專利名稱：用于獲得連續(xù)氣流和均勻氣體速度的排序生物反應(yīng)器組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用限定分開的氣體和液體接觸表面的轉(zhuǎn)化組件將氣體料流轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物。發(fā)明詳述
背景技術(shù)：
很多方法都保留了氣相與液相之間的可滲透屏障以保持相分離，同時促進(jìn)液相或氣相組分的轉(zhuǎn)化。在發(fā)酵和廢物處理應(yīng)用中，許多裝置和設(shè)備用于使氣體轉(zhuǎn)移至微生物。大多數(shù)這些方法使用一些形式的膜以提供氣相與液相之間的有限接觸。發(fā)現(xiàn)對于廢水處理和發(fā)酵方法，特定形式的膜用于負(fù)載特定類型的微生物。 US-A-4, 181，604公開了空心纖維膜在廢水處理中的用途，其中纖維的外表面負(fù)載一層微生物以從液相中需氧消化懸浮的淤渣。生物反應(yīng)器構(gòu)成一類轉(zhuǎn)化區(qū)，其中通過形成生物膜導(dǎo)致的細(xì)胞截留提供了提高生物反應(yīng)器中微生物的密度的非常好且通常便宜的方式。該膜為活化表面提供了具有大表面積的固體基體，所述活化表面包含以下細(xì)胞，所述細(xì)胞建群并形成生物膜以在所述細(xì)胞產(chǎn)生的生物聚合物基體中含有代謝細(xì)胞。2007年7月23日提交的序列號為11/781，717的共同未決美國專利申請公開了空心纖維膜系統(tǒng)用于使合成氣組分如CO或(X)2與H2的混合物與膜的表面接觸并轉(zhuǎn)移這些組分與生物膜在所述膜的相反側(cè)接觸以提供制備液體產(chǎn)物如乙醇、丁醇、己醇和其它化學(xué)品的穩(wěn)定系統(tǒng)。負(fù)載該膜的生物反應(yīng)器系統(tǒng)使用負(fù)載在液相中膜表面上的厭氧微生物轉(zhuǎn)化合成氣組分。該系統(tǒng)使用微孔膜或無孔膜或具有類似性能的膜將氣體轉(zhuǎn)移(溶解)在液體中， 同時兼用作載體，在該載體上，發(fā)酵細(xì)胞在濃縮層中生長成生物膜。液體借助泵送、攪拌或類似方式通過膜的液體側(cè)以除去乙醇和形成的其它可溶產(chǎn)物；該產(chǎn)物借助多種合適的方法回收。系統(tǒng)顯示出最適于保持空心纖維外部的液相和纖維腔內(nèi)部的氣相。另一形式的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可使用非對稱膜。已知這些膜用在多種膜分離方法如超濾和納濾中。非對稱膜通常為親水性的且具有一側(cè)負(fù)載在多孔聚合物層上的相對致密的半滲透 “皮膚”層。US-A-4，442，206和4，440，853顯示對于使用可溶性碳源的某些生物方法，在非對稱膜中使用聚合物層以固定微生物。
2008年2月22日提交的序列號為12/036，007的共同未決專利申請公開了這種非對稱膜適于并用于將合成氣生物轉(zhuǎn)化成液體，這是過去未顯示的。當(dāng)用于容納厭氧微生物以將氣相組分轉(zhuǎn)化成液相組分時，不對稱膜將提供提高液體產(chǎn)物產(chǎn)量的穩(wěn)定系統(tǒng)。不對稱膜的多孔側(cè)，稱作生物層，提供促進(jìn)并控制其中微生物菌落生長的孔，同時還暴露出直接向微生物供應(yīng)合成氣的表面。同時，具有比生物層更小的滲透性的該不對稱膜的另一層，稱作水化層，從該不對稱膜的相反側(cè)滲透液體。在用合成氣操作中，CO或CO2與H2的混合物通過生物層接觸不對稱膜的一側(cè)，同時含有營養(yǎng)素和產(chǎn)物的液體通過水化層接觸另一側(cè)。當(dāng)使用空心纖維時，當(dāng)液相接觸膜的外表面且液相通過腔時發(fā)現(xiàn)不對稱膜系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)。這些轉(zhuǎn)化方法通常以組件形式排列接觸表面。組件通常利用膜來提供接觸表面。 平板、螺旋纏繞和空心纖維代表了最通常的組件結(jié)構(gòu)形式。在液體產(chǎn)物的制備中，當(dāng)氣體料流通過轉(zhuǎn)化組件時，這些轉(zhuǎn)化方法將消耗一部分氣體料流。從氣體進(jìn)入直至離開各個組件，氣體的消耗降低了其體積。當(dāng)原始?xì)怏w料流連續(xù)通過多個組件時，氣體體積流速的降低將降低通過類似結(jié)構(gòu)組件的氣流區(qū)域的氣體速度。 例如在制備乙醇的生物轉(zhuǎn)化方法中，合成氣進(jìn)料通過組件組，其體積一共降低30-80%。通過下游組件中氣流區(qū)域的氣體速度降低可導(dǎo)致差的接觸條件、降低的氣體轉(zhuǎn)化速率和其中液體的冷凝。液體在膜表面上的冷凝可在其中存在至少部分氣相和合適條件的任何類型膜接觸排列中發(fā)生。液體累積可以改變流型并抑制跨越膜的氣體轉(zhuǎn)移性能，從而降低這種系統(tǒng)的生產(chǎn)率和選擇性。過量液體形成可以給任何類型的膜系統(tǒng)帶來問題。當(dāng)進(jìn)料合成氣含有濕氣時，當(dāng)合成氣消耗導(dǎo)致水過飽和時，可在微生物/氣體界面發(fā)生水的冷凝。甚至當(dāng)進(jìn)料合成氣為濕氣欠飽和的時，由于水分子由液體側(cè)擴(kuò)散至氣體側(cè)，合成氣在進(jìn)入組件以后可非?？斓刈兊脻駳怙柡?，導(dǎo)致組件內(nèi)下游過飽和并冷凝。如果冷凝在窄通道中發(fā)生，則發(fā)生最嚴(yán)重的問題。因此，當(dāng)液體累積在窄氣體通道中或空心纖維的腔中時，可證明膜幾何形狀如螺旋纏繞構(gòu)造和空心纖維是最有問題的。當(dāng)氣體料流通過轉(zhuǎn)化組件時，氣體組分的消耗導(dǎo)致氣體組成沿氣流方向改變。然而，在穩(wěn)態(tài)操作中，給定位置上的微生物顯示出大約恒定的氣體組成。長期暴露于特定氣體組成可對細(xì)胞生存力或代謝調(diào)節(jié)具有不利影響。例如，長期暴露于富含一些氣體組分的進(jìn)氣，可能導(dǎo)致過度的細(xì)胞生長或一種氣體組分比其它優(yōu)先消耗(即不平衡的氣體攝取)，而長期暴露于貧出氣，可導(dǎo)致缺氧和細(xì)胞死亡。理想的是具有克服以上缺點(diǎn)的組件膜支撐的生物反應(yīng)器和使用方法。發(fā)明概述本發(fā)明為一種通過多個提供氣液界面的轉(zhuǎn)化組件通過保持跨越氣體接觸表面的恒定氣體速度而管理氣流的方法。該轉(zhuǎn)化組件提供跨越活化表面的氣液界面，所述活化表面將至少一些氣體組分轉(zhuǎn)化成所需液體產(chǎn)物。當(dāng)氣體進(jìn)料在一系列組件中消耗時，通過調(diào)整組件的排列或組件之間氣體的中間加入而將氣體速度保持在相對均勻的條件下。根據(jù)本發(fā)明，組件的排列和氣流的控制提高了氣體的利用和所需液體產(chǎn)物的產(chǎn)量。在本發(fā)明一個形式中，進(jìn)料氣體連續(xù)通過多個轉(zhuǎn)化組件組，且當(dāng)氣體由初始組件組通向最后組件組時，各組中的轉(zhuǎn)化組件數(shù)下降。因此，初始組件組為進(jìn)入本方法的最大體積氣體提供最大的氣流區(qū)域。各個隨后的組件組限定較小的氣流區(qū)域以補(bǔ)償上游組件組中氣體的消耗。氣流區(qū)域下降使得系列中各組件組的各個組件中具有相對恒定的氣體體積流速并且在其收集氣體接觸側(cè)具有相對恒定的氣體速度。以這種方式，進(jìn)料氣體主要以活塞流流過該系列組件。實(shí)踐本發(fā)明的一種最簡單的方法通過在各連續(xù)流動段中使用相同尺寸和構(gòu)造的多個組件來降低氣流區(qū)域。該方法通過與通過系列中各段的體積流量成比例地降低各段中的組件數(shù)而保持通過各組件的更均勻的氣體速度。作為選擇，當(dāng)氣體連續(xù)通過各組件且其它氣體可進(jìn)入下游料流組件以補(bǔ)償上游氣體消耗時，組件構(gòu)造或組件數(shù)可保持相同。其它氣體可包括其它進(jìn)料氣或置換氣體。而本方法可提供更均勻的氣流，本方法確實(shí)導(dǎo)致另一部分進(jìn)料氣體通過較小的氣體接觸表面并具有比原始進(jìn)料氣更低的轉(zhuǎn)化率。在每種情況下，通過各段的氣流將在預(yù)定范圍內(nèi)改變。根據(jù)本發(fā)明，各系列段中各組件之間的氣體流速變化不大于30%，通常小于20%，更優(yōu)選小于10%。理想地，各段中各組件之間的體積速率應(yīng)保持基本恒定且變化不大于5%。基本上所有離開上游組件組的進(jìn)料氣通常通向相鄰組件組。使來自一組件組的基本上所有氣體直接通向下一個下游組件組意指至少90重量％的流出氣體，更優(yōu)選至少95 重量％的氣體通向下一組件組。該組件還包括在與氣體流動區(qū)域分開的獨(dú)立的液體流動區(qū)域中作為液體介質(zhì)流動的液相。液體介質(zhì)至少回收通過本轉(zhuǎn)化方法由從液體流動區(qū)域輸送的進(jìn)料氣制備的液體產(chǎn)物。液體介質(zhì)還可提供其它催化劑、反應(yīng)物或可消耗物至本轉(zhuǎn)化方法。例如，在生物轉(zhuǎn)化方法中，液體介質(zhì)還可向微生物提供營養(yǎng)素。任何數(shù)量的含有組件的連續(xù)段可用于本方法中。本方法的使用僅要求最少兩個組件，然而，大多數(shù)應(yīng)用將在本方法中含有至少第一、最后和中間段組件。本發(fā)明可適用于使用一系列組件跨越過氣液相分隔部分將氣體轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物的任何轉(zhuǎn)化方法。最典型的分隔形式包括微孔膜或無孔膜或具有類似性能的膜，其將氣體轉(zhuǎn)移(溶解)在液體中以輸送氣體組分。該組件可將氣流區(qū)域和液流區(qū)域構(gòu)造成任何合適的幾何形狀。平板、螺旋纏繞和空心纖維的膜構(gòu)造都是可接受的。在另一形式中，本發(fā)明可使用閥或其它流量控制器以定期排序功能或?qū)⒔M件分組使得組件位置相對于氣流交替。因此，組件可由接收進(jìn)氣流轉(zhuǎn)換為接收組件之間的中間氣流和最后在氣流離開本方法之前的氣流。當(dāng)本方法包括所選擇組件的定期重建或清洗時， 證明以這種方式排序是最有用的。在這種系統(tǒng)中，組件位置相對于氣流的排序可使得進(jìn)氣或出氣接觸最近經(jīng)受重建或清洗的組件。優(yōu)選，該方法使用微生物轉(zhuǎn)化合成氣，其將CO和/或(X)2與吐的混合物轉(zhuǎn)化成乙醇和其它可溶性產(chǎn)物。在這種情況下，膜可用作載體，發(fā)酵細(xì)胞在其上生長成生物膜并因此保留在濃縮層中。合成氣可在生物層中直接接觸微生物或從氣體側(cè)通過膜擴(kuò)散至生物膜中， 其中合成氣通過微生物轉(zhuǎn)變成有意義的可溶性產(chǎn)物。液體可借助泵送、攪拌或類似方式通向膜的液體側(cè)以除去形成的乙醇和其它可溶性產(chǎn)物；該產(chǎn)物借助多種合適的方法被回收。含微生物的組件定期經(jīng)受清洗以除去死亡細(xì)胞。清洗的類型取決于微生物的相位。如果保留在液相中，則對于微生物的最有效清洗技術(shù)可包括溫和且連續(xù)攪拌以洗去死亡細(xì)胞和其它生物碎片而不大規(guī)模地移去生物膜本身。當(dāng)組件保留微生物在膜的氣體側(cè)時，則最有效的清洗可包括使液體定期從膜的液體接觸側(cè)滲出至膜的氣體側(cè)以產(chǎn)生液體通過微生物層的少量沖刷。因此，在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種當(dāng)氣體進(jìn)料連續(xù)通過多個轉(zhuǎn)化組件時通過氣體進(jìn)料的部分消耗而由氣體進(jìn)料制備液體產(chǎn)物的方法。第一進(jìn)料氣體以平行流以第一體積速率流向限定第一氣流區(qū)域的第一組件組并以第一氣流速度進(jìn)入至少部分由第一組件的第一氣體接觸表面限定的第一氣流區(qū)域中以將一部分氣體進(jìn)料轉(zhuǎn)化成第一液體產(chǎn)物。第一液體介質(zhì)料流通向所述第一組件組的第一液體接觸表面以從液體接觸表面回收第一液體產(chǎn)物。至少一部分從第一氣流區(qū)域回收的第一流出氣體以第二體積流速通向限定第二氣流區(qū)域的第二組件組，所述第二氣流區(qū)域至少部分由第二組件的第二氣體接觸表面限定，以將一部分第一流出氣體轉(zhuǎn)化成第二液體產(chǎn)物。第二體積速率小于第一體積速率且第一氣流速度與第二氣流速度相比改變不大于30%。第二液體介質(zhì)料流通向所述第二組件組的第二液體接觸表面以從第二液體接觸表面回收第二液體產(chǎn)物。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明包括一種當(dāng)氣體進(jìn)料連續(xù)通過轉(zhuǎn)化組件組時通過氣體進(jìn)料的部分消耗而由氣體進(jìn)料制備液體產(chǎn)物的方法。使進(jìn)料氣體以平行流以第一體積速率和第一氣流速度通向包含各自限定均勻氣流區(qū)域的膜元件的第一組件組以共同提供第一氣流區(qū)域以使進(jìn)料氣體與其中的氣體接觸表面接觸而將一部分氣體進(jìn)料轉(zhuǎn)化成第一液體產(chǎn)物。使第一液體介質(zhì)料流通向由第一組件組的膜元件限定的第一液體接觸表面以從液體接觸表面回收第一液體產(chǎn)物。進(jìn)料氣體的剩余部分作為第一流出氣體從第一氣流區(qū)域回收。使至少一部分第一流出氣體以第二體積流速和第二流速通向包含膜元件的第二組件組，其中各個組件限定與第一組件組中各個組件相同的均勻氣流區(qū)域以共同提供第二氣流區(qū)域以使進(jìn)料氣體與氣體接觸表面接觸。該接觸使另一部分進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物。在該方法中，第一組件組含有比第二組更多的組件且第二體積速率小于第一體積速率。使第二液體介質(zhì)料流通向由第二組件組的膜元件限定的液體接觸表面以從第二液體接觸表面回收液體產(chǎn)物。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種當(dāng)氣體料流平行通過各生物轉(zhuǎn)化組件組內(nèi)的各個組件并連續(xù)通過各組生物轉(zhuǎn)化組件之間時通過氣體進(jìn)料的部分消耗而由氣體進(jìn)料制備液體產(chǎn)物的方法，其中生物轉(zhuǎn)化組件包括各自限定均勻氣流區(qū)域、液體接觸表面和保留微生物的生物層的氣體接觸表面的膜元件。在該方法中，進(jìn)料氣體以第一體積速率通向第一組件組以共同提供第一氣流區(qū)域并將一部分進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化成第一液體產(chǎn)物。第一液體介質(zhì)料流通向由所述第一組件組限定的液體接觸表面以從液體接觸表面回收第一液體產(chǎn)物。進(jìn)料氣體的剩余部分從第一氣流區(qū)域回收，并且至少一部分從第一氣流區(qū)域回收的進(jìn)料氣體以第二體積速率通向第二組件組以共同提供第二氣流區(qū)域以使進(jìn)料氣體與其中的氣體接觸表面接觸以將另一部分進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物。第二組件組含有比第一組件組更少的組件并且第二體積速率小于第一體積速率。第二液體介質(zhì)料流通向由第二組件組的膜元件限定的液體接觸表面以從第二液體接觸表面回收液體產(chǎn)物。進(jìn)料氣體的剩余部分從第二氣流區(qū)域回收。本方法通過使液體介質(zhì)從液體接觸表面滲至清洗模式的組件的氣體接觸表面以沖洗來自組件的氣體接觸表面的微生物而保持至少一個組件為清洗模式，并順序地改變清洗模式的組件使得所有組件定期經(jīng)受清洗。
本方法可適用于任何數(shù)量的組件和組件組。各組件組可包含多排組件或含有多個組件組的多個容器。本發(fā)明實(shí)踐的唯一要求是這種組件組具有氣體連續(xù)流過各組件組中至少一部分組件的配置，從而產(chǎn)生在氣流方向上減小的氣流區(qū)域。分開的組件組可以以任何方式確立使得組件從共用氣體分布點(diǎn)接收氣體并將氣體輸送至共用氣體收集點(diǎn)。組件組中所有氣流不需要平行通過所有組件。對各組件組中平行流動的要求源于需要限制各組件組中進(jìn)料氣體的總體積損失。因此，包括一個或多個連續(xù)流動的組件子組可增加組件組中的組件數(shù)，條件是通過組件組的氣流的總變化不會在組件組中產(chǎn)生上述類型的流動分布和冷凝問題。附圖簡述

圖1為顯示氣體通過多孔膜擴(kuò)散至液體中的示意圖及多孔膜、無孔膜和復(fù)合膜的細(xì)節(jié)。圖2為顯示將氣體輸送至兩個平行膜壁的中心通道的示意圖，其中將液相輸送至各個壁外部。圖3為顯示圖2的內(nèi)部通道的示意圖，其被管形式的膜的內(nèi)表面包圍，同時液體保留在膜圓周周圍。圖4為顯示不對稱膜的橫截面的示意圖，其中氣體料流與保留微生物在其中的生物層接觸且皮膚形式的水化層與液體接觸。圖5為顯示由圖4所示類型的兩個膜形成的中心通道的示意圖，其中氣體料流接觸外壁且液體接觸內(nèi)壁。圖6為顯示制成空心纖維的圖4不對稱膜的橫向橫截面示意圖，其中生物層在外部且水化層在內(nèi)部。圖7為分別用于具有氣體和液體循環(huán)的生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的雙頭膜組件的示意圖。圖8為用于具有氣體或液體的纖維間循環(huán)裝置的生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的雙頭膜組件的示意圖。圖9為顯示具有氣體和液體循環(huán)至各組件組的生物反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。圖10示意性地描繪出被液體保持容器圍繞的各堆疊組件組。圖11示意性地描繪出常規(guī)容器中的多個組件和具有控制組件氣體分布的閥的管道系統(tǒng)。圖12示意性地描繪出多個單個容器和用于控制組件氣體分布的管道系統(tǒng)。圖13描繪出作為單排保留組件組的容器。圖14為顯示圖13的排中組件的截面和剖視圖。發(fā)明詳述本發(fā)明使用微孔膜或無孔膜或具有類似性能的膜以固定微生物用于與進(jìn)料氣體料流和液體介質(zhì)接觸，所述進(jìn)料氣體料流含有供微生物消耗的進(jìn)料物質(zhì)，所述液體介質(zhì)具有提供水和營養(yǎng)素至微生物并輸送來自微生物的液體產(chǎn)物以回收的雙重功能。從功能上講，膜建立分開的氣相與液相之間的界面，同時允許氣體和/或液體跨越界面有限的轉(zhuǎn)移。這些膜配置采取兩種基本形式。在一個形式中，膜將微生物保留在接觸液相的膜的表面上，通常作為生物膜。該配置將含有微生物的膜元件外部浸沒在液體介質(zhì)中，并因此可稱為浸沒式構(gòu)造。在另一形式中，膜將微生物保留在接觸氣相的表面上并可在變得填充有微生物的較大孔開口中這樣做以提供包含生物孔的表面。在浸沒式構(gòu)造中，本方法必須將氣體轉(zhuǎn)移(溶解)在液體中以將合成氣中的進(jìn)料氣體組分直接輸送至使用它們的細(xì)胞，例如氣體中的CO和H2,微生物將其轉(zhuǎn)變成乙醇和其它可溶性產(chǎn)物。膜同時用作載體，發(fā)酵細(xì)胞在其上生長成生物膜并因此保留在濃縮層中。本方法導(dǎo)致合成氣以基本上100%的溶解和利用率而高效且經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)移，其中氣體通過膜從氣體側(cè)擴(kuò)散至生物膜中并通過微生物被轉(zhuǎn)變成有意義的可溶性產(chǎn)物。液體經(jīng)由泵送、攪拌或類似方式通入膜的液體側(cè)以除去形成的乙醇和其它可溶性產(chǎn)物；產(chǎn)物借助多種合適的方法被回收。在其中膜的氣體側(cè)保留微生物的膜配置中，膜可將生物膜保留在膜的表面上或可包括不對稱膜。在不對稱膜的情況下，多孔側(cè)，在這里稱作生物層，提供促進(jìn)并控制其中微生物菌落生長的孔，同時還暴露出直接為微生物供應(yīng)合成氣的表面。同時，具有比生物層更小的滲透性的該不對稱膜的另一層，在這里稱作水化層，從該不對稱膜相反側(cè)滲透液體。因此，這類配置使用不對稱膜以提供具有非常多孔的生物層和一層或多層水化層的多層膜結(jié)構(gòu)，生物層用于將微生物保留在它的孔內(nèi)，水化層用于控制將水供應(yīng)至生物層和由生物層供應(yīng)水。在它的操作中，氣體通過生物層接觸不對稱膜的一側(cè)，同時含有營養(yǎng)素和產(chǎn)物的液體通過水化層接觸另一側(cè)。生物層或水化層均可包含多個層。生物層、水化層和/或其它層在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中也可用于封閉孔開口、提取產(chǎn)物及提供濕氣和營養(yǎng)素。當(dāng)用于含有厭氧微生物以轉(zhuǎn)化合成氣(本文定義為包括任何含有CO和/或(X)2與 H2的混合物作為它的主要組分的氣體)時，系統(tǒng)以高效且經(jīng)濟(jì)的方式操作以基本上100% 的利用率轉(zhuǎn)移合成氣。因此，非對稱膜可提供發(fā)酵罐構(gòu)造的重要組件以提高由合成氣料流制備液體產(chǎn)物如乙醇、丁醇、己醇和其它化學(xué)物質(zhì)。在使用非對稱膜的合成氣發(fā)酵期間，來自合成氣的一氧化碳或氫氣/二氧化碳擴(kuò)散至多孔膜壁的生物層中并通過固定化微生物轉(zhuǎn)化成乙醇或其它水溶性產(chǎn)物，其然后擴(kuò)散至流過水化層的含水料流并被帶出生物反應(yīng)器。固定化微生物通過與通過水化層的含水料流接觸而保持水合。非對稱膜相對氣體接觸側(cè)定位一層或多層較少孔的水化層以建立界面以使水和痕量營養(yǎng)素從液體向所含微生物轉(zhuǎn)移，同時從微生物中提取液體產(chǎn)物。提取的液體流過水化層并進(jìn)入液體介質(zhì)。因此，所需產(chǎn)物和產(chǎn)生它們的合成氣以相同方向流過膜的各層，即由非常多孔的生物層至較少孔的水化層。接觸較少孔的層的液體在膜的液體接觸表面上循環(huán)，并離開生物反應(yīng)器至用于取出所需產(chǎn)物的設(shè)施。生物層的生物孔保留微生物以由合成氣制備產(chǎn)物。生物層保持微生物集中在生物孔中同時通過生物層的氣體接觸側(cè)仍然與合成氣直接接觸，從而保持可容易得到的合成氣組分通過保留的微生物提高乙醇和其它可溶性產(chǎn)物的產(chǎn)量。微生物可孤立地或作為生物膜存在于生物層中。微生物伸出生物孔外部并超過氣體接觸表面不會停止生物反應(yīng)器系統(tǒng)的操作。然而，生物層的厚度將限定任何生物膜或微生物菌落的厚度使得微生物填充生物孔至生物層氣體接觸側(cè)的水平面。這使得將微生物預(yù)先設(shè)計(jì)成厚度與生物層壁的厚度相匹配的層。這還提供了保持微生物良好受限并防止它們?yōu)碾y性損失的附加優(yōu)點(diǎn)。將水化層放在微生物與液體之間簡化了下游分離設(shè)施的操作。水化層提供微生物與含產(chǎn)物液體之間的堅(jiān)實(shí)屏障，其保持液體流向分離設(shè)施而沒有微生物和其它生物雜質(zhì)。從液體流出物中除去生物雜質(zhì)使不需要過濾和/或再循環(huán)這種原料。如果微生物居于氣體側(cè)，則合適的排列可通過使液體偶爾滲過膜至氣相側(cè)而從生物層或生物孔中清洗雜質(zhì)和廢料。該清洗的水可通過在重力的作用下滴至生物反應(yīng)器底部而離開細(xì)胞/氣體界面。非對稱膜可由任何材料或材料的集聚形成，其提供具有所述功能的生物層和水化層。在一個形式中，生物層包含親水性材料，其容易地提供水穿過生物孔并達(dá)到生物層氣體接觸側(cè)的表面。用于較少孔的水化層的親水性材料通過使水容易移動通過膜而提高膜的性能。在許多情況下，生物層和水化層包含與水化層相同的材料，在非對稱膜的一側(cè)采取皮膚的形式。包含皮膚層的水化層通常還會封閉生物孔以防止微生物遷移至液體介質(zhì)中。使用非對稱膜或其它膜(將膜的活性表面放在氣相中)或者保持活性表面與液相接觸的構(gòu)造使得生物反應(yīng)器系統(tǒng)可以采取多種構(gòu)造。無論在扁平還是螺旋纏繞構(gòu)造中，任何類型的排列均可包含空心纖維或平板。合適的空心纖維膜可將生物層或水化層放在腔側(cè)。合適的外殼可保留膜，以就膜一側(cè)的液體循環(huán)和相反側(cè)的本體氣流而言為并流、逆流或交叉流。在空心纖維的情況下，合成氣在纖維外側(cè)的循環(huán)有利于纖維的水平定向，使得無論是主要沿水平還是垂直方向伸長，生物反應(yīng)器均可很好地工作。液體在空心膜的腔側(cè)的循環(huán)提供明確的液體流動路徑并為膜外部的氣體流動提供鄰接空間。這允許非常高密度地組裝非對稱膜元件而不用擔(dān)心會干擾液體流型和產(chǎn)生循環(huán)流體停滯區(qū)域。許多商業(yè)組織主要提供兩種重要幾何形狀的這種膜-空心纖維和平板。這些然后可通過適當(dāng)罐封和裝配制成組件，這些組件在小體積內(nèi)具有非常高表面積的孔。適于在液體介質(zhì)中形成生物層的疏水性微孔空心纖維膜是已知的。用于這種應(yīng)用的商業(yè)膜組件的實(shí)例為來自Membrana(Charlotte，North Carolina)的Liqili-Cel 膜接觸器，其含有聚丙烯(PP)X40或X50空心纖維。含有X30纖維的CELGARD 微孔PP空心纖維膜也可由Membrana得到以用于氧合應(yīng)用。適于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的Liqui-Cel 膜組件具有大的膜表面積(例如對于Liqui-Cel Industrial 14x28,活性膜表面積為220m2)。
這些纖維的一些特征在下表中給出。表 1
X30Χ40Χ50孔隙率(標(biāo)稱)40%25%40%孔徑大小0. 03μιη0. 04μιη0. 04μιη內(nèi)徑240 μ m200 μ m220 μ m外徑300 μ m300 μ m300 μ m壁厚30 μ m50 μ m40 μ m
微孔PP空心纖維膜產(chǎn)品(CellGas 組件)可由 Spectrum Laboratories (Rancho Dominguez,California)得到以用于生物反應(yīng)器的溫和氧合而不會對微生物或細(xì)胞培養(yǎng)過度剪切。該P(yáng)P空心纖維為疏水性的，其中標(biāo)稱孔徑大小為0. 05 μ m且纖維內(nèi)徑為0. 2mm。就將疏水性微孔膜用于上述應(yīng)用而言，需要適當(dāng)管理跨越膜的壓差以避免液體中形成氣泡。如果壓差大于臨界壓力，其值取決于液體和膜的性能，則液體可進(jìn)入孔中(產(chǎn)生 “潤濕”)且顯著妨礙氣體轉(zhuǎn)移速率。為防止操作期間孔的潤濕，膜供應(yīng)商開發(fā)了一些復(fù)合膜。來自Membrana的
SuperPhobic 膜接觸器通過將物理屏障以透氣無孔膜層的形式放在接觸工藝液體的膜
表面上而保持氣相和液相獨(dú)立。SuperPhobic 4乂觀組件含有21. 7m2膜表面積。另一
種具有夾在兩個多孔膜之間的超薄無孔膜的復(fù)合空心纖維膜可以以具有34m2膜面積/組件的復(fù)合空心纖維的形式從Mitsubishi Rayon (Model MHF3504)得到。該方法可使用無孔(致密)聚合物膜，其通過跨越膜壁選擇性滲透而分離氣體。 在膜材料中的溶解性和通過膜壁中分子自由體積的擴(kuò)散速率決定它對于各種氣體的滲透速率。在膜中具有高溶解度的氣體和分子尺寸小的氣體比更大、溶解度更低的氣體滲透更快。因此，所需氣體分離通過使用具有合適選擇性的膜與適當(dāng)操作條件實(shí)現(xiàn)。例如來自 Medal (Newport，Delaware)的氫膜用于氫氣的回收和提純，其中氫氣比(X)2優(yōu)先滲透。Medal 也提供其中ω2優(yōu)先滲透的除(X)2的膜。另夕卜，Applied Membrane Technology, Inc. (Minnetonka, Minnesota)禾口 Senko Medical Instrument ManufacturingCTokyo，日本)制造了在聚丙烯微孔空心纖維表面上具有薄無孔聚硅氧烷層的復(fù)合膜并評估用于人工肺應(yīng)用。參見“Evaluation of Plasma Resistant Hollow Fiber Membranes for Artificial Lungs，，,Heide J. Eash 等人,ASAIO Journal,50(5) :491-497(2004)。由聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚乙烯(ΡΕ)、PP、聚(氯乙烯)(PVC)或其它聚合物材料制成的膜也證明是非常有用的。典型的孔徑大小為0.03-0. 4 μ m。典型的空心纖維外徑為 0. 5-2. 8mm 且內(nèi)徑為 0. 3-1. 2mm。其它有用的膜包括由聚甲基戊烯(PMP)制成的空心纖維膜。這些PMP空心纖維膜為無孔的并為有皮膚的非對稱或致密型，如“Evaluation of Plasma Resistant Hollow Fiber Membranes for Artificial Lungs，，，Heide J. Eash 等人，ASAIO Journal, 50 (5) 491-497(2004)和美國專利 7，118,672 B2 中所述?？捎蒑istubishi Rayon (Tokyo,日本)得到的空心纖維膜MeraporeSUN 由具有改性親水性膜表面的PE制成。空心纖維的標(biāo)稱孔徑大小為0. 4 μ m且纖維外徑為0. 54mm。 SteraporeSUN 膜裝置Model SUN21034LAN的總膜表面積為210m2，含有70個各自具有3m2 膜面積的膜元件。另一空心纖維膜MeraporeSADF 可由 Mitsubishi Rayon 得到。該膜由 PVDF 制成，標(biāo)稱孔徑大小為0. 4 μ m且纖維外徑為2. 8mm。每個MeraporeSADF 膜元件Model SADF2590含有25m2膜表面積，每個含有20個SADF2590膜元件的MeraporeSADF 膜裝置 Model SA50090APE06 的總膜表面積為 500m2。Kubota Corporation (Tokyo，日本)銷售用于膜生物反應(yīng)器的浸沒式膜系統(tǒng)。這些膜具有平板構(gòu)造且由孔徑大小為0. 4 μ m的PVC制成。每個膜筒(membrane cartridge) 具有0. 8m2膜表面積，含有400個膜筒的Model EK-400膜裝置的總膜面積為320m2。其中氣體接觸表面保留微生物的合適的膜可以使用具有多孔層和較低滲透層的非對稱膜。多孔層，稱作生物層，可包含任何適于形成生物孔并將液體輸送至和送離生物孔中的微生物的材料。孔較少的層，稱作水化層，控制發(fā)酵液輸送至和送離生物層以滋養(yǎng)微生物并保持流出產(chǎn)物在所需濃度下。生物層和水化層描述為單層但也可包含幾個層。非對稱膜還要求為膜結(jié)構(gòu)提供支持并封閉生物孔的內(nèi)端以防止微生物和其它生物材料進(jìn)入發(fā)酵液的材料。非對稱膜可含有用于內(nèi)支撐和形成生物孔的其它層或生物層和 /或水化層也可具有這些功能。任何其它層必須允許合成氣與微生物在生物孔中直接接觸并允許液體滲入生物層中。生物層必須限定生物孔，用于保留微生物與合成氣直接接觸。生物孔通常要求在其至少一部分長度上的有效直徑為至少1 μ m。術(shù)語有效直徑指的是提供相同橫截面面積的規(guī)則形狀的孔的開放橫截面面積(open cross-sectional area)?？撞恍枰哂芯鶆驒M截面且在其至少三分之一長度上有效直徑為Iym的生物孔將工作良好。膜生物層中生物孔的大小的有效直徑通常基本上大于1 μ m，優(yōu)選為2-100 μ m，最優(yōu)選為5-50 μ m。通常的生物孔深度為50-500 μ m，這通常對應(yīng)于生物層的厚度。至少，水化層必須具有有限的液體滲透率，相對生物層。有限滲透率防止過量發(fā)酵液在系統(tǒng)正常操作期間遷移至生物層中并干擾氣體與微生物之間的接觸。在大多數(shù)情況下，水化層包含比生物層更高密度的材料，這限制液體流動，同時還封閉生物孔的內(nèi)端以阻止微生物遷移至發(fā)酵液中。特別合適的非對稱膜的形式為多孔膜，其在膜的一個表面上具有提供水化層的致密(即具有小孔)薄“皮膚”和提供生物層并限定生物孔的皮下相對打開的支撐結(jié)構(gòu)。皮膚通常包含厚度為0. 5-10 μ m的半滲透層。有皮膚的非對稱膜可包括通過使用一種聚合物的轉(zhuǎn)相而制備的“整體有皮膚(integrally skinned) ”的膜或復(fù)合膜，其中在相同或不同材料的多孔亞層之上形成某種材料的薄層。非對稱膜和它們的制備方法的總描述可在文獻(xiàn)(例如 Cheryn，Μ.，Ultrafiltration and Microfiltration Handbook，Technomics Publishing Company, Lancaster， PA. ，1998 ； 禾口 Mulder， Μ. ， Basic Principles of Membrane Technology，第 2 片反，Kluwer Academic Publishers,Norwell,MA, 1996)中找到。合適的皮膚層具有比微生物細(xì)胞更小的孔徑以防止細(xì)胞通過膜皮膚但膜的相反面具有允許細(xì)胞進(jìn)入和離開膜壁的生物孔的大開口。通常，皮膚層的孔徑大小為小于 0. 5 μ m，優(yōu)選小于0. 25 μ m,最優(yōu)選在標(biāo)稱MWCO為10_300kDa，更優(yōu)選IO-IOOkDa的超濾范圍內(nèi)。幾種非對稱超濾膜可由Millipore Corporation (Bedford, ΜΑ)得到，包括但不限于Amicon膜和Ultracel PLC膜。Amicon膜由聚醚砜制成且對于Amicon PM30，具有 30kDa的標(biāo)稱MWCO范圍。Ultracel PLC膜，其為由將再生纖維素膜澆注在微孔聚乙烯基質(zhì)上而制成的復(fù)合膜，可以以5kDa(PLCCC)-1000kDa(PLCXK)的孔徑大小得到。非對稱膜的其它實(shí)例為均可由 Pall Corporation (East Hills, New York)得到的 MMM-Asymmetric Super-Micron Memb rane 禾口 BTS Highly Asmmetric Membrane?？梢砸?0. 1-20. O μ m 的孔徑大小范圍得到的MMM-Asmmetric Membrane由聚砜和聚乙烯吡咯烷酮制成?？梢砸?. 05-0. 80 μ m的孔徑大小范圍得到的BTS Highly Asmmetric Membrane為聚砜的鑄型，其具有約10 μ m的“隔斷(cut off)，，層和約120 μ m的總厚度。含非對稱超濾膜的空心纖維膜組件可從大量膜制造商市購。例如，來自Spectrum Laboratories (Rancho Dominguez, CA) W KrosFlo Max Module Model KM5S-800-01N 具有22. Om2的對稱聚砜空心纖維膜的膜表面積，具有0. 5mm的纖維內(nèi)徑，腔側(cè)的致密皮膚禾口 50kDa 的孑L 值(pore rating)。可由 Koch Membrane Systems (Wilmington, MA)得至 Ij 的 ROMICON 聚砜空心纖維膜也是非對稱的，在腔側(cè)具有致密皮膚。R0MIC0N筒Model HF-97-43-PM50為6英寸的組件，其含有內(nèi)徑為1. Imm且在9. Om2的總膜表面積下標(biāo)稱MWC 為50kDa的纖維。因此，用于本發(fā)明中的生物支撐膜可為微孔、無孔或復(fù)合膜或其任何組合。任何合適的罐封技術(shù)可用于收集和提供各個膜元件的必要組裝。如果是微孔的，由于氣體在填充有氣體的孔中比在填充有液體的孔中更快地?cái)U(kuò)散，所以優(yōu)選疏水性膜。進(jìn)料氣體連續(xù)或間歇地流過膜組件的氣體側(cè)。進(jìn)料氣體壓力為0. 1-100巴，優(yōu)選 0. 3-30巴，最優(yōu)選0. 7-15巴。在更高的氣體壓力下操作的優(yōu)點(diǎn)是提高氣體在液體中的溶解度并可能提高氣體轉(zhuǎn)移和生物轉(zhuǎn)化的速率。液相與氣相之間的差壓以不損害膜完整性(例如不超過膜的爆裂強(qiáng)度)且保持所需氣液界面相的方式管理。在這種膜中，氣體和液體可以直接且密切接觸，而不會由于在低于膜液體界面的泡點(diǎn)和保持氣液界面的差壓下操作而產(chǎn)生任何氣泡。此外，該界面的性能可通過膜孔的孔隙率和疏水性/親水性控制。如果微生物居于氣體側(cè)，則氣體側(cè)壓力通常輕微高于液體壓力以防止對流液體從水化層(液體)側(cè)流至氣體接觸側(cè)的開放表面(氣體)。較高的壓力還可降低細(xì)胞/氣體界面上任何液體層的形成，其會妨礙氣體轉(zhuǎn)移至細(xì)胞。其中所用膜的具體應(yīng)用和類型決定通過組件組的理想流速。在氣體流過空心纖維膜的腔的情況下，可接受的氣流速度通常為l-50cm/s。在氣體在膜外部，即組件的殼側(cè)流動的情況下，當(dāng)基于通過組件凈橫截面積的氣體體積減去纖維體積計(jì)算時，本體氣體速度為 0.l-10cm/so通過膜的氣體速度與氣體的相對濕度一起代表控制膜的氣體通道中存在液體堵塞的兩個主要因素。在合成氣通過空心纖維膜腔的情況下，由于水蒸氣在通常用于合成氣發(fā)酵的條件下從液體側(cè)擴(kuò)散，所以水蒸氣使在膜的最初幾英寸內(nèi)的氣體飽和。一旦飽和，水開始立即在合成氣中冷凝，因?yàn)楫?dāng)它喂養(yǎng)膜保留的微生物時它的體積降低，從而產(chǎn)生更多產(chǎn)物形式的液體。該冷凝持續(xù)直至合成氣離開纖維。如果氣體速度降至足夠低的值時，纖維中形成的冷凝物可阻塞其中它流動的纖維腔。腔阻塞不僅通過降低有效膜面積而降低氣體轉(zhuǎn)移(或氣體消耗)，而且通過降低氣流的通道面積而提高氣體壓降。一旦發(fā)生阻塞，則通過纖維的壓降臨時提高可重建氣流。特別著眼于空心纖維中的問題，空心纖維中的水蒸氣滲透可根據(jù)等式1描述，其中相對濕度(RH)沿著纖維的變化速率與水蒸氣轉(zhuǎn)移系數(shù)(K)和全氣體飽和率(RH= 1)與實(shí)際飽和率RH之間的差成比例。在該等式中，χ為纖維入口的距離(m)，為氣體流速 (m3/s)，d為纖維內(nèi)徑(m)，η為纖維數(shù)目。
權(quán)利要求
1.一種當(dāng)氣體進(jìn)料連續(xù)通過多個生物轉(zhuǎn)化組件時通過氣體進(jìn)料的部分消耗而由氣體進(jìn)料制備液體產(chǎn)物的方法，其中所述方法包括a.使第一進(jìn)料氣體以平行流以第一體積速率通向限定第一氣流區(qū)域的第一組件組并以第一氣流速度進(jìn)入至少部分由第一組件的第一氣體接觸表面限定的第一氣流區(qū)域中以將一部分氣體進(jìn)料轉(zhuǎn)化成第一液體產(chǎn)物；b.使第一液體介質(zhì)料流通向所述第一組件組的第一液體接觸表面以從液體接觸表面回收第一液體產(chǎn)物；c.從第一氣流區(qū)域回收第一流出氣體；d.使至少一部分第一流出氣體以第二體積速率通向限定第二氣流區(qū)域的第二組件組并以第二氣體速度進(jìn)入至少部分由第二組件的第二氣體接觸表面限定的第二氣流區(qū)域中以將一部分第一流出氣體轉(zhuǎn)化成第二液體產(chǎn)物，其中第二體積流速小于第一體積流速且第一氣流速度與第二氣流速度相比改變不大于30% ；和e.使第二液體介質(zhì)料流通向所述第二組件組的第二液體接觸表面以從第二液體接觸表面回收第二液體產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一氣流區(qū)域大于第二氣流區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中第一組件組和第二組件組中各個組件提供均勻的氣流區(qū)域且第一組件數(shù)和第二組件數(shù)與第一體積速率和第二體積速率成比例地變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述第一和第二組件包含空心纖維膜且空心纖維膜的腔限定第一和第二氣流區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一和第二組件包含空心纖維膜，第一和第二液體介質(zhì)流過纖維的腔，氣體接觸膜的外表面且多個容器含有所述組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一流出氣體在流至第二組件組之前流至一中間組件組以將一部分第一流出氣體轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物并使第一流出氣體的剩余部分在通過中間組件以后通過第二組件組。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一液體介質(zhì)料流和第二液體介質(zhì)料流包含平行流過第一和第二組件組的分料流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一液體料流從第一組件組流至第二組件組以提供第二液體介質(zhì)料流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過將進(jìn)料氣流和第一流出氣流定期重新定向至不同組件而使第一組件組中一部分組件與第二組件組中的組件定期交替。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中當(dāng)進(jìn)料氣流和第一流出氣流定期交替至第二組件組中不同組件時，所述第一和第二液體介質(zhì)料流仍然定向至第一和第二組件組中的相同組件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一和第二組件組中的組件包含多排組件且各排組件接收來自共用氣體分布點(diǎn)的氣體并將氣體輸送至共用氣體收集點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體平行通過組件組中的各個組件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述進(jìn)料氣體組合物包含C0、C02和吐中至少一種且液體產(chǎn)物包含乙醇。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中氣體接觸表面保留包含攝食CO、CO2和吐中至少一種并表達(dá)乙醇的微生物的生物層。
15.一種當(dāng)氣體進(jìn)料連續(xù)通過轉(zhuǎn)化組件組時通過氣體進(jìn)料的部分消耗而由氣體進(jìn)料制備液體產(chǎn)物的方法，其中所述方法包括a.使進(jìn)料氣體以平行流以第一體積速率和第一氣流速度通向包含各自限定均勻氣流區(qū)域的膜元件的第一組件組以共同提供第一氣流區(qū)域以使進(jìn)料氣體與其中的氣體接觸表面接觸而將一部分氣體進(jìn)料轉(zhuǎn)化成第一液體產(chǎn)物；b.使第一液體介質(zhì)料流通向由所述第一組件組的膜元件限定的第一液體接觸表面以從液體接觸表面回收第一液體產(chǎn)物；c.從第一氣流區(qū)域回收進(jìn)料氣體的剩余部分；d.使至少一部分第一流出氣體以第二體積流速和第二氣流速度通向包含膜元件的第二組件組，其中各個組件限定與第一組件組中各個組件相同的均勻氣流區(qū)域以共同提供第二氣流區(qū)域以使進(jìn)料氣體與其中的氣體接觸表面接觸而將另一部分進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物，其中第一組件組含有比第二組更多的組件且第二體積速率小于第一體積速率；和e.使第二液體介質(zhì)料流通向由所述第二組件組的膜元件限定的液體接觸表面以從第二液體接觸表面回收液體產(chǎn)物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中第一組中的組件數(shù)和第二組中的組件數(shù)與第一體積速率和第二體積速率成比例地變化且第一氣流速度與第二氣流速度相比改變不大于30 %。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述第一和第二組件包含空心纖維膜且空心纖維膜的腔限定第一和第二氣流區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中進(jìn)料氣體的剩余部分從第二組件組通向第三組件組，其中各個組件限定與第一組件組相同的均勻氣流區(qū)域以共同提供第三氣流區(qū)域以使進(jìn)料氣體與其中的氣體接觸表面接觸而將另一部分進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中通過將進(jìn)料氣流和第一流出氣流重新定向至不同組件而使第一組件組中一部分組件至與第二組件組中的組件定期交替。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中膜元件包含空心纖維，氣體接觸表面在膜的外部，所述腔提供液體接觸表面，且通過增加跨越腔的相對壓力使水滲至膜的外表面而使一部分組件經(jīng)受定期清洗。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述進(jìn)料氣體組合物包含C0、C02和H2中至少一種， 氣體接觸表面保留包含攝食CO、CO2和吐中至少一種的微生物和表達(dá)包含液體產(chǎn)物的乙醇的微生物的生物層。
22.—種當(dāng)氣體進(jìn)料平行通過各個轉(zhuǎn)化組件組中各個組件并連續(xù)通過轉(zhuǎn)化組件組之間時通過氣體進(jìn)料的部分消耗而由氣體進(jìn)料制備液體產(chǎn)物的方法，其中所述轉(zhuǎn)化組件包含各自限定均勻氣流區(qū)域、液體接觸表面和保留微生物的生物層的氣體接觸表面的膜元件，其中所述方法包括a.使進(jìn)料氣體以第一體積速率通向第一組件組以共同提供第一氣流區(qū)域并將一部分進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化成第一液體產(chǎn)物；b.使第一液體介質(zhì)料流通向所述第一組件組限定的液體接觸表面以從液體接觸表面回收第一液體產(chǎn)物；c.從第一氣流區(qū)域回收進(jìn)料氣體的剩余部分；d.使至少一部分從第一氣流區(qū)域回收的進(jìn)料氣體以第二體積速率通向第二組件組以共同提供第二氣流區(qū)域以使進(jìn)料氣體與其中的氣體接觸表面接觸以將另一部分進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物，其中第二組件組含有比第一組件組更少的組件且第二體積速率小于第一體積速率；e.使第二液體介質(zhì)料流通向由所述第二組件組的膜元件限定的液體接觸表面以從第二液體接觸表面回收液體產(chǎn)物；f.從第二氣流區(qū)域回收進(jìn)料氣體的剩余部分；g.通過使液體介質(zhì)從液體接觸表面滲至清洗模式的組件中的氣體接觸表面以沖洗來自清洗模式的組件的氣體接觸表面的微生物而保持至少一個組件為清洗模式；和h.順序地改變清洗模式的組件使得所有組件定期經(jīng)受清洗。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中各個組件順序地接收第一體積速率的氣體、接收第二體積速率的氣體并以清洗模式操作。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中氣體接觸表面包含空心纖維膜的外表面；氣體接觸表面保留包含攝食CO、CO2和吐中至少一種的微生物的生物層；且所述微生物表達(dá)乙醇作為液體產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明為一種通過多個提供氣液界面的生物轉(zhuǎn)化組件管理氣流的方法。所述轉(zhuǎn)化組件提供跨越活化表面的氣液界面，所述活化表面將至少一些氣體組分轉(zhuǎn)化成所需液體產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明組件的排列和氣流的控制，通過調(diào)整流動區(qū)域以補(bǔ)償進(jìn)料氣體體積的改變，提高了氣體的使用和所需液體產(chǎn)物的產(chǎn)量。通過生物轉(zhuǎn)化組件對氣體速度的改進(jìn)控制消除了液體冷凝和流量分布不良的問題。該方法可以排列組件以減輕微生物活性隨時間變化并摻入其它定期工藝步驟。
文檔編號C12P7/00GK102197138SQ200980141705
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者B·拉胡爾, S-H·允, S-P·蔡 申請人:科斯卡塔公司