酵成一種或多種產(chǎn)物，所 述產(chǎn)物包括酸、醇以及二醇。具體來說，通過使包含C0的氣體基質(zhì)發(fā)酵而產(chǎn)生乙醇、乙酸以 及2,3_ 丁二醇。替代產(chǎn)物包括丁醇、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。
[0084] 通常，反應(yīng)器的上升管區(qū)段的頂部空間包含由上升氣體和攪拌發(fā)酵液所產(chǎn)生的泡 沫層。本發(fā)明允許在反應(yīng)器中的發(fā)酵過程中所使用的發(fā)酵液噴射到泡沫層上，其中所述噴 射具有使泡沫中的大氣泡破裂的作用。更大的氣泡以更高的速度穿過液體上升，并且因此 在上升管中具有更短的停留時間，所含氣體的質(zhì)量傳遞則更低。經(jīng)由使更大的氣泡破裂，更 小的氣泡被夾帶回到反應(yīng)器的下降管區(qū)段中，這提供了質(zhì)量傳遞的另外的機會。在另一個 實施方案中，將噴淋物噴射到頂部空間中的泡沫層上以有效地使泡沫塌縮，以使得它不會 積聚并且阻塞反應(yīng)器下游的管線。
[0085] 在另一個實施方案中，噴淋物使泡沫層變成逆流氣液接觸器，其中液體向下流動 并且氣體向上流動。由于逆流作用和高氣體含量，這種逆流流動中的質(zhì)量傳遞效率本身是 高的。盡管氣相中氣體基質(zhì)的濃度可能是稀薄的，但是反應(yīng)器的這個部分將促使顯著量的 基質(zhì)被吸收。當氣體供應(yīng)中存在波動時，隨后可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)泡沫的高度以維持穩(wěn)定的產(chǎn) 生速率。
[0086] 可以在任何合適的生物反應(yīng)器中進行發(fā)酵，所述生物反應(yīng)器諸如固定化細胞反應(yīng) 器、氣升式反應(yīng)器、鼓泡塔反應(yīng)器(BCR)、膜反應(yīng)器(如中空纖維膜生物反應(yīng)器(HFM BR))或 滴流床反應(yīng)器(TBR)。此外，在本發(fā)明的一些實施方案中，生物反應(yīng)器可以包括其中培養(yǎng)微 生物的第一生長反應(yīng)器，以及被串聯(lián)或并聯(lián)配置的一個或多個產(chǎn)生發(fā)酵反應(yīng)器，可以向所 述產(chǎn)生發(fā)酵反應(yīng)器中供給來自生長反應(yīng)器的發(fā)酵液并且其中可以產(chǎn)生大部分的發(fā)酵產(chǎn)物 (例如乙醇和乙酸鹽）。本發(fā)明的生物反應(yīng)器被適配成接收含有C0和/或出、或C02和/或H2的 基質(zhì)。
[0087] 在具體實施方案中，氣體入口位于反應(yīng)器的上升管區(qū)段的底部。本申請的發(fā)明人 已經(jīng)鑒定，在靠近氣體入口的區(qū)域（即上升管的底部）中C0的過量引起對微生物的抑制。然 而，本發(fā)明驚人地克服了這個問題。在具體實施方案中，在反應(yīng)器的上升管區(qū)段的頂部空間 中被夾帶的氣體包含此上升管的底部處的新鮮入口氣體低的C0含量。當所夾帶的氣體最終 再循環(huán)穿過下降管以回到上升管的底部時，所夾帶的氣體與新鮮的入口氣體混合并且降低 了上升管底部處的溶解C0濃度，從而有效地減少了基質(zhì)抑制的可能性，并且提高了總C0轉(zhuǎn) 化率。該同一問題還可以通過將原料氣分成超過一個物流并且將它們在反應(yīng)器的上升管和 下降管的多個位點處注入來解決。然而，后一種方法沒有顯著地提高C0轉(zhuǎn)化率。
[0088] 根據(jù)具體的實施方案，可以控制氣體基質(zhì)向微生物培養(yǎng)物的質(zhì)量傳遞率以使得以 最佳的供應(yīng)率或接近最佳的供應(yīng)率向微生物培養(yǎng)物供應(yīng)基質(zhì)。在所述反應(yīng)器中，可以通過 控制氣體基質(zhì)的分壓和/或通過控制液體流速或氣含率來控制質(zhì)量傳遞率。在具體實施方 案中，通過控制發(fā)酵液被栗送穿過反應(yīng)器的主回路和副回路這兩者的速率來控制質(zhì)量傳 遞。
[0089] 在具體實施方案中，通過一個或多個氣體入口將新鮮的氣體引入到容器中。通常， 可以通過以細小氣泡形式引入氣體基質(zhì)來實現(xiàn)高質(zhì)量傳遞。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解用于引 入氣體基質(zhì)的裝置，如噴射器。在具體實施方案中，通過細小氣泡擴散器或其它類型的細小 氣泡發(fā)生器將氣體引入到容器中。
[0090] 在考慮了本公開之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解使包含一種或多種微生物的發(fā)酵液 圍繞主回路和副回路這兩者循環(huán)所需的栗的尺寸和類型。必須指出的是，液體中的氣含率 越高，則液體的密度越低，因此所述栗需要被配置成使隨著氣體/液體漿液的組成變化而具 有不同密度的液體循環(huán)。以非限制性實例的方式，可以使用被配置用于栗送發(fā)酵液/氣體漿 液的一種或多種多相栗來使單相液體循環(huán)并且提高流體的排放壓力。使用旋轉(zhuǎn)葉輪，液體 沿著馬達的轉(zhuǎn)軸進入栗并且加速了液體徑向向外穿過擴散室。離心栗也可以在更低的兩相 氣含率的情況下，在沒有氣蝕(離心栗的一個已知的弱點）的情況下，通過維持足夠的凈正 吸入壓頭來運行。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解的是，存在可用于大規(guī)模應(yīng)用的多相栗送解決方 案。
[0091]在替代性實施方案中，所述發(fā)酵容器的下降管區(qū)段包括位于副回路出口的上游的 閘門閥。在這個實施方案中，可以通過使用所述閘門閥限制主回路的流量將發(fā)酵液從下降 管抽出到副回路中。通過調(diào)節(jié)所述閘門閥的開口，可以調(diào)節(jié)在所述回路栗的下游，但是在所 述閘門閥的上游的壓力以提供所希望的副回路流速。在某些實施方案中，通過壓力表監(jiān)測 所述下降管中的壓力。這種配置消除了對副回路栗的需求。
[0092]在具體實施方案中，所述副回路是與細胞再循環(huán)系統(tǒng)集成的。所述細胞再循環(huán)系 統(tǒng)提供了將微生物從滲透物中分離以使微生物回到反應(yīng)器中以進行進一步發(fā)酵的裝置。細 胞再循環(huán)模塊連續(xù)抽出發(fā)酵液滲透物，而保留細胞。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解的是，細胞再循 環(huán)構(gòu)件可以包括但不限于細胞再循環(huán)膜或圓盤堆疊離心分離器。在優(yōu)選的實施方案中，使 用超濾將細胞保留在發(fā)酵液中。在某些實施方案中，用于副回路的驅(qū)動力源自于細胞再循 環(huán)栗。在優(yōu)選的實施方案中，細胞再循環(huán)栗此上文所述的副回路栗大得多。在一個具體的實 施方案中，在細胞再循環(huán)模塊的下游將發(fā)酵液抽出到副回路中。在具體實施方案中，通過細 胞再循環(huán)模塊上游的至少一個控制閥調(diào)節(jié)副回路的流速和細胞再循環(huán)系統(tǒng)的壓力。在具體 實施方案中，通過細胞再循環(huán)模塊上游的兩個控制閥調(diào)節(jié)副回路的流速。第一控制閥調(diào)節(jié) 經(jīng)由副回路管線向反應(yīng)器頂部的流動。第二控制閥調(diào)節(jié)向使發(fā)酵液回到下降管中的單獨管 線的流動。在某些實施方案中，為了提高副回路的流速，增加穿過第一控制閥的流量并且限 制穿過第二控制閥的流量。為了降低副回路的流速，限制穿過第一控制閥的流量并且增加 穿過第二控制閥的流量。為了符合細胞再循環(huán)流量要求，這兩個控制閥被配置成維持穿過 細胞再循環(huán)模塊的恒定流速。
[0093]本發(fā)明的反應(yīng)器此外還可以包括廣泛的合適的氣體/液體接觸模塊，所述模塊可 以提供為提高微生物發(fā)酵的效率所必需的氣體基質(zhì)的有效質(zhì)量傳遞。接觸模塊提供了獨特 的幾何環(huán)境，從而允許氣體和液體沿設(shè)定的流動路徑充分混合，進而使所夾帶的氣體更均 勻地溶解在液體中。舉例來說，這些接觸模塊包括但不限于規(guī)整波紋金屬填料的基體、散堆 填料、篩板以及靜態(tài)混合器，所有這些具有多種公知的類型和密度并且是可廣泛商購獲得 的。
[0094]本發(fā)明的系統(tǒng)的各種實施方案描述于附圖中。
[0095] 圖1是包括副回路的循環(huán)回路反應(yīng)器的一個實施方案的示意圖。所述反應(yīng)器由其 中液體和氣體混合物(3)同時向上流動的上升管(2)以及其中液體和氣體同時向下流動的 下降管(8)組成。上升管(2)和下降管(8)在每一端處由兩個水平區(qū)段連接，并且至少部分地 通過下降管(8)底部處的栗(9)驅(qū)動兩相流動。經(jīng)由一個或多個適當類型的噴射器（1)將氣 體引入到系統(tǒng)中。通過氣液分離器(4)處的液體流將氣體的一部分帶入到下降管(8)中，并 且氣體的這一部分在本文被稱為"夾帶的氣體"或"再循環(huán)氣體"。未被夾帶的氣體在通過頂 部空間(6)之后經(jīng)由控制閥(7)離開系統(tǒng)。通常，在頂部空間(6)中液面上方存在一定高度的 泡沫層(5)。從這個示意圖可以看出的是，液體和氣體混合物從上升管(2)流到下降管(8)并 且流回，從而形成回路（即主回路）。
[0096] 副回路使發(fā)酵液(3)從下降管(8)的底部循環(huán)到反應(yīng)器的頂部。在主回路栗(9)的 下游，但是在上升管(2)之前，通過副栗（11)將液流從回路栗(9)的排放物中抽出。經(jīng)由副回 路管線（12)將所述物流通到反應(yīng)器的頂部，其中經(jīng)由適當?shù)膰娮旎驀婎^（10)將液體在頂部 空間（6)中噴射。將液體以約0.5m/s至約5m/s的速度噴射到泡沫層(5)的表面上以使泡沫破 裂。通過流量計（13)測量和監(jiān)測副回路的液體流速。
[0097] 圖2示出了包括閘門閥（14)的循環(huán)回路反應(yīng)器的一個替代性實施方案的示意圖。 為了清楚起見，從該圖中去除了所述反應(yīng)器的其它部件。通過調(diào)節(jié)所述閘門閥的開口，可以 調(diào)節(jié)在所述回路栗的下游，但是在所述閘門閥的上游的壓力以提供所希望的副回路流速。 通過壓力表(15)監(jiān)測壓力。這種配置消除了對副回路栗的需求。
[0098] 圖3示出了包括集成的細胞再循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)回路反應(yīng)器的一個替代性實施方案 的示意圖。為了清楚起見，從該圖中去除了所述反應(yīng)器的其它部件。在這個實施方案中，將 所述副回路在細胞再循環(huán)模塊（19)的下游抽出，其中用于副回路的驅(qū)動力來自細胞再循環(huán) 栗（16)。在優(yōu)選的實施方案中，細胞再循環(huán)栗比上文所述的副回路栗大得多。在具體實施方 案中，細胞再循環(huán)模塊使用超濾或其它分離裝置(如膜)將細胞從滲透物中分離。僅將被提 供到細胞再循環(huán)模塊中的發(fā)酵液的一部分通到反應(yīng)器的頂部，并且因此，通過細胞再循環(huán) 模塊（19)下游的兩個控制閥（17、18)來調(diào)節(jié)副回路的流速和細胞再循環(huán)系統(tǒng)的壓力。第一 控制閥（17)調(diào)節(jié)經(jīng)由副回路管線向反應(yīng)器頂部的流動。第二控制閥（18)調(diào)節(jié)向使發(fā)酵液回 到下降管中的單獨管線的流動。在某些實施方案中，為了提高副回路的流速，增加穿過第一 控制閥（17)的流量并且限制穿過第二控制閥（18)的流量。為了降低副回路的流速，限制穿 過第一控制閥（17)的流量并且增加穿過第二控制閥（18)的流量。為了符合細胞再循環(huán)流量 要求，這兩個控制閥（17、18)被配置成維持穿過細胞再循環(huán)模塊(19)的恒定流速。
[0099] 應(yīng)當指出的是，對本文所述的本發(fā)明優(yōu)選的實施方案的各種變化和改動對本領(lǐng)域 技術(shù)人員將是顯而易見的?？梢宰鞒鲞@些變化和改動而不脫離本發(fā)明的精神和范圍并且不 會減少它附帶的優(yōu)勢。因此，這些變化和改動意圖被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0100] 發(fā)酵
[0101] 用于由氣體基質(zhì)產(chǎn)生乙醇和其它醇的方法（如上述【背景技術(shù)】部分中所述的那些） 是已知的。示例性方法包括例如W0 2007/117157和W0 2008/115080以及美國專利號6,340， 581、6，136，577、5，593，886、5，807，722和5，821，111中所述的那些方法，這些文獻中的每一 篇以引用的方式并入本文。
[0102] 已知許多厭氧細菌能夠進行C0向包括正丁醇和乙醇在內(nèi)的醇和乙酸的發(fā)酵，并且 適用于本發(fā)明的方法中。適用于本發(fā)明中的這些細菌的實例包括梭菌屬的那些細菌，如楊 氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株，包括WO 00/68407、EP 117309、美國專利號5， 173，429、5,593,886和6,368，819、W0 98/00558以及W0 02/08438中所述的那些；食一氧化 碳梭菌（Clostridium carboxydivorans)的菌株（Liou等，International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33:第2085-2091 頁）、以及自產(chǎn)乙醇梭菌的 菌株(Abrini等，Archives of Microbiology 161:第345-351頁）。其它合適的細菌包括穆 爾氏菌屬的那些細菌，包括穆爾氏菌屬菌種HUC22-1 (Sakai等，Biotechno logy Letters 29:第1607-1612頁），以及氧化碳嗜熱菌屬(〇31'13(?7(1〇1:1161'1]1118)的那些細菌（3￥61:1;[(311117， V.A.等，（1991)，Systematic and Applied Microbiology 14:254-260)。這些出版物中的 每一篇的公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。此外，在本發(fā)明的方法中本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 使用其它一氧化碳營養(yǎng)型厭氧細菌。在考慮本公開時，還將了解的是，在本發(fā)明的方法中可 以使用兩種或更多種細菌的混合培養(yǎng)物。
[0103] 可以使用本領(lǐng)域已知用于使用厭氧細菌進行培養(yǎng)和使基質(zhì)發(fā)酵