用于封存二氧化碳和發酵生產有機化合物的方法
【專利說明】用于封存二氧化碳和發酵生產有機化合物的方法 發明領域
[0001] 本發明涉及使用厭氧微生物的生物學組分，特別是厭氧細菌的培養物或酶，作為 用于通過與合適的有機底物反應來捕獲并封存二氧化碳的劑。從該反應得到的產物是可用 作產業例如食品產業、生物醫藥產業、化妝品產業以及畜牧產業中的原材料的有機分子。 現有技術
[0002] 科學界當前的共識是C02的大氣濃度將以與化石燃料的消耗成正比的方式持續增 加，對全球氣候影響顯著。明顯地，將來最佳的情形需要過渡到可再生能源，但是，可替代地 或作為臨時策略，封存或減少被視為減輕溫室效應引起的氣候變化的風險的主要目的。
[0003] 因此，本發明的目的是提供一種用于減少二氧化碳的方法。
[0004] 發明概述
[0005] 上文所提到的目的已通過能夠捕獲二氧化碳并將其轉化為可用作產業原材料的 有機化合物的方法實現。因此，本發明涉及一種用于產生至少一種式（I)的有機化合物的 方法：
[0006]
[0007] 其中
[0008] R是H或堿金屬，
[0009] 1^是-H、_0H、-〇_ 烷基、-〇-C〇-烷基、-NH2、= 0、-NH-C0-烷基、-NH-燒 基、-SH、-S-烷基，其中烷基是直鏈或支鏈的C1-C3，
[0010] 私是-H、-〇H、-NH2，直鏈或支鏈的C1-C6烷基，或被至少一個-0H基團或_順2基團 取代的直鏈或支鏈的C1-C6烷基，
[0011] 條件是札和R2不同時是-H，并且
[0012] 如果札是=0,R2則不存在，
[0013] 所述方法包括步驟：
[0014] i)提供分類學為棲熱袍菌目（Thermotogales)的至少一種細菌，所述至少一種細 菌包括丙酮酸：鐵氧還蛋白氧化還原酶（PF0R)、鐵氧還蛋白、乙酰-輔酶A合成酶，以及輔 酶A;
[0015] ii)添加有機底物；
[0016] iii)添加C02;
[0017] iv)使所得到的混合物在厭氧條件下反應至少6小時；以及
[0018] v)分離如此獲得的至少一種式（I)的有機化合物。
[0019] 根據另一方面，本發明涉及一種用于實施所述方法的設備，所述設備包括：
[0020] -至少一個反應器，所述至少一個反應器配備有用于供給C02的入口、用于供給有 機底物的入口、用于收集反應產物的出口，以及用于收集氣體的出口；
[0021] _至少一個裝置，所述至少一個裝置用于分離反應產物；以及
[0022] _至少一個容器，所述至少一個容器用于收集所分離的至少一種式（I)的有機化 合物。
[0023] 在本發明中，當使用下列術語時：
[0024] _ "有機底物"，意思是一種或更多種化合物，優選地甲酸或其鹽、乙酸或其鹽、丙酸 及其鹽、丁酸或其鹽，所述一種或更多種化合物以純的形式，或作為簡單的有機基質，例如 單糖、二糖、多糖、蛋白質的原位代謝產物，或作為復雜的有機基質例如食品加工產業、農業 的副產物或廢料的原位代謝產物，或藻類生物質的原位代謝產物；以及
[0025] _ "C02"或"二氧化碳"，意思是所述組分可以是氣體形式、純的或與其他氣體混合， 或是無機鹽形式、固體形式或在溶液中，或在能夠釋放它的有機基質中。
[0026] 附圖簡述
[0027] 從下面的詳細描述以及為說明性而非限制性目的提供的工作實施例和所附的附 圖中，本發明的特性和優勢將是明顯的，其中：
[0028]-圖1示出了四聚體蛋白PF0R的序列表；
[0029]-圖2示出了在細菌那不勒斯棲熱袍菌（T.neapolitana)中葡萄糖在C02存在下 遵循的代謝途徑；
[0030]-圖3示出了（a)在細菌那不勒斯棲熱袍菌中葡萄糖在C02存在下遵循的代謝途 徑，以及（b)對應的沿著所述途徑發生的封存[13C]-C02反應；加粗線=兩個配對的碳之間 的鍵；
[0031]-圖4示出了在標準條件下生長并被以有規律的間隔供給N2 (TnN)或C02 (TnC)的 那不勒斯棲熱袍菌培養物中的PF0R酶的表達的免疫印跡試驗（WesternBlottest)的凝 膠SDS-PAGE(10% );
[0032]-圖5a示出了在25mM葡萄糖存在下并被供給隊或C02的那不勒斯棲熱袍菌的培 養物的葡萄糖消耗率；
[0033]-圖5b示出了在25mM葡萄糖存在下并被供給N2 (TnN)或C02 (TnC)的那不勒斯棲 熱袍菌的培養物在24小時后和48小時后的氫氣（H2)產量；
[0034]-圖5c示出了在25mM葡萄糖存在下并被供給N2 (TnN)或C02 (TnC)的那不勒斯棲 熱袍菌的培養物在24小時后和48小時后的乙酸和乳酸產量；
[0035]-圖5d示出了在25mM葡萄糖存在下并被供給14mMN2 (TnN)、C02 (TnC)或 N2 (TnN)+NaHC〇d^那不勒斯棲熱袍菌培養物的按照產物摩爾/葡萄糖摩爾比表示的以下產 物的產量：乙酸、乳酸和氫氣；
[0036]-圖6示出了本發明的設備的實施方案的示意圖；1=用于與二氧化碳反應的底物 的供給入口；2 =氣體或在溶液中的二氧化碳的供給入口；3 =氫氣出口；4 =反應器；5 = 產物出口；
[0037]-圖7示出了被供給130)2或NaH13C03后那不勒斯棲熱袍菌的培養基的13C_NMR譜。 (a)供給13C02(TnC) ; (b)供給14mMNaH13aVFPN2; (c)對照。* =被標記的碳；加粗線=兩 個配對的碳之間的鍵；以及
[0038]-圖8示出了被供給14mMNaH13C0#P不同的有機底物后那不勒斯棲熱袍菌的培 養基的13C-NMR譜。在伴隨吹入隊的標準條件下進行培養。波譜放大指示了配對的13C碳。 (a) 28mM2-13C葡萄糖和 14mMNaH13C03; (b) 14mM2-13C丙酮酸鈉和 14mMNaH13C03; (c) 14mM 1-13C乙酸鈉和 14mMNaH13C03; (d)對照（28mM葡萄糖和 14mMNaH13C03)。
[0039]-圖9示出了保持在氮氣或二氧化碳氣氛中的那不勒斯棲熱袍菌（Thermotoga neapolitana)的培養物中乳酸的合成。根據稱為暗發酵（DarkFermentation)的機制，葡 萄糖代謝導致理論上四摩爾氫氣和二摩爾乙酸（黑色箭頭）的合成。反應器中二氧化碳的 增加導致乙酸鹽/酯（acetate)的再循環和隨之發生的乳酸的合成（紅色箭頭）。
[0040] 發明詳述
[0041] 因此，本發明涉及一種用于生產至少一種式（I)的有機化合物的方法：
[0042]
[0043] 其中
[0044] R是H或堿金屬，
[0045] &是-H、_0H、-〇_ 烷基、-〇-C〇-烷基、-NH2、= 0、-NH-C0-烷基、-NH-燒 基、-SH、-S-烷基，其中烷基是直鏈或支鏈的C1-C3，
[0046] 私是-H、-〇H、-NH2、直鏈或支鏈的C1-C6烷基，或被至少一個-0H基團或_順2基團 取代的直鏈或支鏈的C1-C6烷基，
[0047] 條件是RjPIR2不同時是-H，并且
[0048] 如果&是=0,R2則不存在，
[0049] 所述方法包括步驟：
[0050] i)提供分類學為棲熱袍菌目的至少一種細菌，所述至少一種細菌包含丙酮酸：鐵 氧還蛋白氧化還原酶（PF0R)、鐵氧還蛋白、乙酰-輔酶A合成酶，以及輔酶A;
[0051] ii)添加有機底物；
[0052]iii)添加C02;
[0053] iv)使所得的混合物在厭氧條件下反應至少6小時；以及
[0054]v)分離如此獲得的至少一種式（I)的有機化合物。
[0055] 出人意料地發現，分類學為棲熱袍菌目的、嗜熱的且異養的所述至少一種細菌的 細胞用作能夠通過不需要將〇) 2固定在細胞生物質中的直接的方法催化有機底物和二氧化 碳之間的反應以生產具有低分子量的式（I)的有機化合物、特別是乳酸的微-反應器。實 際上，為了所有意圖和目的，C02被捕獲并用作具有式（I)的化合物的合成中的還原劑，而不 進入例如自養細菌的典型的細胞生長機制。
[0056] 優選地，所述分類學為棲熱袍菌目的至少一種細菌是棲熱袍菌屬（Thermotoga)的 細菌，例如那不勒斯棲熱袍菌，T.naphtophila、T.petrophila、海棲熱袍菌（T.maritima)、T subterranea、T.elfii、T.lettingae、T.thermarum或棲熱腔菌屬（Thermosipho)的細菌， 例如T.geodei、T.melanesiensis、T.japonicus、非洲棲熱腔菌（T.africanus) 〇
[0057] 這些細菌能夠通過碳水化合物的厭氧和非-光合作用的發酵（暗發酵）產生氫 氣。特別地，如將在下面的實施例中所看出的，觀察到H2的產生十分接近于進入糖酵解過程 的每分子葡萄糖4分子氏的理論值。總的氫氣產量相當于每千克葡萄糖大約0. 25-0. 50m3 氫氣。氫氣的發酵合成與每個葡萄糖分子釋放二分子乙酸和二分子二氧化碳相關聯。
[0058] 在一個優選的實施方式中，所述分類學為棲熱袍菌目的至少一種細菌是那不勒斯 棲熱袍菌菌種，那不勒斯棲熱袍菌（T.neapolitana)可分離自海洋的海水資源。
[0059] 優選地，細菌棲熱袍菌被提供在水性介質中，例如海水或富含礦物鹽、維生素和相 似營養成分的水中。
[0060] 根據特別優選的實施方案，所述PF0R是具有登錄號NCBIYP_002534223. 1(SEQ IDN0.1)、YP_002534222.1(SEQIDN0.2)、YP_002534225.1(SEQIDN0.3)、 YP_002534224. 1(SEQIDNO. 4)的四聚體蛋白并且其由細菌那不勒斯棲熱袍菌的porBACD 基因簇編碼（圖1):
[0061] 亞基porA(SEQIDNO. 1) :YP_002534223. 1
[0062] MKMERVVERVAVTGAEAVANAMRQIEPDVVAAYPITPQTPIVEYFARFVADGIVKTEMIPVESEHSAMS AWGAAAAGARAMTATSANGLALMHEIVYIAASYRLPIVMPWNRALSGPINIHCDHSDAMAERDSGWIQLFAETNQ EAYDFTILAVRLAEHSDVRLPVMVNLDGFILSHGVEPVEFYPDDLVKKFVGELKPMYPLLGTEHPVTWGPLDLYDYY FEHKRQQIEAMENVKKVFPEIAKEFEETFGRKYWFVEPYKLDDAEHVMVALGSTNSTIKYVVDELREEGHKVGALKI WMFRPFPKEQLQELLNGRKSVIVLDRAVSFGAEAPLYEAVKSSLYEVAARPSLGS