[发明专利]用于连续气体发酵的多反应器系统和方法

说明书

本发明提供了一种用于使气体基质连续发酵的生物反应器系统，所述系统包括由中央排出管线连接的两个或更多个一级生物反应器和一个或多个二级生物反应器。还提供了一种利用中央排出管线对多个生物反应器进行接种的方法，所述方法包括经由中央排出管线将发酵液从第一一级生物反应器通到其它一级生物反应器和/或二级生物反应器中。还提供了一种用于跨越多个生物反应器维持气体基质的稳定发酵的方法，所述方法包括经由中央排出管线将发酵液从一个或多个可操作的一级生物反应器提供到一个或多个二级生物反应器中。

相关申请的交叉引用

本申请依据美国法典第35篇第111条(a)款是非临时申请并且依据美国法典第35篇第119条(e)款要求2013年7月4日提交的美国临时61/843,046的优先权益，该美国临时61/843,046在此以引用的方式整体并入本文。

技术领域

本发明涉及利用多生物反应器系统使气体基质进行连续发酵的系统和方法。本发明提供了一种系统，其中多个生物反应器由中央排出管线连接，所述中央排出管线允许所连接的生物反应器之间处于流体连通。还提供了一种用于缩短多个生物反应器的启动时间的方法。还提供了一种使用多个生物反应器进行灵活的连续气体发酵的方法。

背景技术

乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液体运输燃料。在2005年，在世界范围内，乙醇的消耗量估计有122亿加仑。由于欧洲、日本、美国以及一些发展中国家对乙醇的关注增加，因此燃料乙醇工业的全球市场也已经被预测在未来会急剧增长。

举例来说，在美国，使用乙醇生产E10，即10％乙醇在汽油中的混合物。在E10共混物中，乙醇组分充当补氧剂，从而提高燃烧效率并且减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇作为在汽油中共混的补氧剂以及其本身作为纯燃料这两者满足了约30％的运输燃料需求。此外，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放的后果的环境问题已经促使欧盟(European Union，EU)为成员国设立有关诸如生物质衍生的乙醇之类的可持续运输燃料的消耗的强制目标。

绝大多数的燃料乙醇是经由传统的基于酵母的发酵工艺生产的，这些发酵工艺使用作物衍生的碳水化合物，如从甘蔗提取的蔗糖或从粮食作物提取的淀粉，作为主要的碳源。然而，这些碳水化合物原料的成本会受到它们作为人类食物或动物饲料的价值所影响，而用于生产乙醇的产生淀粉或蔗糖的作物的种植并非在所有地区均是经济上可持续的。因此，所关注的是，研发使更低的成本和/或更丰富的碳资源转换成燃料乙醇的技术。

CO是诸如煤或石油和石油衍生产品之类的有机材料不完全燃烧的主要游离富含能量的副产物。举例来说，据报道，澳大利亚的钢铁工业每年产生并且向大气中释放超过500,000吨的CO。

可以使用催化工艺来使主要由CO和/或CO和氢气(H₂)组成的气体转化成多种燃料和化学品。还可以使用微生物来使这些气体转化成燃料和化学品。这些生物过程尽管一般比化学反应要慢，但是与催化工艺相比具有若干优势，包括更高的特异性、更高的收率、更低的能量成本以及更大的抗中毒性。

微生物依靠CO作为唯一的碳源生长的能力最初是在1903年被发现的。这随后被确定为利用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生化途径(也被称为伍兹-扬达尔途径(Woods-Ljungdahl pathway)和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶(CODH/ACS)途径)的生物体的特性。包括一氧化碳营养型生物体、光合生物体、产甲烷型生物体以及产乙酸型生物体在内的很多厌氧生物体已经被证实将CO代谢成各种最终产物，即CO₂、H₂、甲烷、正丁醇、乙酸盐以及乙醇。虽然使用CO作为唯一的碳源，但是所有这些生物体均产生这些最终产物中的至少两种。