用于在有效降低水用量的低磷酸鹽培養基中發酵含有co的氣態底物的方法
【專利說明】用于在有效降低水用量的低磷酸鹽培養基中發酵含有CO 的氣態底物的方法
[0001] 本申請要求2013年6月10日提交的美國臨時申請61/833,240的權益，其通過引 用而全文結合到本文中。
[0002] 提供了在低磷酸鹽培養基中發酵含有CO的氣態底物的方法。更具體地，所述方法 包括在采用需要較低量的水的方式制備的培養基中發酵所述含有CO的氣態底物。
[0003] 背景 產乙酸微生物可通過氣態底物的發酵由一氧化碳（CO)產生乙醇。利用來自梭狀芽孢 桿菌（C/osirii/iiM?)屬的厭氧微生物的發酵產生乙醇和其它有用的產物。例如，美國專利 5, 173, 429 描述楊氏梭菌心·?//^?Α7?)ΑΤ(Χ No. 49587, 一種由合成氣體產 生乙醇和乙酸鹽的厭氧微生物。美國專利5,807,722描述了利用楊氏梭菌（^7〇6^_/'/〇7? ^/y/Wi/aWii)ATCC No. 55380用于將廢氣轉化為有機酸和醇的方法和設備。美國專利 6, 136, 577 描述了利用楊氏梭菌Λ/?//^·?Μ?)ΑΤ(Χ No. 55988 和 55989 用 于將廢氣轉化為乙醇的方法和設備。
[0004] 發酵方法通常需要大量的水和營養物。降低水用量，消除某些組分，和降低所需濃 度水平的其它組分同時保持醇生產率可提供顯著的成本節約，尤其是在工業規模發酵中。
[0005] 概述 提供了利用較低量的水用于發酵含有CO的氣態底物的方法。用于所述方法的發酵培 養基采用需要顯著較低量的水和降低水平的磷酸鹽的方式制備。
[0006] 發酵方法包括使包括至少一種過渡金屬元素的液體培養基與包括至少至少一種 其它過渡金屬元素和一種非金屬元素的液體培養基共混，以提供發酵培養基。所述方法包 括使含有CO的底物與所述發酵培養基接觸，和發酵所述含有CO的底物，以提供酸性pH。所 述方法有效防止一種或多種過渡金屬元素與一種或多種非金屬元素沉淀，并且有效利用約 2美制加侖或更少的提供至發酵培養基的水/美制加侖產生的乙醇。
[0007] 用于發酵含有CO的底物的方法包括向發酵器提供含有CO的底物，和使所述含有 CO的底物與發酵培養基接觸。所述方法包括通過以下方法提供發酵培養基：所述方法包括 使包括一種或多種選自Zn、Co和Ni的元素的第一溶液與包括一種或多種選自W和Se的元 素的第二溶液共混，其量有效提供具有約30 mS/cm或更少的電導率和約3 mM或更少的磷 酸鹽的發酵培養基。發酵所述含有CO的底物有效提供10 g總醇AL ?天）或更多的STY， 并且有效利用約2美制加侖或更少的提供至發酵培養基的水/美制加侖產生的乙醇。
[0008] 在另一方面，在制備發酵培養基中用于降低水用量的方法包括使包括選自Zn、Co、 Ni中的一種或多種的元素的溶液與包括選自W、Se中的一種或多種的元素的溶液共混，其 量有效提供具有約30 mS/cm或更少的電導率的發酵培養基。發酵培養基需要比具有多于 約3 mM磷酸鹽的發酵培養基少約10%-約40%的水。
[0009] 附圖簡述 由下圖，所述方法的若干方面的以上和其它方面、特征和優點將更加顯而易見。
[0010]圖1說明在低磷酸鹽培養基上穩態楊氏梭菌培養物的性能，并且使用NH4OH作為 堿來控制pH和用作氮源。
[0011] 詳述 以下描述不是采用限制性含義，而是僅用于描述示例性實施方案的通用原則的目的。 本發明的范圍應參考權利要求來確定。
[0012] 在一方面，優化通向發酵器的營養物進料中的營養物水平，使得在發酵器中產乙 酸菌的每一種營養物％消耗基本上相同。出乎意料地，消耗的營養物的量和在培養基中所 得到的營養物的殘余量的不平衡導致提高的電導率和降低發酵性能。為了減輕提高的電導 率，需要大量的水。仔細平衡提供的營養物和消耗的營養物導致降低的水用量和降低的營 養物用量。在該方面，營養物培養基和發酵方法優化營養物利用率，使得利用90%或更多的 營養物，和在另一方面，利用至少約95%或更多的營養物。
[0013] 在具有本文描述的培養基和產乙酸菌的生物反應器中進行的合成氣發酵有效提 供合成氣中的CO成為醇和其它產物的轉化率。在該方面，生產率可表述為STY (空時收率， 表述為g總醇AL ?天））。在該方面，所述方法有效提供至少約10 g或更多總醇AL ?天） 的STY (空時收率）。可能的STY值包括約10 g總醇AL ?天）-約200 g總醇AL ?天）， 在另一方面，約10 g總醇/(L ·天）-約160 g總醇/(L ·天），在另一方面，約10 g總醇 / (L ·天）-約120 g總醇/ (L ·天），在另一方面，約10 g總醇/ (L ·天）-約80 g總醇/ (L·天），在另一方面，約20 g總醇/(L·天）-約140 g總醇/(L·天），在另一方面，約20 g總醇/ (L ·天）-約100 g總醇/ (L ·天），在另一方面，約40 g總醇/ (L ·天）-約140 g 總醇/ (L ·天），和在另一方面，約40 g總醇/ (L ·天）-約100 g總醇/ (L ·天）。
[0014] 宙義 除非另外限定，否則從始至終在本說明書中用于本公開的以下術語如下定義，并且可 包括以下限定的定義的單數或復數形式： 修飾任何量的術語"約"指在實際的條件下遇到的該量的變動，例如，在實驗室、中試或 生產設備中。例如，當被"約"修飾時，用于混合物或量的成分或測量的量包括在實驗條件下 在生產設備中或在實驗室中通常用于測量的關注的變動和程度。例如，當被"約"修飾時， 產品的組分的量包括在設備中或在實驗室中在多個實驗的批次之間的變動以及在分析方 法中固有的變動。無論是否被"約"修飾，該量包括那些量的等價物。本文陳述的和被"約" 修飾的任何量也可用于本公開作為不被"約"修飾的量。
[0015] 術語〃氣態底物〃以非限制性含義使用，包括含有或源自一種或多種氣體的底物。
[0016] 術語"合成氣"或"合成氣體"表示對于含有不同量的一氧化碳和氫的氣體混合物 命名的合成氣體。生產方法的實例包括天然氣或烴的蒸汽重整以產生氫，煤的氣化和一些 類型的廢物至能量氣化設備。該名字來自它們在產生合成天然氣（SNG)和用于生產氨或甲 醇中用作中間體。合成氣可燃并且通常用作燃料來源或用作用于生產其它化學品的中間 體。
[0017] 術語〃發酵器〃包括由一個或多個容器和/或塔或管道裝置組成的發酵裝置， 其包括連續攪拌槽反應器（CSTR)、固定單元反應器（ICR)、滴流床反應器（TBR)、移動床 生物膜反應器（MBBR)、泡罩塔、氣體上升發酵器、膜反應器例如中空纖維膜生物反應器 (HFMBR)、靜態攪拌器或適用于氣-液接觸的其它容器或其它裝置。
[0018] 術語"發酵"、發酵過程"或"發酵反應"等旨在包括過程的生長階段和產物生物合 成階段二者。在一方面，發酵指CO轉化為醇。
[0019] 術語"細胞密度"指每單位體積的發酵培養液中微生物細胞的質量，例如，克/升。
[0020] 術語"提高效率"、"提高的效率"等當關于發酵方法使用時，包括提高以下一個或 多個：在發酵中微生物的生長速率、每單位體積或質量的消耗的底物（例如一氧化碳）產生 的期望的產物（例如醇）的體積或質量，期望的產物的生產速率或生產水平，和與發酵的其 它副產物相比產生的期望產物的相對比例。
[0021] 本文使用的"總醇"包括乙醇、丁醇、丙醇和甲醇。在一方面，總醇可包括至少約75 重量％或更多的乙醇，在另一方面，約80重量％或更多的乙醇，在另一方面，約85重量％或 更多的乙醇，在另一方面，約90重量％或更多的乙醇，和在另一方面，約95重量％或更多的 乙醇。在另一方面，總醇可包括約25重量％或更少的丁醇。
[0022] 術語"比CO吸收"指每單位時間（以分鐘計）單位質量的微生物細胞（g)消耗的 CO的量（以mmol計），即，mmol/g/分鐘。
[0023] 含有CO的底物 含有CO的底物可包括包括CO的任何氣體。在該方面，含有CO的氣體可包括合成氣、 工業用氣和它們的混合物。
[0024] 合成氣可由任何已知的來源提供。在一方面，合成氣可源自碳質材料的氣化。氣 化涉及在限制供應的氧中部分燃燒生物質。所得到的氣體主要包括〇)和氏。在該方面，合 成氣將含有至少約10 mol % C0,在一方面，至少約20 mol %，在一方面，約10-約100 mol %，在另一方面，約20-約100 mol % C0,在另一方面，約30-約90 mol % C0,在另一方面， 約40-約80 mol % C0,和在另一方面，約50-約70 mol % C0。合適的氣化方法和設備的一 些實例在均在2011年4月6日提交的美國序列號61/516, 667、61/516, 704和61/516, 646 和均在2012年3月22日提交的美國序列號13/427, 144、13/427, 193和13/427, 247中提 供，均通過引用結合到本文中。
[0025] 在另一方面，所述方法適用于支持由氣態底物（例如高體積含有CO的工業煙道 氣）生產醇。在一些方面，包括CO的氣體源自含碳廢物（例如，工業廢氣）或源自其它廢 物的氣化。因此，所述方法代表用于捕集原本排放至環境的碳的有效方法。工業煙道氣的 實例包括在黑色金屬產品制造、有色金屬產品制造、石油精煉過程、煤的氣化、生物質氣化、 電力生產、炭黑生產、氨生產、甲醇生產和焦炭制造期間產生的氣體。
[0026] 取決于含有CO的底物的組成，含有CO的底物可直接提供至發酵過程或可進一步 改性以包括合適的H 2:C0摩爾比。在一方面，提供至發酵器的含有CO的底物的H2:C0摩爾 比為約0. 2或更多，在另一方面，約0. 25或更多，和在另一方面，約0.