EA033669B1 - Улучшенное улавливание углерода при ферментации - Google Patents
Улучшенное улавливание углерода при ферментации Download PDFInfo
- Publication number
- EA033669B1 EA033669B1 EA201690646A EA201690646A EA033669B1 EA 033669 B1 EA033669 B1 EA 033669B1 EA 201690646 A EA201690646 A EA 201690646A EA 201690646 A EA201690646 A EA 201690646A EA 033669 B1 EA033669 B1 EA 033669B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- gas
- culture
- fermentation
- reactor
- gaseous substrate
- Prior art date
Links
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 title claims abstract description 67
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 32
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims description 22
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 169
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 88
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 44
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 23
- OWBTYPJTUOEWEK-UHFFFAOYSA-N butane-2,3-diol Chemical compound CC(O)C(C)O OWBTYPJTUOEWEK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 88
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 33
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 241001656809 Clostridium autoethanogenum Species 0.000 claims description 19
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 18
- 241000894007 species Species 0.000 claims description 15
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 claims description 14
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 241000186566 Clostridium ljungdahlii Species 0.000 claims description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 11
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 7
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 claims description 6
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 241000193403 Clostridium Species 0.000 claims description 5
- ALRHLSYJTWAHJZ-UHFFFAOYSA-M 3-hydroxypropionate Chemical compound OCCC([O-])=O ALRHLSYJTWAHJZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- ROWKJAVDOGWPAT-UHFFFAOYSA-N Acetoin Chemical compound CC(O)C(C)=O ROWKJAVDOGWPAT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N Butadiene Chemical compound C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZXEKIIBDNHEJCQ-UHFFFAOYSA-N isobutanol Chemical compound CC(C)CO ZXEKIIBDNHEJCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims description 4
- 241001468161 Acetobacterium Species 0.000 claims description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K Citrate Chemical compound [O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 241000186394 Eubacterium Species 0.000 claims description 3
- 241000178985 Moorella Species 0.000 claims description 3
- 241000178986 Oxobacter Species 0.000 claims description 3
- 241000191992 Peptostreptococcus Species 0.000 claims description 3
- VQTUBCCKSQIDNK-UHFFFAOYSA-N Isobutene Chemical group CC(C)=C VQTUBCCKSQIDNK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M Lactate Chemical compound CC(O)C([O-])=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 claims description 2
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 claims description 2
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 claims description 2
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 claims description 2
- GFAZHVHNLUBROE-UHFFFAOYSA-N hydroxymethyl propionaldehyde Natural products CCC(=O)CO GFAZHVHNLUBROE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229940049920 malate Drugs 0.000 claims description 2
- BJEPYKJPYRNKOW-UHFFFAOYSA-N malic acid Chemical compound OC(=O)C(O)CC(O)=O BJEPYKJPYRNKOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004626 polylactic acid Substances 0.000 claims description 2
- ULWHHBHJGPPBCO-UHFFFAOYSA-N propane-1,1-diol Chemical compound CCC(O)O ULWHHBHJGPPBCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- KDYFGRWQOYBRFD-UHFFFAOYSA-L succinate(2-) Chemical compound [O-]C(=O)CCC([O-])=O KDYFGRWQOYBRFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 70
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 abstract description 35
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 18
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 abstract description 4
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 124
- 239000000047 product Substances 0.000 description 38
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 33
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 33
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 15
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 14
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 14
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 11
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 11
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 9
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 8
- ZSLZBFCDCINBPY-ZSJPKINUSA-N acetyl-CoA Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 ZSLZBFCDCINBPY-ZSJPKINUSA-N 0.000 description 8
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 8
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 5
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 5
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- ALSTYHKOOCGGFT-KTKRTIGZSA-N (9Z)-octadecen-1-ol Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCCO ALSTYHKOOCGGFT-KTKRTIGZSA-N 0.000 description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 4
- -1 ferrous metals Chemical class 0.000 description 4
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 4
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 229940055577 oleyl alcohol Drugs 0.000 description 4
- XMLQWXUVTXCDDL-UHFFFAOYSA-N oleyl alcohol Natural products CCCCCCC=CCCCCCCCCCCO XMLQWXUVTXCDDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 4
- 241001148471 unidentified anaerobic bacterium Species 0.000 description 4
- 235000019156 vitamin B Nutrition 0.000 description 4
- 239000011720 vitamin B Substances 0.000 description 4
- GHOKWGTUZJEAQD-ZETCQYMHSA-N (D)-(+)-Pantothenic acid Chemical compound OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(O)=O GHOKWGTUZJEAQD-ZETCQYMHSA-N 0.000 description 3
- 241001112696 Clostridia Species 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PVNIIMVLHYAWGP-UHFFFAOYSA-N Niacin Chemical compound OC(=O)C1=CC=CN=C1 PVNIIMVLHYAWGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 3
- 229930003270 Vitamin B Natural products 0.000 description 3
- 229940100228 acetyl coenzyme a Drugs 0.000 description 3
- 230000008238 biochemical pathway Effects 0.000 description 3
- 108010031234 carbon monoxide dehydrogenase Proteins 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 3
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 3
- 238000009630 liquid culture Methods 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 3
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 3
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 3
- 239000011550 stock solution Substances 0.000 description 3
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 3
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 3
- ALYNCZNDIQEVRV-UHFFFAOYSA-N 4-aminobenzoic acid Chemical compound NC1=CC=C(C(O)=O)C=C1 ALYNCZNDIQEVRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001611023 Clostridium ragsdalei Species 0.000 description 2
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 2
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 2
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SIKJAQJRHWYJAI-UHFFFAOYSA-N Indole Chemical compound C1=CC=C2NC=CC2=C1 SIKJAQJRHWYJAI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000193459 Moorella thermoacetica Species 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 2
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 2
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 2
- 230000001651 autotrophic effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 235000020958 biotin Nutrition 0.000 description 2
- 239000011616 biotin Substances 0.000 description 2
- 229960002685 biotin Drugs 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 2
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 2
- 238000003501 co-culture Methods 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 2
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 2
- RMRCNWBMXRMIRW-BYFNXCQMSA-M cyanocobalamin Chemical compound N#C[Co+]N([C@]1([H])[C@H](CC(N)=O)[C@]\2(CCC(=O)NC[C@H](C)OP(O)(=O)OC3[C@H]([C@H](O[C@@H]3CO)N3C4=CC(C)=C(C)C=C4N=C3)O)C)C/2=C(C)\C([C@H](C/2(C)C)CCC(N)=O)=N\C\2=C\C([C@H]([C@@]/2(CC(N)=O)C)CCC(N)=O)=N\C\2=C(C)/C2=N[C@]1(C)[C@@](C)(CC(N)=O)[C@@H]2CCC(N)=O RMRCNWBMXRMIRW-BYFNXCQMSA-M 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 2
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- OVBPIULPVIDEAO-LBPRGKRZSA-N folic acid Chemical compound C=1N=C2NC(N)=NC(=O)C2=NC=1CNC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(O)=O)C=C1 OVBPIULPVIDEAO-LBPRGKRZSA-N 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AGBQKNBQESQNJD-UHFFFAOYSA-N lipoic acid Chemical compound OC(=O)CCCCC1CCSS1 AGBQKNBQESQNJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000019136 lipoic acid Nutrition 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 2
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 2
- DPJRMOMPQZCRJU-UHFFFAOYSA-M thiamine hydrochloride Chemical compound Cl.[Cl-].CC1=C(CCO)SC=[N+]1CC1=CN=C(C)N=C1N DPJRMOMPQZCRJU-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229960002663 thioctic acid Drugs 0.000 description 2
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 2
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 2
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 2
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 2
- AGBQKNBQESQNJD-SSDOTTSWSA-N (R)-lipoic acid Chemical compound OC(=O)CCCC[C@@H]1CCSS1 AGBQKNBQESQNJD-SSDOTTSWSA-N 0.000 description 1
- 108020004465 16S ribosomal RNA Proteins 0.000 description 1
- AUNGANRZJHBGPY-MBNYWOFBSA-N 7,8-dimethyl-10-[(2R,3R,4S)-2,3,4,5-tetrahydroxypentyl]benzo[g]pteridine-2,4-dione Chemical compound OC[C@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-MBNYWOFBSA-N 0.000 description 1
- 241001468163 Acetobacterium woodii Species 0.000 description 1
- QTXZASLUYMRUAN-QLQASOTGSA-N Acetyl coenzyme A (Acetyl-CoA) Chemical compound O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1.O[C@@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OCC(C)(C)[C@@H](O)C(=O)NCCC(=O)NCCSC(=O)C)O[C@H]1N1C2=NC=NC(N)=C2N=C1 QTXZASLUYMRUAN-QLQASOTGSA-N 0.000 description 1
- 241001534860 Alkalibaculum bacchi Species 0.000 description 1
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004475 Arginine Substances 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N Betaine Natural products C[N+](C)(C)CC([O-])=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001464894 Blautia producta Species 0.000 description 1
- 101100346189 Caenorhabditis elegans mpc-1 gene Proteins 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000620141 Carboxydothermus Species 0.000 description 1
- GHOKWGTUZJEAQD-UHFFFAOYSA-N Chick antidermatitis factor Natural products OCC(C)(C)C(O)C(=O)NCCC(O)=O GHOKWGTUZJEAQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001656810 Clostridium aceticum Species 0.000 description 1
- 241000193401 Clostridium acetobutylicum Species 0.000 description 1
- 241001611022 Clostridium carboxidivorans Species 0.000 description 1
- 241001171821 Clostridium coskatii Species 0.000 description 1
- 241000328950 Clostridium drakei Species 0.000 description 1
- 241000193161 Clostridium formicaceticum Species 0.000 description 1
- 241001468167 Clostridium magnum Species 0.000 description 1
- 241000186587 Clostridium scatologenes Species 0.000 description 1
- 241000193464 Clostridium sp. Species 0.000 description 1
- 244000258136 Costus speciosus Species 0.000 description 1
- 235000000385 Costus speciosus Nutrition 0.000 description 1
- RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-M D-gluconate Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-M 0.000 description 1
- 102100037458 Dephospho-CoA kinase Human genes 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 241000186398 Eubacterium limosum Species 0.000 description 1
- 241000116710 Ferula foetidissima Species 0.000 description 1
- ODKSFYDXXFIFQN-BYPYZUCNSA-P L-argininium(2+) Chemical compound NC(=[NH2+])NCCC[C@H]([NH3+])C(O)=O ODKSFYDXXFIFQN-BYPYZUCNSA-P 0.000 description 1
- HNDVDQJCIGZPNO-YFKPBYRVSA-N L-histidine Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CC1=CN=CN1 HNDVDQJCIGZPNO-YFKPBYRVSA-N 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O N,N,N-trimethylglycinium Chemical compound C[N+](C)(C)CC(O)=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- OVBPIULPVIDEAO-UHFFFAOYSA-N N-Pteroyl-L-glutaminsaeure Natural products C=1N=C2NC(N)=NC(=O)C2=NC=1CNC1=CC=C(C(=O)NC(CCC(O)=O)C(O)=O)C=C1 OVBPIULPVIDEAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001509483 Oxobacter pfennigii Species 0.000 description 1
- PLXBWHJQWKZRKG-UHFFFAOYSA-N Resazurin Chemical compound C1=CC(=O)C=C2OC3=CC(O)=CC=C3[N+]([O-])=C21 PLXBWHJQWKZRKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 1
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 1
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 1
- 241000204376 Sporomusa ovata Species 0.000 description 1
- 241000543642 Sporomusa silvacetica Species 0.000 description 1
- 241000217849 Sporomusa sphaeroides Species 0.000 description 1
- 241000186339 Thermoanaerobacter Species 0.000 description 1
- JZRWCGZRTZMZEH-UHFFFAOYSA-N Thiamine Natural products CC1=C(CCO)SC=[N+]1CC1=CN=C(C)N=C1N JZRWCGZRTZMZEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000016383 Zea mays subsp huehuetenangensis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- 230000000789 acetogenic effect Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229960004050 aminobenzoic acid Drugs 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 1
- 239000011260 aqueous acid Substances 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N arabinose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N arabinose Natural products OCC(O)C(O)C(O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N arginine Natural products OC(=O)C(N)CCCNC(N)=N ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N beta-D-Pyranose-Lyxose Natural products OC1COC(O)C(O)C1O SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960003237 betaine Drugs 0.000 description 1
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 1
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 1
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 1
- 238000012258 culturing Methods 0.000 description 1
- 229960002104 cyanocobalamin Drugs 0.000 description 1
- 235000000639 cyanocobalamin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011666 cyanocobalamin Substances 0.000 description 1
- 238000005261 decarburization Methods 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 108010049285 dephospho-CoA kinase Proteins 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229960000304 folic acid Drugs 0.000 description 1
- 235000019152 folic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000011724 folic acid Substances 0.000 description 1
- 238000004508 fractional distillation Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 229940050410 gluconate Drugs 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- HNDVDQJCIGZPNO-UHFFFAOYSA-N histidine Natural products OC(=O)C(N)CC1=CN=CN1 HNDVDQJCIGZPNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical group 0.000 description 1
- 210000001822 immobilized cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- PZOUSPYUWWUPPK-UHFFFAOYSA-N indole Natural products CC1=CC=CC2=C1C=CN2 PZOUSPYUWWUPPK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RKJUIXBNRJVNHR-UHFFFAOYSA-N indolenine Natural products C1=CC=C2CC=NC2=C1 RKJUIXBNRJVNHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 description 1
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 1
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 1
- 235000009973 maize Nutrition 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 1
- 239000010813 municipal solid waste Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229960003512 nicotinic acid Drugs 0.000 description 1
- 235000001968 nicotinic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940055726 pantothenic acid Drugs 0.000 description 1
- 235000019161 pantothenic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000011713 pantothenic acid Substances 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 1
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- ZUFQODAHGAHPFQ-UHFFFAOYSA-N pyridoxine hydrochloride Chemical compound Cl.CC1=NC=C(CO)C(CO)=C1O ZUFQODAHGAHPFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960004172 pyridoxine hydrochloride Drugs 0.000 description 1
- 235000019171 pyridoxine hydrochloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000011764 pyridoxine hydrochloride Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 102220311831 rs145516397 Human genes 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 235000019157 thiamine Nutrition 0.000 description 1
- 229960003495 thiamine Drugs 0.000 description 1
- 239000011721 thiamine Substances 0.000 description 1
- KYMBYSLLVAOCFI-UHFFFAOYSA-N thiamine Chemical compound CC1=C(CCO)SCN1CC1=CN=C(C)N=C1N KYMBYSLLVAOCFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960000344 thiamine hydrochloride Drugs 0.000 description 1
- 235000019190 thiamine hydrochloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000011747 thiamine hydrochloride Substances 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000012073 universal newborn hearing screening Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000003021 water soluble solvent Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/18—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic polyhydric
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/065—Ethanol, i.e. non-beverage with microorganisms other than yeasts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
- C12P7/54—Acetic acid
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Zoology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microbiology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
В изобретении предложены процессы и способы утилизации диоксида углерода (CO) при ферментации газообразного субстрата, содержащего водород (H) и CO. В частности, настоящее изобретение позволяет проводить преобразование по меньшей мере части COиз газообразного субстрата в один или более продуктов, таких как этанол, ацетат и/или 2,3-бутандиол.
Description
Настоящее изобретение относится к области микробиологической ферментации газов, в частности, к новому способу утилизации диоксида углерода при анаэробной ферментации газообразных субстратов.
Уровень техники
Во всем мире этанол стремительно становится основным жидким топливом для транспортных средств, богатым водородом. Согласно оценкам, в одних только США потребление этанола в 2013 году составило 13,18 миллиардов галлонов. Также, согласно прогнозам, в будущем мировой рынок промышленности топливного этанола резко возрастет вследствие увеличения интереса к этанолу в Европе, Японии, США и в нескольких развивающихся странах.
Например, в США этанол используют для получения E10, 10% смеси этанола в бензине. В смесях E10 компонент этанол выступает в качестве окисляющего средства, которое улучшает эффективность сгорания и уменьшает образование загрязнителей воздуха. В Бразилии этанол удовлетворяет приблизительно 30% потребности в топливе для транспортных средств как в качестве окисляющего средства, которое смешивают с бензином, так и в качестве чистого топлива самого по себе. Существующая в Европе обеспокоенность, обусловленная состоянием окружающей среды, причиной которой стали последствия выбросов парникового газа, также стала стимулом для введения в государствах-членах Европейского Союза (ЕС) обязательных программ, направленных на потребление экологически безопасных видов топлива для транспортных средств, таких как этанол, полученный из биомассы.
Подавляющее большинство топливного этанола получают посредством традиционных способов ферментации на основе дрожжей, в которых в качестве основного источника углерода используются углеводороды, полученные из сельскохозяйственных культур, такие как сахароза, экстрагированная из сахарного тростника, или крахмал, экстрагированный из зерновых культур. Однако на стоимость данного углеводного сырья влияет его ценность в качестве пищи для человека или корма для животных, тогда как культивирование сельскохозяйственных культур, источников крахмала или сахарозы, для получения этанола является экономически нецелесообразным во всех регионах. Вследствие этого интерес представляет разработка технологий для преобразования менее дорогостоящих и/или более многочисленных углеродных ресурсов в топливный этанол.
Для преобразования газов, состоящих преимущественно из CO и/или CO2 и H2, во множество видов топлива и химических соединений можно использовать каталитические способы. Для преобразования данных газов в различные виды топлива и химические соединения также можно использовать микроорганизмы. Хотя данные биологические способы, как правило, являются более медленными, чем химические реакции, такие способы обладают несколькими преимуществами по сравнению с каталитическими способами, включая более высокую специфичность, более высокие выходы, меньшую энергозатратность и большую устойчивость к отравлению.
Способность микроорганизмов расти на CO в качестве единственного источника углерода была впервые обнаружена в 1903 году. Позже было установлено, что данное свойство присуще организмам, которые используют биохимический путь ацетил-кофермента А (ацетил-КоА) для автотрофного роста (также известен как путь Вуда-Льюнгдаля и путь дегидрогеназы монооксида углерода / ацетил-КоА синтазы (carbon monoxide dehydrogenase / acetyl CoA synthase, CODH/ACS)). Было показано, что большое количество анаэробных организмов, включая карбоксидотрофные, фотосинтезирующие, метанообразующие и ацетогенные организмы, метаболизируют CO до различных конечных продуктов, а именно CO2, H2, метана, н-бутанола, ацетата и этанола. При использовании CO в качестве единственного источника углерода все такие организмы образуют по меньшей мере два из данных конечных продуктов.
Было продемонстрировано, что анаэробные бактерии, такие как бактерии рода Clostridium, образуют этанол из CO, CO2 и H2 посредством биохимического пути ацетил-КоА. Например, различные штаммы Clostridium ljungdahlii, которые образуют этанол из газов, описаны в публикациях WO 1998/00558, WO 2000/068407, WO 2002/008438, патенте США 5173429, патенте США 5593886 и патенте США 6368819. Также известно, что бактерия вида Clostridium autoethanogenum образует этанол из газов (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994).
В исследованиях ферментации газа было продемонстрировано, что CO является доминирующим источником углерода, который утилизируется карбоксидотрофными микроорганизмами для образования этанола, в то время как CO2 преимущественно не утилизируется микроорганизмами. Соответственно, существует острая потребность в улучшенных способах ферментации газа, позволяющих преобразовать хотя бы часть CO2 в газообразный субстрат для получения полезных продуктов, таких как спирты и/или кислоты.
Краткое описание изобретения
В настоящем изобретении предложен способ улучшения улавливания углерода при ферментации газа посредством обеспечения газообразного субстрата, содержащего H2 и CO2, в бактериальную культу- 1 033669 ру, которая преобразует по меньшей мере часть CO2 из газообразного субстрата в один или более продуктов. В настоящем изобретении также предложен способ получения одного или более продуктов с помощью ферментации газа посредством обеспечения газообразного субстрата, содержащего H2 и CO2, в бактериальную культуру, которая преобразует по меньшей мере часть CO2 из газообразного субстрата в один или более продуктов. В идеальном случае количество CO2, потребленного культурой, превышает количество CO2, образованного культурой, или равно указанному количеству.
Газообразный субстрат, помимо H2 и CO2, может содержать CO. Соотношение газов-компонентов (например, H2:CO2 или B2:CO2:CO) в газообразном субстрате может варьировать. Кроме того, соотношение поглощения или специфичного поглощения газов-компонентов (например, H2:CO2) в газообразном субстрате может варьировать. Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения специфичное поглощение культурой H2 превышает специфичное поглощение культурой CO.
Продукты ферментации могут включать, например, спирты и/или кислоты. Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения продукты включают одно или более соединений, которые выбраны из этанола, ацетата и 2,3-бутандиола.
Бактерия может представлять собой любую бактерию, способную к ферментации газообразного субстрата, содержащего H2, CO2 и/или CO. Бактерия может представлять собой карбоксидотрофную бактерию, такую как бактерия, полученная из одного или более из следующих родов: Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium или Butyribacterium. Более конкретно, бактерии могут включать виды Clostridium autoethanogenum или Clostridium ljungdahlii, такой как вид Clostridium autoethanogenum, депонированный в DSMZ (Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур) под регистрационным номером DSM23693, или бактерии, полученные из данных видов.
Процесс или способ может дополнительно включать извлечение одного или более продуктов.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой график, на котором представлены изменения поглощения CO, CO2 и H2 культурой, которая содержится в первом реакторе, в ответ на изменения состава подаваемого газа.
Фиг. 2 представляет собой график, на котором представлены изменения поглощения CO, CO2 и H2 культурой, которая содержится во втором реакторе, в ответ на изменения состава подаваемого газа.
Фиг. 3 представляет собой график, на котором представлены изменения поглощения CO, CO2 и H2 культурой, которая содержится в третьем реакторе, в ответ на изменения состава подаваемого газа.
Фиг. 4 представляет собой график, на котором представлены изменения поглощения CO, CO2 и H2 культурой, которая содержится в третьем реакторе, в ответ на изменения состава подаваемого газа.
Фиг. 5 представляет собой график, на котором представлено чистое потребление культурой CO2.
Фиг. 6 представляет собой график, на котором представлены продукты метаболизма ферментационной культуры.
Фиг. 7 представляет собой график, на котором представлены эффекты соотношения вступивших в реакцию H2/CO на образование продукта.
Подробное описание изобретения
В настоящем изобретении предложен способ улучшения улавливания углерода при ферментации газа посредством обеспечения газообразного субстрата, содержащего H2 и CO2, в бактериальную культуру, которая преобразует по меньшей мере часть CO2 из газообразного субстрата в один или более продуктов. В настоящем изобретении также предложен способ получения одного или более продуктов с помощью ферментации газа посредством обеспечения газообразного субстрата, содержащего H2 и CO2, в бактериальную культуру, которая преобразует по меньшей мере часть CO2 из газообразного субстрата в один или более продуктов.
Было продемонстрировано, что анаэробные бактерии образуют этанол и ацетат из H2 и CO посредством биохимического пути ацетил-КоА, который может включать множество различных реакций в зависимости от условий реакции и концентраций субстратов и продуктов. Например, ацетат может быть получен в результате поглощения H2 и CO в соотношении 1:1: 2CO+2H2—CH3COOH. Этанол и CO2 могут быть получены в результате поглощения H2 и CO в соотношении 1:1: 3CO+3Н2—CH3CH2OH+CO2.
Этанол может быть получен в результате поглощения H2 и CO в соотношении 2:1: 2CO+4H2—CH3CH2OH+H2O. Ацетат может быть получен в результате потребления CO при отсутствии Н2: 4CO+2H2O—CH3COOH+2CO2. Этанол может быть получен в результате потребления CO при отсутствии Н2: 6CO+3Н2О—CH3CH2OH+4CO2.
Кроме того, анаэробные бактерии могут утилизировать CO2 для образования продуктов. Например, ацетат может быть образован в результате поглощения H2 и CO2 в соотношении 2:1: 2CO2+4H2 —CH3COOH+2H2O. Этанол может быть образован в результате поглощения H2 и CO2 в соотношении 3:1: 2CO2+6H2--CH3CH2OH+3H2O.
Реакции, в ходе которых образуется CO2, такие как реакции, включающие специфичное поглощение CO и H2, и реакции потребления CO2 можно объединить, чтобы свести к нулю чистый поток CO2:
- 2 033669
6СО + 3H2O -> СН3СН2ОН + 4СО2 + 4СО2 + 12Н2 -> 2СНзСН2ОН + 6СО2
| 6СО + 12Н2 = 2СО + 4Н2 | А А | ЗСН3СН2ОН + ЗН2О СН3СН2ОН + Н2О |
| 6СО + 6Н2 | А | 2СН3СН2ОН + 2СО2 |
| + 2СО2+6Н2 | А | СН3СН2ОН + ЗН2О |
| 6СО + 12Н2 | А | ЗСН3СН2ОН + ЗН2О |
| = 2СО + 4Н2 | А | СН3СН2ОН + Н2О |
| 4СО + 2Н2О | А | СНзСООН + 2СО2 |
| + 2СО2 + 4Н2 | А | СНзСООН + 2Н2О |
| 4СО + 4Н2 | А | 2CH3COOH |
| = 2СО + 2Н2 | А | СНзСООН |
В идеальном случае количество CO2, потребленного культурой, превышает количество CO2, образованного культурой, или равно указанному количеству. Другими словами, ферментация может привести к улавливанию чистого углерода.
Газообразный субстрат (газ или подаваемый газ, или ферментационный газ, или субстрат) может представлять собой любой газ, содержащий соединение или элемент, который используется микроорганизмом в качестве источника углерода и/или энергии при ферментации. Газообразный субстрат, как правило, содержит значительную долю Н2, CO2 и/или CO и может, кроме того, содержать N2 или другие газы. Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения газообразный субстрат содержит Н2 и CO2, но не содержит CO. Согласно другому предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения газообразный субстрат содержит Н2, CO2 и CO. При анаэробной ферментации газообразный субстрат, как правило, не содержит или по существу не содержит О2.
Состав газообразного субстрата может варьировать. В частности, соотношения Н2, CO2 и/или CO в газообразном субстрате могут варьировать. Например, соотношение IHCO в газообразном субстрате может составлять по меньшей мере 0,1:1, по меньшей мере 0,5:1, по меньшей мере 1:1, по меньшей мере 1,5:1, по меньшей мере 2:1, по меньшей мере 3:1, по меньшей мере 5:1 или по меньшей мере 10:1. Газообразный субстрат может содержать, например, 5-40% CO2, 10-25% CO2, 20-50% CO2 или 30-60% CO2. Газообразный субстрат может содержать CO и CO2, например, в соотношении 1:1. Количество CO2 в газообразном субстрате может в 1,5-4 раза превышать количество CO в газообразном субстрате.
Газообразный субстрат может содержать избыток Н2, либо состав газообразного субстрата может быть откорректирован так, чтобы последний содержал избыток Н2. Например, газообразный субстрат может содержать приблизительно 30 - 90% Н2 или приблизительно 60-90% Н2. Газообразный субстрат может содержать по существу больший объем Н2, чем CO2 и CO. Например, соотношение ^COyCO в газообразном субстрате может составлять по меньшей мере 2:1:1 или по меньшей мере 3:1:1, или по меньшей мере 5:1:1. Количество Н2 в газообразном субстрате может в 1,5 - 5 раз превышать количество CO в газообразном субстрате. Поток газа или источник газа может содержать добавки Н2 (или CO2, или CO) для получения газообразного субстрата желаемого состава.
Газообразный субстрат может быть получен в результате промышленного способа. В частности, газообразный субстрат может представлять собой побочный газ, полученный в результате осуществления промышленного способа, такого как производство черных металлов (например, производство стали), производство цветных металлов, переработка нефти, газификация угля, производство электроэнергии, производство чистого углерода, производство аммиака, производство метанола или производство кокса. Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения газообразный субстрат получают из газа, образованного в процессе производства стали.
Газообразный субстрат может быть получен в результате газификации органического вещества, такого как метан, этан, пропан, уголь, природный газ, сырая нефть, малоценные продукты нефтепереработки (включая нефтяной кокс или петкокс), твердые бытовые отходы или биомасса. Биомасса включает субпродукты, полученные в ходе экстракции и процессинга продуктов питания, таких как сахар из са
- 3 033669 харного тростника или крахмал из маиса или зерновых культур, или непищевые отходы биомассы, образующиеся в лесной промышленности. Любое из данных углеродистых веществ можно газифицировать, т.е. частично сжечь с кислородом для получения синтетического газа (сингаза). Сингаз, как правило, содержит, главным образом, CO, H2 и/или CO2 и может дополнительно содержать некоторые количества метана, этилена, этана или других газов. Условия работы газогенератора можно откорректировать для получения потока субстрата желаемого состава для ферментации или смешивания с одним или несколькими другими потоками для обеспечения оптимизированного или желаемого состава с целью увеличения производительности спирта и/или общего улавливания углерода в процессе ферментации.
Газообразный субстрат может быть получен в системе адсорбции при переменном давлении (АПД). Например, остаточный газ из АПД может содержать ~10-12% H2, который поступает в АПД из установки для парового риформинга метана, помимо CO и CO2 из реакторов конверсии водяного газа в установке для парового риформинга метана. CO в газе, покидающем первичную установку для риформинга метана (в соотношении приблизительно 3 H2/CO), может вступить в реакцию с водой с образованием H2 и CO2 с использованием реакторов конверсии водяного газа (высокотемпературных и низкотемпературных). Условия реакции могут быть адаптированы для контроля количества CO, присутствующего в остаточном газе АПД, относительно количества CO2, присутствующего в остаточном газе АПД. Также может быть желательно позволить некоторому количеству H2 остаться в остаточном газе АПД или добавить H2 обратно к остаточному газу АПД для достижения желаемого соотношения ^/CO/CO^ Например, соотношение H2:CO может составлять приблизительно 2:1 и/или соотношение H2:CO2 может составлять приблизительно 3:1. Как правило, АПД будет способствовать получению продукта H2 очень высокой чистоты. На извлечение H2 влияет, главным образом, соотношение давления подаваемого газа к давлению остаточного газа. Пропускание остаточного газа при минимальном давлении позволяет достичь максимального извлечения H2. Поскольку остаточный газ обычно направляют к коллектору топливного газа (для использования где-либо на нефтеперерабатывающем заводе), данный газ может находиться под давлением ~15 фунт/дюйм2. Если остаточный газ сжигают в специальных горелках в первичной установке для риформинга, данный газ может находиться под давлением до 5 фунт/дюйм2. Если остаточный газ АПД используют в качестве источника подаваемого газа для ферментера, давление остаточного газа можно откорректировать до 30 - 45 фунт/дюйм2 во избежание необходимости компрессии газа.
Газообразный субстрат можно целиком или частично направить на ферментацию посредством любых подходящих трубопроводов. Например, трубы или другие средства для переноса можно присоединить к выводной трубе побочного газа на сталелитейном заводе, чтобы направить по меньшей мере часть побочного газа в систему ферментации. Можно использовать один или более вентиляторов, чтобы направить по меньшей мере часть побочного газа в систему ферментации. Хотя сталелитейные заводы могут быть приспособлены для по существу непрерывного производства стали (и, соответственно, побочных газов), определенные аспекты способа могут являться прерывающимися. Как правило, обезуглероживание стали представляет собой периодический процесс, который длится от нескольких минут до нескольких часов. Трубопроводы могут быть приспособлены для направления по меньшей мере части побочного газа в систему ферментации, если было определено, что побочный газ характеризуется желаемым составов.
Может быть желательно отфильтровать, промыть или каким-либо другим способом предварительно обработать газообразный субстрат перед его использованием в ферментации для удаления химических или физических примесей или загрязняющих веществ. Например, исходные газы можно пропустить через воду или отфильтровать каким-либо способом для удаления твердых частиц, длинноцепочечных углеводородов или смол. Однако такая фильтрация или предварительная обработка требуется не всегда. Иногда возможно ввести нефильтрованный необработанный газообразный субстрат непосредственно в ферментационную культуру.
Состав газообразного субстрата можно изменить для улучшения эффективности ферментации, получения продукта и/или общего улавливания углерода. В частности, газообразный субстрат можно изменить так, чтобы данный субстрат содержал большее или меньшее количество H2, CO2 и/или CO, посредством объединения или смешивания потоков из двух или нескольких источников. Например, поток, содержащий высокую концентрацию CO2, такой как выпускная труба преобразователя сталелитейного завода, можно объединить или смешать с потоком, содержащим высокие концентрации H2 и CO, таким как топочный отработанный газ из коксовой печи сталелитейного завода. В качестве альтернативы или дополнительно, прерывающийся поток, содержащий CO2, такой как выходящий поток преобразователя сталелитейного завода, можно объединить или смешать с по существу непрерывным потоком, содержащим CO, CO2 и H2, таким как сингаз, образованный в процессе газификации. Например, поток, образуемый газогенератором, можно увеличить и/или уменьшить в соответствии с прерывающимся образованием CO2 из промышленного источника с целью поддержания по существу непрерывного потока субстрата с желаемым или оптимизированным составом.
Потоки субстрата, как правило, будут газообразными, но могут также являться жидкими или твердыми. Например, CO2 можно обеспечивать в реактор в виде жидкости или в виде жидкости, насыщенной CO2. В качестве примера, можно использовать микропузырьковый дисперсионный генератор (microbub- 4 033669 ble dispersion generator), например, описанный в публикации Hensirisak, Appl Biochem Biotechnol, 101:
211-227, 2002.
Ферментация газа представляет собой метаболический процесс, посредством которого газообразный субстрат используют в качестве источника углерода и/или энергии для получения этанола или других продуктов или химических соединений. В настоящей заявке термин ферментация охватывает как фазу роста, так и фазу биосинтеза продукта согласно способу. Ферментация газа осуществляется микроорганизмом, как правило, бактерией.
Бактерии могут представлять собой любые бактерии, способные к ферментации газообразного субстрата, содержащего H2, CO2 и/или CO. Бактерии могут являться карбоксидотрофными, такими как бактерии, полученные из родов Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium или Butyribacterium. В частности, бактерии могут представлять собой виды Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum, Butyribacterium methylotrphoicum, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi, Blautia producta, Eubacterium limosum, Moorella thermoacetica, Sporomusa ovata, Sporomusa silvacetica, Sporomusa sphaeroides, Oxobacter pfennigii и Thermoanaerobacter kiuvi. Бактерии могут также представлять собой штамм, полученный из любого из вышеупомянутых родов или видов.
Бактерии могут быть получены из кластера карбоксидотрофных бактерий Clostridia, включающего виды С. autoethanogenum, С. ljungdahlii, С. ragsdalei и родственные изоляты. Таковые включают, но не ограничены указанными, штаммы JAI-1T С. autoethanogenum (DSM10061) (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560 С. autoethanogenum (DSM19630) (WO 2009/064200), LBS1561 C. autoethanogenum (DSM23693), PETCT C. ljungdahlii (DSM13528 = ATCC 55383) (Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232236, 1993), ERI-2 С. ljungdahlii (АТСС 55380) (патент США 5,593,886), С-01 С. ljungdahlii (АТСС 55988) (патент США 6,368,819), 0-52 С. ljungdahlii (АТСС 55989) (патент США 6,368,819), P11T С. ragsdalei (АТСС ВАА-622) (WO 2008/028055), родственные изоляты, такие как С. Coskatii (публикация США 2011/0229947) и Clostridium sp. (Berzin, Appl Biochem Biotechnol, 167: 338-347, 2012), или мутантные штаммы, такие как ОТА-1 С. ljungdahlii (Tirado-Acevedo, Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Данные штаммы из подкластера кластера I рРНК Clostridia и их гены 16S рРНК более чем на 99% идентичны и характеризуются аналогичным низким содержанием GC, которое составляет приблизительно 30%. Однако эксперименты по реассоциации ДНК-ДНК и фингерпринту ДНК продемонстрировали, что данные штаммы принадлежат к различным видам (WO 2008/028055).
Все виды вышеупомянутого кластера характеризуются аналогичной морфологией и размером (размер клеток в фазе логарифмического роста составляет 0,5-0,7х3-5 мкм), являются мезофильными (оптимальная температура для роста 30-37°С) и исключительно анаэробными (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345351, 1994; Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993; и WO 2008/028055). Более того, все данные виды обладают одинаковыми основными филогенетическими характеристиками, такими как одинаковый диапазон рН (рН 4 - 7,5 с оптимальным исходным значением рН 5,5 - 6), устойчивый аутотрофный рост на CO-содержащих газах с аналогичными скоростями роста и аналогичный метаболический профиль с образованием этанола и уксусной кислоты в качестве основных конечных продуктов ферментации и образованием небольших количеств 2,3-бутандиола и молочной кислоты в определенных условиях (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994; Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011; Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993; и WO 2008/028055). У всех трех видов также наблюдалось образование индола. Однако данные виды отличаются утилизацией субстратов, представляющих собой различные сахара (например, рамнозу, арабинозу), кислоты (например, глюконат, цитрат), аминокислоты (например, аргинин, гистидин), или других субстратов (например, бетаина, бутанола). Более того, было установлено, что некоторые виды являются ауксотрофными в отношении некоторых витаминов (например, тиамина, биотина), тогда как другие виды таковыми не являются. Было установлено, что организация и количество генов пути Вуда-Льюнгдаля, отвечающего за поглощение газа, является одинаковой у всех видов, за исключением различий в последовательности нуклеиновых кислот и аминокислот (Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011). Также в ряде данных микроорганизмов было показано восстановление карбоновых кислот до соответствующих спиртов (Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012). Вследствие этого данные характеристики не являются свойственными одному организму, наподобие С. autoethanogenum или С. ljungdahlii, но скорее являются общими характеристиками карбоксидотрофных этанолсинтезирующих бактерий Clostridia; можно предположить, что данные механизмы функционируют у данных штаммов аналогичным образом, хотя в работе таких механизмов могут наблюдаться различия (Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012).
Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения бактерия представляет собой Clostridium autoethanogenum или Clostridium ljungdahlii. Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения бактерия представляет собой вид Clostridium autoethanogenum, который обладает отличительными характеристиками штаммов, депонированных в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур (DSMZ) под регистрационным номером DSM10061 или
- 5 033669
DSM23693. Согласно следующему предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения бактерия представляет собой вид Clostridium autoethanogenum, который депонирован в DSMZ под регистрационным номером DSM10061 или DSM23693, или бактерию, полученную из вида Clostridium autoethanogenum, который депонирован в DSMZ под регистрационным номером DSM10061 или
DSM23693.
Поглощение (потребление) и специфичное поглощения (специфичное потребление) газообразного субстрата бактериальной культурой может варьировать. Поглощение, как правило, характеризуют единицей компонента газа (например, ммоль H2, CO2 или CO), потребленной единицей ферментативного бульона (например, литром ферментативного бульона) за единицу времени (например, день), например, ммоль/л/день. Культура может поглощать, например, по меньшей мере 1000 ммоль/л/день H2, по меньшей мере 2000 ммоль/л/день H2, по меньшей мере 4000 ммоль/л/день H2 или по меньшей мере 6000 ммоль/л/день H2. Кроме того, культура может поглощать, например, по меньшей мере 500 ммоль/л/день CO2, по меньшей мере 1000 ммоль/л/день CO2, по меньшей мере 2000 ммоль/л/день CO2 или по меньшей мере 3000 ммоль/л/день CO2. Специфичное поглощение, как правило, характеризуют единицей компонента газа (например, ммоль H2, CO2 или CO), потребленной единицей микроорганизма (например, граммом бактериальных клеток) за единицу времени (например, минуту), например, ммоль/г/мин. Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения специфичное поглощение культурой H2 превышает специфичное поглощение культурой CO. Например, соотношение специфичного поглощения H2:CO культурой может составлять по меньшей мере 1,1:1, по меньшей мере 1,4:1, по меньшей мере 1,6:1, по меньшей мере 2:1, по меньшей мере 3:1, по меньшей мере 5:1 или по меньшей мере 10:1.
Поглощение H2 и/или CO2 может быть нарушено, если концентрация этанола и/или ацетата в ферментативном бульоне является высокой или по меньшей мере превышает определенный порог. Например, поглощение H2 может быть нарушено, если концентрация ацетата превышает приблизительно 10 г/л или приблизительно 20 г/л. Для уменьшения степени нарушения поглощения H2 продукты, образованные бактериальной культурой, можно непрерывно удалять из реактора или ферментативного бульона. Для достижения эффективного потребления H2 культурой может быть необходима достаточно высокая плотность клеток. Поглощение CO2 может быть заингибировано нездоровой биомассой, переизбытком газа, высокой концентрацией этанола и/или присутствием загрязняющих веществ.
Бактериальную культуру можно выращивать в любой жидкой питательной среде, которая обеспечивает культуру достаточными ресурсами. Жидкая питательная среда может содержать, например, витамины, минералы и воду. Примеры подходящей жидкой питательной среды известны в данной области техники, включая анаэробную среду, подходящую для ферментации этанола или других продуктов (см., например, патент США 5,173,429, патент США 5,593,886 и публикацию WO 2002/08438).
Бактериальная культура может содержаться в реакторе (биореакторе). Реактор может представлять собой любое устройство для ферментации, состоящее из одного или более сосудов и/или колонн или трубопроводов для роста бактериальной культуры. Реактор может представлять собой, например, реактор с иммобилизованными клетками, газлифтный реактор, барботажный колоночный реактор (bubble column reactor, BCR), реактор с циркуляционной петлей, мембранный реактор, такой как мембранный биореактор с системой полых волокон (hollow fibre membrane bioreactor, HFM BR), реактор непрерывного действия с механическим перемешиванием (continuous flow stirred-tank reactor, CSTR) или реактор с орошаемым слоем (trickle bed reactor, TBR). Реактор предпочтительно приспособлен для получения газообразного субстрата, содержащего H2, CO2 и/или CO. Реактор может содержать несколько реакторов (стадий), расположенных параллельно или последовательно. Например, реактор может содержать первый реактор роста, в котором культивируются бактерии, и второй реактор ферментации, в который может подаваться ферментативный бульон из реактора роста и в котором может быть образовано большинство продуктов ферментации.
Варианты реализации настоящего изобретения описаны в качестве примера. Однако конкретные этапы или стадии, необходимые в одном варианте реализации, могут не являться необходимыми в другом. И наоборот, этапы или стадии, включенные в описание конкретного варианта реализации, могут необязательно преимущественно использоваться в вариантах реализации, в которых такие этапы и стадии конкретно не упоминаются.
Несмотря на то, что настоящее изобретение в общих чертах описано со ссылкой на любой тип потока, который может перемещаться по системе или поблизости от системы ферментации посредством любого известного способа переноса, согласно определенным вариантам реализации настоящего изобретения поток субстрата и/или выходящих веществ является газообразным. Конкретные стадии можно объединить посредством подходящих трубопроводов или настроить для получения или пропускания потоков через систему. Для облегчения доставки потоков на конкретные стадии можно применять насос или компрессор. Более того, компрессор можно использовать для увеличения давления газа, который подается на одну или более стадий.
Кроме того, системы или способы согласно настоящему изобретению могут необязательно включать способы регулирования и/или контроля других параметров для улучшения общей эффективности
- 6 033669 способа. Для регулирования и/или контроля конкретных параметров способа в систему можно ввести один или более процессоров. Например, система может включать способы определения для мониторинга состава потоков субстрата и/или выходящих веществ. Кроме того, конкретные варианты реализации настоящего изобретения могут включать средства контроля доставки потоков субстрата на конкретные стадии или элементы в пределах конкретной системы, если с помощью средств для определения было установлено, что данный поток содержит состав, подходящий для конкретной стадии. Например, в случаях, когда поток газообразного субстрата содержит низкие уровни CO2 или высокие уровни H2, или высокие уровни O2, которые могут пагубно сказаться на реакции ферментации, поток субстрата может быть отклонен от биореактора. Система может также содержать средства для мониторинга и контроля места назначения потока субстрата и/или скорости потока, так что поток с желаемым или подходящим составом может быть доставлен на конкретную стадию.
Более того, может быть необходимо нагреть или охладить конкретные компоненты системы или потоки субстрата перед или в течение одной или более стадий в способе. В таких случаях можно использовать известные способы для нагревания или охлаждения. Например, для нагревания или охлаждения потоков субстрата можно применять теплообменники.
Условия реакции можно контролировать и корректировать для оптимизации скорости роста бактерий и/или образования продукта в реакторе. Ферментацию желательно проводить в соответствующих условиях для осуществления необходимой ферментации (например, CO2 в спирт). Такие условия реакции включают давление, температуру, скорость потока газа, скорость потока жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (при использовании реактора непрерывного действия с механическим перемешиванием), содержание инокулюма, концентрации субстрата (для обеспечения того, что H2, CO2 и/или CO в жидкой фазе не становятся лимитирующими) и концентрации продукта (во избежание ингибирования продуктом).
Общие способы культивирования анаэробных бактерий хорошо известны в данной области техники. Примеры методик приведены в следующих публикациях: (i) Klasson, Resour Conserv Recycl, 5: 145165, 1991; (ii) Klasson, Fuel, 70: 605-614, 1991; (iii) Klasson, Enzyme Microbial Technol, 14: 602-608, 1992; (iv) Vega, Biotech Bioeng, 34: 785-793, 1989; (vi) Vega, Biotech Bioeng, 34: 774-784, 1989; (vii) Vega, Resour Conserv Recycl, 3: 149-160, 1990. Более того, способы получения этанола и других спиртов из газообразных субстратов хорошо известны в данной области техники. Примеры способов включают таковые, описанные, например, в публикациях WO 2007/117157, WO 2008/115080, патенте США 6,340,581, патенте США 6,136,577, патенте США 5,593,886, патенте США 5,807,722 и патенте США 5,821,111.
рН содержимого реактора можно откорректировать до требуемого значения. Соответствующее значение рН зависит от условий, необходимых для конкретной реакции ферментации, с учетом применяемых жидкой питательной среды и бактерий. Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, включающему ферментацию газообразного субстрата, содержащего H2, CO2 и CO, под действием Clostridium autoethanogenum, рН можно откорректировать до значения от приблизительно 4,5 до 6,5, более предпочтительно от приблизительно 5 до 5,5. Следующие примеры включают рН от 5,5 до 6,5 с применением Moorella thermoacetica для образования уксусной кислоты, рН от 4,5 до 6,5 с применением Clostridium acetobutylicum для образования бутанола и рН 7 с применением Carboxydothermus hygrogenaformans для образования водорода. Способы корректирования и поддержания рН реактора хорошо известны в данной области техники. Такие способы могут включать применение водных оснований, таких как NaOH или NH4OH, и водных кислот, таких как H2SO4.
Предпочтительно, реактор спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать достаточный массоперенос, позволяющий бактериям получить доступ к газообразному субстрату, в частности, к H2 в газообразном субстрате. Длительные времена пребывания газа приводят к высокому поглощению бактериями. Согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения реактор представляет собой реактор с циркуляционной петлей, содержащий вертикальный сегмент и выпускной сегмент, через которые циркулируют газообразный субстрат и жидкая питательная среда. Реактор может дополнительно содержать широкий диапазон подходящих контактных модулей газ/жидкость, которые могут обеспечить эффективный массоперенос. Контактный модуль может обеспечивать уникальное геометрическое окружение, которое позволяет газу и жидкости смешиваться надлежащим образом вдоль пути течения потока, в результате чего поступивший газ растворяется в жидкости более равномерно. В качестве примера, данные контактные модули могут включать, но не ограничены указанными, матрицу структурированной гофрированной металлической укладки, неупорядоченную укладку, ситчатые пластинки и статические смесители.
Скорость массопереноса газообразного субстрата к бактериальной культуре можно контролировать таким образом, чтобы бактериальная культура снабжалась газообразным субстратом при оптимальной скорости подачи или при скорости, приближенной к оптимальной скорости подачи. Скорость массопереноса можно контролировать посредством контроля парциального давления газообразного субстрата и/или посредством контроля скорости потока жидкости или задержки подачи газа. Скорость поступления газообразного субстрата можно контролировать для обеспечения того, что концентрация H2, CO2 и/или CO в жидкой фазе не становится лимитирующей. Согласно конкретным вариантам реализации настоя- 7 033669 щего изобретения массоперенос контролируют посредством контроля парциального давления газообразного субстрата, поступающего в реактор.
Может быть предпочтительно проводить ферментацию при увеличенном давлении, т.е. под давлением, превышающим атмосферное давление. Функционирование под увеличенным давлением позволяет значительно увеличить скорость переноса H2, CO2 и/или CO из газовой фазы в жидкую фазу, где данные газы могут быть поглощены бактериями в качестве источника углерода для образования продуктов, таких как этанол. Время удержания (объем жидкости в биореакторе, разделенный на скорость потока входящего газа) можно уменьшить, если реактор поддерживают при повышенном давлением вместо атмосферного давления. Также, поскольку скорость данной конверсии CO/CO2/42 в этанол является отчасти функцией времени удержания субстрата, а достижение желаемого времени удержания, в свою очередь, определяет требуемый объем биореактора, использование вытеснительных систем (систем с увеличенным давлением) может в значительной степени уменьшить требуемый объем биореактора и, следовательно, затраты основного капитала на оборудование для ферментации. В соответствии с примерами, приведенными в патенте США 5,593,886, объем реактора можно уменьшать прямо пропорционально увеличению рабочего давления в реакторе. Например, объем реакторов, которые работают под давлением 10 атмосфер, должен составлять всего лишь десятую часть от объема реакторов, которые работают под давлением 1 атмосфера. Преимущества проведения ферментации газа в этанол при увеличенном давлении также были описаны в других источниках. Например, в публикации WO 2002/08438 описаны варианты ферментации газа в этанол, которые проводили под давлением 30 фунт-сила/дюйм2 и 75 фунтсила/дюйм2 и которые обеспечивали продуктивность этанола 150 г/л/день и 369 г/л/день, соответственно. При этом было обнаружено, что в типичных вариантах ферментации, которые проводили с применением аналогичных составов среды и входящего газа при атмосферном давлении, получали в от 10 до 20 раз меньше этанола на литр в день.
Бактериальная культура может образовывать один или более продуктов. По меньшей мере часть CO2 в газообразном сырье преобразуется в продукты, так что по меньшей мере часть углерода в продуктах получена из углерода CO2 из газообразного субстрата. Например, по меньшей мере 1%, по меньшей мере 5%, по меньшей мере 10%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 75% или по меньшей мере 90% углерода в продуктах может быть получена из углерода CO2 из газообразного субстрата. Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения количество CO2 в газе, покидающем реактор, является меньшим, чем количество CO2 в газе, поступающем в реактор (т.е. меньшим, чем количество CO2 в газообразном субстрате). Например, количество CO2 в газе, покидающем реактор, может являться по меньшей мере на 0,5%, по меньшей мере на 1%, по меньшей мере на 3%, по меньшей мере на 5%, по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 15%, по меньшей мере на 20%, по меньшей мере на 30%, по меньшей мере на 40%, по меньшей мере на 50%, по меньшей мере на 75% или по меньшей мере на 90% меньшим, чем количество CO2 в газе, поступающем в реактор.
Продукты могут включать спирты, кислоты или другие химические соединения. Такие продукты могут также включать газы, образованные в результате процесса ферментации. В частности, культура может образовывать одно или более соединений, которые выбраны из этанола, уксусной кислоты (или ацетата), 2,3-бутандиола, бутанола, изопропанола, лактата, сукцината, метилэтилкетона (MEK), пропандиола, 2-пропанола, ацетоина, изобутанола, цитратмалата, бутадиена, полимолочной кислоты, изобутилена, 3-гидрокси-пропионата (3HP), ацетона и жирных кислот. Авторы настоящего изобретения впервые продемонстрировали высокую производительность получения этанола в результате потребления CO2 при ферментации газа. Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения культура образует одно или более соединений, выбранных из этанола, ацетата и 2,3-бутандиола.
Культура может образовывать этанол и ацетат в различных количествах. Например, культура может образовывать этанол и ацетат в соотношении приблизительно 1:1. Согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения культура образует этанол и ацетат в соотношении по меньшей мере 1,5:1, по меньшей мере 2:1, по меньшей мере 3:1 или по меньшей мере 5:1. Культура может образовывать этанол в концентрации по меньшей мере 10 г/л или по меньшей мере 15 г/л. Культура может образовывать ацетат или уксусную кислоту в концентрации 20 г/л или менее или 10 г/л или менее.
Процесс или способ может включать извлечение одного или более продуктов с применением любых способов, известных в данной области техники. Примеры способов описаны в публикациях WO 2007/117157, WO 2008/115080, патенте США 6340581, патенте США 6136577, патенте США 5821111, патенте США 5807722 и патенте США 5593886.
Этанол может быть извлечен из ферментативного бульона, например, с применением способов, таких как фракционная перегонка или выпаривание или экстрактивная ферментация. Дистилляция этанола из ферментативного бульона позволяет получить азеотропную смесь этанола и воды (например, 95% этанола и 5% воды). Затем безводный этанол можно получить посредством технологии дегидратации этанола с применением молекулярных сит, которая хорошо известна в данной области техники. Экстрактивная ферментация включает применение водорастворимого растворителя, который характеризуется низким риском токсичности в отношении микроорганизма, осуществляющего ферментацию, для извле- 8 033669 чения этанола из разведенного ферментативного бульона. Например, при экстрактивной ферментации в качестве растворителя можно использовать олеиловый спирт. Когда олеиловый спирт непрерывно вводят в ферментер, данный спирт поднимается с образованием слоя на поверхности ферментативного бульона. Затем данный слой можно экстрагировать и направить в центрифугу. После этого воду и клетки легко отделяют от олеилового спирта и возвращают в ферментер, тогда как растворитель, содержащий этанол, подают в блок мгновенного испарения. Большая часть этанола испаряется и конденсируется, тогда как нелетучий олеиловый спирт извлекают для повторного использования в ферментации.
Ацетат также можно извлечь из ферментативного бульона с применением способов, известных в данной области техники. Например, можно использовать систему адсорбции, содержащую фильтр с активированным углем. В данном случае клетки микроорганизмов, как правило, сначала удаляют из ферментативного бульона с применением подходящего способа разделения. В данной области техники известно множество способов получения бесклеточного ферментативного бульона с применением фильтрации для извлечения продукта. Затем бесклеточный фильтрат, содержащий этанол и ацетат, пропускают через колонку, содержащую активированный уголь, для адсорбирования ацетата. Ацетат в форме кислоты (уксусной кислоты) легче адсорбируется активированным углем, чем в форме соли (ацетата). Вследствие этого предпочтительно, чтобы значение рН ферментативного бульона было уменьшено до менее приблизительно 3 перед тем, как бульон пропустят через колонку с активированным углем, для превращения большей части ацетата в форму уксусной кислоты.
Продукты реакции ферментации можно извлечь из ферментативного бульона посредством непрерывного удаления части бульона из биореактора ферментации, отделения клеток микроорганизмов от бульона и одновременного или последовательного извлечения одного или более продуктов из бульона. Выделенные клетки микроорганизмов можно возвращать в реактор ферментации. Бесклеточный фильтрат, остающийся после удаления этанола и ацетата, можно также возвращать в реактор ферментации. Дополнительные питательные вещества, такие как витамины В, можно добавить для обогащения бесклеточного фильтрата перед возвращением последнего в реактор. Если значение рН бульона было откорректировано для увеличения адсорбирования уксусной кислоты активированным углем, возможно, значение рН бесклеточного фильтрата также будет необходимо повторно откорректировать.
Реактор можно объединить с системой рециркуляции клеток, которая обеспечивает средства для отделения бактерий от фильтрата для того, чтобы бактерии могли вернуться в реактор для последующей ферментации. Модуль рециркуляции клеток может непрерывно пропускать фильтрат бульона, при этом удерживая клетки. Система рециркуляции клеток может включать, но не ограничена указанными, мембраны для рециркуляции клеток и тарельчатые центрифужные разделители.
Примеры
Следующие примеры дополнительно иллюстрируют настоящее изобретение, однако, разумеется, данные примеры не следует подразумевать как ограничивающие объем настоящего изобретения какимлибо способом.
Пример 1.
В данном примере продемонстрирована подготовка, инокуляция и ферментация в четырех биореакторах (реакторы 1-4).
В биореактор объемом 2 л вносили следующие компоненты для получения рабочего объема 1,5 л: 1450 мл H2O, 37,5 мл 1 М KCl, 3 мл 1 М NaCl, 3 мл 1 М MgCl2, 3 мл 1 М CaCl2, 0,6 мл 85% Н3РО4, 1,5 мл резазурина (2 г/л), 7,5 мл раствора микроэлементов-металлов и 30 мл исходного раствора витамина В.
| Среда MgCl2 6 Н2О NaCl | Концентрация (мМ/л) 2 2 |
| СаС12 6 Н2О | 2 |
| КС1 | 25 |
| 85% Н3РО4 | 0,375 мл |
| Раствор микроэлементов-металлов | 5 мл (1х) |
| Раствор витамина В | 20 мл (2х) |
Раствор микроэлементов-металлов
FeCl2 4 Н20
Конечная концентрация в среде (мкмоль/л) 1х
100
Концентрация (мМ/л) в
200 х исходном растворе
СоС12 6 Н20
ZnCl2
H3BO3
МпС12 4 Н2О
Na2MoO4 2 Н2О
NiCl2 6 Н2О
Na2WO4 2 Н2О
Na2SeO3
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
- 9 033669
| Исходный раствор витамина В | Конечная концентрация в среде (мг/л) 2х | Концентрация (мг/л) в 100 х исходном растворе |
| Тиамина гидрохлорид (B1) | 1 | 50 |
| Рибофлавин (В2) | 1 | 50 |
| Никотиновая кислота (ВЗ) | 1 | 50 |
| Пантотеновая кислота (В5) | 1 | 50 |
| Пиридоксина гидрохлорид (В 6) | 0,2 | 10 |
| Биотин (В7) | 0,4 | 20 |
| Фолиевая кислота (В 9) | 0,2 | 10 |
| 4-аминобензойная кислота (РАВА или В10) | 1 | 50 |
| Цианокобаламин (В 12) | 1 | 50 |
| Липоевая кислота (тиоктовая кислота) | 1 | 50 |
Перемешивание включали при 300 об./мин., и реактор нагревали до температуры 37°С. N2 барботировали со скоростью 200 мл/мин, в течение по меньшей мере 1 ч. Затем входящий газ заменяли на 50 мл/мин. RMG при перемешивании 300 об./мин. Добавление Na2S по каплям начинали со скоростью 0,3 мл/ч. ОВП (окислительно-восстановительный потенциал) корректировали до значения от -150 мВ до -250 мВ. Cr (II) использовали для корректировки ОВП до требуемой величины для поддержания значения в пределах установленного диапазона. NH4OH (5 М) использовали для корректировки основности.
Затем в реактор инокулировали 200 мл активно растущей культуры Clostridium autoethanogenum. Культура содержала штамм DSMZ23693 Clostridium autoethanogenum.
После этого в реакторах 1-4 проводили ферментацию, как описано ниже. Приведенные значения являются приблизительными, допускающими отклонение ~ +/-0,5% между результатами измерений методом ГХ (газовой хроматографии).
Реактор 1
| День | Примечания | Газ |
| 0 | Состав подаваемого газа при начале работы | 56,5% Н2, 4,7% N2, 7,63% СО и 30,92% СО2 |
| 2,0 | Водород в подаваемом газе заменяли азотом | 1,1% Н2, 72,6% N2,18,1% СО и 6,0% СО2 |
| 7,01 | Азот в подаваемом газе снова заменяли водородом | 68,4% Н2, 11,5% N2,21,1% СО и 6,9% СО2 |
| 15 | Скорость нагнетания среды увеличивали до 2,4 RPM; подаваемый газ корректировали для замены газом с прокатного завода | 59,8% Н2, 12,1% N2, 18,2% СО и 13,7% СО2 |
| 21 | Содержание СО уменьшали до целевого значения 10% | 59,6% Н2, 20,6% N2, 10,7% СО и 14,1% СО2 |
| 27 | Содержание СО уменьшали до целевого значения 7% | 48,1% Н2, 23,8% N2, 7,6% СО и 16,8% СО2 |
На фиг. 1 представлено количество CO, CO2 и H2, потребленное культурой в реакторе 1.
Реактор 2
| День | Примечания | Газ |
| 0 | Состав подаваемого газа при начале работы: RMG | 3,3% Н2, 27,2% N2, 48,8% СО и 15,1% СО2 |
| 5,2 | Смесь с высоким содержанием водорода | 69,8% Н2, 9,9% N2, 18,6% СО и 6,0% СО2 |
| 8,3 | 71,3% Н2, 3,4% N2, 6,1% СО и 20,7% СО2 | |
| 12,3 | 44,4% Н2, 33,3% N2, 4,75% СО и 16,5% СО2 | |
| 19,2 | Подаваемый газ заменяли газом с прокатного завода, нагнетание среды увеличивали до 30% и скорость поступления фильтрата уменьшали до 0,7 мл/мин.; скорость подачи газа увеличивали в два раза со 100 до 200 мл/мин. | 3,2% Н2, 26,5% N2, 50,6% СО и 15,3% СО2 |
| 22,4 | Скорость подачи газа уменьшали, состав газа изменяли так, чтобы газ содержал Н2 и СО в соотношении 4:1 | 52,2% Н2, 7,3% N2, 14,4% СО, 23,6% СО2 |
| 27,2 | Водород в подаваемом газе заменяли азотом | 0,9% Н2, 56,8% N2, 13,9% СО и 22,2% СО2 |
- 10 033669
| 29,04 | Подаваемый газ снова заменяли смесью газа с прокатного завода | 52,0% Н2, 3,2% N2, 18,6% СО и 25,7% СО2 |
| 29,9 | Соотношение Н2:СО на входе незначительно корректировали | 54,6% Н2, 2,8% N2, 16,1% СО и 25,9% СО2 |
| 33,0 | Водород заменяли азотом | 0,36% Н2, 52,95% N2, 16,1% СО и 23,8% СО2 |
На фиг. 2 представлено количество CO, CO2 и H2, потребленное культурой в реакторе 2.
Реактор 3
| День | Примечания | Газ |
| 0 | Состав подаваемого газа при начале работы: RMG | 3,12% Н2, 26,6% N2, 50,5% СО и 15,13% СО2 |
| 0,18 | 56,6% Н2, 2,54% N2, 19,5% СО, 22,3% СО2 | |
| 6,0 | Водород заменяли азотом | 0,28% Н2, 55,5% N2, 18,6% СО и 20,3% СО2 |
| 10,9 | Азот снова заменяли Н2 | 57,3% Н2, 2,96% N2, 19,5% СО и 22,2% СО2 |
| 17,2 | 68,1% Н2, 2,82% N2, 19,1% СО и 14,4% СО2 | |
| 19,1 | Газ с прокатного завода в подаваемом газе заменяли смесью полностью синтетического газа | 59,9% Н2, 10,3% N2, 18,9% СО и 12,3% СО2 |
| 25 | Состав подаваемого газа изменяли до целевого содержания СО 10% | 50,7% Н2, 20,6% N2, 9,9% СО и 15,8% СО2 |
| 31,2 | Состав подаваемого газа изменяли до целевого содержания СО 7% | 49,8% Н2, 23,4% N2 7,1% СО и 15,6% СО2 |
| 40,1 | 56,7% Н2, 4,8% N2, 19,3% СО и 14,9% СО2 |
На фиг. 3 представлено количество CO, CO2 и H2, потребленное культурой в реакторе 3.
Реактор 4
| День | Примечания | Газ |
| 0 | Состав подаваемого газа при начале работы | 55,9% Н2, 6,6% N2, 23,2% СО и 8,9% СО2 |
| 1Д | Культивирование непрерывной культуры начинали со степени разбавления, составляющей 1,18 объема реактора в день | |
| 5,2 | Смесь газа корректировали | 59,5% Н2, 7,2% N2, 17,5% СО и 10,2% СО2 |
| 7,1 7,94 13,2 15,5 19 | Степень разбавления уменьшали до 0,6 объема реактора в день Подачу среды изменяли для получения 1/10 от стандартного количества молибдена Концентрацию молибдена снова возвращали к нормальной Смесь газа корректировали Начинали рециркуляцию клеток с Оубыли, составляющей 0,06 объема реактора в день | 51,7% Н2, 3,1% N2, 20,2% СО и 21,6% СО2 |
| 20 | Рециркуляцию клеток уменьшали до Оубыли, составляющей 0,15 объема реактора в день |
На фиг. 4 представлено количество CO, CO2 и H2, потребленное культурой в реакторе 4.
Во всех четырех реакторах было продемонстрировано потребление CO2, когда состав подаваемого газа был изменен так, чтобы газ содержал избыток водорода. В реакторе 3 количество потребленного CO2 превышало количество потребленного CO после уменьшения объема CO в подаваемом газе. Данный факт свидетельствует, что CO2 утилизировался в качестве первичного источника углерода, когда в суб- 11 033669 страте присутствовал избыток H2.
Пример 2.
В данном примере продемонстрировано, что Н2 вступает в реакцию с CO2 в широком диапазоне.
Потребление H2, CO и CO2 культурами Clostridium autoethanogenum измеряли с применением стандартных способов. В частности, скорости потока газов на входе и выходе из реактора измеряли с применением регулятора массового расхода, и составы газов на входе и выходе из реактора измеряли методом газовой хроматографии (ГХ). Скорость потребления H2, CO и CO2, выраженную в единицах ммоль/л бульона/день, рассчитывали, исходя из потока выходящего газа. N2 не потреблялся культурой, вследствие чего содержание N2 во входящем газе было эквивалентно содержанию N2 в выходящем газе. Культура может потреблять CO2, присутствующий во входящем (подаваемом) газе, и/или CO2, образованный культурой.
На фиг. 5 показано, что CO2 вступал в реакцию с H2 в заданном соотношении, и что культура потребляла не только CO2, образованный в результате реакции с CO, но также CO2, присутствующий в подаваемом газе, поскольку был доступен H2. На фиг. 5 продемонстрировано, что было достигнуто чистое потребление CO2. Значения по оси у на фиг. 5 рассчитывали посредством деления чистого потребления (отрицательное число) или продукции (положительное число) CO2 на потребление CO (отрицательное число) и преобразования дроби в значение в процентах. Значения по оси х на фиг. 5 рассчитывали в виде дробного соотношения скорости потребления H2 к скорости потребления CO.
Пример 3.
В данном примере продемонстрировано, что увеличение процентного содержания H2 в газообразном субстрате увеличивает соотношение этанол: 2,3-бутандиол (БДО), которые образуются ферментационной культурой.
На фиг. 6 представлены метаболические продукты ферментационной культуры Clostridium autoethanogenum. В день 20 содержание H2 в подаваемом газе увеличивали с 5% до 34%, и содержание CO в подаваемом газе уменьшали с 26% до 20%. Образование БДО уменьшалось с 4,3 г/л до 0,9 г/л, и соотношение этанол: БДО увеличивалось. Утилизация H2 увеличивалась с 15% до 58%. Биомасса уменьшалась с D убыли, составляющей 0,7.
H2 в подаваемом газе может потребляться в большей степени (>50%), когда утилизация CO является высокой, т.е. когда содержание растворенного CO является низким. С применением баланса АТФ было спрогнозировано, что скорость роста клеток будет более медленной, когда H2 является косубстратом наравне с CO. Было установлено, что скорость образования БДО уменьшалась как непосредственный результат зависимости данного параметра от концентрации растворенного CO2 в бульоне, и что содержание растворенного CO2 в бульоне было линейно связано с парциальным давлением CO2 (или линейно связано с концентрацией CO2 на выходе при фиксированном атмосферном рабочем давлении), так что скорость образования БДО была обратно пропорциональна потреблению CO2. D убыли, время пребывания бактерий в реакторе, можно откорректировать, чтобы поддерживать концентрацию бактерий в реакторе на оптимальном значении. При потреблении большего количества H2 D убыли можно уменьшить посредством нагнетания большего количества бульона через клеточную мембрану.
Пример 4.
В данном примере продемонстрировано, что соотношение вступивших в реакцию H2/CO влияет на образование продукта. В частности, в данном примере продемонстрировано, что количество биомассы и БДО уменьшается при увеличении соотношения H2:CO в подаваемом газе.
На фиг. 7 представлены точки измерений для серий экспериментов, аналогичных эксперименту, описанному в примере 3. Ось у представляет собой соотношение скорости преобразования углерода в биомассу и БДО к скорости потребления H2 и CO. Если бы на образование продукта не влияло соотношение потребления H2/CO, тогда линия тренда не уменьшалась бы с увеличением вступившего в реакцию H2/CO (т.е. наблюдалась бы горизонтальная линия тренда).
Все ссылки, включая публикации, заявки на патент и патенты, упомянутые в настоящей заявке, включены в настоящую заявку посредством ссылки в той же степени, как если бы каждый источник был отдельно и конкретно указан как включенный посредством ссылки и изложен во всей своей полноте в настоящей заявке. Ссылка на любой предшествующий уровень техники в данной спецификации не является признанием того, что данный предшествующий уровень техники образует часть всеобщего обобщенного знания в данной области в стране, и данную ссылку не следует рассматривать в качестве такого признания.
Термины, используемые в единственном числе в контексте описания настоящего изобретения (в особенности в контексте прилагаемой формулы изобретения), следует трактовать как охватывающие единственное, а также множественное число, если в настоящей заявке не указано обратное или если обратное однозначно не противоречит контексту. Термины содержащий, имеющий и включающий следует истолковывать как неограничивающие термины (т.е. которые означают включая, но не ограничиваясь указанными), если не указано обратное. Перечисление диапазонов значений в настоящей заявке выступает исключительно в качестве сокращенного способа индивидуального обозначения каждого отдельного значения, находящегося в пределах диапазона, если в настоящей заявке не указано обратное, и
- 12 033669 каждое отдельное значение включено в данную спецификацию, как если бы оно было отдельно приведено в настоящей заявке. Все способы, описанные в настоящей заявке, можно осуществить в любом подходящем порядке, если в настоящей заявке не указано обратное или если обратное однозначно не противоречит контексту. Использование любого и всех примеров или типичных формулировок (например, такие как), приведенных в настоящей заявке, предназначено исключительно для лучшего пояснения настоящего изобретения и не создает ограничения объема настоящего изобретения, если не заявлено обратное. Ни одну из формулировок в данной спецификации не следует рассматривать как признание любого не заявленного элемента важным для реализации настоящего изобретения на практике. 81 Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения описаны в настоящей заявке, включая наилучшие способы, известные авторам настоящего изобретения, для осуществления настоящего изобретения. Варианты данных предпочтительных вариантов реализации могут быть очевидны специалисту со средними знаниями в данной области техники после прочтения вышеизложенного описания. Авторы настоящего изобретения ожидают, что специалисты в данной области техники при необходимости будут применять такие варианты, и авторы настоящего изобретения предполагают, что настоящее изобретение будет реализовано на практике иным способом, чем конкретно описано в настоящей заявке. Соответственно, настоящее изобретение включает все модификации и эквиваленты объекта, приведенного в прилагаемой формуле изобретения, в соответствии с действующим законодательством. Более того, в настоящем изобретении охватываются любые комбинации вышеописанных элементов во всех возможных их вариантах, если в настоящей заявке не указано обратное или если обратное однозначно не противоречит контексту.
Claims (7)
1. Способ улучшения улавливания углерода при ферментации газа, включающий подготовку газообразного субстрата, содержащего CO, CO2 и Н2, подачу указанного субстрата в бактериальную культуру в жидкой питательной среде и ферментацию указанного газообразного субстрата, причем по меньшей мере часть CO2 из газообразного субстрата преобразуется культурой в один или более спиртов и/или кислот, где в указанном способе:
а) соотношение ^:CO составляет по меньшей мере 3:1;
б) соотношение CO2:CO составляет от 1,5:1 до 4:1;
в) количество CO2, потребленного указанной культурой, превышает или равно количеству CO2, образованному культурой;
г) соотношение специфичного поглощения указанной культурой ^:CO составляет по меньшей мере 1,4:1 и
д) указанные бактерии включают один или более из карбоксидотрофных Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium или Butyribacterium.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные бактерии включают вид Clostridium autoethanogenum или Clostridium ljungdahlii.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный способ дополнительно включает извлечение одного или более продуктов.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поглощение CO2 указанной культурой составляет по меньшей мере 500 ммоль/л/день CO2.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество CO2, покидающее реактор, по меньшей мере на 5% ниже количества CO2, поступающего в реактор.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что один или более спиртов и/или кислот выбраны из группы, состоящей из этанола, уксусной кислоты (или ацетата), 2,3-бутандиола, бутанола, изопропанола, лактата, сукцината, метилэтилкетона (MEK), пропандиола, 2-пропанола, ацетоина, изобутанола, цитратмалата, бутадиена, полимолочной кислоты, изобутилена, 3-гидроксипропионата (3HP), ацетона и жирных кислот.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный газообразный субстрат содержит 30-90% Н2.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201361892405P | 2013-10-17 | 2013-10-17 | |
| PCT/US2014/060980 WO2015058011A1 (en) | 2013-10-17 | 2014-10-16 | Improved carbon capture in fermentation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201690646A1 EA201690646A1 (ru) | 2016-08-31 |
| EA033669B1 true EA033669B1 (ru) | 2019-11-14 |
Family
ID=52826503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201690646A EA033669B1 (ru) | 2013-10-17 | 2014-10-16 | Улучшенное улавливание углерода при ферментации |
Country Status (15)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10815502B2 (ru) |
| EP (1) | EP3058080B1 (ru) |
| JP (1) | JP6612744B2 (ru) |
| KR (1) | KR102316945B1 (ru) |
| CN (1) | CN107075531B (ru) |
| AU (1) | AU2014337188B2 (ru) |
| BR (1) | BR112016008659B1 (ru) |
| CA (1) | CA2927823C (ru) |
| EA (1) | EA033669B1 (ru) |
| ES (1) | ES2734211T3 (ru) |
| HU (1) | HUE045535T2 (ru) |
| MY (1) | MY176532A (ru) |
| PL (1) | PL3058080T3 (ru) |
| PT (1) | PT3058080T (ru) |
| WO (1) | WO2015058011A1 (ru) |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107404882A (zh) * | 2015-02-27 | 2017-11-28 | 白狗实验室有限公司 | 用于生产丙酮、异丙醇、丁酸、其他生物产品及其混合物的混合营养发酵方法 |
| JP6689729B2 (ja) * | 2016-10-25 | 2020-04-28 | 積水化学工業株式会社 | 有機組成物、有機組成物の製造方法および燃料 |
| MY185732A (en) * | 2017-03-20 | 2021-06-02 | Lanzatech Inc | A process and system for product recovery and cell recycle |
| JP6943733B2 (ja) * | 2017-11-15 | 2021-10-06 | 積水化学工業株式会社 | 有機物質の製造方法 |
| KR20200110705A (ko) * | 2018-02-12 | 2020-09-24 | 란자테크, 인크. | 탄소 전환 효율을 개선하기 위한 공정 |
| WO2019188839A1 (ja) * | 2018-03-27 | 2019-10-03 | 積水化学工業株式会社 | エタノールの製造方法及びエタノール組成物 |
| JP7323306B2 (ja) * | 2019-03-18 | 2023-08-08 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP2021004190A (ja) * | 2019-06-25 | 2021-01-14 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP7339751B2 (ja) * | 2019-03-18 | 2023-09-06 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP7323307B2 (ja) * | 2019-03-18 | 2023-08-08 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP2021004191A (ja) * | 2019-06-25 | 2021-01-14 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP2021004189A (ja) * | 2019-06-25 | 2021-01-14 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP7339749B2 (ja) * | 2019-03-18 | 2023-09-06 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP7323305B2 (ja) * | 2019-03-18 | 2023-08-08 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP2021004192A (ja) * | 2019-06-25 | 2021-01-14 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP7339750B2 (ja) * | 2019-03-18 | 2023-09-06 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| JP7339737B2 (ja) * | 2019-01-28 | 2023-09-06 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| WO2020158748A1 (ja) | 2019-01-28 | 2020-08-06 | 積水化学工業株式会社 | エタノール |
| BR112021015449A2 (pt) | 2019-02-08 | 2021-10-05 | Lanzatech, Inc. | Métodos para recuperar produto a partir de um caldo de fermentação e para recuperar produto a partir de uma corrente enriquecida com produto |
| JP7004763B2 (ja) * | 2020-04-07 | 2022-01-21 | 積水化学工業株式会社 | 廃棄物由来エタノール溶液の製造方法、合成物の製造方法および燃料の製造方法 |
| CN117280040A (zh) * | 2021-04-09 | 2023-12-22 | 朗泽科技有限公司 | 控制气体发酵平台以提高二氧化碳转化为产物的方法 |
| CN113755534B (zh) * | 2021-08-13 | 2024-02-27 | 巨鹏生物(香港)有限公司 | 通过焦炉煤气发酵制备乙醇的方法和系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050266540A1 (en) * | 2004-05-26 | 2005-12-01 | Novus Energy, Llc | Ethanol production from biological wastes |
| US20120045807A1 (en) * | 2010-08-19 | 2012-02-23 | Lanzatech New Zealand Limited | Process for producing chemicals using microbial fermentation of substrates comprising carbon monoxide |
| US20120052541A1 (en) * | 2009-04-29 | 2012-03-01 | Lanzatech New Zealand Limited | Improved carbon capture in fermentation |
| US20120309066A1 (en) * | 2007-10-28 | 2012-12-06 | Lanzatech New Zealand Limited | Carbon Capture in Fermentation |
| WO2013119866A1 (en) * | 2012-02-09 | 2013-08-15 | Lanzatech New Zealand Limited | Improved carbon capture in fermentation |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5173429A (en) | 1990-11-09 | 1992-12-22 | The Board Of Trustees Of The University Of Arkansas | Clostridiumm ljungdahlii, an anaerobic ethanol and acetate producing microorganism |
| US5593886A (en) | 1992-10-30 | 1997-01-14 | Gaddy; James L. | Clostridium stain which produces acetic acid from waste gases |
| US5821111A (en) | 1994-03-31 | 1998-10-13 | Bioengineering Resources, Inc. | Bioconversion of waste biomass to useful products |
| US5807722A (en) | 1992-10-30 | 1998-09-15 | Bioengineering Resources, Inc. | Biological production of acetic acid from waste gases with Clostridium ljungdahlii |
| US6136577A (en) | 1992-10-30 | 2000-10-24 | Bioengineering Resources, Inc. | Biological production of ethanol from waste gases with Clostridium ljungdahlii |
| DE69638265D1 (de) | 1996-07-01 | 2010-11-11 | Emmaus Foundation Inc | BIOLOGISCHE HESTELLUNG VON ESSIGSäURE AUS ABGASEN |
| UA72220C2 (ru) | 1998-09-08 | 2005-02-15 | Байоенджініерінг Рісорсиз, Інк. | Translated By PlajНЕСМЕШИВАЕМАЯ С ВОДОЙ СМЕСЬ РАСТВОРИТЕЛЬ/СОРАСТВОРИТЕЛЬ ДЛЯ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ АНАЭРОБНОГО МИКРОБНОГО БРОЖЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ (ВАРИАНТЫ), МОДИФИЦИРОВАННЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ |
| BR0112251B1 (pt) | 2000-07-25 | 2013-04-09 | mÉtodos contÍnuos para produÇço de etanol a partir da fermentaÇço bacteriana anaeràbica de um substrato gasoso. | |
| NZ546496A (en) | 2006-04-07 | 2008-09-26 | Lanzatech New Zealand Ltd | Gas treatment process |
| US7704723B2 (en) | 2006-08-31 | 2010-04-27 | The Board Of Regents For Oklahoma State University | Isolation and characterization of novel clostridial species |
| CN101918538B (zh) | 2007-11-13 | 2013-01-30 | 兰扎泰克新西兰有限公司 | 一种厌氧菌及其用途 |
| US20100120104A1 (en) * | 2008-11-06 | 2010-05-13 | John Stuart Reed | Biological and chemical process utilizing chemoautotrophic microorganisms for the chemosythetic fixation of carbon dioxide and/or other inorganic carbon sources into organic compounds, and the generation of additional useful products |
| JP5956927B2 (ja) * | 2009-11-06 | 2016-07-27 | キベルディ インコーポレーテッドＫｉｖｅｒｄｉ， Ｉｎｃ． | 二酸化炭素および／または他の無機炭素源の有機化合物への化学合成固定のために化学合成独立栄養微生物を利用する生物学的および化学的プロセス、および付加的有用生成物の産出 |
| PL3070170T3 (pl) * | 2010-01-14 | 2019-02-28 | Lanzatech New Zealand Limited | Fermentacja CO<sub>2</sub> z zastosowaniem potencjału elektrycznego |
| US8143037B2 (en) | 2010-03-19 | 2012-03-27 | Coskata, Inc. | Ethanologenic Clostridium species, Clostridium coskatii |
| US20110236919A1 (en) | 2010-03-24 | 2011-09-29 | James Allen Zahn | Process for restricting carbon monoxide dissolution in a syngas fermentation |
| JP2012100547A (ja) * | 2010-11-08 | 2012-05-31 | Daicel Corp | 嫌気性微生物に気体資源を供給して有機物を生産するための方法及び装置 |
| CA2820941C (en) * | 2010-12-20 | 2018-03-06 | Lanzatech New Zealand Limited | A fermentation method |
| JP2012205530A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | エタノール製造装置およびエタノール製造方法 |
-
2014
- 2014-10-16 CA CA2927823A patent/CA2927823C/en active Active
- 2014-10-16 JP JP2016522808A patent/JP6612744B2/ja active Active
- 2014-10-16 CN CN201480057301.6A patent/CN107075531B/zh active Active
- 2014-10-16 PL PL14853873T patent/PL3058080T3/pl unknown
- 2014-10-16 AU AU2014337188A patent/AU2014337188B2/en active Active
- 2014-10-16 PT PT14853873T patent/PT3058080T/pt unknown
- 2014-10-16 BR BR112016008659-7A patent/BR112016008659B1/pt active IP Right Grant
- 2014-10-16 WO PCT/US2014/060980 patent/WO2015058011A1/en active Application Filing
- 2014-10-16 MY MYPI2016701332A patent/MY176532A/en unknown
- 2014-10-16 KR KR1020167011385A patent/KR102316945B1/ko active IP Right Grant
- 2014-10-16 ES ES14853873T patent/ES2734211T3/es active Active
- 2014-10-16 US US14/516,564 patent/US10815502B2/en active Active
- 2014-10-16 EP EP14853873.9A patent/EP3058080B1/en active Active
- 2014-10-16 EA EA201690646A patent/EA033669B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2014-10-16 HU HUE14853873A patent/HUE045535T2/hu unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050266540A1 (en) * | 2004-05-26 | 2005-12-01 | Novus Energy, Llc | Ethanol production from biological wastes |
| US20120309066A1 (en) * | 2007-10-28 | 2012-12-06 | Lanzatech New Zealand Limited | Carbon Capture in Fermentation |
| US20120052541A1 (en) * | 2009-04-29 | 2012-03-01 | Lanzatech New Zealand Limited | Improved carbon capture in fermentation |
| US20120045807A1 (en) * | 2010-08-19 | 2012-02-23 | Lanzatech New Zealand Limited | Process for producing chemicals using microbial fermentation of substrates comprising carbon monoxide |
| WO2013119866A1 (en) * | 2012-02-09 | 2013-08-15 | Lanzatech New Zealand Limited | Improved carbon capture in fermentation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BR112016008659B1 (pt) | 2022-07-05 |
| HUE045535T2 (hu) | 2019-12-30 |
| AU2014337188A1 (en) | 2016-05-12 |
| EP3058080A4 (en) | 2017-06-21 |
| US20150111266A1 (en) | 2015-04-23 |
| CA2927823A1 (en) | 2015-04-23 |
| CN107075531A (zh) | 2017-08-18 |
| ES2734211T3 (es) | 2019-12-04 |
| BR112016008659A2 (ru) | 2017-08-01 |
| US10815502B2 (en) | 2020-10-27 |
| WO2015058011A1 (en) | 2015-04-23 |
| PT3058080T (pt) | 2019-07-25 |
| CA2927823C (en) | 2018-03-27 |
| JP2016533175A (ja) | 2016-10-27 |
| EA201690646A1 (ru) | 2016-08-31 |
| CN107075531B (zh) | 2021-07-27 |
| AU2014337188B2 (en) | 2018-12-13 |
| KR20160072132A (ko) | 2016-06-22 |
| JP6612744B2 (ja) | 2019-11-27 |
| MY176532A (en) | 2020-08-13 |
| KR102316945B1 (ko) | 2021-10-26 |
| PL3058080T3 (pl) | 2019-10-31 |
| EP3058080B1 (en) | 2019-05-01 |
| EP3058080A1 (en) | 2016-08-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2014337188B2 (en) | Improved carbon capture in fermentation | |
| US8906655B2 (en) | Alcohol production process | |
| JP7110283B2 (ja) | 微生物発酵における代謝産物生成を制御するためのシステム及び方法 | |
| AU2012396327B2 (en) | A fermentation process | |
| US10252183B2 (en) | Product management in biological conversion processes | |
| EA039754B1 (ru) | Способы улучшения процессов биологического превращения и извлечения продукта | |
| KR102011540B1 (ko) | 발효 방법 | |
| CN106507678A (zh) | 用于丙酮酸盐衍生产物的生产和控制的发酵方法 | |
| US20110250629A1 (en) | Alcohol production process | |
| CN105722990A (zh) | 发酵工艺 | |
| AU2011255662B2 (en) | Alcohol production process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KG TJ TM |