用于在微生物發(fā)酵中控制代謝物產(chǎn)生的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及用于控制微生物發(fā)酵的一種或多種產(chǎn)物的產(chǎn)生的方法。具體來(lái) 說(shuō)，本發(fā)明涉及用于控制向微生物培養(yǎng)物提供的二氧化碳的量的方法。在具體實(shí)施方案中， 通過(guò)控制向培養(yǎng)物提供的溶解的C02的量來(lái)控制發(fā)酵過(guò)程的代謝譜。
【背景技術(shù)】
[0002] 乙醇正迅速成為全世界主要的富氫液體運(yùn)輸燃料。在2002年，在世界范圍內(nèi)，乙 醇的消耗量估計(jì)有108億加侖。由于歐洲、日本、美國(guó)以及一些發(fā)展中國(guó)家對(duì)乙醇的關(guān)注增 加，燃料乙醇工業(yè)的全球市場(chǎng)也已經(jīng)被預(yù)測(cè)在未來(lái)會(huì)急劇增長(zhǎng)。
[0003] 舉例來(lái)說(shuō)，在美國(guó)，使用乙醇生產(chǎn)E10,即10%乙醇在汽油中的混合物。在E10共混 物中，乙醇組分充當(dāng)氧合劑，從而提高燃燒效率并且減少空氣污染物的產(chǎn)生。在巴西，乙醇 滿足了約30%的運(yùn)輸燃料需求，作為在汽油中共混的氧合劑或獨(dú)立作為純?nèi)剂线@兩者。并 且，在歐洲，圍繞溫室氣體（GHG)排放的后果的環(huán)境問題已經(jīng)促使歐盟（EuropeanUnion， EU)為成員國(guó)設(shè)立有關(guān)諸如生物質(zhì)衍生的乙醇之類的可持續(xù)運(yùn)輸燃料消耗量的強(qiáng)制目標(biāo)。
[0004] 絕大多數(shù)的燃料乙醇是經(jīng)由傳統(tǒng)的基于酵母的發(fā)酵工藝生產(chǎn)的，這些發(fā)酵工藝使 用作物衍生的碳水化合物，如從甘蔗提取的蔗糖或從糧食作物提取的淀粉，作為主要的碳 源。然而，這些碳水化合物原料的成本會(huì)受到它們作為人類食物或動(dòng)物飼料的價(jià)值所影響， 而用于生產(chǎn)乙醇的產(chǎn)生淀粉或蔗糖的作物的種植并非在所有地區(qū)均是經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)的。因 此，所關(guān)注的是，研發(fā)使更低的成本和/或更豐富的碳資源轉(zhuǎn)換成燃料乙醇的技術(shù)。
[0005]C0是諸如煤或石油和石油衍生產(chǎn)品之類的有機(jī)材料不完全燃燒的主要富含自 由能的副產(chǎn)物。舉例來(lái)說(shuō)，據(jù)報(bào)道，澳大利亞的鋼鐵工業(yè)每年產(chǎn)生并且向大氣中釋放超過(guò) 500, 000 噸的C0。
[0006] 長(zhǎng)期以來(lái)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的是，可以使用催化工藝來(lái)使主要由C0和/或C0和氫氣 (H2)組成的氣體轉(zhuǎn)化成多種燃料和化學(xué)品。然而，還可以使用微生物來(lái)使這些氣體轉(zhuǎn)化成 燃料和化學(xué)品。這些生物過(guò)程盡管一般比化學(xué)反應(yīng)要慢，但是與催化工藝相比具有若干優(yōu) 勢(shì)，包括更高的特異性、更高的收率、更低的能量成本以及更大的抗毒性。
[0007] 微生物依靠C0作為它們唯一的碳源生長(zhǎng)的能力最初是在1903年被發(fā)現(xiàn)的。這隨 后被確定為利用自養(yǎng)生長(zhǎng)的乙酰輔酶A(乙酰CoA)生化途徑（也被稱為伍茲-揚(yáng)達(dá)爾途徑 (Woods-Ljungdahlpathway)和一氧化碳脫氫酶/乙酰輔酶A合酶（C0DH/ACS)途徑）的生 物體的特性。包括一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型生物體、光合生物體、產(chǎn)甲烷型生物體以及產(chǎn)乙酸型生物 體在內(nèi)的很多厭氧生物體已經(jīng)被證實(shí)將C0代謝成各種最終產(chǎn)物，即C02、H2、甲烷、正丁醇、 乙酸鹽以及乙醇。雖然使用C0作為唯一的碳源，但是所有這些生物體均產(chǎn)生這些最終產(chǎn)物 中的至少兩種。
[0008] 厭氧細(xì)菌，如來(lái)自梭菌屬（Clostridium)的那些厭氧細(xì)菌已經(jīng)被證實(shí)經(jīng)由乙 酰輔酶A生化途徑由C0、C02以及112產(chǎn)生乙醇。舉例來(lái)說(shuō)，由氣體產(chǎn)生乙醇的楊氏梭菌 (Clostridiumljungdahlii)的各種菌株描述于W0 00/68407、EP117309、美國(guó)專利號(hào) 5, 173, 429、5, 593, 886和6, 368, 819、W0 98/00558 以及WO02/08438 中。細(xì)菌產(chǎn)乙醇梭菌菌 種（Clostridiumautoethanogenumsp)也已知會(huì)由氣體產(chǎn)生乙醇（Abrini等人，Archives ofMicrobiology161，第 345-351 頁(yè)（1994))。
[0009] 然而，微生物通過(guò)氣體發(fā)酵的乙醇產(chǎn)生始終與乙酸鹽和/或乙酸的共同產(chǎn)生相 關(guān)。由于一些可利用碳被轉(zhuǎn)化成乙酸鹽/乙酸而非乙醇，因此使用這類發(fā)酵工藝的乙醇生 產(chǎn)效率可能小于理想的生產(chǎn)效率。而且，除非乙酸鹽/乙酸副產(chǎn)物可以用于一些其它目的， 否則它可能會(huì)引起廢物處理問題。乙酸鹽/乙酸由微生物轉(zhuǎn)化成甲烷并且因此有可能導(dǎo)致 溫室氣體排放。
[0010] 在本領(lǐng)域中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到控制用于發(fā)酵的生物反應(yīng)器內(nèi)用于培養(yǎng)細(xì)菌或微生物的 液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的參數(shù)的重要性。2007年7月18日提交并且以引用的方式并入本文的NZ 556615特別描述了對(duì)這種液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的pH值和氧化還原電位的調(diào)控。舉例來(lái)說(shuō)，在厭 氧產(chǎn)乙酸型細(xì)菌的培養(yǎng)中，通過(guò)將培養(yǎng)物的pH值提高到高于約5. 7,同時(shí)將培養(yǎng)物的氧化 還原電位維持在低水平（_400mV或以下），所述細(xì)菌以比在更低的pH值條件下高得多的速 率將作為發(fā)酵副產(chǎn)物而產(chǎn)生的乙酸鹽轉(zhuǎn)化成乙醇。NZ556615還認(rèn)識(shí)到可以使用不同的pH 值水平和氧化還原電位以根據(jù)細(xì)菌所發(fā)揮的主要作用（即生長(zhǎng)、由乙酸鹽和氣體含C0基質(zhì) 產(chǎn)生乙醇、或由氣體含C0基質(zhì)產(chǎn)生乙醇）來(lái)優(yōu)化條件。
[0011]US7, 078, 201和W0 02/08438也描述了通過(guò)改變當(dāng)中進(jìn)行發(fā)酵的液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng) 基的條件（例如pH值和氧化還原電位）來(lái)改進(jìn)用于生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵工藝。
[0012] 可以通過(guò)將一種或多種pH值調(diào)節(jié)劑或緩沖劑添加到培養(yǎng)基中來(lái)調(diào)節(jié)液體營(yíng)養(yǎng)培 養(yǎng)基的pH值。舉例來(lái)說(shuō)，可以使用諸如NaOH等堿和諸如硫酸等酸來(lái)根據(jù)需要升高或降低 pH值?？梢酝ㄟ^(guò)添加一種或多種還原劑（例如甲基紫精）或氧化劑來(lái)調(diào)節(jié)氧化還原電位。 或者，可以通過(guò)向發(fā)酵提供過(guò)量的氣體基質(zhì)以使得微生物被"過(guò)度供給"氣體來(lái)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基 的pH值。
[0013] 可以使用類似的工藝來(lái)生產(chǎn)其它醇，如丁醇，如將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易 見的那樣。
[0014] 本發(fā)明的目的在于提供一種系統(tǒng)和/或方法，所述系統(tǒng)和/或方法至少在某種程 度上有助于克服上述缺點(diǎn)或至少向公眾提供一種有用的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 在本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種用于控制包含至少一種一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)乙 酸型微生物的發(fā)酵培養(yǎng)物的代謝譜的方法，所述方法包括：
[0016]a.使包含C0和C02的氣體基質(zhì)流到包含所述微生物在液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的培養(yǎng) 物的生物反應(yīng)器中；以及
[0017] b.調(diào)節(jié)溶解在所述培養(yǎng)物中的C02的量以使得所述培養(yǎng)物的代謝發(fā)生改變。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)控制C02向所述生物反應(yīng)器的流動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)溶解在所述液 體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的C02的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，提高溶解在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的C0 2 的量使所述微生物的代謝發(fā)生改變以使得衍生自丙酮酸鹽的一種或多種產(chǎn)物的產(chǎn)生增加。 在一個(gè)實(shí)施方案中，減少溶解在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的C02的量使所述微生物的代謝發(fā) 生改變以使得衍生自丙酮酸鹽的一種或多種產(chǎn)物的產(chǎn)生減少。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述衍生自丙酮酸鹽的一種或多種產(chǎn)物選自由以下各項(xiàng)組成 的組：2, 3-丁二醇（2, 3-BD0)、乳酸鹽、丁二酸鹽、甲基乙基酮（MEK)、2_ 丁醇、丙二醇、2-丙 醇、異丙醇、乙偶姻、異丁醇、檸檬酸蘋果酸鹽（citramalate)、丁二烯、以及聚乳酸（PLA)。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在約250kPag至約450kPag(或大于500kPag)的壓力下進(jìn)行 發(fā)酵，以使得溶解在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的co2的濃度增加。在某些實(shí)施方案中，所述壓 力大于250kPag、或大于300kPag、或大于350kPag、或大于400kPag、或大于450kPag、或大于 500kPag〇
[0021 ] 在一個(gè)替代性實(shí)施方案中，使所述反應(yīng)器中的壓力降低或減到最低以與衍生自丙 酮酸鹽的一種或多種產(chǎn)物相比，促進(jìn)衍生自乙酰輔酶A的一種或多種產(chǎn)物的產(chǎn)生。在某些 實(shí)施方案中，所述生物反應(yīng)器中的壓力是約大氣壓至約200kPag或維持在低于200kPag、或 小于150kPag、或小于lOOkPag、或小于50kPag、或大氣壓。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施方案中，使C02分壓升高以增加溶解在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的0)2的 量。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)增加向發(fā)酵提供的氣體基質(zhì)中C02的量來(lái)增加溶解在所 述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的C02的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，向生物反應(yīng)器中提供的基質(zhì)中C0 2的 濃度是至少10%、或至少15%、或至少18%、或至少20%、或至少25%、或至少30%、或至 少35 %、或至少40 %、或至少45 %。在某些實(shí)施方案中，向所述生物反應(yīng)器中提供的基質(zhì)中 〇)2的濃度是15 %至65%、或約20 %至約50%、或約25 %至約45%。在其中向發(fā)酵施加壓 力的實(shí)施方案中，所述發(fā)酵所需的〇32的量減少。在大于約50kPag的壓力存在下，基質(zhì)流中 所提供的〇)2的量顯著少于在大氣壓下提供時(shí)的量。在具體實(shí)施方案中，在大于約50kPag 的壓力下供給時(shí)，向所述生物反應(yīng)器中提供的基質(zhì)中C02的濃度是約1 %至約50%。
[0024] 在本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種用于提高衍生自丙酮酸鹽的至少一種產(chǎn)物的 產(chǎn)生的方法，所述方法包括：
[0025] a.使包含C0和C02的基質(zhì)流到包含至少一種一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)乙酸型微生物在 液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中；以及
[0026] b.調(diào)節(jié)流到所述生物反應(yīng)器中的0)2的量以使得在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中所提供 的溶解的C02的量增加。
[0027] 在本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供了一種用于控制丙酮酸鹽衍生產(chǎn)物與乙酰輔酶A衍 生產(chǎn)物的比率的方法，所述方法包括：
[0028] a.使包含C0和C02的基質(zhì)流到包含至少一種一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)乙酸型微生物在 液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中；以及
[0029] b.調(diào)節(jié)二氧化碳向所述生物反應(yīng)器的流動(dòng)以使得溶解在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中 的〇32的量從而控制丙酮酸鹽衍生產(chǎn)物與乙酰輔酶A衍生產(chǎn)物的比率。
[0030] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，使溶解在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的C02的量增加會(huì) 通過(guò)增加丙酮酸鹽衍生產(chǎn)物的產(chǎn)生而提高丙酮酸鹽衍生產(chǎn)物與乙酰輔酶A衍生產(chǎn)物的比 率。在一個(gè)實(shí)施方案中，使所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中溶解的C02的量減少會(huì)通過(guò)減少丙酮酸 鹽衍生產(chǎn)物的產(chǎn)生而降低丙酮酸鹽衍生產(chǎn)物與乙酰輔酶A衍生產(chǎn)物的比率。
[0031] 在第四個(gè)方面，提供了一種用于控制包含至少一種一氧化碳營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)乙酸型微生 物的發(fā)酵培養(yǎng)物的代謝譜的方法，所述方法包括：
[0032] 使包含C0和C02的氣體基質(zhì)流到包含所述微生物在液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的培養(yǎng)物 的生物反應(yīng)器中；
[0033] 監(jiān)測(cè)離開所述生物反應(yīng)器的排出流中0)2的濃度；以及
[0034]調(diào)節(jié)溶解在所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的0)2的量以使得所述培養(yǎng)物的代謝得到控 制。
[0035] 在第五個(gè)方面，提供了一種用于提高一種或多種產(chǎn)物的產(chǎn)生的方法，所述方法包 括：
[0036]向容納一種或多種微生物在液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中的培養(yǎng)物的生物反應(yīng)器中提供包 含C0的基質(zhì)；以及
[0037] 使所述基質(zhì)發(fā)酵以產(chǎn)生一種或多種液體產(chǎn)物和C02。
[0038] 在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)一種或多種發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)節(jié)以增加由所述培養(yǎng)物所消耗 的C0的量和由所述培養(yǎng)物產(chǎn)生的C02的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)改變發(fā)酵中的質(zhì)量傳 遞來(lái)增加由所述培養(yǎng)物所消耗的C0的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)提高所述氣體基質(zhì)向所 述生物反應(yīng)器中的流動(dòng)速率來(lái)增加由所述培養(yǎng)物所消耗的C0的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，通 過(guò)提高所述生物反應(yīng)器中所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的攪拌速率來(lái)增加由所述培養(yǎng)物所消耗的 C0的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)增加氣泡表面積來(lái)增加由所述培養(yǎng)物所消耗的C0的量。
[0039] 在一個(gè)實(shí)施方案中，增加由所述微生物培養(yǎng)物所消耗的C0的量增加了離開所述 生物反應(yīng)器的出口流中C02的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述出口流中C02的量是至少30%、 或至少35 %、或至少40 %、或至少45 %、或至少50 %。
[0040] 在第六個(gè)方面，提供了一種用于增加包含至少一種微生物的培養(yǎng)物的液體營(yíng)養(yǎng)培 養(yǎng)基中溶解的co2的量的方法，所述方法包括：
[0041] 將包含C0的進(jìn)料氣流和液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基引入到至少一個(gè)生物反應(yīng)器中以形成發(fā) 酵液，所述生物反應(yīng)器還包括用于使所述發(fā)酵液的一部分從靠近所述生物反應(yīng)器的頂部的 點(diǎn)循環(huán)到靠近所述生物反應(yīng)器的底部的點(diǎn)的下降管；
[0042] 使所述C0在所述生物反應(yīng)器中發(fā)酵成液體產(chǎn)物和包含0)2的氣體排出流；
[0043]c.將所述氣體排出流的至少一部分通到所述生物反應(yīng)器的下降管或第二生物反 應(yīng)器中，所述下降管是位于靠近所述生物反應(yīng)器的頂部處的氣體排出流的來(lái)源；以及
[0044]d.將所述氣體排出流和所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基沿著所述下降管混合以形成氣液混 合物，從而提高所述氣液混合物上的流體靜壓，以使得來(lái)自所述排出氣流的C02在所述下降 管的底部部分處溶解到所述液體營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中。
[0045] 在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，將來(lái)自第一生物反應(yīng)器的排出氣流通到第二生物反應(yīng) 器的下降管中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，使來(lái)自第一生物反應(yīng)器的排出氣流再循環(huán)到第一生 物反應(yīng)器的下降管中?；蛘?，將來(lái)自第一生物反應(yīng)器的排出氣流通到第一生物反應(yīng)器或第 二生物反應(yīng)器的氣體入口中。此外，第二反應(yīng)器的進(jìn)料流可以是