啟動(dòng)用于由一氧化碳和氫氣制備含氧有機(jī)化合物的深槽厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的方法
【專利摘要】在此提供用于啟動(dòng)厭氧深槽發(fā)酵系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)在處于一種氣態(tài)基質(zhì)流中的氫氣和一氧化碳到含氧有機(jī)化合物如乙醇的厭氧生物轉(zhuǎn)化中使用。在這些方法中，使用一種驅(qū)動(dòng)液體的噴射器被用于將氣體基質(zhì)引入至該深槽發(fā)酵反應(yīng)器中，其中以下方式中的至少一種：(i)調(diào)整通過一個(gè)噴射器的氣體與液體流量比；(ii)改變通過一個(gè)噴射器的液體流的速率；并且(iii)通過與至少一種其他氣體混合而調(diào)整該氣體進(jìn)料中的一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)，其中一氧化碳到該反應(yīng)器中的一種水性溶媒的質(zhì)量傳遞得到控制從而實(shí)現(xiàn)該微生物的穩(wěn)健生長，同時(shí)將一氧化碳濃度維持在對該微生物過度不利的量之下。在本發(fā)明的優(yōu)選方面，來自該反應(yīng)器的頂部空間的再循環(huán)氣體被用于調(diào)節(jié)一氧化碳到該水性溶媒的供應(yīng)。
【專利說明】啟動(dòng)用于由一氧化碳和氫氣制備含氧有機(jī)化合物的深槽厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于啟動(dòng)厭氧深槽發(fā)酵系統(tǒng)的方法，這些厭氧深槽發(fā)酵系統(tǒng)在處于一種氣態(tài)基質(zhì)流中的氫氣、一氧化碳以及二氧化碳到含氧有機(jī)化合物如乙醇的厭氧生物轉(zhuǎn)化中使用。
【背景技術(shù)】
[0002]氫氣和一氧化碳的厭氧發(fā)酵涉及處于一種液體發(fā)酵溶媒中的基質(zhì)氣體與能夠產(chǎn)生如乙醇、乙酸、丙醇以及正丁醇的含氧有機(jī)化合物的微生物的接觸。這些含氧有機(jī)化合物的產(chǎn)生要求大量的氫氣和一氧化碳。例如，用于一氧化碳和氫氣到乙醇的轉(zhuǎn)化的理論公式是:
[0003]6C0+3H20.C2H50H+4C02
[0004]6H2+2C02.C2H50H+3H20。
[0005]如可見的，一氧化碳的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致二氧化碳的生成。氫氣的轉(zhuǎn)化涉及氫氣和二氧化碳的消耗，并且此轉(zhuǎn)化 有時(shí)被稱為h2/co2轉(zhuǎn)化。出于在此的目的，它被稱為氫氣轉(zhuǎn)化。
[0006]典型地,用于一氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化的基質(zhì)氣體是，或來源于來自含碳材料的氣化的合成氣(synthesis gas)((合成氣(syngas));來源于天然氣和/或來自厭氧消化的生物氣的重整；或來源于各種工業(yè)方法的排氣流。氣體基質(zhì)包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳，并且通常包含其他組分，如水蒸汽、氮?dú)?，甲烷，氨、硫化氫等?出于在此的目的，所有氣體組成都以干基報(bào)告，除非另外說明或從上下文明了。)
[0007]這些基質(zhì)氣體典型地比相等熱含量的化石燃料更昂貴。因此，對有效地使用這些氣體來制備更高價(jià)值產(chǎn)品存在希望。任何轉(zhuǎn)化方法的商業(yè)可行性，尤其是針對商品化學(xué)品如乙醇和乙酸，將取決于資金成本、一氧化碳和氫氣到所尋求產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化效率、以及實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的能量成本。
[0008]合成氣發(fā)酵過程遭受氣體基質(zhì)即二氧化碳和氫氣在發(fā)生生物過程的發(fā)酵溶媒的液相中的差溶解性。穆納辛格(Munasinghe)等人在生物燃料中的生物質(zhì)來源的合成氣發(fā)酵:機(jī)遇與挑占戈(Biomass-derived Syngas Fermentation in Biofuels:Opportunitiesand Challenges),生物來源技術(shù)(Biosource TechnoloRy), 101 (2010) 5013-5022 中概述了到發(fā)酵介質(zhì)的體積質(zhì)量傳遞系數(shù)，這些體積質(zhì)量傳遞系數(shù)是在文獻(xiàn)中針對各種反應(yīng)器構(gòu)型和流體動(dòng)力學(xué)條件下的合成氣和一氧化碳進(jìn)行報(bào)告的。多種條件可提高合成氣到液相的質(zhì)量傳遞。例如，增大氣體進(jìn)料與液相之間的界面面積可以提高質(zhì)量傳遞速率。
[0009]已披露了多種用于一氧化碳和氫氣到含氧化合物的轉(zhuǎn)化的方法。一種這樣的方法如通過使用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的葉輪將用于轉(zhuǎn)化的微生物懸浮于攪拌槽反應(yīng)器中所包含的水性溶媒中。攪拌槽發(fā)酵反應(yīng)器提供許多優(yōu)勢。對于攪拌槽反應(yīng)器，據(jù)說加大葉輪的攪動(dòng)會(huì)提高質(zhì)量傳遞，因?yàn)楂@得了較小的氣泡大小。另外，攪拌動(dòng)作不僅在水性溶媒中分布?xì)庀?，而且這些相之間的接觸持續(xù)時(shí)間可得到控制。另一個(gè)非常重要的益處是攪拌槽內(nèi)的組成會(huì)相對均勻。例如，穆納辛格等人在后來的出版論文:合成氣發(fā)酵成生物燃料:不同反應(yīng)器構(gòu)型中的一氧化碳質(zhì)量傳遞系數(shù)(kua)的評估(Syngas Fermentation to Biofuel !Evaluationof Carbon Monoxide Mass Transfer Coefficient(kua)in Different ReactorConfigurations),牛.物技術(shù)講展(Biotechol.Prog.), 2010,第 26 卷，第 6 期，第 1616-1621頁中將鼓泡器(0.5毫米直徑的孔)與不同旋轉(zhuǎn)速率的機(jī)械混合相組合以提供增強(qiáng)的質(zhì)量傳遞。這種均勻性使得能夠良好地控制在穩(wěn)態(tài)操作過程中的發(fā)酵過程。這在其中存在兩種轉(zhuǎn)化途徑的一氧化碳和氫氣到含氧化合物的厭氧轉(zhuǎn)化中特別有利。因此，由一氧化碳的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的二氧化碳在位置上接近于消耗二氧化碳的氫氣消耗途徑。均勻性進(jìn)一步促進(jìn)新鮮氣體基質(zhì)的添加。攪拌槽反應(yīng)器所帶來的問題是資金成本、在所需混合和攪動(dòng)中消耗的大量能量、以及對實(shí)現(xiàn)基質(zhì)的高轉(zhuǎn)化的多級的需要。
[0010]布拉德維爾(Bredwell)等人在合成氣發(fā)酵的反應(yīng)器設(shè)計(jì)問題(Reactor DesignIssues for Synthesis-Gas Fermentations),生物技術(shù)進(jìn)展，15 (1999) 834-844 中披露了在機(jī)械攪動(dòng)下使用微氣泡鼓泡。在第839頁，他們陳述了:“當(dāng)使用微氣泡鼓泡時(shí)，只有必須向反應(yīng)器施加足夠的動(dòng)力以提供充分的液體混合。因此當(dāng)在攪拌槽中使用微氣泡時(shí)，設(shè)計(jì)成具有低剪切和高泵送能力的軸流式葉輪將是適合的。”
[0011]他們通過以下聲明得出結(jié)論:
[0012]“需要預(yù)測并控制聚結(jié)速率的改進(jìn)的能力來合理地設(shè)計(jì)采用微氣泡鼓泡的商業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器”。(第841頁)
[0013]另一種類型的發(fā)酵設(shè)備是鼓泡塔發(fā)酵反應(yīng)器，其中基質(zhì)氣體在容器底部引入，并且鼓泡穿過水性溶媒(“鼓泡反應(yīng)器”)。參見穆納辛格等人，于生物燃料中的生物質(zhì)來源的合成氣發(fā)酵:機(jī)遇與挑戰(zhàn)，生物來源技術(shù)，101 (2010) 5013-5022中。為了實(shí)現(xiàn)從氣相到液相的所尋求的質(zhì)量傳遞，工作人員已經(jīng)向鼓泡塔提供了處于微氣泡形式的氣體進(jìn)料。作者在一項(xiàng)研究中報(bào)告了，針對鼓泡塔反應(yīng)器所獲得的質(zhì)量傳遞高于針對攪拌槽反應(yīng)器所獲得的質(zhì)量傳遞，這主要是因?yàn)槭褂霉呐菟磻?yīng)器獲得了更高的界面表面積。有利的是，商業(yè)規(guī)模的鼓泡塔發(fā)酵反應(yīng)器在設(shè)計(jì)和構(gòu)造上是相對簡單的并且要求相對少的操作能量。
[0014]在與此同一日期提交的共同待決的美國專利申請?zhí)朳代理人案號2073]中，披露了用于提高大規(guī)模的厭氧發(fā)酵罐的性能的方法。在這些方法中，使用具有至少約10米的一種水性溶媒深度的一個(gè)反應(yīng)器，并且將處于穩(wěn)定的氣體在液體中的分散體形式的氣體進(jìn)料供應(yīng)至水性溶媒中。水性溶媒以足以在該水性溶媒中提供相對均勻的液相組成而不過度不利地影響該氣體在液體中的分散體的速率進(jìn)行機(jī)械攪拌。出于在此的目的，這被稱為機(jī)械輔助的液體分布槽反應(yīng)器，或MLD槽反應(yīng)器。使至少一部分來自水性溶媒的排氣再循環(huán)以在一個(gè)單個(gè)反應(yīng)器級中獲得至少約80百分比的處于氣體基質(zhì)中的總氫氣和一氧化碳到含氧有機(jī)化合物的摩爾轉(zhuǎn)化效率。因此，可以獲得優(yōu)于常規(guī)攪拌槽反應(yīng)器的資金成本節(jié)約和能量節(jié)約。
[0015]出于在此的目的，以穩(wěn)定的氣體進(jìn)料在液體中的分散體供應(yīng)的并且使用低攪拌速率的深鼓泡塔發(fā)酵反應(yīng)器與大規(guī)模MLD槽反應(yīng)器兩者都被稱為深槽反應(yīng)器。
[0016] 使用微氣泡的深槽反應(yīng)器可以為合成氣到含氧有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化提供經(jīng)濟(jì)上有吸引力的設(shè)施，但會(huì)帶來多個(gè)難題。在他們的早期評論文章中，穆納辛格等人報(bào)告了氣體-液體質(zhì)量傳遞是氣態(tài)基質(zhì)擴(kuò)散的主要阻力。作者在第5017頁陳述了:[0017]“高壓操作提高了氣體在水相中的溶解性。然而，在更高濃度的氣態(tài)基質(zhì)(尤其是CO)下，厭氧微生物受到抑制。”
[0018]其他工作者已經(jīng)理解過量一氧化碳的存在會(huì)不利地影響微生物和它們的性能。參見美國公開的專利申請?zhí)?0030211585(加迪(Gaddy)等人)第0075至0077段和0085至0086段，該專利申請披露了用于由微生物發(fā)酵來產(chǎn)生乙醇的持續(xù)攪拌槽生物反應(yīng)器。在第0077段，加迪等人陳述了:
[0019]“不幸的是，過量CO的存在還導(dǎo)致差的H2轉(zhuǎn)化，這在經(jīng)濟(jì)上可能是不利的。在基質(zhì)抑制下延長操作的后果是差的H2攝取。這最終導(dǎo)致細(xì)胞溶解，并且必須重啟反應(yīng)器。在這種方法在培養(yǎng)物初始生長期間或之后具有CO基質(zhì)抑制(對于可用細(xì)胞而言存在過多CO)的非預(yù)期結(jié)果的情況下，氣體進(jìn)料速率和/或攪動(dòng)速率減小，直到基質(zhì)抑制得到緩解為止”。
[0020]在第0085段，加迪等人討論了供應(yīng)過量一氧化碳和氫氣。他們陳述了:[0021]“通過達(dá)到穩(wěn)定操作并且接著逐步增大氣體進(jìn)給速率和/或攪動(dòng)速率(10%或更小增量)直到CO和H2轉(zhuǎn)化剛開始下降為止來獲得輕微過量的CO和H2”。
[0022]對于深槽反應(yīng)器，水性溶媒的高度是發(fā)生生物轉(zhuǎn)化的接觸時(shí)間的主要決定因素。此高度也是反應(yīng)器的底部部分的靜壓頭的決定因素。更高的壓力產(chǎn)生更小的氣泡大小和更高的分壓，這兩者都增強(qiáng)發(fā)酵反應(yīng)器中的質(zhì)量傳遞效率和氣體基質(zhì)轉(zhuǎn)化效率。因此，在商業(yè)規(guī)模上，深槽反應(yīng)器具有至少約10米、優(yōu)選至少約15米的深度，并且使用氣體進(jìn)料微氣泡，以便實(shí)現(xiàn)供應(yīng)至反應(yīng)器的總氫氣和一氧化碳的至少約60百分比的摩爾轉(zhuǎn)化效率。然而，這些操作參數(shù)增大了一氧化碳抑制的風(fēng)險(xiǎn)。
[0023]深槽反應(yīng)器中的一氧化碳抑制的風(fēng)險(xiǎn)在啟動(dòng)時(shí)更加明顯。典型地在啟動(dòng)時(shí)，反應(yīng)器供應(yīng)有來自種場的微生物培養(yǎng)物，并且培養(yǎng)物的大小通常被限制到穩(wěn)態(tài)時(shí)的反應(yīng)器中的培養(yǎng)物濃度的約10%或更小。接著，操作反應(yīng)器以使得培養(yǎng)物穩(wěn)健生長至穩(wěn)態(tài)操作所尋求的密度。非常稀的培養(yǎng)物濃度比穩(wěn)態(tài)時(shí)的更致密的培養(yǎng)物更容易受到損害。尤其對于商業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器，即具有至少約I百萬升、并且更經(jīng)常至少約5百萬升(即5百萬升至2500萬升)的液體容量的反應(yīng)器，完全填充反應(yīng)器容量的足夠的培養(yǎng)物體積通常是不可獲得的。因此，反應(yīng)器僅可被部分填充有水性溶媒，并且培養(yǎng)物必須首先生長以增大在該填充部分的密度。接著，添加另外的液體到反應(yīng)器中，并且培養(yǎng)物必須經(jīng)歷進(jìn)一步生長到可行密度。繼續(xù)此方法直到深槽反應(yīng)器已達(dá)到其所尋求容量。
[0024]為了減少啟動(dòng)所需的時(shí)間，需要向微生物提供足夠的基質(zhì)以用于穩(wěn)健生長。然而，為了減小一氧化碳對微生物過量加料的風(fēng)險(xiǎn)，一種常見慣例一直是在啟動(dòng)過程中供應(yīng)不足的氣體基質(zhì)并且由此延長啟動(dòng)過程的持續(xù)時(shí)間。
[0025]因此尋求以下這樣的方法:這些方法捕獲由穩(wěn)態(tài)條件下的深槽發(fā)酵系統(tǒng)所提供的益處，而又能夠快速啟動(dòng)該深槽反應(yīng)器而無損害微生物培養(yǎng)物的不當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]根據(jù)本發(fā)明，一種用于一種氣體基質(zhì)在一種水性溶媒中的厭氧生物轉(zhuǎn)化的深槽發(fā)酵反應(yīng)器是使用以下來啟動(dòng):在該反應(yīng)器中的一種初始低高度的水性溶媒，和使用一種驅(qū)動(dòng)液體來調(diào)節(jié)氣體進(jìn)料到該水性溶媒中的供應(yīng)的至少一個(gè)噴射器，從而提供微生物培養(yǎng)物的穩(wěn)健生長同時(shí)降低一氧化碳抑制的風(fēng)險(xiǎn)，該氣體基質(zhì)包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳，該水性溶媒包含適合于將所述基質(zhì)轉(zhuǎn)化成含氧有機(jī)化合物的微生物。調(diào)節(jié)氣體進(jìn)料的供應(yīng)是通過調(diào)整氣體與液體流量比以及液體流到噴射器的速率并且通過與至少一種其他氣體混合而調(diào)整氣體進(jìn)料中的一氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)來完成。驅(qū)動(dòng)液體還提供力以在水性溶媒中產(chǎn)生多個(gè)流，從而減小在供應(yīng)一氧化碳時(shí)局部化的風(fēng)險(xiǎn)。
[0027]在一個(gè)寬的方面，本發(fā)明的用于啟動(dòng)一個(gè)深槽反應(yīng)器的方法，該深槽反應(yīng)器用于一種氣體基質(zhì)(包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳)在包含適合于將所述基質(zhì)轉(zhuǎn)化成含氧有機(jī)化合物的微生物的一種水性溶媒中的厭氧生物轉(zhuǎn)化，該方法包括:
[0028]a.用二氧化碳、氮?dú)庖约暗图壨闊N中的至少一種覆蓋所述反應(yīng)器的水性溶媒之上的頂部空間以基本上排除氧氣；
[0029]b.最初提供反應(yīng)器中的水性溶媒至小于約10米、優(yōu)選小于約7米、并且有時(shí)小于約5米的深度，所述水性溶媒是處于發(fā)酵條件下并且具有介于每升約0.03與3克之間的濃度的所述微生物；
[0030]c.連續(xù)供應(yīng)氣體進(jìn)料至反應(yīng)器的底部部分，所述氣體進(jìn)料是處于足以提高微生物濃度的速率下，所述氣體進(jìn)料包含經(jīng)由使用優(yōu)選來源于水性溶媒的驅(qū)動(dòng)液體以形成具有小于約500微米、優(yōu)選介于約20與300微米之間的直徑的微氣泡的至少一個(gè)噴射器、優(yōu)選2個(gè)或更多個(gè)噴射器到達(dá)所述反應(yīng)器底部部分的所述氣體基質(zhì)；并且
[0031]d.間歇地或連續(xù)地將所述反應(yīng)器中的水性溶媒的體積增大至所希望的容量，同時(shí)將微生物的濃度增大至步驟(b)中的濃度的3與500倍之間，優(yōu)選增大至每升約I與10克之間，
[0032]其中通過以下方式中的至少一種:
[0033](i)調(diào)整通過一個(gè)噴射器的氣體與液體流量比，
[0034](ii)改變通過一個(gè)噴射器的液體流的速率，并且
[0035](iii)通過與至少一種其他氣體混合而調(diào)整氣體進(jìn)料中的一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)，
[0036]調(diào)節(jié)一氧化碳到反應(yīng)器中的水性溶媒的質(zhì)量傳遞以獲得步驟的(C)的生長，但是將水性溶媒中的一氧化碳的濃度維持在引起一氧化碳抑制的量之下。
[0037]沒有必要使用微氣泡進(jìn)行初始啟動(dòng)階段。由于在啟動(dòng)開始時(shí)減小的水性溶媒體積和經(jīng)常低的微生物濃度，典型地能夠產(chǎn)生很少的含氧有機(jī)化合物。因此，一氧化碳和氫氣的質(zhì)量傳遞速率并不如它們在啟動(dòng)的稍后階段在經(jīng)濟(jì)上那么重要。因此，在本發(fā)明的一方面，一部分至基本上所有氣體進(jìn)料可作為大于約500微米、例如從約I微米至5微米的氣泡供應(yīng)。然而，在本發(fā)明的啟動(dòng)方法的稍后階段，至少約25體積百分比、優(yōu)選至少約50體積百分比的氣體進(jìn)料以微氣泡的形式供應(yīng)，尤其在深槽反應(yīng)器中的水性溶媒的高度為至少約8米、經(jīng)常至少約5米之后。
[0038]在本發(fā)明的方法的優(yōu)選方面，在啟動(dòng)方法的初始階段過程中，水性溶媒的高度是足夠低的，這樣使得噴射器可在文丘里管樣條件下使用以便允許頂部空間氣體再循環(huán)。如果需要，可使用吹風(fēng)機(jī)來幫助實(shí)現(xiàn)使頂部空間氣體再循環(huán)所希望的流速。
[0039]噴射器可具有任何適合的設(shè)計(jì)。射流噴射器，尤其是狹縫噴射器通常是優(yōu)選的，特別是當(dāng)在啟動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)更高的水性溶媒高度時(shí)。狹縫噴射器相對于所使用的每個(gè)噴射器的驅(qū)動(dòng)液體流速具有高的調(diào)節(jié)比，而同時(shí)仍然提供良好的微氣泡形成。總體來說，平均氣泡直徑隨著驅(qū)動(dòng)液體流的速率增大而降低。在所有其他條件保持相同的情況下，更小的微氣泡具有每單位體積更高的表面積，這傾向于增大氣體從微氣泡到周圍液體的質(zhì)量傳遞速率。增大通過噴射器的驅(qū)動(dòng)液體流速還傾向于增大攪動(dòng)，從而增強(qiáng)反應(yīng)器中的微氣泡的軸向混合，尤其是在啟動(dòng)開始時(shí)使用較低水性溶媒水平下。通過調(diào)節(jié)狹縫噴射器的液體和氣體流速，還有可能產(chǎn)生例如具有超過I毫米直徑的更大的氣泡以便增強(qiáng)水性溶媒的混合。另外，調(diào)節(jié)使得能夠產(chǎn)生微氣泡大小，該微氣泡大小產(chǎn)生穩(wěn)定的氣體在水中的分散體。
[0040]在本發(fā)明的方法的優(yōu)選方面，氣體進(jìn)料包含從頂部空間再循環(huán)的氣體，并且再循環(huán)氣體被用作調(diào)節(jié)氣體?？墒褂眠@種調(diào)節(jié)模式來控制由一個(gè)或多個(gè)噴射器提供的氣體進(jìn)料中的一氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)。再循環(huán)的氣體可基本上包含由一個(gè)或多個(gè)噴射器提供的所有氣體進(jìn)料，并且對溶解于水性溶媒中的一氧化碳的濃度提供調(diào)節(jié)作用。隨著啟動(dòng)方法進(jìn)行，頂部空間中的氣體的組成將發(fā)生改變。例如，當(dāng)頂部空間中的覆蓋氣體最初是氮?dú)饣蚨趸紩r(shí)，隨著該方法進(jìn)行，未反應(yīng)的一氧化碳、氫氣以及來自一氧化碳到含氧有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化的聯(lián)產(chǎn)物二氧化碳將進(jìn)入該頂部空間。因此，再循環(huán)氣體將變成用于氣體進(jìn)料的氣體基質(zhì)的來源。因此，隨著培養(yǎng)物生長，再循環(huán)氣體可提供比基質(zhì)氣體具有更低的摩爾分?jǐn)?shù)的一氧化碳的氣體進(jìn)料，并且從而提供調(diào)節(jié)作用。此循環(huán)有利地增大了新鮮進(jìn)料中所包含的一氧化碳和氫氣的轉(zhuǎn)化效率。
[0041] 在本發(fā)明的方法的另一個(gè)優(yōu)選方面，使用至少兩個(gè)噴射器并且相對于水性溶媒中的培養(yǎng)物的密度和水性溶媒的高度，即反應(yīng)器中的氣相與液相之間的可用接觸時(shí)間來排序。通過排序，一個(gè)噴射器可以停用，或可以具有與另一個(gè)噴射器不同組成的氣體進(jìn)料；或可以具有與另一個(gè)噴射器不同的驅(qū)動(dòng)液體進(jìn)料速率；或可以具有與另一個(gè)噴射器不同的氣體進(jìn)料與驅(qū)動(dòng)液體進(jìn)料比。
[0042]在另一個(gè)寬的方面，本發(fā)明的用于啟動(dòng)一個(gè)深槽反應(yīng)器的方法，該深槽反應(yīng)器用于一種氣體基質(zhì)(包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳)在包含適合于將所述基質(zhì)轉(zhuǎn)化成含氧有機(jī)化合物的微生物的一種水性溶媒中的厭氧生物轉(zhuǎn)化，該方法包括:
[0043]a.用二氧化碳、氮?dú)庖约暗图壨闊N中的至少一種覆蓋所述反應(yīng)器的水性溶媒之上的頂部空間以基本上排除氧氣；
[0044]b.連續(xù)供應(yīng)氣體進(jìn)料至所述反應(yīng)器的底部部分，所述氣體進(jìn)料是處于足以提高微生物濃度的速率下，所述氣體進(jìn)料包含經(jīng)由使用優(yōu)選來源于水性溶媒的驅(qū)動(dòng)液體以形成具有小于約500微米、優(yōu)選介于約20與300微米之間的直徑的微氣泡的至少一個(gè)噴射器、優(yōu)選2個(gè)或更多個(gè)噴射器到達(dá)所述反應(yīng)器底部部分的所述氣體基質(zhì)；并且
[0045]c.以實(shí)質(zhì)上液體停留模式進(jìn)行操作，直到微生物的濃度是介于步驟(b)中的濃度的3與500倍之間，優(yōu)選介于每升約I與10克之間。
[0046]液體停留模式意味著其中出于產(chǎn)物流或凈化的目的實(shí)質(zhì)上沒有水性溶媒從反應(yīng)器抽出的反應(yīng)器操作。優(yōu)選的是，將水性溶媒中的含氧有機(jī)化合物的濃度維持在過度不利地影響微生物培養(yǎng)物的生長速率的濃度之下。優(yōu)選的是，在啟動(dòng)過程中增大水性溶媒的體積，并且通過間歇地或連續(xù)地增大反應(yīng)器中的水性溶媒的體積來將含氧有機(jī)化合物的濃度維持在過度不利地影響微生物培養(yǎng)物的生長速率的濃度之下。
[0047]如上文所討論,啟動(dòng)的初始階段可包括供應(yīng)作為比微氣泡大的氣泡的氣體進(jìn)料。
【專利附圖】

【附圖說明】[0048]圖1是能夠使用本發(fā)明的用于啟動(dòng)的方法的深鼓泡塔發(fā)酵反應(yīng)器的示意性描繪。
[0049]圖2是用于使用本發(fā)明的方法的一種類型的啟動(dòng)的代表性排序表。
[0050]圖3是能夠使用本發(fā)明的用于啟動(dòng)的方法的深液體混合反應(yīng)器的示意性描繪。
【具體實(shí)施方式】[0051]定義
[0052]含氧有機(jī)化合物意指選自下組的、含有兩個(gè)至六個(gè)碳原子的一種或多種有機(jī)化合物:脂肪族羧酸和鹽、烷醇和醇鹽以及醛。經(jīng)常，含氧有機(jī)化合物是通過水性溶媒中所包含的微生物產(chǎn)生的有機(jī)化合物的混合物。
[0053]一氧化碳抑制意味著在所有其他條件保持相同的情況下，生物受到水性溶媒中高濃度的溶解的一氧化碳的不利影響，從而導(dǎo)致一氧化碳或氫氣的每克活性細(xì)胞每升的轉(zhuǎn)化率顯著減小，例如減小至少15百分比。高濃度的溶解的一氧化碳意味著在更低的一氧化碳溶解濃度下，出現(xiàn)一氧化碳或氫氣的更高的每克活性細(xì)胞每升的轉(zhuǎn)化率。抑制作用可發(fā)生在水性溶媒中的局部區(qū)域；然而，一氧化碳抑制的發(fā)生典型地通過評定比活性率，即每質(zhì)量活性微生物每單位時(shí)間的生物消耗的質(zhì)量(其在穩(wěn)態(tài)條件下可通過反應(yīng)器中的水性溶媒的體積的總轉(zhuǎn)化率來近似)來觀察。引起一氧化碳抑制的溶解在水性溶媒中的一氧化碳的濃度根據(jù)微生物菌株和發(fā)酵條件而改變。
[0054]水性溶媒意指可包含溶解的化合物(包括但不限于氫氣、一氧化碳以及二氧化碳)的液體水相。
[0055]出于在此的目的，反應(yīng)器的啟動(dòng)意指通過部分填充有水性溶媒的反應(yīng)器中的微生物開始生物消耗一氧化碳并且連續(xù)地或間歇地添加水以增大反應(yīng)器中的水性溶媒的體積的操作。繼續(xù)啟動(dòng)，至少直到不再尋求水性溶媒體積的另外增大為止，而不考慮微生物細(xì)胞密度。優(yōu)選地，繼續(xù)啟動(dòng)，直到以足以連續(xù)回收產(chǎn)物的速率產(chǎn)生含氧有機(jī)化合物為止。
[0056]基本排除氧氣意指氣體中的分子氧濃度按體積計(jì)小于每百萬約200份、優(yōu)選小于每百萬約100份。
[0057]間歇地意指不時(shí)地并且可以按照規(guī)則的或不規(guī)則的時(shí)間間隔。
[0058]在過度不利地影響微生物培養(yǎng)物的生長速率的濃度以下的含氧有機(jī)化合物的濃度將取決于微生物和含氧有機(jī)化合物的類型。對生長速率的過度不利影響意味著在所有其他參數(shù)大致相同的情況下，相比于在其中每升具有約10克含氧有機(jī)化合物的水性溶媒中所觀察到的生長速率，觀察到微生物的生長速率顯著降低，通常降低至少20百分比。
[0059]氣相分散體的均勻性意味著水性溶媒中任何點(diǎn)處的氣體微氣泡具有改變不大于20百分比的一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)。
[0060]穩(wěn)定的氣體在液體中的分散體是指氣體氣泡在液體中的混合物，其中氣泡主要在與液體相同的方向上流動(dòng)，并且該分散體是足夠穩(wěn)定的這樣使得它存在于整個(gè)水性溶媒中，即使氣泡大小改變并且更大的氣泡存在。
[0061]概述
[0062] 本發(fā)明的方法涉及啟動(dòng)深槽發(fā)酵反應(yīng)器，這些反應(yīng)器用于包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳的氣體基質(zhì)到如乙醇、乙酸、丙醇、丙酸、丁醇以及丁酸的含氧有機(jī)化合物的厭氧轉(zhuǎn)化。這些方法使得反應(yīng)器中的微生物培養(yǎng)物能夠快速生長，而同時(shí)避免一氧化碳抑制。[0063]基質(zhì)和進(jìn)料氣體
[0064]產(chǎn)生含氧有機(jī)化合物的厭氧發(fā)酵使用包含一氧化碳、二氧化碳以及氫氣的基質(zhì)，后者是用于氫氣轉(zhuǎn)化途徑。氣體進(jìn)料除一氧化碳和氫氣之外還將包含氮?dú)夂图淄椤：铣蓺馐沁@樣一種基體基質(zhì)的一個(gè)來源。合成氣可由許多含碳原料制成。這些含碳原料包括烴類來源,如天然氣、生物氣、生物質(zhì)(尤其是木質(zhì)生物質(zhì))、通過重整含烴材料產(chǎn)生的氣體、泥煤、石油焦、煤、廢棄材料如來自建筑和拆卸的殘?jiān)?、城市固體廢棄物、以及填埋氣。合成氣典型地通過氣化器產(chǎn)生。任何上述生物質(zhì)來源都適合于產(chǎn)生合成氣。由此產(chǎn)生的合成氣將典型地包含從10至60摩爾％的CO、從10至25摩爾％的CO2、以及從10至60摩爾％的H2。合成氣還可包含N2和CH4,以及痕量組分如H2S和C0S、NH3以及HCN。氣體基質(zhì)的其他來源包括在石油和石油化學(xué)加工過程中產(chǎn)生的氣體。這些氣體可具有與典型合成氣實(shí)質(zhì)上不同的組成，并且可以是基本上純的氫氣或基本上純的一氧化碳。這些氣體基質(zhì)可由氣化或由石油和石油化學(xué)加工直接獲得，或可以通過摻混兩個(gè)或更多個(gè)流而獲得。而且，可以處理氣體基質(zhì)以去除或改變組成，包括但不限于通過化學(xué)或物理吸附、膜分離、以及選擇性反應(yīng)來去除組分?？上驓怏w基質(zhì)添加多種組分，如氮?dú)饣蜉o助氣體，如氨和硫化氫。
[0065]為了易于閱讀，術(shù)語合成氣將在此使用并且將旨在包括這些其他氣體基質(zhì)。
[0066]深槽發(fā)酵反應(yīng)器和覆蓋
[0067]深槽發(fā)酵反應(yīng)器可采取提供很大深度的水性溶媒的任何形式。該深槽反應(yīng)器具有致使發(fā)酵過程是商業(yè) 上可行的足夠體積。優(yōu)選地，該深槽反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成包含至少I百萬、并且更優(yōu)選至少約5百萬(即約5百萬至2500萬升)的水性溶媒。這些反應(yīng)器的特征為具有至少約10米、經(jīng)常介于約10米與30米之間的高度，和至少約0.5:1、即0.5:1至5:1、優(yōu)選介于0.75:1至3:1之間的高度與直徑的長徑比。經(jīng)常商業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器的特征為至少約5米、優(yōu)選至少約7米，即介于約7米與30米之間的寬度。雖然，反應(yīng)器的截面典型地是圓形的，但可以使用其他截面構(gòu)型，條件是獲得液相的均勻性。在穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生條件下的水性溶媒的深度將幾乎占據(jù)發(fā)酵反應(yīng)器的全部高度。水性溶媒的高度將沿反應(yīng)器的軸線建立流體靜壓梯度。
[0068]深槽反應(yīng)器可以是液體一個(gè)混合反應(yīng)器或優(yōu)選是一個(gè)鼓泡塔反應(yīng)器。鼓泡塔反應(yīng)器可包括軸流促進(jìn)裝置，如擋板、下吸式管等，但是這些裝置會(huì)增加反應(yīng)器的資金成本。因此，大多數(shù)鼓泡塔反應(yīng)器不包括這些裝置。
[0069]液體混合反應(yīng)器使用一個(gè)或多個(gè)機(jī)械攪拌器。機(jī)械攪拌應(yīng)足以促進(jìn)反應(yīng)器中的液體組成的均勻性，并且不需要且優(yōu)選不用作大部分微氣泡的發(fā)生器。通常，對于更高長徑比的反應(yīng)器，在不同高度下使用兩個(gè)或更多個(gè)機(jī)械攪拌器。用于攪拌槽反應(yīng)器的機(jī)械攪拌器的設(shè)計(jì)以及它們在反應(yīng)器內(nèi)用于非常大直徑的槽的定位完全在攪拌槽反應(yīng)器設(shè)計(jì)者的技術(shù)范圍之內(nèi)。經(jīng)常使用側(cè)槳葉或側(cè)面安裝的具有葉輪的混合器。軸流式葉輪有時(shí)用于直徑小于約5米或7米的深槽。優(yōu)選地，機(jī)械攪拌器的設(shè)計(jì)和在反應(yīng)器中的定位將產(chǎn)生液體流以獲得反應(yīng)器中的水性溶媒的均勻性的能量成本考慮在內(nèi)。
[0070]通過使用噴射器中的驅(qū)動(dòng)流體而非機(jī)械攪拌來產(chǎn)生分散體的微氣泡，能量節(jié)約得以實(shí)現(xiàn)。此外，噴射器可提供對微氣泡大小的更好控制。機(jī)械攪拌優(yōu)選不那么穩(wěn)健以至對微生物造成不當(dāng)損害，但又仍然足以實(shí)現(xiàn)整個(gè)反應(yīng)器中的液相的所希望的均勻性。液體混合反應(yīng)器可包括擋板或其他靜流引導(dǎo)裝置。[0071]由于發(fā)酵是厭氧的，深槽發(fā)酵反應(yīng)器必須是密封的，并且在覆蓋氣體或氣體進(jìn)料或其他來源中不包含有害數(shù)量的氧氣，通常按體積計(jì)每百萬小于200份、優(yōu)選每百萬小于約100份。因此對于啟動(dòng)，容器必須填充有不含反應(yīng)性氧的氣體。雖然可使用多種多樣的覆蓋氣體，如包含二氧化碳、氮?dú)饣虻图壨闊N(例如，具有I至3個(gè)碳原子的烷烴，如甲烷和天然氣)的氣體，但成本和可用性考慮因素以及其對厭氧發(fā)酵過程和后續(xù)單元操作的可接受性在選擇覆蓋氣體中起一定作用。因此，甲烷和其他通常氣態(tài)的烴類不是優(yōu)選的。而且，來自一個(gè)或多個(gè)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的排氣可用于初始覆蓋，尤其當(dāng)該排氣中的一氧化碳的濃度是低于約20摩爾百分比、優(yōu)選低于約15摩爾百分比時(shí)。
[0072]如上文所討論，本發(fā)明的方法可有效地使用這些覆蓋氣體。在已經(jīng)開始啟動(dòng)之后，頂部空間中的氣體的組成將發(fā)生改變，因?yàn)槲捶磻?yīng)的一氧化碳和氫氣以及合成氣中所包含的在初始通過水性溶媒過程中未被消耗的其他組分將與頂部空間中的現(xiàn)有氣體混合。優(yōu)選的初始覆蓋氣體包含O至約50摩爾百分比、優(yōu)選O至約20摩爾百分比的一氧化碳；0至約70摩爾百分比的二氧化碳；0至約50摩爾百分比、優(yōu)選O至約20摩爾百分比的氫；0至100摩爾百分比的氮?dú)?；以及O至100摩爾百分比的低級烷烴。
[0073]覆蓋可通過任何適合的方式實(shí)現(xiàn)，條件是反應(yīng)性氧被基本去除。[0074]含氧化合物和微生物
[0075]深槽反應(yīng)器的啟動(dòng)涉及向反應(yīng)器提供在水性溶媒中的微生物培養(yǎng)物或接種物，并且接著使該培養(yǎng)物生長并增大水性溶媒的高度至用于穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)的目標(biāo)水平。在本發(fā)明的方法中產(chǎn)生的含氧有機(jī)化合物將取決于用于發(fā)酵的微生物和發(fā)酵條件。CO和h2/co2到乙酸、正丁醇、丁酸、乙醇以及其他產(chǎn)物的生物轉(zhuǎn)化是眾所周知的。例如，這類生物轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)途徑和能量學(xué)的簡要說明已由達(dá)斯.A (Das, A.)&L.G.揚(yáng)達(dá)爾(L.G.Ljungdah I)于產(chǎn)乙酸菌中的電子傳輸系統(tǒng).(Electron Transport System in Acetogens)和德雷克.H.L(Drake, H.L.)&K.庫瑟爾(K.Kusel)于產(chǎn)乙酸菌的不同牛.理學(xué)潛能(DiversePhysiologic Potential of Acetogens)進(jìn)行總結(jié),分別出現(xiàn)為厭氧菌生物化學(xué)與生理學(xué)(Biochemistry and Physiology of Anaerobic Bacteria), L.G.揚(yáng)達(dá)爾等人編，施普林格(Springer) (2003)的第14和13章?？梢岳镁哂袑⒑铣蓺饨M分:CO、H2、CO2單獨(dú)地或與互相組合地或與合成氣中典型存在的其他組分組合地轉(zhuǎn)化的能力的任何適合的微生物。適合的微生物和/或生長條件可包括披露在以下文獻(xiàn)中的那些:2006年5月25日提交的題為“生物質(zhì)到燃料乙醇的間接或直接發(fā)酵(Indirect Or Direct Fermentation of Biomassto Fuel Alcohol)”的美國專利申請序號11/441,392，該專利披露了一種具有ATCC號BAA-624的所有鑒別特征的微生物食一氧化碳梭菌(Clostridium carboxidivorans)的生物純培養(yǎng)物；題為“新型梭狀菌屬種的分離和表征(Isolation and Characterizationof Novel Clostridial Species) ”的美國專利 7，704，723，該專利披露了一種具有 ATCC 號BAA-622的所有鑒別特征的微生物拉氏梭狀菌(Clostridium ragsdalei)的生物純培養(yǎng)物；這兩個(gè)專利均整體通過引用結(jié)合在此。Clostridium carboxidivorans可例如用于使合成氣發(fā)酵成乙醇和/或正丁醇。拉氏梭菌可例如用于使合成氣發(fā)酵成乙醇。
[0076]適合的微生物和生長條件包括具有ATCC 33266的鑒別特征的厭氧菌食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotwphicum),它可適用于CO并且使用，并且這將能夠產(chǎn)生正丁醇以及丁酸，如以下參考文獻(xiàn)所傳授的:“通過食甲基丁酸桿菌由一氧化碳產(chǎn)生正丁酉享的證據(jù)(Evidence for Production of n-ButanoI from Carbon Monoxide byButyribacterium methylotrophicum)，，,發(fā)酵與生物工程雜志(Journal of Fermentationand Bioengineering),第72卷，1991,第58-60頁；“經(jīng)由發(fā)酵由合成氣產(chǎn)生丁醇和乙酉享(Production of butanol and ethanol from synthesis gas via fermentation)”,燃料(FUEL)，第70卷，1991年5月，第615-619頁。其他適合的微生物包括:楊氏梭狀菌(Clostridium Ljungdahlii)，其中菌株具有 ATCC 49587 (US-A-5, 173，429)以及 ATCC55988和55989 (US-A-6，136，577)的鑒別特征，將能夠產(chǎn)生乙醇以及乙酸；自產(chǎn)乙醇梭狀菌新種(Clostridium autoethanogemum sp.nov.),一種由一氧化碳產(chǎn)生乙醇的厭氧菌，賈馬爾.阿伯里尼(Jamal Abrini)、亨利.納威(Henry Naveau)、愛德蒙.雅克.尼斯(Edomond-Jacques Nyns),微生物學(xué)文獻(xiàn)集(Arch Microbiol), 1994，345-351 ;微生物學(xué)文獻(xiàn)集1994，161:345-351 ;以及具有2010年3月19日提交為美國序號12/272320的ATCC號PTA-10522的鑒別特征的梭菌屬細(xì)菌(Clostridium Coskatii)。所有這些參考文獻(xiàn)整體結(jié)合在此。[0077]水性溶媒和發(fā)酵條件
[0078]水性溶媒將包含微生物和各種介質(zhì)補(bǔ)充物的水性懸浮液。適合的微生物通常在厭氧條件下存活和生長，這意味著溶解氧在發(fā)酵液體中基本不存在。水性溶媒的各種佐劑可包括緩沖劑、痕量金屬、維生素、鹽等。溶媒的調(diào)整可以在不同時(shí)間誘導(dǎo)出不同條件如生長條件和非生長條件，這些條件將影響微生物的生產(chǎn)率。先前引用的美國專利7，704，723披露了用于使用厭氧微生物進(jìn)行CO和H2/C02生物轉(zhuǎn)化的適合水性溶媒的條件和含量。
[0079]深鼓泡塔發(fā)酵區(qū)的頂部可以在壓力下，處于大氣壓下，或在環(huán)境壓力之下。溶媒維持在厭氧發(fā)酵條件下，包括適合的溫度，即介于25°C與60°C之間，通常在約30°C至40°C的范圍內(nèi)。發(fā)酵條件，包括微生物密度、水性溶媒組成以及發(fā)酵區(qū)深度，優(yōu)選足以實(shí)現(xiàn)所尋求的氫氣和一氧化碳轉(zhuǎn)化效率。
[0080]氣體在發(fā)酵區(qū)的平均停留時(shí)間(氣泡從引入點(diǎn)移動(dòng)到溶媒的上表面的平均時(shí)間)將不僅取決于水性溶媒的深度，而且取決于在被引入且內(nèi)部流體在反應(yīng)器中流動(dòng)時(shí)氣泡的大小。因此隨著在啟動(dòng)過程中水性溶媒的高度增加，停留時(shí)間將改變。
[0081]開始啟動(dòng):
[0082]為了啟動(dòng)，最初向容器饋入包含微生物和營養(yǎng)素的組合的水性溶媒至達(dá)約10米、優(yōu)選介于約1.5米與5或7米之間的高度。通過維持低的水性溶媒水平和低的壓頭，可容易地調(diào)節(jié)將一氧化碳從氣相轉(zhuǎn)移到液相的速率，從而降低一氧化碳抑制的風(fēng)險(xiǎn)。在開始啟動(dòng)時(shí)，通過使用低水平的水性溶媒所提供的另一個(gè)優(yōu)勢是驅(qū)動(dòng)液體流速與水性溶媒體積的比可以更高，并且由此增強(qiáng)水性溶媒的混合并且提供氣相在水性溶媒中更均勻的分布，尤其是對于深鼓泡塔反應(yīng)器而言。特別是當(dāng)使用多于一個(gè)噴射器時(shí)，出于提供混合的目的可單獨(dú)使用一個(gè)噴射器，即通過該噴射器只引入驅(qū)動(dòng)液體。
[0083]初始水性溶媒典型地包含接種量的來自種場的水性溶媒，或凍干的或以另外方式休眠的微生物，余量是包含營養(yǎng)素和用于發(fā)酵的其他佐劑的水性饋料。初始饋料中的微生物的初始密度是介于每升約0.03克與3克之間，經(jīng)常是介于每升約0.05克與I克之間。
[0084]水性溶媒中的溶解一氧化碳的初始濃度應(yīng)足以使得微生物能夠被滋養(yǎng)，但優(yōu)選在發(fā)酵條件下低于飽和，例如在每升水性溶媒0.01至0.1毫摩爾溶解的一氧化碳的范圍內(nèi)。[0085]基質(zhì)氣體進(jìn)料可在已用微生物培養(yǎng)物接種初始水性溶媒之前、同時(shí)以及之后不久開始。氣體基質(zhì)中的一氧化碳應(yīng)以某一速率并且在到水性溶媒中的質(zhì)量傳遞速率接近水性溶媒中的微生物培養(yǎng)物轉(zhuǎn)化一氧化碳的速率的條件下供應(yīng)，從而將溶解的一氧化碳的濃度維持在抑制水平以下。多種因素影響質(zhì)量傳遞速率，包括但不限于氣相中的一氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)、在相鄰液相中的一氧化碳的濃度、氣泡大小、以及流體靜壓。
[0086]在啟動(dòng)操作過程中提供足夠的氣體基質(zhì)用于穩(wěn)健微生物生長與一氧化碳抑制之間的平衡可以按照任何便利的方式進(jìn)行監(jiān)測。例如，氣體進(jìn)料供應(yīng)、氣體進(jìn)料中一氧化碳的濃度、以及微氣泡大小可以基于維持水性溶媒中一氧化碳的恒定濃度來確立?？杀槐O(jiān)測并用于調(diào)整這些變量的其他參數(shù)包括一氧化碳和氫氣凈消耗、二氧化碳凈產(chǎn)量、微生物密度以及含氧有機(jī)化合物的產(chǎn)生速率。類似地，可調(diào)整氣體進(jìn)料的供應(yīng)、氣體進(jìn)料中一氧化碳的濃度、以及微氣泡大小來提供與通過水性溶媒中的微生物培養(yǎng)物消耗一氧化碳的速率相匹配的一氧化碳到水性溶媒的質(zhì)量傳遞速率。因此，隨著培養(yǎng)物生長，存在調(diào)節(jié)以增大質(zhì)量傳遞來滿足培養(yǎng)物的需求。培養(yǎng)物的大小可通過測定活細(xì)胞密度或通過從溶媒的光學(xué)密度進(jìn)行近似來獲得。
[0087]氣體進(jìn)料噴射
[0088]本發(fā)明的方法使用至少一個(gè)噴射器，該噴射器使用驅(qū)動(dòng)流體以用于將氣體進(jìn)料供應(yīng)到水性溶媒中。氣體進(jìn)料包括新鮮合成氣或其他基質(zhì)氣體，以及來自頂部空間的再循環(huán)氣體和出于任何目的進(jìn)料到反應(yīng)器中的任何其他氣體，包括但不限于氣態(tài)佐劑和稀釋劑。優(yōu)選地，反應(yīng)器包括2個(gè)或更多個(gè)噴射器，并且商業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器將經(jīng)常包括至少2個(gè)、經(jīng)常4至8或10個(gè)支線(lateral)的噴射器，具有多達(dá)100個(gè)或更多個(gè)噴射器。所使用的噴射器的數(shù)目典型地基于能夠在穩(wěn)態(tài)操作條件下轉(zhuǎn)移足量的氣體基質(zhì)并且提高反應(yīng)器中的氣相的截面均勻性的能力來選擇。由于在啟動(dòng)過程中培養(yǎng)物所需的氣體基質(zhì)的量小于在全容量商業(yè)操作下所需的量，在噴射器使用中提供靈活性以用于啟動(dòng)操作。例如，在啟動(dòng)過程中可僅通過一個(gè)或幾個(gè)噴射器將氣體進(jìn)料供應(yīng)至水性溶媒，其余的噴射器被關(guān)閉抑或用于再循環(huán)容器中的液體以便增強(qiáng)整個(gè)水性溶媒中的混合和均勻性。隨著啟動(dòng)進(jìn)行將使用更多的噴射器來供應(yīng)氣體進(jìn)料，以便滿足培養(yǎng)物的滋養(yǎng)需求。出于在此的目的，這被稱為噴射器排序。
[0089]噴射器可以是射流混合器/充氣器或狹縫噴射器。狹縫噴射器是優(yōu)選的，其一種形式披露在美國專利號4，162，970中。這些噴射器使用驅(qū)動(dòng)液體進(jìn)行操作。這些噴射器，尤其是狹縫噴射器，能夠在寬的液體和氣體流速范圍內(nèi)操作，并且因此能夠?qū)崿F(xiàn)對氣體傳遞能力的顯著調(diào)節(jié)。噴射器的特征為具有包括至少約I厘米，經(jīng)常約1.5至5厘米(即2至4厘米)作為截面尺寸(就射流噴射器而言)或作為更小的截面尺寸(就狹縫噴射器而言)的噴嘴。噴射器的大截面尺寸除了能夠產(chǎn)生微氣泡之外，還提供了若干益處。第一，不像被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生微氣泡的鼓泡器，它們不傾向于沾污，包括使用水性溶媒作為驅(qū)動(dòng)液體的情況。第二，在使用水性溶媒作為驅(qū)動(dòng)流體的情況下，固體表面的微生物的高動(dòng)量沖擊被最小化，從而最小化對微生物造成損害的風(fēng)險(xiǎn)。第三，提供具有給定大小的微氣泡所需的能量經(jīng)常比使用微氣泡鼓泡器來形成具有該大小的微氣泡所需的能量小。第四，可獲得高調(diào)節(jié)t匕。并且第五，可在寬范圍內(nèi)容易地改變微氣泡大小。
[0090] 噴射器所產(chǎn)生的氣泡大小除其他因素之外將受到以下因素影響:通過噴射器的液體流速和經(jīng)過噴射器的氣相與液相的比，以及水性溶媒本身的特征，包括但不限于它的靜態(tài)液體深度。因此，噴射器可被操作來提供選定的氣泡大小，這增強(qiáng)了以調(diào)節(jié)模式使用該噴射器的能力，即基于培養(yǎng)物的大小和其生物轉(zhuǎn)化一氧化碳的能力調(diào)整一氧化碳到液相的傳遞速率。調(diào)節(jié)還可用于獲得穩(wěn)定的氣體在液體中的分散體，如果需要的話。調(diào)節(jié)可通過改變以下各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)來獲得:(i)到達(dá)噴射器的氣體與液體流量比，由此改變氣體進(jìn)料的體積；以及(ii)改變驅(qū)動(dòng)液體的速率，并且由此改變氣泡大小，從而影響一氧化碳從氣相傳遞到液相的速率。另外，可通過改變氣體進(jìn)料組成并且由此改變氣體進(jìn)料中的一氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)來獲得調(diào)節(jié)。
[0091]在啟動(dòng)開始時(shí)，可能希望使用更大的氣泡大小(優(yōu)選直徑在100至5000微米的范圍內(nèi))來供應(yīng)至少一部分氣體進(jìn)料以便在氣泡大小減小至小于500微米之前實(shí)現(xiàn)初始調(diào)節(jié)并且避免一氧化碳抑制。取決于特定噴射器設(shè)計(jì)產(chǎn)生這類大氣體進(jìn)料氣泡的能力，可通過鼓泡引入該氣體進(jìn)料或該氣體進(jìn)料的一部分。該氣體進(jìn)料的一部分可在尋求增強(qiáng)的水性溶媒混合的情況下作為甚至更大的氣泡引入。隨著培養(yǎng)物大小增大可逐步停用鼓泡器，并且可使用噴射器產(chǎn)生的更小的氣泡大小，而同時(shí)避免一氧化碳抑制又獲得有利的培養(yǎng)物生長速率。
[0092]除了如在先前段落中所述之外，在啟動(dòng)過程中的氣體進(jìn)料都作為具有小于約0.5毫米的直徑的微氣泡引入。最優(yōu)選的是，氣體基質(zhì)以具有0.01至0.5毫米、優(yōu)選0.02至
0.3毫米范圍內(nèi)的直徑的微氣泡形式通過噴射器引入到溶媒中。氣體基質(zhì)可作為氣體流或作為氣體在液體中的分散體引入到深槽反應(yīng)器的底部部分，如2010年6月30日提交的美國專利申請12/826，991所披露的。含氧有機(jī)化合物和/或其他表面活性劑的存在促進(jìn)精細(xì)微氣泡的形成。
[0093]驅(qū)動(dòng)液體可以是適合于引入到發(fā)酵反應(yīng)器中的任何液體。因此，該液體優(yōu)選適合用作水性溶媒。在初始啟動(dòng)時(shí)，形成水性溶媒初始液位的接種物和另外的水性溶媒中的一種或多種可用作驅(qū)動(dòng)液體。有利地，驅(qū)動(dòng)液體是以下各項(xiàng)中的一種或多種:水性溶媒、來源于水性溶媒的液體或替換從產(chǎn)物回收抽出的水性溶媒的補(bǔ)充液體。
[0094]在噴射器中使用的驅(qū)動(dòng)液體的流速將取決于噴射器的類型、大小以及構(gòu)型以及所尋求的氣體進(jìn)料的氣泡大小?？傮w來說，速率優(yōu)選足以提供每秒約0.05至5，即0.1至2米的離開噴射器的分散體流的速度。典型地，氣體與驅(qū)動(dòng)液體的比是在從每立方米驅(qū)動(dòng)液體約0.1:1至3:1，即0.5:1至2:1實(shí)際立方米的范圍內(nèi)。隨著啟動(dòng)接近穩(wěn)態(tài)操作條件，驅(qū)動(dòng)液體的流速典型地增大，氣體與驅(qū)動(dòng)液體的比也如此。在穩(wěn)態(tài)條件下，離開噴射器的分散體流的速度通常在每秒0.5至5米的范圍內(nèi)，并且氣體與驅(qū)動(dòng)液體的比是在每立方米驅(qū)動(dòng)液體從約1:1至3:1實(shí)際立方米的范圍內(nèi)。
[0095]經(jīng)常微氣泡形成穩(wěn)定的氣體在水中的分散體。微氣泡到水性溶媒中的引入將這些微氣泡置于動(dòng)態(tài)環(huán)境中。水性溶媒的高度意味著分散體中的微氣泡將在向上行進(jìn)通過反應(yīng)器時(shí)經(jīng)歷不同的靜壓頭。增大的壓力將(所有其他條件大致相同)減小微氣泡的大小并且由此還增大其表面積與體積的比。對于給定的氣體進(jìn)料速率，更小的微氣泡將提供更大的表面積，這增強(qiáng)質(zhì)量傳遞。微氣泡的大小還將受到氣體從微氣泡到液相的擴(kuò)散的影響。由于在被引入到水性溶媒中時(shí)一氧化碳和氫氣構(gòu)成了大摩爾分?jǐn)?shù)的微氣泡，動(dòng)態(tài)條件將促成一群具有小直徑的微氣泡，以輔助維持在整個(gè)反應(yīng)器中的氣體在水中的分散體。[0096]噴射器可定位在反應(yīng)器中的一個(gè)或多個(gè)位置，并且定向在任何適合方向上。噴射器典型地定位在深鼓泡塔反應(yīng)器或深液體混合反應(yīng)器的底部部分。通過將噴射器定位在反應(yīng)器的高度上，水性溶媒中的氣體在液體中的分散體的組成均勻性得到提升，并且可能需要更少的機(jī)械攪拌能量來維持所尋求的均勻性。然而，用于啟動(dòng)的噴射器通常是包含在水性溶媒內(nèi)的那些。液體混合反應(yīng)器典型地提供經(jīng)過噴射器的限定的液體流。經(jīng)常，噴射器被定向來促進(jìn)氣體進(jìn)料與水性溶媒的混合和在反應(yīng)器中的分布。
[0097]排氣再循環(huán)的使用
[0098]如上文所述，最初覆蓋水性溶媒之上的頂部空間以排除反應(yīng)性氧。隨著啟動(dòng)進(jìn)行，水性溶媒之上的氣體的組成將因?yàn)橐韵乱蛩刂械囊粋€(gè)或多個(gè)而發(fā)生改變:一氧化碳的消耗、未反應(yīng)的基質(zhì)的積累、以及由于添加新的基質(zhì)和/或稀釋氣體而引起的凈化。發(fā)酵反應(yīng)器中的水性溶媒之上的氣體在此稱為排氣。
[0099]優(yōu)選地，在初始啟動(dòng)過程中將該排氣的至少一部分再循環(huán)至水性溶媒。在該排氣包含一氧化碳和氫氣的情況下，該排氣可用作氣體進(jìn)料，直到一氧化碳和氫氣到水性溶媒的質(zhì)量傳遞不足以維持所尋求的培養(yǎng)物生長為止。該排氣還可以與新鮮的合成氣相混合來提供組合的氣體進(jìn)料。在覆蓋氣體富含氮?dú)饣蚨趸嫉那闆r下，氣體進(jìn)料將可能需要新鮮合成氣來提供所尋求質(zhì)量的一氧化碳和氫氣以便滋養(yǎng)培養(yǎng)物。再循環(huán)的排氣可與新鮮合成氣相混合，或可以與新鮮合成氣分開噴射，在這種情況下，水性溶媒中的一氧化碳的濃度可通過減小系統(tǒng)中一氧化碳的凈摩爾分?jǐn)?shù)來調(diào)節(jié)。
[0100]隨著啟動(dòng)進(jìn)行 ，排氣(即使在最初僅有氮?dú)饣蚨趸嫉那闆r下)將快速開始積聚氣體基質(zhì)，并且未反應(yīng)的一氧化碳和氫氣進(jìn)入頂部空間。通過調(diào)節(jié)進(jìn)料氣體和再循環(huán)排氣或其他稀釋氣體的量，有可能控制頂部空間中的一氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)至所希望的水平。經(jīng)常將啟動(dòng)過程中的頂部空間中的一氧化碳的濃度維持為小于約20摩爾百分比、優(yōu)選小于約15摩爾百分比，即介于約5摩爾百分比與15摩爾百分比之間。在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法中，使排氣再循環(huán)用于調(diào)節(jié)到水性溶媒的一氧化碳供應(yīng)速率。再循環(huán)的排氣可以是至一個(gè)或多個(gè)噴射器的氣體進(jìn)料，或它可以與新鮮合成氣相混合來提供用于一個(gè)或多個(gè)噴射器的復(fù)合氣體進(jìn)料。在排氣包含大濃度的一氧化碳的情況下，二氧化碳、氮?dú)饣蛲闊N中的至少一種可以與再循環(huán)氣體相混合來提供具有所希望的一氧化碳濃度的氣體進(jìn)料以用于供應(yīng)給水性溶媒。當(dāng)培養(yǎng)物已經(jīng)生長到需要比排氣所能提供的基質(zhì)更多的基質(zhì)的量時(shí)，可以開始新鮮合成氣進(jìn)料。使用再循環(huán)的排氣的噴射器或使用新鮮合成氣的噴射器都可通過改變氣體流速進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0101]使啟動(dòng)進(jìn)行
[0102]深鼓泡塔發(fā)酵的啟動(dòng)需要完成微生物培養(yǎng)物的穩(wěn)健生長并最終增加水性溶媒的高度。這兩者都對氣體進(jìn)料速率和用一氧化碳對微生物過量加料的風(fēng)險(xiǎn)具有影響。關(guān)于后者，隨著水性溶媒的高度增加，引入到水性溶媒中的一氧化碳的飽和濃度增加，假設(shè)氣體中的一氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)維持不變。更高的分壓增大了用于將一氧化碳從氣相傳遞到水性溶媒的驅(qū)動(dòng)力，和一氧化碳過度供應(yīng)的伴隨風(fēng)險(xiǎn)。
[0103]優(yōu)選的啟動(dòng)操作最初聚焦于在顯著增大水性溶媒的體積之前增大微生物的密度。經(jīng)常，在增大水性溶媒的體積之前，將水性溶媒初始饋料中的細(xì)胞濃度增大至每升至少約
0.5克每升，即約0.5至1.5克。體積增大可以是連續(xù)的或間歇的。在任一情況下，細(xì)胞密度應(yīng)維持在每升0.5克或每升0.5克以上。至少在最初，培養(yǎng)物的生長可在不抽出液體用于產(chǎn)物回收的情況下實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)含氧有機(jī)化合物的濃度積累到預(yù)定水平時(shí)，如當(dāng)培養(yǎng)物的生長可能受到不利影響時(shí)或當(dāng)存在足以用于產(chǎn)物回收的濃度時(shí)，可以取用流用以產(chǎn)物回收或處置，并且可向容器提供包括營養(yǎng)素的另外的水性溶媒。而且，可采用凈化來去除固體并且維持預(yù)定的平均細(xì)胞停留時(shí)間。
[0104]在本發(fā)明的一方面，啟動(dòng)操作是以實(shí)質(zhì)上的液體停留模式來進(jìn)行操作，即實(shí)質(zhì)上不取用產(chǎn)物或不采用凈化來去除固體并且不維持預(yù)定的平均細(xì)胞停留時(shí)間。啟動(dòng)過程中水性溶媒的添加可以是間隙的或連續(xù)的，并且通常是以足以將含氧有機(jī)化合物的濃度維持在不利影響微生物的生長(產(chǎn)物抑制)的濃度以下的速率進(jìn)行。發(fā)生產(chǎn)物抑制的濃度將取決于所使用的微生物菌株、發(fā)酵條件以及含氧有機(jī)化合物的性質(zhì)。經(jīng)常，啟動(dòng)可以完成并且每升介于約I至10克的細(xì)胞密度可以實(shí)現(xiàn)，而沒有不利影響微生物培養(yǎng)物的生長速率的含氧有機(jī)化合物的充分積累。本發(fā)明的此方面的優(yōu)勢包括:不僅避免了通過從反應(yīng)器抽出液體流所致的微生物損失，而且保留了水性溶媒中的營養(yǎng)素，包括由死細(xì)胞提供的那些。
[0105]盡可能快地使啟動(dòng)進(jìn)行至穩(wěn)態(tài)操作是所希望的。許多因素與微生物生長的穩(wěn)健性有關(guān)。這些因素包括發(fā)酵條件，包括營養(yǎng)素和佐劑的存在，以及以匹配微生物將基質(zhì)生物轉(zhuǎn)化成含氧產(chǎn)物的能力的速率將一氧化碳和氫氣傳遞到水性溶媒的液相中。本發(fā)明的調(diào)節(jié)一氧化碳的供應(yīng)的方法使得操作者能夠?qū)σ谎趸贾烈合嗟馁|(zhì)量傳遞進(jìn)行細(xì)調(diào)，并且避免了會(huì)導(dǎo)致一氧化碳抑制的溶解的一氧化碳的積累。
[0106]附圖
[0107]通過參考附圖可以促進(jìn)對本發(fā)明及其應(yīng)用的總體理解。
[0108]圖1是適合于實(shí)踐本發(fā)明的方法的總體指示為100的設(shè)備的示意性描繪。圖1省略了小型器材，如泵、壓縮機(jī)、閥、儀表以及其放置和其操作是化學(xué)工程的業(yè)內(nèi)人士所熟知的其他裝置。圖1還省略了輔助單元操作。圖1的方法和操作將在乙醇的回收和生產(chǎn)背景中進(jìn)行描述。該方法容易地適用于啟動(dòng)用以制備其他含氧產(chǎn)物如乙酸、丁醇、丙醇以及丙酮的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器。
[0109]設(shè)備100包括適配成容納水性溶媒的深鼓泡塔發(fā)酵反應(yīng)器102。用于啟動(dòng)的水性溶媒的初始饋料的高度指示為線104，并且用于穩(wěn)態(tài)操作的目標(biāo)高度指示為線106。水性溶媒之上的區(qū)域是頂部空間108。如可容易地理解的，頂部空間108的體積將在啟動(dòng)過程中發(fā)生變化。在發(fā)酵反應(yīng)器102的底部是多個(gè)噴射器支線112 (只顯示其中兩條)，每個(gè)噴射器支線與流分布網(wǎng)110處于流體聯(lián)通。每個(gè)噴射器支線112包括多個(gè)狹縫噴射器。如所描繪的，流分布網(wǎng)110被適配成向每個(gè)噴射器支線112單獨(dú)提供再循環(huán)的排氣、新鮮合成氣以及驅(qū)動(dòng)液體中的每一種，并且每個(gè)噴射器支線112可以按不同的氣體組成、液體流速以及氣體/液體比來操作。雖然會(huì)更復(fù)雜，但每個(gè)噴射器支線112可被設(shè)計(jì)成在支線上對一個(gè)噴嘴或多組噴嘴提供不同的氣體組成、液體流速以及氣體/液體比。
[0110] 設(shè)備100設(shè)有液體再循環(huán)集管114，該集管被適配成從容器102在不同高度抽出水性溶媒。示出四條抽出管線，但是可使用更多或更少的抽出管線。管線116是足夠低的使得它可從初始饋料抽出液體水性溶媒。管線118和管線120定位在容器102的中央部分的不同高度處，并且管線122定位在容器102的上部以用于抽出處于其穩(wěn)態(tài)操作高度的水性溶媒?？傮w來說，優(yōu)選的是抽出溶媒的上部的、其中一氧化碳和氫氣在液相中的濃度是較低的水性溶媒?？商娲?，水性溶媒可從管線116抽出并且通過背壓調(diào)整反應(yīng)器104中的水性溶媒的高度。
[0111]管線 124與集管114處于流體聯(lián)通，并且該管線被適配成抽出一部分或所有的水性溶媒以用于凈化和產(chǎn)物回收。優(yōu)選地，在啟動(dòng)過程中，基本上沒有液體經(jīng)由管線124抽出。管線126被適配成將發(fā)酵液體傳送至流分布網(wǎng)110以用作噴射器支線112中的驅(qū)動(dòng)液體。水性溶媒的補(bǔ)充液體(可包含營養(yǎng)素和其他佐劑)通過管線128提供并且示出為在傳送至流分布網(wǎng)110之前先與再循環(huán)的水性溶媒混合，但是它可被引導(dǎo)至流分布網(wǎng)110中的單獨(dú)管中，以便遞送至噴射器支線112。
[0112]提供氣體基質(zhì)的合成氣經(jīng)由管線130提供至設(shè)備100到達(dá)合成氣集管132。合成氣集管132設(shè)有管線134，以將合成氣提供至流分布網(wǎng)110。合成氣還可經(jīng)由管線136提供至再循環(huán)集管138并且經(jīng)由管線140提供至頂部空間108。再循環(huán)排氣從容器102頂部經(jīng)由再循環(huán)集管138到達(dá)流分布網(wǎng)110。與容器102頂部處于流體聯(lián)通的管線142將排氣從組件100去除以用于處理或處置。
[0113]在操作中，由管線134提供至流分布網(wǎng)110的合成氣可以與由再循環(huán)集管138提供的再循環(huán)排氣相混合并且提供至噴射器支線以提供混合的氣體進(jìn)料，或者新鮮合成氣可以由流分布網(wǎng)Iio單獨(dú)引導(dǎo)至每個(gè)噴射器支線112以使得來自一個(gè)噴射器支線的氣體進(jìn)料可以是100%的再循環(huán)排氣，而來自另一個(gè)噴射器支線是100%的合成氣。管線136提供合成氣至再循環(huán)集管138，在這里新鮮合成氣與再循環(huán)排氣混合并且被引導(dǎo)至流分布網(wǎng)110。在此實(shí)施例中，到達(dá)噴射器支線的氣體進(jìn)料將是混合的氣體。另一個(gè)替代方案是經(jīng)由管線140引導(dǎo)新鮮合成氣至頂部空間108，以提供合成氣與排氣的混合物用于經(jīng)由管線138再循環(huán)至流非配網(wǎng)110。
[0114]圖2提供了一個(gè)表,該表列出了用于根據(jù)本發(fā)明的方法啟動(dòng)的噴射器的代表性排序。應(yīng)理解，可以實(shí)現(xiàn)其他排序，而同時(shí)仍然獲得本發(fā)明的益處，并且這些排序由本發(fā)明所涵蓋。
[0115]為了說明起見，圖1的設(shè)備具有六個(gè)噴射器支線112(支線A、B、C、D、E以及F)，這些支線彼此等距地定位在容器102的基部。每個(gè)支線包括多個(gè)狹縫噴射器。深鼓泡塔發(fā)酵容器102中的水性溶媒的目標(biāo)高度是20米。
[0116]初始饋料和第一生長階段操作:
[0117]將已覆蓋有合成氣與氮?dú)饣旌衔锏娜萜?02用獲得自種場的水性溶媒和包含營養(yǎng)素的另外的水性溶媒填充至3至6米的高度，以提供每升具有約0.03至3克的活細(xì)胞密度的水性溶媒。對于至水性溶媒的氣體進(jìn)料，頂部空間氣體包含所希望摩爾分?jǐn)?shù)的一氧化碳和氫氣。在初始階段過程中，頂部空間氣體通過文丘里作用經(jīng)由狹縫噴射器進(jìn)行再循環(huán)。重要的是使此階段的氣體傳遞速率與微生物的一氧化碳攝取能力相匹配，同時(shí)提供充分的混合。這通過以下方式來完成。設(shè)定數(shù)目的噴嘴專用于提供氣體傳遞，而其他的噴嘴僅用于使液體再流通或使氣體作為大氣泡再循環(huán)，以便幫助實(shí)現(xiàn)所希望的混合強(qiáng)度。
[0118]在啟動(dòng)過程中，發(fā)酵器可以按照液體停留模式進(jìn)行操作，其中供應(yīng)必要的營養(yǎng)素、痕量金屬以及維生素以允許最大生長和液體體積最小增大，或者可通過添加營養(yǎng)素濃溶液之外的另外的水性溶媒來逐步增大液體體積。
[0119]在任一情況下，隨著微生物培養(yǎng)物生長并且可實(shí)現(xiàn)的一氧化碳攝取速率增大，對氣體基質(zhì)傳遞到水性溶媒的需要將增大。在啟動(dòng)方法的此階段，新鮮合成氣可以直接進(jìn)料到頂部空間，或與再循環(huán)的氣體摻混。合成氣進(jìn)料的量可以基于頂部空間中的一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)來控制作為反饋回路。
[0120]可通過以下方式之一或兩者來增大氣體傳遞以滿足微生物培養(yǎng)物的持續(xù)增大的攝取能力:以氣體傳遞模式放置更多支線；或增大通過噴嘴的液體流量以通過產(chǎn)生更小的氣泡來增大傳遞速率。噴嘴可以按照調(diào)節(jié)模式(在圖2的表上指示為“M”)來操作，該模式意味著通過調(diào)整微氣泡大小和氣體流速，氣體進(jìn)料與驅(qū)動(dòng)液體的比和/或驅(qū)動(dòng)液體流速得到調(diào)整以便增大或減小一氧化碳和氫氣到水性溶媒的質(zhì)量傳遞速率。一旦反應(yīng)器已被啟動(dòng)并且處于穩(wěn)態(tài)操作，噴嘴就可以按照固定模式(在圖2的表上指示為“F”)來操作，該模式意味著噴嘴正產(chǎn)生目標(biāo)在于提供所尋求的一氧化碳和氫氣質(zhì)量傳遞的所尋求的微氣泡大小以便實(shí)現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率。其他噴嘴(在圖2的表上指示為“O”)尚未進(jìn)行向容器102供應(yīng)液體或氣體的操作。
[0121]更詳細(xì)來說并且參考該表，最初將容器填充至其中水性溶媒可經(jīng)由管線116從溶液102抽出的高度。水性溶媒的再循環(huán)流被用作用于噴嘴的驅(qū)動(dòng)液體。如上文所述，在時(shí)間Ttl，來自管線138的再循環(huán)排氣被傳送至這些支線中的一些。噴嘴通常以調(diào)節(jié)模式進(jìn)行操作。還可行的是以固定模式操作這些支線中的一個(gè)或多個(gè)，同時(shí)以調(diào)節(jié)模式操作剩余噴嘴中的一個(gè)或多個(gè)。類似地，一個(gè)或多個(gè)支線可僅用再循環(huán)水性溶媒(在表上指示為L)進(jìn)料以促進(jìn)水性溶媒的混合。[0122]第一液體添加階段和第二生長階段:
[0123]在時(shí)間T1，液體體積在反應(yīng)器中積累至這樣的高度:其中有可能經(jīng)由管線118提供驅(qū)動(dòng)液體以使得管線116可停止使用，如果需要的話。如果希望，管線116可在管線118、120以及122中的任一個(gè)操作或不操作情況下保持使用。最終，隨著添加另外的水性溶媒來增大水性溶媒的高度，排氣通過文丘里作用進(jìn)行再循環(huán)變得不可能。此時(shí)，可通過調(diào)節(jié)合成氣添加速率和液體再循環(huán)流動(dòng)速率來控制氣體傳遞速率來獲得不超過生物攝取能力的氣體傳遞速率。不同的噴射器支線可在不同條件下操作以實(shí)現(xiàn)所希望的傳遞速率。如果希望，可通過使用吹風(fēng)機(jī)使排氣的至少一部分再循環(huán)。
[0124]第二液體添加階段和第三生長階段:
[0125]在時(shí)間T2，液體體積在反應(yīng)器中積累至這樣的高度:其中有可能經(jīng)由管線120提供驅(qū)動(dòng)液體并且管線118可停止使用，如果希望的話。隨著排氣組成因一氧化碳和氫氣的消耗而改變，再循環(huán)排氣至合成氣的切換維持了所尋求的氣體基質(zhì)供應(yīng)。根據(jù)需要或希望，一些排氣再循環(huán)可仍然用于控制一氧化碳的凈摩爾分?jǐn)?shù)。
[0126]第三液體添加階段和穩(wěn)態(tài)操作:
[0127]在時(shí)間T3，液體體積在反應(yīng)器中積累至這樣的高度:其中有可能經(jīng)由管線122提供驅(qū)動(dòng)液體并且管線120可停止使用，如果希望的話。在時(shí)間T4，水性溶媒的細(xì)胞密度已經(jīng)達(dá)到所尋求的密度，并且操作高度和穩(wěn)態(tài)操作開始
[0128]存在該表的順序的許多替代方案。例如，可在啟動(dòng)時(shí)以調(diào)節(jié)模式使用更多個(gè)噴嘴，以便提供更大的氣泡從而減慢一氧化碳到水性溶媒的傳遞。在初始生長階段之后，可連續(xù)地或周期性地添加另外的水性介質(zhì)以維持相對恒定的細(xì)胞密度。當(dāng)覆蓋氣體具有比合成氣更低濃度的一氧化碳或不具有一氧化碳時(shí)，可將覆蓋氣體與合成氣混合以提供氣體進(jìn)料至噴嘴。類似地，當(dāng)頂部空間最初包含合成氣時(shí)，再循環(huán)氣體可與二氧化碳、甲烷、天然氣、氮?dú)饣蚱渌麑?shí)質(zhì)上的惰性氣體混合以減小到達(dá)水性溶媒的氣體進(jìn)料中的一氧化碳濃度。
[0129]圖3是設(shè)備300的示意性表示，該設(shè)備是深液體混合反應(yīng)器。圖3省略了小型器材，如泵、壓縮機(jī)、閥、儀表以及其放置和其操作是化學(xué)工程的業(yè)內(nèi)人士所熟知的其他裝置。圖3還省略了輔助單元操作。圖3的方法和操作將在乙醇的回收和生產(chǎn)背景中進(jìn)行描述。該方法容易地適用于啟動(dòng)用以制備其他含氧產(chǎn)物如乙酸、丁醇、丙醇以及丙酮的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器。
[0130]設(shè)備300與圖1的設(shè)備100的零件類似的零件用相同的標(biāo)識(shí)號標(biāo)識(shí)，并且應(yīng)參考對圖1關(guān)于零件描述的討論。
[0131]設(shè)備300裝備有攪動(dòng)器302。示出攪動(dòng)器302具有在中央軸線308上的三個(gè)槳葉葉片306，然而，可使用更少或更多的葉片。發(fā)動(dòng)機(jī)304為攪動(dòng)器302提供動(dòng)力，并且控制每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。設(shè)備300與設(shè)備100的不同之處還在于噴射器支線112提供在容器102的不同高度處。在穩(wěn)態(tài)操作中，設(shè)備300使一部分排氣再循環(huán)以獲得目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率。此再循環(huán)與水性溶媒的攪動(dòng)相組合使得氣體進(jìn)料能夠被引入至水性溶媒的高度之上，而不對轉(zhuǎn)化效率造成不當(dāng)不利影響。進(jìn)料氣體在多個(gè)高度處的這種供應(yīng)進(jìn)一步削弱了一氧化碳抑制的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)椴皇撬械臍怏w進(jìn)料都被引入至存在高靜壓頭并且因此存在增大質(zhì)量傳遞速率的高一氧化碳分壓的地方 。如果希望，可在不需要攪動(dòng)的情況下使用利用噴射器可實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)容易地實(shí)現(xiàn)設(shè)備300的至少一部分啟動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于啟動(dòng)一個(gè)深槽反應(yīng)器的方法，該深槽反應(yīng)器用于一種包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳的氣體基質(zhì)在包含適合于將所述基質(zhì)轉(zhuǎn)化成一種含氧有機(jī)化合物的微生物的一種水性溶媒中的厭氧生物轉(zhuǎn)化，該方法包括: (a)用二氧化碳、氮?dú)庖约暗图壨闊N中的至少一種覆蓋所述反應(yīng)器的該水性溶媒之上的一個(gè)頂部空間以基本排除氧氣； (b)最初在該反應(yīng)器中提供水性溶媒至小于約10米的一個(gè)深度，所述水性溶媒是處于發(fā)酵條件下并且具有每升介于約0.03與3克之間的濃度的所述微生物； (c)以足以提高微生物濃度的一個(gè)速率連續(xù)供應(yīng)氣體進(jìn)料至該反應(yīng)器的一個(gè)底部部分，所述氣體進(jìn)料包含所述氣體基質(zhì)，該氣體基質(zhì)經(jīng)由使用一種驅(qū)動(dòng)液體以形成具有小于約500微米直徑的微氣泡的至少一個(gè)噴射器供應(yīng)至所述反應(yīng)器的一個(gè)底部部分；并且 (d)間歇地或連續(xù)地將所述反應(yīng)器中的水性溶媒的體積增大至所希望的容量，而同時(shí)將微生物的濃度增大至步驟(b)中的濃度的3與500倍之間， 其中通過以下方式中的至少一種: (i)調(diào)整通過一個(gè)噴射器的氣體與液體流量比， (?)改變通過一個(gè)噴射器的液體流的速率，并且 (iii)通過與至少一種其他氣體混合而調(diào)整該氣體進(jìn)料中的一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)， 一氧化碳到該反應(yīng)器中的該水性溶媒的質(zhì)量傳遞被調(diào)節(jié)以獲得步驟(c)的生長，但是維持在引起一氧化碳抑制的量以下。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在該啟動(dòng)方法的至少一部分過程中，步驟(a)的該覆蓋氣體包含一氧化碳并且步驟(c)的該氣體進(jìn)料包含該覆蓋氣體。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中合成氣被提供至該頂部空間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)器是一個(gè)鼓泡塔反應(yīng)器或一個(gè)液體混合反應(yīng)器。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該微生物的濃度被增大至每升約I克與10克之間并且該反應(yīng)器具有至少1百萬升的容量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中這些噴射器包括狹槽噴射器。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該驅(qū)動(dòng)液體包含來自該反應(yīng)器的水性溶媒。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將該頂部空間中的氣體的至少一部分再循環(huán)作為通過步驟(c)供應(yīng)的該氣體進(jìn)料的一部分，并且將所再循環(huán)的氣體在供應(yīng)至該水性溶媒之前與新鮮合成氣混合。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使用兩個(gè)或更多個(gè)噴射器，并且在該啟動(dòng)方法的至少一部分過程中對這些噴射器排序。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中對于該啟動(dòng)方法的一個(gè)初始部分，僅使用驅(qū)動(dòng)液體來操作一個(gè)噴射器，并且對于該啟動(dòng)方法的一個(gè)稍后部分，使用氣體進(jìn)料和驅(qū)動(dòng)液體來操作所述噴射器。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在該啟動(dòng)方法的一個(gè)初始部分過程中，一個(gè)噴射器作為文丘里噴射器來操作。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對于該啟動(dòng)方法的至少一部分，該反應(yīng)器以實(shí)質(zhì)上的液體停留模式來操作。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在該啟動(dòng)開始時(shí)，該氣體進(jìn)料的至少一部分作為直徑在100至5000微米范圍內(nèi)的氣泡供應(yīng)，隨后該氣泡大小被減小至小于500微米。
14.一種用于啟動(dòng)一個(gè)深槽反應(yīng)器的方法，該深槽反應(yīng)器用于一種包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳的氣體基質(zhì)在包含適合于將所述基質(zhì)轉(zhuǎn)化成含氧有機(jī)化合物的微生物的一種水性溶媒中的厭氧生物轉(zhuǎn)化，該方法包括: (a)用二氧化碳、氮?dú)庖约暗图壨闊N中的至少一種覆蓋所述反應(yīng)器的該水性溶媒之上的一個(gè)頂部空間以基本排除氧氣； (b)以足以提高微生物濃度的一個(gè)速率連續(xù)供應(yīng)氣體進(jìn)料至所述反應(yīng)器的一個(gè)底部部分，所述氣體進(jìn)料包含所述氣體基質(zhì)，該氣體基質(zhì)經(jīng)由使用一種驅(qū)動(dòng)液體形成具有小于約500微米直徑的微氣泡的至少一個(gè)噴射器供應(yīng)至所述反應(yīng)器的一個(gè)底部部分；并且 (C)以實(shí)質(zhì)上一個(gè)液體停留模式進(jìn)行操作，直到微生物的濃度達(dá)到步驟(b)中的濃度的3與500倍之間。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該反應(yīng)器是一個(gè)鼓泡塔反應(yīng)器或一個(gè)液體混合反應(yīng)器，所述反應(yīng)器中的水性溶媒的體積在該啟動(dòng)方法過程中被間歇地或連續(xù)地增大至所希望的容量。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該水性溶媒中的該含氧有機(jī)化合物的濃度被維持在過度不利地影響該 微生物培養(yǎng)物的生長速率的濃度之下。
【文檔編號】C12M1/06GK103917652SQ201280054518
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月23日
【發(fā)明者】理查德·E·托貝, R·希基, S-P·蔡 申請人:科斯卡塔公司