用于在微生物发酵中控制代谢物产生的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及用于控制微生物发酵的一种或多种产物的产生的方法。具体来 说，本发明涉及用于控制向微生物培养物提供的二氧化碳的量的方法。在具体实施方案中， 通过控制向培养物提供的溶解的C02的量来控制发酵过程的代谢谱。
【背景技术】
[0002] 乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液体运输燃料。在2002年，在世界范围内，乙 醇的消耗量估计有108亿加仑。由于欧洲、日本、美国以及一些发展中国家对乙醇的关注增 加，燃料乙醇工业的全球市场也已经被预测在未来会急剧增长。
[0003] 举例来说，在美国，使用乙醇生产E10,即10%乙醇在汽油中的混合物。在E10共混 物中，乙醇组分充当氧合剂，从而提高燃烧效率并且减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇 满足了约30%的运输燃料需求，作为在汽油中共混的氧合剂或独立作为纯燃料这两者。并 且，在欧洲，围绕温室气体（GHG)排放的后果的环境问题已经促使欧盟（EuropeanUnion， EU)为成员国设立有关诸如生物质衍生的乙醇之类的可持续运输燃料消耗量的强制目标。
[0004] 绝大多数的燃料乙醇是经由传统的基于酵母的发酵工艺生产的，这些发酵工艺使 用作物衍生的碳水化合物，如从甘蔗提取的蔗糖或从粮食作物提取的淀粉，作为主要的碳 源。然而，这些碳水化合物原料的成本会受到它们作为人类食物或动物饲料的价值所影响， 而用于生产乙醇的产生淀粉或蔗糖的作物的种植并非在所有地区均是经济上可持续的。因 此，所关注的是，研发使更低的成本和/或更丰富的碳资源转换成燃料乙醇的技术。
[0005]C0是诸如煤或石油和石油衍生产品之类的有机材料不完全燃烧的主要富含自 由能的副产物。举例来说，据报道，澳大利亚的钢铁工业每年产生并且向大气中释放超过 500, 000 吨的C0。
[0006] 长期以来已经认识到的是，可以使用催化工艺来使主要由C0和/或C0和氢气 (H2)组成的气体转化成多种燃料和化学品。然而，还可以使用微生物来使这些气体转化成 燃料和化学品。这些生物过程尽管一般比化学反应要慢，但是与催化工艺相比具有若干优 势，包括更高的特异性、更高的收率、更低的能量成本以及更大的抗毒性。
[0007] 微生物依靠C0作为它们唯一的碳源生长的能力最初是在1903年被发现的。这随 后被确定为利用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生化途径（也被称为伍兹-扬达尔途径 (Woods-Ljungdahlpathway)和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶（C0DH/ACS)途径）的生 物体的特性。包括一氧化碳营养型生物体、光合生物体、产甲烷型生物体以及产乙酸型生物 体在内的很多厌氧生物体已经被证实将C0代谢成各种最终产物，即C02、H2、甲烷、正丁醇、 乙酸盐以及乙醇。虽然使用C0作为唯一的碳源，但是所有这些生物体均产生这些最终产物 中的至少两种。
[0008] 厌氧细菌，如来自梭菌属（Clostridium)的那些厌氧细菌已经被证实经由乙 酰辅酶A生化途径由C0、C02以及112产生乙醇。举例来说，由气体产生乙醇的杨氏梭菌 (Clostridiumljungdahlii)的各种菌株描述于W0 00/68407、EP117309、美国专利号 5, 173, 429、5, 593, 886和6, 368, 819、W0 98/00558 以及WO02/08438 中。细菌产乙醇梭菌菌 种（Clostridiumautoethanogenumsp)也已知会由气体产生乙醇（Abrini等人，Archives ofMicrobiology161，第 345-351 页（1994))。
[0009] 然而，微生物通过气体发酵的乙醇产生始终与乙酸盐和/或乙酸的共同产生相 关。由于一些可利用碳被转化成乙酸盐/乙酸而非乙醇，因此使用这类发酵工艺的乙醇生 产效率可能小于理想的生产效率。而且，除非乙酸盐/乙酸副产物可以用于一些其它目的， 否则它可能会引起废物处理问题。乙酸盐/乙酸由微生物转化成甲烷并且因此有可能导致 温室气体排放。
[0010] 在本领域中已经认识到控制用于发酵的生物反应器内用于培养细菌或微生物的 液体营养培养基的参数的重要性。2007年7月18日提交并且以引用的方式并入本文的NZ 556615特别描述了对这种液体营养培养基的pH值和氧化还原电位的调控。举例来说，在厌 氧产乙酸型细菌的培养中，通过将培养物的pH值提高到高于约5. 7,同时将培养物的氧化 还原电位维持在低水平（_400mV或以下），所述细菌以比在更低的pH值条件下高得多的速 率将作为发酵副产物而产生的乙酸盐转化成乙醇。NZ556615还认识到可以使用不同的pH 值水平和氧化还原电位以根据细菌所发挥的主要作用（即生长、由乙酸盐和气体含C0基质 产生乙醇、或由气体含C0基质产生乙醇）来优化条件。
[0011]US7, 078, 201和W0 02/08438也描述了通过改变当中进行发酵的液体营养培养 基的条件（例如pH值和氧化还原电位）来改进用于生产乙醇的发酵工艺。
[0012] 可以通过将一种或多种pH值调节剂或缓冲剂添加到培养基中来调节液体营养培 养基的pH值。举例来说，可以使用诸如NaOH等碱和诸如硫酸等酸来根据需要升高或降低 pH值。可以通过添加一种或多种还原剂（例如甲基紫精）或氧化剂来调节氧化还原电位。 或者，可以通过向发酵提供过量的气体基质以使得微生物被"过度供给"气体来调节培养基 的pH值。
[0013] 可以使用类似的工艺来生产其它醇，如丁醇，如将对本领域技术人员来说显而易 见的那样。
[0014] 本发明的目的在于提供一种系统和/或方法，所述系统和/或方法至少在某种程 度上有助于克服上述缺点或至少向公众提供一种有用的选择。
【发明内容】
[0015] 在本发明的第一个方面，提供了一种用于控制包含至少一种一氧化碳营养型产乙 酸型微生物的发酵培养物的代谢谱的方法，所述方法包括：
[0016]a.使包含C0和C02的气体基质流到包含所述微生物在液体营养培养基中的培养 物的生物反应器中；以及
[0017] b.调节溶解在所述培养物中的C02的量以使得所述培养物的代谢发生改变。
[0018] 在一个实施方案中，通过控制C02向所述生物反应器的流动来调节溶解在所述液 体营养培养基中的C02的量。在一个实施方案中，提高溶解在所述液体营养培养基中的C0 2 的量使所述微生物的代谢发生改变以使得衍生自丙酮酸盐的一种或多种产物的产生增加。 在一个实施方案中，减少溶解在所述液体营养培养基中的C02的量使所述微生物的代谢发 生改变以使得衍生自丙酮酸盐的一种或多种产物的产生减少。
[0019] 在一个实施方案中，所述衍生自丙酮酸盐的一种或多种产物选自由以下各项组成 的组：2, 3-丁二醇（2, 3-BD0)、乳酸盐、丁二酸盐、甲基乙基酮（MEK)、2_ 丁醇、丙二醇、2-丙 醇、异丙醇、乙偶姻、异丁醇、柠檬酸苹果酸盐（citramalate)、丁二烯、以及聚乳酸（PLA)。
[0020] 在一个实施方案中，在约250kPag至约450kPag(或大于500kPag)的压力下进行 发酵，以使得溶解在所述液体营养培养基中的co2的浓度增加。在某些实施方案中，所述压 力大于250kPag、或大于300kPag、或大于350kPag、或大于400kPag、或大于450kPag、或大于 500kPag〇
[0021 ] 在一个替代性实施方案中，使所述反应器中的压力降低或减到最低以与衍生自丙 酮酸盐的一种或多种产物相比，促进衍生自乙酰辅酶A的一种或多种产物的产生。在某些 实施方案中，所述生物反应器中的压力是约大气压至约200kPag或维持在低于200kPag、或 小于150kPag、或小于lOOkPag、或小于50kPag、或大气压。
[0022] 在一个实施方案中，使C02分压升高以增加溶解在所述液体营养培养基中的0)2的 量。
[0023] 在一个实施方案中，通过增加向发酵提供的气体基质中C02的量来增加溶解在所 述液体营养培养基中的C02的量。在一个实施方案中，向生物反应器中提供的基质中C0 2的 浓度是至少10%、或至少15%、或至少18%、或至少20%、或至少25%、或至少30%、或至 少35 %、或至少40 %、或至少45 %。在某些实施方案中，向所述生物反应器中提供的基质中 〇)2的浓度是15 %至65%、或约20 %至约50%、或约25 %至约45%。在其中向发酵施加压 力的实施方案中，所述发酵所需的〇32的量减少。在大于约50kPag的压力存在下，基质流中 所提供的〇)2的量显著少于在大气压下提供时的量。在具体实施方案中，在大于约50kPag 的压力下供给时，向所述生物反应器中提供的基质中C02的浓度是约1 %至约50%。
[0024] 在本发明的第二个方面，提供了一种用于提高衍生自丙酮酸盐的至少一种产物的 产生的方法，所述方法包括：
[0025] a.使包含C0和C02的基质流到包含至少一种一氧化碳营养型产乙酸型微生物在 液体营养培养基中的培养物的生物反应器中；以及
[0026] b.调节流到所述生物反应器中的0)2的量以使得在所述液体营养培养基中所提供 的溶解的C02的量增加。
[0027] 在本发明的第三个方面，提供了一种用于控制丙酮酸盐衍生产物与乙酰辅酶A衍 生产物的比率的方法，所述方法包括：
[0028] a.使包含C0和C02的基质流到包含至少一种一氧化碳营养型产乙酸型微生物在 液体营养培养基中的培养物的生物反应器中；以及
[0029] b.调节二氧化碳向所述生物反应器的流动以使得溶解在所述液体营养培养基中 的〇32的量从而控制丙酮酸盐衍生产物与乙酰辅酶A衍生产物的比率。
[0030] 在本发明的一个实施方案中，使溶解在所述液体营养培养基中的C02的量增加会 通过增加丙酮酸盐衍生产物的产生而提高丙酮酸盐衍生产物与乙酰辅酶A衍生产物的比 率。在一个实施方案中，使所述液体营养培养基中溶解的C02的量减少会通过减少丙酮酸 盐衍生产物的产生而降低丙酮酸盐衍生产物与乙酰辅酶A衍生产物的比率。
[0031] 在第四个方面，提供了一种用于控制包含至少一种一氧化碳营养型产乙酸型微生 物的发酵培养物的代谢谱的方法，所述方法包括：
[0032] 使包含C0和C02的气体基质流到包含所述微生物在液体营养培养基中的培养物 的生物反应器中；
[0033] 监测离开所述生物反应器的排出流中0)2的浓度；以及
[0034]调节溶解在所述液体营养培养基中的0)2的量以使得所述培养物的代谢得到控 制。
[0035] 在第五个方面，提供了一种用于提高一种或多种产物的产生的方法，所述方法包 括：
[0036]向容纳一种或多种微生物在液体营养培养基中的培养物的生物反应器中提供包 含C0的基质；以及
[0037] 使所述基质发酵以产生一种或多种液体产物和C02。
[0038] 在一个实施方案中，对一种或多种发酵条件进行调节以增加由所述培养物所消耗 的C0的量和由所述培养物产生的C02的量。在一个实施方案中，通过改变发酵中的质量传 递来增加由所述培养物所消耗的C0的量。在一个实施方案中，通过提高所述气体基质向所 述生物反应器中的流动速率来增加由所述培养物所消耗的C0的量。在一个实施方案中，通 过提高所述生物反应器中所述液体营养培养基的搅拌速率来增加由所述培养物所消耗的 C0的量。在一个实施方案中，通过增加气泡表面积来增加由所述培养物所消耗的C0的量。
[0039] 在一个实施方案中，增加由所述微生物培养物所消耗的C0的量增加了离开所述 生物反应器的出口流中C02的量。在一个实施方案中，所述出口流中C02的量是至少30%、 或至少35 %、或至少40 %、或至少45 %、或至少50 %。
[0040] 在第六个方面，提供了一种用于增加包含至少一种微生物的培养物的液体营养培 养基中溶解的co2的量的方法，所述方法包括：
[0041] 将包含C0的进料气流和液体营养培养基引入到至少一个生物反应器中以形成发 酵液，所述生物反应器还包括用于使所述发酵液的一部分从靠近所述生物反应器的顶部的 点循环到靠近所述生物反应器的底部的点的下降管；
[0042] 使所述C0在所述生物反应器中发酵成液体产物和包含0)2的气体排出流；
[0043]c.将所述气体排出流的至少一部分通到所述生物反应器的下降管或第二生物反 应器中，所述下降管是位于靠近所述生物反应器的顶部处的气体排出流的来源；以及
[0044]d.将所述气体排出流和所述液体营养培养基沿着所述下降管混合以形成气液混 合物，从而提高所述气液混合物上的流体静压，以使得来自所述排出气流的C02在所述下降 管的底部部分处溶解到所述液体营养培养基中。
[0045] 在一个具体的实施方案中，将来自第一生物反应器的排出气流通到第二生物反应 器的下降管中。在另一个实施方案中，使来自第一生物反应器的排出气流再循环到第一生 物反应器的下降管中。或者，将来自第一生物反应器的排出气流通到第一生物反应器或第 二生物反应器的气体入口中。此外，第二反应器的进料流可以是