高了質(zhì) 量傳遞。
[0041] 在具體實(shí)施方案中，使發(fā)酵液和氣體基質(zhì)循環(huán)穿過循環(huán)回路反應(yīng)器的上升管區(qū)段 和下降管區(qū)段。在具體實(shí)施方案中，在所述反應(yīng)器的上升管區(qū)段的底部輸入氣流。在替代性 實(shí)施方案中，在所述反應(yīng)器的整個(gè)上升管區(qū)段中的多個(gè)位點(diǎn)處輸入氣體。在替代性實(shí)施方 案中，在所述反應(yīng)器的整個(gè)下降管區(qū)段中的多個(gè)位點(diǎn)處輸入氣體。
[0042] 在具體實(shí)施方案中，將發(fā)酵液的一部分從靠近所述反應(yīng)器的下降管區(qū)段的底部處 抽出并且循環(huán)到所述反應(yīng)器的上升管區(qū)段的頂部空間中。在具體實(shí)施方案中，經(jīng)由噴頭或 穿孔的噴嘴將發(fā)酵液中從所述下降管中被取出的部分噴射到上升管的頂部空間中。在某些 實(shí)施方案中，被噴射到頂部空間中的液體減少了上升管中所容納的液體的頂部處的泡沫 層。在另外的實(shí)施方案中，被噴射到所述頂部空間中的液體使泡沫氣泡破裂并且將氣體夾 帶到所述反應(yīng)器的主回路的發(fā)酵液中。
[0043] 在具體實(shí)施方案中，一種或多種微生物使含碳基質(zhì)發(fā)酵以產(chǎn)生包括一種或多種酸 和一種或多種醇的產(chǎn)物。在具體實(shí)施方案中，所述一種或多種微生物通過使包含CO的氣體 基質(zhì)發(fā)酵而產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物。在具體實(shí)施方案中，所述發(fā)酵是厭氧發(fā)酵。在具體實(shí)施方 案中，所述一種或多種微生物培養(yǎng)物使C0和任選的出轉(zhuǎn)化成包括一種或多種酸和/或一種 或多種醇的產(chǎn)物。在具體實(shí)施方案中，所述產(chǎn)物選自由以下各項(xiàng)組成的組：乙醇、乙酸、2,3_ 丁二醇、丁醇、乳酸鹽、丁二酸鹽、甲基乙基酮(MEK)、丙二醇、2-丙醇、異丙醇、乙偶姻、異丁 醇、檸檬酸蘋果酸鹽、丁二烯、聚乳酸、異丁烯、3-羥基丙酸鹽(3HP)、丙酮、脂肪酸以及其混 合物。
[0044] 在各種實(shí)施方案中，使用包含一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌的一種或多種菌株的微生物培 養(yǎng)物進(jìn)行發(fā)酵。在各種實(shí)施方案中，所述一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌選自梭菌屬(Clostridium)、 穆爾氏菌屬(]^00^11&)、醋菌屬((^0&&(^61')、消化鏈球菌屬(？6口1：081^6口1：0(30(^118)、醋酸 桿菌屬(4。61：0&&(^61'；[11111)、真桿菌屬化油&(^61'；[11111)或丁酸桿菌屬(13111：巧1'；^&(^61'；[11111)。在 一個(gè)實(shí)施方案中，所述一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌是自產(chǎn)乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum)。在具體實(shí)施方案中，所述細(xì)菌具有保藏號(hào)DSMZ10061或DSMZ23693的識(shí) 別特征。
[0045] 所述氣體基質(zhì)可以包含作為工業(yè)過程的副產(chǎn)物而獲得的氣體。在某些實(shí)施方案 中，所述工業(yè)過程選自由以下各項(xiàng)組成的組:鐵金屬產(chǎn)品制造、非鐵產(chǎn)品制造、煉油過程、石 油煉制過程、生物質(zhì)的氣化、煤的氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)以及焦炭制 造。或者，所述氣體基質(zhì)是包括天然氣、頁巖氣、相關(guān)的石油氣以及生物氣體在內(nèi)的重整氣 來源。在替代性實(shí)施方案中，所述氣體是通過使生物質(zhì)或城市固體廢物氣化而獲得的。在本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述氣體基質(zhì)是合成氣。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述氣體基質(zhì)包含從 鋼廠獲得的氣體。
[0046] 本發(fā)明還包括在本申請(qǐng)的說明書中單獨(dú)或共同提及或指示的部分、要素以及特 征、所述部分、要素或特征中兩種或更多種的任何或所有組合，并且在本文提到具體的整體 方案并且所述整體方案在與本發(fā)明相關(guān)的領(lǐng)域中具有已知的等同方案的情況下，這些已知 的等同方案被認(rèn)為并入到本文中，如同被單獨(dú)地闡述一般。
【附圖說明】
[0047]現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中：
[0048] 圖1示出了包括副回路的循環(huán)回路反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
[0049] 圖2示出了包括閘門閥，從而消除了對(duì)副栗的需要的循環(huán)回路反應(yīng)器的一個(gè)替代 性實(shí)施方案的示意圖。
[0050] 圖3示出了包括集成的細(xì)胞再循環(huán)系統(tǒng)，從而消除了對(duì)副栗的需要的循環(huán)回路反 應(yīng)器的一個(gè)替代性實(shí)施方案的示意圖。
[0051] 圖5是基于來自6米高的反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了副回路流速對(duì)上升管氣含率的 影響的圖表。
[0052] 圖6是基于來自6米高的反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了副回路對(duì)C0轉(zhuǎn)化率的影響的圖 表。
[0053] 圖7是基于來自3米高的反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了副回路對(duì)上升管氣含率的影響 的圖表。
[0054] 圖8是基于來自10米高的反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了副回路栗速度對(duì)上升管和下降 管氣含率的影響的圖表。
[0055] 圖9是基于來自10米高的反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了副回路栗速度對(duì)C0轉(zhuǎn)化率的影 響的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 定義
[0057] 除非另外定義，否則如整個(gè)本說明書中所用的以下術(shù)語定義如下：
[0058] 術(shù)語"氣體基質(zhì)"包括含有在發(fā)酵中由微生物用作碳源以及任選的能量來源的化 合物或元素的任何氣體。所述氣體基質(zhì)通常將含有很大此例的C0,優(yōu)選地至少約5體積％至 約100體積％的⑶。
[0059 ]雖然所述基質(zhì)未必含有任何氫氣，但H2的存在不應(yīng)當(dāng)會(huì)對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法的產(chǎn) 物形成有害。在具體實(shí)施方案中，氫氣的存在使得產(chǎn)生醇的總效率提高。舉例來說，在具體 實(shí)施方案中，所述基質(zhì)可以包含約2:1、或1: 1、或1: 2此率的H2:C0此率。在具體實(shí)施方案中， 所述基質(zhì)可以包含2:1至1:2此率的H2:C0。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述基質(zhì)包含約30體積％或 更少的H2、20體積％或更少的H2、約15體積％或更少的H2、或約10體積％或更少的H 2。在其它 實(shí)施方案中，所述基質(zhì)流包含低濃度的H2,例如少于5%、或少于4%、或少于3%、或少于 2%、或少于1 %，或基本上不含氫氣。所述基質(zhì)還可以含有一定的⑶2，例如像約1體積％至 約80體積％的0)2、或1體積％至約30體積％的0)2。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述基質(zhì)包含少于或 等于約20體積％的0)2。在具體實(shí)施方案中，所述基質(zhì)包含少于或等于約15體積％的0)2、少 于或等于約10體積％的(》2、少于或等于約5體積％的(：〇2或基本上不含C〇2。
[0060] 術(shù)語"液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基"包括包含適用于一種或多種微生物的發(fā)酵的營(yíng)養(yǎng)素的液 體培養(yǎng)基。液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基將含有足以容許所使用的一種或多種微生物生長(zhǎng)的維生素和/ 或礦物質(zhì)。適用于使用C0的發(fā)酵的厭氧培養(yǎng)基是本領(lǐng)域已知的。舉例來說，合適的培養(yǎng)基描 述于BeitK(Journal of Industrial Microbiology&Biotechnology(2001)27,18-26)中。
[0061] 如本文所用的術(shù)語"酸"包括羧酸和相關(guān)的羧酸根陰離子這兩者，諸如如本文所述 的發(fā)酵液中存在的游離乙酸和乙酸鹽的混合物。發(fā)酵液中分子酸與羧酸根的此率取決于系 統(tǒng)的pH值。此外，術(shù)語"乙酸鹽"包括單獨(dú)的乙酸鹽和分子乙酸或游離乙酸和乙酸鹽的混合 物這兩者，諸如如本文所述的發(fā)酵液中所存在的乙酸鹽和游離乙酸的混合物。
[0062] 術(shù)語"發(fā)酵容器"、"反應(yīng)器"和/或"生物反應(yīng)器"包括用于氣體/液體接觸的適用于 進(jìn)行所希望的發(fā)酵的器件和容器。
[0063] "強(qiáng)制循環(huán)外部回路反應(yīng)器"和/或"循環(huán)回路反應(yīng)器"包含通常具有兩個(gè)垂直圓筒 的容器，在這兩個(gè)垂直圓筒之間具有水平連接部。通過適當(dāng)類型的葉輪或栗迫使通常是液 體加上氣體基質(zhì)的內(nèi)容物從一個(gè)垂直圓筒(上升管）向上循環(huán)穿過水平連接部，然后向下循 環(huán)穿過另一個(gè)垂直圓筒(下降管），然后穿過所述反應(yīng)器的下部水平連接部以完成回路。
[0064] 術(shù)語"上升管"包含其中液體/氣體內(nèi)容物同時(shí)向上行進(jìn)的反應(yīng)器區(qū)段。
[0065] 術(shù)語"下降管"包含其中液體/氣體內(nèi)容物同時(shí)向下行進(jìn)的反應(yīng)器區(qū)段。
[0066] 術(shù)語"分離器"包括反應(yīng)器中通過允許氣泡上升到液體表面使氣體的至少一部分 從氣體-液體雙相混合物中分離的部分。
[0067] "頂部空間"包括反應(yīng)器的處在上文所定義的分離器上方的部分。
[0068] 術(shù)語"回路栗"包含用于驅(qū)使反應(yīng)器中的液體培養(yǎng)基流動(dòng)的栗。液體培養(yǎng)基可以含 有一定部分的氣泡或溶解氣體。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，它可以包括被安裝在下降管底 部的軸流栗。
[0069] 術(shù)語"噴射器"和/或"氣體分配器"包含將氣體引入到液體中以將它攪拌或使氣體 溶解在液體中的器件。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，噴射器可以是穿孔板、燒結(jié)玻璃、燒結(jié)鋼、 多孔橡膠管、多孔金屬管、多孔陶瓷或不銹鋼。噴射器可以具有各種等級(jí)（即孔隙度）以提供 特定尺寸的"氣泡"。
[0070] 術(shù)語"噴嘴"和/或"噴頭"包含將液體流分成多個(gè)液體射流的器件。在一個(gè)具體的 實(shí)施方案中，所述噴嘴是具有朝下的孔隙的穿孔管。
[0071 ]如本文所提及的"泡沫"是液膜的基體中的一團(tuán)氣泡。泡沫中的氣體體積分?jǐn)?shù)優(yōu)選 地高于70 %。
[0072] 基質(zhì)的"轉(zhuǎn)化率"是在反應(yīng)期間反應(yīng)的基質(zhì)與供應(yīng)到反應(yīng)器中的基質(zhì)的總量的此 率。
[0073] 術(shù)語"氣含率"包括氣體-液體雙相混合物中的氣體體積分?jǐn)?shù)。
[0074] 本文所用的術(shù)語"質(zhì)量傳遞"主要意指氣體基質(zhì)向其中存在微生物的液體培養(yǎng)基 中的傳遞。
[0075] 術(shù)語"質(zhì)量傳遞效率"、"體積質(zhì)量傳遞效率"等指的是每單位時(shí)間每單位反應(yīng)器體 積氣體基質(zhì)向液體培養(yǎng)基中的溶解速率。
[0076] 術(shù)語"提高效率"、"提高的效率"等在關(guān)于質(zhì)量傳遞過程使用時(shí)指的是氣體基質(zhì)向 液體培養(yǎng)基中的溶解速率更高。
[0077] 除非上下文另有要求，否則如本文所用的短語"發(fā)酵"、"發(fā)酵過程"或"發(fā)酵反應(yīng)" 等意圖涵蓋所述過程的生長(zhǎng)階段和產(chǎn)物生物合成階段這兩者。
[0078] 使氣體基質(zhì)高效發(fā)酵以產(chǎn)生產(chǎn)物需要對(duì)被傳遞到發(fā)酵液中的基質(zhì)的量進(jìn)行控制 以確保所希望的產(chǎn)物的高產(chǎn)生速率和防止抑制。此外，為了使碳捕獲達(dá)到最大，必須將被傳 遞到發(fā)酵液中的基質(zhì)的量維持在高水平，以使它可以由一種或多種微生物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。此 外，為了維持總效率，基質(zhì)應(yīng)當(dāng)被傳遞到溶液中，以使得跨越系統(tǒng)的功率輸入達(dá)到最低。
[0079] 根據(jù)本發(fā)明，經(jīng)由將副回路引入到常規(guī)的強(qiáng)制循環(huán)外部回路反應(yīng)器中提供了一種 用于改進(jìn)的氣體基質(zhì)發(fā)酵的系統(tǒng)。所述反應(yīng)器包括主回路，經(jīng)由所述主回路，通過回路栗使 包含氣體基質(zhì)的發(fā)酵液循環(huán)穿過上升管區(qū)段和下降管區(qū)段。在回路栗的下游，將發(fā)酵液的 一部分從下降管區(qū)段中抽出并且經(jīng)由副回路引導(dǎo)到反應(yīng)器的頂部。在具體實(shí)施方案中，經(jīng) 由噴嘴將發(fā)酵液的從主回路中被取出的部分從副回路噴射。
[0080] 氣體發(fā)酵中的主要限速步驟是氣體向液體的質(zhì)量傳遞。提高質(zhì)量傳遞的已知手段 是經(jīng)由攪拌氣液混合物，如機(jī)械攪拌發(fā)酵液。然而，這些用于提高質(zhì)量傳遞的已知的方法需 要大的功率輸入，這隨著規(guī)模不斷增大而變得低效和/或不合算。
[0081] 本發(fā)明的反應(yīng)器被配置成顯著地提高氣相向液相的質(zhì)量傳遞。在具體實(shí)施方案 中，將液體流的一部分從下降管區(qū)段中回路栗的排放物中抽出，并且因此，上升管區(qū)段中的 體積液體流速小于下降管區(qū)段的體積液體流速。在某些實(shí)施方案中，將發(fā)酵液的一部分從 下降管區(qū)段中抽出會(huì)使得反應(yīng)器的上升管區(qū)段中的氣含率和質(zhì)量傳遞增加。
[0082] 在本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器由上升管區(qū)段和下降管區(qū) 段組成。上升管和下降管在每一端處由兩個(gè)水平區(qū)段連接以形成主回路，并且至少部分地 通過下降管底部處的栗經(jīng)由主回路驅(qū)使液體/氣體流過。在具體實(shí)施方案中，經(jīng)由適當(dāng)類型 的噴射器將氣體引入到系統(tǒng)中。在具體實(shí)施方案中，副回路管線連接下降管的底部和反應(yīng) 器的頂部以形成副回路。在具體實(shí)施方案中，所述副回路管線在主回路栗的下游，但是在上 升管之前與下降管連接。在具體實(shí)施方案中，副回路管線通過副栗將液流從回路栗的排放 物中抽出。在具體實(shí)施方案中，經(jīng)由副回路管線將液流通到反應(yīng)器的頂部，其中經(jīng)由至少一 個(gè)噴嘴將所述液體噴射到反應(yīng)器的頂部空間中。在某些實(shí)施方案中，所述至少一個(gè)噴嘴是 噴頭。
[0083] 在本發(fā)明的實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)適用于使氣體基質(zhì)發(fā)