用于封存二氧化碳和发酵生产有机化合物的方法
【专利说明】用于封存二氧化碳和发酵生产有机化合物的方法 发明领域
[0001] 本发明涉及使用厌氧微生物的生物学组分，特别是厌氧细菌的培养物或酶，作为 用于通过与合适的有机底物反应来捕获并封存二氧化碳的剂。从该反应得到的产物是可用 作产业例如食品产业、生物医药产业、化妆品产业以及畜牧产业中的原材料的有机分子。 现有技术
[0002] 科学界当前的共识是C02的大气浓度将以与化石燃料的消耗成正比的方式持续增 加，对全球气候影响显著。明显地，将来最佳的情形需要过渡到可再生能源，但是，可替代地 或作为临时策略，封存或减少被视为减轻温室效应引起的气候变化的风险的主要目的。
[0003] 因此，本发明的目的是提供一种用于减少二氧化碳的方法。
[0004] 发明概述
[0005] 上文所提到的目的已通过能够捕获二氧化碳并将其转化为可用作产业原材料的 有机化合物的方法实现。因此，本发明涉及一种用于产生至少一种式（I)的有机化合物的 方法：
[0006]
[0007] 其中
[0008] R是H或碱金属，
[0009] 1^是-H、_0H、-〇_ 烷基、-〇-C〇-烷基、-NH2、= 0、-NH-C0-烷基、-NH-烧 基、-SH、-S-烷基，其中烷基是直链或支链的C1-C3，
[0010] 私是-H、-〇H、-NH2，直链或支链的C1-C6烷基，或被至少一个-0H基团或_順2基团 取代的直链或支链的C1-C6烷基，
[0011] 条件是札和R2不同时是-H，并且
[0012] 如果札是=0,R2则不存在，
[0013] 所述方法包括步骤：
[0014] i)提供分类学为栖热袍菌目（Thermotogales)的至少一种细菌，所述至少一种细 菌包括丙酮酸：铁氧还蛋白氧化还原酶（PF0R)、铁氧还蛋白、乙酰-辅酶A合成酶，以及辅 酶A;
[0015] ii)添加有机底物；
[0016] iii)添加C02;
[0017] iv)使所得到的混合物在厌氧条件下反应至少6小时；以及
[0018] v)分离如此获得的至少一种式（I)的有机化合物。
[0019] 根据另一方面，本发明涉及一种用于实施所述方法的设备，所述设备包括：
[0020] -至少一个反应器，所述至少一个反应器配备有用于供给C02的入口、用于供给有 机底物的入口、用于收集反应产物的出口，以及用于收集气体的出口；
[0021] _至少一个装置，所述至少一个装置用于分离反应产物；以及
[0022] _至少一个容器，所述至少一个容器用于收集所分离的至少一种式（I)的有机化 合物。
[0023] 在本发明中，当使用下列术语时：
[0024] _ "有机底物"，意思是一种或更多种化合物，优选地甲酸或其盐、乙酸或其盐、丙酸 及其盐、丁酸或其盐，所述一种或更多种化合物以纯的形式，或作为简单的有机基质，例如 单糖、二糖、多糖、蛋白质的原位代谢产物，或作为复杂的有机基质例如食品加工产业、农业 的副产物或废料的原位代谢产物，或藻类生物质的原位代谢产物；以及
[0025] _ "C02"或"二氧化碳"，意思是所述组分可以是气体形式、纯的或与其他气体混合， 或是无机盐形式、固体形式或在溶液中，或在能够释放它的有机基质中。
[0026] 附图简述
[0027] 从下面的详细描述以及为说明性而非限制性目的提供的工作实施例和所附的附 图中，本发明的特性和优势将是明显的，其中：
[0028]-图1示出了四聚体蛋白PF0R的序列表；
[0029]-图2示出了在细菌那不勒斯栖热袍菌（T.neapolitana)中葡萄糖在C02存在下 遵循的代谢途径；
[0030]-图3示出了（a)在细菌那不勒斯栖热袍菌中葡萄糖在C02存在下遵循的代谢途 径，以及（b)对应的沿着所述途径发生的封存[13C]-C02反应；加粗线=两个配对的碳之间 的键；
[0031]-图4示出了在标准条件下生长并被以有规律的间隔供给N2 (TnN)或C02 (TnC)的 那不勒斯栖热袍菌培养物中的PF0R酶的表达的免疫印迹试验（WesternBlottest)的凝 胶SDS-PAGE(10% );
[0032]-图5a示出了在25mM葡萄糖存在下并被供给队或C02的那不勒斯栖热袍菌的培 养物的葡萄糖消耗率；
[0033]-图5b示出了在25mM葡萄糖存在下并被供给N2 (TnN)或C02 (TnC)的那不勒斯栖 热袍菌的培养物在24小时后和48小时后的氢气（H2)产量；
[0034]-图5c示出了在25mM葡萄糖存在下并被供给N2 (TnN)或C02 (TnC)的那不勒斯栖 热袍菌的培养物在24小时后和48小时后的乙酸和乳酸产量；
[0035]-图5d示出了在25mM葡萄糖存在下并被供给14mMN2 (TnN)、C02 (TnC)或 N2 (TnN)+NaHC〇d^那不勒斯栖热袍菌培养物的按照产物摩尔/葡萄糖摩尔比表示的以下产 物的产量：乙酸、乳酸和氢气；
[0036]-图6示出了本发明的设备的实施方案的示意图；1=用于与二氧化碳反应的底物 的供给入口；2 =气体或在溶液中的二氧化碳的供给入口；3 =氢气出口；4 =反应器；5 = 产物出口；
[0037]-图7示出了被供给130)2或NaH13C03后那不勒斯栖热袍菌的培养基的13C_NMR谱。 (a)供给13C02(TnC) ; (b)供给14mMNaH13aVFPN2; (c)对照。* =被标记的碳；加粗线=两 个配对的碳之间的键；以及
[0038]-图8示出了被供给14mMNaH13C0#P不同的有机底物后那不勒斯栖热袍菌的培 养基的13C-NMR谱。在伴随吹入队的标准条件下进行培养。波谱放大指示了配对的13C碳。 (a) 28mM2-13C葡萄糖和 14mMNaH13C03; (b) 14mM2-13C丙酮酸钠和 14mMNaH13C03; (c) 14mM 1-13C乙酸钠和 14mMNaH13C03; (d)对照（28mM葡萄糖和 14mMNaH13C03)。
[0039]-图9示出了保持在氮气或二氧化碳气氛中的那不勒斯栖热袍菌（Thermotoga neapolitana)的培养物中乳酸的合成。根据称为暗发酵（DarkFermentation)的机制，葡 萄糖代谢导致理论上四摩尔氢气和二摩尔乙酸（黑色箭头）的合成。反应器中二氧化碳的 增加导致乙酸盐/酯（acetate)的再循环和随之发生的乳酸的合成（红色箭头）。
[0040] 发明详述
[0041] 因此，本发明涉及一种用于生产至少一种式（I)的有机化合物的方法：
[0042]
[0043] 其中
[0044] R是H或碱金属，
[0045] &是-H、_0H、-〇_ 烷基、-〇-C〇-烷基、-NH2、= 0、-NH-C0-烷基、-NH-烧 基、-SH、-S-烷基，其中烷基是直链或支链的C1-C3，
[0046] 私是-H、-〇H、-NH2、直链或支链的C1-C6烷基，或被至少一个-0H基团或_順2基团 取代的直链或支链的C1-C6烷基，
[0047] 条件是RjPIR2不同时是-H，并且
[0048] 如果&是=0,R2则不存在，
[0049] 所述方法包括步骤：
[0050] i)提供分类学为栖热袍菌目的至少一种细菌，所述至少一种细菌包含丙酮酸：铁 氧还蛋白氧化还原酶（PF0R)、铁氧还蛋白、乙酰-辅酶A合成酶，以及辅酶A;
[0051] ii)添加有机底物；
[0052]iii)添加C02;
[0053] iv)使所得的混合物在厌氧条件下反应至少6小时；以及
[0054]v)分离如此获得的至少一种式（I)的有机化合物。
[0055] 出人意料地发现，分类学为栖热袍菌目的、嗜热的且异养的所述至少一种细菌的 细胞用作能够通过不需要将〇) 2固定在细胞生物质中的直接的方法催化有机底物和二氧化 碳之间的反应以生产具有低分子量的式（I)的有机化合物、特别是乳酸的微-反应器。实 际上，为了所有意图和目的，C02被捕获并用作具有式（I)的化合物的合成中的还原剂，而不 进入例如自养细菌的典型的细胞生长机制。
[0056] 优选地，所述分类学为栖热袍菌目的至少一种细菌是栖热袍菌属（Thermotoga)的 细菌，例如那不勒斯栖热袍菌，T.naphtophila、T.petrophila、海栖热袍菌（T.maritima)、T subterranea、T.elfii、T.lettingae、T.thermarum或栖热腔菌属（Thermosipho)的细菌， 例如T.geodei、T.melanesiensis、T.japonicus、非洲栖热腔菌（T.africanus) 〇
[0057] 这些细菌能够通过碳水化合物的厌氧和非-光合作用的发酵（暗发酵）产生氢 气。特别地，如将在下面的实施例中所看出的，观察到H2的产生十分接近于进入糖酵解过程 的每分子葡萄糖4分子氏的理论值。总的氢气产量相当于每千克葡萄糖大约0. 25-0. 50m3 氢气。氢气的发酵合成与每个葡萄糖分子释放二分子乙酸和二分子二氧化碳相关联。
[0058] 在一个优选的实施方式中，所述分类学为栖热袍菌目的至少一种细菌是那不勒斯 栖热袍菌菌种，那不勒斯栖热袍菌（T.neapolitana)可分离自海洋的海水资源。
[0059] 优选地，细菌栖热袍菌被提供在水性介质中，例如海水或富含矿物盐、维生素和相 似营养成分的水中。
[0060] 根据特别优选的实施方案，所述PF0R是具有登录号NCBIYP_002534223. 1(SEQ IDN0.1)、YP_002534222.1(SEQIDN0.2)、YP_002534225.1(SEQIDN0.3)、 YP_002534224. 1(SEQIDNO. 4)的四聚体蛋白并且其由细菌那不勒斯栖热袍菌的porBACD 基因簇编码（图1):
[0061] 亚基porA(SEQIDNO. 1) :YP_002534223. 1
[0062] MKMERVVERVAVTGAEAVANAMRQIEPDVVAAYPITPQTPIVEYFARFVADGIVKTEMIPVESEHSAMS AWGAAAAGARAMTATSANGLALMHEIVYIAASYRLPIVMPWNRALSGPINIHCDHSDAMAERDSGWIQLFAETNQ EAYDFTILAVRLAEHSDVRLPVMVNLDGFILSHGVEPVEFYPDDLVKKFVGELKPMYPLLGTEHPVTWGPLDLYDYY FEHKRQQIEAMENVKKVFPEIAKEFEETFGRKYWFVEPYKLDDAEHVMVALGSTNSTIKYVVDELREEGHKVGALKI WMFRPFPKEQLQELLNGRKSVIVLDRAVSFGAEAPLYEAVKSSLYEVAARPSLGS