[发明专利]使用厌氧微生物的互养共培养物从合成气生产n-丁醇的方法

说明书

发明领域

本发明提供了用于使用厌氧微生物的互养共培养物从合成气生产n-丁醇和其他含有C4的产物的方法和系统。

发明背景

丁醇是重要的工业化学物质，具有广泛应用。其可以用作发动机燃料，特别地与其可以全部比例添加的汽油组合。异丁醇也可以用作甲基叔丁基醚(MTBE)的前体。当前n-丁醇的世界生产是350万吨/年(77亿lb/年)。此外，正在开发和证明将醇转化为适于飞机燃料使用的长链线性烃，这可以进一步增加对n-丁醇的需求(The Naval Air Warfare Center-Weapons Division,(2012)Cobalt和Abermarle)。对于许多国家，已经在酿酒酵母的帮助下将单糖发酵为丁醇。将碳水化合物发酵为丙酮、丁醇和乙醇(ABE)是已知的并且从约1915至1955在世界范围内商业实践(Beesch,S.C.(1953)A Microbiological process Report-Applied Microbiology,1,85-95)。随着石油化学方法的来临和低成本石化原料，基于碳水化合物的方法变得没有吸引力并且终止。

ABE方法的进一步开发和现代化由若干个组织承担。在1980年中期，Corn Products Corporation开发了非孢子性生殖的菌株和多步发酵方法，其相当地提高了方法的经济学(Marlatt,J.A.和R.Datta,(1986)Acetone-Butanol Fermentation Process,Biotechnology Progress(1986)2,1.23-28)。当前，两家公司，Gevo和Butamax参与使用重组微生物转化若干乙醇工厂以生产异丁醇用于新化学物质使用。参见美国专利号8,017,375和美国专利号7,851,188。在全部这些开发中，主要的原料是碳水化合物，主要是来自玉米的淀粉。

碳水化合物原料的限制是公知的并且一些是根本性的。来自农业作物的淀粉和糖遇到食物vs.能源/化学生产的竞争问题以及原料的成本和其可用性。对于木质纤维素原料诸如木质生物质，草等，来自预处理和水解过程的成本和产率是非常限制性的。例如，典型的木质生物质含有50％纤维素而剩余由半纤维素、木质素和其他级分构成。可发酵级份的化学能量含量通常少于原料的50％，对产物产率有根本的限制。

已经进行尝试以提高将多种糖发酵为乙酸盐和丁酸盐的细菌的醇产率。本领域已经寻求采用重组技术以转化细菌诸如丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)(Green等人(1996)Genetic manipulation of acid formation pathways,Green等人Microbiology),142,2079-2086)和酪丁酸梭菌(C.tyrobutyricum)(X.Liu等人(2006)Construction and Characterization of ack Deleted Mutant of Clostridium tyrobutyricum,Biotechnology Pref.,22,1265-1275)。然而，此类技术仅仅导致以低频率发生的转化。

若干种微生物能够使用一碳化合物作为碳源并且一些甚至作为能源。合成气是提供一碳化合物诸如CO和CO2和以及氢气的常见底物。合成气可以通过整个生物质源的气化生产而无需释放某些级份。合成气也可以从其他原料经由：(i)煤，(ii)市政废品，(iii)塑料废品，(iv)石油焦和(v)来自精炼厂或来自纸工业的液体残余物(黑液)的气化生产。合成气也可以从天然气经由蒸汽重整或自热重整(部分氧化)生产。

当合成气源是生物质时，气化技术将原料的全部组分主要转化为CO、H₂、CO₂和一些残余CH4的混合物，通常具有75至80％冷气效率，即原料的化学能源的75至80％可用于进一步的化学或生物学转化至靶产物。剩余的能量可作为热获得，所述热可用于生成蒸汽以提供一些或全部所需的过程能量。此外，可以气化多种原料，可再生的诸如木质生物质、农业残余物、市政废品等或非可再生的诸如天然气，以生产这些主要的组分。使用蒸汽、氧气、空气或其组合可以以以多种技术将天然气经济地重整为合成气。此合成气具有约85％的非常好的冷气效率以使用多种靶组合物生产CO、H₂和CO₂。

因此，合成气是非常经济的原料，其可衍生自可再生的和非可再生的多种原材料。因此，以高产率和浓度将合成气转化为丁醇将导致此重要化学物质的经济生产。