用于获得连续气流和均匀气体速度的排序生物反应器组件的方法

摘要

本发明为一种通过多个提供气液界面的生物转化组件管理气流的方法。所述转化组件提供跨越活化表面的气液界面，所述活化表面将至少一些气体组分转化成所需液体产物。根据本发明组件的排列和气流的控制，通过调整流动区域以补偿进料气体体积的改变，提高了气体的使用和所需液体产物的产量。通过生物转化组件对气体速度的改进控制消除了液体冷凝和流量分布不良的问题。该方法可以排列组件以减轻微生物活性随时间变化并掺入其它定期工艺步骤。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年7月23日提交的序列号为11/781,717的美国专利申请、2008年2月22日提交的序列号为12/036,007的美国专利申请和2008年10月24日提交的序列号为12/258,204的美国专利申请的优先权，在此将所有前述专利申请的全部内容引入作为参考。

发明领域

本发明涉及使用限定分开的气体和液体接触表面的转化组件将气体料流转化成液体产物。

发明详述

背景技术

很多方法都保留了气相与液相之间的可渗透屏障以保持相分离，同时促进液相或气相组分的转化。在发酵和废物处理应用中，许多装置和设备用于使气体转移至微生物。大多数这些方法使用一些形式的膜以提供气相与液相之间的有限接触。

发现对于废水处理和发酵方法，特定形式的膜用于负载特定类型的微生物。US-A-4,181,604公开了空心纤维膜在废水处理中的用途，其中纤维的外表面负载一层微生物以从液相中需氧消化悬浮的淤渣。

生物反应器构成一类转化区，其中通过形成生物膜导致的细胞截留提供了提高生物反应器中微生物的密度的非常好且通常便宜的方式。该膜为活化表面提供了具有大表面积的固体基体，所述活化表面包含以下细胞，所述细胞建群并形成生物膜以在所述细胞产生的生物聚合物基体中含有代谢细胞。

2007年7月23日提交的序列号为11/781,717的共同未决美国专利申请公开了空心纤维膜系统用于使合成气组分如CO或CO₂与H₂的混合物与膜的表面接触并转移这些组分与生物膜在所述膜的相反侧接触以提供制备液体产物如乙醇、丁醇、己醇和其它化学品的稳定系统。负载该膜的生物反应器系统使用负载在液相中膜表面上的厌氧微生物转化合成气组分。

该系统使用微孔膜或无孔膜或具有类似性能的膜将气体转移(溶解)在液体中，同时兼用作载体，在该载体上，发酵细胞在浓缩层中生长成生物膜。液体借助泵送、搅拌或类似方式通过膜的液体侧以除去乙醇和形成的其它可溶产物；该产物借助多种合适的方法回收。系统显示出最适于保持空心纤维外部的液相和纤维腔内部的气相。

另一形式的转化系统可使用非对称膜。已知这些膜用在多种膜分离方法如超滤和纳滤中。非对称膜通常为亲水性的且具有一侧负载在多孔聚合物层上的相对致密的半渗透“皮肤”层。US-A-4,442,206和4,440,853显示对于使用可溶性碳源的某些生物方法，在非对称膜中使用聚合物层以固定微生物。

2008年2月22日提交的序列号为12/036,007的共同未决专利申请公开了这种非对称膜适于并用于将合成气生物转化成液体，这是过去未显示的。当用于容纳厌氧微生物以将气相组分转化成液相组分时，不对称膜将提供提高液体产物产量的稳定系统。不对称膜的多孔侧，称作生物层，提供促进并控制其中微生物菌落生长的孔，同时还暴露出直接向微生物供应合成气的表面。同时，具有比生物层更小的渗透性的该不对称膜的另一层，称作水化层，从该不对称膜的相反侧渗透液体。在用合成气操作中，CO或CO₂与H₂的混合物通过生物层接触不对称膜的一侧，同时含有营养素和产物的液体通过水化层接触另一侧。当使用空心纤维时，当液相接触膜的外表面且液相通过腔时发现不对称膜系统的最大优点。

这些转化方法通常以组件形式排列接触表面。组件通常利用膜来提供接触表面。平板、螺旋缠绕和空心纤维代表了最通常的组件结构形式。

在液体产物的制备中，当气体料流通过转化组件时，这些转化方法将消耗一部分气体料流。从气体进入直至离开各个组件，气体的消耗降低了其体积。当原始气体料流连续通过多个组件时，气体体积流速的降低将降低通过类似结构组件的气流区域的气体速度。例如在制备乙醇的生物转化方法中，合成气进料通过组件组，其体积一共降低30-80％。通过下游组件中气流区域的气体速度降低可导致差的接触条件、降低的气体转化速率和其中液体的冷凝。

液体在膜表面上的冷凝可在其中存在至少部分气相和合适条件的任何类型膜接触排列中发生。液体累积可以改变流型并抑制跨越膜的气体转移性能，从而降低这种系统的生产率和选择性。过量液体形成可以给任何类型的膜系统带来问题。当进料合成气含有湿气时，当合成气消耗导致水过饱和时，可在微生物/气体界面发生水的冷凝。甚至当进料合成气为湿气欠饱和的时，由于水分子由液体侧扩散至气体侧，合成气在进入组件以后可非常快地变得湿气饱和，导致组件内下游过饱和并冷凝。如果冷凝在窄通道中发生，则发生最严重的问题。因此，当液体累积在窄气体通道中或空心纤维的腔中时，可证明膜几何形状如螺旋缠绕构造和空心纤维是最有问题的。

当气体料流通过转化组件时，气体组分的消耗导致气体组成沿气流方向改变。然而，在稳态操作中，给定位置上的微生物显示出大约恒定的气体组成。长期暴露于特定气体组成可对细胞生存力或代谢调节具有不利影响。例如，长期暴露于富含一些气体组分的进气，可能导致过度的细胞生长或一种气体组分比其它优先消耗(即不平衡的气体摄取)，而长期暴露于贫出气，可导致缺氧和细胞死亡。

理想的是具有克服以上缺点的组件膜支撑的生物反应器和使用方法。

发明概述

本发明为一种通过多个提供气液界面的转化组件通过保持跨越气体接触表面的恒定气体速度而管理气流的方法。该转化组件提供跨越活化表面的气液界面，所述活化表面将至少一些气体组分转化成所需液体产物。当气体进料在一系列组件中消耗时，通过调整组件的排列或组件之间气体的中间加入而将气体速度保持在相对均匀的条件下。根据本发明，组件的排列和气流的控制提高了气体的利用和所需液体产物的产量。

在本发明一个形式中，进料气体连续通过多个转化组件组，且当气体由初始组件组通向最后组件组时，各组中的转化组件数下降。因此，初始组件组为进入本方法的最大体积气体提供最大的气流区域。各个随后的组件组限定较小的气流区域以补偿上游组件组中气体的消耗。气流区域下降使得系列中各组件组的各个组件中具有相对恒定的气体体积流速并且在其收集气体接触侧具有相对恒定的气体速度。以这种方式，进料气体主要以活塞流流过该系列组件。

实践本发明的一种最简单的方法通过在各连续流动段中使用相同尺寸和构造的多个组件来降低气流区域。该方法通过与通过系列中各段的体积流量成比例地降低各段中的组件数而保持通过各组件的更均匀的气体速度。

作为选择，当气体连续通过各组件且其它气体可进入下游料流组件以补偿上游气体消耗时，组件构造或组件数可保持相同。其它气体可包括其它进料气或置换气体。而本方法可提供更均匀的气流，本方法确实导致另一部分进料气体通过较小的气体接触表面并具有比原始进料气更低的转化率。

在每种情况下，通过各段的气流将在预定范围内改变。根据本发明，各系列段中各组件之间的气体流速变化不大于30％，通常小于20％，更优选小于10％。理想地，各段中各组件之间的体积速率应保持基本恒定且变化不大于5％。

基本上所有离开上游组件组的进料气通常通向相邻组件组。使来自一组件组的基本上所有气体直接通向下一个下游组件组意指至少90重量％的流出气体，更优选至少95重量％的气体通向下一组件组。

该组件还包括在与气体流动区域分开的独立的液体流动区域中作为液体介质流动的液相。液体介质至少回收通过本转化方法由从液体流动区域输送的进料气制备的液体产物。液体介质还可提供其它催化剂、反应物或可消耗物至本转化方法。例如，在生物转化方法中，液体介质还可向微生物提供营养素。

任何数量的含有组件的连续段可用于本方法中。本方法的使用仅要求最少两个组件，然而，大多数应用将在本方法中含有至少第一、最后和中间段组件。

本发明可适用于使用一系列组件跨越过气液相分隔部分将气体转化成液体产物的任何转化方法。最典型的分隔形式包括微孔膜或无孔膜或具有类似性能的膜，其将气体转移(溶解)在液体中以输送气体组分。

该组件可将气流区域和液流区域构造成任何合适的几何形状。平板、螺旋缠绕和空心纤维的膜构造都是可接受的。

在另一形式中，本发明可使用阀或其它流量控制器以定期排序功能或将组件分组使得组件位置相对于气流交替。因此，组件可由接收进气流转换为接收组件之间的中间气流和最后在气流离开本方法之前的气流。当本方法包括所选择组件的定期重建或清洗时，证明以这种方式排序是最有用的。在这种系统中，组件位置相对于气流的排序可使得进气或出气接触最近经受重建或清洗的组件。

优选，该方法使用微生物转化合成气，其将CO和/或CO₂与H₂的混合物转化成乙醇和其它可溶性产物。在这种情况下，膜可用作载体，发酵细胞在其上生长成生物膜并因此保留在浓缩层中。合成气可在生物层中直接接触微生物或从气体侧通过膜扩散至生物膜中，其中合成气通过微生物转变成有意义的可溶性产物。液体可借助泵送、搅拌或类似方式通向膜的液体侧以除去形成的乙醇和其它可溶性产物；该产物借助多种合适的方法被回收。

含微生物的组件定期经受清洗以除去死亡细胞。清洗的类型取决于微生物的相位。如果保留在液相中，则对于微生物的最有效清洗技术可包括温和且连续搅拌以洗去死亡细胞和其它生物碎片而不大规模地移去生物膜本身。当组件保留微生物在膜的气体侧时，则最有效的清洗可包括使液体定期从膜的液体接触侧渗出至膜的气体侧以产生液体通过微生物层的少量冲刷。

因此，在一个实施方案中，本发明是一种当气体进料连续通过多个转化组件时通过气体进料的部分消耗而由气体进料制备液体产物的方法。第一进料气体以平行流以第一体积速率流向限定第一气流区域的第一组件组并以第一气流速度进入至少部分由第一组件的第一气体接触表面限定的第一气流区域中以将一部分气体进料转化成第一液体产物。第一液体介质料流通向所述第一组件组的第一液体接触表面以从液体接触表面回收第一液体产物。至少一部分从第一气流区域回收的第一流出气体以第二体积流速通向限定第二气流区域的第二组件组，所述第二气流区域至少部分由第二组件的第二气体接触表面限定，以将一部分第一流出气体转化成第二液体产物。第二体积速率小于第一体积速率且第一气流速度与第二气流速度相比改变不大于30％。第二液体介质料流通向所述第二组件组的第二液体接触表面以从第二液体接触表面回收第二液体产物。

在另一实施方案中，本发明包括一种当气体进料连续通过转化组件组时通过气体进料的部分消耗而由气体进料制备液体产物的方法。使进料气体以平行流以第一体积速率和第一气流速度通向包含各自限定均匀气流区域的膜元件的第一组件组以共同提供第一气流区域以使进料气体与其中的气体接触表面接触而将一部分气体进料转化成第一液体产物。使第一液体介质料流通向由第一组件组的膜元件限定的第一液体接触表面以从液体接触表面回收第一液体产物。进料气体的剩余部分作为第一流出气体从第一气流区域回收。使至少一部分第一流出气体以第二体积流速和第二流速通向包含膜元件的第二组件组，其中各个组件限定与第一组件组中各个组件相同的均匀气流区域以共同提供第二气流区域以使进料气体与气体接触表面接触。该接触使另一部分进料气体转化成液体产物。在该方法中，第一组件组含有比第二组更多的组件且第二体积速率小于第一体积速率。使第二液体介质料流通向由第二组件组的膜元件限定的液体接触表面以从第二液体接触表面回收液体产物。

在另一实施方案中，本发明是一种当气体料流平行通过各生物转化组件组内的各个组件并连续通过各组生物转化组件之间时通过气体进料的部分消耗而由气体进料制备液体产物的方法，其中生物转化组件包括各自限定均匀气流区域、液体接触表面和保留微生物的生物层的气体接触表面的膜元件。在该方法中，进料气体以第一体积速率通向第一组件组以共同提供第一气流区域并将一部分进料气体转化成第一液体产物。第一液体介质料流通向由所述第一组件组限定的液体接触表面以从液体接触表面回收第一液体产物。进料气体的剩余部分从第一气流区域回收，并且至少一部分从第一气流区域回收的进料气体以第二体积速率通向第二组件组以共同提供第二气流区域以使进料气体与其中的气体接触表面接触以将另一部分进料气体转化成液体产物。第二组件组含有比第一组件组更少的组件并且第二体积速率小于第一体积速率。第二液体介质料流通向由第二组件组的膜元件限定的液体接触表面以从第二液体接触表面回收液体产物。进料气体的剩余部分从第二气流区域回收。本方法通过使液体介质从液体接触表面渗至清洗模式的组件的气体接触表面以冲洗来自组件的气体接触表面的微生物而保持至少一个组件为清洗模式，并顺序地改变清洗模式的组件使得所有组件定期经受清洗。

本方法可适用于任何数量的组件和组件组。各组件组可包含多排组件或含有多个组件组的多个容器。本发明实践的唯一要求是这种组件组具有气体连续流过各组件组中至少一部分组件的配置，从而产生在气流方向上减小的气流区域。分开的组件组可以以任何方式确立使得组件从共用气体分布点接收气体并将气体输送至共用气体收集点。

组件组中所有气流不需要平行通过所有组件。对各组件组中平行流动的要求源于需要限制各组件组中进料气体的总体积损失。因此，包括一个或多个连续流动的组件子组可增加组件组中的组件数，条件是通过组件组的气流的总变化不会在组件组中产生上述类型的流动分布和冷凝问题。

附图简述

图1为显示气体通过多孔膜扩散至液体中的示意图及多孔膜、无孔膜和复合膜的细节。

图2为显示将气体输送至两个平行膜壁的中心通道的示意图，其中将液相输送至各个壁外部。

图3为显示图2的内部通道的示意图，其被管形式的膜的内表面包围，同时液体保留在膜圆周周围。

图4为显示不对称膜的横截面的示意图，其中气体料流与保留微生物在其中的生物层接触且皮肤形式的水化层与液体接触。

图5为显示由图4所示类型的两个膜形成的中心通道的示意图，其中气体料流接触外壁且液体接触内壁。

图6为显示制成空心纤维的图4不对称膜的横向横截面示意图，其中生物层在外部且水化层在内部。

图7为分别用于具有气体和液体循环的生物反应器系统中的双头膜组件的示意图。

图8为用于具有气体或液体的纤维间循环装置的生物反应器系统中的双头膜组件的示意图。

图9为显示具有气体和液体循环至各组件组的生物反应器系统的示意图。

图10示意性地描绘出被液体保持容器围绕的各堆叠组件组。

图11示意性地描绘出常规容器中的多个组件和具有控制组件气体分布的阀的管道系统。

图12示意性地描绘出多个单个容器和用于控制组件气体分布的管道系统。

图13描绘出作为单排保留组件组的容器。

图14为显示图13的排中组件的截面和剖视图。

发明详述

本发明使用微孔膜或无孔膜或具有类似性能的膜以固定微生物用于与进料气体料流和液体介质接触，所述进料气体料流含有供微生物消耗的进料物质，所述液体介质具有提供水和营养素至微生物并输送来自微生物的液体产物以回收的双重功能。从功能上讲，膜建立分开的气相与液相之间的界面，同时允许气体和/或液体跨越界面有限的转移。

这些膜配置采取两种基本形式。在一个形式中，膜将微生物保留在接触液相的膜的表面上，通常作为生物膜。该配置将含有微生物的膜元件外部浸没在液体介质中，并因此可称为浸没式构造。在另一形式中，膜将微生物保留在接触气相的表面上并可在变得填充有微生物的较大孔开口中这样做以提供包含生物孔的表面。

在浸没式构造中，本方法必须将气体转移(溶解)在液体中以将合成气中的进料气体组分直接输送至使用它们的细胞，例如气体中的CO和H₂，微生物将其转变成乙醇和其它可溶性产物。膜同时用作载体，发酵细胞在其上生长成生物膜并因此保留在浓缩层中。本方法导致合成气以基本上100％的溶解和利用率而高效且经济的转移，其中气体通过膜从气体侧扩散至生物膜中并通过微生物被转变成有意义的可溶性产物。液体经由泵送、搅拌或类似方式通入膜的液体侧以除去形成的乙醇和其它可溶性产物；产物借助多种合适的方法被回收。

在其中膜的气体侧保留微生物的膜配置中，膜可将生物膜保留在膜的表面上或可包括不对称膜。在不对称膜的情况下，多孔侧，在这里称作生物层，提供促进并控制其中微生物菌落生长的孔，同时还暴露出直接为微生物供应合成气的表面。同时，具有比生物层更小的渗透性的该不对称膜的另一层，在这里称作水化层，从该不对称膜相反侧渗透液体。因此，这类配置使用不对称膜以提供具有非常多孔的生物层和一层或多层水化层的多层膜结构，生物层用于将微生物保留在它的孔内，水化层用于控制将水供应至生物层和由生物层供应水。在它的操作中，气体通过生物层接触不对称膜的一侧，同时含有营养素和产物的液体通过水化层接触另一侧。生物层或水化层均可包含多个层。生物层、水化层和/或其它层在生物反应器系统中也可用于封闭孔开口、提取产物及提供湿气和营养素。

当用于含有厌氧微生物以转化合成气(本文定义为包括任何含有CO和/或CO₂与H₂的混合物作为它的主要组分的气体)时，系统以高效且经济的方式操作以基本上100％的利用率转移合成气。因此，非对称膜可提供发酵罐构造的重要组件以提高由合成气料流制备液体产物如乙醇、丁醇、己醇和其它化学物质。在使用非对称膜的合成气发酵期间，来自合成气的一氧化碳或氢气/二氧化碳扩散至多孔膜壁的生物层中并通过固定化微生物转化成乙醇或其它水溶性产物，其然后扩散至流过水化层的含水料流并被带出生物反应器。固定化微生物通过与通过水化层的含水料流接触而保持水合。

非对称膜相对气体接触侧定位一层或多层较少孔的水化层以建立界面以使水和痕量营养素从液体向所含微生物转移，同时从微生物中提取液体产物。提取的液体流过水化层并进入液体介质。因此，所需产物和产生它们的合成气以相同方向流过膜的各层，即由非常多孔的生物层至较少孔的水化层。接触较少孔的层的液体在膜的液体接触表面上循环，并离开生物反应器至用于取出所需产物的设施。

生物层的生物孔保留微生物以由合成气制备产物。生物层保持微生物集中在生物孔中同时通过生物层的气体接触侧仍然与合成气直接接触，从而保持可容易得到的合成气组分通过保留的微生物提高乙醇和其它可溶性产物的产量。微生物可孤立地或作为生物膜存在于生物层中。微生物伸出生物孔外部并超过气体接触表面不会停止生物反应器系统的操作。然而，生物层的厚度将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层气体接触侧的水平面。这使得将微生物预先设计成厚度与生物层壁的厚度相匹配的层。这还提供了保持微生物良好受限并防止它们灾难性损失的附加优点。

将水化层放在微生物与液体之间简化了下游分离设施的操作。水化层提供微生物与含产物液体之间的坚实屏障，其保持液体流向分离设施而没有微生物和其它生物杂质。从液体流出物中除去生物杂质使不需要过滤和/或再循环这种原料。

如果微生物居于气体侧，则合适的排列可通过使液体偶尔渗过膜至气相侧而从生物层或生物孔中清洗杂质和废料。该清洗的水可通过在重力的作用下滴至生物反应器底部而离开细胞/气体界面。

非对称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层和水化层。在一个形式中，生物层包含亲水性材料，其容易地提供水穿过生物孔并达到生物层气体接触侧的表面。用于较少孔的水化层的亲水性材料通过使水容易移动通过膜而提高膜的性能。在许多情况下，生物层和水化层包含与水化层相同的材料，在非对称膜的一侧采取皮肤的形式。包含皮肤层的水化层通常还会封闭生物孔以防止微生物迁移至液体介质中。

使用非对称膜或其它膜(将膜的活性表面放在气相中)或者保持活性表面与液相接触的构造使得生物反应器系统可以采取多种构造。无论在扁平还是螺旋缠绕构造中，任何类型的排列均可包含空心纤维或平板。合适的空心纤维膜可将生物层或水化层放在腔侧。合适的外壳可保留膜，以就膜一侧的液体循环和相反侧的本体气流而言为并流、逆流或交叉流。在空心纤维的情况下，合成气在纤维外侧的循环有利于纤维的水平定向，使得无论是主要沿水平还是垂直方向伸长，生物反应器均可很好地工作。

液体在空心膜的腔侧的循环提供明确的液体流动路径并为膜外部的气体流动提供邻接空间。这允许非常高密度地组装非对称膜元件而不用担心会干扰液体流型和产生循环流体停滞区域。

许多商业组织主要提供两种重要几何形状的这种膜-空心纤维和平板。这些然后可通过适当罐封和装配制成组件，这些组件在小体积内具有非常高表面积的孔。

适于在液体介质中形成生物层的疏水性微孔空心纤维膜是已知的。用于这种应用的商业膜组件的实例为来自Membrana(Charlotte，North Carolina)的膜接触器，其含有聚丙烯(PP)X40或X50空心纤维。含有X30纤维的微孔PP空心纤维膜也可由Membrana得到以用于氧合应用。适于大规模工业应用的膜组件具有大的膜表面积(例如对于Industrial 14x28，活性膜表面积为220m²)。这些纤维的一些特征在下表中给出。

表1

  X30  X40  X50  孔隙率(标称)  40％  25％  40％  孔径大小  0.03μm  0.04μm  0.04μm  内径  240μm  200μm  220μm  外径  300μm  300μm  300μm  壁厚  30μm  50μm  40μm

微孔PP空心纤维膜产品(组件)可由Spectrum Laboratories(Rancho Dominguez，California)得到以用于生物反应器的温和氧合而不会对微生物或细胞培养过度剪切。该PP空心纤维为疏水性的，其中标称孔径大小为0.05μm且纤维内径为0.2mm。

就将疏水性微孔膜用于上述应用而言，需要适当管理跨越膜的压差以避免液体中形成气泡。如果压差大于临界压力，其值取决于液体和膜的性能，则液体可进入孔中(产生“润湿”)且显著妨碍气体转移速率。

为防止操作期间孔的润湿，膜供应商开发了一些复合膜。来自Membrana的膜接触器通过将物理屏障以透气无孔膜层的形式放在接触工艺液体的膜表面上而保持气相和液相独立。4×28组件含有21.7m²膜表面积。另一种具有夹在两个多孔膜之间的超薄无孔膜的复合空心纤维膜可以以具有34m²膜面积/组件的复合空心纤维的形式从Mitsubishi Rayon(Model MHF3504)得到。

该方法可使用无孔(致密)聚合物膜，其通过跨越膜壁选择性渗透而分离气体。在膜材料中的溶解性和通过膜壁中分子自由体积的扩散速率决定它对于各种气体的渗透速率。在膜中具有高溶解度的气体和分子尺寸小的气体比更大、溶解度更低的气体渗透更快。因此，所需气体分离通过使用具有合适选择性的膜与适当操作条件实现。例如来自Medal(Newport，Delaware)的氢膜用于氢气的回收和提纯，其中氢气比CO₂优先渗透。Medal也提供其中CO₂优先渗透的除CO₂的膜。

另外，Applied Membrane Technology，Inc.(Minnetonka，Minnesota)和Senko Medical Instrument Manufacturing(Tokyo，日本)制造了在聚丙烯微孔空心纤维表面上具有薄无孔聚硅氧烷层的复合膜并评估用于人工肺应用。参见“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(PE)、PP、聚(氯乙烯)(PVC)或其它聚合物材料制成的膜也证明是非常有用的。典型的孔径大小为0.03-0.4μm。典型的空心纤维外径为0.5-2.8mm且内径为0.3-1.2mm。

其它有用的膜包括由聚甲基戊烯(PMP)制成的空心纤维膜。这些PMP空心纤维膜为无孔的并为有皮肤的非对称或致密型，如“Evaluation of Plasma Resistant Hollow Fiber Membranes for Artificial Lungs”，Heide J.Eash等人，ASAIO Journal，50(5)：491-497(2004)和美国专利7,118,672 B2中所述。

可由Mistubishi Rayon(Tokyo，日本)得到的空心纤维膜SteraporeSUN^TM由具有改性亲水性膜表面的PE制成。空心纤维的标称孔径大小为0.4μm且纤维外径为0.54mm。SteraporeSUN^TM膜装置Model SUN21034LAN的总膜表面积为210m²，含有70个各自具有3m²膜面积的膜元件。

另一空心纤维膜SteraporeSADF^TM可由Mitsubishi Rayon得到。该膜由PVDF制成，标称孔径大小为0.4μm且纤维外径为2.8mm。每个SteraporeSADF^TM膜元件Model SADF2590含有25m²膜表面积，每个含有20个SADF2590膜元件的SteraporeSADF^TM膜装置Model SA50090APE06的总膜表面积为500m²。

Kubota Corporation(Tokyo，日本)销售用于膜生物反应器的浸没式膜系统。这些膜具有平板构造且由孔径大小为0.4μm的PVC制成。每个膜筒(membrane cartridge)具有0.8m²膜表面积，含有400个膜筒的Model EK-400膜装置的总膜面积为320m²。

其中气体接触表面保留微生物的合适的膜可以使用具有多孔层和较低渗透层的非对称膜。多孔层，称作生物层，可包含任何适于形成生物孔并将液体输送至和送离生物孔中的微生物的材料。孔较少的层，称作水化层，控制发酵液输送至和送离生物层以滋养微生物并保持流出产物在所需浓度下。生物层和水化层描述为单层但也可包含几个层。

非对称膜还要求为膜结构提供支持并封闭生物孔的内端以防止微生物和其它生物材料进入发酵液的材料。非对称膜可含有用于内支撑和形成生物孔的其它层或生物层和/或水化层也可具有这些功能。任何其它层必须允许合成气与微生物在生物孔中直接接触并允许液体渗入生物层中。

生物层必须限定生物孔，用于保留微生物与合成气直接接触。生物孔通常要求在其至少一部分长度上的有效直径为至少1μm。术语有效直径指的是提供相同横截面面积的规则形状的孔的开放横截面面积(open cross-sectional area)。孔不需要具有均匀横截面且在其至少三分之一长度上有效直径为1μm的生物孔将工作良好。膜生物层中生物孔的大小的有效直径通常基本上大于1μm，优选为2-100μm，最优选为5-50μm。通常的生物孔深度为50-500μm，这通常对应于生物层的厚度。

至少，水化层必须具有有限的液体渗透率，相对生物层。有限渗透率防止过量发酵液在系统正常操作期间迁移至生物层中并干扰气体与微生物之间的接触。在大多数情况下，水化层包含比生物层更高密度的材料，这限制液体流动，同时还封闭生物孔的内端以阻止微生物迁移至发酵液中。

特别合适的非对称膜的形式为多孔膜，其在膜的一个表面上具有提供水化层的致密(即具有小孔)薄“皮肤”和提供生物层并限定生物孔的皮下相对打开的支撑结构。皮肤通常包含厚度为0.5-10μm的半渗透层。有皮肤的非对称膜可包括通过使用一种聚合物的转相而制备的“整体有皮肤(integrally skinned)”的膜或复合膜，其中在相同或不同材料的多孔亚层之上形成某种材料的薄层。非对称膜和它们的制备方法的总描述可在文献(例如Cheryn，M.，Ultrafiltration and Microfiltration Handbook，Technomics Publishing Company，Lancaster，PA.，1998；和Mulder，M.，Basic Principles of Membrane Technology，第2版，Kluwer Academic Publishers，Norwell，MA，1996)中找到。

合适的皮肤层具有比微生物细胞更小的孔径以防止细胞通过膜皮肤但膜的相反面具有允许细胞进入和离开膜壁的生物孔的大开口。通常，皮肤层的孔径大小为小于0.5μm，优选小于0.25μm，最优选在标称MWCO为10-300kDa，更优选10-100kDa的超滤范围内。

几种非对称超滤膜可由Millipore Corporation(Bedford，MA)得到，包括但不限于Amicon膜和Ultracel PLC膜。Amicon膜由聚醚砜制成且对于Amicon PM30，具有30kDa的标称MWCO范围。Ultracel PLC膜，其为由将再生纤维素膜浇注在微孔聚乙烯基质上而制成的复合膜，可以以5kDa(PLCCC)-1000kDa(PLCXK)的孔径大小得到。非对称膜的其它实例为均可由Pall Corporation(East Hills，New York)得到的MMM-Asymmetric Super-Micron Memb rane和BTS Highly Asmmetric Membrane。可以以0.1-20.0μm的孔径大小范围得到的MMM-Asmmetric Membrane由聚砜和聚乙烯吡咯烷酮制成。可以以0.05-0.80μm的孔径大小范围得到的BTS Highly Asmmetric Membrane为聚砜的铸型，其具有约10μm的“隔断(cut off)”层和约120μm的总厚度。

含非对称超滤膜的空心纤维膜组件可从大量膜制造商市购。例如，来自Spectrum Laboratories(Rancho Dominguez，CA)的Max Module Model KM5S-800-01N具有22.0m²的对称聚砜空心纤维膜的膜表面积，具有0.5mm的纤维内径，腔侧的致密皮肤和50kDa的孔值(pore rating)。可由Koch Membrane Systems(Wilmington，MA)得到的聚砜空心纤维膜也是非对称的，在腔侧具有致密皮肤。ROMICON筒Model HF-97-43-PM50为6英寸的组件，其含有内径为1.1mm且在9.0m²的总膜表面积下标称MWC为50kDa的纤维。

因此，用于本发明中的生物支撑膜可为微孔、无孔或复合膜或其任何组合。任何合适的罐封技术可用于收集和提供各个膜元件的必要组装。如果是微孔的，由于气体在填充有气体的孔中比在填充有液体的孔中更快地扩散，所以优选疏水性膜。

进料气体连续或间歇地流过膜组件的气体侧。进料气体压力为0.1-100巴，优选0.3-30巴，最优选0.7-15巴。在更高的气体压力下操作的优点是提高气体在液体中的溶解度并可能提高气体转移和生物转化的速率。液相与气相之间的差压以不损害膜完整性(例如不超过膜的爆裂强度)且保持所需气液界面相的方式管理。

在这种膜中，气体和液体可以直接且密切接触，而不会由于在低于膜液体界面的泡点和保持气液界面的差压下操作而产生任何气泡。此外，该界面的性能可通过膜孔的孔隙率和疏水性/亲水性控制。

如果微生物居于气体侧，则气体侧压力通常轻微高于液体压力以防止对流液体从水化层(液体)侧流至气体接触侧的开放表面(气体)。较高的压力还可降低细胞/气体界面上任何液体层的形成，其会妨碍气体转移至细胞。

其中所用膜的具体应用和类型决定通过组件组的理想流速。在气体流过空心纤维膜的腔的情况下，可接受的气流速度通常为1-50cm/s。在气体在膜外部，即组件的壳侧流动的情况下，当基于通过组件净横截面积的气体体积减去纤维体积计算时，本体气体速度为0.1-10cm/s。

通过膜的气体速度与气体的相对湿度一起代表控制膜的气体通道中存在液体堵塞的两个主要因素。在合成气通过空心纤维膜腔的情况下，由于水蒸气在通常用于合成气发酵的条件下从液体侧扩散，所以水蒸气使在膜的最初几英寸内的气体饱和。一旦饱和，水开始立即在合成气中冷凝，因为当它喂养膜保留的微生物时它的体积降低，从而产生更多产物形式的液体。该冷凝持续直至合成气离开纤维。

如果气体速度降至足够低的值时，纤维中形成的冷凝物可阻塞其中它流动的纤维腔。腔阻塞不仅通过降低有效膜面积而降低气体转移(或气体消耗)，而且通过降低气流的通道面积而提高气体压降。一旦发生阻塞，则通过纤维的压降临时提高可重建气流。

特别着眼于空心纤维中的问题，空心纤维中的水蒸气渗透可根据等式1描述，其中相对湿度(RH)沿着纤维的变化速率与水蒸气转移系数(K)和全气体饱和率(RH＝1)与实际饱和率RH之间的差成比例。在该等式中，x为纤维入口的距离(m)，Q_气体为气体流速(m³/s)，d为纤维内径(m)，n为纤维数目。

使用边界条件：在x＝0下，RH＝RH₀，在x＝L下，RH＝RH_L(等式2)可提供K的值。

实施例1

为分析具体膜操作和几何形状，使用具有275个0.2米长的微孔聚乙烯空心纤维膜的组件来评估水蒸气转移系数K。纤维内径和孔径大小分别为410μm和0.4μm。入口和出口气体的相对湿度用湿度计(RH92型，Omega Engineering Inc.)在37℃的环境温度下测量。当气体流速为1L/min(或0.46m/s，在纤维腔中)时，入口和出口的相对湿度分别测定为0.05和0.945。最后，使用等式2计算水蒸气转移系数K为6.7×10^-4m/s。

可再将该K值放在等式2中计算使在腔中行进的气体饱和所需的距离(L)。在以上实验所用的相同条件下，气体的相对湿度在它行进0.06m以前提高至99％。如前所述，水蒸气一饱和就开始冷凝，且该冷凝在其余纤维长度中持续。

实施例2

在相同条件下用商业组件2.5×8(Membrana GmbH，德国)重复实施例1的实验。组件中的膜纤维如用于以上实施例1中的膜一样为微孔的。膜纤维内径为220μm。组件的直径和长度分别为63.5mm和203mm。非常高的水蒸气转移速率使甚至在实验装置允许的最大气体流速，即7L/min下出口气体的相对湿度保持总是在99％以上。由于在该条件下得不到水蒸气转移系数K，所以对于该条件计算最小水蒸气转移速率(K_min)。当膜腔中的气体速度为0.1m/s时，气体的相对湿度在气体基于K_min，即7.7×10^-4m/s行进0.03m以前达到99％。

实施例3

另一个实验用不具有微孔层的无孔膜2.5×8(Membrana GmbH，德国)进行。取而代之的是，它具有禁止水蒸气通过膜直接蒸发的无孔层。结果，水蒸气转移固然低于多孔膜的那些。该组件的尺寸与实施例2中所用的组件相同。在0.83L/min的气流下，入口和出口气体的相对湿度分别测定为0.05和0.794。因此，使用等式2计算水蒸气转移系数K为2.08×10^-5m/s。当气体以0.10m/s行进时达到出口99％的相对湿度所需的膜长度计算为1.11m。由于在实际发酵条件下膜腔中的气体体积收缩，使合成气饱和所需的膜长度稍微短于1.11m。

在使用附在空心纤维膜上的生物膜的合成气发酵中，包括所有串联连接的膜的纤维的总长度大于1.5米。因此，不管纤维特征，不可避免在膜纤维内部具有一定程度的水冷凝。

如前所述，水蒸气一饱和就开始冷凝且冷凝在纤维的其余部分持续。一旦冷凝物阻塞纤维，附于其上的生物膜便不接收合成气，从而降低组件的有效膜面积。过量合成气以较高速度和较小接触时间通过其它纤维。因此，气体转化系数和膜组件的生产率降低。

实施例4

为证明冷凝物阻塞的发生和气体流速的影响，空心纤维膜用于将进料气体输送至空心纤维膜的生物膜中的实验中。进料气体包含基于体积约30％CO、32％CO₂、32％H₂、3％N₂和CH₄。用于该实验中的空心纤维膜具有两侧被两个微孔疏水层夹住的薄无孔层(Mitsubishi Rayon Co.，日本)。膜的内径和外径分别为280μm和200μm。膜的有效长度为0.95m，同时总膜面积评估为17.1m²。

对于最初两个星期，由于生物膜生长，气体消耗速率逐步提高，其后开始由其峰值缓慢下降。经过该时间，组件入口与出口之间的气体压降从0.03巴以下提高至0.034-0.048巴，这表明一部分纤维被阻塞并妨碍气流。为从膜腔中除去冷凝物并将腔阻塞保持在较低程度，气体流速从1L/min提高至3L/min。结果，气体消耗从4.9至7.4毫摩尔/分钟，增加约50％。

实施例4证实流速提高可恢复气体流动至膜中阻塞的纤维。如果定期实践该程序，则可在长期操作中将冷凝物引发的纤维阻塞控制在低水平。

本发明的一个目的是设法避免在膜气体侧的这种液体阻塞。为此，本发明方法中气体连续流动遇到的组件数将在沿着气流路径的数目上继续降低以保持足够的压降以避免液体在任何窄通道中阻塞。该压降随气流通道的具体几何形状以及气体组成变化。避免液体阻塞所需的压降与腔直径大约成反比。例如与实施例4中200μm的纤维相反，当合成气流过500μm直径的空心纤维腔时，通过腔的压降通常等于至少0.01巴，更优选0.02巴以避免阻塞。

本发明进一步描述了使用含空心纤维膜的组件由CO和/或H₂/CO₂混合物制备乙醇的生物转化方法。在具体上下文中，本发明的描述不限制它的应用或满足其使用标准的其它方法应用的权利要求范围。

本发明发现准备应用于由合适的进料气体料流制备乙酸、乙醇和其它产物。使用微生物的这种转化是熟知的。例如，在新近的书中，生物化学路径的简述和这种生物转化的能力学总结于Das，A.和L.G.Ljungdahl的Electron Transport System in Acetogens及Drake，H.L.和K.Kusel的Diverse Physiologic Potential of Acetogens中，分别作为Biochemistry and Physiology of Anaerobic Bacteria，L.G.Ljungdahl编辑，Springer(2003)的第14和13章出现。可使用能够转化单独的合成气组分：CO、H₂、CO₂或该合成气组分彼此的组合或该合成气组分与通常存在于合成气中的其它组分的组合的任何合适的微生物。合适的微生物和/或生长条件可包括以下文献中公开的那些：2006年5月25日提交的序号为11/441,392，标题为“Indirect Or Direct Fermentation of Biomass to Fuel Alcohol”的美国专利申请，其公开了具有ATCC BAA-624号的所有鉴别性特征的微生物Clostridium carboxidivoran的生物纯培养物；2006年8月31日提交的序号为11/514,385，标题为“Isolation and Characterization of Novel Clostridial Species”的美国专利申请，其公开了具有ATCC BAA-622号的所有鉴别性特征的微生物Clostridium ragsdalei的生物纯培养物；在此将二者的全部内容通过引用并入本发明。Clostridium carboxidivorans可例如用于将合成气发酵成乙醇、正丁醇和/或己醇。Clostridium ragsdalei可例如用于将合成气发酵成乙醇。

合适的微生物和生长条件包括具有ATCC 33266的鉴别性特征的厌氧菌食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)，其可适于CO并使用并且这能够制备正丁醇以及丁酸，如参考文献“Evidence for Production of n-Butanol from Carbon Monoxide by Butyribacterium methylotrophicum”，Journal of Fermentation and Bioengineering，第72卷，1991，第58-60页；“Production of butanol and ethanol from synthesis gas via fermentation″FUEL，第70卷，1991年5月，第615-619页中所教导的。其它合适的微生物包括杨氏梭菌(Clostridium Ljungdahli)，其具有具有ATCC 49587(US-A-5,173,429)和ATCC 55988和55989(US-A-6,136,577)的鉴别性特征的菌株，这能够制备乙醇以及乙酸。在此引入这些文献的全部内容。

至今发现适于本发明的微生物要求厌氧生长条件。因此，系统使用合适的控制和密封方法以限制将氧引入系统中。由于有机体原则上居于与保留室的液体体积的接触中，系统保持液体中合适的氧化还原电势且可监控该室以确保厌氧条件。保留液体体积中的厌氧条件通常定义为具有小于-200mV的氧化还原电势，优选-300mV至-500mV的氧化还原电势。为进一步使微生物在氧下的暴露最小化，进料气体优选具有小于1000ppm，更优选小于100ppm，甚至更优选小于10ppm的氧浓度。

在本发明的一个合适的形式中，适于渗透CO或H₂与CO₂的混合物中至少一种的生物支撑膜提供进料气相与液相之间的分离。图1显示了典型生物反应器系统的操作中膜构造和界面的更多细节。图1(a)描绘了合成气料流A流向气相中膜的气体进料侧，所述气相保持在膜的气体接触侧的室中。合成气组分通过膜孔自由地扩散至液体界面而不形成气泡。具有ATCC BAA-622号的所有鉴别性特征的厌氧产乙酸菌Clostridium ragsdlalei保持在发酵培养基中。发酵培养基循环通过室，所述室在保持与膜的液体侧接触的液体体积的膜的相反侧。合适的微生物细胞作为生物膜存在于膜表面的液体接触侧，将进料气体中CO或H₂/CO₂的至少一种转化成理想的产物。由于膜孔比微生物的宽度小得多，所以它们优先留在膜表面上以将CO和H₂/CO₂转化以获得代谢能，在膜表面上生长和形成生物膜。料流B从保留在生物膜外表面附近的液体体积中提取液相组分。

图1(b)-(c)显示了在膜的液体接触侧存在生物膜的膜的各种形式。图1(a)和1(b)的膜部分都示意性地显示出在膜相反侧发展的生物膜层左边的多孔膜的横截面。生物膜与膜之间的界面充当平衡分隔以保持液相与气相彼此分离。图1(c)描绘了类似的配置，然而这时具有左侧的无孔膜和粘附在膜右手侧的表面上的生物膜。图1(d)阐述了膜的复合结构，其使无孔膜表面与气相组分接触。无孔膜的反面(右侧)固定在多孔膜上且生物膜层附在多孔膜层右侧的表面上。

图2描绘了有效使用膜系统中的空间的典型流动配置的概括式总视图。合成气组分作为气体料流A进入系统中并流入两个膜壁之间的中心空间。相对膜壁的气相接触表面形成分配室以接收来自料流A的气体。在这种情况下，气体同时渗过多孔膜以被附在两个相对膜外壁的生物膜层中的微生物消耗。以这种方式，各个气体通道作为多个膜表面且液体产物料流B从多个膜壁输送出来。图2的配置可使用平板构造并且对于良好流量控制和液体侧的分布是特别有用的，这是生物膜厚度控制可能需要的。

图3显示图2的特殊情况，其中中心分配室的相对壁以连续形式卷绕以提供管式膜。在这种情况下，气体料流A进入膜的腔且液体产物料流B在所有方向上从外壁流出。空心纤维对于这种生物反应器构造特别有用。

在另一高度有用的本发明形式中，适于渗透发酵液的非对称膜提供液相与包含CO或H₂与CO₂的混合物和液相中至少一种的进料气体之间的分隔。图4显示典型生物反应器系统操作中的膜构造和界面的更多细节。图4描绘了单一膜元件的横截面，其中合成气料流A流向非对称膜12的气体接触侧10。合成气组分直接接触含在生物孔16中的微生物14。具有ATCC BAA-622号的所有鉴别性特征的厌氧产乙酸菌Clostridium ragsdaeli保持在生物孔中并通过渗过生物层18与发酵液一起供应。发酵液在合成气A相对侧上循环并渗过在生物层18内表面上作为皮肤20形成的水化层。皮肤20与生物层18的直接接触将发酵液转移至生物孔16。使微生物与气体料流接触的生物层18的表面用作跨越非对称膜的平衡分隔以保持液相与气相彼此分离。皮肤20中的孔比保留在生物孔16中的微生物的宽度小得多使得皮肤20封闭生物孔16的内端并防止微生物通过皮肤20并至液体接触表面22。结果，微生物14优先停留在生物孔16内以通过转化CO和H₂/CO₂获得代谢能，从而生长并将它们维持在生物孔16内。取出一部分液体B并分离以从发酵液中回收所需产物。

为使非对称膜负载有微生物，首先将生物层接种微生物，其后进一步细胞生长以达到所需细胞负载密度。为接种生物层，将含微生物的水溶液引至非对称膜的气体接触侧，然后将溶液通过施加轻微可透性膜压而缓慢过滤通过生物层和水化层，穿过水化层产生无微生物的滤出物并截留生物层的生物孔内的细胞。通过使含微生物的膜与含适于微生物生长的营养素和碳源的液体溶液接触而接种该膜用于进一步微生物生长。作为选择，可使用合成气和含营养素的液体溶液接种膜。

图5和6显示了在生物层的生物孔中存在微生物的非对称膜的各种构造。在图5中，两个非对称膜部分12界定了中心液体通道24，其中发酵液在料流C的方向上循环。液体通道24的每一侧的非对称膜以类似于关于图4的单一膜元件所述的方式起作用。合成气流过气体接触侧10与微生物14接触，发酵产物以箭头26的方向离开皮肤20。图5的配置可使用平板构造或管式构造，并且对于良好流量控制和液体侧的分布是特别有用的。

图6显示图5的特殊情况，其中非对称膜12′以连续形式卷绕以提供具有中心液体通道24′的管式膜。在这种情况下，合成气料流A径向向内流动与含在环状生物层18′中的微生物14接触。皮肤20′覆盖生物层18′的内表面并控制液体渗过生物层18′。

非对称膜管式构造的可选择构造(未显示)可颠倒图6的皮肤和生物层位置。在这种情况下，液体接触非对称膜12″的外表面且液体渗透至位于膜12″内部的生物层。中心通道24″现在用于供应合成气至膜的内表面。

就空心纤维而言，膜可配置成如图7和8所示的典型组件。纤维以微孔和/或无孔空心纤维的形式提供可透气膜表面。气体或液体流入捆在一起并罐封在圆柱形壳或容器内部的细纤维中，液体通过它分配和循环。在这种组件中可实现1000-5000m²/m³的非常高的表面积。

图7和8示意性地显示罐封在用于具有气体和液体循环的生物反应器系统中的双头膜组件构造中的纤维。各个空心纤维的空心纤维壁限定空心纤维腔和外表面。纤维的垂直定向将它们保持在所需位置上并避免由于重力和/或浮力的置换。形成空心纤维的膜可为透气的微孔和/或无孔膜。

在可选择的配置中，工艺气体可填充空心纤维腔且工艺液体接触空心纤维外部或者工艺液体可填充纤维腔且工艺液体接触空心纤维外部。在这些配置任一个中，腔侧或膜表面外部可将微生物保留在浸入液体的生物膜中或膜表面的气体侧或作为拥有生物孔的生物层。如果组件的膜将生物膜保留在液相中，则工艺气体通过空心纤维壁与生物膜相互作用以产生与工艺液体混合的液体产物。如果膜组件将微生物保留在气体侧，则液体渗过膜而将液体和营养素带给微生物以消耗工艺气体并产生液体产物，其通过膜渗透回液相中。

在每种情况下，工艺气体可为合成气体(合成气)，例如CO、H₂和CO₂与其它组分如CH₄、N₂、NH₃、H₂S和其它痕量气体等的混合物。用这种气体，生物膜或生物层可能支撑培养物，例如Clostridium ragsdalei、食甲基丁酸杆菌、杨氏梭菌、Clostridium carboxidivorans、其组合等，其可由合成气产生液体产物。取决于所选择的合成气和培养物，这种液体产物通常包含乙醇、正丁醇、己醇、乙酸、丁酸、其组合等。本领域技术人员应当理解可根据需要选择大量合成气与培养物的组合以产生所需的具体液体产物。

图7说明配置用于使液体从组件的外表环境向内流动以接触外部纤维表面的双头膜组件。该膜组件30包括若干空心纤维32，其各自具有限定空心纤维腔和外表面的空心纤维壁。流体室34可连接空心纤维32一端以使流体与空心纤维腔一端连通，流体室36可连接空心纤维32的另一端以允许液体循环通过空心纤维腔。环氧树脂(expoxy)或其它相似物质提供保护头38和40中的空心纤维32的罐封材料以使纤维32的腔分别通过室34和排气管36连通。若干支撑棒42保护头38和40为空间分开的关系以为膜组件30提供机械强度，其必须经得住空心纤维浮力、空心纤维和生物膜的重量、膜组件处理等导致的力。空心纤维32的长度可大于气体入口头38与40之间的距离以赋予空心纤维32一定的松弛和移动的自由。在一个实施方案中，空心纤维的长度等于头38与40的罐封端之间的距离的1.015-1.15倍以产生纤维松弛，优选长度等于头38与40之间距离的1.015-1.03倍。

图8描绘了封装在容器壁51内的膜组件50并配置为逆流流过该膜组件：与腔外部接触的工艺流体进入膜组件的底部并在顶部离开，且通过腔的工艺流体进入膜组件的顶部并在底部离开。本领域技术人员应当理解膜组件可为逆流或并流，其中根据具体应用的需要，工艺液体或工艺气体进入膜组件的顶部或底部。

如图8所述，底部流体连接52和顶部流体连接54连接在管56或其部分上，其中管56分别通过底部罐封端58和底部罐封端60。当膜容器内若干膜组件串联连接时，流体连接52和54可附在从膜容器中通出的管道上或附在邻近膜组件的流体连接上。空心纤维61通过罐封端58、60，使得空心纤维腔开放至底部空间62和顶部空间64。当膜容器内若干膜组件串联连接时，底部空间62和顶部空间64可与从膜容器中通出的管道或邻近的膜组件连通。在该配置中，工艺液体或气体料流66在底部流体连接52处进入膜组件50并作为料流68通过顶部液体连接54排出。其它工艺气体或工艺液体作为料流70在顶部罐封端60处进入膜组件50并作为料流72在底部罐封端58排出。位于组件顶部头60与容器壁51之间的密封环82与组件底部头58与容器壁51之间的密封环84一同阻断接触纤维61外表面的流体与存在于底部空间62和顶部空间64中的流体的交换。

管56延伸底部罐封端58与顶部罐封端60之间的膜组件长度。管56包含底部罐封端58附近的底部多孔段74、顶部罐封端60附近的顶部多孔段76和多孔段72与74之间的阻塞段78。如空心箭头所示，在该配置中，管56中的工艺流体离开底部多孔段74，沿着空心纤维61的外表面进入顶部多孔段76。通过中间段78阻断迫使工艺流体径向流入与空心纤维61的外表面接触。管首先的作用是分配和收集罐封端58和60的中心区域附近来自纤维56的液体，也可用作罐封端之间的中心支撑。如果不需要中心支撑，则连续的管可用简单的分配器和收集器代替，若干支撑棒80保护头58和60为空间分开的关系。

本发明的一个形式可应用于单一组件或由它们固有的容器围绕的单一组件堆。图9示意性地描绘了这种工艺配置。进料气体料流经由管线90以流量计91测量的体积速率流至本方法中。管线92、94和96将气体分配至封装在包含膜组件的各个容器98、100和102中的组件组95，其中气体接触含在其中的膜的气体接触侧。管线104、106和108分别收集来自容器98、100和102的气体。相对于经由管线90进入的气体体积，通过组件中的微生物的气体消耗降低了离开组件组95的气体体积。

管线110将剩余的进料气体从组件组95输送至组件组112。组112中的组件在构造上与组95中所含的组件相同，但组112仅由两个容器114和116组成，其封装的总组件数成比例地低于组95。管线118和120在容器之间相等地划分剩余的进料气体。通过降低组112中的容器和组件数，气体通过各个组件和容器的总体积流速保持与通过组95中各个组件的大约相同。结果，通过各个组件和容器的气体速度在组95与112之间改变不大于约20％。优选通过各个组件或容器的气体速度改变不大于10％。

管线122和124收集来自容器114和116的剩余进料气体，并将它经由管线128输送至容器126。容器126封装组件组130。组130中的组件在构造上与组95和112中所含的组件相同，但组130仅由容器126组成，并且封装的组件数成比例地低于组95和112。进一步简化成组130中的一个容器保持了气体通过各个组件和容器的总体积流速与通过组95和112中各个组件的大约相同，使得通过各个组件和容器的所得气体速度与组95和112中的相比改变不大于约20％。任何剩余气体经由管线132离开容器126。

在图9中，液体料流以平行流通过组95、112和130中的所有组件。泵136将液体由罐134输送至进料集流管138。进料集流管138将液体以等量输送至进料支管142、144、146、148、150和152，且各个支管分别将液体输送至容器126、116、114、102、100和98。出料支管156、158、160、162、164和166分别收集来自容器98、100、102、114、116和126的含液体产物的流出液体，分别收集在集流管154中。

管线170将一部分流出液体输送至产物回收段以分离液体产物。产物回收段产生包含所需液体产物的产物料流和贫含产物的料流，其经由管线172返回罐134。

来自管线154的流出液体的剩余部分再循环至容器中。管线168将流出液体的剩余部分输送至罐134以与贫含产物的料流134和经由管线174进入罐中的任何所需添加剂混合。

图9的配置同样非常适于使用空心纤维膜组件，其中气流穿过纤维的腔。在这种情况下，外部管道保持与图9中所示的相同，但内室或歧管装置输送并收集来自纤维腔的气体，同时液体填充容器的容积以使纤维外部被工艺流体围绕。

使用大罐作为单一容器以使膜组件浸入工艺液体中时，使气体通过空心纤维膜的腔循环的配置可发现更好的经济性。密闭的罐可将若干膜组件封装在工艺液体中以用少量膜罐实现非常大的总膜表面积，从而简化装置设计并降低成本。膜罐可采用圆形、正方形、三角形或任何其它合适的形状。在许多应用中，罐需要提供气密环境，特别是对于厌氧操作。可设计膜组件以提供在各个空心纤维和/或小束空心纤维周围理想的工艺液体流分布。本领域技术人员应当理解膜组件可根据具体目的的需要而具有任何横截面，例如圆形、三角形、正方形，或任何其它适应所需间距和/或跨距的横截面。

罐也可提供用于液体循环的温度和pH控制的装置，所述液体含有维持微生物细胞活性所需要的营养素。可搅拌罐中的液体以提供足够的混合并且如果需要的话用合适的气体喷射以保持合适的气态环境。与膜相切的液体的空塔线速度应为0.01-20cm/s，优选0.05-5cm/s，最优选0.2-1.0cm/s。除液体线速度外，可通过其它方式控制生物膜厚度以在液体-生物膜界面上产生剪切力，包括用气泡冲刷膜外表面和自由移动空心纤维。也可操纵影响微生物细胞代谢活性及气体和营养素质量转移速率的操作条件以控制生物膜厚度。生物膜厚度通常为5-500μm，优选5-200μm。

图10示意性地显示一种配置，其中组件罐200封装三个组件组202、204和206。将工艺气体置于空心纤维腔内并将生物膜置于组件的空心纤维的外表面上。工艺气体通过空心纤维壁与生物膜相互作用并产生与工艺液体混合的液体产物。组件罐200的内容物与环境气氛之间的密封(通过罐200的壁形成)及入口和出口连接上的密封保持罐200内的厌氧气氛。工艺液体从液体入口208循环通过罐200至液体出口210。入口208和出口210可包含部分再循环液体回路以保持液体移动通过罐。从管线210取出的一部分液体送往产物回收段以回收液体产物。组中的所有组件具有开放侧使得液体围绕各个组件中的所有纤维。

气体入口导管212将进料气体经由支管214输送至组件组202。组件组202由三个组件堆组成，其在各堆的底部具有底部组件216、各堆的顶部具有顶部组件218和将气体从底部输送至顶部组件的互连导管220。

支管222收集来自各个顶部组件218的气体并经由管线224和支管226输送至组件组204。组件组204含有两个组件堆，各个堆具有上部组件230、下部组件228和用于将气体从组件230输送至组件228的互连导管232。组件组204比组202少含有一个组件堆以相对于组件组202提供的气流区域降低组件组204的气流区域。

管线236将剩余进料气体从组件组204输送至组件组206。剩余进料气体通过底部组件238并经由互连导管242至上部组件240。组206中的组件数相对于组204再一次减少以降低组206提供的气流区域，从而保持通过组件238和240的腔的足够高的气体速度以防止低流动条件及导致冷凝。气体出口导管244回收来自组件240的任何剩余进料气体。

当进料气体连续通过组件组时，进料气体组分的消耗可改变气体料流的组成。例如当该方法应用于将包含CO、CO₂和H₂的合成气转化成液体产物时，当料流通过组件组时，微生物可消耗更多存在于气体料流中的CO，留下更大比例的CO₂、H₂和任何惰性气体组分。气体料流中各个组分的浓度可影响某些微生物的产率和有机体对制备某些所需液体产物的选择性。

为克服微生物基于它们在连续气流配置中的相对定位的任何不利调节，可能有利的是相对于气流路径旋转组件的位置。通过顺序地改变气体输送路径，可将所有组件定期以不同的组件数分组并当进料气沿着气流路径改变时接收各个不同组成的进料气体。

图11显示一种配置，其中单罐300使工艺液体从入口302穿过六个组件A、B、C、D、E和F循环至出口304。进料气体从入口管线306穿过入口歧管308流至组件。通过阀V13-V20的操作，入口管道回路309和用于组件A-F的各个组件喷嘴提供进料气体的进一步输送和进料气体在组件之间的循环。为提供气体进料的输送和循环，组件A、B、D和E各自以“T”阀接点相连通，组件C和F各自以“十字形”阀接点相连通。各个组件出口喷嘴以类似方式收集来自组件A-F的流体以抽取进料气体并使进料气体在组件之间循环。组件A-F各自以与阀V1-V12相连通的“十字形”阀接点313相连通以调整气体在出口管回路311周围的循环，通过出口歧管310并进入出口集流管312中。

表2指出阀操作的六种不同顺序位置，所有组件定期并连续用于三个组件的组，两个组件的组和作为单一组件。在标题为组件分组/功能的列中，在各个组件字母下显示有数字。对于各个具体顺序，数字表示某个组件是在三个、两个还是1个组件的组中。在组件分组/功能列的左侧，各个阀号显示于分开的列中。在各个阀号下方，显示对于各个具体顺序位置的阀的状态。格中的“+”表示阀是打开的，而“-”表示阀是关闭的。在所有情况下，当组件以3个组件的组或作为单一组件操作时，该特殊阀配置将产生向上流动状态，当组件以2个组件的组操作时为向下流动状态。

阀和管道配置允许组件通过所有不同的分组连续循环。以这种方式，微生物有规律地体验进料组成的相同改变和如果存在的话流动状态的相同改变。每个顺序位置的时限可为1分钟至5天，更优选10分钟至8小时。

组件旋转和顺序的另一变型可引入清洗步骤以冲洗来自微生物菌落的物质，特别是当它们居于膜的气体接触侧的生物孔内时。适于清洗生物孔的清洗步骤可通过充分升高液相的压力或降低气体的压力以具有导致液体从膜的液体侧渗透至气体侧的压力差。清洗可持续10秒至10分钟，并可以以24-1000小时的频率进行。

图12示意性地描绘与图11所描绘的类似的管道和阀配置。尽管呈现不同，但组件段的数量在图11中与图12保持相同。组件A-F在功能方面也不同，即它们各自被单个容器封装且工艺液体经由用于将液体单独分配至各个组件的入口歧管配置302′和用于单独收集来自各个组件的液体的出口歧管装置304′进入和离开含在各个容器中的膜的腔。

图12使用的管道配置包含管线308′-311′，其以连同图11所述的方式用于以与图11所述基本相同的方式分配进料气体，不同之处在于在这种情况下，进料气体流至各个容器A-F的壳侧。图11与图12在阀配置方面的另一变化是加入用于组件C的阀V21和用于组件F的阀V22。阀V21和V22使得各个组件经受单独的清洗步骤。围绕各个组件的容器还具有单独的排水管314以除去来自组件壳侧的流体，主要是在清洗步骤期间。

表3指出阀操作的六种不同的顺序位置，所有组件定期并连续用于三个组件的组、两个组件的组和作为单一组件。在标题为组件分组/功能的列中，在各个组件字母下方再次显示有数字。对于各个具体顺序，数字再次表示某个组件是在三个、两个还是1个组件的组中。在组件分组/功能列的左侧，各个阀号再次出现在分开的列中，再次以“+”或“-”表示对于各个具体顺序位置的阀状态。在所有情况下，当组件以3个组件的组或作为单一组件操作时，该特殊阀配置将产生向上流动状态，当组件以2个组件的组操作时为向下流动状态。

在组件分组/功能标题下的列现在还包含名称3P。这指出具体组件在经受清洗步骤时。清洗步骤可持续组件保持具体顺序状态的所有或仅一部分时间。组件的清洗顺序由暂时停止气体流入和流出组件组成。组件保持阻塞气体流动以降低组件内的气体压力至工艺液体流过膜到膜的气体接触表面上的点。一旦完成清洗步骤，用于输送和抽取进料气体的气阀再次打开且组件继续其操作模式。排水管314一般保持关闭，除了排放在组件底部收集的聚集液体外，其在清洗步骤期间或在该顺序中的任何时间进行。

本发明可排序各个组件或组件组。本发明应用于商业设施可包括使用数百个组件。在这种应用中，各个阀将控制大批组件，从而使所需这种阀的数量最小。事实上，图12中所示各个组件段实际上可代表组件的集合。

图13和14示意性地描绘了通常通过图11和12所述类型的阀系统控制的多个组件装配。在该组件装配中，具有支线402的入口集流管401将液体供应至封装在容器400中的多个组件。一系列支线404收集来自组件底部的液体并将液体输送至出口集流管406。在实践中，容器400用作一个元件，其与其它类似容器一起构成根据本发明要求分组的组件元件集合。

因此，为减少与大量组件一起操作所需的管道和阀，图13所绘的装配可接收来自单一管线的气流和来自单一管线的废气。实际上，可将图12中各个单独控制的组件A-F用如图12所示的组件装配取代并结合在具有各个“十字形”阀接点413和/或“T”阀接点405的管线中。各个阀接点通过连接在下部管道网络408或上部管道网络410上的一系列通道将气体传递至容器的开放区域。将图12的阀配置应用于六个图13所示类型的容器，同样数量的阀可以以表3所述相同的方式调整非常大批组件的流量。该操作可包括清洗步骤，为此容器结合排水喷嘴412以除去液体。

图14通过沿图13中线S-S的截面和容器底部的局部剖视图描绘了容器400内和周围的组件和管道配置。容器400封装了多个单独的组件。各个组件为图7所示的类型，其具有开放的侧壁，用于传递通过通道502进入或离开容器的气体，其通过底板504并用管道网络408传递气体料流。各个通道502从顶板504轻微伸出以防止液体在清洗步骤期间进入管道中。通道506收集来自容器400内部的液体以通过排水喷嘴412除去。

如果容器400在高压下操作，则它可结合具有适当几何形状的压力平衡头(未显示)以更有效地经得住压力负载并降低所需的板504厚度。

液体向下流过组件500内的纤维腔。支管404各自经由密封接点与图7中参考号36所示类型的收集室连通。出口集流管408收集液体，用于通过直接通往分离段或通过流过其它组件组而从该液体料流中分离液体产物。

因此，可发现本发明广泛应用于控制组件组以进行多种操作应用。除本文所解释的清洗和分组功能外，本发明方法可包括其它操作步骤，例如培养物首次和定期接种在膜表面上。以下权利要求不意欲排除本发明应用中任何这种变化和改进。

表2.用于图11中组件连续循环的阀和管道排列

表3.用于图12中组件连续循环和定期清洗的阀和管道排列