升的細(xì)胞密度的時(shí)間。在達(dá) 到至少約3克/升的細(xì)胞密度后，向所述反應(yīng)器容器添加培養(yǎng)基，W在所述反應(yīng)器容器中達(dá) 到液體水平面。在培養(yǎng)基添加期間，培養(yǎng)基W有效地維持至少約3克/升的細(xì)胞密度的速 率添加。在運(yùn)種情況下，將所述產(chǎn)乙酸細(xì)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(zhǎng)反應(yīng)器部分中相接觸。所述生長(zhǎng)反應(yīng)器部分包括 選自攬拌和非攬拌蓋反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器燈BR)、并流接觸器（CCC)、移動(dòng)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)器部分包括選自攬拌和非攬拌蓋反應(yīng)器、滴流 床反應(yīng)器燈BR)、并流接觸器（CCC)、移動(dòng)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，提供了一種啟動(dòng)方法，所述方法包括將產(chǎn)乙酸細(xì)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(xì)胞密度的時(shí)間。在達(dá)到約5克/升的細(xì) 胞密度后，加入培養(yǎng)基W達(dá)到所述反應(yīng)器容器中的液體水平面。在運(yùn)種情況下，將所述產(chǎn)乙 酸細(xì)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(zhǎng)反應(yīng)器部分中相接觸。所述生長(zhǎng)反應(yīng)器部分包括選自攬拌和非攬拌蓋反應(yīng)器、滴流床反 應(yīng)器燈BR)、并流接觸器（CCC)、移動(dòng)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)器部分包括選自攬拌和非攬拌蓋反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器（TBR)、并流接觸器（CCC)、移 動(dòng)床生物反應(yīng)器（MBBR)和泡罩塔反應(yīng)器的構(gòu)造。
[0013] 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(xì) 菌與合成氣在反應(yīng)器容器的生長(zhǎng)部分中接觸有效地提供至少約3克/升的細(xì)胞密度的時(shí) 間。向所述反應(yīng)器容器加入培養(yǎng)基，并在同時(shí)維持至少約3克/升的細(xì)胞密度，直至在所述 反應(yīng)器容器的主要部分中達(dá)到液體水平面。在運(yùn)種情況下，所述反應(yīng)器容器的所述生長(zhǎng)部 分和主要部分是連續(xù)的。通過(guò)氣體噴布器，將合成氣W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CO/C〇2摩爾比。向所述反應(yīng)器容器的主要部分提供約0.Ol至約12千瓦/ m3培養(yǎng)基的攬拌能量輸入。所述方法有效地提供約100至約1500/小時(shí)的體積CO傳質(zhì)系 數(shù)和至少I(mǎi)Og乙醇/化.日）的STY。
[0014] 附圖簡(jiǎn)述
[0015] 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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
[0016] 圖1是生物反應(yīng)器的透視圖。 陽(yáng)017] 圖2示出了生物反應(yīng)器的可選替構(gòu)造。 陽(yáng)01引 圖3A和3B示出了氣體入口 /噴布器的底視圖。
[0019] 圖4是氣體噴布器的橫截面視圖。
[0020] 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。
[0021] 圖6生物反應(yīng)器的生長(zhǎng)發(fā)酵罐部分的可選替構(gòu)造。
[0022] 在整個(gè)附圖的幾張視圖中，相應(yīng)的參考符號(hào)指示相應(yīng)的組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將 會(huì)認(rèn)識(shí)到，圖中的元件被簡(jiǎn)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(duì)于其他元件可能被放大，W幫助增強(qiáng)對(duì)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(méi)有被示出，W便于更 少阻礙地示出運(yùn)些各種不同方面。 陽(yáng)〇2引詳細(xì)描述
[0024] 下面的描述不應(yīng)W限制的意義看待，而僅僅是出于描述示例性實(shí)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(shū)來(lái)確定。
[00巧]通過(guò)改進(jìn)條件W提高體積CO傳質(zhì)系數(shù)，來(lái)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(shí)，在另一種情況下約200至約1100/小時(shí)，在另 一種情況下約200至約900/小時(shí)，在另一種情況下約300至約800/小時(shí)，在另一種情況 下約400至約700/小時(shí)，并且在另一種情況下約500至約600/小時(shí)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W及氣體分散和混 厶 1=1 O
[00%] 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/化?日）的STY(空時(shí)收率）?？赡艿腟TY值包括約IOg乙醇/化?日）至 約200g乙醇/化.日），在另一種情況下約IOg乙醇/化.日）至約160g乙醇/化.日）， 在另一種情況下約IOg乙醇/化?日）至約120g乙醇/化?日），在另一種情況下約IOg乙 醇/化?日）至約80g乙醇/化?日），在另一種情況下約20g乙醇/化?日）至約140g乙 醇/化?日），在另一種情況下約20g乙醇/化?日）至約100g乙醇/化?日），在另一種 情況下約40g乙醇/化.日）至約140g乙醇/化.日），并且在另一種情況下約40g乙醇/ (L?日）至約100g乙醇/化?日）。
[0027] 定女
[0028] 除非另有定義，否則在整個(gè)本公開(kāi)的說(shuō)明書(shū)中使用的下列術(shù)語(yǔ)如下所定義，并且 可W包括下面所確定的定義的單數(shù)或復(fù)數(shù)形式：
[0029] 修飾任何量的術(shù)語(yǔ)"約"是指在真實(shí)世界條件中，例如在實(shí)驗(yàn)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(cè)量值的量，當(dāng)用"約"修飾 時(shí)，包括在生產(chǎn)廠或?qū)嶒?yàn)室中的實(shí)驗(yàn)條件下，在測(cè)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(shí)，包括在工廠或?qū)嶒?yàn)室的多批實(shí)驗(yàn)中不同批次之間的變差， W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W作為沒(méi)有用"約"修飾的量使用在本公開(kāi)中。
[0030] 當(dāng)在本文中使用時(shí)，"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(shuō)明書(shū)中，含碳材料包括無(wú)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W 被當(dāng)作含碳材料的大量物品中，本公開(kāi)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(wú)煙煤，輪胎，塑料，廢塑料，焦?fàn)t焦油，軟纖維（Hbersoft)，木 質(zhì)素，黑液，聚合物，廢聚合物，聚對(duì)苯二甲酸乙二醋（PETA)，聚苯乙締（P巧，污水污泥，動(dòng) 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(guò)程廢物，乙醇聯(lián)產(chǎn)物，酒糟，廢微生物或其組合。
[0031]術(shù)語(yǔ)"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(gè)實(shí)例中，含碳材料通 過(guò)各種物質(zhì)的蒸氣壓熱處理來(lái)生產(chǎn)。在另一個(gè)實(shí)例中，軟纖維可W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。 陽(yáng)03引術(shù)語(yǔ)"市政固體廢物"或"MSW"或"msw"是指可W包括家庭、商業(yè)、工業(yè)和/或殘 余廢物的廢物。
[0033] 術(shù)語(yǔ)"合成氣"或"合成氣體"是指用于稱