用于降低來自含co氣態(tài)底物發(fā)酵的生物質(zhì)中硒含量的方法和培養(yǎng)基的制作方法
【專利說明】用于降低來自含CO氣態(tài)底物發(fā)酵的生物質(zhì)中硒含量的方法和 培養(yǎng)基
[0001 ] 本申請要求2013年7月22日提交的美國臨時申請61/857，044的權(quán)益，所述申請全 文通過引用結(jié)合到本文中。
[0002] 本發(fā)明提供用于降低退出含CO氣態(tài)底物發(fā)酵的生物質(zhì)中硒含量的方法和培養(yǎng)基。 更具體地講，本發(fā)明提供有效降低退出發(fā)酵的細(xì)胞生物質(zhì)中硒含量同時保持高水平乙醇生 產(chǎn)率的方法和培養(yǎng)基。
[0003] 發(fā)明背景 發(fā)酵在限定的液體培養(yǎng)基中進(jìn)行。這些培養(yǎng)基一般包括對提高發(fā)酵性能重要的各種大 量營養(yǎng)物和微量營養(yǎng)物源。與不常見底物例如氣態(tài)底物相關(guān)使用的培養(yǎng)基需要明確限定的 培養(yǎng)基以優(yōu)化性能。厭氧發(fā)酵也需要明確限定的培養(yǎng)基。
[0004] 厭氧微生物可從一氧化碳(CO)通過氣態(tài)底物發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。用厭氧微生物從梭菌 屬(Clostridium)發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和其它有用產(chǎn)物。例如，美國專利5,173,429描述楊氏梭菌 (Clostridium ljungdahlii) ATCC No. 49587,一種從合成氣產(chǎn)生乙醇和乙酸鹽的厭氧微 生物。美國專利5,807,722描述用楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ATCC No. 55380 使廢氣轉(zhuǎn)化成有機酸和醇的方法和裝置。美國專利6，1 3 6，5 7 7描述用楊氏梭菌 (Clostridium ljungdahlii) ATCC No. 55988和55989使廢氣轉(zhuǎn)化成乙醇的方法和裝置。
[0005] 美國專利7,285，402描述已知用于氣態(tài)底物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基 中的各種組分和組分濃度有效提供高水平乙醇生產(chǎn)率。去除某些組分并降低其它組分所需 的濃度水平同時保持乙醇生產(chǎn)率可提供顯著成本節(jié)省，尤其在工業(yè)規(guī)模發(fā)酵。
[0006] Wood-Ljungdahl途徑在本領(lǐng)域熟知，且包括可分離成兩個分支的反應(yīng)：（1)甲基分 支和(2)羰基分支。甲基分支使合成氣轉(zhuǎn)化成甲基-四氫葉酸酯（甲基-THF)，而羰基分支使 甲基-THF轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A。然后可使乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化成乙醇。酶催化Wood-L jundahl途徑中 的反應(yīng)，那些酶需要各種元素用于最佳功能性。例如，甲酸脫氫酶，Wood-Ljundahl途徑中的 一種重要的酶，需要硒用于最佳活性。
[0007] 發(fā)明概述 一種用于使合成氣和發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵的方法提供高乙醇生產(chǎn)率，同時去除以前認(rèn)為必 要的培養(yǎng)基組分。去除某些培養(yǎng)基組分并降低其它培養(yǎng)基組分濃度在工業(yè)規(guī)模提供顯著的 操作成本節(jié)省。
[0008] 降低來自含CO氣態(tài)底物發(fā)酵的細(xì)胞生物質(zhì)中硒含量的方法包括使含CO氣態(tài)底物 在發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵。該方法有效提供至少約1克乙醇/(L ·天?克細(xì)胞）的比STY，并提供 退出發(fā)酵的細(xì)胞生物質(zhì)中約Ippm或更小的硒含量。
[0009] 使含CO氣態(tài)底物發(fā)酵的方法包括使含CO氣態(tài)底物在具有小于約Ippm硒的發(fā)酵培 養(yǎng)基中發(fā)酵。該方法有效提供至少約1克乙醇/(L ·天?克細(xì)胞)的比STY。
[0010] 發(fā)酵培養(yǎng)基包含至少約112mg氮/克細(xì)胞、至少約10.5mg磷/克細(xì)胞或至少約26mg 鉀/克細(xì)胞。發(fā)酵培養(yǎng)基具有小于約I .〇4ppm硼、小于約0 · 16ppm猛、小于約0· 26ppm鉬、小于 約Ippm硒或小于約0.16ppm銅。
[0011] 附圖簡述 由以下附圖，本方法的以上和其它方面、數(shù)個方面的特征和其它優(yōu)點將更顯而易見。 [0012] 圖1圖示說明來自不含硒培養(yǎng)基中楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-Ol接 種的氣體轉(zhuǎn)化率和細(xì)胞密度。
[0013] 圖2圖示說明來自含硒培養(yǎng)基中楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-Ol接種 的氣體轉(zhuǎn)化率和細(xì)胞密度。
[0014] 圖3顯示利用具有和不具有硒的培養(yǎng)基在培養(yǎng)管中生長的自產(chǎn)乙醇梭菌（C. autoethanogenum)培養(yǎng)物之間生長曲線的比較。
[0015]發(fā)明詳述 以下描述不應(yīng)以限制意義理解，而只為了描述示例性方面的一般原理而作出。本發(fā)明 的范圍應(yīng)參考權(quán)利要求確定。
[0016] 本發(fā)明提供一種方法和培養(yǎng)基組合物，它們令人驚訝且意外地提供高水平乙醇生 產(chǎn)率，即使在去除或降低以前認(rèn)為必要或需要處于一定濃度水平的硒濃度后。
[0017] 本文所述利用培養(yǎng)基和產(chǎn)乙酸菌在生物反應(yīng)器中進(jìn)行的合成氣發(fā)酵有效用于使 合成氣中的CO轉(zhuǎn)化成醇和其它產(chǎn)物。在此方面，生產(chǎn)率可表示為STY(空時產(chǎn)率，表示為g總 醇/(L ·天））。在此方面，所述方法有效用于提供至少約IOg或更大總醇/(L ·天）的STY(空 時產(chǎn)率）?？赡艿腟TY值包括約IOg總醇/(L ·天)至約200g總醇/(L ·天），在另一個方面，約 IOg總醇/(L ·天)至約160g總醇/(L ·天），在另一個方面，約IOg總醇/(L ·天)至約120g總 醇/(L ·天），在另一個方面，約IOg總醇/(L ·天)至約80g總醇/(L ·天），在另一個方面，約 20g總醇/(L ·天)至約140g總醇/(L ·天），在另一個方面，約20g總醇/(L ·天)至約100g總 醇/(L ·天），在另一個方面，約40g總醇/(L ·天)至約140g總醇/(L ·天），在另一個方面，約 40g總醇/(L ·天)至約100g總醇/(L ·天）。
[0018] 定義 除非另外定義，在整個本說明書關(guān)于本公開使用的以下術(shù)語限定如下，且可包括以下 限定定義的單數(shù)或復(fù)數(shù)形式： 修飾任何量的術(shù)語"約"是指在真實世界條件遇到的該量的變化，例如，在實驗室、中試 裝置或生產(chǎn)設(shè)施。例如，在由"約"修飾時，在混合物或量中利用的成分或測量的量包括在生 產(chǎn)設(shè)備或?qū)嶒炇覂?nèi)在試驗條件測量中通常利用的變化和關(guān)注程度。例如，在由"約"修飾時， 產(chǎn)物的組分的量包括在設(shè)備或?qū)嶒炇以诙鄠€試驗中批料之間的變化，和在分析方法中固有 的變化。無論是否由"約"修飾，所述量包括這些量的等效量。本文所述和由"約"修飾的任何 量也可作為未由"約"修飾的量用于本公開。
[0019] 本文使用術(shù)語"氣態(tài)底物"以在非限制意義上包括含一種或多種氣體或從一種或 多種氣體得到的底物。
[0020] 術(shù)語"合成氣"或"合成氣體"是指合成氣體，它是對包含不同量一氧化碳和氫的氣 體混合物給予的名稱。制備方法的實例包括天然氣或烴蒸汽重整產(chǎn)氫，煤的氣化，和一些類 型的廢物-能量氣化設(shè)備。這一名稱來自其用作產(chǎn)生合成天然氣(SNG)和制備氨或甲醇的中 間體。合成氣易燃，且通常用作燃料源或用作中間體制備其它化學(xué)品。
[0021] 術(shù)語"發(fā)酵器"包括由一個或多個容器和/或塔或管布置組成的發(fā)酵裝置，包括連 續(xù)攪拌釜反應(yīng)器(CSTR)、固定細(xì)胞反應(yīng)器(ICR)、滴流床反應(yīng)器(TBR)、移動床生物膜反應(yīng)器 (MBBR)、泡罩塔、氣升發(fā)酵器、膜反應(yīng)器(例如，中空纖維膜生物反應(yīng)器(HFMBR))、靜態(tài)混合 器或適用于氣體-液體接觸的其它容器或其它裝置。
[0022] 術(shù)語"發(fā)酵"、"發(fā)酵過程"或"發(fā)酵反應(yīng)"等旨在包括過程的生長階段和產(chǎn)物生物合 成階段二者。在一個方面，發(fā)酵指CO轉(zhuǎn)化成醇。
[0023] 術(shù)語"細(xì)胞密度"指微生物細(xì)胞質(zhì)量/發(fā)酵液單位體積，例如克/升。
[0024] 在與發(fā)酵過程相關(guān)使用時，術(shù)語"提高效率"、"提高的效率"等包括提高以下一個 或多個:發(fā)酵中微生物生長速率、消耗的每體積或質(zhì)量底物(例如，一氧化碳)產(chǎn)生的所需產(chǎn) 物(例如，醇）的體積或質(zhì)量、所需產(chǎn)物的生產(chǎn)速率或生產(chǎn)水平和與其它發(fā)酵副產(chǎn)物比較產(chǎn) 生的所需產(chǎn)物的相對比例。
[0025] 本文所用"總醇"包括乙醇、丁醇、丙醇和甲醇。在一個方面，總醇可包含至少約75% 重量或更多乙醇，在另一個方面，約80%重量或更多乙醇，在另一個方面，約85%重量或更多 乙醇，在另一個方面，約90%重量或更多乙醇，在另一個方面，約95%重量或更多乙醇。在另一 個方面，總醇可包含約25%重量或更少丁醇。
[0026] 術(shù)語"比CO攝入"指微生物細(xì)胞單位質(zhì)量(g)消耗的⑶的量(mmol)/單位時間（分 鐘），即，mmol/克/分鐘。
[0027] 含CO底物 含CO底物可包括包括CO的任何氣體。在該方面，含有CO的氣體可包括合成氣、工業(yè)用氣 和它們的混合物。
[0028] 合成氣可由任何已知的來源提供。在一方面，合成氣可源自碳質(zhì)材料的氣化。氣化 涉及在限制供應(yīng)的氧中部分燃燒生物質(zhì)。所得到的氣體主要包括〇)和出。在該方面，合成氣 將含有至少約10 mol % C0,在一方面，至少約20 mol %，在一方面，約10-約100 mol %，在 另一方面，約20-約100 mol % CO，在另一方面，約30-約90 mol % CO，在另一方面，約40-約 80 mol % C0,和在另一方面，約50-約70 mol % C0。合適的氣化方法和設(shè)備的一些實例在 均在2011年4月6日提交的美國序列號61/516，667、61/516,704和61/516,646和均在2012年 3月22日提交的美國序列號13/427,144、13/427,193和13/427,247中提供，均通過引用結(jié)合 到本文中。
[0029] 在另一方面，所述方法適用于支持由氣態(tài)底物(例如高體積含有CO的工業(yè)煙道氣） 生產(chǎn)醇。在一些方面，包括⑶的氣體源自含碳廢物（例如，工業(yè)廢氣）或源自其它廢物的氣 化。因此，所述方法代表用于捕集原本排放至環(huán)境的碳的有效方法。工業(yè)煙道氣的實例包括 在黑色金屬產(chǎn)品制造、有色金屬產(chǎn)品制造、石油精煉過程、煤的氣化、生物質(zhì)氣化、電力生 產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和焦炭制造期間產(chǎn)生的氣體。
[0030] 取決于含CO底物的組成，含CO底物可直接提供至發(fā)酵過程或可進(jìn)一步改性以包括 合適的H2: CO摩爾比。在一方面，提供至發(fā)酵器的含CO底物的H2: CO摩爾比為約0.2或更多，在 另一方面，約0.25或更多，和在另一方面，約0.5或更多。在另一方面，提供至發(fā)酵器的含CO 底物可包括約40摩爾％或更多的CO加上H2和約30摩爾％或更少的CO，在另一方面，約50摩爾％ 或更多的CO加上H 2和約35摩爾%或更少的C0,和在另一方面，約80摩爾%或更多的CO加上H2和 約20摩爾%或更少的C0。
[0031 ] 在一方面，含CO底物主要包括⑶和H2。在該方面，含⑶底物將含有至少約10 mol % ⑶，在一方面，至少約20 mol