專利名稱：醇生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于提高微生物生長的效率和通過對底物的微生物發(fā)酵來生產(chǎn)產(chǎn)品的效率的方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于通過微生物發(fā)酵含一氧化碳的氣態(tài)底物來生產(chǎn)醇，特別是乙醇的方法。在具體的實施方案中，本發(fā)明涉及優(yōu)化底物供給以使得微生物發(fā)酵的整體效率增加的方法。
背景技術(shù)：
乙醇迅速地成為了世界上主要的富含氫的液體運輸燃料。2005年全世界的乙醇消耗估計為122億加侖。因為歐洲、日本、美國和一些發(fā)展中國家對乙醇的興趣增加，已預(yù)計燃料乙醇工業(yè)的全球市場在未來會持續(xù)快速增長。例如，在美國，乙醇被用于生產(chǎn)ElO——乙醇在汽油中的10%的混合物。在ElO摻合物中，乙醇組分作為氧合劑起作用，提供燃燒的效率并且降低空氣污染的產(chǎn)生。在巴西， 乙醇作為混合在汽油中的氧合劑以及自身即可作為純?nèi)剂蠞M足了約30 %的運輸燃料需求。 同樣，在歐洲，關(guān)于溫室氣體(GHG)排放后果的環(huán)境問題已經(jīng)成為刺激歐盟(EU)為成員國設(shè)置消費可持續(xù)運輸燃料(例如生物質(zhì)衍生的乙醇)的強制目標(biāo)的動力。燃料乙醇的絕大部分是通過傳統(tǒng)的基于酵母的發(fā)酵方法生產(chǎn)的，所述方法使用源自作物的碳水化合物(例如從甘蔗提取的蔗糖或從谷類作物提取的淀粉)作為主要的碳源。然而，這些碳水化合物原料儲備的費用受到它們作為人類食物或動物食物的價值的影響，并且培養(yǎng)用于乙醇生產(chǎn)的淀粉或產(chǎn)蔗糖作物并不是在所有的地理區(qū)域中都是經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)的。因此，需要發(fā)展將更低成本的和/或更充足的碳源轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂弦掖嫉募夹g(shù)。CO是例如煤或者油和油衍生產(chǎn)品的有機材料不完全燃燒的主要的、富含能量的副產(chǎn)物。其他工業(yè)過程也導(dǎo)致一氧化碳的產(chǎn)生。報道稱澳大利亞的鋼鐵工業(yè)每年產(chǎn)生并向大氣中排放超過500，000噸CO。可使用催化方法將主要包含CO和/或CO和氫氣(H2)的氣體轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N燃料和化學(xué)制品。還可以使用微生物將這些氣體轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂虾突瘜W(xué)制品。這些生物學(xué)方法盡管通常比化學(xué)反應(yīng)慢，但是比起催化方法來有一些優(yōu)勢，包括更高的特異性、更高的產(chǎn)率、更低的能量消耗和對中毒的更高抗性。微生物將CO作為唯一碳源而生長的能力于1903年被首次發(fā)現(xiàn)。后來確定這是使用乙酰輔酶A (乙酰CoA)自養(yǎng)生物化學(xué)途徑(也被稱作Woods-Ljimgdahl途徑和一氧化碳脫氫酶/乙酰CoA合酶(C0DH/ACS)途徑)的生物的特性。已證明包括一氧化碳營養(yǎng)生物、 光合生物、產(chǎn)甲烷生物和產(chǎn)乙酸生物的大量厭氧生物將CO代謝為各種終產(chǎn)物，即C02、H2、甲烷、正丁醇、乙酸和乙醇。當(dāng)使用CO作為唯一碳源時，所有這樣的生物均產(chǎn)生至少兩種這些終產(chǎn)物。已證明厭氧細(xì)菌(例如來自梭菌屬(Clostridium)的那些厭氧細(xì)菌)通過乙酰CoA生物化學(xué)途徑從CO、CO2和H2產(chǎn)生乙醇。例如，WO 00/68407、EP 117309、美國專利 5，173，429,5, 593，886 和 6，368，819、WO 98/00558 和 WO 02/08438 中描述了從氣體產(chǎn)生乙醇的多種揚氏梭菌(Clostridium ljunedahlii)菌株。還已知細(xì)菌Clostridium autoethanogenum sp 從氣體產(chǎn)生乙酉享(Abrini et al. , Archives of Microbiology 161, pp 345-351(1994))。但是由微生物通過氣體發(fā)酵進(jìn)行的乙醇生產(chǎn)一般伴隨著乙酸鹽和/或乙酸副產(chǎn)物的共同產(chǎn)生。因為一些可用的碳被轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜猁}/乙酸而不是乙醇，使用這樣的發(fā)酵方法生產(chǎn)乙醇的效率可能低于所希望的。并且除非所述乙酸鹽/乙酸副產(chǎn)品可被用于某些其他目的，否則還將產(chǎn)生廢棄物處理的問題。乙酸鹽/乙酸可被微生物轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?，因此可能會?dǎo)致GHG排放。W02007/117157、W02008/115080 和 W02009/022925 的公開內(nèi)容以引用的方
式納入本文，其描述了通過對含一氧化碳?xì)怏w的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生醇，尤其是乙醇的方法。 W02007/117157描述了通過含對一氧化碳?xì)怏w的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生醇，尤其是乙醇的方法。乙酸鹽作為發(fā)酵過程的副產(chǎn)物被轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夂投趸細(xì)怏w，它們各自或者兩者一起都能夠用于厭氧發(fā)酵過程。W02008/115080描述了在多個發(fā)酵階段中生產(chǎn)醇的方法。在第一個生物反應(yīng)器中因氣體厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的副產(chǎn)物能夠用于在第二個生物反應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)品。此外， 第二發(fā)酵階段的副產(chǎn)物可回收至第一個生物反應(yīng)器生產(chǎn)產(chǎn)品。W02009/022925公開了 pH和 ORP在通過發(fā)酵將包含CO的底物轉(zhuǎn)化為諸如酸和醇的產(chǎn)物的過程中的作用。已知與依靠糖生長的微生物的通常生長速度相比，能夠依靠含CO氣體生長的微生物的生長速度較慢。從商業(yè)的角度來看，在發(fā)酵過程中微生物種群生長至足夠高的細(xì)胞密度以使得可合成經(jīng)濟(jì)可行水平的產(chǎn)物所需要的時間是影響所述方法盈利情況的關(guān)鍵運營成本。增加培養(yǎng)物生長速度和/或生產(chǎn)力從而減少達(dá)到所需細(xì)胞密度和/或所需產(chǎn)品水平的所需時間的技術(shù)可以用于提高整個過程的商業(yè)可行性。在專用于從氣體原料生產(chǎn)醇的發(fā)酵過程中，確保微生物生長和/或醇生產(chǎn)的合適條件可以成為保持最佳微生物生長和/或醇生產(chǎn)的關(guān)鍵。例如，如全文以引用方式納入本文的PCT/NZ2010/000009所描述的，已認(rèn)識到以最佳或接近最佳的水平和范圍向微生物培養(yǎng)物提供底物能夠獲得最佳微生物生長和/或所需的代謝物產(chǎn)生。例如，如果提供的底物太少，微生物生長會變慢并且發(fā)酵產(chǎn)物主要是酸，例如乙酸鹽，而太多的底物則可導(dǎo)致微生物生長不良和/或細(xì)胞死亡。由于CO的溶解性低，并且缺乏測量溶解的CO的準(zhǔn)確方法，因此難以確定在具體條件下給定時間點時微生物培養(yǎng)物可利用多少Co。因此，難以確定在任意具體時間為轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物而向微生物培養(yǎng)物提供CO的最佳水平。本發(fā)明的一個目的是提供至少在某種程度上克服上述缺點，或者至少為大眾提供可用選擇的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一個廣義方面中，提供一種優(yōu)化對生物反應(yīng)器的含CO底物供應(yīng)的方法，其中用一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的培養(yǎng)物對所述底物進(jìn)行發(fā)酵以產(chǎn)生包含一種或多種醇和/或酸的產(chǎn)物，所述方法包括在第一時間點和第二時間點確定所述生物反應(yīng)器中的酸水平，其中第一時間點和第二時間點之間的酸水平變化導(dǎo)致底物供應(yīng)的變化。在具體實施方案中，所述第一和第二時間點之間酸水平的上升導(dǎo)致底物供應(yīng)的增加。在具體實施方案中，所述第一和第二時間點之間酸水平的下降導(dǎo)致底物供應(yīng)的減少。在本發(fā)明的第二個廣義方面中，提供一種增加在生物反應(yīng)器中由一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的培養(yǎng)物對含CO底物進(jìn)行發(fā)酵以產(chǎn)生包含酸和/或醇的產(chǎn)物的效率的方法，其中供應(yīng)所述底物以使得所述反應(yīng)器中的酸水平保持在預(yù)定闕值濃度之間。在具體實施方案中，所述底物供應(yīng)響應(yīng)酸水平變化而被自動控制。在具體實施方案中，酸水平保持在l-10g/L發(fā)酵液的預(yù)定闕值濃度之間。在具體實施方案中，酸水平保持在2-8g/L發(fā)酵液的預(yù)定闕值濃度之間。在具體實施方案中，酸水平是通過測量所述培養(yǎng)物的PH來確定。 在具體實施方案中，所述發(fā)酵是連續(xù)的。在本發(fā)明的第三個廣義方面中，提供一種確定最佳底物供應(yīng)水平和/或范圍的方法，所述方法包括以這樣的水平或基本接近這樣的水平向生物反應(yīng)器中的一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的培養(yǎng)物提供底物，即所述水平使得通過對含CO底物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生所需的醇酸產(chǎn)物的比例。在前述方面的具體實施方案中，所述酸是乙酸。在具體實施方案中，所述醇是乙醇。在本發(fā)明的第四個廣義方面中，提供一種提高對底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的整體效率的方法，所述方法包括以基本接近最佳水平、最佳水平或在最佳范圍內(nèi)向微生物培養(yǎng)物提供底物。在具體實施方案中，所述底物包含CO。在具體實施方案中，所述產(chǎn)物是酸和/或醇。在本發(fā)明的具體實施方案中，醇(尤其是乙醇)的產(chǎn)生不伴隨酸(尤其是乙酸鹽)的產(chǎn)生。在具體實施方案中，所述方法包括提供所述底物以使得發(fā)酵培養(yǎng)基的pH保持基本恒定或者在預(yù)定范圍內(nèi)。在具體實施方案中，提供所述底物以使得發(fā)酵過程中酸濃度基本沒有凈改變。在具體實施方案中，提供所述底物以使得pH保持在所需范圍內(nèi)。在具體實施方案中，所需范圍是最佳運行PH士0.5。一般地，提供所述底物以使得pH保持在5-6之間；或者 5. 1-5. 9之間，或者5. 2-5. 8之內(nèi)；或者5. 3-5. 7之間；或者5. 4-5. 6之間；或者基本上為 5 · 5 ο在第五個廣義方面中，提供一種提高對底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的整體效率的方法，所述方法包括監(jiān)測PH并基于pH變化控制底物供應(yīng)。在具體實施方案中，所述底物包含CO。在具體實施方案中，控制所述底物供應(yīng)以使得pH保持基本恒定或者在預(yù)定范圍內(nèi)，或者以預(yù)定變化速率改變。在具體實施方案中，所述方法包括響應(yīng)pH下降而增加底物供應(yīng)。另外地或者可選地，所述方法包括響應(yīng)PH增加而減少底物供應(yīng)。在本發(fā)明的具體實施方案中，所述方法包括通過已知分析方法監(jiān)測發(fā)酵液中的代謝物濃度。
在本發(fā)明的第六個廣義方面中，提供一種提高對底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的整體效率的方法，所述方法包括以基本接近最佳水平、最佳水平或在最佳范圍之內(nèi)的水平向微生物培養(yǎng)物提供所述底物。在具體的實施方案中，所述底物包含CO。在具體的實施方案中，所述產(chǎn)物是酸和/或醇。在具體的實施方案中，生產(chǎn)產(chǎn)物以使得所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的酸醇的理想產(chǎn)物比例為至少1 1、或至少1 2、或至少1 3、 或至少1 4、或至少1 5、或至少1 10或至少1 20。在本發(fā)明的具體實施方案中， 醇(尤其是乙醇)的產(chǎn)生不伴隨酸(尤其是乙酸鹽)的產(chǎn)生。在具體的實施方案中，所述方法包括提供所述底物以使得所述微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生氫氣。在具體的實施方案中，提供所述底物以使得氫氣以所述微生物培養(yǎng)物消耗的底物的至少0. 5mol%、或至少1. Omol %、或至少1. 5mol%、或至少2. Omol %的水平產(chǎn)生。另外地或者可選地，提供所述底物以使得所述微生物培養(yǎng)物的具體CO攝取量保持在每分鐘每克生物質(zhì)消耗的CO為0. 6-1. 5mmol (mmol/g/min)。在具體的其中所述底物包含CO的實施方案中，隨著底物可利用性增加至最佳量以上(或者最佳范圍以上)，過量的CO抑制氫化酶， 從而基本上阻止H2產(chǎn)生。由于氫化酶受到抑制，微生物無法自身除去過量還原力，從而導(dǎo)致培養(yǎng)問題，例如生長抑制和/或微生物死亡。在本發(fā)明的第七個廣義方面中，提供一種提高對底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的整體效率的方法，所述方法包括監(jiān)測由微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生的氫氣并且基于氫氣的產(chǎn)生控制底物供應(yīng)。在具體實施方案中，所述底物包含CO。在本發(fā)明的具體實施方案中，控制所述底物供應(yīng)以使得所述微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生的氫氣水平為所述培養(yǎng)物消耗的底物的至少0. 5mol% ；或至少1. Omol % ；或至少1. 5mol% ； 或至少2. Omol %。在具體的實施方案中，增加所述底物供應(yīng)以使得氫氣產(chǎn)生的水平保持在所述微生物培養(yǎng)物消耗的底物的至少0. 5mol%、或至少1. Omol %、或至少1. 5mol%或至少 2. Omol %。另外地或者可選地，底物供應(yīng)可減少或保持基本恒定，以使得氫氣產(chǎn)生的水平保持在所述微生物培養(yǎng)物消耗的底物的至少0. 5mol%、或至少1. Omol %、或至少1. 5mol%或至少 2. Omol %。在第八個方面中，提供提高一種對底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的整體效率的方法，所述方法包括向微生物培養(yǎng)物提供所述含CO底物以使得所述微生物培養(yǎng)物的具體攝取量基本上保持在每分鐘每克生物質(zhì)消耗的CO為0. 6-1. 5mmol (mmol/g/min)。在具體的實施方案中，提供所述含CO底物以使得具體的攝取量基本上保持在0. 8-1. 2mm0l/g/min。在所述各方面的具體實施方案中，所述含CO底物是氣態(tài)的。在具體的實施方案中，所述氣態(tài)底物包含作為工業(yè)過程副產(chǎn)物得到的氣體。在一些實施方案中，所述工業(yè)過程選自鐵金屬產(chǎn)品制造、非鐵產(chǎn)品制造、石油煉制過程、生物質(zhì)的氣化、煤的氣化、電能生產(chǎn)、 炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭制造。具有低濃度例如6%的CO的底物也可以是合適的，特別是當(dāng)還存在H2和CO2時。在所述各方面的具體實施方案中，所述含CO底物一般會含有較大比例的C0，例如以體積計至少約20%至約100% CO,以體積計約40%至95% C0,以體積計40%至60% C0,以及以體積計45%至55% CO。在具體的實施方案中，所述底物包含以體積計約25%、或約 30%、或約35%、或約40%、或約45%、或約50% CO、或約55% CO或約60% CO。在所述各方面的具體實施方案中，所述發(fā)酵過程產(chǎn)生的醇是乙醇。所述發(fā)酵反應(yīng)還可產(chǎn)生乙酸鹽。在所述各方面的具體實施方案中，所述發(fā)酵反應(yīng)由一種或多種產(chǎn)乙酸菌的菌株進(jìn)行。優(yōu)選地，所述產(chǎn)乙酸菌選自梭菌屬、穆爾氏菌屬(Moorella)和氧化碳嗜熱菌屬(Carboxydothermus)，例如 Clostridium autoethanogenum、揚氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和熱醋穆爾氏菌(Morella thermoacetica)。在一個實施方案中，所述產(chǎn)乙酸菌是 Clostridium autoethanogenum。在本發(fā)明的第九個廣義方面中，提供一種用于對底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的系統(tǒng)，包括設(shè)計用于進(jìn)行所需發(fā)酵的生物反應(yīng)器、設(shè)計用于在所需發(fā)酵期間測定發(fā)酵液 PH的測定器件和適于控制底物供應(yīng)的控制器件。在具體實施方案中，所述系統(tǒng)被設(shè)計用于提供含CO底物。在具體的實施方案中，所述控制器件被設(shè)計用于在pH已偏離預(yù)定值或范圍時對底物供應(yīng)進(jìn)行一種或多種調(diào)整。在具體實施方案中，所述系統(tǒng)包括操作器件。在具體實施方案中，所述操作器件與所述控制器件連接，使得底物供應(yīng)能夠響應(yīng)于PH變化而自動調(diào)節(jié)。在具體實施方案中，控制所述底物供應(yīng)以使得當(dāng)PH下降時底物供應(yīng)量增加并且/或者當(dāng)pH下降時底物供應(yīng)量減少。在本發(fā)明的第十個廣義方面中，提供一種用于對底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的系統(tǒng)，包括設(shè)計用于進(jìn)行所需發(fā)酵的生物反應(yīng)器、設(shè)計用于在所需發(fā)酵期間測定產(chǎn)生的氫氣量的測定器件和適于控制底物供應(yīng)的控制器件。在具體實施方案中，所述系統(tǒng)被設(shè)計用于提供含CO底物。在某些實施方案中，所述測定器件還測定發(fā)酵期間所消耗的底物量。所述測定器件可任選地連接至操作器件，這樣使得可以測定H2產(chǎn)生w /CO比例。在具體實施方案中，所述控制器件被設(shè)計用于在H2，■ /CO ■■比例已偏離預(yù)定值或范圍時對底物供應(yīng)進(jìn)行一種或多種調(diào)整。在具體的實施方案中，所述操作器件與所述控制器件連接，使得底物供應(yīng)能夠響應(yīng)于H2產(chǎn)生和/或H2產(chǎn)生的/CO _的比例的變化而自動調(diào)節(jié)。在本發(fā)明第十一個廣義方面中，提供一種用于進(jìn)行微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的系統(tǒng)，包括i.設(shè)計用于進(jìn)行含CO底物的發(fā)酵的生物反應(yīng)器ii.測定器件；和iii.控制器件；其中，所述控制器件被設(shè)計用于響應(yīng)于由所述測定器件所作出的測定結(jié)果來控制含CO底物的供應(yīng)。在具體實施方案中，所述測定器件被設(shè)計用于測定發(fā)酵中產(chǎn)生的一種或多種酸的量。在具體實施方案中，所述測定器件被設(shè)計用于測定發(fā)酵的pH。
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在具體的實施方案中，所述測定器件被設(shè)計用于測定發(fā)酵中產(chǎn)生的H2的量。盡管本發(fā)明廣義上如上所限定，但其并不限于此并且還包括由以下說明書提供的實施例的實施方案。


現(xiàn)在參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，所述附圖中圖1是本發(fā)明一個實施方案的示意圖。圖2是本發(fā)明一個實施方案的示意圖。圖3顯示實施例1中描述的微生物生長和代謝物產(chǎn)生。圖4顯示實施例1中描述的CO消耗和H2產(chǎn)生。圖5顯示實施例2中描述的微生物生長和代謝物產(chǎn)生。圖6顯示實施例2中描述的CO消耗和H2產(chǎn)生。圖7顯示實施例3中描述的微生物生長和代謝物產(chǎn)生。圖8顯示實施例3中描述的CO消耗和H2產(chǎn)生。圖9顯示實施例4中描述的微生物生長和代謝物產(chǎn)生。圖10顯示實施例4中描述的發(fā)酵期間的pH變化。圖11顯示實施例5A中描述的氣體消耗/產(chǎn)生。圖12顯示實施例5A中描述的微生物生長和代謝物產(chǎn)生。圖13顯示實施例5B中描述的氣體消耗/產(chǎn)生。圖14顯示實施例5B中描述的的微生物生長和代謝物產(chǎn)生。圖15顯示實施例6中描述的氣體消耗/產(chǎn)生。圖16顯示實施例6中描述的微生物生長和代謝物產(chǎn)生。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的具體方面，提供了提高底物的微生物發(fā)酵整體效率的方法，所述方法包括提供基本為最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)的底物。在本發(fā)明的具體實施方案中，所述底物包含CO并且被提供給一種或多種一氧化碳營養(yǎng)細(xì)菌，例如產(chǎn)乙酸菌。在合適的厭氧條件下，產(chǎn)乙酸菌(例如Clostridium autoethanogenum、揚氏梭菌、 Clostridium ragsdalei 和 Clostridium carboxydivorans)將含 CO 底物轉(zhuǎn)變?yōu)榘岷痛嫉漠a(chǎn)物。如以引用方式全文納入本文的PCT/NZ2010/000009中所述，已經(jīng)認(rèn)識到以最佳或接近最佳的水平或范圍向微生物培養(yǎng)物提供底物(例如含CO底物)能夠獲得最佳的微生物生長和/或需要的代謝物生產(chǎn)。例如，已認(rèn)識到以最佳或接近最佳的水平向包含一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的微生物培養(yǎng)物提供含CO底物會獲得良好的微生物生長和所需產(chǎn)物(例如一種或多種醇)的生產(chǎn)。為了保持最佳微生物生長和所需產(chǎn)物的生產(chǎn)，必須在發(fā)酵過程中以最佳或接近最佳水平將所述底物基本連續(xù)地提供給所述微生物培養(yǎng)物。偏離最佳供應(yīng)可導(dǎo)致生長減緩、 產(chǎn)生更少的所需產(chǎn)物，或者在極端情況下可導(dǎo)致微生物生長抑制或微生物死亡。不希望囿于理論的，本發(fā)明人認(rèn)為至少部分底物(尤其是含CO底物)會被微生物培養(yǎng)物氧化以產(chǎn)生可用于代謝物產(chǎn)生和/或細(xì)胞生長的能量(還原當(dāng)量)。增加底物供應(yīng)致使可用于代謝物生產(chǎn)和/或生長的還原當(dāng)量增加。一般地，在底物受限的培養(yǎng)物中，還原當(dāng)量被用于微生物培養(yǎng)物以生長并且產(chǎn)生例如酸的產(chǎn)物。但是，隨著底物供應(yīng)增加，微生物可使用額外的底物生產(chǎn)額外的還原當(dāng)量，其可被用于將例如酸的產(chǎn)物還原為例如醇的所需產(chǎn)物。隨著底物供應(yīng)向最佳水平增長，醇的量相對于酸增長，因為所述微生物使用了增加量的還原當(dāng)量。一般地，在這樣的實施方案中，所述微生物培養(yǎng)物會生長并產(chǎn)生醇，例如乙醇。將底物提供給一種或多種微生物的所述底物供應(yīng)或水平主要與所述底物向水性發(fā)酵液中的質(zhì)量傳遞速率有關(guān)。氣體向液體中的質(zhì)量傳遞是三個主要變量的函數(shù)1.濃度驅(qū)動力(Concentration Driving Force)具體氣態(tài)組分的分壓基本上與該組分被溶入溶液的速率成比例。2.界面表面面積氣相和液相之間的界面表面積越大，質(zhì)量傳遞的機會越高。具體地，界面表面積一般是氣體滯留和氣泡大小的函數(shù)。3.傳遞系數(shù)系統(tǒng)的傳遞系數(shù)受多種因素的影響。但是，從實際來看，一般最大的影響因素是液相和氣相之間的相對速度。一般可通過攪拌或其他混合增加擾動從而增加相對速度(并且因而增加質(zhì)量傳遞)。本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉增加底物向溶液中的質(zhì)量傳遞的方法。然而，舉例來說，所述底物供應(yīng)或水平能夠通過以下一種或多種方法增加增加向生物反應(yīng)器提供底物的速率，增加所述底物的分壓；或者通過機械方法，例如增加攪拌釜生物反應(yīng)器(stirred tank bioreactor)的攪動，或者增加具體生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞特性。已知很多促進(jìn)向氣態(tài)底物發(fā)酵中的微生物的質(zhì)量傳遞的儀器和設(shè)備。已經(jīng)認(rèn)識到將可被微生物培養(yǎng)物利用以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的底物的量增加接近最佳水平，會導(dǎo)致所產(chǎn)生的醇的量相對于酸增加。在本發(fā)明的具體實施方案中，生產(chǎn)產(chǎn)物以使得所述培養(yǎng)物產(chǎn)生理想的酸醇產(chǎn)物比例為至少1 1、或至少1 2、或至少1 3、或至少 1 4、或至少1 5、或至少1 10或至少1 20。在具體的實施方案中，對含CO底物的穩(wěn)定狀態(tài)連續(xù)發(fā)酵會產(chǎn)生包含乙酸鹽和/或醇的產(chǎn)物。在具體實施方案中，在穩(wěn)定狀態(tài)下， 當(dāng)以最佳或接近最佳水平提供所述底物時，在所述發(fā)酵液中乙酸鹽的濃度保持低于10g/L、 或低于9g/L、或低于8g/L、或低于7g/L、或低于6g/l或低于5g/L。在本發(fā)明的其他實施方案中，醇(尤其是乙醇)的產(chǎn)生不伴隨酸(尤其是乙酸鹽) 的產(chǎn)生。但是，底物的可利用性過高(通過過度供給)可導(dǎo)致培養(yǎng)問題，例如生長抑制和/ 或微生物死亡。根據(jù)具體的方面，本發(fā)明提供通過以下方式來優(yōu)化對底物(尤其是含CO底物)的微生物發(fā)酵的方法，即控制底物的供應(yīng)從而使得以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供所述底物以促進(jìn)培養(yǎng)物生活力和生長以及所述代謝物(例如乙醇)的生產(chǎn)。已認(rèn)識至IJ，因微生物種群的大小不同，所述最佳水平(或范圍)可隨時間改變。例如，在具體的實施方案中，當(dāng)以最佳或接近最佳水平提供底物時，培養(yǎng)物以少于2g/g生物質(zhì)/天、或少于 1. 5g/g/天、或少于1. 2g/g/天或少于lg/g/天的具體速率產(chǎn)生酸，例如乙酸鹽。因此，本發(fā)明的方法提供了優(yōu)化底物供應(yīng)而不必考慮所述微生物培養(yǎng)物大小的方法。例如，在分批或加料分批發(fā)酵中，在生長期中微生物培養(yǎng)物呈指數(shù)生長。因此，所述底物應(yīng)當(dāng)以漸增量提供，這樣使得可以連續(xù)提供基本最佳量的底物。另外地或者可選地，在連續(xù)培養(yǎng)中，必須較長時期內(nèi)以最佳或接近最佳的水平或范圍提供所述底物以維持可持續(xù)的微生物生長和所需代謝物生產(chǎn)。已認(rèn)識到操作條件(例如新鮮培養(yǎng)基供應(yīng)速率、溫度、PH、 0RP、培養(yǎng)物生活力)的微小變化能夠?qū)е律镔|(zhì)水平改變，從而導(dǎo)致底物需求改變。根據(jù)本發(fā)明的方法，可以不考慮生物質(zhì)的變化，以最佳或接近最佳的水平提供底物。根據(jù)具體的方面，所述優(yōu)化方法包括監(jiān)測發(fā)酵培養(yǎng)基的PH并且基于pH測量結(jié)果或PH隨時間的變化來控制底物供應(yīng)。在具體實施方案中，將底物提供給發(fā)酵培養(yǎng)基中的微生物培養(yǎng)物，使得所述培養(yǎng)基的PH基本上以預(yù)定或接近預(yù)定的變化速率或者在預(yù)定的變化速率范圍內(nèi)變化。在具體的實施方案中，所述變化速率接近零，使得在一些實施方案中所述培養(yǎng)基的PH基本上保持恒定或者在預(yù)定范圍內(nèi)。在本發(fā)明的具體方面中，在限制底物供應(yīng)的時期，產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)生包含乙酸的產(chǎn)物。因此，含有底物受限的產(chǎn)乙酸培養(yǎng)物的發(fā)酵培養(yǎng)基的PH會下降，除非通過加入堿對pH進(jìn)行控制。根據(jù)以引用方式全文納入本文的 W02009/113878中描述的發(fā)明，當(dāng)過量提供含CO底物時，乙酸鹽會被轉(zhuǎn)變?yōu)榇?，并且pH會升高，除非通過加入酸對PH進(jìn)行控制。因此，在最佳生長和/或醇生產(chǎn)條件下，微生物培養(yǎng)物可產(chǎn)生或消耗酸性代謝物。在具體的實施方案中，最佳醇生產(chǎn)率與例如乙酸鹽的酸的共產(chǎn)生有關(guān)。因此，酸性代謝物(例如乙酸鹽)的產(chǎn)生將導(dǎo)致所述發(fā)酵液的PH隨著時間下降。在本發(fā)明的具體實施方案中，生產(chǎn)產(chǎn)物使得所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的理想酸醇產(chǎn)物比為至少1 1、或至少1 2、或至少1 3、或至少1 4、或至少1 5、或至少1 10或至少 1 20，并且pH會因所述微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生酸而改變。已認(rèn)識到發(fā)酵液體培養(yǎng)基的pH可因多種影響因素而改變，所述影響因素例如一種或多種酸或堿的消耗或產(chǎn)生或其結(jié)合。例如，微生物培養(yǎng)物在微生物生長期間進(jìn)行的氮固定可導(dǎo)致PH下降。在具體實施方案中，一氧化碳營養(yǎng)微生物(例如Clostridium autoethanogenum)可以攝取NH3形式的氮，這可導(dǎo)致發(fā)酵液的pH隨著時間流逝而下降。所述微生物培養(yǎng)物還可產(chǎn)生和/或消耗其他代謝物(例如磷酸鹽和/或乳酸鹽)，從而影響發(fā)酵液體培養(yǎng)基的PH。已認(rèn)識到乙酸鹽一般是產(chǎn)乙酸細(xì)菌發(fā)酵中的重要產(chǎn)物，并且通常對pH 有最大的影響。因此，在具體的實施方案中，本發(fā)明提供一種以最佳或接近最佳水平或范圍提供底物的方法，所述方法包括將PH變化基本上維持在預(yù)定或接近預(yù)定的變化速率上。根據(jù)具體的實施方案，對于給定微生物培養(yǎng)物，所需的PH變化速率可通過實驗方法確定。例如，可為微生物培養(yǎng)物提供最佳量的底物以實現(xiàn)最佳生長和/或所需代謝物生產(chǎn)，并且可監(jiān)測PH 變化。在發(fā)酵期間，所述微生物培養(yǎng)物可產(chǎn)生和/或消耗酸性和/或堿性組分，導(dǎo)致PH隨時間變化。之后可使用該(預(yù)先)確定的PH變化速率來控制在隨后發(fā)酵中對微生物培養(yǎng)物的底物供應(yīng)。在具體的實施方案中，得到最佳供應(yīng)的微生物培養(yǎng)物生長并產(chǎn)生包含醇(例如乙醇)和酸(例如乙酸鹽)的代謝物。在穩(wěn)定狀態(tài)的代謝物產(chǎn)生期間，酸的產(chǎn)生會保持基本恒定，這樣使得PH變化速率會基本恒定。如果pH下降快于預(yù)定的變化速率，可以確定所述培養(yǎng)物正在產(chǎn)生更多的酸，可將所述底物供應(yīng)向最佳速率增加。如果PH下降慢于預(yù)定的變化速率，可以推斷所述培養(yǎng)物以較慢的速率產(chǎn)生酸，可將所述底物供應(yīng)向最佳速率減少。如果PH增加，可以推斷所述培養(yǎng)物消耗酸，可將所述底物供應(yīng)向最佳速率減少。在另一個實施方案中，pH變化可通過加入酸或堿來抵消以維持基本恒定的pH。在這樣的實施方案中，向所述發(fā)酵加入酸/堿的速率可用于確定最佳底物供應(yīng)。在具體的實施方案中，出乎意料地認(rèn)識到可通過供應(yīng)需要水平的底物(尤其是含 CO底物)將PH維持在預(yù)定水平或者在預(yù)定范圍內(nèi)來優(yōu)化微生物生長和醇產(chǎn)生?？赏ㄟ^確保沒有例如乙酸鹽的酸性代謝物凈產(chǎn)生或消耗使PH維持在預(yù)定水平或預(yù)定范圍內(nèi)。在這樣的實施方案中，PH的變化速率近似于零。如果在發(fā)酵期間PH開始下降，可以推斷所述培養(yǎng)物產(chǎn)生酸例如乙酸鹽，并且所述培養(yǎng)物的底物受限。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，應(yīng)當(dāng)增加所述底物供應(yīng)。相反地，如果在發(fā)酵期間PH開始升高，可以推斷有酸(例如乙酸鹽)向醇 (例如乙醇)的凈轉(zhuǎn)化，并且所述培養(yǎng)物的底物供應(yīng)過度。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，應(yīng)當(dāng)減少所述底物供應(yīng)。這種控制方法在培養(yǎng)微生物培養(yǎng)物中尤其重要，因為所述培養(yǎng)物的底物需求會隨時間而改變。例如，如果所述培養(yǎng)物是以分批操作培養(yǎng)的，那么一個時間點的底物最佳水平可能是后一時間點的底物受限量?？紤]到在指數(shù)生長期間，所需要的底物最佳量被認(rèn)為也會是基本上指數(shù)增長的。在連續(xù)操作中，即使在穩(wěn)定狀態(tài)，所述培養(yǎng)物的動態(tài)狀況也意味著可以響應(yīng)于所述微生物培養(yǎng)物的微小變化而以最佳或接近最佳水平連續(xù)提供底物供應(yīng)。已認(rèn)識到底物的最佳供應(yīng)還依賴于發(fā)酵操作要求。例如，在分批發(fā)酵(或連續(xù)培養(yǎng)的分批起始階段)中，可能需要提供底物使得沒有乙酸鹽的凈產(chǎn)生或消耗，并且PH沒有變化。在連續(xù)操作中，可能需要連續(xù)產(chǎn)生少量的乙酸，這樣可以維持穩(wěn)定的培養(yǎng)。另外地或者可選地，可以通過任何本領(lǐng)域中已知的方法監(jiān)測代謝物(例如乙酸鹽和其他酸如乳酸以及堿例如NH3)的積累和/或消耗，并且可以響應(yīng)于代謝物水平來控制底物供應(yīng)。例如，可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的多種分析技術(shù)例如GC、HPLC、GCIR、GCMS, LCMS、NIR，借助一種或多種選擇性探針例如amperomic探針或其他合適的測定法，定期或者基本連續(xù)地檢測發(fā)酵罐中的乙酸鹽和/或乳酸濃度?？杀O(jiān)測所述生物反應(yīng)器中的發(fā)酵培養(yǎng)基和/或排出所述生物反應(yīng)器的培養(yǎng)基(例如來自連續(xù)發(fā)酵的產(chǎn)物流)中的代謝物濃度，并且根據(jù)所測量的所述培養(yǎng)基中的代謝物來優(yōu)化底物水平。例如，如果乙酸鹽開始在所述培養(yǎng)基中累積超過預(yù)定闕值，可根據(jù)本發(fā)明的方法增加底物供應(yīng)。類似地，如果乙酸鹽濃度下降至預(yù)定的或預(yù)設(shè)的闕值之下，可減少底物供應(yīng)。在具體的實施方案中，在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)以最佳或接近最佳水平提供所述底物時，乙酸鹽會保持在約l-10g/L、或約2-8g/L、 或約3-7g/L或約4-6g/L的預(yù)定濃度范圍內(nèi)。在具體的實施方案中，在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)以最佳或接近最佳水平提供所述底物時， 乙酸鹽在所述發(fā)酵液中會保持在約10g/L、或約9g/L、或約8g/L、或約7g/L、或約6g/L或約 5g/L的濃度。在具體實施方案中，當(dāng)?shù)孜锸且宰罴阉交蚪咏罴阉奖惶峁r，所述培養(yǎng)物以少于2g/g生物質(zhì)/天、或少于1. 5g/g/天、或少于1. 2g/g/天或少于lg/g/天的具體速率產(chǎn)生酸例如乙酸鹽。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，培養(yǎng)基pH可被用作所述培養(yǎng)物得到基本最佳量，或者至少是最佳范圍內(nèi)的底物供應(yīng)的指示。此外，通過將所述培養(yǎng)基保持在所需PH或者保持在預(yù)定PH范圍內(nèi)，可以優(yōu)化底物供應(yīng)，尤其是含CO底物的供應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的具體方面，改善微生物發(fā)酵的方法包括監(jiān)測微生物培養(yǎng)物的氫氣 (H2)產(chǎn)生和根據(jù)H2產(chǎn)生來控制底物供應(yīng)。在具體的實施方案中，當(dāng)以最佳或者接近最佳的水平或范圍提供含CO底物并且提供極少或者不提供H2時，一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物產(chǎn)生H2。在本發(fā)明的具體實施方案中，在有限底物供應(yīng)期間，一氧化碳營養(yǎng)細(xì)菌(例如Clostridium autoethanogenum)將一部分底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物例如酸和少量醇，另一部分用于細(xì)胞物質(zhì)的合成代謝生產(chǎn)(生長)。在這樣的有限底物供應(yīng)期間，基本上不產(chǎn)生H2。已出乎意料地認(rèn)識到當(dāng)?shù)孜锕?yīng)向最佳水平增加時，一氧化碳營養(yǎng)細(xì)菌(例如 C. autoethanogenum)將一部分底物轉(zhuǎn)變?yōu)槔缢岷痛嫉漠a(chǎn)物，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞物質(zhì)， 還有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)镠2。在具體的實施方案中，當(dāng)以最佳或接近最佳水平或者在最佳范圍內(nèi)提供底物(尤其是含CO底物)時，除產(chǎn)生例如乙醇的所需代謝物之外，還產(chǎn)生H2。還認(rèn)識到過量供應(yīng)含CO底物能夠?qū)е聦浠傅囊种?，從而減少所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的H2的量。因此，根據(jù)本發(fā)明，可通過監(jiān)測由所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的H2而以最佳或接近最佳水平或者在最佳范圍內(nèi)提供所述底物。在其中所述底物包含CO的具體實施方案中，隨著底物可利用性增加至最佳量以上(或者最佳范圍以上)，過量的CO抑制氫化酶，從而基本上阻止H2產(chǎn)生。因為氫化酶受到抑制，所述微生物自身不能消除過量的還原力，從而導(dǎo)致培養(yǎng)問題，例如生長抑制和/或微生物死亡。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生的氫氣可被用作所述培養(yǎng)基得到基本上最佳量或者至少是最佳范圍內(nèi)的底物供應(yīng)的指示。此外，微生物培養(yǎng)物的氫氣產(chǎn)生可被用于控制對所述微生物培養(yǎng)物的底物供應(yīng)。例如，可增加對底物限制培養(yǎng)物的底物供應(yīng)， 直到觀察到氫氣產(chǎn)生。氫氣產(chǎn)生開始后，可調(diào)節(jié)底物供應(yīng)以隨時間維持氫氣產(chǎn)生。隨著微生物培養(yǎng)物生長，可增加底物供應(yīng)以保持氫氣產(chǎn)生。該控制方法在正在生長的微生物培養(yǎng)物中尤其重要，因為所述培養(yǎng)物的底物需求會隨時間而變化。例如，如果所述培養(yǎng)物生長，則一個時間點的底物最佳水平可能是后一時間點的底物限制量。在指數(shù)生長期間，需要的底物最佳量被認(rèn)為也將基本上呈指數(shù)增長。已認(rèn)識到氫化酶是可逆的，因此微生物培養(yǎng)物可將含氫氣的底物流的氫氣組分用作能量來源。因此，在具體的實施方案中，所述優(yōu)化方法使用的含CO底物包含極少量的氫氣，或者基本不含氫氣。定義除非另有說明，以下本說明書通篇使用的術(shù)語定義如下當(dāng)術(shù)語“提高效率”、“提高的效率”等用于發(fā)酵過程時，包括但不限于提高以下一方面或多方面催化所述發(fā)酵的微生物的生長速率、消耗每體積底物(例如一氧化碳)所產(chǎn)生的所需產(chǎn)物(例如醇)的體積、所需產(chǎn)物的產(chǎn)生速率或產(chǎn)生水平以及與所述發(fā)酵的其他畐IJ產(chǎn)物相比的所需產(chǎn)物的相對比例。類似地，術(shù)語“優(yōu)化”等包括在給定的一組發(fā)酵條件下將效率向最大效率提高。術(shù)語“含一氧化碳底物”和類似的術(shù)語應(yīng)被理解為包括，例如，其中的一氧化碳可被一種或多種細(xì)菌菌株用于生長和/或發(fā)酵的任何底物。術(shù)語“包含一氧化碳的氣態(tài)底物”包括任意包含一氧化碳的氣體。所述氣態(tài)底物一般包含較大比例的C0，優(yōu)選以體積計至少約5%至約100% C0。在有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)物的上下文中，本文使用的術(shù)語“酸”包括羧酸及相關(guān)的羧酸陰離子，例如存在于本文描述的發(fā)酵液中的游離乙酸和乙酸鹽的混合物。所述發(fā)酵液中分子酸與羧酸鹽的比例依賴于所述系統(tǒng)的PH。術(shù)語“乙酸鹽(acetate)”包括單獨的乙酸鹽，以及
13分子乙酸或游離乙酸與乙酸鹽的混合物，例如如本文描述的存在于發(fā)酵液中的乙酸鹽和游離乙酸的混合物。所述發(fā)酵液中分子乙酸與乙酸鹽的比例依賴于所述系統(tǒng)的PH。術(shù)語“生物反應(yīng)器”包括由一個或多個容器和/或塔或者管道裝置組成的發(fā)酵設(shè)備，其包括連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器(CSTR)、固定化細(xì)胞反應(yīng)器(ICR)、滴流床反應(yīng)器(TBR)、移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)、泡罩塔、氣升發(fā)酵罐、例如中空纖維膜生物反應(yīng)器(HFMBR)的膜反應(yīng)器、靜態(tài)混合器或適合氣_液接觸的其他容器或其他設(shè)備。本文使用的術(shù)語“質(zhì)量傳遞”是指原子或分子(尤其是底物原子或分子)從氣相向水性溶液中的傳遞。除非上下文另有說明，本文使用的術(shù)語“發(fā)酵”、“發(fā)酵過程”或“發(fā)酵反應(yīng)”等意欲包括所述過程的生長階段和產(chǎn)物生物合成階段。正如本文將進(jìn)一步描述的，在一些實施方案中，所述生物反應(yīng)器可包含第一生長反應(yīng)器和第二發(fā)酵反應(yīng)器。因此，向發(fā)酵反應(yīng)加入金屬或組合物應(yīng)當(dāng)理解為包括向所述反應(yīng)器之一或兩者加入。盡管以下說明重點在于本發(fā)明的具體實施方案，即使用CO作為主要底物生產(chǎn)乙醇和/或乙酸鹽，然而應(yīng)理解本發(fā)明可用于生產(chǎn)其他醇和/或酸以及使用本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員知曉的其他底物。例如，可以使用含一氧化碳和氫氣的氣態(tài)底物。此夕卜，本發(fā)明可用于生產(chǎn)丁酸、丙酸、己酸、乙醇、丙醇和丁醇的發(fā)酵。所述方法還可用于生產(chǎn)氫氣。舉例來說，這些產(chǎn)物可通過使用來自以下屬的微生物發(fā)酵來產(chǎn)生穆爾氏菌屬、梭菌屬(Clostridia)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、醋酸桿菌屬(Acetobacterium)、真桿菌屬 (Eubacterium)、丁酸桿菌屬(Butyribacterium)、產(chǎn)醋桿菌屬(Oxobacter)、甲燒疊球菌屬(Methanosarcina)、甲燒八疊球菌屬和脫硫L桿菌屬(Desulfotomaculum)。本發(fā)明的一些實施方案適合使用由一種或多種工業(yè)過程產(chǎn)生的氣體流。這樣的過程包括煉鋼過程，尤其是產(chǎn)生具有高CO含量或高于預(yù)定水平(即5%)的CO含量的氣體流的過程。根據(jù)這樣的實施方案，優(yōu)選地在一個或多個生物反應(yīng)器中，使用產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生酸和/或醇，尤其是乙醇或丁醇。本領(lǐng)域技術(shù)人員會在考慮本公開內(nèi)容的情況下意識到，本發(fā)明可被應(yīng)用于各種工業(yè)或廢氣流，包括具有內(nèi)燃機的車輛的廢氣流。同樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員會在考慮本公開內(nèi)容的情況下意識到，本發(fā)明可被應(yīng)用于其他發(fā)酵反應(yīng)，包括使用相同或不同微生物的發(fā)酵反應(yīng)。因此，本發(fā)明的范圍不意欲限于所描述的具體實施方案和/或應(yīng)用，而應(yīng)以更廣義的含義理解；例如，對所述氣流來源沒有限制，只要其至少一個組分可用于向發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)料。本發(fā)明尤其可用于提高整體碳捕獲和/或從氣態(tài)底物(例如機動車廢氣和高CO體積含量工業(yè)燃料氣體)中產(chǎn)生乙醇和其他醇。發(fā)酵從氣態(tài)底物中產(chǎn)生乙醇和其他醇的方法是已知的。示例性方法包括例如在 W02007/117157、W02008/115080、US 6，340，581、US 6，136，577、US 5，593，886、US 5，807，722和US 5，821，111中描述的那些方法，上述文獻(xiàn)各自都以引用的方式納入本文。已知很多一氧化碳營養(yǎng)厭氧細(xì)菌能夠?qū)O發(fā)酵為醇(包括正丁醇和乙醇)和乙酸，并且適用于本發(fā)明的方法。適合在本發(fā)明中使用的這種細(xì)菌的實例包括梭菌屬的細(xì)菌，例如揚氏梭菌菌株(包括在WO 00/68407, EP 117309，美國專利5，173，429、 5，593，886 和 6，368，819，WO 98/00558 和 WO 02/08438 中所描述的菌株)，Clostridium carboxydivorans 胃 ^ (Liou et al. ， International Journal of Systematic andEvolutionary Microbiology 33 :pp 2085-2091), Clostridium ragsdalei 菌株 (W0/2008/028055)禾口 Clostridium autoethanogenum 菌株(Abrini et al, Archives of Microbiology 161 :pp 345-351)。其他合適的細(xì)菌包括穆爾氏菌屬的細(xì)菌，包括 Moorella sp HUC22-1 (Sakai et al, Biotechnology Letters 29 :pp 1607—1612)，以及氧化碳嗜熱菌屬的細(xì)菌(Svetlichny, V. Α.，Sokolova, Τ. G. et al(1991), Systematic and Applied Microbiology 14:254-260)。其他實例包括熱醋穆爾氏菌、熱自養(yǎng)穆爾氏菌 (Moorella thermoautotrophica)、產(chǎn)生瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii)、粘液真桿菌(Eubacterium limosum)、Butyribacterium methylotrophicum、普氏產(chǎn)醋桿菌(Oxobacter pfennigii)、巴氏甲燒八疊球菌 (Methanosarcina barkeri) > BM Zi St ￥ !^υ A fi: lif (Methanosarcina acetivorans) > 氏脫硫桿菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)(Simpa et. al. Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp 41-65)。此外，如同本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解的，應(yīng)理解其他一氧化碳營養(yǎng)和/或產(chǎn)乙酸厭氧細(xì)菌也可能被用于本發(fā)明。還應(yīng)理解本發(fā)明可適用于兩種或多種細(xì)菌的混合培養(yǎng)物。適用于本發(fā)明的一種示例性微生物是Clostridium autoethanogenum。在一個實施方案中，所述Clostridium autoethanogenum是具有以標(biāo)識保藏號19630保藏于德國生物材料資源中心(German Resource Centre for Biological Material, DSMZ)的菌株的鑒定特征的Clostridium autoethanogenum。在另一個實施方案中，所述 Clostridium autoethanogenum是具有DSMZ保藏號DSMZ 10061 的鑒定特征的Clostridium autoethanogenum。本發(fā)明的方法中使用的細(xì)菌培養(yǎng)可使用任意數(shù)目的本領(lǐng)域知曉的方法進(jìn)行， 所述方法使用厭氧細(xì)菌來培養(yǎng)和發(fā)酵底物。示例性技術(shù)在下文“實施例”部分提供。舉例來說，這些方法一般在以下使用發(fā)酵氣態(tài)底物的文章中描述(i)K.T.KlaSSOn，et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5 ；145-165 ； (ii)K. Τ. Klasson，et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614 ； (iii) K. Τ. Klasson，et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14 ；602-608 ； (iv)J.L Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793 ； (ν) J. L. Vega, et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784 ； (vi) J. L. Vega, et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources,Conservation and Recycling. 3. 149-160 ；所有這些文章均以引用的方式納入本文。所述發(fā)酵可在任意合適的生物反應(yīng)器中進(jìn)行，例如連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器(CSTR)、固定化細(xì)胞反應(yīng)器、氣升反應(yīng)器、泡罩塔、例如中空纖維膜生物反應(yīng)器(HFMBR)的膜反應(yīng)器或滴流床反應(yīng)器(TBR)。同樣地，在一些實施方案中，所述生物反應(yīng)器可包含其中培養(yǎng)所述微生物的第一生長反應(yīng)器和第二發(fā)酵反應(yīng)器，其中將來自所述生長反應(yīng)器的發(fā)酵液進(jìn)料給第二發(fā)酵反應(yīng)器，并且在第二發(fā)酵反應(yīng)器中產(chǎn)生大部分發(fā)酵產(chǎn)物(例如，乙醇和乙酸鹽)。
根據(jù)本發(fā)明的各個實施方案，所述發(fā)酵反應(yīng)的碳源是含CO氣態(tài)底物。所述底物可以是作為工業(yè)過程副產(chǎn)物得到的，或是從其他來源(例如從機動車廢氣)得到的含CO廢氣。在一些實施方案中，所述工業(yè)過程選自例如鋼鐵廠的鐵金屬產(chǎn)品制造、非鐵產(chǎn)品制造、 石油煉制過程、煤的氣化、電能生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭制造。在這些實施方案中，可使用任意合適的方法，在所述含CO底物被釋放到大氣中之前將其從所述工業(yè)工程中捕獲。根據(jù)所述含CO底物的組成，還可能需要在將其引入所述發(fā)酵之前對其進(jìn)行處理以除去任何不需要的雜質(zhì)，例如塵粒。例如，可使用已知方法過濾或洗滌所述氣態(tài)底物。或者，所述含CO底物可來自生物質(zhì)的氣化。所述氣化過程涉及生物質(zhì)在空氣或氧氣的有限供應(yīng)下的部分燃燒。所得到的氣體一般主要包含CO和H2，還有少量體積的C02、甲烷、乙烯和乙烷。例如，可將在食物的提取和加工過程(例如，從甘蔗中得到糖，或從玉米或谷物中得到淀粉)中得到的生物質(zhì)副產(chǎn)物或者由林業(yè)工業(yè)產(chǎn)生的非食物生物質(zhì)廢物氣化， 產(chǎn)生適合用于本發(fā)明的含CO氣體。所述含CO底物一般包含較大比例的⑶，例如以體積計至少約20%至約100% CO、 以體積計40%至95% CO、以體積計40%至70% CO、和以體積計40%至65% CO。在具體的實施方案中，所述底物包含以體積計25%、或30%、或35%、或40%、或45%或50% CO。 含有較低濃度(例如6% )的CO的底物也是合適的，尤其是當(dāng)還存在H2和CO2時。盡管底物不必須包含任何氫氣，然而根據(jù)本發(fā)明的方法H2的存在不應(yīng)對產(chǎn)物形成有害。在具體的實施方案中，所述底物流包含低濃度的H2，例如少于5%、或少于4%、或少于3%、或少于2%、或少于或基本不含氫氣。所述底物還包含一些C02，例如，以體積計約至約80% C02，或者以體積計至約30% CO2。在其中使用pH來控制底物供應(yīng)的具體實施方案中，所述底物可包含較大量的H2。 在具體的實施方案中，氫氣的存在使得醇生產(chǎn)的整體效率提高。例如，在具體的實施方案中，所述底物包含的H2 CO比例可為約2 1、或1 1、或1 2。一般一氧化碳會以氣態(tài)加入至所述發(fā)酵反應(yīng)。但是，本發(fā)明的方法不限于以該狀態(tài)加入所述底物。例如，一氧化碳可以以液體形式提供。例如，可用含一氧化碳的氣體來飽和液體，并將所述液體加入至所述生物反應(yīng)器中。這可以使用標(biāo)準(zhǔn)方法實現(xiàn)。舉例來說， 微泡分布發(fā)生器(microbubble dispersion generator) (Hensirisak et. al. Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation ；Applied Biochemistry and BiotechnoloRY Volume 101, Number 3/0ctober, 2002)可用于此目的。一般將氣態(tài)底物供給包含一種或多種微生物的水性發(fā)酵液以使得通過所述氣體/ 液體表面發(fā)生有效的質(zhì)量傳遞。已知很多提高含CO底物向水性發(fā)酵液中的質(zhì)量傳遞的效率的方法，全部這些方法均納入本文，納入程度如同分別說明。在具體實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法，控制所述含CO底物的質(zhì)量傳遞速率使得以最佳或接近最佳速率提供所述底物。應(yīng)理解，為使所述細(xì)菌的生長和CO轉(zhuǎn)化為醇的發(fā)酵發(fā)生，除了所述含CO底物氣體外，還需要向所述生物反應(yīng)器加入合適的液體營養(yǎng)培養(yǎng)基。營養(yǎng)培養(yǎng)基包含足以使所用微生物生長的維生素和礦物質(zhì)。本領(lǐng)域中知曉適于使用CO作為唯一碳源的乙醇發(fā)酵的厭氧培養(yǎng)基。例如，在上文提到的美國專利5，173，429和5，593，886以及WO 02/08438、 W02007/115157、W02008/115080 和 W02009/022925 中描述了合適的培養(yǎng)基。
所述發(fā)酵應(yīng)理想地在發(fā)生所需發(fā)酵(例如，⑶轉(zhuǎn)化為乙醇)的合適條件下進(jìn)行。 應(yīng)當(dāng)考慮的反應(yīng)條件包括壓力、溫度、氣體流速、液體流速、培養(yǎng)基PH、培養(yǎng)基氧化還原電勢、攪拌速率(如果使用連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器)、接種物水平、確保所述液相中的CO不會變?yōu)橛邢薜淖畲髿怏w底物濃度和避免產(chǎn)物抑制的最大產(chǎn)物濃度。在W002/08438、W007/117157， W02008/115080 和 W02009/022925 中描述了合適的條件。所述最佳反應(yīng)條件部分取決于使用的具體微生物。但是，在具體實施方案中，所述發(fā)酵在高于環(huán)境壓力的壓力下進(jìn)行。在提高的壓力下運行可使CO從氣相向液相的傳遞速度顯著提高，CO在所述液相中可被微生物攝取作為乙醇生產(chǎn)的碳源。這相應(yīng)地意味著當(dāng)生物反應(yīng)器保持在提高的壓力而非大氣壓力下時保留時間(定義為所述生物反應(yīng)器中的液體體積除以輸入氣體流速)可減少。已認(rèn)識到CO向水性培養(yǎng)基中的質(zhì)量傳遞速率與含CO氣態(tài)底物的分壓成比例。因此，所述質(zhì)量傳遞速率可通過增加氣流中CO的比例(通過富集CO或除去不需要的組分，例如惰性組分)來增加。此外，CO的分壓能夠增加氣態(tài)底物流的壓力。在他處也已經(jīng)描述了在提高的壓力下進(jìn)行氣體向乙醇的發(fā)酵的益處。例如，WO 02/08438描述了在30psig和75psig的壓力下進(jìn)行氣體向乙醇的發(fā)酵，分別得到150g/l/ 天和369g/l/天的乙醇產(chǎn)率。但是，在大氣壓下使用相似的培養(yǎng)基和輸入氣體組成進(jìn)行的示例性發(fā)酵被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的乙醇少10至20倍(每天每升)。還需要的是，所述含CO氣態(tài)底物的引入速率能夠確保液相中CO的濃度不會變得有限。這是因為CO受限的條件可能導(dǎo)致所述培養(yǎng)物消耗乙醇產(chǎn)物。產(chǎn)物回收可使用已知方法回收所述發(fā)酵反應(yīng)的產(chǎn)物。示例性方法包括在W007/117157、 W008/115080、US 6，340，581、US 6，136，577、US 5，593，886、US 5，807，722 禾P US 5，821，111中描述的那些。但是，簡要地且舉例來說，僅乙醇可使用例如分級分餾或蒸發(fā)以及萃取發(fā)酵的方法來從所述發(fā)酵液中回收。從發(fā)酵液蒸餾乙醇會產(chǎn)生乙醇和水(S卩，95%乙醇和5%水)的共沸點混合物。隨后還可通過使用本領(lǐng)域中熟知的分子篩乙醇脫水技術(shù)得到無水乙醇。萃取發(fā)酵方法涉及到使用對所述發(fā)酵生物具有低毒性風(fēng)險的水混溶性溶劑，以從稀釋的發(fā)酵液體培養(yǎng)基中回收乙醇。例如，油醇是可用于此類型萃取方法的溶劑。將油醇持續(xù)引入到發(fā)酵罐中，于是該溶劑上升并在所述發(fā)酵罐的頂部形成一層溶劑，其被連續(xù)地萃取并通過離心機進(jìn)料。因此水和細(xì)胞被很容易地從所述油醇中分離出來并返回到所述發(fā)酵罐中，而溶有乙醇的溶劑被進(jìn)料至閃蒸裝置中。大部分乙醇被蒸發(fā)并凝結(jié)，而油醇不易揮發(fā)，并被回收以在所述發(fā)酵中再利用。乙酸鹽是在所述發(fā)酵反應(yīng)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，也可使用本領(lǐng)域中已知的方法從所述發(fā)酵液中回收。例如，可使用包含活性炭過濾器的吸附系統(tǒng)。在這種情況下，優(yōu)選地首先使用合適的分離裝置將微生物細(xì)胞從所述發(fā)酵液中除去。本領(lǐng)域中已知多種產(chǎn)生用于進(jìn)行產(chǎn)物回收的無細(xì)胞發(fā)酵液的基于過濾的方法。然后使含乙醇——和乙酸鹽——的無細(xì)胞過濾液通過含有活性炭的柱以吸附所述乙酸。酸形式(乙酸)比鹽形式(乙酸鹽)的乙酸鹽更容易被活性炭吸附。因此優(yōu)選地在所述發(fā)酵液通過所述活性炭柱之前將其PH降低至約3以下，以使大部分乙酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜嵝问?。可使用本領(lǐng)域中已知方法通過洗脫回收吸附至所述活性炭的乙酸。例如，可使用乙醇洗脫結(jié)合的乙酸鹽。在一些實施方案中，所述發(fā)酵過程本身產(chǎn)生的乙醇可被用于洗脫所述乙酸鹽。因為乙醇的沸點是78.8°C，而乙酸的沸點是107°C，使用基于揮發(fā)性的方法 (例如蒸餾)可容易地將乙醇和乙酸鹽相互分離。本領(lǐng)域中還已知用于從發(fā)酵液中回收乙酸鹽的其他方法，并且可用在本發(fā)明的方法中。例如，美國專利6，368，819和6，753，170中描述了可用于從發(fā)酵液中提取乙酸的溶劑和共溶劑系統(tǒng)。如同針對乙醇萃取發(fā)酵所描述的基于油醇的系統(tǒng)實例一樣，美國專利No 6，368，819和6，753，170中描述的系統(tǒng)描述了在所述發(fā)酵微生物存在或不存在的情況下可與所述發(fā)酵液相混合以提取所述乙酸產(chǎn)物的水不混溶溶劑/共溶劑系統(tǒng)。然后通過蒸餾將含有乙酸產(chǎn)物的所述溶劑/共溶劑從所述發(fā)酵液中分離出來。然后可使用第二個蒸餾步驟以從所述溶劑/共溶劑系統(tǒng)中純化所述乙酸?？赏ㄟ^以下方式從所述發(fā)酵液中回收所述發(fā)酵反應(yīng)的產(chǎn)物(例如乙醇和乙酸鹽)將一部分所述發(fā)酵液從所述發(fā)酵生物反應(yīng)器中連續(xù)移出，(便利地通過過濾)將微生物細(xì)胞從所述發(fā)酵液中分離，并同時或順序地從所述發(fā)酵液中回收一種或多種產(chǎn)物。對于乙醇的情況，使用上文描述的方法，乙醇可通過蒸餾被方便地回收，而乙酸鹽可通過活性炭吸附來回收。所述分離的微生物細(xì)胞可被送回到所述發(fā)酵生物反應(yīng)器中。已除去乙醇和乙酸鹽后的余下無細(xì)胞過濾液也優(yōu)選地被送回到所述發(fā)酵生物反應(yīng)器中。可將另外的營養(yǎng)物 (例如B維生素類)加入到所述無細(xì)胞過濾液中以補充所述營養(yǎng)培養(yǎng)基，之后使其返回到所述生物反應(yīng)器中。同樣，如果如上文所述的對所述發(fā)酵液的PH進(jìn)行調(diào)節(jié)以增加乙酸對活性炭的吸附，那么應(yīng)將所述PH重新調(diào)節(jié)至與所述發(fā)酵生物反應(yīng)器中發(fā)酵液pH相近的pH，之后再將其返回所述生物反應(yīng)器中?？刂频孜锕?yīng)根據(jù)本發(fā)明的一些方面，提供了提高底物的微生物發(fā)酵的整體效率的方法，所述方法包括以基本上最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供所述底物。在本發(fā)明的具體實施方案中，所述底物包含⑶，并且被提供給一種或多種一氧化碳營養(yǎng)細(xì)菌，例如產(chǎn)乙酸細(xì)菌。在合適的厭氧條件下，產(chǎn)乙酸細(xì)菌(例如Clostridium autoethanogenum、揚氏梭菌、 Clostridium ragsdalei 禾口 Clostridium carboxydivorans) 含 CO 底物轉(zhuǎn)變?yōu)榘ㄋ岷炭诖嫉漠a(chǎn)物。根據(jù)具體實施方案，本發(fā)明提供通過以下方式優(yōu)化對底物(尤其是含CO底物) 的微生物發(fā)酵的方法，即控制所述底物的供應(yīng)使得以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供所述底物以促進(jìn)培養(yǎng)物的生活力和所需代謝物(例如乙醇)的生產(chǎn)。已經(jīng)認(rèn)識到將所述微生物培養(yǎng)物可利用以轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的底物的量向最佳水平或范圍增加，會導(dǎo)致微生物生長速率、代謝物生產(chǎn)速率和/或產(chǎn)生的乙醇相對于酸的量增加。 在本發(fā)明具體實施方案中，產(chǎn)生產(chǎn)物使得所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的理想的酸醇產(chǎn)物比例為至少1 1、或至少1 2、或至少1 3、或至少1 4、或至少1 5、或至少1 10或至少 1 20。在本發(fā)明的具體實施方案中，醇(尤其是乙醇)的產(chǎn)生不伴隨酸(尤其是乙酸鹽) 的產(chǎn)生。在具體實施方案中，所述微生物培養(yǎng)物不能調(diào)節(jié)底物攝取。因此，過度供給底物會導(dǎo)致培養(yǎng)問題，例如生長抑制和/或微生物死亡。
含CO底物一般以氣態(tài)形式提供，并且CO的微生物培養(yǎng)物可利用性依賴于所述發(fā)酵系統(tǒng)的質(zhì)量傳遞特性。例如，CO的微生物培養(yǎng)物(懸浮于發(fā)酵液中)可利用性依賴于本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉的因素，包括溫度、發(fā)酵液組成、氣體供應(yīng)速率、氣體組成、CO蒸汽壓和混合情況。因此，增加CO的微生物發(fā)酵可利用性需要提高所述系統(tǒng)的質(zhì)量傳遞特性，例如增加底物供應(yīng)速率并且/或者增加機械攪拌生物反應(yīng)器的攪動。為了維持培養(yǎng)物生活力、微生物生長和/或所需產(chǎn)物(例如乙醇)的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)使所述底物可被所述培養(yǎng)物所利用。CO供應(yīng)不充足(未達(dá)到最佳)的微生物培養(yǎng)物可能生長不良，生存力較差并且/或者主要產(chǎn)生不太合乎需要的產(chǎn)物，例如酸，尤其是乙酸鹽。此外，其生長速率和代謝物產(chǎn)生速率也可大大低于供應(yīng)有充足或最佳量底物的微生物培養(yǎng)物。在具體的實施方案中，所述微生物培養(yǎng)物不能調(diào)節(jié)底物攝取。因此，過度供給底物會導(dǎo)致培養(yǎng)問題，例如生長抑制和/或微生物死亡。已經(jīng)認(rèn)識到將所述微生物培養(yǎng)物可利用以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的底物的量向最佳水平增力口，會導(dǎo)致產(chǎn)生的醇的量相對于酸增加。在具體的實施方案中，醇(尤其是乙醇)的產(chǎn)生不伴隨酸(尤其是乙酸鹽)的產(chǎn)生。本發(fā)明提供控制底物(尤其是含CO底物)的供應(yīng)，使得以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)基本連續(xù)地提供底物的方法。根據(jù)具體的實施方案，通過將所述發(fā)酵培養(yǎng)基的PH維持在恒定水平或在恒定范圍內(nèi)或在預(yù)定變化速率內(nèi)而以最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供底物。已經(jīng)認(rèn)識到將所述微生物培養(yǎng)物可利用以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的底物的量向最佳水平增力口，會導(dǎo)致產(chǎn)生的醇的量相對于酸增加。在其他實施方案中，微生物培養(yǎng)物可能產(chǎn)生或消耗一種或多種酸性和/或堿性組分，使得PH在最佳運轉(zhuǎn)期間變化。因此，根據(jù)本發(fā)明，提供底物使得PH基本以預(yù)定或接近預(yù)定的變化速率變化。在這樣的實施方案中，可持續(xù)的微生物生長和所需的代謝物生產(chǎn)伴隨一種或多種酸和/或堿的產(chǎn)生和/或消耗，使得PH會隨時間流逝產(chǎn)生凈改變。在具體實施方案中，一氧化碳營養(yǎng)微生物(例如Clostridium autoethanogenum)同時產(chǎn)生醇(例如乙醇)和酸(例如乙酸鹽)。在本發(fā)明的具體實施方案中，產(chǎn)生產(chǎn)物以使得所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的理想的酸醇產(chǎn)物比例為至少1 1、或至少1 2、或至少1 3、或至少1 4、或至少 1 5、或至少1 10或至少1 20。此外，還可能有與堿性組分(例如NH3)的消耗相關(guān)的PH變化。因此，在具體實施方案中，在穩(wěn)定狀態(tài)的連續(xù)發(fā)酵期間，pH會有凈下降，除非通過加入堿或者連續(xù)加入新鮮培養(yǎng)基(PH適合保持恒定pH)來控制所述pH。發(fā)酵系統(tǒng)的pH —般受到酸化合物(例如乙酸鹽和/或乳酸鹽)的產(chǎn)生所影響，并且較低程度地受到堿性或酸性組分(例如NH3、磷酸等)的消耗影響。pH變化的速率依賴于酸性/堿性化合物的這類產(chǎn)生和/或消耗發(fā)生的速率。在具體實施方案中，產(chǎn)乙酸微生物產(chǎn)生作為代謝物的乙酸鹽，這導(dǎo)致PH隨時間流逝的最大變化。對于給定的發(fā)酵系統(tǒng)，當(dāng)以最佳速率供應(yīng)底物時pH變化速率可通過實驗方法測定。例如，當(dāng)以最佳或接近最佳水平向一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的培養(yǎng)物提供底物時，可以以特定速率產(chǎn)生乙醇和乙酸鹽。所述發(fā)酵液的PH將根據(jù)所存在的乙酸鹽的量，并且較低程度地根據(jù)所存在的其他酸性或堿性組分(例如NH3)的量而變化。已認(rèn)識到pH的變化速率將取決于所述發(fā)酵液的緩沖能力和PH起點。例如，在緩沖良好的發(fā)酵液中的乙酸鹽積累將導(dǎo)致PH小的和/或緩慢的變化。相反地，在緩沖較差的發(fā)酵液中的乙酸積累將導(dǎo)致PH大的和/或迅速的變化。因此，對于任何給定的發(fā)酵系統(tǒng)應(yīng)預(yù)先確定最佳底物供應(yīng)時的PH變化速率。還認(rèn)識到pH的微小變化可對發(fā)酵有不利影響。因此，酸產(chǎn)生引起的PH變化能夠通過加入堿(例如NH40H)來抵消。因此，連續(xù)運轉(zhuǎn)的發(fā)酵系統(tǒng)的pH能夠維持在最佳pH 運行參數(shù)內(nèi)。例如，Clostridium autoethanogenum的最佳運行pH已經(jīng)實驗方法確定為約5-5. 5。在具體實施方案中，需要的范圍是所述最佳運行pH士0.5單位。在Henstra et al. Current Opinion in Biotechnology，2007，18 :200_206 中描述了各種一氧化碳營養(yǎng)細(xì)菌的最佳運行PH。因此，能夠使用一些可選機制維持對底物供應(yīng)的控制。例如，通過測定pH變化速率，通過測定抵消PH變化所需要的酸/堿的量，或者通過測定所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的乙酸鹽的量。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，酸以基本恒定的速率產(chǎn)生，導(dǎo)致形成在所述發(fā)酵液中基本穩(wěn)定的濃度。在具體實施方案中，提供一種優(yōu)化含CO底物向生物反應(yīng)器的供應(yīng)的方法， 其中通過一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的培養(yǎng)物對所述底物進(jìn)行發(fā)酵以產(chǎn)生包含一種或多種醇和/或酸的產(chǎn)物，所述方法包括在第一時間點和第二時間點測定所述生物反應(yīng)器中的酸水平，其中第一時間點和第二時間點之間的酸水平變化導(dǎo)致底物供應(yīng)變化。因此，如果所述酸(乙酸鹽)的水平隨時間增加，那么可增加底物供應(yīng)以使得酸產(chǎn)生變慢，使酸隨時間流逝回到需要的水平或范圍。相反地，如果酸的水平下降，那么可減少底物供應(yīng)，從而促進(jìn)酸產(chǎn)生。在具體實施方案中，乙酸鹽保持在約10g/L、或約9g/L、或約8g/L、或約7g/L或約6g/L、或約5g/L發(fā)酵液的基本恒定濃度上。在具體實施方案中，所述乙酸鹽保持在預(yù)定的濃度范圍內(nèi)，例如約l-10g/L、或約2-8g/L、或約3-7g/L、或約4_6g/L發(fā)酵液。在具體實施方案中，還認(rèn)識到一種或多種酸(例如乙酸鹽)的產(chǎn)生速率取決于所述發(fā)酵液中的微生物密度。在具體實施方案中，乙酸鹽的具體生產(chǎn)率保持在少于2g/g生物質(zhì)/天、或少于1. 5g/g/天、或少于1. 2g/g/天或少于lg/g/天。在本發(fā)明的另一個具體實施方案中，醇(尤其是乙醇)的產(chǎn)生不伴隨酸(尤其是乙酸鹽)的同時產(chǎn)生。因此，當(dāng)以最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供底物(尤其是含CO底物) 時，所述培養(yǎng)基中酸濃度不發(fā)生凈改變，并且所述培養(yǎng)基的PH保持基本恒定。在這樣的實施方案中，PH的變化速率大約為0。如以引用方式全文納入本文的Gaddy US 7，285，402中所述，已認(rèn)識到產(chǎn)物比還部分地與培養(yǎng)基組成有關(guān)。因此已認(rèn)識到理想的產(chǎn)物比例會隨不同的發(fā)酵系統(tǒng)而改變。因此與最佳底物水平的供應(yīng)相關(guān)的PH變化速率也會改變。如果在所述發(fā)酵的任意階段所述培養(yǎng)物變得底物受限，那么所述培養(yǎng)物產(chǎn)生酸 (例如乙酸鹽)，導(dǎo)致發(fā)酵液的PH下降。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，可增加所述底物供應(yīng)使凈乙酸積累停止且pH穩(wěn)定。另外地或者可選地，如果底物過度供應(yīng)，那么因為乙酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖紩袃羲嵯模⑶襊H升高。因此，應(yīng)當(dāng)減少底物供應(yīng)以使得凈酸消耗停止且pH穩(wěn)定。發(fā)現(xiàn)長時間的底物過度供應(yīng)可導(dǎo)致培養(yǎng)問題，例如生長抑制和/或微生物死亡。在具體實施方案中，提供底物以使得pH保持在所需要的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解進(jìn)行特定發(fā)酵的合適PH或pH范圍。在具體實施方案中，例如在其中使用 Clostridium autoethanogenum來產(chǎn)生產(chǎn)物的實施方案中，提供底物以使得pH保持在5-6 之間、或5. 1-5. 9之間、或5. 2-5. 8之內(nèi)、或5. 3-5. 7之間、或5. 4-5. 6之間或基本為5. 5?？赏ㄟ^任意已知方法測定pH。但是，舉例來說，一般使用電極探針來測量發(fā)酵期間的PH，這類探針的實例是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知曉的。作為非限制性實例，考慮處于以下條件下的微生物培養(yǎng)物1.受限的底物所述培養(yǎng)物有足夠的底物來生長并產(chǎn)生產(chǎn)物(主要是酸)但不能產(chǎn)生較大量的所需產(chǎn)物(例如醇)。PH下降比預(yù)定的變化速率快。因此向最佳水平增加底物供應(yīng)。2.最佳底物供應(yīng)所述培養(yǎng)物有足夠的底物來生長并以高速率(以最佳或至少接近最佳生產(chǎn)率)產(chǎn)生產(chǎn)物(尤其是需要的產(chǎn)物，例如醇)。PH以預(yù)定變化速率變化。因此將底物供應(yīng)保持在最佳水平。3.底物過度供應(yīng)酸(例如乙酸鹽)轉(zhuǎn)變?yōu)榇?例如乙醇)。可出現(xiàn)生長抑制和微生物死亡。pH下降或上升比預(yù)定變化速率慢。因此減少至最佳水平。因此，應(yīng)當(dāng)向情況1 (上文)的微生物培養(yǎng)物提供增加量的底物直到pH穩(wěn)定，或者回到預(yù)定水平。這樣的培養(yǎng)物被認(rèn)為是被提供了如情況2中所述的最佳底物量。在分批條件下，這樣的培養(yǎng)物被認(rèn)為會生長直到變得再次受限，因此應(yīng)當(dāng)隨時間流逝向所述生長中的培養(yǎng)物提供增加量的底物，這樣使得PH基本保持穩(wěn)定或者在預(yù)定范圍內(nèi)。如果在任意時間底物被過度供應(yīng)(情況3)，pH升高，所述底物供應(yīng)必須向恢復(fù)有效生長和代謝物生產(chǎn)的最佳水平下降。已認(rèn)識到微生物培養(yǎng)物可產(chǎn)生其他酸性代謝物，例如乳酸，尤其是在底物過度供應(yīng)期間。因此，在具體實施方案中，所述方法除了監(jiān)測PH之外，還包括監(jiān)測發(fā)酵培養(yǎng)基中的代謝物濃度。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解監(jiān)測發(fā)酵培養(yǎng)基中的代謝物濃度的方法。然而，舉例來說，可以使用分析方法，例如GC、GCIR、GCMS, LCMS, HPLC, NIR0根據(jù)本發(fā)明的一些方面，提供了提高對底物的微生物發(fā)酵的整體效率的方法，所述方法包括基本以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供底物。在本發(fā)明的具體實施方案中，所述底物含CO并且被提供給一種或多種一氧化碳營養(yǎng)細(xì)菌，例如產(chǎn)乙酸細(xì)菌。在合適的厭氧條件下，產(chǎn)乙酸細(xì)菌(例如Clostridium autoethanogenum、揚氏梭菌、 Clostridium ragsdalei 禾口 Clostridium carboxydivorans) 含 CO 底物轉(zhuǎn)化為包括酸禾口醇的產(chǎn)物。根據(jù)具體實施方案，本發(fā)明提供了通過以下方式優(yōu)化對底物(尤其是含CO底物)的微生物發(fā)酵的方法，即控制所述底物的供應(yīng)，使得以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供所述底物以促進(jìn)培養(yǎng)物生活力和所需代謝物(例如乙醇)的產(chǎn)生。在具體實施方案中，所述氣體的CO含量含有極少或不含H2，例如少于5%、或少于4%、或少于3%、 或少于2%、或少于或0% H2。含CO底物一般以氣體形式提供，CO的微生物培養(yǎng)物可利用性將依賴于所述發(fā)酵系統(tǒng)的質(zhì)量傳遞特性。例如，CO的微生物培養(yǎng)物(懸浮于發(fā)酵液中)可利用性依賴于本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉的因素，包括溫度、發(fā)酵液組成、氣體供應(yīng)速率、氣體組成、CO蒸汽壓和混合情況。因此，增加CO的微生物發(fā)酵可利用性需要提高所述系統(tǒng)的質(zhì)量傳遞特性，例如增加底物供應(yīng)速率并且/或者增加機械攪拌生物反應(yīng)器的攪動。為了維持培養(yǎng)物生活力、微生物生長和/或所需產(chǎn)物(例如乙醇)的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)向所述培養(yǎng)物提供所述底物。CO供應(yīng)不充足(未達(dá)到最佳)的微生物培養(yǎng)物可能生長不良，生存力較差并且/或者主要產(chǎn)生不太需要的產(chǎn)物，例如酸，尤其是乙酸鹽。此外，所述生長速率和代謝物產(chǎn)生速率也大大低于供應(yīng)有充足或最佳底物量的微生物培養(yǎng)物。本發(fā)明提供了一種控制底物(尤其是含CO底物)供應(yīng)以使得以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)基本上連續(xù)地提供所述底物的方法。根據(jù)本發(fā)明的具體方面，所述提高微生物發(fā)酵的方法包括監(jiān)測微生物培養(yǎng)物的氫氣產(chǎn)生并且基于氫氣產(chǎn)生控制底物供應(yīng)。在具體實施方案中，供給最佳量底物(或最佳范圍內(nèi)的底物)的微生物培養(yǎng)物將生長并以最佳速率產(chǎn)生需要的產(chǎn)物，例如醇。除了所需要的代謝物產(chǎn)生比例，所述微生物培養(yǎng)物還產(chǎn)生氫氣。一般會產(chǎn)生少量的氫氣，例如微生物培養(yǎng)物消耗的底物的約0. 5-5mol %。 在具體實施方案中，當(dāng)微生物培養(yǎng)物被提供了最佳量的底物時，所產(chǎn)生的氫氣量保持在所述培養(yǎng)物消耗的底物的約1_3%。作為非限制性實例，考慮處于以下條件下的微生物培養(yǎng)物1.受限的底物所述培養(yǎng)物有足夠的底物來生長并產(chǎn)生產(chǎn)物(主要是酸)但不能產(chǎn)生較大量的所需產(chǎn)物(例如醇)。產(chǎn)生少量的氫氣或不產(chǎn)生氫氣。2.最佳底物供應(yīng)所述培養(yǎng)物有足夠的底物來生長并以高速率(以最佳或接近最佳生產(chǎn)率)產(chǎn)生產(chǎn)物，尤其是需要的產(chǎn)物，例如醇。產(chǎn)生氫氣。3.底物過度供應(yīng)可能會出現(xiàn)生長抑制和微生物死亡。不產(chǎn)生氫氣。根據(jù)本發(fā)明，微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生的氫氣可被用作所述培養(yǎng)物被提供了基本最佳量，或者至少是最佳范圍內(nèi)的底物的指示。此外，微生物培養(yǎng)物的氫氣產(chǎn)生可被用于控制對所述微生物培養(yǎng)物的底物供應(yīng)。例如，可增加向底物限制的培養(yǎng)物的底物供應(yīng)直到觀察到氫氣產(chǎn)生。氫氣產(chǎn)生開始后，可調(diào)節(jié)底物供應(yīng)以保持氫氣隨時間的產(chǎn)生。因此，應(yīng)當(dāng)向情況1(上文)中的微生物培養(yǎng)物提供增加量的底物直到所述培養(yǎng)物產(chǎn)生氫氣。這樣的培養(yǎng)物被認(rèn)為是被提供了如情況2中所述的最佳底物量。在分批條件下， 這樣的培養(yǎng)物被認(rèn)為會生長直到變得再次受限，因此應(yīng)當(dāng)隨時間向所述生長中的培養(yǎng)物提供增加量的底物，從而使得保持H2產(chǎn)生。如果在任意時間底物被過度供應(yīng)(情況3)，H2產(chǎn)生停止，所述底物供應(yīng)必須向恢復(fù)有效生長和代謝物生產(chǎn)的最佳水平降低。已認(rèn)識到在具體實施方案中，在情況1和3期間可產(chǎn)生少量的氫氣。但是，根據(jù)本發(fā)明的方法，所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的氫氣的量會隨著所述培養(yǎng)基可利用的底物向最佳水平(或向最佳范圍)的增加或減少而增加。在其中所述微生物培養(yǎng)物包含Clostridium autoethanogenum的具體實施方案中，底物限制期間的具體CO攝取一般是每分鐘每克生物質(zhì)消耗0. 3-0. 6mmol的C0(mmol/g/min)。在這些底物限制條件下，包含C. autoethanogenum的微生物培養(yǎng)物不產(chǎn)生或者產(chǎn)生極少量的H2(少于所消耗的底物的0. 5mol% )。隨著底物可利用性增加，所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的H2增加至所述培養(yǎng)物消耗的CO的至少0. 5mol%、或至少1. Omol %、或至少1. 5mol% 或至少2. Omol %。一般地，所述培養(yǎng)物的具體攝取增加至高于約0.6mmOl/g/min。在本文描述的條件下，當(dāng)可將所述具體攝取保持在至少0. 6mm0l/g/min但少于1. 2mmol/g/min時， 包含C. autoethanogenum的微生物培養(yǎng)物具有最佳底物供應(yīng)。當(dāng)所述具體攝取增加至高于 1.2mm0l/g/min時，所述底物過度供應(yīng)，H2產(chǎn)生下降，應(yīng)當(dāng)減少所述底物供應(yīng)。如果不減少所述底物供應(yīng)，將出現(xiàn)生長抑制和細(xì)胞死亡。圖1是本發(fā)明一個實施方案的系統(tǒng)100的示意圖。底物流1通過合適的管道3進(jìn)入生物反應(yīng)器2。底物流1包含C0，并且在一些實施方案中，所述底物流是來自工業(yè)過程 (例如鋼鐵脫碳)中的廢氣流。底物流1在被持續(xù)提供的情況下可以是恒定氣流，但是所述氣流的內(nèi)含物可以隨時間改變。生物反應(yīng)器2被設(shè)計用于進(jìn)行所需要的發(fā)酵反應(yīng)以產(chǎn)生產(chǎn)物。根據(jù)一些實施方案，生物反應(yīng)器2被設(shè)計用于將CO轉(zhuǎn)化為包含一種或多種酸和/或醇的產(chǎn)物。生物反應(yīng)器 2可包含多于一個的容器，每個容器被設(shè)計用于進(jìn)行相同的反應(yīng)和/或具體發(fā)酵過程中的不同階段和/或不同的反應(yīng)，包括可包含一個或多個共同階段的不同發(fā)酵的不同反應(yīng)?？赏ㄟ^本領(lǐng)域中知曉的任何回收方法回收生物反應(yīng)器2中產(chǎn)生的產(chǎn)物，例如酸和 /或醇?？赏ㄟ^PH測量器件4監(jiān)測所述發(fā)酵培養(yǎng)基的pH。因此，操作者可以任選地使用調(diào)節(jié)器件5調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器2中的微生物培養(yǎng)物和/或所述底物流1，以維持所述培養(yǎng)物或者使所述培養(yǎng)物轉(zhuǎn)變，使得響應(yīng)于PH變化以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)來提供底物。對向所述培養(yǎng)物提供的CO水平的調(diào)節(jié)包括以下一種或多種改變所述發(fā)酵液的CO 濃度；改變所述底物流的組成；改變所述底物流的壓力；改變發(fā)酵液攪拌速率。另外地或者可選地，系統(tǒng)100包括適于測定所述發(fā)酵液PH的可選操作器件6和控制調(diào)節(jié)器件5，從而使得以最佳水平或在最佳范圍內(nèi)將所述底物提供給所述微生物培養(yǎng)物。此外，調(diào)節(jié)器件5可被設(shè)計用于在必要時做出連續(xù)調(diào)整或在不連續(xù)時間點做出調(diào)整。在另一個實施方案中，4是被設(shè)計用于測定生物反應(yīng)器2中的酸(例如乙酸鹽)的濃度的測定器件。如果所述酸的濃度被測定為高于預(yù)定闕值，則所述調(diào)節(jié)器件5可增加對生物反應(yīng)器2的底物供應(yīng)。任何已知的測定方法都可被用于測量生物反應(yīng)器2中的酸濃度。 然而，舉例來說，可使用HPLC、GCMS, LCMS和/或NIR。圖2是本發(fā)明一個實施方案的系統(tǒng)101的示意圖。底物流1通過合適的管道3進(jìn)入生物反應(yīng)器2。底物流1包含C0，并且在一些實施方案中，所述底物流是來自工業(yè)過程 (例如鋼鐵脫碳)中的廢氣流。底物流1在被持續(xù)提供的情況下可以是恒定氣流，但是所述氣流的內(nèi)含物可以隨時間改變。在具體實施方案中，所述底物流包含極少H2或不含H2，例如少于5%、或少于4%、或少于3%、或少于2%、或少于或0% H2。生物反應(yīng)器2被設(shè)計用于進(jìn)行所需要的發(fā)酵反應(yīng)以產(chǎn)生產(chǎn)物。根據(jù)一些實施方案，生物反應(yīng)器2被設(shè)計用于將CO轉(zhuǎn)化為包含一種或多種酸和/或醇的產(chǎn)物。生物反應(yīng)器2可包含多于一個的容器，每個容器被設(shè)計用于進(jìn)行相同的反應(yīng)和/或一個具體發(fā)酵過程中的不同階段和/或不同的反應(yīng)，包括可包含一個或多個共同階段的不同發(fā)酵的不同反應(yīng)?？赏ㄟ^本領(lǐng)域知曉的任何回收方法回收生物反應(yīng)器2中產(chǎn)生的產(chǎn)物，例如酸和/ 或醇。所述底物流中在所述發(fā)酵反應(yīng)中未被消耗的組分和所述發(fā)酵反應(yīng)的任何副產(chǎn)物 (例如C02和H2)通過排氣出口 7排出生物反應(yīng)器2。在本發(fā)明的具體實施方案中，測量器件8適于測量通過排氣出口 4排出生物反應(yīng)器2的廢氣流中H2和任選的CO和C02的濃度。 在具體實施方案中，測定所述微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生的氫氣的量。因此，操作者可以任選地使用調(diào)節(jié)器件9調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器2中的微生物培養(yǎng)物和/或所述底物流1以維持所述微生物培養(yǎng)物或者使所述培養(yǎng)物轉(zhuǎn)變，從而使得以最佳水平、接近最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供底物。維持或轉(zhuǎn)變所述培養(yǎng)物的調(diào)節(jié)包括以下一種或多種改變所述發(fā)酵液的CO濃度；改變所述底物流的組成；改變所述底物流的壓力；改變發(fā)酵液攪拌速率。另外地或者可選地，系統(tǒng)101包括適于測定所述排出氣流的氫氣濃度的可選處理器件6和控制調(diào)節(jié)器件9，從而使得將所述底物以最佳水平或在最佳范圍內(nèi)提供給所述微生物培養(yǎng)物。在具體實施方案中，可連續(xù)地或者在不連續(xù)時間點監(jiān)測排出生物反應(yīng)器2的氫氣。此外，調(diào)節(jié)器件9可被設(shè)計用于在必要時做出連續(xù)調(diào)整或在不連續(xù)時間點做出調(diào)整?？墒褂萌魏斡糜跍y定所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的氫氣的器件，然而在具體實施方案中，使用一種或多種氣相色譜來測量排出所述生物反應(yīng)器2的氣流和任選的底物氣流1中的H2 濃度。在一個實施方案中，用于測定排出生物反應(yīng)器2的氣流中的H2濃度的器件是Varian CP-4900micro GC。實施例材料和方法
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化對生物反應(yīng)器的含CO底物供應(yīng)的方法，其中用一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的培養(yǎng)物對所述底物進(jìn)行發(fā)酵以產(chǎn)生包含一種或多種醇和/或酸的產(chǎn)物，所述方法包括在第一時間點和第二時間點確定所述生物反應(yīng)器中的酸水平，其中第一時間點和第二時間點之間的酸水平的變化導(dǎo)致底物供應(yīng)的變化。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二時間點之間酸水平的上升導(dǎo)致底物供應(yīng)的增加。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二時間點之間酸水平的下降導(dǎo)致底物供應(yīng)的減少。
4.一種增加在生物反應(yīng)器中由一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物對含CO底物進(jìn)行發(fā)酵以產(chǎn)生包含酸和/或醇的產(chǎn)物的效率的方法，其中供應(yīng)所述底物以使得所述生物反應(yīng)器中的酸水平保持在預(yù)定闕值濃度之間。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中所述底物供應(yīng)響應(yīng)酸水平的變化而被自動控制。
6.權(quán)利要求4或5所述的方法，其中酸水平保持在l-10g/L發(fā)酵液的預(yù)定闕值濃度之間。
7.權(quán)利要求4-6中任一項所述的方法，其中酸水平保持在2-8g/L發(fā)酵液的預(yù)定闕值濃度之間。
8.權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其中酸水平是通過測量所述培養(yǎng)物的pH來確定。
9.權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其中所述發(fā)酵是連續(xù)的。
10.一種確定最佳底物供應(yīng)水平和/或范圍的方法，所述方法包括以這樣的水平或基本接近這樣的水平向生物反應(yīng)器中的一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的培養(yǎng)物提供底物， 即所述水平使得通過對含CO底物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生所需的醇酸產(chǎn)物的比例。
11.權(quán)利要求1-10中任一項所述的方法，其中所產(chǎn)生的產(chǎn)物具有至少2 1的醇酸的比例。
12.權(quán)利要求1-11中任一項所述的方法，其中所產(chǎn)生的產(chǎn)物具有至少3 1的醇酸的比例。
13.一種提高由含一種或多種一氧化碳營養(yǎng)微生物的微生物培養(yǎng)物對含CO底物進(jìn)行微生物發(fā)酵以產(chǎn)生包含酸和/或醇的產(chǎn)物的效率的方法，所述方法包括提供底物使得所述微生物培養(yǎng)物產(chǎn)生H2。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中提供所述底物使得H2的產(chǎn)生水平為所述微生物培養(yǎng)物所發(fā)酵的底物的至少1. Omol %。
15.權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述發(fā)酵是連續(xù)的。
16.權(quán)利要求1-15中任一項所述的方法，其中所述酸是乙酸鹽。
17.權(quán)利要求1-16中任一項所述的方法，其中所述醇是乙醇。
18.權(quán)利要求1-17中任一項所述的方法，其中所述底物是氣態(tài)的。
19.權(quán)利要求1-18中任一項所述的方法，其中所述底物包含作為工業(yè)過程的副產(chǎn)物得到的氣體，所述工業(yè)過程選自鐵金屬產(chǎn)品制造、非鐵產(chǎn)品制造、石油煉制過程、生物質(zhì)的氣化、煤的氣化、電能生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭制造。
20.權(quán)利要求1-19中任一項所述的方法，其中所述含CO底物包含以體積計至少約15%至約95%的CO。
21.權(quán)利要求1-20中任一項所述的方法，其中所述含CO底物包含以體積計至少約 40%至約70%的CO。
22.權(quán)利要求1-21中任一項所述的方法，其中所述微生物選自梭菌屬(Clostridium)、穆爾氏菌屬(Morrella)、熱球菌屬(Pyrococcus)、真桿菌屬(Eubacterium)、脫硫桿菌屬(Desulfobacterium)、氧化碳嗜熱菌屬 (Carboxydothermus)、產(chǎn)醋菌屬(Acetogenium)、醋酸桿菌屬(Acetobacterium)、 厭氧醋菌屬(Acetoanaerobium)、丁酸桿菌屬(Butyribacterium)和消化鏈球菌屬 (Peptostreptococcus)。
23.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述微生物是Clostridiumautoethanogenum、 揚氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) > Clostridium ragsdalei 或 Clostridium carboxydivorans。
24.一種用于微生物發(fā)酵以生產(chǎn)產(chǎn)物的系統(tǒng)，包括 i.設(shè)計用于進(jìn)行含CO底物的發(fā)酵的生物反應(yīng)器 .測定器件；和iii.控制器件；其中所述控制器件被設(shè)計用于響應(yīng)所述測定器件做出的測定結(jié)果而控制含CO底物的供應(yīng)。
25.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述測定器件被設(shè)計用于測定發(fā)酵中產(chǎn)生的一種或多種酸的量。
26.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述測定器件被設(shè)計用于測定發(fā)酵的pH。
27.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述測定器件被設(shè)計用于測定發(fā)酵中產(chǎn)生的H2的量。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過微生物發(fā)酵，尤其是對含CO底物的微生物發(fā)酵生產(chǎn)例如醇和酸的產(chǎn)物。它更具體地涉及用于提高通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)物的效率的方法和系統(tǒng)。在具體實施方案中，本發(fā)明提供一種控制底物供應(yīng)從而使得優(yōu)化所需代謝物的生產(chǎn)的方法。
文檔編號C12P7/54GK102471783SQ201080030113
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者B·D·黑斯特拉, B·阿爾西納維, C·D·米哈爾策, C·科萊特, J·C·布羅姆雷, P·L·川, W·C·陳, W·D·巴克 申請人:新西蘭郎澤科技公司