Эта заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США 62/036,239, поданной 12 августа 2014, которая включена в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ Предусмотрен способ ферментации СО-содержащих субстратов. Более конкретно, способ включает определение концентрации нутриентов в ферментационной среде и поддержание этих концентраций в некоторых диапазонах концентраций. Способ дополнительно включает поддержание определенной концентрации нутриентов, являющейся эффективной для обеспечения STY, равной 10 г суммарного спирта/(л день) или более.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ферментация происходит в определенных жидких средах. Эти среды, как правило, включают различные источники макро- и микронутриентов, играющих важную роль в повышении производительности ферментации. Среды, применяемые для менее распространенных субстратов, таких как газообразные субстраты, требуют хорошо охарактеризованных сред для оптимизации производительности. Для анаэробной ферментации также необходимы четко определенные среды.
Анаэробные микроорганизмы способны продуцировать этанол из монооксида углерода (СО) посредством ферментации газообразных субстратов. В процессе ферментации с использованием анаэробных микроорганизмов из рода Clostridium образуется этанол и другие полезные продукты. Например, в патенте США номер 5,173,429 описан Clostridium ljungdahlii, номер АТСС 49587, анаэробный микроорганизм, который продуцирует этанол и ацетат из синтез-газа. В патенте США номер 5,807,722 описан способ и устройство для превращения газообразных отходов в органические кислоты и спирты с использованием Clostridium ljungdahlii, номер АТСС 55380. В патенте
США номер 6,136,577 описан способ и устройство для превращения газообразных отходов в этанол с использованием Clostridium ljungdahlii, номер АТСС 55988 и 55989.
В патенте США номер 7,285,402 описаны среды, которые используются для анаэробной ферментации газообразных субстратов с целью производства этанола. Различные компоненты и концентрации компонентов в среде являются эффективными для обеспечения высоких уровней производства этанола. Добавление определенных компонентов среды, необходимых для микроорганизмов, в разные моменты времени в процессе ферментации может обеспечить улучшение эффективности производства этанола и сделать процессы ферментации более стабильными.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ, обеспечивающий стабильную ферментацию СО-содержащих субстратов и улучшение эффективности производства этанола, включает поддержание компонентов среды в количествах, необходимых микроорганизмам для ферментации. Более конкретно, способ ферментации СО-содержащих субстратов включает обеспечение СО-содержащего субстрата для ферментации и ферментацию СО-содержащего субстрата. Способ дополнительно включает мониторинг концентрации нутриентов в ферментационной среде с использованием метода, выбранного из группы, состоящей из ионной хроматографии, спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, ионоселективных электродов, пламенной фотометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной ионизацией и их комбинации.
В другом аспекте, способ ферментации СО-содержащего субстрата включает обеспечение СО-содержащего субстрата для ферментации и ферментацию СО-содержащего субстрата; определение концентрации калия в ферментационной среде; и обеспечение первой среды и второй среды для ферментации, при этом первая среда подается со скоростью, эффективной для поддержания калия в ферментационной среде в диапазоне от примерно 20 до примерно 200 мг/л, до достижения нужной плотности клеток.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее описание не имеет ограничительного характера, оно приведено только с целью описания общих принципов вариантов осуществления, приведенных в качестве примера. Объем настоящего изобретения должен быть определен со ссылкой на формулу изобретения.
Определения
Если не указано иное, следующие термины, используемые в этом описании для раскрытия настоящего изобретения, имеют определенное ниже значение, и они могут включать либо форму единственного числа, либо форму множественного числа приведенных ниже определений.
Термин "примерно", модифицирующий любое количество, относится к вариациями этого количества, характерным для реальных условий, например, в лаборатории, опытно-промышленной установке или промышленном объекте. Например, когда количество ингредиента или параметра в смеси модифицировано термином "примерно", оно включает вариации и степень осторожности, которые имеют место при проведении измерений в экспериментальных условиях на промышленном предприятии или в лаборатории. Например, когда количество компонента продукта модифицировано термином "примерно", оно включает вариации между партиями для множества экспериментов на заводе или в лаборатории и вариации, присущие аналитическому методу. Независимо от того, модифицировано количество термином "примерно" или нет, количество включает эквиваленты этого количества. Любое количество, указанное в настоящем документе и модифицированное термином "примерно", также может быть использовано в настоящем раскрытии как количество, не модифицированное термином "примерно".
Термин "углеродистый материал" в контексте настоящего документа относится к материалу, богатому углеродом, такому как уголь, и нефтепродуктам. Тем не менее, в этом описании углеродистый материал включает любой углеродный материал в твердом, жидком, газообразном или плазменном состоянии. Среди многочисленных материалов, которые можно считать углеродистыми материалами, настоящее раскрытие предусматривает углеродистый материал, углеродистый жидкий продукт, углеродистый промышленный жидкостный рецикл, углеродистые твердые бытовые отходы (ТБО), углеродистые городские отходы, углеродистый сельскохозяйственный материал, углеродистый лесной материал, углеродистые древесные отходы, углеродистый строительный материал, углеродистый растительный материал, углеродистые промышленные отходы, углеродистые отходы ферментации, углеродистые нефтехимические побочные продукты, углеродистые побочные продукты производства спирта, углеродистый уголь, шины, пластик, пластиковые отходы, коксовый деготь, мягкое волокно (fibersoft), лигнин, черный щелок, полимеры, полимерные отходы, полиэтилентерефталат (РЕТА), полистирол (PS), осадки сточных вод, отходы животного происхождения, растительные остатки, сельскохозяйственные культуры, используемые в качестве источника энергии, отходы деревообработки, остатки переработки древесины, отходы животноводства, отходы птицеводства, отходы пищевой промышленности, отходы ферментативных процессов, побочные продукты производства этанола, пивная дробина, выработанные микроорганизмы или их комбинации.
Термин "мягкое волокно" (fibersoft, Fibersoft, fibrosoft, fibrousoft) означает тип углеродистого материала, который образуется в результате размягчения и концентрирования различных веществ; в качестве примера, углеродистый материал получают посредством обработки паром в автоклаве различных веществ. В другом примере мягкое волокно может включать обработку паром в автоклаве коммунально-бытовых, промышленных, коммерческих и медицинских отходов, в результате которой получается волокнистый мягкий (кашицеобразный) материал.
Термин "твердые бытовые отходы" или "ТБО" означает отходы, которые могут включать бытовые отходы, отходы коммерческого сектора, промышленные и/или остаточные отходы.
Термин "синтез-газ" или "синтетический газ" означает синтетический газ, который представляет собой газовую смесь, содержащую различные количества монооксида углерода и водорода. Примеры способов его производства включают паровой риформинг природного газа или углеводородов для получения водорода, газификацию угля и процессы в некоторых типах установок для превращения отходов в энергию путем их газификации. Название связано с его использованием в качестве промежуточного продукта в процессе производства синтетического природного газа (SNG) и для получения аммиака или метанола. Синтез-газ является горючим и часто используется в качестве источника топлива или в качестве промежуточного продукта в процессе производства других химических веществ.
"Тонна" или "тонна" относится к американской короткой тонне, т.е. примерно 907,2 кг (2000 фунтов).
В контексте данного документа эффективность производства выражается в STY. В этом аспекте, эффективность производства спирта может быть выражена в виде STY (объемная производительность выражается в г этанола/(л⋅день)).
СО-содержащий субстрат
СО-содержащий субстрат может включать любой газ, который содержит СО. В этом аспекте СО-содержащий газ может включать синтез-газ, промышленные газы и их смеси.
Синтез-газ может быть получен из любого известного источника. В одном из аспектов, синтез-газ может быть получен газификацией углеродистых материалов. Газификация включает частичное сжигание биомассы в условиях ограниченного доступа кислорода. Полученный газ, главным образом, содержит СО и H2. В этом аспекте, синтез-газ будет содержать, по меньшей мере, примерно 10 моль % СО, в одном из аспектов, по меньшей мере, примерно 20 моль %, в одном из аспектов, от примерно 10 до примерно 100 моль %, в другом аспекте, от примерно 20 до примерно 100 моль % СО, в другом аспекте, от примерно 30 до примерно 90 моль % СО, в другом аспекте, от примерно 40 до примерно 80 моль % СО, и в другом аспекте, от примерно 50 до примерно 70 моль % СО. Некоторые примеры подходящих способов и устройств для газификации предусмотрены в заявках на патенты США номер 61/516,667, 61/516,704 и 61/516,646, каждая из которых подана 6 апреля 2011, и в заявках на патенты США номер 13/427,144, 13/427,193 и 13/427,247, каждая из которых подана 22 марта 2012, и каждая из которых включена в настоящий документе посредством ссылки.
В другом аспекте, способ может применяться при производстве спирта из газообразных субстратов, например, большого объема СО-содержащих промышленных дымовых газов. В некоторых аспектах, газ, который включает СО, получают из содержащих углерод отходов, например, отходящих промышленных газов, или путем газификации других отходов. В таком виде, способ является эффективным способом поглощения углерода, который в ином случае попал бы в окружающую среду. Примеры промышленных дымовых газов включают газы, образующиеся в процессе выпуска продукции черной металлургии, выпуска продукции цветной металлургии, очистки нефти, газификации угля, газификации биомассы, производства электроэнергии, производства технического углерода, производства аммиака, производства метанола и производства кокса.
В зависимости от состава СО-содержащего субстрата СО-содержащий субстрат может подаваться непосредственно в способ ферментации или может быть дополнительно модифицирован, чтобы молярное отношение H2 к СО было соответствующим. В одном из аспектов, молярное отношение Н2 к СО для СО-содержащего субстрата, подаваемого в ферментер, составляет примерно 0,2 или более, в другом аспекте, примерно 0,25 или более, и в другом аспекте, примерно 0,5 или более. В другом аспекте, СО-содержащий субстрат, подаваемый в ферментер, может включать примерно 40 мольных процентов или более СО плюс H2 и примерно 30 мольных процентов или меньше СО, в другом аспекте, примерно 50 мольных процентов или более СО плюс Н2 и примерно 35 мольных процентов или меньше СО, и в другом аспекте, примерно 80 мольных процентов или более СО плюс Н2 и примерно 20 мольных процентов или меньше СО.
В одном из аспектов, СО-содержащий субстрат, в основном, содержит СО и Н2. В этом аспекте СО-содержащий субстрат будет содержать, по меньшей мере, примерно 10 моль % СО, в одном из аспектов, по меньшей мере, примерно 20 моль %, в одном из аспектов, от примерно 10 до примерно 100 моль %, в другом аспекте, от примерно 20 до примерно 100 моль % СО, в другом аспекте, от примерно 30 до примерно 90 моль % СО, в другом аспекте, от примерно 40 до примерно 80 моль % СО, и в другом аспекте, примерно от 50 до примерно 70 моль % СО. В СО-содержащем субстрате соотношение СО/СО2 будет составлять, по меньшей мере, примерно 0,75, в другом аспекте, по меньшей мере, примерно 1,0, и в другом аспекте, по меньшей мере, примерно 1,5.
В одном из аспектов, газовый сепаратор выполнен с возможностью, по существу, отделять, по меньшей мере, одну часть потока газа, где часть включает один или несколько компонентов. Например, газовый сепаратор может отделять СО2 от других компонентов в потоке газа, а именно СО, СО2, Н2, где СО2 может проходить через устройство для удаления СО2, а оставшийся поток газа (содержащий СО и Н2) может быть направлен в биореактор. Может быть использован любой газовый сепаратор, известный в данной области техники. В этом аспекте синтез-газ, подаваемый в ферментер, будет содержать примерно 10 моль % или меньше СО2, в другом аспекте, примерно 1 моль % или меньше СО2, и, в другом аспекте, примерно 0,1 моль % или меньше СО2.
Некоторые потоки газов могут включать высокую концентрацию СО и низкие концентрации Н2. В одном из аспектов может быть желательным оптимизировать состав потока субстрата, чтобы достичь более высокой эффективности производства спирта и/или общего поглощения углерода. Например, концентрацию Н2 в потоке субстрата можно увеличить до того, как поток попадет в биореактор.
В соответствии с конкретными аспектами настоящего изобретения, потоки из двух или более источников могут быть объединены и/или смешаны для получения желаемого и/или оптимизированного потока субстрата. Например, поток, содержащий высокую концентрацию СО, такой как выхлоп из конвертера сталелитейного завода, может быть объединен с потоком, содержащим высокие концентрации Н2, таким как отходящий газ из коксовой печи сталелитейного завода.
В зависимости от состава газообразного СО-содержащего субстрата дополнительно может быть желательным подвергнуть его обработке для удаления любых нежелательных примесей, таких как частицы пыли, перед введением газа в способ ферментации. Например, газообразный субстрат может быть отфильтрован или очищен с использованием известных способов.
Устройство и эксплуатация биореактора
Устройство ферментеров описано в заявках на патент США номер 13/471,827 и 13/471,858, обе из которых поданы 15 мая 2012, и в заявке на патент США номер 13/473,167, поданной 16 мая 2012, каждая из которых включена в настоящий документ посредством ссылки.
В соответствии с одним из аспектов способ ферментации запускается путем добавления среды в сосуд реактора. Некоторые примеры составов среды описаны в заявках на патент США номер 61/650,098 и 61/650,093, поданных 22 мая 2012, и в патенте США номер 7,285,402, поданном 23 июля 2001, каждый из которых включен в настоящий документ посредством ссылки. Среда может быть стерилизована с целью удаления нежелательных микроорганизмов, и в реактор инокулируют нужные микроорганизмы. Стерилизация не всегда является необходимой.
В одном из аспектов используемые микроорганизмы включают ацетогенных бактерий. Примеры используемых ацетогенных бактерий включают бактерии из рода Clostridium, такие как штаммы Clostridium ljungdahlii, включая штаммы, описанные в WO 2000/68407, ЕР 117309, патентах США номер 5,173,429, 5,593,886 и 6,368,819, WO 1998/00558 и WO 2002/08438, штаммы Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 и DSM 19630 из DSMZ, Германия) включая штаммы, описанные в WO 2007/117157 и WO 2009/151342, и Clostridium ragsdalei (P11, АТСС ВАА-622) и Alkalibaculum bacchi (СР11, АТСС ВАА-1772), включая штаммы, описанные соответственно в патенте США номер 7,704,723 и в "Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas", Hasan Atiyeh, представленном на конференции Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, 29 апреля 2010, и Clostridium carboxidivorans (АТСС PTA-7827), описанные в заявке на патент США номер 2007/0276447. Другие подходящие микроорганизмы включают микроорганизмы из рода Moorella, в том числе Moorella sp. HUC22-1, и микроорганизмы из рода Carboxydothermus. Каждая из этих ссылок включена в настоящей документ посредством ссылки. Могут быть использованы смешанные культуры двух или более типов микроорганизмов.
Некоторые примеры используемых бактерий включают Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi СР11 (АТСС BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 из DSMZ Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 из DSMZ, Германия), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (АТСС РТА-10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii O-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 из DSMZ, Германия), Clostridium ragsdali P11 (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui и их смеси.
Ферментация желательно должна проводиться в соответствующих условиях, чтобы происходил желаемый способ ферментации (например, СО-в-этанол). Условия реакции, которые следует учитывать, включают давление, температуру, скорость подачи газа, скорость подачи жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (если используется реактор с мешалкой), уровень инокулята, максимальную концентрацию газообразного субстрата, чтобы контролировать, что количество СО в жидкой фазе не стало лимитирующим, и максимальную концентрацию продукта, чтобы избежать ингибирования продуктом.
Способы по настоящему изобретению могут быть использованы для поддержания жизнеспособности микробной культуры, когда микробная культура ограничена в СО, таким образом, что скорость подачи СО в раствор меньше скорости поглощения культурой. Такие ситуации могут возникать, когда субстрат, содержащий СО, подается в микробную культуру не непрерывно; скорость массопереноса низкая; или содержание СО в потоке субстрата не достаточно для поддержания жизнеспособности культуры при оптимальной температуре. В таких вариантах осуществления, микробная культура будет быстро истощать СО, растворенный в жидкой питательной среде, и будет испытывать недостаток субстрата, поскольку дополнительный субстрат не может быть обеспечен достаточно быстро.
Запуск. После инокуляции начальная скорость подачи сырьевого газа устанавливается таким образом, чтобы она была эффективной для снабжения начальной популяции микроорганизмов. Отходящий газ анализируют, чтобы определить состав отходящего газа. Результаты анализа газа используются для контроля скорости подачи газа. В этом аспекте способ обеспечивает расчетную концентрацию СО для начального отношения плотности клеток, равного от примерно 0,5 до примерно 0,9, в другом аспекте, от примерно 0,6 до примерно 0,8, в другом аспекте, от примерно 0,5 до примерно 0,7, и, в другом аспекте, от примерно 0,5 до примерно 0,6.
В другом аспекте способ ферментации включает подачу синтез-газа в ферментационную среду в количестве, эффективном для обеспечения начальной расчетной концентрации СО в ферментационной среде, равной от примерно 0,15 мМ до примерно 0,70 мМ, в другом аспекте, от примерно 0,15 мМ до примерно 0,50 мМ, в другом аспекте, от примерно 0,15 мМ до примерно 0,35 мМ, в другом аспекте, от примерно 0,20 мМ до примерно 0,30 мМ, и, в другом аспекте, от примерно 0,23 мМ до примерно 0,27 мМ. Способ является эффективным для увеличения плотности клеток по сравнению с начальной плотностью клеток.
В контексте данного документа нужная плотность клеток означает плотность клеток, равную примерно 2,0 граммов/литр или более, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 30 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 25 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 20 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 10 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 8 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 3 до примерно 30 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 3 до примерно 6 граммов/литр, и в другом аспекте, от примерно 4 до примерно 5 граммов/литр.
После запуска. При достижении желаемых уровней жидкую фазу и клеточный материал извлекают из реактора, и его заполняют средой. Способ является эффективным для увеличения плотности клеток до примерно 2,0 граммов/литр или более, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 30 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 25 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 20 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 10 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 2 до примерно 8 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 3 до примерно 30 граммов/литр, в другом аспекте, от примерно 3 до примерно 6 граммов/литр, и в другом аспекте, от примерно 4 до примерно 5 граммов/литр.
Определение концентрации нутриентов
В одном из аспектов способ включает определение концентрации нутриента в ферментационной среде. Нутриенты, концентрация которых подвергается мониторингу, могут включать K, Mg, Р и их смеси. В этом аспекте концентрация нутриента, в частности, концентрация калия, может быть определена с использованием ионной хроматографии (IC), спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP), ионоселективных электродов, плазменной фотометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной ионизацией и их комбинации. Некоторые примеры способов, которые могут быть использованы, включают способы, описанные в Small, Hamish (1989). Ion chromatography. New York: Plenum Press. ISBN 0-306-43290-0; Tatjana Weiss; Weiss, Joachim (2005). Handbook of Ion Chromatography. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-527-28701-9; Gjerde, Douglas Т.; Fritz, James S. (2000). Ion Chromatography. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-527-29914-9; Joachim Weiss, Tatjana Weiss (Translated by) (2005). Handbook of Ion Chromatography, Third, Completely Revised and Enlarged Edition. John Wiley and Sons, Inc. 931p. ISBN: 3-527-28701-9; и Jackson, Peter; Haddad, Paul R. (1990). Ion chromatography: principles and applications. Amsterdam: Elsevier. ISBN 0-444-88232-4; каждые из которых включены в настоящий документ посредством ссылки. Некоторые примеры оборудования, которое может быть использовано, включают IС, поставляемые Thermo Scientific Dionex (www.thermoscientific.com/dionex) и OFITE (Houston, TX - www.ofite.com).
В другом аспекте способ может дополнительно включать определение концентрации калия, магния и/или РО4-3 в ферментационной среде. В этом аспекте способ может включать мониторинг и контроль калия, магния или РО4-3 или их комбинации. В нижеследующей таблице приведен пример используемых элементов и композиций.
Элемент добавляется в виде:
Состав среды и контроль скорости подачи среды
Эффективные составы сред описаны в заявке на патент США номер 13/889,700, поданной 8 мая 2013, и в заявках на патент США номер 13/890,324 и 13/890,777, обе из которых поданы 9 мая 2013, каждая из которых включена в настоящий документ посредством ссылки.
Ферментационная среда включает менее чем примерно 0,01 г/л дрожжевого экстракта и менее чем примерно 0,01 г/л углеводов.
Сера вводится в ферментацию в форме NaHS. В этом аспекте уровень H2S в отходящем газе при ферментации поддерживается в диапазоне от примерно 20 до примерно 500 ppm путем добавления эффективного количества NaHS к ферментационной среде. В другом аспекте уровень H2S в отходящем газе при ферментации поддерживается в диапазоне от примерно 200 до примерно 500 ppm, в другом аспекте уровень H2S в отходящем газе при ферментации поддерживается в диапазоне от примерно 250 до примерно 450 ppm, и, в другом аспекте, уровень H2S в отходящем газе при ферментации поддерживается в диапазоне от примерно 300 до примерно 400 ppm H2S.
В ходе осуществления способа рН поддерживается в диапазоне от примерно 3,5 до примерно 5,0, и в другом аспекте, от примерно 4 до примерно 5. Источником азота (N) является гидроксид аммония, который добавляется в виде отдельного потока под контролем рН, в результате NH4+ будет в небольшом избытке в диапазоне сотен ppm.
В соответствии с одним из аспектов способа в ферментацию подаются первая и вторая среда. В этом аспекте первая среда подается со скоростью, эффективной для поддержания концентрации калия в ферментационной среде в диапазоне от примерно 20 до примерно 200 мг/л до достижения нужной плотности клеток. В другом аспекте концентрация калия в ферментационной среде поддерживается в диапазоне от примерно 20 до примерно 160 мг/л, в другом аспекте, от примерно 20 до примерно 100 мг/л, в другом аспекте, от примерно 110 до примерно 190 мг/л, в другом аспекте, от примерно 120 до примерно 180 мг/л, в другом аспекте, от примерно 130 до примерно 170 мг/л, и, в другом аспекте, от примерно 140 до примерно 160 мг/л. При достижении нужной плотности клеток первая и вторая среда подаются со скоростью, эффективной для поддержания концентрации калия в ферментационной среде в диапазоне от примерно 20 до примерно 160 мг/л, в другом аспекте, от примерно 20 до примерно 50 мг/л, и, в другом аспекте, от примерно 30 до примерно 40 мг/л.
В другом аспекте среда подается со скоростью, эффективной для поддержания концентрации РО4-3 в диапазоне от примерно 10 до примерно 120 мг/л, в другом аспекте, от примерно 10 до примерно 100 мг/л, в другом аспекте, от примерно 10 до примерно 80 мг/л, в другом аспекте, от примерно 10 до примерно 50 мг/л, и, в другом аспекте, от примерно 10 до примерно 25 мг/л. При достижении нужной плотности клеток первая и вторая среда подаются со скоростью, эффективной для поддержания концентрации РО4-3 в ферментационной среде в диапазоне от примерно 10 до примерно 120 мг/л, в другом аспекте, от примерно 10 до примерно 80 мг/л, в другом аспекте, от примерно 10 до примерно 40 мг/л, и, в другом аспекте, от примерно 10 до примерно 25 мг/л.
В другом аспекте среда подается со скоростью, эффективной для поддержания концентрации Mg в диапазоне от примерно 1 до примерно 6 мг/л, в другом аспекте, от примерно 1 до примерно 4 мг/л, и в другом аспекте, от примерно 1 до примерно 3 мг/л, до достижения нужной плотности клеток. При достижении нужной плотности клеток первая и вторая среда подаются со скоростью, эффективной для поддержания концентрации магния в ферментационной среде в диапазоне от примерно 1 до примерно 6 мг/л, в другом аспекте, от примерно 1 до примерно 4 мг/л, и, в другом аспекте, от примерно 1 до примерно 3 мг/л.
В другом аспекте среда подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания отношения объемной скорости подачи первой среды к объемной скорости подачи второй среды, равного от примерно 15:1 до примерно 2:1, в другом аспекте, от примерно 10:1 до примерно 2:1, и, в другом аспекте, от примерно 4:1 до примерно 2:1.
В другом аспекте, способ включает контроль скорости подачи нутриентов для достижения желаемой концентрации нутриентов. В этом аспекте, если уровень калия оказывается выше, чем примерно 50 мг/л, количество первой среды снижается примерно на 10% каждые 4 часа до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень калия. В другом аспекте, если уровень фосфата оказывается меньше, чем примерно 10 ppm, количество первой среды увеличивается примерно на 10% каждый час до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень фосфата. В другом аспекте, если уровень магния оказывается меньше, чем примерно 1 мг/л, количество первой среды увеличивается примерно на 10% каждый час до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень магния.
Ферментация синтез-газа, осуществляемая в биореакторах со средой и ацетогенными бактериями, как описано в настоящем документе, является эффективным способом превращения СО в составе синтез-газа в спирты и другие продукты. В этом аспекте эффективность производства спирта может быть выражена в виде STY (объемная производительность, выраженная в г этанола/(л⋅день)). В этом аспекте способ является эффективным для обеспечения STY (объемная производительность), равной, по меньшей мере, примерно 10 г этанола/(л⋅день). Возможные значения STY находятся в диапазоне от примерно 10 г этанола/(л⋅день) до примерно 200 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 10 г этанола/(л⋅день) до примерно 160 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 10 г этанола/(л⋅день) до примерно 120 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 10 г этанола/(л⋅день) до примерно 80 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 10 г этанола/(л⋅день) до примерно 15 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 15 г этанола/(л⋅день) до примерно 20 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 20 г этанола/(л⋅день) до примерно 140 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 20 г этанола/(л⋅день) до примерно 100 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 40 г этанола/(л⋅день) до примерно 140 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, от примерно 40 г этанола/(л⋅день) до примерно 100 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, примерно 10 г этанола/(л⋅день), в другом аспекте, примерно 15 г этанола/(л⋅день), и, в другом аспекте, примерно 16 г этанола/(л⋅день).
Несмотря на то, что раскрытое в настоящем документе изобретение было описано с помощью конкретных вариантов осуществления, примеров и его применений, специалистам в данной области техники будут очевидны многочисленные модификации и вариации данного изобретения, которые не выходят за объем настоящего изобретения, изложенного в формуле изобретения.
Группа изобретений относится к биотехнологии. Предложены способ контроля ферментации и способ ферментации СО-содержащих субстратов с помощью ацетогенных бактерий при производстве этанола. Способ контроля ферментации СО-содержащих субстратов предусматривает мониторинг концентрации нутриентов K, Mg, РО4-3, Fe, Zn, Ni, Co и их смесей в ферментационной среде. Способ ферментации СО-содержащих субстратов включает поддержание концентрации калия в ферментационной среде в диапазоне от 20 до 200 мг/л при подаче первой среды, содержащей нутриенты, в ферментацию с эффективной скоростью до достижения плотности клеток от 2 до 30 г/л. Изобретения обеспечивают повышение выхода целевого продукта. 2 н. и 34 з.п. ф-лы.
1. Способ контроля ферментации СО-содержащего субстрата при производстве этанола, включающий:
подачу СО-содержащего субстрата в ферментацию и ферментацию СО-содержащего субстрата с помощью ацетогенных бактерий и
мониторинг концентрации нутриентов в ферментационной среде с использованием способа, выбранного из группы, состоящей из ионной хроматографии, спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, ионоселективных электродов, пламенной фотометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной ионизацией и их комбинации, где нутриентом, который подвергается мониторингу, является K, РО4-3, Mg и их смеси.
2. Способ по п. 1, где способом, который используется для мониторинга концентрации нутриента, является ионная хроматография.
3. Способ по п. 1, где способ обеспечивает нужную плотность клеток, равную от 2 до 30 г/л.
4. Способ по п. 3, где ферментационная среда включает первую и вторую среды, содержащие нутриенты.
5. Способ по п. 4, где первая среда до достижения нужной плотности клеток подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания концентрации калия в среде, равной от 20 до 200 мг/л.
6. Способ по п. 5, где первая среда после достижения нужной плотности клеток подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания концентрации калия в среде, равной от 20 до 160 мг/л.
7. Способ по п. 4, где первая среда до достижения нужной плотности клеток подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания концентрации РО4-3 в среде, равной от 10 до 120 мг/л.
8. Способ по п. 7, где первая среда после достижения нужной плотности клеток подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания концентрации РО4-3 в среде, равной от 10 до 100 мг/л.
9. Способ по п. 4, где первая среда до достижения нужной плотности клеток подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания концентрации Mg в среде, равной от 1 до 6 мг/л.
10. Способ по п. 9, где первая среда после достижения нужной плотности клеток подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания концентрации Mg в среде, равной от 1 до 4 мг/л.
11. Способ по п. 4, где вторая среда подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания соотношения объемной скорости подачи первой среды к объемной скорости подачи второй среды, равного от 15:1 до 2:1.
12. Способ по п. 4, где первая среда включает элементы, выбранные из группы, состоящей из K, Mg, Fe, РО4-3, Zn, Со, Ni и их смесей.
13. Способ по п. 4, где вторая среда включает элементы, выбранные из группы, состоящей из W, Se и их смесей.
14. Способ по п. 1, где в СО-содержащем субстрате молярное отношение СО/CO2 составляет по меньшей мере 0,75.
15. Способ по п. 1, где СО-содержащий субстрат содержит от 20 до 100 мол.% СО.
16. Способ по п. 1, где рН ферментационной среды поддерживается на уровне, равном от 3,5 до 5,0.
17. Способ по п. 16, где рН поддерживается добавлением гидроксида аммония.
18. Способ по п. 1, дополнительно включающий поддержание концентрации H2S в отходящем газе ферментации в диапазоне от 20 до 500 ppm H2S.
19. Способ по п. 18, где концентрация H2S в отходящем газе при ферментации, равная от 20 до 500 ppm, поддерживается путем добавления NaHS в ферментационную среду.
20. Способ по п. 1, где ацетогенные бактерии выбраны из группы, состоящей из Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CPll (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 из DSMZ, Германия), Clostridium carboxidivorans P7 (АТСС PTA-7827), Clostridium coskatii (АТСС РТА-10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii O-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 из DSMZ, Германия), Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui и их смесей.
21. Способ ферментации СО-содержащего субстрата при производстве этанола, включающий:
подачу СО-содержащего субстрата в ферментацию и ферментацию СО-содержащего субстрата с помощью ацетогенных бактерий;
определение концентрации калия в ферментационной среде и
подачу первой и второй содержащих нутриенты сред в ферментацию, где первая среда подается со скоростью, эффективной для поддержания концентрации калия в ферментационной среде в диапазоне от 20 до 200 мг/л, до достижения нужной плотности клеток, составляющей от 2 до 30 г/л.
22. Способ по п. 21, где первая среда после достижения нужной плотности клеток подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания концентрации калия в среде, равной от 20 до 160 мг/л.
23. Способ по п. 21, где в СО-содержащем субстрате молярное отношение СО/CO2 составляет по меньшей мере 0,75.
24. Способ по п. 21, где СО-содержащий субстрат содержит от 20 до 100 мол.% СО.
25. Способ по п. 21, где концентрацию калия в среде определяют способом, выбранным из группы, состоящей из ионной хроматографии, спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, ионоселективных электродов, пламенной фотометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной ионизацией и их комбинации.
26. Способ по п. 21, где вторая среда подается в ферментацию со скоростью, эффективной для поддержания соотношения объемной скорости подачи первой среды к объемной скорости подачи второй среды, равного от 15:1 до 2:1.
27. Способ по п. 21, где первая среда включает элементы, выбранные из группы, состоящей из K, Mg, Fe, РО4-3, Zn, Со, Ni и их смесей.
28. Способ по п. 21, где вторая среда включает элементы, выбранные из группы, состоящей из W, Se и их смесей.
29. Способ по п. 21, где рН ферментационной среды поддерживается на уровне от 3,5 до 5,0.
30. Способ по п. 21, где рН поддерживается путем добавления гидроксида аммония.
31. Способ по п. 21, дополнительно включающий поддержание концентрации H2S в отходящем газе при ферментации в диапазоне от 20 до 500 ppm H2S.
32. Способ по п. 31, где концентрация H2S в отходящем газе при ферментации, равная от 20 до 500 ppm, поддерживается путем добавления NaHS в ферментационную среду.
33. Способ по п. 21, где ацетогенные бактерии выбраны из группы, состоящей из Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CPll (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 из DSMZ, Германия), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 из DSMZ, Германия), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC РТА-10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii O-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 из DSMZ, Германия), Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui и их смесей.
34. Способ по п. 21, где способ является эффективным для обеспечения STY, равной 10 г суммарного спирта/(л день) или более.
35. Способ по п. 21, дополнительно включающий подачу первой среды в ферментацию до достижения нужной плотности клеток со скоростью, эффективной для поддержания концентрации PO4-3 в среде, равной от 10 до 120 мг/л.
36. Способ по п. 21, дополнительно включающий подачу первой среды в ферментацию до достижения нужной плотности клеток со скоростью, эффективной для поддержания концентрации Mg в среде, равной от 1 до 6 мг/л.
| Приспособление для суммирования отрезков прямых линий | 1923 |
|
SU2010A1 |
| Способ защиты переносных электрических установок от опасностей, связанных с заземлением одной из фаз | 1924 |
|
SU2014A1 |
| Многоступенчатая активно-реактивная турбина | 1924 |
|
SU2013A1 |
