CN106536741A - 用于从可发酵生物质产生有机分子的工艺 - Google Patents

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Abstract

用于从可发酵生物质产生有机分子的工艺包括产生挥发性脂肪酸(6)的厌氧发酵(5)的步骤，这些前体通过非发酵手段转化为最终有机分子。它还包括至少以下步骤：a)以不影响通过微生物(M)产生发酵代谢物的方式从发酵培养基提取(9)所述挥发性脂肪酸的至少一部分，并且引入来自所述提取物(9)的含有微生物的液相(11)的一部分，b)从所述发酵代谢物或从在步骤a)中提取的所述挥发性脂肪酸合成(13)有机分子，‑c)继续步骤a)至b)，直至就量和质量而言获得最终分子。本发明还涉及用于实施所述工艺的装置。

Description

用于从可发酵生物质产生有机分子的工艺
本发明涉及一种从可发酵生物质产生分子的工艺。此产生从生物质进行，直至以与在生物精炼中产生分子的类似的方式产生可直接使用的感兴趣的分子。在此，除其他以外，所述工艺包括厌氧发酵步骤。
在此可发酵生物质表示从有机物质形成的废弃物、副产物和联产物所获得的有利但不是唯一的非食物有机底物，即来自人类活动无论是与家庭、工业、农业、林业、水产养殖、农业-工业活动或畜牧业相关的生物质。作为一个非限制性实例，可以列举为有机底物粪肥、家庭废物的有机部分、屠宰场联产物、来自农业-工业的纤维素或木质纤维素残余物，诸如来自甘蔗(甘蔗渣)、向日葵或大豆的转化的那些。
厌氧发酵理解为是指在厌氧条件下由微生物、真核生物或原核生物诸如细菌、真菌、藻类或酵母进行的发酵。
在此，术语分子表示但不唯一地表示所谓的前体分子。这些前体随后能够产生从能量产生和/或化学的立场来看比前体更感兴趣的其他分子，应理解它们是有机分子。可以列举，作为从能量产生和/或化学的立场来看感兴趣的分子，例如，具有碳链的分子，诸如酸、烃、甲烷、酯、醇、酰胺或聚合物。
今天，从能量产生和化学的立场来看感兴趣的分子通常衍生自化石原料，诸如烃。因此，从经济和生态的立场来看，它们的从可再生原料(诸如生物质)的产生是感兴趣的解决方案。因此，用于从有机底物产生给定类型的分子的方法是已知的。例如，可以列举乙醇的产生，其是衍生自生物质(主要是食物，诸如玉米、小麦、甜菜或甘蔗)的用于汽车的第一代生物燃料的重要组分。这种工艺不仅仅产生一种单一型的可回收分子，而且底物中的大部分碳转化成低端联产物，诸如二氧化碳。另外，通过各种手段回收感兴趣的分子导致产生大量的废物，这引起了环境问题。此外，在此类工艺中使用的微生物通常是经基因修饰的微生物。为了弥补这一点，存在已知的工艺，其旨在通过对通常经预处理或食物生物质的发酵产生所谓的前体分子。然后通过已知的化学途径将这些分子转化为各种可使用的分子。向最终分子的转化随后并且独立于这些所谓的前体分子的产生阶段发生。
US-A-6 043 392公开了这样一种方法，其用于通过对由厌氧发酵获得的挥发性脂肪酸盐进行热处理来产生酮。还将挥发性脂肪酸的一部分转变为烃、醛以及醇。除通过这种工艺获得的有限数量的最终产物之外，所述工艺以两个单独步骤进行，即发酵、然后是VFA盐的处理。换句话讲，所述工艺是不连续的。已知通过厌氧发酵进行的挥发性脂肪酸的产生诱导对微生物有害的培养基的酸化。由于培养基的酸化诱导对微生物的抑制，并且因此减慢或甚至使发酵停止，因此需要不连续地工作。出于此目的，在给定的发酵时间之后对VFA进行提取。US-A-4 358 537还公开了一种原位工艺，其用于从一块泥炭产生碳水化合物。在此，VFA不是寻求作为前体的产物。类似地，US-A-2013/309 740公开了一种厌氧发酵，其目的在于产生甲烷，VFA为待消除的废弃物。因此，这些工艺并不能够快速并且连续产生所谓的前体分子，因为产率不是最佳的。
现在，在用于通过发酵从生物质产生分子的工业工艺的情况下，为了保证装置的生产率，重要的是具有一种工艺，所述工艺的产生不同分子的产率和适应性不仅尽可能高，而且最重要的是规则并且受控，同时限制随后待处理的废物和废水的产生。因为用作可发酵生物质的有机底物主要是农业、工业、家庭和/或农业食物来源，所以这是更重要的，以便保证大体积。因此，根据各种因素，诸如位置和季节，底物存在极大变化性、定性和定量。
本发明更具体地旨在通过提出一种工艺来克服这些缺点，所述方法使得可以使用生物精炼的方法以规则和受控的方式产生各种所谓的生物来源分子，即从生物质产生分子。
出于此目的，本发明涉及一种用于从可发酵生物质产生有机分子的工艺，其包括厌氧发酵步骤，所述发酵产生称为前体的发酵代谢物，诸如挥发性脂肪酸，通过非发酵手段将这些所谓的前体代谢物转化为最终有机分子，所述工艺包括至少一个步骤，所述步骤包括在发酵反应器中对由可发酵生物质形成的有机底物进行发酵，直至产生作为发酵代谢物的具有1至8个碳的碳链的挥发性脂肪酸(VFA)，所述方法的特征在于它包括至少以下步骤：
-a)在所述挥发性脂肪酸的开始产生与最大产生之间，从发酵培养基提取所述挥发性脂肪酸的至少一些，从而不影响通过微生物产生发酵代谢物，并且将来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发酵反应器中，
-b)从在所述发酵反应器中产生的所述发酵代谢物或者从在步骤a)中提取的所述挥发性脂肪酸合成有机分子，
-c)继续步骤a)至b)，直至就量和质量而言获得所述最终有机分子。
这种工艺使得可以连续产生已知为前体(即挥发性脂肪酸)的发酵代谢物，同时保留存在于所述生物反应器中的微生物群体。事实上，所述提取步骤不仅使得可以避免培养基中挥发性脂肪酸的积累，还可以保留微生物，在对所有微生物非致死的条件下进行所述提取。换句话讲，所述提取是生物相容性的，即它不干扰或降解在其中进行提取的生物培养基。以这种方式，避免了与在所述反应器中的前体积累有关的问题，例如，由对微生物有害的所述挥发性脂肪酸的积累而引起的发酵培养基的酸化。由于大多数微生物不受到此提取步骤的抑制，因此在整个发酵循环过程中，微生物的活动保持在高水平，接近于初始水平。
根据本发明的有利但非必需方面，这种工艺可以包括以下特征中的一个或多个：
-在步骤a)之前，将来自限定的自然生态***的微生物混合物接种到发酵反应器中。
-连续进行步骤a)至c)。
-来自所述工艺的残余物适于用作改良剂、肥料或用作联产物，诸如甲烷。
本发明还涉及一种用于实施根据先前特征中的一个的工艺的装置，其特征在于它至少包括：
-一个发酵反应器，
-一个提取设备，其适于确保对在发酵期间产生的包含在液相中的挥发性脂肪酸的提取，以及
-一个合成设备，诸如化学反应器或电解槽，其适于确保将在发酵期间获得的发酵代谢物合成为最终有机分子。
根据有利但非必需的方面，这种装置可包括以下特征：
-它包括用于储存底物的至少一个设备。
在阅读本发明的几个实施方案(作为非限制性实施例给出并参考以下附图提供)的描述之后，本发明将被更好理解并且它的更多优点将变得更清楚，在附图中：
-图1为代表本发明的主题的工艺的简化图。
现在参考几个实施方案对所述工艺的不同步骤进行描述，应理解，没有详细给出本身已知的步骤。具体地，将在图1的图表下做出参考，从而示出本发明的有利实施方案。具体地，在连续发酵方案的情况下对所述工艺进行描述。事实上，与发酵的启动有关的步骤本身是已知的。
首先，在此使用的底物1是有利地未经处理的，即它没有经过任何物理化学或酶预处理。在一个变型中，底物1可以已经过机械处理，例如，压碎2，其有助于微生物在底物上的作用。后者主要由来自人类活动的生物质3组成。作为一个非限制性实例，可以列举农业或植物废物(稻草、甘蔗渣、玉米粒、草、木材、剪切物)、纸废物(硬纸板、纸)、农业食物废物、屠宰场废物、家庭废物的有机部分、来自畜牧业的废水(粪肥、饲养场***物、粪便)、藻类、水产养殖废物、林业废物或化妆品工业的可发酵联产物。在另一个实施方案中，底物1已经过物理化学或酶预处理，虽然这不是优选的实施方案。
优选地，但并非以限制性的方式，底物1以供给的方式使用，前提条件是其发酵能力被保留。此发酵能力的特征在于生物质的产甲烷潜能，通常称为英语首字母缩略词BMP(生物化学甲烷潜能)。如由申请人提交的专利申请FR1302119中所描述，受控脱水使得可以在几个月的时间段内维持此发酵能力。
某些底物还含有有机分子，诸如有机酸，这对发酵工艺没有影响或仅有轻微影响。相比之下，这些分子可以见于发酵培养基，并且例如作为前体，参与最终有机分子的产生。
在某些类型的底物的情况下，并入营养物质和/或矿物化合物可以是有利的，以便增加细菌生长和/或调控底物和/或联产物的pH，从而促进VFA或其他分子的产生。作为一个实例，可以列举以少量添加NaOH、KOH、Ca(OH)2、K2HPO3、KH2PO3、甘油或者维生素或痕量元素的溶液。此添加由箭头A表示。
将底物引入到发酵反应器4中，所述发酵反应器4本身是已知的并且尺寸设定成用于所需的生产，无论后者是在用于进行测试的实验室规模上或在用于生产的工业规模上。换句话讲，根据需要，发酵反应器4或生物反应器具有从几升变化到几百立方米的体积。
有利但非必需的，至少在启动时间，以足以引发发酵的量，预先将微生物引入到发酵反应器4中。清楚地，除其他以外，引入的微生物的量取决于底物。这些微生物以聚生体的形式进行接种，由箭头M示出。术语聚生体指代微生物、真核生物或原核生物(其可以是细菌、酵母、真菌或藻类)的混合物或混合。这些微生物M主要来自适于在厌氧条件下进行发酵的自然生态***。作为一个非限制性实例，作为生态***，可以列举水生环境的厌氧区诸如某些湖的缺氧区、土壤、沼泽、污水污泥、反刍动物的瘤胃或白蚁的肠。应谨记，在聚生体M中不同类型和物种的微生物的定性和定量分布并不是准确已知的，并且最重要的是，可大幅度变化。原来，微生物的此定性和定量的多样性意外地有利于发酵工艺的稳健性和适应性，从而使得可以确保底物的最佳使用，不论后者的组成如何，并且尽管这在可变的发酵条件下。
此外，由于直接使用底物1的事实，即在将其引入到反应器中之前，底物1没有经过消毒，或者更一般地，没有去除其含有的微生物，发现底物1特有的这些微生物实际上在生物反应器4中被并入在聚生体M中或至少与后者相关联。
此外，在发酵期间，不仅在同一来源的不同聚生体之间，也在相同聚生体之间观察到大范围波动。发明人的研究(Pessiot等人,Fed-batch Anaerobic Valorization ofSlaughterhouse By-products with Mesophilic Microbial Consortia WithoutMethane Production,Applied Biochemistry and Biotechnology，2012年1月6日)已显示，此波动是由于微生物群体的连续波引起的，但是就微生物的活性和类型而言，这些群体整体上在给定的时间段内是类似的。由于这个事实，发酵的产物相对而言是恒定的，至少是定性的。
从产生挥发性脂肪酸的观点来看，根据本发明的工艺，发酵5呈现出有趣的特征，诸如在非无菌条件下进行的事实。微生物的聚生体M使得可以以最佳的方式使用底物1，并且不用添加产品诸如酶。此外，发酵5在厌氧条件下，更准确地说，当氧化还原电势小于-300mV，有利地在-550mV与-400mV之间时，当pH低于8，优选地在4与7之间时发生。因此，发酵5有利地受限于产生称为前体的发酵代谢物，即挥发性脂肪酸或VFA。事实上，目标是在发酵反应器4中进行与在反刍动物中遇到的酸中毒现象类似的反应，同时尽可能多限制甲烷的产生，其通常是在这种厌氧发酵完成之后获得的最终代谢物中的一种。
与具有限定菌株的发酵相比，具有聚生体M的根据本发明进行的发酵5使得不仅可以降解存在于底物1中的糖(戊糖、己糖或其它)，还可以降解底物1的组分的主要部分，诸如蛋白质、核酸、脂质以及羧酸。因此，这种发酵5的产率特别高，废物的产生低。复杂分子诸如蛋白质的发酵是特别感兴趣的，因为除其他影响以外，它使得可以产生丁酸、2-甲基丁酸和异戊酸。这些支链挥发性脂肪酸是具有产生支链分子诸如支链烃类(其作为燃料呈现出优点)的高潜能的前体。换句话讲，除生成的不同化合物以外，发酵5产生用于合成在化学中感兴趣的生物燃料和生物分子的前体。
更准确地说，此发酵5在第一个步骤中导致具有1至8个碳，主要是2至4个碳的挥发性脂肪酸(诸如乙酸、丙酸和丁酸)的形成。另外，获得具有较长链，即多于4个碳的挥发性脂肪酸，诸如戊酸、己酸、庚酸或辛酸。通过继续发酵和/或增加生物反应器4中的微生物的量，如果需要使用选择的微生物，可以促进具有长碳链，即多于4个碳的VFA的产生。换句话讲，在发酵5期间大量产生的代谢物是挥发性脂肪酸，其大多数包含2至6个碳。
应指出，还可以向发酵反应器4添加具有长碳链(C8至C22)的羧酸，其在随后的化学转化步骤期间被发酵或转化为烃，诸如辛烷和煤油。这些羧酸可以沿着箭头C以未处理的形式或通过含有其的底物，诸如某些含油植物产品来添加。作为非限制性实例，可以列举向日葵、大豆、椰子和油棕、花生或麻风树油。将这些羧酸或这些油有利地并入底物1中。
可以以不连续或分批模式、以连续-不连续或补料分批模式或连续地在单个反应器中或在串联布置的多个发酵反应器中进行发酵5。
通过使用用于生成厌氧条件的常规发酵技术来进行发酵5。出于此目的，优选使用二氧化碳气氛，虽然可以考虑其他气体诸如氮气或氩来实现厌氧条件。发酵反应器4中的温度在20℃与60℃之间，优选地在35℃与42℃之间。pH低于8，优选地在4与7之间。氧化还原电势小于-300mV，有利地在-550mV与-400mV之间。用于管理和维持温度和pH的装置本身是已知的。
将发酵5继续得足够长来产生液相中的挥发性脂肪酸，由参考6示出。除其他因素以外，发酵时间取决于以下因素而变化：底物1、存在的微生物M、初始VFA浓度以及发酵条件。通常，发酵时间段在1天与7天之间，优选地在2天与4天之间。根据挥发性脂肪酸，在此时间段结束时发酵培养基中获得的VFA6的浓度是可变化的，但是通常大约10g/L至20g/L，应理解，在某些条件下，它可以大于35g/L，例如，接近于50g/L。在发酵步骤结束时，发酵培养基具有酸性pH，通常在4与6之间。
清楚地，发酵5产生其他化合物，具体地说是气体7，诸如二氧化碳、氢气或甲烷，根据参考8以已知的方式有利地将其回收并使用。
例如，将二氧化碳重新引入到发酵反应器4中以便参与维持厌氧条件。在一个变型中，它被用作用于产生光合作用生物质的碳源。产生了其他代谢物，例如，乳酸、酯和醇。后者可以重新引入到生物反应器4中以便继续发酵5，或者直接或在转化之后用于其他应用。
下一步是对如此形成的挥发性脂肪酸6的提取9。根据限定的需要，通过本身已知的反应，后者将在随后的步骤10中产生所谓的生物来源分子。在一个变型中，如以上所指示，它们形成用于所谓的二次发酵的底物，以便产生具有较长碳链的挥发性脂肪酸。此发酵可以在同一反应器中进行，延续第一发酵，或者在一个变型中，在另一个反应器中进行。例如，可以列举通过某些微生物(诸如埃氏巨型球菌(Megasphaera edelsnii)或克氏梭状芽胞杆菌(Clostridium kluyveri))对乙酸和丁酸的二次发酵来形成己酸和辛酸。因此这种发酵使得可以增加以有限量初始存在的某些VFA的量。
在所有情况下，在使得提取9不影响或至少仅轻微影响存在于发酵培养基中的通过微生物的挥发性脂肪酸的产生的条件下，提取通过厌氧发酵5在液相中产生的挥发性脂肪酸6(其至少部分被提取)。在从发酵培养基中提取挥发性脂肪酸后，实际上减小了通过这些酸的培养基的酸化。
有利地，到所使用的提取工艺对所有微生物不致死的程度，发现在提取9之后，残余液相11也含有某些量的活的并且因此潜在活性的微生物。由于在此液相11中，挥发性脂肪酸6的浓度小于发酵培养基的浓度，因此可以将其重新注入到发酵反应器4中。因此，不仅在发酵5的过程中存在于培养基中的挥发性脂肪酸被稀释，并且培养基的pH升高，培养基也被重新接种微生物，从而确保通过对酸化合物6的提取9进行的发酵5。
这种解决方案使得可以优化发酵5的产率，并且连续进行发酵，同时减少反应时间并将废物产生限制到几乎零废物。
提取9有利地在液相中进行。连续地或顺序地进行提取，例如，每12个小时进行一次提取。在所有情况下，提取一部分的挥发性脂肪酸在代谢物的开始产生和最大产生之间进行。有利地，提取在通过挥发性脂肪酸对微生物的抑制阈值附近进行。除其他因素以外，此阈值取决于底物和发酵条件。类似地，对来自所述提取的液相的引入在一个时间内进行，其使得可以维持产生挥发性脂肪酸的高水平，即接近于进行提取的水平。
一旦进行提取9，就根据参考10的步骤使用本身已知的技术(诸如蒸馏、电合成、酯化、酰胺化或聚合)将挥发性脂肪酸6纯化12和/或转化为其他产物，诸如烷烃、烯烃、酰胺、胺、酯、聚合物。
同时，在一个有利变型中，不对在发酵5期间产生的挥发性脂肪酸6的一部分进行提取，而是将其经过电合成13或通过电解进行的合成的步骤。以这种方式，烃主要从具有长碳链的挥发性脂肪酸直至乙酸盐产生。
电合成13的步骤使得可以通过已知的Kolbe和/或Hofe-Moest电化学脱羧反应将产生的挥发性脂肪酸6转变为大量的气态和液态化合物14。这两个反应在通过电解的合成期间同时发生，但是可以通过更改如以下描述的易于控制的参数进行调整，以便促进这些反应中的一个或另一个。可以通过改变这些参数产生各种代谢物，这允许定性地并且定量地灵活产生不同的分子。
电合成13使得可以直接在发酵培养基中对挥发性脂肪酸进行转变。因此，电合成也是用于从发酵培养基中提取挥发性脂肪酸的手段。
在将其他有机分子诸如，羧酸或醇添加到挥发性脂肪酸中后，可以形成的烃和产物的范围被扩大。
意外地，申请人观察到，在温和的反应条件下，在环境温度和压力下，在3V或大于3V以及在1mA/cm2或大于1mA/cm2的阳极电流密度下，使用例如由铂或碳(例如像石墨)制成的电极可以在发酵培养基中进行电合成的步骤。
关于电合成条件，含有挥发性脂肪酸的水相的pH在2与11之间，优选地在5.5与8之间。在酸性或中性pH条件下，供给烷烃的Kolbe反应是有利的，而在碱性pH条件下，供给烯烃的Hofer-Moest反应的氧化去质子化作用是有利的。
在此电合成13的步骤中，具有短和中碳链的VFA，即羧酸必须呈羧酸盐的形式，以便使用。这就是为何低pH不仅趋于降低呈阴离子形式的挥发性脂肪酸的浓度，还降低具有中碳链的羧酸或VFA的溶解度的原因。除其他化合物以外，可以使用苏打来调整pH，以便维持用于进行电解的羧酸盐的高浓度。通常，不需要使用有机溶剂，对于电合成13的步骤而言，发酵培养基是好的电解质。
有机溶剂几乎仅需要用于在水中具有低溶解度的试剂，诸如具有长碳链的羧酸或VFA。在后者的情况下，甲醇、乙醇和异丙醇可以是选择的溶剂。可选地，具有长碳链的这些羧酸或VFA由于其在水溶液中的低溶解度，可以易于分离和浓缩，以便经过第二相中的电解步骤，并且导致电解产物的高产率。
在一个非必需的变型中，到可以使用分解电解槽的程度，分别在阳极和在阴极形成的产物可以易于分离。
可选地，通过电合成获得的所有化合物可以在单个容器中回收并且随后分离或转化。
在一个非限制性实施例中，一旦收集，如以上在参考8下所指示，就可以通过气态液化对电合成13完成之后形成的气态产物15，诸如氢气、二氧化碳、烷烃、烯烃进行压缩和分离。
在另一个实施方案中，可以考虑在双电化学电池中使用半多孔膜，以便将两个电极分离。因此，电极可以非常靠近彼此放置，以便防止产生电弧。
在另一个方面，除其他以外，在此电化学转变的步骤完成之后获得的产物14是烃、氢气和二氧化碳的混合物，与来自油工业的天然气相比，除其他产物以外，所述混合物不含污染物。
在一个变型中，为了增加通过电解进行的合成的产率，使用补充技术，例如像超声波、磁场、交流电。
在电合成13完成之后，未转化的VFA残余物16部分地在步骤6再次开始，以便被提取(步骤9)和/或经过新的电合成(步骤13)。残余物16的一部分在步骤17中再循环，即气化、焚烧或转化。将来自发酵5、提取9或电合成13的各种步骤的发酵代谢物(诸如挥发性脂肪素)和残余底物甲烷化(步骤17)，以便产生肥料和改良剂(组合在参考18下)以及沼气19。在工业生态学方法中，此甲烷化步骤17还应用于残余物或未发酵的底物的部分20。因此，通常通过热电联产产生能量和热量。此能量和热量的产生至少部分用于抵偿所述工艺的能量需求。
因此，根据本发明的工艺使得可以在初始有机碳的最小损失的情况下，有利地、连续地并且以高产率产生基于碳的分子。
以下实施例示出使用不同底物和发酵条件的对本发明的主题的工艺的实施。
实施例1：非无菌模式的在生物反应器中的屠宰场联产物的不连续发酵
在38℃的温度下，在搅拌下将具有5L有用体积并含有具有100g/L浓度的未消毒屠宰场废物混合物(以1/1/1/2比例的血、内脏、粪类物质、肉类废物)的厌氧培养基(0.5g/LK2HPO4、0.5g/L KH2PO4、1.0g/L MgSO4、0.1g/LCaCl2、1ml/L血红素以及5ml/L维生素)的发酵反应器或生物反应器接种来自厌氧生态***诸如超低营养湖(诸如Pavin湖)的缺氧区的自然微生物的聚生体。进行1042小时的发酵、9个补料分批操作以及6次非无菌基于肉类的底物(总计886g的干物质)的添加。在此发酵期间，进行对液相和气相代谢物的监测操作。对液相的发酵产物进行监测和分析。在发酵结束时，发酵培养基含有16g/L的总挥发性脂肪酸。获得的产率为0.38g的总VFA/g添加到反应器中的干物质。此实施例应被认为是参考测试，因为与本发明的工艺相比，没有进行提取和/或电合成化学合成。
实施例2：非无菌模式的生物反应器中的家庭废物有机部分的半连续发酵。
用相同培养基重复实施例1，但是使用由具有50g/L浓度的干物质的家庭废物(而不是屠宰场废物)的可发酵部分组成的底物。另外，并且根据本发明的工艺，在发酵过程中在培养基上进行提取。在此，发酵进行超过2000个小时，并且在生物反应器中进行多个原位提取序列。所述提取为液液类型，应理解，挥发性脂肪酸总是在液相中产生，并且用于此实施例的溶剂是戊烷。在一个方面，这些操作使得可以在例如，一个提取的情况下降低总脂肪酸的最终浓度，其中反应器中总VFA的浓度从26.8g/L变化到20.1g/L(降低23％)，从而使得可以减小培养基的酸度，并且因此保留微生物的聚生体M的最佳活性。所述提取还使得可以回收已用于各种化学合成(诸如产生酯和酰胺)的挥发性脂肪酸。
原位提取操作的这些操作使得可以证实所述工艺的生物相容性，换句话讲，通过将发酵和提取步骤组合的工艺，对从生物质的从能量产生和化学的立场来看感兴趣的代谢物(诸如挥发性脂肪酸)的顺序回收。此生物相容性的特征在于存在于生物反应器中的每mL的微生物的量，其使用流式细胞仪的分析技术来确定。这些结果在例如，原位提取之前和之后收集的样品之间的范围内，在一个系列的测量中的从2.3x108至8.0x107微生物/mL，以及在另一个系列的测量中的从2.9x108至2.3x108微生物/mL。这显示，在提取挥发性脂肪酸之后，存在于生物反应器中的微生物群体减少，但是此减少并不导致微生物的大规模破坏。微生物群体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体的发酵活性的损失。
在另一个实施方案中，可以在没有不可逆应力的情况下，直接在发酵反应器4中进行提取。可以以连续模式进行发酵5，其中对抑制代谢物的发酵进行提取9，即通过在造成培养基酸中毒的挥发性脂肪酸产生时逐渐对其进行提取。在一个变型中，这些提取操作可以在第二隔室中进行，后者位于生物反应器4中。
以下测试示出从作为前体的挥发性脂肪酸的电合成步骤，应理解，在这些化学反应中需要使用呈羧酸盐的这些挥发性脂肪酸。
实施例A：
使用电流密度为100mA/cm2的石墨电极对1M的乙酸钠溶液进行电解反应。在180分钟的反应后，消耗63％的初始乙酸盐浓度。气相中获得的代谢物为氢气(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)。液相中获得的代谢物为乙酸甲酯(66mg或0.9mmol)和甲醇(87mg或2.7mmol)。此反应的Cmol结果(Cmol.产物/Cmol.底物)为0.9±0.1。氢气、二氧化碳、乙烷、甲烷、乙酸甲酯以及甲醇的产率分别为473ml/g乙酸盐、446mL/g乙酸盐、41ml/g乙酸盐、10mL/g乙酸盐、90mg/g乙酸盐以及118mg/g乙酸盐。
实施例B：
重复实施例A，但是以1M的丙酸钠作为底物。在180分钟之后，消耗56％的丙酸盐的初始浓度。在气相中获得氢气、甲烷、二氧化碳、乙烯以及丁烷，并且在液相中获得乙醇和丙酸乙酯。
还进行酰胺化反应：
实施例C：酰胺化—乙酸盐
在化学计量条件下，使用生物来源乙酸溶液和氨溶液的混合物在回流设置中进行酰胺化反应。将反应混合物在80℃加热4个小时，然后通过蒸馏消除过量的试剂。对反应的产物进行重结晶，以便获得生物来源乙酰胺。在这些条件下酰胺化反应的产率是63％。
实施例D：酰胺化—丁酸盐
重复实施例C，但是使用生物来源丁酸溶液并且在90℃的温度下。在5个小时之后并且在对生物来源丁酰胺进行重结晶之后，酰胺化反应的产率为69％。
实施例E：酰胺化—VFA混合物
重复实施例C，但是在85℃的温度下使用如之前实施例所描述的来自提取相的生物来源挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸、己酸、庚酸、辛酸…)的混合物。在6h之后，在通过蒸馏消除过量的试剂之后，并且在对生物来源酰胺进行重结晶之后，酰胺化反应的产率为74％。获得的生物来源酰胺是对应于存在于混合物中的生物来源羧酸的酰胺(乙酰胺、丙酰胺、异丁酰胺、丁酰胺、异戊酰胺、戊酰胺、异己酰胺、己酰胺、庚酰胺以及辛酰胺…)。
使得可以从生物来源挥发性脂肪酸产生生物来源酰胺的这些酰胺化反应也可以使用取代胺来产生，以便获得二级酰胺和三级酰胺。
还进行酯化反应。
实施例F：VFA混合物的酯化
为了进行此酯化，对发酵和提取之后获得的生物来源挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸、己酸、庚酸、辛酸、苯乙酸、苯丙酸)(2mL)和乙醇(1.51mL)的等摩尔混合物进行1h 15的回流。将硫酸(54μL)作为催化剂初始添加到反应培养基中。在反应结束时，气相色谱显示对应于存在于初始混合物中的酸的乙酯的存在，即，在实施例中：乙酸乙酯、丙酸乙酯、异丁酸乙酯、丁酸乙酯、异戊酸乙酯、戊酸乙酯、异己酸乙酯、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。获得69％的羧酸到酯的转变产率。
因此，显示出发酵代谢物，诸如VFA，即根据实施例A至F并且以非限制性的方式的乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸、己酸、庚酸、辛酸、苯乙酸和苯丙酸可以易于用作从经济和能量产生的立场来看感兴趣的最终分子的前体，应理解这些代谢物通过发酵产生。
因此，有一种整体工艺，其不同步骤可以以交错的方式进行。此术语用于指代可以在不同时间和/或在不同位点重复的步骤。换句话讲，所述工艺提供生产的极大适应性和极大灵活性。
实施这种工艺不仅涉及在装置中存在至少一个发酵反应器，还涉及在装置中存在至少一个提取设备(其适于进行提取的步骤9)以及至少一个合成设备(其适于进行电合成13的步骤，或者在一个变型中，另一个化学步骤)。这些设备本身是已知的，并且它们的数量和它们的尺寸适应于生产的类型。
这种装置有利地包括用于储存底物1和/或来自提取和/或电合成以及其他化学合成步骤的产物的设备。提供管理和控制装置，诸如温度传感器、pH探头。

Claims (6)

1.用于从可发酵生物质产生有机分子的工艺，其包括厌氧发酵(5)的步骤，所述发酵产生称为前体的发酵代谢物，诸如挥发性脂肪酸(6)，通过非发酵手段将这些所谓的前体代谢物转化为最终有机分子，所述工艺包括至少一个步骤，所述步骤包括在发酵反应器(4)中对由所述可发酵生物质(3)形成的有机底物(1)进行发酵，直至产生作为发酵代谢物的具有1至8个碳的碳链的挥发性脂肪酸(VFA)，所述方法的特征在于它包括至少以下步骤：
-a)在所述挥发性脂肪酸(6)的开始产生与最大产生之间，以不影响通过微生物(M)产生发酵代谢物的方式从发酵培养基提取(9)所述挥发性脂肪酸的至少一部分，并且将来自所述提取(9)的含有微生物(M)的液相(11)的至少一部分引入到所述发酵反应器(4)中，
-b)从在所述发酵反应器(4)中产生的所述发酵代谢物或者从在步骤a)中提取的所述挥发性脂肪酸合成(13)有机分子，
-c)继续步骤a)至b)，直至就量和质量而言获得所述最终有机分子。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于在步骤a)之前，将所述发酵反应器(4)接种来自限定的自然生态***的微生物的混合物(M)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其特征在于连续进行步骤a)至c)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其特征在于来自所述工艺的残余物(16、20)适于用作改良剂、肥料(18)或者用作联产物(19)，诸如甲烷。
5.用于实施根据前述权利要求中任一项所述的工艺的装置，装置的特征在于它至少包括：
-一个发酵反应器(4)，
-一个提取设备，其适于确保对在所述发酵期间产生的包含在所述液相中的所述挥发性脂肪酸的所述提取(9)，以及
-一个合成设备，诸如化学反应器或电解槽，其适于确保将在所述发酵期间获得的所述发酵代谢物合成为最终有机分子。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于它包括用于储存所述底物(1)的至少一个设备。
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