TW201623623A - 用於產生及控制衍生自丙酮酸鹽之產物的醱酵方法 - Google Patents

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Abstract

本發明已開發出一種用於在藉由產乙酸一氧化碳營養型微生物來使含CO基質之醱酵期間產生及控制衍生自丙酮酸鹽之產物的方法。所述方法涉及將至少一種由維生素B1、維生素B5、維生素B7以及其混合物所構成的族群中選出之營養物的濃度增加至高於微生物之細胞需求。當濃度增加時，2,3-丁二醇(2,3-butanediol；2,3-BDO)之產量增加，而其他代謝物之產量幾乎不變。所述作用為可逆的，所以當濃度降低時，2,3-BDO之產量亦降低。此允許吾人將乙醇：2,3-BDO之比率控制為可在約4：1至約1：2之範圍內變化的所需值。

Description

用於產生及控制衍生自丙酮酸鹽之產物的醱酵方法
本發明是關於用於改變醱酵系統之代謝物特性曲線的方法，其經由調節液體培養基(liquid nutrient medium)中關鍵養分之濃度來進行。特定言之，本發明是關於用於在醱酵方法中增加2,3-丁二醇之產量的方法。
用於運輸之生物燃料為引人注目之汽油替代品，且以低濃度摻合物之形式快速滲入燃料市場。來源於天然植物來源之生物燃料比來源於化石來源之彼等生物燃料(諸如汽油)更具環境可持續性，其使用使得由於燃料燃燒而釋放至大氣中之所謂化石二氧化碳(carbon dioxide；CO2)氣體的含量降低。另外，生物燃料可在許多地區局部產生，且可起到減少對進口化石能源之依賴的作用。適合用作生物燃料之醇包含乙醇、丁醇以及2,3-丁二醇。
乙醇正在世界上快速變成主要之富氫液體運輸燃料。2002年世界範圍之乙醇消耗估計為108億加侖。亦預測將來燃料乙醇工業之全球市場急劇增長，此歸因於乙醇在歐洲、日本、USA以及若干開發中國家中之關注增加。
包含1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇以及2,3-丁二醇之丁二醇可視為具有優於乙醇之多種優點。如同乙醇，丁二醇可直接用作汽 車燃料添加劑。其亦可相對容易地轉型為多種其他潛在地具有較高價值及/或較高能量之產物。舉例而言，2,3-丁二醇可容易地在二步方法中轉變為八碳二聚物，其可用作航空燃料。
2,3-丁二醇自其二官能主鏈衍生出其變化性，亦即2個羥基位於C原子附近以允許所述分子相當容易地轉變為諸如丁二烯、丁二酮、乙偶姻(acetoin)、甲基乙基酮等。此等化合物用作基礎分子以製造大範圍的工業生產之化學品。
另外，2,3-丁二醇可用作內燃機中之燃料。其在若干方面與乙醇相比更類似於汽油。隨著對環境可持續燃料之生產及應用的關注加強，對產生2,3-丁二醇(常稱為生物丁醇)之生物方法的關注增加。
一氧化碳(carbon monoxide；CO)為諸如煤或石油及來源於石油之產品的有機材料不完全燃燒的主要副產物。儘管含碳前驅物之完全燃燒得到CO2及水作為唯一最終產物，但一些工業方法需要高溫，其有利於一氧化碳累積超過CO2。一個實例為鋼鐵工業，其中需要高溫以生成所需鋼品質。舉例而言，據報導，澳大利亞之鋼鐵工業每年產生且向大氣中釋放超過500,000噸CO。
此外，CO亦為合成氣之主要組分，其中藉由含碳燃料之氣化生成變化量之CO及H2。舉例而言，合成氣可藉由使廢棄木材及木料之有機生物質裂解來產生，以生成用於產生燃料及較複雜化學品之前驅物。
CO釋放至大氣中可能具有明顯環境影響。另外，可能需要支付排放稅，增加工業設備之成本。因為CO為富含反應性能量之分子，所以其可用作用於產生多種化學品之前驅化合物。然而，此有價值之原料未用於生產2,3-丁二醇。
已證明2,3-丁二醇可藉由含有碳水化合物之原料的微生物醱酵來產生(許MJ(Syu MJ)，應用微生物學與生物技術(Appl Microbiol Biotechnol) 55：10-18(2001)，秦(Qin)等人，中國化學工程學報(Chinese J Chem Eng)14(1)：132-136(2006))。2,3-丁二醇亦可藉由來自農作物(諸如甜菜、玉米、小麥以及甘蔗)之生物質的微生物醱酵來產生。然而，此等碳水化合物原料之成本受其作為人類食物或動物飼料之價值的影響，且培養產澱粉或蔗糖農作物以用於2,3-丁二醇生產並非在所有地區均為經濟上可持續的。因此，關注開發將較低成本及/或較豐富之碳來源轉化為2,3-丁二醇的技術。
已證明藉由包括CO之氣態基質的微生物醱酵產生2,3-丁二醇。然而，藉由此等方法之2,3-丁二醇生產已為次要產物。在醱酵中其他產物(包含乙醇)之產生為有利的。丁二醇之價值比在所述醱酵中產生之其他產物高。需要能夠以使得2,3-丁二醇之產量增加的方式來影響醱酵。先前已展示2,3-丁二醇生產率增加受微生物培養物之氫消耗速率的影響(WO2012131627)。
本領域中仍需要增加以經濟上有益之方式自工業氣態基質產生有價值產物的能力。需要相對於其他產物之產量提昇2,3-丁二醇之產量，所述其他產物在藉由一氧化碳營養型細菌之氣態基質醱酵中常規產生。
本發明提供對本領域中需要之響應。本發明提供用於控制衍生自丙酮酸鹽之產物之產量的方法，所述衍生自丙酮酸鹽之產物藉由氣態基質之微生物醱酵來產生。本發明進一步提供用於相對於衍生自乙醯基-coA之產物增加衍生自丙酮酸鹽之產物之產量的方法。在特定實施例中，提供一種用於相對於其他醱酵產物(諸如乙醇及乙酸)增加2,3-丁二醇之產量的方法。
在本發明之第一態樣中，提供一種在微生物醱酵期間增加碳向丙酮酸鹽之流動的方法，所述方法包括： a)向包括至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物於液體培養基中之培養物的生物反應器中提供包括CO之氣態基質以產生至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物及至少衍生自乙醯基-CoA之產物；及b)將所述液體培養基中至少一種養分之濃度增加至高於所述至少一種產乙酸微生物之細胞需求的濃度，以使得所述碳向丙酮酸鹽之流動增加，所述養分由以下各者所構成的族群中選出：1)維生素B1；2)維生素B5；以及3)維生素B7。
在特定實施例中，增加液體培養基中至少一種養分之濃度以便增加至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物的產量。在一個特定實施例中，增加液體培養基中至少一種養分之濃度進一步增加生物反應器中之生物質密度。
在特定實施例中，在液體培養基中增加維生素B1、B5或B7、或其混合物之濃度。在特定實施例中，增加維生素B1、B5或B7、或其混合物之濃度超出液體培養基中至少一種微生物之細胞需求。在特定實施例中，將維生素B1、B5或B7、或其混合物之濃度增加至液體培養基中至少一種微生物之細胞需求的至少兩倍。在特定實施例中，將維生素B1、B5或B7、或其混合物之濃度增加至液體培養基中至少一種微生物之細胞需求的至少十倍。在特定實施例中，增加液體培養基中維生素B1、B5或B7、或其混合物之濃度不增加生物反應器中之生物質密度。
在一個實施例中，至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物為2,3-丁二醇(2,3-BDO)。替代性地，至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物是由以下 各者所構成的族群中選出：乳酸鹽、丁二酸鹽、甲基乙基酮(methyl ethyl ketone；MEK)、2-丁醇、丙二醇、2-丙醇、異丙醇、乙偶姻、異丁醇、甲基蘋果酸(citramalate)、丁二烯以及聚乳酸(poly lactic acid；PLA)。在一個實施例中，至少一種衍生自乙醯基-CoA之產物是由以下各者所構成的族群中選出：乙醇、乙酸、丙酮、丁醇、異丁烯、3-羥基丙酸鹽(3-hydroxy propionate；3HP)以及脂肪酸。在其他實施例中，至少一種衍生自乙醯基-CoA之產物為乙醇。
在第二態樣中，本發明提供一種增加藉由微生物醱酵而產生之2,3-丁二醇比乙醇之比率的方法，所述方法包括：a)向包括至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物於液體培養基中之培養物的生物反應器中提供包括CO之氣態基質以產生至少2,3-丁二醇及乙醇；及b)將所述液體培養基中至少一種養分之濃度增加至高於所述至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物之細胞需求的濃度，以使得2,3-丁二醇比乙醇之比率增加，所述養分由以下各者所構成的族群中選出：1)維生素B1；2)維生素B5；3)維生素B7以及其混合物。
在特定實施例中，增加液體培養基中之至少一種養分藉由增加2,3-BDO之產量而降低乙醇：2,3-丁二醇之比率。在特定實施例中，乙醇比2,3-BDO之比率在約4：1至約1：2之範圍內變化。
在特定實施例中，增加液體培養基中至少一種養分之濃度，以使得微生物以每天至少5公克/公升或每天至少10公克/公升或每天至少20公克/公升或每天至少30公克/公升之產生速率來產生2,3-丁二醇。
在特定實施例中，產乙酸一氧化碳營養型微生物是由以下各者 所構成的族群中選出：梭菌屬(Clostridium)、穆爾氏菌屬(Moorella)、產乙酸桿菌屬(Oxobacter)、消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)、醋桿菌屬(Acetobacterium)、真桿菌屬(Eubacterium)或丁酸桿菌屬(Butyribacterium)。在各種實施例中，微生物是由包括以下各者的族群中選出：自產乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、揚氏梭菌(Clostridium ljungdahli)、嗜一氧化碳梭菌(Clostridium carboxidivorans)、德雷克梭菌(Clostridium drakei)、糞味梭菌(Clostridium scatologenes)、乙酸梭菌(Clostridium aceticum)、甲酸乙酸梭菌(Clostridium formicoaceticum)、大梭菌(Clostridium magnum)、甲基營養型丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrphoicum)、伍氏醋桿菌(Acetobacterium woodii)、產乙醇鹼性桿菌(Alkalibaculum bacchi)、長生布勞特菌(Blautia producta)、遲緩真桿菌(Eubacterium limosum)、熱醋酸穆爾氏菌(Moorella thermoacetica)、卵形鼠孢菌(Sporomusa ovata)、森林產乙酸鼠孢菌(Sporomusa silvacetica)、球形鼠孢菌(Sporomusa sphaeroides)、普氏產乙酸桿菌(Oxobacter pfennigii)以及基伍嗜熱厭氧桿菌(Thermoanaerobacter kiuvi)。
在特定實施例中，產乙酸一氧化碳營養型微生物為自產乙醇梭菌或揚氏梭菌。在一個特定實施例中，微生物為自產乙醇梭菌。在一個特定實施例中，細菌具有寄存編號DSM10061、DSM19630或DSM23693之識別特徵。此等細菌已寄存在德國生物材料資源中心(German Resource Centre for Biological Material；DSMZ)，其地址為德國布倫瑞克D-38124，因霍芬路7 B，DSMZ有限公司(DSMZ GmbH Inhoffenstraße,7 B,D-38124 Braunschweig,Germany)。
本發明亦包含在本申請案之說明書中單獨或共同地提及或指示 之部分、要素及特徵，其呈兩個或大於兩個所述部分、要素或特徵之任何或所有組合形式，且在本文中提及具有與本發明關聯之領域中之已知等效物的具體整體的情況下，所述已知等效物視為如同單獨地闡述一般併入本文中。
本發明之此等及其他態樣(應視為在其所有新穎態樣中)將參考附圖由以下僅藉助於實例給出之描述而變得顯而易見，在所述附圖中：
圖1提供在自產乙醇梭菌中之乙醇及2,3-丁二醇產生路徑的示意性圖示，且說明其中維生素B1、B5以及B7用作輔因子。
圖2呈現來自實例3之代謝物及生物質濃度的曲線圖。
圖3呈現展示實驗3氣體吸收(uptake)特性曲線之曲線圖。
圖4呈現實例5之代謝物及生物質濃度對比時間的曲線圖。
圖5呈現展示實例5氣體吸收之曲線圖。
本發明者已設計用於控制藉由至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物之培養物而產生之代謝產物的方法。特定言之，本發明提供用於增加至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物之產量的方法，所述衍生自丙酮酸鹽之產物藉由用至少一種一氧化碳營養型產乙酸微生物對氣態CO基質進行微生物醱酵來產生。
定義
術語「2,3-丁二醇」或2,3-BDO應解釋為包含所述化合物之所有對映異構及非對映異構體形式，包含(R,R)、(S,S)及內消旋形式、外消旋、部分立體異構純及/或實質上立體異構純形式。
術語「生物反應器」包含由一或多個容器及/或塔或管道配置組成之醱酵裝置，其包含連續攪拌槽反應器(Continuous Stirred Tank Reactor；CSTR)、固定單元反應器(Immobilized Cell Reactor；ICR)、滴流床反應器(Trickle Bed Reactor；TBR)、氣泡塔(Bubble Column)、氣體提昇醱酵槽(Gas Lift Fermenter)、靜態混合器、循環環流反應器、膜反應器(諸如空心纖維膜生物反應器(Hollow Fibre Membrane Bioreactor；HFM BR))或適合於氣液接觸之其他容器或其他裝置。如本文下文所描述，在一些實施例中，生物反應器可包括第一生長反應器及第二醱酵反應器。因此，當提及向生物反應器或醱酵反應中添加基質，例如包括一氧化碳之基質時，應理解為包含在適當時向此等反應器中之任一或兩者中添加。
術語「養分」包含可用於微生物代謝路徑中之任何物質。例示性養分包含鉀、B維生素、痕量金屬以及胺基酸。
術語「氣態基質」及/或「基質」包含含有在醱酵中由微生物使用以作為碳來源及視情況作為能量來源之化合物或元素的任何氣體。氣態基質典型地將含有明顯比例的CO、CO2、H2或其混合物中之任一者。
術語「包括一氧化碳之基質」及類似術語應理解為包含其中一氧化碳可供用於一或多種細菌菌株以用於例如生長及/或醱酵的任何基質。
「包括一氧化碳之氣態基質」包含含有一定含量一氧化碳之任何氣體。氣態基質將典型地含有主要比例之CO，較佳地至少約15體積%至約95體積% CO。
「包括CO2之基質」包含含有一定含量二氧化碳之任何基質物料流。然而，應瞭解氣態基質以替代形式提供。舉例而言，含有CO2之氣態基質可以溶解於液體中之形式提供。基本上，液體經含有二氧化碳之氣體飽和，且隨後將所述液體添加至生物反應器中。此可使用標準方法來達成。藉助於實例，可使用微泡分散液生成器(亨西里薩克 (Hensirisak)等人用於好氧醱酵之微泡分散液生成器的規模放大(Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation)；應用生物化學與生物技術(Applied Biochemistry and Biotechnology)第101卷，第3冊/2002年10月)。藉助於另一實例，含有CO2及H2之氣態基質可吸附至固體載體上。
如本文所用之術語「產物」意欲涵蓋藉由微生物醱酵產生之物質。產物可包含醇、酸或其他化學品。產物亦可包含藉由微生物醱酵方法產生之氣體。
術語“增加效率”、“增加之效率”以及其類似術語在與醱酵方法相關使用時包含(但不限於)增加以下各者中之一或多者：催化醱酵之微生物的生長速率、在較高丁二醇濃度下之生長及/或產物產生速率、每消耗之底物體積所產生的所需產物之體積、所需產物之產生速率或產生水平、以及與醱酵之其他副產物相比，所產生之所需產物的相對比例。
術語「生產率」或「產生速率」為產物之體積生產率。在連續系統中，體積生產率計算為產物穩態濃度與液體滯留時間之比率。在分批系統中，體積生產率計算為在分批系統中的濃度及產生所述濃度所需之時間。體積生產率以公克/公升/天為單位報導。
除非上下文另有要求，否則如本文所用，片語「醱酵」、「醱酵方法」或「醱酵反應」以及其類似片語意欲涵蓋所述方法之生長階段及產物生物合成階段。
如本文所用之術語「衍生自丙酮酸鹽之產物(pyruvate derived products/products derived from pyruvate)」或類似術語意欲涵蓋具有丙酮酸鹽前驅物之醱酵產物。此等產物包含(但不限於)2,3-丁二醇、乳酸鹽、丁二酸鹽、甲基乙基酮(MEK)、2-丁醇、丙二醇、2-丙醇、異丙醇、乙偶姻、異丁醇、甲基蘋果酸、丁二烯以及聚乳酸 (PLA)。
如本文所用之術語「衍生自乙醯基coA之產物(Acetyl coA derived products/products derived from Acetyl coA)」或類似術語意欲涵蓋具有乙醯基coA前驅物之醱酵產物。此等產物包含(但不限於)乙醇、乙酸、丙酮、丁醇、異丁烯、3-羥基丙酸鹽(3HP)以及脂肪酸。
在如下描述中，使用2,3-BDO作為衍生自丙酮酸鹽之產物的實例，而使用乙醇作為衍生自乙醯基coA之產物的實例。應理解本發明並不限於此兩種具體產物，而涵蓋以上列舉之所有衍生自丙酮酸鹽及乙醯基coA之產物。
用於使包括一氧化碳之氣態基質微生物醱酵以產生諸如乙醇及乙酸鹽之產物的方法為本領域中廣泛已知。所述方法提供一種由包括CO之工業廢氣生產商業上適用之燃料的手段。此等方法一般涉及將包括CO之氣態基質饋入包括至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物於液體培養基中之培養物的生物反應器中。氣態基質經厭氧醱酵以產生醇、酸以及其混合物。用於生物反應器中之液體培養基典型地含有支持所述至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物生長的各種養分，且用於一或多種微生物之代謝路徑中以便產生醇。所述養分之實例包含MgCl、CaCl、KCl、H3PO4、Fe、Ni、Zn、Mn、B、W、Se等。
亦已知2,3-BDO可以各種濃度(通常以比乙醇低得多的濃度)與乙醇一起產生。在某些情況下，可能需要產生儘可能多之2,3-BDO，而在其他情況下，可能需要產生儘可能多之乙醇。出乎意料地，本發明者已發現，在醱酵開始時或在醱酵期間較晚時間點時增加液體培養基中具體養分之濃度改變醱酵之代謝物特性曲線，以使得衍生自丙酮酸鹽之產物(例如2,3-BDO)的產量增加，而幾乎不影響衍生自乙醯基coA之產物(例如乙醇)的產量。儘管已觀察到作用主要是對於 2,3-BDO及乙醇，但無理由懷疑其他衍生自丙酮酸鹽之產物及衍生自乙醯基coA之產物將不受類似影響。發現在以超過生長及產物產生必需之細胞需求的量供應時增加衍生自丙酮酸鹽之產物的具體養分是由以下各者所構成的族群中選出：1)維生素B1；2)維生素B5；3)維生素B7以及其混合物。
本發明之一個實施例涉及調節液體培養基中之B維生素濃度，例如將其增加至高於一氧化碳營養型產乙酸微生物之細胞需求。增加維生素B1及B5(自產乙醇梭菌代謝必需之兩種B維生素)之含量具有增加2,3-BDO之產量的作用。此等維生素已識別為涉及2,3-BDO產生中之中間物(包含乙醯基CoA、丙酮酸鹽及乙醯乳酸鹽)的生物合成之酶的關鍵輔因子。B維生素作為輔因子之作用說明於圖1中。
在本領域中教示一氧化碳營養型微生物(諸如揚氏梭菌)需要每公克所產生之生物質50微克維生素B5以用於生長(例如WO 2002/08438)。已證明藉由將液體培養基中維生素B5或B1之一的濃度增加至細胞需求之約2倍至約80倍(或大於80倍)增加衍生自丙酮酸鹽之產物的產量。在特定實施例中，可將液體培養基中維生素B5之濃度增加至細胞需求之約2倍至約80倍或約2倍至約60倍或2倍至約40倍或約2倍至約30倍或約2倍至約20倍或約2倍至約10倍或約4倍至約80倍或約4倍至約60倍或約4倍至約40倍或約4倍至約30倍或約4倍至約20倍或約4倍至約15倍或約4倍至約10倍或約8倍至約80倍或約8倍至約60倍或約8倍至約40倍或約8倍至約30倍或約8倍至約20倍或約15倍至約80倍或約15倍至約60倍或15倍至約40倍或15倍至約30倍或約25倍至約80倍或25倍至約60倍或約25倍至約40倍或約80倍或約40倍至約60倍。就實際濃度而言，本發明之一個較廣泛實施例為其中液體培養基中之 維生素B5濃度為約100微克/公克所產生之生物質至約4000微克/公克所產生之生物質的實施例。在特定實施例中，液體培養基中維生素B5之濃度為每公克所產生之生物質約100微克至約3000微克或100微克至約2000微克或約100微克至約1500微克或100微克至約1000微克或200微克至約4000微克或200微克至約3000微克或200微克至約2000微克或200微克至約1500微克或200微克至約1000微克或400微克至約4000微克或400微克至約3000微克或約400微克至約2000微克或400微克至約1500微克或600微克至約4000微克或600微克至約3000微克或600微克至約2000微克。
在維生素B1的情況下，本發明之一個較廣泛實施例為其中將液體培養基中之維生素B1濃度增加至細胞需求之約2倍至約30倍或約2倍至約20倍或約2倍至約10倍或約4倍至約30倍或約4倍至約20倍或約4倍至約15倍或約6倍至約30倍或約6倍至約20倍或約6倍至約15倍或約8倍至約30倍或約8倍至約20倍或約10倍至約30倍或約15倍至約30倍或約20倍至約30倍的實施例。就實際濃度而言，本發明之一個較廣泛實施例為其中液體培養基中之維生素B1濃度為每公克所產生之生物質約20微克至約500微克的實施例。在特定實施例中，液體培養基中維生素B1之濃度可在每公克所產生之生物質約20微克至約400微克或約20微克至約300微克或約20微克至約200微克或約40微克至約500微克或40微克至約300微克或約40微克至約200微克或約60微克至約500微克或約60微克至約400微克或約60微克至約300微克或約60微克至約200微克或約100微克至約500微克或約100微克至約400微克或約100微克至約300微克或約100微克至約200微克的範圍內變化。
本發明者已證明增加液體培養基中維生素B7之濃度導致增加的2,3-BDO之產量。此增加歸因於增加代謝前驅物之可獲得性。維生素B7為乙醯基-CoA羧化酶及丙酮酸鹽羧化酶活性所需的。出乎意料 地，本發明者已展示，藉由增加維生素B7之濃度以使得B7以超過微生物之細胞需求的量提供，2,3-BDO之產量增加。有趣地，已證明B7之增加不影響生物質產量或CO吸收。在特定實施例中，可將液體培養基中維生素B7之濃度增加至細胞需求之約2倍至約30倍或約2倍至約20倍或2倍至約15倍或約2倍至約10倍或約4倍至約20倍或約4倍至約15倍或約4倍至約10倍。在特定實施例中，液體培養基中維生素B7之濃度可在每公克所產生之生物質約100微克至4000或100微克至約3000微克或100微克至約2000微克或約100微克至約1500微克或約100微克至約1000微克或200微克至約4000微克或200微克至約3000微克或200微克至約2000微克或200微克至約1500微克或200微克至約1000微克或400微克至約4000微克或400微克至約3000微克或約400微克至約2000微克或400微克至約1500微克或600微克至約4000微克或600微克至約3000微克或600微克至約2000微克的範圍內變化。在特定實施例中，增加液體培養基中維生素B7之濃度改良乙醇：2,3-BDO之比率，使之有利於2,3-BDO。
當將B維生素中之任一者增加至高於細胞需求(如上文所描述)時，衍生自丙酮酸鹽之產物(例如2,3-BDO)的產量及濃度增加，而衍生自乙醯基coA之產物(例如乙醇)的產量或濃度幾乎不受影響。因此，本發明之另一個態樣為可藉由在以上闡述之範圍內調節B維生素中之至少一者的濃度來將乙醇：2,3-BDO之比率控制為一定值或範圍。因此，乙醇：2,3-BDO比率可在約4：1至約1：2或約4：1至約1：1或4：1至約2：1或約3：1至約1：2或約3：1至約1：1或約3：1至約2：1變化，其中在較高B維生素濃度下達成較低比率(較高2,3-BDO濃度/產量)。
在特定實施例中，在醱酵方法開始時將液體培養基中至少一種養分濃度增加至高於細胞需求且維持在過量濃度下，亦即在整個方法中高於細胞需求。替代性地，使用包括標準濃度養分之液體培養基開 始醱酵方法，且在醱酵方法期間的具體時間點處將養分濃度增加至高於細胞需求之所需濃度。亦已發現當至少一種養分之濃度自高於細胞需求之濃度降低至細胞需求之濃度或兩者之間某處時，2,3-BDO之產量減少。在其中濃度減少至細胞需求濃度之情況下，2,3-BDO之產量返回實質上初始之產量。因此，本發明允許吾人在全部醱酵方法期間或在各個時間週期期間調整衍生自丙酮酸鹽之產物(例如2,3-BDO)及衍生自乙醯基coA之產物(例如乙醇)的產量。若醱酵之產物(例如2,3-BDO及乙醇)用於產生其他化學品(諸如丁二烯)或燃料(例如噴射機燃料)，則此尤其重要。
藉由產乙酸一氧化碳營養型微生物使包括CO之氣態基質醱酵導致以相對高濃度產生乙醇作為主要醱酵產物，且產生相對較低濃度之2,3-BDO。因此，提供一種用於降低乙醇：2,3-丁二醇之比率，亦即增加藉由氣態CO基質微生物醱酵產生之2,3-BDO濃度的方法，其藉由將維生素B1、維生素B5或維生素B7中之至少一者的濃度增加至高於其細胞需求來進行。維生素B1、維生素B5以及維生素B7之濃度可單獨或以任何組合形式變化。亦即，可單獨增加維生素B5，可單獨增加維生素B1等。替代性地，可增加維生素B5及維生素B1而保持維生素B7恆定；可增加維生素B7及維生素B5而保持維生素B1恆定，或可增加維生素B1及B7而保持維生素B5恆定。在又另一個實施例中，將所有三種B維生素增加至高於其細胞需求。
在特定實施例中，將液體培養基中以上養分中之至少一者的濃度增加至高於細胞需求，以使得微生物以大於每天5公克/公升或大於每天10公克/公升或大於每天20公克/公升之產生速率產生2,3-丁二醇。
在特定實施例中，微生物能夠利用CO以大於每天10公克/公升或大於每天15公克/公升或大於每天20公克/公升或大於每天30公克/公升 或大於每天40公克/公升之產生速率產生乙醇。
在所述方法之特定實施例中，醱酵方法為連續法。在所述方法之一個實施例中，使用雙生物反應器來產生2,3-丁二醇及乙醇。在一個實施例中，使用多反應器系統。
醱酵可在任何適合之生物反應器中進行，所述生物反應器諸如固定單元反應器、氣體提昇反應器、氣泡塔反應器(bubble column reactor；BCR)、膜反應器(諸如空心纖維膜生物反應器(HFMBR))或滴流床反應器(TBR)。另外，在本發明之一些實施例中，生物反應器可包括第一生長反應器(其中培養微生物)及第二醱酵反應器(可向其中饋入來自所述生長反應器之醱酵液且其中可產生大部分醱酵產物(例如乙醇及乙酸鹽))。本發明之生物反應器用以接受由以下各者所構成的族群中選出之氣態基質：CO、CO2、H2以及其混合物。
產乙酸一氧化碳營養型細菌是由以下各者中選出：梭菌屬、穆爾氏菌屬、產乙酸桿菌屬、消化鏈球菌屬、醋桿菌屬、真桿菌屬或丁酸桿菌屬。在各種實施例中，微生物是由以下各者所構成的族群中選出：自產乙醇梭菌、揚氏梭菌、嗜一氧化碳梭菌、德雷克梭菌、糞味梭菌、乙酸梭菌、甲酸乙酸梭菌、大梭菌、甲基營養型丁酸桿菌、伍氏醋桿菌、產乙醇鹼性桿菌、長生布勞特菌、遲緩真桿菌、熱醋酸穆爾氏菌、卵形鼠孢菌、森林產乙酸鼠孢菌、球形鼠孢菌、普氏產乙酸桿菌以及基伍嗜熱厭氧桿菌。
在特定實施例中，微生物為自產乙醇梭菌或揚氏梭菌。在一個特定實施例中，微生物為自產乙醇梭菌。在一個特定實施例中，自產乙醇梭菌為具有在德國生物材料資源中心(DSMZ)寄存且寄存編號為DSM10061或DSM19630或DSM 23693之菌株識別特徵的自產乙醇梭菌。
應注意，對本文所描述之本發明較佳實施例的各種改變及修改將為於本領域具通常知識者顯而易知。所述改變及修改可在不脫離本發明之精神及範疇的情況下且在不消除其伴隨優點的情況下進行。因此預期所述改變及修改包含在本發明之範疇內。
醱酵
如上所述，適合用於本發明之細菌實例包含梭菌屬之彼等細菌，諸如揚氏梭菌菌株，包含WO 00/68407、EP 117309、美國專利第5,173,429號、第5,593,886號以及第6,368,819號、WO 98/00558及WO 02/08438中所描述之彼等菌株；嗜一氧化碳梭菌(利烏(Liou)等人，國際系統與進化微生物學雜誌(International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology)33：第2085-2091頁)以及自產乙醇梭菌(阿布里尼(Abrini)等人，微生物學文獻集(Archives of Microbiology)161：第345-351頁)。其他適合之細菌包含穆爾氏菌屬之彼等細菌，包含穆爾氏菌HUC22-1(阪井(Sakai)等人，生物技術快報(Biotechnology Letters)29：第1607-1612頁)及羧基嗜熱菌屬之彼等細菌(斯韋特利奇內(Svetlichny),V.A.等人(1991)，系統與應用微生物學(Systematic and Applied Microbiology)14：254-260)。此等公開案中之每一者的揭露內容以引用之方式併入本文中。另外，其他一氧化碳營養型厭氧細菌可由於本領域具通常知識者用於本發明之方法中。在考慮本發明後亦應瞭解，兩種或大於兩種細菌之混合培養物可用於本發明之方法中。
用於本發明之方法中的細菌之培養可使用本領域中已知用於使用厭氧細菌培養及醱酵基質的多種方法來進行。例示性技術提供於以下「實例」部分中。藉助於另一實例，可利用一般描述於以下文章中的使用氣態基質用於醱酵之彼等方法：(i)K.T.克拉松(Klasson)等人(1991).用於合成氣體醱酵來源之生物反應器(Bioreactors for synthesis gas fermentations resources).環保與回收，5；145-165；(ii)K.T.克拉松等人(1991).用於合成氣體醱酵之生物反應器設計(Bioreactor design for synthesis gas fermentations).燃料(Fuel).70.605-614；(iii)K.T.克拉松等人(1992).合成氣體向液體或氣態燃料之生物轉化(Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels).酶及微生物技術(Enzyme and Microbial Technology).14；602-608；(iv)J.L.維加(Vega)等人(1989).氣態基質醱酵研究：一氧化碳向乙酸鹽之轉化.2.連續培養(Study of Gaseous Substrate Fermentation：Carbon Monoxide Conversion to Acetate.2.Continuous Culture).生物技術與生物工程(Biotech.Bioeng.)34.6.785-793；(vi)J.L.維加等人(1989).氣態基質醱酵研究：一氧化碳向乙酸鹽之轉化.1.分批培養(Study of gaseous substrate fermentation：Carbon monoxide conversion to acetate.1.Batch culture).生物技術與生物工程(Biotechnology and Bioengineering).34.6.774-784；(vii)J.L.維加等人(1990).用於煤合成氣體醱酵之生物反應器設計(Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations).資源保護與回收(Resources,Conservation and Recycling).3.149-160；以上所有以引用之方式併入本文中。
在一個實施例中是由一氧化碳營養型梭菌之族群中選出，包括自產乙醇梭菌、揚氏梭菌、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)、嗜一氧化碳梭菌、德雷克梭菌、糞味梭菌、乙酸梭菌、甲酸乙酸梭菌、大梭菌。在另一個實施例中，微生物來自包括物種自產乙醇梭菌、揚氏梭菌及拉氏梭菌以及相關分離株的一氧化碳營養型梭菌之簇。這些物種包含但不限於菌株自產乙醇梭菌JAI-1T(DSM10061)(阿布里尼(Abrini)，納沃(Naveau)以及尼恩斯(Nyns)1994)；自產乙醇梭菌LBS1560(DSM19630)(WO/2009/064200)；自產乙醇梭菌 LBS1561(DSM23693)；揚氏梭菌PETCT(DSM13528=ATCC 55383)(泰納(Tanner)，米勒(Miller)以及楊(Yang)1993)；揚氏梭菌ERI-2(ATCC 55380)(美國專利5,593,886)；揚氏梭菌C-01(ATCC 55988)(美國專利6,368,819)；揚氏梭菌O-52(ATCC 55989)(美國專利6,368,819)；拉氏梭菌P11T(ATCC BAA-622)(WO 2008/028055)；相關分離株，諸如「科氏梭菌(C.coskatii)」(US20110229947)及「梭菌」(秋林(Tyurin)及基留欣(Kiriukhin)2012)；或突變菌株，例如揚氏梭菌OTA-1(蒂拉多-阿塞韋多(Tirado-Acevedo)O.使用揚氏梭菌自合成氣產生生物乙醇(Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii).北卡羅來納州大學博士論文(PhD thesis,North Carolina State University),2010)。此等菌株在梭菌rRNA簇I內形成子簇，且其16S rRNA基因超過99%一致，具有約30%的類似低GC含量。然而，DNA-DNA重締合及DNA指紋識別實驗展示，此等菌株屬於不同物種(WO 2008/028055)。
上述簇之所有物種具有類似形態及尺寸(對數生長細胞在0.5-0.7×3-5μm之間)，為嗜溫性的(最佳生長溫度在30-37℃之間)且為絕對厭氧生物(阿布里尼等人，1994；泰納等人，1993)(WO 2008/028055)。此外，其均具有相同主要系統發育性狀，諸如相同pH範圍(pH 4-7.5，最佳初始pH為5.5-6)，具有類似生長速率的依靠含CO氣體之強自養生長，以及以乙醇及乙酸作為主要醱酵最終產物以及在某些條件下形成的少量2,3-丁二醇及乳酸的類似代謝型態。(阿布里尼等人，1994；科普克(Köpke)等人，2011；泰納等人，1993)(WO 2008/028055)。在所有三個物種下同樣觀察到吲哚產生。然而，物種之區別在於各種糖(例如鼠李糖、阿拉伯糖)、酸(例如葡糖酸鹽、檸檬酸鹽)、胺基酸(例如精胺酸、組胺酸)或其他基質 (例如甜菜鹼、丁醇)之基質利用率。此外，發現一些物種對某些維生素(例如硫胺、生物素)為營養缺陷型的，而其他不是。已發現引起氣體吸收之伍德-揚達爾路徑基因的組織及數目在所有物種中相同，儘管核酸及胺基酸序列有差異(科普克等人，2011)。亦在一系列此等有機體中展示羧酸向其對應醇之還原(珀勒茲(Perez)、黎克特(Richter)、洛夫特斯(Loftus)以及安格嫩特(Angenent),2012)。因此，此等性狀並非對一種生物體(如自產乙醇梭菌或揚氏梭菌)具有特異性，而相反地為一氧化碳營養型乙醇合成梭菌屬之一般性狀，且可預料儘管可能存在效能差異，但在全部此等菌株作用機制類似(珀勒茲等人，2012)。
醱酵可在任何適合之生物反應器中進行。在本發明之一些實施例中，生物反應器可包括第一生長反應器(其中培養微生物)及第二醱酵反應器(向其中饋入來自所述生長反應器之醱酵液且其中產生大部分醱酵產物(例如乙醇及乙酸鹽))。
含CO基質
本發明之醱酵反應中使用包括一氧化碳之基質，較佳包括一氧化碳之氣態基質。氣態基質可為以工業方法副產物形式獲得之廢氣，或來自一些其他來源，諸如來自燃燒發動機(例如汽車)尾氣(exhaust fume)。在某些實施例中，工業方法是由以下各者所構成的族群中選出：鐵金屬產品製造(諸如在軋鋼廠中進行)、非鐵產品製造、石油精煉方法、煤炭氣化、電力生產、碳黑生產、氨生產、甲醇生產以及焦炭製造。在此等實施例中，使用任何便利方法將含CO氣體在其排放至大氣中之前自工業方法捕獲。
在一個具體實施例中，包括CO之基質來源於鋼製造方法。在鋼製造方法中，將鐵礦碾碎且磨成粉狀，對其進行諸如燒結或粒化之預處理，且隨後穿過將其熔煉之高爐(blast furnace；BF)。在熔煉過程 中，焦炭充當碳來源，其作為還原劑起到使鐵礦還原之作用。焦炭充當用於加熱及熔化材料之熱源。在鹼性氧氣轉爐(basic oxygen furnace；BOF)中藉由針對熱金屬表面噴射純氧氣高速度噴射流來使所述熱金屬脫碳(decarburise)。氧氣與熱金屬中之碳直接反應以產生一氧化碳(CO)。因此，具有高CO含量之氣流自BOF排出。根據本發明之某些實施例，此物料流用於饋入給一或多種醱酵反應。然而，如於本領域具通常知識者將顯而易見的，CO可在鋼製造方法內之其他地方產生，且根據本發明之各種實施例，所述替代性來源可代替來自BOF之廢氣或與所述廢氣組合使用。視來源(亦即在鋼製造方法內之特定階段)而定，由此排出之氣體的CO含量可變化。另外，當在所述物料流中之一或多者中存在中斷時，尤其在分批加工設備中可存在週期。
典型地，自軋鋼廠脫碳過程排出之物料流包括高濃度之CO及低濃度之H2。雖然所述物料流可在極少進一步處理或不進行進一步處理之情況下直接送至生物反應器中，但可能需要使基質物料流之組成最佳化以便達成醇產生及/或總碳捕獲之較高效率。舉例而言，基質物料流中H2之濃度可在將物料流送至生物反應器中之前增加。
根據本發明之特定實施例，可組合及/或摻合來自兩種或大於兩種來源之物料流以產生所需及/或最佳化之基質物料流。舉例而言，包括高濃度CO之物料流(諸如來自軋鋼廠轉化器之廢氣)可與包括高濃度H2之物料流(諸如來自軋鋼廠煉焦爐之排出氣體)組合。
鋼製造方法之初期典型地涉及使用焦炭使鐵礦還原。焦炭為用於使鐵礦熔化及還原之固體碳燃料源，且典型地在軋鋼廠現場產生。在焦炭製造方法中，將煙煤饋入至一系列爐中，其在不存在氧氣之情況下密封且在高溫下加熱，典型地在持續14小時至36小時之循環中。殘餘在爐中之固體碳為焦炭。將其送至淬滅塔中，其中其經水噴霧冷 卻或藉由惰性氣體(氮氣)循環冷卻，隨後篩檢且傳送至高爐中。
在此方法期間產生之揮發性化合物一般經加工以移除焦油、氨、萘、苯酚、輕油以及硫，隨後將氣體用作使爐加熱之燃料。由於焦炭生產而產生之氣體典型地具有高H2含量(典型組成：55% H2、25% CH4、6% CO、3% N2、2%其他烴)。因此，煉焦爐氣體之至少一部分可分流至醱酵方法中以用於與包括CO之物料流摻合來改良醇生產率及/或總碳捕獲。可能需要在使煉焦爐氣體穿過醱酵槽之前對所述氣體進行處理以移除對培養物可能具有毒性之副產物。
在其他實施例中，包括CO之基質可來源於烴之蒸汽重整。根據以下，烴(諸如天然氣烴)可在高溫下重整以產生CO及H2：CnHm+nH2O → nCO+(m/2+n)H2
藉助於實例，蒸汽甲烷重整涉及使蒸汽與甲烷在高溫(700℃-1100℃)下在鎳催化劑存在下反應以產生CO及H2。所得物料流(對每一莫耳轉變之CH4包括1莫耳CO及3莫耳H2)可直接送至醱酵槽中或與來自另一來源之基質物料流摻合以增加醱酵方法中之乙醇生產率及/或總碳捕獲。醇(諸如甲醇)亦可重整以產生可以類似方式使用之CO2及H2。
在一些實施例中，含CO氣態基質可來源於有機物質之氣化，所述有機物質諸如甲烷、乙烷、丙烷、煤、天然氣、原油、來自煉油廠之低價值殘餘物(包含石油焦(petroleum coke或petcoke))、固體城市廢棄物或生物質。生物質包含在食物之萃取及加工期間所獲得之副產物，諸如來自甘蔗之糖、或來自玉米或穀物之澱粉、或由林業工業生成之非食物生物質廢棄物。此等含碳材料中之任一者可氣化，亦即在氧氣之情況下部分燃燒以產生合成氣體(合成氣包括大量H2及CO)。氣化方法典型地產生H2比CO莫耳比為約0.4：1至1.2：1與更小量之CO2、H2S、甲烷以及其他惰性物質一起的合成氣體。所產生氣體 之比率可藉由本領域中已知之手段來變化，且詳細描述於WO200701616中。然而，藉助於實例，可改變以下氣化器條件以調節CO：H2產物比率：原料組成(尤其C：H比率)、操作壓力、溫度型態(影響產物混合物之淬滅)以及所用氧化劑(空氣、氧氣增濃之空氣、純O2或蒸汽；其中蒸汽傾向於產生較高CO：H2比率)。因此，可調節氣化器之操作條件以提供具有所需組成之基質物料流用於醱酵或與一或多種其他物料流摻合以提供用於增加醱酵方法中醇生產率及/或總碳捕獲之最佳化或所需組合物。
產生含CO物料流的氣體之重整或生物質之氣化(例如合成氣之產生)描述於美國專利申請案公開案第US2013/0210096A1號；第US2013/0203143A1號；第US2013/0045517A1號以及美國專利第8,376,736號，以上所有以全文引用之方式併入。
視包括一氧化碳之氣態基質的組成而定，亦可需要在將所述基質引入至醱酵中之前對其進行處理以移除任何非所需雜質，諸如灰塵粒子。舉例而言，氣態基質可使用已知方法過濾或洗滌。
含CO基質將典型地含有主要比例之CO，諸如至少約15體積%至約100體積% CO、約15體積%至約70體積% CO、40體積%至95體積% CO、40體積%至60體積% CO以及45體積%至55體積% CO。在特定實施例中基質包括約25體積%、或約30體積%、或約35體積%、或約40體積%、或約45體積%、或約50體積% CO，或約55體積% CO，或約60體積% CO。CO濃度較低(諸如6%)之基質亦可為適當的，尤其當H2及CO2亦存在時為適當的。在一些實施例中，基質包括約5%至約70% CO。
不論包括CO之氣體流的來源如何，其將通常含有多種其他氣體，諸如CO2、H2、N2、CH4等。舉例而言，CO2可以約1體積%至約80體積%、或約1體積%至約30體積%、或約5%至約30%之濃度存在。 在一個較廣泛實施例中，送至生物反應器中之基質的濃度將典型地為約20%至約80% CO、約0%至約30% H2以及約0%至約40% CO2。
典型地，將以氣態向醱酵反應中添加一氧化碳。然而，本發明不應視為限於以此狀態添加所述基質。舉例而言，一氧化碳可以液體形式提供。舉例而言，可將液體用含一氧化碳氣體飽和，且隨後將所述液體添加至生物反應器中。此可使用標準方法來達成。藉助於實例，可使用微泡分散液生成器(亨西里薩克等人 用於好氧醱酵之微泡分散液生成器的規模放大；應用生物化學與生物技術 第101卷，第3冊/2002年10月)。
另外，常常需要增加基質物料流中之CO濃度(或氣態基質中之CO分壓)且由此增加其中CO為底物之醱酵反應的效率。增加氣態基質中之CO分壓增加CO進入醱酵培養基中之質量轉移。用於饋入醱酵反應的氣體物料流之組成可對所述反應之效率及/或成本具有顯著影響。舉例而言，O2可降低厭氧醱酵方法之效率。在醱酵之前或之後的醱酵方法階段中對非所需或不必要之氣體的加工可增加所述階段之負擔(例如其中氣流在進入生物反應器之前經壓縮，不必要之能量可用於壓縮在醱酵中非所需之氣體)。因此，可能需要處理基質物料流，尤其來源於工業來源之基質物料流，以移除非所需組分且增加所需組分之濃度。
非所需氣態組分自基質物料流之移除可藉由習知技術來進行，諸如低溫分級分離、分子篩分、吸附、變壓吸附或吸收(absorption)。無論使用何種方法，可進行氣體分離以自氣流分離以下組分中之一或多者的至少一部分：H2、O2、CO2以及CO。另外地或替代性地，根據本發明之實施例的氣體分離可用於自氣流移除一或多個部分(例如N2、O2)以使得其餘部分可諸如在生物反應器中得到更有效使用。
吸附為氣體、液體或溶質在固體或液體表面上之積聚。吸收為一種物質(諸如一種固體或液體)藉此經由其分子之間的細微孔隙或空間吸收另一種物質(諸如一種液體或氣體)的方法。
變壓吸附(pressure swing adsorption；PSA)為可用於藉由在高壓下經由壓力容器中所含有之固定床中的適合之吸附劑吸附而使氣體純化以移除伴隨雜質的絕熱方法。吸附劑之再生藉由逆向流降壓及藉由在低壓下用先前回收的接近產物品質之氣體吹掃來實現。為獲得連續產物流，較佳地提供至少兩個吸附器，以使得至少一種吸附器接受氣流(諸如廢棄物/廢氣/生物氣體氣流)且實際上產生所需純度之產物。同時，降壓、吹掃以及再加壓回到吸附壓力之後續步驟由另一個(其他)吸附器執行。常見吸附劑可容易地由於本領域具通常知識者視待吸附及移除之雜質的類型而選擇。適合之吸附劑包含沸石分子篩、活性碳、矽膠或活性氧化鋁。吸附床之組合可在彼此上方使用，由此將吸附器內含物分為多個不同區域。變壓吸附涉及參數之擺動，所述參數諸如壓力、溫度、氣相及吸附相之流速以及組成。
使用PSA純化或分離氣體通常在接近環境溫度之饋入氣體溫度下進行，從而使待移除之組分選擇性吸附。吸附應理想地為足夠可逆的。以使得吸附劑能夠在類似環境溫度下再生。PSA可用於處理及/或純化最常見氣體，包含CO、CO2及H2。變壓吸附技術之實例詳細描述於道格拉斯M.魯思文(Ruthven,Douglas M.)等人，1993變壓吸附(Pressure Swing Adsorption)，約翰威立父子公司(John Wiley and Sons)中。
分子篩為含有具有精確及均勻尺寸之微小孔隙的材料，其用作氣體及液體吸附劑。小至足以穿過孔隙之分子吸附，而較大分子不吸附。分子篩類似於常見過濾器，但在分子水準上操作。分子篩常常由鋁矽酸鹽礦物質、黏土、多孔玻璃、微孔木炭、沸石、活性碳或具有 小分子(諸如氮氣及水)可經其擴散之開放結構的合成性化合物組成。用於使分子篩再生之方法包含壓力變化(例如在氧氣濃縮器中)及加熱及用運載氣體吹掃。
膜可用於例如使氫氣與如氮氣及甲烷之氣體分離以回收氫氣，使甲烷與生物氣體分離，或移除水蒸氣、CO2、H2S或揮發性有機液體。如於本領域具通常知識者在考慮本發明後將顯而易見的，可選擇不同膜(包含多孔及無孔膜)以供用於所需目的。舉例而言，鈀膜允許單獨運輸H2。在一個特定實施例中，可使用CO2滲透膜自物料流分離CO2。自物料流分離之CO2可送到CO2移除器中，諸如先前論述之氣化器。
低溫分級分離涉及壓縮氣流且將其冷卻至低至足以允許藉由蒸餾來分離之溫度。其可用於例如移除CO2。某些組分(例如水)在進行低溫分級分離之前典型地自物料流移除。
相同技術亦可用於自氣體流移除氧氣以產生富含CO及/或CO2之厭氧物料流。另外，氧氣可在生物學上移除，例如藉由將燃燒廢氣送至含有兼性好氧微生物、還原之碳基質以及微生物必需之養分的密封醱酵槽中。兼性好氧微生物可消耗氧氣以產生富含CO及/或CO2之厭氧物料流。
用於自氣體流分離或移除O2之替代性方法亦為本領域中熟知的。然而，藉助於實例，氧氣可簡單地使用熱銅或催化轉化劑還原及/或移除。
針對特定氣體來源調整氣體分離方法可使在其他情況下商業上不可行之生物轉化方法變成商業上可行的。舉例而言，在CO自汽車廢氣物料流適當分離之情況下，可自所述物料流獲得適用能量來源，且非所需氣體排放可減少。根據本發明之一個實施例，氣態基質包括含有CO及H2之合成氣，且進行氣體分離以自物料流移除氫氣，以使 得其可經分離且用作醱酵方法之外的燃料。CO可用於饋入醱酵反應中。
用於醱酵方法中之醱酵液的pH可視需要調節。如於本發明相關領域具有通常知識者應瞭解的，適當pH將視特定醱酵反應在所用培養基及微生物方面所需之條件而定。在一個較佳實施例中，在利用產乙醇梭菌醱酵含有CO之氣態基質中，pH可調節至大約4.5至6.5。其他實例包含使用用於產生乙酸之熱醋酸穆爾氏菌時pH 5.5至6.5，使用用於產生丁醇之丙酮丁醇梭菌時pH 4.5至6.5，以及使用用於產生氫氣之產氫羧基嗜熱菌(Carboxydothermus hygrogenaformans)時pH 7。於本領域具通常知識者將意識到適合用於將生物反應器維持在所需pH下之方式。然而，藉助於實例，諸如NaOH之鹼的水溶液及諸如H2SO4之酸的水溶液可用於升高及降低醱酵培養基之pH及維持所需pH。
本發明之另一益處為，因為在廢氣用於醱酵反應中之前不對其或僅對其進行最低限度之去垢及/或其他處理過程，所述氣體將含有由工業方法產生之其他材料，所述其他材料可至少部分地用作醱酵反應之原料。
物料流之摻合
可能需要將包括CO及H2之重整基質物料流與一或多種其他物料流摻合以提昇醱酵反應之效率、醇產生及/或總碳捕獲。在不希望受理論束縛之情況下，在本發明之一些實施例中，一氧化碳營養型細菌根據以下將CO轉化為乙醇：6CO+3H2O → C2H5OH+4CO2
然而，在H2存在下，總轉化可為如下：6CO+12H2 → 3C2H5OH+3H2O
因此，具有高CO含量之物料流可與包括CO及H2之重整基質物料 流摻合以增加CO：H2比率來使醱酵效率最佳化。藉助於實例，工業廢棄物物料流(諸如來自軋鋼廠之排出氣體)具有高CO含量，但包含最低限度之H2或無H2。因此，可能需要將一或多種包括CO及H2之物料流與包括CO之廢棄物物料流摻合，隨後將摻合之基質物料流提供至醱酵槽中。醱酵之總效率、醇生產率及/或總碳捕獲將視摻合之物料流中的CO及H2該等化學計量而定。然而，在特定實施例中，摻合之物料流可實質上按以下莫耳比包括CO及H2：20：1、10：1、5：1、3：1、2：1、1：1或1：2。
另外，可能需要在醱酵之不同階段以特定比率提供CO及H2。舉例而言，可在開始及/或快速微生物生長階段期間向醱酵階段中提供具有相對高H2含量(諸如1：2 CO：H2)之基質物料流。然而，當生長階段減慢以使得培養物維持在實質上穩定之微生物密度下時，CO含量可增加(諸如至少1：1或2：1或高於2：1，其中H2濃度可大於或等於零)。
物料流之摻合亦可具有其他優點，尤其在其中包括CO之廢棄物物料流本質上具有間斷性的情況下。舉例而言，間歇的包括CO之廢棄物物料流可與實質上連續的包括CO及H2之重整基質物料流摻合，且提供至醱酵槽中。在本發明之特定實施例中，實質上連續之摻合物料流的組成及流動速率可根據間歇之物料流而變化，以便維持向醱酵槽中提供具有實質上連續組成及流動速率之基質物料流。
培養基
應瞭解，對於一或多種微生物及基質生長以使乙醇及/或乙酸鹽醱酵發生而言，除基質之外，將需要將適合之培養基饋入至生物反應器中。培養基將含有足以允許所用微生物生長的諸如維生素及礦物質之組分。僅藉助於實例，適合於產乙醇梭菌生長之厭氧培養基為本領域中已知的，如例如由阿布里尼等人(產乙醇梭菌，自一氧化碳產生 乙醇之厭氧的細菌(Clostridium autoethanogenum,sp.Nov.,An Anaerobic Bacterium That Produces Ethanol From Carbon Monoxide)；微生物學文獻集(Arch.Microbiol.),161：345-351(1994))所描述。本文下文之「實例」部分提供適合之培養基的其他實例。
生物反應器
醱酵可在任何適合之生物反應器中進行，所述生物反應器諸如固定單元反應器、氣體提昇反應器、氣泡塔反應器(BCR)、膜反應器(諸如空心纖維膜生物反應器(HFM BR))或滴流床反應器(TBR)。另外，在本發明之一些實施例中，生物反應器可包括第一生長反應器(其中培養微生物)及第二醱酵反應器(可向其中饋入來自所述生長反應器之醱酵液且其中可產生大部分醱酵產物(例如乙醇及乙酸鹽))。本發明之生物反應器用以接受含CO2、H2及視情況存在之CO的基質。
醱酵條件
用於自氣態基質產生乙醇及其他醇之方法為已知的。例示性方法包含例如WO2007/117157、WO2008/115080、WO2009/022925、WO2009/064200、US 6,340,581、US 6,136,577、US 5,593,886、US 5,807,722以及US 5,821,111中所描述之彼等方法，其中之每一者以引用之方式併入本文中。
醱酵宜應在用於使基質變為乙醇及/或乙酸鹽之醱酵發生的適當之條件下進行。應考慮之反應條件包含溫度、壓力、培養基流動速率、pH、培養基氧化還原電位、攪拌速率(若使用連續攪拌槽反應器)、接種體含量、最大基質濃度及基質向生物反應器中之引入速率(以確保基質含量不受限制)以及最大產物濃度(以避免產物抑制)。
最佳反應條件將部分地視所用特定微生物而定。然而，一般而 言，較佳的是在高於環境壓力之壓力下進行醱酵。在增加之壓力下操作允許CO自氣相向液相轉移之速率顯著增加，在所述液相中其可由微生物吸收以作為產生乙醇之碳源。此又意謂當生物反應器維持在高壓而非大氣壓力下時，滯留時間(定義為生物反應器中之液體體積除以輸入氣體流動速率)可減少。
另外，由於給定的CO至產物之轉化速率在某種程度上為基質滯留時間之函數，且獲得所需滯留時間又指示生物反應器之所需體積，故使用加壓系統可極大地減小所需生物反應器之體積，且因此降低醱酵設備之資金成本。根據美國專利第5,593,886號中給出之實例，反應器體積可與反應器操作壓力增加成線性比例減小，亦即在10大氣壓之壓力下操作的生物反應器僅需要在1大氣壓之壓力下操作的生物反應器之體積的十分之一。
在高壓下進行氣體至產物醱酵的益處亦描述於其他地方。舉例而言，WO 02/08438描述在200kPag(29psig)及520kPag(75psig)之壓力下進行的氣體至乙醇醱酵，分別得到150公克/公升/天及369公克/公升/天之乙醇產率。然而，發現使用類似培養基及輸入氣體組合物在大氣壓下執行的例示性醱酵每天每升產生介於10倍與20倍之間的乙醇。因此，醱酵方法可在大氣壓力(0kPag)至約600kPag下進行。
適合於包括CO之基質厭氧醱酵的醱酵條件的實例詳述於WO2007/117157、WO2008/115080、WO2009/022925以及WO2009/064200中。公認報導於其中之醱酵條件可容易地根據本發明之方法加以修改。
醱酵產物
衍生自丙酮酸鹽之產物及衍生自乙醯基coA之產物兩者可在產生後直接使用，或其可用於產生其他化學品，諸如產生塑膠、醫藥及農 用化學品。在一個實施例中，醱酵產物用於產生汽油範圍內之烴(約8個碳)、柴油烴(約12個碳)或噴射機燃料烴(約12個碳)。乙醇及乙酸鹽可隨後一起反應以產生包含酯之化學產物。在本發明之一個實施例中，藉由醱酵產生之乙醇及乙酸鹽一起反應以產生乙酸乙酯。乙酸乙酯對於大量其他方法可具有價值，所述方法諸如產生溶劑(包含表面塗層及稀釋劑)以及製造藥劑及調味劑及香精。
在2,3-BDO之情況下，其可轉化為八碳二聚物，其可用作航空燃料。2,3-BDO亦可轉化為由以下各者所構成的族群中選出之化合物：丁烯、丁二烯、甲基乙基酮(MEK)以及其混合物。2,3-BDO向各種化合物之轉化揭露於美國專利第8,658,408號中。
本發明亦提供將藉由醱酵產生之烴產物的至少一部分再次用於蒸汽重整方法中。因為除CH4之外的烴能夠與蒸汽經催化劑反應產生H2及CO，所以此方法可進行。在一個特定實施例中，使乙醇再循環以用作用於蒸汽重整方法之原料。在另一個實施例中，使烴原料及/或產物穿過預重整器，隨後用於蒸汽重整方法中。穿過預重整器部分地完成蒸汽重整方法之蒸汽重整步驟，其可增加氫氣產生之效率且減小蒸汽重整鍋爐之所需容量。
產物回收
醱酵反應之產物可使用已知方法回收。例示性方法包含WO07/117157、WO08/115080、US 6,340,581、US 6,136,577、US 5,593,886、US 5,807,722以及US 5,821,111中所描述之彼等方法。然而，簡言之且藉助於實例，可藉由諸如分餾或蒸發以及提取醱酵之方法而自醱酵液回收乙醇。
自醱酵液蒸餾乙醇得到乙醇與水之共沸混合物(亦即95%乙醇及5%水)。無水乙醇可隨後經由使用分子篩乙醇脫水技術來獲得，所述技術亦為本領域中熟知的。
萃取醱酵程序涉及使用對醱酵生物體呈現較低毒性風險之水可混溶性溶劑以自稀釋醱酵液回收乙醇。舉例而言，油醇為可用於此類型之萃取方法中的溶劑。將油醇連續地引入至醱酵槽中，於是此溶劑上升，在醱酵槽頂部形成一層，其經由離心機連續地萃取及饋入。隨後，水及細胞容易地與油醇分離且返回醱酵槽中，而滿載乙醇之溶劑饋入至閃蒸氣化單元中。大多數乙醇氣化且冷凝，而油醇為非揮發性的且回收以用於在醱酵中再次使用。
可以醱酵反應副產物形式產生之乙酸鹽亦可為
實例1 -增加維生素B5濃度對2,3-BDO產量之作用
根據上文所描述之一般醱酵方法進行此實驗。在醱酵實驗過程期間，增加氣體流動及攪拌以使乙酸鹽產生最小化且乙醇產生最大化。調節稀釋速率及細菌稀釋速率以使得到第5.0天為止，此等速率分別為1.8天-1及0.85天-1。維持此等值持續醱酵之其餘時間。在第6.0天至第8.0天之間，用每公克所產生之細胞198微克之B5饋入速率達成穩定資料。在此穩定時間段期間達成之結果概述於表2中。
在第8.1天，培養基中維生素B5之濃度增加至10倍，同時所有其他操作參數保持相同。在此時間期間，生物質產生速率略微下降，因此相應地，維生素B5饋入速率增加至剛剛高於十倍，達到每公克所產生之細胞2180微克。在維生素B5濃度增加後，比2,3-BDO產生速率及濃度增加，同時其他參數保持穩定。結果概述於以下表3中。
此為出乎意料之結果，因為僅比2,3-BDO產生速率及2,3-BDO濃度增加，而其他代謝物(例如乙醇及生物質)之產生速率保持相同。
實例3 -自醱酵開始時增加維生素B5對2,3-BDO產量之作用
以上實例與過量B5維生素在整個醱酵中存在於醱酵培養基中時的結果相比較。在此醱酵實驗期間，增加氣體及攪拌以使乙酸鹽產生最小化且乙醇產生最大化。到第4.0天為止，分別將稀釋速率及細菌稀釋速率調節至1.7天-1及0.65天-1。在此情況下，2,3-BDO濃度達到9公克/公升，且乙醇：2,3-BDO之比率為2：1(圖2)且CO吸收為9.4莫耳/公升/天(圖3)。B5維生素在整個醱酵中之饋入速率為每公克所產生之細胞大於2000微克。在第6.0天至第7.0天期間，隨著生物質及2,3-BDO產生趨平，B5維生素之饋入速率為每公克所產生之細胞2011微克。比2,3-BDO產生速率為每公克生物質1.2公克/天，比乙醇產生速率為每公克生物質2.4公克/天。
實例4 -增加/減少維生素B1濃度對2,3-BDO產量之作用
使用一般醱酵方法開始醱酵，其中增加氣體及攪拌以使乙酸鹽產生最小化且乙醇產生最大化。到第4.0天為止，分別將稀釋速率及細菌稀釋速率調節至2.0天-1及1.2天-1。維持此等值持續醱酵之其餘時間。在第10.0天至第14.0天之間達成穩定資料，在此時間期間B1之請入速率為每公克所產生之細胞303微克。所達成之資料概述於表4中。
在第14.1天，降低培養基中B1之濃度以降低比B1饋入速率，同時所有其他操作參數保持恆定。在第14.1天至第22.0天之間，2,3-BDO之產量減少，且乙醇：2,3BDO之比率自4.7：1增加至12：1。在此時間期間，比B1饋入速率自每公克所產生之細胞303微克降低至每公克所產生之細胞61微克。結果概述於表5中。
此為出乎意料之結果，因為減少B1濃度減少2,3-BDO之產量，而乙醇之產量不受影響且同時保持CO吸收恆定。在本領域中已報導用於生長及乙酸鹽產生的B1之極限濃度為每公克所產生之細胞6.5微克。因此，供應B1遠超過細胞生長之最小需求提供一種控制2,3-BDO之產量及乙醇：2,3-BDO之比率的方式。
實例5： 增加B7濃度對2,3-BDO產量之作用
在此實例中，根據一般醱酵方法使用醱酵生長來測試B7對2,3-BDO產量之影響。在醱酵過程期間，增加氣體及攪拌以使乙酸鹽產生最小化且乙醇產生最大化。調節稀釋速率及細菌稀釋速率以使得到第 8.0天為止，此等速率分別為1.8天-1及0.75天-1。維持此等值持續醱酵之其餘時間。用每公克所產生之細胞90微克的B7饋入速率達成穩定資料。以下概述在所述時間達成之結果；
在第8.69天，將培養基中B7之濃度增加至10倍，同時所有其他操作參數保持恆定。在此時間期間，生物質產生速率保持穩定，因此B7饋入速率增加至高於十倍，達到每公克所產生之細胞980微克。在B7饋入增加後，比2,3-BDO產生速率及2,3-BDO濃度增加。以下概述獲自第13天至第14天之資料；
隨著2,3-BDO濃度達到峰值(第14.04天)，培養基中之B7減少至十分之一，以使得比B7饋入速率降低回到每公克所產生之細胞90微克。觀測到用於所量測之變量的資料非常接近在B7濃度增加之前所觀測到之彼等值，且將其概述如下。
此為出乎意料之結果，因為比2,3-BDO產生速率及2,3-BDO濃度增加而非任何其他代謝物及或生物質。結果亦展示增加B7之影響為可逆的，且增加B7不影響比乙醇產生速率。來自B7濃度變化之結果呈現於圖4及圖5中。
本文中已參考某些較佳實施例描述本發明，以便使得讀者無需過度實驗即能夠實踐本發明。於本領域具通常知識者應瞭解，除具體描述的彼等實施例之外，本發明可以許多變化及修改來實踐。應理解，本發明包含所有所述變化及修改。此外，提供標題、小標題或其類似者以幫助讀者理解本文件，且不應解讀為限制本發明之範疇。本文中所引用之所有申請案、專利及公開案的全部揭露內容以引用之方式併入本文中。
更特定言之，如於本領域具通常知識者應瞭解的，本發明之實施例的實施方案可包含一或多種其他要素。僅彼等在本發明各種態樣中理解本發明所必需之要素可在特定實例或描述中展示出來。然而，本發明之範疇並不限於所描述之實施例，且包含有包含一或多個其他步驟及/或一或多個經取代之步驟的系統及/或方法，及/或省略一或多個步驟之系統及/或方法。
在本說明書中提及任何先前技術不視為且不應視為承認或以任何形式表明所述先前技術形成在任何國家之本職領域中公共常識的一 部分。
除非上下文另有要求，否則在本說明書及之後任何申請專利範圍通篇中，詞語「包括」、「包括著」以及其類似詞應以與排他性意義相反之包含性意義(亦即，在「包含(但不限於)」之意義上)理解。

Claims (21)

  1. 一種在微生物醱酵期間增加至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物之產量的方法，所述方法包括：a)向包括至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物於液體培養基中之培養物的生物反應器中提供包括CO之氣態基質以產生至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物及至少衍生自乙醯基-CoA之產物；及b)將所述液體培養基中至少一種養分之濃度增加至高於所述至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物之細胞需求的濃度，以使得至少一種衍生自丙酮酸鹽之產物的產量增加，所述養分由以下各者所構成的族群中選出：1)維生素B1；2)維生素B5；3)維生素B7以及其混合物。
  2. 一種增加藉由微生物醱酵而產生的2,3-丁二醇之產量的方法，所述方法包括：a)向包括至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物於液體培養基中之培養物的生物反應器中提供包括CO之氣態基質以產生至少2,3-丁二醇及乙醇；及b)將所述液體培養基中至少一種養分之濃度增加至高於所述至少一種產乙酸一氧化碳營養型微生物之細胞需求的濃度，以使得2,3-丁二醇之產量增加，所述養分由以下各者所構成的族群中選出：1)維生素B1；2)維生素B5； 3)維生素B7以及其混合物。
  3. 如請求項1之方法，其中將維生素B5或維生素B1之濃度增加至所述至少一種微生物之細胞需求的約2倍至約80倍。
  4. 如請求項2之方法，其中將維生素B5或維生素B1之濃度增加至所述至少一種微生物之細胞需求的約2倍至約80倍。
  5. 如請求項1之方法，其中在所述液體培養基中將維生素B7之濃度增加至所述至少一種微生物之細胞需求的約2倍至約30倍。
  6. 如請求項2之方法，其中在液體培養基中將維生素B7之濃度增加至所述至少一種微生物之細胞需求的約2倍至約30倍。
  7. 如請求項1之方法，其中維生素B1在所述液體培養基中之濃度在每公克所產生之生物質約20微克至約500微克的範圍內變化。
  8. 如請求項2之方法，其中維生素B1在所述液體培養基中之濃度在每公克所產生之生物質約20微克至約500微克的範圍內變化。
  9. 如請求項1之方法，其中維生素B5在所述液體培養基中之濃度在每公克所產生之生物質約100微克至約4000微克的範圍內變化。
  10. 如請求項2之方法，其中維生素B5在所述液體培養基中之濃度在每公克所產生之生物質約100微克至約4000微克的範圍內變化。
  11. 如請求項1之方法，其中維生素B7在所述液體培養基中之濃度在每公克所產生之生物質約100微克至約4000微克的範圍內變化。
  12. 如請求項2之方法，其中維生素B7在所述液體培養基中之濃度在每公克所產生之生物質約100微克至約4000微克的範圍內變化。
  13. 如請求項1之方法，其中所述衍生自丙酮酸鹽之產物是由以下各者所構成的族群中選出：2,3-丁二醇、乳酸鹽、丁二酸鹽、甲基乙基酮、2-丁醇、丙二醇、2-丙醇、異丙醇、乙偶姻、異丁醇、甲基蘋果酸、丁二烯以及聚乳酸。
  14. 如請求項1之方法，其中所述衍生自乙醯基-CoA之產物為乙醇。
  15. 如請求項2之方法，其中增加2,3-丁二醇之產量以使得乙醇：2,3-丁二醇之比率在約4：1至約1：1之範圍內變化。
  16. 如請求項2之方法，其中2,3-丁二醇之產量為每天至少10公克/公升。
  17. 如請求項2之方法，其中2,3-丁二醇之產量為每天至少20公克/公升。
  18. 如請求項1之方法，其中所述產乙酸一氧化碳營養型微生物是由以下各者所構成的族群中選出：梭菌屬(Clostridium)、穆爾氏菌屬(Moorella)、產乙酸桿菌屬(Oxobacter)、消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)、醋桿菌屬(Acetobacterium)、真桿菌屬(Eubacterium)或丁酸桿菌屬(Butyribacterium)。
  19. 如請求項2之方法，其中所述產乙酸一氧化碳營養型微生物是由以下各者所構成的族群中選出：梭菌屬(Clostridium)、穆爾氏菌屬(Moorella)、產乙酸桿菌屬(Oxobacter)、消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)、醋桿菌屬(Acetobacterium)、真桿菌屬(Eubacterium)或丁酸桿菌屬(Butyribacterium)。
  20. 如請求項18之方法，其中所述產乙酸一氧化碳營養型微生物是由以下各者所構成的族群中選出：自產乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、揚氏梭菌(Clostridium ljungdahli)、嗜一氧化碳梭菌(Clostridium carboxidivorans)、德雷克梭菌(Clostridium drakei)、糞味梭菌(Clostridium scatologenes)、乙酸梭菌(Clostridium aceticum)、甲酸乙酸梭菌(Clostridium formicoaceticum)、大梭菌(Clostridium magnum)、甲基營養型丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrphoicum)、伍氏醋桿菌(Acetobacterium woodii)、產乙醇鹼性桿菌(Alkalibaculum bacchi)、長生布勞特菌(Blautia producta)、遲緩真桿菌 (Eubacterium limosum)、熱醋酸穆爾氏菌(Moorella thermoacetica)、卵形鼠孢菌(Sporomusa ovata)、森林產乙酸鼠孢菌(Sporomusa silvacetica)、球形鼠孢菌(Sporomusa sphaeroides)、普氏產乙酸桿菌(Oxobacter pfennigii)以及基伍嗜熱厭氧桿菌(Thermoanaerobacter kiuvi)。
  21. 如請求項19之方法，其中所述產乙酸一氧化碳營養型微生物是由以下各者所構成的族群中選出：自產乙醇梭菌、揚氏梭菌、嗜一氧化碳梭菌、德雷克梭菌、糞味梭菌、乙酸梭菌、甲酸乙酸梭菌、大梭菌、甲基營養型丁酸桿菌、伍氏醋桿菌、產乙醇鹼性桿菌、長生布勞特菌、遲緩真桿菌、熱醋酸穆爾氏菌、卵形鼠孢菌、森林產乙酸鼠孢菌、球形鼠孢菌、普氏產乙酸桿菌以及基伍嗜熱厭氧桿菌。
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