合成氣發(fā)酵方法的操作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 與相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年5月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/650, 098和61/650, 093 兩者以及2012年11月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/726, 225的優(yōu)先權(quán)，所有上述臨時(shí) 申請(qǐng)以其整體通過(guò)參考并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 提供了一種用于合成氣發(fā)酵的方法，所述方法有效地降低電導(dǎo)率并提供約IOg乙 醇AL ?天）或更高的醇STY。更具體地，所述方法包括向反應(yīng)器容器提供量為每克產(chǎn)生的 細(xì)胞約IOOmg氮或更高的氮的氮進(jìn)料速率。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 厭氧微生物可以通過(guò)氣態(tài)底物的發(fā)酵從CO生產(chǎn)乙醇。使用來(lái)自于梭狀芽胞桿 菌（Clostridium)屬的厭氧微生物的發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和其他有用產(chǎn)物。例如，美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 5, 173, 429 描述了楊氏梭菌（Clostridium ljungdahlii)ATCC 號(hào) 49587,該厭氧微生物從 合成氣體生產(chǎn)乙醇和乙酸鹽。美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5, 807, 722描述了使用楊氏梭菌（Clostridium I jungdahl i i) ATCC號(hào)55380將廢氣轉(zhuǎn)變成有機(jī)酸和醇類(lèi)的方法和裝置。美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 6, 136, 577 描述了使用楊氏梭菌（Clostridium ljungdahlii)ATCC 號(hào) 55988 和 55989 將廢 氣轉(zhuǎn)變成乙醇的方法和裝置。
[0006] 為了獲得穩(wěn)定的性能和乙醇生產(chǎn)率，產(chǎn)乙酸細(xì)菌需要氨形式的恒定的氮進(jìn)料。最 常見(jiàn)情況下，氨源是提供在低PH培養(yǎng)基料流中的氯化銨。由于成本和可利用性，氫氧化銨 的使用是優(yōu)選的。然而，由于氫氧化銨是堿，因此它必須作為分開(kāi)的培養(yǎng)基料流添加。這種 高pH料流的添加有可能引起發(fā)酵操作問(wèn)題。此外，在較高生產(chǎn)率水平O50STY)下，在更濃 的培養(yǎng)基使用期間，發(fā)酵液的離子強(qiáng)度增加到對(duì)培養(yǎng)物性能造成不利影響的水平。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] -種用于合成氣發(fā)酵的方法降低電導(dǎo)率并提高醇的STY。所述方法包括將所述合 成氣導(dǎo)入到反應(yīng)器容器中，并向所述反應(yīng)器容器提供約IOOmg氮/g產(chǎn)生的細(xì)胞或更高的氮 進(jìn)料速率。合成氣的發(fā)酵有效地提供了具有約16mS/cm或更低的平均電導(dǎo)率和IOg乙醇/ (L·天）或更高的STY的發(fā)酵培養(yǎng)基。就此而言，氮從包括無(wú)水氨、氨水、氫氧化銨、乙酸銨、 有機(jī)或無(wú)機(jī)的硝酸鹽或酯、腈、胺、亞胺、酰胺、氨基酸、氨基醇及其混合物的來(lái)源提供。在一 種情況下，氮由氫氧化銨提供。所述方法包括導(dǎo)入具有約〇. 75或更高的0)/0)2比例的合 成氣，并用一種或多種產(chǎn)乙酸細(xì)菌發(fā)酵合成氣。所述發(fā)酵方法有效地提供約l.〇g/L或更高 的細(xì)胞密度和約5%至約99%的CO轉(zhuǎn)化率。在一種情況下，發(fā)酵培養(yǎng)基包含約0. 01g/L或 更少的酵母提取物和約〇. 01 g/L或更少的糖類(lèi)。
[0009] 在一種情況下，用于降低發(fā)酵中的電導(dǎo)率的方法包括將合成氣導(dǎo)入到包含發(fā)酵培 養(yǎng)基的反應(yīng)器容器中。所述方法包括以約IOOmg氮/g產(chǎn)生的細(xì)胞或更高的速率向反應(yīng)器 容器提供氮進(jìn)料，其中在氮進(jìn)料中用氫氧化銨代替氯化銨。該氮進(jìn)料有效地提供約16mS/cm 或更低的電導(dǎo)率和約4. 2至約4. 8的pH。
[0010] 在另一種情況下，用于降低發(fā)酵培養(yǎng)基中的電導(dǎo)率的方法包括將合成氣導(dǎo)入到反 應(yīng)器容器中，并以約IOOmg氮/g產(chǎn)生的細(xì)胞或更高的速率向反應(yīng)器容器提供氮進(jìn)料。在這 種情況下，在氮進(jìn)料中用氫氧化銨代替氯化銨。與氮進(jìn)料是氯化銨的發(fā)酵相比，該方法有效 地提供了至少約20%的電導(dǎo)率的降低。
[0011] 在一種情況下，發(fā)酵培養(yǎng)基包含：每克產(chǎn)生的細(xì)胞約100至約340mg的氮、每克產(chǎn) 生的細(xì)胞約10. 5至約15mg的磷或每克產(chǎn)生的細(xì)胞約26至約36mg的鉀。在這種情況下， 氮源是氫氧化銨。
[0012] 發(fā)明詳述
[0013] 下面的描述不應(yīng)以限制性意義對(duì)待，而是僅僅出于描述示例性實(shí)施方式的一般性 原理的目的做出。本發(fā)明的范圍應(yīng)該參考權(quán)利要求書(shū)確定。
[0014] 本文所描述的使用培養(yǎng)基和產(chǎn)乙酸細(xì)菌在生物反應(yīng)器中進(jìn)行的合成氣發(fā)酵，有效 地提供了合成氣中的CO向醇類(lèi)和其他產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。利用氫氧化銨作為氮源和降低電導(dǎo)率， 有效地提供了高的生產(chǎn)率水平。在這方面，醇生產(chǎn)率可以表示成STY(用g乙醇AL ?天） 表示的空間時(shí)間產(chǎn)率）。就此而言，所述方法有效地提供了至少約IOg乙醇AL ?天）的 STY(空間時(shí)間產(chǎn)率）?？赡艿腟TY值包括約IOg乙醇AL ?天）至約200g乙醇AL ?天）， 在另一種情況下約IOg乙醇/(L ·天）至約160g乙醇/(L ·天），在另一種情況下約IOg乙 醇/ (L ·天）至約120g乙醇/ (L ·天），在另一種情況下約IOg乙醇/ (L ·天）至約80g乙 醇/ (L ·天），在另一種情況下約IOg乙醇/ (L ·天）至約15g乙醇/ (L ·天），在另一種情 況下約15g乙醇AL ?天）至約20g乙醇AL ?天），在另一種情況下約20g乙醇AL ?天） 至約140g乙醇/(L ·天），在另一種情況下約20g乙醇/(L ·天）至約100g乙醇/(L ·天）， 在另一種情況下約40g乙醇AL ?天）至約140g乙醇AL ?天），在另一種情況下約40g乙 醇/ (L ·天）至約100g乙醇/ (L ·天），在另一種情況下約IOg乙醇/ (L ·天），在另一種情 況下約15g乙醇AL ?天），并且在另一種情況下約16g乙醇AL ?天）。
[0015] 定義
[0016] 除非另有定義，否則在整個(gè)本公開(kāi)的本說(shuō)明書(shū)中使用的下列術(shù)語(yǔ)被定義如下，并 且可以包括下面規(guī)定的定義的單數(shù)或復(fù)數(shù)形式：
[0017] "電導(dǎo)率"和"平均電導(dǎo)率"是指導(dǎo)電能力。水由于含有溶解的帶電荷固體而導(dǎo) 電。例如，氯離子、硝酸根和硫酸根帶有負(fù)電荷，而鈉、鎂和鈣離子帶有正電荷。這些溶解 的固體影響水的導(dǎo)電能力。電導(dǎo)率通過(guò)在兩個(gè)電極之間施加電壓的探頭來(lái)測(cè)量。使用電 壓降來(lái)測(cè)量水的電阻，然后將其轉(zhuǎn)變成電導(dǎo)率。平均電導(dǎo)率可以通過(guò)已知技術(shù)和方法來(lái) 測(cè)量。平均電導(dǎo)率測(cè)量的一些實(shí)例提供在ASTM D1125，"水的電導(dǎo)率和電阻率的標(biāo)準(zhǔn)試 驗(yàn)方法"（Standard Test Methods for Electrical Conductivity and Resistivity of Water)和在"用于水和廢水的檢查的標(biāo)準(zhǔn)方法"(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater)，1999，美國(guó)公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)（American Public Health Association),美國(guó)水工程協(xié)會(huì)（American Water Works Association),水環(huán)境聯(lián)合會(huì) (Water Environment Federation)中，兩者通過(guò)參考并入本文。
[0018] 修飾任何量的術(shù)語(yǔ)"約"是指所述量在真實(shí)世界條件下，例如在實(shí)驗(yàn)室、中試工廠 或生產(chǎn)設(shè)施中遇到的變化。例如，在混合物中使用的成分或測(cè)量的量或數(shù)量，當(dāng)用"約"修飾 時(shí)，包括在生產(chǎn)工廠或?qū)嶒?yàn)室中的實(shí)驗(yàn)條件下的測(cè)量中通常使用的變化性和照管程度。例 如，產(chǎn)物的組分的量，當(dāng)用"約"修飾時(shí)，包括在工廠或?qū)嶒?yàn)室中的多次實(shí)驗(yàn)中批次之間的變 化，以及分析方法中固有的變化。不論是否用"約"修飾，所述量包括那些量的等同量。本 文中陳述的并且用"約"修飾的任何數(shù)量，也可以作為沒(méi)有被"約"修飾的量用于本公開(kāi)。
[0019] 術(shù)語(yǔ)"合成氣"或"合成氣體"是指為含有不同量的一氧化碳和氫氣的氣體混合物 命名的合成氣體。生產(chǎn)方法的實(shí)例包括天然氣或烴類(lèi)的蒸汽重整以產(chǎn)生氫氣，煤的氣化，以 及在某些類(lèi)型的廢物變能量的氣化設(shè)施中。所述名稱(chēng)來(lái)自于它們?cè)诋a(chǎn)生合成天然氣（SNG) 和用于生產(chǎn)氨或甲醇中用作中間體。合成氣是可燃的，并且通常被用作燃料源或作為生產(chǎn) 其他化學(xué)品的中間體。
[0020] 術(shù)語(yǔ)"發(fā)酵"、"發(fā)酵方法"或"發(fā)酵反應(yīng)"等，旨在涵蓋所述方法的生長(zhǎng)階段和產(chǎn)物 生物合成階段兩者。在一種情況下，發(fā)酵是指CO向醇類(lèi)的轉(zhuǎn)化。
[0021] 術(shù)語(yǔ)"細(xì)胞密度"是指每單位體積發(fā)酵液的微生物細(xì)胞的質(zhì)量，例如克/升。就此 而言，所述方法和培養(yǎng)基有效地提供至少約I. 〇g/L的細(xì)胞密度。細(xì)胞密度可以為約1至約 25g/L，在另一種情況下約1至約20g/L，在另一種情況下約1至約10g/L，在另一種情況下 約10至約20g/L，在另一種情況下約12至約18g/L，在另一種情況下約14至約16g/L，在另 一種情況下約2至約8g/L，在另一種情況下約3至約6g/L，并且在另一種情況下約4至約 5g/L〇
[0022] 術(shù)語(yǔ)"細(xì)胞回收利用"是指從發(fā)酵培養(yǎng)液分離微生物細(xì)胞，并將全部或一部分分離 到的微生物細(xì)胞返回到發(fā)酵罐。一般來(lái)說(shuō)，使用過(guò)濾裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)分離。
[0023] 術(shù)語(yǔ)"發(fā)酵罐"、"反應(yīng)器容器"或"生物反應(yīng)器"包括由一個(gè)或多個(gè)容器和/或塔或 管路裝置構(gòu)成的發(fā)酵裝置，其包括連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR)、固定化細(xì)胞反應(yīng)器（ICR)、 滴流床反應(yīng)器（TBR)，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR)、泡罩塔、氣升式發(fā)酵罐、膜反應(yīng)器例如 中空纖維膜生物反應(yīng)器（HFMBR)、靜態(tài)混合器或適合于氣體-液體接觸的其他容器或其他 裝置。
[0024] 含CO的氣杰底物
[0025] 在一種情況下，所述方法具有支持從氣態(tài)底物例如含CO的大體積工業(yè)煙道氣生 產(chǎn)醇類(lèi)的實(shí)用性。在某些情況下，包括CO的氣體源自于含碳廢物例如工業(yè)廢氣或源自于其 他廢物的氣化。因此，所述方法代表了用于捕獲否則將被排放到環(huán)境中的碳的有效方法。工 業(yè)煙道氣的實(shí)例包括在含鐵金屬產(chǎn)品制造、非含鐵產(chǎn)品制造、石油精煉工藝、煤的氣化、生 物質(zhì)的氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭制造期間產(chǎn)生的氣體。
[0026] 在另一種情況下，含CO的氣態(tài)底物可能是合成氣。合成氣可以從任何已知來(lái)源提 供。在一種情況下，合成氣可以源自于含碳材料的氣化。氣化包括生物質(zhì)在