CN102498214A

CN102498214A - 改进的气态底物发酵

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Publication number: CN102498214A
Application number: CN2010800396263A
Authority: CN
Inventors: S·R·特里维西克; J·C·布罗姆雷; S·D·辛普森; V·科斯拉
Original assignee: Lanzatech New Zealand Ltd
Current assignee: Lanzatech NZ Inc
Priority date: 2009-09-06
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: EP2519641B1; TWI490328B; CN102498214B; AU2010290201B2; US20110244538A1; EP2519641A4; AU2010290201A1; EP2519641A1; TW201114886A; WO2011028137A1; US8178330B2; NZ598279A

Abstract

本发明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。

Description

改进的气态底物发酵

技术领域

本发明涉及气态底物的微生物发酵。具体地，本发明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。

背景技术

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E10——一种乙醇在汽油中的10％混合物。在E10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CO、CO₂、H₂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-Ljungdahl途径和一氧化碳脱氢酶/乙酰CoA合酶(CODH/ACS)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CO₂、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(Clostridiumljungdahlii)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，pp345-351(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。

WO2007/117157、WO2008/115080和WO2009/022925——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。WO2007/117157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。WO2008/115080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。WO2009/022925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——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——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CO、CO₂、CH₄、H₂和H₂S。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，CO和H₂转化为乙醇的理论等式为：

6CO+12H₂→3C₂H₅OH+3H₂O

因此，6个气体分子(CO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H₂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H₂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。

本发明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。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种用于将包含CO以及任选的H2或者CO₂和H₂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。

本发明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，其中所述接触模块包含多个通道。

在具体的实施方案中，生物反应器中包括一个或多个接触模块。

本发明的第三方面提供了一种用于气态底物的发酵的生物反应器，其包含一个或多个包含多个通道的气/液接触模块。

在第一和第二方面的具体实施方案中，所述生物反应器被构造为用于气态底物的发酵以产生包括酸和/或醇的产物。在具体的实施方案中，所述气态底物包含CO和任选的H₂。

在具体的实施方案中，所述接触模块被构造为可使所述气态底物向液体营养培养基中一种或多种微生物的有效质量传递。

在某些实施方案中，所述接触模块被构造为使得在使用时气态底物和液体营养培养基通过所述通道。根据具体的实施方案，所述通道被构造为使得所述气态底物和液体营养培养基发生泰勒流动。通常，当所述通道具有1-5mm的横截面直径时会促进泰勒流动。

在具体的实施方案中，所述接触模块由陶瓷材料(如堇青石、瓷、莫来石或氧化铝)构成，其中所述通道被基本上实心的陶瓷材料壁分隔开。在另一个实施方案中，所述接触模块由弹性的柔性波纹板(corrugated sheet)构成，所述板被放置和/或卷曲使得多个通道贯穿所述模块的长度。所述模块通常由金属(例如不锈钢箔或塑料材料)构成。

所述接触模块中的通道可具有从几毫米到几十厘米的直径，然而，水性系统中的泰勒流动在约1-5mm的通道中发生。所述液体营养培养基和气态底物通过所述接触模块的速率取决于所述通道的横截面积。因此，所述通道密度会对能量输入具有显著的影响。在具体的实施方案中，所述通道密度为每平方英寸至少100个通道(cpsi，每平方英寸通道数目)；或至少200cpsi；或至少300cspi；或至少400cspi；或至少500cspi。

在具体的实施方案中，所述生物反应器用于包含CO以及任选的H₂的气态底物的发酵以产生包括醇(例如乙醇)的产物。通常，这类底物的微生物发酵由一氧化碳营养细菌(carboxydotrophicbacteria)如Clostridium autoethanogenum在水性液体营养培养基中进行。在具体的实施方案中，所述发酵由悬浮在液体营养培养基中的微生物进行。然而，在具体的实施方案中，所述微生物可在所述接触模块上(特别是在所述接触模块的通道中)形成生物膜。

本发明的第四方面提供了一种提高气态底物向液体营养培养基中一种或多种微生物的质量传递的效率的方法，所述方法包括使所述气态底物和液体营养培养基通过包含多个通道的气/液接触模块。

本发明的第五方面提供了一种发酵气态底物以产生产物的方法，包括：

(a)向含有一种或多种微生物的培养物的循环液体环流生物反应器(circulated liquid loop bioreactor)中提供气态底物；并且

(b)发酵所述生物反应器中的培养物以从所述底物产生一种或多种产物。

本发明的第六方面提供了一种通过发酵包含CO的气态底物以产生包括酸和/或醇的产物的方法，所述方法包括：

(a)向含有一种或多种微生物的培养物的循环液体环流生物反应器中提供包含CO的气态底物；并且

(b)厌氧发酵所述生物反应器中的培养物以从所述底物产生一种或多种产物，所述产物包括一种或多种酸和/或醇。

在第四和第五方面的具体实施方案中，所述循环环流生物反应器包括一个或多个液/气接触部分。在具体实施方案中，所述液/气接触部分是液/气接触模块。

在第三、第四和第五方面的具体实施方案中，所述接触模块如在第一和第二方面中所述。在具体的实施方案中，所述方法包括使气态底物和液体营养培养基以泰勒流动方式通过所述通道。

在具体的实施方案中，所述一种或多种微生物通过厌氧发酵从CO以及任选的H₂产生包括酸和醇的产物。在具体的实施方案中，所述一种或多种微生物培养物将CO和任选的H₂转化为包括酸和/或醇的产物。在某些实施方案中，所述产物为乙醇。

在具体的实施方案中，所述微生物培养物是一氧化碳营养细菌的培养物。在某些实施方案中，所述细菌选自梭菌属、穆尔氏菌属(Moorella)和氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)。在具体实施方案中，所述细菌为Clostridium autoethanogenum。

在本发明的具体实施方案中，所述微生物悬浮在所述液体营养培养基中，所述液体营养培养基含有微生物生长和代谢物产生所需的营养物。在本发明的另一个实施方案中，所述微生物在所述接触模块上形成生物膜。

根据本发明的多个实施方案，用于所述发酵反应的碳源是由气化得到的合成气。所述合成气底物通常含有较大比例的CO，例如至少约20体积％至约95体积％的CO，20体积％至70体积％的CO，30体积％至60体积％的CO以及40体积％至55体积％的CO。在具体实施方案中，所述底物包含约25体积％、或约30体积％、或约35体积％、或约40体积％、或约45体积％、或约50体积％、或约55体积％或约60体积％的CO。具有更低浓度例如6％的CO的底物也可是合适的，特别是当存在大量的H₂和任选的CO₂时。

本发明的实施方案发现特别适用于通过发酵包含CO的气态底物生产酸和醇，特别是乙醇。所述底物可包含作为工业过程的副产物而获得的气体。在某些实施方案中，所述工业过程选自铁金属产品生产、非铁产品生产、石油精炼过程、生物质的气化、煤的气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭生产。在本发明的一个实施方案中，所述气态底物是合成气。在一个实施方案中，所述气态底物包含从钢铁厂得到的气体。

这类含有CO的底物通常含有较大比例的CO，例如至少约20体积％至约100体积％的CO，20体积％至70体积％的CO，30体积％至60体积％的CO以及40体积％至55体积％的CO。在具体的实施方案中，所述底物包含约25体积％、或约30体积％、或约35体积％、或约40体积％、或约45体积％、或约50体积％、或约55体积％或约60体积％的CO。在某些实施方案中，所述底物流包含低浓度的H₂，例如低于5％，或低于4％，或低于3％，或低于2％，或低于1％或基本上不含氢气。

本发明的第七方面提供了一种用于发酵气态底物以产生产物的生物反应器系统，所述系统包括：

(a)包括气/液接触模块的发酵容器，所述模块包含多个通道；以及

(b)用于将液体营养培养基引入所述接触模块的装置；以及

(c)用于将气态底物引入所述接触模块的装置。

在具体的实施方案中，所述发酵容器被构造为使得气体可使流体循环通过所述容器。在具体的实施方案中，所述发酵容器是气升式生物反应器。在另一个实施方案中，所述发酵容器被构造为使得液体可使流体循环通过所述容器。在具体的实施方案中，所述发酵容器是液体循环环流生物反应器。额外地或可选地，所述发酵容器被构造为使得气体和液体可使流体循环通过所述容器。

在本发明的具体实施方案中，所述接触模块被构造为使得可促进所述气态底物和液体营养培养基通过所述通道的泰勒流动。

在具体的实施方案中，用于引入液体营养培养基和气态底物的装置被构造为用于使所述底物和培养基并流(cocurrent flow)通过所述接触模块。或者，所述引入装置被构造为用于反流(countercurrent)。

在本发明的具体实施方案中，所述系统包括用于分离排出所述接触模块的气/液混合物的装置。

在具体的实施方案中，所述系统包括用于将分离的气体和/或液体返回到所述模块的回收装置。

尽管本发明广义上如上所定义，然而其不限于此，还包括下面说明书提供其实例的实施方案。

附图说明

下面将参照附图详细描述本发明，其中：

图1是包含多个通道的气/液接触模块的示意剖面图。

图2是通过通道的泰勒流动的图解图。

图3a示出了悬浮在液体培养基中的微生物的示意图。

图3b示出了在通道内壁上形成的微生物生物膜的示意图。

图4是包括本发明生物反应器的系统的示意图。

图5是本发明一个实施方案的示意图。

图6是本发明一个实施方案的示意图。

图7示出了在包含气/液接触模块的生物反应器中进行的包含CO的底物的发酵中的代谢物生产和微生物生长，所述模块包含多个通道。

图8示出了在包含气/液接触模块的生物反应器中进行的包含CO的底物的发酵中的代谢物生产和微生物生长。

具体实施方式

由气态底物(例如包含CO的气态底物)产生产物(例如酸和/或醇)的有效发酵需要控制传递到发酵液中的底物量，以确保高速生产所需产物并防止抑制。此外，为使碳捕获最大化，传递到发酵液中从而可由一种或多种微生物将其转化为产物的底物的量必需维持在高水平。此外，为维持总效率，所述底物应被转移到溶液中从而使得经过所述系统的能量输入最小化。本发明提供了一种出人意料地克服大多数已知生物反应器中固有的这些挑战的发酵系统。因此，在具体的实施方案中，提供了一种用于将包含CO以及任选的H2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：

(b)泵送装置，其被构造为在使用时使得发酵液以及任选的底物气体沿所述环路循环；

(c)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)气体出口，其被构造为在使用时允许气体排出所述容器。

在具体的实施方案中，发酵液和任选的气态底物在泵的作用下沿封闭环路循环，其中额外的底物通过进口引入。所述气态底物向通常水性的发酵液中的传递(质量传递)是通过混合所述气体和液体实现的。在具体的实施方案中，所述系统在所述封闭环路中包括至少一个气/液接触模块，其中气体和液体被推动通过所述接触模块从而使得发生混合。质量传递速率是气/液界面表面积和传递系数的函数，根据本发明，传递系数反映了气泡和液体移动通过所述模块的速率。在一定程度上，液体和气体可被推动通过所述模块越快，所述传递系数越高，从而使质量传递速率越高。因此，依照本发明的具体实施方案，包含一种或多种微生物的发酵液被泵送通过包括至少一个模块的容器。在这类实施方案中，质量传递速率可通过增加所述模块中的液体和气体速度而增加。对于给定的滞留量(气-液比)，增加通过所述模块的气/液浆体的速率会增加所述质量传递系数。

依照具体实施方案，可对所述气态底物向所述微生物培养物的质量传递速率进行控制从而将底物以最佳或接近最佳的供给速率供给所述微生物培养物。在本发明的生物反应器中，所述质量传递速率可通过控制所需化合物的分压(例如气流中供给的CO的比例和/或所述气流的压力)和/或通过控制所述液体流速或气体滞留量(通过气体流速和/或液体流速)来控制。

在本发明的具体实施方案中，所述质量传递速率可通过控制发酵液被泵送通过包含一个或多个模块的容器的速率来控制。在一个具体实施方案中，一个或多个模块被构造在形成环路的封闭系统中，其中所述液体沿所述环路被泵送以驱动质量传递。本领域技术人员在考虑到本公开内容后，会认识到可选择所述环路的大小和几何结构以达到所需的底物传递，并且所述环路可为水平或垂直方向或者其结合。

使用循环液体环流生物反应器进行气态底物的发酵可克服已知的气体推动发酵罐系统的某些局限，例如在气流过量时的质量传递上限。例如，在气体推动系统中，更高的气流可造成搅拌湍流区(churnturbulent flow regime)，导致质量传递效率降低。由于若干原因，成功使用循环液体环流生物反应器发酵气态底物以产生产物是出人意料的。首先，所述发酵液需要通过泵来循环，因此所述微生物需要能够抵抗或耐受剪切力。第二，经过所述生物反应器的气/液质量传递未必是均匀的，导致所述生物反应器内形成高质量传递的区域和低质量传递的区域。

因此，依照本发明的一个具体方面，提供了一种发酵气态底物以产生产物的方法，包括：

(a)向含有一种或多种微生物的培养物的循环液体环流生物反应器中提供气态底物；并且

在其中对向发酵液中的质量传递的控制很重要的实施方案中，使用所述循环液体环流生物反应器特别有效，因为质量传递速率可通过气体供给速率和液体循环速率来控制。因此，在具体的实施方案中，提供了一种通过发酵包含CO的气态底物来产生包括酸和/或醇的产物的方法，所述方法包括：

(b)厌氧发酵所述生物反应器中的培养物以从所述底物产生一种或多种产物，包括一种或多种酸和/或醇。

在具体的实施方案中，例如产生产物的CO发酵，可产生例如酸和/或醇以及废气(如CO₂)的产物。在具体的实施方案中，需要将未转化为产物的气态废物和任选的气态组分排出所述封闭环路。因此，在具体的实施方案中，所述容器包括分离装置，其中能够将未转化成产物的气态废物和任选的气态组分从所述循环发酵液中分离并排出所述生物反应器。在考虑到本公开内容后，本领域技术人员会认识到如何选择设备或设计几何结构来控制分离的量。在具体的实施方案中，这些生物反应器在所述发酵液上方包括分离腔，其中将气体从所述发酵液中分离并可排出所述生物反应器。在非接合(non-coalescing)气-液系统中，较高的气体保留(gas retention)会增加总的气体滞留量并因此增加传递速率，但是会对泵的性能有不利影响。在大多数设计中，分离自身也是液体流速和气体滞留量的函数。

在具体的实施方案中，基本恒定的气态底物供给可能意味着气流不是可调节的用于控制质量传递的变量。因此，控制液体泵送速率并因此控制所述循环发酵液中携带的气态组分的量使得可不依赖于气流而控制质量传递。

在具体的实施方案中，新鲜气体是通过一个或多个气体进口引入到所述容器中。通常，高的质量传递速率可通过以微小气泡的形式引入所述气态底物而实现。本领域技术人员会了解用于引入气态底物的装置，例如喷射器(spareger)。在具体的实施方案中，所述气体是通过微孔曝气器(fine bubble diffuser)引入所述容器中。

在考虑到本公开内容后，本领域技术人员会了解使包含一种或多种微生物的发酵液沿所述闭合环路循环所需的泵的大小和类型。必须注意的是，所述液体中的气体滞留量越高，所述液体的密度越小，因此所述泵需要被构造为使密度随着所述气/液浆体的组成变化而变化的液体进行循环。借助非限制性实例，一个或多个被构造为用于泵送所述发酵液/气体浆体的多相泵可用于使所述浆体循环。离心泵通常用于使单相液体循环并增加流体的排出压力(discharge pressure)。使用旋转叶轮时，液体沿马达的旋转轴进入所述泵，并使所述液体放射状地向外加速通过扩散室。通过保持足够的净正吸上压头，离心泵还能够以更低的两相气体滞留量运转而不形成气穴(已知的离心泵的易损性)。本领域技术人员会了解存在可用于大规模应用的多相泵送方案。

在考虑到本公开内容后，本领域技术人员会了解存在多种合适的气/液接触模块，所述模块可提供对提高微生物发酵效率必需的气态底物的有效质量传递。接触模块可提供使得气体和液体沿既定流动路径充分混合的独特几何环境，导致所携带的气体更均均地溶解于所述液体中。在固定的气体体积下，这会增加可被所述微生物所利用以转化为代谢物的气态底物的表面积，因而增加所述发酵过程的效率。作为实例，这些接触模块包括但不限于规整波纹金属填料的基质、散堆填料的基底、筛板和静态混合器，全部这些都具有多种公知的类型和密度并广泛地市售。

存在若干已知的接触模块，其可提供有效发酵所需的高质量传递速率。然而，这通常以跨所述模块的高的压差为代价，导致低效率。所述压差是所述接触模块两端之间的压力差。其需要较高的净能量输入以借助机械循环泵来克服较高的压降。

规整波纹金属填料可自然地形成用于所述液/气培养基遵循的较长流动路径，因为所述培养基必须克服所述填料内部的一系列流动限制，这导致更长的共振时间。在较高的流动下，所述填料会导致高的湍流和混合，从而导致较高的质量传递速率，代价是可归因于较受限的流动路径的较高压差。测试的Jaegar Metal MAX-PAK和RaschigSuper Pak规整填料表面积与体积的比例包括100、250、500和750m^2/m^3。

平均起来，静态混合器与规整填料相比具有更短的流动路径。静态混合器已经表现出更有效的质量传递速率，然而基于跨所述模块的压降的效率仍待测试。较新的静态混合器设计(例如Sulzer SMXplus)已用计算流体动力学优化过以在原始SMX设计的50％以下的压降下维持同样高的质量传递速率。200mm直径至最高达500mm直径的Sulzer SMX plus静态混合器在与规整填料相比更低的剪切力下使不同粘度的多种液体和气体的极好混合。

本发明的具体方面提供了用于一种或多种气态底物的发酵的新气/液接触模块，所述接触模块包含多个通道。在本发明的具体实施方案中，所述接触模块提供了气态底物(例如包含CO和任选的H2的气态底物)向液体培养基中的一种或多种微生物的有效质量传递。根据某些实施方案，将所述底物提供给一种或多种一氧化碳营养微生物从而使得产生包括一种或多种酸和/或醇的产物。

合适的气/液接触模块是本领域中公知的并且通常用于增加气/液催化反应或气/固催化反应中质量传递的效率。Kreutzer et al.Catalysis Today；2006，111，pp111-118中示例并讨论了典型的模块，其以引用的方式全文纳入本文。这些模块包含多个通常直的平行通道。所述通道被构造为使得液体和气体可通过。当气泡通过所述通道时，其推动所述液体在所述气泡和所述通道的壁之间短暂地形成液体薄膜。这使得所述气泡的组分(例如底物如CO和/或H₂)有效地穿入所述液体薄膜，从而增加经过气/液界面的质量传递。所述气泡通过所述通道中的液体的运动近似泰勒流动。由于跨所述模块的压降相对较小，与其他公知的气/液接触反应器(例如滴流床反应器、浆床反应器、鼓泡塔和气升反应器)相比可用低能量输入达到高质量传递速率。

本发明人已经出乎意料地认识到，这些接触模块可用于增加底物向液体培养基中的微生物的质量传递。因此，根据本发明的具体实施方案，提供了一种提高液体培养基中一种或多种微生物对气态底物——特别是包含CO和任选的H₂的底物——的发酵效率的方法。通过提高所述底物的质量传递，据认为与常规已知的生物反应器(例如CSTR、鼓泡塔、气升发酵罐)相比，可实现更高的生长和/或代谢物生产速率并且/或者实现总能量使用的减少。

适用于本发明实施方案的气/液接触模块在固体基质中包含多个通常为直的平行通道。典型基质包括称为整料(monolith)的基本上为固体的块状物，其中通道被陶瓷材料的壁分隔开。通常用在整料中的陶瓷材料包括堇青石、瓷、莫来石、氧化铝和炻瓷(stoneware)，所述陶瓷材料可被挤出以形成包含多个通道的模块。或者，所述模块可由挤出的塑料材料或弹性的柔性材料(例如金属或塑料)的多个波纹层构成，它们被放置为使得多个通道贯穿所述模块的长度。

贯穿所述模块的通道通常是直的并且平行的，以使得对通过的液体和气体的抗性最小。然而，在具体的实施方案中，所述通道可包括弯曲部分，使得可形成连续或中断的环路。在具体的实施方案中，所述通道通常被构造为使得可促进所述液/气组分的泰勒流动。例如，所述通道的直径可为约0.5mm到至少5mm。然而，在具体的实施方案中，所述通道的直径为约2-5mm。此外，所述通道的长度可为几厘米到几十米。

所述通道的几何结构或内部特性也可被构造为可帮助优化所述通道内的质量传递，例如通过优化湍流和/或稳定气/液界面。例如，凹进和/或凸起(如肋片(fin))可提高所述通道中的流体动力学和/或质量传递。Kreutzer et al.Catalysis Today(ibid)示例了多种通道的几何结构。例如，所述通道可被穿孔以实现流体从通道至通道的运动或者使流动方向成横向波纹。

所述通道的几何结构和大小还将确定如何优化操作所述模块。例如，所述气体和液体可被并流(二者以相同方向流动)或反流地引入所述模块中。因此，可从顶部引入液体并允许其向下流过所述模块，同时可从底部或顶部引入气体。在其中气体从模块底部引入的其他实施方案中，气泡浮力可帮助维持从模块的底部至顶部的液/气流动。在其他实施方案中，所述液体和/或气体被机械装置(例如泵和/或压缩机)驱动通过所述模块。在这些实施方案中，流动方向不重要，并可为向上、向下、横向或其组合。在具体的实施方案中，包含所述模块的生物反应器是环路——其中排出所述模块的液体被返回至所述模块——的一部分，使得保持基本上连续的流动。气体可任选地使用任何已知的分离装置与所述液体分离并返回至所述生物反应器或被耗尽。

依据本发明，所述新接触模块包括在被构造为接受气态底物的生物反应器中，使得可发生一种或多种微生物对所述底物的发酵。所述生物反应器通常会包含容纳所述微生物培养物的容器，所述微生物培养物通常——至少部分——悬浮在水性发酵培养液中。所述生物反应器还通常会包括用于引入和除去气流和液流并且被构造为用于监测和控制多个参数(例如pH、ORP和温度)的装置。

一个或多个接触模块可结合气体驱动、液体驱动或气/液驱动的生物反应器使用。当考虑到本公开内容后，本领域技术人员会了解合适的生物反应器构造。然而，通过非限制性实例，合适的气体驱动生物反应器包括鼓泡塔、内部或外部环路气升生物反应器和深井发酵罐。例如，可在气升生物反应器的升液管和/或降液管中提供一个或多个接触模块以提高所述底物的质量传递。

额外地或可选地，当微生物培养物不容易被流体剪切力破坏时，液体驱动的生物反应器(例如循环液体环流生物反应器、喷射环流生物反应器(jet loop bioreactor)或螺旋桨环流生物反应器(propellerloop bioreactor))可结合一个或多个本发明的接触模块使用。带有位于外部的泵的强制循环环流反应器的多种构造已在前面描述，并可用于本发明中。作为实例，Fadavi et al.“Gas-Liquid mass transfer in anovel forced circulation loop reactor”Chemical Engineering Journal，112(2005)，73-80详述了数种这些生物反应器，该文献以引用的方式全文纳入本文。通常，泵(例如离心泵)用于迫使液体(发酵液)的喷射流在导流管(draft tube)中向上或向下，所述导流管通常同心或相邻地位于外部容器中。依照本发明的具体实施方案，可在循环环流反应器的升液管和/或降液管中包括一个或多个模块以提高所述底物的质量传递。

所述生物反应器还可包括用于在将气流引入所述接触模块之前均匀分配气流的装置。例如，生物反应器可在所述接触模块的上游包括一个或多个静态混合器、多孔板和/或挡板，其被构造为使气流基本上均匀以优化所述模块通道中的质量传递。

流体通过所述气/液接触模块的速率部分地取决于所有所述通道的总横截面积。因此，当确定所述模块如何最优地工作时，还需考虑所述通道密度。所述通道密度取决于通道大小和通道壁厚度，所述厚度可为所述构造材料的函数。例如，挤出的陶瓷材料可包括每平方英寸1到几十个通道(cpsi)，而由卷曲的波纹箔或塑料材料构成的模块可包括每平方英寸几百个通道。作为非限制性实例，具有5mm直径通道的正方形的且有通道的陶瓷接触模块通常包括约15-25cpsi，而具有2mm通道的模块通常包括约150-200cpsi。

已了解，所述通道的大小和几何结构会对通过所述模块的气/液的流动特性有影响。例如，通常，在约1mm-5mm的通道中可实现泰勒流动。然而，更大直径的通道通常随着液体沿所述通道的内壁淌下而促进降膜效应。在所述泰勒流动和降膜实施方案中，依照本发明的方法可获得高质量传递速率。

所述微生物可简单地由悬浮在液相中的模块携带，所述液相通常为微生物生长和代谢物产生所需的营养物的水性溶液。额外地或可选地，所述微生物可在所述通道的内表面上形成生物膜，基本上连续接触所述生物膜的液相提供必需营养。随着包含所述底物的气体通过所述通道，所述底物被有效地提供给所述微生物。在本发明的具体实施方案中，所述模块或所述模块的某些部分——特别是所述模块的通道组件——由适合附着微生物膜的材料构成。合适的材料包括孔或半孔材料，例如陶瓷材料、塑料材料如聚丙烯或聚乙烯。

定义

除非另有指明，否则本说明书通篇所用的以下术语定义如下：

“气态底物”包括含有在发酵中被微生物用作碳源和任选的能源的化合物或元素的任何气体。

“包含一氧化碳的气态底物”包括含有一氧化碳的任何气体。所述气态底物通常会含有高比例的CO，优选至少约5体积％至约95体积％的CO。

术语“生物反应器”包括适于进行所需发酵的用于气/液接触的设备和容器。

本文使用的术语“质量传递”涉及使原子或分子特别是底物原子或分子从气相向水性溶液中的传递。

术语“生物膜”涉及粘附于表面的一种或多种微生物的聚集物。

本文使用的术语“酸”包括羧酸和相关的羧酸阴离子，例如存在于本文所述发酵液中的游离乙酸和乙酸盐的混合物。所述发酵液中分子酸与羧酸盐的比例取决于所述系统的pH。此外，术语“乙酸盐”包括单独的乙酸盐，以及分子或游离乙酸与乙酸盐的混合物，例如存在于本文所述发酵液中的乙酸盐和游离乙酸的混合物。

除非上下文另有规定，否则本文使用的术语“发酵”、“发酵过程”或“发酵反应”等意图涵盖所述过程的生长阶段和产物生物合成阶段。

当用于发酵过程时，术语“增加效率”、“增加的效率”等包括但不限于增加以下一项或多项：所述发酵中的微生物生长速率、所产生的所需产物(例如醇)的体积或质量/所消耗的底物(例如一氧化碳)的体积或质量、所需产物的生产速率或生产水平，以及所产生的所需产物与所述发酵的其他副产物的相对比例；并且还可反映在所述过程中产生的任何副产物的值(其可为正也可为负)。

尽管容易认识到本发明的某些实施方案——即那些包括通过使用CO和任选的H₂作为原始底物的厌氧发酵产生乙醇的实施方案——是对目前热点技术的有价值的改进，然而应理解本发明也可用于生产其他产物(例如其他醇)并可使用其他底物，特别是气态底物，这是本发明所属领域技术人员在考虑到本公开内容后会知晓的。例如，含有二氧化碳和氢气的气态底物可用于本发明的具体实施方案。类似的气态底物(如CH₄和/或H₂S)也可用于具体实施方案中。此外，本发明可用于发酵以产生其他产物，例如乙酸盐、丁酸盐、丙酸盐、己酸盐、乙醇、丙醇、丁醇以及氢气。作为实例，这些产物可通过使用来自以下属的微生物进行的发酵来产生：穆尔氏菌属、梭菌属、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、真细菌属(Eubacterium)、丁酸杆菌属(Butyribacterium)、醋菌属(Oxobacter)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)和脱硫杆菌属(Desulfotomaculum)。

发酵反应

本发明的具体实施方案包括发酵含CO底物和/或合成气底物流以产生包括醇和任选的酸的产物。用于从气态底物生产乙醇和其他醇的方法是已知的。示例性方法包括例如在WO2007/117157、WO2008/115080、US 6,340,581、US 6,136,577、US 5,593,886、US5,807,722和US 5,821,111中描述的那些方法，所述文献各自均以引用的方式纳入本文。

已知许多厌氧细菌能够将CO发酵为醇(包括正丁醇和乙醇)和乙酸，并适用于本发明的方法。这些适用于本发明的细菌的实例包括梭菌属的细菌，例如扬氏梭菌菌株，包括在WO 00/68407、EP 117309、美国专利5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO 98/00558以及WO02/08438中记载的那些扬氏梭菌菌株；Clostridium carboxydivorans菌株(Liou et al.，International Journal of Systematic andEvolutionary Microbiology 33：pp 2085-2091)，Clostridium ragsdalei菌株(WO/2008/028055)和Clostridium autoethanogenum菌株(Abrini et al，Archives of Microbiology 161：pp 345-351)。其他合适的细菌包括穆尔氏菌属的细菌，包括Moorella sp HUC22-1(Sakai et al，Biotechnology Letters 29：pp 1607-1612)，以及氧化碳嗜热菌属的细菌(Svetlichny，V.A.，Sokolova，T.G.et al(1991)，Systematic andApplied Microbiology 14：254-260)。其他实例包括热醋穆尔氏菌(Morella thermoacetica)、热自养穆尔氏菌(Moorellathermoautotrophica)、产生瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)、粘液真杆菌(Eubacteriumlimosum)、食甲基丁酸杆菌(Butyribaceterium methylotrophicum)、普氏产醋杆菌(Oxobacter pfennigii)、巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcinabarkeri)、噬乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)和库氏脱硫杆菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)(Simpa et.al.Critical Reviewsin Biotechnology，2006 Vol.26.Pp41-65)。此外，如本领域技术人员会理解的，应理解其他一氧化碳营养厌氧细菌可用于本发明。还应理解，本发明可适用于两种或多种细菌的混合培养物。

一种适用于本发明的示例性微生物是Clostridiumautoethanogenum。在一个实施方案中，Clostridium autoethanogenum是具有保藏在德国生物材料资源中心(German Resource Centre forBiolo gical Material(DSMZ))的保藏号为19630的菌株的鉴定特征的Clostridium autoethanogenum。在另一实施方案中，Clostridiumautoethanogenum是具有DSMZ保藏号DSMZ 10061的菌株的鉴定特征的Clostridium autoethanogenum。

用于本发明方法的细菌的培养可使用任意数量的本领域中已知的方法进行，所述方法使用厌氧细菌来培养和发酵底物。下面的“实施例”部分提供了示例性技术。作为其他实例，可使用通常记载于以下文献中的使用气态底物进行发酵的那些方法：(i)K.T.Klasson，etal.(1991).Bioreactors for synthesis gas fermentations resources.Conservation and Recycling，5；145-165；(ii)K.T.Klasson，et al.(1991).Bioreactor design for synthesis gas fermentations.Fuel.70.605-614；(iii)K.T.Klasson，et al.(1992).Bioconversion of synthesisgas into liquid or gaseous fuels.Enzyme and Microbial Technology.14；602-608；(iv)J.L.Vega，et al.(1989).Study of Gaseous SubstrateFermentation：Carbon Monoxide Conversion to Acetate.2.Continuous Culture.Biotech.Bioeng.34.6.785-793；(vi)J.L.Vega，etal.(1989).Study of gaseous substrate fermentations：Carbonmonoxide conversion to acetate.1.Batch culture.Biotechnology andBioengineering.34.6.774-784；(vii)J.L.Vega，et al.(1990).Designof Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations.Resources，Conservation and Recycling.3.149-160；所有这些文献均以引用的方式纳入本文。

所述发酵是在包含一个或多个气/液接触模块的生物反应器中进行，所述模块包含多个通道。可将微生物接种到所述生物反应器中并提供气态底物，在其中可以发生微生物生长和代谢物生产。额外地或可选地，所述微生物可在单独的生长反应器中培养，然后基本上连续地提供给含有所述模块的生物反应器，在其中可发生继续生长、生物膜形成和/或代谢物产生。

根据本发明的多个实施方案，用于所述发酵反应的碳源是含有CO的气态底物。所述底物可以是作为工业过程副产物获得的或从其他来源(例如汽车排出废气)获得的含CO废气。在某些实施方案中，所述工业过程选自铁金属产品生产例如钢铁厂、非铁产品生产、石油精炼过程、煤的气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭生产。在这些实施方案中，可使用任意常规方法，在所述含CO底物被释放到大气之前将其从所述工业过程中捕获。取决于所述含CO底物的组成，可能还需要在将所述底物引入所述发酵之前对其进行处理以除去任何不想要的杂质，例如尘粒。例如，可使用已知方法对所述气态底物进行过滤或洗涤。

或者，所述含CO底物可为来自生物质气化的合成气。所述气化过程涉及生物质在空气或氧气的有限供给下的不完全燃烧。所得气体通常主要含CO和H₂，以及少量体积的CO₂、甲烷、乙烯和乙烷。例如，可将在食品的提取和加工过程(例如从甘蔗获得糖，或从玉米或谷物获得淀粉)中获得的生物质副产物或者由林业工业产生的非食品生物质废料气化，以产生适用于本发明的含CO的合成气。

所述含有CO的底物通常含有较大比例的CO，例如至少约20体积％至约100体积％的CO，20体积％至70体积％的CO，30体积％至60体积％的CO以及40体积％至55体积％的CO。在具体的实施方案中，所述底物包含约25体积％、或约30体积％、或约35体积％、或约40体积％、或约45体积％、或约50体积％、或约55体积％或约60体积％的CO。

应认识到，CO向水性培养基中的质量传递速率与包含CO的气态底物的分压成比例。因此，所述质量传递速率可通过以下方式来增加：通过富集或者除去不想要的组分(例如惰性气体)来增加CO在气流中的比例。额外地，CO的分压可增加气态底物流的压力。

尽管底物不必需含有任何氢气，然而H₂的存在不会对本发明方法的产物形成有害。在具体的实施方案中，氢气的存在可导致醇产生的总效率提高。例如，在具体的实施方案中，所述底物包含的H₂∶CO的比例可为约2∶1、或1∶1、或1∶2。在其他实施方案中，所述底物流包含低浓度的H₂，例如低于5％，或低于4％，或低于3％，或低于3％，或低于1％或基本上不含氢气。所述底物还可含有一些CO₂，例如约1体积％到约80体积％的CO₂或1体积％到约30体积％的CO₂。

应理解，为使细菌的生长和CO转化为醇的发酵发生，除了所述含CO的底物气体以外，还需要将合适的液体营养培养基给料至所述生物反应器。营养培养基会含有足以使所用微生物生长的维生素和矿物质。本领域中已知适用于使用CO作为唯一碳源的乙醇发酵的厌氧培养基。例如，上文提到的美国专利5,173,429和5,593,886以及WO02/08438、WO2007/117157、WO2008/115080和WO2009/022925中描述了合适的培养基。本发明提供了在支持发酵过程中的微生物生长和/或醇生产方面具有更高效率的新培养基。此培养基将在下面进行更详细的描述。

所述发酵应理想地在发生所需发酵(例如CO转化为乙醇)的合适条件下进行。应考虑的反应条件包括压力、温度、气体流速、液体流速、培养基pH、培养基氧化还原电势、搅拌速率(如果使用连续搅拌釜式反应器)、接种物水平、确保所述液相中的CO不会变为有限的最大气态底物浓度，以及避免产物抑制的最大产物浓度。WO02/08438、WO2007/117157、WO2008/115080和WO2009/022925中记载了合适的条件。最佳反应条件部分地取决于所用的具体微生物。然而，通常，所述发酵优选在高于环境压力的压力下进行。在高压下运行可显著增加从所述气相到所述液相的CO传递速率，在所述液相中CO可被所述微生物摄取作为乙醇生产的碳源。这又意味着当生物反应器被维持在高于大气压的压力下时，保留时间(定义为所述生物反应器中的液体体积除以输入气体流速)可减少。

此外，包含CO的底物可被所述微生物利用的速率也影响生长和产物形成的速率或效率。例如，其中底物受限的发酵条件通常可导致较慢的代谢和不想要的副产物的产生。相反，过量的底物可导致对所述微生物的代谢的抑制、生长停滞，以及可能的细胞死亡。PCT/NZ2010/000009——其以引用的方式全文纳入本文——详细记载了将含CO的气态底物以最佳或接近最佳的速率供给微生物培养物的方法。

在高压下进行气体向乙醇的发酵的益处也已在其他文献中记载。例如，WO 02/08438记载了在30psig和75psig的压力下进行的气体向乙醇的发酵，分别得到150g/l/天和369g/l/天的乙醇产率。然而，在大气压下使用相似的培养基和输入气体组成进行的示例性发酵被发现产生的乙醇少10至20倍(每天每升)。

所述含CO气态底物的引入速率能够确保在所述液相中CO的浓度不成为限制也是合乎需要的。这是因为CO受限的条件可能导致乙醇产物被所述培养物所消耗。

产物回收

所述发酵反应的产物可使用已知方法回收。示例性方法包括WO2007/117157、WO2008/115080、WO2009/022925、US 6,340,581、US 6,136,577、US 5,593,886、US 5,807,722和US 5,821,111中记载的那些。然而，简要地并且举例来说，通过例如分级分馏或蒸发以及萃取发酵的方法只能从所述发酵液中回收乙醇。

从发酵液中蒸馏乙醇产生乙醇和水的共沸混合物(即95％的乙醇和5％的水)。随后可通过使用本领域中公知的分子筛乙醇脱水技术得到无水乙醇。

萃取发酵方法涉及使用对所述发酵生物具有低毒性风险的水混溶性溶剂，以从稀释的发酵液中回收乙醇。例如，油醇是可用于此类型提取方法的溶剂。油醇被连续引入发酵罐中，然后此溶剂上升并在所述发酵罐的顶部形成一层溶剂，其被连续地萃取并通过离心机给料。然后，水和细胞被很容易地从所述油醇中分离出来并返回至所述发酵罐中，而溶有乙醇的溶剂被给料至闪蒸装置中。大部分乙醇被蒸发并凝结，而油醇是不可挥发的并被回收以在所述发酵中重复使用。

乙酸盐——其作为所述发酵反应中的副产物产生——也可使用本领域中已知的方法从所述发酵液中回收。

例如，可使用包括活性炭过滤器的吸附系统。在此情况下，优选地首先使用合适的分离装置从所述发酵液中除去微生物细胞。本领域中已知多种产生用于产物回收的无细胞发酵液的且基于过滤的方法。然后，将含有乙醇——和乙酸盐——的无细胞滤液通过含有活性炭的柱以吸附乙酸。酸形式(乙酸)而不是盐形式(乙酸盐)的乙酸盐更易于被活性炭所吸附。因此，优选地在使所述发酵液通过所述活性炭柱之前，将所述发酵液的pH降低至小于约3，以使大部分乙酸盐转变为乙酸形式。

吸附于所述活性炭的乙酸可通过使用本领域中已知的方法洗脱而回收。例如，可使用乙醇来洗脱所结合的乙酸盐。在某些实施方案中，通过所述发酵方法生产的乙醇本身可用于洗脱所述乙酸盐。由于乙醇的沸点是78.8℃而乙酸的沸点是107℃，使用基于挥发性的方法(例如蒸馏)可容易地将乙醇和乙酸相互分离。

用于从发酵液中回收乙酸盐的其他方法也为本领域所知，并可用于本发明的方法。例如，美国专利6,368,819和6,753,170记载了可用于从发酵液中提取乙酸的溶剂和共溶剂系统。作为对于乙醇萃取发酵所描述的基于油醇的系统实例，美国专利6,368,819和6,753,170中记载的系统描述了在所述发酵微生物存在或不存在的情况下可与所述发酵液相混合以提取所述乙酸产物的水不混溶性溶剂/共溶剂。然后，通过蒸馏将含有所述乙酸产品的所述溶剂/共溶剂与所述发酵液分离。然后，可使用第二个蒸馏步骤从所述溶剂/共溶剂系统中纯化乙酸。

可通过以下方式从所述发酵液中回收所述发酵反应的产物(例如乙醇和乙酸盐)：从所述发酵生物反应器中连续移出一部分发酵液、(方便地通过过滤)从所述发酵液中分离微生物细胞，以及同时或相继从所述发酵液中回收一种或多种产物。对于乙醇的情况，使用上述方法，乙醇可通过蒸馏而方便地回收，而乙酸盐可通过活性炭吸附而回收。所分离的微生物细胞优选地被返回至所述发酵生物反应器中。已除去乙醇和乙酸盐后剩余的无细胞滤液也优选地被返回至所述发酵生物反应器中。可将额外的营养物(例如维生素B)加入到所述无细胞滤液中以补充所述营养培养基，之后使其返回到所述生物反应器中。而且，如果如上文所述调节所述发酵液的pH以增强乙酸与所述活性炭的吸附，那么应将所述pH重新调节至与所述发酵生物反应器中发酵液pH相似的pH，之后再将其返回所述生物反应器中。

新气/液接触模块和生物反应器

图1是包含多个通道2的气/液接触模块1的示意剖面图。依照本发明，包含一个或多个模块的生物反应器被构造为使得在使用时气体和液体流过所述通道。所述液相通常为包含支持微生物生长和代谢物生产所需的营养物的液体培养基。所述液体可以以任意方向流过所述模块，并且可被泵送通过所述通道，在重力作用下流过所述通道和/或被移动的气相推过所述通道或者上述方式的结合。

所述底物气体可以以任意方向通过所述通道，可以由其自身的浮力驱动或被泵送通过(或两者的结合)。随着所述气泡通过所述狭窄的通道，实现了有效的质量传递。所述通道被构造为可通过促进泰勒流动或降膜效应来优化气/液接触，其中在所述底物气体与液体在所述通道壁上形成的薄膜之间发生提高的质量传递。工作机制很大程度上依赖所述通道的尺寸和/或几何结构。例如，以约1-5mm直径的通道可实现水的最佳泰勒流动，而更宽的直径适用于所述降膜。

图2是通过通道3的泰勒流动的图解图。液弹(slug of liquid)4以一个速率被推过所述通道3。然而，气泡5以稍快一点的速率通过所述通道，使得它们挤过移动更慢的液体，籍此在它们通过时在通道3的侧面上形成液体薄膜6。随着所述气泡5沿所述通道3传播，所述薄膜6也以相同速率沿所述通道3移动。在所述气泡5和所述液体薄膜6的界面上发生增加的质量传递。

图3a是示出了悬浮在液体培养基中的微生物的示意图。随着气泡7a沿通道8a传播，高质量传递的薄膜区域9a也传播，使得在所述薄膜9a的区域中所述底物被以更高的速率提供给微生物。

图3b是示出了在通道内壁上形成的微生物的生物膜的示意图。随着气泡7b沿通道8b传播，在所述液体薄膜9b的区域中所述底物被以更高的速率提供给所述生物膜。

图4是包括本发明生物反应器的系统的示意图。在运行中，微生物在生物反应器10中培养。液体培养基可通过进口11被引入生物反应器10中。所述液体可被泵送通过生物反应器10以维持基本上连续的流动，或者所述流动可由通过进口12进入生物反应器10的气体驱动。气流可在引入之前任选地被压缩机13压缩。所述气体和液体被引入生物反应器10，其中它们通过气/液接触部分14。在具体的实施方案中，所述气/液接触部分是本文所述的接触模块。应了解，由所述微生物产生的产物会被结合的气/液排出流15带离所述生物反应器10。所述液相和气相可通过任何已知的分离装置16分离。应了解，至少一部分所述产物会溶解于所分离的液体流中。所述产物可通过任何已知的回收装置17回收。然后，可任选地将所述液体经导管18返回所述生物反应器10。类似地，可任选地通过任何已知的产物回收装置20将产物从气体流19中移出，并且可任选地将所述气体流经导管21返回生物反应器10。

图5是本发明一个实施方案的图示，其中生物反应器22包含以环路构造排布的多填料部分23，例如所述新的接触模块。含气体和液体的底物可分别通过进口24和25进入所述生物反应器。任选地，气体进口26可位于沿所述环流生物反应器22的长度方向上的其他点上，以在所述底物耗尽时补充气流。在运行中，所述气体/液体流过模块23并且至少一部分所述底物转化为产物。所述产物会在气/液排出流27中被带出所述生物反应器22。气/液分离器28分离所述排出流27的气体和液体组分，其中可任选将产物从所述气体和/或液体组分中移出。此外，所述气体和/或液体组分可任选地被返回所述生物反应器进口24和/或25并再循环通过所述系统。

图6是循环液体环流生物反应器的示意图。在运行中，微生物在生物反应器28中的液体发酵液中培养并且气态底物可经进口29引入。所述气态底物可通过任何已知的喷射装置喷射到所述生物反应器中。然而，在具体的实施方案中，所述气体通过一个或多个微气泡喷射器或微孔曝气器引入。所述生物反应器28包括气/液接触部分30，其在具体的实施方案中包含一个或多个接触模块。在另一个实施方案中，所述接触模块包括其他用于促进气/液接触的装置，例如静态混合器、挡板和/或多孔板。在具体的实施方案中，部分30可换以其他填料部分，从而可比较质量传递性能。所述发酵液借助泵32沿所述环路31的降液管部分循环。所述泵可为本领域中已知的任何合适的液体传递装置，然而在具体的实施方案中，所述泵是离心泵。未转化的气态底物和/或气体废物可经出口33排出生物反应器28。

在本发明的具体实施方案中，所述生物反应器包括至少一个由直径约为45mm并且长度约为960mm的卷曲的波纹不锈钢箔制成的气/液接触模块。在这些实施方案中，相互层叠放置的纵向排列的波纹(corrugation)提供多个气/液接触的通道，贯穿所述模块。所述通道密度为约每平方英寸600个通道并且所述通道的横截面直径为约1.17mm。在另一个实施方案中，所述通道密度为约每平方英寸400个通道并且每个通道的横截面直径为约1.43mm。在具体的实施方案中，所述气/液接触模块包括卷曲到所述箔中的横向波纹以提供伸入所述流动通道中的突出，所述突出在所述通道中流动的流体中引起扰动。

在具体的实施方案中，所述生物反应器在所述气/液接触模块的上游包括一个或多个混合装置，以使所述气体和液体在进入所述模块之前均匀分布。混合装置为本领域中公知的并包括内部混合器，例如静态混合器、挡板或多孔板。在具体的实施方案中，所述生物反应器在每个模块的上游包括一个或多个静态混合器，例如六元件半椭圆静态混合器(six element semi-ellipoidal static mixer)，从而使得进入所述模块的气体和液体在所述通道的各处基本上均匀分布。

实施例

材料和方法

细菌：所用的Clostridium autoethanogenum是保藏在德国生物材料资源中心(DSMZ)的登录号为DSMZ 19630的菌株。

取样和分析方法

定期从所述生物反应器中采集培养基样本。每次对培养基取样时，注意确保没有气体进入或逸出所述反应器。

为确定所述发酵中的细胞密度，在600nm下测量所述样本的吸收值(分光光度计)并通过外推法(OD₆₀₀)确定干重。

HPLC：

HPLC System Agilent1100系列。流动相：0.0025N硫酸。流速和压力：0.800mL/min。柱：Alltech IOA；Catalog#9648，150×6.5mm，粒径5μm。柱温：60℃。检测器：Refractive Index。检测器温度：45℃。

样本制备方法：

将400μL的样本以及50μL的0.15M ZnSO₄和50μL的0.15MBa(OH)₂装入微量离心管中。将所述管于4C下以12000rpm离心10分钟。将200μL的上清液转移到HPLC小瓶中，并将5μL注射到所述HPLC设备中。

液上分析(headspace analysis)：

在带有两个已安装的通道的Varian CP-4900micro GC上进行测量。通道1是在70℃、200kPa氩气和4.2s回洗时间的条件下运行的10m Mol-sieve柱，而通道2是在90℃、150kPa氦气、无回洗的条件下运行的10m PPQ柱。两个通道的注射器温度均为70℃。运行时间设定为120s，但所有目的峰通常会在100s之前洗脱出。

生物反应器：

使用工作体积为71L的新型液体循环环流生物反应器进行包含CO的气态底物的发酵(参见图6的简化示意图)。所述生物反应器包括：

·200mm ID垂直圆柱形升液管，3000mm高，带有可适合多种类型填料的1500mm的可移除部分。

·所述升液管中高2210mm处，高于所述填料部分顶部170mm，液体通过凸缘进入75mm ID的柔性软管，所述软管连接于75mm ID的不锈钢降液管部分。加热夹套、工具和进料孔位于此部分上。

·降液管的底部接入速度受控制的离心泵，泵的标称流速为160至420L/min。

·所述泵出口通过50mm ID的不锈钢管水平接入所述升液管的底部。控制流动方向从而使得在所述升液管的底部产生涡流效果。

·气体通过大的、圆柱形的微孔曝气器(63mm OD×350mm)进入所述反应器，所述微孔曝气器垂直坐落在所述升液管的底部。来自切线液流的剪切力帮助产生微气泡。

实施例1：

所述生物反应器升液管的可移除部分被填充以包含5×5mm正方形通道且填料密度为18cpsi的陶瓷单块填料。此填料的空隙度为0.65，使得所述反应器的工作体积从87.5L下降到71L。

将120mL 85％H₃PO₄加入80L溶液A中。用浓氢氧化铵(28％)将所述培养基的pH调节至5.3。加入800mL溶液B(维生素B)，然后加入3.14g(0.25mM)半胱氨酸。然后立即将所述溶液泵送到所述反应器中，加热到37℃，并在打开所述液泵的情况下用氮气脱气过夜。将0.1mol/L的金属原液(C)相继加入所述液体环路部分上的隔膜端口(septum port)。

在接种之前，将所述气体换为包含2％H₂、30％N₂、47％CO、21％CO₂的钢铁厂尾气。将活跃生长的Clostridium autoethanogenum培养物以约10％(v/v)的水平接种到所述环流反应器中。以约5ml/小时且在运行结束时增加至约30mL/小时的速率加入Na₂S溶液(0.2M)。在第2.2和第2.9天加入100mL剂量的溶液B。

通过以下方式使乙酸盐在整个运行中保持适度恒定：调节供给所述反应器的CO的量，随着所述培养物生长增加给料气流和液泵速率，以及使用pH变化趋势作为乙酸盐生成或消耗的指示物。

结果：

图7示出了所述反应器中代谢物和生物质的时间曲线。在较短的停滞期(0.5天)后，所述细菌以指数速率(μ＝1)生长2.5天，直到气体供给受限导致运行的提前终止。在发酵液中积聚了25g/L的乙醇。乙醇生产率峰值为20g/L/天；使用高气体流速，在接近运行结束时所产生乙醇的约10％将从在废气中分离出来，但是这没有进行定量测量。

CO的摄取达到5.0mol/L/天的最大值。所述反应器的质量传递性能的一种量度(k_LA)是根据在所述反应器的温度和压力下的CO的摄取率和溶解度计算的。所述计算假设传递的主要阻力是通过所述气-液界面，即CO的液体浓度近似为零。在整个发酵中所述离心泵的速率从400rpm增加到850rpm。随着气体流速、乙醇浓度和泵速爬升的传递性能在整个运行中均在上升，达到0.14s^-1的最大值。

包含有通道模块的环流反应器可成功地培养C.autoethanogenum，没有由于通过最高达850rpm的离心泵运行或者在整个所述反应器的气-液质量传递的变动引起损害的迹象。所述质量传递性能非常好，达到0.14s^-1的k_LA，不需气体回收。

实施例2：

所述生物反应器升液管的可移除部分被填充以SulzerMellapak^TM规整填料。此填料的空隙度为0.95，对所述反应器体积的影响很小。

使用气相色谱法来比较气体的输入和输出浓度，其与对流入量的质量流控制器数据结合来确定所述气体摄取速率。使用HPLC来确定代谢物浓度。

将120mL 85％H₃PO₄加入到80L溶液A中。用浓氢氧化铵(28％)将所述培养基的pH调节至5.3。加入800mL溶液B(维生素B)，然后加入3.14g(0.25mM)半胱氨酸。然后立即将所述溶液泵送到所述反应器中，加热到37℃，并在打开所述液泵的情况下用氮气脱气过夜。将0.1mol/L的金属原液(C)相继加入所述液体环路部分上的隔膜端口。

在接种之前，将所述气体换为包含2％H₂、30％N₂、47％CO、21％CO₂的钢铁厂尾气。将活跃生长的Clostridium autoethanogenum培养物以约10％(v/v)的水平接种到所述环路反应器中。将Na₂S溶液(0.2M)以约5ml/小时、在运行结束时增加至约30mL/小时的速率加入。

结果：

图8示出了所述反应器中代谢物和生物质的时间曲线。所述细菌从接种开始以快速指数速率(μ＝2.1天^-1)生长，无延迟期。在第2.4天，反应器缺陷导致运行的提前终止。在发酵液中已积聚25g/L的乙醇和11.7g/L的乙酸盐。乙醇生产率峰值为23.9g/L/天。在所用的气体流速下，按照接近运行结束时的条件计算出约2g/L/天乙醇的理论汽提率(stripping rate)，但是这没有进行定量测定。

CO的摄取达到5.66mol/L/天的最大值。所述反应器的质量传递性能的一种量度(k_LA)是根据在所述反应器的温度和压力下的CO的摄取率和溶解度计算的。所述计算假设传递的主要阻力是通过所述气-液界面，即CO的液体浓度为零。在整个运行中所述离心泵的速率从600rpm增加到1250rpm。随着气体流速、乙醇浓度和泵速爬升的传递性能在整个运行中均在上升，达到0.15s^-1的最大值。

配有离心泵的环流反应器可在此规模上成功地培养C.autoethanogenum，基本没有由于通过最高达1250rpm的泵运行引起损害的迹象。

为使读者不需过度实验即可实行本发明，已参照某些优选实施方案描述了本发明。本领域技术人员会理解，本发明可进行大量未具体描述的变动和修改的情况下实行。应理解，本发明包括所有这些变动和修改。此外，提供题目、标题等是为了帮助读者对本文件的理解，而不应被认为限制本发明的范围。本文引用的所有申请、专利和公开都以引用的方式纳入本文。

更具体地，如本领域技术人员会理解的，本发明实施方案的实施可包括一个或多个附加要素。在具体实施例或说明书中可能仅示出对理解本发明的各个方面必须的那些要素。然而，本发明的范围不限于所描述的实施方案并包括这样的系统和方法，即所述系统和方法包括一个或多个附加步骤和/或一个或多个替代步骤，或者所述系统和方法省略一个或多个步骤。

在此说明书中任何现有技术的引用都不应被看作、承认或以任何形式暗示此现有技术在任何国家中形成所属领域的公知常识的一部分。

在此说明书和所附任何权利要求的全文中，除非上下文另有规定，否则用词“包含”、“包括”等应被理解为与排除意义相反的包含性意义，即“包括但不限于”的意义。

Claims

1.一种用于将包含CO以及任选的H₂或者CO₂和H₂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：

2.根据权利要求1所述的生物反应器系统，其中所述至少一个气体进口包括至少一个喷射器。

3.根据权利要求1所述的生物反应器系统，其中所述至少一个气体进口包括至少一个微孔曝气器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的生物反应器系统，其中所述泵送装置是多相泵。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的生物反应器系统，其中所述容器包括至少一个气/液接触模块。

6.根据权利要求5所述的生物反应器系统，其中所述气/液接触模块包含规整填料。

7.根据权利要求5或6所述的生物反应器系统，其中所述气/液接触模块包含至少一个静态混合器。

8.根据权利要求5或6所述的生物反应器系统，其中所述气/液接触模块包含Mellapak。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的生物反应器系统，其中所述容器包括至少一个气/液分离装置。

10.一种气/液接触模块，其被构造为用于在液体发酵液中发酵气态底物以产生一种或多种产物，其中所述接触模块包含多个通道。

11.根据权利要求10所述的气/液接触模块，其被构造为使得在使用时气态底物和发酵液以泰勒流动方式通过所述通道。

12.根据权利要求10或11所述的气/液接触模块，其中所述模块由陶瓷材料构成，所述陶瓷材料例如堇青石、瓷、莫来石或氧化铝。

13.根据权利要求10或11所述的气/液接触模块，其中所述模块由弹性的柔性材料的波纹板构成。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的生物反应器系统，其中所述通道的直径约为1-5mm。

15.一种在液体发酵液中发酵气态底物以产生产物的方法，包括：

(a)向含有一种或多种微生物的培养物的循环液体环流生物反应器中提供气体底物；并且

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述气态底物包含CO以及任选的H₂或者CO₂和H₂。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述底物包含作为选自以下的工业过程的副产物而获得的气体：铁金属产品生产、非铁产品生产、石油精炼过程、生物质的气化、煤的气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭生产。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其中所述底物包含CO，包含至少约15体积％至约95体积％的CO。

19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其中所述底物包含CO，包含至少约40体积％至约70体积％的CO。

20.根据权利要求15-19中任一项所述的方法，其中所述微生物选自梭菌属(Clostridium)、穆尔氏菌属(Moorella)、火球菌属(Pyrococcus)、真细菌属(Eubacterium)、脱硫杆菌属(Desulfobacterium)、氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)、产醋菌属(Acetogenium)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、厌氧醋菌属(Acetoanaerobium)、丁酸杆菌属(Butyribaceterium)和消化链球菌属(Peptostreptococcus)。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述微生物是Clostridiumautoethanogenum、扬氏梭菌(Clostridium ljungdahli)、Clostridiumragsdalei或Clostridium carboxydivorans。

22.根据权利要求15-21中任一项所述的方法，其中所述循环液体环流生物反应器是权利要求1-9中任一项所述的生物反应器系统。