[发明专利]改进的气态底物发酵

说明书

技术领域

本发明涉及气态底物的微生物发酵。具体地，本发明涉及被构造为可提高发酵特别是包含CO的底物的微生物发酵的效率的气/液接触模块和生物反应器。

背景技术

乙醇正在迅速成为全世界主要的富含氢的液体运输燃料。2005年全世界乙醇消费量估计为122亿加仑。由于欧洲、日本、美国和若干发展中国家对乙醇的兴趣增加，预计燃料乙醇工业的全球市场在将来会急剧增长。

例如，在美国，乙醇用于生产E10——一种乙醇在汽油中的10％混合物。在E10掺合物中，所述乙醇组分用作氧合剂，提高燃烧效率并减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇满足约30％的运输染料需求，其既作为混在汽油中的氧合剂，自身又作为纯染料。同样，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放后果的环境问题已经成为刺激欧盟(EU)对成员国设置消耗可持续运输燃料(例如从生物质得到的乙醇)的强制目标的动力。

绝大部分燃料乙醇是通过传统的基于酵母的发酵方法生产的，所述方法采用从作物得到的碳水化合物(例如从甘蔗提取的蔗糖或从谷类作物提取的淀粉)作为主要碳源。然而，这些碳水化合物原料的成本受其作为人类食物或动物饲料的价值的影响，同时用于乙醇生产的产淀粉或蔗糖作物的栽培并非在所有地理条件下都是经济上可持续的。因此，需要开发将更低成本的和/或更丰富的碳源转化成燃料乙醇的技术。

CO是有机材料(例如煤或油和油衍生产品)不完全燃烧的主要的、低成本的、富含能量的副产物。例如，据报道澳大利亚的钢铁工业每年产生并释放到大气中超过500,000吨的CO。额外地或可选地，富含CO的气流(合成气)可通过含碳物质(例如煤、石油和生物质)的气化产生。含碳物质可通过使用多种方法(包括热解、焦油裂解和煤焦气化)气化而被转化为包括CO、CO₂、H₂和少量CH₄的气体产物。合成气还可以以蒸汽重整方法生产，例如甲烷或天然气的蒸汽重整。

可使用催化方法以将主要由CO和/或主要由CO和氢气(H₂)组成的气体转化成多种燃料和化学制品。也可使用微生物将这些气体转化成燃料和化学制品。尽管这些生物方法通常比化学反应慢，然而它们相对于催化方法存在若干优点，包括更高的特异性、更高的收率、更低的能量消耗以及对中毒的更高抗性。

微生物以CO作为唯一碳源而生长的能力首次发现于1903年。后来确定这是使用乙酰辅酶A(乙酰CoA)自养生化途径(也称为Woods-Ljungdahl途径和一氧化碳脱氢酶/乙酰CoA合酶(CODH/ACS)途径)的生物体的特性。已证明大量厌氧生物(包括一氧化碳营养生物、光合生物、产甲烷生物和产乙酸生物)将CO代谢为多种终产物，即CO₂、H₂、甲烷、正丁醇、乙酸和乙醇。尽管使用CO作为唯一碳源，然而所有这些生物均产生至少两种这些终产物。

已证明厌氧细菌(例如梭菌属(Clostridium)的那些厌氧细菌)可通过CoA生化途径从CO、CO₂和H₂产生乙醇。例如，WO 00/68407，EP 117309，美国专利5,173,429、5,593,886和6,368,819，WO 98/00558以及WO 02/08438记载了从气体产生乙醇的扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的多个菌株。还已知细菌Clostridium autoethanogenum sp从气体产生乙醇(Abrini et al.，Archives of Microbiology 161，pp345-351(1994))。

然而，由微生物通过气体发酵进行的乙醇生产通常伴随乙酸盐和/或乙酸的共产生。由于某些可利用的碳通常被转化成乙酸盐/乙酸而不是乙醇，因此使用这些发酵方法生产乙醇的效率可能低于所希望的。而且，除非所述乙酸盐/乙酸副产物可用于某些其他目的，否则其可能造成废物处理问题。乙酸盐/乙酸由微生物转化为甲烷并因此可能造成GHG排放。