启动用于由一氧化碳和氢气制备含氧有机化合物的深槽厌氧发酵反应器的方法技术

在此提供用于启动厌氧深槽发酵系统的方法，该系统在处于气态基质流中的氢气和一氧化碳到含氧有机化合物如乙醇的厌氧生物转化中使用。在这些方法中，使用驱动液体的喷射器被用于将气体基质引入至该深槽发酵反应器中，其中以下方式中的至少一种：(i)调整通过喷射器的气体与液体流量比；(ii)改变通过喷射器的液体流的速率；并且(iii)通过与至少一种其他气体混合而调整该气体进料中的一氧化碳摩尔分数，其中一氧化碳到该反应器中的水性溶媒的质量传递得到控制从而实现该微生物的稳健生长，同时将一氧化碳浓度维持在对该微生物过度不利的量之下。在本发明专利技术的优选方面，来自该反应器的顶部空间的再循环气体被用于调节一氧化碳到该水性溶媒的供应。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为201280054518.2的专利技术专利申请的分案申请，原申请的申请日为2012年9月14日，专利技术名称为：启动用于由一氧化碳和氢气制备含氧有机化合物的深槽厌氧发酵反应器的方法。
本专利技术涉及用于启动厌氧深槽发酵系统的方法，这些厌氧深槽发酵系统在处于一种气态基质流中的氢气、一氧化碳以及二氧化碳到含氧有机化合物如乙醇的厌氧生物转化中使用。
技术介绍
氢气和一氧化碳的厌氧发酵涉及处于一种液体发酵溶媒中的基质气体与能够产生如乙醇、乙酸、丙醇以及正丁醇的含氧有机化合物的微生物的接触。这些含氧有机化合物的产生要求大量的氢气和一氧化碳。例如，用于一氧化碳和氢气到乙醇的转化的理论公式是：6CO+3H2O·C2H5OH+4CO26H2+2CO2·C2H5OH+3H2O。如可见的，一氧化碳的转化导致二氧化碳的生成。氢气的转化涉及氢气和二氧化碳的消耗，并且此转化有时被称为H2/CO2转化。出于在此的目的，它被称为氢气转化。典型地，用于一氧化碳和氢气转化的基质气体是，或来源于来自含碳材料的气化的合成气(synthesis gas)((合成气(syngas))；来源于天然气和/或来自厌氧消化的生物气的重整；或来源于各种工业方法的排气流。气体基质包含一氧化碳、氢气以及二氧化碳，并且通常包含其他组分，如水蒸汽、氮气，甲烷，氨、硫化氢等。(出于在此的目的，所有气体组成都以干基报告，除非另外说明或从上下文明了。)这些基质气体典型地比相等热含量的化石燃料更昂贵。因此，对有效地使用这些气体来制备更高价值产品存在希望。任何转化方法的商业可行性，尤其是针对商品化学品如乙醇和乙酸，将取决于资金成本、一氧化碳和氢气到所寻求产品的转化效率、以及实现转化的能量成本。合成气发酵过程遭受气体基质即二氧化碳和氢气在发生生物过程的发酵溶媒的液相中的差溶解性。穆纳辛格(Munasinghe)等人在生物燃料中的生物质来源的合成气发酵：机遇与挑战(Biomass-derived Syngas Fermentation in Biofuels:Opportunities and Challenges)，生物来源技术(Biosource Technology)，101(2010)5013-5022中概述了到发酵介质的体积质量传递系数，这些体积质量传递系数是在文献中针对各种反应器构型和流体动力学条件下的合成气和一氧化碳进行报告的。多种条件可提高合成气到液相的质量传递。例如，增大气体进料与液相之间的界面面积可以提高质量传递速率。已披露了多种用于一氧化碳和氢气到含氧化合物的转化的方法。一种这样的方法如通过使用马达驱动的叶轮将用于转化的微生物悬浮于搅拌槽反应器中所包含的水性溶媒中。搅拌槽发酵反应器提供许多优势。对于搅拌槽反应器，据说加大叶轮的搅动会提高质量传递，因为获得了较小的气泡大小。另外，搅拌动作不仅在水性溶媒中分布气相，而且这些相之间的接触持续时间可得到控制。另一个非常重要的益处是搅拌槽内的组成会相对均匀。例如，穆纳辛格等人在后来的出版论文：合成气发酵成生物燃料：不同反应器构型中的一氧化碳质量传递系数(kua)的评估(Syngas Fermentation to Biofuel:Evaluation of Carbon Monoxide Mass Transfer Coefficient(kua)in Different Reactor Configurations)，生物技术进展(Biotechol.Prog.)，2010，第26卷，第6期，第1616-1621页中将鼓泡器(0.5毫米直径的孔)与不同旋转速率的机械混合相组合以提供增强的质量传递。这种均匀性使得能够良好地控制在稳态操作过程中的发酵过程。这在其中存在两种转化途径的一氧化碳和氢气到含氧化合物的厌氧转化中特别有利。因此，由一氧化碳的转化产生的二氧化碳在位置上接近于消耗二氧化碳的氢气消耗途径。均匀性进一步促进新鲜气体基质的添加。搅拌槽反应器所带来的问题是资金成本、在所需混合和搅动中消耗的大量能量、以及对实现基质的高转化的多级的需要。布拉德维尔(Bredwell)等人在合成气发酵的反应器设计问题(Reactor Design Issues for Synthesis-Gas Fermentations)，生物技术进展，15(1999)834-844中披露了在机械搅动下使用微气泡鼓泡。在第839页，他们陈述了：“当使用微气泡鼓泡时，只有必须向反应器施加足够的动力以提供充分的液体混合。因此当在搅拌槽中使用微气泡时，设计成具有低剪切和高泵送能力的轴流式叶轮将是适合的。”他们通过以下声明得出结论：“需要预测并控制聚结速率的改进的能力来合理地设计采用微气泡鼓泡的商业规模的生物反应器”。(第841页)另一种类型的发酵设备是鼓泡塔发酵反应器，其中基质气体在容器底部引入，并且鼓泡穿过水性溶媒(“鼓泡反应器”)。参见穆纳辛格等人，于生物燃料中的生物质来源的合成气发酵：机遇与挑战，生物来源技术，101(2010)5013-5022中。为了实现从气相到液相的所寻求的质量传递，工作人员已经向鼓泡塔提供了处于微气泡形式的气体进料。作者在一项研究中报告了，针对鼓泡塔反应器所获得的质量传递高于针对搅拌槽反应器所获得的质量传递，这主要是因为使用鼓泡塔反应器获得了更高的界面表面积。有利的是，商业规模的鼓泡塔发酵反应器在设计和构造上是相对简单的并且要求相对少的操作能量。在与此同一日期提交的共同待决的美国专利申请号[代理人案号2073]中，披露了用于提高大规模的厌氧发酵罐的性能的方法。在这些方法中，使用具有至少约10米的一种水性溶媒深度的一个反应器，并且将处于稳定的气体在液体中的分散体形式的气体进料供应至水性溶媒中。水性溶媒以足以在该水性溶媒中提供相对均匀的液相组成而不过度不利地影响该气体在液体中的分散体的速率进行机械搅拌。出于在此的目的，这被称为机械辅助的液体分布槽反应器，或MLD槽反应器。使至少一部分来自水性溶媒的排气再循环以在一个单个反应器级中获得至少约80百分比的处于气体基质中的总氢气和一氧化碳到含氧有机化合物的摩尔转化效率。因此，可以获得优于常规搅拌槽反应器的资金成本节约和能量节约。出于在此的目的，以稳定的气体进料在液体中的分散体供应的并且使用低搅拌速率的深鼓泡塔发酵反应器与大规模MLD槽反应器两者都被称为深槽反应器。使用微气泡的深槽反应器可以为合成气到含氧有机化合物的转化提供经济上有吸引力的设施，但会带来多个难题。在他们的早期评论文章中，穆纳辛格等人报告了气体-液体质量传递是气态基质扩散的主要阻力。作者在第5017页陈述了：“高压操作提高了气体在水相中的溶解性。然而，在更高浓度的气态基质(尤其是CO)下，厌氧微生物受到抑制。”其他工作者已经理解过量一氧化碳的存在会不利地影响微生物和它们的性能。参见美国公开的专利申请号20030211585(加迪(Gaddy)等人)第0075至0077段和0085至0086段，该专利申请披露了用于由微生物发酵来产生乙醇的持续搅拌槽生物反应器。在第0077段，加迪等人陈述了：“不幸的是，过量CO的存在还导致差的H2转化，这在经济上可能是不利的。在基质抑制下延长操作的后果是差的本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于启动深槽反应器的方法，该深槽反应器用于包含一氧化碳、氢气以及二氧化碳的气体基质在包含适合于将所述基质转化成含氧有机化合物的微生物的水性溶媒中的厌氧生物转化，该方法包括：(a)用二氧化碳、氮气以及低级烷烃中的至少一种覆盖所述反应器的该水性溶媒之上的顶部空间以基本排除氧气；(b)最初在该反应器中提供水性溶媒至小于约10米的一个深度，所述水性溶媒是处于发酵条件下并且具有每升介于约0.03与3克之间的浓度的所述微生物；(c)以足以提高微生物浓度的速率连续供应气体进料至该反应器的底部部分，所述气体进料包含所述气体基质，该气体基质经由使用驱动液体以形成具有小于约500微米直径的微气泡的至少一个喷射器供应至所述反应器的底部部分；并且(d)间歇地或连续地将所述反应器中的水性溶媒的体积增大至所希望的容量，而同时将微生物的浓度增大至步骤(b)中的浓度的3与500倍之间，其中通过以下方式中的至少一种：(i)调整通过喷射器的气体与液体流量比，(ii)改变通过喷射器的液体流的速率，并且(iii)通过与至少一种其他气体混合而调整该气体进料中的一氧化碳摩尔分数，一氧化碳到该反应器中的该水性溶媒的质量传递被调节以获得步骤(c)的生长，但是维持在引起一氧化碳抑制的量以下。...

【技术特征摘要】
2011.09.23 US 13/243,1591.用于启动深槽反应器的方法，该深槽反应器用于包含一氧化碳、氢气以及二氧化碳的气体基质在包含适合于将所述基质转化成含氧有机化合物的微生物的水性溶媒中的厌氧生物转化，该方法包括：(a)用二氧化碳、氮气以及低级烷烃中的至少一种覆盖所述反应器的该水性溶媒之上的顶部空间以基本排除氧气；(b)最初在该反应器中提供水性溶媒至小于约10米的一个深度，所述水性溶媒是处于发酵条件下并且具有每升介于约0.03与3克之间的浓度的所述微生物；(c)以足以提高微生物浓度的速率连续供应气体进料至该反应器的底部部分，所述气体进料包含所述气体基质，该气体基质经由使用驱动液体以形成具有小于约500微米直径的微气泡的至少一个喷射器供应至所述反应器的底部部分；并且(d)间歇地或连续地将所述反应器中的水性溶媒的体积增大至所希望的容量，而同时将微生物的浓度增大至步骤(b)中的浓度的3与500倍之间，其中通过以下方式中的至少一种：(i)调整通过喷射器的气体与液体流量比，(ii)改变通过喷射器的液体流的速率，并且(iii)通过与至少一种其他气体混合而调整该气体进料中的一氧化碳摩尔分数，一氧化碳到该反应器中的该水性溶媒的质量传递被调节以获得步骤(c)的生长，但是维持在引起一氧化碳抑制的量以下。2.如权利要求1所述的方法，其中在该启动方法的至少一部分过程中，步骤(a)的该覆盖气体包含一氧化碳并且步骤(c)的该气体进料包含该覆盖气体。3.如权利要求2所述的方法，其中合成气被提供至该顶部空间。4.如权利要求1所述的方法，其中该反应器是鼓泡塔反应器或液体混合反应器。5.如权利要求1所述的方法，其中该微生物的浓度被增大至每升约1克与10克之间并且该反应器具有至少1百万升的容量。6.如权利要求1所述的方法，其中这些喷射器包括狭槽喷射器。7.如权利要求1所述的方法，其中该驱动液体包含来自该反应器的水性溶媒...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德·E·托贝，R·希基，SP·蔡，
申请(专利权)人：赛纳塔生物有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US