CN115305264A - 以生物聚合物形式存储能量的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供以生物聚合物形式存储能量的方法和系统。所述方法包括在电解工艺中间歇地加工由可再生和/或非可再生能源产生的电能以产生至少H2、O2或CO；间歇地将来自所述电解工艺的H2、O2或CO传递到含有能够产生生物聚合物的细菌培养物的生物反应器；以及使所述培养物发酵。本公开进一步提供一种以生物聚合物形式存储能量的系统，其包括电解工艺，所述电解工艺与可再生和/或非可再生能量来源间歇地流体连通以用于产生H2、O2或CO中的至少一种；生物反应器，其与所述电解工艺间歇地流体连通和/或与工业设备连续地流体连通，所述生物反应器包括适用于间歇地生长、发酵和/或培养并且容纳能够产生生物聚合物的微生物的反应容器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年4月5日提交的第63/171,032号美国临时专利申请的权益，其全部内容以引入的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及以生物聚合物形式存储能量且改进气体发酵工艺的经济性的方法和系统。特定来说，本公开涉及发酵工艺与工业工艺、合成气工艺和/或电解工艺的组合，其中将由工业工艺、合成气工艺和/或电解工艺产生的气体间歇地传递到生物反应器以用于发酵。
背景技术
二氧化碳(CO2)占由人类活动引起的全球温室气体排放的约76％，其中剩下的是甲烷(16％)、氧化亚氮(6％)和氟化气体(2％)(美国环境保护局(United StatesEnvironmental Protection Agency))。减少温室气体排放，尤其是CO2排放，对于阻止全球变暖的进程以及随之而来的气候和天气变换至关重要。
长期以来，已认识到催化工艺(如费托工艺(Fischer-Tropsch process))可以用于将含有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)的气体转化成各种燃料和化学品。然而，近年来气体发酵已经成为用于这类气体的生物固定的替代平台。
这类气体可以来源于例如工业工艺，包含由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、纸浆和纸制造、炼钢、炼油和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(来源于包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(来源于蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。
利用特定工业工艺和合成气工艺，气体的供应可能不足以进行发酵工艺。当气体的供应变得不足以进行发酵工艺时，发酵工艺的生产速率低于最优，从而导致所产生的产物少于发酵工艺另外能够产生的产物。
另外，随着不断调整的市场，通过气体发酵工艺产生的产物的价值也有所变化。当与产生这类产物的成本相比，通过气体发酵产生的产物的价值较高时，提高发酵工艺的产生速率是有利的。相比之下，大多数可再生能源是间歇的、不可运输的并且很大程度上取决于气象和地理条件。这对于具有高能量需求但受限于可再生能源(例如太阳能或风能)的季节性波动供应的地点来说尤其重要。
通过在这类产物的市场价值相对于产生这类产物的成本较高时增加发酵工艺的生产速率，可以优化发酵工艺的经济性以及能量存储。
已假设许多化合物充当细菌中的存储材料。涉及碳和能量保留的那些化合物中的一些为胞内多糖，确切地说为聚羟基烷酸酯。聚羟基烷酸酯(PHA)，特别是聚羟基丁酸酯(PHB)积聚在原核生物中并且充当碳和能量的胞内存储化合物。PHA由于其热塑性特性和可生物降解性而在工业和医药中具有各种应用。
仍需要由可再生或非可再生能源提供能量的方法和系统，所述能量呈便宜的可存储且可运输形式，具有高能量转换速率并且是环保和可持续的。
因此，仍需要改进发酵工艺与能量存储以及工业合成气工艺和/或电解工艺的整合，其中与原料供应相关联的问题会减少并且发酵工艺能够以最大水平生产，此时这类生产为经济最优的。
发明内容
本公开提供了一种以生物聚合物形式存储能量的方法，其包括在电解工艺中间歇地加工由可再生和/或非可再生能源产生的至少一部分电能以产生至少H2、O2或CO；间歇地将来自电解工艺的H2、O2或CO中的至少一种传递到含有培养物的生物反应器，所述培养物包括液体营养物培养基和能够产生生物聚合物的微生物；以及使培养物发酵。
本公开还提供一种以生物聚合物形式存储能量的系统，其包括电解工艺，所述电解工艺与可再生和/或非可再生能量来源间歇地流体连通以用于产生H2、O2或CO中的至少一种；工业设备，其用于产生至少C1原料；生物反应器，其与电解工艺间歇地流体连通和/或与工业设备连续地流体连通，所述生物反应器包括适用于间歇地生长、发酵和/或培养并且容纳能够产生生物聚合物的微生物的反应容器。
本公开提供一种改进发酵工艺的性能和/或经济性的方法，所述发酵工艺限定在液体营养素培养基中含有细菌培养物的生物反应器，其中所述方法包括：将包括CO和CO2中的一种或两种的C1原料从工业工艺传递到生物反应器，其中C1原料具有一单位成本；将来自电解工艺的H2、O2或CO中的至少一种间歇地传递到生物反应器，其中电解工艺具有一单位成本；以及使培养物发酵以产生一种或多种发酵产物，其中一种或多种发酵产物中的每种发酵产物具有一单位价值。在某些情况下，利用多个电解工艺以向生物反应器提供CO、CO2和H2中的一种或所有。
在某些情况下，C1原料衍生自选自包括以下的组的工业或合成气工艺：由碳水化合物发酵产生的气体；由水泥制造、浆和纸制造、炼钢、炼油和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体；合成气体(衍生自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(衍生自蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。在某些情况下，C1原料衍生自两个或更多个来源的组合。在某些情况下，C1原料可以进一步包括H2。
在一个实施例中，底物包括工业废气。在某些实施例中，气体是钢厂废气或合成气。
在某些情况下，电解工艺包括CO。包括CO的电解工艺衍生自含CO2的气态底物的电解工艺。含CO2的气态底物可以衍生自含CO2的任何气体料流。在特定情况下，此含CO2的气体料流至少部分地衍生自包括以下的群组：由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、炼钢、炼油和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(衍生自包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(衍生自蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。在特定情况下，含CO2的气态底物衍生自两个或更多个来源的组合。
在某些情况下，电解工艺包括H2。包括H2的电解工艺衍生自水(H2O)的电解工艺。此水可以从各种来源获得。在各个情况下，所述水可以从工业工艺和/或发酵工艺获得。在各个情况下，所述水可以从废水处理工艺获得。在特定情况下，所述水从两个或更多种个来源的组合获得。
在特定情况下，本公开通过用电解工艺置换来自工业工艺的C1原料的至少一部分改进发酵工艺的经济性。在电解工艺包括H2的各个情况下，电解工艺置换来自工业工艺的C1原料的至少一部分，作为调节被传递到发酵工艺的原料的H2:CO:CO2的摩尔比的方式。在某些情况下，包括H2的电解工艺增加被传递到发酵工艺的原料中的H2的摩尔比。
用电解工艺置换来自工业工艺的C1原料可以至少部分地根据C1原料的单位成本和电解工艺的单位成本完成。在某些情况下，当电解工艺的单位成本小于C1原料的单位成本时，电解工艺置换C1原料的至少一部分。
在特定情况下，本公开通过用电解工艺补充来自工业工艺的C1原料的至少一部分改进发酵工艺的经济性。用电解工艺补充C1原料可以至少部分地在C1原料的供应不足以进行发酵工艺时完成。
在某些情况下，电解工艺根据电解工艺的单位成本和发酵产物的单位价值来补充C1原料的至少一部分。
在某些情况下，电解工艺根据C1原料的单位成本、电解工艺的单位成本和发酵产物的单位价值来补充C1原料的至少一部分。
在某些情况下，当电解工艺的单位成本小于发酵产物的单位价值时，电解工艺补充C1原料。当电的成本降低时，电解工艺的单位成本可以小于发酵产物的单位价值。在某些情况下，电的成本由于电来源于可再生能源而降低。在某些情况下，可再生能源是选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能、氮能和核能。
用包括H2的电解工艺补充包括CO2的C1原料可以引起许多益处，包含但不限于增加了一种或多种发酵产物中固定的CO2的量。因此，在各个情况下，包括H2的电解工艺补充包括CO2的C1原料，从而增加了一种或多种发酵产物中固定的CO2的量。
在特定情况下，C1原料含有一定比例的需要去除的各种成分。在这些情况下，在将C1原料传递到生物反应器之前，对C1原料进行处理以去除一种或多种成分。从C1原料中去除的成分可以选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃(alkene)、烷烃、链烯(olefin)、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
在特定情况下，电解工艺含有一定比例的需要去除的各种成分。在这些情况下，在将电解工艺传递到生物反应器之前，对电解工艺进行处理以去除一种或多种成分。从电解工艺中去除的成分可以选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃(alkene)、烷烃、链烯(olefin)、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。在特定情况下，从电解工艺中去除的至少一种成分包括氧气。所去除的成分中的至少一种可以通过电解工艺产生、引入和/或浓缩。举例来说，氧气可以通过二氧化碳的电解工艺产生、引入和/或浓缩。在各个情况下，氧气为电解工艺的副产物。在特定实施例中，氧气在电解工艺中产生和/或浓缩。
氧气为许多细菌培养物的微生物抑制剂。如此，氧气可以对下游发酵工艺进行抑制。为了将非抑制气体料流传递到其所发酵的生物反应器，可能需要通过一个或多个去除模块从电解工艺中去除氧气或其它成分的至少一部分。
在某些情况下，在压力下将C1原料间歇地传递到发酵工艺。在这些情况下，在将来自工业工艺的C1原料传递到生物反应器以进行发酵之前先传递到一个或多个压力模块。
在某些情况下，在压力下将电解工艺间歇地传递到发酵工艺。在这些情况下，在将来自电解工艺的电解工艺传递到生物反应器以进行发酵之前先传递到一个或多个压力模块。
另外，电解工艺可以在压力下完成。当在压力下完成时，在被进料到电解工艺之前，对被电解的材料进行加压。在某些情况下，被电解的材料为含CO2的气体料流。在其中含CO2的气体料流在被电解之前进行加压的情况下，可以在将含CO2的气体料流传递到电解工艺模块之前先传递到压力模块。
在至少一个实施例中，所述方法降低了产生各种发酵产物的相关联的成本。发酵产物中的一种或多种发酵产物中的至少一种可以选自由以下组成的群组：乙醇、乙酸盐、丁酸盐、2,3-丁二醇、乳酸盐、丁烯、丁二烯、酮、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、异丙醇、脂质、3-羟基丙酸酯、异戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇、1-丙醇和C6-C12醇。发酵产物中的至少一种可以被进一步转化成柴油、喷气燃料和/或汽油的至少一种组分。
在至少一个实施例中，所述方法降低了产生各种发酵产物的相关联的成本。发酵产物一种或多种发酵产物中的至少一种可以选自由以下组成的群组：生物聚合物、生物塑料、热塑性塑料、微生物生物质、聚羟基烷酸酯或动物饲料。发酵产物中的至少一种可以通过本领域中已知的任何方法或方法的组合进一步处理成单细胞蛋白质和/或游离蛋白质合成平台的至少一种组分。在一个实施例中，聚羟基烷酸酯可转化成衍生自聚羟基烷酸酯的最终产物。
在一个实施例中，当生长受到碳和/或能量的供应不足限制时，聚羟基烷酸酯、聚-3-羟基丁酸酯或聚-β-羟基丁酸酯以可观量出现在固定相中细胞中。在一个实施例中，碳和/或能量来源是间断的。
在至少一个实施例中，本公开的方法和系统提供细胞将存储可累积而不降低生长速率的任何生物聚合物或生物塑料。在一个实施例中，生长速率限制因素为当保留有H2、O2和CO2的储备积聚时蛋白质和核酸的合成或当没有碳和能量储备积聚时，碳和能量来源的主要降解路径。在另一实施例中，生长速率限制因素为培养基中营养物的性质和含量。
一种或多种发酵产物中的至少一种可以是通过培养物产生的生物质。微生物生物质的至少一部分可以被转化成单细胞蛋白质(SCP)。可以利用单细胞蛋白质的至少一部分作为动物饲料的组分。
在一个实施例中，本公开提供了一种动物饲料，其包括微生物生物质和至少一种赋形剂，其中微生物生物质包括在包括CO、CO2和H2中的一个或多个的气态底物上生长的微生物。
在至少一个实施例中，电解工艺至少部分地由可再生能源供电。在某些情况下，可再生能源是选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能、氮能和核能。
在某些实施例中，工业工艺可以进一步产生发酵后气态底物。在各个情况下，这种发酵后气态底物包括CO2的至少一部分。在特定实施例中，将发酵后气态底物传递到电解工艺。
在特定情况下，发酵后气态底物含有一定比例的需要去除的各种成分。在这些情况下，在将发酵后气态底物传递到电解工艺之前，对发酵后气态底物进行处理以去除一种或多种成分。从发酵后气态底物中去除的成分可以选自包括以下的群组：硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃(alkene)、烷烃、链烯(olefin)、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
在特定情况下，从发酵后气态底物中去除的至少一种成分包括硫。所去除的这些成分中的至少一种可以通过发酵工艺产生、引入和/或浓缩。举例来说，呈硫化氢(H2S)形式的硫可以通过发酵工艺产生、引入和/或浓缩。在特定实施例中，在发酵工艺中引入硫化氢。在各个实施例中，发酵后气态底物包括硫化氢的至少一部分。硫化氢可以是催化剂抑制剂。因而，硫化氢可以对特定电解工艺进行抑制。为了将非抑制性发酵后气态底物传递到电解工艺，可能需要通过一个或多个去除模块去除发酵后气态底物中存在的硫化氢或其它成分的至少一部分。
在各个实施例中，从发酵后气态底物、工业原料和/或电解工艺中去除的成分是微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂。
至少一种去除模块可以选自包括以下的群组：水解模块、酸性气体去除模块、脱氧模块、催化氢化模块、微粒去除模块、氯去除模块、焦油去除模块和氰化氢去除模块。
在某些情况下，电解工艺可以产生富含一氧化碳的料流和富含氧气的料流。在各个情况下，可以将分离的富含一氧化碳的料流的至少一部分传递到生物反应器以进行发酵。在一些情况下，可以将富含氧气的料流传递到工业工艺，以进一步改进工业工艺的性能和/或经济性。
在电解工艺包括H2的各个实施例中，H2可以改进发酵底物组合物。氢气提供微生物将含碳的气体转化成有用产物所需的能量。当提供氢气的最优浓度时，微生物培养物可以在不共同产生二氧化碳的情况下提供期望发酵产物，例如乙醇。
生物反应器中的细菌培养物包括自养菌(autotrophic bacterium)。在另一实施例中，生物反应器中的细菌培养物包括氢营养菌(hydrogenotrophic bacterium)。细菌可以选自由以下组成的群组：杀虫贪铜菌(Cupriavidus necator)、罗氏真氧菌(Ralstoniaeutropha)和沃特氏真氧菌(Wautersia eutropha)。在另一实施例中，细菌可选自由以下组成的群组：自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、扬氏梭菌(Clostridiumljungdahlii)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)、食一氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)、德氏梭菌(Clostridium drakei)、粪味梭菌(Clostridiumscatologenes)、乙酸梭菌(Clostridium aceticum)、甲酰乙酸梭菌(Clostridiumformicoaceticum)、大梭菌(Clostridium magnum)、甲基营养丁酸杆菌(Butyribacteriummethylotrophicum)、伍氏乙酸杆菌(Acetobacterium woodii)、巴氏嗜碱菌(Alkalibaculum bacchii)、长生布劳特菌(Blautia producta)、粘液真杆菌(Eubacteriumlimosum)、热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)、热自养穆尔氏菌(Moorellathermautotrophica)、卵形鼠孢菌(Sporomusa ovata)、森林土壤醋酸鼠孢菌(Sporomusasilvacetica)、类球鼠孢菌(Sporomusa sphaeroides)、普氏产醋杆菌(Oxobacterpfennigii)和凯伍热厌氧菌(Thermoanaerobacter kivui)。
在一个特定实施例中，亲代微生物选自由羰基营养产乙酸菌组成的群组，在一个实施例中，选自包括以下的群组：自产乙醇梭菌、扬氏梭菌、拉氏梭菌、食一氧化碳梭菌、德氏梭菌、粪味梭菌、乙酸梭菌、甲酰乙酸梭菌、大梭菌、甲基营养丁酸杆菌、伍氏乙酸杆菌、巴氏嗜碱菌、长生布劳特菌、粘液真杆菌、热醋穆尔氏菌、热自养穆尔氏菌、卵形鼠孢菌、森林土壤醋酸鼠孢菌、类球鼠孢菌、普氏产醋杆菌和凯伍热厌氧菌。
在一个实施例中，亲代微生物是自产乙醇梭菌或扬氏梭菌。在一个特定实施例中，微生物是自产乙醇梭菌DSM23693。在另一特定实施例中，微生物是扬氏梭菌DSM13528(或ATCC55383)。
在一个或多个实施例中，本公开(i)降低了与产生一种或多种发酵产物相关联的成本和/或(ii)与不进行电解工艺的工艺相比，增加了转化为产物的碳的总量。
在一个实施例中，本公开提供了一种以便宜方式且具有高工艺效率，以可存储形式将来自任何能量来源，例如本地电力网、可再生或非可再生能源的能量转化为终端产物的方法和系统。
在另一实施例中，本地电力网基于电力可用性或低于阈值价格的电力可用性而作为电力产生的电能间歇地提供电力，其中电力价格随需求下降而下降或由本地电力网设置。
在一个实施例中，自养微生物间歇地部分或完全地消耗由电力可用性提供的能量。
附图说明
图1是在25天连续杀虫贪铜菌(C.necator)气体发酵过程中对于主要气体组分的每升生物反应器液体体积的气体吸收的曲线图，其中氢气作为能量来源并且CO2作为碳源。进料气流在第18.21天缺失且在约8小时之后恢复。发酵长期稳定性无显著变化，在气体恢复之后的任何波动都在此操作的正常操作波动内。
图2是在与图1相同的25天连续发酵过程中对于主要气体组分的每升生物反应器液体体积的气体吸收的曲线图，其中氢气作为能量来源并且CO2作为碳源。这一曲线图示出了更关注的气体中断。在进料气体停止流动后约8小时恢复气体流动后，气体吸收几乎立即恢复。
图3为用于杀虫贪铜菌气体发酵的稳定生物质产生的示例性曲线图，其中氢气作为能量来源并且CO2作为碳源。这一曲线图示出了在OD600高于30(等于约30g/L DCW杀虫贪铜菌生物质)的4.5天时段内的持续稳定生产。
图4是杀虫贪铜菌气体发酵中对于主要气体组分的每升生物反应器液体体积的稳定气体吸收的曲线图，其中氢气作为能量来源并且CO2作为碳源。这一曲线图示出了在与图3中相同的4.5天时段内的连续稳定气体吸收。
图5是描绘了工业工艺和电解工艺与发酵工艺的整合的示意性流程图。
具体实施方式
笼统地给出以下实施例描述。本公开由在以下本文中标题“实例”下给出的公开内容进一步阐明，其提供支持本公开的实验性数据、本公开的各个方面的具体实例以及执行本公开的方式。
本发明人已鉴定了气体发酵工艺与工业工艺、合成气工艺和/或电解工艺的整合且能够基本上改进发酵工艺的性能和/或经济性，其中电解工艺间歇地供应发酵工艺。
本发明人已经出乎意料地能够打开或关闭发酵工艺的进料源，而几乎没有针对发酵工艺的启动停滞期。此外，本公开可以通过以生物聚合物形式存储能量而间歇地操作，其中产物转化可以在电网过度供应电力的时段期间间歇地操作，或在电力稀缺或电力需求时闲置。本公开提供了一种工艺，其能够经微调以通过以生物聚合物形式存储能量来帮助平衡电力网格系统。
除非另有定义，否则贯穿本规范所使用的以下术语定义如下：
术语“工业工艺”是指涉及化学、物理、电气和/或机械步骤的用于产生、转化、精炼、重整、提取或氧化物质的工艺。示例性工业工艺包含但不限于碳水化合物发酵、气体发酵、水泥制造、制浆造纸、炼钢、炼油及相关工艺、石化生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化、气化(如生物质、液体废物料流、固体废物料流、市政流、化石资源(包含天然气、煤炭和石油)的气化)、天然气提取、原油提取、冶金工艺，铝、铜和/或铁合金的生产和/或精炼、地质储层、费托(Fischer-Tropsch)工艺、甲醇生产、热解、蒸汽甲烷重整、干式甲烷重整、沼气或天然气的部分氧化和沼气或天然气的自热重整。在这些实施例中，底物和/或C1碳源可在其散发到大气中之前使用任何适宜方法从工业工艺中捕获。
术语“电解工艺”可以包含离开电解工艺的任何底物。在各个情况下，电解工艺包括CO、H2或其组合。在某些情况下，电解工艺可以含有未转化CO2部分。优选地，将电解工艺从电解工艺进料到发酵工艺。
术语“来自工业工艺的气体”、“来自工业工艺的气体源”和“来自工业工艺的气态底物”可互换使用来指代来自工业工艺的废气、工业工艺的副产物、工业工艺的联产物、在工业工艺内再循环的气体和/或在工业设施中用于能量回收的气体。在一些实施例中，来自工业工艺的气体是变压吸附(PSA)尾气。在一些实施例中，来自工业工艺的气体是通过CO2提取工艺获得的气体，所述提取工艺可涉及胺洗涤或使用碳酸酐酶溶液。
“C1”是指单碳分子，例如CO、CO2、甲烷(CH4)或甲醇(CH3OH)。“C1氧化物”是指也包括至少一个氧原子的单碳分子，例如CO、CO2或CH3OH。“C1碳源”是指充当本公开的微生物的部分或唯一碳源的单碳分子。举例来说，C1碳源可以包括CO、CO2、CH4、CH3OH或甲酸(CH2O2)中的一种或多种。优选地，C1碳源包括CO和CO2中的一种或两种。“C1固定微生物”是能够利用C1碳源产生一种或多种产物的微生物。
“底物”是指碳源和/或能量来源。底物是气态的并且包括C1碳源，例如CO、CO2和/或CH4。优选地，底物包括CO或CO和CO2的C1碳源。底物可以进一步包括其它非碳组分，如H2、N2或电子。如本文所用，“底物”可指代用于本公开的微生物的碳源和/或能量来源。底物可以将H2称为唯一的能量来源。
术语“共底物”是指尽管不一定是用于产物合成的主要能量和材料来源，但是当与另一底物(如主要底物)组合时，可以用于产物合成的物质。
“包括CO2的气态底物”、“包括CO2的气体”或“包括CO2的气态源”可包含包括CO2的任何气体。气态底物通常将包括显著比例的CO2，优选地按体积计至少约5％到约100％CO2。另外，气态底物可包括氢气(H2)、氧气(O2)、氮气(N2)和/或CH4中的一种或多种。如本文所用，CO、H2和CH4可以称为“富能量气体”。
如本文所使用的术语“碳捕获”是指从包括CO2和/或CO的料流中固定包含CO2和/或CO的碳化合物，和a)将CO2和/或CO转化成产物，b)将CO2和/或CO转化成适合长期存储的物质，c)将CO2和/或CO捕集在适合长期存储的物质中或d)这些工艺的组合。
术语“增加效率”、“增加的效率”等是指反应的速率和/或输出的增加，如将CO2和/或CO转化成产物的速率增加，和/或产物浓度增加。当与发酵工艺相关使用时，“增加效率”包含但不限于增加以下中的一个或多个：催化发酵的微生物的生长速率、在提高的产物浓度下的生长速率和/或产物生产速率、每体积消耗底物产生的期望产物的体积、期望产物的生产速率或生产水平，及所生产的期望产物与发酵的其它副产物相比的相对比例。
如本文所用，“反应物”是指存在于化学反应中并且在反应期间被消耗以产生产物的物质。反应物是在化学反应工艺中经历变化的起始材料。在特定实施例中，反应物包含但不限于CO和/或H2。在特定实施例中，反应物是CO2。在一个实施例中，反应物仅为H2。
“CO消耗工艺”是指其中CO为反应物；CO被消耗以产生产物的工艺。CO消耗工艺的非限制性实例是C1固定气体发酵工艺。CO消耗工艺可涉及CO2产生反应。举例来说，CO消耗工艺可产生至少一种产物(如发酵产物)，以及CO2。在另一实例中，乙酸生产是CO消耗工艺，其中CO在压力下与甲醇反应。
“气体料流”是指能够例如从一个模块传递到另一模块、从一个模块传递到CO消耗工艺和/或从一个模块传递到碳捕获装置的任何底物流。
气体料流通常将不是纯CO2料流，并且将包括一定比例的至少一种其它组分。举例来说，每种来源可具有不同比例的CO2、CO、H2和各种成分。由于比例变化，必须在将气体料流引入到CO消耗工艺之前对其进行加工。气体料流的加工包含可能是微菌抑制剂和/或催化剂抑制剂的各种成分的去除和/或转化。优选地，在传递到电解模块之前，将催化剂抑制剂去除和/或转化，并且在传递到CO消耗工艺之前，将微菌抑制剂去除和/或转化。另外，气体料流可需要经历一个或多个浓缩步骤，由此增加CO和/或CO2的浓度。优选地，在传递到电解模块之前，气体料流将经历浓缩步骤以增加CO2的浓度。已经发现，将较高浓度的CO2传递到电解模块使得从电解模块中流出较高浓度的CO。
术语“C1原料”可以包含离开工业工艺的任何底物。在各个情况下，C1原料包括CO、H2、CO2或其组合。优选地，将C1原料从工业工艺进料到发酵工艺。
当与发酵工艺相关使用时，术语“改进经济性”、“优化经济性”等包含但不限于在所产生的产物的价值相对于产生此类产物的成本较高的时间段期间增加通过发酵工艺产生的产物中的一种或多种产物的量。发酵工艺的经济性可以通过增加到生物反应器的原料的供应而改进，所述供应可以例如通过补充来自工业工艺的C1原料以及来自电解工艺的电解工艺来实现。原料的额外供应可以引起发酵工艺的效率提高。改进发酵工艺的经济性的另一方式是基于可获得的原料的相对成本选择原料。举例来说，当来自工业工艺的C1原料的成本高于来自电解工艺的电解工艺的成本时，可以利用电解工艺来置换C1原料的至少一部分。通过基于此类原料的成本选择原料，降低了产生所得发酵产物的成本。
电解工艺能够供应包括H2和CO中的一种或两种的原料。“电解工艺的单位成本”可以通过发酵工艺和任何电解工艺产生的任何给定产物表达，例如对于利用限定为H2的电解工艺产生乙醇，电解工艺的单位成本由以下等式定义：
其中z表示电力的成本，x表示电解工艺效率，并且y表示乙醇的产率。
对于利用限定为CO的电解工艺产生乙醇，电解工艺的单位成本由以下等式定义：
其中z表示电力的成本，x表示电解工艺效率，并且y表示乙醇的产率。
除了原料成本以外，发酵工艺包含“生产成本”。“生产成本”不包含原料成本。“生产成本”、“边际生产成本”等包含与运行发酵工艺相关联的可变操作成本。这个价值可以取决于所生产的产物。边际生产成本可以由产物的单位固定成本表示，所述产物的单位固定成本可以用产物燃烧的热值来表示。举例来说，对乙醇的边际生产成本的计算由以下等式定义：
其中c表示与运行生物反应器相关联的可变操作成本并且26.8GJ表示乙醇燃烧的较低热值。在某些情况下，与运行生物反应器相关联的可变操作成本c对于乙醇为$200，不包含H2/CO/CO2的价格。
发酵工艺能够产生多种产物。每种产物定义了不同的价值。“产物的价值”可以基于产物的当前市场价格和产物燃烧的热值确定。举例来说，对乙醇的价值的计算由以下等式定义：
其中z为每公吨乙醇的当前价值，并且26.8GJ表示乙醇燃烧的较低热值。
为了优化发酵工艺的经济性，所产生的产物的价值必须超过产生此产物的“成本”。产生产物的成本被定义为“原料成本”与“边际生产成本”的总和。发酵工艺的经济性可以依照由所产生的产物的价值与产生此产物的成本相比而定义的比率来表达。发酵工艺的经济性随着产物的价值与产生此产物的成本相比的比率增加而改进。发酵工艺的经济性可以取决于所产生的产物的价值，所述价值可以至少部分地取决于所实施的发酵工艺而改变，包含但不限于发酵工艺中使用的细菌培养物和/或气体的组成。当乙醇为通过发酵工艺产生的产物时，经济性可以通过以下比率确定：
其中z表示乙醇的价值，x表示原料成本，并且y表示边际生产成本(不包含原料)。
术语“增加效率”、“增加的效率”等与发酵工艺关联使用时，包含但不限于增加以下中的一个或多个：催化发酵的微生物的生长速率、在提高的产物浓度下的生长速率和/或产物生产速率、每体积消耗底物产生的期望产物的体积、期望产物的生产速率或生产水平，及所生产的期望产物与发酵的其它副产物相比的相对比例。在某些情况下，电解工艺增加了发酵工艺的效率。
当与发酵工艺的原料供应相关使用时，术语“不足”等包含但不限于低于最优量，由此发酵工艺产生的发酵产物少于发酵工艺另外将产生的发酵产物(所述发酵工艺供应有更高量的原料)。举例来说，当工业工艺不提供足够的C1原料来充分供应发酵工艺时，原料供应可能会变得不足。优选地，发酵工艺供应有最优量的原料，使得发酵产物的数量不受原料供应的限制。
“含C1的气态底物”可以包含含有二氧化碳和一氧化碳中的一种或两种的气体。气态底物将含有显著比例的CO2，优选地按体积计至少约5％到约100％CO2。另外，气态底物可以含有氢气(H2)、氧气(O2)、氮气(N2)和/或甲烷(CH4)中的一种或多种。
“浓缩模块”等是指能够增加气体料流中的特定组分的含量的技术。在特定实施例中，浓缩模块是CO2浓缩模块，其中离开CO2浓缩模块的气体料流中的CO2的比例高于在传递到CO2浓缩模块之前的气体料流中的CO2的比例。在一些实施例中，CO2浓缩模块使用脱氧技术从气体料流中去除O2，并且因此增加气体料流中CO2的比例。在一些实施例中，CO2浓缩模块使用变压吸附(PSA)技术从气体料流中去除H2，并且因此增加气体料流中CO2的比例。在某些情况下，发酵工艺执行CO2浓缩模块的功能。在一些实施例中，将气体料流从浓缩模块传递到碳捕获和固定(CCS)单元或提高石油采收率(EOR)单元。
术语“电解模块”和“电解器”可互换使用，以指代使用电驱动非自发反应的单元。电解技术是本领域中已知的。示例性工艺包含碱性水电解、质子或阴离子交换膜(PEM、AEM)电解和固体氧化物电解(SOE)(Ursua等人,《电气与电子工程师协会会报(Proceedings ofthe IEEE)》100(2):410-426,2012；Jhong等人,《化学工程最新意见(Current Opinion inChemical Engineering)》2:191-199,2013)。术语“法拉第效率”是指参考流动通过电解器并转移到还原产物而不是无关工艺中的电子数量的值。SOE模块在高温下操作。低于电解模块的热中性电压时，电解反应是吸热的。高于电解模块的热中性电压时，电解反应是放热的。在一些实施例中，在不增加压力的情况下操作电解模块。在一些实施例中，电解模块在5到10巴的压力下操作。
“CO2电解模块”是指能够将CO2分解成CO和O2的单元并且由以下化学计量反应所定义：2CO2+电→2CO+O2。使用不同的催化剂还原CO2会影响最终产物。已经表明催化剂(包含但不限于Au、Ag、Zn、Pd和Ga催化剂)对于由CO2生产CO是有效的。在一些实施例中，离开CO2电解模块的气体料流的压力为大约5到7巴。
“H2电解模块”、“水电解模块”和“H2O电解模块”是指能够将呈蒸汽形式的H2O分解为H2和O2的单元，并且由以下化学计量反应定义：2H2O+电→2H2+O2。H2O电解模块将质子还原为H2并将O2-氧化为O2。可将通过电解产生的H2与包括C1的气态底物共混作为一种手段来供应附加原料，并改进底物组成。
H2和CO2电解模块具有2个气体出口。电解模块的一侧(阳极)包括H2或CO(以及其它气体，如未反应的水蒸气或未反应的CO2)。第二侧(阴极)包括O2(以及潜在的其它气体)。被传递到电解工艺的原料的组成可确定CO料流中存在各种组分。举例来说，原料中惰性组分(如CH4和/或N2)的存在可导致那些组分中的一种或多种存在于富含CO的料流中。另外，在一些电解器中，在阴极处产生的O2跨越到生成CO的阳极，和/或CO跨越到阳极侧，从而导致期望的气体产物的交叉污染。
术语“分离模块”用于指代能够将物质分为两种或更多种组分的技术。举例来说，“O2分离模块”可用于将包括O2的气态底物分离成主要包括O2的料流(也称为“富含O2的料流”或“富O2的气体”)和主要不包括O2、不包括O2或仅包括痕量的O2的料流(也称为“O2贫乏料流”或“O2耗乏料流”)。
如本文所用，术语“富含料流”、“富气体”、“高纯度气体”等是指在通过如电解模块的模块之后特定组分的比例与进入模块的输入料流中的所述组分的比例相比较大的气体料流。举例来说，当包括CO2的气态底物通过CO2电解模块时，可产生“富含CO的料流”。当水气态底物通过H2电解模块时，可产生“富含H2的料流”。从CO2或H2电解模块的阳极自动出现“富含O2的料流”；当包括O2的气态底物通过O2分离模块时，也可产生“富含O2的料流”。当包括CO2的气态底物通过CO2浓缩模块时，可产生“富含CO2的料流”。
如本文所使用，术语“贫料流”、“耗乏气体”等是指在通过如浓缩模块或分离模块的模块之后特定组分的比例与进入所述模块的输入料流中所述组分的比例相比较低的气体料流。举例来说，当包括O2的气态底物通过O2分离模块时，可产生O2贫乏料流。O2贫乏料流可包括来自CO2电解模块的未反应的CO2。O2贫乏料流可包括痕量的O2或不包括O2。当包括CO2的气态底物通过CO2浓缩模块时，可产生“CO2贫乏料流”。CO2贫乏料流可包括CO、H2和/或如微菌抑制剂或催化剂抑制剂的成分。CO2贫乏料流可包括痕量的CO2或不包括CO2。
在实施例中，本公开提供了一种整合工艺，其中气体料流的压力能够增大和/或降低。术语“压力模块”是指能够产生(即增加)或降低气体料流压力的技术。可通过任何合适的方式增大和/或降低气体的压力，例如一个或多个压缩机和/或阀门。在某些情况下，气体料流的压力可低于最优压力，或气体料流的压力可高于最优压力，并且因此可包含降低压力的阀门。压力模块可位于本文所述的任何模块之前或之后。举例来说，可在去除模块之前、浓缩模块之前、电解模块之前和/或CO消耗工艺之前利用压力模块。
“加压的气体料流”是指已通过压力模块的气态底物。“加压的气体料流”也可用来指代满足特定模块的操作压力要求的气体料流。
术语“CO消耗工艺后气态底物”、“CO消耗工艺后尾气”、“尾气”等可互换使用以指代已通过CO消耗工艺的气体。CO消耗工艺后气态底物可包括未反应的CO、未反应的H2和/或由CO消耗工艺产生(或未并行吸收)的CO2。可将CO消耗工艺后气态底物进一步传递到压力模块、去除模块、CO2浓缩模块和/或电解模块中的一个或多个。在一些实施例中，“CO消耗工艺后气态底物”是发酵后气态底物。
术语“期望组成”用于指代在物质(例如气体料流)中组分的期望含量和类型。更具体地，如果气体含有特定组分(即，CO、H2和/或CO2)和/或含有特定比例的特定组分和/或不包括特定组分(即对微生物有害的污染物)和/或不包括特定比例的特定组分，则认为所述气体具有“期望组成”。在确定气体料流是否具有期望组成时，可以考虑超过一种组分。
虽然底物不必包括任何H2，但根据本公开的方法，H2的存在不应对产物形成有害。在特定实施例中，H2的存在使醇生产的总效率提高。在一个实施例中，底物包括按体积计约30％或更少的H2、按体积计20％或更少的H2、按体积计约15％或更少的H2或按体积计约10％或更少的H2。在其它实施例中，底物料流包括低浓度的H2，例如，小于5％、或小于4％、或小于3％、或小于2％、或小于1％或基本上无H2。
底物还可以含有一定的CO，例如，按体积计约1％到约80％CO，或按体积计1％到约30％CO。在一些实施例中，底物包括按体积计小于或等于约20％CO。在特定实施例中，底物包括按体积计小于或等于约15％CO、按体积计小于或等于约10％CO、按体积计小于或等于约5％CO或基本上无CO。
可以改进底物组成以提供期望的或最优的H2:CO:CO2摩尔比。期望的H2:CO:CO2摩尔比取决于发酵工艺的期望发酵产物。对于乙醇，最优H2:CO:CO2摩尔比将为：
其中x>2y，以满足乙醇产生的摩尔化学计量
在氢气存在下操作发酵工艺具有减少通过发酵工艺产生的CO2的量的增加的益处。举例来说，包括最少H2的气态底物将产生由以下摩尔化学计量的乙醇和CO2：[6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2]。随着由C1固定细菌利用的氢气的量增加，所产生的CO2的量减少[即，2CO+4H2→C2H5OH+H2O]。
当CO是乙醇产生的唯一碳源和能量来源时，损失一部分碳成为CO2，如下：
6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2(ΔG°＝-224.90kJ/mol乙醇)
随着底物中可用的H2的量增加，所产生的CO2的量减少。在1:2的摩尔化学计量比(CO/H2)下，完全避免了CO2的产生。
5CO+1H2+2H2O→1C2H5OH+3CO2(ΔG°＝-204.80kJ/mol乙醇)
4CO+2H2+1H2O→1C2H5OH+2CO2(ΔG°＝-184.70kJ/mol乙醇)
3CO+3H2→1C2H5OH+1CO2(ΔG°＝-164.60kJ/mol乙醇)
“气体料流”是指能够例如从一个模块传递到另一模块、从一个模块传递到生物反应器、从一个工艺传递到另一工艺和/或从一个模块传递到碳捕获装置的任何底物料流。
如本文所用的“反应物”是指在化学反应期间参与并经历改变的物质。在特定实施例中，反应物包含但不限于CO和/或H2。
如本文所用的“微生物抑制剂”是指减慢或防止包含微生物的特定化学反应或其它工艺的一种或多种成分。在特定实施例中，微生物抑制剂包含但不限于氧气(O2)、氰化氢(HCN)、乙炔(C2H2)和BTEX(苯、甲苯、乙基苯、二甲苯)。
如本文所用的“催化剂抑制剂”、“吸附剂抑制剂”等是指降低化学反应的速率或防止化学反应的一种或多种物质。在特定实施例中，催化剂和/或吸附剂抑制剂可以包含但不限于硫化氢(H2S)和羰基硫(COS)。
“去除模块”、“清理模块”、“加工模块”等包含能够从气体料流转化和/或去除微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂的技术。
如本文所用的术语“成分”、“污染物”等是指可以在气体料流中发现的微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂。在特定实施例中，成分包含但不限于硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃(alkene)、烷烃、链烯(olefin)、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。优选地，通过去除模块去除的成分不包含二氧化碳(CO2)。
术语“经处理气体”是指已经通过至少一个去除模块并且已经使一种或多种成分被去除和/或转化的气体料流。
如本文所使的术语“碳捕获”是指固定来自包括CO2和/或CO的料流的包含CO2和/或CO的碳化合物并且：
将CO2和/或CO转化为产物；或
将CO2和/或CO转化为适合于长期存储的物质；或
将CO2和/或CO捕获在适合于长期存储的物质中；
或这些工艺的组合。
术语“生物反应器”包含由一个或多个容器和/或塔或管路布置组成的发酵装置，所述发酵装置包含连续搅拌釜反应器(CSTR)、固定细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、气泡柱、气升式发酵器、静态混合器、循环回路反应器、如中空纤维膜生物反应器(HFM BR)的膜反应器或适用于气液接触的其它容器或其它装置。反应器优选地被适配成接收包括CO或CO2或H2或其混合物的气态底物。反应器可包括并联或串联的多个反应器(级)。举例来说，反应器可包括培养细菌的第一生长反应器和可以向其进料来自生长反应器的发酵培养液并且可以在其中产生大部分发酵产物的第二发酵反应器。
“营养素培养基(Nutrient media/Nutrient medium)”用于描述细菌生长培养基。通常，这个术语是指含有营养素和适合于微生物培养物生长的其它组分的培养基。术语“营养素”包含可以用于微生物的代谢途径的任何物质。示例性营养素包含钾、维生素B、微量金属和氨基酸。
术语“发酵培养液”或“培养液”旨在涵盖包含营养素培养基和培养物或一种或多种微生物的组分的混合物。应当注意，术语微生物和术语细菌在整个文件中可互换使用。
如本文所用的术语“酸”包含羧酸和缔合的羧酸根阴离子两种，如存在于本文所描述的发酵培养液中的游离乙酸和乙酸盐的混合物。发酵培养液中分子酸与羧酸根的比例取决于系统的pH。另外，术语“乙酸盐”包含单独的乙酸盐和分子或游离乙酸和乙酸盐的混合物，如在如本文所描述的发酵培养液中存在的乙酸盐和游离乙酸的混合物。
术语“期望组成”用于指代在物质(例如气体料流)中组分的期望含量和类型。更具体地，如果气体含有特定组分(即CO、H2和/或CO2)和/或含有特定比例的特定组分和/或不含有特定组分(即对微生物有害的成分)和/或不含有特定比例的特定组分，则气体被视为具有“期望组成”。在确定气体料流是否具有期望组成时，可以考虑超过一种组分。
除非上下文另外要求，否则如本文所用的短语“发酵”、“发酵工艺”或“发酵反应”等旨在涵盖气态底物的生长阶段和产物生物合成阶段两个。
“微生物”是微观有机体，具体是细菌、古菌、病毒或真菌。本公开的微生物通常是细菌。如本文所使用，对“微生物”的叙述应被视为涵盖“细菌”。
“亲代微生物”是为生成本公开的微生物所使用的微生物。亲本微生物可以是天然存在的微生物(即，野生型微生物)或先前已经修饰的微生物(即，突变或重组微生物)。本公开的微生物可以被修饰成表达或过表达在亲本微生物中未表达或过表达的一种或多种酶。类似地，本公开的微生物可以修饰成含有亲本微生物所不含的一个或多个基因。本公开的微生物还可以修饰成不表达或表达在亲本微生物中表达的较低量的一种或多种酶。在一个实施例中，亲本微生物是杀虫贪铜菌、自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌。在一个实施例中，亲本微生物为自产乙醇梭菌LZ1561，其于2010年6月7日根据《布达佩斯条约(BudapestTreaty)》的条款于2010年6月7日保藏在位于Braunschweig,Inhoffenstraβe 7B,D-38124,Germany的德国微生物菌种保藏中心(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen undZellkulturen GmbH(DSMZ))，并且授予寄存编号为DSM23693。这种菌株在国际专利申请第PCT/NZ2011/000144号中进行了描述，所述国际专利申请以WO 2012/015317公开。
术语“衍生自”指示核酸、蛋白质或微生物从不同的(即，亲本或野生型)核酸、蛋白质或微生物修饰或改造，从而产生新的核酸、蛋白质或微生物。这类修饰或改编通常包含核酸或基因的插入、缺失、突变或取代。通常，本公开的微生物衍生自亲本微生物。在一个实施例中，本公开的微生物衍生自杀虫贪铜菌、自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌。在实施例中，本公开的微生物衍生自自产乙醇梭菌LZ1561，其以DSMZ保藏号DSM23693保藏。
当关于微生物使用时，术语“非天然存在的”旨在意指微生物具有在所参考物种的天然存在的菌株(包含所参考物种的野生型菌株)中未发现的至少一种基因修饰。非天然存在的微生物通常在实验室或研究机构中开发。
术语“基因修饰”、“基因改变”或“基因工程”泛指通过人工对微生物的基因组或核酸的操作。同样，术语“经基因修饰的”、“经基因改变的”或“经基因工程化的”是指含有这种基因修饰、基因改变或基因工程的微生物。这些术语可用于区分实验室产生的微生物与自然存在的微生物。基因修饰的方法包含例如异源基因表达、基因或启动子插入或缺失、核酸突变、经改变的基因表达或失活、酶工程、定向进化、基于知识的设计、无规诱变方法、基因改组和密码子优化。
如梭菌(Clostridia)的微生物的代谢工程可以极大地扩展其产生除天然代谢物(如乙醇)以外的许多重要燃料和化学分子的能力。然而，直到最近，梭菌仍被认为係基因难处理的，并且因此通常禁止进行广泛的代谢工程改造工作。近年来，已经开发了用于梭菌的基因组工程改造的多种不同方法，包含基于内含子的方法(ClosTron)(Kuehne,《菌株工程工作：方法和方案(Strain Eng:Methods and Protocols)》,389-407,2011)、等位基因交换法(ACE)(Heap,《核酸研究(Nucl Acids Res)》,40:e59,2012；Ng,《公共科学图书馆：综合(PLoS One)》,8:e56051,2013)、三重杂交(Liew,《微生物学前沿(Frontiers Microbiol)》,7:694,2016)、通过I-SceI介导的方法(Zhang,《微生物学方法杂志(Journal MicrobiolMethods)》,108:49-60,2015)、MazF(Al-Hinai,《应用与环境微生物学(Appl EnvironMicrobiol)》,78:8112-8121,2012)或其它方法(Argyros,《应用与环境微生物学》,77:8288-8294,2011)、Cre-Lox(Ueki,《分子生物技术(mBio)》,5:e01636-01614,2014)以及CRISPR/Cas9(Nagaraju,《生物燃料生物技术(Biotechnol Biofuels)》,9:219,2016)。然而，由于缓慢而费力的循环时间以及这些基因技术跨物种的可转移性的限制，以迭代方式引入多于几个基因改变仍然极具挑战性。此外，我们尚未充分了解梭菌中的C1代谢，以至于无法可靠地预测将使朝向产物合成的C1摄取、转化和碳/能量/氧化还原流最大化的修饰。因此，在梭菌中引入目标路径仍是繁琐且耗时的工艺。
“重组”指示核酸、蛋白质或微生物是基因修饰、基因工程或基因重组的产物。通常，术语“重组”是指含有衍生自多个来源，如两种或更多种不同的微生物菌株或物种的基因材料或由其编码的核酸、蛋白质或微生物。
“野生型”是指区别于突变形式或变体形式的有机体、菌株、基因或其存在于自然中时的特征的典型形式。
“内源性”是指在衍生出本公开的微生物的野生型或亲本微生物中存在或表达的核酸或蛋白质。举例来说，内源基因是天然存在于衍生出本公开的微生物的野生型或亲本微生物中的基因。在一个实施例中，内源基因的表达可以由外源调控元件，如外源启动子控制。
“外源”是指起源于本公开的微生物之外的核酸或蛋白质。举例来说，可以人工或重组产生外源基因或酶并将其引入本公开的微生物中或在本公开的微生物中表达。也可以从异源微生物中分离外源基因或酶并将其引入本公开的微生物中或在本公开的微生物中表达。外源核酸可以调整以整合到本公开的微生物的基因组中或在本公开的微生物中例如在质粒中保持染色体外状态。
“异源”是指在衍生出本公开的微生物的野生型或亲本微生物中不存在的核酸或蛋白质。举例来说，异源基因或酶可以衍生自不同的菌株或物种并被引入本公开的微生物中或在本公开的微生物中表达。异源基因或酶可以其存在于不同菌株或物种中的形式被引入本公开的微生物或在本公开的微生物中表达。可替代地，可以某种方式修饰异源基因或酶，例如通过对其进行密码子优化以用于在本公开的微生物中表达或通过对其进行工程化以改变功能，如以逆转酶活性方向或改变底物特异性。
术语“多核苷酸”、“核苷酸”、“核苷酸序列”、“核酸”和“寡核苷酸”可互换使用。所述术语係指任何长度的核苷酸(脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸)或其类似物的聚合形式。多核苷酸可以具有任何三维结构并且可以执行任何已知或未知的功能。以下是多核苷酸的非限制性实例：基因或基因片段的编码或非编码区、由连锁分析定义的基因座(loci)(基因座(locus))、外显子、内含子、信使RNA(mRNA)、转移RNA、核糖体RNA、短干扰RNA(siRNA)、短发夹RNA(shRNA)、微RNA(miRNA)、核酶、cDNA、重组多核苷酸、分支多核苷酸、质粒、载体、任何序列的分离的DNA、任何序列的分离的RNA、核酸探针和引物。多核苷酸可以包括一个或多个经修饰的核苷酸，如甲基化核苷酸或核苷酸类似物。如果存在，则对核苷酸结构的修饰可以在组装聚合物之前或之后进行。核苷酸序列可以间杂有非核苷酸组分。多核苷酸可以在聚合后如通过与标记组分结合来进一步修饰。
如本文所使用，“表达”是指多核苷酸从DNA模板转录的工艺(如转录为mRNA或其它RNA转录物)和/或经转录mRNA随后翻译成肽、多肽或蛋白质的工艺。转录物和编码的多肽可以统称为“基因产物”。
术语“多肽”、“肽”和“蛋白质”在本文中可互换使用以指任何长度的氨基酸的聚合物。聚合物可以是直链或支链的，其可以包括经修饰氨基酸，并且其可以间杂有非氨基酸。术语还涵盖已修饰的氨基酸聚合物；例如，二硫键形成、糖基化、脂化、乙酰化、磷酸化或任何其它操作，如与标记组分结合。如本文所使用，术语“氨基酸”包含天然和/或非天然或合成的氨基酸，包含甘氨酸和D或L光学异构体两者以及氨基酸类似物和肽模拟物。
“酶活性”或简称“活性”广义上是指酶促活性，包含但不限于酶的活性、酶的量或酶催化反应的可用性。因此，“增加”酶活性包含增加酶的活性、增加酶的量或增加酶催化反应的可用性。类似地，“降低”酶活性包含降低酶的活性、降低酶的量或降低酶催化反应的可用性。
“突变”是指与衍生出本公开的微生物的野生型或亲本微生物相比，在本公开的微生物中已被修饰的核酸或蛋白质。在一个实施例中，突变可以是编码酶的基因中的缺失、插入或取代。在另一实施例中，突变可以是酶中一个或多个氨基酸的缺失、插入或取代。
具体地，“破坏性突变”是减少或消除(即“破坏”)基因或酶的表达或活性的突变。破坏性突变可以部分灭活、完全灭活或删除基因或酶。破坏性突变可以是减少、防止或阻断酶产生的产物的生物合成的任何突变。破坏性突变可以是敲除(KO)突变。这种破坏也可能是降低但不完全消除基因、蛋白质或酶的表达或活性的敲低(KD)突变。虽然KO通常可以有效地提高产物产量，但有时会带来生长缺陷或基因不稳定性的不利影响，尤其是对于非生长偶合产物而言。所述破坏性突变可以包含例如编码酶的基因中的突变、参与编码酶的基因表达的基因调节元件中的突变、引入产生降低或抑制酶活性的蛋白质的核酸、或引入抑制蛋白质或酶表达的核酸(例如，反义RNA、siRNA、CRISPR)。可以使用本领域已知的任何方法引入破坏性突变。
破坏性突变的引入导致本公开的微生物不产生目标产物或基本上不产生目标产物，或者与衍生出本公开的微生物的亲本微生物相比目标产物的量减少。举例来说，本公开的微生物可能不产生目标产物，或者可能产生比亲本微生物少至少约1％、3％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％的目标产物。举例来说，本公开的微生物可能产生小于约0.001、0.01、0.10、0.30、0.50或1.0g/L的目标产物。
“密码子优化”是指核酸例如基因的突变，用于优化或改进特定菌株或物种中的核酸转译。密码子优化可以产生更快的转译速率或更高转译准确性。在一个实施例中，本公开的基因经密码子优化以在梭菌，特别是自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌中表达。在另一实施例中，本公开的基因经密码子优化以在自产乙醇梭菌LZ1561中表达，所述自产乙醇梭菌以DSMZ寄存号DSM23693保藏。
“过表达”是指与衍生出本公开的微生物的野生型或亲本微生物相比本公开的微生物中的核酸或蛋白质的表达增加。过表达可以通过本领域已知的任何手段实现，包含修饰基因拷贝数、基因转录速率、基因转译速率或酶降解速率。
术语“变体”包含其序列不同于参考核酸和蛋白质的序列，如现有技术中公开的或本文例举的参考核酸和蛋白质的序列的核酸和蛋白质。本公开可以使用进行与参考核酸或蛋白质基本相同的功能的变体核酸或蛋白质实践。举例来说，变体蛋白质可以进行与参考蛋白质基本上相同的功能或催化与参考蛋白质基本上相同的反应。变体基因可以编码与参考基因相同或基本上相同的蛋白质。变体启动子可以具有与参考启动子基本上相同的能力来促进一种或多种基因的表达。
此类核酸或蛋白质在本文中可以称为“功能等效变体”。举例来说，核酸的功能等效变体可以包含等位基因变体、基因片段、突变基因、多态性等。来自其它微生物的同源基因也是功能等效变体的实例。这些同源基因包含如丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)或扬氏梭菌的物种中的同源基因，其详细信息可在如Genbank或NCBI的网站上公开获得。功能等效变体还包含其序列由于特定微生物的密码子优化而变化的核酸。核酸的功能等效变体将与参考的核酸优选地具有至少大约70％、大约80％、大约85％、大约90％、大约95％、大约98％或更高的核酸序列一致性(同源性百分比)。蛋白质的功能等效变体优选地具有与参考蛋白质至少大约70％、大约80％、大约85％、大约90％、大约95％、大约98％或更高的氨基酸一致性(同源性百分比)。可以使用本领域已知的任何方法评估变体核酸或蛋白质的功能等效性。
“互补性”是指一个核酸通过传统的沃森-克里克(Watson-Crick)或其它非传统类型与另一核酸序列形成一个或多个氢键的能力。互补性百分比表示核酸分子中能够与第二个核酸序列形成氢键(例如沃森-克里克碱基配对)的残基的百分比(例如，10个中有5个、6个、7个、8个、9个、10个是50％、60％、70％、80％、90％和100％互补)。“完全互补”是指核酸序列的所有连续残基将与第二核酸序列中相同数量的连续残基氢键结合。如本文所用，“基本上互补”是指在8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、30、35、40、45、50或更多个核苷酸的区域内互补程度为至少60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％，或是指在严格条件下杂交的两种核酸。
如本文所用，杂交的“严格条件”是指与靶序列互补的核酸主要与靶序列杂交而基本上不与非靶序列杂交的条件。严格条件通常是序列依赖性的并且取决于多个因素而变化。一般来说，序列越长，序列与其靶序列特异性杂交的温度就越高。严格条件的非限制性实例在本领域中是众所周知的(例如，Tijssen,《生物化学与分子生物学实验技术——与核酸探针杂交(Laboratory techniques in biochemistry and molecular biology-hybridization with nucleic acid probes)》,第二章“杂交原理与核酸探针测定策略概述(Overview of principles of hybridization and the strategy of nucleic acidprobe assay)”,Elsevier,N.Y,1993)。
“杂交”是指一个或多个多核苷酸反应以形成通过在核苷酸残基的碱基之间进行氢键结合稳定的复合物的反应。氢键结合可以通过沃森克里克碱基配对(Watson Crickbase pairing)、胡格斯坦结合(Hoogsteen binding)或任何其它序列特异性方式发生。复合物可以包括形成双链结构的两条链、形成多链复合物的三条或多条链、单个自杂交链或这些的任何组合。杂交反应可以构成更广泛工艺(如启动PCR，或用酶切割多核苷酸)中的一个步骤。能够与给定序列杂交的序列称为给定序列的“互补序列”。
可以使用本领域已知的任何方法将核酸递送到本公开的微生物。举例来说，核酸可以作为裸核酸递送或者可以用一种或多种试剂，如脂质体配制。适当时，核酸可以是DNA、RNA、cDNA或其组合。在某些实施例中可以使用限制性抑制剂。额外的载体可以包含质粒、病毒、噬菌体、黏粒和人工染色体。在一实施例中，使用质粒将核酸递送到本公开的微生物。举例来说，转化(包含转导或转染)可以通过电穿孔、超声波处理、聚乙二醇介导的转化、化学或天然感受态、原生质体转化、前噬菌体诱导或结合来实现。在具有活性限制酶系统的某些实施例中，可能有必要在将核酸引入到微生物中之前使核酸甲基化。
此外，可以将核酸设计成包括调控元件，如启动子以增加或以其它方式控制特定核酸的表达。启动子可以是组成型启动子或诱导型启动子。理想情况下，启动子是Wood-Ljungdahl途径启动子、铁氧还蛋白启动子、丙酮酸盐:铁氧还蛋白氧化还原酶启动子、Rnf复合操纵子启动子、ATP合酶操纵子启动子或磷酸转乙酰酶/乙酸激酶操纵子启动子。
“Wood-Ljungdahl”是指如即由Ragsdale,《生物化学与生物物理学报(BiochimBiophys Acta)》,1784:1873-1898,2008所描述的碳固定Wood-Ljungdahl途径。“Wood-Ljungdahl微生物”可预见地指代含有Wood-Ljungdahl途径的微生物。一般来说，本公开的微生物含有天然Wood-Ljungdahl途径。在本文中，Wood-Ljungdahl途径可以是天然未修饰的Wood-Ljungdahl途径，或其可以是具有一定程度的基因修饰(即，过表达、异源表达、敲除等)的Wood-Ljungdahl途径，只要其仍具有将CO、CO2和/或H2转化为乙酰辅酶A的功能。
“C1”是指单碳分子，例如CO、CO2、CH4或CH3OH。“C1氧化物”是指也包括至少一个氧原子的单碳分子，例如CO、CO2或CH3OH。“C1-碳源”是指充当本公开微生物的部分或唯一碳源的单碳分子。举例来说，C1碳源可以包括以下中的一种或多种：CO、CO2、CH4、CH3OH或CH2O2。优选地，C1碳源包括CO和CO2中的一种或两种。“C1固定微生物”是能够利用C1碳源产生一种或多种产物的微生物。
“厌氧菌”是不需要氧气即可生长的微生物。如果氧气超过一定阈值存在，则厌氧菌可能会产生不良反应或甚至死亡。然而，一些厌氧菌能够忍受低含量的氧气(即，0.000001vol％到5vol％的氧气)。
“产乙酸菌(Acetogens)”为使用Wood-Ljungdahl途径作为其能量守恒和合成乙酰辅酶A以及乙酰辅酶A衍生产物(如乙酸酯)的主要机制的绝对厌氧细菌(Ragsdale,《生物化学与生物物理学学报》,1784:1873-1898,2008)。具体地说，产乙酸菌使用Wood-Ljungdahl途径作为(1)从CO2还原合成乙酰辅酶A的机制，(2)最终电子接受、能量保存工艺，(3)在细胞碳的合成中固定(同化)CO2的机制(Drake,产乙酸原核生物(Acetogenic Prokaryotes),《原核生物(The Prokaryotes)》第3版，第354页,纽约,纽约州(New York,NY),2006)。所有天然存在的产乙酸菌都是C1固定型、厌氧型、自养型和非甲烷氧化型。在一个实施例中，本公开的微生物是产乙酸菌。
“产乙醇菌(ethanologen)”是产生或能够产生乙醇的微生物。在一个实施例中，本公开的微生物通常是产乙醇菌。
“自养菌”是能够在不存在有机碳的情况下生长的微生物。相反，自养菌使用无机碳源，如CO和/或CO2。通常，本公开的微生物为自养菌。
“一氧化碳营养菌(carboxydotroph)”是能够利用CO作为碳和能量的唯一来源的微生物。
“甲烷营养菌”是能够利用甲烷作为碳和能量的唯一来源的微生物。在某些实施例中，本公开的微生物是甲烷营养菌或衍生自甲烷营养菌。在其它实施例中，本公开的微生物不是甲烷营养菌或不衍生自甲烷营养菌。
“氢营养菌”是能够利用H2作为唯一能量来源的微生物。在某些实施例中，本公开的微生物是氢营养菌或衍生自氢营养菌。
“底物”是指针对本公开的微生物的碳和/或能量来源。底物是气态的并且包括C1碳源，例如CO、CO2和/或CH4。优选地，底物包括CO或CO+CO2的C1碳源。底物可以进一步包括其它非碳组分，如H2、N2或电子。
术语“共底物”是指尽管不一定是用于产物合成的主要能量和材料来源，但是当添加到另一底物(如主要底物)中时可以用于产物合成的物质。
底物和/或C1碳源可以是作为工业工艺的副产物或从一些其它来源，如从汽车废气或生物质气化获得的废气。在某些实施例中，工业工艺选自由以下组成的群组：由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、炼钢、炼油和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(来源于包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(来源于蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。在各个情况下，底物和/或C1碳源可在其排放到大气中之前使用任何适宜方法从工业工艺中捕获。
底物的组成可能对反应的效率和/或成本有重大影响。举例来说，氧气(O2)的存在可以降低厌氧发酵工艺的效率。取决于底物的组成，可能需要处理、洗涤或过滤底物以去除任何不期望的杂质，如毒素、不期望的组分或灰尘颗粒，和/或增加期望组分的浓度。
在某些实施例中，在不存在碳水化合物底物，如糖、淀粉、木质素、纤维素或半纤维素的情况下进行发酵。
本公开的微生物可以用气态底物培养以产生一种或多种产物。举例来说，除了2-苯乙醇之外，本公开的微生物还可以产生或还可以被工程化以产生乙醇(WO 2007/117157)、乙酸盐(WO 2007/117157)、1-丁醇(WO 2008/115080、WO 2012/053905和WO 2017/066498)、丁酸盐(WO 2008/115080)、2,3-丁二醇(WO 2009/151342和WO 2016/094334)、乳酸盐(WO2011/112103)、丁烯(WO 2012/024522)、丁二烯(WO 2012/024522)、甲基乙基酮(2-丁酮)(WO 2012/024522和WO 2013/185123)、乙烯(WO 2012/026833)、丙酮(WO 2012/115527)、异丙醇(WO 2012/115527)、脂质(WO 2013/036147)、3-羟基丙酸盐(3-HP)(WO2013/180581)、包含异戊二烯在内的萜烯(WO 2013/180584)、脂肪酸(WO 2013/191567)、2-丁醇(WO2013/185123)、1,2-丙二醇(WO 2014/036152)、1-丙醇(WO 2017/066498)、1-己醇(WO2017/066498)、1-辛醇(WO 2017/066498)、分支酸盐衍生的产物(WO 2016/191625)、3-羟基丁酸盐(WO 2017/066498)、1,3-丁二醇(WO 2017/066498)、2-羟基异丁酸盐或2-羟基异丁酸(WO 2017/066498)、异丁烯(WO 2017/066498)、己二酸(WO 2017/066498)、1,3-己二醇(WO 2017/066498)、3-甲基-2-丁醇(WO 2017/066498)、2-丁烯-1-醇(WO 2017/066498)、异戊酸盐(WO 2017/066498)、异戊醇(WO 2017/066498)和/或单乙二醇(WO 2019/126400)。在某些实施例中，微生物生物质本身可以视为产物。这些产物可以被进一步转化，以产生柴油、喷气燃料和/或汽油中的至少一种组分。在某些实施例中，可以将2-苯乙醇用作香精、精油、调味剂和肥皂中的成分。此外，可以通过本领域已知的任何方法或方法的组合进一步处理微生物生物质以产生单细胞蛋白质(c)。除一种或多种目标产物外，本公开的微生物还可以产生乙醇、乙酸盐和/或2,3-丁二醇。
“单细胞蛋白质”(SCP)是指可以用于富含蛋白质的人和/或动物饲料，通常置换蛋白质补充剂的常规来源的微生物生物质，如豆粕或鱼粉。为了产生单细胞蛋白质或其它产物，工艺可以包括额外的分离、加工或处理步骤。举例来说，方法可以包括对微生物生物质进行灭菌，对微生物生物质进行离心和/或对微生物生物质进行干燥。在某些实施例中，使用喷雾干燥或桨叶干燥对微生物生物质进行干燥。所述方法还可以包括使用本领域已知的任何方法来降低微生物生物质的核酸含量，因为摄取核酸含量高的饮食可能导致核酸降解产物的累积和/或胃肠不适。单细胞蛋白质可以适合于喂养如牲畜或宠物等动物。特别地，动物饲料可以适合于喂养一种或多种肉牛、奶牛、猪、绵羊、山羊、马、骡、驴、鹿、水牛/野牛、骆马、羊驼、驯鹿、骆驼、白臀野牛、大额牛、牦牛、鸡、火鸡、鸭、鹅、鹌鹑、珍珠鸡、雏鸟/鸽子、鱼、虾、甲壳类动物、猫、狗和啮齿动物。动物饲料的组成可以根据不同动物的营养要求定制。此外，工艺可以包括将微生物生物质与一种或多种赋形剂共混或组合。
“微生物生物质”是指包括微生物细胞的生物材料。举例来说，微生物生物质可以包括细菌、古菌、病毒或真菌的纯培养物或基本上纯的培养物或由其组成。当最初从发酵培养液中分离时，微生物生物质通常含有大量的水。可通过对微生物生物质进行干燥或加工来去除或减少这种水。
“赋形剂”可以指代可以添加到微生物生物质中以增强或改变动物饲料的形式、性质或营养含量的任何物质。举例来说，赋形剂可包括以下中的一个或多个：碳水化合物、纤维、脂肪、蛋白质、维生素、矿物质、水、调味剂、甜味剂、抗氧化剂、酶、防腐剂、益生菌或抗生素。在一些实施例中，赋形剂可以是干草、稻草、青贮饲料、谷物、油或脂肪或其它植物材料。赋形剂可以是在Chiba,第18节：饮食配料和普通饲料成分(Diet Formulation and CommonFeed Ingredients),《动物营养手册(Animal Nutrition Handbook)》,第3次修订版,第575-633页,2014中鉴定的任何饲料成分。
“天然产物”是由未经过基因修饰的微生物产生的产物。举例来说，乙醇、乙酸酯和2,3-丁二醇为自产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌的天然产物。“非天然产物”是由经过基因修饰的微生物产生的，而不由衍生出所述经过基因修饰的微生物的未经基因修饰的微生物产生的产物。
“生物聚合物”是指由活生物体的细胞产生的天然聚合物。在某些实施例中，生物聚合物是PHA。在某些实施例中，生物聚合物是PHB。
“生物塑料”是指由可再生生物质来源产生的塑料材料。生物塑料可以由可再生资源产生，如植物脂肪和油、玉米淀粉、稻草、木片、锯末或回收的食物垃圾。
“选择率”是指目标产物的产量与由微生物产生的全部发酵产物的产量的比率。本公开的微生物可以工程化以便以特定选择率或最小选择率产生产物。在一个实施例中，目标产物占由本公开的微生物产生的全部发酵产物的至少约5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、30重量％、50重量％、75重量％或90重量％。在一个实施例中，目标产物占由本公开的微生物产生的全部发酵产物的至少10重量％，使得本公开的微生物针对目标产物的选择率为至少10重量％。在另一实施例中，目标产物占由本公开的微生物产生的全部发酵产物的至少30重量％，使得本公开的微生物针对目标产物的选择率为至少30重量％。在一个实施例中，目标产物占由微生物产生的全部发酵产物的至少90重量％，使得本公开的微生物对目标产物选择率为至少90重量％。
通常，在生物反应器中进行培养。术语“生物反应器”包含由一个或多个容器、塔或管路布置组成的培养/发酵装置，如连续搅拌槽反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、气泡柱、气升式发酵器、静态混合器或适合气液接触的其它容器或其它装置。在一些实施例中，生物反应器可以包括第一生长反应器和第二培养/发酵反应器。可以向这些反应器中的一个或两个提供底物。如本文所用，术语“培养”和“发酵”可互换使用。这些术语涵盖培养/发酵工艺的生长阶段和产物生物合成阶段两个。
培养通常在含有足以允许微生物生长的营养素、维生素和/或矿物质的水性培养基中维持。优选地，水性培养基是厌氧微生物生长培养基，如基本厌氧微生物生长培养基。合适的培养基是本领域众所周知的。
培养/发酵应当期望地在用于产生目标产物的适当条件下进行。通常，在厌氧条件下进行培养/发酵。要考虑的反应条件包含压力(或分压)、温度、气体流速、液体流速、培养基pH、培养基氧化还原电势、搅拌速率(如果使用连续搅拌槽反应器)、接种物水平、用于确保处于液相的气体不会变成限制的最大气体底物浓度以及用于避免产物抑制的最大产物浓度。特别是，可以控制底物的引入速率来以确保处于液相的气体的浓度不会变成限制，因为在气体限制的条件下，产物可能会因培养而被消耗。
在升压下操作生物反应器允许增加从气相到液相的气体质量传递的速率。因此，在高于大气压力的压力下进行培养/发酵通常是优选的。同样，由于给定气体转化率部分地为底物保留时间的作用并且保留时间指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可以极大减小所需生物反应器的体积，并且因此降低培养/发酵设备的资金成本。这又意味着当在升高的压力而不是大气压力下维持生物反应器时，能够缩短保留时间，保留时间被定义为是生物反应器中的液体体积除以输入气体料流速。最优反应条件将部分取决于所使用的特定微生物。然而，一般来说，在高于大气压力的压力下进行发酵是优选的。此外，由于给定气体转化速率在某种程度上随底物保留时间而变，并且获得所需保留时间又指示生物反应器的所需体积，所以使用加压系统可以大大减小所需生物反应器的体积，并且因此降低发酵设备的资金成本。
可使用任何方法或技术领域中已知的方法的组合从发酵培养液中分离或纯化目标产物，所述方法包含例如分馏、蒸发、渗透蒸发、气体剥离、相分离和萃取发酵，包含例如液-液萃取。在某些实施例中，目标产物通过以下从发酵培养液中回收：从生物反应器中连续地去除培养液的一部分、从培养液分离微生物细胞(宜通过过滤)以及从培养液中回收一种或多种目标产物。可例如通过蒸馏回收醇类和/或丙酮。可以例如通过吸附于活性炭来回收酸。分离的微生物细胞优选地返回到生物反应器中。去除目标产物之后残留的游离渗透物也优选地返回到生物反应器中。可以在游离渗透物返回到生物反应器中之前向其中添加另外的营养素(如维生素B)来补充培养基。
一氧化碳和氧气可以通过电解工艺产生，所述电解工艺通过以下摩尔化学计量反应定义：2CO2+电→2CO+O2。通过电解工艺产生的一氧化碳可以用作用于气体发酵的原料。另外，认为所产生的CO可与来自工业工艺的原料一起使用，作为提供额外原料和/或改进发酵底物组成的手段。
电解工艺还能够从水中产生氢气，这通过以下摩尔化学计量反应定义：2H2O+电→2H2+O2。通过电解工艺产生的氢气可以用作用于气体发酵的原料。这种氢气可以与来自工业工艺的原料一起使用，作为提供额外原料和/或改进发酵底物组成的手段。
电解工艺的使用可以在经济上可行时使用。在某些情况下，来自电解工艺的原料可以通过降低与生产相关联的成本来提高发酵工艺的效率。
由用于产生一氧化碳的电解工艺利用的含CO2的底物可以来源于许多来源。含CO2的气态底物可至少部分地衍生自含有CO2的任何气体，所述气体选自包括以下的群组：由碳水化合物发酵产生的气体、由水泥制造、浆和纸制造、炼钢、炼油和相关工艺、石油化工品生产、焦炭生产、厌氧或好氧消化产生的气体、合成气体(来源于包含但不限于生物质、液体废物流、固体废物流、市政流、包含天然气、煤和油的化石资源的来源)、天然气提取、油提取、用于生产和/或提炼铝、铜和/或铁合金的冶金工艺、地质储层和催化工艺(来源于蒸汽来源，包含但不限于蒸汽甲烷重整、蒸汽石脑油重整、石油焦气化、催化剂再生-流体催化剂裂化、催化剂再生-石脑油重整和干甲烷重整)。另外，底物可在其排放到大气中之前使用任何适宜方法从工业工艺中捕获。此外，含CO2的底物可以衍生自上述来源中的两种或更多种的组合。
气体料流通常将不是纯CO2料流，并且将含有一定比例的至少一种其它组分。举例来说，每种来源可以具有不同比例的CO2、CO、H2和各种成分。由于不同的比例，可以在引入到生物反应器和/或电解工艺模块之前对气体料流进行加工。气体料流的加工包含去除和/或转化各种成分，所述各种成分可以是微生物抑制剂和/或催化剂抑制剂。优选地，催化剂抑制剂在传递到电解工艺模块之前被去除和/或转化，并且微生物抑制剂在传递到生物反应器之前被去除和/或转化。
在气体料流中发现的可能需要去除和/或转化的典型成分包含但不限于硫化合物、芳香族化合物、炔烃、烯烃(alkene)、烷烃、链烯(olefin)、氮化合物、含磷化合物、微粒物质、固体、氧气、氧化物、卤化化合物、含硅化合物、羰基、金属、醇、酯、酮、过氧化物、醛、醚和焦油。
这些成分可以通过本领域已知的常规去除模块去除。这些去除模块可以选自以下：水解模块、酸性气体去除模块、脱氧模块、催化氢化模块、微粒去除模块、氯去除模块、焦油去除模块和氰化氢去除模块。
在各个实施例中，可以发送电解工艺的至少一部分以进行存储。某些工业工艺可以包含用于长期或短期存储气态底物和/或液态底物的存储装置。在发送电解工艺的至少一部分以进行存储的情况下，可以将电解工艺发送到工业工艺所利用的同一存储装置，例如钢厂的现有气体保持器。可以将电解工艺的至少一部分发送到独立存储装置，其中电解工艺与来自工业工艺的C1原料分开存储。在某些情况下，稍后可以由发酵工艺使用来自工业工艺和/或一个或多个电解工艺中的一个或两个的这种存储的原料。
在各种实施例中，本公开提供一种包括电解工艺的整合工艺，其中为电解工艺供应的电力至少部分地来源于可再生能源。在某些情况下，可再生能源是选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能、氮能和核能。
尽管底物通常是气态的，但底物也可以以替代形式提供。举例来说，可以使用微泡分散发生器将底物溶解在用含CO气体饱和的液体中。通过另外的实例，底物可以吸附到固体载体上。
除了增加发酵工艺的效率之外，电解工艺可以增加工业工艺的效率。工业工艺的效率的增加可以通过使用电解工艺副产物，即氧气实现。具体地，电解工艺的O2副产物可以由C1生成工业工艺使用。许多C1生成工业工艺被迫使产生O2，以在其工艺中使用。然而，通过利用来自电解工艺的O2副产物，可以降低和/或消除产生O2的成本。
涉及部分氧化反应的几种C1生成工业工艺需要O2输入。示例性工业工艺包含碱性氧气炉(BOF)反应、COREX或FINEX炼钢工艺、高炉(BF)工艺、铁合金生产工艺、二氧化钛生产工艺和气化工艺。气化工艺包含但不限于市政固体废物气化、生物质气化、石油焦气化和煤气化。在这些工业工艺中的一个或多个中，可以使用来自二氧化碳电解工艺的O2来抵消或完全置换通常通过空气分离供应的O2。
由于给定位置中的巨大电价差异以及电价对作为用于发酵的气体来源的电解工艺效率的影响，因此非常有利的是，具有灵活的方法来利用电解工艺。举例来说，当电相对便宜时，利用电解工艺作为用于发酵的气体来源，并且在价格高昂的时间段内停止使用。电解工艺的这种需求响应式利用可以为气体发酵设施增加巨大价值。
本文引用的所有参考文献(包含出版物、专利申请和专利)均通过引用特此并入，其程度如同每篇参考文献被单独并且具体地指出通过引用并入并且在本文中被整体阐述。本说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应被视为承认现有技术形成任何国家所致力的领域中的公知常识的一部分。
除非本文中另外指明或明显与上下文相矛盾，否则在描述本公开的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)使用的术语“一个/一种(a/an)”和“所述(the)”以及类似的指代词应被解释为涵盖单数和复数两个。除非另外指出，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应解释为开放式术语(即，意味着“包含但不限于”)。术语“基本上由……组成”将组合物、工艺或方法的范围限制在特定的材料或步骤，或者限制在那些对组合物、工艺或方法的基本和新颖特性没有实质性影响的材料或步骤。替代方案(即，“或”)的使用应被理解为意指替代方案中的一个、两个或其任何组合。除非另外指明，否则如本文中所用的，术语“约”意指所指示范围、值或结构的±20％。
除非本文中另有指示，否则本文中对值的范围的叙述仅旨在用作单独地指出落入所述范围内的每个单独的值的速记方法并且每个单独的值并入本说明书中，如同所述值在本文中被单独地叙述一样。举例来说，除非另有指示，否则任何浓度范围、百分比范围、比率范围、整数范围、大小范围或厚度范围应被理解为包含所叙述范围内的任何整数的值并且在适当的情况下包含其分数(如整数的十分之一和百分之一)。
除非本文中另有指示或明显与上下文相矛盾，否则本文所描述的所有方法均可以以任何合适的顺序进行。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有实例或示例性语言(即，“如”)的使用仅旨在更好地说明本公开，而不对本公开的范围构成限制。本说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元件指示为实践本公开所必须的。
本文描述了本公开的优选实施例。在阅读前文描述后，对本领域的普通技术人员来说，那些优选实施例的变型可以变得显而易见。诸位发明人预期技术人员可以在适当时采用此类变型，并且诸位发明人旨在使本公开以与本文具体描述的方式不同的其它方式来进行实践。因此，本公开包含适用法律所允许的所附权利要求书中所述的主题的所有修改和同等物。此外，除非本文另有指示或明显与上下文相矛盾，否则本公开涵盖上述要素在其所有可能变型中的任何组合。
实例
以下实例进一步说明本公开的方法和系统，但不应视为以任何方式限制本公开的范围。
实例1.在25天连续杀虫贪铜菌气体发酵过程中对于主要气体组分的每升生物反应器液体体积之气体吸收的曲线图
氢气为能量来源并且CO2为碳源。进料气流在第18.21天缺失且在约8小时之后恢复。发酵长期稳定性无显著变化，在气体恢复之后的任何波动都在所述操作的正常操作波动内(图1)。氢气为能量来源并且CO2为碳源。在进料气体停止流动后约8小时恢复气体流动后，气体吸收几乎立即恢复(图2)。
实例2.杀虫贪铜菌气体发酵的稳定生物质产生的示例曲线图
氢气作为能量来源示出并且CO2为碳源。可见到在4.5天时段内的持续稳定生产，其中OD600高于30(等于约30g/L DCW杀虫贪铜菌生物质)(图3)。
实例3.在杀虫贪铜菌气体发酵中对于主要气体组分的每升生物反应器液体体积的稳定气体吸收的曲线图
氢气为能量来源并且CO2为碳源。示出了相同4.5天时段内的连续稳定的气体吸收(图4)。
实例4.描绘了工业工艺和电解工艺与发酵工艺的整合的示意性流程图
(图5)示出了工业工艺110和电解工艺120与发酵工艺130的整合。发酵工艺130能够接收来自工业工艺110的C1原料和/或来自电解工艺120的气体。可以将电解工艺120间歇地进料到发酵工艺130。优选地，通过导管112将来自工业工艺110的C1原料进料到发酵工艺130，并且通过导管122将来自电解120的气体进料到发酵工艺130。发酵工艺130利用来自电解工艺110的气体和来自工业工艺110的C1原料来产生一种或多种发酵产物136。
在某些情况下，电解工艺包括CO。在某些情况下，电解包括H2。在某些情况下，来自电解工艺120的气体置换来自工业工艺110的C1原料的至少一部分。优选地，电解工艺根据C1原料的单位成本和电解工艺的单位成本来置换C1原料的至少一部分。在各个情况下，当电解工艺的单位成本小于C1原料的单位成本时，电解工艺置换C1原料的至少一部分。
当电的成本降低时，电解工艺的单位成本可以小于C1原料的单位成本。在某些情况下，电的成本由于电来源于可再生能源而降低。在某些情况下，可再生能源是选自由以下组成的群组：太阳能、水能、风能、地热能、生物质能、氮能和核能。
来自电解工艺120的气体可以补充来自工业工艺110的C1原料。优选地，当C1原料的供应不足以进行发酵工艺时，电解工艺补充C1原料。在某些情况下，电解工艺根据电解工艺的单位成本和发酵产物136的单位价值来补充C1原料。在某些情况下，电解工艺根据C1原料的单位成本、电解工艺的单位成本和发酵产物136的单位价值来补充C1原料。优选地，当电解工艺的单位成本小于发酵产物136的单位价值时，来自电解工艺120的气体补充C1原料。在各个情况下，用包括H2的电解工艺补充包括CO2的C1原料增加了一种或多种发酵产物136中固定的CO2的量。
在一个实施例中，一种以生物聚合物形式存储能量的方法，其包括：
a)在电解工艺中间歇地加工由可再生和/或非可再生能源产生的至少一部分电能以产生至少H2、O2或CO；
b)将来自电解工艺的H2、O2或CO中的至少一种间歇地传递到含有培养物的生物反应器，所述培养物包括液体营养培养基和能够产生生物聚合物的微生物；以及
c)使培养物发酵。
在一个实施例中，其中电解工艺具有一单位电能成本。
在一个实施例中，进一步包括将包括来自工业或合成气工艺的CO和CO2中的一种或两种的C1原料传递到生物反应器，其中C1原料具有一单位成本。
在一个实施例中，其中生物聚合物具有一单位成本。
在一个实施例中，进一步包括将电解工艺中产生的O2的至少一部分传递到燃烧或气化工艺以产生二氧化碳。
在一个实施例中，其中电能由可再生能源产生。
在一个实施例中，其中可再生能源包括太阳能、风能、波能、潮汐能、水力、地热能、生物质和/或生物燃料燃烧、核能或其任何组合。
在一个实施例中，其中间歇地传递包括持续传递H2、O2或CO中的至少一种与不传递H2、O2和CO中的至少一种之间持续长达约0到2、0到4、0到6、0到8、0到10、0到12或0到16小时的任何时间段。
在一个实施例中，其中操作电解工艺以在单位电能成本小于单位C1原料成本的时间段期间补充C1原料。
在一个实施例中，其中微生物是自养菌。
在一个实施例中，其中自养菌是杀虫贪铜菌。
在一个实施例中，其中生物聚合物是聚羟基烷酸酯。
在一个实施例中，其中微生物能够共同产生高营养蛋白质。
在一个实施例中，进一步包括加工微生物以产生单细胞蛋白质(SCP)产物。
在一个实施例中，进一步包括加工所述微生物以产生游离蛋白质合成平台。
在一个实施例中，一种以生物聚合物形式存储能量的系统，其包括：
a)电解工艺，其与可再生和/或非可再生能源间歇地流体连通以用于产生H2、O2或CO中的至少一种；
b)工业设备，其用于产生至少C1原料；
c)生物反应器，其与电解工艺间歇的流体连通和/或与工业设备持续流体连通，包括适用于间歇地生长、发酵和/或培养并且容纳能够产生生物聚合物的微生物的反应容器。
在一个实施例中，进一步包括至少一个与电解工艺、生物反应器或两者流体连通的富含氧气的燃烧或气化单元，富含氧气的燃烧或气化单元用于产生二氧化碳。
在一个实施例中，进一步包括至少一个与生物反应器流体连通的下游加工系统，所述下游加工系统选自回收系统、纯化系统、富集系统、存储系统，用于发酵废气、氢气、水、氧气、二氧化碳、使用的培养基和培养基组分、微生物的再循环或进一步加工系统，或其组合。
在一个实施例中，进一步包括与生物反应器流体连通的细胞加工单元，其中微生物被进一步加工成单细胞蛋白质(SCP)和/或游离蛋白质合成平台。
在一个实施例中，其中可再生能源选自太阳能、风能、波能、潮汐能、水力、地热能、生物质和/或生物燃料燃烧、核能或其任何组合。
在一个实施例中，其中微生物是自养菌。
在一个实施例中，其中自养菌是杀虫贪铜菌。
在一个实施例中，其中间歇流体连通包括在持续传递H2、O2或CO中的至少一种与不传递H2、O2和CO中的至少一种之间持续长达约0到2、0到4、0到6、0到8、0到10、0到12或0到16小时的任何时间段。
Claims (23)
1.一种以生物聚合物形式存储能量的方法，其包括：
a)在电解工艺中间歇地加工由可再生和/或非可再生能源产生的至少一部分电能以产生至少H2、O2或CO；
b)将来自所述电解工艺的H2、O2或CO中的至少一种间歇地传递到含有培养物的生物反应器，所述培养物包括液体营养培养基和能够产生生物聚合物的微生物；以及
c)使所述培养物发酵。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解工艺具有一单位电能成本。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将包括来自工业或合成气工艺的CO和CO2中的一种或两种的C1原料传递到所述生物反应器，其中所述C1原料具有一单位成本。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物聚合物具有一单位成本。
5.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述电解工艺中产生的所述O2的至少一部分传递到燃烧或气化工艺以产生二氧化碳。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电能由可再生能源产生。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述可再生能源包括太阳能、风能、波能、潮汐能、水力、地热能、生物质和/或生物燃料燃烧、核能或其任何组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中间歇地传递包括持续传递H2、O2或CO中的至少一种与不传递H2、O2和CO中的至少一种之间持续长达约0到2、0到4、0到6、0到8、0到10、0到12或0到16小时的任何时间段。
9.根据权利要求2所述的方法，其中操作所述电解工艺以在所述单位电能成本小于所述单位C1原料成本的时间段期间补充C1原料。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述微生物为自养菌(autotrophic bacteria)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述自养菌为杀虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物聚合物是聚羟基烷酸酯。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述微生物能够共同产生高营养蛋白质。
14.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括加工所述微生物以产生单细胞蛋白质(SCP)产物。
15.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括加工所述微生物以产生游离蛋白质合成平台。
16.一种以生物聚合物形式存储能量的系统，其包括：
a)电解工艺，其与可再生和/或非可再生能源间歇地流体连通以用于产生H2、O2或CO中的至少一种；
b)工业设备，其用于产生至少C1原料；
c)生物反应器，其与所述电解工艺间歇的流体连通和/或与所述工业设备持续流体连通，包括适用于间歇地生长、发酵和/或培养并且容纳能够产生生物聚合物的微生物的反应容器。
17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括至少一个与所述电解工艺、所述生物反应器或两者流体连通的富含氧气的燃烧或气化单元，所述富含氧气的燃烧或气化单元用于产生二氧化碳。
18.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括至少一个与所述生物反应器流体连通的下游加工系统，所述下游加工系统选自回收系统、纯化系统、富集系统、存储系统，用于发酵废气、氢气、水、氧气、二氧化碳、使用的培养基和培养基组分、微生物的再循环或进一步加工系统，或其组合。
19.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括与所述生物反应器流体连通的细胞加工单元，其中所述微生物被进一步加工成单细胞蛋白质(SCP)和/或游离蛋白质合成平台。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述可再生能源选自太阳能、风能、波能、潮汐能、水力、地热能、生物质和/或生物燃料燃烧、核能或其任何组合。
21.根据权利要求16所述的系统，其中所述微生物为自养菌。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述自养菌为杀虫贪铜菌。
23.根据权利要求16所述的系统，其中间歇流体连通包括持续传递H2、O2或CO中的至少一种与不传递H2、O2和CO中的至少一种之间持续长达约0到2、0到4、0到6、0到8、0到10、0到12或0到16小时的任何时间段。
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