使含co气态底物发酵的方法
【专利说明】使含CO气态底物发醒的方法
[0001] 提供了使含CO气态底物发酵的方法。更具体地说，所述方法包括使含CO气态底物 发酵W获得目标细胞密度和目标CO进料速率，然后周期性地降低和提高CO进料速率。所 述方法有效用于保持发酵中的溶解CO浓度为约0. 25mM或更少。
[000引背景 产乙酸微生物可由一氧化碳（CO)通过气态底物的发酵产生醇。使用来自梭菌属 (C7口S皆i扣的厌氧微生物的发酵产生乙醇和其它有用的产物。例如，美国专利号 5, 173, 429描述了杨氏梭菌（CZo別ri扣U曲7成打沪ZaWii)ATCC号49587,由合成气产生 醇和乙酸盐的厌氧微生物。美国专利号5,807,722描述了使用杨氏梭菌（Cio別rit/iu曲 ATCC号55380将废气转化为有机酸和醇的方法和设备。美国专利号 6, 136, 577描述了使用杨氏梭菌（CZo別ri扣U曲7成打沪ZaWii)ATCC号55988和55989将废 气转化率为乙醇的方法和设备。
[0003] 由一氧化碳生产乙醇的方法包括在随时间提高的CO量下培氧产乙酸菌。在发酵 中高或低水平的CO可导致更低的生产率。当通往发酵器的CO进料速率提高时，在发酵介 质中溶解的CO浓度可提高。在发酵介质中溶解的CO浓度的提高可导致CO抑制和降低的 生产率水平。
[0004] 概述 在含CO底物发酵期间提供高的乙醇生产率水平的方法。该方法控制CO底物进料速率 和细胞密度W避免培养基扰动和CO抑制。
[0005] 使含CO底物发酵的方法包括将含CO底物提供至发酵器W获得目标CO进料速率， 并将CO进料速率保持在目标CO进料速率的约7个标准偏差内。CO进料速率有效用于保持 约0. 25mM或更少的发酵中的溶解CO浓度和IOg总醇/ (L?天）或更高的STY。在一方面， 所述方法包括使CO进料速率在目标CO进料速率和距离目标CO进料速率约7个标准偏差 之间循环。在另一方面，在获得目标CO进料速率之后，CO进料速率保持在目标CO进料速 率的约4-约7个标准偏差内，经过总发酵时间的至少约1%-约20%。在另一方面，在获得目 标CO进料速率之后，CO进料速率保持在目标CO进料速率的约3-约5个标准偏差内，经过 总发酵时间的至少约1%-约10%。在另一方面，在获得目标CO进料速率之后，CO进料速率 保持在目标CO进料速率的约1-约3个标准偏差内，经过总发酵时间的至少约1%-约10%。
[0006] 使含CO底物发酵的方法包括将含CO底物提供至发酵器并使含CO底物发酵W获 得目标细胞密度和目标CO进料速率。所述方法还包括将目标CO进料速率降低约35%或更 少W提供降低的CO进料速率，保持降低的CO进料速率约20分钟或更少，和将降低的CO进 料速率返回至目标CO进料速率。所述方法有效用于提供IOg总醇/ (L?天）或更高的STY。
[0007] 使含CO底物发酵的方法包括将含CO底物提供至发酵器，使含CO底物发酵W获得 目标细胞密度和目标CO进料速率；并保持约0. 25mM或更少的发酵中的溶解CO浓度。在该 方面，所述方法有效用于提供IOg醇/ (L?天）或更高的STY。在另一方面，溶解的CO浓度 通过W下保持：a)将通往发酵的目标CO进料速率降低所述目标CO进料速率的约25%-约 35%，W提供第一降低CO进料速率，并保持第一降低CO进料速率约1-约10分钟；b)提高 通往发酵的第一降低CO进料速率W提供降低目标CO进料速率的约15-约25%的第二降低CO进料速率，并保持第二降低进料速率约1-约5分钟；C)提高通往发酵的第二降低CO进 料速率W提供降低目标CO进料速率的约5%-约15%的第S降低CO进料速率，并保持第S 降低进料速率约1-约5分钟；和d)将第S降低CO进料速率提高至目标进料速率或更高。 在一方面，步骤a)至d)每小时重复至少约1次。
[0008] 在另一方面，在含CO底物发酵期间，避免CO抑制的方法包括：将含CO底物提供至 发酵器并将含CO底物与发酵介质接触和使含CO底物发酵。所述方法包括测定发酵介质中 的溶解CO浓度并在发酵中保持约0. 25mM或更少的溶解CO浓度。所述方法有效用于提供 IOg醇/^(L?天）或更高的STY。
[0009] 在另一方面，含CO底物的发酵方法包括将含CO底物提供至发酵器并使含CO底物 发酵W获得目标细胞密度和目标CO进料速率。所述方法包括保持至少约25%或更高的电 转化率。所述方法有效用于提供IOg醇/ (L?天）或更高的STY。
[0010] 在另一方面，使含CO底物发酵的方法包括将含CO底物提供至发酵器并使含CO底 物发酵W获得目标&转化率和目标CO吸收。所述方法包括监控H2转化率和CO吸收，并保 持&转化率为约25%-约95%和CO吸收为约0.OOl-约10毫摩尔/分钟/克干细胞。
[0011] 附图简述 所述方法的数个方面的W上和其它方面、特征和优点将由W下图形更显而易见。
[0012] 图IA和IB显示了通往发酵的CO循环的重复模式。
[0013] 图2说明随变化的气体流速发酵的结果。
[0014] 图3显示气体循环对&转化率的影响。
[001引图4说明在恢复气流循环之后，&转化率的恢复。
[0016] 图5显示在中试设备发酵器中气体保留时间和流速。
[0017] 图6显示在中试设备发酵器中在10%和20%气体流速变化下的气体转化率。
[001引图7说明在中试设备发酵器中的底物吸收。
[0019] 图8说明在中试设备发酵器中的产物浓度。
[0020] 图9说明在中试设备发酵器中气体循环速率对理论乙醇生产率的影响。
[0021] 图10显示了中试设备发酵器中的乙醇生产率。
[002? 详述 W下描述不应理解为限制意义，但是仅为了描述示例性实施方案的通用原理而作出。 本发明的范围应参考权利要求决定。
[0023] 如本文描述的在具有介质和产乙酸菌的生物反应器中进行的合成气发酵，有效用 于提供合成气中的CO到醇和其它产物的转化率。通过控制发酵介质中的CO进料速率和细 胞密度对发酵中CO浓度的控制有效用于提供高生产率水平。在该方面，生产率可表示为 STY(空时产率，表示为g总醇/ (L?天）。在该方面，所述方法有效用于提供至少约IOg总 醇/(L?天）的STY(空时产率）。可能的STY值包括约IOg总醇/(L?天）-约200g总醇 / (L?天），在另一方面约IOg总醇/ (L?天）-约160g总醇/ (L?天），在另一方面约IOg总 醇/ (L?天）-约120g总醇/ (L?天），在另一方面约IOg总醇/ (L?天）-约SOg总醇/ (L， 天），在另一方面约20g总醇/ (L?天）-约140g总醇/ (L?天），在另一方面约20g总醇/ (L* 天）-约100g总醇/ (L?天），在另一方面约40g总醇/ (L?天）-约140g总醇/ (L?天），和 在另一方面约40g总醇/ (L?天）-约100g总醇/ (L?天）。
[0024]定义 除非另外限定，在本公开的说明书通篇使用的W下术语如下限定并可包括如下限定定 义的单数或复数形式： 修饰作何数量的术语"约"是指现实世界条件中遇到的该量的变化，例如，在实验室、中 试设备或生产设施中。例如，用于混合物成分或测量的量或数量当用"约"修饰时包括在生 产工厂或实验室中在试验条件下通常用于测量的关注的变化和程度。例如，产物组分的量 当用"约"修饰时包括在工厂或实验室中在多个试验中的批次之间的变化，和分析方法中固 有的变化。不论是否用"约"修饰，量包括那些量的等价物。本文所述的和由"约"修饰的 任意量还可按未用"约"修饰的量用于本公开。
[00巧]术语"气态底物"用于非限制性意义，包括包含或源自一种或多种气体的底物。
[0026]术语"合成气"或"合成气"是指包含不同量的一氧化碳和氨的气体混合物的合成 气的名称。生产方法的实例包括天然气或控蒸汽重整W产生氨，煤的气化和在某些类型的 废物至能源气化设备中。名称来源于它们在产生合成天然气（SNG)并用于生产氨或甲醇中 作为中间体的用途。合成气可燃和通常用作燃料源或其它化学品生产的中间体。
[0027]术语"发酵器"包括由一个或多个容器和/或塔或管道布置组成的发酵装置，其包 括连续揽拌蓋反应器（CSTR)、固定化细胞反应器（ICR)、滴流床反应器（TBR)、移动床生物 膜反应器（MBBR)、泡罩塔、气升式发酵器、膜反应器例如中空纤维膜生物反应器（HFMBR)、 静态混合器或适合于气-液接触的其它容器或其它装置。
[0028]术语"发酵"、"发酵方法"或"发酵反应"等是指包括所述方法的生长阶段和产物 生物合成阶段两者。在一方面，发酵是指CO转化为醇。
[0029]术语"细胞密度"指每单位体积发酵液的微生物细胞质量，例如克/升。
[0030] 术语"提高效率"、"提高的效率"等，当关于发酵方法使用时，包括提高W下的一个 或多个：在发酵中微生物的增长速率、消耗每体积或质量底物（例如一氧化碳）产生的期望 产物（例如醇）的体积或质量、期望产物的生产速率或生产水平，和与其它的发酵副产物相 比期望产物的相应比例。
[0031] 如本文所用，"总醇"包括乙醇、下醇、丙醇和甲醇。在一方面，总醇可包括至少约 75重量％或更多的乙醇，在另一方面，约80重量％或更多的乙醇，在另一方面，约85重量％ 或更多的乙醇，在另一方面，约90重量％或更多的乙醇，和在另一方面，约95重量％或更多 的乙醇。在另一方面，总醇可包括约25重量％或更少的下醇。
[0032]术语"比CO吸收"指由单位质量微生物细胞（g)在每单位时间（W分钟计）内消耗 的CO的毫摩尔量，即毫摩尔/克/分钟。
[003引含CO底物 含CO底物可包括含有CO的任何气体。在该方面，含CO气体可包括合成气、工业煤气 和它们的混合物。
[0034]合成气可由任何已知的来源提供。在一方面，合成气可来自含碳物质的气化。气 化包括在氧的有限供应下生物质的部分燃烧。得到的气体主要包含CO和&。在该方面， 合成气包含至少约10摩尔％的CO,在一方面，至少约20摩尔％，在一方面，约10-约100摩 尔％，在另一方面，约20-约100摩尔％C0,在另一方面，约30-约90摩尔％C0,在另一方面， 约40-约80摩尔％C0,和在另一方面，约50-约70摩尔％C0。适合的气化方法和设备的一 些实例由W下提供：美国序列号61/516, 667、61/516, 704和61/516, 646,全部在2011年4 月6日提交，和美国序列号13/427, 144、13/427, 193和13/427, 247,全部在2012年3月22 日提交，和其全部通过引用并入本文。
[0035] 在另一方面，所述方法可应用于支持由气态底物生产醇，例如高体积含CO工业烟 道气。在一些方面，包含CO的气体衍生自含碳废物，例如，工业废气，或衍生自其它废物的 气化。因此，所述方法代表捕集碳的有效方法，否则所述碳将排入环境中。工业烟道气的实 例包括在铁类金属产品制造、非铁类金属产品制造、石油精制过程、煤的气化、生物质气化、 电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭制造期间产生的气体。
[0036] 取决于含CO底物的组成，含CO底物可直接提供至发酵过程或还可经进一步改性 W包括适当的H2:C0摩尔比。在一方面，提供至发酵器的含CO底物具有约0. 2或更多的 CO摩尔比，在另一方面，约0. 25或更多，和在另一方面，约0. 5或更多。在另一方面，提 供至发酵器的含CO底物可包括约40摩尔％或更多的C0+H2,和约30摩尔％或更少的CO, 在另一方面，约50摩尔％或更多的CO+H2,和约35摩尔％或更少的CO,和在另一方面，约80 摩尔％或更多的CO+Hz，和约20摩尔％或更少的C0。
[0037] 在一方面，含CO底物主要包含CO和&。在该方面，含CO底物包含至少约10摩 尔％C0,在一方面，至少约20摩尔％，在一方面，约10-约100摩尔％，在另一方面，约20-约 100摩尔％C〇,在另一方面，约30-约90摩尔％C0,在另一方面，约40-约80摩尔％C0,和在 另一方面，约50-约70摩尔％C0。含CO底物具有至少约0. 75,在另一方面，至少约1. 0,和 在另一方面，至少约1. 5的CO/CA比率。
[0038] 在一方面，气体分离器配置用W将气流的至少一部分基本分离，其中所述部分包 含一个或多个组分。例如，气体分离器可由包含W下组分C0、〔化、&的气流中分离出CO2， 其中CO2可通至CO2去除器和气流的剩余部分（包含CO和H2)可通至生物反应器。可利用 本领域已知的任何气体分离器。在该方面，提供至发酵器的合成气具有约10摩尔％或更少 的C〇2,在另一方面，约1摩尔％或更少的C〇2,和在另一方面，约0. 1摩尔％或更少的％。
[0039] 某些气流可包括高浓度的CO和低浓度的&。在一方面，可期望优化底物流的组成 W便获得更高效率的醇生产和/或总体碳捕集。例如，在所述流通至生物反应器之前，在底 物流中的&浓度可提局。
[0040] 根据本发明的具体方面，来自两个或更多个来源的流