[发明专利]优化发酵过程的方法

说明书

本发明涉及培养一种或多种能够代谢甲烷的微生物的方法，该方法包括以下步骤：(i)向发酵反应器中添加发酵培养基；(ii)将所述一种或多种微生物添加到发酵反应器中，提供接种的发酵培养基，其中所述一种或多种微生物不包括重组微生物；(iii)在一种或多种微生物发酵期间，向发酵反应器和/或接种的发酵培养基中添加C1‑C5碳源，例如甲烷；和(iv)任选地，在一种或多种微生物发酵期间向发酵反应器和/或接种的发酵培养基添加氧气，其中，将氧气添加到发酵反应器和/或接种的发酵培养基中，以提供发酵反应器中最多为10％(vol/vol)的未溶解氧气的含量和/或废气中气态氧的含量。

本发明的技术领域

本发明涉及一种发酵反应器和发酵方法。具体而言，本发明涉及包含气体传感器的发酵反应器，和用于甲烷营养型微生物或甲基营养型微生物的优化发酵方法。

发明背景

在传统发酵能够代谢甲烷的微生物的过程中，添加甲烷气体和氧气对于促进微生物的生长是非常重要的。将气体注入发酵培养基并进行各种混合步骤，以便在发酵培养基中溶解尽可能多的气体，从而使其可用于待培养微生物的繁殖和生长。由于不可能溶解引入发酵罐的所有气体，以及由于液体和气体之间存在的相平衡，导致一定量的甲烷气体和氧气成为未溶解的气体，将从发酵反应器中排出。

未溶解的氧的存在可能导致若干缺点，因此需要非常严格地控制，且最好避免，在发酵过程中未溶解的氧的过程和水平。

包含氧气和甲烷的未溶解气体的一个挑战是在出口处或甚至在发酵反应器内部存在发生着火和爆炸的风险。

因此，在错误的情况下，氧气和甲烷气体的混合物会导致爆炸危险，如图1中灰色区域所示。

由于燃料、氧化剂和点火源的存在，会引发着火。空气中的氧通常用作氧化剂。因此，在存在一定浓度的燃料和氧化剂的情况下，会开始着火。图1是氧气和甲烷的可燃混合物的典型三角形图(爆炸三角)，其中还包括氮气，但是氮气充当惰性气体(钝化剂)。这意味着，当氮浓度增加时，可燃性范围减小，观察到超过84％不发生点火(见图1)。氮气也可以被交换成二氧化碳(CO₂)，当CO₂含量超过73％时，在这里没有观察到燃点。

爆炸上限(UEL)和爆炸下限(LEL)是可燃气体的最重要的性质。大多数可燃材料表现出可燃性区域(图1中的灰色阴影区域)，即在其内的区域，混合物(图1中，甲烷和氧气的混合物)在所有浓度下都是可燃的。U形回路技术的当前操作方案包括用空气/氧气过量进料或吹扫以停留在“低于”爆炸下限的区域中。在目前的方法中，向废气中提供约2.5％甲烷的反应器中添加氧气，以确保不在可燃区/爆炸区。这种策略导致氧气的过高的消耗和损失，以及排放到大气中并损失的废气中的低浓度甲烷。

如下式(1)和(2)所示的标准化学计量法说明了为什么使用相对于甲烷浓度的高浓度的氧气。从标准化学计量的角度来看，为了提供所需的生物质产品，氧气的需求量高于甲烷的需求量，其中甲烷在氮源下与氧气发生反应。

所述标准化学计量学方程1以基于硝酸盐化学计量学为基础，在标准化学计量学方程2中，氨用作氮源。

所述化学计量比如下所示：

CH₄+1.22 O₂+0.104 NaNO₃-0.52生物质+0.48 CO₂+1.532 H₂O (1)

和

CH₄+1.45 O₂+0.104 NH₃-0.52生物质+0.48 CO₂+1.69 H₂O (2)