[发明专利]用于在微生物发酵中控制代谢物产生的系统和方法

说明书

本发明提供了一种用于控制厌氧微生物发酵培养物的代谢谱的方法。具体来说，通过控制向培养物提供的溶解的CO₂量来控制发酵过程的代谢谱。还提供了一种通过微生物对气体基质的发酵产生一种或多种产物的方法，所述方法是经由将尾气CO₂从反应器供给到第二反应器中或通过使尾气CO₂再循环到同一个反应器中来实现的。

技术领域

本发明大体上涉及用于控制微生物发酵的一种或多种产物的产生的方法。具体来说，本发明涉及用于控制向微生物培养物提供的二氧化碳的量的方法。在具体实施方案中，通过控制向培养物提供的溶解的CO₂的量来控制发酵过程的代谢谱。

背景技术

乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液体运输燃料。在2002年，在世界范围内，乙醇的消耗量估计有108亿加仑。由于欧洲、日本、美国以及一些发展中国家对乙醇的关注增加，燃料乙醇工业的全球市场也已经被预测在未来会急剧增长。

举例来说，在美国，使用乙醇生产E10，即10％乙醇在汽油中的混合物。在E10共混物中，乙醇组分充当氧合剂，从而提高燃烧效率并且减少空气污染物的产生。在巴西，乙醇满足了约30％的运输燃料需求，作为在汽油中共混的氧合剂或独立作为纯燃料这两者。并且，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放的后果的环境问题已经促使欧盟(European Union，EU)为成员国设立有关诸如生物质衍生的乙醇之类的可持续运输燃料消耗量的强制目标。

绝大多数的燃料乙醇是经由传统的基于酵母的发酵工艺生产的，这些发酵工艺使用作物衍生的碳水化合物，如从甘蔗提取的蔗糖或从粮食作物提取的淀粉，作为主要的碳源。然而，这些碳水化合物原料的成本会受到它们作为人类食物或动物饲料的价值所影响，而用于生产乙醇的产生淀粉或蔗糖的作物的种植并非在所有地区均是经济上可持续的。因此，所关注的是，研发使更低的成本和/或更丰富的碳资源转换成燃料乙醇的技术。

CO是诸如煤或石油和石油衍生产品之类的有机材料不完全燃烧的主要富含自由能的副产物。举例来说，据报道，澳大利亚的钢铁工业每年产生并且向大气中释放超过500,000吨的CO。

长期以来已经认识到的是，可以使用催化工艺来使主要由CO和/或CO和氢气(H2)组成的气体转化成多种燃料和化学品。然而，还可以使用微生物来使这些气体转化成燃料和化学品。这些生物过程尽管一般比化学反应要慢，但是与催化工艺相比具有若干优势，包括更高的特异性、更高的收率、更低的能量成本以及更大的抗毒性。

微生物依靠CO作为它们唯一的碳源生长的能力最初是在1903年被发现的。这随后被确定为利用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生化途径(也被称为伍兹-扬达尔途径(Woods-Ljungdahl pathway)和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶(CODH/ACS)途径)的生物体的特性。包括一氧化碳营养型生物体、光合生物体、产甲烷型生物体以及产乙酸型生物体在内的很多厌氧生物体已经被证实将CO代谢成各种最终产物，即CO2、H2、甲烷、正丁醇、乙酸盐以及乙醇。虽然使用CO作为唯一的碳源，但是所有这些生物体均产生这些最终产物中的至少两种。

厌氧细菌，如来自梭菌属(Clostridium)的那些厌氧细菌已经被证实经由乙酰辅酶A生化途径由CO、CO₂以及H₂产生乙醇。举例来说，由气体产生乙醇的杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的各种菌株描述于WO 00/68407、EP 117309、美国专利号5,173,429、5,593,886和6,368,819、WO 98/00558以及WO 02/08438中。细菌产乙醇梭菌菌种(Clostridium autoethanogenum sp)也已知会由气体产生乙醇(Abrini等人,Archives ofMicrobiology 161,第345-351页(1994))。