![]() 操作含有氫之氣態基質發酵的方法
专利摘要:
本揭露內容提供氣態基質發酵的方法,它包含有:在一生物反應器中,將氣態基質添加至一水性培養基中。本揭露內容的方法包含有:測量細胞密度;調整氣態基質的輸入量來增加細胞密度;改變氫攝取量。 公开号:TW201303023A 申请号:TW100143708 申请日:2011-11-29 公开日:2013-01-16 发明作者:Ryan H Senaratne;Brandon Beard 申请人:Ineos Bio Sa; IPC主号:C12P7-00
专利说明:
操作含有氫之氣態基質發酵的方法 發明領域 本揭露內容主要地是有關於一包含有氫之氣態基質發酵的方法。本揭露內容特別是有關於一包含有氫之氣態基質發酵以生成一或多種醇類的方法。 發明背景 利用某些微生物[諸如那些來自於梭狀芽孢桿菌屬(genus Clostridium)者]在含有適當的營養素及微量礦物質的培養基中從包含有一氧化碳與氫的氣態基質的微生物發酵中來產生化學物質[諸如有機酸(例如乙酸)以及醇類(例如乙醇)]的方法已被揭示。例如,授予Gaddy等人的美國專利第5,173,429號揭示楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ATCC第49587號,一種由合成氣體中產生乙醇以及乙酸鹽(acetate)的厭氧性微生物(anaerobic microorganism)。授予Gaddy等人的美國專利第5,807,722號揭示一種有關於利用厭氧性細菌[諸如楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ATCC第55380號]將廢氣轉化成有用的產物(諸如有機酸及醇類)的方法以及裝置。授予Gaddy等人的美國專利第6,136,577號揭示一種有關於利用厭氧性細菌[諸如楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ATCC第55988以及55989號]將廢氣轉化成有用的產物[諸如有機酸及醇類(特別是乙醇)]的方法以及裝置。 美國專利申請案第20070275447號揭示一種梭狀芽孢桿菌屬細菌物種(Clostridium carboxidivorans,ATCCBAA-624,“P7”),它能夠從廢氣中合成可應用於作為生物燃料的產物。美國專利第7,704,723號揭示一種梭狀芽孢桿菌屬細菌物種(Clostridium ragsdalei,ATCC BAA-622,“P11”),它能夠從廢氣中合成可應用於作為生物燃料的產物。 WO 2007/117157揭示Clostridium autoethanogenum(寄存編號DSM 10061,DSMZ,德國)供用於藉由含有一氧化碳的基質的厭氧性發酵來產生乙醇的用途。WO 2009/064200揭示另一種細菌(Clostridium autoethanogenum,寄存編號DSM 19630,DSMZ,德國)供用於藉由含有一氧化碳的基質的厭氧性發酵來產生乙醇的用途。 如本技藝中所描述的,化學物質(諸如醇)的生產速率端視發酵培養基中微生物細胞的密度(“細胞密度”)而定。在生物反應器中足夠高的細胞密度是被需要的,俾以獲得並且維持化學物質的一高生產速率。 授予Gaddy的美國專利第6,136,577號揭示一種在一發酵過程(fermentation process)中產生乙醇的方法,其中細胞-再循環被用來增加細胞密度。 授予Gaddy等人的美國專利第7,285,402號揭示一種用來生產醇類的厭氧性微生物發酵方法,其中一種在啟始(start-up)的期間利用一儲備培養物(stock culture)[其中有過量的氫(H2)存在]來增加細胞密度的方法被提出。 使用一來自於儲備培養物的批次接種物的啟始確保一免於汙染的健康接種物,但是由於相當低的細胞密度被使用,以此作為一接種程序並非總是能成功,特別是若方法參數(諸如氣體速率及攪拌速率)在接種後立刻被增加太快時。 現今,在本技藝中對於用以在一氣態基質的微生物發酵中增加細胞密度之經改善的方法,存在有一需求。本揭露內容提供一種在一較快的速率下來增加細胞密度的方法,供用於一氣態基質的微生物發酵方法。 發明概要 本揭露內容提供一種從一氣態基質中生成一或多種醇類的方法,它包含有:在一生物反應器中,對一存在於一水性培養基中之包含有一或更多氫(H2)與一氧化碳(CO)的氣態基質進行發酵;該方法包含有藉由調整氫攝取量(hydrogen uptake)來增加細胞密度;其中調整氫攝取量包含有測量氫的輸入速率;測量氫的輸出速率;以及調整一或更多氣態基質與氫的輸入速率;其中調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氣態基質的輸入速率的莫耳比率(molar ratio)包含有一第一預選範圍;其中調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氫的輸入速率的莫耳比率包含有一第二預選範圍;其中該第一預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍;其中該第一預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍;它進一步包含有將一水性培養基的流動(flow)添加至該生物反應器中;將一發酵液(fermentation broth)的流動從該生物反應器中移除;它進一步包含有將一水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除;它進一步包含有藉由控制比CO攝取量的改變速率(rate of change of specific CO uptake)來增加該細胞密度;其中控制比CO攝取量的改變速率包含有測量CO的輸入速率;測量CO的輸出速率;測量細胞質量(cell mass);以及調整CO的輸入速率;其中該比CO攝取量的改變速率包含有比CO攝取量的預定步驟;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.001至大約10.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.01至大約5.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.1至大約1.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍;其中該水性培養基包含有一或多種包括下列的微生物:生物學上純的微生物(biologically pure microorganism)、自然存在的微生物(naturally occurring microorganism)、非自然存在的微生物(non-naturally occurring microorganism)、藉由基因修飾而被生成的非自然存在的微生物、自然存在的微生物的突變種、非自然存在的微生物的突變種、重組型微生物(recombinant microorgansim)、工程微生物(engineered microorganism)、人工合成的微生物(artificially synthesized microorganism);其中該生物反應器包含有一或多個反應器;其中該生物反應器包含有細胞再循環單元;其中該含有CO的基質包含有氫;它進一步包含有將營養培養基添加至該生物反應器中。 本揭露內容提供:一種氣態基質發酵的方法,它包含有:在一生物反應器中,將包含有一或更多氫(H2)與一氧化碳(CO)的氣態基質添加至一水性培養基中;該水性培養基包含有一或多種微生物;該方法包含有藉由調整氫攝取量來增加細胞密度;其中調整氫攝取量包含有測量氫的輸入速率;測量氫的輸出速率;以及調整一或更多氣態基質與氫的輸入速率;其中調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氣態基質的輸入速率的莫耳比率包含有一第一預選範圍。 作為本揭露內容的具體例:調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氫的輸入速率的莫耳比率包含有一第二預選範圍;其中該第一預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍。 作為本揭露內容的具體例:其中該第一預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍。 作為本揭露內容的一具體例,將一水性培養基的流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的流動從該生物反應器中移除。作為一具體例,將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 作為本揭露內容的具體例:藉由控制比CO攝取量的改變速率來增加該細胞密度;其中控制比CO攝取量的改變速率包含有測量CO的輸入速率;測量CO的輸出速率;測量細胞質量;以及調整CO的輸入速率;其中該比CO攝取量的改變速率包含有比CO攝取量的預定步驟;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.001至大約10.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.01至大約5.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.1至大約1.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍。 作為一具體例,本揭露內容所述的微生物包含有一或多種包括下列的微生物:生物學上純的微生物、自然存在的微生物、非自然存在的微生物、藉由基因修飾而被生成的非自然存在的微生物、自然存在的微生物的突變種、非自然存在的微生物的突變種、重組型微生物、工程微生物,以及人工合成的微生物;其中該微生物包含有選擇來自於下列:凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630,DSMZ,德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061,DSMZ,德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC 49587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138),以及它們的混合物;其中該微生物包含有一或多種楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者一或多種Clostridium ragsdalei的菌株、或者一或多種Clostridium carboxidivorans的菌株,或者一或多種Clostridium autoethanogenum的菌株;其中該微生物包含有藉由將一或多種經選擇的基因插入至宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物,該宿主生物體是選自於:任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株,或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株;其中該微生物包含有藉由將一或多種基因插入至任何宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物,該基因是來自於:任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株,或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。 作為本揭露內容的具體例:該生物反應器包含有一或多個反應器;其中該生物反應器包含有細胞再循環單元。 作為本揭露內容的一具體例,該含有CO的基質包含有氫。 作為本揭露內容的一具體例,該方法包含有將營養培養基添加至該生物反應器中。 圖式簡單說明 第1圖包含有一示意圖,它例示說明一氣態基質之微生物發酵的方法的一具體例。 定義: 除非另外有所定義,針對本揭露內容而有如在整個說明書中被使用的下列術語被定義如下,並且可以包括在下面所定義之界定的單一或者複數形式:修飾任何數量的術語“大約”意指在維持微生物培養的真實世界狀況中[例如在實驗室、小規模工廠或生產設備中]所遇到的數量上的變化(variation)。例如,一成分的一數量(amount)或被使用於一混合物的測量值(measurement)或數量(quantity)當經由“大約”而被修飾時,包括在生產工廠或實驗室的一實驗狀況中典型地在測量上所使用的變化(variation)與介意程度(degree of care)。例如,一產物的一成分的數量當經由“大約”而被修飾時,包括在工廠或實驗室中於一種重複性實驗中的批次之間的變化以及在分析方法中所固有的變化。不論是否經由“大約”而被修飾,該等數量包括那些數量的等效量(equivalents)。如此處所描述並且經由“大約”而被修飾的任何數量(any quantity)亦可被用於本揭露內容中,有如非經由“大約”而被修飾的數量(amount)。 術語“產乙酸鹽生物(acetogen)”或“產乙酸鹽的(acetogenic)”,意指一會產生乙酸鹽(acetate)以作為厭氧呼吸的一產物的細菌。由於所有已知的產乙酸鹽生物皆是細菌,這些生物體亦被稱為產乙酸鹽的細菌。產乙酸鹽生物被發現於各種不同的棲地,一般而言那些棲地是厭氧性的(缺乏氧)。產乙酸鹽生物可以使用各種不同的化合物作為能量及碳的來源;被研究最透徹的產乙酸鹽代謝形式可以使用二氧化碳作為一碳來源以及使用氫作為一能量來源。 術語“生物反應器”、“反應器”或“發酵生物反應器”包括一由一或多個容器和/或塔或管線設備所組成的發酵裝置,該發酵裝置包括連續式攪拌槽反應器(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)、氣泡塔(bubble column)、氣升發酵槽(Gas Lift Fermenter)、靜態攪拌器(Static Mixer),或適用於氣體-液體接觸的其他裝置。針對本揭露內容的方法,該發酵生物反應器可包含有一生長反應器,該生長反應器進料一發酵液(fermentation broth)至一第二發酵生物反應器中,在該第二發酵生物反應器中大部分的產物(乙醇)被生成。 該術語“細胞密度”表示每單位體積的發酵液中之微生物細胞的質量,例如g/公升。 該術語“細胞再循環(cell recycle)”或“細胞再循環系統(cell recycle system)”或“crs”或“CRS”表示從在一發酵液中的固體微生物細胞中分離液體(滲透液)以及將全部或部分之該經分離的固體微生物細胞送回至會利用該微生物來生成該發酵液的發酵槽中的配置(arrangement)。一般而言,一過濾裝置被用來完成該分離。一無固體微生物之滲透液流的流體以及一經濃縮之固體微生物的流體從該過濾裝置中被生成。該無固體之滲透液流可包含有小於一特定顆粒尺寸的固體顆粒。 術語“轉化率”意指被轉化為產物的輸入量的一比率;此以下列公式而被表示:(輸入量-輸出量)/(輸入量)。 術語“乙醇生產力(ethanol productivity)”表示每天每單位發酵槽體積中被生成的乙醇數量。該發酵槽體積是在發酵槽中的有效的體積或液體體積。 術語“發酵”意指將CO發酵為醇類與乙酸鹽。許多微生物被知曉能夠進行將CO發酵為醇類(包括丁醇及乙醇)以及乙酸,並且適合供用於本揭露內容的方法中。適合供用於本揭露內容的該等微生物的實例包括:梭狀芽孢桿菌屬的那些細菌,諸如楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株,包括那些被描述於WO 2000/68407、EP 117309、美國專利第5,173,429號、第5,593,886號以及第6,368,819號、WO 1998/00558以及WO 2002/08438中者;Clostridium autoethanogenum的菌株(DSM 10061與DSM 19630,DSMZ,德國),包括那些被描述於WO 2007/117157以及WO 2009/151342中者;以及Clostridium ragsdalei(P11,ATCC BAA-622),包括那些分別被描述於美國專利第7,704,723號與“Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas”(Hasan Atiyeh,發表於Oklahoma EPSCoR Annual State Conference,4月29日,2010年)中者;以及被描述於美國專利申請案第20070275447號中的Clostridium carboxidivorans(ATCC BAA-624)。其他適合的微生物包括穆勒氏菌屬(genus Moorella)的那些細菌(包括Moorella sp HUC22-1)與氧化碳嗜熱菌屬(genus Carboxydothermus)的那些細菌。這些公開刊物的每一者的揭露內容完全地被併入本案中以作為參考資料。此外,其他微生物可經由一熟習本技藝的人士而被選擇以供用於本揭露內容的方法中。亦將被明瞭的是,二或多種微生物的一混合培養物可被使用於本揭露內容的方法中。一適合供用於本揭露內容的微生物是Clostridium autoethanogenum。發酵可在任何適合的生物反應器[諸如一連續式攪拌槽反應器(CSTR)、一氣泡塔反應器(BCR)或者一滴流床反應器(TBR)]中被進行。另外,在本揭露內容的一些較佳具體例中,該生物反應器可包含有一第一生長反應器(該等微生物被培養於其中),以及一第二發酵反應器[發酵液由該生長反應器被進料至其中,並且大多數的發酵產物(乙醇與乙酸鹽)被生成於其中]。 術語“發酵液(fermentation broth)”意指:該發酵培養基的組成物包含最終存在於該發酵液中的任何物質,它包括:原始受質、發酵產物、微生物以及衍生成份、化學添加物、營養物、氣體。所有三主要相;固相、液相以及氣相皆存在於該發酵液以及它們可能的交互作用中。 術語“基因(gene)”表示一DNA的節段(a segment of DNA);它可包括在編碼DNA(coding DNA)之前與之後的區域,以及介於外顯子(exons)之間的插入子(introns);它可為一遺傳的單位;在本揭露內容中該術語“基因”包括一有貢獻於表現型/功能的DNA節段;細胞會將之轉錄成為RNA以及會將至少部分轉譯成為蛋白質的DNA的節段;一由A、T、C以及G的組合所組成之鹼基的序列(一串列)。一般而言,如在本揭露內容中所提供的,該定義可意指任何單一或者複數的意義。 術語“微生物(microorganism)”或“微生物(microbe)”包括微生物、真菌、酵母菌、古菌以及單細胞生物;顯微可見的植物(被稱為綠藻);以及動物,諸如浮游生物、真渦蟲以及阿米巴變形蟲。有些亦包括病毒,但是其他人士認為這些並非生物。微生物生活在具有液態水的生物圈的所有部分中,包括土壤、熱溫泉、海洋地層上、高至大氣層上以以及深至在地殼內部的岩石裡。當微生物作為分解者時,它們在生態系統中對於養分再循環是重要的。微生物亦被人類利用於生物科技上、傳統食物與飲料這兩者的製備上,以及基於基因工程(genetic engineering)的現代科技上。被期望的是,經混合的微生物菌株(其可以或者可能不會含有各種不同的微生物菌株),將被利用於本揭露內容中。另外,被期望的是,直接的演化可以選擇性地篩選出可以被利用於本揭露內容中的微生物。另外,被期望的是,藉由以各種不同的化學物質來處理現存微生物的菌株(用以修飾它們的DNA)而造成它們的突變發生(mutagenesis)可以創造具有優異性能的微生物。更進一步被期望的是,重組DNA技術可以利用現存微生物的選擇菌株來創造微生物。被期望的是,可以將CO與水或H2與CO2轉變成乙醇與乙酸產物的微生物將被利用於本揭露內容中。可用的微生物的一些實例包括:凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanoerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630,DSMZ,德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061,DSMZ,德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC4 9587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138),以及它們的混合物。其他微生物可以經由一熟習本技藝的人士而被選擇以供用於這些方法中。一般而言,如在本揭露內容中所提供的,該定義可意指任何單一或複數的意義。 術語“營養培養基”包含有可含有一或多種維生素與礦物質的微生物生長培養基,它允許經選擇的微生物之生長。適合於本發明使用的各種營養培養基的組成份已被知曉並且被報導於先前的公開案中,諸如國際專利申請案第WO 2008/00558號、美國專利第7,285,402號、美國專利第5,807,722號;美國專利第5,593,886號,以及美國專利第5,821,111號。 術語“比CO攝取量(specific CO uptake)”表示在每單位時間(以min來表示)內經由單位質量(g)的微生物細胞而被消耗的CO的數量(以m-moles來表示),例如m-mole/g/min。 術語“受質(substrate)”表示一藉由一酵素或微生物而被作用來生成發酵產物的物質。例如,糖在糖發酵中藉由酵素來生成乙醇,一或更多的CO、CO2與H2在合成氣發酵中藉由微生物來生成一或更多的羧酸與醇。 術語“合成氣(syngas)”或“合成氣體(synthesis gas)”意指是賦予一氣體混合物名稱的合成氣體,該氣體混合物含有呈多樣化數量的一氧化碳與氫。該生成方法的實例包括將天然氣或碳氫化合物蒸汽重組(steam reforming)以產生氫,煤炭的氣化(the gasification of coal)以及在某些類型的廢物-至-能量(waste-to-energy)氣化設備中。該名稱來自於其在產生合成的天然氣(SNG)時作為中間產物以及供用於生成氨(ammonia)或甲醇(methanol)的用途。在藉由費托合成法(Fischer-Tropsch synthesis)以及先前的Mobil甲醇製汽油方法(Mobil methanol to gasoline process)來生成合成石油(供用於作為燃料或潤滑劑)時,合成氣亦被使用作為中間產物。合成氣主要由氫、一氧化碳以及經常一些二氧化碳所組成。 詳細說明 本揭露內容提供:一氣態基質發酵的方法,它包含有:在一生物反應器中,將包含有一或更多氫(H2)與一氧化碳(CO)的氣態基質添加至一水性培養基中;該水性培養基包含有一或多種微生物;該方法包含有藉由調整氫攝取量來增加細胞密度;其中調整氫攝取量包含有測量氫的輸入速率;測量氫的輸出速率;以及調整一或更多氣態基質與氫的輸入速率;其中調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氣態基質的輸入速率的莫耳比率包含有一第一預選範圍。 作為本揭露內容的具體例:調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氫的輸入速率的莫耳比率包含有一第二預選範圍;其中該第一預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍。 作為本揭露內容的具體例,該第一預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍;其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍。 作為本揭露內容的一具體例,將一水性培養基的流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的流動從該生物反應器中移除。作為一具體例,將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 作為本揭露內容的具體例:藉由控制比CO攝取量的改變速率來增加該細胞密度;其中控制比CO攝取量的改變速率包含有測量CO的輸入速率;測量CO的輸出速率;測量細胞質量;以及調整CO的輸入速率;其中該比CO攝取量的改變速率包含有比CO攝取量的預定步驟;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.001至大約10.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.01至大約5.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍;其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.1至大約1.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍。 本揭露內容提供一種生成一醇產物混合物的連續方法,它包含有:在一生物反應器中,將包含有一氧化碳的氣態基質添加至一水性培養基中;該水性培養基包含有一或多種微生物;該方法包含有測量整體的氫攝取量;在一流動-速率(flow-rate)下供應該氣態基質,藉此該整體的氫攝取量相對於該氣態基質的供應數量的莫耳比率包含有一落在大約0.001至大約1.0內的預選範圍;它進一步包含有:將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 本揭露內容提供一種生成一醇產物混合物的連續方法,它包含有:在一生物反應器中,將包含有一氧化碳的氣態基質添加至一水性培養基中;該水性培養基包含有一或多種微生物;該方法包含有測量整體的氫攝取量;在一流動-速率下供應該氣態基質,藉此該整體的氫攝取量相對於該氣態基質的供應數量的莫耳比率包含有一落在大約0.001至大約1.0內的預選範圍;它更進一步包含有:測量細胞密度;調整氣態基質的輸入量來增加細胞密度;將比CO攝取量改變至呈一落在大約0.001至大約10.0 mmol/min/克乾燥細胞之範圍內的預定數量;它進一步包含有:將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 本揭露內容提供一種生成一醇產物混合物的連續方法,它包含有:在一生物反應器中,將包含有一氧化碳的氣態基質添加至一水性培養基中;該水性培養基包含有一或多種微生物;測量整體的氫攝取量以及在一流動-速率下供應該包含有氫的氣態基質,藉此該整體的氫攝取量相對於在該氣態基質中該氫的供應數量的莫耳比率維持在預選的範圍內;它進一步包含有:將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 本揭露內容提供一種生成一醇產物混合物的連續方法,它包含有:在一生物反應器中,將包含有一氧化碳的氣態基質添加至一水性培養基中;該水性培養基包含有一或多種微生物;測量細胞質量與比氫攝取量(specific hydrogen uptake)以及在一流動-速率下供應該包含有氫的氣態基質,藉此在每單位細胞質量中該比氫攝取量相對於該氣態基質的供應數量的莫耳比率維持在預選的範圍內;它進一步包含有:將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 本揭露內容提供一種生成一醇產物混合物的連續方法,它包含有:在一生物反應器中,將包含有一氧化碳的氣態基質添加至一水性培養基中;該水性培養基包含有一或多種微生物;測量細胞質量與比氫攝取量以及在一流動-速率下供應該包含有氫的氣態基質,藉此在每單位細胞質量中該比氫攝取量相對於在該氣態基質中該氫的供應數量的莫耳比率維持在預選的範圍內;它進一步包含有:將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 作為本揭露內容的具體例:該微生物包含有一或多種生物學上純的厭氧性產乙酸鹽的細菌;其中該微生物包含有一或多種自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌;其中該微生物包含有一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌;其中該微生物包含有利用厭氧性產乙酸鹽的細菌作為宿主生物並藉由基因修飾而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌;其中該微生物包含有藉由將厭氧性產乙酸鹽的細菌的基因插入至一宿主生物體中而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌;其中該微生物包含有一或多種選自下列的細菌:凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630,DSMZ,德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061,DSMZ,德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC 49587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138),以及它們的混合物;其中該微生物包含有一或多種楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者一或多種Clostridium ragsdalei的菌株、或者一或多種Clostridium carboxidivorans的菌株,或者一或多種Clostridium autoethanogenum的菌株;其中該微生物包含有藉由將一或多種經選擇的基因插入至宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物,該宿主生物體是選自於:任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株,或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株;其中該微生物包含有藉由將一或多種基因插入至任何宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物,該基因是來自於:任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株,或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。 作為本揭露內容的具體例:該生物反應器包含有一或多種反應器;其中該生物反應器包含有細胞再循環單元。 作為本揭露內容的一具體例,該含有CO的基質包含有氫。 作為本揭露內容的一具體例,該方法包含有將營養培養基添加至該生物反應器中。 第1圖呈現一種用以從一包含有一氧化碳(CO)的氣態基質(諸如合成氣)中藉由與微生物發酵來生成化學物質(諸如醇產物混合物)的方法,其中該方法包含有一含有一發酵液(包含有該微生物細胞與一發酵培養基)的生物反應器(100)。一包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體(101)可以連同一發酵培養基的流體(102)而被進料至該生物反應器中。一包含有該微生物細胞與該(等)產物化學物質的發酵液的流體(110)可以從該生物反應器中被移除。一包含有該氣態流體(包含有氣態基質)之未經使用部分的發酵槽廢氣的流體(120)從該生物反應器中被排出。在一具體例中,該發酵液的流體(110)流動至一細胞再循環裝置(200)中,其中該等細胞被濃縮並且回送(220)至該生物反應器中。一來自該細胞再循環裝置的滲透流體(210)是針對該化學物質的再回收的方法(未顯示於圖式中)。在一具體例中,該發酵液的流體(110)是針對該醇產物混合物的再回收的方法(未顯示於圖式中)。 在一具體例中,該生物反應器(100)配備有一攪拌器(105)以提供攪拌,俾以促進該包含有氣態基質的氣態流體與該液體發酵培養基的接觸,以及增強該氣態基質與該液體發酵培養基的質量轉移(mass transfer)。 存在有設備供用於收集被導入該生物反應器中之包含有氣態基質的氣態流體(101)以及離開該生物反應器的廢氣(120)的樣品(未顯示於第1圖中)。存在有設備供用於收集該生物反應器的發酵液的樣品(未顯示於第1圖中)。該氣體以及該液體間隔地被收集並且針對各種不同的氣體組成分的消耗或生成、各種不同產物的生成以及該發酵液的光學密度而被分析。 這些經測量的數值可以利用下列公式而被用來計算氫攝取量、比氫攝取量與比一氧化碳(CO)攝取量(SCU)以及在該生物反應器中的發酵液的細胞密度: CO攝取量,mmol/min=(mmol/min CO輸入量)-(mmol/min CO輸出量) (1) H 2 攝取量,mmol/min=(mmol/min H 2 輸入量)-(mmol/min H 2 輸出量) (2) 細胞密度,g/L=(光學密度)‧(稀釋因子)‧(細胞質量常數) (3) 細胞質量,g=(細胞密度)‧(生物反應器的體積) (4) 比CO攝取量,mmol/min/g=(CO攝取量)/(細胞質量) (5) 比H 2 攝取量,mmol/min/g=(H 2 攝取量)/(細胞質量) (6) 細胞密度是每單位體積的發酵液中的細胞質量。該生物反應器的體積是當攪拌被關閉時存在於該生物反應器中的液體體積。細胞質量常數是每公升發酵液中[具有一(1)的光學密度]乾燥微生物細胞的質量(g)。光學密度(OD)是在一色度計(colorimeter)或分光光度計(spectrophotometer)中被一微生物細胞的懸浮液所吸收的光線的測量數值。該數值可被用來測量混濁度,其依次地可被用來評估在一溶液或發酵液中之微生物細胞的質量或數量。一樣品的光學密度通常是在以一適合的溶劑(諸如生理食鹽水)將該發酵液稀釋後而被測量。 被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有一或多種生物學上純的厭氧性產乙酸鹽的細菌。 被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有一或多種自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌。 被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌。 被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有利用厭氧性產乙酸鹽的細菌作為宿主生物體並藉由基因修飾而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌。 被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有藉由將厭氧性產乙酸鹽的細菌的基因插入至一宿主生物體中而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌。 被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有一或多種選自下列的微生物:凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630,DSMZ,德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061,DSMZ,德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC 49587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138),以及它們的混合物。 在一具體例中,被使用於本揭露內容的方法中的微生物包含有一或多種楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者一或多種Clostridium ragsdalei的菌株、或者一或多種Clostridium carboxidivorans的菌株,或者一或多種Clostridium autoethanogenum的菌株。 在一具體例中,被使用於本揭露內容的方法中的微生物包含有藉由將一或多種經選擇的基因插入至宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物,該宿主生物體是選自於:任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株,或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。 在一具體例中,被使用於本揭露內容的方法中的微生物包含有藉由將一或多種基因插入至任何宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物,該基因是來自於:任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株,或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。 在本揭露內容的方法中,該比氫攝取量是逐步地被降低至一所欲的比氫攝取量。 在本揭露內容的一具體例中,該方法包含有測量整體的氫攝取量以及在一流動-速率下供應該包含有氫的氣態基質,藉此該整體的氫攝取量相對於該包含有氫的氣態基質的供應數量的莫耳比率被維持在一預選範圍內。 在一具體例中,該整體的氫攝取量相對於該包含有氫的氣態基質的供應數量的莫耳比率之數值的該預選範圍包含有一落在大約0.1%至大約1.0%內的範圍。 在一具體例中,該方法進一步包含有供應一發酵培養基的流動。 在一具體例中,該方法進一步包含有使用具有一呈一特定的數值範圍之滲透液移除(permeate removal)的細胞再循環。 在一具體例中,該包含有氫的氣態基質也包含有CO。在一具體例中,該方法進一步包含有測量細胞密度與比CO攝取量,以及藉由調整氣態基質的輸入量來增加細胞密度;其中該比CO攝取量是在預定數值的步驟中而被增加或被減少。 在一具體例中,該方法進一步包含有一測量細胞密度與比CO攝取量的次-步驟(sub-process),以及若該細胞密度少於一目標細胞密度時,選擇一目標比CO攝取量以及調整包含有氣態基質的氣態流體的流動,藉此該比CO攝取量相等於該目標比CO攝取量可以被達成。 在一具體例中,該次-步驟(sub-process)被重複進行直到一所欲的細胞密度被達成,或者一所欲的比CO攝取量被達成,或者所欲的乙醇生產力被達成,或者在該發酵液中所欲的乙醇濃度被達成為止。 本揭露內容的方法的一具體例包含有測量整體的氫攝取量以及在一流動-速率下供應該包含有氫的氣態基質,藉此該整體的氫攝取量相對於在該包含有氫的氣態基質中之該氫的供應數量的莫耳比率被維持在一預選範圍內。 本揭露內容的方法的一具體例包含有測量微生物細胞質量與比氫攝取量,以及在一流動-速率下供應該包含有氫的氣態基質,藉此在每單位微生物細胞質量中該比氫攝取量相對於該包含有氫的氣態基質的供應數量的莫耳比率被維持在一預選範圍內。 本揭露內容的方法的一具體例包含有測量微生物細胞質量與比氫攝取量,以及在一流動-速率下供應該包含有氫的氣態基質,藉此在每單位微生物細胞質量中該比氫攝取量相對於在該包含有氫的氣態基質中之該氫的供應數量的莫耳比率被維持在一預選範圍內。 該整體的氫攝取量相對於在該包含有氫的氣態基質中之該氫的供應數量的莫耳比率之數值的該預選範圍包含有一落在大約0.1%至大約1.0%內的範圍。 在每單位微生物細胞質量中該比氫攝取量相對於該包含有氫的氣態基質的供應數量的莫耳比率之數值的該預選範圍包含有一落在大約0.1%至大約1.0%內的範圍。 在每單位微生物細胞質量中該比氫攝取量相對於在該包含有氫的氣態基質中之該氫的供應數量的莫耳比率之數值的該預選範圍包含有一落在大約0.1%至大約1.0%內的範圍。 該目標比CO攝取量的數值可包含有一落在大約0.1至大約10.0 mmol CO每分鐘每克乾燥微生物內的範圍。該所欲的比CO攝取量的數值可包含有一落在大約0.1至大約10 mmol/min/g內的範圍。 該目標細胞密度的數值可包含有一落在大約0.1至大約50 g/L內的範圍。該所欲的細胞密度的數值可包含有一落在0.5至50 g/L內的範圍。 該所欲的乙醇生產力的數值可包含有一落在1至50 g/L/天內的範圍。 在該發酵液中之該所欲的乙醇濃度可包含有一落在1至20 g/L內的範圍。 典型地,在一實驗室規模的生物反應器中(諸如New Brunswick Bioflow I生物反應器),落在每分鐘300至900轉(rpm)之範圍內的攪拌器速度提供足夠的攪拌以達成所欲的質量轉移速率。在一具體例中,落在500至700 rpm之範圍內的攪拌器速度被使用。在一具體例中,落在550至650 rpm之範圍內的攪拌器速度被使用。在一具體例中,大約600 rpm的攪拌器速度被使用。 在一具體例中,針對一較大規模生物反應器(諸如一大約100至500公升大小的生物反應器),落在大約50至大約500 rpm之範圍內的攪拌器速度被用於攪拌。在一具體例中,針對一大約100,000至大約1000,000公升大小之商業規模的生物反應器中,落在大約1至大約50 rpm之範圍內的攪拌器速度被用於攪拌。在各種不同的具體例中,一較大的生物反應器相較於一較小的生物反應器需要較小的rpm。 作為一具體例,本揭露內容提供在該生物反應器中落在25至50℃之範圍內的溫度控制。 在本揭露內容的方法的一具體例中,該生物反應器包含有一反應器。在本揭露內容的方法的一具體例中,該生物反應器包含有二或多個反應器。 在本揭露內容的方法的一具體例中,該生物反應器包含有細胞再循環單元。 在一具體例中,該氫攝取量相對於該氣態基質的輸入速率會變化以維持較佳的生長。作為另外的具體例,CO與H2成分分別地包含有38%與25%,在該輸入氣體中H2攝取量相對於整體的氣體分子輸入量之所欲的目標莫耳比率包含有11至14(例如,第一預選範圍);其中CO與H2成分分別地包含有30%與15%,在該輸入氣體中H2攝取量相對於整體的氣體分子輸入量之所欲的目標莫耳比率包含有3至4.5(例如,第二預選範圍)。 在本揭露內容的方法的一具體例中,該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體亦包含有氫。在一具體例中,該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體包含有合成氣。在一具體例中,該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體包含有煉鋼廠廢氣(steel mill off-gas)。在一具體例中,該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體包含有藉由包含有生物質量(biomass)之碳質材料的氣化而被獲得的合成氣。 在一具體例中,一或多個生長或植種發酵槽提供該微生物細胞之接種物的初始供應。在一具體例中,一或多個生長或植種發酵槽連同本揭露內容的方法連續供應該等微生物細胞至該生物反應器中。在本揭露內容的一具體例中,該方法包含有細胞再循環。 該營養培養基包含有微生物生長培養基,它可以含有一或多種允許經選擇的微生物之生長的維生素或礦物質。表1提供被本揭露內容所預期的營養培養基的一具體例。適用於本揭露內容的其他營養培養基是本技藝中已知的。更甚者,沒有被揭露於本技藝中但衍生自表1中所描述之各種不同的成分的營養培養基可被本發明所利用。本揭露內容提供針對經改良的營養培養基的成分。 表1、培養基成分以及它們的濃度 實施例 比較例(參見在US 7,285,402中的實施例11) 為了製備用於反應器之接種的儲備培養物,楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)菌株C-01(ATCC寄存編號第55988號)的培養物(cultures)於CO、CO2以及H2下、在含有1 g/L的酵母菌萃取物與1 g/L的胰酪酶(trypticase)的豐富培養基中、在鹽類與維生素中,被培育生長於150 ml血清瓶中。所使用的維生素濃度為0.4 mL/L的一水性溶液的培養基,該水性溶液包含有50.5 mg/L的鈣泛酸鹽(calcium pantothenate)、20.6 mg/L的d-生物素(d-biotin)以及50.6 mg/L的硫胺氫氯酸(thiamine HCL)。該等血清瓶在一振盪培育器中、於37℃下被培育。該等培養物被培育生長至指數生長期(如經由視覺檢查而被測定)。就每一次接種,大約90 ml的儲備培養物由該等血清瓶中被轉移至1 L的培養基中,相當於9%的體積接種。一成功的接種被描述如下。所概述的程序可以被重複進行數次以獲得一成功的接種。 在獲得一成功的接種中,90 mL/L的接種物被添加至一包含有0.4 mL/L的維生素與鹽類的1公升批次的基礎培養基中(t=0)。攪拌速率為240 rpm,pH值為5.3,溫度為38.5℃以及氣體滯留時間(連續氣體流動)為110分鐘。該氣體進料包含62%H2、31%CO以及7%C2H6。在13小時後(t=13),一些CO的轉化率被注意到,以及在t=23小時之時,該攪拌速率由240 rpm被增加至300 rpm。在t=27小時之時,該氣體滯留時間被降低至100分鐘,以及在t=46小時之時,在該氣體滯留時間上的一進一步的降低被完成。在t=28小時、59小時、72小時以及85小時之時,該攪拌速率亦以100 rpm的增量而被增加。 在t=110小時之時,該系統以一為80分鐘的氣體滯留時間與一為600 rpm的攪拌速率來進行操作。該細胞濃度為0.5 g/L以及該CO轉化率為35%。仍尚未有H2轉化率,但是少量的乙醇與乙酸鹽(各個大約1 g/L)已經被累積在該批次培養液(batch culture broth)中。直到此刻的成果著重在該反應器中的細胞生長。 在t=120小時之時,使用與在該基礎培養基中相同濃度的培養基流動(medium flow)以一為0.4 mL/min的速率而被啟動。一在氣體速率、攪拌速率以及培養基速率上的額定增加的程序接著被起始,同時於過量H2之下小心地維持該系統。在t=210小時之時,該乙醇濃度為17 g/L,該乙酸鹽濃度為1 g/L,該細胞濃度為1.6 g/L、該CO轉化率是接近100%以及該H2轉化率為90%。乙醇生產力達到11.4 g/L-天。 一逐步的氣體速率增加(gradual gas rate increases)的程序再次被啟動。並行的維生素增加(vitamin increases)被完成,以使該維生素添加速率(vitamin addition rate)達至0.7 ml/L培養基。在t=610小時之時,該反應器產生20 g/L的乙醇與大約2 g/L的乙酸鹽。該CO轉化率是接近100%以及該H2轉化率為85%。該乙醇生產力達到14 g/L/天。 用於實施例1-7的發酵培養基包含有一或多種選自於那些被呈現於表1之內者的成分。 實施例1:楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC:藉由將氫攝取量的百分比維持在佔流動至該反應器中之整體氣體的4.5%來增加在該反應器中之細菌的密度 含有發酵培養基的New Brunswick bioflow I反應器以0.34 g/L活躍地生長的楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC菌株而被啟動。在該實驗開始之時,該反應器的攪拌速率被設定至500 rpm。此攪拌速率於整個實驗過程中被維持。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約38至大約39℃的範圍之內。被進料至該生物反應器中的合成氣與來自於該生物反應器中的廢氣以及在該生物反應器中的發酵液在時間間隔下(例如,1小時的時間間隔)被取出並且針對各種不同的氣體成分的消耗或生成、發酵液乙酸濃度、發酵液乙醇濃度以及該培養物的光學密度而被分析。 整體的H2攝取量相對於合成氣輸入量的莫耳比率被設定在4.5%。對應於上述莫耳比率(4.5%)之所需的合成氣流動是利用公式(1)至(6)而被計算。該生物反應器被供應以呈在上述所計算出之速率的合成氣。 在本實施例中,為了增加該培養物的穩定性,在任何既定的時間點下之最大氣體增加(maximum gas increase)被限制在佔當下氣體流動值的30%。此外,在任何既定的時間點下,若該培養物沒有利用到被提供至該反應器中之CO的70%時,氣體不會被增加。 在接種之後的第21小時,一細胞再循環系統(CRS)被附加至該反應器。 在該細胞再循環系統的附加之後,達至該反應器的培養基(營養)流動在一為1.1 ml/min的速率下被啟動,並且通過該細胞再循環系統,1 ml/min的滲透液從該反應器中被引出。 上述有關該反應器的變化被執行用以預防在該培養物中乙酸與乙醇的抑制性數量的累積,並且亦用以將足夠數量的養份提供至該培養物中。細胞質量隨著時間而增加並且在該反應器的接種之後的第46小時之內達到3.2 g/L的細胞質量。在此時,該培養物正生成6.9 g/L的乙醇與4.86 g/L的乙酸。 在這個特定的實驗中,該培養物的pH值於整個實驗過程中是被維持在介於4.78與5.00之間。 在細菌開始活躍地生長於該反應器中之後(當該反應器的細胞密度達到超過該初始細胞密度的大約50%時),若該培養液的乙酸濃度是低於一預定數值時,該培養物被補充以維生素的組成物(除了已經存在於該培養基中的維生素之外)。被用來將維生素的混合物添加至該培養物的準則如下所示:若該培養液的乙酸少於大約2.5 g/L,每公升的培養物被添加以大約0.34 mL的維生素,若該培養液的乙酸少於大約2 g/L,每公升的培養物被添加以大約0.67 mL的維生素,若該培養液的乙酸少於大約1.5 g/L,每公升的培養物被添加以大約1 mL的維生素。被用於這些實驗中的維生素之組成物如下: 生物素(Biotin) 0.08-1 μM 硫胺氫氯酸(Thiamin HCl) 0.12-1.5 μM 鈣d-泛酸鹽(calcium d-Pantothenate) 0.15-2 μM 除了生物素、硫胺及鈣泛酸鹽之外,ATCC維生素補充劑(產品型號No.MD-VS)被添加至PETC實施例中,以達到1%(相對於發酵培養基)的最終濃度。 實施例2:楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01:藉由將氫攝取量的百分比維持在佔流動至該反應器中之整體氣體的大約3%來增加在該反應器中之微生物的密度 含有大約1.5公升(例如在大約1.45至大約1.6公升的範圍內)的發酵培養基的New Brunswick Bioflow I生物反應器以0.38 g/L活躍地生長的楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01菌株而被啟動。在該實驗開始之前,在該生物反應器中的攪拌速率被設定至600 rpm。此攪拌速率於整個實驗過程中被維持。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約36至大約37.5℃的範圍之內。被進料至該生物反應器中的合成氣與來自於該生物反應器中的廢氣以及在該生物反應器中的發酵液在時間間隔下(大約1小時的時間間隔)被取出並且針對各種不同的氣體成分的消耗或生成、發酵液的乙酸濃度、發酵液的乙醇濃度以及該培養物的光學密度而被分析。 整體的H2攝取量相對於合成氣輸入量的莫耳比率被設定在大約3%。對應於上述莫耳比率(3%)之所需的合成氣流動是利用公式(1)至(6)而被計算。該生物反應器被供應以呈在上述所計算出之速率的合成氣。接種之後的大約第12小時,一發酵培養基至該生物反應器中的流動在一為0.1 mL/min的速率下被啟動(大約細胞滯留時間:250小時)。接種之後的大約第32小時,發酵培養基至該生物反應器中的流動速率被增加至0.3 mL/min(大約細胞滯留時間:75小時)。接種之後的大約第47小時,當該反應器的發酵液乙醇濃度達到9.4 g/L時,細胞再循環系統(“crs”或“CRS”)被附加至該反應器。在該CRS附加至該反應器之後,發酵培養基流動從0.3被增加至0.8,並且通過該CRS,0.5 ml/min之無細胞滲透液的流動從該反應器中被引出。就這個滲透液抽取的數量,該培養物被維持在12 g/L的乙醇之下直到接種之後的第56小時。 細胞質量隨著時間而增加並且在該生物反應器的接種之後的大約第56小時之內達到2.8 g/L的細胞。 實施例3:楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01:藉由將氫攝取量的百分比維持在佔流動至該反應器中之整體氣體的4.5%來增加在該反應器中之微生物的密度 含有大約1.5公升(例如在1.5至1.675公升的範圍內)的發酵培養基的New Brunswick Bioflow I生物反應器以0.37 g/L活躍地生長的楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01菌株而被啟動。在該實驗開始之前,在該生物反應器中的攪拌速率被設定至600 rpm。此攪拌速率於整個實驗過程中被維持。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約36至大約37.5℃的範圍之內。被進料至該生物反應器中的合成氣與來自於該生物反應器中的廢氣以及在該生物反應器中的發酵液在時間間隔下(大約1小時的時間間隔)被取出並且針對各種不同的氣體成分的消耗或生成、發酵液乙酸濃度、發酵液乙醇濃度以及該培養物的光學密度而被分析。 整體的H2攝取量相對於合成氣輸入量的莫耳比率被設定在4.5%。對應於上述莫耳比率(4.5%)之所需的合成氣流動是利用公式(1)至(6)而被計算。該生物反應器被供應以呈在上述所計算出之速率的合成氣。在接種之後的第13小時,達至該反應器的培養基流動以0.1 ml/min而被啟動(大約細胞滯留時間:250小時)。在接種之後的第47.5小時,達至該反應器的培養基流動被增加至0.23 ml/min(大約細胞滯留時間:116小時)。在接種之後的第71.42小時,達至該反應器的培養基流動被增加至0.315 ml/min(大約細胞滯留時間:85小時)。在這個特定的實施例中,一細胞再循環系統沒有被附加至該反應器。 細胞質量隨著時間而增加並且在該生物反應器的接種之後的第99小時之內達到2.75 g/L。在此時,該培養物正生成11.6 g/L/天的乙醇。 實施例4:Clostridium autoethanogenum 含有發酵培養基的New Brunswick bioflow I生物反應器以0.46 g/L活躍地生長的楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) CO-1菌株而被啟動。在該實驗開始之時,該反應器的攪拌速率被設定至600 rpm。此攪拌速率於整個實驗過程中被維持。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約36至大約37.5℃的範圍之內。被進料至該生物反應器中的合成氣與來自於該生物反應器中的廢氣以及在該生物反應器中的發酵液在時間間隔下(大約1小時的時間間隔)被取出並且針對各種不同的氣體成分的消耗或生成、發酵液乙酸濃度、發酵液乙醇濃度以及該培養物的光學密度而被分析。 整體的H2攝取量相對於合成氣輸入量的莫耳比率被設定在4.5%。對應於上述莫耳比率(4.5%)之所需的合成氣流動是利用公式(1)至(6)而被計算。該生物反應器被供應以呈在上述所計算出之速率的合成氣。 在本實施例中,為了增加該培養物的穩定性,在任何既定的時間點下若該培養物沒有利用到被提供至該反應器中之CO的80%時,氣體不會被增加。 在接種之後的第8.37小時,達至該反應器的培養基流動在0.1 ml/min下而被啟動(大約細胞滯留時間:233小時)。在接種之後的第20.40小時,達至該反應器的培養基流動被增加至0.21 ml/min(大約細胞滯留時間:109小時)。在接種之後的第42.15小時,達至該反應器的培養基流動被增加至0.32 ml/min(大約細胞滯留時間:75.5小時)。 在接種之後的第43.75小時,當該反應器的發酵液乙醇濃度達到12.5 g/L時,細胞再循環系統(CRS)被附加至該反應器。在該CRS的附加之後,達至該反應器的培養基流動被增加至0.6 ml/min並且通過該CRS,0.3 ml/min的滲透液從該反應器中被引出(大約細胞滯留時間:80.5小時)。利用這個滲透液抽取的數量,該培養物被維持在19 g/L的乙醇之下直到該接種之後的第57小時。此變化(CRS的引入)被執行於該系統中用以移除在該反應器中乙醇的快速增加。 如在第1圖中所示,細胞質量隨著時間而增加並且在該反應器的接種之後的第58小時之內達到3.7 g/L的細胞質量。在此時,該培養物正生成超過18.4 g/L的乙醇。 實施例5:楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01 含有大約1.5公升(例如在1.45至1.65公升的範圍內)的發酵培養基的New Brunswick bioflow I生物反應器以0.3 g/L活躍地生長的楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) CO-1菌株而被啟動。在該實驗開始之時,在該生物反應器中的攪拌速率被設定至600 rpm。此攪拌速率於整個實驗過程中被維持。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約36至大約37.5℃的範圍之內。下列的樣品在不同的時間間隔(例如,1至4小時的時間間隔)下被取出並且被分析:被進料至該生物反應器中的合成氣;來自於該生物反應器中的廢氣;在該生物反應器中的發酵液。該樣品分析提供:各種不同的氣體成分的消耗、各種不同的氣體成分的生成、乙酸的濃度、乙醇的濃度以及該發酵液的光學密度。 因此,比CO攝取量(SCU)是利用上述的公式(1)至(6)而被測定。 起初,一合成氣輸入量的數值利用上述公式對應於大約1.4 mmol/min/g的SCU數值而被計算出,以及合成氣的流動被維持在該經計算的數值直到細胞密度增加並且達到一大約1.5 g/L的數值。 一旦該反應器的細胞密度達到大約1.5 g/L,針對預測氣體之該經設定的SCU數值被降低至大約1.2 mmol/min/g。之後,一旦該反應器的細胞質量達到大約2.5 g/L,針對預測氣體之該經設定的SCU數值被降低至大約1.0 mmol/min/g。細胞質量隨著時間而增加並且在該反應器的接種之後的大約第79小時之內達到大約2.8 g/L的預期細胞質量。在此時,該培養物正生成超過大約20 g/L的乙醇。 在接種之後的大約第13.97小時,達至該反應器的培養基流動在大約0.2 ml/min之下而被啟動(大約細胞滯留時間:大約125小時)。在接種之後的大約第28.08小時,達至該反應器的培養基流動被增加至大約0.5 ml/min(大約細胞滯留時間:大約52小時)。在此實驗期間,pH值被維持在大約4.5左右。 在整個啟始程序(start-up procedure)中,該經設定的SCU的逐步降低是為了要促進該培養物逐步轉變(gradual transformation)至低SCU(介於大約0.7至大約0.9 mmol/min/g之間)[維持在該反應器的生產模式(穩定狀態)的期間]。 上面所提及的方法費時少於大約80小時以達到該反應器之細胞質量(大約2.8 g/L)的設定目標。 實施例6:Clostridium autoethanogenum 含有大約1.5公升(例如在大約1.45至大約1.65公升的範圍內)的發酵培養基的New Brunswick bioflow I生物反應器以大約0.47 g/L活躍地生長的Clostridium autoethanogenum而被啟動。在該實驗開始之時,在該生物反應器中的攪拌速率被設定至大約600 rpm。此攪拌速率於整個實驗過程中被維持。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約36至大約37.5℃的範圍之內。下列的樣品在不同的時間間隔下(大約1至大約4小時的時間間隔)被取出並且被分析:被進料至該生物反應器中的合成氣;來自於該生物反應器中的廢氣;在該生物反應器中的發酵液。該樣品分析提供:各種不同的氣體成分的消耗、各種不同的氣體成分的生成、乙酸的濃度、乙醇的濃度以及該發酵液的光學密度。 因此,比CO攝取量(SCU)是利用上述的公式(1)至(6)而被測定。 起初,一合成氣輸入量的數值是利用上述公式對應於大約0.4 mmol/min/g的SCU數值而被計算出,以及合成氣的流動被維持在該經計算的數值直到細胞密度增加。對應於大約0.4 mmol/min/g的目標SCU數值之氣體流動被維持歷時大約19小時。在接種之後的介於第19小時至第21小時的期間,目標SCU數值為大約0.5 mmol/min/g。在接種之後的大約第21小時,目標SCU數值被設定至大約0.6。細胞密度隨著時間而增加並且在該反應器的接種之後的大約第79小時之內達到大約3 g/L。在此時,該培養物正生成超過大約15 g/L的乙醇。在接種之後的大約第26小時,達至該反應器的培養基流動以大約0.1 ml/min而被啟動(大約細胞滯留時間:大約240小時)。在接種之後的大約第50小時,達至該反應器的培養基流動被增加至大約0.2 ml/min(大約細胞滯留時間:大約119小時)。在接種之後的大約第71小時,達至該反應器的培養基流動被增加至大約0.5 ml/min(大約細胞滯留時間:大約50小時)。在此實驗期間,pH值被維持在大約4.5左右。 實施例7:食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium Methylotrophicum)(ATCC 33266):藉由將氫攝取量的百分比維持在佔流動至該反應器中之整體氣體的4.5%來增加在該反應器中之細菌的密度 在此實驗中,H2攝取量啟始方法(start-up method)使用一被廣泛研究的非梭狀芽孢桿菌的產乙酸鹽生物而被測試。 本實驗在一New Brunswick bioflow I反應器[在先前所提及的發酵培養基中含有0.78 g/L活躍地生長的食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)]中被啟動。在該實驗開始之時,該反應器的攪拌速率被設定至700 rpm。此攪拌速率於整個實驗過程中被維持。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約38至大約38.6℃的範圍之內。被進料至該生物反應器中的合成氣與來自於該生物反應器中的廢氣以及在該生物反應器中的發酵液的樣品在時間間隔下(大約1小時的時間間隔)被取出並且針對各種不同的氣體成分的消耗或生成、發酵液乙酸濃度、發酵液乙醇濃度以及該培養物的光學密度而被分析。 整體的H2攝取量相對於合成氣輸入量的目標莫耳比率被設定在4.5%。對應於上述莫耳比率(4.5%)之所需的合成氣流動是利用公式(1)至(6)而被計算。該生物反應器被供應以呈在上述所計算出之速率的合成氣。 在本實施例中,為了增加該培養物的穩定性,在任何既定的時間點下之最大氣體增加(maximum gas increase)被限制在佔當下氣體流動值的30%。此外,在任何既定的時間點下,若該培養物沒有利用到被提供至該反應器中之CO的80%時,氣體不會被增加。 達至該反應器的生長培養基(營養)流動在一為1 ml/min的速率下而被啟動,並且通過經附加至該反應器的細胞再循環系統(CRS),1 ml/min的滲透液從該反應器中被引出。 該反應器的細胞密度隨著時間而增加並且在該反應器的接種之後的第34小時之內達到5.12 g/L的細胞質量。在此時,該培養物正生成超過大約10.81 g/L的乙醇與3.96 g/L的乙酸。在這個特定的實驗中,該培養物的pH值於整個實驗過程中被維持在介於4.67和5.00之間。 在不背離本揭露內容(包括於具體例、實施例、申請專利範圍、應用等等)的範疇之下的許多修飾與變化可為那些熟習本技藝者所完成。所有公開的文件在此被併入本案以作為參考資料。 100...生物反應器 101...包含有氣態基質的氣態流體 102...發酵培養基的流體 105...攪拌器 110...發酵液的流體 120...發酵槽廢氣的流體 200...細胞再循環裝置 210...滲透流體 220...細胞被濃縮並且回送 第1圖包含一示意圖,它例示說明一氣態基質的微生物發酵方法的一具體例。 100...生物反應器 101...包含有氣態基質的氣態流體 102...發酵培養基的流體 105...攪拌器 110...發酵液的流體 120...發酵槽廢氣的流體 200...細胞再循環裝置 210...滲透流體 220...細胞被濃縮並且回送
权利要求:
Claims (23) [1] 一種從一氣態基質中生成一或多種醇類的方法,它包含有:在一生物反應器中,對一存在於一水性培養基中之包含有一或更多氫(H2)與一氧化碳(CO)的氣態基質進行發酵;該方法包含有藉由調整氫攝取量來增加細胞密度。 [2] 如申請專利範圍第1項的方法,其中調整氫攝取量包含有測量氫的輸入速率;測量氫的輸出速率;以及調整一或更多氣態基質與氫的輸入速率。 [3] 如申請專利範圍第1項的方法,其中調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氣態基質的輸入速率的莫耳比率包含有一第一預選範圍。 [4] 如申請專利範圍第1項的方法,其中調整氫攝取量包含有供應該氣態基質,藉此該氫攝取量相對於氫的輸入速率的莫耳比率包含有一第二預選範圍。 [5] 如申請專利範圍第3項的方法,其中該第一預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍。 [6] 如申請專利範圍第3項的方法,其中該第一預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍。 [7] 如申請專利範圍第4項的方法,其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍。 [8] 如申請專利範圍第4項的方法,其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.001至大約1.0內的範圍。 [9] 如申請專利範圍第4項的方法,其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.005至大約0.5內的範圍。 [10] 如申請專利範圍第4項的方法,其中該第二預選範圍包含有一落在大約0.01至大約0.1內的範圍。 [11] 如申請專利範圍第1項的方法,它進一步包含有將一水性培養基的流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的流動從該生物反應器中移除。 [12] 如申請專利範圍第1項的方法,它進一步包含有將水性培養基的連續流動添加至該生物反應器中;將一發酵液的連續流動從該生物反應器中移除。 [13] 如申請專利範圍第1項的方法,它進一步包含有藉由控制比CO攝取量(specific CO uptake)的改變速率來增加該細胞密度。 [14] 如申請專利範圍第13項的方法,其中控制比CO攝取量的改變速率包含有測量CO的輸入速率;測量CO的輸出速率;測量細胞質量;以及調整CO的輸入速率。 [15] 如申請專利範圍第13項的方法,其中該比CO攝取量的改變速率包含有比CO攝取量的預定步驟。 [16] 如申請專利範圍第15項的方法,其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.001至大約10.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍。 [17] 如申請專利範圍第15項的方法,其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.01至大約5.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍。 [18] 如申請專利範圍第15項的方法,其中該等比CO攝取量的預定步驟包含有一落在大約0.1至大約1.0 mmol/min/克乾燥細胞內的範圍。 [19] 如申請專利範圍第1項的方法,其中該水性培養基包含有一或多種包括下列的微生物:生物學上純的微生物、自然存在的微生物、非自然存在的微生物、藉由基因修飾而被生成的非自然存在的微生物、自然存在的微生物的突變種、非自然存在的微生物的突變種、重組型微生物、工程微生物(engineered microorganism)、人工合成的微生物。 [20] 如申請專利範圍第1項的方法,其中該生物反應器包含有一或多種反應器。 [21] 如申請專利範圍第1項的方法,其中該生物反應器包含有細胞再循環單元。 [22] 如申請專利範圍第1項的方法,其中該含有CO的基質包含有氫。 [23] 如申請專利範圍第1項的方法,它進一步包含有將營養培養基添加至該生物反應器中。
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