一種發酵方法
2023-10-09 23:33:14
一種發酵方法
【專利摘要】用於使用兩階段發酵方法從氣態底物產生一種或多種脂質產物的方法和系統。所述方法將包含CO2和H2的氣態底物提供給包含一種或多種微生物的培養物的第一生物反應器，並且發酵所述底物以產生乙酸鹽。然後將來自所述第一生物反應器的乙酸鹽提供給第二生物反應器，在所述第二生物反應器中所述乙酸鹽作為底物用於通過一種或多種酵母發酵產生脂質。
【專利說明】一種發酵方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種從氣態原料產生脂質的方法。所述方法包括用於從氣態原料產生一種或多種脂質產物的兩階段系統。
【背景技術】
[0002]全球能量危機已經增加了人們對燃料生產的替代方法的興趣。用於運輸業的生物燃料是有吸引力的石油替代物並且以低濃度混合物的形式迅速進入燃料市場。生物質來源的生物燃料的生產已經作為提高替代能量生產並減少溫室氣體排放的主要方法而出現。從生物質產生生物燃料使能源獨立成為了可能，這已經被證明可加快農村地區的發展並增強可持續的經濟發展。
[0003]第一代液體生物燃料使用碳水化合物原料，例如澱粉、蔗糖、玉米、油菜籽、大豆、棕櫚油和植物油。第一代原料帶來了許多重大的挑戰。這些碳水化合物原料的成本受到它們作為人類食物或動物飼料的價值的影響，並且用於乙醇生產的產澱粉或產蔗糖的農作物的栽培不是在所有地理條件下都是經濟上可持續的。持續使用這些原料作為生物燃料的來源會不可避免地對耕地和水資源造成巨大壓力。因此，開發將更低成本和/或更豐富的碳源轉化為燃料的技術是有利的。
[0004]第二代生物燃料為產生自纖維素和藻類的那些。由於藻類的生長速率快並且有能力消耗二氧化碳及產生氧，因此選擇藻類產生脂質。
[0005]已經看見活躍性增加的一個領域是脂質的微生物合成，其包括生物燃料產生所需的原材料。許多研究已經證明，通過在不同底物上(例如工業甘油、乙酸、汙泥、乳清滲透物、甘蔗糖蜜和稻草水解產物)使用產油酵母(oleaginous yeast)能夠積累脂質。由於生產成本高以及與原料的運輸和貯存相關的成本高，這些第二代生物燃料技術同樣面臨著問題。
[0006]早就已經認識到可以使用催化方法將由CO、CO2或氫氣(H2)組成的氣體轉化成各種燃料和化學品。然而，也可以使用微生物將這些氣體轉化成燃料和化學品。這些生物方法雖然普遍比化學反應慢，但是它們相對於催化方法有若干優勢，包括特異性更高、收率更高、能源成本更低和抗中毒性更強。
[0007]已經證明，通過厭氧發酵一氧化碳和/或氫氣和二氧化碳可產生乙酸、乙酸鹽和其他產物(例如乙醇)。參見例如Balch et al, (1977) International Journal of SystemicBacteriology., 27:355-361;Vega et al, (1989)Biotech.Bioeng., 34:785-793 ；Klassonet al (1990) Appl.Biochem.Biotech., 24/25:1 等。
[0008]已經證明，產乙酸細菌(例如醋酸桿菌(Acetobacterium)屬的那些)利用含H2、C02和/或CO的底物並且通過以乙醯Co-A合酶為關鍵酶的Wood-Ljungdahl通路將這些氣態底物轉化成乙酸、乙醇和其他發酵產物。伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii)是一種在約30°C的溫度下生長良好的嚴格厭氧且不形成孢子的微生物，已經顯示其由H2和CO2產生乙酸鹽。Balch et al.首先公開了細菌伍氏醋酸桿菌，其通過厭氧氧化氫並還原二氧化碳來生長。Buschorn et al證明伍氏醋酸桿菌基於葡萄糖產生並利用乙醇。伍氏醋酸桿菌的發酵是在最高達20mM的葡萄糖(果糖)濃度下進行。Buschorn et al發現當葡萄糖濃度增加到40mM時，在伍氏醋酸桿菌進入靜止生長期時剩餘了幾乎一半的底物，並且乙醇作為額外的發酵產物出現。Balch et al發現，根據以下化學計量:4H2+2C02->CH3C00H+H20，所檢測到的伍氏醋酸桿菌發酵H2和CO2的唯一主產物為乙酸鹽。
[0009]本發明的一個目的在於提供一種至少在一定程度上克服上述缺點的方法和發酵系統，或至少為公眾提供了一種可用的選擇。
【發明內容】
[0010]在第一方面，提供了一種從氣態底物產生一種或多種脂質產物的方法，所述方法包括:
[0011]1.將所述氣態底物接收入含有一種或多種微生物的培養物的第一反應器中，並且發酵所述氣態底物以產生一種或多種酸和/或醇；和
[0012]i1.將所述一種或多種酸和/或醇的至少一部分傳遞至含有一種或多種酵母的培養物的第二生物反應器中，發酵所述一種或多種酸以產生一種或多種脂質產物。
[0013]在一個實施方案中，所述氣態底物至少包括CO2和4。在某些實施方案中，所述氣態底物來自工業來源。在某些實施方案中，混合來自一種或多種工業來源的一種或多種氣體以提供具有所需組成的氣態底物。
[0014]在一個實施方案中，所述一種或多種酸選自乙酸鹽(acetate)、丁酸鹽、琥珀酸鹽或丙酸鹽。
[0015]在一個實施方案中，所述一種或多種醇選自乙醇、丁醇、甲醇或丙醇。
[0016]在各個實施方案中，在第一階段中產生的所有酸和/或醇在第二階段中被轉化成脂質。在各個實施方案中，回收在所述第一階段中產生的酸和/或醇的至少一部分。
[0017]在第二個方面，提供了一種從含有CO2和H2的氣態底物產生一種或多種脂質產物的方法，所述方法包括:
[0018]1.將所述氣態底物接收入含有一種或多種微生物的培養物的第一生物反應器中，並且發酵所述氣態底物以產生一種或多種酸；和
[0019]i1.將所述一種或多種酸的至少一部分傳遞至含有一種或多種酵母的培養物的第二生物反應器中，發酵所述一種或多種酸以產生一種或多種脂質產物。
[0020]在一個實施方案中，所述一種或多種酸為乙酸鹽,所述一種或多種微生物選自伍氏醋酸桿菌和熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoaceticum)。
[0021 ] 在本發明的一個實施方案中，所述第一生物反應器中發酵的pH維持在約pH6至約PH8。在一個優選的實施方案中，pH維持在pH7。
[0022]在一個實施方案中，通過所述第二階段產生的脂質用於產生一種或多種第三產物。在一個實施方案中，所述一種或多種第三產物選自乙醇和生物柴油。
[0023]在第三方面，提供了一種通過厭氧微生物發酵產生一種或多種產物的方法，所述方法包括:
[0024]1.將含有CO2和H2的底物接收入含有一種或多種微生物的培養物的第一生物反應器中，所述微生物選自醋酸桿菌屬、穆爾氏菌屬(Moorella)、梭菌屬(Clostridium)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus )、醋酸桿菌屬、真桿菌屬(Eubacterium)、丁酸桿菌屬(Butyribacterium)、產醋桿菌屬(Oxobacter)、甲燒八疊球菌屬(Methanosarcina)、甲燒八疊球菌屬和脫硫腸狀菌屬(Desulfotomaculum);厭氧發酵來自步驟的底物以產生包含乙.慶鹽的發酵液
[0025]i1.將所述發酵液進料至含有一種或多種酵母的培養物的第二生物反應器中；和
[0026]ii1.發酵乙酸鹽以產生一種或多種脂質產物。
[0027]在一個實施方案中，加工合併的發酵液以除去至少一部分乙酸鹽，然後再將所述流進料至第二生物生物反應器中。
[0028]應理解以下實施方案可應用於上述的任何一個方面。
[0029]在一個實施方案中，將合併的發酵流的pH調節至pH6到pH8，然後將其進料至第二生物反應器。
[0030]在本發明的一個實施方案中，所述第二生物反應器中發酵液中乙酸與氮的比例為至少10:1。在一個實施方案中，所述第二生物反應器中發酵液中的碳與乙酸的比例為49:1。在本發明的一個實施方案中，處理從所述第一生物反應器中排出的酸流以提供純化的或濃縮的酸流，所述純化或濃縮的酸流將被傳遞至所述第二生物反應器。在本發明的一個實施方案中，監測所述第二生物反應器中發酵液的碳:氮比例，調整輸入至所述生物反應器中的碳與氮的輸入量以確保碳:氮的比例大於49:1。
[0031]在本發明的一個實施方案中，在第一生物反應器中產生的乙酸鹽的濃度為至少約5g/L或至少約10g/L,或者至少約15g/L或至少約20g/L。
[0032]在本發明的一個實施方案中，在第一生物反應器中乙酸鹽的產生速率為至少約20g/L/天或至少約40g/L/ 天或至少約60g/L/天。
[0033]在本發明的一個實施方案中，所述一種或多種酵母為產油酵母。在本發明的一個實施方案中，所述產油酵母選自假絲酵母屬(Candida)、油脂酵母屬(Lipomyces)、紅冬抱酵母屬(Rhodosporidium)、紅酵母菌(Rhodotorula)、酵母屬(Saccharomyces)和耶氏酵母屬(Yarrowia)。在一個優選的實施方案中，所述一種或多種酵母為彎曲隱球酵母(Cryptococcus curvatii)。
[0034]在本發明的一個實施方案中，在所述第二生物反應器中發酵的pH維持在約pH6至約pH8。在一個優選的實施方案中，pH維持在pH7。
[0035]在本發明的一個實施方案中，所述第二生物反應器中的pH基本上與第一生物反應器中的PH相同。在替代的實施方案中，將從所述第一生物反應器中排出的流的pH調節至約PH7，然後將其進料至所述第二生物反應器。
[0036]在本發明的一個實施方案中，在所述第二生物反應器中的脂質濃度至少為約至少10g/L或至少約20g/L，或者至少約40g/L，或者至少約60g/L，或者至少約80g/L，或者至少約100g/L，或者至少約150g/L。在本發明的一個實施方案中，在所述第二生物反應器中的脂質產生速率為至少約5g/L/天，或者至少約7g/L/天，或者至少約10g/L/天，或者約15g/L/天,或者至少約20g/L/天,或者至少約30g/L/天。
[0037]在本發明的一個實施方案中，所述方法為連續式兩階段發酵。在一個實施方案中，所述方法為半連續式兩階段發酵。
[0038]在一個實施方案中，將在所述第一生物反應器中產生的所有乙酸鹽轉移至所述第二生物反應器以發酵成脂質。[0039]在一個實施方案中，回收在所述第一生物反應器中產生的乙酸鹽的至少一部分。
[0040]在一個實施方案中，從第二生物反應器排出的流的至少一部分被循環至第一反應器。在一個實施方案中，加工所述排出流(exiting stream)以基本上除去所有生物質,然後將其傳遞至所述第一反應器。在某些實施方案中，進一步處理所述排出流以除去可溶性蛋白質和其他不想要的組分。在其他實施方案中，調節所述流的PH然後將其進料至所述第一反應器中。
[0041]在一個實施方案中，在所述第二生物反應器中產生的脂質被用於生產一種或多種第三產物。在一個實施方案中，所述一種或多種第三產物選自乙醇、生物柴油、脂肪酸甲基酯(FAME)和脂肪酸乙基酯(FAEE)。
[0042]在一個實施方案中，使用一系列第一反應器來給至少一個第二反應器進料。例如，使用三個第一反應器來給一個第二反應器進料，四個第一反應器來給兩個第二反應器進料等。
[0043]在一個實施方案中，所述氣態底物為來自工業過程的廢氣或排氣。在一個實施方案中，所述廢氣選自來自製氫工廠的尾氣、焦爐煤氣、天然氣、催化重整氣、石油腦裂化器廢氣、煉油廠燃氣、制甲醇工廠尾氣、制氨工廠尾氣和石灰窯氣。
[0044]本發明還可單獨地或綜合地(以兩個或更多個所述部分、要素或特徵的任意結合或所有結合)包括在本申請說明書中提及或指出的部分、要素或特徵，並且當本文提及在本發明涉及領域中有已知等價物的具體整體(integer)時,所述已知等價物被認為是納入本文的，正如其被單獨提出一樣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]現將參照附圖更詳細地描述本發明，其中:
[0046]圖1為如本發明第二方面所定義的用於從CO2和H2產生脂質的雙發酵罐系統。
[0047]圖2示出了根據本發明的一個實施方案從CO2和H2產生乙酸鹽。
[0048]圖3a示出了利用葡萄糖底物的彎曲隱球菌(C.curvatus)的生長。
[0049]圖3b示出了利用來自本發明C02/H2發酵方法的乙酸鹽底物的彎曲隱球菌的生長。
【具體實施方式】
[0050]本發明廣義上涉及通過發酵含有CO2的氣態底物產生醇的方法。本發明的方法還廣義上涉及在碳捕獲方面的改進，其中CO2被轉化成有用的產物，即醇。
[0051]定義
[0052]除非另外定義，在本說明書中通篇使用的以下術語的定義如下:
[0053]滲透物一發酵液中可穿過分離器並且不會被分離器保留的基本可溶的組分。滲透物通常含有可溶性發酵產物、副產物和營養液。
[0054]稀釋率——在生物反應器中發酵液的替換速率。稀釋率是以每天被營養培養基替換的發酵液的生物反應器體積數測定。
[0055]發酵液一在生物反應器中存在的組分的混合物(包括發酵液培養物和營養培養基)。
[0056]營養培養基——向發酵液中加入的溶液，其含有營養素和適於微生物培養物生長的其他組分。
[0057]含有一氧化碳的底物等術語應理解為包括任意的底物，其中一氧化碳可被一種或多種細菌菌株利用以進行例如生長和/或發酵。
[0058]發酵放出液(tooth bleed)——從生物反應器中移出的未被傳遞至分離器的一部分發酵液。
[0059]發酵液培養物-在發酵液中存在的微生物培養物。
[0060]發酵液培養物密度——在發酵液中微生物細胞的密度。
[0061]分離器一經改造適用於從生物反應器接收發酵液並且使發酵液穿過過濾器傳遞以便獲得滲餘物和滲透物的模塊。過濾器可以為膜，例如，錯流膜或中空纖維膜。
[0062]包含二氧化碳和氫氣的氣態底物等術語為包括含二氧化碳和氫氣的任何氣體。二氧化碳和氫氣可以以各種比例存在，即基本相同％的二氧化碳和氫氣，或較多的氫氣，或較多的二氧化碳。
[0063]酸——如在本文中使用的，該術語既包括羧酸又包括相關的羧酸陰離子，例如存在於如本文中所描述的發酵液中的游離乙酸和乙酸鹽的混合物。在發酵液中的分子酸與羧酸鹽的比例取決於系統的pH。術語「乙酸鹽」包括單獨的乙酸鹽以及分子乙酸或游離乙酸與乙酸鹽的混合物，例如存在於如本文描述的發酵液中的乙酸鹽與游離乙酸的混合物。在發酵液中的分子乙酸與乙 酸鹽的比例取決於系統的pH。
[0064]在本文中使用的脂質包括脂肪酸、糖脂、鞘脂、糖類脂(saccharolipid)、聚酮化合物、固醇脂和異戍烯醇脂(prenol lipid)。
[0065]生物反應器或發酵罐一包括由一個或多個容器和/或塔或管道排列組成的發酵裝置，其包括連續攪拌釜反應器(CSTR)、固定化細胞反應器(ICR)、滴流床反應器(TBR)、流化床生物膜反應器(MBBR)、鼓泡塔、氣升式發酵罐、膜反應器(例如中空纖維膜生物反應器(HFMBR))、靜態混合器或者適合氣體-液體接觸的其他容器或其他裝置。
[0066]第一生物反應器一如在本文中所使用的，該術語意欲包括一個或多個可以與第二生物反應器串聯或並聯的反應器。所述第一生物反應器使用厭氧發酵以從氣態底物中產生酸。使用一個或多個第一生物反應器的酸產物的至少一部分作為在一個或多個第二生物反應器中的底物。
[0067]第二生物反應器一如在本文中所使用的，該術語意預包括任意數目的其他生物反應器，其可以與第一生物反應器串聯或並聯。任何一個或多個所述其他生物反應器還可以與其他分離器連接。
[0068]發酵、發酵過程或發酵反應及類似術語一如在本文中所使用，意欲包括所述過程的生長階段和產物生物合成階段。如在本文中進一步描述的，在一些實施方案中，生物反應器可以包括第一生長反應器和第二發酵反應器。因此，將金屬或組合物加入到發酵反應中應該理解為包括加入到這些反應器之一或兩者中。
[0069]通過厭氧發酵氣態底物產生酸的方法在本領域中是已知的。
[0070]雖然以下描述集中於本發明的某些實施方案，但是應理解本發明可以適用於產生其他醇和或酸，並且本發明所屬領域的技術人員在考慮了本公開內容後會知道使用其他底物。同樣，雖然特別提到了使用伍氏醋酸桿菌和熱醋穆爾氏菌進行的發酵，但是本發明也適用於其他微生物，所述微生物可以用在相同或不同的方法中，所述方法產生有用產物，包括但不限於醇，例如乙醇。
[0071]如上文所限定的，在一方面，本發明涉及使用兩階段發酵方法從氣態底物產生脂質產物的方法。在第一階段中，厭氧發酵包含CO2和H2的氣態底物以產生一種或多種酸。在所述方法的第二階段中，將來自第一階段的一種或多種酸進料至含有一種或多種酵母的培養物的第二生物反應器中。厭氧發酵所述一種或多種酸以產生一種或多種脂質產物。
[0072]本發明的一個方面的方法包括在含有液體營養培養基的第一生物反應器中培養一種或多種厭氧、產乙酸細菌的菌株，所述菌株能夠從含CO2和H2的底物產生乙酸鹽，並將所述氣態底物供應至所述生物反應器。所述發酵方法產生了乙酸鹽。將在第一生物反應器中產生的乙酸鹽進料至含有一種或多種產油酵母的培養物的第二生物反應器中，所述產油酵母能夠從含乙酸鹽的底物產生脂質。
[0073]所述能夠從含有CO2和H2的底物產生乙酸鹽的厭氧產乙酸細菌的一種或多種菌株來自醋酸桿菌屬、穆爾氏菌屬、梭菌屬、熱球菌屬(Pyrococcus)、真桿菌屬、脫硫腸狀菌屬、一氧化碳嗜熱菌屬(Cabroxydothermus)、產醋菌屬(Acetogenium)、醋厭氧菌屬(Acetoanaerobium)、丁酸桿菌屬、消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)、瘤胃球菌屬、產醋桿菌屬和甲烷八疊球菌屬。更特別地，所述細菌選自伍氏醋酸桿菌和熱醋穆爾氏菌。
[0074]本發明各個方面的發酵方法的效率還可通過另外一種方法來改進，所述另外一種方法將從第二生物反應器排出的流循環至至少一個第一反應器。從第二生物反應器中排出的流可以含有未使用的金屬、鹽和其他營養組分。通過將所述排出流循環至第一反應器，可減少向第一反應器提供連續營養培養基的成本。該循環步驟具有降低連續發酵方法的水需求的其他優點。可處理從生物反應器中排出的流再將其傳遞迴第一反應器中。在優選的實施方案中，分離並加工生物質以回收一種或多種脂質產物。然後可將基本上無生物質的流傳遞至第一反應器。或者， 可進一步處理所述無生物質的流以除去可溶性蛋白質或其他不想要的組分，接著再將其傳遞至第一反應器中。可向回到第一反應器的流中加入另外的金屬和鹽，以提供具有所需組分的營養流。根據在第一反應器中發生的發酵過程監測並調節所述流的pH。
[0075]使用二氧化碳和氫氣底物的發酵
[0076]本發明特別適用於支持從氣態底物(例如含CO2和H2的工業燃氣)產生乙酸鹽和乙醇。一種這類型的氣體流為來自製氫工廠的尾氣，其通常含有50-60%C02、20-30%H2、5-15%C0和5-15%CH4。另一種產生富含CO2和H2的尾氣的工業過程為氨製造。類似的流產生於任意基於碳的原料的加工，所述基於碳的原料例如石油、煤和生物質。本發明還適用於產生其他醇的反應。
[0077]從氣態底物產生乙醇和其他醇的方法是已知的。示例性的方法包括記載於例如W02007/117157、W02008/115080、US6，340，58UUS6, 136，577、US5, 593，886、US5, 807，722 和US5, 821，111中的那些，所述文獻各自通過參引的方式納入本說明書中。
[0078]已知多種厭氧細菌能夠將CO2和H2發酵成醇(包括乙醇)和乙酸並且適用於本發明的方法。產醋酸菌具有通過Wood-Ljungdahl通路將氣態底物(例如H2XO2和CO)轉化成產物(包括乙酸、乙醇和其他發酵產物)的能力。適合用於本發明的這些細菌的實例包括產醋菌屬的細菌，例如伍氏醋酸桿菌菌株((Demler, M.，Weuster-Botz, 「Reaction EngineeringAnalysis of Hydrogenotrophic Production of Acetic Acid by AcetobacterumWoodii 」，Biotechnology and Bioengineering, Vol.108，N0.2，2011 年 12 月)。
[0079]已經證明伍氏醋酸桿菌通過發酵包含CO2和H2的氣態底物產生乙酸鹽。Buschhornet al.證明了伍氏醋酸桿菌能夠在磷酸鹽限制的葡萄糖發酵中產生乙醇。
[0080]其他合適的細菌包括穆爾氏菌屬(moorella)的細菌，包括穆爾氏菌HUC22-1(Sakai et al, Biotechnology Letters29:第 1607-1612 頁)和，一氧化碳嗜熱菌屬的細菌(Svetlichny, V.A.，Sokolova, T.G.et al(1991), Systematic and AppliedMicrobiologyl4:254-260)。其他實例包括熱醋穆爾氏菌(Morelia thermoacetica)、熱自養穆爾氏菌(Moorella thermoautotrophica)、產生瘤胃球菌(Ruminococcus productus)、伍氏醋酸桿菌、粘液真桿菌(Eubacterium limosum)、甲基營養丁酸桿菌(Butyribacteriummethylotrophicum)、普氏產醋桿菌(Oxobacter pfennigii)、巴氏甲燒八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、庫氏脫硫腸狀菌(Desulfotomaculum kuznetsovii) (Simpaet.al.Critical Reviews in Biotechnology, 2006Vol.26.第 41-65 頁)。此外，如同本領域技術人員會理解的，應理解其他產乙酸厭氧細菌也可用於本發明。還應理解本發明可適用於兩種或多種細菌的混合培養物。
[0081]適用於本發明的一種示例性微生物是伍氏醋酸桿菌，所述伍氏醋酸桿菌具有以標識保藏號DSM1030保藏於德國生物材料資源中心(German Resource Centre forBiological Material, DSMZ)的菌株的鑑定特徵。
[0082]本發明方法中使用的細菌培養可使用任意數目的本領域中已知使用厭氧細菌來培養和發酵底物的方法進行。示例性技術在下文「實施例」部分提供。舉例來說，可使用在以下文章中綜述的使用氣態底物進行發酵的那些方法:M.Demler andD.Weuster-Botz(2010).Reaction Engineering Analysis of HydrogenotrophicProduction of Acetic Acid by Acetobacterium woodi1.Biotechnology andBioengineering2010;D.R.Martin, A.Misra and H.L.Drake(1985).Dissimilation ofCarbon Monoxide to Ac etic Acid by Glucose-Limited Cultures of Clostridiumthermoaceticum.Applied and Environmental Microbiology, Vol49, N0.6,第 1412 頁-第1417頁。通常，所述發酵可在任意合適的生物反應器中進行，例如連續攪拌釜反應器(CTSR)、鼓泡塔反應器(BCR)或滴流床反應器(TBR)。同樣地，在本發明的一些實施方案中，所述生物反應器可包含其中培養所述微生物的第一生長反應器和第二發酵反應器，將來自所述生長反應器的發酵液進料給第二發酵反應器，並在其中產生大部分發酵產物(例如，乙醇和乙酸鹽)。
[0083]含有CO2和H2的底物
[0084]優選地，用於發酵的碳源可為包含二氧化碳和氫氣的氣態底物。類似地，氣態底物可以為作為工業過程的副產物獲得的或從一些其他來源獲得的含有CO2和H2的廢氣。全球CO2排放的最大來源來自發電廠、工業設施和其他來源中化石燃料的燃燒，所述化石燃料例如煤、油和氣。
[0085]氣態底物可以為含有CO2和H2的廢氣，其作為工業過程的副產物獲得或者從其他來源例如汽車排放尾氣獲得。在某些實施方案中，所述工業過程選自製氫、制氨、燃料燃燒、煤的氣化和石灰巖及水泥的生產。所述氣態底物可以是因為混合一種或多種氣態底物以提供混合流。技術人員應理解，富含H2或富含CO2的廢氣流比既富集H2又富集CO2的廢氣流更加豐富。技術人員應理解混合一種或多種的氣流(其包含所需的CO2和H2組分之一)是落在本發明的範圍內。
[0086]富含氫氣的氣流是通過各種方法產生，包括烴的蒸汽重組，尤其是天然氣的蒸汽重組。煤或烴的部分氧化也是富含氫氣的氣體的來源。富含氫氣的氣體的其他來源包括水的電解、來自用於產生氯的電解池的副產物，以及來自各個煉油廠和化學品流的副產物。
[0087]通常富含二氧化碳的氣流包括烴燃燒的廢氣，所述烴例如天然氣或油。二氧化碳還作為氨、石灰或磷酸鹽的生產的副產物產生以及來自天然二氧化碳井(wells)。
[0088]流的混合
[0089]如之前所指出的，需要將工業廢物流與一種或多種其他流混合以改善發酵反應的效率、酸和/或醇生產，並且/或者總的碳捕獲。
[0090]因此，如果工業流具有高CO2含量但包括了少量H2或無H2,則需要將一種或多種包含4的流與包含CO2的廢物流混合，然後將混合的底物流提供至發酵罐。發酵的總效率、醇生產力和/或總的碳捕獲將取決於所述混合流中CO2與H2的化學計量比。然而，在具體的實施方案中，混合的流可以基本 上包含以下摩爾比的CO2和H2:至少1:2，至少1:4或至少1:6或至少1:8或至少1:10。
[0091]將流混合還可以具有其他優勢，尤其是在包含CO2和/或H2的廢物流實際上是間斷的情況下。例如，包含0)2和/或&的間斷廢物流可以與包含CO2和/或氏的基本上連續的流混合，並且將其提供至發酵罐。在本發明的具體的實施方案中，基本上連續的流的組成和流速可以根據所述間斷的流而有所不同，目的是維持向發酵罐提供組成和流速基本上是連續的底物流。
[0092]混合兩種或多種流以實現所需的組成可以包括改變所有流的流速，或者可以使所述流中的一種或多種維持恆定而改變其他流，從而將所述底物流「修剪」或優化成所需組成。對於連續加工的流，可能需要稍微進行進一步的處理或不進行進一步的處理(例如緩衝)，並且所述流可以直接提供給發酵罐。然而，如果一種或多種流是間歇地獲得的，和/或如果各種流是連續獲得的但是卻以不同的速率使用和/或產生，那麼可能需要為各種流提供緩衝儲存器。
[0093]本領域的技術人員會理解，在混合之前有必要監測所述流的組成和流速。對混合流組成的控制可通過以下方式實現:改變組成流的比例以達到目標或所需組成。例如，基礎載氣流可以主要為CO2，可以混合包含高濃度的H2的次級氣流以達到特定的H2 = CO2比例。混合流的組成和流速可通過本領域中已知的任何方式監測。混合流的流速可獨立於混合操作進行控制；然而，抽出獨立組成流的速率需控制在一定範圍內。例如，間歇產生的，從緩衝儲存器中抽出的流必須以既不耗盡又不裝滿緩衝儲存器的速率抽出。
[0094]在混合時，各獨立的組成氣將會進入混合室，所述混合室通常為小的容器，或者為一段管。在這些情況下，可以向所述容器或管提供靜態混合裝置，例如擋板，布置所述靜態混合裝置以促進各獨立組分的湍流和快速均化。
[0095]如果需要，還可提供所述混合流的緩衝儲存器，以維持向生物反應器提供基本上連續的底物流。
[0096]可任選地將一種處理器納入系統中，所述處理器被改造為適於監測所述組成流的組成和流速並且控制所述流以合適比例混合，從而實現所要求的或所需的混合。例如，可以以所需的或可用的方式提供特定組分以優化醇生產力和/或總的碳捕獲的效率。
[0097]在本發明的某些實施方案中，所述系統適合連續監測至少兩種流的流速和組成並且將所述流結合以產生一個具有最佳組成的單一混合底物流，以及用於將優化的底物流傳遞至發酵罐的裝置。
[0098]以非限定實例舉例，本發明的具體實施方案包括使用來自石灰或水泥生產的二氧化碳氣體作為CO2來源。通常，所述流含有少量H2或不含有H2,因此需要將包含CO2的流與包含H2的流合併以實現更合乎需要的CO2 = H2比例。H2通常在軋鋼廠的焦爐中大量產生。
[0099]因此，來自焦爐的包含H2的廢物流可與包含CO2的石灰窯廢物流混合以實現所需的組成。
[0100]可以被混合以形成C02/H2底物流的其他CO2和/或H2來源包括氨合成和尿素合成。
[0101]氣態底物還可以為從一些其他來源(例如汽車尾氣)獲得的含CO2和H2的廢氣。在這些實施方案中，可以在所述含有CO2和H2的氣體被排放至大氣之前使用任何常規方法將其從工業過程中捕獲。根據含有CO2和H2的氣態底物的組成，還可能需要在將所述氣態底物引入至發酵之前對其進行處理，以除去不需要的雜質例如塵埃顆粒。例如，可以使用已知的方法過濾或洗滌氣態底物。
[0102]所述含有CO2和H2的底物還可以源自發酵過程，其中碳水化合物或氣體被發酵以形成產物，例如乙醇。例如，通過梭菌屬的微生物厭氧發酵包含CO的氣態底物使得產生包含乙醇的產物。CO2和任選的氫氣是該發酵反應的副產物。
[0103]在本發明的一些實施方案中，包含CO2的底物來自含碳廢物，例如工業廢氣或來自其他廢物的氣化。因此，本發明的方法代表了捕獲原本會被排放到環境中的碳的有效方法。在某些實施方案中，所述方法提供了用於通過將CO2轉化成有用的產物(例如酸和/或醇)而捕獲CO2的改良方法。
[0104]所述含有CO2和H2的底物通常含有較大比例的H2，例如至少約30體積％H2，或者至少40體積％H2，或者至少50體積％H2，或者至少60體積％H2，或者至少70體積％H2，或者至少80體積％H2，或者至少85體積％H2。
[0105]所述氣態底物通常含有至少約10體積％C02，或者至少15體積％C02，或者至少20體積％C02，或者至少25體積％C02，或者至少30體積％C02，或者至少40體積％C02。
[0106]用於從其他氣態組分中分離CO2的方法是公知的。分離技術可分為三大類:燃燒後、燃燒前和富氧燃燒(oxyfuel)。燃燒後技術使用溶劑從燃燒後煙道氣中吸收C02。燃燒前技術從進料燃料中分離CO2，其使用公知的方法，例如烴氣化和水變換反應，並且使用剩餘的氫氣作為燃料。富氧燃燒裝置在燃燒室中用純氧替代空氣。當用純氧燃燒時，烴釋放出幾近純的CO2流和蒸汽,這有助於CO2的終末分離(end separation)。
[0107]技術人員應理解，可傳遞烴流通過一些過程以產生包含CO2和H2的底物。例如，根據本發明的一個方面，將烴流(CH4)通過蒸汽甲烷重整器以產生至少包含CO和4的氣流；然後使該氣流進行水煤氣變換反應以產生包含CO、CO2和H2的底物。將底物通過變壓吸附器(PSA)以分離至少部分的氣體。應理解可使用多於一個PSA階段以能夠分離所述氣流的不同組分。
[0108]如技術人員(the skilled addressee)所理解的,底物的CO2組分和所述氣流的H2組分可來自不同來源。CO2組分可來自通常富含二氧化碳的工業廢氣流，而源自替代來源的氫氣可與CO2混合以產生具有所需組成的CO2和H2底物。可使用已知的分離技術分離出每種工業廢氣的所需組分，並且可將所需組分混合在一起以形成包含CO2和H2的底物。
[0109]通常會以氣態將二氧化碳加入到發酵反應中。然而，本發明的方法並不限於以該狀態加入二氧化碳。二氧化碳易於溶於水。在室溫下，CO2的溶解度為90cm3C02/100ml水。二氧化碳以多種形式存在於水性溶液中。當將CO2加入到水性溶液中時，其會溶解。
[0110]Co2(g) — Co2(aq) ?
[0111]然後在溶解的CO2和碳酸氫根之間建立平衡；
[0112]
【權利要求】
1.一種從氣態流捕獲碳的方法，所述方法包括: a.使包含CO2和H2的底物流至含有一種或多種微生物的培養物的第一生物反應器中； b.厭氧發酵所述包含CO2和H2的底物以產生一種或多種酸； c.使(b)的所述一種或多種酸的至少一部分流至含有一種或多種酵母的培養物的第二生物反應器；和 d.發酵所述一種或多種酸以產生一種或多種脂質。
2.權利要求1的方法，其中使基本上所有的在所述第一生物反應器中產生的所述一種或多種酸流至所述第二生物反應器。
3.權利要求1或2的方法，其中回收在所述第一生物反應器中產生的所述一種或多種酸的至少一部分。
4.權利要求1至3中任一項的方法，其中所述一種或多種酸為乙酸鹽。
5.權利要求1的方法，還包括以下步驟: a.分離從所述第二生物反應器中排出的發酵液流以提供生物質部分和基本上無生物質的廢物流； b.從所述生物質部分中提取一種或多種脂質產物；和 c.將所述基本上無生物質的廢物流的至少一部分傳遞至所述第一反應器。
6.權利要求5的方法，其中在將所述基本上無生物質的廢物流傳遞迴所述第一生物反應器之前先將其傳遞至處理階段。`
7.權利要求1的方法，其中所述一種或多種微生物選自醋酸桿菌屬(Acetobacterium)、穆爾氏菌屬(Moorella)、梭菌屬(Clostridium)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、醋酸桿菌屬、真桿菌屬(Eubacterium)、丁酸桿菌屬(Butyribacterium)、產醋桿菌屬(Oxobacter)、甲燒八疊球菌屬(Methanosarcina)、甲燒八疊球菌屬和脫硫腸狀菌屬(Desulfotomaculum)。
8.權利要求7的方法,其中所述一種或多種微生物選自伍氏醋酸桿菌(Acetobacteriumwoodii)和熱醋穆爾氏菌(moorella thermoaceticum)。
9.權利要求1至8中任一項的方法，其中所述第二生物反應器的發酵液中乙酸與氮的比例為至少10:1。
10.權利要求1至8中任一項的方法，其中所述第二生物反應器的發酵液中碳與氮的比例為至少49:1。
11.權利要求4的方法，其中在所述第一生物反應器中產生的乙酸鹽的濃度為至少約5g/L。
12.權利要求10的方法，其中在第一生物反應器中產生的乙酸鹽的濃度為至少約IOg/L0
13.權利要求4的方法，其中乙酸鹽產生的速率為至少約40g/L/天。
14.權利要求1的方法，其中所述一種或多種酵母為選自以下的產油酵母:假絲酵母屬(Candida)、油脂酵母屬(Lipomyces)、紅冬孢酵母屬(Rhodosporidium)>紅酵母菌屬(Rhodotorula)、酵母屬(Saccharomyces)、耶氏酵母屬(Yarrowia)和隱球菌屬(Cryptococcus) ο
15.權利要求13的方法,其中所述一種或多種酵母為彎曲隱球酵母(Cryptococcuscurvatii)。
16.權利要求1的方法，其中兩次發酵的pH均維持在約pH6-pH8。
17.權利要求1的方法，其中通過所述第二次發酵產生的脂質的濃度為至少20g/L。
18.權利要求16的方法，其中所述脂質的產生速率為至少20g/L/天。
19.權利要求1的方法，其中將從所述第二生物反應器排出的氣體流循環至所述第一生物反應器。
20.權利要求19的方法，其中所述氣體流包括C02。
21.權利要求20的方法，其中處理所述氣體流以移除微量氧，再將所述氣體流傳遞至所述第一生物反應器。
22.權利要求1的方法，其中所述方法為連續或半連續式的兩階段發酵反應。
23.權利要求1的方法，其中在所述第二生物反應器中產生的所述一種或多種脂質的至少一部分被回收並轉化成一種或多種選自生物柴油和乙醇的第三產物。
24.權利要求1的方法`，其中所述包含CO2和H2的底物為來自工業過程的氣態底物。
【文檔編號】C12P7/64GK103781912SQ201280043987
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年9月7日 優先權日:2011年9月8日
【發明者】L·P·特蘭, S·D·辛普森 申請人:紐西蘭郎澤科技公司