用于合成气发酵的生物反应器的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2012年5月31日、中国国家申请号为201280032603. 9、发明名 称为"用于合成气发酵的生物反应器"的申请的分案申请。
[0002] 本申请要求2011年6月30日提交的美国临时申请号61/571，564和61/571，565 W及2011年9月13日提交的61/573, 845的优先权，所述临时申请W其全部内容通过参考 并入本文。
技术领域
[0003] 本申请提供了用于合成气发酵的方法和生物反应器。更具体来说，所述生物反应 器包括与主反应器部分相连续的生长反应器部分。
【背景技术】
[0004] 厌氧微生物可W通过气态底物的发酵从一氧化碳（CO)生产乙醇。使用来自于梭 状芽胞杆菌属（Clostridium)的厌氧微生物发酵，产生乙醇和其他有用产品。例如，美国 专利号 5, 173,429 描述了李氏梭菌（ClostridiumIjungd址lii)ATCCNo. 49587, 一种从 合成气体生产乙醇和乙酸盐的厌氧微生物。美国专利号5, 807, 722描述了使用李氏梭菌 (ClostridiumIjungd址IiiMTCCNo. 55380将废气转变成有机酸和醇类的方法和装置。美 国专利号 6, 136, 577 描述了使用李氏梭菌（ClostridiumIjungd址lii)ATCCNo. 55988 和 55989将废气转变成乙醇的方法和装置。
[0005] CO通常作为采取合成气形式的气态底物的一部分提供给发酵。将含碳材料气化W 产生包括一氧化碳和氨的发生气或合成气体或合成气，在本领域中是公知的。运样的气化 过程通常包括含碳材料的部分氧化或贫空气氧化，其中向气化过程供应低于化学计算量的 氧W促进一氧化碳的生产，如WO2009/154788中所述。
[0006] 气态底物的发酵可能是挑战性的，运是因为至少一部分气态底物必须溶解在水性 发酵液中，然后底物才能被微生物培养物代谢。由于在代谢能够发生之前需要将大量底物 溶解在发酵液中，因此利用气态底物为发酵提供碳源和能源的发酵尤其具有挑战性。由 于CO为厌氧发酵提供碳源，因此诸如CO运样在水性发酵液中具有低溶解性的底物，需要 高度有效地传质到水性发酵液中。提高CO传质的尝试描述在美国专利号5, 972, 661和 7, 201，884W及WO2011/028137 中。
[0007] 使用产乙酸细菌的发酵过程通常包括一个或多个种子反应器、一个或多个生长反 应器和至少一个主反应器。通常将产乙酸细菌在种子反应器中生长至一定细胞密度。然后 使用种子反应器接种生长发酵罐。生长发酵罐通常具有比种子反应器更大的尺寸。然后将 生长反应器中的产乙酸细菌生长至所需细胞密度。然后可W使用生长反应器接种另一个更 大的生长反应器，或者可用其接种主反应器。主反应器具有比生长反应器更大的尺寸。多 个反应器的使用增加了启动时间并增加成本。 阳00引发明概述
[0009] 本申请提供了有效用于合成气发酵的方法和装置。所述生物反应器可W包括生长 发酵罐部分和主发酵罐部分。包含生长发酵罐作为主反应器的连续部分允许减少分开的生 长发酵罐的数量，运可W减少启动时间并降低设备数目和成本。
[0010] 提供了一种生物反应器，其包括具有选自揽拌和非揽拌蓋反应器、滴流床反应器 灯BR)、并流接触器（CCC)、移动床生物反应器（MBBR)和泡罩塔反应器的构造的主反应器。 所述生物反应器还包括与所述主反应器连续，并具有选自揽拌和非揽拌蓋反应器、滴流床 反应器灯BR)、并流接触器（CCC)、移动床生物反应器（MBBR)和泡罩塔反应器的构造的生长 反应器。在运种情况下，所述主反应器体积与生长反应器体积之比为约10:1至约100:1。
[0011] 在另一种情况下，提供了一种启动方法，所述方法包括将产乙酸细菌与合成气在 反应器容器的生长发酵罐部分中接触有效地提供至少约3克/升的细胞密度的时间。在达 到至少约3克/升的细胞密度后，向所述反应器容器添加培养基，W在所述反应器容器中达 到液体水平面。在培养基添加期间，培养基W有效地维持至少约3克/升的细胞密度的速 率添加。在运种情况下，将所述产乙酸细菌与所述合成气在与所述反应器容器的所述主反 应器部分相连续的所述反应器容器的生长反应器部分中相接触。所述生长反应器部分包括 选自揽拌和非揽拌蓋反应器、滴流床反应器灯BR)、并流接触器（CCC)、移动床生物反应器 (MBBR)和泡罩塔反应器的构造。所述主反应器部分包括选自揽拌和非揽拌蓋反应器、滴流 床反应器灯BR)、并流接触器（CCC)、移动床生物反应器（MBBR)和泡罩塔反应器的构造。
[0012] 在另一种情况下，提供了一种启动方法，所述方法包括将产乙酸细菌与合成气在 反应器容器中接触有效地提供至少约5克/升的细胞密度的时间。在达到约5克/升的细 胞密度后，加入培养基W达到所述反应器容器中的液体水平面。在运种情况下，将所述产乙 酸细菌与所述合成气在与所述反应器容器的主反应器部分相连续的所述反应器容器的生 长反应器部分中相接触。所述生长反应器部分包括选自揽拌和非揽拌蓋反应器、滴流床反 应器灯BR)、并流接触器（CCC)、移动床生物反应器（MBBR)和泡罩塔反应器的构造。所述主 反应器部分包括选自揽拌和非揽拌蓋反应器、滴流床反应器（TBR)、并流接触器（CCC)、移 动床生物反应器（MBBR)和泡罩塔反应器的构造。
[0013] 在另一种情况下，提供了一种用于合成气发酵的方法。所述方法包括将产乙酸细 菌与合成气在反应器容器的生长部分中接触有效地提供至少约3克/升的细胞密度的时 间。向所述反应器容器加入培养基，并在同时维持至少约3克/升的细胞密度，直至在所述 反应器容器的主要部分中达到液体水平面。在运种情况下，所述反应器容器的所述生长部 分和主要部分是连续的。通过气体喷布器，将合成气W有效地将所述反应器容器内部的压 力维持到至少约Ipsig的流速导入到所述反应器容器的所述主要部分中。所述合成气具有 至少约0. 75的CO/C〇2摩尔比。向所述反应器容器的主要部分提供约0.Ol至约12千瓦/ m3培养基的揽拌能量输入。所述方法有效地提供约100至约1500/小时的体积CO传质系 数和至少IOg乙醇/化.日）的STY。
[0014] 附图简述
[0015] 从下面的图中，所述方法的几种情况的上述和其他方面、特点和优点将更加明显。
[0016] 图1是生物反应器的透视图。 阳017] 图2示出了生物反应器的可选替构造。 阳01引 图3A和3B示出了气体入口 /喷布器的底视图。
[0019] 图4是气体喷布器的横截面视图。
[0020] 图5A和5B是反应器容器的顶部横截面视图，其示出了不同的叶轮组件。
[0021] 图6生物反应器的生长发酵罐部分的可选替构造。
[0022] 在整个附图的几张视图中，相应的参考符号指示相应的组件。本领域技术人员将 会认识到，图中的元件被简单明了地图示，并且不一定是按比例绘制的。例如，图中某些元 件的尺寸相对于其他元件可能被放大，W帮助增强对本发明方法和装置的各种不同方面的 理解。此外，在商业上可行的情况下有用或必需的共同但公知的元件没有被示出，W便于更 少阻碍地示出运些各种不同方面。 阳〇2引详细描述
[0024] 下面的描述不应W限制的意义看待，而仅仅是出于描述示例性实施方式的一般性 原理的目的做出。本发明的范围应该参考权利要求书来确定。
[00巧]通过改进条件W提高体积CO传质系数，来改善合成气发酵效率。所提供的方法和 装置能够有效地提供约100至约1500/小时，在另一种情况下约200至约1100/小时，在另 一种情况下约200至约900/小时，在另一种情况下约300至约800/小时，在另一种情况 下约400至约700/小时，并且在另一种情况下约500至约600/小时的体积CO传质系数。 影响CO传质系数的变量包括合成气喷射、反应器容器压力、合成气质量W及气体分散和混 厶 1=1 O
[00%] 本文提供的方法有效地提供高水平的生产率。就此而言，所述方法有效地提供至 少约IOg乙醇/化?日）的STY(空时收率）。可能的STY值包括约IOg乙醇/化?日）至 约200g乙醇/化.日），在另一种情况下约IOg乙醇/化.日）至约160g乙醇/化.日）， 在另一种情况下约IOg乙醇/化?日）至约120g乙醇/化?日），在另一种情况下约IOg乙 醇/化?日）至约80g乙醇/化?日），在另一种情况下约20g乙醇/化?日）至约140g乙 醇/化?日），在另一种情况下约20g乙醇/化?日）至约100g乙醇/化?日），在另一种 情况下约40g乙醇/化.日）至约140g乙醇/化.日），并且在另一种情况下约40g乙醇/ (L?日）至约100g乙醇/化?日）。
[0027] 定女
[0028] 除非另有定义，否则在整个本公开的说明书中使用的下列术语如下所定义，并且 可W包括下面所确定的定义的单数或复数形式：
[0029] 修饰任何量的术语"约"是指在真实世界条件中，例如在实验室、中试厂或生产厂 中所遇到的量的变差。例如，在混合物或数量中使用的成分或测量值的量，当用"约"修饰 时，包括在生产厂或实验室中的实验条件下，在测量中通常使用的变差和照管程度。例如， 产物组分的量当用"约"修饰时，包括在工厂或实验室的多批实验中不同批次之间的变差， W及分析方法所固有的变差。不论是否用"约"修饰，量包括所述量的等同物。本文中陈述 并用"约"修饰的任何数量，也可W作为没有用"约"修饰的量使用在本公开中。
[0030] 当在本文中使用时，"含碳材料"是指富含碳的材料例如煤和石化产品。然而，在 本说明书中，含碳材料包括无论采取固态、液态、气态还是等离子态的任何碳材料。在可W 被当作含碳材料的大量物品中，本公开设想了：含碳材料，含碳液体产物，含碳工业液体回 收利用物，含碳市政固体废物（MSW或msw)，含碳城市废物，含碳农业材料，含碳林业材料， 含碳木材废物，含碳建筑材料，含碳植物材料，含碳工业废物，含碳发酵废物，含碳石化联产 物，含碳醇类生产联产物，半无烟煤，轮胎，塑料，废塑料，焦炉焦油，软纤维（Hbersoft)，木 质素，黑液，聚合物，废聚合物，聚对苯二甲酸乙二醋（PETA)，聚苯乙締（P巧，污水污泥，动 物废物，作物残留物，能源作物，林业加工残留物，木材加工残留物，家畜粪便，家禽粪便，食 品加工残留物，发酵过程废物，乙醇联产物，酒糟，废微生物或其组合。
[0031]术语"软纤维"（fibersoft或Fibersoft或fibrosoft或fibrousoft)是指作为 各种物质的软化和浓缩的结果而产生的一种类型的含碳材料；在一个实例中，含碳材料通 过各种物质的蒸气压热处理来生产。在另一个实例中，软纤维可W包括市政、工业、商业和 医疗废物的蒸气压热处理产生的纤维状糊状材料。 阳03引术语"市政固体废物"或"MSW"或"msw"是指可W包括家庭、商业、工业和/或残 余废物的废物。
[0033] 术语"合成气"或"合成气体"是指用于称