[发明专利]新型菌及其使用方法

说明书

发明领域

本发明一般性地涉及气体微生物发酵的领域。更特别涉及一类新型细菌，该细菌在通过厌氧发酵含有一氧化碳(CO)的底物产生乙醇方面具有较高的效率。

发明背景

在世界范围内，乙醇正迅速成为一种重要的富氢液态运输燃料。2005年全球乙醇的消费量估计为122亿加仑。由于欧洲、日本、美国和一些发展中国家对乙醇兴趣的增加，全球燃料乙醇行业的市场预计在未来将会迅速扩大。

例如，在美国，乙醇是用来生产E10，一种混入10％乙醇的汽油。E10混合物中的乙醇成分作为氧化剂能够提高燃烧效率并降低气体污染物的产生。在巴西，乙醇满足约30％的运输燃料需求，其既作为氧化剂混入汽油，本身又被当作一种纯燃料。在欧洲，对温室气体(GHG)排放引起的环境问题的担忧，促使欧洲联盟(EU)给成员国制定了强制性目标，要求应用可持续的交通运输燃料，比如生物质来源的乙醇。

绝大多数燃料乙醇的生产是通过传统的基于酵母的发酵方法，其使用谷类作物产生的碳水化合物，如从甘蔗中提取的糖或从谷物中提取的淀粉作为主要的碳源。然而，这些碳水化合物原料的价格受其作为人类食品或动物饲料价格的影响，同时在所有地区种植产生淀粉或者糖的作物来生产乙醇在经济上并非合理。因此，开发将更低成本和/或更充足的碳源转化为燃料乙醇的技术是件有意义的事情。

CO是有机物质例如煤炭、油和油的衍生品不完全燃烧时产生的一种主要的、免费的、富含能量的副产品。例如，据报道澳大利亚的钢铁行业每年产生并排放到大气中的CO超过500,000吨。

催化方法可用来使主要由CO和/或CO和氢气(H₂)组成的气体转化为多种燃料和化学制品。微生物也可以用于将这些气体转化为燃料和化学制品。

1903年，首次发现了微生物以CO作为唯一碳源生长的能力。这后来被鉴定为一种生物属性，即利用乙酰辅酶A(乙酰CoA)自养生长的生化途径(也称为Woods-Ljungdahl途径和一氧化碳脱氢酶/乙酰CoA合成酶(CODH/ACS)途径)。包括一氧化碳营养的、光合作用的、产甲烷的和产乙酸的有机体在内的数量众多的厌氧生物已显示可将CO代谢为多种最终产物，即CO₂、H₂、甲烷、正丁醇、乙酸盐和乙醇。当用CO作为唯一碳源时所有这些生物至少产生两种终产物。

厌氧菌，如Clostridium属的菌，已被证明可经乙酰CoA的生化途径利用CO、CO₂和H₂产生乙醇。例如，多种利用气体产生乙醇的Clostridium ljungdahlii菌种已在WO 00/68407、EP 117309、以及美国专利号5,173,429、5,593,886、6,368,819、WO 98/00558和WO 02/0843中记载。已知细菌Clostridium autoethanogenum sp也可以用气体产生乙醇(Abrini等人，Archives of Microbiology 161，第345-351页(1994))。

然而，微生物发酵气体产生乙醇的过程总是伴随着乙酸盐和/或乙酸的副产品产生。由于一些可利用的碳转化成乙酸盐/乙酸，而不是乙醇，使用这种发酵方法生产乙醇的效率可能低于预期。此外，除非乙酸盐/乙酸这些副产品可用于一些其它目的，否则可能产生废弃物处理问题。乙酸盐/乙酸经微生物转化为甲烷，因此有增加温室气体排放的可能性。

在H₂存在的情况下，CO的微生物发酵可将碳基本上完全转化为醇类。然而，在缺乏足够H₂时，一些CO转化为醇类，而很大一部分CO转换为CO₂，如以下公式所示：

6CO+3H₂O→C₂H₅OH+4CO₂

12H₂+4CO₂→2C₂H₅OH+6H₂O

CO₂的产生代表总体碳捕获效率低下，如果排出，有增加温室气体排放的可能性。

WO2007/117157描述了一种生产醇类尤其是乙醇的方法，该方法通过厌氧发酵含CO的气体来进行。乙酸盐作为发酵过程中的副产品可转化为氢气和二氧化碳，这两种气体或其中之一可以用于厌氧发酵过程。