專利名稱：新型菌及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及氣體微生物發(fā)酵的領(lǐng)域。更特別涉及一類新型細(xì)菌，該細(xì)菌在通過(guò)厭氧發(fā)酵含有一氧化碳(CO)的底物產(chǎn)生乙醇方面具有較高的效率。
背景技術(shù)：
在世界范圍內(nèi)，乙醇正迅速成為一種重要的富氫液態(tài)運(yùn)輸燃料。2005年全球乙醇的消費(fèi)量估計(jì)為122億加侖。由于歐洲、日本、美國(guó)和一些發(fā)展中國(guó)家對(duì)乙醇興趣的增加，全球燃料乙醇行業(yè)的市場(chǎng)預(yù)計(jì)在未來(lái)將會(huì)迅速擴(kuò)大。例如，在美國(guó)，乙醇是用來(lái)生產(chǎn)E10，一種混入10%乙醇的汽油。ElO混合物中的乙醇成分作為氧化劑能夠提高燃燒效率并降低氣體污染物的產(chǎn)生。在巴西，乙醇滿足約30%的運(yùn)輸燃料需求，其既作為氧化劑混入汽油，本身又被當(dāng)作一種純?nèi)剂?。在歐洲，對(duì)溫室氣體(GHG)排放引起的環(huán)境問(wèn)題的擔(dān)憂，促使歐洲聯(lián)盟(EU)給成員國(guó)制定了強(qiáng)制性目標(biāo)，要求應(yīng)用可持續(xù)的交通運(yùn)輸燃料，比如生物質(zhì)來(lái)源的乙醇。絕大多數(shù)燃料乙醇的生產(chǎn)是通過(guò)傳統(tǒng)的基于酵母的發(fā)酵方法，其使用谷類作物產(chǎn)生的碳水化合物，如從甘蔗中提取的糖或從谷物中提取的淀粉作為主要的碳源。然而，這些碳水化合物原料的價(jià)格受其作為人類食品或動(dòng)物飼料價(jià)格的影響，同時(shí)在所有地區(qū)種植產(chǎn)生淀粉或者糖的作物來(lái)生產(chǎn)乙醇在經(jīng)濟(jì)上并非合理。因此，開發(fā)將更低成本和/或更充足的碳源轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的技術(shù)是件有意義的事情。CO是有機(jī)物質(zhì)例如煤炭、油和油的衍生品不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的一種主要的、免費(fèi)的、富含能量的副產(chǎn)品。例如，據(jù)報(bào)道澳大利亞的鋼鐵行業(yè)每年產(chǎn)生并排放到大氣中的CO超過(guò)500,000噸。 催化方法可用來(lái)使主要由CO和/或CO和氫氣(H2)組成的氣體轉(zhuǎn)化為多種燃料和化學(xué)制品。微生物也可以用于將這些氣體轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)制品。1903年，首次發(fā)現(xiàn)了微生物以CO作為唯一碳源生長(zhǎng)的能力。這后來(lái)被鑒定為一種生物屬性，即利用乙酰輔酶A (乙酰CoA)自養(yǎng)生長(zhǎng)的生化途徑(也稱為Woods-Ljungdahl途徑和一氧化碳脫氫酶/乙酰CoA合成酶(C0DH/ACS)途徑)。包括一氧化碳營(yíng)養(yǎng)的、光合作用的、產(chǎn)甲烷的和產(chǎn)乙酸的有機(jī)體在內(nèi)的數(shù)量眾多的厭氧生物已顯示可將CO代謝為多種最終產(chǎn)物，即C02、H2、甲烷、正丁醇、乙酸鹽和乙醇。當(dāng)用CO作為唯一碳源時(shí)所有這些生物至少產(chǎn)生兩種終產(chǎn)物。厭氧菌,如Clostridium屬的菌，已被證明可經(jīng)乙酰CoA的生化途徑利用CO、CO2和H2產(chǎn)生乙醇。例如，多種利用氣體產(chǎn)生乙醇的Clostridium Ijungdahlii菌種已在WO00/68407、EP 117309、以及美國(guó)專利號(hào) 5，173，429,5, 593，886,6, 368，819、WO 98/00558 和WO 02/0843中記載。已知細(xì)菌Clostridium autoethanogenum sp也可以用氣體產(chǎn)生乙醇(Abrini 等人，Archives of Microbiology 161,第 345-351 頁(yè)(1994))。
然而，微生物發(fā)酵氣體產(chǎn)生乙醇的過(guò)程總是伴隨著乙酸鹽和/或乙酸的副產(chǎn)品產(chǎn)生。由于一些可利用的碳轉(zhuǎn)化成乙酸鹽/乙酸，而不是乙醇，使用這種發(fā)酵方法生產(chǎn)乙醇的效率可能低于預(yù)期。此外，除非乙酸鹽/乙酸這些副產(chǎn)品可用于一些其它目的，否則可能產(chǎn)生廢棄物處理問(wèn)題。乙酸鹽/乙酸經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化為甲烷，因此有增加溫室氣體排放的可能性。在H2存在的情況下，CO的微生物發(fā)酵可將碳基本上完全轉(zhuǎn)化為醇類。然而，在缺乏足夠H2時(shí)，一些CO轉(zhuǎn)化為醇類，而很大一部分CO轉(zhuǎn)換為CO2,如以下公式所示6C0+3H20 — C2H50H+4C0212H2+4C02 — 2C2H50H+6H20CO2的產(chǎn)生代表總體碳捕獲效率低下，如果排出，有增加溫室氣體排放的可能性。
W02007/117157描述了一種生產(chǎn)醇類尤其是乙醇的方法，該方法通過(guò)厭氧發(fā)酵含CO的氣體來(lái)進(jìn)行。乙酸鹽作為發(fā)酵過(guò)程中的副產(chǎn)品可轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳，這兩種氣體或其中之一可以用于厭氧發(fā)酵過(guò)程。W02008/115080描述了在發(fā)酵的多個(gè)階段生產(chǎn)醇類的方法。在第一生物反應(yīng)器中氣體厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的副產(chǎn)品可以用于在第二生物反應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)品。此外，發(fā)酵第二階段的副產(chǎn)品可以被循環(huán)到第一生物反應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)品。因此，提供能以更高效率將這些氣體發(fā)酵成乙醇的微生物將非常有益，也就是與現(xiàn)有技術(shù)微生物相比，所述微生物使用相同的底物，能夠生產(chǎn)更多的乙醇，和/或得到更高的乙醇與乙酸鹽的比率。此外，在將含CO的氣體轉(zhuǎn)化成乙醇的微生物發(fā)酵現(xiàn)有技術(shù)方法中，其產(chǎn)出高水平的乙醇和/或高的乙醇/乙酸鹽比率，氣態(tài)底物通常包含約30-65%體積的CO和約20-30%體積的 H2 (TO 00/68407)。作為微生物發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的潛在底物，含CO的廢氣可能包含更高水平的CO和更低水平的H2或兩者都包括。因此開發(fā)使用將含CO的氣體有效地發(fā)酵為乙醇的菌株將十分有益，其中例如，所述氣體包含大于65%體積的CO和或小于20%體積的H2。本發(fā)明目的在于提供一類新型細(xì)菌，所述細(xì)菌能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中將含CO的氣態(tài)物轉(zhuǎn)化為乙醇的一個(gè)或更多個(gè)局限，或者至少給公眾提供一個(gè)有用的選擇。發(fā)明概述本發(fā)明的第一方面在于提供一種生物純的細(xì)菌分離物，所述細(xì)菌能通過(guò)厭氧發(fā)酵含CO的底物來(lái)產(chǎn)生含有乙醇和任選的乙酸鹽的產(chǎn)物，其中所述產(chǎn)物以至少I. O比率的乙醇
/乙酸鹽來(lái)產(chǎn)生。本發(fā)明的另一方面在于提供一種生物純的細(xì)菌分離物，所述細(xì)菌能夠在供給含CO的底物，特別是含CO的氣態(tài)底物的液態(tài)培養(yǎng)基中通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和乙酸鹽，所述含CO的氣態(tài)底物包含(a)大于約65%體積的CO，(b)小于約20%體積的H2，或(c)大于約65%體積的CO和小于約20%體積的H2,乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. O。在一特定實(shí)施方案中，乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. I、更優(yōu)選至少約為I. 2、更優(yōu)選至少約為I. 3、并且最優(yōu)選至少約為I. 4。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌能夠以至少約2. Og乙醇每升發(fā)酵液的濃度來(lái)
產(chǎn)生乙醇。在特定的實(shí)施方案中，所述濃度為至少約2. Ig乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 2g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 3g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 4g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 5g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 6g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 7g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. Sg乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. Og乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. 2g乙醇每升發(fā)酵液、或至少約3. 4g乙醇每升發(fā)酵液。在特定的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的產(chǎn)率為至少約I. 2g乙醇/L發(fā)酵液/天、至少約I. 6g/L/天、至少約I. 8g/L/天、或至少2. Og/L/天。 在某些實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的具體乙醇產(chǎn)率為至少約O. 7g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、至少約O. 9g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、至少約I. lg/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少約I. 3g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天。本發(fā)明的另一方面提供了一種生物純的細(xì)菌分離物，所述細(xì)菌能通過(guò)厭氧發(fā)酵含CO的底物來(lái)產(chǎn)生含有醇類和任選的乙酸鹽的產(chǎn)物，其中所述細(xì)菌的產(chǎn)率為至少約I. 2g乙
醇/L發(fā)酵液/天。本發(fā)明的另一方面提供了一種生物純的細(xì)菌分離物，所述細(xì)菌能在供給含CO的底物，特別是含CO的氣態(tài)底物的液態(tài)培養(yǎng)基中通過(guò)厭氧發(fā)酵來(lái)產(chǎn)生乙醇和乙酸鹽，所述含CO的氣態(tài)底物包含(a)大于約65%體積的CO,(b)小于約20%體積的H2，或(c)大于約65%體積的CO和小于約20%體積的H2，其中乙醇的濃度為至少約2. Og
醇每升發(fā)酵液。在特定的實(shí)施方案中，所述濃度為至少約2. Ig乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 2g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 3g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 4g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 5g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 6g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 7g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. Sg乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. Og乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. 2g乙醇每升發(fā)酵液、或至少約3. 4g乙醇每升發(fā)酵液。在特定的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的產(chǎn)率為至少約I. 2g乙醇/L發(fā)酵液/天、至少約I. 6g/L/天、至少約I. 8g/L/天或至少2. Og/L/天。在某些實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的特定乙醇產(chǎn)率為至少約O. 7g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、至少約O. 9g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、至少約I. lg/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少約I. 3g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天。在一實(shí)施方案中，乙酸鹽作為發(fā)酵的副產(chǎn)品而產(chǎn)生。在一特定實(shí)施方案中，乙醇以乙醇與乙酸鹽的比率至少約I. O的比率來(lái)產(chǎn)生。在特定的實(shí)施方案中，乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. I、至少約I. 2、至少約I. 3或更特別地至少約I. 4。另一方面，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)乙酸菌，其中所述細(xì)菌具有一個(gè)或更多個(gè)以下限定特征
·無(wú)論是否存在酵母提取物都能在基本培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的能力；·與存在酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在不存在酵母提取物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)更快、產(chǎn)生更高比率的乙醇/乙酸鹽、和/或產(chǎn)生更高濃度的乙醇的能力；·很少或沒(méi)有形成孢子的能力； 革蘭氏陽(yáng)性；·棒狀；·非運(yùn)動(dòng)性。 在一實(shí)施方案中，所述細(xì)菌另外還能在供給含CO的底物的液態(tài)培養(yǎng)基中通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，所述含CO的底物包含(a)大于約65%體積的CO,(b)小于約20%體積的H2，或(c)大于約65%體積的CO和小于約20%體積的H2,乙醇濃度為至少約2. O克每升發(fā)酵液，和/或乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. O。在特定的實(shí)施方案中，乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. I、至少約I. 2、至少約I. 3或更特別的至少約I. 4。在特定的實(shí)施方案中，乙醇以至少約2. Ig乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 2g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 3g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 4g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 5g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 6g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 7g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. Sg乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. Og乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. 2g乙醇每升發(fā)酵液、或至少約3. 4g乙醇每升發(fā)酵液的濃度來(lái)產(chǎn)生。在特定的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的產(chǎn)率為至少約I. 2g乙醇/L發(fā)酵液/天、至少約I. 6g/L/天、至少約I. 8g/L/天、或至少2. Og/L/天。在某些實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的具體乙醇產(chǎn)率為至少約O. 7g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、至少約O. 9g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、至少約I. lg/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少約I. 3g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天。在一實(shí)施方案中，本發(fā)明的細(xì)菌來(lái)源于Clostridium autoethanogenum。在一特定的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌具有兩種或多種以及優(yōu)選具有全部的上述限定特征。在特定的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌具有保藏于DSMZ保藏號(hào)為DSM19630的Clostridium autoethanogenum LBS1560菌株的限定特征。在一實(shí)施方案中，所述細(xì)菌是保藏于 DSMZ 保藏號(hào)為 DSM19630 的 Clostridium autoethanogenum 菌株 LBS1560。另一方面，本發(fā)明提供了一種保藏于DSMZ保藏號(hào)為DSM19630的Clostridiumautoethanogenum菌株LBS1560的生物純的細(xì)菌分離物，。在一實(shí)施方案中，所述底物包含至少約70%體積的CO、至少約75%體積的CO、至少約80%體積的CO、至少約85%體積的CO、至少約90%體積的CO、或至少約95%體積的CO。在另一實(shí)施方案中，所述底物包含小于約20%體積的H2。在特定的實(shí)施方案中，所述底物包含小于15%體積的H2、小于10%體積的H2、小于5%體積的H2、小于4%體積的H2、小于3%體積的H2、小于2%體積的H2、小于體積1%的H2、或基本上不含有H2。在另一實(shí)施方案中，所述底物包含小于或等于約20%體積的C02。在特定實(shí)施方案中，所述底物包含小于或等于約15%體積的CO2、或包含小于或等于約10%體積的CO2，或包含小于或等于約5%體積的C02。在特定實(shí)施方案中，所述底物包含至少約85%體積的CO和至多約15%體積的CO2,至少約90%體積的CO和至多約10%體積的CO2,或約95%體積的CO和約5%體積的C02。在某些實(shí)施方案中，所述液態(tài)培養(yǎng)基為厭氧微生物基本培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基選自但不限于這里描述的LM23或LM33。在一實(shí)施方案中,所述培養(yǎng)基未添加酵母提取物。在另一方面，本發(fā)明提供了一種從含CO的底物中產(chǎn)生一種或多種醇類的方法，所述方法包括在底物存在下，維持本發(fā)明的一種或多種細(xì)菌分離物的培養(yǎng)，以及通過(guò)一種或多種細(xì)菌分離物來(lái)厭氧發(fā)酵底物以產(chǎn)生一種或多種醇類。 另一方面，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生一種或多種醇類的方法，所述方法包括采用本發(fā)明之前所述的一種或多種菌來(lái)發(fā)酵含CO的底物。在一實(shí)施方案中，所述方法包括以下步驟(a)向含有上述細(xì)菌的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器提供含CO的底物；和(b)厭氧發(fā)酵所述生物反應(yīng)器中的所述培養(yǎng)物以產(chǎn)生一種或多種醇類。另一方面，本發(fā)明提供了減少工業(yè)過(guò)程中總大氣碳排量的方法，所述方法包括(a)在所述氣體排放到大氣之前，捕獲工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的含CO的氣體；(b)通過(guò)含有本發(fā)明所述的一種或多種細(xì)菌分離物的培養(yǎng)物來(lái)厭氧發(fā)酵所述含CO的氣體以產(chǎn)生一種或多種醇類。在所述方法方面的某些實(shí)施方案中，乙酸鹽作為發(fā)酵的副產(chǎn)品產(chǎn)出。產(chǎn)生的一種或多種醇類優(yōu)選為乙醇。在所述方法方面的特定實(shí)施方案中，所述細(xì)菌或分離物維持在液態(tài)培養(yǎng)基中。在所述方法方面的特定實(shí)施方案中，所述底物的發(fā)酵在生物反應(yīng)器中進(jìn)行。在某些實(shí)施方案中，所述底物包含小于約15%體積的H2,例如小于約10%體積的H2,例如小于約5%體積的H2。在某些實(shí)施方案中，所述底物包含大于約65%體積的CO，優(yōu)選為約70%到約95%體積的CO。在一實(shí)施方案中，所述底物包含至少約70%體積的CO。在一特定實(shí)施方案中，所述底物包含至少約80%體積的CO、至少約85%體積的CO、至少約90%體積的CO、或至少約95%體積的CO。在一實(shí)施方案中，所述底物包含小于約20%體積的H2。在特定的實(shí)施方案中，所述底物包含小于約15%體積的H2、小于約10%體積的H2、小于約5%體積的H2、小于約4%體積的H2、小于約3%體積的H2、小于約2%體積的H2、小于約1%體積的H2、或基本上不含有H2。在一實(shí)施方案中，所述底物含有小于或等于約20%體積的C02。在特定實(shí)施方案中，所述底物含有小于或等于約15%體積的CO2，或小于或等于約10%體積的CO2，或小于或等于約5%體積的CO2。在某些實(shí)施方案中，所述底物含有至少約85%體積的CO和至多約15%體積的CO2,至少約90%體積的CO和至多約10%體積的CO2,或約95%體積的CO和約5%體積的C02。在某些實(shí)施方案中，所述含CO的底物是含CO的氣態(tài)底物。
在某些實(shí)施方案中，所述氣態(tài)底物包含作為工業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)品的氣體。在某些實(shí)施方案中，所述工業(yè)過(guò)程選自鐵金屬產(chǎn)品制造、有色金屬產(chǎn)品制造、石油精煉處理、生物質(zhì)氣化、煤炭氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、合成氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭生產(chǎn)。在一實(shí)施方案中，所述氣態(tài)底物可包含從鋼鐵廠獲得的氣體。在另一實(shí)施方案中，所述氣態(tài)底物可包含汽車排出的氣體。在所述方法方面的某些實(shí)施方案中，所述乙醇回收自發(fā)酵液，所述發(fā)酵液是包含細(xì)菌細(xì)胞和乙醇的液態(tài)培養(yǎng)基。在某些實(shí)施方案中，乙酸鹽作為發(fā)酵的副產(chǎn)品產(chǎn)出。
在另外的實(shí)施方案中，所述乙醇和乙酸鹽從發(fā)酵液中回收。另一方面，本發(fā)明提供了篩選一種或多種能夠產(chǎn)生一種或多種酸類的微生物的方法，所述方法包括在含有培養(yǎng)基的生物反應(yīng)器中培養(yǎng)微生物；當(dāng)培養(yǎng)基的PH值高于營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基時(shí)添加新鮮培養(yǎng)基，以使?fàn)I養(yǎng)培養(yǎng)基維持在基本恒定的PH值；移走至少一部分營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基和微生物，以使生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)基保持基本恒定的體積。在特定的實(shí)施方案中，所述方法是用于篩選快速生長(zhǎng)的微生物。在一實(shí)施方案中，所述一種和多種酸包括乙酸鹽。另一方面，本發(fā)明提供了通過(guò)所述選擇方法得到的生物純的細(xì)菌分離物。在一實(shí)施方案中，所述細(xì)菌分離物很少或沒(méi)有能力形成孢子。盡管如上所述對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了廣泛的限定，但本發(fā)明不局限于此，本發(fā)明還包括下述實(shí)施例代表的實(shí)施方案。


本發(fā)明將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述，其中圖I :是用來(lái)篩選微生物快速生長(zhǎng)的系統(tǒng)的示意圖；圖2 :顯不了 Clostridium autoethanogenum LBS1560 的乙醇(正方形)和乙酸鹽(菱形)的生產(chǎn)。生物質(zhì)濃度用三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)表示。發(fā)明詳述在廣義范圍內(nèi)，一方面本發(fā)明涉及在厭氧發(fā)酵過(guò)程中具有較高效率的一種新型細(xì)菌和一種生物純的細(xì)菌分離物。一方面所述細(xì)菌能夠從底物產(chǎn)生醇類，尤其是乙醇，所述底物包含(a)大于約65%體積的CO,(b)小于約20%體積的H2，或(c)大于約65%體積的CO和小于約20%體積的H2。另一方面，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)醇類特別是乙醇的方法，所述方法通過(guò)本發(fā)明的細(xì)菌由厭氧發(fā)酵含CO的底物來(lái)進(jìn)行。定義除非另有說(shuō)明，本說(shuō)明書全文中涉及的術(shù)語(yǔ)按如下所定義“含CO的底物”和類似術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)理解為包含其中例如一氧化碳可用于細(xì)菌的生長(zhǎng)和/或發(fā)酵的任何一種底物。在本發(fā)明的具體實(shí)施方案中，“含CO的底物”是氣態(tài)的。因此本發(fā)明中，這類底物是指“含CO的氣態(tài)底物”以及其它類似物。在以下說(shuō)明書中，本發(fā)明的實(shí)施方案是以提供和發(fā)酵“含CO的氣態(tài)底物”的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述的。然而，應(yīng)當(dāng)理解氣態(tài)底物可以以其它形式提供。例如，含CO的氣態(tài)底物以溶解在液體中的方式來(lái)提供。實(shí)際上，液體先用含一氧化碳的氣體飽和，然后將該液體加入到生物反應(yīng)器中。這可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，可以利用一種微泡分散生成器(Hensirisak 等；Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobicfermentation;Applied Biochemistry and Biotechnology,第 101 卷,第 3 期 /2002 年 10月)。進(jìn)一步舉例來(lái)說(shuō)，含CO的氣態(tài)底物可吸附至固相載體上。這些可供選擇的方法都包含在術(shù)語(yǔ)“含CO的底物”的應(yīng)用中。當(dāng)涉及到發(fā)酵過(guò)程的使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“提高效率”、“提高的效率”等，包括但不限于，增加以下的一個(gè)或多個(gè)催化發(fā)酵的微生物的生長(zhǎng)速率，每消耗一定體積的底物(比如CO)產(chǎn)生所期望的產(chǎn)物(比如醇類)的體積，在培養(yǎng)基中產(chǎn)生所期望的產(chǎn)物(比如醇類)的濃度，所期望產(chǎn)物的產(chǎn)率或生產(chǎn)水平，以及與其它發(fā)酵的副產(chǎn)物相比產(chǎn)生所期望產(chǎn)物的相對(duì)比 率。術(shù)語(yǔ)“乙酸鹽”既包括乙酸鹽本身也包括分子的或游離的乙酸與乙酸鹽的混合物，例如本發(fā)明描述的發(fā)酵液中存在的乙酸鹽和游離乙酸的混合物。發(fā)酵液中乙酸與乙酸鹽的分子比率取決于體系的PH值。術(shù)語(yǔ)“生物反應(yīng)器”包括由一個(gè)或多個(gè)容器和/或塔器或管路排列組成的發(fā)酵裝置，其包括連續(xù)攪拌反應(yīng)釜(CSTR)、固定化細(xì)胞反應(yīng)器(ICR)、滴流床反應(yīng)器(TBR)、鼓泡裝置、氣浮發(fā)酵器、靜態(tài)混合器，或其它容器或其它適合氣-液接觸的裝置。本發(fā)明的細(xì)菌或其培養(yǎng)物或細(xì)菌分離物，可以被描述為是“分離的”或“生物純的”的形式。這些術(shù)語(yǔ)是為了表示所述細(xì)菌已被從環(huán)境或(如果在自然界或其它情況下發(fā)現(xiàn)時(shí)，通常伴隨的)一種或多種組分、細(xì)胞等中分離出來(lái)。術(shù)語(yǔ)“分離的”或“生物純的”不應(yīng)當(dāng)被理解為細(xì)菌純化的程度。然而，在一個(gè)實(shí)施方案中，細(xì)菌分離物或培養(yǎng)菌包含優(yōu)勢(shì)量的本發(fā)明的細(xì)菌。本發(fā)明提供了一種生物純的細(xì)菌分離物，它能夠在供給含CO的氣態(tài)底物的液態(tài)培養(yǎng)基中通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和乙酸鹽，所述含CO的氣態(tài)底物包含(a)大于約65%體積的CO,(b)小于約20%體積的H2，或(c)大于約65%體積的CO和小于約20%體積的H2,其中，乙醇與乙酸鹽的比率至少約為I. O。正如本發(fā)明其它部分描述的，在一實(shí)施方案中，所述細(xì)菌來(lái)自C. autoethanogenum。在某些實(shí)施方案中，乙醇與乙酸鹽的比率至少約為I. I、或至少約I. 2、或至少約I. 3或至少約I. 4。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌以至少約2. Ig乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 2g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 3g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 4g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 5g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 6g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 7g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. Sg乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. Og乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. 2g乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. 4g乙醇每升發(fā)酵液的濃度產(chǎn)生乙醇。
乙醇的產(chǎn)率按乙醇的體積產(chǎn)率計(jì)算，即以乙醇的濃度和在批次系統(tǒng)中達(dá)到該濃度所需時(shí)間的比值來(lái)計(jì)算。還可以在連續(xù)系統(tǒng)中計(jì)算微生物發(fā)酵的產(chǎn)率。在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的產(chǎn)率為至少I. 2g乙醇/L發(fā)酵液/天、或至少I. 6g/L/天、或至少
I.8g/L/ 天、或至少 2. Og/L/ 天。微生物培養(yǎng)物的具體產(chǎn)率取決于微生物培養(yǎng)物中活性微生物的比例。在本發(fā)明特定實(shí)施方案中，乙醇的特定產(chǎn)率至少是O. 7g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少O. 9g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少I. lg/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少I. 3g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天。本發(fā)明還提供了一種生物純的細(xì)菌分離物，它能夠在供給含CO的氣態(tài)底 物的液態(tài)培養(yǎng)基中通過(guò)厭氧發(fā)酵來(lái)產(chǎn)生乙醇，所述含CO的氣態(tài)底物包含(a)體積大于65%的CO,(b)體積小于20%的H2，或(c)體積大于65%的CO和體積小于20%的H2,其中乙醇的濃度至少是2. Og乙醇每升發(fā)酵液。正如本發(fā)明描述的，在一實(shí)施方案中，所述細(xì)菌來(lái)自C. autoethanogenum。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌能以至少約2. Ig乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 2g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 3g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 4g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 5g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 6g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. 7g乙醇每升發(fā)酵液、至少約2. Sg乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. Og乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. 2g乙醇每升發(fā)酵液、至少約3. 4g乙醇每升發(fā)酵液的濃度產(chǎn)生乙醇。在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中，所述細(xì)菌的產(chǎn)率為至少I. 2g乙醇/L發(fā)酵液/天、或至少I. 6g/L/天、或至少I. 8g/L/天、或至少2. Og/L/天。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，乙醇的具體產(chǎn)率為至少O. 7g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少O. 9g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少I. lg/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天、或至少I. 3g/L/g細(xì)菌細(xì)胞/天。典型地，乙酸鹽是發(fā)酵的副產(chǎn)物。在一實(shí)施方案中，乙醇在乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. O的比率下生產(chǎn)。在特定實(shí)施方案中，乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. I、或至少約I. 2、或至少約I. 3、或至少約I. 4。本發(fā)明還提供了一種產(chǎn)乙酸菌，其在如下描述的實(shí)驗(yàn)條件下觀察時(shí)，具有一個(gè)或多個(gè)如下限定特征無(wú)論是否存在酵母提取物都能在基本培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的能力；與存在酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在不存在酵母提取物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)更快，產(chǎn)生更高比率的乙醇/乙酸鹽，和/或產(chǎn)生更高濃度的乙醇的能力；很少或沒(méi)有形成孢子的能力；革蘭氏陽(yáng)性；棒狀；非運(yùn)動(dòng)性。在一實(shí)施方案中，所述細(xì)菌基本上沒(méi)有形成孢子的能力。在一實(shí)施方案中，在下文描述的條件下，基本上沒(méi)有菌落形成孢子。在一實(shí)施方案中，產(chǎn)乙酸菌還能夠在供給含CO的氣態(tài)底物的液態(tài)培養(yǎng)基中通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，所述含CO的氣態(tài)底物包含大于約65%體積的CO ;小于約20%體積的H2 ;或大于約65%體積的⑶和小于約20%體積的H2 ;其中乙醇的濃度至少是2. Og乙醇每升發(fā)酵液，和/或乙醇與乙酸鹽的比率為至少約I. O。本發(fā)明的細(xì)菌可來(lái)自Clostridium, autoethanogenum。
讓人感到意外的是，觀察到本發(fā)明的某些實(shí)施方案中的細(xì)菌具有很少或不具有形成孢子的能力。這相對(duì)于包括Clostridium autoethanogenum在內(nèi)的Clostridia屬其它菌株而言，提供了預(yù)料不到的好效果。孢子形成是有限活動(dòng)的靜止階段。減少或改進(jìn)形成孢子的能力有很多好處。例如，當(dāng)處于不形成孢子的狀態(tài)時(shí)，單一細(xì)菌細(xì)胞可以僅分裂和產(chǎn)生代謝物(例如乙酸鹽和/或乙醇)。相應(yīng)的，在細(xì)菌不形成孢子的情況下，分裂和代謝物產(chǎn)生的時(shí)間范圍都可得到延長(zhǎng)。形成孢子能力的缺失，也可對(duì)整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程提供額外的控制，其中整個(gè)活性菌群可在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)適合于促進(jìn)生長(zhǎng)和/或代謝物的產(chǎn)生。因此，使用本發(fā)明的細(xì)菌可以提高發(fā)酵過(guò)程中諸如乙酸鹽和/或乙醇之類的產(chǎn)物產(chǎn)生的整體效率。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，所述細(xì)菌具有兩個(gè)或多個(gè)，以及更優(yōu)選具有全部上述特性。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，所述細(xì)菌具有Clostridium autoethanogenum菌株LBS1560的限定特征，上述菌株根據(jù)布達(dá)佩斯公約，于2007年10月19日保藏于德國(guó)DSMZ，其保藏號(hào)為DSM19630。在特定的實(shí)施方案中，所述細(xì)菌是Clostridium autoethanogenum菌株 LBS1560、DSM 19630。
本發(fā)明還涉及從本發(fā)明菌株傳代得到的細(xì)菌。在某些實(shí)施方案中，在提高氣態(tài)底物中CO水平時(shí)，本發(fā)明的細(xì)菌能產(chǎn)生上述討論的乙醇濃度以及乙醇與乙酸鹽的比率。氣態(tài)底物可包含至少約70%體積的CO。在某些實(shí)施方案中，氣態(tài)底物包含至少約80%體積的CO、至少約85%體積的CO、至少約90%體積的CO、或至少約95%體積的CO。類似地，在某些實(shí)施方案中，在氣態(tài)底物中H2水平低至沒(méi)有的情況下，也可獲得上述討論的乙醇濃度以及乙醇與乙酸鹽的比率。所述氣態(tài)底物可包含小于約20%體積的H2。在特定實(shí)施方案中，所述氣態(tài)底物包含小于約15%體積的H2、或所述氣態(tài)底物包含小于約10%體積的H2、或所述氣態(tài)底物包含小于約5%體積的H2、或所述氣態(tài)底物包含小于約4%體積的H2、或所述氣態(tài)底物包含小于約3%體積的H2、或所述氣態(tài)底物包含小于約2%體積的H2、或所述氣態(tài)底物包含小于約1%體積的H2、或所述氣態(tài)底物不包含H2。在某些實(shí)施方案中，當(dāng)供給含相對(duì)少的CO2的氣態(tài)底物時(shí)，本發(fā)明的細(xì)菌也可以產(chǎn)生乙醇濃度以及乙醇與乙酸鹽的比率。在一實(shí)施方案中，氣態(tài)底物含有小于或等于約20%體積的C02。在某些實(shí)施方案中,氣態(tài)底物含有小于或等于約15%體積的CO2、或含有小于或等于約10%體積的CO2、或含有小于或等于約5%體積的C02。在某些實(shí)施方案中，所述氣態(tài)底物含有約85%體積的CO和約15%體積的CO2、或者氣態(tài)底物含有至少約90%體積的CO和至多約10%體積的CO2、或者氣態(tài)底物含有約95%體積的CO和體積約5%的CO2。在某些實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)在液態(tài)培養(yǎng)基中進(jìn)行。優(yōu)選的液態(tài)培養(yǎng)基是厭氧微生物基本培養(yǎng)基。合適的培養(yǎng)基是本領(lǐng)域所熟知的，例如在美國(guó)專利號(hào)5，173，429和5，593，886 以及 W002/08438 中有描述，并且在 Klasson 等人[(1992) · Bioconversion ofSynthesis gas into Liquid or gaseous Fuels. Enz. Microb. Technol. 14:602-608.],Najafpour 和Younesi[ (2006) · Ethanol and acetate synthesis from waste gas usin gbatch culture of Clostridium Ijun gdahlii. Enzyme and Microbial Technology,第 38卷，1-2 期，第 223-228 頁(yè)]以及Lewis 等人[(2002) · Makin g the connection-conversionof biomass-generated producer gas to ethanol. Abst. Bioenergy,第 2091-2094 頁(yè)]中都有描述。在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中，厭氧微生物基本培養(yǎng)基是本發(fā)明定義的LM23或LM33。在某些實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)基還添加了其它成分，例如但不限于氨基酸和胰蛋白酶解酪蛋白。優(yōu)選的，培養(yǎng)基不添加其它的成分。在某些實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)基還可添加酵母提取物。在某些實(shí)施方案中，與添加了酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在未添加酵母提取物的培養(yǎng)基中培養(yǎng)物的生長(zhǎng)速度更快。在進(jìn)一步實(shí)施方案中，與添加了酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在未添加酵母提取物的培養(yǎng)基中培養(yǎng)物產(chǎn)生的乙醇/乙酸鹽的比率更高。在進(jìn)一步實(shí)施方案中，與添加了酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在未添加酵母提取物的培養(yǎng)基中培養(yǎng)物產(chǎn)生的每升培養(yǎng)基中乙醇的濃度更高。在特定實(shí)施方案中，培養(yǎng)基中不添加酵母提取物。本發(fā)明還提供了從含CO的氣態(tài)底物中產(chǎn)生一種或多種醇類的方法，該方法包括在氣態(tài)底物存在下，維持本發(fā)明一種或多種細(xì)菌分離物的培養(yǎng)，以及通過(guò)一種或多種細(xì)菌分離物來(lái)厭氧發(fā)酵氣態(tài)底物從而產(chǎn)生一種或多種醇類。 本發(fā)明還提供一種減少工業(yè)過(guò)程中總大氣碳排放量的方法，所述方法包括(a)在所述氣體排放到大氣之前，捕獲工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的含CO的氣體；(b)通過(guò)含有本發(fā)明所述的一種或多種細(xì)菌分離物的培養(yǎng)物來(lái)厭氧發(fā)酵含CO的氣體以產(chǎn)生一種或多種醇類。在本發(fā)明方法的某些實(shí)施方案中，乙酸鹽作為發(fā)酵的副產(chǎn)物產(chǎn)生。產(chǎn)生的醇類是乙醇。在某些實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)在液態(tài)營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中進(jìn)行。發(fā)酵可在任何合適的生物反應(yīng)器中進(jìn)行，例如連續(xù)攪拌反應(yīng)釜(CTSR)、鼓泡塔反應(yīng)器(BCR)、或滴流床反應(yīng)器(TBR)。同時(shí)，在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方案中，生物反應(yīng)器可包括第一，微生物在其中培養(yǎng)的生長(zhǎng)反應(yīng)器，以及第二，發(fā)酵反應(yīng)器，向其中加入來(lái)自生長(zhǎng)反應(yīng)器的發(fā)酵液且在其中產(chǎn)生大多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)物(乙醇和乙酸鹽)。如上所述，發(fā)酵反應(yīng)的碳源是含CO的氣態(tài)底物。所述氣態(tài)底物是含CO的廢氣，其來(lái)源于工業(yè)過(guò)程的副產(chǎn)物或其它來(lái)源例如機(jī)動(dòng)車廢氣。在某些實(shí)施方案中，所述工業(yè)過(guò)程選自鐵金屬產(chǎn)品制造(比如鋼鐵廠)、有色金屬產(chǎn)品制造、石油精煉處理、煤炭氣化、電力生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、合成氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭生產(chǎn)。在這些實(shí)施方案中，在來(lái)自工業(yè)過(guò)程的含CO的氣體被排放至大氣中之前，采用任何簡(jiǎn)便的方法將其捕獲。在將其導(dǎo)入發(fā)酵之前，根據(jù)含CO的氣態(tài)底物的組成，理想地可以對(duì)其進(jìn)行處理以除去不期望的雜質(zhì)，比如塵粒。例如，可以采用已知的方法過(guò)濾或洗滌氣態(tài)底物。另外，通常希望增加底物氣流中CO的濃度(或氣態(tài)底物中CO的分壓)，以增加以CO作為底物的發(fā)酵反應(yīng)的效率。增加氣態(tài)底物中CO的分壓可使轉(zhuǎn)移入發(fā)酵培養(yǎng)基中的CO的量增加。參與發(fā)酵反應(yīng)的氣流的組成對(duì)反應(yīng)的效率和/或反應(yīng)成本有顯著影響。例如，O2可以減少厭氧發(fā)酵過(guò)程的效率。在發(fā)酵之前或之后，在發(fā)酵過(guò)程的各階段處理不需要或不必要的氣體增加了這些階段的負(fù)擔(dān)(比如，在進(jìn)入生物反應(yīng)器之前對(duì)氣流進(jìn)行加壓，不必要的能量將被用于壓縮那些在發(fā)酵反應(yīng)中不需要的氣體)。相應(yīng)地，理想地可以處理底物流，特別是工業(yè)來(lái)源的底物流，以除去不需要的成分并增加目標(biāo)組分的濃度。來(lái)源于工業(yè)來(lái)源的底物流在組成上通常是變化的。此外，來(lái)源于含有高濃度C0(t匕如至少50%或至少65%)工業(yè)來(lái)源的底物流，通常具有低含量的H2(比如小于20%或小于10%或0%)。像這樣，非常理想的是微生物可通過(guò)厭氧發(fā)酵含有一定范圍的CO和H2濃度(特別是高濃度的CO和低濃度的H2)的底物來(lái)產(chǎn)生產(chǎn)物。發(fā)明人試驗(yàn)了 C. autoethanogenum (來(lái)源于DSMZ，其保藏號(hào)為DSM10061 )，發(fā)現(xiàn)它在含CO且不含有H2的氣態(tài)底物中不能生長(zhǎng)和產(chǎn)生產(chǎn)物。然而，本發(fā)明的細(xì)菌具有在含CO (不含有H2)的底物中發(fā)酵，生長(zhǎng)，產(chǎn)生產(chǎn)物(乙醇和乙酸鹽)的令人驚奇的能力。底物流中氫氣的存在可改善整個(gè)碳捕獲效率和/或乙醇產(chǎn)率。例如W002/08438中描述了使用各種組成的氣流來(lái)產(chǎn)生乙醇。W002/08438報(bào)道了在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)C. Ijungdahlii時(shí)，所提供的含有63%H2，32%C0和5%CH4的底物流能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和乙醇的產(chǎn)生。當(dāng)培養(yǎng)物達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，微生物的生長(zhǎng)不再是主要目標(biāo)時(shí)，所述底物流轉(zhuǎn)變?yōu)?5. 8%H2，36. 5%C0, 38. 4%N2和9. 3%C02以提供稍過(guò)量的CO，從而促進(jìn)乙醇的產(chǎn)生。這篇文獻(xiàn)同時(shí)描述了更高濃度和更低濃度的CO和H2的氣流。可以理解，本發(fā)明描述的方法可被用于減少工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的總大氣碳排放，其通過(guò)捕獲工業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生含CO的氣體并利用它們作為本發(fā)明所述的發(fā)酵過(guò)程的底物來(lái)實(shí) 現(xiàn)。可選擇地，在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中，含CO的氣態(tài)底物可來(lái)源于生物質(zhì)氣化。所述氣化過(guò)程涉及在空氣或氧氣供應(yīng)受限的環(huán)境中生物質(zhì)的不完全燃燒。產(chǎn)物氣一般主要包括CO和H2,以及少量體積的CO2、甲烷、乙烯和乙烷。例如，生物質(zhì)副產(chǎn)物可被氣化以產(chǎn)生適合在本發(fā)明中使用的含CO的氣體，所述生物質(zhì)副產(chǎn)物來(lái)源于食品(例如從甘蔗中提取的糖、或從玉米和谷物中提取的淀粉)或林業(yè)工業(yè)產(chǎn)生的非食用生物質(zhì)廢棄物的提取和加工。通常優(yōu)選含CO的氣態(tài)底物，其含有主要組分的CO。在特定實(shí)施方案中，所述氣態(tài)底物含有至少約65%體積的CO，或至少約70%到約95%體積的CO。氣態(tài)底物中并不是必需要含有氫氣。氣態(tài)底物也可選擇的含有一些CO2,例如約1%到約30%的體積，例如約5%到約 10% 的 CO2?？梢岳斫?，為了細(xì)菌的生長(zhǎng)和CO-乙醇發(fā)酵過(guò)程發(fā)生，除了含CO的氣態(tài)底物，生物反應(yīng)器中還需要添加合適的液態(tài)營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基。營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基應(yīng)包含足以允許微生物生長(zhǎng)的維生素和礦物質(zhì)。適合于以CO作為唯一碳源發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的厭氧培養(yǎng)基是本領(lǐng)域公知的。例如，合適的培養(yǎng)基描述于美國(guó)專利號(hào)5，173，429,5, 593，886和W002/08438，及其它此前引用的文獻(xiàn)中。在一本發(fā)明的實(shí)施方案中，在下述實(shí)施例中描述的培養(yǎng)基是LM23。發(fā)酵過(guò)程應(yīng)當(dāng)理想地在適合于CO-乙醇發(fā)酵發(fā)生的條件下進(jìn)行。應(yīng)當(dāng)考慮的反應(yīng)條件包括壓力、溫度、氣流速度、液態(tài)流速度、培養(yǎng)基PH值、培養(yǎng)基電極電位、攪拌速率(如果使用連續(xù)攪拌反應(yīng)釜)、接種水平、確保液相中的CO不成為限制性條件的最大氣體底物濃度、以及避免產(chǎn)物抑制的最大產(chǎn)物濃度。最適宜的反應(yīng)條件部分取決于本發(fā)明使用的特定微生物。然而，通常優(yōu)選發(fā)酵在壓力要高于環(huán)境壓力的條件下進(jìn)行。在壓力增高的環(huán)境中操作，可以顯著提高CO從氣相轉(zhuǎn)移到液相的比例，其中微生物在液相中利用CO作為碳源產(chǎn)生乙醇。這也意味著當(dāng)生物反應(yīng)器維持在高于大氣壓的壓力條件下，滯留時(shí)間(定義為生物反應(yīng)器中的液相體積除以輸入的氣流速度)減少。此外，由于給定的CO-乙醇轉(zhuǎn)化率是底物滯留時(shí)間的部分函數(shù)，而實(shí)現(xiàn)預(yù)期滯留時(shí)間將決定生物反應(yīng)器所需的體積，增壓系統(tǒng)的使用可顯著減少生物反應(yīng)器所需的體積，并且相應(yīng)的發(fā)酵裝置的主要成本也大大降低。根據(jù)美國(guó)專利號(hào)5，593，886中描述的實(shí)施方案，反應(yīng)器體積可按與反應(yīng)器操作壓力呈線性比例的方式減小，即，在10個(gè)大氣壓下操作的生物反應(yīng)器僅需要在I個(gè)大氣壓下操作的生物反應(yīng)器體積的十分之一體積。在加壓的環(huán)境下進(jìn)行氣體-乙醇的發(fā)酵的好處，在其它文獻(xiàn)中也有描述。例如，W002/08438描述了在30psig和75psig壓力進(jìn)行氣體-乙醇的發(fā)酵，其相應(yīng)的乙醇產(chǎn)率分別為150g/l/天和369g/l/天。然而，在大氣壓下，以相似的培養(yǎng)基和輸入氣體組成進(jìn)行的發(fā)酵實(shí)施例被發(fā)現(xiàn)每升每天的乙醇產(chǎn)量減少10-20倍。理想的，含CO的氣態(tài)底物的導(dǎo)入速率為確保液相中的CO的濃度不會(huì)變成限制性條件的速率。這是由于CO限制性條件的后果將導(dǎo)致產(chǎn)生的乙醇被培養(yǎng)物消耗。在某些實(shí)施方案中，如上所述根據(jù)本發(fā)明的發(fā)酵方法將導(dǎo)致液態(tài)培養(yǎng)基中的發(fā)酵液中含有乙醇和細(xì)菌細(xì)胞。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，乙醇從發(fā)酵液中回收。 在某些實(shí)施方案中，回收乙醇的過(guò)程包括不斷轉(zhuǎn)移一部分發(fā)酵液，以及從轉(zhuǎn)移走的發(fā)酵液部分中回收乙醇。在特定的實(shí)施方案中，回收乙醇的過(guò)程包括將轉(zhuǎn)移走的含有乙醇的發(fā)酵液部分通過(guò)分離單元，從而將細(xì)菌細(xì)胞從發(fā)酵液中分離，以產(chǎn)生不含細(xì)胞的含醇過(guò)濾物，并將細(xì)菌細(xì)胞重新轉(zhuǎn)移入生物反應(yīng)器中。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明所述的方法是連續(xù)過(guò)程。在特定實(shí)施方案中，乙酸鹽作為發(fā)酵的副產(chǎn)物產(chǎn)生。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，乙醇和乙酸鹽從發(fā)酵液中回收。在某些實(shí)施方案中，乙醇和乙酸鹽的回收包括不斷地轉(zhuǎn)移一部分發(fā)酵液，以及從轉(zhuǎn)移走的發(fā)酵液部分中分別回收乙醇和乙酸鹽。在某些實(shí)施方案中，乙醇和乙酸鹽的回收過(guò)程包括將含有乙醇和乙酸鹽的的發(fā)酵液轉(zhuǎn)移部分通過(guò)分離單元，從而將細(xì)菌細(xì)胞與乙醇和乙酸鹽分離，已產(chǎn)生不含細(xì)胞的含有乙醇和乙酸鹽的過(guò)濾物，并將細(xì)菌細(xì)胞重新轉(zhuǎn)移入生物反應(yīng)器。在上述實(shí)施方案中，乙醇和乙酸鹽的回收過(guò)程優(yōu)選包括首先從不含細(xì)胞的過(guò)濾物中回收乙醇，然后從不含細(xì)胞的過(guò)濾物中轉(zhuǎn)移出乙酸鹽。優(yōu)選所述不含細(xì)胞的過(guò)濾液隨后被重新轉(zhuǎn)移入生物反應(yīng)器。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明所述的方法是連續(xù)過(guò)程。乙醇是發(fā)酵過(guò)程優(yōu)選的期望的終產(chǎn)物?？梢圆捎帽绢I(lǐng)域熟知的方法，例如分餾或蒸發(fā)，以及萃取發(fā)酵，將乙醇從發(fā)酵液中回收。從發(fā)酵液中蒸餾乙醇產(chǎn)生乙醇和水的共沸混合物(即，95%的乙醇和5%的水)。無(wú)水乙醇可隨后通過(guò)分子篩乙醇脫水技術(shù)得到，這種技術(shù)同樣是本領(lǐng)域所熟知的。萃取發(fā)酵方法涉及使用對(duì)發(fā)酵有機(jī)體毒性風(fēng)險(xiǎn)低的水互溶溶劑，從而從稀釋的發(fā)酵液中回收乙醇。例如，油醇是一種可以用于這種提取方法的溶劑。油醇被不斷地加入到發(fā)酵容器中，然后該溶劑上升在發(fā)酵容器的頂部形成液體層，該液體層經(jīng)離心機(jī)連續(xù)提取和加料。水和細(xì)胞很容易的從油醇中分離并重新轉(zhuǎn)移入發(fā)酵容器，同時(shí)將含有乙醇的溶劑加入到閃蒸單元。大部分乙醇被蒸發(fā)濃縮，而油醇不揮發(fā)，將其回收以重新用于發(fā)酵。乙酸鹽也可以采用本領(lǐng)域熟知的方法從發(fā)酵液中回收。用于回收乙酸鹽的方法在W02007/117157 和 TO2008/115080 中有詳細(xì)描述。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，乙醇和乙酸鹽可以通過(guò)如下方式從發(fā)酵液中回收不斷地從發(fā)酵生物反應(yīng)器中轉(zhuǎn)移走一部分發(fā)酵液，從發(fā)酵液中分離微生物細(xì)胞(常規(guī)通過(guò)過(guò)濾)，然后先回收乙醇再回收乙酸鹽。按照以上描述的方法，乙醇可以常規(guī)地通過(guò)蒸餾回收，乙酸鹽可通過(guò)活化的活性炭吸附。分離的微生物細(xì)胞優(yōu)選可重新轉(zhuǎn)移入發(fā)酵生物反應(yīng)器。剩下的不含細(xì)胞的過(guò)濾物在乙醇和乙酸鹽被回收后也優(yōu)選地可以重新轉(zhuǎn)移入發(fā)酵生物反應(yīng)器。在其重新轉(zhuǎn)移入生物反應(yīng)器之前，其它營(yíng)養(yǎng)成分(比如維生素B)可以被加入到不含細(xì)胞的過(guò)濾物中以補(bǔ)充培養(yǎng)基的養(yǎng)分。而且，如果如上所述調(diào)整了發(fā)酵液的PH值從而加強(qiáng)活性炭對(duì)乙酸的吸附，則在發(fā)酵液被重新轉(zhuǎn)移入生物反應(yīng)器之前，應(yīng)當(dāng)重新調(diào)整PH以使之與發(fā)酵生物反應(yīng)器中發(fā)酵液的PH值相近。反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量(Reactionstoichiometry)不希望受任何理論的束縛的情況下，發(fā)明人認(rèn)為本發(fā)明所述的CO發(fā)酵產(chǎn)生乙醇(a)和乙酸(b)的化學(xué)反應(yīng)如下進(jìn)行 (a) 18C0+9H20 = > 3CH3CH20H+12C02(b) 12C0+6H20 = > 3CH3C00H+6C02本發(fā)明得以介由參考以下非限制性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)闡述。
實(shí)施例培養(yǎng)基以下實(shí)施例中所用培養(yǎng)基組分的構(gòu)成列于表I和表2中。表I.用于C. autoethano genum的培養(yǎng)基構(gòu)成
權(quán)利要求
1.來(lái)自Clostridiumautoethanogenum的生物純的細(xì)菌分離物,所述細(xì)菌基本沒(méi)有形成孢子的能力，并具有至少一個(gè)選自如下的其他限定特征 a.無(wú)論是否存在酵母提取物都能在基本培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的能力； b.與存在酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在不存在酵母提取物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)更快、產(chǎn)生更高比率的乙醇/乙酸鹽和/或產(chǎn)生更高濃度的乙醇的能力；和 c.非運(yùn)動(dòng)性。
2.權(quán)利要求I的細(xì)菌，其中所述細(xì)菌能夠發(fā)酵含CO的底物來(lái)產(chǎn)生包含乙醇和乙酸鹽的產(chǎn)物,且乙醇與乙酸鹽的比率至少為1.0。
3.權(quán)利要求I或2任意一項(xiàng)的細(xì)菌，其中所述細(xì)菌的乙醇生產(chǎn)率為至少約I.2g乙醇/升發(fā)酵液/天。
4.權(quán)利要求I的細(xì)菌,其中所述乙醇乙酸鹽的比率至少為I.2。
5.權(quán)利要求I的細(xì)菌，其中所述細(xì)菌的乙醇生產(chǎn)率為至少約2.Og乙醇/升發(fā)酵液/天。
6.權(quán)利要求I的細(xì)菌，其中所述細(xì)菌具有無(wú)論是否存在酵母提取物都能在基本培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的能力；并具有與存在酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在不存在酵母提取物的培養(yǎng)基中產(chǎn)生更高濃度的乙醇的能力。
7.權(quán)利要求I的細(xì)菌，所述細(xì)菌具有與存在酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在不存在酵母提取物的培養(yǎng)基中產(chǎn)生更高比率的乙醇/乙酸鹽的能力；且所述細(xì)菌是非運(yùn)動(dòng)性的。
8.權(quán)利要求I的細(xì)菌，其中所述其他限定特征是與存在酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在不存在酵母提取物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)更快、產(chǎn)生更高比率的乙醇/乙酸鹽和產(chǎn)生更高濃度的乙醇的能力。
9.權(quán)利要求I的細(xì)菌，其中所述細(xì)菌具有如下特征 (i)無(wú)論是否存在酵母提取物都能在基本培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的能力； ( )與存在酵母提取物的培養(yǎng)基相比，在不存在酵母提取物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)更快、產(chǎn)生更高比率的乙醇/乙酸鹽和產(chǎn)生更高濃度的乙醇的能力；和(iv)非運(yùn)動(dòng)性。
10.權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)的細(xì)菌，其中所述細(xì)菌具有保藏于德國(guó)微生物和細(xì)胞培養(yǎng)物保藏中心(DSMZ)、保藏號(hào)為DSM19630的Clostridium autoethanogenum菌株的限定特征。
11.用于生產(chǎn)一種或多種醇和/或酸的方法，其包括采用權(quán)利要求ι- ο中任一項(xiàng)的一種或多種細(xì)菌來(lái)發(fā)酵包含CO的底物。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述方法包括以下步驟 a.向含有權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的一種或多種的細(xì)菌的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中提供包含CO的底物；和 b.厭氧發(fā)酵所述生物反應(yīng)器中的所述培養(yǎng)物從而產(chǎn)生一種或多種醇和/或酸。
13.權(quán)利要求11或12任意一項(xiàng)的方法，其中所述底物是作為工業(yè)過(guò)程中的副產(chǎn)品而得到的包含CO的氣態(tài)底物。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述氣態(tài)底物包括從鋼鐵廠得到的氣體。
全文摘要
本發(fā)明描述了一類新型細(xì)菌，其在通過(guò)厭氧發(fā)酵含有一氧化碳的底物產(chǎn)生乙醇方面具有較高的效率。示例性細(xì)菌，Clostridium autoethanogenum，能夠以至少1.0的比率生成乙醇和乙酸鹽。
文檔編號(hào)C12N1/20GK102876609SQ201210367779
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者肖恩·丹尼斯·辛普森, 理查德·盧埃林·福斯特·福斯特, 邦辰·阮, 馬修·詹姆士·羅, 伊恩·林德斯特蘭德·華納 申請(qǐng)人:蘭扎泰克新西蘭有限公司