TW201400615A - 操作合成氣發酵法之方法 - Google Patents

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Abstract

提出一種方法用以發酵合成氣，該方法可有效用以減少傳導率及提供約10克乙醇/(升‧日)的醇STY(空間時間產率)。該方法包括將該合成氣導入一反應器容器內，及提供約100毫克或以上氮/克生成的細胞之氮進給速率至該反應器容器。合成氣的發酵係有效用以製造具有約16 mS/cm或以下之平均傳導率及10克乙醇/(升‧日)或以上的STY之一種發酵培養基。

Description

操作合成氣發酵法之方法
本案請求美國臨時專利申請案第61/650,098及61/650,093號二案申請日皆為2012年5月22日及美國臨時專利申請案第61/726,225號申請日2012年11月14日的權益，各案全文皆係爰引於此並融入本說明書的揭示。
提出一種方法用以發酵合成氣，該方法可有效用以減少傳導率及提供約10克乙醇/(升‧日)的醇STY。更明確言之，該方法包括以約100毫克或以上氮/克生成的細胞之氮用量提供氮進給速率至一反應器容器。
發明背景
厭氧微生物可經由氣態酶基質的發酵而從一氧化碳(CO)製造乙醇。使用得自梭菌屬(Clostridium)的厭氧微生物發酵可製造乙醇及其它有用的產品。舉例言之，美國專利案第5,173,429號描述一種從合成氣製造乙醇及乙酸鹽的厭氧微生物俊達氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)ATCC No.49587。美國專利案第5,807,722號描述一種使用俊達氏梭菌ATCC No.55380將廢氣轉換成有機酸類及醇類之方法及裝置。美國專利案第6,136,277號描述一種使用俊達氏梭菌 ATCC No.55988及55989將廢氣轉換成乙醇之方法及裝置。
乙酸產生細菌要求呈氨形式的氮恆定進給用以獲得穩定的效能及乙醇生產力。最典型地，氨源為於低pH培養基流中產生的氯化銨。由於成本及取得性之故以使用氫氧化銨為佳。但因氫氧化銨為鹼，故須以分開培養基流添加。如此添加高pH流潛在可能引起發酵操作的問題。此外，在使用較高濃縮培養基期間，於較高生產力水平(大於50 STY)，發酵醪的離子強度增至對培養表現造成不利影響的程度。
發明概要
一種減低傳導率及增加醇STY的合成氣發酵方法。該方法包括將該合成氣導入一反應器容器內，及提供約100毫克或以上氮/克生成的細胞之氮進給速率至該反應器容器。合成氣的發酵係有效用以製造具有約16 mS/cm或以下之平均傳導率及10克乙醇/(升‧日)或以上的STY之一種發酵培養基。就此方面而言，該氮係從一來源提供，該氮源係包括無水氨、氨水、氫氧化銨、乙酸銨、有機或無機硝酸鹽類或腈類、胺類、亞胺類、醯胺類、胺基酸類、胺基醇類、及其混合物。於一個面向中，該氮係由氫氧化銨提供。該方法包括導入具有一氧化碳/二氧化碳比約為0.75或以上的合成氣，及使用一或多個乙酸產生細菌發酵該合成氣。該發酵法係有效用以提供約1.0克/升或以上的細胞密度及約5%至約99%之一氧化碳(CO)轉換率。於一個面向 中，該發酵培養基包括約0.01克/升或以下的酵母萃取物及約0.01克/升或以下的碳水化合物。
於一個面向中，一種用以減低於一發酵的傳導率之方法包括將一合成氣導入包括一發酵培養基的一反應器容器內。該方法包括以約100毫克或以上氮/克生成的細胞之速率提供一氮進料至該反應器容器，其中氫氧化銨係取代該氮進料中的氯化銨。該氮進料係有效用以提供約16 mS/cm或以下的傳導率及約4.2至約4.8之一pH。
於另一個面向中，一種用以減低於發酵的傳導率之方法包括將一合成氣導入一反應器容器內，及以約100毫克或以上氮/克生成的細胞之速率提供氮進料至該反應器容器。於此一面向中，氫氧化銨係取代該氮進料中的氯化銨。比較於該處該氮進料係為氯化銨之發酵，該方法係有效提供至少約20%的傳導率的減低。
於一個面向中，一種發酵培養基包括約100至約340毫克氮/克生成的細胞，約10.5至約15毫克磷/克生成的細胞，或約26至約36毫克鉀/克生成的細胞。於此一面向中，該氮源係為氫氧化銨。
較佳實施例之詳細說明
後文說明並非解譯為限制性意義，反而僅用以描述實例面向之一般性原理。本發明之範圍須參考申請專利 範圍決定。
如此處描述，於生物反應器內使用培養基及乙酸產生細菌進行的合成氣發酵可有效用以提供合成氣中的一氧化碳轉換成醇類及其它產物。利用氫氧化銨作為氮源，及降低傳導率可有效用以提供高度生產力水平。於此一面向中，醇生產力可以STY(以克乙醇/(升．日)表示的空間時間產率)表示。於本面向中，該方法可有效提供至少約10克乙醇/(升．日)之STY(空間時間產率)。可能的STY值包括約10克乙醇/(升．日)至約160克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約10克乙醇/(升．日)至約160克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約10克乙醇/(升．日)至約120克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約10克乙醇/(升．日)至約80克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約10克乙醇/(升．日)至約15克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約15克乙醇/(升．日)至約20克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約20克乙醇/(升．日)，至約140克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約20克乙醇/(升．日)至約100克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約40克乙醇/(升．日)，至約140克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約40克乙醇/(升．日)至約100克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約10克乙醇/(升．日)，於另一面向中，約15克乙醇/(升．日)，及於另一面向中，約16克乙醇/(升．日)。
定義
除非另行定義，否則於本案全文說明書中使用於本文揭示之下列術語定義如後及包括如下定義之單數型或複數型： 「傳導率」及「平均傳導率」係指導電能力。水能導電原因在於水含有攜帶電荷的溶解固體。舉例言之，氯陰離子、硝酸根及硫酸根攜帶陰電荷，而鈉、鎂及鈣攜帶正電荷。此等溶解固體影響水的導電能力。傳導率係藉探頭量測，探頭係在二電極間施加電壓。電壓降係用以測量水的電阻，然後換算成傳導率。平均傳導率可藉已知技術及方法量測。平均傳導率度量之若干實例係提供於ASTM D1125，「水之導電率及電阻率之標準測試方法」，及「水及廢水之標準檢驗方法」，1999年，美國公共衛生署、美國自來水廠、水環境聯盟，二文件皆係爰引於此並融入本說明書的揭示。
術語「約」修飾任何數量係指於實際狀況下例如於實驗室中、於試驗工廠中、或生產設施中所遭遇的數量變化。例如，於混合物中採用之各成分或測量值的數量或數量由「約」修飾時包括典型採用於測量製造廠或實驗室中之實驗條件的變化程度及審慎程度。例如，產品的成分數量當藉「約」修飾時包括於工廠或實驗室之多個實驗中各批次間的變化及分析方法所特有的變化。無論是否藉「約」修飾，該數量包括該等量之相當量。此處所述任何藉「約」修飾之數量，當未被「約」修飾時也可採用於本文揭示。
「合成氣」或「合成氣體」一詞表示給予含有不等量之一氧化碳及氫氣之氣體混合物的合成氣體名稱。製造方法之實例包括天然氣或烴類之水蒸氣重整以製造氫 氣、煤炭的氣化及某些類型的廢物至能源氣化設施。該名稱係來自於其可用作為產生合成天然氣(SNG)的中間產物及用於製造氨及甲醇。合成氣為可燃性，常用作為燃料來源或用作為其它化學品製造上的中間產物。
「發酵」、「發酵法」或「發酵反應」等詞意圖涵蓋該方法之生長階段及產物生物合成階段。於一個面向中，發酵係指一氧化碳轉換成醇類。
「細胞密度」一詞係指每單位體積發酵醪的微生物細胞重量，例如克/升。於本面向中，該方法及培養基可有效提供至少約為1.0克/升之細胞密度。細胞密度可為約1至約25克/升，於另一面向中，約1至約20克/升，於另一面向中，約1至約10克/升，於另一面向中，約10至約20克/升，於另一面向中，約12至約18克/升，於另一面向中，約14至約16克/升，於另一面向中，約2至約8克/升，於另一面向中，約3至約6克/升，及於另一面向中，約4至約5克/升。
「細胞回收」一詞係指微生物細胞從發酵醪中分離及回送部分或全部此等分離的微生物細胞返回發酵器。一般而言，使用過濾裝置來達成分離。
術語「發酵器」、「反應器容器」或「生物反應器」包括由一或多個容器及/或塔或管路配置所組成的發酵裝置，包括連續攪拌槽反應器(CSTR)、制動化細胞反應器(ICR)、滴流床反應器(TBR)、移動床生物膜反應器(MBBR)、泡罩塔、氣舉發酵器、膜反應器諸如中空纖維膜生物反應器(HFMBR)、靜態混合器、或適用冷氣-液接觸的 其它容器或其它裝置。
含有一氧化碳的氣態酶基質
於一個面向中，該方法可應用以支援從氣態酶基質諸如高體積含CO工業烟道氣製造醇。於某些面向中，含括CO的氣體係衍生自含碳廢物，例如工業廢氣或得自其它廢物的氣化。如此，該方法表示捕集碳的有效方法，否則該碳將排放入環境內。工業烟道氣之實例包括含鐵金屬產品製造、非鐵金屬產品製造、石油精煉製程、煤氣化、生質氣化、發電、炭黑製造、氨製造、甲醇製造、及焦煤製造期間產生的氣體。
於另一個面向中，含CO的氣態酶基質可為合成氣。合成氣可得自任一種已知來源。於一個面向中，合成氣可源自含碳材料的氣化。氣化涉及生質於氧氣有限量供應下的部分燃燒。結果所得氣體主要包含CO及氫氣。於此一面向中，合成氣將含有至少約10莫耳% CO，於一個面向中，至少約20莫耳% CO，於一個面向中，約10至約100莫耳% CO，於另一個面向中，約20至約100莫耳% CO，於另一個面向中，約30至約90莫耳% CO，於另一個面向中，約40至約80莫耳% CO，及於另一個面向中，約50至約70莫耳% CO。該合成氣將具有至少約0.75的CO/CO2莫耳比，於另一個面向中，至少約1.0，於另一個面向中，至少約1.5，於另一個面向中，至少約2.0，於另一個面向中，至少約2.5，於另一個面向中，至少約3.0，及於另一個面向中，至少約3.5。適當氣化方法及裝置之若干實例係提供於美國專利申 請案第13/427,144、13/427,193及13/427,247號，全部的申請日皆係為2012年3月22日，全部各案皆係爰引於此並融入本說明書的揭示。
於另一個面向中，利用來繁殖乙酸產生細菌的合成氣可為實質上CO。如此處使用，「實質上CO」一詞表示至少約50莫耳% CO，於另一個面向中，至少約60莫耳% CO，於另一個面向中，至少約70莫耳% CO，於另一個面向中，至少約80莫耳% CO，及於另一個面向中，至少約90莫耳% CO。
取決於含CO的氣態酶基質之組成，也可能期望在導入發酵之前，處理該酶基質以去除任何非期望的雜質，諸如粉塵粒子。舉例言之，該氣態酶基質可使用已知方法過濾或刷洗。
培養基
依據一個面向，發酵法係藉添加適當培養基至反應器容器起始。含在反應器容器內的液體可包括任何型別的適當營養培養基或發酵培養基。營養培養基將包括有效用以許可所使用的微生物生長的維生素及礦物質。已知適用以使用CO作為碳源用於乙醇發酵的厭氧培養基。合宜發酵培養基的一個實例係描述於美國專利案第7,285,402號，該案係爰引於此並融入本說明書的揭示。其它合宜培養基的實例係描述於美國專利申請案第61/650,098及61/650,093號，二案申請日皆為2012年5月22日，二案皆係爰引於此並融入本說明書的揭示。於一個面向中，該發酵培養基包括約0.01克/升或 以下的酵母萃取物及約0.01克/升或以下的碳水化合物。
於一個面向中，該方法包括以約100毫克或以上氮/克生成的細胞提供一氮進給速率給該反應器容器。於另一個面向中，該氮進給速率係為約100至約340毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約160至約340毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約160至約200毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約160至約180毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約160至約170毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約170至約190毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約170至約180毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約200至約330毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約170至約175毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約175至約190毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約175至約185毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約175至約180毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約180至約200毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約180至約190毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約180至約185毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約185至約210毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速 率係為約185至約200毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約185至約190毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約190至約210毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約190至約200毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約190至約195毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約210至約320毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約220至約310毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約230至約300毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約240至約290毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約250至約280毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約260至約270毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約195至約300毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約195至約275毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約195至約250毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約195至約225毫克氮/克生成的細胞，於另一個面向中，該氮進給速率係為約195至約200毫克氮/克生成的細胞。於此一面向中，該氮係從下述一來源提供包括無水氨、氨水、氫氧化銨、乙酸銨、有機或無機硝酸鹽類或腈類、胺類、亞胺類、醯胺類、胺基酸類、胺基醇類、及其混合物。於一個面向中，該氮係由氫氧化銨提供。
於另一個面向中，該方法係有效用以提供約16 mS/cm或以下的平均傳導率，於另一個面向中，約12 mS/cm或以下，於另一個面向中，約8 mS/cm或以下，於另一個面向中，約6.5 mS/cm或以下，於另一個面向中，約6.0 mS/cm或以下，於另一個面向中，約5.5 mS/cm或以下，於另一個面向中，約5.0 mS/cm或以下，於另一個面向中，約4.7 mS/cm或以下，於另一個面向中，約4.5 mS/cm或以下，於另一個面向中，約4.0 mS/cm至約6.5 mS/cm，於另一個面向中，約5.0 mS/cm至約6.0 mS/cm，及於另一個面向中，約4.0 mS/cm至約5.0 mS/cm。
於一個面向中，該方法包括控制傳導率同時維持期望的STY水平。以氫氧化銨取代或置換培養基內的氯化銨係可有效用以控制傳導率同時維持期望的STY水平。於此一面向中，氫氧化銨係添加作為培養基的成分及/或用以調整培養基pH。於此一面向中，以氫氧化銨取代氯化銨係可有效用以減低培養基傳導率達約20%或以上，於另一個面向中，約25%或以上，於另一個面向中，約20%至約30%，及於另一個面向中，約25%至約30%。
於另一個面向中，約100至約340毫克氮/克生成的細胞之任何氮進給速率係可有效提供約16 mS/cm或以下的平均傳導率，及維持約10克乙醇/(升‧日)至約200克乙醇/(升‧日)的一STY。於一更特定面向中，約190至約210毫克氮/克生成的細胞之氮進給速率係可有效提供約4至約6.5 mS/cm，於另一個面向中，約5至約6 mS/cm，及於另一個 面向中，約4至約5 mS/cm。於另一更特定面向中，約190至約200毫克氮/克生成的細胞之氮進給速率係可有效提供約4至約6.5 mS/cm，於另一個面向中，約5至約6 mS/cm，及於另一個面向中，約4至約5 mS/cm。於另一更特定面向中，約190至約195毫克氮/克生成的細胞之氮進給速率係可有效提供約4至約6.5 mS/cm，於另一個面向中，約5至約6 mS/cm，及於另一個面向中，約4至約5 mS/cm。於另一更特定面向中，約195至約200毫克氮/克生成的細胞之氮進給速率係可有效提供約4至約6.5 mS/cm，於另一個面向中，約5至約6 mS/cm，及於另一個面向中，約4至約5 mS/cm。
於一個面向中，該培養基包括氮源中之至少一或多者，磷源中之至少一或多者，及鉀源中之至少一或多者。培養基可包括該三者中之任一者、該三者中之任一項組合，及於一重要面向中，包括全部三者。磷源可包括選自於由磷酸、磷酸銨、磷酸鉀、及其混合物所組成之該組群中之一磷源。鉀源可包括選自於由氯化鉀、磷酸鉀、硝酸鉀、硫酸鉀、及其混合物所組成之該組群中之一鉀源。
於一個面向中，該培養基包括鐵、鎢、鎳、鈷、鎂、硫及噻胺中之一或多者。該培養基可包括此等成分中之任一者、任一項組合、及於一重要面向中，包括全部此等成分。鐵可包括選自於由氯化亞鐵、硫酸亞鐵、及其混合物所組成之該組群中之一鐵源。鎢源可包括選自於由鎢酸鈉、鎢酸鈣、鎢酸鉀、及其混合物所組成之該組群中之一鎢源。鎳源可包括選自於由氯化鎳、硫酸鎳、硝酸鎳、 及其混合物所組成之該組群中之一鎳源。鈷源可包括選自於由氯化鈷、氟化鈷、溴化鈷、碘化鈷、及其混合物所組成之該組群中之一鈷源。鎂源可包括選自於由氯化鎂、硫酸鎂、磷酸鎂、及其混合物所組成之該組群中之一鎂源。硫源可包括半胱胺酸、硫化鈉、及其混合物。
各個成分之濃度如下：
方法操作維持pH於約4.2至約4.8之範圍。培養基包括少於約0.01克/升酵母萃取物及少於約0.01克/升碳水化合物。
生物反應器操作
依據一個面向，發酵法始於培養基添加至反應器容器內。培養基經滅菌以去除非期望的微生物，反應器內接種期望的微生物。於一個面向中，使用的微生物包括乙酸生成菌。有用的乙酸生成菌包括梭菌(Clostridium)屬，諸 如俊達氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)菌株包括述於WO 2000/68407、EP 117309、美國專利案5,173,429、5,593,886及6,368,819、WO 1998/00558及WO 2002/08438者；自行乙醇生成梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國，DSMZ之DSM 10061及DSM 19630)菌株包括WO 2007/117157及WO 2009/151342所述；及拉格拉式梭菌(Clostridium ragsdalei)(P11，ATCC BAA-622)菌株及巴奇產鹼(Alkalibaculum bacchi)(CP11，ATCC BAA-1772)菌株包括分別述於美國專利案第7,704,723號及「得自生質產生的合成氣體之生物燃料及生物製品」，Hasan Atiyeh，於阿拉巴馬州EPSCoR年度州會議，2010年4月29日提出者；及羧基梭菌(Clostridium carboxidivorans)(ATCC PTA-7827)菌株述於美國專利申請案第2007/0276447號。其它適當微生物包括莫雷拉氏菌(Moorella)屬，包括莫雷拉氏菌種HUC22-1，及羧基嗜熱菌(Carboxydothermus)屬。此等參考文獻各自係爰引於此並融入本說明書的揭示。可使用二或多種微生物之混合培養。
有用的細菌之若干實例包括凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍迪厭氧醋菌(Acetoanaerobium woodii)、巴奇產鹼菌(Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、產生性布洛堤菌(Blautia producta)、嗜甲醇丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous)、太平洋地下厭氧卡拉菌 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、產氫羧基嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、乙醯丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)、乙醯丁酸梭菌P262(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 10061)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 23693)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 24138)、羧基梭菌(Clostridium carboxidivorans)P3(ATCC PTA-7827)、克氏梭菌(Clostridium coskati)(ATCC PTA-10522)、德可氏梭菌(Clostridium drakei)、俊達氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)PETC(ATCC 49587)、俊達氏梭菌ERI2(ATCC55380)、俊達氏梭菌C-01(ATCC55988)、俊達氏梭菌O-52(ATCC55889)、美格氏梭菌(Clostridium magnum)、巴斯德氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國DSMZ之DSM 525)、拉格拉氏梭菌(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、煎盤梭菌(Clostridium scatologenes)、熱醋梭菌(Clostridium thermoaceticum)、雅爾氏梭菌(Clostridium ultunense)、庫茲氏脫硫菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、乙酸甲烷八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、熱醋莫雷拉氏菌(Morrella thermoacetica)、自嗜熱莫雷拉氏菌(Morrella thermoautotrophica)、芬尼氧菌(Oxobacter pfennigii)、產生性腖鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產生性魯米諾球菌(Ruminococcus productus)、凱伍厭氧嗜熱菌(Thermoanaerobacter kivui)、及其混合物。
當接種時，初步進給氣體供應速率建立可有效供應微生物的初始族群。分析流出物氣體決定流出物氣體之含量。氣體分析結果用來控制進給氣體速率。當達到期望的程度時，液相及細胞物質從反應器中撤出及補充培養基。於此一面向中，生物反應器操作來維持至少約2克/升之細胞密度，及於另一面向中，約2至約50克/升，於多個其它面向中，約5至約40克/升，約5至約30克/升，約5至約20克/升，約5至約15克/升，約10至約40克/升，約10至約30克/升，約10至約20克/升，約15至約20克/升，及約10至約15克/升。細胞密度可經由循環過濾器控制。生物反應器操作之進一步說明陳述於美國專利申請案第61/571,564及61/571,565號申請日2011年6月30日；美國專利申請案第61/573,845號申請日2011年9月13日；美國專利申請案第13/471,827及13/471,858號申請日2012年5月15日；及美國專利申請案第13/473,167號申請日2012年5月16日，全部各案皆係爰引於此並融入本說明書的揭示。
於一個面向中，該方法係可有效用以提供約5%至約99%之CO轉換率，於另一個面向中，CO轉換率係為約10%至約90%，於另一個面向中，約10%至約90%，於另一個面向中，約20%至約80%，於另一個面向中，約30%至約 70%，於另一個面向中，約40%至約60%，於另一個面向中，約50%至約95%，於另一個面向中，約60%至約95%，於另一個面向中，約70%至約95%，於另一個面向中，約80%至約95%，於另一個面向中，約80%至約90%。
實施例 實施例1：氫氧化銨作為氮源
於生物反應器(紐布朗威(New Brunswick)百歐佛(BioFlo)I或IIc)進行實驗，操作為直通式CSTR，無循環迴路。生物反應器操作條件如下：培養型別為俊達氏梭菌C01。
培養溫度維持於38℃。
攪動在類比讀出值為約800 rpm。
培養體積為約2400至2500毫升。
培養pH設定點為約4.5至4.6。使用5% NaHCO3溶液進行pH控制。
進給氣體為15% H2、45% N2、30% CO及10% CO2之合成摻合物以411毫升/分鐘速率進給至培養。
培養基係以約1.3毫升/分鐘，或約1870毫升/日進給入反應器。
液體及細胞保留時間為約29-31小時。
微生物培養於生物反應器內調整至穩定操作。起始銨源為氯化銨。當達到穩定操作時，藉從該起始培養基去除氯化銨而將銨源改成氫氧化銨。培養基的成分及濃度描述如下。
於銨源改變期間採取下列步驟。
■起始培養基的流速係經減低以補償氫氧化銨培養基流速及維持相等的總液流流入該系統內。
■起始培養基成分濃度係增加與培養基流速減低相等的百分比以維持相等總成分流速，儘管起始培養基的流速減低亦復如此。
監視下列參數：
■氣體轉換率及吸收
■產物濃度
■細胞密度
■培養pH
■基本貯槽高度
■XRT/LRT
銨源改變成氫氧化銨提供下列結果：
■平均傳導率讀數減低約20%。
■乙醇濃度增加約18%。
■乙醇生產力增高13%從16.2克/升‧日增至18.3克/升‧日。
■培養pH測量值增加約4.6%。
■平均鹼添加速率降低約86%。
■初始乙酸濃度增高，然後濃度穩定地減低。
■隨著銨源的改變，氣體吸收、氣體轉換率、細胞密度或丁醇濃度並無顯著可見的改變。
結果如下：
雖然此處揭示的本發明已經利用特定實施例、實施例及其應用作說明，但熟諳技藝人士可不悖離於申請專利範圍各項中陳述的本發明之範圍而對其做出無數修改及變化。

Claims (46)

  1. 一種用於合成氣發酵之方法，該方法包含：將該合成氣導入包括一發酵培養基的一反應器容器內；提供約100毫克或以上的氮/每克生成的細胞之氮進給速率至該反應器容器；及發酵該合成氣，其中該方法用於提供約16 mS/cm或以下之平均傳導率及10克乙醇/(升‧日)或以上的STY(空間時間產率)係有效的。
  2. 如請求項第1項之方法，其中該氮係自下列所組成之組群所提供：無水氨、氨水、氫氧化銨、乙酸銨、有機或無機硝酸鹽類或腈類、胺類、亞胺類、醯胺類、胺基酸類、胺基醇類，以及該等之混合物。
  3. 如請求項第2項之方法，其中該氮係以氫氧化銨提供。
  4. 如請求項第1項之方法，其中該合成氣具有一氧化碳/二氧化碳比約0.75或以上。
  5. 如請求項第1項之方法，其中該發酵包括令該合成氣與一或多個乙酸產生細菌相接觸。
  6. 如請求項第5項之方法，其中該乙酸產生細菌係選自於由下列所組成之組群：凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍迪厭氧醋菌(Acetoanaerobium woodii)、巴奇產鹼菌 (Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、產生性布洛堤菌(Blautia producta)、嗜甲醇丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous)、太平洋地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、產氫羧基嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、乙醯丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)、乙醯丁酸梭菌P262(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 10061)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 23693)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 24138)、羧基梭菌(Clostridium carboxidivorans)P3(ATCC PTA-7827)、克氏梭菌(Clostridium coskati)(ATCC PTA-10522)、德可氏梭菌(Clostridium drakei)、俊達氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)PETC(ATCC 49587)、俊達氏梭菌ERI2(ATCC55380)、俊達氏梭菌C-01(ATCC55988)、俊達氏梭菌O-52(ATCC55889)、美格氏梭菌(Clostridium magnum)、巴斯德氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國DSMZ之DSM 525)、拉格拉氏梭菌(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、煎盤梭菌(Clostridium scatologenes)、熱醋梭菌(Clostridium thermoaceticum)、雅爾氏梭菌(Clostridium ultunense)、庫茲氏脫硫菌 (Desulfotomaculum kuznetsovii)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、乙酸甲烷八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、熱醋莫雷拉氏菌(Morrella thermoacetica)、自嗜熱莫雷拉氏菌(Morrella thermoautotrophica)、芬尼氧菌(Oxobacter pfennigii)、產生性腖鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產生性魯米諾球菌(Ruminococcus productus)、凱伍厭氧嗜熱菌(Thermoanaerobacter kivui)，以及該等之混合物。
  7. 如請求項第1項之方法，其中該方法用於提供約1.0克/升或以上的細胞密度係有效的。
  8. 如請求項第1項之方法，其中該方法用於提供約5%至約99%之一氧化碳(CO)轉換率係有效的。
  9. 如請求項第1項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的酵母萃取物。
  10. 如請求項第1項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的碳水化合物。
  11. 一種用於合成氣發酵之方法，該方法包含：將該合成氣導入包括一發酵培養基的一反應器容器內；令該合成氣與乙酸產生細菌相接觸；及提供約100毫克或以上的氮/每克生成的細胞之一氮進給速率至該反應器容器。
  12. 如請求項第11項之方法，其中該氮係由下列所組成之該組群提供：無水氨、氨水、氫氧化銨、乙酸銨、有機或無機硝酸鹽類或腈類、胺類、亞胺類、醯胺類、胺基酸類、胺基醇類，以及該等之混合物。
  13. 如請求項第12項之方法，其中該氮係以氫氧化銨提供。
  14. 如請求項第11項之方法，其中該方法用於提供約16 mS/cm或以下的平均傳導率係有效的。
  15. 如請求項第11項之方法，其中該方法用於提供約10克乙醇/(升‧日)或以上的STY係有效的。
  16. 如請求項第11項之方法，其中該合成氣具有一氧化碳/二氧化碳比約0.75或以上。
  17. 如請求項第11項之方法，其中該乙酸產生細菌係選自於由下列所組成之組群：凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍迪厭氧醋菌(Acetoanaerobium woodii)、巴奇產鹼菌(Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、產生性布洛堤菌(Blautia producta)、嗜甲醇丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous)、太平洋地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、產氫羧基嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、乙醯丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)、乙醯丁酸梭菌P262(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 10061)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 23693)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 24138)、羧基梭菌(Clostridium carboxidivorans)P3(ATCC PTA-7827)、克氏梭菌(Clostridium coskati)(ATCC PTA-10522)、德可氏梭菌(Clostridium drakei)、俊達氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)PETC(ATCC 49587)、俊達氏梭菌ERI2(ATCC55380)、俊達氏梭菌C-01(ATCC55988)、俊達氏梭菌O-52(ATCC55889)、美格氏梭菌(Clostridium magnum)、巴斯德氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國DSMZ之DSM 525)、拉格拉氏梭菌(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、煎盤梭菌(Clostridium scatologenes)、熱醋梭菌(Clostridium thermoaceticum)、雅爾氏梭菌(Clostridium ultunense)、庫茲氏脫硫菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、乙酸甲烷八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、熱醋莫雷拉氏菌(Morrella thermoacetica)、自嗜熱莫雷拉氏菌(Morrella thermoautotrophica)、芬尼氧菌(Oxobacter pfennigii)、產生性腖鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產生性魯米諾球菌(Ruminococcus productus)、凱伍厭氧嗜熱菌 (Thermoanaerobacter kivui)，以及該等之混合物。
  18. 如請求項第11項之方法，其中該方法用於提供約1.0克/升或以上的細胞密度係有效的。
  19. 如請求項第11項之方法，其中該方法用於提供約5%至約99%之一氧化碳轉換率係有效的。
  20. 如請求項第11項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的酵母萃取物。
  21. 如請求項第11項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的碳水化合物。
  22. 一種用於在發酵中降低傳導率之方法，該方法包含：將一合成氣導入包括一發酵培養基的一反應器容器內；及以約100毫克或以上的氮/每克生成的細胞之速率提供一氮進料至該反應器容器，其中，在該氮進料中係以氫氧化銨取代氯化銨；其中該氮進給用於提供約16 mS/cm或以下的傳導率及約4.2至約4.8之pH值係有效的。
  23. 如請求項第22項之方法，其中該方法用於提供約10克乙醇/(升‧日)或以上的STY係有效的。
  24. 如請求項第22項之方法，其中該合成氣具有一氧化碳/二氧化碳比約0.75或以上。
  25. 如請求項第22項之方法，其中該發酵包括令該合成氣與一或多個乙酸產生細菌相接觸。
  26. 如請求項第25項之方法，其中該乙酸產生細菌係選自於 由下列所組成之組群：凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍迪厭氧醋菌(Acetoanaerobium woodii)、巴奇產鹼菌(Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、產生性布洛堤菌(Blautia producta)、嗜甲醇丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous)、太平洋地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、產氫羧基嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、乙醯丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)、乙醯丁酸梭菌P262(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 10061)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 23693)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 24138)、羧基梭菌(Clostridium carboxidivorans)P3(ATCC PTA-7827)、克氏梭菌(Clostridium coskati)(ATCC PTA-10522)、德可氏梭菌(Clostridium drakei)、俊達氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)PETC(ATCC 49587)、俊達氏梭菌ERI2(ATCC55380)、俊達氏梭菌C-01(ATCC55988)、俊達氏梭菌O-52(ATCC55889)、美格氏梭菌(Clostridium magnum)、巴斯德氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國DSMZ之DSM 525)、拉格拉氏梭菌(Clostridium ragsdali) P11(ATCC BAA-622)、煎盤梭菌(Clostridium scatologenes)、熱醋梭菌(Clostridium thermoaceticum)、雅爾氏梭菌(Clostridium ultunense)、庫茲氏脫硫菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、乙酸甲烷八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、熱醋莫雷拉氏菌(Morrella thermoacetica)、自嗜熱莫雷拉氏菌(Morrella thermoautotrophica)、芬尼氧菌(Oxobacter pfennigii)、產生性腖鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產生性魯米諾球菌(Ruminococcus productus)、凱伍厭氧嗜熱菌(Thermoanaerobacter kivui)，以及該等之混合物。
  27. 如請求項第22項之方法，其中該方法用於提供約1.0克/升或以上的細胞密度係有效的。
  28. 如請求項第22項之方法，其中該方法用於提供約5%至約99%之一氧化碳轉換率係有效的。
  29. 如請求項第22項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的酵母萃取物。
  30. 如請求項第22項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的碳水化合物。
  31. 一種用於在發酵中降低傳導率之方法，該方法包含：將一合成氣導入包括一發酵培養基的一反應器容器內；及 以約100毫克或以上的氮/每克生成的細胞之速率提供一氮進給至該反應器容器，其中，在該氮進給中係以氫氧化銨係取代氯化銨；其中，與該氮進給為氯化銨之發酵相較，該方法用於提供至少約20%的傳導率的減低係有效的。
  32. 如請求項第31項之方法，其中該方法用於提供約10克乙醇/(升‧日)或以上的STY係有效。
  33. 如請求項第31項之方法，其中該合成氣具有一氧化碳/二氧化碳比約0.75或以上。
  34. 如請求項第31項之方法，其中該發酵包括令該合成氣與一或多個乙酸產生細菌相接觸。
  35. 如請求項第34項之方法，其中該乙酸產生細菌係選自於由下列所組成之組群：凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、伍迪厭氧醋菌(Acetoanaerobium woodii)、巴奇產鹼菌(Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、產生性布洛堤菌(Blautia producta)、嗜甲醇丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous)、太平洋地下厭氧卡拉菌(Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、產氫羧基嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、乙醯丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)、乙醯丁酸梭菌P262(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(Clostridium autoethanogenum)(德國DSMZ之DSM 19630)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 10061)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 23693)、自行乙醇生成梭菌(德國DSMZ之DSM 24138)、羧基梭菌(Clostridium carboxidivorans)P3(ATCC PTA-7827)、克氏梭菌(Clostridium coskati)(ATCC PTA-10522)、德可氏梭菌(Clostridium drakei)、俊達氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)PETC(ATCC 49587)、俊達氏梭菌ERI2(ATCC55380)、俊達氏梭菌C-01(ATCC55988)、俊達氏梭菌O-52(ATCC55889)、美格氏梭菌(Clostridium magnum)、巴斯德氏梭菌(Clostridium pasteurianum)(德國DSMZ之DSM 525)、拉格拉氏梭菌(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、煎盤梭菌(Clostridium scatologenes)、熱醋梭菌(Clostridium thermoaceticum)、雅爾氏梭菌(Clostridium ultunense)、庫茲氏脫硫菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、乙酸甲烷八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、熱醋莫雷拉氏菌(Morrella thermoacetica)、自嗜熱莫雷拉氏菌(Morrella thermoautotrophica)、芬尼氧菌(Oxobacter pfennigii)、產生性腖鏈球菌(Peptostreptococcus productus)、產生性魯米諾球菌(Ruminococcus productus)、凱伍厭氧嗜熱菌 (Thermoanaerobacter kivui)，以及該等之混合物。
  36. 如請求項第31項之方法，其中該方法用於提供約1.0克/升或以上的細胞密度係有效的。
  37. 如請求項第31項之方法，其中該方法用於提供約5%至約99%之一氧化碳轉換率係有效的。
  38. 如請求項第31項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的酵母萃取物。
  39. 如請求項第31項之方法，其中該發酵培養基具有約0.01克/升或以下的碳水化合物。
  40. 一種發酵培養基，其包含：每克生成的細胞約100至約340毫克的氮；每克生成的細胞約10.5至約15毫克的磷；及每克生成的細胞約26至約36毫克的鉀。
  41. 如請求項第40項之發酵培養基，其中該氮源為氫氧化銨。
  42. 如請求項第40項之發酵培養基，其中該磷係由選自於由磷酸、磷酸銨、磷酸鉀及該等之混合物所組成之組群中的一磷源所提供；以及該鉀係由選自於由氯化鉀、磷酸鉀、硝酸鉀、硫酸鉀及該等之混合物所組成之組群中的一鉀源所提供。
  43. 如請求項第40項之發酵培養基，其中該發酵培養基包括下列之一或多者：每克生成的細胞至少約2.7毫克的鐵，每克生成的細胞至少約10微克的鎢， 每克生成的細胞至少約34微克的鎳，每克生成的細胞至少約9微克的鈷，每克生成的細胞至少約4.5毫克的鎂，每克生成的細胞至少約11毫克的硫，及每克生成造的細胞至少約6.5微克的噻胺。
  44. 如請求項第40項之發酵培養基，其中該發酵培養基包括下列之一或多者每克生成的細胞約2.7至約5毫克的鐵，每克生成的細胞約10至約30微克的鎢，每克生成的細胞約34至約40微克的鎳，每克生成的細胞約9至約30微克的鈷，每克生成的細胞約4.5至約10毫克的鎂，每克生成的細胞約11至約20毫克的硫，及每克生成的細胞約6.5至約20微克的噻胺。
  45. 如請求項第44項之發酵培養基，其中該鐵係由選自於由氯化亞鐵、硫酸亞鐵及該等之混合物所組成之組群中之一鐵源所提供；該鎢係由選自於由鎢酸鈉、鎢酸鈣、鎢酸鉀及該等之混合物所組成之組群中之一鎢源所提供；該鎳係由選自於由氯化鎳、硫酸鎳、硝酸鎳及該等之混合物所組成之組群中之一鎳源所提供；該鈷係由選自於由氯化鈷、氟化鈷、溴化鈷、碘化鈷及該等之混合物所組成之組群中之一鈷源所提供；該鎂係由選自於由氯化鎂、硫酸鎂、磷酸鎂所組成之組群中之一鎂源所提供；及該硫係由選自於由半胱胺酸、硫化鈉及該等之混 合物所組成之組群中之一硫源所提供。
  46. 如請求項第40項之發酵培養基，其中該發酵培養基具有約4.2至約4.8之pH值。
TW102117885A 2012-05-22 2013-05-21 操作合成氣發酵法之方法 TWI650422B (zh)

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