用于生产基于蛋白质的生物塑料的气体发酵的制作方法

文档序号:25541707发布日期:2021-06-18 20:37来源:国知局

本发明提供使用微生物生物质生产基于蛋白质的生物塑料或基于蛋白质的生物膜的方法。



背景技术:

石油衍生的塑料已经成为现代生活中必不可少的部分,这主要是由于其轻便、坚固性、耐用性和抗降解性。然而,对石油衍生的塑料的依赖导致了一系列严重问题,包括原油枯竭、污染和垃圾填埋。为了减少塑料对环境的影响,正在努力用生物塑料(如理化特性与常规塑料相似的聚丙交酯、多糖、脂肪族聚酯和聚羟基烷酸酯)代替常规的石油衍生的塑料(anjum,《国际生物大分子杂志(intjbiolmacromol)》,89:161-174,2016)。

同样地,迫切需要大幅度减少与全球化石燃料消耗相关的排放以限制气候变化。然而,碳基材料、化学品和运输燃料主要由化石来源制成,并且目前没有替代来源足以代替所述化石来源。

固定二氧化碳(co2)和一氧化碳(co)的气体发酵微生物可以减轻这种依赖性的影响,因为所述气体发酵微生物可以将气态碳转化为有用的产品。气体发酵微生物可以利用广泛的原料,包括任何种类的气化有机物质(即,城市固体废弃物、工业废弃物、生物质和农业废物残留物)或工业废气(即,来自炼钢厂或其它加工厂)。此外,这些微生物具有高生长速率,可以经遗传修饰以调适氨基酸组合物,并且具有高蛋白质含量。

基于蛋白质的生物塑料提供可再生、生物可降解和可官能化的优点。然而,用于产生基于蛋白质的生物塑料的方法在很大程度上仍未开发。仍需要开发使用微生物作为蛋白质源生产基于蛋白质的生物塑料的方法。



技术实现要素:

正是在上述背景下,本发明提供了相对于现有技术的某些优点和进步。

尽管本文所公开的本发明不限于特定优点或功能性,但本发明提供使用微生物生物质生产基于蛋白质的生物塑料或生物膜的方法。

在本文所公开的方法的一些方面中,微生物生物质包含生长于气态底物(如包含co、co2和h2中的一种或多种的气态底物)上的微生物。气态底物可以是或可以来源于工业废气(industrialwastegas)、工业排气(industrialoffgas)或合成气。

在本文所公开的方法的一些方面中,微生物可以是革兰氏阳性、产乙酸型、一氧化碳营养型和/或厌氧型的。通常,微生物是梭菌属的成员,如,微生物是或来源于自产乙醇梭菌(clostridiumautoethanogenum)、扬氏梭菌(clostridiumljungdahlii)、拉氏梭菌(clostridiumragsdalei)或科斯卡塔梭菌(clostridiumcoskatii)。

在本文所公开的方法的一些实施例中,所述方法包括加工微生物生物质的步骤。加工步骤可包含将微生物生物质除菌、将微生物生物质离心和将微生物生物质干燥中的一个或多个步骤。加工步骤可进一步包含将微生物生物质变性。加工步骤还可包含提取微生物生物质,如用于去除dna。

在本文所公开的方法的一些实施例中,所述方法包含将微生物生物质与塑化剂掺合。塑化剂可以是以下中的一种或多种:水、甘油、乙烯甘油、丙烯甘油、棕榈酸、酒石酸二乙酯、酒石酸二丁酯、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、聚乙二醇(peg)、山梨糖醇、甘露醇、二甲基苯胺、二苯胺和2,3-丁二醇。

在本文所公开的方法的一些实施例中,所述方法包含将添加剂添加到微生物生物质中。添加剂可以是交联剂、还原剂、增强剂、导电剂、相容剂或防水剂。

具体实施方式

本发明人已发现由气态底物,尤其包含co、co2和h2中的一种或多种的气态底物的发酵产生的微生物生物质是适用于生产基于蛋白质的生物塑料和基于蛋白质的生物膜的来源。

“微生物(microorganism/microbe)”是一种微观有机体,尤其是细菌、古菌(archea)、病毒或真菌。微生物通常是细菌。如本文所使用,对“微生物”的叙述应当被认为涵盖“细菌”。

“微生物生物质”是指包含微生物细胞的生物材料。例如,微生物生物质可包含细菌、古菌、病毒或真菌的纯培养物或实质上纯的培养物或由其组成。当最初从发酵液中分离时,微生物生物质通常含有大量的水。可通过干燥或加工微生物生物质来去除或减少这种水。

微生物生物质可包含实例1中表的第一列中所列出的组分中的任一种。特别地,实例1的微生物生物质包含15重量%的水分(水)。因此,实例1中所列出的值是指每份湿(即,未干燥)微生物生物质的量每种组分的量。在本文中,根据每份湿(即,未干燥)微生物生物质重量的组分的重量描述微生物生物质的组成。当然,也可能根据每份干微生物生物质重量的组分的重量计算微生物生物质的组成。

微生物生物质通常含有大部分蛋白质,例如超过50重量%(50g蛋白质/100g生物质)、超过60重量%(60g蛋白质/100g生物质)、超过70重量%(70g蛋白质/100g生物质,或超过80重量%(80g蛋白质/100g生物质)的蛋白质。在优选实施例中,微生物生物质包含至少72重量%(72g蛋白质/100g生物质)的蛋白质。蛋白质部分包含氨基酸,包括天冬氨酸、丙氨酸、精氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸和/或缬氨酸。

微生物生物质可含有多种维生素,包括维生素a(视黄醇)、维生素c、维生素b1(硫胺)、维生素b2(核黄素)、维生素b3(烟酸)、维生素b5(泛酸),和/或维生素b6(吡哆醇)。

微生物生物质可含有相对较少量的碳水化合物和脂肪。举例来说,微生物生物质可包含小于15重量%(15g碳水化合物/100g生物质)、小于10重量%(10g碳水化合物/100g生物质),或小于5重量%(5g碳水化合物/100g生物质)的碳水化合物。例如,微生物生物质可包含小于10重量%(10g脂肪/100g生物质),或小于5重量%(5g脂肪/100g生物质),小于2重量%(2g脂肪/100g生物质),或小于1重量%(1g脂肪/100g生物质)的脂肪。

本发明的方法可包含在利用微生物生物质以生产基于蛋白质的生物塑料或基于蛋白质的生物膜之前加工或处理微生物生物质的步骤。例如,所述方法可包含将微生物生物质除菌、将微生物生物质离心,和/或将微生物生物质干燥。在某些实施例中,使用喷雾干燥或桨叶干燥使微生物生物质干燥。所述方法还可包含使用所属领域中已知的任何方法降低微生物生物质的核酸含量和/或无机物含量。例如,微生物生物质的加工可包含使用溶剂洗涤。

如本文所使用,术语“基于蛋白质的生物塑料”、蛋白质生物基塑料和“蛋白质生物复合材料”可以互换使用。“基于蛋白质的生物塑料”和“基于蛋白质的生物膜”是指天然来源的生物可降解聚合物。基于蛋白质的生物塑料和基于蛋白质的生物膜主要由蛋白质构成。“基于蛋白质的材料”是指包含氢键、疏水性相互作用和二硫键的三维大分子网络。参见例如martinez《食品工程杂志(journaloffoodengineering)》,17:247-254,2013和pommet,《聚合物(polymer)》,44:115-122,2003。在优选实施例中,基于蛋白质的生物塑料或基于蛋白质的生物膜的蛋白质组分是微生物生物质。基于蛋白质的生物塑料和基于蛋白质的生物膜的生产可能需要通过化学、热或压力诱导的方法进行蛋白质变性的步骤。参见例如mekonnen,《生物复合材料:设计和机械性能(biocomposites:designandmechanicalperformance)》,2015。基于蛋白质的生物塑料和基于蛋白质的生物膜的生产可能进一步需要分离或分级分离微生物生物质以产生经纯化蛋白质材料的步骤。

基于蛋白质的生物塑料或基于蛋白质的生物膜可以是蛋白质(如微生物生物质)与塑化剂的掺合物。如本文所使用,“塑化剂”是指具有低分子量和挥发性的分子。塑化剂用于通过减少存在于蛋白质中的分子间力和增加聚合链移动性来修饰蛋白质的结构。参见例如martinez,《食品工程杂志》,17:247-254,2013和gennadios,crc出版社,纽约,66-115,2002。塑化剂的非限制性实例包括水、甘油、乙烯甘油、丙烯甘油、棕榈酸、酒石酸二乙酯、酒石酸二丁酯、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、聚乙二醇(peg)、山梨糖醇、甘露醇、二甲基苯胺、二苯胺和2,3-丁二醇。参见例如mekonnen,《生物复合材料:设计和机械性能》,2015。在一些实施例中,甘油用作塑化剂。在一些实施例中,30%甘油用作塑化剂。在一些实施例中,作为自产乙醇梭菌的天然产物的2,3-丁二醇用作塑化剂。

在一些实施例中,塑化剂通过物理化学方法(如通过“浇铸”方法)引入到蛋白质基质中。在此方法中,引入化学反应物以破坏二硫键。参见例如martinez,《食品工程杂志》,17:247-254,2013年和gontard,《食品科学杂志(j.foodsci.)》,57:190-196,1993。

在一些实施例中,通过热塑性加工将塑化剂引入到蛋白质基质中。在此方法中,通过加热和剪切的组合混合蛋白质和塑化剂。此方法可进一步需要热-机械处理,如压缩模塑、热模塑和挤出。参见例如martinez,《食品工程杂志》,17:247-254,2013年和felix,《经济作物和产品(industrialcropsandproducts)》,79:152-159,2016。

在一些实施例中,蛋白质/塑化剂掺合物通过热-机械程序制备,如通过混合以获得适当稠度和均匀性的面团样材料。然后通过注射模塑来加工面团样材料以产生基于蛋白质的生物塑料或基于蛋白质的生物膜。参见例如felix,《经济作物和产品》,79:152-159,2016。

在一些实施例中,需要添加剂以产生基于蛋白质的生物塑料或基于蛋白质的生物膜。例如,添加剂可以是还原剂、交联剂、增强剂、导电剂、相容剂或防水剂。还原剂的非限制性实例是亚硫酸氢钠。交联剂的非限制性实例包括乙二醛、l-半胱氨酸和甲醛。增强剂的非限制性实例包括细菌纤维素纳米纤维、菠萝叶纤维、木质素、亚麻、黄麻、大麻和剑麻。导电剂的非限制性实例是碳纳米管材料。相容剂的非限制性实例包括苹果酸酐和甲苯二异氰酸酯。防水剂的非限制性实例是多磷酸盐材料。在一些实施例中,化学修饰用于改进防水性。化学修饰可用低分子量醇酯化。参见例如felix,《经济作物和产品》,79:152-159,2016和mekonnen,《生物复合材料:设计和机械性能》,2015。

在一些实施例中,基于蛋白质的生物塑料或基于蛋白质的生物膜通过挤压产生,其中微生物生物质经加热并且推动通过挤压模。

在一些实施例中,基于蛋白质的生物塑料可与化石衍生的塑料掺合,但这不是必需步骤。

本文所描述的基于蛋白质的生物塑料可用于包装、包、瓶子、容器、一次性盘子、餐具、植物盆、地面罩盖、压捆、纽扣或锁扣。

本发明的优点是微生物生物质在水中的溶解性。尽管已经进行了与基于蛋白质的生物塑料中的植物蛋白质的使用有关的一些研究,但少数植物蛋白质可溶于常见溶剂中,并且溶剂或碱性溶液的使用增加成本并且可能对环境不利。perez,《食品和生物制品加工(foodandbioproductsprocessing)》,97:100-108,2016。

微生物可基于功能特征分类。例如,微生物可以是或可来源于c1固定微生物、厌氧菌(anaerobe)、产乙酸菌(acetogen)、产乙醇菌(ethanologen)和/或一氧化碳营养菌(carboxydotroph)。表1提供微生物的代表性列表并且鉴别它们的功能特征。

1伍氏醋酸杆菌可以从果糖中产生乙醇,但不能从气体中产生乙醇。

2已报告伍氏醋酸杆菌可以依靠co生长,但方法论是有问题的。

3尚未研究大梭菌是否可以依靠co生长。

4已报告热醋穆尔氏菌中的一个菌株穆尔氏菌种huc22-1从气体产生乙醇。

5尚未研究卵形鼠孢菌是否可以依靠co生长。

6尚未研究森林土壤醋酸鼠孢菌是否可以依靠co生长。

7尚未研究球形鼠孢菌是否可以依靠co生长。

“c1”是指一碳分子,例如,co或co2。“c1含氧化合物”是指还包含至少一个氧原子的一碳分子,例如co或co2。“c1碳源”是指充当微生物的部分或唯一碳源的一碳分子。例如,c1碳源可包含co、co2或ch2o2中的一种或多种。优选地,c1碳源包含co和co2中的一个或两个。“c1固定微生物”是具有能够从c1碳源中产生一种或多种产物的能力的微生物。通常,微生物是c1固定细菌。在优选实施例中,微生物是或来源于表1中所鉴别的c1固定微生物。

“厌氧菌”是不需要氧气即可生长的微生物。如果氧气超过一定阈值存在,那么厌氧菌可能会产生不良反应或甚至死亡。通常,微生物是厌氧菌(即,是厌氧型的)。在优选实施例中,微生物是或来源于表1中所鉴别的厌氧菌。

“产乙酸菌”是产生或能够产生乙酸盐(或乙酸)作为厌氧呼吸的产物的微生物。通常,“产乙酸菌”是使用wood-ljungdahl途径作为其能量守恒和合成乙酰辅酶a与乙酰辅酶a衍生产物(如乙酸盐)的主要机制的绝对厌氧细菌(ragsdale,《生物化学与生物物理学学报(biochimbiophysacta)》,1784:1873-1898,2008)。产乙酸菌使用wood-ljungdahl途径途径作为(1)从co2还原合成乙酰辅酶a的机制,(2)末端电子接收、能量保存过程,(3)在细胞碳的合成中固定(同化)co2的机制(drake,产乙酸原核生物(acetogenicprokaryotes),在:《原核生物(theprokaryotes)》第3版,第354页,纽约州纽约,2006)。所有天然存在的产乙酸菌都是c1固定型、厌氧型、自养型和非甲烷营养型的。在优选实施例中,微生物是产乙酸菌。在优选实施例中,微生物是或来源于表1中所鉴别的产乙酸菌。

“产乙醇菌”是产生或能够产生乙醇的微生物。在优选实施例中,微生物是产乙醇菌。在优选实施例中,微生物是或来源于表1中所鉴别的产乙醇菌。

“自养菌”是一种能够在不存在有机碳的情况下生长的微生物。相反,自养菌使用无机碳源,如co和/或co2。在优选实施例中,微生物是自养菌。在优选实施例中,微生物是或来源于表1中所鉴别的自养菌。

“一氧化碳营养菌”是能够利用co作为唯一碳源的微生物。在优选实施例中,微生物是一氧化碳营养菌。在优选实施例中,微生物是或来源于表1中所鉴别的一氧化碳营养菌。

在某些实施例中,微生物并不消耗某种底物,如甲烷或甲醇。在一个实施例中,微生物不是甲烷营养菌和/或不是甲基营养菌。

优选地,微生物是革兰氏阳性的。更广泛地说,微生物可以是或可来源于表1中所鉴别的任何属或种。例如,微生物可以是梭菌属的成员。

在优选实施例中,微生物是或来源于包含自产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌物种的梭菌簇。这些物种最初由abrini,《微生物学文献集(archmicrobiol)》,161:345-351,1994(自产乙醇梭菌);tanner,《国际系统细菌学杂志(intjsystembacteriol)》,43:232-236,1993(扬氏梭菌);以及huhnke,wo2008/028055(拉氏梭菌)报告和表征。

这三个物种具有许多类似性确切地说,这些物种所有都是梭菌属的c1固定型、厌氧型、产乙酸型、产乙醇型和一氧化碳营养型成员。这些物种具有相似的基因型和表型以及相似的能量保存和发酵代谢模式。此外,这些物种簇集于16srrnadna超过99%相同的梭菌rrna同源组i中,具有约22-30mol%的dnag+c含量,是革兰氏阳性的,具有相似形态和大小(对数生长期细胞介于0.5-0.7×3-5μm之间),是嗜温性的(在30-37℃下生长最佳),具有约4-7.5的相似ph范围(最佳ph为约5.5-6),缺乏细胞色素,并且通过rnf复合物保存能量。此外,在这些物种中已显示羧酸还原为其对应的醇(perez,《生物技术与生物工程(biotechnolbioeng)》,110:1066-1077,2012)。重要的是,所有这些物种还显示依靠含co气体的强自养生长,产生乙醇和乙酸盐(或乙酸)作为主要发酵产物,并且在某些条件下产生少量的2,3-丁二醇和乳酸。

然而,这三个物种还具有多个不同之处。这些物种分离自不同的来源:来自兔子肠道的自产乙醇梭菌、来自养鸡场废物的扬氏梭菌,以及来自淡水沉积物的拉氏梭菌。这些物种的不同在于各种糖(例如鼠李糖、阿拉伯糖)、酸(例如葡糖酸、柠檬酸)、氨基酸(例如精氨酸、组氨酸)或其它底物(例如甜菜碱、丁醇)的利用。此外,这些物种的不同在于某些维生素(例如硫胺、生物素)营养缺陷。尽管发现所有物种中的这些基因和蛋白质在总体组织和数量上相同,但这些物种在wood-ljungdahl途径基因和蛋白质的核序列和氨基酸序列上仍存在差异(《生物技术近期述评(curropinbiotechnol)》,22:320-325,2011)。

因此,总的来说,自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌的多种特征并不对所述物种具有特异性,但是梭菌属的c1固定型、厌氧型、产乙酸型、产乙醇型和一氧化碳营养型成员的这一簇的一般特征却对所述物种具有特异性。然而,由于这些物种实际上是不同的,所以这些种类中的一种的基因修饰或操作在这些种类的另一种中可能不具有相同的作用。例如,可观察到生长、性能或产物生产的不同。

微生物还可以是或来源于自产乙醇梭菌、扬氏梭菌或拉氏梭菌的分离株或突变株。自产乙醇梭菌的分离株和突变体包括ja1-1(dsm10061)(abrini,《微生物学文献集》,161:345-351,1994)、lbs1560(dsm19630)(wo2009/064200)和lz1561(dsm23693)。扬氏梭菌的分离株和突变体包括atcc49587(tanner,《国际系统细菌学杂志(intjsystbacteriol)》,43:232-236,1993)、petct(dsm13528,atcc55383)、eri-2(atcc55380)(us5,593,886)、c-01(atcc55988)(us6,368,819)、o-52(atcc55989)(us6,368,819)和ota-1(tirado-acevedo,《使用扬氏梭菌由合成气体产生生物乙醇(productionofbioethanolfromsynthesisgasusingclostridiumljungdahlii)》,博士论文,北卡罗莱纳州立大学(northcarolinastateuniversity),2010)。拉氏梭菌的分离株和突变体包括pi1(atccbaa-622、atccpta-7826)(wo2008/028055)。

术语“来源于”是指从不同(例如亲代或野生型)微生物修饰或改造以便产生新型微生物的微生物。此类修饰或改造通常包括核酸或基因的插入、缺失、突变或取代。

“底物”是指微生物的碳和/或能量来源。通常,底物是气态的,且包含c1碳源,例如,co或co2。优选地,底物包含co或co+co2的c1碳源。底物还可包含其它非碳组分,如h2、n2或电子。

底物通常包含至少一定量的co,如约1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100mol%co。底物可包含一定范围的co,如约20-80、30-70或40-60mol%co。优选地,底物包含约40-70mol%co(例如,钢厂或高炉气)、约20-30mol%co(例如,碱性氧气炉气)或约15-45mol%co(例如,合成气)。在一些实施例中,底物可包含相对较低量的co,如约1-10或1-20mol%co。微生物通常将co中的至少一部分和/或底物中的转化为产物。在一些实施例中,底物不包含co或实质上不包含co。

底物可包含一定量的h2。例如,底物可包含约1、2、5、10、15、20或30mol%h2。在一些实施例中,底物可包含相对较高量的h2,如约60、70、80或90mol%h2。在其它实施例中,底物不包含或实质上不包含h2。

底物可包含一定量的co2。例如,底物可包含约1-80或1-30mol%co2。在一些实施例中,底物可包含小于约20、15、10或5mol%co2。在另一实施例中,底物不包含co2或实质上不包含co2。

在一些实施例中,底物不包含甲烷或甲醇。

尽管底物通常是气态的,但是底物也可以替代形式提供。例如,可使用微泡分散发生器将底物溶解于用含co气体饱和的液体中。通过另一实例,底物可吸附到固体载体上。

底物和/或c1碳源可以是或可来源于以工业过程的副产物形式获得或来自一些其它来源(如来自汽车废气或生物质气化)的废气或排气。在某些实施例中,所述工业过程选自由以下组成的群组:含铁金属产品制造(如钢厂制造)、有色金属产品制造、石油精炼过程、煤气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭生产。在这些实施例中,底物和/或c1碳源可在其散发到大气中之前使用任何适宜方法从工业过程中捕获。

底物和/或c1碳源可以是或可来源于合成气,如通过煤炭或精炼残留物的气化、生物质或木质纤维素材料的气化或天然气的重整获得的合成气。在另一实施例中,合成气可通过城市固体废弃物或工业固体废弃物的气化获得。

关于底物和/或c1碳源,术语“来源于”是指底物和/或c1碳源在某种程度上经修饰或掺合。例如,底物和/或c1碳源可经处理以添加或去除特定组分或可与其它底物和/或c1碳源的料流掺合。

底物的组成可能对反应的效率和/或成本有显著影响。例如,氧气(o2)的存在可能会降低厌氧发酵过程的效率。取决于底物的组成,可能需要处理、清洗或过滤所述底物以去除任何不期望的杂质(如毒素、不期望的组分或灰尘颗粒)和/或增加期望组分的浓度。

通常,在生物反应器中进行培养。术语“生物反应器”包括由一个或多个容器、塔或管道布置组成的培养/发酵装置,如连续搅拌槽反应器(cstr)、固定化细胞反应器(icr)、滴流床反应器(tbr)、鼓泡塔、气升式发酵罐、静态混合器或适于气-液接触的其它容器或其它装置。在一些实施例中,生物反应器可包含第一生长反应器和第二培养/发酵反应器。可向这些反应器中的一个或两个提供底物。如本文所使用,术语“培养”和“发酵”可互换使用。这些术语涵盖培养/发酵过程的生长期和产物生物合成期。

通常在含有足以允许微生物生长的营养物、维生素和/或矿物质的水性培养基中维持培养。优选地,水性培养基是厌氧微生物生长培养基,如基本厌氧微生物生长培养基。合适的培养基是所属领域众所周知的。

培养/发酵应理想地在生产目标产物的适当条件下进行。考虑的反应条件包括压力(或分压)、温度、气体流速、液体流速、培养基ph、培养基氧化还原电势、搅拌速率(如果使用连续搅拌槽反应器)、接种物水平、确保液相中的气体不会变成限制因素的最大气体底物浓度和避免产物抑制的最大产物浓度。确切地说,可控制底物的引入速率来确保处于液相的气体的浓度不会变成限制因素,因为在气体限制的条件下培养物可能会消耗产物。

本文中,微生物生物质自身被认为是目标产物。然而,微生物还产生一种或多种其它有价值的产物。例如,自产乙醇梭菌产生以下各物或可以工程化后产生以下各物:乙醇(wo2007/117157)、乙酸盐(wo2007/117157)、丁醇(wo2008/115080和wo2012/053905)、丁酸盐(wo2008/115080)、2,3-丁二醇(wo2009/151342)、乳酸盐(wo2011/112103)、丁烯(wo2012/024522)、丁二烯(wo2012/024522)、甲基乙基酮(2-丁酮)(wo2012/024522和wo2013/185123)、乙烯(wo2012/026833)、丙酮(wo2012/115527)、异丙醇(wo2012/115527)、脂质(wo2013/036147)、3-羟基丙酸(3-hp)(wo2013/180581)、异戊二烯(wo2013/180584)、脂肪酸(wo2013/191567)、2-丁醇(wo2013/185123)、1,2-丙二醇(wo2014/0369152)以及1-丙醇(wo2014/0369152)。

在高压下操作生物反应器允许增加从气相到液相的气体传质速率。因此,在高于大气压的压力下进行培养/发酵通常是优选的。此外,因为给定气体转化率在某种程度上随底物滞留时间而变并且滞留时间指示生物反应器的所需体积,所以使用加压系统可大大减小所需生物反应器的体积,并且因此降低培养/发酵设备的资金成本。这又意味着当在高压而不是大气压下维持生物反应器时,能够缩短保留时间,保留时间被定义为是生物反应器中的液体体积除以输入气体流速。最佳反应条件将部分取决于使用的特定微生物。此外,由于给定气体转化速率在某种程度上随底物保留时间而变,并且获得所需保留时间又指示生物反应器的所需体积,所以使用加压系统可以大大减小所需生物反应器的体积,并且因此降低发酵设备的资金成本。

可在将微生物生物质的生产最大化的发酵条件下进行微生物的培养。所述方法还可包含在将微生物生物质的生产最大化或微生物生物质的选择的发酵条件下培养微生物。将生物质的选择性最大化要求在最大特定生长速率或最大微生物稀释率下操作。然而,在高微生物稀释率下操作还减小培养物中妨碍分离的细胞浓度。此外,细胞浓度是高反应器生产率的关键要求。应靶向>1/天的特定生长速率或微生物稀释速率,其中2/天的速率更接近最佳值。

在双反应器系统中,通过在第一反应器和第二反应器两个中具有高生物质生产速率来将生物质生产速率最大化。此可以通过在第二反应器中具有以下两种中的任一种来实现:(1)较低细胞存活率或(2)快速特定生长速率。较低细胞存活率可从高产物滴度的毒性实现且可能是非所需的。快速特定生长速率可通过操作相较于第一反应器的第二反应器中的微生物稀释速率的甚至更高的值实现。

此关系通过下式获得:μ2=dw2-dw1*(x1/x2)*(v1/v2),其中μ2是将需要最大化以增加生物质的选择性的双反应器系统中第二反应器中的特定生长速率,dw2和dw1分别是双反应器系统中第二反应器和第一反应器中的微生物稀释速率,x2和x1分别是双反应器系统中第二反应器和第一反应器中的生物质滴度,且v2和v1分别是双反应器系统中第二反应器和第一反应器中的反应器容积。

根据此等式,为将第二反应器中生物质的选择性最大化,将需要增加第二反应器中的微生物稀释率dw2以实现特定生长速率μ2,所述特定生长速率在第二反应器中>0.5/天,理想地靶向1-2/天。

可使用所属领域中已知的任何方法或方法组合从发酵液分离或纯化产物,所述方法包括例如分级蒸馏、蒸发、渗透蒸发、气提、相分离和提取发酵(包括例如液-液提取)。在一些实施例中,通过从生物反应器连续去除一部分发酵液,将微生物细胞与发酵液分离(宜通过过滤),且从发酵液回收一种或多种目标产物来从发酵液回收产物。可例如通过蒸馏回收醇和/或丙酮。可例如通过吸附于活性炭来回收酸。去除产物之后剩余的无细胞渗透物同样优选返回到生物反应器。附加营养物(如维生素b)可添加到无细胞渗透物中以补给培养基,然后使其返回到生物反应器中。

实例

以下实例还说明了本发明,但当然不应以任何方式将以下实例理解为限制本发明的范围。

实例1

此实例描述自产乙醇梭菌dsm23693微生物生物质的组成。

实例2

本实例描述培养自产乙醇梭菌和扬氏梭菌的通用方法。此类方法在所属领域中是众所周知的。

自产乙醇梭菌dsm10061和dsm23693(dsm10061的衍生物)和扬氏梭菌dsm13528来源于dsmz(德国微生物和细胞培养物保藏中心(thegermancollectionofmicroorganismsandcellcultures),inhoffenstraβe7b,38124布伦瑞克,德国(braunschweig,germany))。

使用标准厌氧技术,使菌株在37℃下在ph5.6的petc培养基中生长(hungate,《微生物学方法(methodsmicrobiol)》,3b:117-132,1969;wolfe,《微生物生理学进展(advmicrobiolphysiol)》,6:107-146,1971)。在顶部空间使用果糖(异养生长)或30psi含co的钢铁厂气体(从新西兰格兰布鲁克(glenbrook,nz)的新西兰钢铁(newzealandsteel)现场收集;组成:44%co、32%n2、22%co2、2%h2)(自养生长)用作底物。对于固体培养基,添加1.2%细菌琼脂(bd,美国新泽西州富兰克林湖07417(franktonlakes,nj07417,usa))。

本文引用的所有参考文献,包括出版物、专利申请和专利特此以引用的方式并入本文中,其程度与每篇参考文献被单独并且具体地指明以通过引用并入并且在本文中全文阐述一样。本说明书中对任何现有技术的引用不是,也不应被视为承认现有技术形成任何国家所致力的领域中的公知常识的一部分。

在描述本发明的上下文中(尤其在随附权利要求书的上下文中)使用术语“一个/种(a/an)”和“所述”以及类似的提及物应解释为涵盖单数和复数,除非本文中另外指明或与上下文明显相矛盾。除非另外指出,否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应解释为开放式术语(即意指“包括但不限于”)。除非在本文中另外指示,否则对本文中值范围的叙述仅意图充当个别提及属于所述范围的每一单独值的速记方法,且每一单独值并入本说明书中,如同在本文中个别地叙述一般。除非在本文另外指示或以其它方式与上下文明显相矛盾,否则本文所描述的所有方法可以按任何合适的顺序进行。除非另外要求,否则使用的任何和所有实例,或本文所提供的示例性语言(例如“如”)仅意图更好地说明本发明且并不对本发明的范围造成限制。本说明书中的任何语言都不应被解释为指示实践本发明所必需的任何未要求的要素。

本发明的优选实施例描述于本文中。那些优选实施例的变化形式在所属领域普通技术人员阅读了以上描述之后将变得显而易见。发明人期望熟练的技术人员视需要采用这样的变化,并且发明人希望本发明以不同于本文具体描述的其它方式来实施。因此,本发明包括适用法律允许的所附权利要求书中所叙述主题的所有修改和等效物。此外,除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾,否则本发明涵盖上述要素在其所有可能变化中的任何组合。

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