[发明专利]改进的发酵中碳捕捉

说明书

本发明提供在包含氢气(H2)和二氧化碳(CO2)的气态底物的发酵中利用CO2的工艺和方法。特别是，本发明允许气态底物中的至少一部分CO2转化成一种或多种产物，例如乙醇、乙酸盐和/或2,3‑丁二醇。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年10月17日提交的美国临时专利申请61/892,405的权益，所述临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及气体的微生物发酵领域，特别是涉及在气态底物的厌氧发酵中利用二氧化碳的新型工艺。

背景技术

乙醇正迅速成为全球主要的富氢液体运输燃料。2013年，仅美国的乙醇消费量据估计为131.8亿加仑。由于欧洲、日本、美国和多个发展中国家对乙醇的需求增长，也已经预计燃料乙醇工业的全球市场在未来会急剧增长。

例如，在美国，乙醇被用于生产E10(含有10％乙醇的汽油混合物)。在E10掺合物中，乙醇组分充当补氧剂(oxygenating agent)，从而提高燃烧效率并降低空气污染物的产生。在巴西，乙醇作为汽油中掺合的补氧剂以及单独作为纯燃料满足了约30％的运输燃料需求。此外，在欧洲，围绕温室气体(GHG)排放后果的环境方面的关注已促使欧盟(EU)对其成员国制订了消费可持续运输燃料例如生物质源乙醇的强制性目标。

绝大多数燃料乙醇通过传统的基于酵母的发酵工艺生产，所述工艺使用作物来源的碳水化合物(例如从甘蔗提取的蔗糖或从谷物提取的淀粉)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粮食或动物饲料的价格影响，同时种植产淀粉或产蔗糖作物用于生产乙醇并非在所有地域都是经济上可持续的。因此，需要开发将低成本和/或更丰富的碳资源转化成燃料乙醇的技术。

催化工艺可用于将主要由CO和/或CO₂和H₂组成的气体转化为多种燃料和化学品。也可以用微生物将这些气体转化为燃料和化学品。这些生物工艺虽然通常比化学反应慢，但与催化工艺相比具有多种优势，包括更高的特异性、更高的产率、更低的能量成本和更大的耐毒性。

微生物以CO作为唯一碳源生长的能力于1903年首次被发现。这后来被确定为采用自养生长的乙酰辅酶A(乙酰CoA)生物化学途径(也称为Woods-Ljungdahl途径和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶(CODH/ACS)途径)的生物体的一种特性。已经表明，大量的厌氧生物体，包括一氧化碳营养型生物体、光合作用生物体、产甲烷生物体和产乙酸生物体，都将CO代谢成多种最终产物，即CO₂、H₂、甲烷、正丁醇、乙酸盐和乙醇。当使用CO作为唯一碳源时，所有此类生物体都产生至少两种此类最终产物。

已证实厌氧细菌(例如梭菌属细菌)通过乙酰CoA生物化学途径从CO、CO₂和H₂生成乙醇。例如，从气体生成乙醇的杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的多种菌株在WO1998/00558、WO 2000/068407、WO 2002/008438、美国专利5,173,429、美国专利5,593,886和美国专利6,368,819中有所描述。此外已知细菌产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)从气体生成乙醇(Abrini,微生物年鉴(Arch Microbiol),161:345-351,1994)。

关于气体发酵的研究已证实，CO是被一氧化碳营养型微生物用于生产乙醇的主要碳源，而CO₂在很大程度上未被微生物利用。因此，强烈需要将气态底物中的一部分CO₂转化成有用的产品如醇和/或酸的改进的气体发酵工艺。

发明内容