Способ ферментации газа, содержащего монооксид углерода

Способ ферментации газа, содержащего монооксид углерода

Реферат

Настоящее описание относится к способам ферментации газов, содержащих монооксид углерода. Настоящее описание предлагает способы ферментации газа, содержащего монооксид углерода, для получения одного или нескольких спиртов.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ранее были предложены способы получения химических соединений, таких как органические кислоты, например, уксусная кислота, и спирты, например этанол, путем микробиологической ферментации газов, содержащих монооксид углерода, в среде, содержащей подходящие питательные вещества и следовые количества минералов, с помощью определенных микроорганизмов, таких как род Clostridium. Например, в патенте США №5173429, Gaddy и др., раскрыты Clostridium ljungdahlii ATCC №49587, анаэробные микроорганизмы, производящие этанол и ацетат из синтез-газа. В патенте США №5807722, Gaddy и др., раскрыты способ и аппаратура для превращения отходящих газов в полезные продукты, такие как органические кислоты, с помощью анаэробных бактерий типа Clostridium ljungdahlii ATCC №55380. В патенте США №6136577, Gaddy и др., раскрыты способ и аппаратура для превращения отходящих газов в полезные продукты, такие как органические кислоты и спирты (особенно этанол), с помощью анаэробных бактерий типа Clostridium ljungdahlii ATCC №55988 и 55989.

В патентной заявке США №20070275447 раскрыты бактерии Clostridium (Clostridium carboxidivorans, ATCC BAA-624, "P7"), способные синтезировать из отходящих газов продукты, применяемые в качестве биотоплива. В патенте США №7704723 раскрыты бактерии Clostridium (Clostridium ragsdalei, ATCC BAA-622, "P7"), способные синтезировать из отходящих газов продукты, применяемые в качестве биотоплива.

В патенте WO 2007/117157 описано использование Clostridium autoethanogenum (Accession No. DSM 10061, DSMZ, Germany) для получения этанола путем анаэробной ферментации субстратов, содержащих монооксид углерода. В WO 2009/064200 раскрыты другие бактерии (Clostridium autoethanogenum, Accession No. DSM 19630, DSMZ, Germany) для получения этанола анаэробной ферментацией субстратов, содержащих монооксид углерода.

Как известно, скорость образования химических соединений типа спиртов зависит от плотности клеток в ферментационной среде. Соответствующая высокая плотность клеток в биореакторе необходима для достижения и поддержания высокой скорости образования химических веществ.

В патенте США №6136577, Gaddy, раскрыт способ получения этанола ферментацией с использованием рецикла клеток для повышения их плотности.

В патенте США №7285402, Gaddy и др., раскрыт способ микробиологической ферментации для получения спирта, где предложен способ повышения плотности клеток при запуске процесса с использованием исходной культуры в избытке H₂.

Запуск ферментации с использованием порции инокулята из посевной культуры обеспечивает качественный инокулят, не содержащий примесей, но не всегда удачный из-за довольно малой плотности клеток, особенно если параметры процесса, такие как скорость газа и скорость перемешивания, увеличивают слишком быстро сразу после инокуляции.

В настоящее время нужны усовершенствованные способы повышения плотности клеток в микробиологической ферментации газообразного субстрата. Настоящее изобретение предлагает ускоренный способ повышения плотности клеток в способах микробиологической ферментации газообразного субстрата.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение раскрывает способ получения одного или нескольких спиртов из газообразного субстрата, включающий: ферментацию газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода (CO), в водной среде в биореакторе; указанный способ включает повышение плотности клеток путем регулирования удельного поглощения CO указанной водной средой; причем скорость изменения удельного поглощения CO включает регулирование скорости поглощения CO; изменение скорости удельного поглощения CO включает определение скорости подачи CO; определение скорости отвода CO; определение массы клеток; причем способ включает также изменение удельного поглощения CO в заданных количествах; а указанные заданные количества включают интервал от примерно 0.001 до примерно 10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заданные количества включают интервал от примерно 6.01 до примерно 5.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; указанные заданные количества включают интервал от примерно 0.1 до примерно 1.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; кроме того, способ включает подачу потока водной среды в биореактор, отвод потока ферментационного бульона из биореактора; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора; причем указанная водная среда содержит один или несколько микроорганизмов, включая биологически чистые микроорганизмы, природные микроорганизмы, не встречающиеся в природе микроорганизмы, не встречающиеся в природе генетически модифицированные микроорганизмы, мутанты природных микроорганизмов, мутанты не встречающихся в природе микроорганизмов, рекомбинантные микроорганизмы, микроорганизмы, полученные методом генной инженерии, искусственно синтезированные микроорганизмы; причем указанный биореактор включает один или несколько реакторов; указанный биореактор включает установку рецикла клеток; причем указанный CO-содержащий субстрат содержит водород; кроме того способ включает подачу питательной среды в указанный биореактор.

В одном варианте настоящее описание предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; причем указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO; регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В другом варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; причем указанный способ включает изменение заданного удельного поглощения CO с шагами в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток, регулирование потока газообразного субстрата таким образом, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO; повторение указанных шагов до достижения нужной плотности клеток в интервале от примерно 0.1 до примерно 15 г/л; после достижения указанной нужной плотности клеток переход к непрерывной работе.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO; регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно указанному заданному удельному поглощению CO в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В другом варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO с шагами в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток, регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно указанному заданному удельному поглощению CO; повторение указанных шагов до достижения нужной плотности клеток в интервале от примерно 0.1 до примерно 15 г/л; после достижения указанной нужной плотности клеток переход к непрерывной работе.

Настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода (CO), в водную среду в биореакторе; указанная водная среда включает один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает повышение плотности клеток путем регулирования удельного поглощения CO одним или несколькими указанными микроорганизмами в указанной водной среде; в одном варианте скорость изменения удельного поглощения включает один или несколько шагов; в одном варианте скорость изменения удельного поглощения CO включает регулирование скорости подачи CO; в другом варианте скорость изменения удельного поглощения CO включает определение скорости подачи CO; определение скорости отвода CO и определение массы клеток; способ также включает изменение удельного поглощения CO в заданных количествах в интервале от примерно 0.001 до примерно 10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; в другом варианте указанные заданные количества включают интервал от примерно 0.01 до примерно 5.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; в одном варианте указанные заданные количества включают интервал от примерно 0.1 до примерно 1.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; в другом варианте способ включает подачу непрерывного потока водной среды в биореактор; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора; причем указанные шаги повторяют до достижения нужной производительности по этанолу в интервале от примерно 1 до примерно 50 г/л; в другом варианте способ включает подачу непрерывного потока водной среды в биореактор; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора; причем указанные шаги повторяют до достижения заданной концентрации этанола в ферментационном бульоне в интервале от примерно 1 до примерно 50 г/л.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда включает один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO; регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В другом варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда включает один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO с шагами в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток, регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO; причем указанные шаги повторяют до достижения заданной плотности клеток в интервале от примерно 0.1 до примерно 15 г/л; после достижения желательной плотности клеток переход к непрерывной работе.

Настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда включает один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает определение плотности клеток; регулирование подачи газообразного субстрата для повышения плотности клеток; изменение удельного поглощения в заданных количествах в интервале от примерно 0.001 до примерно 10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда включает один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO; регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В другом варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; указанная водная среда включает один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO с шагами в интервале от примерно 0.01 до примерно 10 ммоль/мин/грамм сухих клеток, регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO; указанные шаги повторяют до достижения нужной плотности клеток в интервале от примерно 0.1 до примерно 15 г/л; после достижения желательной плотности клеток переход к непрерывной работе.

Варианты способа по настоящему изобретению, в которых указанные микроорганизмы включают один или несколько видов биологически чистых анаэробных ацетогенных бактерий; причем указанные микроорганизмы включают один или несколько видов природных биологически чистых анаэробных ацетогенных бактерий; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе биологически чистых анаэробных ацетогенных бактерий; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе биологически чистых анаэробных ацетогенных бактерий, анаэробных ацетогенных бактерий, полученных путем генетического модифицирования с помощью использования ацетогенных бактерий в качестве организма-хозяина; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе биологически чистых анаэробных ацетогенных бактерий, полученных внедрением генов анаэробных ацетогенных бактерий в организм хозяина.

В одном варианте указанные микроорганизмы по настоящему изобретению включают один или несколько видов микроорганизмов, в том числе: биологически чистые микроорганизмы, природные микроорганизмы, не встречающиеся в природе микроорганизмы, генетически модифицированные не встречающиеся в природе микроорганизмы, мутанты природных микроорганизмов, мутанты не встречающихся в природе микроорганизмов, рекомбинантные микроорганизмы, микроорганизмы, полученные методом генной инженерии, искусственно синтезированные микроорганизмы, причем указанные микроорганизмы выбирают из Acetogenium kivui, Acetobacterium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacteiium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium autoethanogenum (DSM 23693), Clostiidium autoethanogenum (DSM 19630 of DSMZ Germany), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 of DSMZ Germany), Clostridium thermoaceticum, Eubacterium limosum, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium ultunense, Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Clostridium coskatii, Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Geobacter sulfurreducens, Morrella thermacetica, Peptostreptococcus productus, Clostridium drakei, рекомбинантного организма (DSM 24138) и их смесей.

Вариант способа по настоящему изобретению, в котором указанные микроорганизмы включают один или несколько штаммов Clostridium ljundahlii, или один или несколько штаммов Clostridium ragsdalei, или один или несколько штаммов Clostridium carboxidivorans, или один или несколько штаммов Clostridium autoethanogenum.

Вариант способа по настоящему изобретению, в котором указанные микроорганизмы включают один или несколько генетически модифицированных микроорганизмов, полученных внедрением одного или нескольких выбранных генов в организм хозяина, который выбирают из любых штаммов Clostridium ljundahlii, или любых штаммов Clostridium ragsdalei, или любых штаммов Clostridium carboxidivorans, или любых штаммов Clostridium autoethanogenum.

Вариант способа по настоящему изобретению, в котором указанные микроорганизмы включают один или несколько видов генетически модифицированных организмов, полученных внедрением в любой организм хозяина одного или нескольких генов из любых штаммов Clostridium ljundahlii, или любых штаммов Clostridium ragsdalei, или любых штаммов Clostridium carboxidivorans, или любых штаммов Clostridium autoethanogenum.

Вариант способа по настоящему изобретению, в котором указанный биореактор включает один или несколько реакторов; указанный биореактор включает установку для рецикла клеток; указанный СО-содержащий субстрат содержит водород.

Вариант включает также подачу питательной среды в указанный биореактор.

ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фигура 1 представляет схему, иллюстрирующую вариант способа микробиологической ферментации газообразного субстрата.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Если не указано иное, следующие термины в этом изобретении определены приведенным ниже образом и могут включать либо единственную, либо множественные формы указанных ниже определений.

Термин «примерно» модифицирует любое количество и относится к вариации этого количества в реальных условиях поддержания культуры микроорганизма, например, в лаборатории, пилотной установке или производственной аппаратуре. Например, количество ингредиента или мера в смеси или любое количество, модифицированные словом «примерно», включают вариации и степень точности, обычно применяемые при определении в условиях эксперимента на производстве или в лаборатории. Например, количество компонента продукта, модифицированное словом «примерно», включает вариации порций в разных экспериментах на производстве или в лаборатории и вариации, присущие методу анализа. Независимо от того, модифицированы количества словом «примерно» или нет, количества включают эквиваленты этих количеств. Любое приведенное здесь количество, модифицированное термином «примерно», можно использовать в настоящем изобретении так же, как и количество, не модифицированное термином «примерно».

Термин «ацетоген» или «ацетогенный» относится к бактерии, которая генерирует ацетат в качестве продукта анаэробного дыхания. Эти организмы также называют ацетогенными бактериями, т.к. все известные ацетогены являются бактериями. Ацетогены находят в различных средах обычно в анаэробных условиях (отсутствие кислорода). Ацетогены могут использовать в качестве источников энергии и углерода различные соединения; лучшие изученные формы ацетогенного метаболизма включают использование диоксида углерода как источника углерода и водорода как источника энергии.

Термины «биореактор», «реактор» или «биореактор для ферментации» включают устройство для ферментации, состоящее из одного или нескольких сосудов и/или колонн или трубопроводов, которое включает проточный реактор с мешалкой (CSTR), барботажную колонну, газлифтный ферментер, миксер периодического действия или другие устройства, осуществляющие контакт газ-жидкость. В способе по данному изобретению биореактор для ферментации может включать культивационный реактор, из которого получаемый ферментационный бульон подают во второй ферментационный биореактор, в котором получают основную массу продукта.

Термин «плотность клеток» означает массу клеток микроорганизмов на единицу объема ферментационного бульона, например, г/литр.

Термин «рецикл клеток» означает вариант отделения жидкости (пермеата) от твердых микроорганизмов в ферментационном бульоне и возвращение всех или части указанных отделенных клеток твердых микроорганизмов обратно в ферментер, в котором получают указанный ферментационный бульон с использованием указанных микроорганизмов. Обычно для указанного разделения используют фильтрование. На фильтре получают поток пермеата, не содержащего твердых микроорганизмов, и поток концентрированных твердых микроорганизмов. Поток пермеата, не содержащего твердых частиц, может содержать твердые частицы размером меньше заданного.

Термин «конверсия» означает часть введенного количества, которая превратилась в продукт(ы); она обозначена в следующем уравнении: (введенное количество - количество на выходе)/(введенное количество).

Термин «производительность по этанолу» означает количество этанола, полученного на единицу объема ферментера в сутки. Объем ферментера является эффективным объемом или объемом жидкости в ферментере.

Термин «ферментация» означает ферментацию CO до спиртов и ацетата. Известно множество бактерий, способных проводить ферментацию CO до спиртов, в том числе бутанола и этанола, а также уксусной кислоты, пригодных для использования в способе по настоящему изобретению. Примеры таких бактерий включают род Clostridium, например, штаммы Clostridium ljungdahlii, в том числе описанные в WO 2000/68407, ЕР 117309, US Patent Nos. 5173429, 5593886 и 6368819, WO 1998/00558 и WO 2002/08438, штаммы Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 и DSM 19630 of DSMZ, Germany), включая описанные в WO 2007/117157 и WO 2009/151342, и Clostridium ragsdalei (PI 1, ATCC BAA622), включая описанные соответственно в патенте США №7704723 и "Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas," Hasan Atiyeh, изданной в трудах Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010, и Clostridium carboxidivorans (ATCC BAA-624), описанные в патентной заявке США №20070275447. Другие подходящие бактерии включают бактерии рода Moorella, в том числе Moorella sp HUC22-1, и бактерии рода Carboxydothermus. Содержание каждой из этих публикаций полностью введено здесь ссылками. Кроме того, специалисты в данной области могут выбрать другие бактерии для применения в способе по данному изобретению. Важно подчеркнуть, что в способе по настоящему изобретению можно применять смешанную культуру из двух или нескольких бактерий. Одним из видов микроорганизмов, пригодных для применения в настоящем изобретении, является Clostridium autoethanogenum. Ферментацию можно проводить в любом подходящем биореакторе, таком как проточный реактор с мешалкой (CTSR), барботажная колонна (BCR) или реактор с орошаемым слоем (TBR). Кроме того, в некоторых предпочтительных вариантах данного изобретения биореактор может включать первый культивационный реактор, в котором культивируют микроорганизмы, и второй реактор для ферментации, в который подают ферментационный бульон из культивационного реактора и в котором получают основную часть продукта (этанола и ацетата).

Термин «ферментационный бульон» означает: состав ферментационной среды включает все, что приводит к образованию ферментационного бульона, включая сырые субстраты, продукты ферментации, микроорганизм(ы) и производные компоненты, химические добавки, нутриенты, газы. В ферментационном бульоне присутствуют все три основные фазы: твердая, жидкая и газообразная, между которыми возможно взаимодействие.

Термин «ген» означает сегмент ДНК; он может включать области, предшествующие и следующие за кодирующей ДНК, а также интроны между экзонами; ген может быть единицей наследственности; в данном описании термин «ген» включает сегмент ДНК, который вносит вклад в фенотип/функцию; сегменты ДНК, которые транскрибируются клетками в РНК и транслируются, по крайней мере частично, в белки; последовательность оснований, состоящих из комбинаций A, T, C и G. В целом, как предложено в данном изобретении, это определение может иметь либо единственное, либо множественное значение.

Термин «микроорганизм» или «микроб» включает бактерии, грибки, дрожжи, археи и протисты; микроскопические растения (называемые зелеными водорослями); и животные, такие как планктон, планарии и амебы. Иногда сюда включают также вирусы, но их часто считают неживыми. Микроорганизмы живут во всех частях биосферы, где есть жидкая вода, включая грунт, горячие источники, дно океана, высокие слои атмосферы и провалы в скалах земной коры. Микроорганизмы критичны для рецикла нутриентов в экосистемах, т.к. они действуют как деструкторы. Микробы также применяют в биотехнологии, в производстве традиционной пищи и напитков и в современных генно-инженерных технологиях. Важно, что в данном изобретении можно применять микроорганизмы смешанных штаммов, которые могут содержать или не содержать штаммы разных микроорганизмов. Также важно, что с помощью направленной эволюции можно селективно подобрать микроорганизмы для применения в настоящем изобретении. Также очевидно, что технология на основе рекомбинантной ДНК позволяет создать микроорганизмы путем использования выбранных штаммов существующих микроорганизмов. Также с помощью технологии химического мутагенеза (мутирование бактериальной ДНК в присутствии различных химических соединений) можно создавать микроорганизмы путем подбора штаммов существующих микроорганизмов. Важно, что в настоящем изобретении можно применять бактерии, способные превращать CO и воду или H₂ и CO₂ в этанол и уксусную кислоту. Некоторые примеры полезных бактерий включают Acetogenium kivui, Acetobacterium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacijicus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium autoethanogenum (DSM 23693,), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 of DSMZ Germany), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 of DSMZ Germany), Clostridium thermoaceticum, Eubacterium limosum, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium ultunense, Clostridium ragsdali PII (ATCC BAA-622), Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Clostridium coskatii, Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Geobacter sulfurreducens, Morrella thermacetica, Peptostreptococcus productus, Clostridium drakei, рекомбинантный микроорганизм (DSM 24138J и их смеси. Специалист в данной области может выбрать другие бактерии для использования в этих способах. В целом, как показано в данном изобретении, определение может иметь единственное или множественное значение.

Термин «питательная среда» включает среду для культивирования микроорганизмов, которая может содержать один или несколько витаминов и минералов, способствующих культивированию выбранного микроорганизма. Компоненты разнообразных питательных сред, пригодных для применения в настоящем изобретении, известны и опубликованы в предшествующих работах, например, в Международной патентной заявке №WO 2008/00558, патенте США №7285402, патенте США №5807722; патенте США №5593886 и патенте США №5821111.

Термин «удельное поглощение CO» означает количество CO в молях, поглощенное единицей массы клеток микроорганизмов (г) в единицу времени в минутах, например ммоль/г/мин.

Термин «субстрат» означает вещество, которое под действием ферментов или микроорганизмов образует продукт. Например, сахар в ферментации сахара ферментом с образованием этанола; CO, CO₂ и H₂ в ферментации сингаза микроорганизмами для получения одной или нескольких карбоновых кислот и спиртов.

Термин «сингаз» или «синтез-газ» означает синтез-газ; так называется газовая смесь, содержащая различные количества монооксида углерода и водорода. Примеры способов получения синтез-газа включают паровой риформинг природного газа или углеводородов для получения водорода, газификацию угля и некоторые виды производств по газификации отходящих газов с получением энергии. Это название происходит от его применения в качестве интермедиата при получении синтетического природного газа (SNG), аммиака или метанола. Сингаз также используют как промежуточный продукт в производстве синтетической нефти, используемой в качестве топлива или смазки, путем синтеза Фишера-Тропша и ранее метода Мобил для превращения метанола в керосин. Сингаз состоит в основном из водорода, монооксида углерода и очень часто некоторого количества диоксида углерода.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода (CO), в водную среду в биореакторе; причем указанная среда содержит один или несколько микроорганизмов; указанный способ включает повышение плотности клеток путем регулирования удельного поглощения CO одним или несколькими видами микроорганизмов в указанной водной среде; причем изменение скорости удельного поглощения CO включает установление и/или регулирование одного или нескольких следующих шагов: регулирование скорости подачи CO; определение скорости отвода CO; определение массы клеток; кроме того, способ включает изменение удельного поглощения CO в заданных количествах; причем указанные заданные количества включают интервал примерно 0.001-10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; необязательно в одном варианте указанные заданные количества включают интервал примерно 0.01-5.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток и/или интервал примерно 0.1-1.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток; один вариант необязательно включает непрерывный поток водной среды в биореактор; отвод непрерывного потока ферментационного бульона из биореактора; повторение указанных шагов до достижения желательной производительности по этанолу в интервале примерно 1-50 г/л; один вариант необязательно включает подачу непрерывного потока водной среды в биореактор; отвод потока ферментационного бульона из биореактора; повторение указанных шагов до достижения заданной концентрации этанола в ферментационном бульоне в интервале примерно 1-50 г/л.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; причем указанная водная среда содержит один или несколько видов микроорганизмов; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO; регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO в интервале примерно 0.01-10 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего моноокисид углерода, в водную среду в биореакторе; причем указанная водная среда содержит один или несколько видов микроорганизмов; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO с шагами в интервале примерно 0.01-10 ммоль/мин/грамм сухих клеток, регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO; повторение указанных шагов до достижения заданной плотности клеток в интервале примерно 0.1-15 г/л; после достижения заданной плотности клеток переход на непрерывную работу.

Настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; причем указанная водная среда содержит один или несколько видов микроорганизмов; указанный способ включает определение плотности клеток; регулирование подачи газообразного субстрата для повышения плотности клеток; изменение удельного поглощения CO в заданных количествах в интервале примерно 0.001-10.0 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; причем указанная водная среда содержит один или несколько видов микроорганизмов; указанный способ включает выбор заданного удельного поглощения CO; регулирование потока газа таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO в интервале примерно 0.01-10 ммоль/мин/грамм сухих клеток.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает способ ферментации газообразного субстрата, включающий: подачу газообразного субстрата, содержащего монооксид углерода, в водную среду в биореакторе; причем указанная водная среда содержит один или несколько видов микроорганизмов; указанный способ включает выбора заданного удельного поглощения CO с шагами в интервале примерно 0.01-10 ммоль/мин/грамм сухих клеток; регулирование потока газообразного субстрата таким, чтобы удельное поглощение CO было равно заданному удельному поглощению CO; повторение указанных шагов до достижения заданной плотности клеток в интервале 0.1-15 г/л; после достижения указанной нужной плотности клеток переход на непрерывную работу.

В одном из вариантов предложен способ по настоящему изобретению, в котором указанные микроорганизмы включают: один или несколько видов биологически чистых анаэробных ацетогенных бактерий; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов природных анаэробных ацетогенных бактерий; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе анаэробных ацетогенных бактерий; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе генетически модифицированных анаэробных ацетогенных бактерий, полученных с использованием анаэробных ацетогенных бактерий в качестве организма-хозяина; указанные микроорганизмы включают один или несколько видов не встречающихся в природе анаэробных ацетогенных бактерий, полученных внедрением генов анаэробных ацетогенных бактерий в организм хозяина.

В качестве варианта предложен способ по настоящему изобретению, в котором указанные микроорганизмы включают один или несколько видов бактерий, которые выбирают из Acetogenium kivui, Acetobacterium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacijicus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium autoethanogenum (DSM 23693), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 of DSMZ Germany), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 of DSMZ Germany), Clostridium thermoaceticum, Eubqcterium limosum, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium ultunense, Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Clostridium coskatii, Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Geobacter sulfurreducens, Morrella thermacetica, Peptostreptococcus productus, Clostridium drakei, рекомбинантного микроорганизма (DSM 24138) и их смесей.

В одном варианте способа по настоящему изобретению указанные микроорганизмы включают один или несколько штаммов Clostridium ljundahlii, или один или несколько штаммов Clostridium ragsdalei, или один или несколько штаммов Clostridium carboxidivorans, или один или несколько штаммов Clostridium autoethanogenum.

В одном варианте способа по настоящему изобретению указанные микроорганизмы включают один или несколько генетически модифицированных микроорганизмов, полученных внедрением одного или нескольких выбранных генов в организм хозяина, который выбирают из любых штаммов Clostridium ljundahlii, или любых штаммов Clostridium ragsdalei, или любых штаммов Clostridium carboxidivorans, или любых штаммов Clostridium autoethanogenum.

В одном варианте способа по настоящему изобретению указанные микроорганизмы включают один или несколько генетически модифицированных микроорганизмов, полученных внедрением в любой организм хозяина одного или нескольких генов из любых штаммов Clostridium ljundahlii, или любых штаммов Clostridium ragsdalei, или любых штаммов Clostridium carboxidivorans, или любых штаммов Clostridium autoethanogenum.

В одном варианте способа по настоящему изобретению указанный биореактор включает один или несколько реакторов; в котором указанный биореактор включает установку для рецикла клеток; а указанный субстрат, содержащий СО, включает водород.

В одном варианте способа включает также подачу питательной среды в указанный биореактор.

На фиг. 1 представлен способ получения химических соединений, таких как смесь спиртов, из газообразного субстрата, такого как сингаз, содержащего монооксид углерода, путем ферментации с помощью бактерий, причем этот способ включает биореактор (100), содержащий ферментационный бульон с указанными клетками бактерий и ферментационную среду. Поток газообразного субстрата, содержащего CO (101), можно подавать в биореактор вместе с потоком ферментационной среды (102). Поток ферментационного бульона (110) с указанными клетками бактерий и указанные полученные химические соединения можно отводить из указанного биореактора. Поток отходящего газа из ферментера (120), включающий неиспользованную часть указанного потока газообразного субстрата, отводят из биореактора. В одном варианте поток ферментационного бульона (110) подают в аппарат для рецикла клеток (200), в котором клетки концентрируют и возвращают (220) в биореактор. Поток пермеата (210) из указанной аппаратуры для рецикла клеток направляют на стадию выделения указанных химических соединений. В одном варианте по меньшей мере часть потока ферментационного бульона (110) направляют на стадию выделения указанной смеси спиртов. В одном варианте по меньшей мере часть потока ферментационного бульона (210) направляют на стадию выделения указанной смеси спиртов.

В одном варианте биореактор (100) снабжен мешалкой (105), чтобы облегчить контакт газообразного потока субстрата и усилить массоперенос газообразного субстрата в жидкую ферментационную среду. Желательно установить хорошую скорость массопереноса и таким образом обеспечить перемешивание в биореакторе во время ферментации.

Имеется несколько вариантов отбора образцов потока газа, содержащего газовый субстрат, введенного в биореактор (101), и отходящего газа из биореактора (120) (не показаны на фиг.1). Есть вариант отбора образцов ферментационного бульона из реактора (не по