TW202012632A - 二氧化碳之生物轉換方法 - Google Patents

Abstract

一種CO₂ 生物轉換方法，其包括：提供一含有CO₂ 的基質至一生物反應器中，該含有CO₂ 的基質含有大約5至大約90莫耳%的CO₂ ；以及以一帶有一鈉轉位ATP酶的產乙酸菌來發酵該含有CO₂ 的基質。該培養基包含少於大約每公升0.01公克的酵母萃取物、少於大約每公升0.01公克的醣類，鈉離子濃度以大約290至大約8750µg/公克細胞/分鐘的鈉離子進料速率來提供，以及pH為大約4至大約6.9。

Description

二氧化碳之生物轉換方法

發明領域

此申請案主張美國臨時申請案第62/716,083號(2018年8月8號提申)、第62/716,071號(2018年8月8號提申)、第62/716,053號(2018年8月8號提申)、第62/741,871號(2018年10月5號提申)以及第62/741,797號(2018年10月5號提申)的優先權，所有案件以其整體併入本文中以作為參考資料。

本揭示提供一種用於二氧化碳的生物轉換之方法。較具體地，該方法包括提供一含有二氧化碳的氣流給產乙酸菌。該方法提供高位準之二氧化碳的轉換以及氫氣的利用。

發明背景

二氧化碳的產生發生自自然過程以及工業程序，其包括燃燒燃料(諸如煤、石油與天然氣)。部分因工業程序之故，大氣的二氧化碳濃度持續增加。這些二氧化碳濃度的增加可能會導致大氣變化，而造成氣候變遷與全球暖化。二氧化碳由於其高度氧化態而難以在生物方法中使用。

除了二氧化碳，許多工業程序亦會導致氫氣產生。氫氣具有高度還原電位。然而，氫氣由於其非常易燃的性質而難以儲存與使用。

鑒於所產生的大量二氧化碳，需要一種能夠減少二氧化碳足跡的細菌發酵系統。此外，需要一種能夠有效利用氫氣的還原電位之發酵系統。

發明概要

一種方法包括提供一氣態基質至一生物反應器中。該氣態基質包含CO₂ 並且含有大約5至大約90莫耳%的CO₂ 。該方法包括提供產乙酸菌至該生物反應器中；透過一或多種鈉離子源來提供鈉離子至該生物反應器中；以及在一含有該產乙酸菌與該一或多種鈉離子源的發酵培養液中以該產乙酸菌來發酵該氣態基質，以產生一或多種有機酸。該產乙酸菌包含一鈉轉位ATP酶，其在該生物反應器的發酵期間是活化的。該發酵培養液包含少於大約每公升0.01公克的酵母萃取物、少於大約每公升0.01公克的醣類，以及一以大約290至大約8750µg/公克細胞/分鐘的鈉進料速率來提供的鈉離子濃度。該發酵培養液被維持在大約4至大約6.9之範圍內的pH。

在另一個態樣中，一種方法包括提供一氣態基質至一生物反應器中。該氣態基質包含CO₂ 與H₂ 並且含有大約5至90莫耳%的CO₂ 。該方法包括提供一產乙酸菌至該生物反應器中；透過一或多種鈉離子源來提供鈉離子至該生物反應器中；以及在一含有該產乙酸菌與該一或多種鈉離子源的發酵培養液中以該產乙酸菌來發酵該氣態基質，以產生一或多種有機酸。該產乙酸菌包含一鈉轉位ATP酶，其在該生物反應器的發酵期間是活化的。該發酵培養液包含少於大約每公升0.01公克的酵母萃取物、少於大約每公升0.01公克的醣類，以及一以大約290至大約8750µg/公克細胞/分鐘的鈉進料速率來提供的鈉離子濃度。該發酵培養液被維持在大約4至大約6.9之範圍內的pH。

一種組成物包含NH₄ ⁺ 、P、K、Fe、Ni、Co、Se、Zn、W或Mg之源中的一或多者；大約875至大約35,000mg/L的鈉離子源；大約0.009至大約0.397mg/L的Mo源。該組成物包含少於大約每公升0.01公克的酵母萃取物，以及少於大約每公升0.01公克的醣類。該組成物具有大約4至大約6.9的pH。

較佳實施例之詳細說明

下列說明不是要被視為限制意義，而僅是為了說明示範性具體例的一般原理之目的而作。本揭示的範疇應參考申請專利範圍來決定。定義

除非另外定義，本揭示的通篇說明書所使用的下列術語被定義如下，並且可同時包括下面所界定之單數或複數形式的定義：

修飾以術語“大約”的任何數量意指在真實世界情況(例如，在實驗室、試驗工廠或生產設施)下所遭遇的數量變異。例如，在一混合物或分量中一成分的數量或所使用的測量值當修飾以“大約”時包括在生產工廠或實驗室的實驗條件下量測之變異與常用的謹慎程度。例如，一產物的組分之數量當修飾以“大約”時包括在工廠或實驗室的多個試驗之間的變異以及在分析方法中所固有的變異。無論是否修飾以“大約”，該等數量皆包括其等效量。本文所述且修飾以“大約”的任何數量亦可呈未修飾以“大約”的數量而用於本揭示中。

術語“發酵槽”包括一由一或多個容器和/或塔或管路設置所構成之發酵裝置/生物反應器，其包括批次反應器、半批次反應器、連續反應器、連續攪拌槽反應器(CSTR)、氣泡塔反應器、外循環環流反應器、內循環環流反應器、固定化細胞反應器(ICR)、滴流床反應器(TBR), 移動床生物膜反應器(MBBR)、氣升反應器、薄膜反應器[諸如纖維膜生物反應器(HFMBR)]、靜態混合器、氣升發酵槽，或者適用於氣液接觸的其他容器或其他裝置。

術語“發酵”、發酵方法”或“發酵反應”以及諸如此類意欲涵蓋該方法的生長期與產物生物合成期這兩者。在一個態樣中，發酵意指將CO₂ 轉換為乙酸。

術語“細胞密度”意指每單位體積之發酵培養液的微生物細胞質量，例如，公克/公升。

術語“比CO₂ 攝取量”意指每分鐘單位時間單位質量的微生物細胞(g)所消耗之CO₂ 毫莫耳量，亦即毫莫耳/公克/分鐘。

如本文所使用的，生產力是以STY來表示。在此態樣中，醇類生產力可以STY[以g乙醇/(L·天)或g乙酸/(L·天)來表示的時空產率]來表示。 含有CO₂ 的氣態基質

在一個態樣中，該方法包括提供一含有CO₂ 的氣態基質至一生物反應器中。一含有CO₂ 的基質可包括任何含有CO₂ 的氣體。在此態樣中，一含有CO₂ 的氣體可包括工業氣體、發酵槽氣流(包括，例如，發酵槽排氣)，以及它們的混合物。在一個相關的態樣中，該含有CO₂ 的基質可包括氫氣，或者它可與一氫氣源進行混合，以提供所欲的位準以及H₂ 對CO₂ 的比例。

工業氣體：在一個態樣中，該方法包括提供一含有CO₂ 的氣態基質至一生物反應器中，其中該含有CO₂ 的氣態基質是來自於工業氣體。工業氣體的一些實例包括軋鋼廠氣體、工業煙道氣以及焚化爐排氣。工業氣體的實例包括在下列期間所產生的氣體：鐵金屬製品製造、非鐵製品製造、石油精煉製程、煤炭的氣化、生物質的氣化、電力生產、碳黑生產、氨生產、甲醇生產以及焦炭製造。氫氣源可包括化石燃料、蒸氣重組、甲烷氧化、煤炭氣化，以及水電解。

依據含有CO₂ 的氣態基質的組成，在將其導引去發酵之前，對它進行處理以移除任何非所欲的雜質(諸如粉塵粒子)亦會是所欲的。例如，可使用習知方法對該氣態基質進行過濾與淨化。此外，依據含有CO₂ 的氣態基質的組成，該方法可包括將含有CO₂ 的基質進行調整來增加或減少CO₂ 和/或H₂ 的濃度以落入所欲的範圍內。

發酵槽氣流：在一個態樣中，該方法包括提供一含有CO₂ 的基質至一生物反應器中，其中該含有CO₂ 的氣態基質是一發酵槽氣流。發酵槽氣流的一些實例包括合成氣發酵所生成的發酵槽排氣。合成器發酵的一些實例描述於2001年7月23日所提申的美國專利第7,285,402號，其併入本文作為參考資料。

在一個態樣中，該方法適用於支持從氣態基質(諸如含有高量CO的工業煙道氣)生成醇類。在一些態樣中，一含有CO的氣體是衍生自含碳廢棄物(例如，工業廢氣)或衍生自其他廢棄物的氣化。含有CO的氣體之發酵會產生CO₂ 於發酵槽排氣中。據此，該方法代表有效捕獲碳的方法，否則會排放至環境中。在此態樣中，來自於含有CO的氣體之發酵的排氣可包含大約0.5莫耳%至大約50莫耳%CO。

氣流的混合：依據具體的態樣中，可將二或多個來源的氣流進行合併和/或混合以生成一所欲的和/或最適化的基質流。例如，可將一含有高濃度CO₂ 的氣流(諸如軋鋼廠的排氣)與一含有高濃度H₂ 的氣流(諸如軋鋼廠煉焦爐的排氣)進行合併。

依據含有CO₂ 的基質的組成，含有CO₂ 的基質可被直接提供至一發酵方法中，或者進一步被調整至含有適當之H₂ 對CO₂ 的莫耳比。該含有CO₂ 的基質可包括大約5至大約90莫耳%的CO₂ 以及大約5至大約90莫耳%的H₂ 。在一個態樣中，含有CO₂ 的氣流包括大約5至大約66.6%的CO₂ 。

在另一個態樣中，該含有CO₂ 的基質可包括大約0莫耳%至大約50莫耳%的CO，在另一個態樣中，大約0.5莫耳%的CO至大約50莫耳%的CO，在另一個態樣中，大約0.5莫耳%的CO至大約5莫耳%的CO，以及在另一個態樣中，大約2莫耳%的CO至大約5莫耳%的CO。

在一個態樣中，該產乙酸菌消耗H₂ 對CO₂ 的莫耳比為大約4：1至大約1：2的比例。因此，可使用任何含有H₂ 與CO₂ 且被提供至該生物反應器中的基質氣體。然而，最適化位準之提供至該生物反應器中的基質氣體會具有大約4：1至大約1：1之H₂ 對CO₂ 的比例，在另一個態樣中，大約2：1，以及在另一個態樣中，大約3.5：1至大約1.5：1。生物反應器設計與操作

發酵槽設計的說明描述於美國專利申請案第13/471,827號與第13/471,858號(這二者皆於2012年5月15日提申)以及美國專利申請案第13/473,167號(2012年5月16日提申)中，所有案件皆併入本文中以作為參考資料。

最好應在讓所欲的發酵(例如CO₂ -至-乙酸)進行的適當條件下來進行發酵。要考慮的反應條件包括壓力、溫度、氣體流速、液體流速、培養基pH、攪拌速率(若使用攪拌槽反應器)、接種源位準，以及避免產物抑制的最大乙酸濃度。在此態樣中，該方法包括在下列範圍中的反應條件： 壓力：大約0至大約500psi； 溫度：大約30℃至大約42℃； 培養基pH：大約4至大約6.9； 攪拌速率：大約100至大約2000rpm； 如本文所述來提供營養物。 產乙酸菌

在一個態樣中，所使用的微生物包括含有鈉泵的產乙酸菌，鈉泵亦可稱為鈉轉位ATP酶(用於膜生物能)。鈉轉位ATP酶描述於Muller, “Energy Conservation in Acetogenic Bacteria”, Appl. Environ. Microbiol. November 2003, vol. 69, no. 11, pp. 6345-6353中，其併入本文中以作為參考資料。術語鈉轉位ATP酶與鈉依賴型ATP酶可交替使用。包含鈉轉位ATP酶的產乙酸菌需要大約500ppm的NaCl於其生長培養基中來生長。為了測定一產乙酸菌是否包含一鈉-轉位ATP酶，將該產乙酸菌接種至含有大約30至大約50ml的生長培養基與大約0至大約2000ppm的NaCl之血清瓶中。於大約500ppm以上的NaCl濃度下生長表示該產乙酸菌包含一鈉轉位ATP酶。

在此態樣中，合適的微生物包括醋酸桿菌(Acetobacterium bacteria)、凱伍產醋菌(Acetogenium kivui )、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae )、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii )、巴奇嗜鹼菌CP11(Alkalibaculum bacchi CP11)(ATCC BAA-1772)、熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica )、熱自養穆爾氏菌(Moorella thermoautotrophica )、產生瘤胃球菌(Ruminococcus productus )，以及它們的組合。在另一個態樣中，該微生物是伍氏醋酸桿菌。 培養基組成以及培養基進料速率的控制

依據一個態樣，該發酵方法是藉由將合適的培養基添加至反應器容器中來啟始。在反應器容器中所含有的液體可包括任何種類之合適的營養培養基或發酵培養基。該營養培養基會包含有效地使所用的微生物生長之維生素與礦物質。可能不總是需要滅菌。

各種不同的培養基組分之濃度如下：

維生素溶液含有d-生物素、噻胺，以及D-泛酸鈣。

0.5M NaOH用來將pH維持在大約5.55。適當之每小時每公克細胞的NaOH使用量為每公克細胞0.1至0.4ml/min。

方法操作將pH維持在下列範圍內：大約4至大約6.9，在另一個態樣中，大約5至大約6.5，在另一個態樣中大約5.1至大約6，以及在另一個態樣中，大約5.2至大約6。培養基包含少於大約0.01g/L的酵母萃取物以及少於大約0.01g/L的醣類。

組成亦包含每公升大約40至大約500mmol的鈉離子濃度，在另一個態樣中，每公升大約40至大約250mmol，以及在另一個態樣中，每公升大約50至大約200mmol的鈉離子濃度。在一個態樣中，鈉離子濃度是大約500ppm至大約8000ppm，在另一個態樣中，大約1000ppm至大約7000ppm，在另一個態樣中，大約3000ppm至大約6000ppm，在另一個態樣中，大約2000至大約5000ppm的Na，以及在另一個態樣中，大約3000至大約4000ppm的Na。鈉離子源是由一選自於下列所構成之群組中的化合物來提供：氯化鈉、氫氧化鈉、磷酸鈉、硫酸鈉、硝酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸氫鈉，以及它們的混合物。

組成包含一鉬源。在此態樣中，鉬濃度是大約3.97µg/L至大約396.5µg/L，以及在另一個態樣中，大約7.93µg/L至大約198.25µg/L。鉬源包含Na₂ MoO₄ 、CaMoO₄ 、FeMoO₄ ，以及它們的混合物。

組成亦可包含一錯合劑。在此態樣中，當該組成的pH為大約5.2以上時，可包含一錯合劑於該組成中。該錯合劑可包含乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid)(EDTA)、乙二胺二乙酸(ethylenediamine diacetic acid)(EDDA)、乙二胺二琥珀酸(ethylenediamine disuccinic acid)(EDDS)，以及它們的混合物。

該組成物可包含NH₄ ⁺ 、P、K、Fe、Ni、Co、Se、Zn、W或Mg之源中的一或多者。這些元素的個別來源可如下所述。

NH₄ ⁺ ：氮可由一選自於下列所構成之群組中的氮源來提供：氫氧化銨、氯化銨、磷酸銨、硫酸銨、硝酸銨，以及它們的混合物。

P：磷可由一選自於下列所構成之群組中的磷源來提供：磷酸、磷酸銨、磷酸鉀，以及它們的混合物。

K：鉀可由一選自於下列所構成之群組中的鉀源來提供：氯化鉀、磷酸鉀、硝酸鉀、硫酸鉀，以及它們的混合物。

Fe：鐵可由一選自於下列所構成之群組中的鐵源來提供：氯化亞鐵、硫酸亞鐵，以及它們的混合物。

Ni：鎳可由一選自於下列所構成之群組中的鎳源來提供：氯化鎳、硫酸鎳、硝酸鎳，以及它們的混合物。

Co：鈷可由一選自於下列所構成之群組中的鈷源來提供：氯化鈷、氟化鈷、溴化鈷、碘化鈷，以及它們的混合物。

Se：硒可由一選自於下列所構成之群組中的硒源來提供：Na₂ SeO₃ 、C₃ H₆ NO₂ Se，以及它們的混合物。

Zn：鋅可由ZnSO₄ 來提供。

W：鎢可由一選自於下列所構成之群組中的鎢源來提供：鎢酸鈉、鎢酸鈣、鎢酸鉀，以及它們的混合物。

Mg：鎂可由一選自於下列所構成之群組中的鎂源來提供：氯化鎂、硫酸鎂、磷酸鎂，以及它們的混合物。

S：組成亦可包含硫。硫可由一選自於下列所構成之群組中的硫源來提供：半胱胺酸、硫化鈉、NaHS、NaH₂ S，以及它們的混合物。 發酵的啟始與後-啟始

啟始：當接種時，建立有效供應微生物的初始族群之初始進料氣體供應速率。分析排出氣體來決定排出氣體量。氣體分析的結果用來控制進料氣體速率。在此態樣中，該方法提供大約每公升0.1公克的最小細胞密度。在另一個態樣中，該方法提供大約0.05至大約0.5之CO₂ 估算濃度(mmol/min)對初始細胞密度的比值，以及在另一個態樣中，大約0.01至大約1。

在一個態樣中，可將營養物添加至培養物中以提升細胞生長速率。合適的營養物可包括酵母萃取物的非-醣類分離部分。

後-啟始：當達至所欲的位準，從反應器中取出液相與細胞物質並重新添加培養基。該發酵方法有效地提升細胞密度(相較於初始細胞密度)。在此態樣中，該方法提供大約2至大約50公克/公升的平均細胞密度，在另一個態樣中，大約2至大約30公克/公升，在另一個態樣中，大約2至大約20公克/公升，在另一個態樣中，大約2至大約10公克/公升，以及在另一個態樣中，大約2至大約6公克/公升。

有機酸的生產：在另一個態樣中，該方法提供C1至C10有機酸的來源。在此態樣中，該方法可包括獲得酸產物或來自該發酵培養液的產物。在此態樣中，提供大約0.2至大約50公克的有機酸/公升/天/g細胞的比有機酸生產力，在另一個態樣中，大約0.2至大約20公克的有機酸/公升/天/g細胞，在另一個態樣中，大約10至大約50公克的有機酸/公升/天/g細胞，在另一個態樣中，大約14至大約30公克的有機酸/公升/天/g細胞，在另一個態樣中，大約2至大約20公克的有機酸/公升/天/g細胞，以及在另一個態樣中，大約15至大約25公克的有機酸/公升/天/g細胞。在一個態樣中，該有機酸是乙酸或丁酸，或者這兩者的混合物。

CO₂ 與H₂ 的轉換：該方法有效地提供大約0.05至大約1.5mmol CO₂ /分鐘/公克乾燥細胞之CO₂ 攝取量，大約0.08至大約1.5mmol H₂ /分鐘/公克乾燥細胞的H₂ 攝取量。該方法有效地提供大約25至大約100%的CO₂ 轉換，在另一個態樣中，大約50至大約100%的CO₂ 轉換，以及在另一個態樣中，大約75至大約100%的CO₂ 轉換。在另一個態樣中，該方法有效地提供大約25至大約100%的H₂ 轉換，在另一個態樣中，大約50至大約100%的H₂ 轉換，以及在另一個態樣中，大約75至大約100%的H₂ 轉換。

圖1顯示伍氏醋酸桿菌所進行的CO₂ 轉換104與H₂ 轉換102之圖式。相對於時間的乙酸生成204及其移動平均202以及細胞密度206之示圖顯示於圖2中。 實施例 實施例1：伍氏醋酸桿菌的製備

伍氏醋酸桿菌的初始凍乾顆粒是得自於德國培養物保藏中心DSMZ，菌株ID DSM-1030。起初使用富集培養基(果糖與酵母萃取物)而從凍乾顆粒來恢復成培養物。生長培養基中的果糖濃度75%、50%、10%逐步減低的適應方法用來從血清瓶培養基中移除果糖。生長速率與氣體用量用來作為適應的指標(大約5週)。血清瓶中的初步pH適應作用將所需的pH由7.4減低至6.0(3週)。此時，將培養物擴增並接種至一反應器中。在反應器中使培養物進一步適應為在更低的pH5.2至5.7下生長。 實施例2：針對伍氏醋酸桿菌之CSTR反應器啟始方法

將一含有CO₂ 與H₂ 的合成氣與一含有如本文所述的維生素、微量金屬、半胱胺酸(作為硫源)以及鹽類的液態培養基一起持續導入至一含有伍氏醋酸桿菌的攪拌槽生物反應器中。

一含有發酵培養基的New Brunswick Bioflow 310反應器是使用生長活躍的伍氏醋酸桿菌來啟始。將反應器的攪拌速率設定為200rpm。在整個實驗的期間將攪拌速率由200提升至600rpm。將至反應器中的進料氣流由起始49mL/min提升至137mL/min。在整個實驗的期間將生物反應器中的溫度維持在33.5℃。間隔取樣進料至生物反應器中的合成氣與來自生物反應器的排氣以及生物反應器中的發酵培養液，例如，分別大約每天、兩小時一次以及四小時一次取樣進料氣體、排氣以及發酵培養液。上述樣品是針對各種不同的氣體組分的消耗或生產、培養液乙酸濃度以及培養物的光學濃度(細胞密度)來進行分析。在整個實驗期間將反應器之無反應的體積維持在1600至1750ml之間。此外，藉由調節至反應器中的合成氣之質流控制器來即時測量至反應器中的氣流。進料合成氣組成為70% H₂ 、25% CO₂ 以及5% N₂ 。當達到穩定運轉時結束實驗。

在實驗開始之前將一細胞循環系統(CRS)接附至該反應器。在實驗期間，營養物(生長培養基)至該反應器中的流速顯示於表中。在整個實驗期間維持培養基進料速率。用於pH控制的鹼(NaOH)進料速率為0.14-0.44ml/min，並且透過CRS，5.1–5.4ml/min的滲透物從該反應器中抽出。

在進料氣體中的H₂ 與CO₂ 被固定成為細胞物質與乙酸。藉由比較入口氣體組成與排出氣體組成來估算移除的H₂ 與CO₂ 。氣體組分攝取量以由細菌所轉換的氣體分子之%來表示。在此實驗中，達成下列轉換；H₂ ：40%-54%，CO₂ ：28%-70%。在此實驗中乙酸生產速率為5-23g/l/天。

結果彙整於下面：

實施例3：伍氏醋酸桿菌所進行之CO₂ 、CO與H₂ 的發酵

將一含有CO₂ 與H₂ 的氣體與一含有維生素、微量金屬以及鹽類的慣用液態培養基一起持續導入至一含有伍氏醋酸桿菌的攪拌槽生物反應器中。如實施例2中所述來啟始發酵，接著持續至穩定運轉。培養基與製程條件描述於實施例2中。在此實施例中，進料氣體包含5莫耳%的CO。

圖3與圖4描繪伍氏醋酸桿菌在5%的CO存在下之生長。圖3顯示相對於時間之細胞密度302與比乙酸生產力304。圖4顯示H₂ 轉換402、CO轉換404、CO₂ 轉換406以及細胞密度408。 實施例4：在pH5.2下且沒有螯合劑(EDTA)的生長培養基中伍氏醋酸桿菌培養物的生長與維持

將一含有CO₂ 與H₂ 的氣流與一如本文所述的生長培養基一起持續導入至一含有伍氏醋酸桿菌的攪拌槽生物反應器中。

一含有發酵培養基的New Brunswick Bioflow 115反應器是使用生長活躍的伍氏醋酸桿菌(AW)來啟始。將反應器的攪拌速率設定為600rpm。在整個實驗的期間將攪拌速率維持不變。將至反應器中的進料氣流維持在36.6mL/min至44.4mL/min。在整個實驗的期間將生物反應器中的溫度維持在33℃。將Na⁺ 位準維持在3500至4000ppm。間隔取樣進料至生物反應器中的氣體與來自生物反應器的排氣以及生物反應器中的發酵培養液，例如，分別大約每天、兩小時一次以及四小時一次取樣進料氣體、排氣以及發酵培養液。上述樣品是針對各種不同的氣體組分的消耗或生產、培養液乙酸濃度以及培養物的光學濃度(細胞密度)來進行分析。在整個實驗期間將反應器之無反應的體積維持在1900至2275ml之間。此外，藉由調節至反應器中的合成氣之質流控制器來即時測量至反應器中的氣流。此實驗的進料合成氣組成為70% H₂ 、25% CO₂ 以及5% N₂ 。

在實驗開始之前將一細胞循環系統(CRS)接附至該反應器。在實驗期間，將營養物(生長培養基)至該反應器中的流速維持在2.8ml/min。在整個實驗期間維持培養基進料速率。將pH維持在5.2所需的鹼(NaOH)的平均速率為0.075ml/min，並且透過CRS，2.9ml/min的滲透物從該反應器中抽出。

在進料氣體中的H₂ 與CO₂ 被固定成為細胞物質與乙酸。藉由比較入口氣體組成與排出氣體組成來估算移除的H₂ 與CO₂ 。氣體組分攝取量可由細菌所轉換的氣體分子之%來表示。

下列轉換被達成： H₂ ：28%至54% CO₂ ：40%至59% 乙酸生產速率為0.7949(g/L/天) 培養物的平均細胞密度為1.9 g/L CO₂ 轉換502、H₂ 轉換504以及細胞密度506顯示於圖5中。 實施例5：使用EDDA於生長培養基中

如實施例2中所述來啟始發酵並且包括使用乙二胺二乙酸(EDDA)作為一螯合(錯合)劑。由於在AW培養基中所使用的一些金屬之溶解度會隨著pH增加而降低，使用螯合劑來將金屬維持在溶液中。若反應器培養液的pH高於pH5.2，使用螯合劑來提供足量的營養物至AW中。圖6顯示實驗的代表性96小時之期間，其說明維持細胞密度602同時提升乙酸濃度604的能力。 實施例6：鉬的移除與重新添加對於細胞代謝的影響

如實施例2中所述來啟始發酵，接著持續至穩定運轉。將鉬從培養基中移除，接著在乙酸生產力降至其初始濃度的75%之後將鉬重新添加至生長培養基中。

圖7顯示乙酸生產力703對其培養基流速705作圖，其中垂直線表示將鉬移除與重新添加至生長培養基中。隨著在大約795累積小時進行鉬移除，在大約810累積小時開始，觀察到HAc的下降趨勢。此下降趨勢減低、達到平穩，接著反轉為上升趨勢，與在大約900小時之時將鉬重新添加至培養基中對應。

圖8顯示細胞密度801與氣體流速(GFR)806對時間作圖，其中垂直線表示將鉬移除與重新添加至生長培養基中。相較於在大約795累積小時進行鉬移除之前，在大約840累積小時開始，所需的GFR較低。此下降趨勢反轉為上升趨勢，與在大約900小時之時鉬回到培養基中對應。

雖然本揭示已藉由特定具體例、實施例及其應用來描述，熟習此技藝者可進行許多的修飾與變化而沒有背離在申請專利範圍中所揭示的範疇。

102、402、504:H₂轉換 104、406、502:CO₂轉換 202:移動平均 204:乙酸生成 206、302、408、506、602、801:細胞密度 304:比乙酸生產力 404:CO轉換 604:乙酸濃度 703:乙酸生產力 705:培養基流速 806:氣體流速(GFR)

因此，可詳細理解本揭示的上述特徵之方式為，可藉由參考具體例(其中一些顯示於隨文檢附的圖式中)來獲得上面所概述之本揭示的更具體的說明。然而，要注意的是，由於本揭示可允許其他等效的具體例，隨文檢附的圖式僅例示說明本揭示之代表性具體例，因而不被視為對其範疇之限制。

圖1顯示在一生物反應器中的伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii )所進行的CO₂ 轉換與H₂ 轉換之圖式。

圖2顯示伍氏醋酸桿菌所進行的乙酸生成。

圖3描繪在5%CO的存在下伍氏醋酸桿菌的生長。

圖4描繪在5%CO的存在下伍氏醋酸桿菌的生長。

圖5顯示在pH5.2下且沒有螯合劑(EDTA)的生長培養基中伍氏醋酸桿菌的CO₂ 轉換、H₂ 轉換與細胞密度。

圖6描繪在生長培養基中使用乙二胺二乙酸(EDDA)作為一螯合(錯合)劑下伍氏醋酸桿菌的生長。

圖7顯示鉬對於伍氏醋酸桿菌所進行的乙酸生成之影響。

圖8顯示鉬對於伍氏醋酸桿菌的氣體流速需求與細胞密度之影響。

(無)

Claims (22)

1. 一種方法，其包含： 提供一氣態基質至一生物反應器中，該氣態基質包含CO₂ 並且含有大約5至大約90莫耳%的CO₂ ； 提供產乙酸菌至該生物反應器中； 透過一或多種鈉離子源來提供鈉離子至該生物反應器中；以及 在一含有該產乙酸菌與該一或多種鈉離子源的發酵培養液中以該產乙酸菌來發酵該氣態基質，以產生一或多種有機酸； 其中該產乙酸菌包含一鈉轉位ATP酶，其在該生物反應器的發酵期間是活化的， 其中該發酵培養液包含少於大約每公升0.01公克的酵母萃取物，以及少於大約每公升0.01公克的醣類， 其中該等鈉離子是以大約290至大約8750 µg/公克細胞/分鐘的鈉進料速率來提供，以及 其中該發酵培養液被維持在大約4至大約6.9之範圍內的pH。
2. 如請求項1的方法，其中該含有CO₂ 的氣態基質是選自於下列所構成之群組：工業氣體、發酵槽氣流，以及它們混合物。
3. 如請求項1的方法，其中該產乙酸菌是選自於下列所構成之群組：醋酸桿菌(Acetobacterium bacteria)、凱伍產醋菌(Acetogenium kivui )、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae )、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii )、巴奇嗜鹼菌CP11 (Alkalibaculum bacchi CP11)(ATCC BAA-1772)、熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica )、熱自養穆爾氏菌(Moorella thermoautotrophica )、產生瘤胃球菌(Ruminococcus productus )，以及它們的組合。
4. 如請求項3的方法，其中該產乙酸菌是伍氏醋酸桿菌。
5. 如請求項1的方法，其中該鈉離子源是由一選自於下列所構成之群組中的化合物來提供：氯化鈉、氫氧化鈉、磷酸鈉、硫酸鈉、硝酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸氫鈉，以及它們的混合物。
6. 如請求項1的方法，其中該有機酸是一或多種C1至C10有機酸。
7. 如請求項6的方法，其中該有機酸是乙酸、丁酸，或者它們的混合物。
8. 一種方法，其包含： 提供一氣態基質至一生物反應器中，該氣態基質包含CO₂ 與H₂ 並且含有大約5至90莫耳%的CO₂ ； 提供產乙酸菌至該生物反應器中； 透過一或多種鈉離子源來提供鈉離子至該生物反應器中；以及 在一含有該產乙酸菌與該一或多種鈉離子源的發酵培養液中以該產乙酸菌來發酵該氣態基質，以產生一或多種有機酸； 其中該產乙酸菌包含一鈉轉位ATP酶，其在該生物反應器的發酵期間是活化的， 其中該發酵培養液包含少於大約每公升0.01公克的酵母萃取物，以及少於大約每公升0.01公克的醣類， 其中鈉離子是以大約290至大約8750 µg/公克細胞/分鐘的鈉進料速率來提供，以及 其中該發酵培養液被維持在大約4至大約6.9之範圍內的pH。
9. 如請求項8的方法，其中該氣態基質是選自於下列所構成之群組：工業氣體、發酵槽氣流，以及它們混合物。
10. 如請求項8的方法，其中該產乙酸菌是選自於下列所構成之群組：醋酸桿菌、凱伍產醋菌、潮濕厭氧醋菌、伍氏醋酸桿菌、巴奇嗜鹼菌CP11(ATCC BAA-1772)、熱醋穆爾氏菌、熱自養穆爾氏菌、產生瘤胃球菌，以及它們的組合。
11. 如請求項10的方法，其中該產乙酸菌是伍氏醋酸桿菌。
12. 如請求項8的方法，其中該鈉離子源是由一選自於下列所構成之群組中的化合物來提供：氯化鈉、氫氧化鈉、磷酸鈉、硫酸鈉、硝酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸氫鈉，以及它們的混合物。
13. 如請求項8的方法，其中該有機酸是一或多種C1至C10有機酸。
14. 如請求項13的方法，其中該有機酸是乙酸、丁酸，或者它們的混合物。
15. 一種組成物，其包含： NH₄ ⁺ 、P、K、Fe、Ni、Co、Se、Zn、W或Mg之源中的一或多者； 大約875至大約35,000mg/L的鈉離子源；以及 大約0.009至大約0.397mg/L的Mo源，以及 其中該組成物包含少於大約每公升0.01公克的酵母萃取物，以及少於大約每公升0.01公克的醣類，以及 其中該組成物具有大約4至大約6.9的pH。
16. 如請求項15的組成物，其中該鈉離子源是由一選自於下列所構成之群組中的化合物來提供：氯化鈉、氫氧化鈉、磷酸鈉、硫酸鈉、硝酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸氫鈉，以及它們的混合物。
17. 如請求項15的組成物，其中該組成物包含一選自於下列所構成之群組中的錯合劑：乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid)(EDTA)、乙二胺二乙酸(ethylenediamine diacetic acid)(EDDA)、乙二胺二琥珀酸(ethylenediamine disuccinic acid)(EDDS)，以及它們的混合物。
18. 如請求項15的組成物，其中該組成物包含： 大約82至大約3280 mg/L的NH₄ ⁺ 源； 大約20.12至大約805 mg/L的磷源；或者 大約98.33至大約3933 mg/L的鉀源。
19. 如請求項18的組成物，其中氮是由一選自於下列所構成之群組中的氮源來提供：氫氧化銨、氯化銨、磷酸銨、硫酸銨、硝酸銨，以及它們的混合物； 磷是由一選自於下列所構成之群組中的磷源來提供：磷酸、磷酸銨、磷酸鉀，以及它們的混合物；以及 鉀是由一選自於下列所構成之群組中的鉀源來提供：氯化鉀、磷酸鉀、硝酸鉀、硫酸鉀，以及它們的混合物。
20. 如請求項19的組成物，其中該組成物包含： 大約0.85至大約34 mg/L的鐵源； 大約0.07至大約2.81 mg/L的鎳源； 大約0.037至大約1.49 mg/L的鈷源； 大約0.027至大約1.1 mg/L的硒源； 大約0.59至大約23.8 mg/L的鋅源； 大約80.25至大約3210 mg/L的鎢源；或者 大約0.71至大約28.69 mg/L的鎂源。
21. 如請求項20的組成物，其中鐵是由一選自於下列所構成之群組中的鐵源來提供：氯化亞鐵、硫酸亞鐵，以及它們的混合物； 鎳是由一選自於下列所構成之群組中的鎳源來提供：氯化鎳、硫酸鎳、硝酸鎳，以及它們的混合物； 鈷是由一選自於下列所構成之群組中的鈷源來提供：氯化鈷、氟化鈷、溴化鈷、碘化鈷，以及它們的混合物； 硒是由一選自於下列所構成之群組中的硒源來提供：Na₂ SeO₃ 、C₃ H₆ NO₂ Se，以及它們的混合物； 鋅是由ZnSO₄ 來提供； 鎢是由一選自於下列所構成之群組中的鎢源來提供：鎢酸鈉、鎢酸鈣、鎢酸鉀，以及它們的混合物；以及 鎂是由一選自於下列所構成之群組中的鎂源來提供：氯化鎂、硫酸鎂、磷酸鎂，以及硫是由一選自於下列所構成之群組中的硫源來提供：半胱胺酸、硫化鈉，以及它們的混合物。
22. 如請求項15的組成物，其中該鈉離子濃度是大約500 ppm至大約8000 ppm。

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