發(fā)酵工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般設(shè)及通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生產(chǎn)物，特別是醇的方法。具體地說，本發(fā)明設(shè) 及增加發(fā)酵效率的方法，該是通過提供處理使用過的發(fā)酵肉湯W產(chǎn)生經(jīng)過處理的滲透液， 然后使其傳送返回至生物反應(yīng)器的方法來達(dá)成。
【背景技術(shù)】
[0002] 己醇正迅速成為世界范圍內(nèi)的主要富氨液體運(yùn)輸燃料。在2002年全世界的己醇 消耗據(jù)估計(jì)為108億加侖。還已經(jīng)預(yù)測(cè)到燃料己醇工業(yè)的全球市場(chǎng)未來將急劇增長(zhǎng)，該歸 因于在歐洲、日本、美國(guó)W及若干發(fā)展中國(guó)家對(duì)己醇的關(guān)注增加。
[0003] 舉例來說，在美國(guó)，己醇用于生產(chǎn)E10,己醇于汽油中的10%混合物。在E10滲合 物中，己醇組分充當(dāng)補(bǔ)氧劑，從而改善燃燒效率并且減少空氣污染物的產(chǎn)生。在己西，己醇 滿足約30%的運(yùn)輸燃料需求，其作為滲合于汽油中的補(bǔ)氧劑，或本身作為純?nèi)剂?。而且，?歐洲，圍繞溫室氣體（GHG)排放的結(jié)果的環(huán)境問題已經(jīng)刺激歐盟巧U)向成員國(guó)設(shè)立消耗諸 如源自生物質(zhì)的己醇的可持續(xù)運(yùn)輸燃料的強(qiáng)制性目標(biāo)。
[0004] 絕大部分的燃料己醇是經(jīng)由傳統(tǒng)的基于酵母的發(fā)酵工藝而產(chǎn)生，該些發(fā)酵工藝使 用源自作物的碳水化合物，諸如從甘庶中提取的庶糖或從谷類作物中提取的淀粉，作為主 要碳源。然而，該些碳水化合物原料的成本受其作為人類食物或動(dòng)物飼料的價(jià)值所影響，而 用于產(chǎn)生己醇的產(chǎn)淀粉或庶糖作物的種植在所有地域中不是經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)的。因此，關(guān)注 于開發(fā)用W將更低成本和/或更豐富的碳資源轉(zhuǎn)化成燃料己醇的技術(shù)。
[0005] C0是有機(jī)材料，諸如煤或油和源自油的產(chǎn)品的不完全燃燒的主要富自由能副產(chǎn) 物。舉例來說，據(jù)報(bào)道澳大利亞的鋼鐵工業(yè)每年產(chǎn)生并釋放超過500, 000公噸的C0至大氣 中。
[0006] 長(zhǎng)久W來已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，催化工藝可W用于將主要由C0和/或C0與氨氣化）組成 的氣體轉(zhuǎn)化成多種燃料和化學(xué)品。然而，微生物也可W用于將該些氣體轉(zhuǎn)化成燃料和化學(xué) 品。該些生物工藝盡管一般比化學(xué)反應(yīng)慢，但具有優(yōu)于催化工藝的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括更高特異 性、更高產(chǎn)率、更低能量成本W(wǎng)及更強(qiáng)的抗中毒性。
[0007] 微生物在C0作為其唯一碳源下生長(zhǎng)的能力于1903年首次發(fā)現(xiàn)。該稍后被確定 為使用自養(yǎng)生長(zhǎng)的己酷輔酶A(己酷CoA)生物化學(xué)路徑（也被稱為伍茲-揚(yáng)達(dá)爾路徑 (Woods-Ljungd址1pathway)和一氧化碳脫氨酶/己酷CoA合酶（C0DH/AC巧路徑）的生物 體的特性。許多厭氧生物體，包括一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型、光合、產(chǎn)甲燒W及產(chǎn)己酸生物體，已經(jīng)顯 示使C0代謝成各種終產(chǎn)物，即，c〇2、H2、甲燒、正了醇、己酸鹽W及己醇。在使用C0作為唯 一碳源時(shí)，所有該樣的生物體產(chǎn)生該些終產(chǎn)物中的至少兩者。
[0008] 厭氧菌，諸如來自梭菌屬（Clostridium)的那些，已經(jīng)展示經(jīng)由己酷CoA生物化 學(xué)路徑從0)、0)2^及H2產(chǎn)生己醇。舉例來說，從氣體產(chǎn)生己醇的揚(yáng)氏梭菌（Clostridium ljungd址lU)的各種菌株描述于WO00/68407、EP117309、美國(guó)專利號(hào)5, 173, 429、 5, 593, 886 和 6, 368, 819、W0 98/00558W及W0 02/08438 中。產(chǎn)己醇梭菌（Clostridium autoethanogenum)屬細(xì)菌也已知從氣體產(chǎn)生己醇（Abrini等，ArchivesofMicrobiology161，第 345-351 頁(yè)（1994))。
[0009] 然而，通過氣體發(fā)酵由微生物產(chǎn)生己醇始終與己酸鹽和/或己酸的共同產(chǎn)生相關(guān) 聯(lián)。因?yàn)橐恍┛捎锰嫁D(zhuǎn)化成己酸鹽/己酸而不是己醇，所W使用所述發(fā)酵工藝產(chǎn)生己醇的 效率可能小于理想的。而且，除非己酸鹽/己酸副產(chǎn)物可W用于某種其它目的，否則該可能 造成廢物處置問題。己酸鹽/己酸由微生物轉(zhuǎn)化成甲燒并且因此具有促成溫室氣體排放的 潛力。
[0010] 控制用于在發(fā)酵所用的生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)細(xì)菌或微生物的液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的參 數(shù)的重要性已經(jīng)在本領(lǐng)域中認(rèn)識(shí)到。2007年7月18日提交并且W引用的方式并入本文中 的NZ556615特別描述了操縱該樣的液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的抑和氧化還原電勢(shì)。舉例來說，在 厭氧產(chǎn)己酸菌的培養(yǎng)物中，通過提高培養(yǎng)物的抑至高于約5. 7,同時(shí)維持培養(yǎng)物的氧化還 原電勢(shì)處于低水平（-400mV或W下），細(xì)菌W比在較低抑條件下高得多的速率將作為發(fā)酵 副產(chǎn)物產(chǎn)生的己酸鹽轉(zhuǎn)化成己醇。NZ556615進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，不同抑水平和氧化還原電勢(shì) 可W用于優(yōu)化條件，該取決于細(xì)菌所執(zhí)行的主要作用（即，生長(zhǎng)，從己酸鹽和含氣態(tài)C0底物 產(chǎn)生己醇，或從含氣態(tài)底物產(chǎn)生己醇）。
[0011] US7, 078, 201和W0 02/08438還描述了通過改變進(jìn)行發(fā)酵的液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的 條件（例如，抑和氧化還原電勢(shì)）來改善用于產(chǎn)生己醇的發(fā)酵工藝。
[0012] 液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的抑可W通過添加一種或多種抑調(diào)節(jié)劑或緩沖劑至培養(yǎng)基中來 調(diào)節(jié)。舉例來說，根據(jù)需要可W使用諸如化0H的堿和諸如硫酸的酸來增大或減小抑。氧化 還原電勢(shì)可W通過添加一種或多種還原劑（例如，甲基紫精）或氧化劑來調(diào)節(jié)?；蛘?，培養(yǎng) 基的抑可W通過提供過量的氣態(tài)底物至發(fā)酵中W使得微生物被氣體"過度供給"來調(diào)節(jié)。
[0013] 如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見，類似工藝可W用于產(chǎn)生其它醇，諸如了醇。
[0014] 不管用于向發(fā)酵反應(yīng)送料的來源如何，當(dāng)供給中存在間斷時(shí)可能發(fā)生問題。更具 體地說，所述中斷可能對(duì)反應(yīng)中所用的微生物的效率不利，并且在一些情況下，可能對(duì)其有 害。舉例來說，在工業(yè)廢氣流中的C0氣體用于發(fā)酵反應(yīng)中W產(chǎn)生酸/醇的情況下，可能存 在不產(chǎn)生流的時(shí)間。在所述時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)中所用的微生物可能進(jìn)入休眠。當(dāng)該種流再次可 用時(shí)，那么在微生物在進(jìn)行所需反應(yīng)方面有完全能產(chǎn)性之前可能存在延遲。
[0015] 己醇可W通過施加熱而容易地從發(fā)酵肉湯的流中去除，而通過該種工藝產(chǎn)生的其 它代謝物，諸如己酸和2, 3-了二醇，較難去除并且當(dāng)返回至工藝中的液體仍含有該些（甚 至在低濃度下）時(shí)可能造成問題。
[0016] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種采用至少某種方式克服上述缺點(diǎn)的系統(tǒng)和/或 工藝，或至少向公眾提供有用的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 在本發(fā)明的第一方面，提供一種用于包含C0的底物的微生物發(fā)酵的方法，該種方 法包括： a. 在包含一種或多種微生物的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中，使包含C0的氣態(tài)底物發(fā)酵W 產(chǎn)生包含一種或多種產(chǎn)物的發(fā)酵肉湯； b. 經(jīng)由放出液流從生物反應(yīng)器傳送肉湯的至少一部分； C.從生物反應(yīng)器傳送滲透液流的至少一部分； d. 從放出液流和/或滲透液流中去除一種或多種產(chǎn)物的至少一部分W提供產(chǎn)物耗竭 流； e. 使產(chǎn)物耗竭流傳送至澄清模塊，其中從產(chǎn)物耗竭流中去除產(chǎn)物耗竭流的選自由生物 質(zhì)、蛋白質(zhì)、有機(jī)組分或無機(jī)組分組成的群組的一種或多種組分的至少一部分W提供經(jīng)過 處理的流；W及 f. 使經(jīng)過處理的流的至少一部分傳送至生物反應(yīng)器。
[0018]在一個(gè)實(shí)施方案中，一種或多種產(chǎn)物是醇或酸。在一個(gè)實(shí)施方案中，醇選自由W下 組成的群組；己醇、了醇、丙醇、丙酸鹽W及2, 3- 了二醇。在一個(gè)實(shí)施方案中，酸選自由W下 組成的群組；己酸、了酸W及丙酸。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施方案中，一種或多種產(chǎn)物是己醇、2, 3-了二醇W及己酸鹽。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施方案中，步驟（a)的一種或多種微生物是一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)己酸菌。 在一個(gè)實(shí)施方案中，一種或多種微生物選自由W下組成的群組：產(chǎn)己醇梭菌、揚(yáng)氏梭菌、拉 氏梭菌（Clostridiumragsdalei)、食一氧化碳梭菌（Clostridiumcarboxidivorans)W及 克氏梭菌（Clostridiumcoskatii)。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方案中，澄清模塊包括W下一者或多者：生物質(zhì)去除模塊；醇回收模 塊；過濾器模塊；酸去除模塊；有機(jī)物去除模塊；滅菌模塊；或無機(jī)物去除模塊。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施方案中，醇回收模塊是蒸饋模塊。
[0023]在一個(gè)實(shí)施方案中，生物質(zhì)去除模塊是厭氧消化模塊；好氧消化模塊；或過濾模 塊。
[0024]在一個(gè)實(shí)施方案中，過濾器模塊是納米過濾模塊或反滲透模塊。
[0025]在一個(gè)實(shí)施方案中，有機(jī)物去除模塊是活性碳模塊。
[0026]在一個(gè)實(shí)施方案中，無機(jī)物去除模塊是離子交換模塊。
[0027]在一個(gè)實(shí)施方案中，酸去除模塊是電滲析模塊或活性碳模塊。
[0028]在一個(gè)實(shí)施方案中，滅菌模塊是紫外線滅菌模塊或反滲透模塊。 a.在本發(fā)明的第二方面，提供一種用于包含C0的底物的微生物發(fā)酵的方法，該種方法 包括： a. 在包含一種或多種微生物的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中，使包含C0的氣態(tài)底物發(fā)酵W 產(chǎn)生包含一種或多種產(chǎn)物的發(fā)酵肉湯； b. 經(jīng)由放出液流從生物反應(yīng)器傳送肉湯的至少一部分； C.從生物反應(yīng)器傳送滲透液流的至少一部分； d. 從放出液流和/或滲透液流中去除一種或多種醇的至少一部分W提供產(chǎn)物耗竭流； e. 使產(chǎn)物耗竭流傳送至厭氧消化階段，其中從產(chǎn)物缺失流中去除選自由有機(jī)組分和生 物質(zhì)組成的群組的一種或多種組分的至少一部分W提供經(jīng)過處理的流和氣態(tài)副產(chǎn)物； f. 使經(jīng)過處理的流的至少一部分傳送至生物反應(yīng)器； g. 使用步驟（e)的氣態(tài)副產(chǎn)物的至少一部分作為微生物發(fā)酵的一個(gè)或多個(gè)步驟的熱 源、能源或碳源。
[0029]在一個(gè)實(shí)施方案中，一種或多種產(chǎn)物是醇或酸。在一個(gè)實(shí)施方案中，醇選自由W下 組成的群組；己醇、了醇、丙醇、丙酸鹽W及2, 3- 了二醇。在一個(gè)實(shí)施方案中，酸選自由W下 組成的群組；己酸、了酸w及丙酸。在一個(gè)實(shí)施方案中，一種或多種產(chǎn)物是己醇和己酸。在 一個(gè)實(shí)施方案中，一種或多種產(chǎn)物是己醇、2, 3-了二醇W及己酸。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施方案中，步驟（a)的一種或多種微生物是一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)己酸菌。 在一個(gè)實(shí)施方案中，一種或多種微生物選自由W下組成的群組：產(chǎn)己醇梭菌、揚(yáng)氏梭菌、拉 氏梭菌、食一氧化碳梭菌W及克氏梭菌。
[0031] 在一個(gè)實(shí)施方案中，回收步驟（d)中去除的一種或多種產(chǎn)物。
[0032] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，使經(jīng)過處理的流在傳送至生物反應(yīng)器之前通過一個(gè) 或多個(gè)任選的澄清步驟。一個(gè)或多個(gè)任選的澄清步驟包括生物質(zhì)去除模塊；醇回收模塊、 過濾器模塊，或酸去除模塊、有機(jī)物去除模塊、滅菌模塊、無機(jī)物去除模塊（即，離子交換模 塊。一個(gè)或多個(gè)任選的澄清步驟產(chǎn)生經(jīng)過澄清的流，其中去除經(jīng)過處理的耗竭流的一種或 多種組分的至少一部分。經(jīng)過處理的流的一種或多種組分包括（但不限于）產(chǎn)物、有機(jī)組 分W及無機(jī)組分。
[0033] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在使經(jīng)過澄清的流或經(jīng)過處理的流傳送至生物反應(yīng)器之前將 一種或多種營(yíng)養(yǎng)素、金屬或鹽添加至經(jīng)過澄清的流或經(jīng)過處理的流中。
[0034] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在使經(jīng)過處理的流和/或經(jīng)過澄清的流傳送至生物 反應(yīng)器之前將金屬添加至經(jīng)過處理的流和/或經(jīng)過澄清的流中。在某些實(shí)施方案中，一種 或多種金屬選自由W下組成的群組：鐵、鐘、巧、儀、棚、鉆、銘、鋪、鋼、鋼、鑲、砸、鋒、氯化物、 磯、硫化物、氮W及鶴。在替代性實(shí)施方案中，在經(jīng)過處理的流和/或經(jīng)過澄清的流已經(jīng)傳 送返回至生物反應(yīng)器之后將一種或多種金屬添加至發(fā)酵肉湯中。
[00巧]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在使經(jīng)過處理的流和/或經(jīng)過澄清的流返回至生物 反應(yīng)器之前將一種或多種B族維生素添加至經(jīng)過處理的流和/或經(jīng)過澄清的流中。一種或 多種B族維生素選自包含W下的群組：硫胺素炬1)、核黃素炬2)、煙酸炬3)、泛酸炬5)、化 唉醇炬6)、葉酸炬9)、氯鉆胺素炬12)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，將新鮮培養(yǎng)基與經(jīng)過 處理的流和/或經(jīng)過澄清的流滲合。
[0036] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在一個(gè)或多個(gè)澄清步驟期間去除經(jīng)過處理的流的一種或多種 產(chǎn)物組分的至少一部分，W防止一種或多種產(chǎn)物組分聚集于生物反應(yīng)器中。在一個(gè)實(shí)施方 案中，一種或多種產(chǎn)物組分是醇或酸。
[0037] 在一個(gè)實(shí)施方案中，經(jīng)過處理的流和/或經(jīng)過澄清的流具有小于lOg/L、或小于 8g/L、或小于6g/L、或小于4g/L、或小于2g/L的酸濃度。
[0038] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在一個(gè)或多個(gè)澄清步驟期間去除經(jīng)過處理的流的一種或多種 無機(jī)組分的至少一部分，W防止一種或多種無機(jī)組分聚集于生物反應(yīng)器中。
[0039] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在一個(gè)或多個(gè)澄清步驟期間去除經(jīng)過處理的流的一種或多種 有機(jī)組分的至少一部分，W防止一種或多種有機(jī)組分聚集于生物反應(yīng)器中。
[0040] 在一個(gè)實(shí)施方案中，步驟（e)的氣態(tài)副產(chǎn)物是甲燒和/或二氧化碳。
[0041] 在一個(gè)實(shí)施方案中，通過厭氧消化產(chǎn)生的甲燒用作微生物發(fā)酵的一個(gè)或多個(gè)步驟 的熱源、能源或碳源。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)甲燒進(jìn)行重整W產(chǎn)生一氧化碳，使其傳送至生 物反應(yīng)器W用作底物。在一個(gè)實(shí)施方案中，使甲燒傳送至燃?xì)廨啓C(jī)用于發(fā)電。在一個(gè)實(shí)施 方案中，使甲燒傳送至蒸汽鍋爐用于蒸饋工藝的直接或間接加熱。 a.第一方面的實(shí)施方案與本發(fā)明的第二方面類似。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明的第S方面，提供一種改善包含CO的底物的微生物發(fā)酵的方法，該種 方法包括： a. 在包含一種或多種產(chǎn)己酸微生物的培養(yǎng)物的第一生物反應(yīng)器中使包含C0的底物發(fā) 酵，W產(chǎn)生包含一種或多種醇和任選的己酸鹽的發(fā)酵肉湯； b. 經(jīng)由放出液流使肉湯的至少一部分從第一生物反應(yīng)器傳送至第二生物反應(yīng)器； C.使?jié)B透液流的至少一部分從第一生物反應(yīng)器傳送至第二生物反應(yīng)器； d. 在包含一種或多種產(chǎn)己酸微生物的培養(yǎng)物的第二生物反應(yīng)器中使包含C0的底物發(fā) 酵，W產(chǎn)生包含一種或多種醇和任選的己酸鹽的發(fā)酵肉湯； e. 經(jīng)由放出液流從第二生物反應(yīng)器中去除肉湯的至少一部分； f. 從第二生物反應(yīng)器中去除滲透液流的至少一部分； g. 組合放出液流與滲透液流W產(chǎn)生組合流； h. 處理組合流W去除一種或多種產(chǎn)物的至少一