控制在由合成氣制備乙醇中由污染性有機(jī)體導(dǎo)致的不希望的副產(chǎn)物形成的方法
【專利摘要】操作發(fā)酵區(qū)以由合成氣制備乙醇的方法使用巴豆酸酯類化合物以防止或逆轉(zhuǎn)產(chǎn)丁酸污染作用。巴豆酸酯類化合物在連續(xù)發(fā)酵方法中用于降低或消除合成氣衍生的乙醇產(chǎn)物中的丁酸酯和丁醇污染。
【專利說明】控制在由合成氣制備乙醇中由污染性有機(jī)體導(dǎo)致的不希望的副產(chǎn)物形成的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過在發(fā)酵系統(tǒng)中與微生物接觸將氣體基質(zhì)料流中的氫氣和一氧化碳低能、厭氧生物轉(zhuǎn)化 成氧合C2化合物如乙醇的方法，氫氣和一氧化碳的轉(zhuǎn)化效率都高。本發(fā)明方法降低了由發(fā)酵系統(tǒng)中的細(xì)菌污染產(chǎn)生的不希望的副產(chǎn)物如丁酸、丁醇和其它更長鏈有機(jī)酸或醇的產(chǎn)生。
[0002]發(fā)明背景
[0003]用作液體發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的生物乙醇生產(chǎn)在世界范圍內(nèi)日益提高。這類生物燃料包括例如可與具有寬組成范圍的汽油混合的乙醇。生物乙醇的主要驅(qū)動(dòng)之一是它通過發(fā)酵和生物方法技術(shù)衍生自可再生資源。通常，生物燃料由容易發(fā)酵的碳水化合物如糖和淀粉制備。例如，用于常規(guī)生物乙醇生產(chǎn)的兩種主要農(nóng)作物為甘蔗(巴西和其他熱帶國家)和玉米(corn)或玉米(maize)(美國和其他溫帶國家)。由于與食品和飼料生產(chǎn)競爭、耕地使用、水可得性和其他因素，提供易發(fā)酵碳水化合物的農(nóng)業(yè)原料的可得性有限。因此，木質(zhì)纖維素原料如林業(yè)余料、種植園樹木、稻草、禾草和其他農(nóng)業(yè)余料可被視為生物燃料生產(chǎn)的原料。不同于化石燃料的使用，由這類植物或甚至城市廢物來源得到生物乙醇提供了對液體燃料的生產(chǎn)而言環(huán)境上可許可的資源。
[0004]生產(chǎn)生物乙醇的高效路線為生物質(zhì)或其它有機(jī)物質(zhì)氣化成包含CO和/或氫氣的基質(zhì)氣體，其后使用同型產(chǎn)乙酸(homoacetogenic)微生物將氣體轉(zhuǎn)化成乙醇。這類轉(zhuǎn)化方法由 US7, 285，402B2、US20110059499A1、US20090215163A1 及其它中已知。
[0005]通常，用于一氧化碳或氫氣轉(zhuǎn)化的基質(zhì)氣體衍生自合成氣體(合成氣)，所述合成氣來自于含碳材料氣化、天然氣重整，和/或衍生自來自于厭氧發(fā)酵罐或來自各種工業(yè)方法的排出物流的生物氣體。氣體基質(zhì)包含一氧化碳、氫氣和二氧化碳，且通常包含其它組分如水蒸氣、氮?dú)?、甲烷、氨、硫化氫等?就本文而言，除非另外指出或者上下文明示，所有氣體組合物基于干燥報(bào)告。)
[0006]通過這些方法由基質(zhì)氣體制備乙醇需要顯著量的氫氣和一氧化碳。例如，一氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化成乙醇的理論公式為:
[0007]6C0+3H20 — C2H50H+4C02
[0008]6H2+2C02 — C2H50H+3H20
[0009]可以看出，一氧化碳的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致產(chǎn)生二氧化碳。氫氣的轉(zhuǎn)化涉及氫氣和二氧化碳的消耗，該轉(zhuǎn)化有時(shí)稱為4/C02轉(zhuǎn)化。就本文而言，它稱為氫氣轉(zhuǎn)化。
[0010]合成氣發(fā)酵方法的問題是氣體基質(zhì)，即一氧化碳和氫氣，在發(fā)酵溶媒的液相中的溶角軍度差° Munasinghe 等人在 Biomass-derived Syngas Fermentation in Biofuels:Opportunities and Challenges, Biosource Technology, 101 (2010) 5013-5022 中，總結(jié)了在各種反應(yīng)器構(gòu)造和流體動(dòng)力條件下，文獻(xiàn)中報(bào)告的用于合成氣和一氧化碳的發(fā)酵介質(zhì)的體積傳質(zhì)系數(shù)。因此，制備乙醇的生物發(fā)酵方法需要大體積的發(fā)酵液。例如，商業(yè)規(guī)模裝置，具有55，000，000加侖或更大的生產(chǎn)能力的那些裝置需要使用容納百萬加侖或更多發(fā)酵液的容器的發(fā)酵區(qū)。此外，發(fā)酵方法需要以連續(xù)方式操作延長的時(shí)間。
[0011]為保持由這類發(fā)酵區(qū)制備乙醇的效率，需要使C2氧合產(chǎn)物的產(chǎn)生最大化，同時(shí)使較高碳鏈產(chǎn)物如C4、c6、c8和較高有機(jī)酸或醇的產(chǎn)生最小化。已知方法設(shè)法通過使用對C2產(chǎn)物的產(chǎn)生具有非常高選擇性的同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌實(shí)現(xiàn)該效率。由于它們的性質(zhì)，將氣體基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇的同型產(chǎn)乙酸有機(jī)體不具有制備這些較長碳鏈產(chǎn)物的路徑。
[0012]同型產(chǎn)乙酸有機(jī)體在厭氧條件下與最少的介質(zhì)存活于CO和H2基質(zhì)上的能力提供保護(hù)以對抗需要許多不同環(huán)境的許多生物污染物。然而，工業(yè)乙醇生產(chǎn)所需發(fā)酵區(qū)和總設(shè)備的尺寸和規(guī)模使設(shè)備的無菌操不可能。因此，微生物污染不可避免地在一些點(diǎn)發(fā)生并可能由于產(chǎn)生這類更高鏈副產(chǎn)物而使生產(chǎn)劣化，這又嚴(yán)重降低乙醇或其它理想產(chǎn)物的收率。
[0013]盡管存在許多潛在的污染物，一類常見的潛在污染物會(huì)產(chǎn)生丁酸、丁醇和其它更長鏈有機(jī)酸或醇。產(chǎn)生這類化合物作為其主要代謝物的一部分的微生物稱為產(chǎn)丁酸菌(butyrogen) 0存在許多類產(chǎn)丁酸菌。一個(gè)主要類別利用碳水化合物和其它碳化合物如氨基酸、類脂等。另一類產(chǎn)丁酸菌利用合成氣，又一類產(chǎn)丁酸菌可以以轉(zhuǎn)移酶路徑利用乙醇和乙酸酯。因?yàn)橄惹八鲈?，不可能無菌操作這種大規(guī)模發(fā)酵，因此所有這些產(chǎn)丁酸菌污染源都將存在。
[0014]當(dāng)產(chǎn)丁酸菌污染保持在大規(guī)模發(fā)酵容器中時(shí)，它可通過使進(jìn)料轉(zhuǎn)化從所需產(chǎn)物偏移以及使產(chǎn)物回收不可行而破壞方法的工業(yè)可行性。針對液體化合物組成和濃度寬泛變化涉及產(chǎn)物回收設(shè)備會(huì)增加高的驚人的成本。大體積的發(fā)酵液和培養(yǎng)微生物至生產(chǎn)濃度也使設(shè)備的沖洗和再啟動(dòng)不可行。
[0015]相反，常規(guī)乙醇裝置，例如玉米乙醇裝置操作多個(gè)間歇式反應(yīng)器，因此固有地限制了競爭性微生物可用于 種群增加的時(shí)間。實(shí)際上，分批發(fā)酵的持續(xù)時(shí)間通常基于乙醇效價(jià)(titer)和不想要的高級醇的濃度。此外，發(fā)酵罐可在批料之間滅菌以消除不想要微生物的存在。
[0016]因此，尋求消除或抑制大規(guī)模發(fā)酵區(qū)中產(chǎn)丁酸菌生長而不破壞由該發(fā)酵區(qū)生產(chǎn)乙醇或其它產(chǎn)物如乙酸、丙醇或丙酸的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]通過本發(fā)明，已找到一類特定巴豆酸酯類化合物抑制產(chǎn)丁酸菌種群生長，同時(shí)不過度破壞產(chǎn)生輕質(zhì)氧合產(chǎn)物如乙醇、乙酸、丙醇和丙酸的同型產(chǎn)乙酸或異型產(chǎn)乙酸(heteroacetogenic)微生物的生產(chǎn)率。實(shí)現(xiàn)該發(fā)現(xiàn)要求確定這些化合物充當(dāng)產(chǎn)丁酸菌的抑菌或殺菌劑，同時(shí)不過度抑制同型產(chǎn)乙酸菌的生長。無論化合物充當(dāng)殺菌劑還是抑菌劑，它體內(nèi)作用的能力對其在連續(xù)操作延長時(shí)間的大規(guī)模發(fā)酵區(qū)中保持生產(chǎn)所需產(chǎn)物的效力同樣重要。已發(fā)現(xiàn)，被發(fā)現(xiàn)的這類化合物是體內(nèi)有效的，因此用于抑制或阻滯發(fā)酵容器內(nèi)的產(chǎn)丁酸菌污染，并可根據(jù)需要作為添加劑引入方法中。本發(fā)明的以殺菌或抑菌方式作用的這些巴豆酸酯類化合物在本文中稱為丁基阻滯劑。
[0018]有效的巴豆酸酯類化合物可由以下結(jié)構(gòu)式表示:
[0019]1.R2(R3)C = C(H)C(O)R1
[0020]或
[0021]I1.R2-A-C(O) R1[0022]其中:
[0023]R1為-OH、-0R5或-N(R4)2，其中R5為烴基，優(yōu)選具有1_6個(gè)碳，且各R4可相同或不同并且為氫或烴基，優(yōu)選具有1-6個(gè)碳的烴基；
[0024]R2為氫、-NH2、-OH或-CX3,其中各X可相同或不同且為氫或鹵素,優(yōu)選全鹵化,最優(yōu)選全氟化；
[0025]R3為具有1-18個(gè)碳且可未被取代或被-OH、具有I至約6個(gè)碳的烷氧基或鹵素取代的烴基，優(yōu)選全鹵化，最優(yōu)選全氟化；
[0026]A為具有5或6個(gè)環(huán)原子的芳族結(jié)構(gòu)部分，所述環(huán)原子可以都是碳原子，或者可以為具有一個(gè)選自氧和氮的雜原子的雜環(huán)，所述芳族結(jié)構(gòu)部分具有在2位上的-R2，其中-R2如上文所定義，且所述芳族結(jié)構(gòu)部分可未被取代或者在更高碳位(例如苯基結(jié)構(gòu)部分的3-、4-、5_和6-位)中的一個(gè)或多個(gè)上被如下取代基取代:(i)具有1-18個(gè)碳且可被-OH、具有I至約6個(gè)碳的烷氧基或鹵素取代的烴基，(ii)-OR6，其中R6為低級烷基，或
(iii)-N(R7)2，其 中各R7為相同或不同的且為氫或烴基，優(yōu)選具有1-6個(gè)碳的烴基，或(iv)鹵素，優(yōu)選氟；
[0027]條件是在結(jié)構(gòu)式I中，R2和R3中的至少一個(gè)，優(yōu)選兩個(gè)為鹵代烷基或者被鹵代烷基取代，且在式II中，芳基結(jié)構(gòu)部分的至少2或3碳位被選自鹵素和鹵代烷基的吸電子基團(tuán)取代。烴基優(yōu)選為烷基，最優(yōu)選線性或支化烷基。
[0028]優(yōu)選的巴豆酸酯類化合物可由以下結(jié)構(gòu)式表示:
[0029]II1.R2(R3)C = C(H)C(O)R1
[0030]或
[0031]IV.R2-A-C (O) R1
[0032]其中在式III中，R2為-0扎-順2或-CX3，其中X為鹵素，優(yōu)選氟，且R3為-CX3,其中X為鹵素，優(yōu)選氟，且
[0033]在式IV中，芳基為苯基，且苯基結(jié)構(gòu)部分的2和3位碳中的至少一個(gè)為_0\，其中X為鹵素，優(yōu)選氟。
[0034]不意欲限制，這些優(yōu)選的巴豆酸酯類化合物不僅具有類似的空間構(gòu)型，而且與巴豆酸酯陰離子的碳的電子密度相比，具有在式I的3位碳上以及芳基結(jié)構(gòu)部分的2位上降低的電子密度。鹵代取代基為吸電子的。給電子取代基如胺、羥基或烷氧基的存在可緩和吸電子取代基的作用。因此，在其中存在給電子取代基的優(yōu)選實(shí)施方案中，使用強(qiáng)吸電子結(jié)構(gòu)部分如全氟烷基。
[0035]一類巴豆酸酯類化合物為二鹵素取代的巴豆酸酯化合物(具有兩個(gè)末端全鹵化甲基的巴豆酸酯)。二鹵素取代的巴豆酸酯化合物包括酸、酰胺和酯。代表性化合物包括4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酸；4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三氟-3-(三氯甲基)巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氟-3-(三氯甲基)巴豆酸；4，4，4-三氟-3-(三氯甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三氯-3-(三氟甲基)巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氯-3-(三氟甲基)巴豆酸；4，4，4-三氯-3-(三氟甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三氯-3-(三氯甲基)巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氯_3_ (三氯甲基)巴豆酸；4，4，4-三氯-3-(三氯甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三溴-3-(三氟甲基)巴豆酸；4，4，4-三溴-3-(三氟甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三溴-3-(三氟甲基)巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氟-3-(三溴甲基)巴豆酸；4，4，4-三氟-3-(三溴甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三氯-3-(三溴甲基)巴豆酸；4，4，4-三氯-3-(三溴甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三碘-3-(三氟甲基)巴豆酸；4，4，4-三碘-3-(三氟甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三碘-3-(三氯甲基)巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氟-3-(三碘甲基)巴豆酸；4，4，4-三氟-3-(三碘甲基)巴豆酰胺；4，4，4-三氯-3-(三碘甲基)巴豆酸和4，4，4-三氯-3-(三碘甲基)巴豆酰胺，其中烷基為低級烷基，優(yōu)選具有1-4個(gè)碳，優(yōu)選乙基。
[0036]另一類巴豆酸酯類化合物為含苯基化合物，包括但不限于，2-三氟甲基苯甲酸；2-三氟甲基苯甲酰胺；2_三氟甲基苯甲酸烷基酯；3_三氟甲基苯甲酸；3_三氟甲基苯甲酰胺；3_三氟甲基苯甲酸烷基酯；2_氨基-3-三氟甲基苯甲酸；2_氨基-3-三氟甲基苯甲酰胺；2_氨基-3-三氟甲基苯甲酸烷基酯；3_三氟-4-甲氧基苯甲酸；3_三氟-4-甲氧基苯甲酰胺；3_三氟-4-甲氧基苯甲酸烷基酯；3_三氟甲基-4-氟苯甲酸；3-三氟甲基-4-氟苯甲酰胺；3_三氟甲基-4-氟苯甲酸烷基酯；3_三氟甲基-5-三氟甲基苯甲酸；3-三氟甲基-5-三氟甲基苯甲酰胺；3_三氟甲基-5-三氟甲基苯甲酸烷基酯；2_三氯甲基苯甲酸；2-三氯甲基苯甲酰胺；2_三氯甲基苯甲酸烷基酯；3_三氯甲基苯甲酸；3_三氯甲基苯甲酰胺；3_三氯甲基苯甲酸烷基酯；2_氨基-3-三氯甲基苯甲酸；2_氨基-3-三氯甲基苯甲酰胺；2-氨基-3-三氯甲基苯甲酸烷基酯；3_三氯-4-甲氧基苯甲酸；3_三氯-4-甲氧基苯甲酰胺；3_三氯-4-甲氧基苯甲酸烷基酯；3_三氯甲基-4-氯苯甲酸；3_三氯甲基-4-氯苯甲酰胺；3_三氯甲基-4-氯苯甲酸烷基酯；3_三氯甲基-5-三氯甲基苯甲酸；3-三氯甲基-5-三氯甲基苯甲酰胺；和3-三氯甲基-5-三氯甲基苯甲酸烷基酯，其中烷基為低級烷基，優(yōu)選具有1-4個(gè)碳，優(yōu)選乙基。
[0037]另一類巴豆酸酯類化合物為3-氨基取代的巴豆酸酯，例如4，4，4-三氟_3_氨基巴豆酸；4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酰胺；4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氯-3-氨基巴豆酸；4，4，4-三氯-3-氨基巴豆酰胺；4，4，4-三氯-3-氨基巴豆酸烷基酯；4，4，4-三溴-3-氨基巴豆酸；4，4，4-三溴-3-氨基巴豆酰胺；4，4，4-三溴-3-氨基巴豆酸烷基酯；4，4，4-三碘-3-氨基巴豆酸；4，4，4-三碘-3-氨基巴豆酰胺；和4，4，4-三碘-3-氨基巴豆酸烷基酯，其中烷基為低級烷基，優(yōu)選具有1-4個(gè)碳，優(yōu)選乙基。
[0038]巴豆酸酯類化合物的作用隨著它們的濃度而變化。根據(jù)本發(fā)明，巴豆酸酯類化合物在發(fā)酵方法中以低至50質(zhì)量ppm的純化合物濃度有效用于抑制產(chǎn)丁酸菌的生長。有效濃度可隨著使用輸送體系和試劑而顯著降低，所述輸送體系和試劑改進(jìn)在包含微生物的介質(zhì)中的分布并改進(jìn)微生物對化合物的攝取。在大多數(shù)情況下，避免超過1000質(zhì)量ppm的濃度以便不過度妨礙產(chǎn)生輕質(zhì)氧合物如乙醇的微生物的生長。
[0039]本發(fā)明的一個(gè)寬泛方面為限制在氣體基質(zhì)的厭氧發(fā)酵中丁酸酯和丁醇以及更高分子量類似物(下文中集合性地稱為較高級氧合物)產(chǎn)生的方法，所述氣體基質(zhì)包含CO和/或CO2與氫氣的混合物中的至少一種。該方法包括使氣體物流進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵區(qū)中，所述厭氧發(fā)酵區(qū)包含至少一種能夠產(chǎn)生不同于或除較高級氧合物外的氧合液體產(chǎn)物的厭氧微生物物種。通過發(fā)酵區(qū)中的微生物與氣體物流接觸將至少一部分氣體物流轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物。將巴豆酸酯類化合物作為產(chǎn)丁酸菌阻滯劑以有效限制較高級氧合物的產(chǎn)生的量加入發(fā)酵液中。該方法將包含液體產(chǎn)物的發(fā)酵液從發(fā)酵區(qū)中取出并從發(fā)酵液中回收液體產(chǎn)物。發(fā)酵區(qū)通常包含多種微生物物種，通常有用于制備液體產(chǎn)物的同型產(chǎn)乙酸微生物和產(chǎn)生丁酸酯和/或丁醇的產(chǎn)丁酸微生物。發(fā)酵區(qū)還可包含產(chǎn)生丁酸酯或丁醇以及液體產(chǎn)物如乙酸和/或乙醇或丙醇的異型產(chǎn)乙酸微生物。
[0040]本發(fā)明的另一寬泛方面為通過使用同型產(chǎn)乙酸微生物將包含CO和/或CO2與氫氣的混合物的氣體物流發(fā)酵以轉(zhuǎn)化氣體物流而生產(chǎn)乙醇的方法，其中抑制較高級氧合物的產(chǎn)生。該方法使氣體物流進(jìn)入包含同型產(chǎn)乙酸微生物和發(fā)酵液的發(fā)酵區(qū)中。同型產(chǎn)乙酸微生物與氣體物流在發(fā)酵區(qū)中接觸產(chǎn)生乙醇。將巴豆酸酯類化合物以足以抑制產(chǎn)丁酸菌生長和較高級氧合物產(chǎn)生的量引入發(fā)酵液中?；陂g歇式或連續(xù)式，產(chǎn)丁酸菌阻滯劑濃度可為10-1000質(zhì)量ppm。該方法將包含乙醇的發(fā)酵液從發(fā)酵區(qū)中取出并從發(fā)酵液中回收乙醇產(chǎn)物。
[0041]在另一形式中，本發(fā)明為通過使用同型產(chǎn)乙酸微生物將包含CO和/或CO2與氫氣的混合物的氣體物流發(fā)酵以將氣體物流轉(zhuǎn)化成乙醇而生產(chǎn)乙醇的方法。該方法使氣體物流進(jìn)入包含同型產(chǎn)乙酸微生物和發(fā)酵液的發(fā)酵區(qū)中，其通過與同型產(chǎn)乙酸微生物接觸而將氣體物流轉(zhuǎn)化成乙醇。將包含巴豆酸酯類化合物的產(chǎn)丁酸菌阻滯劑加入發(fā)酵區(qū)中以破壞產(chǎn)丁酸菌的生長。產(chǎn)丁酸菌阻滯劑以產(chǎn)生50-1000質(zhì)量ppm的巴豆酸酯類化合物濃度的量加入。該方法將包含乙醇的發(fā)酵液從發(fā)酵區(qū)中取出并從發(fā)酵液中回收乙醇產(chǎn)物。在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，產(chǎn)丁酸菌阻滯劑包含如下至少一種:4，4，4-三氟-3-三氟甲基巴豆酸；4，4，4-三氟-3-三氟甲基巴豆酰胺；4，4，4-三氟-3-三氟甲基巴豆酸乙酯；4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酸；4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酰胺；4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酸乙酯；2_三氟甲基苯甲酸；2_三氟甲基苯甲酰胺；2_三氟甲基苯甲酸乙酯；3_三氟甲基苯甲酸；3_三氟甲基苯甲酰胺；3_三氟甲基苯甲酸乙酯；2_氨基-3-三氟甲基苯甲酸；2_氨基-3-三氟甲基苯甲酰胺；和2-氨基-3-三氟甲基苯甲酸乙酯；且巴豆酸酯類化合物以50-500質(zhì)量ppm的濃度加入發(fā)酵區(qū)中。
[0042]盡管本發(fā)明方法在使用合成氣厭氧微生物生產(chǎn)輕質(zhì)氧合物方面提供優(yōu)異價(jià)值，該方法仍適用于制備輕質(zhì)氧合物的其它方法。因此，本發(fā)明的另一寬泛方面涉及通過將有效量的某些巴豆酸酯類化合物供入發(fā)酵液中而限制由于在發(fā)酵方法中污染性產(chǎn)丁酸菌而導(dǎo)致的較高級氧合物產(chǎn)生的方法。特別地，本發(fā)明這一寬泛方面涉及基質(zhì)轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)氧合物的代謝轉(zhuǎn)化方法的改進(jìn)，所述基質(zhì)可以為一種或多種糖或其它碳水化合物或一氧化碳或氫氣和二氧化碳，所述方法包括使包含所述基質(zhì)的發(fā)酵液與能夠在需氧或厭氧發(fā)酵條件下將基質(zhì)生物轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)氧合物的微生物接觸，所述發(fā)酵液對能夠通過丁酰CoA酶由所述基質(zhì)或所述輕質(zhì)氧合物產(chǎn)生丁酸酯或丁醇中的至少一種的污染細(xì)菌的存在敏感，其中所述改進(jìn)包括向所述發(fā)酵液中提供足量的巴豆酸酯類化合物以限制較高級氧合物的產(chǎn)生。
[0043]厘
[0044]圖1為闡述產(chǎn)生丁醇和丁酸酯的產(chǎn)丁酸菌代謝中的一些關(guān)鍵酶產(chǎn)物和中間產(chǎn)物的圖。
[0045]圖2為顯示在不同濃度的巴豆酸酯衍生物的存在下，用異型產(chǎn)乙酸細(xì)菌發(fā)酵的產(chǎn)物分布的棒狀圖。
[0046]圖3為顯示在連續(xù)發(fā)酵罐運(yùn)行中乙酸酯和丁酸酯化合物隨時(shí)間的濃度的圖，以及發(fā)酵液的光密度進(jìn)行。
[0047]圖4為顯示經(jīng)圖3的連續(xù)發(fā)酵罐運(yùn)行所選擇的時(shí)間，丁酸酯化合物的產(chǎn)生和產(chǎn)生速率的圖。
[0048]圖5為圖3的圖在約500小時(shí)與640小時(shí)之間的放大部分。
[0049]圖6為圖3的圖在約1660小時(shí)與1900小時(shí)之間的放大部分。
[0050]
[0051]定義
[0052]產(chǎn)丁酸菌指在厭氧條件下產(chǎn)生具有4個(gè)碳原子的化合物如丁酸酯和丁醇的微生物，該術(shù)語還可包括產(chǎn)生更長鏈(C6-C8)有機(jī)酸和醇的微生物。
[0053]產(chǎn)丁酸菌阻滯劑指用于抑制或殺滅產(chǎn)丁酸菌的化合物。該術(shù)語表明所述化合物作為殺菌劑或抑菌劑的活性。
[0054]丁基雜質(zhì)指其結(jié)構(gòu)中具有總計(jì)4個(gè)或更多碳原子的任何分子，其中碳原子作為鏈排列。
[0055]輕質(zhì)氧合物指具有2或3個(gè)碳原子和至少一個(gè)碳-氧鍵的任何分子。
[0056]一般件描述
[0057]本發(fā)明適用 和丙酸，且氣體通常包含二氧化碳和氮?dú)?。合成氣是該氣體基質(zhì)的一個(gè)來源。合成氣可由許多含碳原料制備。這些包括烴來源，例如天然氣、生物氣體、通過含烴材料、泥炭、石油焦和煤重整而產(chǎn)生的氣體。產(chǎn)生合成氣的其它來源包括廢料，例如建筑和拆除的碎屑、城市固體廢物和填埋場氣體。合成氣通常通過氣化器產(chǎn)生。天然氣至合成氣的轉(zhuǎn)化也是有吸引力的合成氣原料來源，所述轉(zhuǎn)化例如通過部分氧化進(jìn)行，例如2011年11月28日提交的美國專利申請序列號(hào)13/304,902中所公開的，通過引用將其全部并入本文中。任何上述生物質(zhì)來源都適用于生產(chǎn)合成氣。由此產(chǎn)生的合成氣通常包含10-60摩爾％CO、10-25摩爾％ CO2和10-60摩爾％ H2。合成氣還可包含N2和CH4以及痕量組分如H2S和COS、NH3和HCN。氣體基質(zhì)的其它來源包括通過石油和石油化學(xué)加工而產(chǎn)生的氣體。這些氣體可具有與通常的合成氣實(shí)質(zhì)性不同的組成，并且可以為基本純氫氣或基本純一氧化碳。也可將基質(zhì)氣體處理以除去或改變組成，包括但不限于通過吸附、膜分離和選擇性反應(yīng)而除去組分?？蓪⒔M分加入氣體基質(zhì)中，例如氮?dú)饣蜉o助氣體如氨和硫化氫。術(shù)語合成氣用于本文中且意欲包括這些其它氣體基質(zhì)。
[0058]本發(fā)明使用特別選擇用于生產(chǎn)輕質(zhì)氧合物，優(yōu)選選擇用于生產(chǎn)乙醇的同型產(chǎn)乙酸微生物和發(fā)酵條件。0)和4/0)2生物轉(zhuǎn)化成乙酸和乙醇和其它產(chǎn)物是已知的。合適的微生物在厭氧條件下生存和生長，這意味著發(fā)酵區(qū)中基本不存在氣態(tài)和溶解的氧。厭氧生物轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)路徑和能量的簡述由Das, A.和L.G.Ljungdahl總結(jié)于Electron TransportSystem in Acetogens 以及由 Drake, H.L.和 K.Kusel 總結(jié)于 Diverse PhysiologicPotential of Acetogens 中，分別在 Biochemistry and Physiology of AnaerobicBacteria, L.G.Ljungdahl編輯,Springer (2003)的第14和13章。可使用具有通過轉(zhuǎn)化合成氣組分:C0、H2, CO2而生產(chǎn)乙醇的能力的任何微生物，所述合成氣組分單獨(dú)或彼此組合或與通常存在于合成氣中的其它組分組合。合適的微生物和/或生長條件可包括名稱為 “Isolation and Characterization of Novel Clostridial Species，，的美國專利7，704，723中所公開的那些，所述專利公開了具有所有識(shí)別特征ATCC N0.BAA-622的拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)的生物純培養(yǎng)物,通過引用將其全部并入本文中。拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)可例如用于將合成氣發(fā)酵成乙醇。
[0059]合適的微生物包括:楊氏梭菌(Clostridium I jungdahlii),菌株具有識(shí)別特征ATCC49587 (US-A-5, 173，429)和 ATCC55988 和 55989 (US-A-6, 136，577)，其能夠生產(chǎn)乙醇以及乙酸；產(chǎn)醇梭菌(Clostridium autoethanogemum sp.ηον.),由一氧化碳生產(chǎn)乙醇的厭氧菌，Jamal Abrini, Henry Naveau, Edomond-Jacques Nyns, Arch Microbiol., 1994,345-351 ；Archives of Microbiologyl994,161:345-351 ;和科斯卡塔梭菌(ClostridiumCoskatii)，具有識(shí)別特征ATCC N0.PTA-10522，以美國專利N0.8，143，037提交。通過引用所有這些參考文獻(xiàn)全部并入本文中。
[0060]本發(fā)明可為任何類型發(fā)酵區(qū)提供優(yōu)點(diǎn)。合適的發(fā)酵區(qū)通常稱為生物反應(yīng)器。術(shù)語“生物反應(yīng)器”包括由一個(gè)或多個(gè)容器和/或塔或管道排列組成的發(fā)酵裝置，其包括連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器(CSTR)、固定化細(xì)胞反應(yīng)器(ICR)、滴流床反應(yīng)器(TBR)、泡罩塔、氣體提升發(fā)酵罐、膜反應(yīng)器如中空纖維膜生物反應(yīng)器(HFMBR)、靜態(tài)混合器，或者適于氣體-液體接觸的其它容器或其它裝置。[0061]典型的生物反應(yīng)器具有懸浮細(xì)胞型生物反應(yīng)器或膜支撐型生物反應(yīng)器的排列。在懸浮細(xì)胞型生物反應(yīng)器中，發(fā)酵液包含懸浮的微生物，因?yàn)闅怏w基質(zhì)通過發(fā)酵液以通過氣體吸收到液體中以及微生物攝取溶解的氣體而進(jìn)行氣體與微生物之間的接觸。懸浮細(xì)胞型生物反應(yīng)器通常采取連續(xù)攪拌釜的形式，其中葉輪提供氣體基質(zhì)和發(fā)酵液的機(jī)械混合，或者泡罩塔生物反應(yīng)器，其中將基質(zhì)注入氣體中促進(jìn)氣體與液體的混合。
[0062]膜支撐型生物反應(yīng)器利用固體表面，微生物作為生物膜或細(xì)胞濃縮物生長于其上，基質(zhì)氣體與其接觸，。如US20080305539A1所示的一種膜生物反應(yīng)器使生物膜生長于膜的一側(cè)上并與發(fā)酵液直接接觸，同時(shí)基質(zhì)氣體從膜的相對側(cè)滲透與生物膜接觸。US20090215163A1公開了膜支撐型生物反應(yīng)器的相反排列，其中膜的一側(cè)保持微生物與氣體基質(zhì)直接接觸，而發(fā)酵液從膜的相對側(cè)滲透并與微生物接觸。這兩種類型的膜支撐型生物反應(yīng)器均適用于本發(fā)明。
[0063]當(dāng)本發(fā)明使用懸浮細(xì)胞生物反應(yīng)器時(shí)，發(fā)酵液包含微生物和各種介質(zhì)補(bǔ)充物的懸浮液。發(fā)酵液的各種輔助劑可包括緩沖劑、痕量金屬、維生素、鹽等。發(fā)酵液的調(diào)整可包括不同時(shí)間的不同條件，例如會(huì)影響微生物生產(chǎn)率的生長和非生長條件。先前引用的美國專利7，704，723，通過弓丨用將其內(nèi)容并入本文中，公開了用于使用厭氧微生物將CO和H2/C02生物轉(zhuǎn)化的條件和合適發(fā)酵溶媒的含量。操作生物反應(yīng)器生產(chǎn)乙醇的其它方法、操作條件和介質(zhì)描述于文獻(xiàn)中，包括W02007/117157、W02008/115080、美國專利N0.6，340, 581、美國專利N0.6，136，577、美國專利 N0.5，593，886、美國專利 N0.5，807，722 和美國專利 N0.5，821，111中所述的那些，通過引用將每一篇并入本文中。
[0064]發(fā)酵在合適條件下進(jìn)行，包括壓力、溫度、氣體流速、液體流速、介質(zhì)pH、介質(zhì)氧化還原電勢、攪拌速率(如果使用連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器)、接種水平和確保液相中的CO不變成有限的最大氣體基質(zhì)濃度，和避免產(chǎn)物抑制的最大產(chǎn)物濃度。合適的條件描述于W002/08438、W007/117, 157和W008/115，080中。通常，發(fā)酵區(qū)中的發(fā)酵液和微生物包括25_60°C，更通常約30-40°C范圍內(nèi)的合適溫度。其它發(fā)酵條件包括微生物的密度、發(fā)酵液組成和液體深度，其都優(yōu)選足以實(shí)現(xiàn)追求的氫氣和一氧化碳轉(zhuǎn)化率。
[0065]包含營養(yǎng)物的新鮮液體介質(zhì)通常連續(xù)進(jìn)入生物反應(yīng)器中。新鮮介質(zhì)的加入和發(fā)酵液的取出提供細(xì)胞物質(zhì)從生物反應(yīng)器中的連續(xù)取出。由于發(fā)酵繼續(xù)產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)，介質(zhì)和發(fā)酵液的取出和加入速率會(huì)在生物反應(yīng)器中建立平均細(xì)胞停留時(shí)間。大多數(shù)發(fā)酵區(qū)的平均細(xì)胞停留時(shí)間通常為2-7天。
[0066]如本發(fā)明所述的產(chǎn)丁酸菌阻滯劑為具有抑制或停止發(fā)酵區(qū)中通過微生物產(chǎn)生具有4個(gè)或更長鏈碳原子的酸或醇的作用，同時(shí)不實(shí)質(zhì)性干擾合成氣轉(zhuǎn)化成較低碳數(shù)氧合物如C2和C3酸和醇的一類化合物。有用的產(chǎn)丁酸菌阻滯劑為可干擾一種或多種產(chǎn)丁酸菌的丁基雜質(zhì)產(chǎn)生的任何化合物。已知的產(chǎn)丁酸菌包括基本僅產(chǎn)生丁基雜質(zhì)的嚴(yán)格產(chǎn)丁酸菌和可產(chǎn)生乙醇和乙酸酯以及丁基雜質(zhì)的異型產(chǎn)乙酸菌。
[0067]產(chǎn)丁酸菌的特征在于在其代謝路徑中具有將巴豆酰-CoA轉(zhuǎn)化成丁酰-CoA的關(guān)鍵步驟。圖1顯示了產(chǎn)丁酸菌代謝的普遍路徑，且丁醇和丁酸酯的產(chǎn)生路徑僅在起始基質(zhì)方面不同。產(chǎn)生丁醇和丁酸酯的起始基質(zhì)包括通過路徑I的乙醇和乙酸、通過路徑3和4的糖,和通過路徑4的合成氣。
[0068]產(chǎn)丁酸菌如丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)產(chǎn)生丁酸酯作為主要產(chǎn)物或者作為短鏈脂肪酸產(chǎn)物污斑，所述短鏈脂肪 酸產(chǎn)物作為其主要代謝的一部分，代謝中還產(chǎn)生幾種酸和它們相應(yīng)的溶劑(圖1，路徑2)。這些有機(jī)體使用糖或蛋白質(zhì)作為代謝物生產(chǎn)的基質(zhì)。其它產(chǎn)丁酸菌如各種真桿菌(Eubacterium)菌株和羅斯氏菌(Roseburia)是嚴(yán)格產(chǎn)丁酸的，并通過使用不同的酶產(chǎn)生大量酸而產(chǎn)生最終產(chǎn)物丁酸酯(圖1，路徑3)。預(yù)計(jì)這些類的產(chǎn)丁酸菌比使用路徑I和路徑4的那些問題更小，因?yàn)樗鼈冊陬A(yù)測存在于大規(guī)模合成反應(yīng)器中的生長條件下可能在代謝方面是不利的。
[0069]路徑1(圖1)包括克氏羧菌(C.kluyveri)和可利用乙醇、乙酸酯和氫氣制備C4和更高鏈酸的類似代謝類型的有機(jī)體。克氏羧菌(C.kluyveri)可停留在反應(yīng)器中并與其它有機(jī)體形成共生關(guān)系，因此可能使它在代謝上是有利的，且如果發(fā)酵罐的環(huán)境條件不改變的話，這可導(dǎo)致永久性侵染。因此，對于利用產(chǎn)丁酸菌的非合成氣而言，克氏羧菌(C.kluyveri)和類似類型造成長期永久性污染的高風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈兛扇菀椎赜梢掖己鸵宜狨セ蛘邇煞N乙酸酯產(chǎn)生C4或更高級酸。該反應(yīng)在某些條件下在熱動(dòng)力方面也是有利的。
[0070]最后，使用路徑4(圖1)的有機(jī)體為可在糖和合成氣上生長并產(chǎn)生多種短鏈和較長鏈酸和醇的那些。這些寬泛地歸類為異型產(chǎn)乙酸菌，且成員包括食一氧化碳梭菌(C.carboxidivorans)和德氏梭菌(C.drakei)。這些異型產(chǎn)乙酸菌可使用糖以及合成氣基質(zhì)并且還可由C2亞單位產(chǎn)生C4酸和溶劑。異型產(chǎn)乙酸菌造成比其它產(chǎn)丁酸菌稍微更高的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈冊诖笠?guī)模發(fā)酵區(qū)中存在的低氧化還原、高溶解合成氣條件下可能在代謝上是有利的。
[0071]如同嚴(yán)格產(chǎn)丁酸菌，異型產(chǎn)乙酸菌使用通常的路徑產(chǎn)生C4化合物。進(jìn)入產(chǎn)丁酸過程的點(diǎn)出現(xiàn)在兩個(gè)乙酰-CoA通過與硫解酶反應(yīng)縮合形成乙酰乙?；?CoA時(shí)，在所有產(chǎn)丁酸菌中產(chǎn)丁酸過程除少數(shù)端點(diǎn)反應(yīng)外為高度保守的路徑。這之后在一個(gè)羰基上羥基化以形成S3-羥基丁酰-CoA (圖1)。羥基丁酰-Cok通過巴豆酸酶(crotonase)脫水形成巴豆酰-CoA。先前形成3-HBCoA的反應(yīng)可通過多種脫氫酶實(shí)現(xiàn)且對細(xì)胞不產(chǎn)生任何能量，而是產(chǎn)生一些氧化輔因子。當(dāng)產(chǎn)生巴豆酰-CoA時(shí)，細(xì)胞變得對抑制劑敏感，因?yàn)閬碜援a(chǎn)丁酸過程的能量，即使不是所有的話，也是大多數(shù)，來自巴豆酰-CoA向丁酰-CoA的轉(zhuǎn)化。所有這些路徑可通過破壞巴豆酰CoA向丁酰CoA轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟而中斷。[0072]發(fā)現(xiàn)上述一類巴豆酸酯類化合物在由合成氣生產(chǎn)輕質(zhì)氧合物中充當(dāng)丁基阻滯劑。盡管不愿受理論限制，認(rèn)為這些化合物中斷產(chǎn)丁酸菌代謝中的該關(guān)鍵步驟。同時(shí)，該巴豆酸酯類化合物不過度干擾同型產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)生輕質(zhì)氧合物如乙醇。重要的是，對產(chǎn)丁酸菌的有害作用體內(nèi)發(fā)生，由此使該阻滯劑適于直接用在發(fā)酵中。
[0073]盡管不愿受理論束縛，本發(fā)明所用巴豆酸酯類化合物模擬未取代的巴豆酸酯陰離子，但由于影響3位碳原子(式II的芳基結(jié)構(gòu)部分上的2位)的吸電子基團(tuán)，在中斷該步驟的機(jī)制中涉及降低的電子密度。
[0074]這些丁基阻滯劑通常在較低濃度水平下提供理想的結(jié)果。在連續(xù)發(fā)酵中，在低至50質(zhì)量ppm的濃度下，巴豆酸酯衍生物對減少丁醇和丁酸具有有利作用，同時(shí)不過度破壞乙酸和乙醇的生產(chǎn)。事實(shí)上，觀察到許多本發(fā)明巴豆酸酯類化合物直到達(dá)到在發(fā)酵液中1000質(zhì)量ppm的濃度才開始過度影響同型產(chǎn)乙酸菌生長。因此，可調(diào)整加入發(fā)酵區(qū)中的這些巴豆酸酯類化合物的量以將它保持在有效阻滯產(chǎn)丁酸菌生長而不過度抑制所需同型產(chǎn)乙酸菌生長的范圍內(nèi)。因此，可調(diào)整丁基阻滯劑的使用以減少丁基雜質(zhì)的產(chǎn)生，同時(shí)不過度損害乙醇、乙酸和其它輕質(zhì)氧合物產(chǎn)物的產(chǎn)生。
[0075]丁基阻滯劑可以以多種方式加入發(fā)酵區(qū)中。它可以以所需劑量直接注入發(fā)酵區(qū)中。也可將丁基阻滯劑與新鮮介質(zhì)輸入或來自發(fā)酵區(qū)的再循環(huán)物流混合以促進(jìn)發(fā)酵區(qū)中丁基阻滯劑的更好混合。
[0076]這些丁基阻滯劑容易溶混在簡單烴和其它非水溶劑中。例如，常規(guī)芳族烴如二甲苯、甲苯等或脂族烴如己烷溶解這些丁基阻滯劑。因此，可將丁基阻滯劑溶于這類烴和其它非水溶劑中并通過熟知的技術(shù)通過加入合適表面活性劑和助溶劑制成微乳液。這些微乳液顆粒通常直徑為0.1 μ m，并且可容易地分散于發(fā)酵介質(zhì)中。在發(fā)酵介質(zhì)中，乳液顆粒接觸產(chǎn)丁酸菌并將丁基阻滯劑輸送至有機(jī)體。這類微乳液輸送體系的主要優(yōu)點(diǎn)是它們以低得多的劑量有效，因?yàn)樗鼈兛杀Ｗo(hù)活性化合物如丁基阻滯劑，還幫助將丁基阻滯劑輸送至為主要目標(biāo)的細(xì)胞表面。制備這類微乳液的方法和它們在一般殺生物劑配制劑中的使用描述于Yang等人的美國專利6096225中。在懸浮細(xì)胞或浮游型(planktonic)發(fā)酵中，丁基阻滯劑在作為單一劑以10-1000質(zhì)量ppm的濃度引入時(shí)是有效的，其中50-500質(zhì)量ppm的濃度水平對大多數(shù)應(yīng)用是優(yōu)選的。有效濃度受輸送體系影響，微乳液體系具有50質(zhì)量ppm以下以及低至10質(zhì)量ppm或更低的有效濃度。優(yōu)選，如果基于連續(xù)方式尋求產(chǎn)丁酸效果，則這些劑量基于生物反應(yīng)器的平均細(xì)胞停留時(shí)間計(jì)算使得劑量具有至少2天的持續(xù)時(shí)間。如果產(chǎn)丁酸菌種群不希望地高，則可基于一次發(fā)酵操作使用更高的劑量水平，以使種群達(dá)到可接受的穩(wěn)態(tài)水平。盡管更高的濃度可導(dǎo)致同型產(chǎn)乙酸菌種群的一些損失，但同型產(chǎn)乙酸菌可快速地再獲得所需細(xì)胞密度。因此，即使可能發(fā)生一些同型產(chǎn)乙酸菌損失，本發(fā)明方法也提供比發(fā)酵罐清洗和滅菌更加經(jīng)濟(jì)可行的控制產(chǎn)丁酸菌的方式。
[0077]可響應(yīng)于丁基雜質(zhì)產(chǎn)生和C2產(chǎn)物輸出的監(jiān)控以變化的量加入丁基阻滯劑，并取決于丁基雜質(zhì)的產(chǎn)生調(diào)整添加和濃度。就這點(diǎn)而言，可加入所需量的丁基阻滯劑以保持發(fā)酵區(qū)中的所需濃度或者響 應(yīng)于存在的產(chǎn)丁酸菌污染的監(jiān)控而添加。因此，丁基阻滯劑可連續(xù)或間歇地使用以防止或逆轉(zhuǎn)產(chǎn)丁酸菌生長的效果。如果需要的話，丁基阻滯劑可在發(fā)酵方法開始時(shí)加入。以這種方式，丁基阻滯劑充當(dāng)預(yù)防措施以防止產(chǎn)丁酸菌污染保留在發(fā)酵罐中。添加可通過將丁基阻滯劑連續(xù)或間歇地注入發(fā)酵區(qū)中而在整個(gè)發(fā)酵方法中持續(xù)。在這種情況下，相對低的丁基阻滯劑劑量可能是有效的。特別地，可采用50質(zhì)量ppm或者優(yōu)選50-100質(zhì)量ppm的濃度水平以5-10天的頻率間歇式劑量。在不存在含有丁基阻滯劑的液體回收和再循環(huán)下，丁基阻滯劑以由平均細(xì)胞停留時(shí)間決定的速率從發(fā)酵罐中洗出。
[0078]不管輸送體系，可使用任何方法測定產(chǎn)丁酸菌的存在和丁基阻滯劑的效率。監(jiān)控來自發(fā)酵區(qū)的丁基雜質(zhì)的存在下的產(chǎn)物輸出可提供產(chǎn)丁酸菌污染的指示。優(yōu)選發(fā)酵液經(jīng)受定期取樣以檢測丁基雜質(zhì)。
[0079]最通常地，響應(yīng)于產(chǎn)丁酸菌的檢測而添加丁基阻滯劑。在這種情況下，丁基阻滯劑以足夠的量加入以在發(fā)酵罐中產(chǎn)生100-1000質(zhì)量ppm濃度的單一劑量，優(yōu)選500-1000質(zhì)量ppm的劑量?？杀３炙璋投顾狨ヮ惢衔餄舛戎敝廉a(chǎn)丁酸菌的存在降至所需水平，所需水平通常由來自發(fā)酵區(qū)的丁基雜質(zhì)產(chǎn)量指示。當(dāng)足夠的產(chǎn)丁酸菌降至產(chǎn)生可接受的發(fā)酵區(qū)產(chǎn)物的水平時(shí)，可使巴豆酸酯化合物從發(fā)酵區(qū)中洗出。
[0080]可引入丁基阻滯劑以實(shí)現(xiàn)所需丁基雜質(zhì)量的降低。理想地，發(fā)酵液中的丁基雜質(zhì)降至0，然而，發(fā)酵液通常包含一些量的丁基污染。在大多數(shù)情況下，根據(jù)需要使用丁基阻滯劑以保持含乙醇發(fā)酵液中的丁酸酯和丁醇濃度為0.1%以下，優(yōu)選0.01%以下。
實(shí)施例
[0081]實(shí)施例1-5
[0082]測試多種巴豆酸酯類化合物的殺菌或抑菌活性。測試的化合物示于表1中。
[0083]表1.測試的化合物
[0084]
【權(quán)利要求】
1.基質(zhì)代謝轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)氧合物的方法，其包括在包含所述基質(zhì)的發(fā)酵液中與能夠?qū)⒒|(zhì)生物轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)氧合物的微生物在發(fā)酵條件下接觸，所述發(fā)酵液對污染細(xì)菌的存在敏感，所述污染細(xì)菌能夠通過丁酰CoA酶由所述基質(zhì)或所述輕質(zhì)氧合物產(chǎn)生丁酸酯或丁醇中的至少一種，所述方法的特征在于在所述發(fā)酵液中提供足量的巴豆酸酯類化合物以限制較高級氧合物的產(chǎn)生，所述化合物由以下結(jié)構(gòu)式表示:
I.R2(R3)C = C(H)C(O)R1
或
I1.R2-A-C(O)R1
其中: R1為-OH、-OR5或-N(R4)2，其中R5為烴基，且各R4可相同或不同并且為氫或烴基； R2為氫、-NH2、-OH或-CX3,其中各X可相同或不同且為氫或鹵素； R3為具有1-18個(gè)碳且可未被取代或被-OH、具有I至約6個(gè)碳的烷氧基或鹵素取代的經(jīng)基； A為具有5或6個(gè)環(huán)原子的芳族結(jié)構(gòu)部分，所述環(huán)原子可以都是碳原子，或者可以為具有一個(gè)選自氧和氮的雜原子的雜環(huán)，所述芳族結(jié)構(gòu)部分具有在2位上的-R2，其中-R2如上文所定義，且所述芳族結(jié)構(gòu)部分可未被取代或者在更高碳位中的一個(gè)或多個(gè)上被如下取代基取代:(i)具有1-18個(gè)碳且可被-OH、具有I至約6個(gè)碳的烷氧基或鹵素取代的烴基，(ii)-OR6，其中R6為低級烷基，(iii) -N(R7)2，其中各R7為相同或不同的且為氫或烴基，或(iv)鹵素； 條件是在結(jié)構(gòu)式I中，R2和R3中的至少一個(gè)為鹵代烷基或者被鹵代烷基取代，且在式II中，芳基結(jié)構(gòu)部分的至少2或3碳位被選自鹵素和鹵代烷基的吸電子基團(tuán)取代。
2.限制氣體基質(zhì)的厭氧發(fā)酵中較高級氧合物的產(chǎn)生的方法，所述氣體基質(zhì)包含CO以及CO2與氫氣的混合物中的至少一種，所述方法包括: a.使氣體物流進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵區(qū)中，所述厭氧發(fā)酵區(qū)包含至少一種能夠產(chǎn)生包含輕質(zhì)氧合物的液體產(chǎn)物的厭氧微生物物種； b.通過發(fā)酵區(qū)中的微生物與氣體物流接觸而將至少一部分氣體物流轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物； c.在發(fā)酵液中提供有效限制較高級氧合物產(chǎn)生的量的至少一種巴豆酸酯類化合物，所述巴豆酸酯類化合物由以下結(jié)構(gòu)式表示: I.R2(R3)C = C(H)C(O)R1
或
II.R2-A-C(O)R1
其中: R1為-OH、-OR5或-N(R4)2，其中R5為烴基，且各R4可相同或不同并且為氫或烴基； R2為氫、-NH2、-OH或-CX3,其中各X可相同或不同且為氫或鹵素； R3為具有1-18個(gè)碳且可未被取代或被-OH、具有I至約6個(gè)碳的烷氧基或鹵素取代的經(jīng)基； A為具有5或6個(gè)環(huán)原子的芳族結(jié)構(gòu)部分，所述環(huán)原子可以都是碳原子，或者可以為具有一個(gè)選自氧和氮的雜原子的雜環(huán)，所述芳族結(jié)構(gòu)部分具有在2位上的-R2，其中-R2如上文所定義，且所述芳族結(jié)構(gòu)部分可未被取代或者在更高碳位中的一個(gè)或多個(gè)上被如下取代基取代:(i)具有1-18個(gè)碳且可被-OH、具有I至約6個(gè)碳的烷氧基或鹵素取代的烴基，(ii)-OR6，其中R6為低級烷基，(iii) -N(R7)2，其中各R7為相同或不同的且為氫或烴基，或(iv)鹵素； 條件是在結(jié)構(gòu)式I中，R2和R3中的至少一個(gè)為鹵代烷基或者被鹵代烷基取代，且在式II中，芳基結(jié)構(gòu)部分的至少2或3碳位被選自鹵素和鹵代烷基的吸電子基團(tuán)取代； d.將包含液體產(chǎn)物的發(fā)酵液從發(fā)酵區(qū)中取出；和 e.從發(fā)酵液中回收液體產(chǎn)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中發(fā)酵區(qū)包含至少一種用于產(chǎn)生包含乙醇或乙酸酯的液體產(chǎn)物的同型產(chǎn)乙酸或異型產(chǎn)乙酸微生物，且所述發(fā)酵區(qū)被產(chǎn)生丁酸酯或丁醇中的至少一種的產(chǎn)丁酸微生物污染。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中發(fā)酵區(qū)包含同型產(chǎn)乙酸微生物，所述微生物包含以下至少一種:產(chǎn)醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、楊氏梭菌(ClostridiumI jungdahlii)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)和科斯卡塔梭菌(Clostridiumcoskatii)，且發(fā)酵區(qū)產(chǎn)生包含乙酸酯和乙醇中的至少一種的液體產(chǎn)物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中厭氧微生物包含異型產(chǎn)乙酸菌，其產(chǎn)生具有至少2-3個(gè)碳原子的液體產(chǎn)物，且液體產(chǎn)物包含乙酸、乙醇、丙醇和丙酸中的至少一種。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中發(fā)酵區(qū)包含用于產(chǎn)生包含乙醇的液體產(chǎn)物的同型產(chǎn)乙酸微生物和產(chǎn)生丁酸酯或丁醇中的至少一種的產(chǎn)丁酸微生物。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中巴豆酸酯類化合物由下式表示:
II1.R2(R3)C = C(H)C(O)R1 或
IV.R2-A-C (O) R1 其中在式III中，R2為_0!1、-順2或-CX3，其中X為鹵素，且R3為-CX3，其中X為鹵素，且 在式IV中，芳基為苯基，且苯基結(jié)構(gòu)部分的2和3位碳中的至少一個(gè)為-CX3，其中X為鹵素。
8.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述至少一種巴豆酸酯類化合物包括如下至少一種:4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酸烷基酯；4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酸；4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酰胺；2_三氟甲基苯甲酸；2-三氟甲基苯甲酰胺；2_三氟甲基苯甲酸烷基酯；3_三氟甲基苯甲酸；3_三氟甲基苯甲酰胺；3_三氟甲基苯甲酸烷基酯；2-氨基-3-三氟甲基苯甲酸；2-氨基-3-三氟甲基苯甲酰胺；2_氨基-3-三氟甲基苯甲酸烷基酯；3_三氟-4-甲氧基苯甲酸；3_三氟-4-甲氧基苯甲酰胺；3_三氟-4-甲氧基苯甲酸烷基酯；3_三氟甲基-4-氟苯甲酸；3_三氟甲基-4-氟苯甲酰胺；3_三氟甲基-4-氟苯甲酸烷基酯；3_三氟甲基-5-三氟甲基苯甲酸；3-三氟甲基-5-三氟甲基苯甲酰胺；3_三氟甲基-5-三氟甲基苯甲酸烷基酯；3_氨基取代巴豆酸酯，例如4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酸；4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酰胺；和4，4，4-三氟-3-氨基巴豆酸烷基酯，其中烷基具有1_4個(gè)碳。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述至少一種巴豆酸酯類化合物包括如下至少一種:.4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酸乙酯；4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酸；4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)巴豆酰胺；和4，4，4-三氟甲基-3-(三氯甲基)巴豆酸乙酯。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述至少一種巴豆酸酯類化合物以足以在發(fā)酵液中產(chǎn)生至少1 0質(zhì) 量ppm的濃度的量加入。
【文檔編號(hào)】C12P7/52GK103958690SQ201280056956
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月21日
【發(fā)明者】R·達(dá)塔, A·雷韋斯, L·T·克利曼 申請人:科斯卡塔公司