Способ ферментации газообразного субстрата, содержащего водород

Способ ферментации газообразного субстрата, содержащего водород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способам ферментации газообразного субстрата, содержащего водород. Настоящее описание конкретно относится к способам ферментации газообразного субстрата, содержащего водород, для получения одного или нескольких спиртов.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ранее были предложены способы получения химических соединений, таких как органические кислоты, например уксусная кислота, и спирты, например этанол, путем микробиологической ферментации газовых субстратов, содержащих монооксид углерода и водород, в средах, содержащих подходящие питательные вещества и следовые количества минеральных веществ, с помощью определенных микроорганизмов, таких как род Closthdium. Например, в патенте США №5173429, Gaddy и др., раскрыты Clostridium ljungdahlii ATCC №49587, анаэробные микроорганизмы, производящие этанол и ацетат из синтез-газа. В патенте США №5807722, Gaddy и др., раскрыты способ и аппаратура для превращения отходящих газов в полезные продукты, такие как органические кислоты, с помощью анаэробных бактерий типа Clostridium ljungdahlii ATCC No. 55380. В патенте США №6136577, Gaddy и др., раскрыт способ и аппаратура для превращения отходящих газов в полезные продукты, такие как органические кислоты и спирты (особенно этанол), с помощью анаэробных бактерий типа Clostridium ljungdahlii ATCC №№55988 и 55989.

В патентной заявке США №20070275447 раскрыты бактерии Clostridium (Clostridium carboxidivorans, ATCC BAA-624, "P7"), способные синтезировать из отходящих газов продукты, применяемые в качестве биотоплива. В патенте США №7704723 раскрыты бактерии Clostridium (Clostridium ragsdalei, ATCC BAA-622, "PI 1"), способные синтезировать из отходящих газов продукты, применяемые в качестве биотоплива.

В патенте WO 2007/117157 описано применение Clostridium autoethanogenum (Accession No. DSM 10061, DSMZ, Germany) для получения этанола путем анаэробной ферментации субстратов, содержащих монооксид углерода. В WO 2009/064200 раскрыты другие бактерии (Clostridium autoethanogenum, Accession No. DSM 19630, DSMZ, Germany) для получения этанола анаэробной ферментацией субстратов, содержащих монооксид углерода.

Как известно, скорость образования химических соединений типа спиртов зависит от плотности микробных клеток («плотности клеток») в ферментационной среде. Соответствующая высокая плотность клеток в биореакторе необходима для достижения и поддержания высокой скорости получения химических веществ.

В патенте США №6136577, Gaddy, раскрыт способ получения этанола путем ферментации с использованием рецикла клеток для повышения плотности клеток.

В патенте США №7285402, Gaddy и др., раскрыт способ анаэробной микробиологической ферментации для получения спирта, где для повышения плотности клеток предлагается проводить запуск процесса с использованием маточной культуры при избытке Н₂.

Запуск порции посевного материала из маточной культуры обеспечивает получение не содержащего примесей работоспособного посевного материала, однако процедура инокуляции протекает не всегда успешно в случае малой плотности клеток, особенно если параметры процесса, такие как скорость газа и скорость перемешивания, повышают слишком резко сразу после внесения посевного материала.

В настоящее время необходимы усовершенствованные способы повышения плотности клеток при микробиологической ферментации газообразного субстрата. Настоящее изобретение предлагает способ ускоренного повышения плотности клеток для микробиологической ферментации газообразного субстрата.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение раскрывает способ получения одного или нескольких спиртов из газообразного субстрата, включающий: ферментацию газообразного субстрата, содержащего водород (H₂) либо водород и монооксид углерода (СО), в водной среде в биореакторе; указанный способ включает повышение плотности клеток путем регулирования поглощения СО; причем регулирование поглощения водорода включает определение скорости подачи водорода; определение скорости отвода водорода; регулирование скорости подачи одного или нескольких газовых субстратов и водорода; причем регулирование скорости поглощения водорода включает подачу указанного газообразного субстрата таким образом, чтобы молярное соотношение указанного поглощения водорода и скорости подачи газообразного субстрата находилось в первом заданном интервале; причем регулирование поглощения водорода включает подачу указанного газообразного субстрата таким образом, чтобы молярное соотношение указанного поглощения водорода и скорости подачи водорода находилось во втором заданном интервале; причем указанный первый заданный интервал включает интервал 0.001-1.0; указанный первый заданный интервал включает интервал 0.005-0.5; указанный второй заданный интервал включает интервал примерно 0.01-0.1; указанный второй заданный интервал включает интервал 0.001-1.0; указанный второй заданный интервал включает интервал 0.005-0.5; указанный второй заданный интервал включает интервал 0.01-0.1; причем способ включает также подачу потока водной среды в биореактор; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора; также повышение плотности клеток путем регулирования скорости изменения удельного поглощения СО; причем регулирование изменения удельного поглощения СО включает определение скорости подачи СО; определение скорости отвода СО; определение массы клеток и регулирование скорости подачи СО; причем скорость изменения удельного поглощения СО включает заданные шаги удельного поглощения СО; причем указанные заданные значения удельного поглощения СО включают интервал примерно а 0.001-10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заданные значения удельного поглощения СО включают интервал примерно 0.01-5.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заданные значения удельного поглощения СО включают интервал примерно 0.1-1.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; причем указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов, в том числе: биологически чистые микроорганизмы; природные микроорганизмы; не встречающиеся в природе микроорганизмы; не встречающиеся в природе генетически модифицированные микроорганизмы; мутанты природных микроорганизмов; мутанты не встречающихся в природе микроорганизмов; рекомбинантные микроорганизмы; микроорганизмы, полученные методами генной инженерии; искусственно синтезированные микроорганизмы; указанный биореактор включает один или несколько реакторов; причем указанный биореактор включает установку для рецикла клеток; указанный СО-содержащий субстрат содержит водород; кроме того, способ включает подачу питательной среды в указанный биореактор.

Настоящее изобретение предлагает: способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего водород (H₂) либо водород и монооксид углерода (СО), в водную среду в биореакторе; причем указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает повышение плотности клеток путем регулирования поглощения водорода; причем регулирование поглощения водорода включает определение скорости подачи водорода; определение скорости отвода водорода; и регулирование скорости подачи одного или нескольких газовых субстратов и водорода; причем регулирование скорости поглощения водорода включает такую подачу указанного газообразного субстрата, чтобы молярное соотношение указанного поглощения водорода и скорости подачи газообразного субстрата находилось в первом заданном интервале.

В вариантах настоящего изобретения: регулирование поглощения водорода включает подачу указанного газообразного субстрата таким образом, чтобы молярное соотношение указанного поглощения водорода и скорости подачи водорода находилось во втором заданном интервале, причем указанный заданный интервал составляет примерно 0.001-1.0.

В вариантах настоящего изобретения: указанный первый заданный интервал составляет примерно 0.005-0.5; указанный второй заданный интервал составляет примерно 0.01-0.1; указанный второй заданный интервал составляет примерно 0.001-1.0; указанный второй заданный интервал составляет примерно 0.005-0.5; указанный второй заданный интервал составляет примерно 0.01-0.1.

Вариант настоящего изобретения включает подачу потока водной среды в биореактор и отвод потока ферментационного бульона из биореактора. Вариант настоящего изобретения включает подачу непрерывного потока водной среды в биореактор и отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора.

Вариант настоящего изобретения включает: повышение плотности клеток путем регулирования скорости изменения удельного поглощения СО; причем регулирование изменения удельного поглощения СО включает определение скорости подачи СО; определение скорости отвода СО; определение массы клеток; регулирование скорости подачи СО; причем скорость изменения удельного поглощения СО включает заданные значения удельного поглощения СО; указанные заданные значения удельного поглощения СО включают интервал примерно 0.001-10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заданные значения удельного поглощения СО включают интервал примерно 0.01-5.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заданные значения удельного поглощения СО включают интервал примерно 0.1-1.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

Вариант настоящего изобретения включает: указанные микроорганизмы по настоящему изобретению, которые включают один или несколько микроорганизмов, в том числе биологически чистые микроорганизмы; природные микроорганизмы; не встречающиеся в природе микроорганизмы; не встречающиеся в природе генетически модифицированные микроорганизмы; мутанты природных микроорганизмов; мутанты не встречающихся в природе микроорганизмов; рекомбинантные микроорганизмы; микроорганизмы, полученные методами генной инженерии и искусственно синтезированные микроорганизмы, причем указанные микроорганизмы выбирают из Acetogenium kivui, Acetobacteiium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium autoethanogenum (DSM 23693), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 of DSMZ Germany), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 of DSMZ Germany), Clostridium thermoaceticum, Eubacterium limosum, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 "(ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium ultunense, Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Clostridium coskatii, Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Geobacter sulfurreducens, Morrella thermacetica, Peptostreptococcus productus, Clostridium drakei, рекомбинантного организма (DSM 24138) и их смесей; причем указанные микроорганизмы включают один или несколько штаммов Clostndium ljundahlii, или один или несколько штаммов Clostndium ragsdalei, или один или несколько штаммов Clostridium carboxidivorans, или один или несколько штаммов Clostridium autoethanogenum; причем указанные микроорганизмы включают один или несколько генетически модифицированных микроорганизмов, полученных введением одного или нескольких выбранных генов в организм хозяина, который выбирают из любых штаммов Clostridium ljundahlii, или любых штаммов Clostridium ragsdalei, или любых штаммов Clostridium carboxidivorans, или любых штаммов Clostridium autoethanogenum; причем указанные микроорганизмы включают один или несколько генетически модифицированных организмов, полученных введением в любой организм хозяина одного или нескольких генов из любых штаммов Clostridium ljundahlii, или любых штаммов Clostridium ragsdalei, или любых штаммов Clostridium carboxidivorans, или любых штаммов Clostridium autoethanogenum.

Варианты способа по настоящему изобретению: указанный биореактор включает один или несколько реакторов; причем указанный биореактор включает установку для рецикла клеток.

Вариант способа по настоящему изобретению, в котором указанный СО-содержащий субстрат содержит водород.

Вариант способа по настоящему изобретению, включающий подачу питательной среды в указанный биореактор.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 представляет схему, иллюстрирующую вариант способа микробиологической ферментации газообразного субстрата.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Если не указано иное, нижеприведенные термины в описании данного изобретения определены следующим образом и могут включать либо единственную, либо множественные формы указанных ниже терминов.

Термин «примерно», модифицирующий любое количество, относится к вариации этого количества в реальных условиях поддержания культуры микроорганизма, например, в лаборатории, пилотной установке или производственной аппаратуре. Например, количество ингредиента или измеряемая величина в смеси или любое количество, модифицированные словом «примерно», включают вариации и степень точности, обычно применяемые при определении в условиях эксперимента на производстве или в лаборатории. Например, количество компонента продукта, модифицированное словом «примерно», включает вариации порций во многих экспериментах на производстве или в лаборатории и вариации, присущие данному методу анализа. Независимо от того, модифицированы количества термином «примерно» или нет, количества включают эквиваленты этих количеств. Любое количество, приведенное здесь и модифицированное термином «примерно», можно использовать в настоящем изобретении так же, как и количество, не модифицированное термином «примерно».

Термин «ацетоген» или «ацетогенный» относится к бактериям, которые генерируют ацетат в качестве продукта анаэробного дыхания. Эти организмы также называют ацетогенными бактериями, т.к. все известные ацетогены являются бактериями. Ацетогены находятся во многих средах, обычно в анаэробных условиях (в отсутствие кислорода). Ацетогены могут использовать различные соединения в качестве источников энергии и углерода; наилучшие изученные формы ацетогенного метаболизма включают использование диоксида углерода в качестве источника углерода и водорода в качестве источника энергии.

Термины «биореактор», «реактор» или «ферментационный биореактор» включают устройство для ферментации, состоящее из одного или нескольких сосудов и/или колонн или трубопроводов, которое включает поточный реактор с мешалкой (CSTR), барботажную колонну, газлифтовый ферментер, стационарный миксер или другие устройства, осуществляющие контакт газ-жидкость. Для способа по данному изобретению ферментационный биореактор может включать культивационный реактор, из которого ферментационный бульон подают во второй ферментационный биореактор, где получают основную массу продукта - этанол.

Термин «плотность клеток» означает массу клеток микроорганизмов в единице объема ферментационного бульона, например, г/литр.

Термин «рецикл клеток» или «система для рецикла клеток» или «срк» означает вариант отделения жидкости (пермеата) от твердых клеток микроорганизмов в ферментационном бульоне и возвращение всех или части указанных отделенных твердых клеток микроорганизмов в ферментер, в котором с использованием указанных микроорганизмов получают указанный ферментационный бульон. Обычно для указанного разделения используют фильтр. На фильтре получают поток пермеата, не содержащего твердых частиц микроорганизмов, и поток концентрированных твердых частиц микроорганизмов. Поток пермеата, не содержащего твердых частиц, может содержать твердые частицы размером меньше заданного.

Термин «конверсия» означает часть введенного количества, которая превратилась в продукт(ы); она определена следующим уравнением: (введенное количество - количество на выходе)/(введенное количество).

Термин «производительность по этанолу» означает количество этанола, полученного в единице объема ферментера за сутки. Объем ферментера является эффективным объемом или объемом жидкости в ферментере.

Термин «ферментация» означает ферментацию СО до спиртов и ацетата. Известно множество бактерий, способных осуществлять ферментацию СО до спиртов, в том числе бутанола и этанола, а также уксусной кислоты, пригодных для использования в способе по настоящему изобретению. Примеры таких бактерий, пригодных для использования в способе по настоящему изобретению, включают бактерии рода Clostridium, например, штаммы Clostridium ljungdahlii, включая описанные в WO 2000/68407, ЕР 117309, патентах США №№5173429, 5593886 и 6368819, WO 1998/00558 и WO 2002/08438, штаммы Clostiidium autoethanogenum (DSM 10061 и DSM 19630 of DSMZ, Germany), включая описанные в WO 2007/117157 и WO 2009/151342, и Clostn'dium ragsdalei (PI 1, ATCC BAA622), включая описанные соответственно в патенте США №7704723 и "Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas," Hasan Atiyeh, изданной в трудах Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010, и Clostiidium carboxidivorans (ATCC BAA-624), описанные в патентной заявке США №20070275447. Другие подходящие бактерии включают бактерии рода Moorella, в том числе Moorella sp HUC22-1, и бактерии рода Carboxydothermus. Описание каждой из этих публикаций полностью введено здесь ссылками. Кроме того, специалисты в данной области могут выбрать другие микроорганизмы для применения в способе по данному изобретению. Важно подчеркнуть, что в способе по настоящему изобретению можно применять смешанную культуру из двух или нескольких микроорганизмов. Одним из видов микроорганизмов, пригодных для применения в настоящем изобретении, является Clostiidium autoethanogenum. Ферментацию можно проводить в любом подходящем биореакторе, таком как проточный реактор с мешалкой (CTSR), барботажная колонна (BCR) или реактор с орошаемым слоем (TBR). Кроме того, в некоторых предпочтительных вариантах изобретения биореактор может включать первый культивационный реактор, в котором выращивают микроорганизмы, и второй ферментационный реактор, в который подают ферментационный бульон из культивационного реактора и в котором получают основную часть продукта ферментации (этанола и ацетата).

Термин «ферментационный бульон» означает: состав ферментационной среды включает все, что приводит к ферментационному бульону, включая исходные субстраты, продукты ферментации, микроорганизм(ы) и производные компоненты, химические добавки, питательные вещества и газы. В ферментационном бульоне присутствуют все три основные фазы: твердая, жидкая и газообразная, между которыми возможно взаимодействие.

Термин «ген» означает сегмент ДНК; он может включать области, предшествующие и следующие за кодирующей ДНК, а также интроны между экзонами; ген может быть единицей наследственности; в данном описании термин «ген» включает сегмент ДНК, который вносит вклад в фенотип/функцию; сегменты ДНК, которые клетки транскрибируют в РНК и транслируют, по крайней мере частично, в белки; последовательность (цепочка) оснований, состоящих из комбинаций А, Т, С и G. В целом, как предлагается в данном изобретении, это определение может иметь либо единственное, либо множественное значение.

Термин «микроорганизм» или «микроб» включает микроорганизмы, грибки, дрожжи, археи и протисты; микроскопические растения (называемые зелеными водорослями); и животные, такие как планктон, планарии и амебы. Иногда сюда включают также вирусы, но обычно их считают неживыми. Микроорганизмы живут во всех частях биосферы, где есть жидкая вода, включая грунт, горячие источники, дно океана, высокие слои атмосферы и трещины в скалах земной коры. Микроорганизмы критичны для рецикла питательных веществ в экосистемах, т.к. они действуют как деструкторы. Микробы также используют в биотехнологии, в традиционном производстве пищи и напитков и в современных технологиях, основанных на генной инженерии. Важно, что в данном изобретении можно применять микроорганизмы смешанных штаммов, которые могут содержать или не содержать штаммы разных микроорганизмов. Также важно, что с помощью направленной эволюции можно селективно подбирать микроорганизмы для применения в настоящем изобретении. Также очевидно, что мутагенез существующих микроорганизмов в результате обработки их различными химическими соединениями (для модифицирования ДНК) может привести к высокоактивным микроорганизмам. Важно также, что техника рекомбинантной ДНК позволяет создавать микроорганизмы путем отбора штаммов существующих микроорганизмов. Важно, что в настоящем изобретении можно применять бактерии, способные превращать СО и воду или Н₂ и CO₂ в этанол и уксусную кислоту. Некоторые примеры полезных бактерий включают Acetogenium kivui, Acetobacterium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacijicus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium autoethanogenum (DSM 23693), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 of DSMZ Germany), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 of DSMZ Germany), Clostridium thermoaceticum, Eubacterium limosum, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium ultunense, Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Clostridium coskatii, Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Geobacter sulfurreducens, Monella thermacetica, Peptostreptococcus productus, Clostridium drakei, рекомбинантный микроорганизм (DSM 24138J и их смеси. Специалист в данной области может выбрать другие бактерии для применения в этих способах. В целом, как принято в данном изобретении, такое определение может иметь единственное или множественное значение.

Термин «питательная среда» включает среду для культивирования микроорганизмов, которая может содержать один или несколько витаминов и минеральных веществ, способствующих культивированию выбранного микроорганизма. Компоненты разнообразных питательных сред, пригодных для применения в настоящем изобретении, известны и опубликованы в предшествующих работах, например, в Международной патентной заявке № WO 2008/00558, патенте США №7285402, патенте США №5807722; патенте США №5593886 и патенте США №5821111.

Термин «удельное поглощение СО» означает количество СО в ммолях, поглощенное единицей массы клеток микроорганизмов (г) в единицу времени в минутах, например ммоль/г/мин.

Термин «субстрат» означает вещество, которое подвергается действию фермента или микроорганизма и образует продукт ферментации. Например, сахар в ферментации сахара ферментами с образованием этанола; СО, CO₂ и Н₂ в ферментации сингаза микроорганизмами при получении одной или нескольких карбоновых кислот и спирта.

Термин «сингаз» или «синтез-газ» означает синтез-газ; так называется газовая смесь, содержащая различные количества монооксида углерода и водорода. Примеры способов получения включают паровой риформинг природного газа или углеводородов для получения водорода, газификацию угля и некоторые типы газификации газообразных отходов с получением энергии. Это название происходит от их использования в качестве промежуточных продуктов при получении синтетического природного газа (SNG) и синтезе аммиака или метанола. Сингаз также применяют как промежуточный продукт в производстве синтетической нефти для использования в качестве топлива или смазки путем синтеза Фишера-Тропша и ранее метода Мобил для превращения метанола в керосин. Сингаз состоит в основном из водорода, монооксида углерода и очень часто некоторого количества диоксида углерода.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает: способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего водород (Н₂) либо водород и монооксид углерода (СО), в водную среду в биореакторе; причем указанная среда содержит один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает повышение плотности клеток путем регулировании поглощения водорода; причем регулирование поглощения водорода включает определение скорости подачи водорода и регулирование скорости поглощения водорода и/или газообразного субстрата; причем регулирование поглощения водорода включает подачу газообразного субстрата таким образом, чтобы молярное соотношение указанного поглощения водорода и скорости подачи газообразного субстрата находилось в первом заданном интервале.

В вариантах настоящего изобретения: регулирование поглощения водорода включает подачу указанного газообразного субстрата таким образом, чтобы молярное соотношение указанного поглощения водорода и скорости подачи водорода находилось во втором заданном интервале; причем указанный первый заданный интервал включает интервал примерно 0.001-1.0.

В вариантах настоящего изобретения: указанный первый заданный интервал включает интервал 0.005-0.5; указанный второй заданный интервал включает интервал примерно 0.01-0.1; указанный второй заданный интервал включает интервал 0.001-1.0; указанный второй заданный интервал включает интервал 0.005-0.5; указанный второй заданный интервал включает интервал 0.01-1.

Один вариант настоящего изобретения включает подачу потока водной среды в биореактор и отвод потока ферментационного бульона из биореактора. В другом варианте изобретение включает подачу непрерывного потока водной среды в биореактор и отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора.

Варианты настоящего изобретения включают: повышение плотности клеток путем регулирования скорости изменения удельного поглощения СО; причем регулирование изменения удельного поглощения СО включает определение скорости подачи СО; определение скорости отвода СО; определение массы клеток; и регулирование скорости подачи СО; причем скорость изменения удельного поглощения СО включает заданные интервалы удельного поглощения СО; указанные заданные интервалы удельного поглощения СО включают интервал примерно 0.001-10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заднные интервалы удельного поглощения СО включают интервал примерно 0.01-5.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заданные интервалыудельного поглощения СО включают интервал примерно 0.1-1.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

Настоящее изобретение предлагает непрерывный способ получения смеси спиртов, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает определение общего поглощения водорода; подачу указанного газообразного субстрата с такой скоростью потока, чтобы молярное соотношение указанного общего поглощения водорода и подаваемого количества указанного газообразного субстрата находилось в заданном интервале примерно 0.001-1.0; также включает подачу непрерывного потока водной среды в биореактор; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора.

Настоящее изобретение предлагает непрерывный способ получения смеси спиртов, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает определение общего поглощения водорода; подачу указанного газообразного субстрата с такой скоростью потока, чтобы молярное соотношение указанного общего поглощения водорода и подаваемого количества газообразного субстрата находилось в заданном интервале примерно 0.001-1.0; способ также включает определение плотности клеток; регулирование подачи газообразного субстрата для повышения плотности клеток; изменение удельного поглощения СО в заданных количествах в интервале примерно 0.001-10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; способ также включает подачу непрерывного потока водной среды в биореактор; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора.

Настоящее изобретение предлагает непрерывный способ получения смеси спиртов, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает определение общего поглощения водорода и подачу указанного газообразного субстрата, содержащего водород, с такой скоростью потока, чтобы молярное соотношение указанного общего поглощения водорода и подаваемого количества указанного водорода в указанном газовом субстрате поддерживалось в заданном интервале; способ включает также подачу потока водной среды в биореактор; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора.

Настоящее изобретение предлагает непрерывный способ получения смеси спиртов, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов; определение массы клеток и удельного поглощения водорода и подачу указанного газообразного субстрата, содержащего водород, с такой скоростью потока, чтобы молярное соотношение указанного удельного поглощения водорода и подаваемого количества указанного газообразного субстрата на единицу массы клеток поддерживалось в заданном интервале; способ включает также подачу постоянного потока водной среды в биореактор; отвод постоянного непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора.

Настоящее изобретение предлагает непрерывный способ получения смеси спиртов, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов; определение массы клеток и удельного поглощения водорода и подачу указанного газообразного субстрата, содержащего водород, с такой скоростью потока, чтобы молярное соотношение указанного удельного поглощения водорода и подаваемого количества указанного водорода в указанном газовом субстрате на единицу массы клеток поддерживалось в заданном интервале; способ включает также подачу постоянного потока водной среды в биореактор; отвод постоянного непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора.

В вариантах настоящего изобретения: указанные микроорганизмы включают один или несколько видов биологически чистых анаэробных ацетогенных бактерий; причем указанные микроорганизмы включают один или несколько видов природных анаэробных ацетогенных бактерий; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе анаэробных ацетогенных бактерий; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе анаэробных ацетогенных бактерий, полученных генетическим модифицированием с использованием анаэробных ацетогенных бактерий в качестве организма хозяина; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе анаэробных ацетогенных бактерий, полученных введением генов анаэробных ацетогенных бактерий в организм хозяина; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов бактерий, которые выбирают из Acetogenium kivui, Acetobacteiium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacijicus, Carboxydothermus hydrogenofonnans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium autoethanogenum (DSM 23693), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 of DSMZ Germany), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 of DSMZ Germany), Clostridium thermoaceticum, Eubqcterium limosum, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium ultunense, Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Clostridium coskatii, Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Geobacter sulfurreducens, Morrella thermacetica, Peptostreptococcus productus, Clostridium drakei, рекомбинантного микроорганизма (DSM 24138) и их смесей; причем указанный микроорганизм включает один или несколько штаммов Clostridium ljundahlii, или один или несколько штаммов Clostridium ragsdalei или один или несколько штаммов Clostridium carboxidivorans, или один или несколько штаммов Clostridium autoethanogenum; причем указанные микроорганизмы включают один или несколько генетически модифицированных микроорганизмов, полученных введением одного или нескольких выбранных генов в организм хозяина, который выбирают из любых штаммов Clostridium ljundahlii, или любых штаммов Clostridium ragsdalei, или любых штаммов Clostridium carboxidivorans, или любых штаммов Clostridium autoethanogenum, указанные микроорганизмы включают один или несколько микроорганизмов, полученных введением одного или нескольких выбранных генов в организм хозяина, выбранный из любых штаммов Clostridium ragsdalei или любых штаммов Clostridium carboxidivorans или любых штаммов Clostridium autoethanogenum.

В вариантах настоящего изобретения: указанный биореактор включает один или несколько реакторов; причем указанный биореактор включает установку для рецикла клеток.

В одном варианте данного изобретения указанный СО-содержащий субстрат включает водород.

В одном варианте данного изобретения способ включает подачу питательной среды в указанный биореактор.

На фиг.1 представлен способ получения химических соединений, таких как смесь спиртов, из содержащего монооксид углерод (СО) газообразного субстрата, такого как сингаз, путем ферментации с помощью микроорганизмов, причем способ включает биореактор (100), содержащий ферментационного бульон с указанными клетками микроорганизмов и ферментационную среду. Газовый поток газообразного субстрата, содержащего СО (101), можно подавать в биореактор вместе с потоком ферментационной среды (102). Поток ферментационного бульона (110) с указанными клетками микроорганизмов и указанными полученными химическими соединениями можно отводить из указанного биореактора. Поток отходящего газа из ферментера (120), включающий неиспользованную часть указанного газообразного потока субстрата, отводят из биореактора. В одном варианте поток ферментационного бульона (110) перетекает в аппаратуру для рецикла клеток (200), в котором клетки концентрируют и возвращают (220) в биореактор. Поток пермеата (210) из указанного аппарата для рецикла клеток направляют на стадию выделения указанных химических соединений (не показана на схеме). В одном варианте поток ферментационного бульона (110) направляют на стадию выделения указанной смеси спиртов (не показана на схеме).

В одном варианте биореактор (100) снабжен мешалкой (105) для облегчения контакта газообразного потока субстрата и усиления массопереноса газообразного субстрата с жидкой средой ферментации. Желательно установить хорошую скорость массопереноса и, таким образом, обеспечить перемешивание в биореакторе во время ферментации.

Есть несколько вариантов отбора образцов потока газа, содержащего газовый субстрат, введенного в биореактор (101), и отходящего газа из биореактора (120) (не показаны на фиг.1). Есть вариант отбора образцов ферментационного бульона в реакторе (не показан на фиг.1). Указанные газообразные и жидкие образцы отбирают через определенные интервалы и анализируют на поглощение или образование различных компонентов газа, образование различных продуктов и оптическую плотность ферментационного бульона

Полученные величины можно использовать для расчета удельного поглощения (SCU) монооксида углерода (СО) и плотности клеток в ферментационном бульоне в реакторе с помощью следующих уравнений:

П о г л о щ е н и е  CO , ммоль/мин = ( ммоль/мин  введенного  CO ) − ( ммоль/мин о т в е д е н н о г о  CO )                                                                                                           ( 1 )

П о г л о щ е н и е  H 2 , ммоль/мин = ( подача H 2  ммоль/мин ) − ( отвод H 2  ммоль/ мин )             ( 2 )

П л о т н о с т ь  клеток , ​  г/л = ( оптическая плотность )   ( фактор разбавления ) ( к о н с т а н т а  массы клеток )                                                                         ( 3 )

М а с с а  клеток , г = ( плотность клеток ) ( о б ъ е м  биореактора )                     ( 4 )