在此可發(fā)酵生物質(zhì)表示從有機(jī)物質(zhì)形成的廢棄物、副產(chǎn)物和聯(lián)產(chǎn)物所獲得的有利但不是唯一的非食物有機(jī)底物，即來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)無(wú)論是與家庭、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)-工業(yè)活動(dòng)或畜牧業(yè)相關(guān)的生物質(zhì)。作為一個(gè)非限制性實(shí)例，可以列舉為有機(jī)底物糞肥、家庭廢物的有機(jī)部分、屠宰場(chǎng)聯(lián)產(chǎn)物、來(lái)自農(nóng)業(yè)-工業(yè)的纖維素或木質(zhì)纖維素殘余物，諸如來(lái)自甘蔗(甘蔗渣)、向日葵或大豆的轉(zhuǎn)化的那些。
厭氧發(fā)酵理解為是指在厭氧條件下由微生物、真核生物或原核生物諸如細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)或酵母進(jìn)行的發(fā)酵。
在此，術(shù)語(yǔ)分子表示但不唯一地表示所謂的前體分子。這些前體隨后能夠產(chǎn)生從能量產(chǎn)生和/或化學(xué)的立場(chǎng)來(lái)看比前體更感興趣的其他分子，應(yīng)理解它們是有機(jī)分子。可以列舉，作為從能量產(chǎn)生和/或化學(xué)的立場(chǎng)來(lái)看感興趣的分子，例如，具有碳鏈的分子，諸如酸、烴、甲烷、酯、醇、酰胺或聚合物。
今天，從能量產(chǎn)生和化學(xué)的立場(chǎng)來(lái)看感興趣的分子通常衍生自化石原料，諸如烴。因此，從經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的立場(chǎng)來(lái)看，它們的從可再生原料(諸如生物質(zhì))的產(chǎn)生是感興趣的解決方案。因此，用于從有機(jī)底物產(chǎn)生給定類(lèi)型的分子的方法是已知的。例如，可以列舉乙醇的產(chǎn)生，其是衍生自生物質(zhì)(主要是食物，諸如玉米、小麥、甜菜或甘蔗)的用于汽車(chē)的第一代生物燃料的重要組分。這種工藝不僅僅產(chǎn)生一種單一型的可回收分子，而且底物中的大部分碳轉(zhuǎn)化成低端聯(lián)產(chǎn)物，諸如二氧化碳。另外，通過(guò)各種手段回收感興趣的分子導(dǎo)致產(chǎn)生大量的廢物，這引起了環(huán)境問(wèn)題。此外，在此類(lèi)工藝中使用的微生物通常是經(jīng)基因修飾的微生物。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，存在已知的工藝，其旨在通過(guò)對(duì)通常經(jīng)預(yù)處理或食物生物質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)生所謂的前體分子。然后通過(guò)已知的化學(xué)途徑將這些分子轉(zhuǎn)化為各種可使用的分子。向最終分子的轉(zhuǎn)化隨后并且獨(dú)立于這些所謂的前體分子的產(chǎn)生階段發(fā)生。
US-A-6 043 392公開(kāi)了這樣一種方法，其用于通過(guò)對(duì)由厭氧發(fā)酵獲得的揮發(fā)性脂肪酸鹽進(jìn)行熱處理來(lái)產(chǎn)生酮。還將揮發(fā)性脂肪酸的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊N、醛以及醇。除通過(guò)這種工藝獲得的有限數(shù)量的最終產(chǎn)物之外，所述工藝以?xún)蓚€(gè)單獨(dú)步驟進(jìn)行，即發(fā)酵、然后是VFA鹽的處理。換句話(huà)講，所述工藝是不連續(xù)的。已知通過(guò)厭氧發(fā)酵進(jìn)行的揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生誘導(dǎo)對(duì)微生物有害的培養(yǎng)基的酸化。由于培養(yǎng)基的酸化誘導(dǎo)對(duì)微生物的抑制，并且因此減慢或甚至使發(fā)酵停止，因此需要不連續(xù)地工作。出于此目的，在給定的發(fā)酵時(shí)間之后對(duì)VFA進(jìn)行提取。US-A-4 358 537還公開(kāi)了一種原位工藝，其用于從一塊泥炭產(chǎn)生碳水化合物。在此，VFA不是尋求作為前體的產(chǎn)物。類(lèi)似地，US-A-2013/309 740公開(kāi)了一種厭氧發(fā)酵，其目的在于產(chǎn)生甲烷，VFA為待消除的廢棄物。因此，這些工藝并不能夠快速并且連續(xù)產(chǎn)生所謂的前體分子，因?yàn)楫a(chǎn)率不是最佳的。
現(xiàn)在，在用于通過(guò)發(fā)酵從生物質(zhì)產(chǎn)生分子的工業(yè)工藝的情況下，為了保證裝置的生產(chǎn)率，重要的是具有一種工藝，所述工藝的產(chǎn)生不同分子的產(chǎn)率和適應(yīng)性不僅盡可能高，而且最重要的是規(guī)則并且受控，同時(shí)限制隨后待處理的廢物和廢水的產(chǎn)生。因?yàn)橛米骺砂l(fā)酵生物質(zhì)的有機(jī)底物主要是農(nóng)業(yè)、工業(yè)、家庭和/或農(nóng)業(yè)食物來(lái)源，所以這是更重要的，以便保證大體積。因此，根據(jù)各種因素，諸如位置和季節(jié)，底物存在極大變化性、定性和定量。
本發(fā)明更具體地旨在通過(guò)提出一種工藝來(lái)克服這些缺點(diǎn)，所述方法使得可以使用生物精煉的方法以規(guī)則和受控的方式產(chǎn)生各種所謂的生物來(lái)源分子，即從生物質(zhì)產(chǎn)生分子。
出于此目的，本發(fā)明涉及一種用于從可發(fā)酵生物質(zhì)產(chǎn)生有機(jī)分子的工藝，其包括厭氧發(fā)酵步驟，所述發(fā)酵產(chǎn)生稱(chēng)為前體的發(fā)酵代謝物，諸如揮發(fā)性脂肪酸，通過(guò)非發(fā)酵手段將這些所謂的前體代謝物轉(zhuǎn)化為最終有機(jī)分子，所述工藝包括至少一個(gè)步驟，所述步驟包括在發(fā)酵反應(yīng)器中對(duì)由可發(fā)酵生物質(zhì)形成的有機(jī)底物進(jìn)行發(fā)酵，直至產(chǎn)生作為發(fā)酵代謝物的具有1至8個(gè)碳的碳鏈的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，所述方法的特征在于它包括至少以下步驟：
-a)在所述揮發(fā)性脂肪酸的開(kāi)始產(chǎn)生與最大產(chǎn)生之間，從發(fā)酵培養(yǎng)基提取所述揮發(fā)性脂肪酸的至少一些，從而不影響通過(guò)微生物產(chǎn)生發(fā)酵代謝物，并且將來(lái)自所述提取的含有微生物的液相的至少一部分引入到所述發(fā)酵反應(yīng)器中，
-b)從在所述發(fā)酵反應(yīng)器中產(chǎn)生的所述發(fā)酵代謝物或者從在步驟a)中提取的所述揮發(fā)性脂肪酸合成有機(jī)分子，
-c)繼續(xù)步驟a)至b)，直至就量和質(zhì)量而言獲得所述最終有機(jī)分子。
這種工藝使得可以連續(xù)產(chǎn)生已知為前體(即揮發(fā)性脂肪酸)的發(fā)酵代謝物，同時(shí)保留存在于所述生物反應(yīng)器中的微生物群體。事實(shí)上，所述提取步驟不僅使得可以避免培養(yǎng)基中揮發(fā)性脂肪酸的積累，還可以保留微生物，在對(duì)所有微生物非致死的條件下進(jìn)行所述提取。換句話(huà)講，所述提取是生物相容性的，即它不干擾或降解在其中進(jìn)行提取的生物培養(yǎng)基。以這種方式，避免了與在所述反應(yīng)器中的前體積累有關(guān)的問(wèn)題，例如，由對(duì)微生物有害的所述揮發(fā)性脂肪酸的積累而引起的發(fā)酵培養(yǎng)基的酸化。由于大多數(shù)微生物不受到此提取步驟的抑制，因此在整個(gè)發(fā)酵循環(huán)過(guò)程中，微生物的活動(dòng)保持在高水平，接近于初始水平。
根據(jù)本發(fā)明的有利但非必需方面，這種工藝可以包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)：
-在步驟a)之前，將來(lái)自限定的自然生態(tài)系統(tǒng)的微生物混合物接種到發(fā)酵反應(yīng)器中。
-連續(xù)進(jìn)行步驟a)至c)。
-來(lái)自所述工藝的殘余物適于用作改良劑、肥料或用作聯(lián)產(chǎn)物，諸如甲烷。
本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施根據(jù)先前特征中的一個(gè)的工藝的裝置，其特征在于它至少包括：
-一個(gè)發(fā)酵反應(yīng)器，
-一個(gè)提取設(shè)備，其適于確保對(duì)在發(fā)酵期間產(chǎn)生的包含在液相中的揮發(fā)性脂肪酸的提取，以及
-一個(gè)合成設(shè)備，諸如化學(xué)反應(yīng)器或電解槽，其適于確保將在發(fā)酵期間獲得的發(fā)酵代謝物合成為最終有機(jī)分子。
根據(jù)有利但非必需的方面，這種裝置可包括以下特征：
-它包括用于儲(chǔ)存底物的至少一個(gè)設(shè)備。
在閱讀本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案(作為非限制性實(shí)施例給出并參考以下附圖提供)的描述之后，本發(fā)明將被更好理解并且它的更多優(yōu)點(diǎn)將變得更清楚，在附圖中：
-圖1為代表本發(fā)明的主題的工藝的簡(jiǎn)化圖。
現(xiàn)在參考幾個(gè)實(shí)施方案對(duì)所述工藝的不同步驟進(jìn)行描述，應(yīng)理解，沒(méi)有詳細(xì)給出本身已知的步驟。具體地，將在圖1的圖表下做出參考，從而示出本發(fā)明的有利實(shí)施方案。具體地，在連續(xù)發(fā)酵方案的情況下對(duì)所述工藝進(jìn)行描述。事實(shí)上，與發(fā)酵的啟動(dòng)有關(guān)的步驟本身是已知的。
首先，在此使用的底物1是有利地未經(jīng)處理的，即它沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何物理化學(xué)或酶預(yù)處理。在一個(gè)變型中，底物1可以已經(jīng)過(guò)機(jī)械處理，例如，壓碎2，其有助于微生物在底物上的作用。后者主要由來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)的生物質(zhì)3組成。作為一個(gè)非限制性實(shí)例，可以列舉農(nóng)業(yè)或植物廢物(稻草、甘蔗渣、玉米粒、草、木材、剪切物)、紙廢物(硬紙板、紙)、農(nóng)業(yè)食物廢物、屠宰場(chǎng)廢物、家庭廢物的有機(jī)部分、來(lái)自畜牧業(yè)的廢水(糞肥、飼養(yǎng)場(chǎng)排泄物、糞便)、藻類(lèi)、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢物、林業(yè)廢物或化妝品工業(yè)的可發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，底物1已經(jīng)過(guò)物理化學(xué)或酶預(yù)處理，雖然這不是優(yōu)選的實(shí)施方案。
優(yōu)選地，但并非以限制性的方式，底物1以供給的方式使用，前提條件是其發(fā)酵能力被保留。此發(fā)酵能力的特征在于生物質(zhì)的產(chǎn)甲烷潛能，通常稱(chēng)為英語(yǔ)首字母縮略詞BMP(生物化學(xué)甲烷潛能)。如由申請(qǐng)人提交的專(zhuān)利申請(qǐng)F(tuán)R1302119中所描述，受控脫水使得可以在幾個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)維持此發(fā)酵能力。
某些底物還含有有機(jī)分子，諸如有機(jī)酸，這對(duì)發(fā)酵工藝沒(méi)有影響或僅有輕微影響。相比之下，這些分子可以見(jiàn)于發(fā)酵培養(yǎng)基，并且例如作為前體，參與最終有機(jī)分子的產(chǎn)生。
在某些類(lèi)型的底物的情況下，并入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和/或礦物化合物可以是有利的，以便增加細(xì)菌生長(zhǎng)和/或調(diào)控底物和/或聯(lián)產(chǎn)物的pH，從而促進(jìn)VFA或其他分子的產(chǎn)生。作為一個(gè)實(shí)例，可以列舉以少量添加NaOH、KOH、Ca(OH)2、K2HPO3、KH2PO3、甘油或者維生素或痕量元素的溶液。此添加由箭頭A表示。
將底物引入到發(fā)酵反應(yīng)器4中，所述發(fā)酵反應(yīng)器4本身是已知的并且尺寸設(shè)定成用于所需的生產(chǎn)，無(wú)論后者是在用于進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上或在用于生產(chǎn)的工業(yè)規(guī)模上。換句話(huà)講，根據(jù)需要，發(fā)酵反應(yīng)器4或生物反應(yīng)器具有從幾升變化到幾百立方米的體積。
有利但非必需的，至少在啟動(dòng)時(shí)間，以足以引發(fā)發(fā)酵的量，預(yù)先將微生物引入到發(fā)酵反應(yīng)器4中。清楚地，除其他以外，引入的微生物的量取決于底物。這些微生物以聚生體的形式進(jìn)行接種，由箭頭M示出。術(shù)語(yǔ)聚生體指代微生物、真核生物或原核生物(其可以是細(xì)菌、酵母、真菌或藻類(lèi))的混合物或混合。這些微生物M主要來(lái)自適于在厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵的自然生態(tài)系統(tǒng)。作為一個(gè)非限制性實(shí)例，作為生態(tài)系統(tǒng)，可以列舉水生環(huán)境的厭氧區(qū)諸如某些湖的缺氧區(qū)、土壤、沼澤、污水污泥、反芻動(dòng)物的瘤胃或白蟻的腸。應(yīng)謹(jǐn)記，在聚生體M中不同類(lèi)型和物種的微生物的定性和定量分布并不是準(zhǔn)確已知的，并且最重要的是，可大幅度變化。原來(lái)，微生物的此定性和定量的多樣性意外地有利于發(fā)酵工藝的穩(wěn)健性和適應(yīng)性，從而使得可以確保底物的最佳使用，不論后者的組成如何，并且盡管這在可變的發(fā)酵條件下。
此外，由于直接使用底物1的事實(shí)，即在將其引入到反應(yīng)器中之前，底物1沒(méi)有經(jīng)過(guò)消毒，或者更一般地，沒(méi)有去除其含有的微生物，發(fā)現(xiàn)底物1特有的這些微生物實(shí)際上在生物反應(yīng)器4中被并入在聚生體M中或至少與后者相關(guān)聯(lián)。
此外，在發(fā)酵期間，不僅在同一來(lái)源的不同聚生體之間，也在相同聚生體之間觀察到大范圍波動(dòng)。發(fā)明人的研究(Pessiot等人,Fed-batch Anaerobic Valorization of Slaughterhouse By-products with Mesophilic Microbial Consortia Without Methane Production,Applied Biochemistry and Biotechnology，2012年1月6日)已顯示，此波動(dòng)是由于微生物群體的連續(xù)波引起的，但是就微生物的活性和類(lèi)型而言，這些群體整體上在給定的時(shí)間段內(nèi)是類(lèi)似的。由于這個(gè)事實(shí)，發(fā)酵的產(chǎn)物相對(duì)而言是恒定的，至少是定性的。
從產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸的觀點(diǎn)來(lái)看，根據(jù)本發(fā)明的工藝，發(fā)酵5呈現(xiàn)出有趣的特征，諸如在非無(wú)菌條件下進(jìn)行的事實(shí)。微生物的聚生體M使得可以以最佳的方式使用底物1，并且不用添加產(chǎn)品諸如酶。此外，發(fā)酵5在厭氧條件下，更準(zhǔn)確地說(shuō)，當(dāng)氧化還原電勢(shì)小于-300mV，有利地在-550mV與-400mV之間時(shí)，當(dāng)pH低于8，優(yōu)選地在4與7之間時(shí)發(fā)生。因此，發(fā)酵5有利地受限于產(chǎn)生稱(chēng)為前體的發(fā)酵代謝物，即揮發(fā)性脂肪酸或VFA。事實(shí)上，目標(biāo)是在發(fā)酵反應(yīng)器4中進(jìn)行與在反芻動(dòng)物中遇到的酸中毒現(xiàn)象類(lèi)似的反應(yīng)，同時(shí)盡可能多限制甲烷的產(chǎn)生，其通常是在這種厭氧發(fā)酵完成之后獲得的最終代謝物中的一種。
與具有限定菌株的發(fā)酵相比，具有聚生體M的根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的發(fā)酵5使得不僅可以降解存在于底物1中的糖(戊糖、己糖或其它)，還可以降解底物1的組分的主要部分，諸如蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)以及羧酸。因此，這種發(fā)酵5的產(chǎn)率特別高，廢物的產(chǎn)生低。復(fù)雜分子諸如蛋白質(zhì)的發(fā)酵是特別感興趣的，因?yàn)槌渌绊懸酝?，它使得可以產(chǎn)生丁酸、2-甲基丁酸和異戊酸。這些支鏈揮發(fā)性脂肪酸是具有產(chǎn)生支鏈分子諸如支鏈烴類(lèi)(其作為燃料呈現(xiàn)出優(yōu)點(diǎn))的高潛能的前體。換句話(huà)講，除生成的不同化合物以外，發(fā)酵5產(chǎn)生用于合成在化學(xué)中感興趣的生物燃料和生物分子的前體。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，此發(fā)酵5在第一個(gè)步驟中導(dǎo)致具有1至8個(gè)碳，主要是2至4個(gè)碳的揮發(fā)性脂肪酸(諸如乙酸、丙酸和丁酸)的形成。另外，獲得具有較長(zhǎng)鏈，即多于4個(gè)碳的揮發(fā)性脂肪酸，諸如戊酸、己酸、庚酸或辛酸。通過(guò)繼續(xù)發(fā)酵和/或增加生物反應(yīng)器4中的微生物的量，如果需要使用選擇的微生物，可以促進(jìn)具有長(zhǎng)碳鏈，即多于4個(gè)碳的VFA的產(chǎn)生。換句話(huà)講，在發(fā)酵5期間大量產(chǎn)生的代謝物是揮發(fā)性脂肪酸，其大多數(shù)包含2至6個(gè)碳。
應(yīng)指出，還可以向發(fā)酵反應(yīng)器4添加具有長(zhǎng)碳鏈(C8至C22)的羧酸，其在隨后的化學(xué)轉(zhuǎn)化步驟期間被發(fā)酵或轉(zhuǎn)化為烴，諸如辛烷和煤油。這些羧酸可以沿著箭頭C以未處理的形式或通過(guò)含有其的底物，諸如某些含油植物產(chǎn)品來(lái)添加。作為非限制性實(shí)例，可以列舉向日葵、大豆、椰子和油棕、花生或麻風(fēng)樹(shù)油。將這些羧酸或這些油有利地并入底物1中。
可以以不連續(xù)或分批模式、以連續(xù)-不連續(xù)或補(bǔ)料分批模式或連續(xù)地在單個(gè)反應(yīng)器中或在串聯(lián)布置的多個(gè)發(fā)酵反應(yīng)器中進(jìn)行發(fā)酵5。
通過(guò)使用用于生成厭氧條件的常規(guī)發(fā)酵技術(shù)來(lái)進(jìn)行發(fā)酵5。出于此目的，優(yōu)選使用二氧化碳?xì)夥眨m然可以考慮其他氣體諸如氮?dú)饣驓鍋?lái)實(shí)現(xiàn)厭氧條件。發(fā)酵反應(yīng)器4中的溫度在20℃與60℃之間，優(yōu)選地在35℃與42℃之間。pH低于8，優(yōu)選地在4與7之間。氧化還原電勢(shì)小于-300mV，有利地在-550mV與-400mV之間。用于管理和維持溫度和pH的裝置本身是已知的。
將發(fā)酵5繼續(xù)得足夠長(zhǎng)來(lái)產(chǎn)生液相中的揮發(fā)性脂肪酸，由參考6示出。除其他因素以外，發(fā)酵時(shí)間取決于以下因素而變化：底物1、存在的微生物M、初始VFA濃度以及發(fā)酵條件。通常，發(fā)酵時(shí)間段在1天與7天之間，優(yōu)選地在2天與4天之間。根據(jù)揮發(fā)性脂肪酸，在此時(shí)間段結(jié)束時(shí)發(fā)酵培養(yǎng)基中獲得的VFA6的濃度是可變化的，但是通常大約10g/L至20g/L，應(yīng)理解，在某些條件下，它可以大于35g/L，例如，接近于50g/L。在發(fā)酵步驟結(jié)束時(shí)，發(fā)酵培養(yǎng)基具有酸性pH，通常在4與6之間。
清楚地，發(fā)酵5產(chǎn)生其他化合物，具體地說(shuō)是氣體7，諸如二氧化碳、氫氣或甲烷，根據(jù)參考8以已知的方式有利地將其回收并使用。
例如，將二氧化碳重新引入到發(fā)酵反應(yīng)器4中以便參與維持厭氧條件。在一個(gè)變型中，它被用作用于產(chǎn)生光合作用生物質(zhì)的碳源。產(chǎn)生了其他代謝物，例如，乳酸、酯和醇。后者可以重新引入到生物反應(yīng)器4中以便繼續(xù)發(fā)酵5，或者直接或在轉(zhuǎn)化之后用于其他應(yīng)用。
下一步是對(duì)如此形成的揮發(fā)性脂肪酸6的提取9。根據(jù)限定的需要，通過(guò)本身已知的反應(yīng)，后者將在隨后的步驟10中產(chǎn)生所謂的生物來(lái)源分子。在一個(gè)變型中，如以上所指示，它們形成用于所謂的二次發(fā)酵的底物，以便產(chǎn)生具有較長(zhǎng)碳鏈的揮發(fā)性脂肪酸。此發(fā)酵可以在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，延續(xù)第一發(fā)酵，或者在一個(gè)變型中，在另一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。例如，可以列舉通過(guò)某些微生物(諸如埃氏巨型球菌(Megasphaera edelsnii)或克氏梭狀芽胞桿菌(Clostridium kluyveri))對(duì)乙酸和丁酸的二次發(fā)酵來(lái)形成己酸和辛酸。因此這種發(fā)酵使得可以增加以有限量初始存在的某些VFA的量。
在所有情況下，在使得提取9不影響或至少僅輕微影響存在于發(fā)酵培養(yǎng)基中的通過(guò)微生物的揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生的條件下，提取通過(guò)厭氧發(fā)酵5在液相中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸6(其至少部分被提取)。在從發(fā)酵培養(yǎng)基中提取揮發(fā)性脂肪酸后，實(shí)際上減小了通過(guò)這些酸的培養(yǎng)基的酸化。
有利地，到所使用的提取工藝對(duì)所有微生物不致死的程度，發(fā)現(xiàn)在提取9之后，殘余液相11也含有某些量的活的并且因此潛在活性的微生物。由于在此液相11中，揮發(fā)性脂肪酸6的濃度小于發(fā)酵培養(yǎng)基的濃度，因此可以將其重新注入到發(fā)酵反應(yīng)器4中。因此，不僅在發(fā)酵5的過(guò)程中存在于培養(yǎng)基中的揮發(fā)性脂肪酸被稀釋?zhuān)⑶遗囵B(yǎng)基的pH升高，培養(yǎng)基也被重新接種微生物，從而確保通過(guò)對(duì)酸化合物6的提取9進(jìn)行的發(fā)酵5。
這種解決方案使得可以?xún)?yōu)化發(fā)酵5的產(chǎn)率，并且連續(xù)進(jìn)行發(fā)酵，同時(shí)減少反應(yīng)時(shí)間并將廢物產(chǎn)生限制到幾乎零廢物。
提取9有利地在液相中進(jìn)行。連續(xù)地或順序地進(jìn)行提取，例如，每12個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次提取。在所有情況下，提取一部分的揮發(fā)性脂肪酸在代謝物的開(kāi)始產(chǎn)生和最大產(chǎn)生之間進(jìn)行。有利地，提取在通過(guò)揮發(fā)性脂肪酸對(duì)微生物的抑制閾值附近進(jìn)行。除其他因素以外，此閾值取決于底物和發(fā)酵條件。類(lèi)似地，對(duì)來(lái)自所述提取的液相的引入在一個(gè)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，其使得可以維持產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸的高水平，即接近于進(jìn)行提取的水平。
一旦進(jìn)行提取9，就根據(jù)參考10的步驟使用本身已知的技術(shù)(諸如蒸餾、電合成、酯化、酰胺化或聚合)將揮發(fā)性脂肪酸6純化12和/或轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)物，諸如烷烴、烯烴、酰胺、胺、酯、聚合物。
同時(shí)，在一個(gè)有利變型中，不對(duì)在發(fā)酵5期間產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸6的一部分進(jìn)行提取，而是將其經(jīng)過(guò)電合成13或通過(guò)電解進(jìn)行的合成的步驟。以這種方式，烴主要從具有長(zhǎng)碳鏈的揮發(fā)性脂肪酸直至乙酸鹽產(chǎn)生。
電合成13的步驟使得可以通過(guò)已知的Kolbe和/或Hofe-Moest電化學(xué)脫羧反應(yīng)將產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸6轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅康臍鈶B(tài)和液態(tài)化合物14。這兩個(gè)反應(yīng)在通過(guò)電解的合成期間同時(shí)發(fā)生，但是可以通過(guò)更改如以下描述的易于控制的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以便促進(jìn)這些反應(yīng)中的一個(gè)或另一個(gè)?？梢酝ㄟ^(guò)改變這些參數(shù)產(chǎn)生各種代謝物，這允許定性地并且定量地靈活產(chǎn)生不同的分子。
電合成13使得可以直接在發(fā)酵培養(yǎng)基中對(duì)揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)行轉(zhuǎn)變。因此，電合成也是用于從發(fā)酵培養(yǎng)基中提取揮發(fā)性脂肪酸的手段。
在將其他有機(jī)分子諸如，羧酸或醇添加到揮發(fā)性脂肪酸中后，可以形成的烴和產(chǎn)物的范圍被擴(kuò)大。
意外地，申請(qǐng)人觀察到，在溫和的反應(yīng)條件下，在環(huán)境溫度和壓力下，在3V或大于3V以及在1mA/cm2或大于1mA/cm2的陽(yáng)極電流密度下，使用例如由鉑或碳(例如像石墨)制成的電極可以在發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行電合成的步驟。
關(guān)于電合成條件，含有揮發(fā)性脂肪酸的水相的pH在2與11之間，優(yōu)選地在5.5與8之間。在酸性或中性pH條件下，供給烷烴的Kolbe反應(yīng)是有利的，而在堿性pH條件下，供給烯烴的Hofer-Moest反應(yīng)的氧化去質(zhì)子化作用是有利的。
在此電合成13的步驟中，具有短和中碳鏈的VFA，即羧酸必須呈羧酸鹽的形式，以便使用。這就是為何低pH不僅趨于降低呈陰離子形式的揮發(fā)性脂肪酸的濃度，還降低具有中碳鏈的羧酸或VFA的溶解度的原因。除其他化合物以外，可以使用蘇打來(lái)調(diào)整pH，以便維持用于進(jìn)行電解的羧酸鹽的高濃度。通常，不需要使用有機(jī)溶劑，對(duì)于電合成13的步驟而言，發(fā)酵培養(yǎng)基是好的電解質(zhì)。
有機(jī)溶劑幾乎僅需要用于在水中具有低溶解度的試劑，諸如具有長(zhǎng)碳鏈的羧酸或VFA。在后者的情況下，甲醇、乙醇和異丙醇可以是選擇的溶劑?？蛇x地，具有長(zhǎng)碳鏈的這些羧酸或VFA由于其在水溶液中的低溶解度，可以易于分離和濃縮，以便經(jīng)過(guò)第二相中的電解步驟，并且導(dǎo)致電解產(chǎn)物的高產(chǎn)率。
在一個(gè)非必需的變型中，到可以使用分解電解槽的程度，分別在陽(yáng)極和在陰極形成的產(chǎn)物可以易于分離。
可選地，通過(guò)電合成獲得的所有化合物可以在單個(gè)容器中回收并且隨后分離或轉(zhuǎn)化。
在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，一旦收集，如以上在參考8下所指示，就可以通過(guò)氣態(tài)液化對(duì)電合成13完成之后形成的氣態(tài)產(chǎn)物15，諸如氫氣、二氧化碳、烷烴、烯烴進(jìn)行壓縮和分離。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以考慮在雙電化學(xué)電池中使用半多孔膜，以便將兩個(gè)電極分離。因此，電極可以非常靠近彼此放置，以便防止產(chǎn)生電弧。
在另一個(gè)方面，除其他以外，在此電化學(xué)轉(zhuǎn)變的步驟完成之后獲得的產(chǎn)物14是烴、氫氣和二氧化碳的混合物，與來(lái)自油工業(yè)的天然氣相比，除其他產(chǎn)物以外，所述混合物不含污染物。
在一個(gè)變型中，為了增加通過(guò)電解進(jìn)行的合成的產(chǎn)率，使用補(bǔ)充技術(shù)，例如像超聲波、磁場(chǎng)、交流電。
在電合成13完成之后，未轉(zhuǎn)化的VFA殘余物16部分地在步驟6再次開(kāi)始，以便被提取(步驟9)和/或經(jīng)過(guò)新的電合成(步驟13)。殘余物16的一部分在步驟17中再循環(huán)，即氣化、焚燒或轉(zhuǎn)化。將來(lái)自發(fā)酵5、提取9或電合成13的各種步驟的發(fā)酵代謝物(諸如揮發(fā)性脂肪素)和殘余底物甲烷化(步驟17)，以便產(chǎn)生肥料和改良劑(組合在參考18下)以及沼氣19。在工業(yè)生態(tài)學(xué)方法中，此甲烷化步驟17還應(yīng)用于殘余物或未發(fā)酵的底物的部分20。因此，通常通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生能量和熱量。此能量和熱量的產(chǎn)生至少部分用于抵償所述工藝的能量需求。
因此，根據(jù)本發(fā)明的工藝使得可以在初始有機(jī)碳的最小損失的情況下，有利地、連續(xù)地并且以高產(chǎn)率產(chǎn)生基于碳的分子。
以下實(shí)施例示出使用不同底物和發(fā)酵條件的對(duì)本發(fā)明的主題的工藝的實(shí)施。
實(shí)施例1：非無(wú)菌模式的在生物反應(yīng)器中的屠宰場(chǎng)聯(lián)產(chǎn)物的不連續(xù)發(fā)酵
在38℃的溫度下，在攪拌下將具有5L有用體積并含有具有100g/L濃度的未消毒屠宰場(chǎng)廢物混合物(以1/1/1/2比例的血、內(nèi)臟、糞類(lèi)物質(zhì)、肉類(lèi)廢物)的厭氧培養(yǎng)基(0.5g/L K2HPO4、0.5g/L KH2PO4、1.0g/L MgSO4、0.1g/LCaCl2、1ml/L血紅素以及5ml/L維生素)的發(fā)酵反應(yīng)器或生物反應(yīng)器接種來(lái)自厭氧生態(tài)系統(tǒng)諸如超低營(yíng)養(yǎng)湖(諸如Pavin湖)的缺氧區(qū)的自然微生物的聚生體。進(jìn)行1042小時(shí)的發(fā)酵、9個(gè)補(bǔ)料分批操作以及6次非無(wú)菌基于肉類(lèi)的底物(總計(jì)886g的干物質(zhì))的添加。在此發(fā)酵期間，進(jìn)行對(duì)液相和氣相代謝物的監(jiān)測(cè)操作。對(duì)液相的發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，發(fā)酵培養(yǎng)基含有16g/L的總揮發(fā)性脂肪酸。獲得的產(chǎn)率為0.38g的總VFA/g添加到反應(yīng)器中的干物質(zhì)。此實(shí)施例應(yīng)被認(rèn)為是參考測(cè)試，因?yàn)榕c本發(fā)明的工藝相比，沒(méi)有進(jìn)行提取和/或電合成化學(xué)合成。
實(shí)施例2：非無(wú)菌模式的生物反應(yīng)器中的家庭廢物有機(jī)部分的半連續(xù)發(fā)酵。
用相同培養(yǎng)基重復(fù)實(shí)施例1，但是使用由具有50g/L濃度的干物質(zhì)的家庭廢物(而不是屠宰場(chǎng)廢物)的可發(fā)酵部分組成的底物。另外，并且根據(jù)本發(fā)明的工藝，在發(fā)酵過(guò)程中在培養(yǎng)基上進(jìn)行提取。在此，發(fā)酵進(jìn)行超過(guò)2000個(gè)小時(shí)，并且在生物反應(yīng)器中進(jìn)行多個(gè)原位提取序列。所述提取為液液類(lèi)型，應(yīng)理解，揮發(fā)性脂肪酸總是在液相中產(chǎn)生，并且用于此實(shí)施例的溶劑是戊烷。在一個(gè)方面，這些操作使得可以在例如，一個(gè)提取的情況下降低總脂肪酸的最終濃度，其中反應(yīng)器中總VFA的濃度從26.8g/L變化到20.1g/L(降低23％)，從而使得可以減小培養(yǎng)基的酸度，并且因此保留微生物的聚生體M的最佳活性。所述提取還使得可以回收已用于各種化學(xué)合成(諸如產(chǎn)生酯和酰胺)的揮發(fā)性脂肪酸。
原位提取操作的這些操作使得可以證實(shí)所述工藝的生物相容性，換句話(huà)講，通過(guò)將發(fā)酵和提取步驟組合的工藝，對(duì)從生物質(zhì)的從能量產(chǎn)生和化學(xué)的立場(chǎng)來(lái)看感興趣的代謝物(諸如揮發(fā)性脂肪酸)的順序回收。此生物相容性的特征在于存在于生物反應(yīng)器中的每mL的微生物的量，其使用流式細(xì)胞儀的分析技術(shù)來(lái)確定。這些結(jié)果在例如，原位提取之前和之后收集的樣品之間的范圍內(nèi)，在一個(gè)系列的測(cè)量中的從2.3x108至8.0x107微生物/mL，以及在另一個(gè)系列的測(cè)量中的從2.9x108至2.3x108微生物/mL。這顯示，在提取揮發(fā)性脂肪酸之后，存在于生物反應(yīng)器中的微生物群體減少，但是此減少并不導(dǎo)致微生物的大規(guī)模破壞。微生物群體定量地并且定性地足以使微生物具有活性，并且使得存在非常少或不存在微生物聚生體的發(fā)酵活性的損失。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以在沒(méi)有不可逆應(yīng)力的情況下，直接在發(fā)酵反應(yīng)器4中進(jìn)行提取?？梢砸赃B續(xù)模式進(jìn)行發(fā)酵5，其中對(duì)抑制代謝物的發(fā)酵進(jìn)行提取9，即通過(guò)在造成培養(yǎng)基酸中毒的揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生時(shí)逐漸對(duì)其進(jìn)行提取。在一個(gè)變型中，這些提取操作可以在第二隔室中進(jìn)行，后者位于生物反應(yīng)器4中。
以下測(cè)試示出從作為前體的揮發(fā)性脂肪酸的電合成步驟，應(yīng)理解，在這些化學(xué)反應(yīng)中需要使用呈羧酸鹽的這些揮發(fā)性脂肪酸。
實(shí)施例A：
使用電流密度為100mA/cm2的石墨電極對(duì)1M的乙酸鈉溶液進(jìn)行電解反應(yīng)。在180分鐘的反應(yīng)后，消耗63％的初始乙酸鹽濃度。氣相中獲得的代謝物為氫氣(350mL或15mmol)、二氧化碳(330mL或13.8mmolC)、甲烷(7mL或0.3mmolC)以及乙烷(30mL或2.51mmolC)。液相中獲得的代謝物為乙酸甲酯(66mg或0.9mmol)和甲醇(87mg或2.7mmol)。此反應(yīng)的Cmol結(jié)果(Cmol.產(chǎn)物/Cmol.底物)為0.9±0.1。氫氣、二氧化碳、乙烷、甲烷、乙酸甲酯以及甲醇的產(chǎn)率分別為473ml/g乙酸鹽、446mL/g乙酸鹽、41ml/g乙酸鹽、10mL/g乙酸鹽、90mg/g乙酸鹽以及118mg/g乙酸鹽。
實(shí)施例B：
重復(fù)實(shí)施例A，但是以1M的丙酸鈉作為底物。在180分鐘之后，消耗56％的丙酸鹽的初始濃度。在氣相中獲得氫氣、甲烷、二氧化碳、乙烯以及丁烷，并且在液相中獲得乙醇和丙酸乙酯。
還進(jìn)行酰胺化反應(yīng)：
實(shí)施例C：酰胺化—乙酸鹽
在化學(xué)計(jì)量條件下，使用生物來(lái)源乙酸溶液和氨溶液的混合物在回流設(shè)置中進(jìn)行酰胺化反應(yīng)。將反應(yīng)混合物在80℃加熱4個(gè)小時(shí)，然后通過(guò)蒸餾消除過(guò)量的試劑。對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行重結(jié)晶，以便獲得生物來(lái)源乙酰胺。在這些條件下酰胺化反應(yīng)的產(chǎn)率是63％。
實(shí)施例D：酰胺化—丁酸鹽
重復(fù)實(shí)施例C，但是使用生物來(lái)源丁酸溶液并且在90℃的溫度下。在5個(gè)小時(shí)之后并且在對(duì)生物來(lái)源丁酰胺進(jìn)行重結(jié)晶之后，酰胺化反應(yīng)的產(chǎn)率為69％。
實(shí)施例E：酰胺化—VFA混合物
重復(fù)實(shí)施例C，但是在85℃的溫度下使用如之前實(shí)施例所描述的來(lái)自提取相的生物來(lái)源揮發(fā)性脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、異戊酸、戊酸、異己酸、己酸、庚酸、辛酸…)的混合物。在6h之后，在通過(guò)蒸餾消除過(guò)量的試劑之后，并且在對(duì)生物來(lái)源酰胺進(jìn)行重結(jié)晶之后，酰胺化反應(yīng)的產(chǎn)率為74％。獲得的生物來(lái)源酰胺是對(duì)應(yīng)于存在于混合物中的生物來(lái)源羧酸的酰胺(乙酰胺、丙酰胺、異丁酰胺、丁酰胺、異戊酰胺、戊酰胺、異己酰胺、己酰胺、庚酰胺以及辛酰胺…)。
使得可以從生物來(lái)源揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生生物來(lái)源酰胺的這些酰胺化反應(yīng)也可以使用取代胺來(lái)產(chǎn)生，以便獲得二級(jí)酰胺和三級(jí)酰胺。
還進(jìn)行酯化反應(yīng)。
實(shí)施例F：VFA混合物的酯化
為了進(jìn)行此酯化，對(duì)發(fā)酵和提取之后獲得的生物來(lái)源揮發(fā)性脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、異戊酸、戊酸、異己酸、己酸、庚酸、辛酸、苯乙酸、苯丙酸)(2mL)和乙醇(1.51mL)的等摩爾混合物進(jìn)行1h 15的回流。將硫酸(54μL)作為催化劑初始添加到反應(yīng)培養(yǎng)基中。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，氣相色譜顯示對(duì)應(yīng)于存在于初始混合物中的酸的乙酯的存在，即，在實(shí)施例中：乙酸乙酯、丙酸乙酯、異丁酸乙酯、丁酸乙酯、異戊酸乙酯、戊酸乙酯、異己酸乙酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、辛酸乙酯、苯乙酸乙酯以及苯基丙酸乙酯。獲得69％的羧酸到酯的轉(zhuǎn)變產(chǎn)率。
因此，顯示出發(fā)酵代謝物，諸如VFA，即根據(jù)實(shí)施例A至F并且以非限制性的方式的乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、異戊酸、戊酸、異己酸、己酸、庚酸、辛酸、苯乙酸和苯丙酸可以易于用作從經(jīng)濟(jì)和能量產(chǎn)生的立場(chǎng)來(lái)看感興趣的最終分子的前體，應(yīng)理解這些代謝物通過(guò)發(fā)酵產(chǎn)生。
因此，有一種整體工藝，其不同步驟可以以交錯(cuò)的方式進(jìn)行。此術(shù)語(yǔ)用于指代可以在不同時(shí)間和/或在不同位點(diǎn)重復(fù)的步驟。換句話(huà)講，所述工藝提供生產(chǎn)的極大適應(yīng)性和極大靈活性。
實(shí)施這種工藝不僅涉及在裝置中存在至少一個(gè)發(fā)酵反應(yīng)器，還涉及在裝置中存在至少一個(gè)提取設(shè)備(其適于進(jìn)行提取的步驟9)以及至少一個(gè)合成設(shè)備(其適于進(jìn)行電合成13的步驟，或者在一個(gè)變型中，另一個(gè)化學(xué)步驟)。這些設(shè)備本身是已知的，并且它們的數(shù)量和它們的尺寸適應(yīng)于生產(chǎn)的類(lèi)型。
這種裝置有利地包括用于儲(chǔ)存底物1和/或來(lái)自提取和/或電合成以及其他化學(xué)合成步驟的產(chǎn)物的設(shè)備。提供管理和控制裝置，諸如溫度傳感器、pH探頭。