EA031512B1

EA031512B1 - Многореакторная система и способ непрерывной ферментации газов

Info

Publication number: EA031512B1
Application number: EA201690145A
Authority: EA
Inventors: Кристоф КОЛЛЕ; Ян Нг; Дэвид Эстон
Original assignee: Ланцатек Нью Зилэнд Лимитед
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2019-01-31
Also published as: CA2917139A1; JP6622194B2; JP2016523544A; PT3017053T; EP3017053A4; US20150072387A1; CA2917139C; EA201690145A1; EP3017053B1; US9988598B2; CN105492614B; CN105492614A; WO2015002552A1; EP3017053A1

Abstract

Описана биореакторная система для непрерывной ферментации газообразного субстрата, при этом указанная система содержит два или более первичных биореактора и один или более вторичных биореакторов, соединенных с помощью центральной спускной линии. Дополнительно предложен способ инокулирования нескольких биореакторов путем использования центральной спускной линии, при этом указанный способ включает прохождение ферментативного бульона из первого первичного биореактора в другие первичные биореакторы и/или вторичные биореакторы через центральную спускную линию. Кроме того, предложен способ поддержания стабильной ферментации газообразного субстрата в нескольких биореакторах, при этом указанный способ включает направление ферментативного бульона из одного или более работающих первичных биореакторов в один или более вторичных биореакторов через центральную спускную линию.

Description

Изобретение относится к системам и способам непрерывной ферментации газообразного субстрата с использованием системы, состоящей из нескольких биореакторов. В изобретении описана система, в которой несколько биореакторов соединены с помощью центральной спускной линии, при этом указанная центральная спускная линия обеспечивает сообщение по текучей среде между соединенными биореакторами. Также предложен способ уменьшения времени запуска нескольких биореакторов. Кроме того, описан способ гибкой непрерывной ферментации газов с применением нескольких биореакторов.

Уровень техники

Во всем мире этанол быстро становится основным жидким транспортным топливом, богатым водородом. Мировое потребление этанола в 2005 году оценивалось в 12,2 млрд галлонов (примерно 46,2 млрд литров). Было также предсказано, что глобальный рынок производства топливного этанола резко вырастет в будущем вследствие повышенного интереса к этанолу в Европе, Японии, США и в некоторых развивающихся странах.

Например, в США, этанол применяют для получения Е10, 10% смеси этанола в бензине. В смесях Е10 этанольный компонент действует как оксигенирующее средство, улучшающее эффективность горения и уменьшающее образование загрязняющих атмосферу веществ. В Бразилии этанол удовлетворяет приблизительно 30% потребности в транспортном топливе, как в качестве оксигенирующего средства, подмешиваемого в бензин, так и сам по себе в качестве чистого топлива. Кроме того, в Европе экологические проблемы, связанные с последствиями выбросов парниковых газов (GHG), стали стимулом установления Европейским Союзом (EU) для стран-членов обязательной нормы потребления экологически устойчивых транспортных топлив, таких как полученный из биомассы этанол.

Подавляющее большинство топливного этанола получают с помощью традиционных способов ферментации на основе дрожжей, в которых используют полученные из сельскохозяйственных культур углеводы, такие как сахароза, извлекаемая из сахарного тростника, или крахмал, извлекаемый из зерновых культур, в качестве основного источника углерода. Однако на стоимость указанных углеводных сырьевых материалов влияет их ценность в качестве продукта питания для человека или корма для животных, тогда как выращивание производящих крахмал или сахарозу сельскохозяйственных культур для получения этанола не является экономически целесообразным во всех географических территориях. Таким образом, представляет интерес развитие технологий превращения дешевых и/или более широко распространенных углеродных ресурсов в топливный этанол.

СО представляет собой основной, доступный, высокоэнергетический побочный продукт неполного сгорания органических материалов, таких как уголь или нефть и продукты, полученные из нефти. Например, согласно сообщениям, в сталелитейной промышленности в Австралии получают и выбрасывают в атмосферу свыше 500000 т СО ежегодно.

Для превращения газов, состоящих, главным образом, из СО и/или СО и водорода (Н₂), в различные топлива и химические вещества можно использовать каталитические способы. Кроме того, для превращения указанных газов в топлива и химические вещества можно использовать микроорганизмы. Такие биологические процессы, хотя в целом протекающие более медленно, чем химические реакции, имеют несколько преимуществ по сравнению с каталитическими способами, включая более высокую специфичность, более высокие выходы, более низкие энергетические затраты и большую устойчивость к отравлению.

Способность микроорганизмов расти на СО в качестве единственного источника углерода была впервые обнаружена в 1903 году. Позже было установлено, что такая способность является свойством организмов, которые используют ацетилкоферментный А (ацетил СоА) биохимический путь автотрофного роста (также известный как путь Woods-Ljungdahl и путь на основе монооксида углеродадегидрогеназы/ацетил СоА синтазы (CODH/ACS)). Как было показано, большое количество анаэробных организмов, в том числе карбоксидотрофных, фотосинтетических, метаногенных и ацетогенных организмов, метаболизируют СО с образованием различных конечных продуктов, а именно СО₂, Н₂, метана, н-бутанола, ацетата и этанола. При применении СО в качестве единственного источника углерода все указанные организмы продуцируют по меньшей мере два из перечисленных конечных продуктов.

Было показано, что анаэробные бактерии, такие как бактерии из рода Clostridium, продуцируют этанол из СО, СО2 и Н2 посредством ацетил СоА биохимического пути. Например, различные штаммы Clostridium ljungdahlii, продуцирующие этанол из газов, описаны в WO 00/68407, ЕР 117309, патентах США № 5173429, 5593886 и 6368819, WO 98/00558 и WO 02/08438. Также известно, что бактерия Clostridium autoethanogenum sp. продуцирует этанол из газов (Abrini et al., Archives of Microbiology, 161, p. 345-351 (1994)). Однако продуцирование этанола микроорганизмами посредством ферментации газов всегда связано с совместным продуцированием ацетата и/или уксусной кислоты. Поскольку некоторая

- 1 031512 часть доступного углерода превращается в ацетат/уксусную кислоту, а не в этанол, эффективность получения этанола с применением таких процессов ферментации может быть меньше, чем хотелось бы. Кроме того, если побочный продукт в виде ацетата/уксусной кислоты нельзя использовать для какой-нибудь другой цели, это может вызвать проблему, связанную с удалением отходов. Ацетат/уксусная кислота превращается в метан под действием микроорганизмов и следовательно имеет возможность увеличить выбросы GHG.

Микробная ферментация СО в присутствии Н₂ может привести, по существу, к полному переходу углерода в спирт. Однако в отсутствие достаточного количества Н₂ некоторая часть СО превращается в спирт, тогда как значительная часть превращается в СО₂, как показано на следующих уравнениях:

6СО + ЗН₂О С₂Н₅ОН + 4СО₂

12Н₂ + 4СО₂ 2С₂Н₅ОН + 6Н₂О

Образование СО2 свидетельствует о неэффективности с точки зрения общего снижения уровня диоксида углерода и, при его выделении также может вносить вклад в выбросы парниковых газов.

В WO 2007/117157, описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки, предложен способ, позволяющий получать спирты, в частности, этанол, посредством анаэробной ферментации газов, содержащих монооксид углерода. Ацетат, получаемый в качестве побочного продукта процесса ферментации, превращают в газообразный водород и газообразный диоксид углерода, каждый или оба из которых можно использовать в процессе анаэробной ферментации. В WO 2008/115080, описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки, предложен способ получения спирта(ов) в процессе многостадийной ферментации. Побочные продукты, полученные в результате анаэробной ферментации газа(ов) в первом биореакторе, можно использовать для получения продуктов во втором биореакторе. Кроме того, побочные продукты, полученные на второй стадии ферментации, можно повторно использовать в первом биореакторе для получения продуктов.

В US 7078201 и WO 02/08438 также предложен способ улучшения процессов ферментации для получения этанола путем варьирования условий (например, рН и окислительно-восстановительного потенциала) жидкой питательной среды, в которой осуществляют ферментацию. Как описано в указанных публикациях, аналогичные процессы можно использовать для получения других спиртов, таких как бутанол. Даже незначительные улучшения процесса ферментации для получения одного или более кислот и/или одного или более спиртов могут оказать значительное влияние на эффективность и, более конкретно, коммерческую жизнеспособность, указанного процесса. Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении системы(систем) и/или способа(ов), которые преодолеют недостатки, известные в данной области техники, и предоставят общественности новые оптимальные способы получения различных полезных продуктов.

Краткое описание изобретения

Согласно первому аспекту предложена биореакторная система для непрерывной ферментации, включающая:

a. два или более первичных биореактора, выполненных с возможностью ферментации газообразного субстрата с помощью одного или более микроорганизмов с получением ферментативного бульона;

b. один или более вторичных биореактора, выполненных с возможностью ферментации газообразного субстрата с помощью одного или более микроорганизмов с получением одного или более продуктов; и

c. центральную спускную линию, при этом по меньшей мере два из первичных биореакторов указанной системы способны обеспечить сообщение по текучей среде друг с другом и сообщение по текучей среде с по меньшей мере одним вторичным биореактором через центральную спускную линию. Согласно одному из вариантов реализации изобретения по меньшей мере часть одной или более кислот, полученных в ферментативном бульоне первичных биореакторов, превращают в ее соответствующий спирт в одном или более вторичном биореакторе(ах). Согласно одному из вариантов реализации первого аспекта все биореакторы выполнены с возможностью ферментации газообразного субстрата с получением продуктов, включающих кислоту(ы) и/или спирт(ы). Согласно конкретному варианту реализации изобретения газообразный субстрат выбирают из группы, состоящей из СО, Н₂, СО₂ и их смесей. Согласно конкретному варианту реализации изобретения газообразный субстрат содержит СО и необязательно Н₂. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения газообразный субстрат содержит СО2 и Н2. Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения первичные биореакторы содержат выпускной трубопровод для прохождения ферментативного бульона в центральную спускную линию. Согласно некоторым аспектам первичные биореакторы и вторичные биореакторы содержат впускной трубопровод для приема ферментативного бульона из центральной спускной линии. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения сообщение по текучей среде между биореакторами, связанными с центральной спускной линией, регулируют с помощью клапанов (также называемых инокуляционными клапанами), встроенных во впускные трубопроводы. Указанные клапаны контролируют проход ферментативного бульона из первичного биореактора в другие первичные биореакторы и/или вторичные биореакторы в зависимости от того,

- 2 031512 открыты они или закрыты оператором.

Согласно конкретному варианту реализации изобретения первичные биореакторы работают в условиях, главным образом стимулирующих рост одного или более микроорганизмов и получению одного или более продуктов. Согласно конкретному варианту реализации изобретения вторичные биореакторы главным образом работают в условиях, установленных для получения одного или более продуктов из газообразного субстрата. Согласно одному из вариантов реализации изобретения ферментативный бульон, полученный в первичном реакторе, направляют во вторичный биореактор через центральную спускную линию, и по меньшей мере часть одной или более кислот в ферментативном бульоне, проходящем из первичного биореактора во вторичный биореактор, превращают в ее соответствующий спирт во вторичном биореакторе. Согласно одному из вариантов реализации первого аспекта биореакторная система содержит по меньшей мере два первичных биореактора и по меньшей мере один вторичный биореактор, при этом все биореакторы соединены через центральную спускную линию. Согласно конкретному варианту реализации изобретения указанная система содержит от 2 до 16 первичных биореакторов и от 1 до 16 вторичных биореакторов. Согласно дополнительному варианту реализации изобретения указанная система содержит от 2 до 8 первичных биореакторов и от 1 до 8 вторичных биореакторов. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения указанная система содержит 4 первичных биореактора и 4 вторичных биореактора.

Согласно одному из вариантов реализации первого аспекта центральная спускная линия соединена со всеми биореакторами системы и обеспечивает сообщение по текучей среде между всеми первичными биореакторами и/или всеми вторичными биореакторами. Согласно одному из вариантов реализации изобретения центральная спускная линия направляет ферментативный бульон по меньшей мере из одного из первичных биореакторов в по меньшей мере один из вторичных биореакторов. Согласно конкретному варианту реализации изобретения каждый первичный биореактор питает один соответствующий вторичный биореактор через центральную спускную линию. При эксплуатации биореакторы работают в отдельных блоках, состоящих из первичных биореакторов и соответствующих вторичных биореакторов, соединенных через центральную спускную линию, при этом по меньшей мере часть ферментативного бульона из любого данного первичного биореактора направляют во вторичные биореакторы через центральную спускную линию. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения все первичные биореакторы подают ферментативный бульон во все вторичные биореакторы через центральную спускную линию в конфигурации с разделением времени, при этом проход ферментативного бульона в любые данные вторичные биореакторы регулируют с помощью клапанов, встроенных во впускные трубопроводы вторичных биореакторов.

Согласно конкретным вариантам реализации изобретения во время стабильной ферментации ферментативный бульон будет непрерывно поступать из первичных биореакторов во вторичные биореакторы через центральную спускную линию. Ферментативный бульон, содержащий по меньшей мере один продукт ферментации, будут непрерывно удалять как из первичных, так и вторичных биореакторов. Согласно конкретному варианту реализации изобретения в первичные биореакторы и вторичные биореакторы загружают дополнительное количество среды, так что во всех биореакторах системы поддерживают по существу постоянный объем ферментативного бульона. Согласно конкретному варианту реализации изобретения скорость, с которой получают продукты, является, по существу, одинаковой в как в первичных, так и вторичных биореакторах. Однако согласно предпочтительным вариантам реализации изобретения скорость, с которой получают продукты, по существу, больше во вторичных биореакторах, чем в первичных биореакторах.

Согласно одному из вариантов реализации изобретения центральная спускная линия направляет ферментативный бульон из по меньшей мере одного из первичных биореакторов в по меньшей мере один другой первичный биореактор. В такой конфигурации ферментативный бульон из одного первичного биореактора применяют для инокулирования по меньшей мере одного другого первичного биореактора. Согласно конкретному варианту реализации изобретения первый первичный биореактор инокулируют с помощью инокулятора, который при работе направляет по меньшей мере часть ферментативного бульона в по меньшей мере один другой первичный биореактор через центральную спускную линию. Центральную спускную линию используют для одновременного прохождения по меньшей мере части ферментативного бульона из одного работающего первичного биореактора в несколько неработающих первичных биореакторов и/или в отдельные неработающие первичные биореакторы, поэтому каждый биореактор установлен последовательно. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения центральную спускную линию используют для одновременного прохождения части ферментативного бульона из работающего первичного биореактора в несколько неработающих первичных биореакторов для снижения общего времени запуска системы.

Согласно дополнительному варианту реализации изобретения по меньшей мере один работающий первичный биореактор направляет ферментативный бульон в по меньшей мере один неработающий вторичный биореактор через центральную спускную линию. В такой конфигурации ферментативный бульон из работающего первичного биореактора(ов) применяют для инокулирования одного или, по существу, всех вторичных биореакторов в системе. Согласно конкретному варианту реализации изобретения во

- 3 031512 вторичные биореакторы по отдельности поступает ферментативный бульон из первичных биореакторов через центральную спускную линию до завершения инокуляции по существу всех первичных биореакторов в системе. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения во все вторичные биореакторы одновременно поступает ферментативный бульон из первичных биореакторов через центральную спускную линию после инокуляции всех первичных биореакторов в системе.

Согласно конкретному варианту реализации изобретения первичные и/или вторичные биореакторы применяют для ферментации газообразных субстратов, выбранных из группы, состоящей из СО, СО₂, Н₂и их смесей, с получением продуктов, включающих этанол, уксусную кислоту, 2,3-бутандиол, бутанол, изопропанол, лактат, сукцинат, метилэтилкетон (MEK), пропандиол, 2-пропанол, ацетоин, изобутанол, цитрамалат, бутадиен, полимолочную кислоту, изобутилен, 3-гидроксипропионат (3НР), ацетон и жирные кислоты. Как правило, микробную ферментацию таких субстратов осуществляют в жидкой питательной среде с применением карбоксидотрофных бактерий. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения карбоксидотрофные бактерии выбирают из рода Clostridium. Согласно дополнительным вариантам реализации изобретения карбоксидотрофные бактерии выбирают из группы, состоящей из Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei и Clostridium carboxydivorans. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения ферментацию проводят с применением микроорганизмов, суспендированных в жидкой питательной среде.

Согласно одному из вариантов реализации изобретения по меньшей мере часть одного или более кислых продуктов, полученных в первичном биореакторе, превращают в ее соответствующий спирт во вторичном биореакторе. Согласно конкретному варианту реализации изобретения по меньшей мере часть уксусной кислоты, полученной в по меньшей мере одном первичном реакторе, превращают в этанол во вторичном биореакторе(ах).

Согласно второму аспекту предложен способ инокулирования нескольких биореакторов путем использования центральной спускной линии, включающий:

a) подачу газообразного субстрата в первый первичный биореактор, содержащий жидкую питательную среду;

b) инокулирование первого первичного биореактора с помощью одного или более микроорганизмов;

c) ферментирование газообразного субстрата с получением ферментативного бульона, содержащего один или более микроорганизмов и один или более продуктов;

d) прохождение по меньшей мере части ферментативного бульона из первого первичного биореактора для инокулирования одного или более других первичных биореакторов через центральную спускную линию;

e) функционирование по меньшей мере одного другого первичного биореактора в условиях, главным образом стимулирующих микробный рост; и

f) прохождение по меньшей мере части ферментативного бульона из одного или более первичных биореакторов для инокулирования одного или более вторичных биореакторов через центральную спускную линию.

Согласно третьему аспекту предложен способ поддержания стабильной ферментации газообразного субстрата в нескольких биореакторах, включающий:

a) подачу газообразного субстрата в два или более первичных биореактора, содержащих жидкую питательную среду, содержащую один или более микроорганизмов;

b) ферментирование газообразного субстрата в двух или более первичных биореакторах с получением ферментативного бульона, содержащего один или более микроорганизмов и один или более продуктов;

c) прохождение по меньшей мере части ферментативного бульона из одного первичного биореактора в один или более вторичных биореакторов через центральную спускную линию;

d) определение, является ли один или более из первичных биореакторов, упомянутых в (с), работающим или нет, при этом, если один или более из первичных биореакторов является неработающим, по меньшей мере часть ферментативного бульона из одного или более работающих первичных биореакторов направляют в один или более вторичных биореакторов, упомянутых в (с), через центральную спускную линию.

Согласно конкретным вариантам реализации второго и третьего аспектов указанные способы применяют в системе, описанной в первом аспекте. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения указанные способы применяют в состоящей из нескольких биореакторов системе, выполненной с возможностью непрерывной ферментации газов, содержащей два или более биореакторов, сообщающихся по текучей среде через центральную спускную линию. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения система содержит 4 первичных биореактора и 4 вторичных биореактора, все сообщающиеся по текучей среде через центральную спускную линию.

Согласно одному из вариантов реализации изобретения один или более первичных биореакторов и/или вторичных биореакторов инокулируют с помощью ферментативного бульона, подаваемого через центральную спускную линию из одного или более работающих первичных биореакторов. Согласно

- 4 031512 конкретному варианту реализации изобретения каждый неработающий первичный биореактор инокулируют из работающего первичного биореактора по порядку, при этом ферментативный бульон из работающего первичного биореактора подают в последующий неработающий первичный биореактор через центральную спускную линию. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения один или более работающих первичных биореакторов применяют для одновременного инокулирования нескольких неработающих первичных биореакторов, при этом ферментативный бульон из одного или более первичных биореакторов по существу одновременно направляют в несколько неработающих первичных биореакторов через центральную спускную линию.

Согласно конкретному варианту реализации изобретения один или более вторичных биореакторов инокулируют с помощью ферментативного бульона, подаваемого через центральную спускную линию из по меньшей мере одного работающего первичного биореактора. Согласно конкретному варианту реализации изобретения один или более вторичных биореакторов инокулируют с помощью ферментативного бульона, подаваемого через центральную спускную линию, при этом объединяют ферментативный бульон, поступающий из нескольких первичных биореакторов.

Согласно одному из вариантов реализации изобретения биореакторы работают в отдельных блоках, состоящих из первичных биореакторов и соответствующих вторичных биореакторов, соединенных через центральную спускную линию, при этом по меньшей мере часть ферментативного бульона из любого данного первичного биореактора направляют во вторичные биореакторы через центральную спускную линию. В случае, если ферментативный бульон в одном из первичных биореакторов разрушается (т.е. первичный реактор становится неработающим) и такой первичный биореактор не может больше подавать достаточное количество ферментативного бульона в его соответствующий вторичный биореактор, вторичный биореактор обеспечивают достаточным количеством ферментативного бульона из по меньшей мере одного из из оставшихся первичных биореакторов через центральную спускную линию. Согласно конкретному варианту реализации изобретения соответствующий вторичный биореактор обеспечивают достаточным количеством ферментативного бульона из всех оставшихся первичных биореакторов. Согласно конкретному варианту реализации изобретения уровень жидкой питательной среды в одном или более оставшихся первичных биореакторах и/или вторичных биореакторах, по существу, увеличивают, чтобы использовать, по существу, такое же количество газа, которое применялось до того, как один из первичных биореакторов стал неработающим. Затем первичный биореактор, находящийся в нерабочем состоянии, перезапускают с применением по меньшей мере части дополнительного количества ферментативного бульона, имеющегося в одном или более оставшихся первичных биореакторах, направляемой в неработающий первичный биореактор через центральную спускную линию.

В случае, если вторичный биореактор становится неработающим, один или более работающих вторичных биореакторов в системе обеспечивают ферментативным бульоном из одного или более работающих первичных биореакторов через центральную спускную линию. Согласно конкретному варианту реализации изобретения уровень жидкой питательной среды в одном или более из как работающих первичных биореакторов, так и работающих вторичных биореакторов, по существу, увеличивают, чтобы использовать, по существу, такое же количество газа, которое применялось до того, как один из вторичных биореакторов стал неработающим. Затем неработающий вторичный биореактор инокулируют повторно с применением по меньшей мере части избыточного количества ферментативного бульона, имеющегося в одном или более работающих первичных биореакторах и/или работающих вторичных биореакторах, подаваемой в неработающий вторичный биореактор через центральную спускную линию. В случае если подача газа в первичные биореакторы и/или вторичные биореакторы становится ограниченной, можно временно отключить по меньшей мере один из первичных биореакторов и/или вторичных биореакторов. Согласно конкретному варианту реализации изобретения работающими остаются больше первичных биореакторов, чем вторичных биореакторов. Согласно конкретному варианту реализации изобретения увеличивают уровень жидкой питательной среды в одном или более из работающих первичных биореакторов и/или работающих вторичных биореакторов. После возвращения подачи газа к, по существу, нормальным уровням биореакторы, которые были отключены (неработающие), инокулируют повторно с применением по меньшей мере части избыточного количества ферментативного бульона, имеющегося в одном или более работающих первичных биореакторах и/или работающих вторичных биореакторах, через центральную спускную линию.

Согласно различным вариантам реализации изобретения ферментацию осуществляют с применением культуры микроорганизмов, содержащей один или более штаммов карбоксидотрофных бактерий. Согласно различным вариантам реализации изобретения карбоксидотрофную бактерию выбирают из Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium или Butyribacterium. Согласно одному из вариантов реализации изобретения карбоксидотрофная бактерия представляет собой Clostridium autoethanogenum. Согласно конкретному варианту реализации изобретения указанная бактерия имеет отличительные характеристики бактерии, хранящейся в Немецком центре коллекции биологических материалов (DSMZ) Inhoffenstrabe 7 В, 38124 Braunschweig, Германия, под учетным номером DSMZ10061 или DSMZ23693. Газообразный субстрат может содержать газ, полученный в промышленном процессе в виде побочного продукта. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения про

- 5 031512 мышленный процесс выбирают из группы, состоящей из производства продуктов черной металлургии, производства продуктов цветной металлургии, процессов нефтепереработки, газификации биомассы, газификации угля, производства электроэнергии, производства черного углерода, производства аммиака, производства метанола и производства кокса. Альтернативно, газообразный субстрат представляет собой реформированный газ из источников, включающих природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ и биогаз. Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения газообразный субстрат представляет собой синтез-газ. Согласно одному из вариантов реализации изобретения газообразный субстрат содержит газ, полученный со сталелитейного завода.

Изобретение также включает части, элементы и признаки, упоминаемые или указанные при описании настоящей заявки, по отдельности или все вместе, в любой или во всех комбинациях двух или более из указанных частей, элементов или признаков, и когда в настоящем документе упоминаются конкретные целые числа, которые имеют известные эквиваленты в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение, подразумевают, что такие известные эквиваленты включены в настоящий документ, как если бы были описаны по отдельности.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет теперь описано подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - вариант реализации системы, состоящей из нескольких биореакторов, в которой при нормальной работе каждый первичный биореактор обеспечивает ферментативным бульоном один соответствующий вторичный биореактор через центральную спускную линию;

на фиг. 2 - альтернативный вариант реализации системы, состоящей из нескольких биореакторов, в которой при нормальной работе все первичные биореакторы обеспечивают ферментативным бульоном все вторичные биореакторы через центральную спускную линию.

Подробное описание изобретения

Определения.

Если не определено иначе, приведенные ниже термины, применяемые в описании настоящего изобретения, определены следующим образом.

Термин биореактор и/или реактор включает любое устройство для ферментации, состоящее из одного или более сосудов и/или башен или трубопроводных обвязок, такое как реактор с иммобилизованными клетками, газлифтный реактор, барботажный колоночный реактор (BCR), циркуляционный петлевой реактор, мембранный реактор, такой как мембранный реактор с системой полых волокон (HFM BR), или реактор с орошаемым слоем (TBR).

Термин центральная спускная линия включает линию, трубу, канал или трубопровод, который соединен со всеми биореакторами в многореакторной системе и который выполнен с возможностью прохождения части ферментативного бульона по меньшей мере из одного биореактора в системе в по меньшей мере один другой биореактор в системе. Ферментативный бульон, удаленный из биореактора, предпочтительно не был направлен в сепаратор перед поступлением в центральную спускную линию. Подразумевают, что термин блоки, реакторные блоки и т.п. включает систему, в которой первичный биореактор соединен с по меньшей мере одним вторичным биореактором. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения такой реакторный блок содержит третий или четвертый биореактор, соединенный с указанным блоком. Этот термин включает системы, в которых множество первичных реакторов соединено с множеством вторичных или третичных реакторов.

Термин газообразный субстрат включает любой газ, который содержит соединение или элемент, используемый при ферментации микроорганизмом в качестве источника углерода и необязательно источника энергии. Как правило, газообразный субстрат будет содержать значительную долю СО, предпочтительно по меньшей мере от 5 до 100 об.% СО.

Хотя нет необходимости в том, чтобы субстрат содержал какое-либо количество водорода, присутствие Н₂ не должно оказывать вредное воздействие на образование продукта согласно способам, предложенным в настоящем изобретении. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения присутствие водорода приводит к улучшению общей эффективности продуцирования спирта. Например, согласно конкретным вариантам реализации изобретения соотношение Н₂:СО в субстрате может составлять примерно 2:1, или 1:1, или 1:2. Согласно одному из вариантов реализации изобретения субстрат содержит 30 об.% или менее Н₂, 20 об.% или менее Н₂, 15 об.% или менее Н₂ или 10 об.% или менее Н₂. Согласно другим вариантам реализации изобретения поток субстрата содержит низкие концентрации Н₂, например меньше 5%, или меньше 4%, или меньше 3%, или меньше 2%, или меньше 1%, или, по существу, не содержит водорода. Субстрат также может содержать некоторое количество СО2, например, такое как от 1 до 80 об.% СО₂ или от 1 до 30 об.% СО₂. Согласно одному из вариантов реализации изобретения субстрат содержит меньше или 20 об.% СО₂. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения субстрат содержит меньше или 15 об.% СО₂, меньше или 10 об.% СО₂, меньше или 5 об.% СО₂ или, по существу, не содержит СО₂. Термин жидкая питательная среда включает жидкую среду, содержащую питательные вещества, подходящие для ферментации с помощью одного или более микроорганизмов. Жидкая питательная среда будет содержать витамины и/или минеральные вещества в количестве, доста

- 6 031512 точном для обеспечения роста применяемого микроорганизма(ов). В данной области техники известны анаэробные среды, подходящие для ферментации с применением СО. Например, подходящие среды описаны в Beibel (2001).

Подразумевают, что термин продукт, применяемый в настоящем документе, включает вещества, полученные посредством микробной ферментации. Продукт может включать спирты, кислоты или другие химические вещества. Продукты могут также включать газы, полученные в процессе микробной ферментации.

Если контекст не требует иного, подразумевают, что применяемые в настоящем документе выражения ферментирование, процесс ферментации или реакция ферментации и т.п., включают как фазу роста, так и фазу биосинтеза продукта указанного процесса.

Термины работающий, нормальная работа, стабильная ферментация и т.п. относятся к ситуации, при которой культура одного или более микроорганизмов внутри биореактора или внутри блока из двух или более реакторов, находится в фазе роста и/или фазе биосинтеза продукта процесса ферментации. Наоборот, термин неработающий относится к ситуации, при которой культура одного или более микроорганизмов внутри реактора или внутри блока из двух или более биореакторов погибла, или к ситуации, при которой процесс ферментации внутри реактора больше не происходит ко времени, в котором продукты могут быть извлечены.

Подразумевают, что термин ограниченное количество газа или ограниченный, применяемый в связи с газообразным субстратом, включает ситуацию, при которой газообразный субстрат подают в один или более биореакторов в количестве, ниже оптимального (или максимального) количества субстрата, которое может усвоить микроорганизм.

Подразумевают, что термин сообщение по текучей среде включает ситуацию, при которой жидкость пропускают между двумя или более биореакторов через спускную линию. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения жидкость, проходящая между двумя или более биореакторов, представляет собой ферментативный бульон. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения жидкость представляет собой поток пермеата или поток, обедненный клетками. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения перед поступлением в центральную спускную линию поток жидкости проходит через зону обработки. Специалист в данной области поймет, что зона обработки может включать любое количество стадий обработки, в том числе, но не ограничиваясь ими, удаление биомассы, удаление белков, отделение и удаление по меньшей мере части потока продуктов, добавление дополнительного количества питательных веществ или воды.

Хотя приведенное ниже описание сфокусировано на конкретных вариантах реализации настоящего изобретения, а именно, получении этанола и/или ацетата с применением СО в качестве основного субстрата, следует понимать, что настоящее изобретение может быть применимо к производству альтернативных спиртов и/или кислот и использованию альтернативных субстратов, как будет известно специалистам в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение. Например, можно использовать газообразные субстраты, содержащие диоксид углерода и водород. Кроме того, настоящее изобретение может быть применимо к ферментации с получением этанола, уксусной кислоты, 2,3-бутандиола, бутанола, изопропанола, лактата, сукцината, метилэтилкетона (MEK), пропандиола,

2- пропанола, ацетоина, изобутанола, цитрамалата, бутадиена, полимолочной кислоты, изобутилена,

3- гидроксипропионата (3НР), ацетона и жирных кислот. Указанные способы также можно применять при получении водорода. К примеру, перечисленные продукты можно получить посредством ферментации с применением микробов из рода Moorella, Clostridia, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Butyribacterium, Oxobacter, Methanosarcina и Desulfotomaculum. Авторы изобретения разработали систему, состоящую из нескольких биореакторов и позволяющую осуществлять непрерывную ферментацию газообразного субстрата. Система содержит несколько биореакторов, связанных посредством центральной спускной линии, при этом указанная спускная линия выполнена с возможностью сообщения по текучей среде ферментативного бульона между несколькими биореакторами системы. В данной области техники известны системы ферментации газов, хотя такие системы обычно включают периодический процесс. Также известны системы непрерывной ферментации газов, хотя указанные системы включают отдельные биореакторы или независимые блоки, содержащие до двух связанных биореакторов. Известно, что указанные процессы требуют значительного количества времени для первоначального запуска и являются негибкими в случае, если один из двух биореакторов становится неработающим (т.е. происходит разрушение культуры). В случае такого разрушения культуры в одном биореакторе весь процесс должен быть перезапущен, что приводит к значительному простою. Удивительное преимущество связывание нескольких биореакторов с центральной спускной линией состоит в том, что это позволяет, по существу, ускорить запуск/инокуляцию нескольких биореакторов и увеличить гибкость во время эксплуатации. Центральная спускная линия позволяет отдельному биореактору инокулировать множество других связанных биореакторов, а не инокулировать по отдельности каждый биореактор в системе из инокулятора. Кроме того, центральная спускная линия позволяет нескольким биореакторам компенсировать потерю любого данного биореактора в системе за счет подачи ферментативного бульона через центральную спускную линию в связанные биореакторы, которые в противном случае, при независимой конфи

- 7 031512 гурации блоков, также стали бы неработающими. Соответственно, продолжительность работы системы увеличивается до максимума за счет гибкости, обеспечиваемой центральной спускной линией.

Система согласно настоящему изобретению содержит множество первичных биореакторов и вторичных биореакторов, при этом все биореакторы сообщаются по текучей среде через центральную спускную линию. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения газообразный субстрат подают как в первичные, так и вторичные биореакторы системы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения первичные биореакторы работают в условиях, в которых используют главным образом газообразный субстрат, для стимулирования роста одного или более микроорганизмов и получения одного или более продуктов. Согласно конкретному варианту реализации изобретения вторичные биореакторы работают в условиях, установленных для получения одного или более продуктов из газообразного субстрата поступающего из первичных биореакторов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения по меньшей мере часть ферментативного бульона направляют из первичного биореактора в по меньшей мере один вторичный биореактор, и по меньшей мере часть одной или более кислот в ферментативном бульоне превращают в ее соответствующий спирт во вторичном биореакторе. При такой конфигурации первичный биореактор подает часть ферментативного бульона, содержащего один или более микроорганизмов и/или один или более продуктов, в центральную спускную линию. Затем указанный ферментативный бульон направляют в один или более вторичных биореакторов через центральную спускную линию. Сообщение по текучей среде между биореакторами, связанными с центральной спускной линией, регулируют с помощью клапанов/инокуляционных клапанов, встроенных во впускные трубопроводы биореакторов. Указанные клапаны контролируют проход ферментативного бульона из первичного биореактора в другие первичные биореакторы и/или вторичные биореакторы в зависимости от того, открыты они или закрыты оператором.

При нормальной работе биореакторы работают в отдельных блоках, состоящих из первичных биореакторов и соответствующих вторичных биореакторов, сообщающихся по текучей среде через центральную спускную линию. Такая конфигурация блока позволяет осуществлять непрерывную ферментацию и согласно конкретным вариантам реализации изобретения позволяет обеспечить более высокие титры продуктов, так как ферментативный бульон, полученный из первичных биореакторов, содержит одну или более кислот.

Согласно некоторым вариантам реализации изобретения ферментативный бульон удаляют из первичных биореакторов с помощью спускного насоса. Уровень бульона в первичных биореакторах поддерживают постоянным путем непрерывного отведения бульона с помощью спускного насоса в центральную спускную линию и постоянной подачи дополнительного количества жидкой питательной среды. Во вторичные биореакторы также можно ввести дополнительное количество жидкой питательной среды, при этом для поддержания уровня бульона постоянным ферментативный бульон удаляют либо в виде потока пермеата, либо отдельного сливаемого потока.

Согласно конкретным вариантам реализации изобретения часть ферментативного бульона из первичного биореактора направляют непосредственно во вторичный биореактор через центральную спускную линию. Однако согласно некоторым вариантам реализации изобретения ферментативный бульон обрабатывают либо перед поступлением в центральную спускную линию, либо перед направлением во вторичный биореактор. Обработка может включать добавление в ферментативный бульон питательных веществ, металлов и витаминов В и/или удаление биомассы, продуктов, кислот, органических молекул и/или неорганических молекул.

Согласно вариантам реализации настоящего изобретения предложенная система находит применение при ферментации газообразных субстратов с получением одного или более продуктов, при этом указанные продукты включают кислоты, спирты и диолы. В частности, этанол, уксусную кислоту и 2,3-бутандиол получают посредством ферментации газообразного субстрата, содержащего СО.

Указанная система может состоять из любого количества первичных биореакторов и вторичных биореакторов. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения указанная многореакторная система содержит по меньшей мере два первичных биореактора и по меньшей мере один вторичный биореактор, при этом все биореакторы соединены через центральную спускную линию. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения система содержит от 2 до 16 первичных биореакторов и от 1 до 16 вторичных биореакторов. Согласно дополнительным вариантам реализации изобретения система содержит от 2 до 8 первичных биореакторов и от 1 до 8 вторичных биореакторов. Однако согласно предпочтительным вариантам реализации изобретения система содержит 4 первичных биореактора и 4 вторичных биореактора.

Биореакторы такой системы могут представлять собой любые реакторы, подходящие для ферментации, такие как реактор с иммобилизованными клетками, газлифтный реактор, барботажный колоночный реактор (BCR), мембранный реактор, такой как мембранный реактор с системой полых волокон (HFM BR), или реактор с орошаемым слоем (TBR). Биореакторы могут иметь любой размер, соответствующий требуемому объему производства. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения вторичные биореакторы, по существу, больше, чем первичные реакторы. Альтернативно, все биореакторы могут иметь, по существу, одинаковый размер. Как правило, газообразный субстрат вводят в биоре- 8 031512 акторы через газовпускное отверстие. Газообразный субстрат можно барботировать в биореактор с помощью любых известных средств барботирования. Однако согласно конкретным вариантам реализации изобретения газ вводят через один или более мелкопузырьковых барботеров или диффузоров. Газ, который не утилизируется микроорганизмами, содержащимися внутри реактора, или газ, продуцируемый микроорганизмами в качестве побочного продукта при реакции ферментации, выходит из реактора через газовыпускное отверстие.

Согласно конкретным вариантам реализации изобретения биореакторы системы содержат выпускной трубопровод для прохождения ферментативного бульона в центральную спускную линию и впускной трубопровод для приема ферментативного бульона из центральной спускной линии. Продукты, полученные внутри биореакторов, удаляют через трубопровод для потока пермеата, который направляет ферментативный бульон, содержащий продукты, в зону извлечения в виде потока пермеата. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения поток пермеата интегрирован с системой регенерации клеток. Указанная система регенерации клеток обеспечивает средство для отделения микроорганизмов от пермеата с целью их возврата в реактор для дальнейшей ферментации. Модуль регенерации клеток непрерывно вытягивает пермеат из бульона, удерживая клетки. Специалисты в данной области техники поймут, что устройства для регенерации клеток могут включать, но не ограничиваются ими, мембраны для регенерации клеток или тарельчатые центробежные сепараторы.

Удивительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что центральная спускная линия выполнена с возможностью обеспечения различных степеней разбавления на участке между первичными биореакторами и вторичными биореакторами во время эксплуатации. Она также позволяет использовать варьирующие количества первичных и вторичных биореакторов в системе. Согласно вариантам реализации изобретения, в которых используют одинаковое количество первичных биореакторов и вторичных биореакторов, указанные степени разбавления, по существу, одинаковые.

Согласно вариантам реализации изобретения, в которых используют больше вторичных биореакторов, чем первичных биореакторов, степень разбавления, по существу, ниже во вторичных биореакторах, что позволяет увеличить время пребывания микроорганизма во вторичном биореакторе.

Хотя предпочтительно, чтобы система, состоящая из нескольких биореакторов, и способы, описанные в настоящем документе, были применимы к ферментации газов, следует понимать, что предложенную систему и/или способы можно использовать для осуществления альтернативных процессов ферментации с применением нескольких реакторов.

Различные варианты реализации систем и способов согласно настоящему изобретению описаны на прилагаемых чертежах. Хотя приведенные ниже варианты реализации изобретения относятся к ферментационным системам с 4 первичными биореакторами и 4 вторичными биореакторами, в такой системе можно использовать любое количество первичных и вторичных биореакторов.

В следующем описании обоих чертежей 1 и 2 все спускные насосы рассматриваемой системы обозначены числом 105, и все инокуляционные клапаны рассматриваемой системы обозначены числом 106. Подобным образом, все вторичные биореакторы рассматриваемой системы обозначены числом 109.

Фиг. 1 представляет собой схему состоящей из нескольких биореакторов системы, соединенной с помощью центральной спускной линии 107. При запуске первичный биореактор 101 инокулируют из инокулятора путем подачи газообразного субстрата и жидкой питательной среды. После приведения первичного биореактора 101 в рабочее состояние спускной насос 105 направляет ферментативный бульон из первичного биореактора 101 в центральную спускную линию 107. Затем открывают инокуляционный клапан 106 первичного биореактора 102, обеспечивающий ферментативный бульон для инокуляция. Этот же способ применяют для инокулирования первичного биореактора 103 из первичного биореактора 101 после приведения его в рабочее состояние, и подобным образом инокулируют первичный биореактор 104 из первичного биореактора 102. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения после приведения первичного биореактора 101 в рабочее состояние он непрерывно поставляет ферментативный бульон в центральную спускную линию 107, которая обеспечивает указанным бульоном все первичные биореакторы 102-104 одновременно. После приведения всех первичных биореакторов 101104 в рабочее состояние спускной клапан 108 открывают и часть ферментативного бульона из первичных биореакторов 101-104 поступает через центральную спускную линию 107 во вторичные биореакторы 109 для инокуляции. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения часть ферментативного бульона направляют через центральную спускную линию 107 из установленных первичных биореакторов 101104 в отдельные вторичные биореакторы 109 для инокуляции. Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения ферментативный бульон из первичных биореакторов 101-104 непрерывно и одновременно поступает через центральную спускную линию 107 во все вторичные биореакторы для инокуляции.

При эксплуатации в первичных биореакторах 101-104 происходит ферментация газообразного субстрата с получением одного или более продуктов, как описано в настоящем документе. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения первичные биореакторы 101-104 выполнены с возможностью, по существу, стимулирования роста одного или более микроорганизмов и получения одного или более продуктов. Ферментативный бульон, содержащий один или более микроорганизмов и/или один

- 9 031512 или более продуктов, удаляют из одного или более первичных биореакторов 101-104 с помощью спускного насоса 105 и направляют через центральную спускную линию 107 в по меньшей мере один из вторичных биореакторов 109. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения один первичный биореактор, например первичный биореактор 101, при нормальной работе обеспечивает ферментативным бульоном один соответствующий вторичный биореактор 109 через центральную спускную линию 107. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения вторичные биореакторы 109 работают в условиях, установленных для получения одного или более продуктов из газообразного субстрата. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения по меньшей мере часть одного или более кислых продуктов в ферментативном бульоне, поступающих из первичного биореактора, превращают в его соответствующую кислоту. В случае, если один из первичных биореакторов становится неработающим, например ферментативный бульон в первичном биореакторе 101 разрушается и первичный биореактор 101 не может больше подавать достаточное количество бульона, позволяющее соответствующему вторичному биореактору 109 оставаться в рабочем состоянии, вторичный биореактор 109 обеспечивают достаточным количеством ферментативного бульона для функционирования по меньшей мере из одного из оставшихся первичных биореакторов, например первичных биореакторов 102-104, через центральную спускную линию 107. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения соответствующий вторичный биореактор 109 обеспечивают достаточным количеством ферментативного бульона из всех оставшихся первичных биореакторов 102-104. Уровень ферментативного бульона в оставшихся первичных биореакторах 102-104 и вторичных биореакторах 109, по существу, увеличивают, чтобы использовать, по существу, такое же количество газа, которое применялось до того, как первичный реактор 101 стал неработающим. Затем первичный биореактор 101 инокулируют повторно с применением по меньшей мере части дополнительного количества ферментативного бульона, имеющегося в первичных биореакторах 102-104, поступающей в первичный биореактор 101 через центральную спускную линию.

В случае, если один из вторичных биореакторов 109 становится неработающим, один или более оставшихся вторичных биореакторов 109 в системе получают ферментативный бульон из одного или более первичных биореакторов 101-104 через центральную спускную линию 107. Согласно конкретному варианту реализации изобретения уровень ферментативного бульона в одном или более первичных биореакторах 101-104 и оставшихся вторичных биореакторов 109, по существу, увеличивают, чтобы использовать, по существу, такое же количество газа, которое применялось до того, как один из вторичных биореакторов 109 стал неработающим. Затем вторичный биореактор 109, который был отключен, перезапускают с помощью по меньшей мере части дополнительного количества ферментативного бульона, имеющегося в одном или более первичных биореакторах 101-104 и/или оставшихся вторичных биореакторах 109, поступающей в нижний вторичный биореактор 109 через центральную спускную линию 107.

В случае, если подача газа в первичные биореакторы 101-104 становится ограниченной, по меньшей мере один из первичных биореакторов 101-104 и/или вторичных биореакторов 109 можно временно отключить. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения работающими остаются, по существу, больше первичных биореакторов 101-104, чем вторичных биореакторов 109. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения увеличивают уровень ферментативного бульона в одном или более из оставшихся первичных биореакторов 101-104 и/или оставшихся вторичных биореакторов 109. После возвращения подачи газа к нормальному уровню все биореакторы, которые были отключены, инокулируют повторно с применением по меньшей мере части дополнительного количества ферментативного бульона, имеющегося в одном или более оставшихся первичных биореакторах 101-104 и/или оставшихся вторичных биореакторах 109, при этом дополнительное количество ферментативного бульона поступает в неработающие биореакторы через центральную спускную линию 107.

Фиг. 2 представляет собой схему альтернативной состоящей из нескольких биореакторов системы, соединенной с помощью центральной спускной линии 107. Процесс инокуляции, функционирование, разрушение культуры в первичном/вторичном биореакторе и ограниченная подача газа, по существу, такие же, как описано выше при обсуждении фиг. 1. Однако конструкция центральной спускной линии 107, показанной на фиг. 2, позволяет объединить ферментативный бульон из всех первичных биореакторов 101-104 и направить его во вторичные биореакторы 109 через центральную спускную линию 107. Ферментативный бульон, проходящий через центральную спускную линию 107, можно распределить в равной степени во все вторичные биореакторы 109 или разом направить в один вторичный биореактор 109 в конфигурации с разделением времени. В конфигурации с разделением времени в каждом вторичном биореакторе 109 может происходить ферментация поступившего ферментативного бульона в периодическом процессе.

Ферментация.

Известны способы получения этанола и других спиртов из газообразных субстратов (таких как субстраты, перечисленные выше в разделе, описывающем уровень техники). Типичные способы включают способы, описанные, например, в WO 2007/117157 и WO 2008/115080, а также в патентах США № 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111, каждый из которых включен в настоящий документ посредством ссылки.

- 10 031512

Известны многие анаэробные бактерии, способные осуществлять ферментацию СО с образованием спиртов, в том числе н-бутанола и этанола, и уксусной кислоты, которые подходят для применения в способе согласно настоящему изобретению. Примеры таких бактерий, которые подходят для применения в настоящем изобретении, включают бактерии из рода Clostridium, такие как штаммы Clostridium ljungdahlii, в том числе штаммы, описанные в WO 00/68407, ЕР 117309, патентах США № 5173429, 5593886 и 6368819, WO 98/00558 и WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic и Evolutionary Microbiology 33: p. 2085-2091) и Clostridium autoethanogenum (Abrini et al., Archives of Microbiology 161: p. 345-351). Другие подходящие бактерии включают бактерии из рода Moorella, в том числе Moorella sp HUC22-1 (Sakai et al., Biotechnology Letters 29: p. 1607-1612), и бактерии из рода Carboxydothermus (Svetlichny V.A., et al. (1991), Systematic и Applied Microbiology 14: 254260). Описания каждой из указанных публикаций включены в настоящий документ посредством ссылки. Кроме того, в способах согласно настоящему изобретению специалист в данной области техники может использовать и другие карбоксидотрофные анаэробные бактерии. Кроме того, при рассмотрении настоящего описания следует понимать, что в способах согласно настоящему изобретению можно использовать смешанную культуру из двух или более бактерий.

Культивирование бактерий, применяемых в способе согласно настоящему изобретению, можно осуществить с применением любого количества способов, известных в данной области техники для культивирования и ферментирования субстратов с помощью анаэробных бактерий. Типичные методы приведены ниже в разделе Примеры. В качестве дополнительного примера можно использовать те способы, в целом описанные в следующих статьях, в которых применяли для ферментации газообразные субстраты: (i) K.T. Klasson et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K.T. Klasson et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614; (iii) K.T. Klasson et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J.L. Vega et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (vi) J.L. Vega et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vii) J.L. Vega et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160; все указанные публикации включены в настоящий документ посредством ссылки.

Согласно одному из вариантов реализации изобретения микроорганизм выбирают из группы карбоксидотрофной клостридии, включающей Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum. Согласно дополнительному варианту реализации изобретения микроорганизм выбирают из кластера карбоксидотрофной клостридии, содержащей виды С. autoethanogenum, C.ljungdahlii и C.ragsdalei и родственные изоляты. Указанные организмы включают, но не ограничиваются ими, штамм C.autoethanogenum JAI-1 (DSM10061) (Abrini, Naveau, & Nyns, 1994), C.autoethanogenum LBS1560 (DSM19630) (WO 2009/064200), C.autoethanogenum LBS 1561 (DSM23693), C.ljungdahlii PETC^T (DSM13528 = ATCC 55383) (Tanner, Miller, & Yang, 1993), C.ljungdahlii ERI-2 (ATCC 55380) (патент США 5593886), C.ljungdahlii C-01 (ATCC 55988) (патент США 6368819), C.ljungdahlii 0-52 (ATCC 55989) (патент США 6368819), C.ragsdalei P11^T (ATCC BAA-622) (WO 2008/028055), родственные изоляты, такие как C.coskatii (US 20110229947) и Clostridium sp. (Tyurin & Kiriukhin, 2012) или мутировавшие штаммы, такие как C.ljungdahlii OTA-1 (Tirado-Acevedo О. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Указанные штаммы образуют подкластер внутри кластера I клостридиальной рРНК, и их ген 16S рРНК более чем на 99% идентичен гену с аналогичным низким содержанием гуанина и цитозина (GC), составляющим примерно 30%. Однако эксперименты с реассоциацией ДНК-ДНК и фингерпринтингом ДНК показали, что указанные штаммы принадлежат к различным видам (WO 2008/028055).

Все виды из упомянутого выше кластера имеют одинаковую морфологию и размер (размеры логарифмически растущих клеток составляют 0,5-0,7 х 3-5 мкм), являются мезофильными (температура оптимального роста от 30 до 37°С) и строго анаэробными (Abrini et al., 1994; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055). Более того, они все имеют одинаковые основные филогенетические признаки, такие как одинаковый диапазон рН (рН 4-7,5, при оптимальном исходном рН 5,5-6), устойчивый автотрофный рост на СО-содержащих газах с похожими скоростями роста и похожий метаболический профиль с этанолом и уксусной кислотой в качестве основного конечного продукта ферментации и небольшими количествами 2,3-бутандиола и молочной кислоты, образующимися при определенных условиях (Abrini et al., 1994; Kopke et al., 2011; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055). Также при применении всех трех видов наблюдалось образование индола. Однако указанные виды отличаются при применении в качестве субстрата различных сахаров (например, рамнозы, арабинозы), кислот (например, глюконата, цитрата), аминокислот (например, аргинина, гистидина) или других субстратов (например, бетаина, бутанола). Более того, было обнаружено, что некоторые из указанных видов представляют собой ауксотроф в отношении некоторых витаминов (например, тиамина, биотина), тогда как другие не являются ауксотрофом. Было

- 11 031512 обнаружено, что структура и количество генов, использующих метаболический путь Вуда-Льюнгдаля и ответственных за поглощение газа, являются одинаковыми во всех видах, независимо от различий в последовательностях нуклеиновых и аминокислот (Kopke et al., 2011). Также в некоторых из указанных организмов было продемонстрировано восстановление карбоновых кислот в их соответствующие спирты (Perez, Richter, Loftus, & Angenent, 2012). Таким образом, указанные признаки не являются специфическими для одного организма, такого как C.autoethanogenum или C.ljungdahlii, но скорее являются общими признаками карбоксидотрофной, синтезирующей этанол клостридии, и можно предположить, что работа механизма одинакова для всех штаммов, хотя могут иметь место расхождения в исполнении (Perez et al., 2012).

Одним из типичных микроорганизмов, подходящих для применения в настоящем изобретении, является Clostridium autoethanogenum. Согласно одному из вариантов реализации изобретения Clostridium autoethanogenum представляет собой Clostridium autoethanogenum, имеющую идентифицирующие характеристики штамма, хранящегося в Немецком центре коллекции биологических материалов (DSMZ) под идентификационным депозитным номером 19630. Согласно другому варианту реализации изобретения Clostridium autoethanogenum представляет собой Clostridium autoethanogenum, имеющую идентифицирующие характеристики штамма, хранящегося в DSMZ под депозитным номером DSMZ 10061. Согласно дополнительному варианту реализации изобретения Clostridium autoethanogenum представляет собой Clostridium autoethanogenum, имеющую идентифицирующие характеристики штамма, хранящегося в DSMZ под депозитным номером DSMZ 23693.

Ферментацию можно осуществить в любом подходящем биореакторе. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения биореактор может содержать первый реактор для культивирования, в котором культивируют микроорганизмы, и второй ферментационный реактор, в который подают ферментативный бульон из реактора для культивирования и в котором получают большую часть продукта ферментации (например, этанол и ацетат).

Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения источник углерода для реакции ферментации представляет собой газообразный субстрат, содержащий СО. Газообразный субстрат может представлять собой СО-содержащий отработавший газ, полученный в качестве побочного продукта промышленного процесса или из какого-то другого источника, например, из автомобильных выхлопных газов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения промышленный процесс выбирают из группы, состоящей из производства продуктов черной металлургии, такого как осуществляют на сталелитейном заводе, производства продуктов цветной металлургии, процессов в нефтепереработке, газификации угля, производства электроэнергии, производства черного углерода, производства аммиака, производства метанола и производства кокса. Согласно указанным вариантам реализации изобретения СО-содержащий газ можно улавливать из промышленного процесса перед тем, как его выбросят в атмосферу, применяя любой общепринятый способ. Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения СО-содержащий газ представляет собой специально реформированный газ из источников, включающих природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ и биогаз. Кроме того, в зависимости от состава газообразного СО-содержащего субстрата может быть необходимо провести обработку указанного субстрата для удаление каких-либо нежелательных примесей, таких как частицы пыли, перед введением его в процесс ферментации. Например, газообразный субстрат можно отфильтровать или подвергнуть мокрой очистке, применяя известные способы. В идеале, СО-содержащий газообразный субстрат будет содержать значительную долю СО, например по меньшей мере от 5 до 100 об.%, или от 20 до 95 об.% СО, или от 40 до 95 об.%, или от 60 до 90 об.%, или от 70 до 90 об.%. Газообразные субстраты, имеющие более низкие концентрации СО, например 6%, также могут подойти, в частности, если присутствуют также Н₂ и СО₂. Хотя нет необходимости, чтобы газообразный субстрат содержал скольконибудь водорода, присутствие водорода не будет в целом оказывать отрицательное влияние на образование продукта согласно способам, предложенным в настоящем изобретении. Однако согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения газообразный субстрат, по существу, не содержит водорода (меньше 1%). Газообразный субстрат также может содержать некоторое количество СО₂, например, от 1 до 30 об.% или, например, от 5 до 10% СО₂.

Как отмечалось ранее, присутствие водорода в потоке субстрата может привести к улучшению эффективности суммарного улавливания углерода и/или повышению выхода этанола. Например, в WO 0208438 описано получение этанола с применением газовых потоков с различными составами. Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации изобретения поток субстрата, содержащего 63% Н₂, 32% СО и 5% СН₄, подавали в культуру C.ljungdahlii в биореакторе для стимулирования микробного роста и продуцирования этанола. Когда указанная культура достигла устойчивого состояния и микробный рост больше не являлся основной целью, поток субстрата заменили на поток, содержащий 15,8% Н2, 36,5% СО, 38,4% N₂ и 9,3% СО₂, для обеспечения небольшого избытка СО и стимулирования продуцирования этанола. Кроме того, в указанном документ описаны газовые потоки с более высокими и более низкими концентрациями СО и Н2.

Соответственно, может потребоваться изменение состава потока субстрата для улучшения продуцирования спирта и/или суммарного улавливания углерода. Дополнительно или альтернативно, состав

- 12 031512 можно изменять (т.е. регулировать уровни СО, СО₂ и/или Н₂) для оптимизации эффективности реакции ферментации и в конечном счете улучшения продуцирования спирта и/или суммарного улавливания углерода. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения источником СО-содержащего газообразного субстрата может быть газификация органического вещества, такого как метан, этан, пропан, уголь, природный газ, сырая нефть, малоценные остатки из нефтеперегонного завода (в том числе нефтяной кокс или нефтекокс), твердые бытовые отходы или биомасса. Биомасса включает побочные продукты, полученные при добывании и переработке продуктов питания, таких как сахар из сахарного тростника или крахмал из кукурузы или зерна, или непищевые отходы биомассы, образующиеся в лесной промышленности. Любые из указанных углеродистых материалов можно газифицировать, т.е. частично сжечь в присутствии кислорода, с получением синтетического газа (синтез-газа, содержащего значительные количества Н₂ и СО). Как правило, в процессах газификации получают синтетический газ с молярным соотношением Н₂ к СО, составляющим от 0.4:1 до 1.2:1, вместе с меньшими количествами СО₂, H₂S, метана и других инертных веществ. Указанное соотношение полученного газа можно изменять способами, известными в данной области техники, как подробно описано в WO 200701616. Однако к примеру, для регулирования соотношения продуктов СО:Н₂ можно изменять следующие условия в газификаторе: состав сырья (в частности, соотношение С:Н), рабочее давление, температурный профиль (влияющий на гашение ассортимента продукции) и применяемый оксидант (воздух, воздух, обогащенный кислородом, чистый O₂ или пар; при этом применением пара обычно приводит к более высоким соотношениям СО:Н₂). Соответственно, для получения потока субстрата с требуемым составом для ферментации или смешивания с одним или более другими потоками можно регулировать рабочие условия в газификаторе, что позволяет обеспечить оптимизированный или требуемый состав для повышения выхода спирта и/или суммарного улавливания углерода в процессе ферментации.

Согласно другим вариантам реализации изобретения субстрат, содержащий СО, можно получить при паровом риформинге углеводородов. Углеводороды, такие как углеводороды в природном газе, можно подвергнуть риформингу при высокой температуре с получением СО и Н2 согласно следующему уравнению:

К примеру, паровой риформинг метана включает взаимодействие пара с метаном с получением СО и Н₂ при повышенной температуре (700-1100°С) в присутствии никелевого катализатора. Для повышения выхода этанола и/или суммарного улавливания углерода в процессе ферментации образовавшийся поток (содержащий 1 моль СО и 3 моль Н₂ на каждый моль превращенного СН₄) можно направить непосредственно в ферментер или смешать с потоком субстрата из другого источника. Спирты, такие как метанол, также можно подвергнуть риформингу с получением СО2 и Н2, которые можно использовать аналогичным способом.

Согласно другому варианту реализации изобретения субстрат, содержащий СО, получают из процесса производства стали. В процессе изготовления стали железную руду раздробляют и измельчают, подвергают предварительной обработке, такой как спекание или окомкование, и затем подают в доменную печь (BF), где она выплавляется. В процессе выплавки кокс служит в качестве источника углерода, который работает как восстановитель для восстановления железной руды. Кокс действует как источник тепла для нагревания и плавления материалов. Горячий металл подвергают обезуглероживанию в кислородном конвертере (BOF) путем инжектирования на поверхность горячего металла высокоскоростной струи чистого кислорода. Кислород взаимодействует непосредственно с углеродом в горячем металле с образованием монооксида углерода (СО). Соответственно, из BOF выделяется газовый поток с высоким содержанием СО. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения указанный поток применяют для подачи в одну или более реакций ферментации. Однако, как очевидно специалисту в данной области техники, СО можно получить и в другом месте в процессе изготовления стали, и согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения такие альтернативные источники можно использовать вместо или в комбинации с выхлопными газами из BOF. Таким образом, в зависимости от источника (т.е. конкретной стадии в процессе изготовления стали) содержание СО в выхлопных газах может изменяться. Кроме того, могут существовать периоды, когда происходит прерывание одного или более таких потоков, в частности, на перерабатывающих предприятиях с периодическим режимом работы.

Как правило, потоки, выделяющиеся в процессе обезуглероживания на сталелитейных заводах, содержат высокую концентрацию СО и низкие концентрации Н₂. Хотя такие потоки можно направлять непосредственно в биореактор при небольшой дополнительной обработке или без обработки, указанная дополнительная обработка может потребоваться для оптимизации состава потока субстрата для достижения более высокой эффективности продуцирования спирта и/или суммарного улавливания углерода. Например, концентрацию Н₂ в потоке субстрата можно увеличить перед подачей указанного потока в биореактор.

Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения потоки из двух или более источников можно объединить и/или смешать с получением требуемого и/или оптимизированного потока

- 13 031512 субстрата. Например, поток, содержащий высокую концентрацию СО, такой как выхлоп из конвертера сталелитейного завода, можно объединить с потоком, содержащим высокие концентрации Н₂, таким как отходящий газ из коксовой печи сталелитейного завода.

Как правило, начальная стадия процесса изготовления стали включает восстановление железной руды с применением кокса. Кокс представляет собой источник твердого углеродного топлива, применяемый для плавления и восстановления железной руды, который обычно получают на месте производства на сталелитейном заводе. В процессе изготовления кокса битуминозный уголь загружают в несколько печей, которые герметизируют и нагревают при высоких температурах в отсутствии кислорода, как правило, в циклах, продолжающихся от 14 до 36 ч. Оставшийся в печи твердый углерод представляет собой кокс. Полученный кокс переносят в башню тушения, где его охлаждают путем разбрызгивания воды или путем циркулирования инертного газа (азота), затем просеивают и направляют в доменную печь.

Перед использованием газа в качестве топлива для нагревания печей летучие соединения, полученные в ходе указанного процесса, в общем обрабатывают для удаления смолы, аммиака, нафталина, фенола, легких нефтей и серы. Газ, полученный в результате производства кокса, как правило, имеет высокое содержание Н₂ (типичный состав: 55% Н₂, 25% СН₄, 6% СО, 3% N₂, 2% других углеводородов). По существу, по меньшей мере часть газа из коксовой печи можно направить в процесс ферментации для смешивания с потоком, содержащим СО, для улучшения выхода спирта и/или суммарного улавливания углерода. Для удаления побочных продуктов, которые могут быть токсичными для культуры, может потребоваться обработка газа из коксовой печи перед направлением его в ферментер.

Альтернативно или дополнительно, непостоянный поток, содержащий СО, такой как поток выхлопных газов из конвертера, можно объединить и/или смешать с, по существу, непрерывным потоком, содержащим СО и необязательно Н2, таким как синтез-газ, полученный в процессе газификации, как описано выше. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения это позволит поддержать снабжение биореактора, по существу, непрерывным потоком субстрата. Согласно конкретному варианту реализации изобретения для поддержания, по существу, непрерывного потока субстрата с требуемым или оптимизированным составом поток, полученный в газификаторе, можно увеличить и/или уменьшить в зависимости от периодического получения СО из промышленного источника. Согласно другому варианту реализации изобретения для поддержания, по существу, непрерывного потока субстрата с требуемым или оптимизированным составом СО и Н₂ условия в газификаторе можно изменять, как описано выше, для повышения или уменьшения соотношения СО:Н₂ в зависимости от периодического получения СО из промышленного источника.

Как правило, потоки субстрата, применяемые в настоящем изобретении, будут газообразными; однако настоящее изобретение не ограничено ими. Например, монооксид углерода можно подавать в биореактор в жидкости. Например, жидкость можно насыщать газом, содержащим монооксид углерода, и затем такую жидкость можно ввести в биореактор. Указанную процедуру можно осуществить с применением стандартной методологии. К примеру, для этой цели можно использовать генератор для диспергирования микропузырьков (Hensirisak et al., Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3, October, 2002).

Следует понимать, что для роста бактерий и протекания ферментации с образованием этанола из СО, наряду с СО-содержащим газом-субстратом, в биореактор будет необходимо загрузить подходящую жидкую питательную среду. Питательная среда будет содержать витамины и минеральные вещества в количестве, достаточном для обеспечения роста применяемого микроорганизма. Анаэробные среды, подходящие для ферментации этанола с применением СО в качестве единственного источника углерода, известны в данной области техники. Например, подходящие среды описаны в патентах США № 5173429 и 5593886 и WO 02/08438, WO 2007/115157 и WO 2008/115080, упомянутых выше. В разделе Примеры в настоящем документе приведены и другие типичные среды.

Ферментацию следует предпочтительно осуществлять в условиях, подходящих для протекания требуемой ферментации (например, для превращения СО в спирт). Условия реакции, которые следует принимать во внимание, включают давление, температуру, расход газа, расход жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (при применении реактора с постоянным перемешиванием), уровень инокулята, максимальные концентрации газового субстрата, которые гарантируют, что СО в жидкой фазе не станет ограничивающим фактором, и максимальные концентрации продуктов для избежания ингибирования продуктом. Оптимальные условия реакции будут частично зависеть от конкретного применяемого микроорганизма. Однако в целом, может быть предпочтительно осуществлять ферментацию при давлении более высоком, чем давление окружающей среды. Работа при повышенном давлении позволяет значительно увеличить скорость перехода СО из газовой фазы в жидкую фазу, где он может быть поглощен микроорганизмом в качестве источника углерода для получения этанола. Это, в свою очередь, означает, что время удерживания (определяемое как объем жидкости в биореакторе, поделенный на скорость входящего потока газа) можно скорее уменьшить при поддержании биореакторов при повышенном давлении, а не при атмосферном давлении.

Кроме того, поскольку данная скорость превращения СО в этанол является в некоторой степени

- 14 031512 функцией времени удерживания субстрата, и обеспечение требуемого времени удерживания в свою очередь обуславливает объем биореактора, применение систем с повышенным давлением может значительно уменьшить объем требуемого биореактора и следовательно, капитальные затраты на ферментационное оборудование. Согласно примерам, приведенным в патенте США № 5593886, объем реактора можно уменьшить в линейной пропорции относительно величин повышения рабочего давления реактора, т.е. объем биореакторов, работающих при давлении в 10 атм, может составлять только одну десятую объема реакторов, работающих при давлении в 1 атм.

Преимущества проведения ферментации газа в этанол при повышенных давлениях было также описано в других документах. Например, в WO 02/08438 описаны процессы ферментации газа в этанол, выполняемые под изб. давлениями 30 psig (примерно 206 кПа) и 75 psig (примерно 517 кПа), что обеспечивает выходы этанола 150 и 369 г/л/сут. соответственно. Однако было обнаружено, что приведенные в качестве примера процессы ферментации, выполняемые с применением аналогичных сред и составов нагнетаемого газа при атмосферном давлении, привели к получению в 10-20 раз меньше этанола на 1 л в сутки.

Кроме того, желательно, чтобы скорость введения СО-содержащего газообразного субстрата имела значение, гарантирующее, что концентрация СО в жидкой фазе не станет ограничивающим фактором. Это связано с тем, что последствием условий ограниченного содержания СО может быть потребление культурой полученного в качестве продукта этанола.

Согласно конкретным вариантам реализации изобретения микробная культура содержит ацетогенные бактерии, такие как C.autoethanogenum, которые обычно утилизируют субстрат, содержащий СО, с получением продуктов, включающих ацетат и/или этанол. Согласно таким вариантам реализации изобретения микробную культуру можно выращивать в требуемых условиях в ферментативном бульоне для стимулирования роста и продуцирования ацетата. Фаза роста (или продуцирования) ацетогенных бактерий, как правило, связана с увеличением клеточного вещества (накоплением биомассы) и продуцированием ацетата, при небольшом сопутствующем продуцировании спирта или без такого продуцирования. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения микробную культуру подвергают возмущению с тем, чтобы кислоты, присутствующие в ферментативном бульоне, превращались в соответствующие спирты (например, ацетат в этанол и/или бутират в бутанол). Превращение кислот в спирты можно назвать фазой превращения.

Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения микробную культуру можно подвергнуть возмущению с тем, чтобы кислоты, полученные с применением культуры во время фазы продуцирования, превращались в спирты. Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения указанный способ представляет собой процесс с подпиткой или непрерывный процесс, который связывает продуцирование требуемой кислоты посредством микробной ферментации с последующим применением указанной кислоты для получения ее соответствующего спирта согласно способам, описанным в настоящем документе выше. Согласно такому варианту реализации изобретения указанный способ включает по меньшей мере стадии а) в первичном биореакторе ферментирования субстрата (предпочтительно субстрата, содержащего монооксид углерода, более предпочтительно газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода) с получением одной или более кислот, b) во вторичном биореакторе культивирования одного или более штаммов бактерий в присутствии субстрата, содержащего монооксид углерода, и с) введения одной или более кислот из (а) во вторичный биореактор во время, когда один или более штаммов бактерий находятся в фазе превращения с получением спиртов, соответствующих одной или более кислот. Согласно связанному варианту реализации изобретения дополнительные реакторы для культивирования могут поставлять бактерии в первичные и/или вторичные биореакторы. Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, полагают, что превращение кислот в спирты с помощью ацетогенных бактерий согласно настоящему изобретению, таких как C.autoethanogenum, происходит посредством биохимического пути с участием фермента альдегидоксидоредуктазы (AOR). AOR представляет собой уникальный вольфрам-содержащий фермент, способный восстанавливать неактивированные карбоновые кислоты до альдегидов. Альдегид можно дополнительно восстановить с помощью альдегиддегидрогеназы до спирта. AOR представляет собой важное ответвление пути сольвентогенеаза. Как было показано, вольфрамовый кофактор является решающим для ферментативной активности. Указанные ферменты можно обнаружить в ферментирующих микроорганизмах, таких как Clostridium, Desulfitobacterium и Pyrococcus. Лучше всего описанные AOR принадлежат к Pyrococcus furiosus, геном которого содержит пять AOR, четыре из которых были описаны. Первая AOR P.furiosus утилизирует широкий диапазон субстратов, но предпочитает альдегиды, полученные из аминокислот. Исследование ее кристаллической структуры выявило наличие сайта связывания вольфрама на основе молибдоптерина. Вторая AOR, глицеральдегид-3-фосфат-ферредоксин-оксиредуктаза (GFOR), утилизирует только глицеральдегиды-3-фосфат и третья AOR, формальдегид-ферредоксиноксиредуктаза (FOR), предпочитает альдегиды, содержащие от одного до трех атомов углерода. Четвертая AOR, WOR5, утилизирует широкий диапазон субстратов. AOR также была очищена от Clostridium formicoaceticum и thermoaceticum.

- 15 031512

Извлечение продукта.

Продукты реакции ферментации можно извлечь с применением известных способов. Типичные способы включают способы, описанные в WO 2007/117157, WO 2008/115080 и патентах США № 6340581, 6136577, 5593886, 5807722 и 5821111. В то же время, коротко и только в качестве примера, этанол можно извлечь из ферментативного бульона с помощью таких способов, как фракционная перегонка или испарение и экстрактивная ферментация.

Перегонка этанола из ферментативного бульона позволяет получить азеотропную смесь этанола и воды (т.е. 95% этанола и 5% воды). Далее безводный этанол можно получить путем применения технологии дегидратации этанола на основе молекулярных сит, которая также хорошо известна в данной области техники.

Методы экстрактивной ферментации включают применение смешивающегося с водой растворителя, представляющего низкую токсикологическую опасность для ферментирующего организма, для извлечения этанола из разбавленного ферментативного бульона. Например, олеиловый спирт представляет собой растворитель, который можно использовать в процессе экстракции такого типа. В этом процессе олеиловый спирт непрерывно вводят в ферментер, после чего указанный растворитель поднимается, образуя слой в верхней части ферментера, который непрерывно экстрагируют и пропускают через центрифугу. Затем воду и клетки легко отделяют от олеилового спирта и возвращают в ферментер, тогда как содержащий большое количество этанола растворитель загружают в установку мгновенного испарения. Большая часть этанола испаряется и конденсируется, тогда как нелетучий олеиловый спирт извлекают для повторного применения в процессе ферментации.

Ацетат также можно извлечь из ферментативного бульона с применением способов, известных в данной области техники. Например, можно использовать адсорбционную систему, включающую фильтр с активированным древесным углем. В этом случае микробные клетки обычно первыми удаляют из ферментативного бульона с применением подходящего способа отделения. В данной области техники известны многочисленные основанные на фильтрации способы получения бесклеточного ферментативного бульона для извлечения продукта. Затем бесклеточный содержащий этанол - и ацетат -пермеат пропускают через колонку, содержащую активированный древесный уголь, для адсорбирования ацетата. Ацетат в кислотной форме (уксусная кислота), а не в солевой форме (ацетат), более легко абсорбируется активированным древесным углем. Поэтому для превращения большей части ацетата в форму уксусной кислоты предпочтительно уменьшить рН ферментативного бульона до менее 3 перед его прохождением через колонку с активированным древесным углем.

Уксусную кислоту, адсорбированную в активированный древесный уголь, можно извлечь путем элюирования с применением способов, известных в данной области техники. Например, для элюирования связанного ацетата можно использовать этанол. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения сам этанол, полученный в процессе ферментации, можно использовать для элюирования ацетата. Поскольку точка кипения этанола составляет 78,8°С, и точка кипения уксусной кислоты составляет 107°С, этанол и ацетат можно легко отделить друг от друга с применением способа на основе летучести, такого как дистилляция.

Другие способы извлечения ацетата из ферментативного бульона известны в данной области техники и могут использоваться в способах согласно настоящему изобретению. Например, в патентах США № 6368819 и 6753170 описана система растворителя и сорастворителя, которую можно использовать для экстракции уксусной кислоты из ферментативных бульонов. Как и в случае системы на основе олеилового спирта, описанной выше и применяемой для экстрактивной ферментации этанола, в системе, предложенной в патентах США № 6368819 и 6753170, описаны не смешивающийся с водой растворитель/сорастворитель, которые можно смешивать с ферментативным бульоном как в присутствии, так и отсутствие ферментированных микроорганизмов, для выделения уксусной кислоты. Затем растворитель/сорастворитель, содержащие уксусную кислоту, отделяют от бульона путем перегонки. Далее можно использовать вторую стадию перегонки для очистки уксусной кислоты от системы растворитель/сорастворитель.

Продукты реакции ферментации (например, этанол и ацетат) можно извлечь из ферментативного бульона путем непрерывного удаления части бульона из ферментационного биореактора, отделяя микробные клетки от бульона (просто посредством фильтрации) и одновременно или последовательно извлекая один или более продуктов из бульона. Этанол можно легко выделить путем перегонки, а ацетат можно извлечь путем адсорбции на активированный древесный угль, используя способы, описанные выше. Отделенные микробные клетки можно возвратить в ферментационный биореактор. Бесклеточный пермеат, оставшийся после удаления этанола и ацетата, также можно возвратить в ферментационный биореактор. К бесклеточному пермеату можно добавить дополнительные питательные вещества (такие как витамины В) для пополнения питательной среды перед возвращением ее в биореактор. Кроме того, если рН бульона был отрегулирован, как описано выше, для усиления адсорбции уксусной кислоты в активированный древесный уголь рН следует заново довести до значения, аналогичного значению рН бульона в ферментационном биореакторе перед возвратом в биореактор.

- 16 031512

Удаление CO₂.

Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения система, применяемая для удаления СО₂, включает средство для селективного отделения СО₂ из объединенного потока и средство для превращения СО₂ в продукты и/или подготовки СО₂ для хранения или дополнительного применения. Альтернативно, указанный способ включает средство для превращения СО₂ в потоке непосредственно в продукты и/или вещества, подходящие для хранения или дополнительного применения. Согласно одному из вариантов реализации изобретения СО₂ селективно отделяют от объединенного газового потока с применением любого средства разделения, известного в данной области техники, такого как типичные способы, описанные ниже. Другие способы отделения СО₂, которые можно использовать согласно вариантам реализации настоящего изобретения, включают экстракцию оксидом металла, таким как СаО, и применение пористого углерода или селективной экстракции растворителем, такой как экстракция амином.

Амины, такие как водный моноэтаноламин (МЕА), дигликольамин (DGA), диэтаноламин (DEA), диизопропаноламин (DIPA) и метилдиэтаноламин (MDEA), широко применяют в промышленных масштабах для удаления СО₂ и сульфида водорода из потоков природного газа и технологических потоков, образующихся при переработке нефти.

СО₂, отделенный в таких процессах, можно направить на постоянное хранение. В данной области техники известно много примеров постоянного хранения СО₂, например подземное хранение (геосеквестрация), хранение в океане и хранение в минеральных веществах (например, превращение в карбонаты металлов).

Подземное хранение включает нагнетание диоксида углерода, обычно в сверхкритической форме, непосредственно в подземные геологические формации. В качестве мест хранения были предложены нефтяные месторождения, газовые месторождения, соленосные формации, неизвлекаемые угольные пласты и заполненные солями базальтовые формации. Для предотвращения улетучивания СО2 к поверхности можно использовать различные физические (например, высоконепроницаемую экранирующую породу) и геохимические механизмы улавливания. Согласно оценке Межправительственной группы по изменению климата в случае правильно выбранных, спроектированных и управляемых геологических мест хранения СО₂ может находиться в такой ловушке в течение миллионов лет, и вероятно такие места будут удерживать более 99% введенного СО₂ в течение более 1000 лет.

Было предложено несколько возможностей хранения диоксида углерода в океане: (i) растворяющее нагнетание СО₂ с помощью корабля или трубопровода в воду на глубину 1000 м или более и последующее растворение СО₂; (ii) озерное отложение СО₂ непосредственно на морское дно на глубину более 3000 м, где СО₂ плотнее воды и, как предполагают, образует озеро, которое будет замедлять растворение СО2 в окружающую среду; (iii) превращение СО2 в бикарбонаты (с применением известняка); и (iv) хранение СО₂ в твердых клатратных гидратах, уже существующих на дне океана, или применение при выращивании более твердого клатрата.

При хранении в минеральных веществах СО2 экзотермически взаимодействует с доступными в избытке оксидами металлов с получением стабильных карбонатов. Такой процесс протекает в природе на протяжении многих лет и отвечает за образование большей части поверхностного известняка. Скорость реакции можно увеличить, например, путем взаимодействия при более высоких температурах и/или давлениях или путем предварительной обработки минеральных веществ, хотя такой способ может потребовать применения дополнительной энергии.

Альтернативно, отделенный СО2 можно использовать для получения продуктов, например, для непосредственного или косвенного превращения в углеводороды. Хорошо известным способом получения углеводорода является способ получения метанола из СО₂ и Н₂. В данной области техники также известна каталитическая или электрохимическая диссоциация воды с получением кислорода и ионов водорода, при этом ионы водорода можно использовать для превращения СО2 в углеводороды. При нагревании СО₂ до 2400°C он расщепляется на монооксид углерода и кислород. Далее можно использовать способ Фишера-Тропша для превращения СО в углеводороды. В таких способах СО можно возвратить в процесс ферментации. К примеру, требуемую температуру можно обеспечить путем применения камеры, содержащей зеркало для фокусирования на газ солнечного света.

Альтернативно, отделенный СО₂ можно использовать в дополнительном процессе(ах) ферментации для получения продуктов. Специалисты в данной области техники поймут, что имеются много примеров реакций микробной ферментации, в ходе которых СО₂ превращается в продукты. Например, СО₂ можно превратить в метан путем анаэробной ферментации с помощью метаногенных микробов. Примеры такого и других связанных процессов ферментации описаны в упомянутом выше WO 2006/108532. Дополнительные примеры реакций ферментации с применением СО2 для получения продуктов рассмотрены в упомянутых выше WO 2007/117157 и WO 2008/115080. Кроме того, СО₂ является желательным сырьем при производстве синтез-газа. СО2 можно подавать в установку для риформинга (газификатор) для уменьшения потребления метана и улучшение/увеличение соотношения Н2:СО. Соответственно, согласно одному из вариантов реализации изобретения по меньшей мере часть отделенного СО2 можно подавать в газификатор, встроенный в процесс ферментации.

- 17 031512

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения отделенный СО2 можно превратить продукты, такие как цемент для производства бетона. В процессе имитирования морского цемента, образованного кораллами при построении их раковин и рифов, магний и/или кальций можно объединить с СО2 и получить карбонаты. Кроме того, СО2 легко абсорбируется водорослями в процессе фотосинтеза, который можно использовать для улавливания углерода из потоков отходов. Водоросли быстро растут в присутствии СО₂ и солнечного свете, и их можно собирать и превращать в продукты, такие как биодизельное топливо и/или спирт.

Альтернативно, СО₂ можно улавливать непосредственно из потока без необходимости применения дополнительной стадии отделения. Например, согласно конкретному варианту реализации изобретения поток, предпочтительно газообразный поток, содержащий СО2, можно пропустить через второй процесс ферментации для превращения СО2 в продукты.

Разделение газов.

Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения способ, применяемый для разделения газов, включает одну или более стадий, выбранных из криогенного фракционирования, просеивания через молекулярное сито, адсорбции, адсорбции с перепадом давления или абсорбции. Независимо от применяемого способа разделение газов можно осуществить для выделения из газового потока по меньшей мере части одного или более из следующих компонентов: Н₂, О₂, СО₂ и СО. Дополнительно или альтернативно, разделение газов согласно вариантам реализации настоящего изобретения можно использовать для удаления одной или более частей из газового потока (например, N₂, О₂) с тем, чтобы оставшуюся часть можно было более эффективно использовать, например, в биореакторе.

Адсорбция представляет собой накопление газов, жидкостей или растворенных веществ на поверхности твердого вещества или жидкости. Абсорбция представляет собой процесс, посредством которого одно вещество, например твердое вещество или жидкость, поглощает другое вещество, например жидкость или газ, через едва видимые поры или промежутки между его молекулами.

Адсорбция с перепадом давления (PSA) представляет собой адиабатический процесс, который можно использовать для очистки газов для удаления сопутствующих примесей путем адсорбции с применением подходящих адсорбентов в неподвижных слоях, содержащихся в герметичных сосудах при высоком давлении. Регенерацию адсорбентов осуществляют путем противоточной разгерметизации и продувки при низком давлении с помощью ранее извлеченного качественного газа. Для получения непрерывного потока продукта предпочтительно используют по меньшей мере два адсорбера таким образом, что по меньшей мере один адсорбер принимает газовый поток (такой как поток отработавших газов/выхлопных газов/биогаза) и фактически производит продукт требуемой чистоты. Одновременно, последующие стадии разгерметизации, продувки и повторного повышения давления до давления адсорбции выполняют в другом адсорбере(ах). Специалисты в данной области техники могут легко выбрать обычные адсорбенты в зависимости от типа примеси, которую предполагают адсорбировать и удалить. Подходящие адсорбенты включают цеолитовые молекулярные сита, активированный углерод, силикагель или активированный оксид алюминия. Можно использовать комбинации слоев адсорбентов, расположив их один над другим, разделяя тем самым содержание адсорберов на несколько отдельных зон. Адсорбция с перепадом давления включает варьирующий перепад параметров, таких как давление, температура, поток и состав газообразной и адсорбированной фазы.

Очистка или отделение газов с применением PSA обычно происходит при примерно температурах окружающего исходного газа, тем самым компоненты, подвергаемые удалению, селективно адсорбируются. В идеале адсорбция должна быть достаточно обратимой, чтобы можно было провести регенерацию адсорбентов при схожей температуре окружающей среды. PSA можно использовать для обработки и/или очистки большинства обычных газов, в том числе СО, СО2 и Н2. Примеры методов адсорбции с перепадом давления подробно описаны в Ruthven, Douglas M. et al., 1993, Pressure Swing Adsorption, John Wiley and Sons.

Молекулярное сито представляет собой материал, содержащий крошечные поры определенного и постоянного размера, который применяют в качестве адсорбента для газов и жидкостей. Молекулы, которые являются достаточно маленькими для прохождения через поры, адсорбируются, тогда более крупные молекулы не адсорбируются. Молекулярное сито похоже на обычный фильтр, но работает на молекулярном уровне. Молекулярные сита часто состоят из алюмосиликатных минералов, глин, пористого стекла, микропористого древесного угля, цеолитов, активного углерода или синтетических соединений, имеющих открытые структуры, через которые могут диффундировать маленькие молекулы, такие как азот и вода. Способы регенерации молекулярных сит включают изменение давления (например, в концентраторах кислорода) и нагревание и продувку с применением газа-носителя.

Мембраны можно использовать, например, для отделения водорода от газов, таких как азот и метан, для извлечения водорода, отделения метана от биогаза или для удаления водяного пара, СО2, H2S или летучих органических жидкостей. Как будет очевидно специалисту в данной области техники после рассмотрения настоящего описания, для достижения требуемой цели можно выбрать различные мембраны, в том числе пористые и непористые мембраны. Например, палладиевая мембрана позволяет переносить исключительно Н₂. Согласно конкретному варианту реализации изобретения СО₂ можно отделить от

- 18 031512 потока путем применения мембраны, проницаемой для СО₂. СО₂, отделенный от потока, можно направить в устройство для удаления СО₂, такое как газификатор, описанный ранее.

Криогенное фракционирование включает сжатие газового потока и охлаждение его до температуры, достаточно низкой для обеспечения отделения путем перегонки. Такой способ можно использовать, например, для удаления СО₂. Некоторые компоненты (например, воду) обычно удаляют из потока перед выполнением криогенного фракционирования.

Такие же методы также можно использовать для удаления кислорода из газообразного потока для получения анаэробных потоков, обогащенных СО и/или СО₂. Кроме того, кислород можно удалить биологическим способом, путем, например, подачи образующегося при горении выхлопного газа в герметически закрытый ферментер, содержащий факультативные аэробные микроорганизмы, восстановленный углеродный субстрат и необходимые для микроорганизмов питательные вещества. Факультативные аэробные микроорганизмы могут потреблять кислород с образованием анаэробных потоков, богатых СО и/или СО2.

В данной области техники также хорошо известны альтернативные способы отделения или удаления О₂ из газообразного потока. В то же время, к примеру, кислород можно просто восстановить и/или удалить с помощью горячей меди или каталитического конвертера.

Адаптирование способа разделения газов к конкретному источнику газа может сделать иной коммерчески нежизнеспособный способ биопревращения экономически целесообразным. Например, при подходящем отделении СО от потока автомобильных выхлопных газов из указанного потока можно получить полезный источник энергии и уменьшить выбросы нежелательного газа. Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения газообразный субстрат включает синтез-газ, содержащий СО и Н2, при этом разделение газов выполняют для удаления водорода из потока таким образом, чтобы его можно было выделить и использовать в качестве топлива за пределами процесса ферментации. СО можно использовать для подачи в реакцию ферментации.

Непостоянные газовые потоки.

Согласно различным аспектам настоящего изобретения субстрат для ферментации получают из промышленного источника. Как правило, субстраты, полученные из промышленных источников, являются газообразными и состав и/или давление таких газов могут меняться и в некоторых случаях могут быть непостоянными по природе. Согласно некоторым вариантам реализации в настоящем изобретении предложено средство для улучшения или выравнивания подачи газообразного субстрата в биореактор для ферментации для получения продуктов, в частности в случаях, когда подача субстрата является периодической или неравномерной по природе. Можно использовать любые известные средства для улучшения непрерывности или выравнивания потока газообразного субстрата; однако конкретные варианты реализации настоящего изобретения включают способы или системы, содержащие по меньшей мере одно буферное средство, приспособленное для приема непостоянного потока субстрата и для доставки, по существу, непрерывного потока субстрата в биореактор.

Согласно конкретным вариантам реализации изобретения буферное средство включает бак для хранения, выполненный с возможностью приема непостоянных газовых потоков. Непостоянный поток можно сжать перед прохождением в бак для хранения; альтернативно, бак для хранения можно выполнить с возможностью расширения при поступлении с него потока субстрата. Например, буферный бак для хранения может содержать плавающую крышу, выполненную с возможностью поднятия и опускания при размещении газообразного субстрата. Баки для хранения с плавающей крышей известны в данной области техники, например баки, применяемые размещения поставляемых материалов, и требуют флуктуации при подаче газа. Бак для хранения можно выполнить с возможностью подачи, по существу, непрерывного потока субстрата в ферментационный биореактор, и как таковой указанный бак может содержать средство для регулирования скорости потока, выходящего из бака.

Согласно таким вариантам реализации изобретения бак для хранения служит в качестве резервуара для субстрата. Однако согласно альтернативному варианту реализации изобретения буферный бак для хранения можно заменить альтернативной формой хранения, выполняющей ту же функцию. Например, альтернативные формы могут включать один или более процессов, выбранных из абсорбции, адсорбции и перепадов давления и/или температур. Дополнительно или альтернативно, субстрат можно растворить в жидкости в резервуаре или держать в матрице, такой как пористый твердый материал, до тех пор, пока он не потребуется. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения субстрат можно растворить в жидкости в баке для хранения и доставлять непосредственно в биореактор в растворе по мере необходимости. Альтернативно, сам биореактор можно выполнить таким образом, что свободное пространство над ферментационной жидкой питательной средой действует для непостоянного потока как буферная емкость. Например, система может включать средство для сжатия газообразного потока субстрата (при наличии) и передавать его в биореактор. При введении дополнительного субстрата давление в свободном пространстве в биореакторе будет возрастать. Субстрат таким образом является постоянно доступным для превращения в продукты посредством микробной ферментации. Согласно другому варианту реализации изобретения систему можно выполнить с возможностью приема потоков газообразного субстрата из множества периодических источников. Такая система может включать средство для

- 19 031512 объединения и/или перенаправления потоков для обеспечения, по существу, непрерывного потока субстрата в биореактор.

Микроорганизмы, применяемые в реакции ферментации, как правило, характеризуются допустимым диапазоном температур, выше или ниже которого скорость реакции значительно замедляется. По существу, система может включать средство охлаждения, при этом, когда доступность потока субстрата ограничена, среду в биореакторе можно охлаждать для замедления реакции ферментации и уменьшения потребности в субстрате. Наоборот, при увеличении доступности потока субстрата температуру внутри биореактора можно увеличить в направлении к верхнему краю температурного диапазона для повышения скорости реакции.

Альтернативно или дополнительно, средство охлаждения можно выполнить с возможностью выравнивания нагрузки на охлаждение таким образом, чтобы уменьшить пиковую нагрузку на охлаждение на ферментационную систему. Например, предположим, что нагрузка на охлаждение, необходимая, чтобы справиться с теплом внутри газового сырьевого потока и/или с экзотермическим эффектом ферментации в заданный период (пока газ подвергается обработке), составляет 2 МВт. Для поддержания содержимого ферментационного чана при постоянной температуре во время указанного периода тепло необходимо удалять с такой скоростью, чтобы поддерживать постоянную температуру внутри чана. Наоборот, в периоды, когда газ не обрабатывается и экзотермическая реакция, по существу, прекращается, нагрузка на охлаждение будет равна нулю. Таким образом, в частности, для крупномасштабных промышленных применений будут существовать периоды, когда нагрузка на охлаждение очень высокая, что накладывает значительные ограничения на систему. Путем выравнивания нагрузки на охлаждение уменьшают максимальную требуемую скорость охлаждения. Таким образом, можно работать с системой охлаждения более мелкого масштаба, хотя на непрерывной (или более непрерывной) основе.

Используя параметры, приведенные в предыдущем примере, но при условии, что периоды, когда газ обрабатывают, и периоды, когда газ не обрабатывают, имеют одинаковую продолжительность, тепло можно непрерывно отводить из ферментационного чана при 1 МВт. В указанных условиях скорость отвода тепла, когда газ подвергается обработке, не будет поспевать за поступлением/выделением тепла, и температура внутри ферментационного чана будет расти. При прекращении обработки газа, но продолжении охлаждения, температура внутри ферментационного чана будет падать. Таким образом, скорее требуется система охлаждения, рассчитанная на непрерывную нагрузку в 1 МВт, чем система, рассчитанная на нагрузку в 2 МВт, которая работает только половину времени. Однако повышение температуры и ее последующее падение должно быть ограничено для поддержания температуры внутри чана в пределах допустимого для микроорганизмов диапазона. Таким образом, согласно конкретным вариантам реализации изобретения, хотя нагрузка на охлаждение и не является постоянной, но ее можно выровнить таким образом, что ее колебания могут быть более плавными и/или более ограниченными в том смысле, что имеется меньшее различие между максимальной и минимальной нагрузками на охлаждение.

Промышленный отходящий газ как ресурс для ферментации.

Согласно другим аспектам настоящего изобретения промышленные отработавшие газы применяют в реакции ферментации без дополнительных стадий мокрой очистки или предварительной обработки или только при минимальном добавлении таких стадий, используемых для того, чтобы сделать указанные газы подходящими для ферментации. Отработавшие газы можно получить из любого ряда промышленных процессов. Настоящее изобретение имеет конкретную область применения, относящуюся к поддержанию получения этанола из газообразных субстратов, таких как высокообъемные промышленные дымовые газы, содержащие СО. Примеры включают газы, полученные при производстве продуктов черной металлургии, производстве продуктов цветной металлургии, в процессах нефтепереработки, при газификации угля, газификации биомассы, производстве электроэнергии, производстве черного углерода, производстве аммиака, производстве метанола и производстве кокса. Согласно конкретному варианту реализации настоящего изобретения отработавшие газы получают в процессе изготовления стали. Например, специалисты в данной области техники поймут, что отработавшие газы, полученные при проведении различных стадий процесса изготовления стали, содержат высокие концентрации СО и/или СО₂. В частности, отработавший газ, полученный при обезуглероживании стали различными способами, применяемыми в стальном производстве, например, в кислородном конвертере (например, BOF или KOBM (кислородно-конвертерный процесс Klockner Oxygen Blown Maxhutte)), имеет высокое содержание СО и низкое содержание О2, что делает его подходящим субстратом для анаэробной карбоксидотрофной ферментации.

Необязательно, отработавшие газы, полученные при науглероживании стали, пропускают через воду для удаления твердых частиц перед прохождением в отводную трубу или дымоход для направления отработавшего газа в атмосферу. Как правило, такие газы направляют в отводную трубу с помощью одного или более вентиляторов. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения по меньшей мере часть отработавшего газа, полученного при обезуглероживании стали, отводят в ферментационную систему с помощью подходящего трубопровода. К примеру, систему труб или другое средство переноса можно соединить с вытяжной трубой для отработавшего газа из сталелитейного завода для отведения по меньшей мере части отработавшего газа в ферментационную систему. Кроме того, один

- 20 031512 или более вентиляторов можно использовать для отведения по меньшей мере части отработавшего газа в ферментационную систему. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения трубопровод выполнен с возможностью направления по меньшей мере части отработавшего газа, полученного при обезуглероживании стали, в ферментационную систему. Регулирование подачи газов в биореактор и средство подачи газов в биореактор будут очевидны специалистам в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение.

Хотя сталелитейные заводы можно приспособить для, по существу, непрерывного получения стали и, соответственно, отработавших газов, конкретные аспекты указанного процесса могут быть непостоянными. Как правило, обезуглероживание стали представляет собой периодический процесс, продолжающийся от нескольких минут до нескольких часов. По существу, трубопровод можно выполнить с возможностью отведения по меньшей мере части отработавшего газа, например газа, полученного при обезуглероживании стали, в ферментационную систему, если определено, что отработавший газ имеет требуемый состав.

рН содержимого биореактора, применяемого в процессе ферментации, можно регулировать, при необходимости. Как будет понятно специалистам в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение, подходящее значение рН будет зависеть от условий, необходимых для конкретной реакции ферментации с учетом питательной среды и применяемых микроорганизмов. Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации изобретения при ферментации газообразного субстрата, содержащего СО, с применением Clostridium autoethanogenum, значение рН можно довести до приблизительно от 5,5 до 6,5, наиболее предпочтительно до приблизительно 5,5. Дополнительные примеры включают рН от 5,5 до 6,5 при применении Moorella thermoacetica для продуцирования уксусной кислоты, рН от 4,5 до 6,5 при применении Clostridium acetobutylicum для получения бутанола, и рН 7 при применении Carboxydothermus hygrogenaformans для получения водорода. Специалисты в данной области техники будут осведомлены о подходящих средствах для поддержания в биореакторе требуемого значения рН. В то же время, к примеру, для повышения и понижения величины рН ферментационной среды и поддержания требуемого значения рН можно использовать водные основания, такие как NaOH, и водные кислоты, такие как H₂SO₄.

Дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что, поскольку отсутствуют или используются только в минимальной степени мокрая газоочистка и/или другие способы обработки, выполняемые с отработавшими газами перед их применением в реакции ферментации, указанные газы будут содержать дополнительный материал, образующийся в результате промышленного процесса, при этом указанный дополнительный материал можно использовать, по меньшей мере, в некоторой степени в качестве сырья для реакции ферментации.

Смешивание потоков.

Как отмечалось ранее, может потребоваться смешивание потока промышленных отходов с одним или более дополнительных потоков для улучшения эффективности, продуцирования спирта и/или суммарного улавливания углерода при реакции ферментации. Не желая быть связанными теорией, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения карбоксидотрофные бактерии превращают СО в этанол согласно следующему уравнению:

6СО + 12Н₂ +ЗН₂О С₂Н₅ОН + 4СО₂

Однако в присутствии Н₂ общее превращение протекает следующим образом:

6СО + 12Н₂ + ЗН₂О ЗС₂Н₅ОН

Соответственно, когда промышленные потоки имеют высокое содержание СО, но содержат минимальное количество или не содержат Н₂, может потребоваться смешивание одного или более потоков, содержащих Н₂, с потоком отходов, содержащим СО, перед направлением такого объединенного потока субстрата в ферментер. Общая эффективность, выход спирта и/или суммарное улавливание углерода при ферментации будут зависеть от стехиометрии СО и Н₂ в объединенном потоке. В то же время согласно конкретным вариантам реализации изобретения объединенный поток может, по существу, содержать СО и Н₂ в следующих молярных соотношениях: 20:1, 10:1, 5:1, 3:1, 2:1, 1:1 или 1:2.

Кроме того, на различных стадиях ферментации может потребоваться обеспечение СО и Н2 в определенных соотношениях. Например, потоки субстрата со сравнительно высоким содержанием Н2 (таким как СО:Н2 1:2) можно направить на стадию ферментации во время запуска и/или фаз быстрого микробного роста. Однако при замедлении фазы роста, так что культуру поддерживают при, по существу, постоянной микробной плотности, содержание СО можно увеличить (например, по меньшей мере 1:1 или 2:1 или выше, при этом концентрация Н₂ может быть больше или равна нулю). Смешивание потоков также может иметь дополнительные преимущества, в частности, в случаях, когда поток отходов, содержащий СО, является непостоянным по природе. Например, непостоянный поток отходов, содержащий СО, можно смешать с, по существу, непрерывным потоком, содержащим СО и необязательно Н₂, и направить в ферментер. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения состав и скорость, по существу, непрерывного потока можно изменять в зависимости от непостоянного потока для поддержания обеспечения потока субстрата с, по существу, постоянным составом и скоростью потока в ферментер.

- 21 031512

Смешивание двух или более потоков для достижения требуемого состава может включать варьирование скоростей всех потоков или скорость одного или более потоков можно поддерживать постоянной при изменении скорости другого потока(ов) для уравновешивания или оптимизации потока субстрата для достижения требуемого состава. Для потоков, которые обрабатывают непрерывно, может быть необходима небольшая дополнительная обработка (такая как буферизация), или такая обработка не является необходимой, и указанный поток можно направить непосредственно в ферментер. Однако может потребоваться обеспечение буферного хранения потоков, когда один или более потоков доступны периодически и/или когда потоки доступны непрерывно, но применяются и/или продуцируются с изменяющимися скоростями.

Специалисты в данной области техники поймут, что перед смешиванием необходимо будет контролировать состав и скорости потоков. Контроль состава объединенного потока можно осуществить путем варьирования пропорций потоков компонентов для достижения заданного или желательного состава. Например, газовый поток при основной нагрузке может преимущественно представлять собой СО, и для обеспечения заданного соотношения Н₂:СО можно подмешивать вторичный газовый поток, содержащий высокую концентрацию Н₂. Состав и скорость объединенного потока можно контролировать с помощью любого средства, известного в данной области техники. Скорость объединенного потока можно контролировать независимо от процесса смешивания; однако скорости, с которыми могут быть отведены потоки отдельных компонентов, следует контролировать в определенных пределах. Например, поток, получаемый периодически, непрерывно отводимый из зоны буферного хранения, следует отводить с такой скоростью, чтобы объем зоны буферного хранения не был ни исчерпан, ни заполнен до отказа.

В момент смешивания отдельные составляющие газов будут поступать в смесительную камеру, которая обычно будет представлять собой маленький сосуд или участок трубы. В таких случаях сосуд или трубу можно оборудовать статическими смесителями, такими как разделительные перегородки, выполненные с возможностью стимулирования турбулентности и быстрой гомогенизации отдельных компонентов. Буферное хранение объединенного потока также можно обеспечить, при необходимости, для поддержания подачи, по существу, непрерывного потока субстрата в биореактор.

Необязательно, для обеспечения требуемой или желательной смеси в систему можно встроить обрабатывающее устройство, выполненное с возможностью контролирования состава и скоростей потоков компонентов и регулирования смешивания потоков в подходящих пропорциях. Например, для оптимизации эффективности выхода спирта и/или суммарного улавливания углерода можно использовать определенные компоненты по мере необходимости или при наличии.

Не всегда возможно или экономически целесообразно все время использовать СО и Н2 при конкретном соотношении. По существу, система, выполненная с возможностью смешивания двух или более потоков, как описано выше, может быть адаптирована для оптимизации указанного соотношения посредством имеющихся ресурсов. Например, в случаях, когда имеет место недостаточная подача Н2, система может включать средство для отведения избыточного количества СО из системы для получения оптимизированного потока и обеспечения улучшенной эффективности при продуцировании спирта и/или суммарном улавливании углерода. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения указанная система выполнена с возможностью непрерывного контролирования скоростей и составов по меньшей мере двух потоков и объединения их с получением отдельного объединенного потока субстрата оптимального состава и содержит средство для прохождения оптимизированного потока субстрата в ферментер. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения при применении карбоксидотрофных микробов для получения спирта оптимальный состав потока субстрата содержит по меньшей мере 0% Н₂ и имеет соотношение СО:Н₂ до примерно 1:2. В качестве неограничивающего примера конкретные варианты реализации настоящего изобретения включают использование конвертерного газа из процесса обезуглероживания стали в качестве источника СО. Как правило, такие потоки содержат небольшое количество или не содержат Н2, соответственно, может потребоваться объединение потока, содержащего СО, с потоком, содержащим Н2, для достижения более желательного соотношения СО:Н2. На сталелитейном заводе Н₂ часто получают в больших количествах в коксовой печи. Соответственно, для обеспечения требуемого состава поток отходов из коксовой печи, содержащий Н₂, можно смешивать с потоком отходов из конвертера, содержащим СО.

Дополнительно или альтернативно, для получения СО и Н₂ из различных источников можно использовать газификатор. Для обеспечения требуемого состава поток, полученный в газификаторе, можно смешивать с потоком, содержащим СО. Специалисты в данной области техники поймут, что для достижения определенного соотношения СО:Н2 условия в газификаторе можно контролировать. Кроме того, производительность газификатора можно наращивать и снижать для повышения и уменьшения скорости потока, содержащего СО и Н2, полученного в газификаторе. Соответственно, поток из газификатора можно смешивать с потоком субстрата, содержащим СО, для оптимизации соотношения СО:Н2 и повышения выхода спирта и/или суммарного улавливания углерода. Кроме того, производительность газификатора можно наращивать и снижать для обеспечения потока с варьирующей скоростью и/или составом, который можно смешивать с непостоянным потоком, содержащим СО, для получения, по существу, непрерывного потока требуемого состава.

- 22 031512

Другие источники СО и/или Н₂, которые можно смешивать с потоком субстрата, содержащим СО, включают преобразование углеводородов, таких как природный газ и/или метан, и преобразование метанола.

Варианты реализации настоящего изобретения описаны выше. Однако следует понимать, что конкретные этапы или стадии, необходимые в одном варианте реализации изобретения, могут не быть необходимыми в другом. Наоборот, этапы или стадии, включенные в описание конкретного варианта реализации изобретения, необязательно могут преимущественно использоваться в вариантах реализации, в которых они специально не упоминались.

Хотя настоящее изобретение в общем описано со ссылкой на любой тип потока, который может перемещаться через систему(ы) или около нее (их) с помощью любого известного средства переноса, согласно некоторым вариантам реализации изобретения потоки субстрата и/или потоки выхлопных газов являются газообразными. Специалисты в данной области техники поймут, что конкретные стадии могут быть связаны с помощью подходящего трубопровода или т.п., выполненного с возможностью приема или прохождения потоков по всей системе. Для облегчения доставки потоков на конкретные стадии можно использовать насос или компрессор. Кроме того, компрессор можно использовать для повышения давления газа, поступающего на одну или более стадий, например в биореактор. Как описано в настоящем документе выше, давление газов внутри биореактора может влиять на эффективность реакции ферментации, выполняемой внутри указанного биореактора. Таким образом, для улучшения эффективности ферментации давление можно регулировать. В данной области техники известны подходящие значения давления для проведения обычных реакций.

Кроме того, необязательно, для улучшения общей эффективности процесса системы или способы согласно настоящему изобретению могут содержать средства для регулирования и/или контролирования других параметров. В систему можно встроить одно или более обрабатывающих устройств для регулирования и/или контролирования определенных параметров процесса. Например, конкретные варианты реализации изобретения могут включать средство определения для контролирования состава субстрата и/или потока(ов) выхлопных газов. Кроме того, конкретные варианты реализации изобретения могут включать средство для регулирования доставки потока(ов) субстрата на конкретные стадии или элементы внутри конкретной системы, если средство определения установило, что поток имеет состав, подходящий для конкретной стадии. Например, в случаях, когда газообразный поток субстрата содержит низкие уровни СО или высокие уровни О₂, которые могут быть вредными для реакции ферментации, поток субстрата можно отвести от биореактора. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения система включает средство для мониторинга и регулирования маршрута потока субстрата и/или скорости потока, так что поток с требуемым или подходящим составом можно отвести на конкретную стадию.

Кроме того, может потребоваться нагревание или охлаждение конкретных компонентов системы или потока(ов) субстрата до проведения одной или более стадий в процессе или во время их проведения. В таких случаях можно использовать известные средства нагревания или охлаждения. Например, для нагревания или охлаждения потоков субстрата можно использовать теплообменники.

Кроме того, для улучшения работы или эффективности конкретной стадии система может включать одну или более стадий предварительной обработки/последующей обработки. Например, стадия предварительной обработки может включать средство для удаления из потока газообразного субстрата твердых частиц и/или длинноцепочечных углеводородов или смол. Другие предварительные или последующие операции, которые можно осуществить, включают отделение требуемого продукта(ов) из конкретных стадий, таких как, например, стадия производства в биореакторе (например, удаление этанола путем перегонки).

Настоящее изобретение было описано со ссылкой на некоторые предпочтительные варианты реализации изобретения для того, чтобы дать возможность читателю использовать изобретение на практике без излишнего экспериментирования. Специалисты в данной области техники поймут, что настоящее изобретение можно практически реализовать в виде большого количества вариантов и модификаций, отличающихся от вариантов и модификаций, описанных специально. Следует понимать, что настоящее изобретение включает все такие варианты и модификации. Кроме того, названия, заголовки или т.п. приведены для облегчения читателю понимания настоящего документа, и не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Полное описание всех заявок, патентов и публикаций, цитируемых в настоящем документе, включены в него посредством ссылки.

Более конкретно, как будет понятно специалисту в данной области техники, воплощение вариантов реализации настоящего изобретения может включать один или более дополнительных элементов. В конкретном примере или описании могли быть показаны только те элементы, которые необходимые для понимания настоящего изобретения в различных его аспектах. Однако объем настоящего изобретения не ограничен описанными вариантами реализации и включает системы и/или способы, содержащие одну или более дополнительных стадий и/или одну или более замененных стадий, и/или систем, и/или способов с исключением одной или более стадий. В настоящем описании отсутствует ссылка на какой-либо уровень техники, и это не должно считаться признанием или любой формой предположения, что такой

- 23 031512 уровень техники образует часть общего известного знания в данной области деятельности в любой стране.

В настоящем описании и в формуле изобретения, приведенной ниже, если контекст не требует иного, слова содержит, содержащий и т.п. следует понимать во включающем смысле в противоположность исключающему смыслу, т.е. в смысле в том числе, но не ограничиваясь этим.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ инокулирования нескольких биореакторов для ферментирования газообразного субстрата, выбранного из СО, СО₂, Н₂ и их смесей, путем использования центральной спускной линии, включающий:

a) подачу газообразного субстрата в первый первичный биореактор, содержащий жидкую питательную среду;

b) инокулирование первого первичного биореактора с помощью одного или более микроорганизмов;

c) ферментирование газообразного субстрата с получением ферментативного бульона, содержащего один или более микроорганизмов и один или более продуктов;

d) прохождение по меньшей мере части ферментативного бульона из первого первичного биореактора через центральную спускную линию для инокулирования по меньшей мере одного другого первичного биореактора;

e) функционирование по меньшей мере одного другого первичного биореактора в условиях, главным образом стимулирующих микробный рост; и

f) прохождение по меньшей мере части ферментативного бульона по меньшей мере из одного первичного биореактора через центральную спускную линию для инокулирования по меньшей мере одного вторичного биореактора;

g) подачу газообразного субстрата по меньшей мере в один вторичный биореактор, работающий в условиях, главным образом стимулирующих получение продуктов.
2. Способ поддержания стабильной ферментации газообразного субстрата, выбранного из СО, СО2, Н₂ и их смесей, в нескольких биореакторах, включающий:

a) подачу газообразного субстрата в два или более первичных биореактора, содержащих жидкую питательную среду, содержащую один или более микроорганизмов;

b) ферментирование газообразного субстрата в двух или более первичных биореакторах с получением ферментативного бульона, содержащего один или более микроорганизмов и один или более продуктов;

c) прохождение по меньшей мере части ферментативного бульона из одного первичного биореактора в один или более вторичных биореакторов через центральную спускную линию;

d) подачу газообразного субстрата в один или более вторичный биореактор;

e) определение, является ли один или более из первичных биореакторов, упомянутых в (с), работающим или нет, при этом, если один или более из первичных биореакторов является неработающим, по меньшей мере часть ферментативного бульона из одного или более работающих первичных биореакторов направляют в один или более вторичных биореакторов, упомянутых в (с), через центральную спускную линию;

где неработающий первичный биореактор, упомянутый в (е), инокулируют повторно с помощью одного или более работающих первичных биореакторов через центральную спускную линию.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в первичных биореакторах осуществляют процессы в условиях, главным образом стимулирующих микробный рост, и во вторичных биореакторах осуществляют процессы в условиях, главным образом стимулирующих получение одного или более продуктов.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичный биореактор, упомянутый в (а), используют, по существу, для одновременного инокулирования более чем одного других первичных биореакторов или вторичных биореакторов.
5. Способ по п.1, дополнительно включающий одновременное пропускание по меньшей мере части ферментативного бульона более чем из одного первичных биореакторов для инокулирования одного или более вторичных биореакторов.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем ферментативного бульона в одном или более первичных биореакторах, по существу, увеличивают перед прохождением по меньшей мере части ферментативного бульона, используемого для инокулирования одного или более первичных биореакторов или одного или более вторичных биореакторов.
7. Способ по п.2, дополнительно включающий определение, ограничена ли подача газообразного субстрата в первичные биореакторы или вторичные биореакторы, при этом, если подача газообразного субстрата ограничена, по меньшей мере один первичный биореактор или вторичный биореактор временно отключают до тех пор, пока не возобновится достаточная подача газообразного субстрата.
8. Способ по п.2, дополнительно включающий, по существу, увеличение объема ферментативного

- 24 031512 бульона в одном или более работающих первичных биореакторах или одном или более работающих вторичных биореакторах, когда по меньшей мере один первичный биореактор или по меньшей мере один вторичный биореактор становится неработающим, и отведение газообразного субстрата из неработающих биореакторов в работающий биореактор, что, тем самым, позволяет поддерживать стабильное образование продукта.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что все биореакторы работают в отдельных блоках, содержащих первичные биореакторы и вторичные биореакторы, соединенные через центральную спускную линию.
10. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанный продукт выбран из группы, состоящей из этанола, 2,3-бутандиола и ацетата.
11. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что микроорганизм представляет собой карбоксидотрофную бактерию, выбранную из группы, состоящей из Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium и Butyribacterium.
12. Биореакторная система для непрерывной ферментации газообразного субстрата, выбранного из СО, СО₂, Н₂ и их смесей, для осуществления способа по любому из пп.1-11, включающая:

a) два или более первичных биореактора, выполненных с возможностью ферментации газообразного субстрата с помощью одного или более микроорганизмов с получением ферментативного бульона;

b) один или более вторичных биореакторов, выполненных с возможностью ферментации газообразного субстрата с помощью одного или более микроорганизмов с получением одного или более продуктов; и

c) центральную спускную линию, при этом по меньшей мере два из первичных биореакторов указанной системы выполнены с возможностью обеспечения сообщения по текучей среде друг с другом и сообщения по текучей среде по меньшей мере с одним вторичным биореактором через центральную спускную линию.
13. Система по п.12, отличающаяся тем, что первичные биореакторы содержат выпускной трубопровод для прохождения ферментативного бульона в центральную спускную линию.
14. Система по п.12, дополнительно содержащая спускной насос, с помощью которого можно отвести ферментативный бульон из первичных биореакторов в центральную спускную линию.
15. Система по п.12, отличающаяся тем, что вторичные биореакторы содержат впускной трубопровод для приема ферментативного бульона из центральной спускной линии.
16. Система по п.12, отличающаяся тем, что указанная система содержит от 2 до 16 первичных биореакторов и от 1 до 16 вторичных биореакторов.

- 25 031512