用于在有效降低水用量的低磷酸盐培养基中发酵含有co的气态底物的方法
【专利说明】用于在有效降低水用量的低磷酸盐培养基中发酵含有CO 的气态底物的方法
[0001] 本申请要求2013年6月10日提交的美国临时申请61/833,240的权益，其通过引 用而全文结合到本文中。
[0002] 提供了在低磷酸盐培养基中发酵含有CO的气态底物的方法。更具体地，所述方法 包括在采用需要较低量的水的方式制备的培养基中发酵所述含有CO的气态底物。
[0003] 背景 产乙酸微生物可通过气态底物的发酵由一氧化碳（CO)产生乙醇。利用来自梭状芽孢 杆菌（C/osirii/iiM?)属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 5, 173, 429 描述杨氏梭菌心·?//^?Α7?)ΑΤ(Χ No. 49587, 一种由合成气体产 生乙醇和乙酸盐的厌氧微生物。美国专利5,807,722描述了利用杨氏梭菌（^7〇6^_/'/〇7? ^/y/Wi/aWii)ATCC No. 55380用于将废气转化为有机酸和醇的方法和设备。美国专利 6, 136, 577 描述了利用杨氏梭菌Λ/?//^·?Μ?)ΑΤ(Χ No. 55988 和 55989 用 于将废气转化为乙醇的方法和设备。
[0004] 发酵方法通常需要大量的水和营养物。降低水用量，消除某些组分，和降低所需浓 度水平的其它组分同时保持醇生产率可提供显著的成本节约，尤其是在工业规模发酵中。
[0005] 概述 提供了利用较低量的水用于发酵含有CO的气态底物的方法。用于所述方法的发酵培 养基采用需要显著较低量的水和降低水平的磷酸盐的方式制备。
[0006] 发酵方法包括使包括至少一种过渡金属元素的液体培养基与包括至少至少一种 其它过渡金属元素和一种非金属元素的液体培养基共混，以提供发酵培养基。所述方法包 括使含有CO的底物与所述发酵培养基接触，和发酵所述含有CO的底物，以提供酸性pH。所 述方法有效防止一种或多种过渡金属元素与一种或多种非金属元素沉淀，并且有效利用约 2美制加仑或更少的提供至发酵培养基的水/美制加仑产生的乙醇。
[0007] 用于发酵含有CO的底物的方法包括向发酵器提供含有CO的底物，和使所述含有 CO的底物与发酵培养基接触。所述方法包括通过以下方法提供发酵培养基：所述方法包括 使包括一种或多种选自Zn、Co和Ni的元素的第一溶液与包括一种或多种选自W和Se的元 素的第二溶液共混，其量有效提供具有约30 mS/cm或更少的电导率和约3 mM或更少的磷 酸盐的发酵培养基。发酵所述含有CO的底物有效提供10 g总醇AL ?天）或更多的STY， 并且有效利用约2美制加仑或更少的提供至发酵培养基的水/美制加仑产生的乙醇。
[0008] 在另一方面，在制备发酵培养基中用于降低水用量的方法包括使包括选自Zn、Co、 Ni中的一种或多种的元素的溶液与包括选自W、Se中的一种或多种的元素的溶液共混，其 量有效提供具有约30 mS/cm或更少的电导率的发酵培养基。发酵培养基需要比具有多于 约3 mM磷酸盐的发酵培养基少约10%-约40%的水。
[0009] 附图简述 由下图，所述方法的若干方面的以上和其它方面、特征和优点将更加显而易见。
[0010]图1说明在低磷酸盐培养基上稳态杨氏梭菌培养物的性能，并且使用NH4OH作为 碱来控制pH和用作氮源。
[0011] 详述 以下描述不是采用限制性含义，而是仅用于描述示例性实施方案的通用原则的目的。 本发明的范围应参考权利要求来确定。
[0012] 在一方面，优化通向发酵器的营养物进料中的营养物水平，使得在发酵器中产乙 酸菌的每一种营养物％消耗基本上相同。出乎意料地，消耗的营养物的量和在培养基中所 得到的营养物的残余量的不平衡导致提高的电导率和降低发酵性能。为了减轻提高的电导 率，需要大量的水。仔细平衡提供的营养物和消耗的营养物导致降低的水用量和降低的营 养物用量。在该方面，营养物培养基和发酵方法优化营养物利用率，使得利用90%或更多的 营养物，和在另一方面，利用至少约95%或更多的营养物。
[0013] 在具有本文描述的培养基和产乙酸菌的生物反应器中进行的合成气发酵有效提 供合成气中的CO成为醇和其它产物的转化率。在该方面，生产率可表述为STY (空时收率， 表述为g总醇AL ?天））。在该方面，所述方法有效提供至少约10 g或更多总醇AL ?天） 的STY (空时收率）。可能的STY值包括约10 g总醇AL ?天）-约200 g总醇AL ?天）， 在另一方面，约10 g总醇/(L ·天）-约160 g总醇/(L ·天），在另一方面，约10 g总醇 / (L ·天）-约120 g总醇/ (L ·天），在另一方面，约10 g总醇/ (L ·天）-约80 g总醇/ (L·天），在另一方面，约20 g总醇/(L·天）-约140 g总醇/(L·天），在另一方面，约20 g总醇/ (L ·天）-约100 g总醇/ (L ·天），在另一方面，约40 g总醇/ (L ·天）-约140 g 总醇/ (L ·天），和在另一方面，约40 g总醇/ (L ·天）-约100 g总醇/ (L ·天）。
[0014] 宙义 除非另外限定，否则从始至终在本说明书中用于本公开的以下术语如下定义，并且可 包括以下限定的定义的单数或复数形式： 修饰任何量的术语"约"指在实际的条件下遇到的该量的变动，例如，在实验室、中试或 生产设备中。例如，当被"约"修饰时，用于混合物或量的成分或测量的量包括在实验条件下 在生产设备中或在实验室中通常用于测量的关注的变动和程度。例如，当被"约"修饰时， 产品的组分的量包括在设备中或在实验室中在多个实验的批次之间的变动以及在分析方 法中固有的变动。无论是否被"约"修饰，该量包括那些量的等价物。本文陈述的和被"约" 修饰的任何量也可用于本公开作为不被"约"修饰的量。
[0015] 术语〃气态底物〃以非限制性含义使用，包括含有或源自一种或多种气体的底物。
[0016] 术语"合成气"或"合成气体"表示对于含有不同量的一氧化碳和氢的气体混合物 命名的合成气体。生产方法的实例包括天然气或烃的蒸汽重整以产生氢，煤的气化和一些 类型的废物至能量气化设备。该名字来自它们在产生合成天然气（SNG)和用于生产氨或甲 醇中用作中间体。合成气可燃并且通常用作燃料来源或用作用于生产其它化学品的中间 体。
[0017] 术语〃发酵器〃包括由一个或多个容器和/或塔或管道装置组成的发酵装置， 其包括连续搅拌槽反应器（CSTR)、固定单元反应器（ICR)、滴流床反应器（TBR)、移动床 生物膜反应器（MBBR)、泡罩塔、气体上升发酵器、膜反应器例如中空纤维膜生物反应器 (HFMBR)、静态搅拌器或适用于气-液接触的其它容器或其它装置。
[0018] 术语"发酵"、发酵过程"或"发酵反应"等旨在包括过程的生长阶段和产物生物合 成阶段二者。在一方面，发酵指CO转化为醇。
[0019] 术语"细胞密度"指每单位体积的发酵培养液中微生物细胞的质量，例如，克/升。
[0020] 术语"提高效率"、"提高的效率"等当关于发酵方法使用时，包括提高以下一个或 多个：在发酵中微生物的生长速率、每单位体积或质量的消耗的底物（例如一氧化碳）产生 的期望的产物（例如醇）的体积或质量，期望的产物的生产速率或生产水平，和与发酵的其 它副产物相比产生的期望产物的相对比例。
[0021] 本文使用的"总醇"包括乙醇、丁醇、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％或更少的丁醇。
[0022] 术语"比CO吸收"指每单位时间（以分钟计）单位质量的微生物细胞（g)消耗的 CO的量（以mmol计），即，mmol/g/分钟。
[0023] 含有CO的底物 含有CO的底物可包括包括CO的任何气体。在该方面，含有CO的气体可包括合成气、 工业用气和它们的混合物。
[0024] 合成气可由任何已知的来源提供。在一方面，合成气可源自碳质材料的气化。气 化涉及在限制供应的氧中部分燃烧生物质。所得到的气体主要包括〇)和氏。在该方面，合 成气将含有至少约10 mol % C0,在一方面，至少约20 mol %，在一方面，约10-约100 mol %，在另一方面，约20-约100 mol % C0,在另一方面，约30-约90 mol % C0,在另一方面， 约40-约80 mol % C0,和在另一方面，约50-约70 mol % C0。合适的气化方法和设备的一 些实例在均在2011年4月6日提交的美国序列号61/516, 667、61/516, 704和61/516, 646 和均在2012年3月22日提交的美国序列号13/427, 144、13/427, 193和13/427, 247中提 供，均通过引用结合到本文中。
[0025] 在另一方面，所述方法适用于支持由气态底物（例如高体积含有CO的工业烟道 气）生产醇。在一些方面，包括CO的气体源自含碳废物（例如，工业废气）或源自其它废 物的气化。因此，所述方法代表用于捕集原本排放至环境的碳的有效方法。工业烟道气的 实例包括在黑色金属产品制造、有色金属产品制造、石油精炼过程、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。
[0026] 取决于含有CO的底物的组成，含有CO的底物可直接提供至发酵过程或可进一步 改性以包括合适的H 2:C0摩尔比。在一方面，提供至发酵器的含有CO的底物的H2:C0摩尔 比为约0. 2或更多，在另一方面，约0. 25或更多，和在另一方面，约0.