BRPI1008162B1 - METHOD FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF MICROBIAL FERMENTATION OF A SUBSTRATE COMPRISING CARBON MONOXIDE - Google Patents
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Abstract
MÉTODOS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA FERMENTAÇÃO MICROBIANA DE UM SUBSTRATO COMPREENDENDO CO E DA PRODUÇÃO DE UM OU MAIS ÁCIDOS E/OU ALCOÓIS POR TAL FERMENTAÇÃO, BEM COMO SISTEMA PARA TAL FERMENTAÇÃO. A presente invenção refere-se a produção de produtos tal como alcoóis e ácidos por fermentação microbiana, particularmente fermentação microbiana de substratos compreendendo CO. Mais particularmente referese aos métodos e sistemas para melhorar a eficiência de produtos por fermentação microbiana. Em modalidades particulares, a invenção fornece um método para otimizar a produção de produtos desejados incluindo a etapa de verificar a proporção de CO convertido em COz,.METHODS FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF MICROBIAL FERMENTATION OF A SUBSTRATE COMPRISING CO AND OF THE PRODUCTION OF ONE OR MORE ACIDS AND/OR ALCOHOLS BY SUCH FERMENTATION, AS WELL AS A SYSTEM FOR SUCH FERMENTATION. The present invention relates to the production of products such as alcohols and acids by microbial fermentation, particularly microbial fermentation of substrates comprising CO. More particularly it relates to methods and systems for improving the efficiency of products by microbial fermentation. In particular embodiments, the invention provides a method for optimizing the production of desired products including the step of checking the proportion of CO converted to CO2.
Description
A presente invenção refere-se geralmente aos métodos para aumentar a eficiência do crescimento microbiano e produção de produtos por fermentação microbiana em substratos gasosos. Mais particularmente a invenção refere-se aos processos para produção de alcoóis, particularmente etanol, por fermentação microbiana de gases contendo monóxido de carbono. Em modalidades particulares, a invenção refere-se aos métodos de determinação da conversão líquida total de CO para produtos durante fermentação microbiana.The present invention generally relates to methods for increasing the efficiency of microbial growth and product production by microbial fermentation on gaseous substrates. More particularly the invention relates to processes for producing alcohols, particularly ethanol, by microbial fermentation of gases containing carbon monoxide. In particular embodiments, the invention relates to methods for determining the total net conversion of CO to products during microbial fermentation.
Etanol está rapidamente se tornando um importante combustível de transporte de líquido rico em hidrogênio em todo o mundo. O consumo mundial de etanol em 2005 foi um número estimado de 12,2 bilhões de litros. O mercado global para a indústria de etanol combustível também foi predito continuar crescer bruscamente no futuro, devido a um interesse aumentado em etanol na Europa, Japão, os EUA e várias nações em desenvolvimento.Ethanol is rapidly becoming an important hydrogen-rich liquid transportation fuel worldwide. Global ethanol consumption in 2005 was an estimated 12.2 billion liters. The global market for the fuel ethanol industry is also predicted to continue growing sharply in the future, due to increased interest in ethanol in Europe, Japan, the United States, and several developing nations.
Por exemplo, nos EUA, o etanol é utilizado para produzir E10, uma mistura a 10% de etanol em gasolina. Em misturas de E10, o componente de etanol age como um agente de oxigenação, melhorando a eficiência de combustão e reduzindo a produção de poluentes do ar. No Brasil, etanol satisfaz aproximadamente 30% da demanda de combustível de transporte, tanto como um agente de oxigenação misturado em gasolina, quanto como um combustível puro por sua própria conta. Além disso, na Europa, as questões ambientais que cercam as consequências de emissões de Gás do Efeito Estufa (GHG) foram o estímulo para União Europeia (EU) definir os países membros de uma meta obrigatória para o consumo de combustíveis de transporte sustentáveis tais como etanol derivado de biomassa.For example, in the US, ethanol is used to produce E10, a 10% blend of ethanol in gasoline. In E10 blends, the ethanol component acts as an oxygenating agent, improving combustion efficiency and reducing the production of air pollutants. In Brazil, ethanol meets approximately 30% of transportation fuel demand, both as an oxygenating agent blended into gasoline and as a pure fuel on its own. Furthermore, in Europe, environmental concerns surrounding the consequences of greenhouse gas (GHG) emissions have prompted the European Union (EU) to set a mandatory target for member countries to consume sustainable transportation fuels such as biomass-derived ethanol.
A vasta maioria de etanol combustível é produzida através de processos de fermentação com base em levedura tradicionais que usam carboidratos derivados de colheita, tais como sacarose extraída de cana-de- açúcar ou amido extraído de colheitas de grão, como a principal fonte de carbono. Entretanto, o custo destas matérias-primas de alimentação de carboidrato é influenciado pelo valor como alimento humano ou alimento animal, e o cultivo de colheitas de produção de sacarose ou amido para a produção de etanol não é economicamente sustentável em todas as geografias. Portanto, é de interesse desenvolver tecnologias para converter custo menor e/ou recursos de carbono mais abundantes em etanol combustível.The vast majority of fuel ethanol is produced through traditional yeast-based fermentation processes that use crop-derived carbohydrates, such as sucrose extracted from sugarcane or starch extracted from grain crops, as the primary carbon source. However, the cost of these carbohydrate feedstocks is influenced by their value as human food or animal feed, and growing sucrose- or starch-producing crops for ethanol production is not economically sustainable in all geographies. Therefore, it is of interest to develop technologies to convert lower-cost and/or more abundant carbon resources into fuel ethanol.
CO é um subproduto rico em energia, livre, principal da combustão incompleta de materiais orgânicos tais como carvão ou óleo ou produtos derivados do óleo. Por exemplo, a indústria de aço na Austrália é reportada produzir e liberar na atmosfera mais de 500.000 toneladas de CO anualmente.CO is a free, energy-rich byproduct of the incomplete combustion of organic materials such as coal or oil or petroleum products. For example, the steel industry in Australia is reported to produce and release into the atmosphere over 500,000 tonnes of CO annually.
Os processos catalíticos podem ser utilizados para converter gases consistindo principalmente em CO e/ou CO e hidrogênio (H2) em uma variedade de combustíveis e substâncias químicas. Os micro-organismos podem também ser utilizados para converter estes gases em combustíveis e substâncias químicas. Estes processos biológicos, embora geralmente mais lentos do que as reações químicas, têm várias vantagens sobre os processos catalíticos, incluindo maior especificidade, produtos mais elevados, custos de energia menores e maior resistência ao envenenamento.Catalytic processes can be used to convert gases consisting primarily of CO and/or CO and hydrogen (H2) into a variety of fuels and chemicals. Microorganisms can also be used to convert these gases into fuels and chemicals. These biological processes, although generally slower than chemical reactions, have several advantages over catalytic processes, including greater specificity, higher product yields, lower energy costs, and greater resistance to poisoning.
A capacidade de micro-organismos crescerem em CO como uma única fonte de carbono foi primeiro descoberta em 1903. Isto foi mais tarde determinado ser uma propriedade de organismos que usam a série de reações bioquímica de coenzima A acetila (acetila CoA) de crescimento au- totrófico (também conhecido como a série de reações de Woods-Ljungdahl e a série de reações de monóxido de carbono deidrogenase/acetil CoA sintase (CODH/ACS)). Um grande número de organismos anaeróbicos incluindo organismos carboxidotróficos, fotossintéticos, metanogênicos e acetogênicos foram mostrados metabolizar CO para vários produtos finais, isto é, CO2, H2, metano, n-butanol, acetato e etanol. Ao mesmo tempo em que utilizando CO como a única fonte de carbono, todos tais organismos produzem pelo menos dois destes produtos finais.The ability of microorganisms to grow on CO as a sole carbon source was first discovered in 1903. This was later determined to be a property of organisms that use the biochemical acetyl coenzyme A (acetyl CoA) reaction series of autotrophic growth (also known as the Woods-Ljungdahl reaction series and the carbon monoxide dehydrogenase/acetyl CoA synthase (CODH/ACS) reaction series). A large number of anaerobic organisms including carboxydotrophic, photosynthetic, methanogenic, and acetogenic organisms have been shown to metabolize CO to various end products, i.e., CO2, H2, methane, n-butanol, acetate, and ethanol. While utilizing CO as the sole carbon source, all such organisms produce at least two of these end products.
As bactérias anaeróbicas, tais como aquelas do gênero Clostridium, foram demonstradas produzir etanol de CO, CO2 e H2 através da série de reações bioquímica de acetila CoA. Por exemplo, várias cepas de Clostridium Ijungdahlii que produzem etanol de gases são descritos em WO 00/68407, EP 117309, Patentes U.S. Nos. 5.173.429, 5.593.886, e 6.368.819, WO 98/00558 e WO 02/08438. A bactéria Clostridium autoetha- nogenum sp é também conhecida por produzir etanol de gases (Abrini e outros, Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)).Anaerobic bacteria, such as those of the genus Clostridium, have been shown to produce ethanol from CO, CO2, and H2 through a series of biochemical reactions involving acetyl CoA. For example, several strains of Clostridium Ijungdahlii that produce ethanol from gases are described in WO 00/68407, EP 117309, U.S. Patent Nos. 5,173,429, 5,593,886, and 6,368,819, WO 98/00558, and WO 02/08438. The bacterium Clostridium autoethanogenum sp is also known to produce ethanol from gases (Abrini et al., Archives of Microbiology 161, pp. 345-351 (1994)).
Entretanto, a produção de etanol por micro-organismos por fer-mentação de gases é tipicamente associada com a coprodução de acetato e/ou ácido acético. Quando um pouco do carbono disponível é convertido em acetato/ácido acético ao invés de etanol, a eficiência da produção de etanol utilizando tais processos de fermentação pode ser menor do que o desejável. Além disso, o subproduto de acetato/ácido acético pode ser utilizado para alguns outros propósitos, pode representar um problema de eliminação de resíduos. Acetato/ácido acético é convertido par metano por micro-organismos e, portanto tem o potencial de contribuir com as emissões de GHG.However, ethanol production by microorganisms through gas fermentation is typically associated with the co-production of acetate and/or acetic acid. When some of the available carbon is converted to acetate/acetic acid instead of ethanol, the efficiency of ethanol production using such fermentation processes may be lower than desirable. Furthermore, the acetate/acetic acid by-product may be used for some other purpose, which may pose a waste disposal problem. Acetate/acetic acid is converted to methane by microorganisms and therefore has the potential to contribute to GHG emissions.
Várias enzimas conhecidas por serem associadas com a capacidade de micro-organismos utilizarem monóxido de carbono com sua única fonte de carbono e energia são conhecidas por requererem cofatores de metal para sua atividade. Os exemplos de enzimas principais requerendo ligação de cofator de metal para atividade incluem monóxido de carbono deidro- genase (CODH), e acetil -CoA sintase (ACS). W02007/117157, W02008/115080, W02009/022925, W02009/058028, W02009/064200, W02009/064201 e W02009/113878, a descrição dos quais está incorporada aqui por referência, descrevem processos que produzem alcoóis, particularmente etanol, por fermentação ana- eróbica de gases contendo monóxido de carbono. O acetato produzido como um subproduto do processo de fermentação descrito em W02007/117157 é convertido em gás de hidrogênio e gás de dióxido de carbono, qualquer um dos dois ou ambos dos quais podem ser utilizados no processo de fermentação anaeróbico. W02009/022925 descreve o efeito de pH e ORP na conversão de substratos compreendendo CO para produtos tais como ácidos e alcoóis por fermentação. W02009/058028 descreve o uso de gases residuais industriais para a produção de produtos, tais como álcool, por fermentação. W02009/064201 descreve veículos para CO e o uso de CO na fermentação. W02009/113878 descreve a conversão de áci- do(s) para álcool(s) durante a fermentação de um substrato compreendendo CO.Several enzymes known to be associated with the ability of microorganisms to utilize carbon monoxide as their sole source of carbon and energy are known to require metal cofactors for their activity. Examples of major enzymes requiring metal cofactor binding for activity include carbon monoxide dehydrogenase (CODH), and acetyl-CoA synthase (ACS). W02007/117157, W02008/115080, W02009/022925, W02009/058028, W02009/064200, W02009/064201, and W02009/113878, the description of which is incorporated herein by reference, describe processes that produce alcohols, particularly ethanol, by anaerobic fermentation of gases containing carbon monoxide. Acetate produced as a byproduct of the fermentation process described in WO2007/117157 is converted to hydrogen gas and carbon dioxide gas, either or both of which may be utilized in the anaerobic fermentation process. WO2009/022925 describes the effect of pH and ORP on the conversion of substrates comprising CO to products such as acids and alcohols by fermentation. WO2009/058028 describes the use of industrial waste gases for the production of products, such as alcohol, by fermentation. WO2009/064201 describes carriers for CO and the use of CO in fermentation. WO2009/113878 describes the conversion of acid(s) to alcohol(s) during the fermentation of a substrate comprising CO.
Os micróbios capazes de crescer em gases contendo Co são conhecidos por fazê-lo em uma taxa mais lenta do que é tradicionalmente associado com micróbios crescidos nos açúcares. De uma perspectiva comercial, em um processo de fermentação o tempo requerido para uma população microbiana crescer para uma densidade celular suficientemente elevada para permitir um nível economicamente viável de produto a ser sintetizado, é um custo operacional principal afetando a probabilidade do processo. As tecnologias que agem para realçar as produtividades e/ou taxas de crescimento de cultura e, portanto, reduzir o tempo requerido para alcançar o tempo requerido alcançar as densidades de célula desejadas e/ou níveis de produto desejados e podem servir para melhorar a viabilidade comercial de todo o processo.Microbes capable of growing on Co-containing gases are known to do so at a slower rate than is traditionally associated with microbes grown on sugars. From a commercial perspective, in a fermentation process the time required for a microbial population to grow to a sufficiently high cell density to allow an economically viable level of product to be synthesized is a major operational cost affecting the viability of the process. Technologies that act to enhance culture productivities and/or growth rates and therefore reduce the time required to achieve desired cell densities and/or desired product levels may serve to improve the commercial viability of the entire process.
Em processos de fermentação dedicados à produção de alcoóis de matérias-primas de alimentação gasosas, garantindo as condições apropriadas para o crescimento microbiano e/ou produção de álcool, pode ser crítico manter o crescimento microbiano ideal e/ou produtividades de álcool. Por exemplo, durante a partida inicial de uma fermentação, o objetivo principal pode ser o crescimento microbiano. Entretanto, quando a densidade microbiana desejada é obtida, o objetivo principal pode ser a produção de álcool. O entendimento como o perfil do produto altera durante o curso de uma fermentação, quando as alterações ocorrem, particularmente em resposta às alterações em condições operacionais pode permitir um operador otimizar a produtividade. Fornecer um substrato compreendendo CO e opcionalmente H2 em um nível ideal, ou em uma faixa ideal para requerimentos particulares, tais como crescimento rápido e/ou produção de álcool, pode também ser desafiante. Por exemplo, muito CO pode levar a inibição de CO como descrito em US 7.285.402, que está completamente incorporado aqui por referência. Além disso, pouco CO e taxas metabólicas incluindo crescimento microbiano e produção de álcool, podem diminuir.In fermentation processes dedicated to the production of alcohols from gaseous feedstocks, ensuring appropriate conditions for microbial growth and/or alcohol production can be critical to maintaining optimal microbial growth and/or alcohol productivities. For example, during the initial start-up of a fermentation, the primary objective may be microbial growth. However, once the desired microbial density is achieved, the primary objective may be alcohol production. Understanding how the product profile changes during the course of a fermentation, when changes occur, particularly in response to changes in operating conditions, can enable an operator to optimize productivity. Providing a substrate comprising CO and optionally H2 at an optimal level, or in an optimal range for particular requirements, such as rapid growth and/or alcohol production, can also be challenging. For example, too much CO can lead to CO inhibition as described in US 7,285,402, which is fully incorporated herein by reference. Furthermore, too little CO and metabolic rates including microbial growth and alcohol production may decrease.
É um objetivo da presente invenção fornecer um processo que vai pelo menos de algum modo superar as desvantagens acima, ou pelo menos fornecer ao público uma escolha útil.It is an object of the present invention to provide a process which will at least somewhat overcome the above disadvantages, or at least provide the public with a useful choice.
A invenção geralmente se refere a um método para produzir produtos incluindo ácidos e/ou alcoóis por fermentação microbiana de um substrato compreendendo CO, onde pelo menos uma porção de uma cultura microbiana converte: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para biomassa microbiana; e/ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); e/ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool (s); e/ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s).The invention generally relates to a method for producing products including acids and/or alcohols by microbial fermentation of a substrate comprising CO, wherein at least a portion of a microbial culture converts: at least a portion of the substrate comprising CO to microbial biomass; and/or at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); and/or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); and/or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s).
Em uma modalidade, a cultura microbiana converte: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s).In one embodiment, the microbial culture converts: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s).
Em outra modalidade, a cultura microbiana converte: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); e ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s).In another embodiment, the microbial culture converts: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); and acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s).
Em modalidades particulares da invenção, o substrato compreende CO e H2. Entretanto, de acordo com a invenção, a conversão prossegue com H2 insuficiente para fixação de carbono total em produtos e/ou material celular. Em modalidades particulares, H2 é fornecido tal que menos do que 2:1 H2:CO seja convertido pela cultura, tal como aproximadamente 1:1; ou aproximadamente 1:2; ou aproximadamente 1:3; ou aproximadamente 1:4; ou aproximadamente 1:5; ou aproximadamente 1:10. Em modalidades particulares, H2 não é fornecido.In particular embodiments of the invention, the substrate comprises CO and H2. However, according to the invention, conversion proceeds with insufficient H2 for total carbon fixation in products and/or cellular material. In particular embodiments, H2 is provided such that less than 2:1 H2:CO is converted by the culture, such as approximately 1:1; or approximately 1:2; or approximately 1:3; or approximately 1:4; or approximately 1:5; or approximately 1:10. In particular embodiments, H2 is not provided.
Em um primeiro aspecto da invenção, nesse aspecto é fornecido um método para melhorar a eficiência da fermentação microbiana de um substrato compreendendo CO e opcionalmente H2, o método incluindo fornecer o substrato para uma cultura microbiana tal que uma primeira proporção de CO seja fixada como um ou mais produtos desejados incluindo ácido (s) e/ou álcool(s) e uma segunda proporção de CO é convertida para CO2. Em modalidades particulares, a determinação da proporção de CO convertido para CO2 é utilizada para determinar uma taxa de fornecimento de substrato para a produção do um ou mais produtos desejados.In a first aspect of the invention, in which aspect there is provided a method for improving the efficiency of microbial fermentation of a substrate comprising CO and optionally H2, the method including supplying the substrate to a microbial culture such that a first proportion of CO is fixed as one or more desired products including acid(s) and/or alcohol(s) and a second proportion of CO is converted to CO2. In particular embodiments, determining the proportion of CO converted to CO2 is used to determine a substrate supply rate for the production of the one or more desired products.
Em modalidades particulares, a taxa de fornecimento de substrato é ou: i. aumentada se a proporção de CO convertido para CO2 for determinado ser abaixo de uma faixa ou valor ideal; ou ii. diminuída se a proporção de CO convertido para CO2 for determinada ser acima de uma faixa ou valor ideal; ou iii. mantida se a proporção de CO convertido para CO2 for determinada estar substancialmente em uma faixa ou valor ideal.In particular embodiments, the substrate supply rate is either: i. increased if the ratio of CO converted to CO2 is determined to be below an ideal range or value; or ii. decreased if the ratio of CO converted to CO2 is determined to be above an ideal range or value; or iii. maintained if the ratio of CO converted to CO2 is determined to be substantially within an ideal range or value.
Em modalidades particulares, a taxa de fornecimento de substrato é automaticamente ajustada tal que a proporção de CO convertido para CO2 seja mantido substancialmente em uma faixa ou valor ideal.In particular embodiments, the substrate supply rate is automatically adjusted such that the ratio of converted CO to CO2 is maintained substantially within an ideal range or value.
Em modalidades particulares, a faixa ou valor ideal pode ser verificada experimentalmente com base nos produtos de fermentação desejados. Em modalidades particulares, onde o álcool é o produto desejado, o substrato pode ser fornecido tal que pelo menos 50%, ou pelo menos 60%, ou pelo menos 70%, ou pelo menos 80%, ou pelo menos 90% de carbono fixo é fixado como álcool. Adicionalmente ou alternativamente, onde o produto desejado é acetato, o substrato pode ser fornecido tal que pelo menos 50%, ou pelo menos 60%, ou pelo menos 70%, ou pelo menos 80%, ou pelo menos 90% de carbono fixo é fixado como acetato.In particular embodiments, the optimal range or value can be experimentally verified based on the desired fermentation products. In particular embodiments, where alcohol is the desired product, the substrate can be provided such that at least 50%, or at least 60%, or at least 70%, or at least 80%, or at least 90% of the fixed carbon is fixed as alcohol. Additionally or alternatively, where the desired product is acetate, the substrate can be provided such that at least 50%, or at least 60%, or at least 70%, or at least 80%, or at least 90% of the fixed carbon is fixed as acetate.
Em modalidades particulares, uma proporção de carbono fixado como um produto desejado pode ser substancialmente mantida constante. Em modalidades particulares, onde a proporção de carbono fixo como um produto desejado desvia de uma faixa predeterminada, o fornecimento do substrato é controlado tal que a proporção seja retornada para a faixa predeterminada. Em modalidades particulares, a faixa predeterminada é cerca de ±1%, ou cerca de ±2%, ou cerca de ±3%, ou cerca de ±4%, ou cerca de ±5%.In particular embodiments, a proportion of fixed carbon as a desired product can be maintained substantially constant. In particular embodiments, where the proportion of fixed carbon as a desired product deviates from a predetermined range, the supply of the substrate is controlled such that the proportion is returned to the predetermined range. In particular embodiments, the predetermined range is about ±1%, or about ±2%, or about ±3%, or about ±4%, or about ±5%.
Em modalidades particulares, o fornecimento de substrato é au-tomaticamente ajustado em resposta aos desvios da faixa predeterminada.In particular embodiments, the substrate supply is automatically adjusted in response to deviations from the predetermined range.
Em um segundo aspecto da invenção, nesse aspecto é fornecido um método para melhorar a eficiência da produção de um ou mais ácidos e/ou alcoóis por fermentação microbiana de um substrato compreendendo CO e opcionalmente H2, onde pelo menos uma porção de uma cultura microbiana é transitada de converter: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); para converter: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s).In a second aspect of the invention, in that aspect there is provided a method for improving the efficiency of production of one or more acids and/or alcohols by microbial fermentation of a substrate comprising CO and optionally H2, wherein at least a portion of a microbial culture is transitioned from converting: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); to converting: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s).
Em modalidades particulares da invenção, pelo menos uma porção da cultura microbiana pode ser transitada preparando-se um ajuste à cultura microbiana e/ou à corrente de substrato. Em certas modalidades, a fermentação anaeróbica é realizada em um biorreator, onde a cultura microbiana é pelo menos parcialmente suspensa em um caldo de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido. Em modalidades particulares, pelo menos uma porção da cultura microbiana pode ser transitada preparan- do-se um ajuste ao caldo de fermentação e/ou meio nutriente líquido.In particular embodiments of the invention, at least a portion of the microbial culture can be transitioned by preparing an adjustment to the microbial culture and/or the substrate stream. In certain embodiments, the anaerobic fermentation is carried out in a bioreactor, where the microbial culture is at least partially suspended in a fermentation broth comprising a liquid nutrient medium. In particular embodiments, at least a portion of the microbial culture can be transitioned by preparing an adjustment to the fermentation broth and/or liquid nutrient medium.
Em certas modalidades, o ajuste inclui um ou mais de: alterar o pH do caldo de fermentação; alterar o potencial redox do caldo de fermentação; alterar a concentração de CO do caldo de fermentação; alteração da composição da corrente de substrato; alterar a pressão da corrente de substrato; alterar a taxa de agitação do caldo de fermentação; remoção de produto; alterar a concentração de ácido e/ou álcool do caldo de fermentação; alterar um ou mais nutrientes no meio nutriente líquido; alterar a taxa de fornecimento de um ou mais nutrientes.In certain embodiments, the adjustment includes one or more of: changing the pH of the fermentation broth; changing the redox potential of the fermentation broth; changing the CO concentration of the fermentation broth; changing the composition of the substrate stream; changing the pressure of the substrate stream; changing the agitation rate of the fermentation broth; removing product; changing the acid and/or alcohol concentration of the fermentation broth; changing one or more nutrients in the liquid nutrient medium; changing the rate of supply of one or more nutrients.
Em modalidades particulares da invenção, o substrato compreendendo CO também compreende H2. Em algumas modalidades, o ajuste pode incluir alterar a concentração de H2 do caldo de fermentação e/ou alterar a relação de CO:H2 no caldo de fermentação. Em certas modalidades, o substrato compreendendo CO e opcionalmente H2 é gasoso. Em algumas modalidades, o ajuste pode incluir alterar a pressão parcial de CO e/ou H2 no biorreator.In particular embodiments of the invention, the substrate comprising CO also comprises H2. In some embodiments, the adjustment may include altering the H2 concentration of the fermentation broth and/or altering the ratio of CO:H2 in the fermentation broth. In certain embodiments, the substrate comprising CO and optionally H2 is gaseous. In some embodiments, the adjustment may include altering the partial pressure of CO and/or H2 in the bioreactor.
Em modalidades particulares da invenção, o método inclui determinar a proporção de CO oxidado para CO2, tal que uma conversão líquida pela cultura microbiana possa ser determinada. Em modalidades particulares, a conversão líquida completa da fermentação microbiana é: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s).In particular embodiments of the invention, the method includes determining the ratio of oxidized CO to CO2, such that a net conversion by the microbial culture can be determined. In particular embodiments, the complete net conversion of the microbial fermentation is: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s).
Em um terceiro aspecto, nesse aspeto é fornecido um método para melhorar a eficiência de produção de um ou mais ácidos e/ou alcoóis por fermentação microbiana de um substrato compreendendo CO sob os parâmetros operacionais predeterminados, o método incluindo determinar uma proporção de carbono direcionada para um ou mais produtos e dependendo da determinação, ou: i. fazer um ajuste para um ou mais parâmetros operacionais, tal que a proporção de carbono fixo como um produto desejado aumente; ou ii. manter os parâmetros operacionais, tal que a proporção de carbono fixado como um produto desejado se mantenha substancialmente constante.In a third aspect, in this aspect there is provided a method for improving the efficiency of production of one or more acids and/or alcohols by microbial fermentation of a substrate comprising CO under predetermined operating parameters, the method including determining a proportion of carbon targeted for one or more products and depending on the determination, either: i. making an adjustment to one or more operating parameters such that the proportion of carbon fixed as a desired product increases; or ii. maintaining the operating parameters such that the proportion of carbon fixed as a desired product remains substantially constant.
Em certas modalidades, o ajuste inclui alterar um ou mais dos seguintes parâmetros operacionais: alterar o pH do caldo de fermentação; alterar o potencial redox do caldo de fermentação; alterar a concentração de CO do caldo de fermentação; alterar a taxa de fornecimento de substrato, alterar a composição da corrente de substrato; alterar a pressão da corrente de substrato; alterar a taxa de agitação do caldo de fermentação; remoção do produto; alterar a concentração de ácido e/ou álcool do caldo de fermentação; alterar um ou mais nutrientes no meio nutriente líquido; alterar a taxa d fornecimento de um ou mais nutrientes.In certain embodiments, adjusting includes changing one or more of the following operating parameters: changing the pH of the fermentation broth; changing the redox potential of the fermentation broth; changing the CO concentration of the fermentation broth; changing the substrate supply rate; changing the composition of the substrate stream; changing the pressure of the substrate stream; changing the agitation rate of the fermentation broth; removing product; changing the acid and/or alcohol concentration of the fermentation broth; changing one or more nutrients in the liquid nutrient medium; changing the rate of supply of one or more nutrients.
Em modalidades particulares da invenção, o substrato compreendendo CO também compreende H2. Em algumas modalidades, o ajuste pode incluir alterar a concentração de H2 do caldo de fermentação e/ou alterar a relação de CO:H2 no caldo de fermentação. Em certas modalidades, o substrato compreendendo CO e opcionalmente H2 é gasoso. Em algumas modalidades, o ajuste pode incluir alterar a pressão parcial de CO e/ou H2 no biorreator.In particular embodiments of the invention, the substrate comprising CO also comprises H2. In some embodiments, the adjustment may include altering the H2 concentration of the fermentation broth and/or altering the ratio of CO:H2 in the fermentation broth. In certain embodiments, the substrate comprising CO and optionally H2 is gaseous. In some embodiments, the adjustment may include altering the partial pressure of CO and/or H2 in the bioreactor.
Em modalidades particulares do primeiro, segundo e terceiro aspectos, o método de melhorar a eficiência inclui melhorar uma taxa na qual um ou mais produtos, tal como álcool, em particular etanol, são produzidos.In particular embodiments of the first, second and third aspects, the method of improving efficiency includes improving a rate at which one or more products, such as alcohol, in particular ethanol, are produced.
Em um quarto aspecto da invenção, nesse aspecto é fornecido um método para determinar uma conversão líquida total em uma fermentação microbiana de um substrato compreendendo CO, o método incluindo determinar a proporção de carbono fixo como um produto particular por uma cultura microbiana.In a fourth aspect of the invention, in that aspect there is provided a method for determining a total net conversion in a microbial fermentation of a substrate comprising CO, the method including determining the proportion of fixed carbon as a particular product by a microbial culture.
Em modalidades particulares, a proporção de carbono fixo como um produto particular pode ser estabelecido determinando-se a proporção de CO oxidado para CO2.In particular embodiments, the proportion of fixed carbon as a particular product can be established by determining the ratio of oxidized CO to CO2.
Em modalidades particulares, a conversão líquida total na fermentação microbiana é: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s);In particular embodiments, the total net conversion in microbial fermentation is: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s);
Em modalidades particulares, a proporção de CO convertido para CO2 é determinada medindo-se CO e opcionalmente H2 consumido pela cultura microbiana e o CO2 produzido pela cultura microbiana.In particular embodiments, the ratio of CO converted to CO2 is determined by measuring CO and optionally H2 consumed by the microbial culture and CO2 produced by the microbial culture.
Em certas modalidades do primeiro, segundo, terceiro ou quarto aspectos, o CO, H2 e/ou CO2 entrando e/ou saindo do biorreator podem ser monitorados substancialmente continuamente ou em pontos de tempo discretos, tal como antes e/ou após um ajuste ter sido feito. Em algumas modalidades, as quantidades de CO, CO2 e/ou H2 entrando e/ou saindo do biorreator podem ser determinados utilizando cromatografia de gás. Em modalidades particulares, a cromatografia de gás é utilizada para determinar uma proporção de CO convertido para CO2. Em uma modalidade, a cromatografia de gás é introduzida utilizando um micro GC.In certain embodiments of the first, second, third or fourth aspects, the CO, H2 and/or CO2 entering and/or leaving the bioreactor can be monitored substantially continuously or at discrete time points, such as before and/or after an adjustment has been made. In some embodiments, the amounts of CO, CO2 and/or H2 entering and/or leaving the bioreactor can be determined using gas chromatography. In particular embodiments, gas chromatography is used to determine a ratio of converted CO to CO2. In one embodiment, gas chromatography is introduced using a micro GC.
É reconhecido que as porções da cultura microbiana podem ser envolvidas com conversões alternativas, entretanto a conversão líquida total pela cultura total pode ser determinada. Em modalidades particulares da invenção onde H2 é substancialmente limitado, tal como modalidades onde uma corrente de substrato compreende menos do que 5% de H2; ou menos do que 4% de H2; ou menos do que 3% de H2; ou menos do que 2% H2; ou menos do que 1% de H2; uma relação de C02produzido/COconsumido de 0,5 indica uma conversão de um substrato compreendendo CO para ácido(s) e opcionalmente células microbianas. Uma relação de CO2produzido/COConsumido de 0,667 indica uma conversão líquida de um substrato compreendendo CO para álcool(s). Um C02produzido/COConsumido de 0,5-0,667 indica uma conversão líquida de um substrato compreendendo CO para ácido(s) e álcool(s) e opcionalmente células microbianas. Uma relação de C02produZido/COConsumido acima de 0,667 indica uma conversão líquida de um substrato compreendendo CO e ácido(s) para álcool(s).It is recognized that portions of the microbial culture may be involved with alternative conversions, however the total net conversion by the total culture may be determined. In particular embodiments of the invention where H2 is substantially limited, such as embodiments where a substrate stream comprises less than 5% H2; or less than 4% H2; or less than 3% H2; or less than 2% H2; or less than 1% H2; a CO2 produced/CO2 consumed ratio of 0.5 indicates a conversion of a substrate comprising CO to acid(s) and optionally microbial cells. A CO2 produced/CO2 consumed ratio of 0.667 indicates a net conversion of a substrate comprising CO to alcohol(s). A CO2 produced/CO2 consumed of 0.5-0.667 indicates a net conversion of a substrate comprising CO to acid(s) and alcohol(s) and optionally microbial cells. A CO2produced/COconsumed ratio above 0.667 indicates a net conversion of a substrate comprising CO and acid(s) to alcohol(s).
É reconhecido que em várias modalidades dos aspectos acima, pelo menos uma porção da cultura microbiana pode converter álcool(s) para ácido(s) e monóxido de carbono. Entretanto, em modalidades particulares, a fermentação anaeróbica resulta em uma conversão total líquida do substrato compreendendo CO para os produtos. Em outras modalidades, onde C02produzido/COConsiimido θ menor do que 0,5, a conversão líquida é álcool(s) para ácido(s) e redução de CO2 e/ou H2O, o que pode ser indesejável.It is recognized that in various embodiments of the above aspects, at least a portion of the microbial culture can convert alcohol(s) to acid(s) and carbon monoxide. However, in particular embodiments, the anaerobic fermentation results in a net total conversion of the substrate comprising CO to the products. In other embodiments, where CO2produced/COConsumed θ is less than 0.5, the net conversion is alcohol(s) to acid(s) and reduction of CO2 and/or H2O, which may be undesirable.
Em um quinto aspecto da invenção, nesse aspecto é fornecido um sistema para a fermentação microbiana de uma corrente de substrato compreendendo CO para produtos tais como ácido(s) e/ou álcool(s) com-preendendo um biorreator contendo uma cultura microbiana; meios de medição adaptados para determinar uma proporção de carbono fixo como um produto particular e pelo menos um meio de ajuste adaptado para fazer um ou mais ajustes à cultura microbiana e/ou a corrente de substrato.In a fifth aspect of the invention, in which aspect there is provided a system for the microbial fermentation of a substrate stream comprising CO to products such as acid(s) and/or alcohol(s) comprising a bioreactor containing a microbial culture; measuring means adapted to determine a proportion of fixed carbon as a particular product and at least one adjustment means adapted to make one or more adjustments to the microbial culture and/or the substrate stream.
Em modalidades particulares, os meios de medição incluem pelo menos um meio adaptado para determinar a composição de uma corrente de exaustão saindo do biorreator e opcionalmente a corrente de substrato entrando no biorreator. Os meios de medição podem opcionalmente ser ligado a um meio de processamento tal que uma proporção de carbono fixo como um produto desejado possa ser determinada. Em uma modalidade, o meio de medição é uma cromatografia de gás.In particular embodiments, the measuring means includes at least one means adapted to determine the composition of an exhaust stream exiting the bioreactor and optionally the substrate stream entering the bioreactor. The measuring means may optionally be coupled to a processing means such that a proportion of fixed carbon as a desired product may be determined. In one embodiment, the measuring means is a gas chromatograph.
Em certas modalidades, os meios de ajuste são configurados para fazer um ou mais ajustes se os meios de determinação determinam uma proporção de carbono fixo quando um produto desejado desviou de uma faixa ou valor predeterminado. Em modalidades particulares, os meios de ajuste são configurados para fazer ajustes por: alteração de pH do caldo de fermentação; alteração do potencial redox do caldo de fermentação; alteração da concentração de CO do caldo de fermentação; alteração da concentração de H2 do caldo de fermentação; alteração da composição da corrente de substrato; alteração da pressão da corrente de substrato; taxa de agitação do caldo de fermentação; remoção do produto; alteração da concentração de ácido e/ou álcool do caldo de fermentação; alteração de um ou mais nutrientes no meio nutriente líquido; alteração da taxa de fornecimento de um ou mais nutrientes.In certain embodiments, the adjustment means is configured to make one or more adjustments if the determination means determines a fixed carbon ratio when a desired product has deviated from a predetermined range or value. In particular embodiments, the adjustment means is configured to make adjustments by: changing the pH of the fermentation broth; changing the redox potential of the fermentation broth; changing the CO concentration of the fermentation broth; changing the H2 concentration of the fermentation broth; changing the composition of the substrate stream; changing the pressure of the substrate stream; agitation rate of the fermentation broth; removal of product; changing the acid and/or alcohol concentration of the fermentation broth; changing one or more nutrients in the liquid nutrient medium; changing the rate of supply of one or more nutrients.
Em modalidades particulares, o sistema inclui meios de processamento adaptados para controlar um ou mais meios de ajuste, tal que um ou mais meios de ajuste, tal que um ou maus ajuste(s) possam ser feitos para a cultura microbiana e/ou corrente de substrato se for determinado que uma proporção de carbono fixo como um produto desejado desviou de uma faixa ou valor predeterminado. Em outras modalidades, o sistema pode incluir realimentação visual e/ou aural a um operador, tal que o operador possa manualmente controlar os meios de ajuste.In particular embodiments, the system includes processing means adapted to control one or more adjustment means, such that one or more adjustment means, such that one or more adjustment(s) may be made to the microbial culture and/or substrate stream if it is determined that a proportion of fixed carbon as a desired product has deviated from a predetermined range or value. In other embodiments, the system may include visual and/or aural feedback to an operator, such that the operator may manually control the adjustment means.
Em modalidades particulares dos vários aspectos, o substrato compreende um gás obtido como um subproduto de um processo industrial. Em certas modalidades, o processo industrial é selecionado do grupo consistindo em fabricação de produtos de metal ferroso, fabricação de produtos não ferrosos, processos de refinamento de petróleo, gasificação de biomas- sa, gasificação de carvão, produção de força elétrica, produção de negro de fumo, produção de amónia, produção de metanol e fabricação de coque. Em uma modalidade particular, o substrato gasoso compreende um gás obtido de um moinho de aço.In particular embodiments of the various aspects, the substrate comprises a gas obtained as a byproduct of an industrial process. In certain embodiments, the industrial process is selected from the group consisting of ferrous metal product manufacturing, nonferrous product manufacturing, petroleum refining processes, biomass gasification, coal gasification, electric power production, carbon black production, ammonia production, methanol production, and coke manufacturing. In a particular embodiment, the gaseous substrate comprises a gas obtained from a steel mill.
Em certas modalidades o substrato compreende de 20% de CO a 100% de CO em volume, tal como de 40% a 95% de CO em volume, tal como de 60% a 90% de CO em volume, ou tal como de 70% a 90% de CO em volume. Em modalidades particulares, o substrato compreende 25%, ou 30%, ou 35%, ou 40%, ou 45%, ou 50% de CO em volume. Ao mesmo tempo em que não é necessário que o substrato contenha qualquer hidrogênio, a presença de H2 não deveria ser prejudicial à formação de produto de acordo com os métodos da invenção. Em modalidades particulares, a presença de hidrogênio resulta em uma eficiência total melhorada de produção de álcool. O substrato gasoso pode também conter algum CO2, por exemplo, tal como cerca de 1% a cerca de 80% de CO2 em volume, ou 1% a cerca de 30% de CO2 em volume.In certain embodiments the substrate comprises from 20% CO to 100% CO by volume, such as from 40% to 95% CO by volume, such as from 60% to 90% CO by volume, or such as from 70% to 90% CO by volume. In particular embodiments, the substrate comprises 25%, or 30%, or 35%, or 40%, or 45%, or 50% CO by volume. While it is not necessary for the substrate to contain any hydrogen, the presence of H2 should not be detrimental to product formation according to the methods of the invention. In particular embodiments, the presence of hydrogen results in an improved overall alcohol production efficiency. The gaseous substrate may also contain some CO2, for example, such as from about 1% to about 80% CO2 by volume, or from 1% to about 30% CO2 by volume.
Em modalidades particulares dos vários aspectos, o substrato compreendendo CO é gasoso.In particular embodiments of the various aspects, the substrate comprising CO is gaseous.
Em modalidades particulares, o álcool produzido pelo processo de fermentação é etanol. A reação de fermentação pode também produzir acetato.In particular embodiments, the alcohol produced by the fermentation process is ethanol. The fermentation reaction can also produce acetate.
Em modalidades particulares, a reação de fermentação é realizada por uma da maioria de cepas de bactérias carboxidotróficas. Preferivelmente, a bactéria carboxidotrófica é selecionada de Clostridium, Moorella e Carboxydothermus, tal como Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans e Moorella thermoacetica. Em uma modalidade, a bactéria carboxidotrófica é Clostridium autoethanogenum.In particular embodiments, the fermentation reaction is carried out by one of a majority of carboxydotrophic bacterial strains. Preferably, the carboxydotrophic bacteria is selected from Clostridium, Moorella and Carboxydothermus, such as Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans and Moorella thermoacetica. In one embodiment, the carboxydotrophic bacteria is Clostridium autoethanogenum.
Embora a invenção seja amplamente como definido acima, ela não está limitada a isto e também inclui modalidades das quais a seguinte descrição fornece os exemplos.Although the invention is broadly as defined above, it is not limited thereto and also includes embodiments of which the following description provides examples.
A invenção agora será descrita em detalhes com referência às figuras acompanhantes nas quais: Figura 1: é um gráfico mostrando alterações em produção de acetato e álcool e C02produzido/COConsumido θm uma fermentação em batelada de um substrato compreendendo CO para produzir produtos incluindo produzir produtos incluindo álcool. Figura 2: é um gráfico mostrando alterações na produção de a- cetato e álcool e CO2produzido/COCOnsumido em uma fermentação em batelada de um substrato compreendendo CO para produzir produtos incluindo álcool. Figura 3: é uma representação esquemática de um sistema incluindo meios para determinar a relação de CO2Produzido/COConsumido de acordo com certas modalidades da invenção. Figura 4: é um gráfico mostrando a quantidade de CO e H2 consumido por uma cultura microbiana do exemplo 3. Figura 5: é um gráfico mostrando a produção de metabólito e crescimento de uma cultura microbiana do exemplo 3. Figura 6: é um gráfico mostrando a quantidade de CO e consumido por uma cultura microbiana do exemplo 4. Figura 7: é um gráfico mostrando a produção de metabólito e crescimento de uma cultura microbiana do exemplo 4. Figura 8: é um gráfico mostrando a produção de metabólito em uma fermentação contínua do exemplo 5.The invention will now be described in detail with reference to the accompanying figures in which: Figure 1 is a graph showing changes in acetate and alcohol production and CO2 produced/CO2 consumed in a batch fermentation of a substrate comprising CO to produce products including alcohol. Figure 2 is a graph showing changes in acetate and alcohol production and CO2 produced/CO2 consumed in a batch fermentation of a substrate comprising CO to produce products including alcohol. Figure 3 is a schematic representation of a system including means for determining the ratio of CO2 produced/CO2 consumed in accordance with certain embodiments of the invention. Figure 4: is a graph showing the amount of CO and H2 consumed by a microbial culture of example 3. Figure 5: is a graph showing the metabolite production and growth of a microbial culture of example 3. Figure 6: is a graph showing the amount of CO and consumed by a microbial culture of example 4. Figure 7: is a graph showing the metabolite production and growth of a microbial culture of example 4. Figure 8: is a graph showing the metabolite production in a continuous fermentation of example 5.
As bactérias carboxidotróficas tais como Clostridium autoetha- nogenum inesperadamente produzem produtos tais como ácido(s) e álcoois) por fermentação anaeróbica de um substrato compreendendo CO e opcionalmente H2, por vários mecanismos diferentes simultaneamente. Foi surpreendentemente reconhecido que a produção de ácido(s) e álcool(s) por micro-organismos carboxidotróficos pode ocorrer sem produção de água concomitante. Em fermentação previamente reportada de substratos compreendendo CO e H2, produtos tais como alcoóis e/ou ácidos são considerados serem produzidos em conjunto com água. Entretanto, foi surpreendentemente reconhecido que quando H2 insuficiente está disponível para fixação de carbono completa em produtos e materiais celulares, tais como alcoóis e/ou ácidos, a fermentação prossegue sem produção concomitante de água. Em modalidades particulares, H2 insuficiente está disponível para fixação de carbono completa quando H2 e CO são consumidos por uma cultura microbiana em uma relação de H2:CO menor do que 2:1; tal como aproximada- mente 1:1; ou aproximadamente 1:2; ou aproximadamente 1:3; ou aproxi-madamente 1:4; ou aproximadamente 1:5; ou aproximadamente 1:10. Em modalidades particulares, H2 está substancialmente indisponível para a cultura microbiana. Sem desejar estar preso a teoria, os produtos tais como acetato e etanol são produzidos por pelo menos um, ou pelo menos dois, ou pelo menos três ou todos os seguintes mecanismos simultaneamente: 1. Fixação de monóxido de carbono ao ácido acético 2CO + 2H2 →CH3COOH 2. Fixação de monóxido de carbono ao etanol 3CO + 3H2 →CH3CH2OH + CO2 3. Redução de ácido acético para etanol CH3COOH + H2 → CH3CH2OH + CO2 4. Oxidação de etanol para ácido acético CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2Carboxydotrophic bacteria such as Clostridium autoethanogenum unexpectedly produce products such as acid(s) and alcohol(s) by anaerobic fermentation of a substrate comprising CO and optionally H2, by several different mechanisms simultaneously. It has surprisingly been recognized that production of acid(s) and alcohol(s) by carboxydotrophic microorganisms can occur without concomitant water production. In previously reported fermentation of substrates comprising CO and H2, products such as alcohols and/or acids are considered to be produced together with water. However, it has surprisingly been recognized that when insufficient H2 is available for complete carbon fixation in products and cellular materials, such as alcohols and/or acids, fermentation proceeds without concomitant water production. In particular embodiments, insufficient H2 is available for complete carbon fixation when H2 and CO are consumed by a microbial culture in a H2:CO ratio of less than 2:1; such as approximately 1:1; or approximately 1:2; or approximately 1:3; or approximately 1:4; or approximately 1:5; or approximately 1:10. In particular embodiments, H2 is substantially unavailable to the microbial culture. Without wishing to be bound by theory, the products such as acetate and ethanol are produced by at least one, or at least two, or at least three, or all of the following mechanisms simultaneously: 1. Fixation of carbon monoxide to acetic acid 2CO + 2H2 → CH3COOH 2. Fixation of carbon monoxide to ethanol 3CO + 3H2 → CH3CH2OH + CO2 3. Reduction of acetic acid to ethanol CH3COOH + H2 → CH3CH2OH + CO2 4. Oxidation of ethanol to acetic acid CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2
O acúmulo de massa microbiana de célula ou anabolismo tipicamente ocorre concomitantemente com pelo menos mecanismo 1., Entretanto, é considerado que somente uma pequena proporção de carbono está direcionada ao anabolismo comparado com outros metabólitos.Microbial cell mass accumulation or anabolism typically occurs concomitantly with at least mechanism 1. However, it is considered that only a small proportion of carbon is directed to anabolism compared to other metabolites.
Além disso, os micro-organismos podem eficazmente produzir seu próprio H2 através de reação de desvio de água a gás (CO + H2O → CO2 + H2). Desse modo os metabólitos incluindo acetato e etanol são também produzidos de acordo com A-C: A) 4CO + 2H2O → CH3COOH + 2CO2 B) 6CO + 3H2O → CH3CH2OH + 4CO2 C) CH3COOH +2CO + H2O → CH3CH2OH + 2CO2In addition, microorganisms can efficiently produce their own H2 through water gas shift reaction (CO + H2O → CO2 + H2). In this way metabolites including acetate and ethanol are also produced according to A-C: A) 4CO + 2H2O → CH3COOH + 2CO2 B) 6CO + 3H2O → CH3CH2OH + 4CO2 C) CH3COOH +2CO + H2O → CH3CH2OH + 2CO2
É reconhecido que a cultura microbiana é dinâmica e sem desejar estar presa a teoria, é considerado que a cultura microbiana converte pelo menos uma porção de um substrato compreendendo CO e opcionalmente H2, para produto de acordo com um ou mais de 1-3 e A-C simultaneamente. Desse modo, na cultura microbiana dinâmica, vários mecanismos diferentes podem estar ocorrendo no sistema para produzir uma conversão líquida total de CO para alcoóis e/ou ácidos. Para determinar como CO é metabolizado, a influência de H2 e a pesagem das equações 1-3 relativo a A-C necessitam ser determinadas. Uma vez determinada, a influência individual relativa das equações 1-3 e A-C pode ser estabelecida determinando-se CO2 produzido, e H2 e CO consumidos.It is recognized that microbial culture is dynamic and without wishing to be bound by theory, it is assumed that microbial culture converts at least a portion of a substrate comprising CO and optionally H2, to product according to one or more of 1-3 and A-C simultaneously. Thus, in dynamic microbial culture, several different mechanisms may be occurring in the system to produce a total net conversion of CO to alcohols and/or acids. To determine how CO is metabolized, the influence of H2 and the weighting of equations 1-3 relative to A-C need to be determined. Once determined, the individual relative influence of equations 1-3 and A-C can be established by determining CO2 produced, and H2 and CO consumed.
De acordo com um aspecto da invenção, nesse aspecto é fornecido um método para produzir produtos incluindo ácidos e/ou alcoóis por fermentação microbiana de um substrato compreendendo CO, onde pelo menos uma porção de uma cultura microbiana converte: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s) e células microbianas; e/ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); e/ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); e/ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s).According to one aspect of the invention, in that aspect there is provided a method for producing products including acids and/or alcohols by microbial fermentation of a substrate comprising CO, wherein at least a portion of a microbial culture converts: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s) and microbial cells; and/or at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); and/or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); and/or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s).
Surpreendentemente descobriu-se que aos se determinar uma proporção de CO convertido para CO2, um sistema de modelagem pode ser desenvolvido para predizer o perfil de produção de produtos, tal como álcool e/ou ácidos, para uma bactéria de metabolização de CO. Por que o grau de oxidação nos produtos difere dependendo se as bactérias estão sintetizando ácidos ou alcoóis orgânicos, uma proporção de carbono nas bactérias são devotados para solventogênese (tal como produção de álcool) pode ser predita com base na estequiometria dos processos químicos subjacentes.Surprisingly, it has been found that by determining the ratio of CO converted to CO2, a modeling system can be developed to predict the production profile of products, such as alcohol and/or acids, for a CO metabolizing bacterium. Because the degree of oxidation in the products differs depending on whether the bacteria are synthesizing organic acids or alcohols, the proportion of carbon in the bacteria that is devoted to solventogenesis (such as alcohol production) can be predicted based on the stoichiometry of the underlying chemical processes.
O entendimento de como o perfil do produto de um sistema está mudando permite que ajustes ou alterações sejam feitos às condições ope-racionais de um sistema para promover um resultado desejável, tal como produção de álcool aumentada. Além disso, em uma modalidade particular, a invenção fornece um método para melhorar a eficiência de fermentação de um substrato compreendendo CO para produzir produtos incluindo álcool(s) e/ou ácido(s), o método incluindo fornecer um substrato em um nível ideal ou em uma faixa ideal.Understanding how the product profile of a system is changing allows adjustments or changes to be made to the operating conditions of a system to promote a desirable outcome, such as increased alcohol production. Furthermore, in a particular embodiment, the invention provides a method for improving the fermentation efficiency of a substrate comprising CO to produce products including alcohol(s) and/or acid(s), the method including providing a substrate at an optimal level or in an optimal range.
Em modalidades particulares onde CO é fornecido na ausência de H2 ou com quantidade limitadas de H2, a influência de 1-3 será mínima. É considerado que quantidades limitadas de H2 estejam disponíveis quando uma proporção de H2 em uma corrente de substrato for menor do que 5%; tal como menor do que 4%; tal como menor do que 3%; tal como menor do que 2%; tal como menor do que 1%. Como tal, a influência relativa de equações A-C pode ser estabelecida calculando-se uma relação de CO2produzido/COCOnsumio de acordo com y = 2/3x + 0,5. Em tais modalidades, a equação A determinará uma relação de 0,5, a equação B determinará uma relação de 0,667, a equação C determinará um valor de >0,667 e equação 4 determinará um valor de < 0,5. A partir do valor calculado, a influência relativa de cada equação pode ser determinada.In particular embodiments where CO is supplied in the absence of H2 or with limited amounts of H2, the influence of 1-3 will be minimal. Limited amounts of H2 are considered to be available when a proportion of H2 in a substrate stream is less than 5%; such as less than 4%; such as less than 3%; such as less than 2%; such as less than 1%. As such, the relative influence of equations A-C can be established by calculating a ratio of CO2produced/COCOconsumption according to y = 2/3x + 0.5. In such embodiments, equation A will determine a ratio of 0.5, equation B will determine a ratio of 0.667, equation C will determine a value of >0.667, and equation 4 will determine a value of <0.5. From the calculated value, the relative influence of each equation can be determined.
A invenção também fornece um método para fornecer a eficiência da produção de um ou mais ácidos e/ou alcoóis por fermentação microbiana de um substrato compreendendo CO, onde pelo menos uma porção de uma cultura microbiana é transitada da conversão de: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s) e células microbianas; ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); para converter: pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s) e células microbianas; ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para ácido(s); ou pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s); ou ácido(s) e pelo menos uma porção do substrato compreendendo CO para álcool(s).The invention also provides a method for providing efficient production of one or more acids and/or alcohols by microbial fermentation of a substrate comprising CO, wherein at least a portion of a microbial culture is transitioned from converting: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s) and microbial cells; or at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); to converting: at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s) and microbial cells; or at least a portion of the substrate comprising CO to acid(s); or at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s); or acid(s) and at least a portion of the substrate comprising CO to alcohol(s).
A menos que de outro modo definido, os seguintes termos como utilizado em toda esta especificação são definidos como segue:Unless otherwise defined, the following terms as used throughout this specification are defined as follows:
Os termos "aumentando a eficiência", "eficiência aumentada" e similares, quando utilizado em relação a um processo de fermentação, inclui, porém não está limitado ao aumento de um ou mais: da taxa de crescimento de micro-organismos catalisando a fermentação, do volume de produto desejado (tal como alcoóis) produzido por volume de substrato (tal como monóxido de carbono) consumido, a taxa de produção ou nível de produção do produto desejado, e a proporção relativa do produto desejado produzido comparado com outros subprodutos da fermentação.The terms "increasing efficiency", "increased efficiency" and the like, when used in relation to a fermentation process, include, but are not limited to, increasing one or more of: the rate of growth of microorganisms catalyzing the fermentation, the volume of desired product (such as alcohols) produced per volume of substrate (such as carbon monoxide) consumed, the rate of production or level of production of the desired product, and the relative proportion of the desired product produced compared to other by-products of the fermentation.
O termo "substrato compreendendo monóxido de carbono" e outros termos deveriam ser entendidos incluírem qualquer substrato no qual monóxido de carbono esteja disponível para uma ou mais cepas de bactérias para o crescimento e/ou fermentação, por exemplo.The term "substrate comprising carbon monoxide" and other terms should be understood to include any substrate on which carbon monoxide is available to one or more strains of bacteria for growth and/or fermentation, for example.
"Substrato gasoso compreendendo monóxido de carbono" inclui qualquer gás que contenha monóxido de carbono. O substrato gasoso tipicamente conterá uma proporção significante de CO, preferivelmente pelo menos cerca de 5% a cerca de 100% de CO em volume."Gaseous substrate comprising carbon monoxide" includes any gas that contains carbon monoxide. The gaseous substrate will typically contain a significant proportion of CO, preferably at least about 5% to about 100% CO by volume.
No contexto de produtos de fermentação, o termo "ácido" como utilizado aqui inclui tanto os ácidos carboxílicos quanto o ânion de carboxila- to associado, tal como a mistura de ácido acético livre e acetato presente em um caldo de fermentação como descrito aqui. A relação de ácido molecular para carboxilato no caldo de fermentação é dependente do pH do sistema. O termo "acetato" inclui tanto sal de acetato sozinho quanto uma mistura de ácido acético molecular ou livre e sal de acetato, tal como a mistura de sal de acetato e ácido acético livre presente em um caldo de fermentação como pode ser descrito aqui. A relação de ácido acético molecular para acetato no caldo de fermentação é dependente do pH do sistema.In the context of fermentation products, the term "acid" as used herein includes both the carboxylic acid and the associated carboxylate anion, such as the mixture of free acetic acid and acetate present in a fermentation broth as described herein. The ratio of molecular acid to carboxylate in the fermentation broth is dependent on the pH of the system. The term "acetate" includes both the acetate salt alone and a mixture of molecular or free acetic acid and acetate salt, such as the mixture of acetate salt and free acetic acid present in a fermentation broth as described herein. The ratio of molecular acetic acid to acetate in the fermentation broth is dependent on the pH of the system.
O termo "biorreator" inclui um dispositivo de fermentação consis- tindo em um ou mais vasos e/ou torres ou arranjos de tubulação, que inclui o Reator de Tanque Agitado Contínuo (CSTR), Reator de Célula Imobilizado (ICR), Reator de Leito de Escoamento (TBR), Coluna de Bolha, Fermentador de Sustentação de Gás, Reator de Membrana tal como Biorreator de Membrana de Fibra Oco (HFMBR), Misturador Estático, ou outro vaso ou outro dispositivo adequado para contato de gás-líquido.The term "bioreactor" includes a fermentation device consisting of one or more vessels and/or towers or piping arrangements, which includes Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), Immobilized Cell Reactor (ICR), Flowing Bed Reactor (TBR), Bubble Column, Gas Support Fermenter, Membrane Reactor such as Hollow Fiber Membrane Bioreactor (HFMBR), Static Mixer, or other vessel or other device suitable for gas-liquid contact.
A menos que o contexto requeira de outro modo, as frases "fer-mentação", "processo de fermentação" ou "reação de fermentação" e similares, como utilizado aqui, são pretendidas abranger tanto a fase de crescimento quanto a fase de biossíntese de produto do processo. Como será descrito também aqui, em algumas modalidades o biorreator pode compreender um primeiro reator de crescimento e um segundo reator de fermentação. Como tal, a adição de metais ou composições a uma reação de fermentação deveria se entendida incluir a adição a um desses ou ambos os reatores.Unless the context otherwise requires, the phrases "fermentation", "fermentation process" or "fermentation reaction" and the like, as used herein, are intended to encompass both the growth phase and the product biosynthesis phase of the process. As will also be described herein, in some embodiments the bioreactor may comprise a first growth reactor and a second fermentation reactor. As such, the addition of metals or compositions to a fermentation reaction should be understood to include addition to one or both of these reactors.
O termo "conversão líquida total" e similares, como utilizado a- qui, é pretendido descrever a conversão de substratos, tais como CO, para produtos incluindo ácido(s) e/ou álcool(s) por uma cultura microbiana em um ponto de tempo particular. É reconhecido que as porções de uma cultura microbiana podem ser dedicadas a diferentes funções em um ponto de tempo particular e vários produtos podem ser produzidos. Além disso, um ou mais dos produtos presentes no caldo de fermentação podem convertidos em outros produtos. Consequentemente, a conversão líquida total inclui todos os produtos produzidos pela cultura microbiana em qualquer ponto particular no tempo.The term "total net conversion" and the like, as used herein, is intended to describe the conversion of substrates, such as CO, to products including acid(s) and/or alcohol(s) by a microbial culture at a particular point in time. It is recognized that portions of a microbial culture may be devoted to different functions at a particular point in time and multiple products may be produced. Furthermore, one or more of the products present in the fermentation broth may be converted to other products. Consequently, total net conversion includes all products produced by the microbial culture at any particular point in time.
Ao mesmo tempo em que a seguinte descrição foca em modalidades da invenção particulares, isto é a produção de etanol e/ou acetato utilizando CO como o substrato primário, deve ser apreciado que a invenção pode ser aplicável à produção de alcoóis e/ou ácidos alternativos e o uso de substratos alternativos como será conhecido por pessoas de experiência ordinária na técnica a qual a invenção refere-se. Por exemplo, os substratos gasosos contendo dióxido de carbono e hidrogênio podem ser utilizados.While the following description focuses on particular embodiments of the invention, i.e. the production of ethanol and/or acetate using CO as the primary substrate, it should be appreciated that the invention may be applicable to the production of alternative alcohols and/or acids and the use of alternative substrates as will be known to persons of ordinary skill in the art to which the invention relates. For example, gaseous substrates containing carbon dioxide and hydrogen may be used.
Além disso, a invenção pode ser aplicável a fermentação para produzir buti- rato, propionato, caproato, etanol, propanol, e butanol. Os métodos podem também ser de uso na produção de hidrogênio. Por modo de exemplo, estes produtos podem ser produzidos por fermentação utilizando micróbios dos gêneros Moorella, Clostridia, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Butyribacterium, Oxobactβr, Methanosarcina, Methanosarcina, e Desulfoto- maculum.Furthermore, the invention may be applicable to fermentation to produce butyrate, propionate, caproate, ethanol, propanol, and butanol. The methods may also be of use in the production of hydrogen. By way of example, these products may be produced by fermentation using microbes of the genera Moorella, Clostridia, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Butyribacterium, Oxobacterium, Methanosarcina, Methanosarcina, and Desulfotomaculum.
Certas modalidades da invenção são adaptadas ao uso de correntes de gás produzidas por um ou mais processos industriais. Tais processos incluem processos de fabricação de aço, particularmente processos que produzem uma corrente de gás tendo um teor de CO elevado ou um teor de CO acima do nível predeterminado (isto é, 5%). De acordo com tais modalidades, as bactérias acetogênicas são preferivelmente utilizadas para produzir ácidos e/ou alcoóis, particularmente etanol ou butanol, em um ou mais biorreatores. Aqueles versados na técnica estarão cientes considerando a presente descrição que a invenção pode ser aplicada a várias indústrias ou correntes de gás residual, incluindo aquelas de veículos com um motor de combustão interno. Além disso, aqueles versados na técnica estarão cientes considerando a presente descrição que a invenção pode ser aplicada a outras reações de fermentação incluindo aquelas utilizando os mesmos ou micro-organismos diferentes. É, portanto, pretendido que o escopo da invenção não esteja limitado às modalidades e/ou aplicações particulares descritas, porém é em vez disso para ser entendido em um sentido mais amplo; por exemplo, a fonte da corrente de gás não é limitante, exceto que pelo menos um componente do mesmo seja utilizável para alimentar uma reação de fermentação. A invenção tem aplicabilidade particular para melhorar a captura de carbono total e/ou produção de etanol e outros alcoóis de substratos gasosos tais como gases de exaustão de automóvel e gases de combustível industrial contendo CO em volume elevado.Certain embodiments of the invention are adapted to the use of gas streams produced by one or more industrial processes. Such processes include steelmaking processes, particularly processes that produce a gas stream having an elevated CO content or a CO content above a predetermined level (i.e., 5%). According to such embodiments, acetogenic bacteria are preferably used to produce acids and/or alcohols, particularly ethanol or butanol, in one or more bioreactors. Those skilled in the art will be aware from the present description that the invention may be applied to various industries or waste gas streams, including those from vehicles with an internal combustion engine. Furthermore, those skilled in the art will be aware from the present description that the invention may be applied to other fermentation reactions including those utilizing the same or different microorganisms. It is therefore intended that the scope of the invention be not limited to the particular embodiments and/or applications described, but is rather to be understood in a broader sense; for example, the source of the gas stream is not limiting except that at least one component thereof is usable to fuel a fermentation reaction. The invention has particular applicability to improving total carbon capture and/or production of ethanol and other alcohols from gaseous substrates such as automobile exhaust gases and industrial fuel gases containing high volume CO.
Os processos para a produção de etanol e outros alcoóis de substratos gasosos são conhecidos. Os processos exemplares incluem a- queles descritos, por exemplo, em W02007/117157, W02008/115080, US 6.340.581, US 6.136.577, US 5.593.886, US 5.807.722 e US 5.821.111, cada dos quais está incorporado aqui por referência.Processes for producing ethanol and other alcohols from gaseous substrates are known. Exemplary processes include those described, for example, in WO2007/117157, WO2008/115080, US 6,340,581, US 6,136,577, US 5,593,886, US 5,807,722 and US 5,821,111, each of which is incorporated herein by reference.
Várias bactérias anaeróbicas são conhecidas por serem capazes de realizar a fermentação de CO para alcoóis, incluindo n-butanol e etanol, e ácido acético, e são adequadas para uso no processo da presente invenção. Os exemplos de tais bactérias que são adequadas para uso na invenção incluem aquelas do gênero Clostridium, tais como cepas de Clostridium Ijungdahlii, incluindo aquelas descritas em WO 00/68407, EP 117309, Patentes dos Estados Unidos Nos. 5.173.429, 5.593.886, e 6.368.819, WO 98/00558 e WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou e outros, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085- 2091), Clostridium ragsdalei (WO/2008/028055) e Clostridium autoethano- genum (Abrini e outros, Archives of Microbiology 161: pp 345-351). Outras bactérias adequadas incluem aquelas do gênero Moorella, incluindo Moorel- la sp HUC22-1, (Sakai e outros, Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612), e aquelas do gênero Carboxydothermus (Svetlichny, V.A., Sokolova, T.G. e outros (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). Outros exemplos incluem Moorella thermoacetica, Moorella thermoautotrophica, Ruminococcus productus, Acetobacterium woodii, Eubacterium limosum, Butyribacterium methylotrophicum, Oxobacter pfennigii, Methanosarcina barken, Methanosarcina acetivorans, Desulfotomaculum kuznetsovii (Simpa e outros, Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp41-65). Além disso, deve ser entendido que outras bactérias anaeróbicas acetogênicas possam ser aplicáveis à presente invenção como seria entendido por uma pessoa de experiência na técnica. Também será apreciado que a invenção possa ser aplicada a uma cultura misturada de duas ou mais bactérias.Various anaerobic bacteria are known to be capable of carrying out the fermentation of CO to alcohols, including n-butanol and ethanol, and acetic acid, and are suitable for use in the process of the present invention. Examples of such bacteria that are suitable for use in the invention include those of the genus Clostridium, such as strains of Clostridium Ijungdahlii, including those described in WO 00/68407, EP 117309, United States Patent Nos. 5,173,429, 5,593,886, and 6,368,819, WO 98/00558 and WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085- 2091), Clostridium ragsdalei (WO/2008/028055) and Clostridium autoethanogenum (Abrini et al., Archives of Microbiology 161: pp 345-351). Other suitable bacteria include those of the genus Moorella, including Moorella sp HUC22-1, (Sakai et al., Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612), and those of the genus Carboxydothermus (Svetlichny, V. A., Sokolova, T. G. et al. (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). Other examples include Moorella thermoacetica, Moorella thermoautotrophica, Ruminococcus productus, Acetobacterium woodii, Eubacterium limosum, Butyribacterium methylotrophicum, Oxobacter pfennigii, Methanosarcina barken, Methanosarcina acetivorans, Desulfotomaculum kuznetsovii (Simpa et al., Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp41-65). Furthermore, it should be understood that other anaerobic acetogenic bacteria may be applicable to the present invention as would be understood by one of skill in the art. It will also be appreciated that the invention may be applied to a mixed culture of two or more bacteria.
Um micro-organismo exemplar adequado para uso na presente invenção é Clostridium autoethanogenum. Em uma modalidade, o Clostridium autoethanogenum é um Clostridium autoethanogenum tendo as características de identificação na cepa depositada no Centro de Recursos Alemão para Material Biológico (DSMZ) sob o número de depósito de identificação 19630. Em outra modalidade, o Clostridium autoethanogenum é um Clostridium autoethanogenum tendo as características de identificação de DSMZ número de depósito DSMZ 10061.An exemplary microorganism suitable for use in the present invention is Clostridium autoethanogenum. In one embodiment, the Clostridium autoethanogenum is a Clostridium autoethanogenum having the identification characteristics in the strain deposited at the German Resource Center for Biological Material (DSMZ) under the identification deposit number 19630. In another embodiment, the Clostridium autoethanogenum is a Clostridium autoethanogenum having the identification characteristics of DSMZ deposit number DSMZ 10061.
A cultura das bactérias utilizadas nos métodos da invenção pode ser conduzida utilizando qualquer número de processos conhecidos na técnica para cultivar e fermentar substratos utilizando bactérias anaeróbicas. As técnicas exemplares são fornecidas na seção de "Exemplos" abaixo. Por modo de outros exemplos, aqueles processos geralmente descritos nos seguintes artigos utilizando substratos gasosos para fermentação podem ser utilizados: (i) K. T. Klasson, e outros (1991). Biorreators for synthesis gas fermentaçãos resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K. T. Klasson, e outros (1991). Biorreator design for synthesis gas fermentaçãos. Fuel. 70. 605-614; (iii) K. T. Klasson, e outros (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J. L. Vega, e outros (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentação: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (v) J. L Vega, e outros (1989). Study of Gaseous Substrate fermentaçãos: Carbon Monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vi) J. L Vega, e outros (1990). Design of Biorreators for Coal Synthesis Gas Fermentaçãos. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160; todos dos quais estão incorporados aqui por referência.Cultivation of the bacteria used in the methods of the invention may be conducted using any number of methods known in the art for cultivating and fermenting substrates using anaerobic bacteria. Exemplary techniques are provided in the "Examples" section below. By way of further examples, those methods generally described in the following articles using gaseous substrates for fermentation may be used: (i) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentation resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentation. Fuel. 70. 605-614; (iii) K. T. Klasson, et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J. L. Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (v) J. L Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate fermentations: Carbon Monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vi) J. L Vega, et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160; all of which are incorporated herein by reference.
A fermentação pode ser realizada em qualquer biorreator adequado, tal como um reator de tanque agitado contínuo (CSTR), um reator de célula imobilizado, um reator de sustentação de gás, um reator de coluna de bolha (BCR), um reator de membrana, tal como um Biorreator de Membrana de Fibra Oco (HFMBR) ou um reator de leito de escoamento (TBR). Além disso, em algumas modalidades da invenção, o biorreator pode compreender um primeiro, fator de crescimento no qual os micro-organismos são cultivados, e um segundo, reator de fermentação, ao qual o caldo de fermentação do reator de crescimento é alimentado e no qual a maioria do produto de fermentação (por exemplo, etanol e acetato) é produzida.The fermentation may be carried out in any suitable bioreactor, such as a continuous stirred tank reactor (CSTR), an immobilized cell reactor, a gas-sustained reactor, a bubble column reactor (BCR), a membrane reactor such as a Hollow Fiber Membrane Bioreactor (HFMBR), or a flow-through bed reactor (TBR). Furthermore, in some embodiments of the invention, the bioreactor may comprise a first, growth factor in which the microorganisms are grown, and a second, fermentation reactor, to which the fermentation broth from the growth reactor is fed and in which the majority of the fermentation product (e.g., ethanol and acetate) is produced.
De acordo com várias modalidades da invenção, a fonte de carbono para a reação de fermentação é um substrato gasoso contendo CO. O substrato pode ser um gás residual contendo CO obtido como um subproduto de um processo industrial, ou de alguma outra fonte tal como de fumaças de escape de automóvel. Em certas modalidades, o processo industrial é selecionado do grupo consistindo em fabricação de produtos de metal ferroso, tal como moinho de aço, fabricação de produtos não ferrosos, processos de refinamento de petróleo, gaseificação de carvão, produção de força elétrica, produção de negro de fumo, produção de amónia, produção de metanol e fabricação de coque. Nestas modalidades, o substrato contendo CO pode ser capturado do processo industrial antes de ser emitido na atmosfera, utilizando qualquer método conveniente. Dependendo da composição do substrato contendo CO, pode também ser desejável tratá-la para remover qualquer impureza indesejada, tal como partículas de poeira antes de introduzi-la na fermentação. Por exemplo, o substrato gasoso pode ser filtrado ou esfregado utilizando métodos conhecidos.According to various embodiments of the invention, the carbon source for the fermentation reaction is a gaseous substrate containing CO. The substrate may be a CO-containing waste gas obtained as a byproduct of an industrial process, or from some other source such as automobile exhaust fumes. In certain embodiments, the industrial process is selected from the group consisting of ferrous metal product manufacturing, such as steel milling, non-ferrous product manufacturing, petroleum refining processes, coal gasification, electric power production, carbon black production, ammonia production, methanol production, and coke manufacturing. In these embodiments, the CO-containing substrate may be captured from the industrial process before it is emitted into the atmosphere, using any convenient method. Depending on the composition of the CO-containing substrate, it may also be desirable to treat it to remove any unwanted impurities, such as dust particles, before introducing it into the fermentation. For example, the gaseous substrate may be filtered or scrubbed using known methods.
Alternativamente, os substratos contendo CO podem ter origem da gaseificação de biomassa. O processo de gaseificação envolve combustão parcial de biomassa em um fornecimento restrito de ar ou oxigênio. O gás resultante tipicamente compreende principalmente CO e H2, com volumes mínimos de CO2, metano, etileno e etano. Por exemplo, os subprodutos de biomassa obtidos durante a extração e processamento de gêneros alimentícios tal como açúcar de cana de açúcar, ou amido de milho e grãos, ou resíduos de biomassa não alimentícios gerados pela indústria florestal podem ser gaseificados para produzir um gás contendo CO adequado para uso na presente invenção.Alternatively, CO-containing substrates may originate from biomass gasification. The gasification process involves partial combustion of biomass in a restricted supply of air or oxygen. The resulting gas typically comprises primarily CO and H2, with minimal amounts of CO2, methane, ethylene, and ethane. For example, biomass byproducts obtained during the extraction and processing of foodstuffs such as sugar from sugarcane, or cornstarch and grains, or non-food biomass residues generated by the forestry industry may be gasified to produce a CO-containing gas suitable for use in the present invention.
O substrato contendo CO tipicamente conterá uma proporção principal de CO, tal como pelo menos cerca de 20% a cerca de 100% de CO em volume, de 40% a 95% de CO em volume, de 60% a 90% de CO em volume, e de 70% a 90% de CO em volume. Em modalidades particulares, o substrato compreende 25%, ou 30%, ou 35%, ou 40%, ou 45%, ou 50% de CO em volume. Os substratos tendo concentrações menores de CO, tal como 6%, podem também ser apropriados, particularmente quando H2 e CO2 estão também presentes.The CO-containing substrate will typically contain a major proportion of CO, such as at least about 20% to about 100% CO by volume, from 40% to 95% CO by volume, from 60% to 90% CO by volume, and from 70% to 90% CO by volume. In particular embodiments, the substrate comprises 25%, or 30%, or 35%, or 40%, or 45%, or 50% CO by volume. Substrates having lower CO concentrations, such as 6%, may also be appropriate, particularly when H2 and CO2 are also present.
Ao mesmo tempo em que não é necessário para o substrato conter qualquer hidrogênio, a presença de H2 não deveria ser prejudicial a formação de produto de acordo com os métodos da invenção. Em modalidades particulares, a presença de hidrogênio resulta em uma eficiência total melhorada de produção de álcool. Por exemplo, em modalidades particulares, o substrato pode compreender relação de até 2:1, ou 1:1, ou 1:2 de H2:CO. Em outras modalidades, a corrente de substrato compreende concentrações baixas de H2, por exemplo, menor do que 5%, ou menos do que 4%, ou menos do que 3%, ou menos do que 2%, ou menos do que 1%, ou é substancialmente livre de hidrogênio. O substrato pode também conter algum CO2, por exemplo, tal como cerca de 1% a cerca de 80% de CO2 em volume, ou 1 % a cerca de 30% de CO2 em volume.While it is not necessary for the substrate to contain any hydrogen, the presence of H2 should not be detrimental to product formation according to the methods of the invention. In particular embodiments, the presence of hydrogen results in an improved overall efficiency of alcohol production. For example, in particular embodiments, the substrate may comprise up to a 2:1, or 1:1, or 1:2 ratio of H2:CO. In other embodiments, the substrate stream comprises low concentrations of H2, e.g., less than 5%, or less than 4%, or less than 3%, or less than 2%, or less than 1%, or is substantially free of hydrogen. The substrate may also contain some CO2, e.g., such as about 1% to about 80% CO2 by volume, or 1% to about 30% CO2 by volume.
Tipicamente, o monóxido de carbono será adicionado à reação de fermentação em um estado gasoso. Entretanto, os métodos da invenção não estão limitados a adição do substrato neste estado. Por exemplo, o monóxido de carbono pode ser fornecido em um líquido. Por exemplo, um líquido pode ser saturado com um gás contendo monóxido de carbono e aquele líquido adicionado ao biorreator. Isto pode ser obtido utilizando tecnologia padrão. Por modo de exemplo um gerador de dispersão de microbolha (Hensirisak e outros Scale-up of microbubble dispersion generator for aero- bicfermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Número 3 / Outubro, 2002) pode ser utilizado para este propósito.Typically, carbon monoxide will be added to the fermentation reaction in a gaseous state. However, the methods of the invention are not limited to adding the substrate in this state. For example, the carbon monoxide may be supplied in a liquid. For example, a liquid may be saturated with a gas containing carbon monoxide and that liquid added to the bioreactor. This may be accomplished using standard technology. For example, a microbubble dispersion generator (Hensirisak et al. Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3 / October, 2002) may be used for this purpose.
Será apreciado que para crescimento das bactérias e fermentação de CO para álcool ocorrer, além do substrato contendo gás CO, um meio nutriente líquido adequado necessitará ser alimentado pelo biorreator. Um meio nutriente contém vitaminas e minerais suficientes para permitir o crescimento do micro-organismo utilizado. Os meios anaeróbicos adequados para a fermentação de etanol utilizando CO como a única fonte de carbono são conhecidos na técnica. Por exemplo, os meios adequados são descritos nas Patentes US Nos. 5.173.429 e 5.593.886 e WO 02/08438, W02007/115157 e W02008/115080 referidos acima. A presente invenção fornece um novo meio que aumentou a eficácia no apoio ao crescimento dos micro-organismos e/ou produção de álcool no processo de fermentação. Este meio será descrito em maiores detalhes a seguir.It will be appreciated that for bacterial growth and CO fermentation to occur to alcohol, in addition to the substrate containing CO gas, a suitable liquid nutrient medium will need to be fed to the bioreactor. A nutrient medium contains sufficient vitamins and minerals to allow growth of the microorganism utilized. Suitable anaerobic media for ethanol fermentation using CO as the sole carbon source are known in the art. For example, suitable media are described in U.S. Patent Nos. 5,173,429 and 5,593,886 and WO 02/08438, WO2007/115157 and WO2008/115080 referred to above. The present invention provides a novel medium that has increased effectiveness in supporting the growth of microorganisms and/or alcohol production in the fermentation process. This medium will be described in greater detail below.
A fermentação desejavelmente deve ser realizada sob condições apropriadas para que a fermentação desejada ocorra (por exemplo, CO para etanol). As condições de reação que devem ser consideradas incluir pressão, temperatura, taxa de fluxo de gás, taxa de fluxo de líquido, pH médio, potencial redox médio, taxa de agitação (se utilizando um reator de tanque agitado contínuo), nível de inoculo, concentrações de substrato de gás máximas para garantir que CO na fase líquida não fique limitante, e concentrações máximas do produto para evitar a inibição do produto. As condições adequadas são descritas em W002/08438, WO07/117157 e WO08/115080.Fermentation should desirably be carried out under conditions appropriate for the desired fermentation to occur (e.g., CO to ethanol). Reaction conditions that should be considered include pressure, temperature, gas flow rate, liquid flow rate, medium pH, medium redox potential, agitation rate (if using a continuous stirred tank reactor), inoculum level, maximum gas substrate concentrations to ensure that CO in the liquid phase is not limiting, and maximum product concentrations to avoid product inhibition. Suitable conditions are described in WO02/08438, WO07/117157, and WO08/115080.
As condições de reação ideais dependerão parcialmente do micro-organismo particular utilizado. Entretanto, em geral, é preferido que a fermentação seja realizada em pressão maior do que a pressão ambiente. A operação em pressões aumentadas permite um aumento significante na taxa de transferência de CO da fase de gás para a fase líquida onde ele pode ser absorvido pelo micro-organismo como uma fonte de carbono para a produção de etanol. Isto sucessivamente significa que o tempo de retenção (definido como o volume líquido no biorreator dividido pela taxa de fluxo de gás de influxo) pode ser reduzido quando os biorreatores são mantidos em pressão elevada exceto pressão atmosférica.The optimum reaction conditions will depend partly on the particular microorganism used. However, in general, it is preferred that fermentation be carried out at a pressure greater than ambient pressure. Operating at increased pressures allows a significant increase in the rate of transfer of CO from the gas phase to the liquid phase where it can be taken up by the microorganism as a carbon source for ethanol production. This in turn means that the retention time (defined as the liquid volume in the bioreactor divided by the inflow gas flow rate) can be reduced when bioreactors are maintained at elevated pressures other than atmospheric pressure.
Além disso, uma vez que uma taxa de conversão de CO para etanol é em parte uma função do tempo de retenção do substrato, e obtendo um tempo de retenção desejado sucessivamente dita o volume requerido de um biorreator, o uso de sistemas pressurizados pode grandemente reduzir o volume do biorreator requerido, e consequentemente o custo de capital do equipamento de fermentação. De acordo com os exemplos dados na Patente U.S. No. 5.593.886, o volume do reator pode ser reduzido na proporção linear para aumentar na pressão operacional do reator, isto é biorreatores operados em 10 atmosferas de pressão necessitam ser somente um décimo do volume daqueles operados em 1 atmosfera da pressão.Furthermore, since the rate of conversion of CO to ethanol is in part a function of the retention time of the substrate, and achieving a desired retention time ultimately dictates the required volume of a bioreactor, the use of pressurized systems can greatly reduce the required bioreactor volume, and consequently the capital cost of the fermentation equipment. According to the examples given in U.S. Patent No. 5,593,886, the reactor volume can be reduced in linear proportion to the increase in reactor operating pressure, i.e. bioreactors operated at 10 atmospheres of pressure need only be one-tenth the volume of those operated at 1 atmosphere of pressure.
Os benefícios de conduzir uma fermentação de gás para etanol em pressões elevadas também foram descritos em outro lugar. Por exemplo, WO 02/08438 descreve fermentações de gás para etanol realizadas sob pressões de 206,85 kPa (30 psig) e 517,11kPa (75 psig), determinando produtividades de etanol de 150 g/l/dia e 369 g/l/dia respectivamente. Entretanto, descobriu-se que as fermentações exemplares realizadas utilizando meios similares e composições de gás de influxo em pressão atmosférica produzem entre 10 e 20 vezes menos etanol por litro por dia.The benefits of conducting gas-to-ethanol fermentation at elevated pressures have also been described elsewhere. For example, WO 02/08438 describes gas-to-ethanol fermentations carried out at pressures of 206.85 kPa (30 psig) and 517.11 kPa (75 psig), reporting ethanol productivities of 150 g/L/day and 369 g/L/day respectively. However, exemplary fermentations carried out using similar media and inflow gas compositions at atmospheric pressure have been found to produce between 10 and 20 times less ethanol per liter per day.
É também desejável que a taxa de introdução do substrato contendo CO gasoso seja tal como para garantir que a concentração de CO na fase líquida não fique limitante. Isto é porque uma consequência de condições limitadas a CO pode ser que o produto de etanol é consumido pela cultura.It is also desirable that the rate of introduction of the substrate containing gaseous CO be such as to ensure that the concentration of CO in the liquid phase does not become limiting. This is because a consequence of CO-limited conditions may be that the ethanol product is consumed by the crop.
Os produtos da reação de fermentação podem ser recuperados utilizando métodos conhecidos. Os métodos exemplares incluem aqueles descritos em WO07/117157, WO08/115080, US 6.340.581, US 6.136.577, US 5.593.886, US 5.807.722 e US 5.821.111. Entretanto, resumidamente e por modo de exemplo somente o etanol pode ser recuperado do caldo de fermentação por métodos tal como evaporação ou destilação fracionai, e fermentação extrativa.The products of the fermentation reaction can be recovered using known methods. Exemplary methods include those described in WO07/117157, WO08/115080, US 6,340,581, US 6,136,577, US 5,593,886, US 5,807,722 and US 5,821,111. However, briefly and by way of example only ethanol can be recovered from the fermentation broth by methods such as evaporation or fractional distillation, and extractive fermentation.
A destilação de etanol de um caldo de fermentação produz uma mistura azeotrópica de etanol e água (isto é, 95% de etanol e 5% de água). O etanol anidroso pode subsequentemente ser obtido através do uso de tecnologia de desidratação de etanol de peneira molecular, que é também bem conhecido na técnica.Distillation of ethanol from a fermentation broth produces an azeotropic mixture of ethanol and water (i.e., 95% ethanol and 5% water). Anhydrous ethanol can subsequently be obtained through the use of molecular sieve ethanol dehydration technology, which is also well known in the art.
Os procedimentos de fermentação extrativa envolvem o uso de um solvente miscível em água que apresenta um baixo risco de toxicidade ao organismo de fermentação, para recuperar o etanol do caldo de fermentação diluído. Por exemplo, o álcool de oleíla é um solvente que pode ser utilizado neste tipo de processo de extração. O álcool de oleíla é continuamente introduzido em um fermentador, no qual este solvente enxagua for- mando uma camada no topo do fermentador que é continuamente extraído e alimentado através de uma centrífuga. A água e as células são então facilmente separadas do álcool de oleíla e retornadas para o fermentador ao mesmo tempo em que o solvente carregado de etanol é alimentado em uma unidade de vaporização rápida. A maioria do etanol é vaporizada e condensada ao mesmo tempo em que o álcool de oleíla não é volátil e é recuperado para reutilização na fermentação.Extractive fermentation procedures involve the use of a water-miscible solvent that poses a low risk of toxicity to the fermenting organism to recover ethanol from the diluted fermentation broth. For example, oleyl alcohol is a solvent that can be used in this type of extraction process. The oleyl alcohol is continuously fed into a fermenter, where this solvent rinses to form a layer on top of the fermenter that is continuously extracted and fed through a centrifuge. The water and cells are then easily separated from the oleyl alcohol and returned to the fermenter while the ethanol-laden solvent is fed to a flash evaporator unit. Most of the ethanol is vaporized and condensed while the oleyl alcohol is non-volatile and recovered for reuse in the fermentation.
Acetato, que é produzido como um subproduto na reação de fermentação, pode também ser recuperado do caldo de fermentação utilizando os métodos conhecidos na técnica. Por exemplo, um sistema de absorção envolvendo um filtro de carvão ativado pode ser utilizado. Neste caso, é preferido que as células microbianas sejam primeiro removidas do caldo de fermentação utilizando uma unidade de separação adequada. Numerosos métodos com base em filtração de geração de um caldo de fermentação livre de célula para recuperação de produto são conhecidos na técnica. O permeado contendo etanol e acetato livre de célula é em seguida passado através de uma coluna contendo carvão ativado para absorver o acetato. Acetato na forma de ácido (ácido acético) em vez da forma de sal (acetato) é mais facilmente absorvido por carvão ativado. É, portanto, preferido que o pH do caldo de fermentação seja reduzido para menos do que cerca de 3 antes de ser passado através da coluna de carvão ativado, para converter a maioria do acetato para a forma de ácido acético.Acetate, which is produced as a byproduct in the fermentation reaction, can also be recovered from the fermentation broth using methods known in the art. For example, an absorption system involving an activated carbon filter can be used. In this case, it is preferred that the microbial cells are first removed from the fermentation broth using a suitable separation unit. Numerous filtration-based methods of generating a cell-free fermentation broth for product recovery are known in the art. The permeate containing ethanol and cell-free acetate is then passed through a column containing activated carbon to absorb the acetate. Acetate in the acid form (acetic acid) rather than the salt form (acetate) is more readily absorbed by activated carbon. It is therefore preferred that the pH of the fermentation broth be reduced to less than about 3 before being passed through the activated carbon column, to convert most of the acetate to the acetic acid form.
O ácido acético absorvido pelo carvão ativado pode ser recuperado por eluição utilizando métodos conhecidos na técnica. Por exemplo, o etanol pode ser utilizado para eluir o acetato ligado. Em certas modalidades, o etanol produzido pelo processo de fermentação propriamente dito pode ser utilizado para eluir o acetato. Por que o ponto de ebulição de etanol é 78,8 °C e aquele do ácido acético é 107 °C, o etanol e o acetato podem facilmente ser separados de cada outro utilizando um método com base na volatilidade tal como destilação.Acetic acid absorbed by activated carbon can be recovered by elution using methods known in the art. For example, ethanol can be used to elute bound acetate. In certain embodiments, ethanol produced by the fermentation process itself can be used to elute acetate. Because the boiling point of ethanol is 78.8 °C and that of acetic acid is 107 °C, ethanol and acetate can easily be separated from each other using a volatility-based method such as distillation.
Outros métodos para recuperar o acetato de um caldo de fermentação são também conhecidos na técnica e podem ser utilizados nos processos da presente invenção. Por exemplo, as Patentes dos U.S. Nos. 6.368.819 e 6.753.170 descrevem um sistema de solvente e cossolvente que pode ser utilizado para extração de ácido acético de caldos de fermentação. Assim como com o exemplo do sistema com base em álcool de oleíla descrito para a fermentação extrativa de etanol, os sistemas descritos nas Patentes U.S. Nos. 6.368.819 e 6.753.170 descrevem um solven- te/cossolvente imiscível em água que podem ser misturados com o caldo de fermentação ou na presença ou na ausência dos micro-organismos fermentados para extrair o produto de ácido acético. O solvente/cossolvente contendo o produto de ácido acético é em seguida separado do caldo por destilação. Uma segunda etapa de destilação pode em seguida ser utilizada para purificar o ácido acético do sistema de solvente/cossolvente.Other methods for recovering acetate from a fermentation broth are also known in the art and can be utilized in the processes of the present invention. For example, U.S. Patent Nos. 6,368,819 and 6,753,170 describe a solvent and cosolvent system that can be utilized for extracting acetic acid from fermentation broths. As with the example of the oleyl alcohol-based system described for the extractive fermentation of ethanol, the systems described in U.S. Patent Nos. 6,368,819 and 6,753,170 describe a water-immiscible solvent/cosolvent that can be mixed with the fermentation broth either in the presence or absence of the fermenting microorganisms to extract the acetic acid product. The solvent/cosolvent containing the acetic acid product is then separated from the broth by distillation. A second distillation step can then be used to purify the acetic acid from the solvent/cosolvent system.
Os produtos da reação de fermentação (por exemplo, etanol e acetato) podem ser recuperados do caldo de fermentação continuamente removendo-se uma porção do caldo do biorreator de fermentação, separan- do-se as células microbianas do caldo (convenientemente por filtração), e recuperando-se um ou mais produtos do caldo simultaneamente ou sequencialmente. No caso de etanol, ele pode ser convenientemente recuperado por destilação, e acetato pode ser recuperado por adsorção em carvão ativado, utilizando os métodos descritos acima. As células microbianas separadas são preferivelmente retornadas para o biorreator de fermentação. O permeado livre de célula restante após o etanol e acetato ter sido removido é também preferivelmente retornado para o biorreator de fermentação. Os nutrientes adicionais (tal como vitaminas B) podem ser adicionados ao permeado livre de célula para substituir o meio de nutriente antes de ser retornado para o biorreator. Além disso, se o pH do caldo foi ajustado como descrito acima para realçar a absorção de ácido acético pelo carvão ativado, o pH deve ser reajustado para um pH similar para aquele do caldo no biorreator de fermentação, antes e ser retornado para o biorreator.Fermentation reaction products (e.g., ethanol and acetate) can be recovered from the fermentation broth by continuously removing a portion of the broth from the fermentation bioreactor, separating the microbial cells from the broth (conveniently by filtration), and recovering one or more products from the broth simultaneously or sequentially. In the case of ethanol, it can be conveniently recovered by distillation, and acetate can be recovered by adsorption onto activated carbon, using the methods described above. The separated microbial cells are preferably returned to the fermentation bioreactor. The cell-free permeate remaining after the ethanol and acetate have been removed is also preferably returned to the fermentation bioreactor. Additional nutrients (such as B vitamins) can be added to the cell-free permeate to replace the nutrient medium before it is returned to the bioreactor. Additionally, if the pH of the broth has been adjusted as described above to enhance acetic acid uptake by activated carbon, the pH should be readjusted to a pH similar to that of the broth in the fermentation bioreactor before being returned to the bioreactor.
Ao determinar uma proporção de CO convertido para CO2, um sistema de modelagem foi concebido para prever o perfil de produção de produtos para uma bactéria de metabolização de CO. Uma vez que o grau de oxidação nos produtos difere dependendo se as bactérias estão sintetizando alcoóis ou ácidos orgânicos, a proporção de carbono nas bactérias que estão se dedicando à solventogênese pode ser prevista com base na estequiometria dos processos químicos subjacentes. A análise e/ou quantificação do grau de subprodutos oxidados (CO2) eficazmente fornece uma indicação em tempo real da conversão de produto total por uma cultura microbiana:By determining a ratio of CO converted to CO2, a modeling system was devised to predict the product production profile for a CO2-metabolizing bacterium. Since the degree of oxidation in the products differs depending on whether the bacteria are synthesizing alcohols or organic acids, the proportion of carbon in the bacteria that are engaged in solventogenesis can be predicted based on the stoichiometry of the underlying chemical processes. Analysis and/or quantification of the degree of oxidized byproducts (CO2) effectively provides a real-time indication of the total product conversion by a microbial culture:
O sistema modela o estado do reator como sendo um compósito de um ou mais estados "ideais" com calculado da estequiometria subjacente. O sistema de modelagem designa uma amostra de gás específica em um compromisso de "melhor ajuste" entre dois estados primários e uma condição de modificação que gera duas reações híbridas secundárias dependendo do hidrogênio disponível, e dois estados terciários. Os estados primários são: Fixação de monóxido de carbono ao ácido acético 2CO + 2H2 → CH3COOH (uma relação de CO2/CO de O) Fixação de monóxido de carbono para etanol 3CO + 3H2 → CH3CH2OH + CO2 (uma relação de CO2/CO de 0,3333)The system models the reactor state as being a composite of one or more "ideal" states with calculated underlying stoichiometry. The modeling system assigns a specific gas sample to a "best fit" compromise between two primary states and a modification condition that generates two secondary hybrid reactions depending on the hydrogen available, and two tertiary states. The primary states are: Carbon monoxide fixation to acetic acid 2CO + 2H2 → CH3COOH (a CO2/CO ratio of O) Carbon monoxide fixation to ethanol 3CO + 3H2 → CH3CH2OH + CO2 (a CO2/CO ratio of 0.3333)
Na ausência de gás de hidrogênio livre, ambas destas reações primárias são suplementadas por uma reação de desvio de água-gás; CO + H2O → O H2+ CO2In the absence of free hydrogen gas, both of these primary reactions are supplemented by a water-gas shift reaction; CO + H2O → H2+ CO2
Pode-se assumir que este desvio de água-gás ocorre simultaneamente com fixação de carbono quando a fixação de carbono é realizada na ausência de hidrogênio livre.It can be assumed that this water-gas shift occurs simultaneously with carbon fixation when carbon fixation is carried out in the absence of free hydrogen.
A combinação do desvio de água-gás com as duas reações primárias produz um par de rações híbridas secundárias que ocorrem na ausência de gás de hidrogênio livre. Fixação de monóxido de carbono ao ácido acético na ausência ou hidrogênio livre 4CO + 2H2O → CH3COOH + 2CO2 (uma relação de CO2/CO de 0,5) Fixação de monóxido de carbono ao etanol na ausência de hidrogênio livre 6CO + 3H2O → CH3CH2OH + 4CO2 (uma relação de CO2/CO de 0,6667).The combination of the water-gas shift with the two primary reactions produces a pair of secondary hybrid reactions that occur in the absence of free hydrogen gas. Carbon monoxide fixation to acetic acid in the absence or free hydrogen 4CO + 2H2O → CH3COOH + 2CO2 (a CO2/CO ratio of 0.5) Carbon monoxide fixation to ethanol in the absence of free hydrogen 6CO + 3H2O → CH3CH2OH + 4CO2 (a CO2/CO ratio of 0.6667).
Adicionalmente houve dois estados terciários potenciais; Redução de ácido acético pata etanol CH3COOH + 2CO + H2O → CH3CH2OH + 2CO2 (uma relação de CO2/C0 de 1) Oxidação de etanol para ácido acético CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2 (uma relação de CO2/CO de 0) Ao observar a relação de C02(produzido)/CO(consumido), o estado da cultura pode ser deduzido e seu rendimento do produto calculado. Em uma cultura com 100% de carácter de consumo de hidrogênio, a relação vai variar entre 0 e 1/3. Isto pode ser representado graficamente como uma função linear com a equação y = 1/3x. Em uma cultura com 100% de desvio de carácter de água-gás, a relação variará entre 1/2 e 2/3, que pode provavelmente ser representado graficamente como uma função linear com a equação y = 2/3x + 0,5.Additionally there were two potential tertiary states; Reduction of acetic acid to ethanol CH3COOH + 2CO + H2O → CH3CH2OH + 2CO2 (a CO2/CO ratio of 1) Oxidation of ethanol to acetic acid CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2 (a CO2/CO ratio of 0) By observing the ratio of CO2(produced)/CO(consumed), the state of the culture can be deduced and its product yield calculated. In a culture with 100% hydrogen consuming character, the ratio will vary between 0 and 1/3. This can be graphed as a linear function with the equation y = 1/3x. In a culture with 100% water-gas character deviation, the ratio will vary between 1/2 and 2/3, which can probably be graphed as a linear function with the equation y = 2/3x + 0.5.
Quando o consumo de hidrogênio é insignificante, a primeira função linear pode eficazmente ser ignorada para propósitos de modelagem e resolvendo-se somente a segunda equação, utilizando o valor de CO2/CO observado, o valor x calculado será uma proporção de carbono direcionada na produção de etanol. A subtração do CO2 total liberado do carbono total absorvido determinará o carbono disponível para fixação, multiplicando-se isto pela proporção previamente calculada determina o carbono fixo previsto como etanol. Uma vez que dois átomos de carbono são fixados em uma molécula de etanol, este valor deve ser reduzido na metade para converter o Mol de entrada de carbono em Mol de saída de etanol.When hydrogen consumption is negligible, the first linear function can effectively be ignored for modeling purposes and by solving only the second equation, using the observed CO2/CO value, the calculated x value will be a proportion of carbon directed to ethanol production. Subtracting the total CO2 released from the total carbon absorbed will determine the carbon available for fixation, and multiplying this by the previously calculated ratio determines the predicted fixed carbon as ethanol. Since two carbon atoms are fixed in one ethanol molecule, this value must be halved to convert the Mol of carbon input to Mol of ethanol output.
Quando o consumo de hidrogênio não é insignificante, porém é insuficiente para completar fixação de carbono em produtos e/ou material celular, nem relação de CO2/CO nem a quantidade de hidrogênio podem ser utilidades para diretamente inferir no estado da cultura. A produção de etanol de hidrogênio ocupa uma continuidade entre 3CO + 3H2 → CH3CH2OH + CO2 (uma relação de CO2/CO de 0,3333) e 2CO + 2H2 → CH3COOH (uma relação de CO2/CO de 0)When hydrogen consumption is not negligible but is insufficient to complete carbon fixation in products and/or cellular material, neither the CO2/CO ratio nor the amount of hydrogen can be used to directly infer crop status. Hydrogen ethanol production occupies a continuum between 3CO + 3H2 → CH3CH2OH + CO2 (a CO2/CO ratio of 0.3333) and 2CO + 2H2 → CH3COOH (a CO2/CO ratio of 0).
Ambos utilizam CO e H2 em uma relação de 1:1. Sem saber a posição nesta continuidade ocupada pela porção de consumo de hidrogênio da cultura microbiana, o influxo relativo de CO2 pelos micro-organismos de consumo de hidrogênio é desconhecido. Uma relação de CO2/CO total precisa não pode ser calculada sem saber o CO2 produzido pelo desvio de á- gua-gás subjacente utilizando a população, e cuja figura não pode ser calculada sem primeiro precisamente saber a relação de CO2/CO dos consumidores de hidrogênio e a quantidade relativa de CO2 que eles estão produzindo. Entretanto, isso pode ser contornado considerando-se que em um estado de consumo de hidrogênio, 0 consumo de H2 equivale ao consumo de CO e a segunda equação do estado pode também ser uma relação de CO2/H2, representada como um valor z exceto um valor x; y = 2/3x + 0,5 e y= 1/3zBoth utilize CO and H2 in a 1:1 ratio. Without knowing the position on this continuum occupied by the hydrogen-consuming portion of the microbial culture, the relative CO2 input by the hydrogen-consuming microorganisms is unknown. An accurate total CO2/CO ratio cannot be calculated without knowing the CO2 produced by the underlying water-gas diversion using the population, and which figure cannot be calculated without first knowing precisely the CO2/CO ratio of the hydrogen consumers and the relative amount of CO2 they are producing. However, this can be circumvented by considering that in a hydrogen-consuming state, H2 consumption equals CO consumption, and the second equation of state can also be a CO2/H2 ratio, represented as a z value except for an x value; y = 2/3x + 0.5 and y = 1/3z
Entretanto, sem uma terceira equação para ligar x e z, a equação simultânea não pode ser resolvida. Porque o estado da cultura pode alterar, esta terceira equação; y = ax + bz é de fato, variável, como é para ser esperado dado que o grau ao qual uma cultura produz acetato ou etanol durante o urso de uma fermentação, altera com as condições.However, without a third equation to connect x and z, the simultaneous equation cannot be solved. Because the state of the culture can change, this third equation; y = ax + bz is indeed variable, as is to be expected given that the rate at which a culture produces acetate or ethanol during a fermentation process changes with conditions.
Na circunstância que uma cultura estava totalmente consumindo hidrogênio, ambas as relações de CO2/CO e CO2/H2 seriam iguais, uma vez que o consumo de CO seria 1:1 com o consumo de hidrogênio. A partir disto pode ser inferido que uma linha traçada entre um ponto calculado com a relação de CO2/CO e a relação de CO2/H2 tenderá para horizontal quando o carácter de consumo de hidrogênio da população microbiana aumenta, e que a intercepção de z do eixo seria diretamente proporcional a uma propor- ção de carbono sendo fixo em etanol quando a linha ficou totalmente horizontal, como em um estado de alimentação de hidrogênio, CO2 é produzido em uma base de 1:1 com etanol.In the circumstance that a culture was fully hydrogen-consuming, both the CO2/CO and CO2/H2 ratios would be equal, since CO consumption would be 1:1 with hydrogen consumption. From this it can be inferred that a line drawn between a point calculated with the CO2/CO ratio and the CO2/H2 ratio will tend to be horizontal as the hydrogen-consuming character of the microbial population increases, and that the z-intercept of the axis would be directly proportional to the proportion of carbon being fixed in ethanol when the line became fully horizontal, as in a hydrogen-fed state, CO2 is produced on a 1:1 basis with ethanol.
A partir desta informação, uma aproximação pode ser adicionada para permitir que a terceira equação "híbrida" seja calculada.From this information, an approximation can be added to allow the third "hybrid" equation to be calculated.
O gradiente de uma linha entre a relação de CO2/CO e CO2/H2 é utilizado para designar uma pesagem para a intercepção z desta linha híbrida; se esta linha for horizontal, o gradiente ([CO2/CO]/[CO2/H2]) seria 1, indicando uma cultura de consumo de hidrogênio puro, na qual toda a produção de etanol foi proveniente de consumidores de hidrogênio, significando que a única equação a se considerar é a equação de hidrogênio.The gradient of a line between the CO2/CO and CO2/H2 ratios is used to designate a weight for the z-intercept of this hybrid line; if this line were horizontal, the gradient ([CO2/CO]/[CO2/H2]) would be 1, indicating a pure hydrogen consumption culture in which all ethanol production came from hydrogen consumers, meaning that the only equation to consider is the hydrogen equation.
Como esta linha se move para longe da horizontal, seu gradiente ([CO2/CO]/[CO2/H2]) tenderá para zero. Utilizando isto como um valor de pesagem multiplicativo para multiplicar pela intercepção z, a quantidade inferida de CO2 (e etanol) produzida pelos consumidores de hidrogênio provavelmente tenderá para zero quando as linhas entre as relações CO2/CO e CO2/H2 se movem para cada vez mais longe da horizontal.As this line moves away from the horizontal, its gradient ([CO2/CO]/[CO2/H2]) will tend to zero. Using this as a multiplicative weighting value to multiply by the z-intercept, the inferred amount of CO2 (and ethanol) produced by hydrogen consumers will likely tend to zero as the lines between the CO2/CO and CO2/H2 ratios move further and further from the horizontal.
A intercepção z multiplicada com o fator de pesagem derivado de gradiente produz uma aproximação do CO2 total produzido pelos microorganismos de consumo de hidrogênio, e o CO consumido pelos consumidores de hidrogênio serão 1:1 com o consumo de hidrogênio, e este valor pode então ser substituído em para resolver a equação y = 1/3x. O CO consumido e CO2 produzido por micro-organismos de consumo de hidrogênio podem ser subtraídos da produção e consumo total para produzir o CO e CO2 restante que a população de desvio de água-gás é responsável por, e a relação deste restante pode ser substituída em para resolver a equação y = 2/3x + 0,5. Desse modo a proporção de carbono fixo em um produto particular, tal como ácido(s) e/ou álcool(s) pode ser determinada.The z-intercept multiplied with the gradient-derived weighting factor yields an approximation of the total CO2 produced by the hydrogen-consuming microorganisms, and the CO consumed by the hydrogen consumers will be 1:1 with the hydrogen consumption, and this value can then be substituted into to solve the equation y = 1/3x. The CO consumed and CO2 produced by the hydrogen-consuming microorganisms can be subtracted from the total production and consumption to yield the remaining CO and CO2 that the water-gas diversion population is responsible for, and the ratio of this remainder can be substituted into to solve the equation y = 2/3x + 0.5. In this way the proportion of fixed carbon in a particular product such as acid(s) and/or alcohol(s) can be determined.
Aqueles versados na técnica apreciarão que uma quantidade de CO e opcionalmente H2 consumido e CO2 produzido pode ser monitorada continuamente ou em pontos de tempo discretos como desejado. Qualquer meio conhecido na técnica pode ser utilizado para determinar uma quantida- de de CO2, CO e H2; entretanto em uma modalidade da invenção, a croma- tografia de gás (GC) é utilizada para medir a quantidade de CO2, CO e H2 presente em uma corrente de exaustão saindo de um biorreator. A proporção de carbono fixo como álcool e/ou ácido pode ser calculada se a composição da corrente de substrato que entra no biorreator for conhecida. Se a composição da corrente de substrato for desconhecida, uma outra cromato- grafia de gás pode ser utilizada para determinar a composição. Outros meios para determinar a quantidade de CO2 produzido e o substrato consumido inclui espectroscopia de massa (MS), GCMS sensores internos.Those skilled in the art will appreciate that an amount of CO and optionally H2 consumed and CO2 produced can be monitored continuously or at discrete time points as desired. Any means known in the art can be used to determine an amount of CO2, CO and H2; however, in one embodiment of the invention, gas chromatography (GC) is used to measure the amount of CO2, CO and H2 present in an exhaust stream exiting a bioreactor. The proportion of fixed carbon as alcohol and/or acid can be calculated if the composition of the substrate stream entering the bioreactor is known. If the composition of the substrate stream is unknown, another gas chromatography can be used to determine the composition. Other means for determining the amount of CO2 produced and substrate consumed include mass spectroscopy (MS), GCMS and internal sensors.
Desse modo, de acordo com a invenção, a proporção de carbono fixo como um produto particular tal como acetato e/ou etanol pode ser determinada medindo-se o CO2 produzido, CO consumido e opcionalmente H2 consumido. É reconhecido que a taxa na qual o substrato (por exemplo, CO e opcionalmente H2) se torna disponível para uma cultura microbiana pode afetar a proporção relativa de produtos bem como a taxa na qual eles são produzidos. Por exemplo, o aumento de fornecimento de substrato para uma cultura de produção de acetato pode aumentar a proporção de carbono direcionada para a produção de álcool.Thus, in accordance with the invention, the proportion of fixed carbon as a particular product such as acetate and/or ethanol can be determined by measuring the CO2 produced, CO consumed and optionally H2 consumed. It is recognized that the rate at which substrate (e.g., CO and optionally H2) becomes available to a microbial culture can affect the relative proportion of products as well as the rate at which they are produced. For example, increasing the supply of substrate to an acetate-producing culture can increase the proportion of carbon directed to alcohol production.
Um substrato compreendendo CO e opcionalmente H2 é tipicamente fornecido na forma gasosa e a disponibilidade de CO e H2 para uma cultura microbiana será dependente das propriedades de transferência de massa do sistema de fermentação. Por exemplo, a disponibilidade de CO e/ou H2 para uma cultura microbiana suspensa em um caldo de fermentação é dependente de fatores conhecidos por aqueles versados na técnica incluindo temperatura, composição do caldo, taxa de fornecimento de gás, composição de gás, pressão de vapor de CO, pressão de vapor de H2, mistura. Desse modo, o aumento da disponibilidade de CO e/ou H2 para uma fermentação microbiana requer a melhora das propriedades de transferência de massa do sistema, tal como o aumento da taxa de fornecimento de substrato e/ou aumento da agitação de um biorreator mecanicamente agitado.A substrate comprising CO and optionally H2 is typically supplied in gaseous form and the availability of CO and H2 to a microbial culture will be dependent on the mass transfer properties of the fermentation system. For example, the availability of CO and/or H2 to a microbial culture suspended in a fermentation broth is dependent on factors known to those skilled in the art including temperature, broth composition, gas supply rate, gas composition, CO vapor pressure, H2 vapor pressure, mixing. Thus, increasing the availability of CO and/or H2 to a microbial fermentation requires improving the mass transfer properties of the system, such as increasing the substrate supply rate and/or increasing the agitation of a mechanically stirred bioreactor.
De acordo com os métodos da invenção, a eficiência da fermentação pode ser melhorada fornecendo-se o substrato compreendendo CO e opcionalmente H2 em ou para uma faixa ou nível ideal. Um nível ideal pode ser verificado com base no produto desejado da fermentação. Por exemplo, se álcool e crescimento microbiano são desejados, o substrato compreendendo CO e opcionalmente H2 pode ser fornecido tal que o carbono seja predominantemente fixado como álcool, ao mesmo tempo em que uma porção é disponível para o crescimento microbiano. Por exemplo, um substrato compreendendo CO pode ser fornecido para uma cultura microbiana, tal que o crescimento microbiano e produção de álcool ocorram.In accordance with the methods of the invention, the efficiency of fermentation can be improved by supplying the substrate comprising CO and optionally H2 in or at an optimum range or level. An optimum level can be determined based on the desired fermentation product. For example, if alcohol and microbial growth are desired, the substrate comprising CO and optionally H2 can be supplied such that the carbon is predominantly fixed as alcohol, while a portion is available for microbial growth. For example, a substrate comprising CO can be supplied to a microbial culture such that microbial growth and alcohol production occur.
As condições, particularmente a taxa de fornecimento de substrato e/ou concentrações de CO e H2 relativas, podem ser variadas até que o crescimento microbiano e produção de álcool sejam otimizados para a satisfação do operador. Uma vez que a influência de cada série de reações de fixação de carbono em produtos pode ser determinada, o fornecimento de substrato pode ser ajustado para prender e/ou manter as condições desejáveis durante a fermentação. Por exemplo, é reconhecido que uma corrente de substrato pode compreender componentes de CO e/ou H2 flutuantes. Entretanto, utilizando os métodos da invenção, a produção líquida de produtos pode ser mantida em uma relação substancialmente constante ajustando-se o fornecimento de substrato.The conditions, particularly the substrate supply rate and/or relative CO and H2 concentrations, can be varied until microbial growth and alcohol production are optimized to the operator's satisfaction. Once the influence of each series of carbon fixation reactions on products can be determined, the substrate supply can be adjusted to trap and/or maintain desirable conditions during fermentation. For example, it is recognized that a substrate stream may comprise fluctuating CO and/or H2 components. However, using the methods of the invention, the net production of products can be maintained at a substantially constant ratio by adjusting the substrate supply.
Adicionalmente ou alternativamente, quando uma cultura microbiana cresce, ou a densidade microbiana flutua, o fornecimento de substrato pode ser alterado de acordo com os requerimentos de culturas microbianas com base na determinação de CO2 produzido e CO e H2 consumido.Additionally or alternatively, as a microbial culture grows, or microbial density fluctuates, the substrate supply can be altered according to the microbial culture requirements based on the determination of CO2 produced and CO and H2 consumed.
Neste respeito, a proporção de carbono direcionada para um produto particular pode ser mantida substancialmente constante independente das alterações para o fornecimento de substrato e/ou densidade microbiana. Em modalidades particulares da invenção, uma proporção de carbono direcionado para um produto particular pode ser selecionado por um operador e as condições ajustadas para manter a proporção substancialmente constante. Por exemplo, se um operador requer 90% do carbono fixado ser direcionado para produção de etanol, o substrato pode ser fornecida tal que a proporção não desvie para fora da faixa predeterminada, tal co mo ±1%, ou +2%, ou ±3%, ou ±4%, ou ±5%. Em modalidades particulares, o fornecimento de substrato pode ser controlado em resposta a determinação de uma proporção de carbono direcionado para um produto particular. Em modalidades particulares, o fornecimento de substrato é automaticamente ajustado em resposta às alterações em uma proporção de carbono direcionado para um produto particular.In this regard, the proportion of carbon directed to a particular product can be maintained substantially constant regardless of changes to the substrate supply and/or microbial density. In particular embodiments of the invention, a proportion of carbon directed to a particular product can be selected by an operator and conditions adjusted to maintain the proportion substantially constant. For example, if an operator requires 90% of the fixed carbon to be directed to ethanol production, the substrate can be supplied such that the proportion does not deviate outside of a predetermined range, such as ±1%, or +2%, or ±3%, or ±4%, or ±5%. In particular embodiments, the substrate supply can be controlled in response to determining a proportion of carbon directed to a particular product. In particular embodiments, the substrate supply is automatically adjusted in response to changes in a proportion of carbon directed to a particular product.
Em modalidades particulares, onde CO é fornecido na ausência de quantidades apreciáveis de H2, a relação de C02pr0duzido/COConsumido pode ser determinada. Em modalidades particulares da invenção, o crescimento microbiano e produção de álcool podem ser otimizados quando o acetato é concomitantemente produzido. Como tal uma relação de C02pr0duzido/COConsumido de <0,667, tal como aproximadamente 0,66, ou aproximadamente 0,65, ou aproximadamente 0,64, ou aproximadamente 0,63, ou aproximadamente 0,62, ou aproximadamente 0,61, ou aproximadamente 0,60, ou menos seria esperada. Alternativamente, o crescimento microbiano e produção de álcool podem ser ideais quando acetato é consumido. Como tal, uma relação de CO2prOduzido/COConsumido de >0,667, tal como aproximadamente 0,67, ou aproximadamente 0,68, ou aproximadamente 0,69, ou aproximadamente 0,70, ou maior seria esperado.In particular embodiments, where CO is supplied in the absence of appreciable amounts of H2, the ratio of CO2 produced/CO2 consumed can be determined. In particular embodiments of the invention, microbial growth and alcohol production can be optimized when acetate is concomitantly produced. As such a ratio of CO2 produced/CO2 consumed of <0.667, such as approximately 0.66, or approximately 0.65, or approximately 0.64, or approximately 0.63, or approximately 0.62, or approximately 0.61, or approximately 0.60, or less would be expected. Alternatively, microbial growth and alcohol production can be optimal when acetate is consumed. As such, a ratio of CO2 produced/CO2 consumed of >0.667, such as approximately 0.67, or approximately 0.68, or approximately 0.69, or approximately 0.70, or greater would be expected.
Uma vez que uma faixa ou nível ideal foi determinado, a fermentação, ou fermentações futuras podem ser operadas sob condições similares, onde o substrato é fornecido tal que o carbono fixo experimentalmente determinado e/ou relação de C02produzido/COConsumido é substancialmente mantido. Uma relação ideal de fermentação de um substrato compreendendo CO e H2 pode ser similarmente determinada e aplicada.Once an optimum range or level has been determined, the fermentation, or future fermentations, may be operated under similar conditions where the substrate is supplied such that the experimentally determined fixed carbon and/or CO2 produced/CO2 consumed ratio is substantially maintained. An optimum fermentation ratio of a substrate comprising CO and H2 may be similarly determined and applied.
Em uma modalidade adicional ou alternativa, o método pode ser utilizado para indicar quando e/ou como uma cultura microbiana pode ou deve ser transitada de uma conversão total líquida para outra. Por exemplo, como observado anteriormente, se o crescimento é o objetivo principal, então a cultura microbiana pode ser desejavelmente mantida tal que a maioria do carbono seja direcionada para a produção de acetato. Por exemplo, a corrente de substrato compreendendo CO e mínimo ou nenhum H2, a rela ção de C02produzido/C0consumido é mantida em cerca de 0,5. Se a relação de CO2produzido/COConsumido desvia além da faixa predeterminada ou limiar, tal como aproximadamente 0,45-0,55, ou aproximadamente 0,48-0,52, um ajuste pode ser feito à cultura e/ou a corrente de substrato para transição pelo menos uma porção da cultura microbiana tal que a conversão líquida total pela cultura total seja como desejado. Por exemplo, transição da cultura tal que a relação de CO2/CO seja aproximadamente 0,5. Na presença de H2, ajustes equivalentes podem similarmente ser feito, tal que a fixação de carbono permaneça substancialmente constante.In a further or alternative embodiment, the method can be used to indicate when and/or how a microbial culture can or should be transitioned from one total net conversion to another. For example, as noted previously, if growth is the primary objective, then the microbial culture can desirably be maintained such that the majority of the carbon is directed toward acetate production. For example, with the substrate stream comprising CO and minimal or no H2, the ratio of CO2 produced/CO2 consumed is maintained at about 0.5. If the ratio of CO2 produced/CO2 consumed deviates beyond a predetermined range or threshold, such as about 0.45-0.55, or about 0.48-0.52, an adjustment can be made to the culture and/or the substrate stream to transition at least a portion of the microbial culture such that the total net conversion by the entire culture is as desired. For example, transition the culture such that the ratio of CO2/CO is about 0.5. In the presence of H2, equivalent adjustments can similarly be made, such that carbon fixation remains substantially constant.
Em modalidades particulares da invenção, pelo menos uma porção da cultura microbiana pode ser transitada fazendo-se um ajuste à cultura microbiana e/ou à corrente de substrato. Em certas modalidades, a fermentação anaeróbica é realizada em um biorreator, onde a cultura microbiana é pelo menos parcialmente suspensa em um caldo de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido. Em modalidades particulares, pelo menos uma porção da cultura microbiana pode ser transitada fazendo-se um ajuste ao caldo de fermentação e/ou meio nutriente líquido.In particular embodiments of the invention, at least a portion of the microbial culture can be transitioned by making an adjustment to the microbial culture and/or the substrate stream. In certain embodiments, the anaerobic fermentation is carried out in a bioreactor, where the microbial culture is at least partially suspended in a fermentation broth comprising a liquid nutrient medium. In particular embodiments, at least a portion of the microbial culture can be transitioned by making an adjustment to the fermentation broth and/or liquid nutrient medium.
Em certas modalidades, o ajuste inclui um ou mais de: alterar o pH do caldo de fermentação; alterar o potencial redox do caldo de fermentação; alterar a concentração de CO do caldo de fermentação; alterar a concentração de H2 do caldo de fermentação; alterar a composição da corrente de substrato; alterar a pressão da corrente de substrato; alterar a taxa de agitação do caldo de fermentação; remoção do produto; alterar a concentração de ácido e/ou álcool do caldo de fermentação; alterar um ou mais nutrientes no meio nutriente líquido; altera a taxa de fornecimento de um ou mais nutrientes.In certain embodiments, adjusting includes one or more of: changing the pH of the fermentation broth; changing the redox potential of the fermentation broth; changing the CO concentration of the fermentation broth; changing the H2 concentration of the fermentation broth; changing the composition of the substrate stream; changing the pressure of the substrate stream; changing the agitation rate of the fermentation broth; removing product; changing the acid and/or alcohol concentration of the fermentation broth; changing one or more nutrients in the liquid nutrient medium; changing the rate of supply of one or more nutrients.
Adicionalmente ou alternativamente, se a produção de álcool for o objetivo principal então o substrato pode ser fornecido tal que substancialmente todo o carbono seja fixado como etanol. Em modalidades particulares onde nenhum H2 está disponível, a relação de CO2produzido/COCOnsumido pode ser desejavelmente mantida em aproximadamente 0,667. Se a relação de C02pr0duzido/COconsumido desviar além de uma faixa predeterminada ou limiar, tal como 0,58-0,73 ou 0,63-0,7, um ajuste pode ser feito à cultura e/ou à corrente de substrato para a transição de pelo menos uma porção do cultura microbiana tal que a conversão líquida total pela cultura total seja como desejado, por exemplo, retornado para uma relação de C02pr0duzido/COConsumido de aproximadamente 0,667.Additionally or alternatively, if alcohol production is the primary objective then the substrate may be supplied such that substantially all of the carbon is fixed as ethanol. In particular embodiments where no H2 is available, the CO2 produced/CO2 consumed ratio may desirably be maintained at approximately 0.667. If the CO2 produced/CO2 consumed ratio deviates beyond a predetermined range or threshold, such as 0.58-0.73 or 0.63-0.7, an adjustment may be made to the culture and/or substrate stream to transition at least a portion of the microbial culture such that the total net conversion by the total culture is as desired, e.g., returned to a CO2 produced/CO2 consumed ratio of approximately 0.667.
Em uma modalidade adicional ou alternativa, uma cultura de produção de álcool mantida com uma relação de CO2prOduzido/COconsumido de aproximadamente 0,667 pode ter quantidades significantes de acetato inde- sejado, por exemplo, acetato residual deixado de uma de crescimento anterior. O acetato pode ser convertido para álcool por transição de pelo menos uma porção da redução de acetato para álcool (equação 3). Como tal, a cultura pode ser ajustada até que a relação de CO2pr0duzido/COc0nsumido aumente acima de 0,667 até que a conversão desejada esteja completa.In a further or alternative embodiment, an alcohol-producing crop maintained at a CO2 produced/CO2 consumed ratio of approximately 0.667 may have significant amounts of undesirable acetate, e.g., residual acetate left over from a previous growth period. The acetate may be converted to alcohol by carrying over at least a portion of the acetate reduction to alcohol (equation 3). As such, the crop may be adjusted until the CO2 produced/CO2 consumed ratio increases above 0.667 until the desired conversion is complete.
A proporção de CO oxidado para CO2 pode ser utilizada para determinar a conversão líquida total de uma cultura microbiana. A quantidade de CO consumido pela cultura também fornece um indicação da viabilidade da cultura (captação específica: taxa de captação de CO/densidade de célula). Consequentemente, os métodos da invenção podem ser utilizados em combinação com o monitoramento de captação específico. Por exemplo, se uma proporção de carbono fixo como um produto particular e/ou a captação específica desviam de faixas ou limiares predeterminados, um ou mais ajustes podem ser feitos à cultura tal que a viabilidade e conversão desejada sejam mantidas. Em modalidades particulares, onde H2 é limitado ou está substancialmente indisponível, a captação de CO específica é esperada ser pelo menos 0,5 mmol/grama de células microbianas de peso seco/minuto (mmol/g/min), tal como aproximadamente 0,6 mmol/g/min, tal como aproximadamente 0,7 mmol/g/min, tal como aproximadamente 0,8 mmol/g/min, tal como aproximadamente 0,9 mmol/g/min, tal como aproximadamente 1,0 mmol/g/min.The ratio of oxidized CO to CO2 can be used to determine the total net conversion of a microbial culture. The amount of CO consumed by the culture also provides an indication of the viability of the culture (specific uptake: CO uptake rate/cell density). Accordingly, the methods of the invention can be used in combination with specific uptake monitoring. For example, if a proportion of fixed carbon as a particular product and/or specific uptake deviates from predetermined ranges or thresholds, one or more adjustments can be made to the culture such that the desired viability and conversion are maintained. In particular embodiments, where H2 is limited or substantially unavailable, specific CO uptake is expected to be at least 0.5 mmol/gram microbial cells dry weight/minute (mmol/g/min), such as approximately 0.6 mmol/g/min, such as approximately 0.7 mmol/g/min, such as approximately 0.8 mmol/g/min, such as approximately 0.9 mmol/g/min, such as approximately 1.0 mmol/g/min.
Neste respeito, uma proporção de carbono fixo como um produto particular em combinação com a captação específica de CO pode ser utilizada para determinar a taxa na qual os metabólitos desejados particulares, tais como ácidos e/ou alcoóis, são produzidos. Em modalidades particulares, o método pode ser utilizado para melhorar a eficiência da fermentação microbiana otimizando-se (isto é, melhorando) a taxa na qual um ou mais produtos (tais como alcoóis) são produzidos. Por exemplo, a produção de etanol pode ser melhorada fazendo-se um ou mais ajustes à cultura microbiana que aumenta a captação específica de CO ao mesmo tempo em que mantendo uma relação de CO2prOduzido/COConsumido de aproximadamente 0,667. Adicionalmente ou alternativamente, um ou mais ajustes podem ser feitos para aumentar a captação de CO e relação de C02produzido/COConsumido de (por exemplo) 0,5 a (por exemplo) 0,667 para melhorar a taxa de produção de álcool.In this regard, a proportion of fixed carbon as a particular product in combination with specific CO uptake can be used to determine the rate at which particular desired metabolites, such as acids and/or alcohols, are produced. In particular embodiments, the method can be used to improve the efficiency of microbial fermentation by optimizing (i.e., improving) the rate at which one or more products (such as alcohols) are produced. For example, ethanol production can be improved by making one or more adjustments to the microbial culture that increase specific CO uptake while maintaining a CO2 produced/CO2 consumed ratio of approximately 0.667. Additionally or alternatively, one or more adjustments can be made to increase CO uptake and CO2 produced/CO2 consumed ratio from (e.g.) 0.5 to (e.g.) 0.667 to improve the rate of alcohol production.
Em modalidades particulares da invenção, a fermentação continua de substratos compreendendo CO e opcionalmente H2 pode ser obtida durante períodos prolongados de pelo menos 2 dias, tais como pelo menos 3 dias, ou pelo menos 5 dias, ou pelo menos 1 semana, ou pelo menos 1 mês. A fermentação contínua inclui fornecer meios frescos a um caldo de fermentação e remover o caldo de fermentação contendo os produtos e células microbianas para manter um volume caldo de fermentação substancialmente constante. Em modalidades particulares, as concentrações de produtos, incluindo álcool(s) e opcionalmente ácido(s) e as células microbianas são mantidas substancialmente constantes no processo contínuo. Em modalidades particulares da invenção, para manter uma fermentação contínua durante um período prolongado, a cultura microbiana fixa pelo menos uma porção de carbono como ácido, tal como acetato. O acetato pode ser produzido em concentração menor do que 5g/L. Entretanto, de acordo com os métodos da invenção, a maioria do carbono fixado como álcool, tal como etanol, em excesso de 10g/L, ou 15g/L. Desse modo, para manter operação contínua, o substrato necessita ser fornecido tal que o carbono seja fixado como acetato, etanol e biomassa.In particular embodiments of the invention, continuous fermentation of substrates comprising CO and optionally H2 can be achieved for extended periods of at least 2 days, such as at least 3 days, or at least 5 days, or at least 1 week, or at least 1 month. Continuous fermentation includes supplying fresh media to a fermentation broth and removing the fermentation broth containing the products and microbial cells to maintain a substantially constant fermentation broth volume. In particular embodiments, the concentrations of products, including alcohol(s) and optionally acid(s), and microbial cells are maintained substantially constant in the continuous process. In particular embodiments of the invention, to maintain a continuous fermentation for an extended period, the microbial culture fixes at least a portion of carbon as acid, such as acetate. Acetate can be produced at a concentration of less than 5 g/L. However, according to the methods of the invention, the majority of the carbon is fixed as alcohol, such as ethanol, in excess of 10 g/L, or 15 g/L. Thus, to maintain continuous operation, the substrate needs to be supplied such that carbon is fixed as acetate, ethanol and biomass.
Em uma modalidade particular, a fermentação produzindo etanol e pequenas quantidades de acetato continuamente durante um período prolongado é mantida em uma faixa de relação de C02pr0duzido/COconsumido de aproximadamente 0,61-0,65; tal como entre 0,62-0,64. Uma tal relação de CO2produzido/COConsumido garante que uma maioria de carbono fixado seja dire-cionado para a produção de álcool, ao mesmo tempo em que uma quantidade menor está direcionada para acetato e material celular para manter o crescimento microbiano, desse modo prolongando uma cultura contínua. Em modalidades particulares, o substrato é fornecido tal que a captação de CO específica seja mantida pelo menos 0,8mmol/g/min, tal como aproximadamente 1,0 mmol/grama de massa de célula seca/minuto.In a particular embodiment, the fermentation producing ethanol and small amounts of acetate continuously over an extended period is maintained in a CO2 produced/CO2 consumed ratio range of approximately 0.61-0.65; such as between 0.62-0.64. Such a CO2 produced/CO2 consumed ratio ensures that a majority of the fixed carbon is directed to alcohol production, while a smaller amount is directed to acetate and cellular material to maintain microbial growth, thereby prolonging a continuous culture. In particular embodiments, the substrate is provided such that the specific CO2 uptake is maintained at least 0.8 mmol/g/min, such as approximately 1.0 mmol/gram dry cell mass/minute.
De acordo com outra modalidade, a fermentação não contínua (batelada) pode ser conduzida tal que o álcool seja produzido sem produção de ácido concomitante. Em tais modalidades, o substrato é fornecido tal que o álcool e opcionalmente o material de célula (biomassa) sejam produzidos. De acordo com a invenção, o substrato é fornecido tal que uma relação de CO2/CO de aproximadamente 0,667 seja mantida. É reconhecido que quando uma cultura microbiana cresce, uma quantidade de CO (e opcionalmente H2) exigiu aumentos. Entretanto, de acordo com a invenção, uma quantidade ideal de CO pode ser fornecida mantendo-se uma relação de CO2/CO quando a taxa de fornecimento de substrato aumenta. Figura 1 é uma representação esquemática de um sistema 100, de acordo com uma modalidade da invenção. A corrente de substrato 1 entra no biorreator 2 através de um conduto adequado 3. A corrente de substrato 1 compreende CO e opcionalmente CO2 e/ou H2 e em certas modalidades, a corrente de substrato é uma corrente de gás residual de um processo industrial, tal como a descarburização de aço. A corrente de substrato 1 pode ser uma corrente constante no sentido que é constantemente fornecido, porém o teor da corrente pode variar com o passar do tempo. A composição da corrente de substrato, particularmente a concentração de CO e CO2 pode ser conhecida, ou pode alternativamente ser determinada por meios de determinação opcionais (não mostrados).According to another embodiment, non-continuous (batch) fermentation may be conducted such that alcohol is produced without concomitant acid production. In such embodiments, the substrate is supplied such that alcohol and optionally cell material (biomass) are produced. According to the invention, the substrate is supplied such that a CO2/CO ratio of approximately 0.667 is maintained. It is recognized that as a microbial culture grows, the amount of CO (and optionally H2) required increases. However, according to the invention, an optimal amount of CO can be supplied while maintaining a CO2/CO ratio as the substrate supply rate increases. Figure 1 is a schematic representation of a system 100 according to an embodiment of the invention. The substrate stream 1 enters the bioreactor 2 through a suitable conduit 3. The substrate stream 1 comprises CO and optionally CO2 and/or H2 and in certain embodiments, the substrate stream is a waste gas stream from an industrial process, such as the decarburization of steel. The substrate stream 1 may be a constant stream in the sense that it is constantly supplied, but the content of the stream may vary over time. The composition of the substrate stream, particularly the concentration of CO and CO2 may be known, or may alternatively be determined by optional determination means (not shown).
Biorreator 2 é configurado para realizar a reação de fermentação desejada para produzir os produtos. De acordo com certas modalidades, o biorreator 2 é configurado para converter CO em produtos incluindo um ou mais ácidos e/ou alcoóis. O biorreator 2 pode compreender mais do que um tanque, cada tanque configurado para realizar a mesma reação e/ou estágios diferentes em um processo de fermentação particular e/ou reações diferentes, incluindo reações diferentes para fermentações diferentes que podem incluir um ou mais estágios comuns.Bioreactor 2 is configured to perform the desired fermentation reaction to produce the products. According to certain embodiments, bioreactor 2 is configured to convert CO into products including one or more acids and/or alcohols. Bioreactor 2 may comprise more than one tank, each tank configured to perform the same reaction and/or different stages in a particular fermentation process and/or different reactions, including different reactions for different fermentations that may include one or more common stages.
Os produtos produzidos no biorreator 2, tais como ácidos e/ou alcoóis, podem ser recuperados por qualquer processo de recuperação conhecido na técnica.The products produced in bioreactor 2, such as acids and/or alcohols, can be recovered by any recovery process known in the art.
Os componentes da corrente de substrato que são não consumidos na reação de fermentação e qualquer subproduto da reação de fermentação, tal como CO2, sai do biorreator 2 através da saída de escapa- mento 4. Em modalidades particulares da invenção, os meios de medição 5 são adaptados para determinar a concentração de CO, CO2 e opcionalmente H2 na corrente exaurida que sai do biorreator 2 através da saída de esca- pamento 4. Em modalidades particulares, a proporção de carbono direcionado para ácido(s) e/ou álcool(s) pode ser determinada de uma quantidade de CO, CO2 e H2 fornecido para e a quantidade que sai do biorreator 2. Consequentemente, um operador pode opcionalmente fazer ajustes a cultura microbiana no biorreator 2 e/ou à corrente de substrato 1 utilizando meios de ajuste 6 para manter a cultura microbiana em, ou transição da cultura para um estado desejado de produção. Os ajustes para manter ou transitar a cultura incluem um ou mais de: alterar o pH do caldo de fermentação; alterar o potencial redox do caldo de fermentação; alterar a concentração de CO do caldo de fermentação; alterar a concentração de H2 do caldo de fermentação; alterar a composição da corrente de substrato; alterar a pressão da corrente de substrato; taxa de agitação do caldo de fermentação; remoção do produto; alterar a concentração de ácido e/ou álcool do caldo de fermentação; alterar um ou mais nutrientes no meio nutriente líquido; alterar a taxa de fornecimento de um ou mais nutrientes. Adicionalmente ou alternativa- mente, o sistema 100 inclui meios de processamento opcionais 7 adaptados para determinar uma proporção de carbono direto para os produtos particulares e controlar os meios de ajuste 6, tal que a cultura possa ser mantida em ou transitada para um estado desejado.The components of the substrate stream that are not consumed in the fermentation reaction and any byproduct of the fermentation reaction, such as CO2, exit bioreactor 2 through exhaust outlet 4. In particular embodiments of the invention, measuring means 5 are adapted to determine the concentration of CO, CO2, and optionally H2 in the exhaust stream exiting bioreactor 2 through exhaust outlet 4. In particular embodiments, the proportion of carbon directed to acid(s) and/or alcohol(s) may be determined from an amount of CO, CO2, and H2 supplied to and the amount exiting bioreactor 2. Accordingly, an operator may optionally make adjustments to the microbial culture in bioreactor 2 and/or to the substrate stream 1 using adjustment means 6 to maintain the microbial culture in, or transition the culture to, a desired state of production. Adjustments to maintain or transition the culture include one or more of: changing the pH of the fermentation broth; changing the redox potential of the fermentation broth; changing the CO concentration of the fermentation broth; changing the H2 concentration of the fermentation broth; changing the composition of the substrate stream; changing the pressure of the substrate stream; agitation rate of the fermentation broth; product removal; changing the acid and/or alcohol concentration of the fermentation broth; changing one or more nutrients in the liquid nutrient medium; changing the rate of supply of one or more nutrients. Additionally or alternatively, the system 100 includes optional processing means 7 adapted to determine a ratio of direct carbon to the particular products and control adjustment means 6 such that the culture can be maintained in or transitioned to a desired state.
Em modalidades particulares, o CO2, H2 e CO que entra e/ou que sai do biorreator 2 podem ser monitorados continuamente ou em ponto de tempo discreto e a fixação de carbono determinada. Além disso, os mei- 5 os de ajuste 6 podem ser configurados para fazer ajustes contínuos ou ajustes em pontos de tempo discretos se necessário.In particular embodiments, the CO2, H2, and CO entering and/or leaving the bioreactor 2 may be monitored continuously or at a discrete time point and carbon fixation determined. In addition, the adjustment means 6 may be configured to make continuous adjustments or adjustments at discrete time points if necessary.
Qualquer meio para determinar a relação de CO2pr0duzido/COconsumido pode ser utilizado, entretanto em modalidades particulares, uma ou mais cromatografia de gás é utilizada para determinar as 10 concentrações de CO2 e CO da corrente que sai do biorreator 2 e opcionalmente corrente de substrato 1. Em uma modalidade, os meios para determinar as concentrações de CO e CO2 na corrente que sai do biorreator 2 é um Varian micro GC CP-4900. EXEMPLOS Materiais e Métodos (Exemplos 1 e 2): Any means for determining the ratio of CO2 produced/CO2 consumed may be utilized, however in particular embodiments, one or more gas chromatography is utilized to determine the CO2 and CO concentrations of the stream exiting bioreactor 2 and optionally substrate stream 1. In one embodiment, the means for determining the CO and CO2 concentrations in the stream exiting bioreactor 2 is a Varian micro GC CP-4900. EXAMPLES Materials and Methods (Examples 1 and 2):
O meio foi preparado como segue: 85% de H3PO4 (20mmols) foi adicionado a uma solução de 1L de solução A. O pH do meio foi ajustado para 5,3 pela adição de uma solução a 5M de NaOH. Os sais de metal fo- 5 ram em seguida opcionalmente adicionados de acordo com a solução(s) B.The medium was prepared as follows: 85% H3PO4 (20 mmoles) was added to a 1 L solution of solution A. The pH of the medium was adjusted to 5.3 by the addition of a 5 M NaOH solution. Metal salts were then optionally added according to solution(s) B.
A solução do veículo foi esterilizada por autoclavagem durante 30 minutos a 121 °C, ou por esterilização do filtro antes do uso. Resazurina foi adicionado como um indicador redox e 10ml de Solução e vitamina-B (solução C) foi adicionado.The vehicle solution was sterilized by autoclaving for 30 minutes at 121 °C, or by filter sterilization before use. Resazurin was added as a redox indicator and 10 ml of Vitamin B solution (solution C) was added.
Um frasco de 500ml foi carregado com Na2S (93,7g, 0,39mol) e 200ml de H2O. A solução foi agitada até que o sal tenha dissolvido e enxofre (25g, 0,1 mol) tenha sido adicionado sob fluxo de N2 constante. Após 2 horas de agitação em temperatura ambiente, a solução de "Na2Sx" (aproxi- 15 madamente 4M com respeito a [Na] e aproximadamente 5M com respeito a [S]), agora um líquido marrom avermelhado claro, foi transferido em garrafas de soro purgadas de N2, embrulhado em folha de alumínio.A 500-ml flask was charged with Na2S (93.7 g, 0.39 mol) and 200 ml of H2O. The solution was stirred until the salt dissolved and sulfur (25 g, 0.1 mol) was added under a constant flow of N2. After 2 hours of stirring at room temperature, the "Na2Sx" solution (approximately 4 M with respect to [Na] and approximately 5 M with respect to [S]), now a clear reddish-brown liquid, was transferred into N2-purged serum bottles wrapped in aluminum foil.
Materiais e Métodos Exemplos 3,4 e 5: Materials and Methods Examples 3, 4 and 5:
Um frasco de três gargalos de 1 L foi equipado com uma entrada e saída estreita de gás para permitir o funcionamento sob gás inerte e trans- 5 ferência subsequente do produto desejado em um frasco de armazenamento adequado. O frasco foi carregado com CrCI3.6H20 (40g, 0,15 mol), de grânulos de zinco [20 malha] (18,3g, 0,28 mol), mercúrio (13,55g, 1mL, 0,0676 mol) e 500 mL de água destilada. Em seguida ao estímulo com N2 durante uma hora, a mistura foi aquecida a cerca de 80°C para iniciar a reação. Em 10 seguida a duas horas de agitação sob um fluxo de N2 constante, a mistura foi resfriada em temperatura ambiente e continuamente agitada durante outras 48 horas tempo pelo qual a mistura de reação se transformou em uma solução azul intenso. A solução foi transferida em garrafas de soro purgado com N2 e armazenada na geladeira para uso futuro. Bactérias: Clostridium autoethanogenum utilizado é aquele depositado no Centro de Recurso Alemão para Material Biológico (DSMZ) e alocado o número de acessão DSMZ 19630.A 1 L three-necked flask was equipped with a narrow gas inlet and outlet to permit operation under inert gas and subsequent transfer of the desired product to a suitable storage bottle. The flask was charged with CrCl3.6H20 (40 g, 0.15 mol), zinc granules [20 mesh] (18.3 g, 0.28 mol), mercury (13.55 g, 1 mL, 0.0676 mol), and 500 mL of distilled water. Following stimulation with N2 for 1 h, the mixture was heated to approximately 80°C to initiate the reaction. Following 2 h of stirring under a constant N2 flow, the mixture was cooled to room temperature and continuously stirred for another 48 h, during which time the reaction mixture turned into a deep blue solution. The solution was transferred to N2-purged saline bottles and stored in the refrigerator for future use. Bacteria: Clostridium autoethanogenum used is the one deposited at the German Resource Center for Biological Material (DSMZ) and allocated the accession number DSMZ 19630.
As amostras do veículo foram tomadas do reator CSTR em intervalos durante períodos de até 20 dias. Cada vez que o veículo foi amostrado cuidado foi tomado para garantir que nenhum gás fosse permitido entra ou escapar do reator.Vehicle samples were taken from the CSTR reactor at intervals over periods of up to 20 days. Each time the vehicle was sampled care was taken to ensure that no gases were allowed to enter or escape from the reactor.
Sistema de HPLC Agilent 1100 Series. Fase Móvel: Ácido Sulfú- rico a 0,0025N. Fluxo e pressão: 0,800 mL/min. Coluna: Alltech 1OA; Catálogo No. 9648, 150 x 6,5 mm, tamanho de partícula 5 μm. Temperatura da coluna: 60°C. Detector: índice Refrativo. Temperatura do detector: 45°C.Agilent 1100 Series HPLC System. Mobile Phase: 0.0025 N Sulfuric Acid. Flow and Pressure: 0.800 mL/min. Column: Alltech 1OA; Catalog No. 9648, 150 x 6.5 mm, 5 μm particle size. Column Temperature: 60°C. Detector: Refractive Index. Detector Temperature: 45°C.
400 μL da amostra e 50 μL de ZnSO4 a 0,15M e 50 μL de Ba(OH)2 a 0,15M são carregados em um tubo Eppendorf. Os tubos são centrifugados durante 10 min em 12.000rpm, 4°C. 200 μL do sobrenadante são transferidos em um frasco de HPLC, e 5μL são injetados no instrumento de HPLC.400 μL of the sample and 50 μL of 0.15M ZnSO4 and 50 μL of 0.15M Ba(OH)2 are loaded into an Eppendorf tube. The tubes are centrifuged for 10 min at 12,000 rpm, 4°C. 200 μL of the supernatant is transferred into an HPLC vial, and 5μL is injected into the HPLC instrument.
As medições foram realizadas em um micro GC Varian CP-4900 com dois canais instalados. Canal 1 foi uma coluna de peneira molecular de 10m funcionando a 70°C, 200kPa de argônio e um tempo de contrafluxo de 4,2s, ao mesmo tempo em que o canal 2 foi uma coluna PPQ de 10m funcionando a 90°C, 150kPa de hélio e nenhum contrafluxo. A temperatura do injetor para ambos canais foi 70°C. Os tempos de funcionamento foram fixados para 120s, porém todos os picos de interesse geralmente eluiriam antes de 100s.Measurements were performed on a Varian CP-4900 micro GC with two channels installed. Channel 1 was a 10 m molecular sieve column running at 70°C, 200 kPa argon and a counterflow time of 4.2 s, while channel 2 was a 10 m PPQ column running at 90°C, 150 kPa helium and no counterflow. The injector temperature for both channels was 70°C. The run times were set to 120 s, however all peaks of interest would generally elute before 100 s.
1,5 litros da solução do veículo contendo solução(s) B foi assep- ticamente e anaerobicamente transferidos em um vaso de CSTR de 2 L, e continuamente pulverizado com N2. Uma vez transferido para o vaso de fermentação, o estado de redução e pH do veículo transferido pode ser medido diretamente através das sondas. O veículo foi aquecido a 37°C e agitado em 300rpm. O veículo foi em seguida reduzido também para -130mV pela adição de solução de Cr(ll)cloreto a 0,3M.1.5 liters of the vehicle solution containing solution(s) B was aseptically and anaerobically transferred into a 2 L CSTR vessel, and continuously sparged with N2. Once transferred to the fermentation vessel, the reduction state and pH of the transferred vehicle could be measured directly through the probes. The vehicle was heated to 37°C and stirred at 300 rpm. The vehicle was then further reduced to -130 mV by the addition of 0.3 M Cr(II)chloride solution.
Solução de polissulfeto (0,1% v/v, 1,5mL) foi adicionada à solução, e um precipitado preto foi observado no veículo. Uma queda inicial no potencial para -300mV foi também observada, que estabeleceu para -150mV durante várias horas. N2 foi continuamente pulverizado através da solução em seguida a adição da solução de polissulfeto.Polysulfide solution (0.1% v/v, 1.5 mL) was added to the solution, and a black precipitate was observed on the vehicle. An initial drop in potential to -300 mV was also observed, which settled to -150 mV over several hours. N2 was continuously sparged through the solution following the addition of the polysulfide solution.
Antes da inoculação, o gás foi comutado para uma mistura pré- misturada de 70% de CO, 1% de H2, 15% de CO2, e 14% de N2, que foi con-tinuamente pulverizada no caldo de fermentação por todo o experimento. Uma cultura de Clostridium autoethanogenum ativamente crescente foi inoculada no CSTR em um nível de aproximadamente 7,5% (v/v). Durante este experimento, o pH foi mantido em aproximadamente 5,5.Prior to inoculation, the gas was switched to a premixed mixture of 70% CO, 1% H2, 15% CO2, and 14% N2, which was continuously sprayed into the fermentation broth throughout the experiment. An actively growing culture of Clostridium autoethanogenum was inoculated into the CSTR at a level of approximately 7.5% (v/v). During this experiment, the pH was maintained at approximately 5.5.
Uma comparação entre a produção de metabólito e a relação de C02Produzido/COconsumido pode ser vista na figura 1. Após um longo período durante 0 qual a cultura consumiu nenhuma quantidade significante de gás, consumo de gás e produção de metabólito começou após cerca de 5 dias.A comparison between metabolite production and the ratio of CO2Produced/COconsumed can be seen in Figure 1. After a long period during which the culture consumed no significant amounts of gas, gas consumption and metabolite production started after about 5 days.
Durante os primeiros três dias a relação de C02pr0duzido/COCOnsumido permaneceu entre 0,55 e 0,62, um valor no qual 0 modelo implica etanol será produzido cocorrentemente com acetato; um aumento em ambos etanol e acetato é observado através de análise de HPLC ao mesmo tempo.During the first three days the ratio of CO2produced/COCOnsumed remained between 0.55 and 0.62, a value at which the model implies ethanol will be produced co-currently with acetate; an increase in both ethanol and acetate is observed by HPLC analysis at the same time.
No dia nove C02pr0duzido/COConsumido apontaram para 0,66, um valor projetado pelo modelo para ser indicativo de quase toda a captação de carbono sendo direcionada na produção de etanol com pouca ou nenhuma produção de acetato. A análise de HPLC deste mesmo dia mostra produção de etanol contínua pela cultura, porém o nivelamento dos níveis de acetato. Uma relação ligeiramente mais elevada indicaria o consumo de acetato, um evento observado ter ocorrido no período durante a noite entre os dias 11 e 12 de análise de HPLC quando a análise de topo livre de gás não foi realizada.On day nine, CO2 produced/CO2 consumed was 0.66, a value projected by the model to be indicative of nearly all carbon capture going into ethanol production with little or no acetate production. HPLC analysis from that same day shows continued ethanol production by the crop, but acetate levels have leveled off. A slightly higher ratio would indicate acetate consumption, an event observed to have occurred during the overnight period between days 11 and 12 of HPLC analysis when head gas analysis was not performed.
Nos dias 12 e 13, a relação se move mais próxima a 0,6, indicando produção de etanol continuada com alguma produção de acetato; novamente, uma observação equiparada pelas medições de HPLC. A partir dos dias 14 até 16, a relação aumenta em mais de 0,667, indicando a produção de etanol de consumo de acetato. Os dados de HPLC destes dias mostram acúmulo de etanol continuado, porém os níveis de acetato flutuantes, com diminuições e aumentos menores. No dia 19 a relação caiu drasticamente para menos de 0,5, sugerindo o consumo de etanol, com análise de HPLC durante o período mostrando uma redução em concentração de etanol. Após o dia 19 o consumo de gás pelo reator foi próximo de zero e a cultura foi prevista ser inativa.On days 12 and 13, the ratio moved closer to 0.6, indicating continued ethanol production with some acetate production; again, an observation matched by HPLC measurements. From days 14 through 16, the ratio increased to over 0.667, indicating ethanol production from acetate consumption. HPLC data from these days showed continued ethanol accumulation, but acetate levels fluctuated, with minor decreases and increases. By day 19 the ratio dropped sharply to less than 0.5, suggesting ethanol consumption, with HPLC analysis during this period showing a reduction in ethanol concentration. After day 19, reactor gas consumption was close to zero and the culture was predicted to be dormant.
1,5 litros da solução do veículo sem a solução(s) B,foi assepti- camente e anaerobicamente transferido em um vaso de CSTR de 2L, e continuamente pulverizado com N2. Uma vez transferidos para o vaso de fermentação, o estado de redução e pH do veículo transferido pode ser medido diretamente através das sondas. O veículo foi aquecido a 37°C e agitado em 300rpm. O veículo foi em seguida reduzido também para -130mV pela adição de solução de Cr(ll)cloreto de 0,3M.1.5 liters of the vehicle solution without solution(s) B were aseptically and anaerobically transferred into a 2 L CSTR vessel and continuously sparged with N2. Once transferred to the fermentation vessel, the reduction state and pH of the transferred vehicle could be measured directly through the probes. The vehicle was heated to 37°C and stirred at 300 rpm. The vehicle was then reduced further to -130 mV by the addition of 0.3 M Cr(II)chloride solution.
A solução de polissulfeto (solução a 3M, 1,0mL) foi adicionada a solução. Uma queda inicial no potencial para -220mV foi também observada, que estabeleceu para -100mV durante várias horas. Em seguida as 12 horas de pulverização contínua com N2, a solução(s) D foi adicionada à solução e o ORP ajustado para aproximadamente -200mV por adição de Cr(ll).Polysulfide solution (3M solution, 1.0 mL) was added to the solution. An initial drop in potential to -220 mV was also observed, which settled to -100 mV over several hours. Following 12 h of continuous N2 sparging, solution(s) D was added to the solution and the ORP adjusted to approximately -200 mV by addition of Cr(II).
Antes da inoculação, o gás foi comutado para uma mistura pré- misturada de 70% de CO, 1% de H2, 15% de CO2, e 14% de N2, que foi con-tinuamente pulverizada no caldo de fermentação em todo o experimento. Uma cultura de Clostridium autoethanogenum ativamente crescente foi inoculada no CSTR em um nível de aproximadamente 7,5% (v/v). Durante este experimento, o pH foi não externamente controlado.Prior to inoculation, the gas was switched to a premixed mixture of 70% CO, 1% H2, 15% CO2, and 14% N2, which was continuously sprayed into the fermentation broth throughout the experiment. An actively growing culture of Clostridium autoethanogenum was inoculated into the CSTR at a level of approximately 7.5% (v/v). During this experiment, the pH was not externally controlled.
Uma comparação entre a produção de metabólito e a relação de C02prodiizido/COconsumido pode ser vista na figura 2. Após um longo período durante o qual a cultura consumiu nenhuma quantidade significante de gás, o consumo de gás e produção de metabólito começou por volta do dia 3. Inicialmente o CO2prθduzido/COconsumido é observado ser muito elevado, na realidade, acima de 1:1. Os valores calculados acima de 1:1 são tratados pelo modelo como sendo igual a 1:1. Uma relação desta sugere o consume elevado de acetato e produção de etanol. A análise de HPLC neste período de tempo mostrou uma diminuição correspondente nos níveis de acetato e um aumento em etanol. Entre o dia 5 e 9, a relação cai entre 0,6 e 0,5, indicando que a produção de etanol cocorrente com a produção de acetato, de a- cordo com a análise de HPLC. Entre os dias 8 e 11 a relação de C02pr0duzido/COconsumido cai para abaixo de 0,5, indicando o consumo de etanol. Nos dias 9 e 10 a análise de HPLC mostra uma queda na concentração de etanol. Após o dia 11 a relação aumenta para acima de 0,667, indicando que a produção de etanol do consumo de acetato, de acordo com a diminuição observada em acetato de análise de HPLC. Este consumo fica mais pronunciado nos dias 13 e 14, com um salto correspondente na relação acima 1:1.A comparison of metabolite production and the ratio of CO2 produced/CO2 consumed can be seen in Figure 2. After a long period during which the culture consumed no significant amounts of gas, gas consumption and metabolite production began around day 3. Initially the CO2 produced/CO2 consumed is observed to be very high, in fact above 1:1. Calculated values above 1:1 are treated by the model as being equal to 1:1. Such a ratio suggests high acetate consumption and ethanol production. HPLC analysis over this time period showed a corresponding decrease in acetate levels and an increase in ethanol. Between days 5 and 9, the ratio drops to between 0.6 and 0.5, indicating that ethanol production is co-occurring with acetate production, according to HPLC analysis. Between days 8 and 11 the ratio of CO2 produced/CO2 consumed drops to below 0.5, indicating ethanol consumption. On days 9 and 10 HPLC analysis shows a drop in ethanol concentration. After day 11 the ratio increases to above 0.667, indicating that ethanol production is due to acetate consumption, in agreement with the observed decrease in acetate from HPLC analysis. This consumption becomes more pronounced on days 13 and 14, with a corresponding jump in the ratio above 1:1.
Durante o período do dia 15 ao dia 18, nenhum topo livre de gás foi realizado, embora a análise de HPLC mostre uma diminuição gradual nos níveis de etanol e um ligeiro aumento em acetato.During the period from day 15 to day 18, no free gas top was realized, although HPLC analysis showed a gradual decrease in ethanol levels and a slight increase in acetate.
No dia 19 quando a análise de topo livre foi resumida, a relação foi acima de 0,667, indicando a produção de etanol e consumo de acetato. A análise de HPLC mostrou que os níveis de etanol aumentaram acentua- damente durante o período onde nenhuma amostragem foi realizada, porém os níveis de acetato continuaram mais ou menos estáticos. Nenhuma outra coleção de dados foi realizada na cultura após o dia 20.On day 19 when free top analysis was resumed, the ratio was above 0.667, indicating ethanol production and acetate consumption. HPLC analysis showed that ethanol levels increased sharply during the period when no sampling was performed, but acetate levels remained more or less static. No further data collection was performed on the culture after day 20.
O veículo foi preparado como segue: 85% de H3PO4 (45mmols) foi adicionado a uma solução de 1,5L da solução A. O pH do veículo foi a- justado para 5,3 pela adição de uma solução a 5M de NaOH. A solução de veículo foi esterilizada por autoclavagem durante 30 minutos a 121 °C, ou por esterilização do filtro antes do uso. Resazurina foi adicionada como um indicador redox. A solução do veículo foi assepticamente e anaerobicamente transferida em um vaso de CSTR de 1,5 L, e continuamente pulverizada com N2. Uma vez transferido para o vaso de fermentação, o estado de redução e o pH do veículo transferido pode ser medido diretamente através de sondas. O veículo foi aquecido a 37°C e agitado em 300rpm.The vehicle was prepared as follows: 85% H3PO4 (45 mmol) was added to a 1.5 L solution of solution A. The pH of the vehicle was adjusted to 5.3 by the addition of a 5 M NaOH solution. The vehicle solution was sterilized by autoclaving for 30 min at 121 °C, or by filter sterilization before use. Resazurin was added as a redox indicator. The vehicle solution was aseptically and anaerobically transferred into a 1.5 L CSTR vessel, and continuously sparged with N2. Once transferred to the fermentation vessel, the reduction state and pH of the transferred vehicle could be measured directly by probes. The vehicle was heated to 37 °C and stirred at 300 rpm.
A solução de sulfeto de sódio (3,75mL de uma solução a 0,2M) foi adicionada, seguida por ácido nitriloacético (1,5ml_ de uma solução a 0,1M), a solução B de metal de traço (1,5mL) Na2WO4 (1,5ml_ de uma solução a 0,01 M) em seguida a Solução C de vitamina B (15ml_). ORP da solução foi ajustado para aproximadamente -200mV utilizando a solução de Cr(ll).Sodium sulfide solution (3.75 mL of a 0.2 M solution) was added, followed by nitriloacetic acid (1.5 mL of a 0.1 M solution), trace metal solution B (1.5 mL) Na2WO4 (1.5 mL of a 0.01 M solution) then vitamin B solution C (15 mL). The ORP of the solution was adjusted to approximately -200 mV using the Cr(II) solution.
Antes da inoculação, o gás foi comutado para uma mistura de 33% de H2, 23% de N2, 31% de CO, 13% de CO2.Prior to inoculation, the gas was switched to a mixture of 33% H2, 23% N2, 31% CO, 13% CO2.
Uma cultura de Clostridium autoethanogenum ativamente crescente foi inoculada no CSTR em um nível de aproximadamente 10% (v/v). Durante este experimento, o pH foi mantido em aproximadamente 5,3 e a solução de Na2S foi adicionada em uma taxa de aproximadamente 0,16mMol/dia.An actively growing culture of Clostridium autoethanogenum was inoculated into the CSTR at a level of approximately 10% (v/v). During this experiment, the pH was maintained at approximately 5.3 and Na2S solution was added at a rate of approximately 0.16mMol/day.
A agitação e fornecimento de gás foram aumentados durante o curso de tempo da fermentação em resposta às alterações na corrente de gás que sai do biorreator. De acordo com os métodos da invenção, a proporção de carbono direcionada para álcool foi mantida em um nível elevado mantendo-se um ponto de ruptura maior do que 70% porém menor do que 100%. A captação de CO, H2 e ponto de ruptura são exibidos na figura 4, ao mesmo tempo em que o crescimento microbiano e produção de metabólito são mostrados na figura 5. Mantendo-se o fornecimento de substrato de um nível para promover a produção de álcool, nenhum acetato é produzido, ao mesmo tempo em que o etanol e a biomassa se acumulam rapidamente.Agitation and gas supply were increased during the fermentation time course in response to changes in the gas stream exiting the bioreactor. In accordance with the methods of the invention, the proportion of carbon directed to alcohol was maintained at a high level by maintaining a breakpoint greater than 70% but less than 100%. The CO, H2 uptake and breakpoint are shown in Figure 4, while microbial growth and metabolite production are shown in Figure 5. By maintaining the substrate supply at a level to promote alcohol production, no acetate was produced, while ethanol and biomass rapidly accumulated.
O veículo foi preparado como segue: 85% de H3PO4 (45mmols) foi adicionado a uma solução de 1,5L da solução A. O pH do veículo foi a- justado para 5,3 pela adição de uma solução a 5M de NaOH. A solução do veículo foi esterilizada por autoclavagem durante 30 minutos a 121 °C, ou por esterilização de filtro antes do uso. Resazurina foi adicionado como um indicador redox. A solução de veículo foi assepticamente e anaerobicamente transferida para dentro de um vaso CSTR de 1,5 L, e continuamente pulverizada com N2. Uma vez transferido para o vaso de fermentação, o estado de redução e pH do veículo transferido podem ser medidos diretamente através das sondas. O veículo foi aquecido a 37°C e agitado em 300rpm.The vehicle was prepared as follows: 85% H3PO4 (45 mmol) was added to a 1.5 L solution of solution A. The pH of the vehicle was adjusted to 5.3 by the addition of a 5 M NaOH solution. The vehicle solution was sterilized by autoclaving for 30 min at 121 °C, or by filter sterilization before use. Resazurin was added as a redox indicator. The vehicle solution was aseptically and anaerobically transferred into a 1.5 L CSTR vessel, and continuously sparged with N2. Once transferred to the fermentation vessel, the reduction state and pH of the transferred vehicle could be measured directly through the probes. The vehicle was heated to 37 °C and stirred at 300 rpm.
A solução de sulfeto de sódio (3,75mL de uma solução a 0,2M) foi adicionada, seguido por ácido nitriloacético (1,5mL de uma solução a 0,1M), solução B de metal traço B (1,5mL) Na2WO4 (1,5ml_ de uma solução a 0,01 M) em seguida solução C de Vitamina B (15ml_). ORP da solução foi ajustado para aproximadamente -200mV utilizando a solução de Cr(ll).Sodium sulfide solution (3.75 mL of a 0.2 M solution) was added, followed by nitriloacetic acid (1.5 mL of a 0.1 M solution), trace metal B solution (1.5 mL), Na2WO4 (1.5 mL of a 0.01 M solution) and then Vitamin B solution C (15 mL). The ORP of the solution was adjusted to approximately -200 mV using the Cr(II) solution.
Antes da inoculação, o gás foi comutado para uma mistura de 50% de CO e 50% de N2, que foi continuamente pulverizado no caldo de fermentação em todo o experimento. Uma cultura de Clostridium autoethanogenum ativamente crescente foi inoculada no CSTR em um nível de aproximadamente 10% (v/v). Durante a fermentação, o pH foi mantido em aproximadamente 5,3 e a solução de Na2S foi adicionada em uma taxa de aproximadamente 0,16mMol/dia.Prior to inoculation, the gas was switched to a mixture of 50% CO and 50% N2, which was continuously sprayed into the fermentation broth throughout the experiment. An actively growing culture of Clostridium autoethanogenum was inoculated into the CSTR at a level of approximately 10% (v/v). During fermentation, the pH was maintained at approximately 5.3 and Na2S solution was added at a rate of approximately 0.16mMol/day.
A agitação e o fornecimento de gás foram aumentados durante o curso de tempo da fermentação em resposta às alterações na corrente de gás que sai do biorreator. De acordo com os métodos da invenção, a relação de C02pr0duzido/COConsumido foi mantida em aproximadamente 0,667 tal que substancialmente todo o carbono seja direcionado para a produção de álcool. A captação de CO e relação de C02produzido/COConsumido são exibidas na figura 6, ao mesmo tempo em que o crescimento microbiano e produção de metabolite são mostrados na figura 7. Mantendo-se o fornecimento de substrato em um nível para promover a produção de álcool, nenhum acetato é produzido, ao mesmo tempo em que o etanol e a biomassa se acumulam rapidamente.Agitation and gas supply were increased during the fermentation time course in response to changes in the gas stream exiting the bioreactor. In accordance with the methods of the invention, the ratio of CO2 produced/CO2 consumed was maintained at approximately 0.667 such that substantially all of the carbon was directed toward alcohol production. The CO uptake and ratio of CO2 produced/CO2 consumed are shown in Figure 6, while microbial growth and metabolite production are shown in Figure 7. By maintaining the substrate supply at a level to promote alcohol production, no acetate was produced, while ethanol and biomass rapidly accumulated.
Um CSTR de 2L foi configurado sob as seguintes condições: Veículo foi preparado como segue: 85% de H3PO4 (30 mM) foi adicionado a 1,5 de solução A. O pH do veículo foi ajustado para 5,3 pela adição de NH4OH. A solução de veículo foi esterilizada por autoclavagem durante 30 minutos a 121 °C, ou por esterilização do filtro antes do uso. Resazurina foi adicionada como um inicador redox. A solução de veículo foi assepticamente e anaero- bicamente transferida em um vaso de CSTR de 1,5 L, e continuamente pulverizada com N2. Uma vez que transferido para o vaso de fermentação, o estado de redução e o pH do veículo transferido podem ser medidos diretamente através de sondas. O veículo foi aquecido a 37°C e agitado a 300rpm, em seguida a solução B de metal traço incluindo 0,3Mol/l_ de ácido nitriloacético (1,5mL), em seguida Na2WO4 (1,5ml_ de uma solução a 0,01 M) m seguida Solução C (15mL) foram adicionados. Antes da inoculação, o gás foi comutado para 2% de H2, 28% de N2, 48% de CO, e 22% de CO2. Uma cultura de Clostridium autoethanogenum ativamente crescente foi inoculado no CSTR em um nível de aproximadamente 10% (v/v). Durante este experimento, a solução de Na2S (0,2M) foi adicionada em uma taxa de aproximadamente 0,3ml/hora.A 2 L CSTR was set up under the following conditions: Vehicle was prepared as follows: 85% H3PO4 (30 mM) was added to 1.5 µL solution A. The pH of the vehicle was adjusted to 5.3 by the addition of NH4OH. The vehicle solution was sterilized by autoclaving for 30 min at 121 °C, or by filter sterilization before use. Resazurin was added as a redox initiator. The vehicle solution was aseptically and anaerobically transferred into a 1.5 L CSTR vessel, and continuously sparged with N2. Once transferred to the fermentation vessel, the reduction state and pH of the transferred vehicle could be directly measured through probes. The vehicle was heated to 37°C and stirred at 300 rpm, then trace metal solution B including 0.3 mol/l_ nitriloacetic acid (1.5 mL), then Na2WO4 (1.5 mL_ of a 0.01 M solution) and then Solution C (15 mL) were added. Prior to inoculation, the gas was switched to 2% H2, 28% N2, 48% CO, and 22% CO2. An actively growing culture of Clostridium autoethanogenum was inoculated into the CSTR at a level of approximately 10% (v/v). During this experiment, Na2S solution (0.2 M) was added at a rate of approximately 0.3 mL/hr.
A cultura microbiana foi permitida crescer no modo de batelada durante aproximadamente 1 dia. No dia 1, a fermentação foi comutada para operação contínua onde o veículo fresco foi fornecido para obter uma taxa de diluição de aproximadamente 1 a 1,8. O fornecimento de substrato foi aumentado em resposta aos requerimentos da cultura microbiana.The microbial culture was allowed to grow in batch mode for approximately 1 day. On day 1, fermentation was switched to continuous operation where fresh vehicle was supplied to obtain a dilution ratio of approximately 1 to 1.8. Substrate supply was increased in response to the requirements of the microbial culture.
Os resultados da fermentação são mostrados na figura 8. A taxa de fornecimento de substrato e taxa de agitação foram aumentados ou diminuídos durante o curso de tempo da fermentação em resposta às alterações na proporção de CO convertido para CO2. De acordo com a invenção, a operação contínua sustentável foi obtida mantendo-se uma relação de CO2/CO de aproximadamente 0,62-0,64. A operação continua sustentável resultou em uma biomassa estável de aproximadamente 3g/L, concentração de acetato substancialmente estável de aproximadamente 5g/L e concentração de etanol substancialmente estável de pelo menos 10g/L. A captação de CO específico pela cultura microbiana foi mantida aproximadamente 1,0mmol/g/min.The fermentation results are shown in Figure 8. The substrate supply rate and agitation rate were increased or decreased during the time course of the fermentation in response to changes in the ratio of CO converted to CO2. In accordance with the invention, sustainable continuous operation was achieved by maintaining a CO2/CO ratio of approximately 0.62-0.64. Sustainable continuous operation resulted in a stable biomass of approximately 3 g/L, substantially stable acetate concentration of approximately 5 g/L and substantially stable ethanol concentration of at least 10 g/L. Specific CO uptake by the microbial culture was maintained at approximately 1.0 mmol/g/min.
A fermentação de um substrato compreendendo CO por uma cultura microbiana carboxidotrófica compreendida em meio nutriente líquido, onde as condições (tal como aquelas bem conhecidas na técnica) promovem o crescimento rápido da cultura com produção concomitante de acetato. Sob tais condições, a relação de C02produZido/COConsumido idealmente será mantida em aproximadamente 0,5. Entretanto, em um estágio quando um operador deseja comutar a cultura de produção de acetato para produção de álcool, um ou ajustes podem ser feitos. Em modalidades particulares, o pH do meio nutriente líquido pode ser diminuído tal que pelo menos uma porção da cultura microbiana seja transitada para um estado onde o álcool é produzido. Quando a transição desejada é feita a relação de CO2produzido/COConsumido aumentará para aproximadamente 0,667. Em outra modalidade, no lugar de manualmente alterando o pH, o ajuste pode ser realizado cessando-se o controle do pH tal que a cultura microbiana pudesse sozinha regular o pH.The fermentation of a substrate comprising CO by a carboxydotrophic microbial culture comprised in a liquid nutrient medium, where conditions (such as those well known in the art) promote rapid growth of the culture with concomitant production of acetate. Under such conditions, the ratio of CO2 produced/CO2 consumed will ideally be maintained at approximately 0.5. However, at a stage when an operator wishes to switch the culture from acetate production to alcohol production, one or more adjustments may be made. In particular embodiments, the pH of the liquid nutrient medium may be lowered such that at least a portion of the microbial culture is transitioned to a state where alcohol is produced. When the desired transition is made the ratio of CO2 produced/CO2 consumed will increase to approximately 0.667. In another embodiment, rather than manually altering the pH, the adjustment may be accomplished by ceasing pH control so that the microbial culture alone could regulate the pH.
A fermentação de um substrato compreendendo CO por uma cultura microbiana carboxidotrófica em meio nutriente líquido, onde as condições (tais como aquelas bem conhecidas na técnica) promovem a produção de álcool. Sob tais condições, a relação de CO2produzido/COconsumido idealmente será mantida em aproximadamente 0,667. Entretanto, se a relação de C02produzido/COconsumido desvia deste valor, por exemplo caindo para aproximadamente 0,5, um ou mais ajustes podem ser feitos para aumentar a relação de volta para o valor ideal. Por exemplo, o componente de hidrogênio da corrente de gás pode ser aumentado tal que a produção de álcool seja promovida.The fermentation of a substrate comprising CO by a carboxydotrophic microbial culture in liquid nutrient medium, where conditions (such as those well known in the art) promote the production of alcohol. Under such conditions, the ratio of CO2 produced/CO2 consumed will ideally be maintained at approximately 0.667. However, if the ratio of CO2 produced/CO2 consumed deviates from this value, for example falling to approximately 0.5, one or more adjustments may be made to increase the ratio back to the ideal value. For example, the hydrogen component of the gas stream may be increased such that alcohol production is promoted.
A invenção foi descrita aqui com referência a certas modalidades preferidas, para permitir que o leitor pratique a invenção sem experimentação indevida. Aqueles versados na técnica apreciarão que a invenção seja susceptível às variações e modificações diferentes daquelas especificamente descritas. Deve ser entendido que a invenção inclui todas tais variações e modificações. Além disso, títulos, cabeçalhos, ou similares são fornecidos para melhorar a compreensão do leitor deste documento, e não deve ser interpretado como limitando o escopo da presente invenção. A descrição total de todos os pedidos, patentes e publicações citados acima e abaixo, se algum, está aqui incorporada por referência.The invention has been described herein with reference to certain preferred embodiments, to enable the reader to practice the invention without undue experimentation. Those skilled in the art will appreciate that the invention is susceptible to variations and modifications other than those specifically described. It should be understood that the invention includes all such variations and modifications. In addition, titles, headings, or the like are provided to enhance the reader's understanding of this document, and should not be construed as limiting the scope of the present invention. The full description of all applications, patents, and publications cited above and below, if any, is incorporated herein by reference.
A referência a qualquer técnica anterior nesta especificação não é, e não deve ser tomada como, um reconhecimento ou qualquer forma de sugestão que aquela técnica anterior forma parte do conhecimento geral comum no campo de tentativa em qualquer país no mundo.Reference to any prior art in this specification is not, and should not be taken as, an acknowledgement or any form of suggestion that that prior art forms part of the common general knowledge in the field of endeavor in any country in the world.
Em toda esta especificação e qualquer reivindicação que segue, a menos que o contexto requeira de outro modo, as palavras "compreende", "compreendendo" e similares, devem ser consideradas em um sentido inclusivo quando opostas a um sentido exclusivo, isto é, no sentido de "incluir, porém não limitado a".Throughout this specification and any claims that follow, unless the context otherwise requires, the words "comprises," "comprising," and the like, are to be taken in an inclusive sense as opposed to an exclusive sense, that is, in the sense of "including but not limited to."
Claims (9)
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14828209P | 2009-01-29 | 2009-01-29 | |
| US61/148,282 | 2009-01-29 | ||
| US25988709P | 2009-11-10 | 2009-11-10 | |
| US61/259,887 | 2009-11-10 | ||
| PCT/NZ2010/000009 WO2010093262A1 (en) | 2009-01-29 | 2010-01-29 | Alcohol production process |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BRPI1008162A2 BRPI1008162A2 (en) | 2014-01-07 |
| BRPI1008162B1 true BRPI1008162B1 (en) | 2025-01-28 |
Family
ID=
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